計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)s

1、計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制系統(tǒng)（學(xué)時(shí)數(shù)：54）參考教材：【1】 陳濤，單片機(jī)應(yīng)用及C51程序設(shè)計(jì)，機(jī)械工業(yè)出版社，2008.【2】 徐愛鈞，智能化測(cè)量控制儀表原理與設(shè)計(jì)（第二版），北京航空航天大學(xué)出版社，2004。【3】 馬忠梅，單片機(jī)的C語(yǔ)言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)（3/4版），北航版，2003/2007?！?】 李剛、林凌，現(xiàn)代測(cè)控電路，高等教育出版社，2004?！?】 韓九強(qiáng)、等，現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)與系統(tǒng)，清華大學(xué)出版社，2007。課程介紹：本課程是在本科階段學(xué)習(xí)了有關(guān)基礎(chǔ)課程與專業(yè)課程的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步了解和掌握計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計(jì)方法與過(guò)程，并通過(guò)實(shí)例分析與實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制作掌握基本的設(shè)計(jì)、調(diào)

2、試與操作技能。學(xué)習(xí)的重點(diǎn)有三個(gè)方面：第一，深入理解與掌握一種以上的單片機(jī)體系結(jié)構(gòu)與基本應(yīng)用技巧（目前以MCS-51兼容機(jī)為主），單片機(jī)的C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、編程與調(diào)試方法。第二，使用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)基本物理量的測(cè)量（例如，電量測(cè)量、溫度測(cè)量）。第三，使用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)基本物理量的控制（溫度控制）。主要內(nèi)容與安排(18周*3課時(shí))：1緒論，本課程的安排等一般性介紹2. 智能化測(cè)控系統(tǒng)中的MCU/MPU，新型MCS-51兼容單片機(jī)；電量計(jì)算軟件設(shè)計(jì)。3. 集成開發(fā)環(huán)境IDE/Keil uVision2/C51編譯器；電量計(jì)算軟件設(shè)計(jì)。4. 實(shí)驗(yàn)板硬件與功能介紹/安裝與使用/入門程序5. 數(shù)字時(shí)鐘程序設(shè)計(jì)與調(diào)試6

3、. 同上7. 參數(shù)與操作面板8. 參數(shù)設(shè)置程序設(shè)計(jì)9. 機(jī)動(dòng)安排10溫度測(cè)量/數(shù)字溫度傳感器DS18B2011. 溫度測(cè)量程序設(shè)計(jì)12. 溫度控制及其算法13. 溫度控制程序設(shè)計(jì)14. 同上15. 超聲波測(cè)距的原理與實(shí)現(xiàn)16. 超聲波測(cè)距（分體式）程序設(shè)計(jì)17. 同上18. 機(jī)動(dòng)安排課程設(shè)計(jì)題目及要求：1 電量計(jì)算程序設(shè)計(jì)編寫一個(gè)計(jì)算交流電有效值、功率與功率因數(shù)的程序。假設(shè)已經(jīng)得到了電流與電壓的采樣數(shù)據(jù)（10位A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果），零點(diǎn)對(duì)應(yīng)采樣值為512。先按照有效值的定義編寫程序，然后進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定采用峰-峰值為256的交流信號(hào)數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)的電流為10安培，電壓為100伏特。再用直流信號(hào)的數(shù)據(jù)進(jìn)行

4、驗(yàn)證。進(jìn)一步對(duì)電流與電壓信號(hào)進(jìn)行諧波分析，編寫FFT程序，并用模擬的標(biāo)準(zhǔn)采樣數(shù)據(jù)對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。2 數(shù)字時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)在給定的硬件系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)基本的數(shù)字時(shí)鐘功能（含時(shí)間設(shè)定功能）。3.參數(shù)設(shè)置程序設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)一個(gè)參數(shù)設(shè)置功能的程序。參數(shù)號(hào)為0-9，每個(gè)參數(shù)的缺省參數(shù)值、上限與下限均由表格給定，2位數(shù)值顯示。發(fā)揮部分：參數(shù)號(hào)為0-99，4位數(shù)值顯示，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)參數(shù)的快速設(shè)定與15秒自動(dòng)退出功能。4超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)針對(duì)給定的超聲波測(cè)距硬件系統(tǒng)編寫相應(yīng)的軟件，實(shí)現(xiàn)基本的測(cè)距功能。測(cè)量范圍為10-200cm，動(dòng)態(tài)顯示結(jié)果。發(fā)揮部分（1）：進(jìn)一步增加測(cè)量范圍，提高測(cè)量精度。 （2）：實(shí)現(xiàn)基于測(cè)距原理的超聲波主

5、動(dòng)目標(biāo)定位。5溫度測(cè)量與控制系統(tǒng)針對(duì)給定的硬件系統(tǒng)編寫相應(yīng)的軟件，實(shí)現(xiàn)基本的溫度測(cè)量與顯示功能，測(cè)量精度為0.1度。在此基礎(chǔ)上利用電阻加溫進(jìn)行溫度控制。利用鍵盤操作實(shí)現(xiàn)溫度的設(shè)定（30-100度）。發(fā)揮部分（1）：用不同的方法進(jìn)行溫度控制，并比較優(yōu)缺點(diǎn)。 （2）：在外界干擾下（小風(fēng)扇吹風(fēng)）能夠盡快達(dá)到新的穩(wěn)定點(diǎn)。（3）：開機(jī)進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置，退出后進(jìn)行溫度控制。實(shí)現(xiàn)具有上下限幅、快速改變數(shù)值功能的參數(shù)設(shè)定（設(shè)定參數(shù)范圍為0-800）。設(shè)計(jì)報(bào)告要求：（1） 任務(wù)可行性分析（所需要的功能如何實(shí)現(xiàn)）。（2） 程序結(jié)構(gòu)流程框圖。（3） C語(yǔ)言程序的關(guān)鍵程序段及說(shuō)明。（4） 總結(jié)（對(duì)自己工作的評(píng)價(jià)、改進(jìn)與提

6、高的設(shè)想等）。（5） 源程序電子文檔。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程與規(guī)范一以產(chǎn)品開發(fā)為目標(biāo)的設(shè)計(jì)過(guò)程1.技術(shù)可行性分析與論證2.原理設(shè)計(jì)/總體規(guī)劃3各個(gè)獨(dú)立組成部分的設(shè)計(jì)4.電路板設(shè)計(jì)/調(diào)試（一般需要經(jīng)過(guò)多次反復(fù)才能完善）5.軟件/硬件聯(lián)合調(diào)試（也要經(jīng)過(guò)若干次反復(fù)修改）6.出樣機(jī)/產(chǎn)品試驗(yàn)（如果試驗(yàn)無(wú)法通過(guò)還要進(jìn)行修改）7.技術(shù)文件匯總/移交生產(chǎn)部門整個(gè)過(guò)程少則幾個(gè)月，多則幾年時(shí)間才能完成。二硬件開發(fā)技術(shù)規(guī)范1.安全性（一票否決）2.可靠性（產(chǎn)品試驗(yàn)）EMC3實(shí)用性（標(biāo)準(zhǔn)功能/用戶要求）4.標(biāo)準(zhǔn)化（企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)）三軟件開發(fā)技術(shù)規(guī)范1.合理性（對(duì)于系統(tǒng)的各種資源如何充分合理地利用

