題t目：基于單片機的智能調節器設計(留存版)

　　

【正文】 I.327HSO.028HSO.129P1.530P1.631P1.732P2.633HSO.234HSO.335VSS36VPP37P2.738PWM/P2.539/WR40/BHE41T2RES/P2.442READY43T 2C L K / P 44A D 15 / P 4 .745A D 14 / P 4 .646A D 13 / P 4 .547A D 12 / P 4 .448A D 11 / P 4 .349A D 10 / P 4 .250A D 9/ P 4. 151A D 8/ P 4. 052A D 7/ P 3. 753A D 6/ P 3. 654A D 5/ P 3. 555A D 4/ P 3. 456A D 3/ P 3. 357A D 2/ P 3. 258A D 1/ P 3. 159A D 0/ P 3. 060/RD61ALE62INST63BUSWID64CLKOUT65XTAL266XTAL167VSS68VCC1/EA2NMI3P0.3/ACH34P0.1/ACH15P0.0/ACH06P0.2/ACH27P0.6/ACH68P0.7/ACH798 0 C 1 9 6 K BI C 180 C 19 6K B內蒙古科技大學畢業設計 說明書（畢業 論文 ） 20 由于芯片引腳較多，下面僅對本設計所涉及的主要引腳 的 功能予以描述： VCC：主電源電壓（ +5V）； VSS：數字地（ 0V）； VREF： A/D 轉換器和 P0 口的參考電壓（ +5V）； AGND： A/D 轉換器的參考地 。該腳也可作輸出口； 內蒙古科技大學畢業設計 說明書（畢業 論文 ） 21 RXD/：串行口的接收腳。之后 P3口傳送指令或數據代碼。 內蒙古科技大學畢業設計 說明書（畢業 論文 ） 22 在本設計中，采用 74LS373作為地址鎖存器使用，其 電路 連接方法如圖 。每次外部寫操作時， WR 變低。 如 C 語言、 FORTH 語言、 PL/M 語言 等 。具體分析，其局限性主要來自以下幾個方面： (1) 算法結構的簡單性決定了 PID控制比較適用于 SISO最小相位系統，在處理大時滯、開環不穩定過程等難控對象時，需要通過多個 PID控制器或與其 它 控制器的組合，才能得到較好的控制效果； (2) 算法結構的簡單性同時決定了 PID控制只能確定閉環系統的少數主要零極點；閉環特性從根本上只是基于動態特性的低階近似假定的； (3) 出于同樣的原因，決定了單 一 PID控制器無法同時滿足對假定設定值控制和伺服/跟蹤控制的不同性能要求 [5]。 先判斷 )1( ?ku 是否超出限制值，若超出，則只累加負偏差，否則，內蒙古科技大學畢業設計 說明書（畢業 論文 ） 14 累加正偏 差。 綜合考慮，本設計采用 增量式 PID控制算法 。 (1) 位置式 PID控制算法 位置式 PID控制算法 原理框 圖如圖 。其中， PID控制技術最為成熟，控制結構簡單，參數容易整定，且不必求出被控對象的數學模型就可進行調節。 在實際微處理器的選擇中，我們往往會感到許多型號的微處理器都能滿足設計要求，這 時 微處理器的選擇 主 要取決于設計人員對 某種微處理器的熟悉程度。如被測爐溫超過上限值或低于下限值時 ， 給出報警信號 ， 進行相應操作。其調節過程是先把過程參數進行采樣，并通過模 擬量輸入通道將模擬量變成數字量。隨 著生產的不斷發展和技術水平的不斷提高，生產過程變得越來越復雜，一些自動控制裝置正逐漸代替人工操作。 在 硬件 電路設計中，本文詳細介紹了 各 電路模塊的 設計方法 ， 并且也給出了 鍵盤、 顯示、通訊和打印的外圍電路設計；在軟件設計部分，本文介紹了單片機軟件程序的流程和設計。 