題t目：基于單片機的智能調節器設計(專業版)

　　

【正文】 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位地址碼。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。 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。 本設計的硬件電路 總體方框圖 如 圖 所示 。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。 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。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 ? 。 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。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。 (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。 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 。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。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。 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。 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。 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。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。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。 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。 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。特別對于溫度、成分等變化緩慢的過程，這一現象更為嚴重。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 。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。 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。在模式 0 中，該腳作串行時鐘輸出用。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。 圖 地址鎖存器 74LS373的應用電路 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。只有寫偶字節時 WRL 才變 低。 本設計所用的 80C196KB，是繼 8096BH 之后， Intel 公司推出的高性能 CHMOS16位單片機 —— 8XC196XX 系列 中 的一種。 內蒙古科技大學畢業設計 說明書（畢業 論文 ） 17 第三章 智能調節器 硬件電路設計 智能調節器硬件電路總體方案設計 本設計主要是 以 Intel 公司 MCS96 系列的 80C196KB 單片機芯片 為核心 ， 輔 以各外圍芯片及電路，通過對輸入被測信號的檢測 及 智能化處理，進而輸出控制信號，以對被控 參數 進行調節 。 (2) 微分項的改進 ① 不完全微分 PID控制算法 普通的 PID控制算式，對具有高頻擾動的生產過程，微分作用響應過于靈敏，容易引起控制過程振蕩，降低品質。 PID 控制算法的改進 由于實際被控對象的復雜性，普通的 PID控制算法 通常很難滿足控制要求，需要對PID控制算法進行改進，主要的改進算法有以下幾種： (1) 積分項的改進 在 PID的控制中，積分的作用是消除殘差 。 執 行 機 構P I D 位 置 式 算 法D / A被 控 對 象r ( k ) e ( k ) u ( t ) y ( t )+u ( k )y ( k ) 圖 位置式 PID控制算法 原理框 圖 因為計算機控制是一種采樣控制，式 ()中的積分和微分項不能直接使用，需要對其進行離散化處理。因此，本設計的智能調節器采用 改進型的 PID控制 算法 。隨著超大規模集成電路技術日新月異地發展，微處理器的功能在不斷增強，價格在不斷下降。 此外 ， 智能調節器還可以與 PC 機組成分布式測控系統 ， 由單片機作為下位機采集內蒙古科技大學畢業設計 說明書（畢業 論文 ） 5 各種測量信號和數據 ， 通過串行通信接口 將信息傳送給上位機 —— PC 機 ， 再 由 PC 機進行更復雜的數據處理或進行全局監控。這些數字量由計算機按一定控制算法進行運算處理，運算結果由模擬量輸出通道輸出，去控制執行機構的動作，從而實現對溫度、壓力、流量、液位以及其 它 被控變量的自動控制。模擬調節器可以代替人的分析、判斷、決策功能，再配上檢測儀表、自動執行器以及各種二次儀表，就可以使生產過程控制具有合理的一致性。 本 文還討論了軟 硬 件抗干擾的方法。s functions. At the same time, this regulator also has the preliminary intellectualization. On the hardware circuit design, this paper describes various circuit modules in detail, and also gives the peripheral circuit design of the keyboard, the display, the munication and the print。 回顧調節器的發展過程，從使用的器件來看，它經歷了真空管時代－晶體管時代－集成電路時代－大規模集成電路時代四個階段；而從調節器的工作原理來看，它也經歷內蒙古科技大學畢業設計 說明書（畢業 論文 ） 2 了模擬儀器－數字儀器－智能儀器等不同的階段 [1]。以微型計算機為主體 ， 將計算機技術與檢測技術有機結合 ， 組成新一代 “ 智能化調節器 ” 。 智能調節器的特點和基本功能 智能調節器在測量過程自動化、測量數據處理及功能多樣化方面與傳統調節器的常規測量電路相比 ， 取得了 較大的進展。 應該特別指出的是，高集成度、功能強的單片機的發展給智能儀器的實現帶來 了 極大的方便。作為一種線性控制器，它根據給定值和實際輸出值構成控制偏差，將偏差按比例、積分和微分通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制，故稱 PID控制器。而且，因為計算機輸出內蒙古科技大學畢業設計 說明書（畢業 論文 ） 11 的 u(k)對應的是執行機構的實際位置，如計算機出現故障， u(k)的大幅度變化，會引起執行機構位置的大幅度變化，可能造成重大的生產事故，往往不適合用于生產實踐中，因而產生了增量式 PID控制算法。為此，可采用積分分離措施，即偏差 )(ke 較大時，取消積 分作用；當偏差 )(ke 較小時才將積分作用投入。 P I D D f ( s )e ( t )u ` ( t )u ( t ) 圖 不完全微分 PID調節器 原理框圖 不完全微分 PID位置型控制算式 )()1()1()( kukuku ????? ?? () 式中 ?????? ?????? ?? TkekeTjeTTkeKku DkjIP)1()()()()(0 TTTf f???（ 衰減因子 ） 該算法的優點是：不但能抑制高頻干擾，而且克服了普通數字 PID控制的缺點 。 在 單片機內， 經A/D 轉換 以 后的信號以數字量 形 式通過數字濾波 及 線性化處理 后 輸出 到 顯示驅動芯片MAX7219 進行顯示；同時，這些數據經 PID 運算及 D/A 轉換后，將由單片機的 PWM口送出 ， 通過平滑濾波及 V/I 轉換后 ， 轉換 成 4~20mA 的控制信號 。它有 68條引腳，如圖 所示： 圖 80C196 引腳圖 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAA C H 5/ P 10A C H 4/ P 11A G N D12V R E F13V S S14E X T I N T / P 15/ R E S16R X D / P 2 .117T X D / P 2 .018P 1. 019P 1. 120P 1. 221P 1. 322P 1. 423H S I .024H S I .125H S I .226HS