題t目：基于單片機的智能調節器設計(更新版)

　　

【正文】 80C196KB的 P3口用作數據地址復用總線，其先傳送地址碼的低 8位，而后再傳送 8位的數據碼。 27128 有 14 條 地址線 A0~A13， 8 條 數據輸出線O0~O7， CE 為片選線， OE 為數據輸出允許線， PGM 為編程脈沖輸入端， Vpp 為編程電1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAVCCP1.7P1.6P1.5WRRDA 1 5A 1 4A 1 3A 1 2A 1 1A 1 0A9A8D7D6D5D4D3D2D1D0J2 J1GNDVCCACH1GNDPWMHSO.3HSO.2HSO.1HSO.0HSI.3STBWDIGNDALEVPPVCCG N DA L EA0A1A2A3A4A5A6A7A010A19A28A37A46A55A64A73A825A924A 1 021A 1 123A 1 22A 1 326CE20OE22P G M27V P P1D011D112D213D315D416D517D618D719I C 527 1 28A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A 1 0A 1 1A 1 2A 1 3D0D1D2D3D4D5D6D7A010A19A28A37A46A55A64A73A825A924A 1 021A 1 123A 1 22C S 120C S 226WE27OE22D011D112D213D315D416D517D618D719I C 662 6 4A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A 1 0。這時， ALE鎖存信號為高，地址碼即進入鎖存器，而后 ALE鎖存信號變低，地址碼便被鎖存在鎖存器的輸出端，與 P4口送出的高 8位地址碼組成完整的16位地址碼。在本設計中用于接 44 矩陣式鍵盤； ~ 和 ~：有 2 種功能： ① 具有開漏輸出特性的雙向口； ② 訪問外部存儲器時，作為系統總線（ AD0~AD15）。在模式 0 中，該腳作串行時鐘輸出用。正常操作時，輸入高電平， RES 腳有內部上拉； XTAL1：振蕩器反相器和內部實時鐘發生器的輸入。 80C196KB 的引腳介紹 80C196KB 是 Intel 公司的 CHMOS 型 16 位單片機 8XC196XX 系列的一種。 80C196KB 的特點 本設計所使用的 80C196KB 單片機其主要性能特點如下： (1) 高性能的 16 位 CPU，主頻 12MHz，采用了寄存器堆運算邏輯部件（ RALU）。由圖可見，被測 電壓 信號 通過放大電路 進行放大 ，變成 0~5V信號后 ，從 口輸入 到 單片機 80C196KB。當對象 t很大時，常規 PID控制難以適應，控制過程嚴重超調，穩定性甚差，可以應用 Smith預估控制， 其原理框圖 如圖 。為了克服這一缺點，同時又要使微分作用有效，可以在 PID控制輸出串入一階慣性環節，這就組成了不完全微分 PID調節器， 其原理框圖 如圖 。 變速積分 PID較好 地 解決了這一問題 。特別對于溫度、成分等變化緩慢的過程，這一現象更為嚴重。 此外，當計算機發生故障時，由于輸出通道或執行裝置具有信號內蒙古科技大學畢業設計 說明書（畢業 論文 ） 12 的鎖存作用，故仍然 能 保持原值； ③ 算式中不需要累加 。 在位置型算法中，由于全量輸出，所以每次輸出均與原來的位置量有關，計算時要對 e(k)進行累加，容易造成積分飽和，計算機運算工作量很大。 偏差一旦產生，控制器立即產生控制作用 ，以減少偏差。 常規的 PID控制系統 原理 框圖如圖 ，系統主要由 PID控制器和被控對象組 成。相對于 增強型的 MCS51， MCS96 系列單片機內還具有 A/D 轉換 和 D/A 轉換脈寬調制輸出。目前，微處理器正 向著兩個方向發展 ： 一是研制功能更強，速度更快的 16 位、 32 位、 64 位高檔微處理器以及與其相配套的存儲器和 I/O 接口芯片 ； 二是在一塊芯片上集成多種功能的電路，構成完整的單片微型計算機。自檢一般可分為開機自檢、周期性自檢和鍵控自檢三類 ； (4) 智能儀器內含單片機，可充分利用單片機對于數據的處理能力，最大限度地消除儀器的 各種 誤差。監控程序面向調節器的鍵盤和顯示器 ， 幫助實現從鍵盤輸入數據或進行功能設置、控制 ， 完成顯示器對處理后的數據以數字、字符、圖形等形式顯示的任務；接口管理程序主要完成數據采集、數據存儲、通信等任務；數據處理程序主要完成數據濾波、運算、分析等任務。 若信號的大小與 A/D 轉換的輸入范圍不一致 ， 須進行電平轉換 ， 必要時要加程控增益放大器對信號分段放大以保證轉換精度。 智能調節器 微電子技術和計算機技術的不斷發展 ， 引起了調節器結構的根本性變革。 習慣上稱 ? 0 為正偏差； ? 0 為負偏差。 隨著微機、微處理器技術的迅速發展，把微機、微處理器引入儀表，代替人的分析、判斷、決策功能，充分利用了其運算速度快和邏輯判斷能力強等優點，既能完成常規儀表所實現的自動控制，又能解決常規調節器 只能 控制一個參數 而 無 法運行較復雜的信息交換的問題，還可以進行集中控制和集中管理。基于單片機的智能調節器就是這樣一種新型儀表。 