【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內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 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(shù)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 CPU 的最大特點是采用 了 寄存器 寄存器結構， CPU 直接面向 256B 的寄存器空間，消除了累加器結構中存在的瓶頸效應，提高了操作速度和數(shù)據(jù)吞吐能力； (2) 具有 8KB 的內部程序存儲器，內部程序存儲器可以加密；具有 256B 的內部寄存器和專用寄存器，其中內部寄存器為 232B，它兼有通用寄存器和高速 RAM 的功能； (3) 與 MCS51 相比，單片機內部增加了許多高性能功能部件，如 I/O 器（ HSIO），特別適合快 速脈沖的測量和生產(chǎn)；多通道 10 位 A/D 轉換器，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)等應用領域；脈寬調制輸出（ PWM），可用于直接驅動電機類的執(zhí)行元件，或濾波后獲得直流輸出，作為 D/A 轉換器使用；外設事務服務器（ PTS），專門用于處理外設中斷事務，和普通中斷服務過程相比，它能夠提供類似于直接存儲器存取 DMA(Direct Memory Access)的響應，大大減少了 CPU 的軟件開銷，從而提高了單片機的信息處理速度； 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（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，同時具有兩個 16 位定時器；另外還有 4 個受高速輸出部件控制的軟件定時器；具有 9 個中斷源和 8 個中斷優(yōu)先級； (5) 8XC196XX內的 A/D 轉換器多具有轉換位數(shù)（有 8 位和 10 位）可選擇、采樣和轉換時間可選擇的特點，比 8096 中的 A/D 更靈活； (6) 運算能力和運算速度大大提高 。 在 單片機內， 經(jīng)A/D 轉換 以 后的信號以數(shù)字量 形式通過數(shù)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(shù)據(jù)經(jīng) 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 。 P I DC 2 ( s )E ( s ) U ( s )C ( s )+++C 1 ( s )sp esG ??) ]1)[(sp esG ??? 圖 Smith預估計控制 原理 框圖 ? ?])1[()1()1()( 11 ???????? kukubkackC () 式中： )exp(PTTa ?? ， ?????? ???????????PP TTKb e x p1 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 16 PID 控制算法的特點 PID這樣簡單的控制器，能夠適用于如此廣泛的工業(yè)與民用對象，并仍以很高的性價比在市場中占據(jù)著重要地位，充分地反映了 PID控制器的良好品質。 P I D D f ( s )e ( t )u ` ( t )u ( t ) 圖 不完全微分 PID調節(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 。 它的基本思想是設法改變積分項的累加速度，使其與偏差大小相對應：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，取消積分作用；當偏差 )(ke 較小時才將積分作用投入。 控制增量 )(ku? 的確定僅 與最近 k 次的采樣值有關，所以較容易通過加權處理而獲得比較好的控制效果。而且，因 為計算機輸出內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 11 的 u(k)對應的是執(zhí)行機構的實際位置，如計算機出現(xiàn)故障， u(k)的大幅度變化，會引起執(zhí)行機構位置的大幅度變化，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)的無差度。作為一種線性控制器，它根據(jù)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。因而， 80 年代以來開發(fā)的智能儀器幾乎都帶有一片或多片單片機 [4]。 應該特別指出的是，高集成度、功能強的單片機的發(fā)展給智能儀器的實現(xiàn)帶來 了 極大的方便。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 7 第二章 智能調節(jié)器方案 選擇 智能調節(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 。 智能調節(jié)器的特點和基本功能 智能調節(jié)器在測量過程自動化、測量數(shù)據(jù)處理及功能多樣化方面與傳統(tǒng)調節(jié)器的常規(guī)測 量電路相比 ， 取得了較大的進展。一般被測量為幾路或幾十路 ， 采用多路開關對被測信號進行切換 ， 使各路信號共用一 個 A/D 轉換器。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(jié)器 ” 。若 ? 0 時，對應的輸出信號變化量 ? y0，則 稱 調節(jié)器為正作用調節(jié)器；若 ? 0 時，對應的輸出信號變化量 ? y0，則稱調節(jié)器為內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 3 反作用調節(jié)器 [2]。 回顧調節(jié)器的發(fā)展過程，從使用的器件來看，它經(jīng)歷了真空管時代－晶體管時代－集成電路時代－大規(guī)模集成電路時代四個階段；而從調節(jié)器的工作原理來看，它也經(jīng)歷內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（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]。該調節(jié)器以 80C196KB單片機系統(tǒng)為核心來完成對系統(tǒng)各部件的監(jiān)視和調節(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。智能儀器具有自動操作、數(shù)據(jù)處理和友好的人機對話等傳統(tǒng)儀器無法比擬的優(yōu)點，因而在各個領域都有著廣泛的應用。 本 文還討論了軟 硬 件抗干擾的方法。近年來，隨著電子信息技術的 快 速發(fā)展，新型的以數(shù)字技術為核心的多功能儀表得到了 較快 的發(fā)展。模擬調節(jié)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(zhí)行器以及各種二次儀表，就可以使生產(chǎn)過程控制具有合理的一致性。 調 節(jié) 器 對 象給 定 值 偏 差被 控 變 量y變 送 器測 量 值??sxi ox擾 動+ 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)過多長時間回到給定值上來，即控制過程的品質如何，這不僅與對象特性有關，而且還與調節(jié)器的特性，即調節(jié)器的運算規(guī)律有關。這些數(shù)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(zhí)行機構的動作，從而實現(xiàn)對溫度、壓力、流量、液位以及其 它 被控變量的自動控制。 智能調節(jié)器實際上是一種通用的調節(jié)儀表 ， 由 硬件和軟件兩部分組成 ， 其結構原理圖如圖 所示。 此外 ， 智能調節(jié)器還可以與 PC 機組成分布式測控系統(tǒng) ， 由單片機作為下位機采集內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 5 各種測量信號和數(shù)據(jù) ， 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(shù)據(jù)處理或進行全局監(jiān)控。通常設有自檢功能。隨著超大規(guī)模集成電路技術日新月異地發(fā)展，微處理器的功能在不斷增強，價格在不斷下降。單片機本身內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 8 就是一個 結構完備的計算機，內含豐富的 I/O 接口 。因此，本設計的智能調節(jié)器采用 改進型的 PID控制 算法 。 PID各 控制參數(shù)對系統(tǒng)的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能有不同的影響。 執(zhí) 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。 增量式控制算法與位置型控制算法相比，具有以下優(yōu)點： ① 由于微機輸出增量，所 以誤動作時影響小，必要時可用邏輯判斷的方法去掉； ② 在位置型控制算法中，由手動到自動切換時，必須首先使微機的輸出值等于閥門的原始開度，即 )1( ?ku ，才能保證手動 /自動無擾動切換，這將給程序設計帶來困難。 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 。否則，積分系數(shù)取大了會產(chǎn)生超調，甚至積分飽和，取小了又遲遲不能消除靜差。 (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(chǎn)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。 (3) 純滯后 Smith預估控制 在工業(yè)控制中，不少控制對象往往具有純滯后的性質。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 17 第三章 智能調節(jié)器 硬件電路設計 智能調節(jié)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(shù) 進行調節(jié) 。該系列單片機無論從硬件結構，還是從指令系統(tǒng)都 做 了較大改進，特別適合測控對象復雜，數(shù)據(jù)處理量大，實時性要求較高的應用場合 。 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。為了復位芯片，至少保持 4 個狀態(tài)周期，接著由低到高的跳變使 CLOCKOUT 重新同步并啟動了 10 個狀態(tài)周期的復位序列 。只有寫偶字節(jié)時 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的應用電路