7、）2.實(shí)用性（標(biāo)準(zhǔn)功能/用戶要求/市場(chǎng)導(dǎo)向）3可靠性（評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)）4.標(biāo)準(zhǔn)化（軟件標(biāo)準(zhǔn)）其中，合理利用系統(tǒng)資源需要有對(duì)于系統(tǒng)各種功能的全面了解與使用經(jīng)驗(yàn)的積累。就CPU系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)的資源包括：運(yùn)行時(shí)間、存儲(chǔ)器、中斷以及所具有的各種功能模塊（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串行接口SPI、并行接口PPI、通信接口、信號(hào)控制接口、A/D與D/A接口等）。舉例來(lái)說(shuō)，一個(gè)超聲波測(cè)量距離的程序設(shè)計(jì)，可以不使用任何其它資源，完全利用程序的查詢功能實(shí)現(xiàn)。但是單片機(jī)本身已有的資源不用就明顯是不合理的。一般來(lái)說(shuō)，中斷是計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的重要資源，一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)沒(méi)有使用中斷就不是一個(gè)好的程序（除非很簡(jiǎn)單的程序）。但是，過(guò)多地使用某一

8、種資源肯定也是不合理的。例如，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中使用了3個(gè)以上的中斷就很難保證系統(tǒng)的可靠性。軟件設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化也是非常重要的方面，特別是對(duì)于大型和復(fù)雜程序的設(shè)計(jì)。為了保證程序的維護(hù)性，必須遵循相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，包括流程框圖和程序的注釋。很多人并不重視這方面的工作，實(shí)際上會(huì)對(duì)以后的工作造成很大影響。流程框圖的繪制應(yīng)該是由粗到細(xì)，逐步細(xì)化，直到能夠轉(zhuǎn)化為程序（指令）。四典型實(shí)例實(shí)際上軟件流程框圖中只有兩個(gè)基本元素：過(guò)程與分支。其余的元素都是些輔助元素（如入口、出口、返回等）和組合元素（如循環(huán)、散轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)等）。一個(gè)過(guò)程可以是一條語(yǔ)句（操作），也可以是多條語(yǔ)句直至一個(gè)很大的子程序。例如一個(gè)初始化過(guò)程，

9、可以是：x=0;/參數(shù)初始化也可以是：TMOD=0x01;/定時(shí)器T0初始化TL=0x00;/定時(shí)器T0計(jì)數(shù)初值TH=0xcc;還可以是：display();/調(diào)用顯示子程序如此等等。分支是由判斷語(yǔ)句和相應(yīng)的操作共同組成的，其結(jié)構(gòu)如下：if(條件)過(guò)程（操作）一；else過(guò)程（操作）二；有時(shí)語(yǔ)句中無(wú)else過(guò)程（操作）二；這實(shí)際是簡(jiǎn)化的分支。多個(gè)分支語(yǔ)句連續(xù)使用，就形成了散轉(zhuǎn)。為了簡(jiǎn)化編程，使用switch語(yǔ)句，實(shí)際上最終的機(jī)器語(yǔ)言是一樣的。各種循環(huán)語(yǔ)句最終也還是利用分支語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)的。入口以下是動(dòng)態(tài)顯示程序的框圖和相應(yīng)的C語(yǔ)言程序。voiddisplay();重新設(shè)置初值TH0=0xee;/5m

10、STL0=0x00;if(dpt<3) dpt+;顯示指針處理else dpt=0;/動(dòng)態(tài)顯示計(jì)數(shù)器P0 = tabdpbufdpt;輸出顯示內(nèi)容顯示第0位dpt = 0？if(dpt=0)dp1 = dp2 = dp3 = 1;dp0 = 0;dpt = 1？if(dpt=1顯示第1位)dp0 = dp2 = dp3 = 1;dp1 = 0;dpt = 2？顯示第2位if(dpt=2)dp0 = dp1 = dp3 = 1;dp2 = 0;顯示第3位else dp0 = dp1 = dp2 = 1;dp3 = 0;出口其中的入口與出口所對(duì)應(yīng)的就是函數(shù)名與括號(hào)。多重分支語(yǔ)句也可以用swi

11、tch語(yǔ)句代替，使程序更為簡(jiǎn)潔：switch(dpt)case 0:dp1 = dp2 = dp3 = 1;dp0=0;break;case 1:dp0 = dp2 = dp3 = 1;dp1=0;break;case 2:dp0 = dp1 = dp3 = 1;dp2=0;break;case 3:dp0 = dp1 = dp2 = 1;dp3=0;從事計(jì)算機(jī)開發(fā)的人需要有一定的悟性（基礎(chǔ)反倒不是問(wèn)題），更需要有“三心”：細(xì)心- 一絲不茍；耐心- 孜孜不倦；恒心- 持之以恒（積累）。有志者事竟成，大家共勉！嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)電量計(jì)算程序設(shè)計(jì)一技術(shù)要求：利用單片機(jī)進(jìn)行基本的電量計(jì)算（電流與電壓的有

12、效值、功率與功率因數(shù)，進(jìn)一步再深入進(jìn)行諧波分析）。假設(shè)已經(jīng)得到電流與電壓的10位A/D采樣數(shù)據(jù)DI32和DV32。計(jì)算SI、SV、SW、SP以及PHAI（所有結(jié)果用16位整數(shù)表示，功率因數(shù)放大100倍）二功能實(shí)現(xiàn)：首先給出有關(guān)的公式如下：有效值計(jì)算：；視在功率：S=I×V；有功功率：；功率因數(shù)：；注意一般情況下。然后對(duì)上面的公式進(jìn)行離散化，得到離散化的計(jì)算公式。；由于最后的計(jì)算結(jié)果涉及到電路和傳感器的增益，因此可以將所有的系數(shù)歸并后再統(tǒng)一進(jìn)行標(biāo)定處理。系數(shù)KP與KI、KV之間具有一定關(guān)系。三軟件設(shè)計(jì)：這一類的程序顯然應(yīng)該利用循環(huán)語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)，具體形式為：for(k=0;k<T;k+

