【正文】 HSO.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(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 20 由于芯片引腳較多，下面僅對(duì)本設(shè)計(jì)所涉及的主要引腳 的 功能予以描述： VCC：主電源電壓（ +5V）； VSS：數(shù)字地（ 0V）； VREF： A/D 轉(zhuǎn)換器和 P0 口的參考電壓（ +5V）； AGND： A/D 轉(zhuǎn)換器的參考地 。該 CPU 的最大特點(diǎn)是采用 了 寄存器 寄存器結(jié)構(gòu)， CPU 直接面向 256B 的寄存器空間，消除了累加器結(jié)構(gòu)中存在的瓶頸效應(yīng)，提高了操作速度和數(shù)據(jù)吞吐能力； (2) 具有 8KB 的內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，內(nèi)部程序存儲(chǔ)器可以加密；具有 256B 的內(nèi)部寄存器和專用寄存器，其中內(nèi)部寄存器為 232B，它兼有通用寄存器和高速 RAM 的功能； (3) 與 MCS51 相比，單片機(jī)內(nèi)部增加了許多高性能功能部件，如 I/O 器（ HSIO），特別適合快 速脈沖的測(cè)量和生產(chǎn)；多通道 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，特別適合多路數(shù)據(jù)采集、智能儀器和工業(yè)控制系統(tǒng)等應(yīng)用領(lǐng)域；脈寬調(diào)制輸出（ PWM），可用于直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)類的執(zhí)行元件，或?yàn)V波后獲得直流輸出，作為 D/A 轉(zhuǎn)換器使用；外設(shè)事務(wù)服務(wù)器（ PTS），專門(mén)用于處理外設(shè)中斷事務(wù)，和普通中斷服務(wù)過(guò)程相比，它能夠提供類似于直接存儲(chǔ)器存取 DMA(Direct Memory Access)的響應(yīng)，大大減少了 CPU 的軟件開(kāi)銷，從而提高了單片機(jī)的信息處理速度； 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 19 (4) 有 4 條高速觸發(fā)輸入線和 6 條高速脈沖輸出線，同時(shí)具有兩個(gè) 16 位定時(shí)器；另外還有 4 個(gè)受高速輸出部件控制的軟件定時(shí)器；具有 9 個(gè)中斷源和 8 個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)； (5) 8XC196XX內(nèi)的 A/D 轉(zhuǎn)換器多具有轉(zhuǎn)換位數(shù)（有 8 位和 10 位）可選擇、采樣和轉(zhuǎn)換時(shí)間可選擇的特點(diǎn)，比 8096 中的 A/D 更靈活； (6) 運(yùn)算能力和運(yùn)算速度大大提高 。 在 單片機(jī)內(nèi)， 經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換 以 后的信號(hào)以數(shù)字量 形式通過(guò)數(shù)字濾波 及 線性化處理 后 輸出 到 顯示驅(qū)動(dòng)芯片MAX7219 進(jìn)行顯示；同時(shí)，這些數(shù)據(jù)經(jīng) PID 運(yùn)算及 D/A 轉(zhuǎn)換后，將由單片機(jī)的 PWM口送出 ， 通過(guò)平滑濾波及 V/I 轉(zhuǎn)換后 ， 轉(zhuǎn)換 成 4~20mA 的控制信號(hào) 。 P I DC 2 ( s )E ( s ) U ( s )C ( s )+++C 1 ( s )sp esG ??) ]1)[(sp esG ??? 圖 Smith預(yù)估計(jì)控制 原理 框圖 ? ?])1[()1()1()( 11 ???????? kukubkackC () 式中： )exp(PTTa ?? ， ?????? ???????????PP TTKb e x p1 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 16 PID 控制算法的特點(diǎn) PID這樣簡(jiǎn)單的控制器，能夠適用于如此廣泛的工業(yè)與民用對(duì)象，并仍以很高的性價(jià)比在市場(chǎng)中占據(jù)著重要地位，充分地反映了 PID控制器的良好品質(zhì)。 P I D D f ( s )e ( t )u ` ( t )u ( t ) 圖 不完全微分 PID調(diào)節(jié)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(yōu)點(diǎn)是：不但能抑制高頻干擾，而且克服了普通數(shù)字 PID控制的缺點(diǎn) 。 它的基本思想是設(shè)法改變積分項(xiàng)的累加速度，使其與偏差大小相對(duì)應(yīng)：偏差越大，積分越慢，反之則越快。為此，可采用積分分離措施，即偏差 )(ke 較大時(shí)，取消積分作用；當(dāng)偏差 )(ke 較小時(shí)才將積分作用投入。 控制增量 )(ku? 的確定僅 與最近 k 次的采樣值有關(guān)，所以較容易通過(guò)加權(quán)處理而獲得比較好的控制效果。