In the part of software design, this paper shows the piling and flow of software of MCU. Finally, in view of the problems and insufficiencies in this design, some remendations and advices are presented. Key words: Intelligent Instrument。 模擬調節器 調節器將來自變送器的測量值與給定值相比較后產生的偏差進行比例、積分、微分（ PID）運算，并輸出統一標準信號（ 4~20mA 或 1~5V） ， 去控制執行機構的動作，以實現對溫度、壓力、流量、液位以及其 它 工藝變量的自動控制。智能化調節器不僅解決了傳統調節器不易解決或不能解決的問題 ， 還能簡化儀表電路 ， 提高儀表可靠性 ， 實現高精度、高性能、多功能的目的 ， 迅速地在各個領域得到了廣泛的應用。 (1) 特點 ① 開發性強 ， 可靠性高； ② 性能好 ， 精度高； ③ 智能化； ④ 具有友好的人機對話能力； ⑤ 具有可程控操作的能力。單片機用于智能儀器具有下述優越性： 單片機具有較高速度的數據計算能力。 比 例積 分微 分被 控 對 象r ( t ) e ( t ) u ( t ) y ( t )++++ 圖 PID控制系統原理框圖 內蒙古科技大學畢業設計 說明書（畢業 論文 ） 9 在連續控制系統中， PID控制器的輸出 u(t)與輸入 e(t)之間成比例、積分、微分的關系。 (2) 增量式 PID控制算法 增量式 PID控制算法的 原理框 圖如圖 。積分分離 PID算法可表示為 ?????? ????? ?? )]1()([)()()( 0 kekeTTjeTTkkeKku DkjIiP () 其中??? ??? %)(0 %)(1 ??je jek i 當當 內蒙古科技大學畢業設計 說明書（畢業 論文 ） 13 該算法的優點是：縮短了調節時間 。 數字調節器輸出的微分作用能在各個周期里按照偏差變化趨勢，均勻地輸出，真正起到了微分作用，改善了控制系統的性能。 本設計的外圍電路包括： 44 矩陣式鍵盤；打印機接口；看門狗芯片及與上位機通信的接口芯片等。 必須與 VSS保持同電位； ALE/ ADV ：地址鎖存允許或地址有效輸出 。 RXD 功能靠設置 來選通。 在用 373作地址鎖存器時， OE接地， LE接單片機的 ALE信號， 74LS373的數據輸入端 D0~D7接 P3口， 74LS373的數據輸出端 Q0~Q7接存儲器的 地址線 A0~A7。在單片機系統中為了擴展外部存儲器，通常需要一塊 74LS373芯片。 只有在讀外部存儲器期間 RD 是低電平； WRL/WR ：對外部存儲器的讀和寫低位字節輸出。許多指令既可用于雙操作數，也可用于三操作數，大大提高了指令效率，平均指令執行時間為 1μs~2μs； (7) 可使用面向工業控制的高級語言 。 但從另一方面來講，控制算法的普適性也反映了 PID控制器在控制品質上的局限性。 ③ 遇限 削 弱積分 PID控制算法 該算法的基本思想是：當控制進入飽和區以后，便不再進行積分項的累加，而只執行削弱積分的運算 。一般認為，在以晶閘管或伺服電動機作為執行器件，或對控制精度要求較高的系統中，應當采用位置型控制算法，而在以步進電動機或多圈電位器作執行器件的系統中，則應采用增量型控制算法。 PID 控制算法及特點 PID 控制器的兩種主要算法 內蒙古科技大學畢業設計 說明書（畢業 論文 ） 10 PID控制器主要有兩種算法，位置式算法和增量式算法 ，下面分別討論兩種算法的特點。基本的 控制 算法有 ：程序控制和順序控制； PID控制；直接數字控制；最優控制；模糊控制；神經網絡控制等。 微處理器的選擇要從價 格、字長、輸入 /輸出的執行速度、編程的靈活性 、尋址能力、中斷功能、直接存儲器訪問（ DMA）能力、配套的外圍電路芯片是否豐富以及相應的開發系統是否具備等多方面進行綜合考慮。