13、) /累加計(jì)算程序中需要仔細(xì)考慮變量的類型定義，這是初學(xué)者最容易出現(xiàn)的問(wèn)題。從應(yīng)用的角度考慮，應(yīng)該盡量不使用浮點(diǎn)計(jì)算。而定點(diǎn)數(shù)計(jì)算很容易出現(xiàn)類型轉(zhuǎn)換信息丟失與數(shù)值溢出問(wèn)題。將計(jì)算程序?qū)懗珊瘮?shù)形式，以便主程序調(diào)用。四程序調(diào)試：熟悉利用調(diào)試工具觀察計(jì)算結(jié)果及排查軟件錯(cuò)誤的方法。程序的調(diào)試是任何軟件設(shè)計(jì)不可避免的過(guò)程。具體又分為純軟件調(diào)試和軟件與硬件的聯(lián)合調(diào)試。純軟件的調(diào)試不涉及硬件，主要是解決程序本身的正確性。程序編寫完成后，一般可以用一些標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)果的驗(yàn)證。驗(yàn)證數(shù)據(jù)要足夠多且具有代表性，例如電量計(jì)算應(yīng)該有不同的采樣數(shù)據(jù)大小，而且應(yīng)該包含特殊情況（例如恒定的直流信號(hào)）。即使驗(yàn)證數(shù)據(jù)計(jì)算正確，仍

14、然可能出現(xiàn)意想不到的問(wèn)題。軟件與硬件的聯(lián)合調(diào)試是在純軟件調(diào)試后進(jìn)行的，主要是解決系統(tǒng)整體的功能正確性與協(xié)調(diào)一致性。其中的難度和復(fù)雜性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于純軟件的調(diào)試，將在以后的課題中進(jìn)一步深入。% 用MATLAB編寫的有效值計(jì)算程序，用于驗(yàn)證程序的正確性與確定比例系數(shù)clear;A=128;t = 0:2*pi/32:2*pi-pi/16; %32點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)ua = A*sin(t); %產(chǎn)生正弦波形sgm = sum(ua.*ua); %計(jì)算平方和rms = sqrt(sgm/32);%計(jì)算有效值disp(sgm);disp(rms); %sgm=262144;rms=90.5097%F=fft(ua)

15、;%F(1)= -0.0000 - 2.0480i/33點(diǎn)DFT計(jì)算程序-/離散傅里葉變換的計(jì)算公式：;/分離實(shí)部與虛部后有：；k=0,1,2,32/；k=0,1,2,32/為了計(jì)算方便，將正弦余弦數(shù)值事先做成一張表，其中的數(shù)值放大1000倍。intSINTAB33=1000,982,;intCOSTAB33=0,189,;/-void DFT33(int DR,long DY)Uint16k,n,t;/實(shí)部放在DY0-DY15中;for(k=0;k<16;k+)/虛部放在DY16-DY31中;DYk=0;DYk+16=0;for(n=0;n<33;n+)t = n*k;while

16、(t >= 33)t -= 33;DYk += (long)DRn*COSTABt;DYk+16 -= (long)DRn*SINTABt;DYk=DYk/16500;/正弦余弦表系數(shù)及采樣點(diǎn)系數(shù)DYk+16=DYk+16/16500;DY32=sqrt(DY1*DY1+DY17*DY17);/基波幅值/-嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)字時(shí)鐘設(shè)計(jì)（動(dòng)態(tài)顯示）一 技術(shù)要求：利用單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱實(shí)現(xiàn)數(shù)字時(shí)鐘顯示分：秒的數(shù)值。進(jìn)一步利用鍵盤實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘的設(shè)定功能（只使用4個(gè)建即可實(shí)現(xiàn)設(shè)定，即：設(shè)定/返回，分/秒切換，增量和減量。設(shè)定時(shí)相應(yīng)的內(nèi)容閃動(dòng)顯示）。二 功能實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：利用單片機(jī)的定時(shí)器中斷實(shí)現(xiàn)5毫秒的定

17、時(shí)（動(dòng)態(tài)顯示處理），再利用軟件對(duì)5毫秒定時(shí)進(jìn)行計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)值為TCT，滿200時(shí)即為1秒，秒計(jì)數(shù)器SCT加1,同時(shí)TCT清零。滿60秒則分計(jì)數(shù)器MCT加1，同時(shí)秒計(jì)數(shù)器清零。秒計(jì)數(shù)器改變同時(shí)刷新顯示。三 硬件設(shè)計(jì)：見實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書電路圖。四 軟件設(shè)計(jì)：主程序初始化后即進(jìn)入等待循環(huán)，所有時(shí)鐘的處理均在定時(shí)器中斷中完成。動(dòng)態(tài)顯示頻率為5*4=20毫秒（50Hz），這是比較合適的頻率。每次定時(shí)中斷需要更新顯示位，因此需要設(shè)置一個(gè)顯示位計(jì)數(shù)器（0-3）。LED數(shù)碼管顯示需要使用字模查表的方法實(shí)現(xiàn)。先建立一個(gè)字模表：codeuchar tab=0x18, ;定時(shí)器中斷函數(shù)需要使用中斷函數(shù)的說(shuō)明，具體內(nèi)容見教材

18、108頁(yè)。void timer0(void) interrupt 1/<using 1>參考程序流程框圖見附圖。五 系統(tǒng)調(diào)試：利用系統(tǒng)提供的調(diào)試工具實(shí)現(xiàn)所需要的功能。具體程序可以參考教材中的例子(實(shí)驗(yàn)Y2與Y3)。無(wú)設(shè)置功能的程序流程框圖：入口開始動(dòng)態(tài)顯示處理TCT+1時(shí)鐘初始化TCT>=200？定時(shí)器初始化SCT+1,TCT=0原地踏步（停機(jī)）SCT>=60？MCT+1,SCT=0MCT>=60？MCT=0返回程序中的一些細(xì)節(jié)需要仔細(xì)分析和調(diào)試。程序的功能越多，發(fā)生問(wèn)題（bug）的幾率也越高，因此需要通過(guò)調(diào)試發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題（Debug）。開始增加設(shè)置功能的程序流

19、程框圖：時(shí)鐘初始化定時(shí)器初始化鍵按下？鍵抖動(dòng)處理設(shè)置？設(shè)置切換為了實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘設(shè)置功能，需要設(shè)置若干標(biāo)志：設(shè)置/運(yùn)行標(biāo)志，分/秒設(shè)置標(biāo)志，分/秒切換？切換操作以及閃爍顯示的標(biāo)志（位變量set,ms,df）為了簡(jiǎn)化程序設(shè)計(jì)，在定時(shí)中斷服務(wù)程序增量？中利用設(shè)置/運(yùn)行標(biāo)志實(shí)現(xiàn)分支處理。增量操作當(dāng)該標(biāo)志為0時(shí)，進(jìn)行正常的時(shí)鐘計(jì)數(shù)處理。減量？當(dāng)該標(biāo)志為1時(shí)，利用原來(lái)的5毫秒計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)0.5秒閃爍處理。減量操作入口中斷服務(wù)程序流程框圖如下：動(dòng)態(tài)顯示處理設(shè)置？設(shè)置閃爍顯示正常時(shí)鐘顯示TCT+1TCT=0，切換dfTCT+1TCT>=200？TCT>=100？返回SCT+1,TCT=0分/秒？MCT+