而且，因 為計(jì)算機(jī)輸出內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 11 的 u(k)對(duì)應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，如計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障， u(k)的大幅度變化，會(huì)引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的大幅度變化，可能造成重大的生產(chǎn)事故，往往不適合用于生產(chǎn)實(shí)踐中，因而產(chǎn)生了增量式 PID控制算法。 (2) 積分環(huán)節(jié) 主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。作為一種線性控制器，它根據(jù)給定值和實(shí)際輸出值構(gòu)成控制偏差，將偏差按比例、積分和微分通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱 PID控制器。因而， 80 年代以來(lái)開(kāi)發(fā)的智能儀器幾乎都帶有一片或多片單片機(jī) [4]。 應(yīng)該特別指出的是，高集成度、功能強(qiáng)的單片機(jī)的發(fā)展給智能儀器的實(shí)現(xiàn)帶來(lái) 了 極大的方便。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 7 第二章 智能調(diào)節(jié)器方案 選擇 智能調(diào)節(jié)器的方案選擇主要包括 微處理器 的選擇及控制算法的選擇 兩大部分 。 智能調(diào)節(jié)器的特點(diǎn)和基本功能 智能調(diào)節(jié)器在測(cè)量過(guò)程自動(dòng)化、測(cè)量數(shù)據(jù)處理及功能多樣化方面與傳統(tǒng)調(diào)節(jié)器的常規(guī)測(cè) 量電路相比 ， 取得了較大的進(jìn)展。一般被測(cè)量為幾路或幾十路 ， 采用多路開(kāi)關(guān)對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行切換 ， 使各路信號(hào)共用一 個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換器。以微型計(jì)算機(jī)為主體 ， 將計(jì)算機(jī)技術(shù)與檢測(cè)技術(shù)有機(jī)結(jié)合 ， 組成新一代 “ 智能化調(diào)節(jié)器 ” 。若 ? 0 時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)變化量 ? y0，則 稱 調(diào)節(jié)器為正作用調(diào)節(jié)器；若 ? 0 時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)變化量 ? y0，則稱調(diào)節(jié)器為內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 3 反作用調(diào)節(jié)器 [2]。 回顧調(diào)節(jié)器的發(fā)展過(guò)程，從使用的器件來(lái)看，它經(jīng)歷了真空管時(shí)代－晶體管時(shí)代－集成電路時(shí)代－大規(guī)模集成電路時(shí)代四個(gè)階段；而從調(diào)節(jié)器的工作原理來(lái)看，它也經(jīng)歷內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 2 了模擬儀器－數(shù)字儀器－智能儀器等不同的階段 [1]。該調(diào)節(jié)器以 80C196KB單片機(jī)系統(tǒng)為核心來(lái)完成對(duì)系統(tǒng)各部件的監(jiān)視和調(diào)節(jié)功能。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。智能儀器具有自動(dòng)操作、數(shù)據(jù)處理和友好的人機(jī)對(duì)話等傳統(tǒng)儀器無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，因而在各個(gè)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。 本 文還討論了軟 硬 件抗干擾的方法。近年來(lái)，隨著電子信息技術(shù)的 快 速發(fā)展，新型的以數(shù)字技術(shù)為核心的多功能儀表得到了 較快 的發(fā)展。模擬調(diào)節(jié)器可以代替人的分析、判斷、決策功能，再配上檢測(cè)儀表、自動(dòng)執(zhí)行器以及各種二次儀表，就可以使生產(chǎn)過(guò)程控制具有合理的一致性。 調(diào) 節(jié) 器 對(duì) 象給 定 值 偏 差被 控 變 量y變 送 器測(cè) 量 值??sxi ox擾 動(dòng)+ 圖 單回路控制系統(tǒng) 原理 框圖 被控變量能否回到給定值上，以及以怎樣的途徑，經(jīng)過(guò)多長(zhǎng)時(shí)間回到給定值上來(lái)，即控制過(guò)程的品質(zhì)如何，這不僅與對(duì)象特性有關(guān)，而且還與調(diào)節(jié)器的特性，即調(diào)節(jié)器的運(yùn)算規(guī)律有關(guān)。