關鍵詞： 智能儀器 ； 調節； 單片機 ； PID 控制 內蒙古科技大學畢業設計 說明書（畢業 論文 ） II The Design of Intelligent Regulator Based on MCU Abstract Intelligent instrument is a kind of intelligent measuring and controlling system that bines puter technology and measuring and controlling technology with MCU being its main body. Intelligent instrument has many strongpoints which traditional instrument hasn’t, such as automatic operation, data processing and friendly manmachine conversation function. So, it can be applied widely in all kinds of fields. With the rapid development of microelectronics and information technology, intelligent instrument will develop in micromation, multifunctional and work direction. This design take the highperformance MCU 80C196KB as the core, and auxiliary by necessary periphery ponent, to plete the regulator39。 題 目： 基于單片機的智能調節器設計 內蒙古科技大學畢業設計 說明書（畢業 論文 ） I 基于單片機的智能調節器設計 摘 要 智能儀器就是以單片機為主體，將計算機技術與測量控制技術結合在一起而組成的“智能化測量控制系統”。最后，針對設計中的問題和不足，提出了一些建議和改進方法。這種新型儀表與傳統產品相比 ， 其功能特點、集成化程度、智能化程度都有顯著提高 ， 適應了時代的發展。采用模擬或數字控制器對生產過程的某一或某些 物理 參數進行自動控制， 稱為 過程控制。 調節器的運算規律就是指調節器的輸出信號與輸入偏差之間隨時間的變化規律。 數字調節器具有與常規模擬調節器同樣的外部特性，其輸入 /輸出信號制與 DDZⅢ型電動單元 組合 儀表相同 （ 輸入信號 1~5V，輸出信號 4~20mA）； 保持 了 常規模擬調節器的操作方式 ， 正反板幾乎相同，其指示表頭和操作鍵盤的布置也相差不大 ； 采用了微計算機及其配套芯片，在不增加任何外電路芯片的情況下，即可通過編制適當用戶程序，方便 地 增加調節器功能 ， 功能價格比 較 高 ； 提供 了 通訊功能 。 單 片 機 系 統信 號 調 理傳 感 器 控 制 輸 出 圖 智能調節器的結構原理圖 (1) 硬件部分 由于被測 參數 多為非電量 ， 利用傳感器將測到的非電量轉換為電信號 ， 大多數傳感器產生的信號都很微弱 ， 通常只有 μV或 mV 量級 ， 必須用高輸入阻抗的運算放大器對它們進行放大 ， 使達到一定的幅 值， 還要進行濾波 ， 濾除 各種干擾 信號 。 (2) 軟件部分 主要包括監控程序、接口管理程序和數據處理程序三大部分。所謂自檢，就是儀器對其自身各主要部件進行的一種自我檢 測過程，目的是檢查各部件的狀態是否正常，以保證 儀表的正常運行 。因此，我們在設計新產品時應盡量采用新器件以優化設計方案。 例如 MCS51 含有 32 線并行 I/O 接口、兩個 16 位定時 /計數器、一個全雙工的串行口和一個內部 RAM 區等部件，從而大大簡化了儀器的硬件結構，降低了儀器的造價。 PID 控制 的 基本原理 PID控制器本身是一種基于對 “ 過去 ” 、 “ 現在 ” 和 “ 未來 ” 信息估計的簡單控制算法。 簡單來說， PID控制 器 各校正環節的作用如下 ： (1) 比例環節 及時成比例地反映控制系統的偏差信號 e(t)。現以一系列的采樣時刻點 kT代表連續時間 t，以和式代替積分，以增量代替微分，則可作如下近似變換 kTt? () ??? ?? ?? kjkjt jeTjTeTdtte 000 )()()( () ? ?? ?T TkekTedt tde 1)()( ??? () 將算式 T TkekTe ])1[()( ?? 簡化表示為 T keke )1()( ?? ， 于是得到控制器輸出 ?????? ????? ?? T kekeTjeTTkeKku DkjIP)]1()([)()()(0 () )]1()([)()()( 0 ????? ?? kekeKjeKkeKku DkjIP () 其中： PK 為比例增益， IK 為積分系數，IPI TTKK ? ， DK 為微分系數， TTKK DPD ? 。而增量型設計只與本次的偏差值有關，與閥門原來的位置無關，手動 /自動切換時沖擊小，便于實現無擾動切換 。 為了提高控制性能，對積分項可采取以下三條改進措施 ： ① 積分分離 在一般的 PID控制中，當有較大的擾動或大幅度改變給定值時，由于此時有較大的偏差，以及系統有慣性和滯后，故在積分項的作用下，往往會產生較大的超調和長時間的波動。因此，如何根據系統的偏差大小改變積分的速度，這對于提高調節品質是至關重要的。尤其是微機對每個控制回路輸出時間是短暫的，而驅動執行器動作又需要一定時間，如果輸出較大，在短時間 內 執行器達不到應有的相應開度，會使輸出失真。對象的滯后性質，會導致控制作用不及時，引起系統超調和振蕩。 本設計的硬件電路 總體方框圖 如 圖 所示 。 如導彈制導控制，電子對抗，高性能汽車自動控制，工業機器人，高性能智能儀器等。 CHMOS 芯片耗電少，除正常工作外還可工作于 2 種節電方式：待機方式和掉電方式，進一步減少了芯片的功耗。 在此序列中，清除了 PSW，由 2018H 讀得的一個字節裝入 CCR，并跳轉至 2080H 單元，開始執行程序。只有在寫外部存儲器期間， WRL/WR 才有效； TXD/：在串行口模式 2和 3中， TXD作為發送腳， TXD腳的功能靠設置 來選通。也用作 A/D 轉換器 的 輸入，共 8個通道 ACH0~ACH7與 ~ 共享； ~： 8 位準雙向 I/O 口。為了將地址線和數據線分離開來，用了 74LS373鎖存器，其作用是鎖存 P3口送出的低 8位