20、1,SCT=0SCT>=60？df=1?df=1?分消隱MCT=0MCT>=60？秒消隱分顯示秒顯示返回單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)軟件的開發(fā)過(guò)程與工具單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)軟件的開發(fā)過(guò)程大致如下：1. 編寫程序，排除語(yǔ)法錯(cuò)誤。2. 純軟件調(diào)試（無(wú)需仿真器）。3. 與硬件聯(lián)合調(diào)試（需要仿真器）。4. 將程序?qū)懭隒PU。5. 獨(dú)立運(yùn)行測(cè)試。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的調(diào)試需要一些開發(fā)環(huán)境與工具的支持，如下圖所示。開發(fā)工作站人機(jī)交互設(shè)備調(diào)試工具(仿真器)目標(biāo)板其中，目標(biāo)板就是用戶所設(shè)計(jì)的完整的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)硬件電路板。用戶在開發(fā)工作站上完成程序的編輯、編譯、軟件仿真等工作，然后將程序下載到調(diào)試工具內(nèi)，由調(diào)試工具操縱目標(biāo)

21、板運(yùn)行程序。同時(shí)將有關(guān)的運(yùn)行信息傳送到開發(fā)工作站，使用戶能夠看到有關(guān)的運(yùn)行結(jié)果。經(jīng)過(guò)反復(fù)交互，完成DEBUG的過(guò)程。調(diào)試工具（仿真器）有低檔簡(jiǎn)易型和高檔完整型之分。前者需要占用目標(biāo)板的部分資源，且一般無(wú)法對(duì)單片機(jī)的所有內(nèi)部功能模塊進(jìn)行完整的仿真。后者則不占用目標(biāo)板的任何資源，且能夠?qū)纹瑱C(jī)的運(yùn)行是實(shí)現(xiàn)完整的仿真。正因?yàn)槿绱?，后者的成本也要高得多。隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，許多微處理器已經(jīng)具有了ISP（In System Programming）的功能。在這個(gè)功能的支持下，配合一定的軟件，可以使一些微處理器具備簡(jiǎn)單仿真器的功能。在這樣的系統(tǒng)中，可以不使用專用的調(diào)試工具完成一般系統(tǒng)的調(diào)試。我

22、們所設(shè)計(jì)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)就是這樣的一個(gè)裝置。目標(biāo)板單片機(jī)在這個(gè)系統(tǒng)中，在單片機(jī)的內(nèi)部事先已經(jīng)駐留了一個(gè)監(jiān)控軟件（Monitor）。這個(gè)監(jiān)控軟件能夠通過(guò)通信接口與上級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，接收上級(jí)計(jì)算機(jī)發(fā)出的命令與數(shù)據(jù)（程序），并將單片機(jī)中的有關(guān)信息傳送回來(lái)。這個(gè)監(jiān)控軟件需要占用單片機(jī)的存儲(chǔ)器空間，并占用單片機(jī)的某些內(nèi)部資源：程序ROM：BLOCK1的0000-0FFFH；BLOCK0的FC00-FFFFH；內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM：8字節(jié)堆棧空間。串行通訊接口SPI及定時(shí)器T2。SST系列單片機(jī)所具有的看門狗和軟件復(fù)位功能。大家在理解了這個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的工作原理后，就應(yīng)該明白一些簡(jiǎn)單的操作規(guī)程：在調(diào)試狀態(tài)時(shí)必須保

23、證目標(biāo)板的供電與聯(lián)機(jī)正常；程序連續(xù)運(yùn)行時(shí)不能在上級(jí)計(jì)算機(jī)上停止程序的運(yùn)行；等等。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)置程序設(shè)計(jì)智能化測(cè)控系統(tǒng)經(jīng)常需要設(shè)置一些參數(shù)，例如前面的數(shù)字時(shí)鐘就需要設(shè)置時(shí)間和日期、鬧鐘等。參數(shù)的設(shè)置是通過(guò)人機(jī)接口實(shí)現(xiàn)的，顯示器件為數(shù)碼管或液晶屏。為了減少操作按鍵的數(shù)量，通常采用按鍵復(fù)用以及增量調(diào)整的方法。具體來(lái)說(shuō)，不管多少個(gè)參數(shù)需要設(shè)置，通常情況下只要4個(gè)按鍵就可以實(shí)現(xiàn)。這4個(gè)按鍵的功能（名稱）為：設(shè)置/取消、確認(rèn)/轉(zhuǎn)移、增量、減量。通過(guò)一些實(shí)例（例如變頻器）可以清楚地了解這4個(gè)按鍵是如何配合工作的。參數(shù)設(shè)置程序需要解決幾個(gè)方面的問(wèn)題：第一，正確識(shí)別按鍵，包括消除按鍵抖動(dòng)和重鍵，有時(shí)還要

24、識(shí)別組合鍵和超時(shí)未按鍵（空鍵）。同時(shí)，還要兼顧不同操作者的操作習(xí)慣（按鍵速度）。第二，不同的參數(shù)修改時(shí)有不同的上下限和缺省值。第三，要能夠快速修改參數(shù)，以便再短時(shí)間內(nèi)完成參數(shù)數(shù)值的大范圍變化修改。第四，重要的參數(shù)進(jìn)入設(shè)置界面需要輸入密碼，參數(shù)修改完成后需要確認(rèn)操作才能認(rèn)可。鍵盤處理的程序設(shè)計(jì)要根據(jù)具體的應(yīng)用和要求進(jìn)行。例如一個(gè)數(shù)字秒表，啟動(dòng)和停止秒表的按鍵處理就完全可以由主程序完成，且無(wú)需消除抖動(dòng)處理。前面的數(shù)字時(shí)鐘程序鍵盤的處理也比較簡(jiǎn)單，可以在主程序中完成。但是由于牽涉到動(dòng)態(tài)顯示，比較合理的處理方法是由主程序和中斷服務(wù)程序共同完成鍵盤處理的所有功能。而要實(shí)現(xiàn)象變頻器這樣復(fù)雜的功能，則需要仔

25、細(xì)規(guī)劃和分配主程序與中斷服務(wù)程序的功能，并進(jìn)行仔細(xì)和全面的調(diào)試，才能避免出現(xiàn)不希望的結(jié)果。一基本要求設(shè)計(jì)一個(gè)參數(shù)設(shè)置功能的程序。參數(shù)號(hào)為0-9，每個(gè)參數(shù)的缺省參數(shù)值、上限與下限由表格給定（可以如下設(shè)置）。缺省值：為參數(shù)號(hào)乘以10+5：5,15,25，；參數(shù)上限：100，110，120，。參數(shù)下限：0，10,20,30，。主程序?yàn)閿?shù)字時(shí)鐘程序。按下設(shè)置鍵后進(jìn)入設(shè)置狀態(tài)，此時(shí)最左位顯示參數(shù)號(hào)（帶小數(shù)點(diǎn)），右邊三位顯示參數(shù)值。按下增量及減量鍵后參數(shù)號(hào)變化，相應(yīng)的參數(shù)值也隨即顯示出來(lái)。按下確認(rèn)鍵后參數(shù)值閃爍，此時(shí)再按下增量及減量鍵則參數(shù)值改變。再次按下確認(rèn)鍵后參數(shù)修改成功，參數(shù)值停止閃爍。若此時(shí)按下設(shè)