這些數(shù)字量由計(jì)算機(jī)按一定控制算法進(jìn)行運(yùn)算處理，運(yùn)算結(jié)果由模擬量輸出通道輸出，去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、壓力、流量、液位以及其 它 被控變量的自動(dòng)控制。 智能調(diào)節(jié)器實(shí)際上是一種通用的調(diào)節(jié)儀表 ， 由 硬件和軟件兩部分組成 ， 其結(jié)構(gòu)原理圖如圖 所示。 此外 ， 智能調(diào)節(jié)器還可以與 PC 機(jī)組成分布式測(cè)控系統(tǒng) ， 由單片機(jī)作為下位機(jī)采集內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 5 各種測(cè)量信號(hào)和數(shù)據(jù) ， 通過(guò)串行通信接口將信息傳送給上位機(jī) —— PC 機(jī) ， 再 由 PC 機(jī)進(jìn)行更復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理或進(jìn)行全局監(jiān)控。通常設(shè)有自檢功能。隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)日新月異地發(fā)展，微處理器的功能在不斷增強(qiáng)，價(jià)格在不斷下降。單片機(jī)本身內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 8 就是一個(gè) 結(jié)構(gòu)完備的計(jì)算機(jī)，內(nèi)含豐富的 I/O 接口 。因此，本設(shè)計(jì)的智能調(diào)節(jié)器采用 改進(jìn)型的 PID控制 算法 。 PID各 控制參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能有不同的影響。 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu)P I D 位 置 式 算 法D / A被 控 對(duì) 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?yàn)橛?jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，式 ()中的積分和微分項(xiàng)不能直接使用，需要對(duì)其進(jìn)行離散化處理。 增量式控制算法與位置型控制算法相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)： ① 由于微機(jī)輸出增量，所 以誤動(dòng)作時(shí)影響小，必要時(shí)可用邏輯判斷的方法去掉； ② 在位置型控制算法中，由手動(dòng)到自動(dòng)切換時(shí)，必須首先使微機(jī)的輸出值等于閥門(mén)的原始開(kāi)度，即 )1( ?ku ，才能保證手動(dòng) /自動(dòng)無(wú)擾動(dòng)切換，這將給程序設(shè)計(jì)帶來(lái)困難。 PID 控制算法的改進(jìn) 由于實(shí)際被控對(duì)象的復(fù)雜性，普 通的 PID控制算法通常很難滿足控制要求，需要對(duì)PID控制算法進(jìn)行改進(jìn)，主要的改進(jìn)算法有以下幾種： (1) 積分項(xiàng)的改進(jìn) 在 PID的控制中，積分的作用是消除殘差 。否則，積分系數(shù)取大了會(huì)產(chǎn)生超調(diào)，甚至積分飽和，取小了又遲遲不能消除靜差。 (2) 微分項(xiàng)的改進(jìn) ① 不完全微分 PID控制算法 普通的 PID控制算式，對(duì)具有高頻擾動(dòng)的生產(chǎn)過(guò)程，微分作用響應(yīng)過(guò)于靈敏，容易引起控制過(guò)程振蕩，降低品質(zhì)。 (3) 純滯后 Smith預(yù)估控制 在工業(yè)控制中，不少控制對(duì)象往往具有純滯后的性質(zhì)。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 17 第三章 智能調(diào)節(jié)器 硬件電路設(shè)計(jì) 智能調(diào)節(jié)器硬件電路總體方案設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)主要是 以 Intel公司 MCS96 系列的 80C196KB單片機(jī)芯片 為核心 ， 輔 以各外圍芯片及電路，通過(guò)對(duì)輸入被測(cè)信號(hào)的檢測(cè) 及 智能化處理，進(jìn)而輸出控制信號(hào)，以對(duì)被控 參數(shù) 進(jìn)行調(diào)節(jié) 。該系列單片機(jī)無(wú)論從硬件結(jié)構(gòu)，還是從指令系統(tǒng)都 做 了較大改進(jìn)，特別適合測(cè)控對(duì)象復(fù)雜，數(shù)據(jù)處理量大，實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用場(chǎng)合 。 本設(shè)計(jì)所用的 80C196KB，是繼 8096BH 之后， Intel 公司推出的高性能 CHMOS16位單片機(jī) —— 8XC196XX 系列 中 的一種。為了復(fù)位芯片，至少保持 4 個(gè)狀態(tài)周期，接著由低到高的跳變使 CLOCKOUT 重新同步并啟動(dòng)了 10 個(gè)狀態(tài)周期的復(fù)位序列 。只有寫(xiě)偶字節(jié)時(shí) WRL 才變低。該腳也可作輸出口； ~： 8 位高阻輸入口。 圖 地址鎖存器 74LS373的應(yīng)用電路