單片機還可把運算結果與存儲器中存放的設定值進行比較 ， 采用改進的 PID 控制算法 ， 向執行部件輸出控制信號 ， 以將被測參數穩定在 設定值。 數字調節器 在數字控制系統中，用數字調節器來替代模擬調節器。在生產過程中，人起到了檢測儀表、控制器、執行器三大作用。 同時，本調解器還具備了初步的智能化。 Regulate。 模擬調節器的原理圖如 圖 所示 。 智能調節器的結構 智能調節器就是一種數字化的過程控制儀表，其外表類似于一般的盤裝儀表，而其內部是由微處理器（可能是 8 位的 中央處理器 ： 280， 8085 等，也可能是各種單片機：內蒙古科技大學畢業設計 說明書（畢業 論文 ） 4 8051 系列、 8098 系列等）、 RAM、 ROM、模擬量與數字量 I/O 通道及獨立的電源等基本單元 組成 的一個微型計算機系統。 (2) 基本功能 ① 可進行多通道、多參數巡回檢測； ② 能進行數據分析和處理； ③ 提供多種形式的數據輸出 ， 可方便地與網絡、外設及其 它 設備進行數據交換； ④ 可作為自動控制的信息反饋環節 ， 把檢測與控制結合起來； ⑤ 可通過改變程序或采用可編程的方法增減儀器功能和規模來適應不同的環境和對象； 內蒙古科技大學畢業設計 說明書（畢業 論文 ） 6 ⑥ 自校準、自診斷、觸發電平自動調整、量程自動調整和各種報警功能 [3]。例如 MCS51， MCS96 系列單片機的時鐘頻率已擴展至 24MHz，其中 MCS96 還具有 16 位乘 16 位和 32 位除以 16 位的除法指令，使運算速度大為提高。即 ])()(1)([)(u 0 dt tdeTdtteTteKt DtIP ??? ? () 式中： )()()( tytrte ?? ， PK 為比例增益， IT 為積分時間常數， DT 為微分時間常數。 執 行 機 構P I D 增 量 式 算 法∫被 控 對 象r ( k ) e ( k ) u ( t ) y ( t )+△ u ( k )y ( k ) 圖 增量式 PID控制 原理框 圖 根據位置式 PID控制算法，導出提供增量的 PID控制算法。 當偏差值較小時，采用 PID控制，可保證系統的控制精度；當偏差值較大時，采用 PD控制，可使超調量大幅度降低。 ② 微分先行 PID控制算法 為了避免 給定值升降給控制系統帶來沖擊，如超調量過大，調節閥動作劇烈，可采用如圖 PID控制方案，它和普通 PID控制的不同之處在于，只對被控量微分 ， 不對偏差微分，也就是說對給定值無微分作用。 看 門 狗（ M A X 7 0 5 ）單 片 機（ 8 0 C 1 9 6 K B ）平 滑 濾 波 V / I 轉 換4 4 鍵 盤顯 示 驅 動（ M A X 7 2 1 9 ）L E D 8通 信 接 口（ M A X 4 8 5 ）P W MP 0 . 0P 1 . 0 ~ P 1 . 7放 大打 印 接 口接 口 卡（ R S 4 8 5 ）被 測 信 號（ m V ）4 ~ 2 0 m AP C 機0 ~ 5 V報 警P 0 . 1 圖 智能調節器硬件電路總體方框圖 內蒙古科技大學畢業設計 說明書（畢業 論文 ） 18 最小單片機系統設計 最小單片機系統就是指能使單片機工作所需的一些必備 功能 器 件 。 變低時鎖存地址，并把它從地址 /數據總線分離開； EA ：存儲器選擇輸入。在模式 0 中，該腳用來作數據輸入或數據輸出。這樣，當 ALE高電平時 74LS373直通，使 P3口輸出的低 8位地址和 P4口輸出的高位地址同時到達外部程序存貯器的地址線；而當 ALE降為低電平時， P3口低 8位地址被 74LS373鎖存保持，使外部程序存貯器的低 8位地址信息維持不變， P3口讀到可靠的信息。 地址鎖存器 74LS373 的應用 74LS373是常用的地址鎖存器芯片，它實質 上 是一個帶三態緩沖輸出的 8D觸發器 。 頻率為 1/2XTAL1，占空比為 50%； RD ：對外部存儲器的讀信號輸出 。16 位除法運算（ ）。 確切地說，在很多情況下 其控