26、置鍵則參數(shù)不修改（取消修改），并返回原來(lái)的狀態(tài)（參數(shù)值不閃爍）。再次按下設(shè)置鍵則返回主程序（數(shù)字時(shí)鐘）。進(jìn)一步的功能是實(shí)現(xiàn)參數(shù)值的快速修改。在參數(shù)值修改狀態(tài)下，按下增量及減量鍵超過(guò)2秒，參數(shù)值要能夠快速變化（連續(xù)加減），直至上限或下限。每次按鍵只要在2秒之內(nèi)，數(shù)值只能變化1。同時(shí)，若15秒未按鍵，則自動(dòng)退出當(dāng)前狀態(tài)，直至返回主程序。再進(jìn)一步，將參數(shù)號(hào)增加到0-99，參數(shù)值的范圍增加到4位數(shù)。進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置時(shí)先顯示“Pr.+參數(shù)號(hào)”，按下確認(rèn)鍵后再顯示參四位參數(shù)數(shù)值（閃爍）。快速增減時(shí)各位數(shù)變化達(dá)到10后，十位數(shù)快速增減；再次達(dá)到10后，百位數(shù)快速增減；直至最高位。二系統(tǒng)結(jié)構(gòu)這個(gè)程序的基本結(jié)構(gòu)與數(shù)

27、字時(shí)鐘基本相同，只是鍵盤處理需要利用中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)（鍵盤掃描）?？紤]到人手的按鍵操作每秒鐘不會(huì)超過(guò)10次，因此鍵盤掃描的頻率可以確定為10Hz。兩次鍵盤掃描的間隔為100毫秒，這樣也就順便解決了消除按鍵抖動(dòng)的問(wèn)題。為了實(shí)現(xiàn)鍵盤掃描的所有功能，必須設(shè)置相應(yīng)的狀態(tài)與變量：1. 狀態(tài)標(biāo)志、指針：運(yùn)行/設(shè)置/修改。2. 鍵盤處理的輸入與輸出變量，中間暫存變量3. 空鍵與長(zhǎng)鍵的識(shí)別，必須增加相應(yīng)的鍵盤掃描計(jì)數(shù)器。4. 各個(gè)按鍵的代碼，空鍵與長(zhǎng)鍵也有相應(yīng)的鍵值代碼。程序的設(shè)計(jì)分為定時(shí)器中斷與主程序兩個(gè)部分。鍵盤掃描與識(shí)別在中斷服務(wù)程序中完成，然后將鍵值代碼傳送給主程序。主程序根據(jù)鍵值代碼再進(jìn)行相應(yīng)的操作與處理

28、，這樣兩者相互配合完成參數(shù)設(shè)置的功能。三程序框圖開始主程序流程框圖：時(shí)鐘初始化定時(shí)器初始化鍵操作？注意：此處是判斷中斷服務(wù)程序是否傳送過(guò)來(lái)鍵值信息，并非直接判斷按鍵。操作1鍵值1？鍵值2？操作2操作N鍵值N？以上僅僅是粗略的框圖，實(shí)際上每個(gè)操作還要根據(jù)情況再進(jìn)行細(xì)化。注意在每個(gè)操作完成后必須將傳送鍵值的變量清除，否則會(huì)重復(fù)執(zhí)行操作。鍵盤掃描程序與動(dòng)態(tài)顯示時(shí)鐘程序統(tǒng)一使用5毫秒的定時(shí)器中斷，在100毫秒時(shí)執(zhí)行鍵盤掃描即可。在程序中采用的符號(hào)定義如下：kin:鍵盤輸入變量，能夠表示所有按鍵狀態(tài)的數(shù)值。kout:鍵盤輸出變量，將識(shí)別后的鍵值傳送給主程序。ktmp:中間暫存變量。Kcnt:鍵盤掃描計(jì)數(shù)

29、器，用于空鍵與長(zhǎng)鍵的識(shí)別。按鍵代碼如下：設(shè)置/取消：KSET，確認(rèn)：KENT，增量：KINC，減量：KDEC，空鍵：KEMP。中斷服務(wù)程序流程框圖如下（僅表示出鍵盤掃描部分，需要仔細(xì)分析與理解）：鍵盤處理入口kin=空？無(wú)鍵按下YN有鍵按下ktmp=空？ktmp=空？YNY無(wú)按鍵Nktmp=kinkcnt=0kcnt+1kcnt+1鍵在2秒內(nèi)松開kout=ktmpktmp=空kcnt=0Kcnt>40?Kcnt>200?Kout=KEMPkcnt=0Y是否+/-?kout=KINC/KDEC;kcnt-1;鍵盤處理出口框圖中長(zhǎng)鍵的處理只給出了增量鍵的處理，還有待完善。相應(yīng)的程序請(qǐng)同

30、學(xué)們自己編寫并進(jìn)行調(diào)試?？焖偌訙p以及位切換的框圖及程序也請(qǐng)同學(xué)們自己完成，鼓勵(lì)自己創(chuàng)新！數(shù)據(jù)的掉電存儲(chǔ) 參數(shù)設(shè)置完成后一般都需要存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器中，這種存儲(chǔ)器在掉電后也能長(zhǎng)期保持?jǐn)?shù)據(jù)不變。目前采用較多的是93系列和24系列的產(chǎn)品。1.從簡(jiǎn)單的串行轉(zhuǎn)并行接口4094理解時(shí)序的概念和基本的編程方法。2.了解93C46的基本命令、時(shí)序的組成與編程方法。3.EEPROM的編程需要比較準(zhǔn)確的時(shí)序，并且一個(gè)操作要在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成，否則芯片內(nèi)部會(huì)超時(shí)復(fù)位。4.24系列芯片的編程請(qǐng)參考教材。4094操作參考程序如下：void dpout(uchar cnt)uchark;STR=1;STR=1;/重復(fù)操

31、作，增加可靠性并延時(shí)for(k=0;k<8;k+)if(cnt&(0x80>>k)DTA=1;else DTA=0;CLK = 1;CLK = 1;CLK = 0;CLK = 0;STR=0;STR=0;關(guān)于單片機(jī)的I/O端口單片機(jī)的I/O端口用于數(shù)字量的輸入與輸出，但是由于單片機(jī)的引腳數(shù)量少，I/O端口都是功能復(fù)用的（即I/O端口有多種功能）。單片機(jī)的I/O端口有單向和雙向之分。大部分的I/O端口都是雙向口。而雙向口又分為真雙向口和準(zhǔn)雙向口。MCS-51系列的單片機(jī)都是準(zhǔn)雙向口（注意MCS-51單片機(jī)的教材中，對(duì)于P0口的描述容易造成理解錯(cuò)誤）。所謂真雙向口與準(zhǔn)雙向

32、口的區(qū)別，僅僅是輸出電路的形式不同。真雙向口為雙管電路，而準(zhǔn)雙向口為單管電路。真雙向口在實(shí)用前，必須進(jìn)行初始化定義。對(duì)于功能復(fù)用的引腳，先要定義功能，然后再定義輸入與輸出（例如微芯公司的單片機(jī)）。準(zhǔn)雙向口即可用于輸入，也可用于輸出，且在使用前一般無(wú)需定義。但是準(zhǔn)雙向口在用于輸入時(shí)必須先輸出1，這是由于準(zhǔn)雙向口的電路結(jié)構(gòu)造成的。準(zhǔn)雙向口在使用時(shí)要注意兩個(gè)問(wèn)題。一是并聯(lián)問(wèn)題，二是驅(qū)動(dòng)能力問(wèn)題。所謂并聯(lián)問(wèn)題，是指在實(shí)際應(yīng)用中不同芯片的準(zhǔn)雙向口可以并聯(lián)。而并聯(lián)的結(jié)果是“與”的關(guān)系，即只要電路中有一個(gè)芯片輸出低電平，結(jié)果就為低電平。真雙向口與準(zhǔn)雙向口的驅(qū)動(dòng)能力有很大的差異。真雙向口的高電平輸出驅(qū)動(dòng)能力（

33、輸出電流）與低電平驅(qū)動(dòng)能力（輸入電流）基本相同。而準(zhǔn)雙向口則不然，一般情況下，準(zhǔn)雙向口的高電平輸出驅(qū)動(dòng)能力（輸出電流）遠(yuǎn)遠(yuǎn)低電平驅(qū)動(dòng)能力（輸入電流）。準(zhǔn)雙向口的高電平驅(qū)動(dòng)能力取決于上拉電阻，而一般情況下這個(gè)上拉電阻還是比較大的。MCS-51單片機(jī)的I/O端口高電平驅(qū)動(dòng)能力只有幾毫安，而P0口則根本沒(méi)有上拉電阻。所以，用戶需要根據(jù)負(fù)載大小外接合適的上拉電阻。在許多實(shí)際應(yīng)用中，單片機(jī)的引腳都會(huì)與各種各樣的芯片連接。詳細(xì)了解單片機(jī)的引腳性能，對(duì)于硬件設(shè)計(jì)與軟件編程都是不可缺少的。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)溫度測(cè)量與控制系統(tǒng)一、溫度測(cè)量溫度測(cè)量與與控制在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中非常常見。典型的工業(yè)過(guò)程如冶金、化工、機(jī)

34、械、輕工等行業(yè)都有應(yīng)用。家用電器中如熱水器、空調(diào)、廚房用具中也具有此項(xiàng)功能。因此溫度測(cè)量與控制也成為教學(xué)中的典型內(nèi)容。溫度測(cè)量與控制需要有相應(yīng)的檢測(cè)元件與執(zhí)行元件，即傳感器與加熱器。傳統(tǒng)的檢測(cè)溫度傳感器有：1. 熱電偶。2. 熱敏電阻。3. 半導(dǎo)體溫度敏感元件。4. 遠(yuǎn)紅外檢測(cè)。5. 特殊檢測(cè)器件。采用傳統(tǒng)溫度檢測(cè)元件需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理（放大、濾波、電平變換、A/D轉(zhuǎn)換）才能轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能夠處理的數(shù)字信號(hào)。近年來(lái)，出現(xiàn)了一種新型的數(shù)字溫度傳感器。它是將半導(dǎo)體溫度傳感器、放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字調(diào)制與通信接口集成在一個(gè)芯片內(nèi)的高性能器件，大大簡(jiǎn)化了應(yīng)用電路，因此在實(shí)際應(yīng)用中獲得非常廣泛的應(yīng)用

35、。典型的器件就是DALLAS公司生產(chǎn)的DS18B20。DS18B20的應(yīng)用實(shí)例已經(jīng)很多，可以從各種途徑找到單片機(jī)與DS18B20的接口程序。一旦完成了溫度的測(cè)量，接下來(lái)就是如何實(shí)現(xiàn)溫度控制的問(wèn)題了。溫度的控制有各種不同的方法，執(zhí)行元件也有不同，其中最為常見的就是電加熱。二、電加熱溫度控制電加熱通過(guò)控制電流的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)加熱量的控制。電加熱使用的電源也有幾種不同的種類：直流電源、交流電源和中頻電源。電加熱也有各種不同的控制方法，簡(jiǎn)單歸納如下：1. 開關(guān)控制。2. 周波數(shù)控制。3. 導(dǎo)通角控制。4. PWM控制。前兩種屬于間斷控制，后兩種屬于連續(xù)控制。開關(guān)控制是最為簡(jiǎn)單的控制形式：當(dāng)溫度低于設(shè)定值時(shí)

36、，接通開關(guān)開始加熱；當(dāng)溫度高于設(shè)定值時(shí)，斷開開關(guān)停止加熱。系統(tǒng)會(huì)通過(guò)自然散熱降溫。大多數(shù)家用電器的溫度控制都是采用這種控制形式（冰箱、空調(diào)等）?？刂圃踔量梢圆捎煤?jiǎn)單的雙金屬片即可實(shí)現(xiàn)。周波控制是在使用交流電源加熱時(shí)的一種控制方式，通過(guò)控制電源接通的周波數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度的控制。這是由于控制交流電的控制元件可以采用雙向可控硅，而可控硅一旦導(dǎo)通就不能自己關(guān)斷，必須靠交流電的過(guò)零點(diǎn)關(guān)斷。為了減少電源導(dǎo)通時(shí)的沖擊，采用過(guò)零點(diǎn)觸發(fā)，因此交流電源的導(dǎo)通時(shí)間就是電源周期的整數(shù)倍。由于溫度系統(tǒng)是大慣性系統(tǒng)，采用周波數(shù)控制能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于溫度的高精度控制，在工業(yè)生產(chǎn)中很實(shí)用（采用固態(tài)繼電器作為控制元件）。導(dǎo)通角控制是

37、采用可控硅控制交流電源導(dǎo)通的角度來(lái)調(diào)節(jié)平均電流的大小。在電工學(xué)、電力電子技術(shù)等課程中已經(jīng)有詳細(xì)的介紹。導(dǎo)通角控制技術(shù)已經(jīng)很成熟，只是在實(shí)際應(yīng)用中容易造成對(duì)于電網(wǎng)的諧波干擾，因此今后的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越受到限制。PWM控制是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型控制技術(shù)。PWM控制的原理雖然早就有，但是由于控制器件的原因一直沒(méi)有大規(guī)模的應(yīng)用。隨著新型電力電子技術(shù)與工藝的發(fā)展，出現(xiàn)了適合PWM控制的新型器件：VMOS、IGBT、GTO等等。這使得PWM技術(shù)的應(yīng)用得以迅速發(fā)展。采用PWM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是非常明顯的，效率高、控制容易、減少諧波污染等。目前幾乎所有的電力控制系統(tǒng)都盡可能地使用了PWM控制技術(shù)，典型的產(chǎn)品如變頻器

38、、開關(guān)電源等。三、單片機(jī)實(shí)現(xiàn)PWM控制的方法由于PWM控制的優(yōu)越性，目前很多單片機(jī)都具有PWM控制的功能模塊。各種單片機(jī)實(shí)現(xiàn)PWM控制的原理基本相同，但是在具體編程時(shí)會(huì)有比較大的差別，必須遵循各自的使用規(guī)定。對(duì)于沒(méi)有PWM控制功能的單片機(jī)，也可以利用軟件和現(xiàn)有的功能模塊實(shí)現(xiàn)PWM控制的功能。具體來(lái)說(shuō)由兩種方法：方法一：利用軟件實(shí)現(xiàn)PWM功能。先設(shè)置一個(gè)軟件計(jì)數(shù)器counter，然后編程以一定的速率使counter增量（達(dá)到最大后自動(dòng)歸零，相當(dāng)于輸出一個(gè)鋸齒波）。每次完成增量后即將counter的數(shù)值與給定的PWM值進(jìn)行比較，如果counter大于PWM則輸出低電平，反之則輸出高電平。這樣PWM

39、的數(shù)值越大，輸出高電平的時(shí)間就越長(zhǎng)。增量的定時(shí)可以用軟件實(shí)現(xiàn)，也可以用中斷實(shí)現(xiàn)。PWM值計(jì)數(shù)器PWM輸出信號(hào)方法二：利用定時(shí)器實(shí)現(xiàn)PWM功能。方法一所實(shí)現(xiàn)的PWM功能有一個(gè)缺點(diǎn)，就是過(guò)多占用了計(jì)算機(jī)的資源，且PWM的載波頻率較低。為此可以采用定時(shí)器中斷來(lái)產(chǎn)生高效率的PWM信號(hào)。對(duì)于MCS-51系列的單片機(jī)，具體做法是將定時(shí)器設(shè)置為方式1并產(chǎn)生中斷，每次中斷時(shí)切換輸出信號(hào)的電平狀態(tài)，并確定到下一次中斷所需要的定時(shí)時(shí)間。例如，單片機(jī)以1KHz的載波頻率輸出PWM信號(hào)，設(shè)單片機(jī)的時(shí)鐘頻率為12MHz，則可以計(jì)算出對(duì)于50%占空比的PWM信號(hào)，每次定時(shí)器中斷的間隔為500微秒，則應(yīng)該裝入的計(jì)數(shù)器初值為

40、65536-500 = 65036。如果占空比為10%，則PWM信號(hào)輸出高電平的持續(xù)時(shí)間為100微秒，相應(yīng)的計(jì)數(shù)器初值為65536-100 = 65436。輸出低電平的持續(xù)時(shí)間為900微秒，相應(yīng)的計(jì)數(shù)器初值為65536-900 = 64636。這樣就能夠根據(jù)給定的PWM值（或占空比0-100）輸出相應(yīng)的PWM信號(hào)了。實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能的程序非常簡(jiǎn)單，學(xué)生應(yīng)該可以自己完成。四、溫度控制的控制算法由于溫度系統(tǒng)是大慣性系統(tǒng)，有時(shí)還會(huì)有明顯的滯后現(xiàn)象（純延時(shí)），因此在控制理論與實(shí)踐中成為一個(gè)專門的研究?jī)?nèi)容。目前對(duì)于溫度控制系統(tǒng)的控制算法有很多，具有代表性的有：開關(guān)控制、PID控制、Dahlin算法和Smit

41、h預(yù)估控制算法。溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如下圖所示：各種形式的控制器對(duì)象輸入（設(shè)定）euy 輸出-傳感器負(fù)反饋1. 開關(guān)控制。前面講過(guò)開關(guān)控制是最為簡(jiǎn)單的控制形式，在對(duì)精度要求不高的應(yīng)用中還是可以使用的。此時(shí)溫度的變化是震蕩形式的，即溫度在設(shè)置的溫度點(diǎn)附近形成震蕩。如果震蕩很頻繁，會(huì)對(duì)開關(guān)元件的觸頭造成損害，使其壽命大幅縮減。為此需要加入滯環(huán)（類似施密特觸發(fā)器）。2. PID控制算法與參數(shù)整定。在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問(wèn)世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技

42、術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實(shí)際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。PID自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖：PID控制器對(duì)象輸入（設(shè)定）euy 輸出-傳感器負(fù)反饋實(shí)際系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)應(yīng)該如下圖(有干擾)：干擾對(duì)象PID控制器傳感器輸入（設(shè)定）e u +y 實(shí)際輸出-負(fù)反饋傳感器輸出

43、為簡(jiǎn)化可以假設(shè)傳感器的輸出與實(shí)際溫度是相同的，即傳感器的傳遞函數(shù)是1。PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其輸入e(t)與輸出u(t)的關(guān)系為：u(t)=Kp(e(t)+1/TIe(t)dt+TD*de(t)/dt)式中積分的上下限分別是0和t，因此它的傳遞函數(shù)為：G(s)=U(s)/E(s)=Kp(1+1/(TI*s)+TD*s)其中Kp為比例系數(shù)； TI為積分時(shí)間常數(shù)； TD為微分時(shí)間常數(shù)。PID是以它的三種糾正算法而命名的，這三種算法是：比例- 控制當(dāng)前，誤差值和一個(gè)負(fù)常數(shù)P（表示比例）相乘，然后和預(yù)定的值相加。P只是在控制器的輸出和系統(tǒng)的誤差成比例的時(shí)候成

44、立。比如說(shuō)，一個(gè)電熱器的控制器的比例尺范圍是10°C，它的預(yù)定值是20°C。那么它在10°C的時(shí)候會(huì)輸出100%，在15°C的時(shí)候會(huì)輸出50%，在19°C的時(shí)候輸出10，注意在誤差是0的時(shí)候，控制器的輸出也是0。積分 - 控制過(guò)去，誤差值是過(guò)去一段時(shí)間的誤差和，然后乘以一個(gè)負(fù)常數(shù)I，然后和預(yù)定值相加。I從過(guò)去的平均誤差值來(lái)找到系統(tǒng)的輸出結(jié)果和預(yù)定值的平均誤差。一個(gè)簡(jiǎn)單的比例系統(tǒng)會(huì)振蕩，會(huì)在預(yù)定值的附近來(lái)回變化，因?yàn)橄到y(tǒng)無(wú)法消除多余的糾正。通過(guò)加上一個(gè)負(fù)的平均誤差比例值，平均的系統(tǒng)誤差值就會(huì)總是減少。所以，最終這個(gè)PID回路系統(tǒng)會(huì)在預(yù)定值定下來(lái)。

45、導(dǎo)數(shù) - 控制將來(lái)，計(jì)算誤差的一階導(dǎo)數(shù)，并和一個(gè)負(fù)常數(shù)D相乘，最后和預(yù)定值相加。這個(gè)導(dǎo)數(shù)的控制會(huì)對(duì)系統(tǒng)的改變作出反應(yīng)。導(dǎo)數(shù)的結(jié)果越大，那么控制系統(tǒng)就對(duì)輸出結(jié)果作出更快速的反應(yīng)。這個(gè)D參數(shù)也是PID被稱為可預(yù)測(cè)的控制器的原因。D參數(shù)對(duì)減少控制器短期的改變很有幫助。一些實(shí)際中的速度緩慢的系統(tǒng)可以不需要D參數(shù)。用更專業(yè)的話來(lái)講，一個(gè)PID控制器可以被稱作一個(gè)在頻域系統(tǒng)的濾波器。這一點(diǎn)在計(jì)算它是否會(huì)最終達(dá)到穩(wěn)定時(shí)很有用。如果數(shù)值挑選不當(dāng)，控制系統(tǒng)的輸入值會(huì)反復(fù)振蕩，這導(dǎo)致系統(tǒng)可能永遠(yuǎn)無(wú)法達(dá)到預(yù)設(shè)值（例如比例系數(shù)太大時(shí)就是如此，用自動(dòng)控制的術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)就是不穩(wěn)定）。PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心

46、內(nèi)容。它是根據(jù)被控過(guò)程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來(lái)有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過(guò)試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無(wú)論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際

47、運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進(jìn)行 PID控制器參數(shù)的整定步驟如下：(1)首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期（一般為對(duì)象純延時(shí)時(shí)間的十分之一以下）讓系統(tǒng)工作；(2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時(shí)的比例放大系數(shù)Ks和臨界振蕩周期Tk；(3)選擇控制度。所謂控制度就是以模擬調(diào)節(jié)器為基準(zhǔn)，用數(shù)字控制器進(jìn)行控制的控制效果。例如，當(dāng)控制度為1時(shí)，就是指數(shù)字控制器與模擬控制器的控制效果一樣；控制度為2時(shí)，則數(shù)字控制器的控制效果僅為模擬控制器的一半。(4)在一定的控制度下通過(guò)查表得到PID控制器的參數(shù)。控制度控制規(guī)律TKpTiTd1.05PI

48、0.03 Tk0.53/Ks0.88 TkPID0.014 Tk0.63/Ks0.49 Tk0.14 Tk1.2PI0.05 Tk0.49/Ks0.91 TkPID0.043 Tk0.47/Ks0.47 Tk0.16 Tk1.5PI0.14 Tk0.42/Ks0.99 TkPID0.09 Tk0.34/Ks0.43 Tk0.20 Tk2.0PI0.22 Tk0.36/Ks1.05 TkPID0.16 Tk0.27/Ks0.40 Tk0.22 Tk*Kp所對(duì)應(yīng)的應(yīng)該是控制量的大?。≒WM占空比0-100%）。在實(shí)際調(diào)試中，只能先大致設(shè)定一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，然后根據(jù)調(diào)節(jié)效果修改。對(duì)于溫度系統(tǒng)：P（%）20

49、-60，I（分）3-10，D（分）0.53對(duì)于流量系統(tǒng)：P（%）40-100，I（分）0.11對(duì)于壓力系統(tǒng)：P（%）30-70，I（分）0.43對(duì)于液位系統(tǒng)：P（%）20-80，I（分）15在編寫PID控制程序時(shí)，還要對(duì)控制問(wèn)題進(jìn)行具體分析，確定具體的控制過(guò)程和數(shù)據(jù)范圍。對(duì)于我們所控制的溫度系統(tǒng)，實(shí)際上要分為三段進(jìn)行控制：全開；溫度低于規(guī)定值u = PWM(PID)控制；溫度低于設(shè)定值，但在規(guī)定值內(nèi)關(guān)閉；高于設(shè)定值，自然降溫上面所說(shuō)的規(guī)定值是根據(jù)具體應(yīng)用和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的。例如我們可以在溫度低于設(shè)定值5度的范圍內(nèi)進(jìn)行PID控制。低于設(shè)定值5度以下時(shí)直接進(jìn)行全開控制。在具體實(shí)施PID控制時(shí)還有所謂

50、的位置型和增量型算法。兩者在本質(zhì)上是相同的，只是在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，增量法的計(jì)算量?。ú挥糜?jì)算累加和），抗干擾能力強(qiáng)，因此更為實(shí)用。位置型算法：增量型算法：在編寫控制程序時(shí)要先進(jìn)行數(shù)據(jù)核算。數(shù)據(jù)核算的目的在于根據(jù)實(shí)際的傳感器輸出數(shù)據(jù)范圍確定合理的控制比例系數(shù)，以使系統(tǒng)在最大誤差時(shí)正好能夠具有最大的控制輸出。例如，我們?nèi)绻?guī)定在溫度低于設(shè)定值5度的范圍內(nèi)進(jìn)行PID控制，則最大的溫度誤差就是5。但是如果我們要求控制精度達(dá)到0.1度，則溫度值也應(yīng)該取1位小數(shù)。這樣最大溫度誤差值就是50（注意在單片機(jī)中盡量不使用浮點(diǎn)數(shù)）。如果比例控制的系數(shù)取值范圍為0-100，則最大的計(jì)算控制量就可達(dá)5000。如果PWM控

51、制量的取值范圍為0-255（這樣便于增量操作），則在程序中就需要將計(jì)算控制量除以5000/255=19.6，然后再作為PWM控制量輸出。對(duì)于微分控制和積分控制，也需要采用同樣的方法。由于微分，特別是積分容易出現(xiàn)飽和，在實(shí)際處理時(shí)還必須進(jìn)行限幅處理。在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)有3個(gè)計(jì)算控制量，即比例控制量、微分控制量和積分控制量。這三個(gè)量可以相互疊加（同號(hào)），也可以相互抵消（異號(hào)）。為了避免出現(xiàn)超過(guò)最大允許值的情形出現(xiàn)，通常要對(duì)最后的計(jì)算輸出量再進(jìn)行限幅處理。最后，首次進(jìn)入PID控制時(shí)需要對(duì)有關(guān)變量（累加和、前次誤差值）進(jìn)行初始化，一般情況下是清零。由于我們進(jìn)行的是單邊控制，一旦溫度達(dá)到設(shè)定值就關(guān)閉加熱電源。溫度降低后再次啟動(dòng)PID控制時(shí)也需要重新進(jìn)行初始化（此處保留以前的數(shù)據(jù)是不合理的）。例題：設(shè)定溫度為60度，T=0.2秒，Kp=0.47，Ti=2.35秒，Td=0.8秒。對(duì)于如下的采樣數(shù)據(jù)序列，計(jì)算采用增量型PID控制算法的控制輸出序列。解題：先計(jì)算系數(shù)Q0=4.81，Q1=8.44和Q2=3.72，再計(jì)算控制量增量。序列k0123456789采樣s55.656.056.256.656.957.257.758.258.859.6誤差e4440383431282318124u212-1787u=u0+312134141其中誤差放大了10倍，最后一行的控制輸出