【正文】 27HSO.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(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 。該腳也可作輸出口； 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 ） 21 RXD/：串行口的接收腳。之后 P3口傳送指令或數(shù)據(jù)代碼。 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 ） 22 在本設(shè)計(jì)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(xiě)操作時(shí)， WR 變低。 如 C 語(yǔ)言、 FORTH 語(yǔ)言、 PL/M 語(yǔ)言 等 。具體分析，其局限性主要來(lái)自以下幾個(gè)方面： (1) 算法結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單性決定了 PID控制比較適用于 SISO最小相位系統(tǒng)，在處理大時(shí)滯、開(kāi)環(huán)不穩(wěn)定過(guò)程等難控對(duì)象時(shí)，需要通過(guò)多個(gè) 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(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單性同時(shí)決定了 PID控制只能確定閉環(huán)系統(tǒng)的少數(shù)主要零極點(diǎn)；閉環(huán)特性從根本上只是基于動(dòng)態(tài)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(wú)法同時(shí)滿足對(duì)假定設(shè)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(fù)偏 差，否則，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 ） 14 累加正偏差。 綜合考慮，本設(shè)計(jì)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(shù)最為成熟，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)容易整定，且不必求出被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型就可進(jìn)行調(diào)節(jié)。 在實(shí)際微處理器的選擇中，我們往往會(huì)感到許多型號(hào)的微處理器都能滿足設(shè)計(jì)要求，這 時(shí) 微處理器的選擇 主 要取決于設(shè)計(jì)人員對(duì) 某種微處理器的熟悉程度。如被測(cè)爐溫超過(guò)上限值或低于下限值時(shí) ， 給出報(bào)警信號(hào) ， 進(jìn)行相應(yīng)操作。其調(diào)節(jié)過(guò)程是先把過(guò)程參數(shù)進(jìn)行采樣，并通過(guò)模擬量輸入通道將模擬量變成數(shù)字量。隨著生產(chǎn)的不斷發(fā)展和技術(shù)水平的不斷提高，生產(chǎn)過(guò)程變得越來(lái)越復(fù)雜，一些自動(dòng)控制裝置正逐漸代替人工操作。 在 硬件 電路設(shè)計(jì)中，本文詳細(xì)介紹了 各 電路模塊的 設(shè)計(jì)方法 ， 并且也給出了 鍵盤(pán)、 顯示、通訊和打印的外圍電路設(shè)計(jì)；在軟件設(shè)計(jì)部分，本文介紹了單片機(jī)軟件程序的流程和設(shè)計(jì)。 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(diào)節(jié)器 調(diào)節(jié)器將來(lái)自變送器的測(cè)量值與給定值相比較后產(chǎn)生的偏差進(jìn)行比例、積分、微分（ PID）運(yùn)算，并輸出統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（ 4~20mA 或 1~5V） ， 去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、壓力、流量、液位以及其 它 工藝變量的自動(dòng)控制。智能化調(diào)節(jié)器不僅解決了傳統(tǒng)調(diào)節(jié)器不易解決或不能解決的問(wèn)題 ， 還能簡(jiǎn)化儀表電路 ， 提高儀表可靠性 ， 實(shí)現(xiàn)高精度、高性能、多功能的目的 ， 迅速地在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 (1) 特點(diǎn) ① 開(kāi)發(fā)性強(qiáng) ， 可靠性高； ② 性能好 ， 精度高； ③ 智能化； ④ 具有友好的人機(jī)對(duì)話能力； ⑤ 具有可程控操作的能力。單片機(jī)用于智能儀器具有下述優(yōu)越性： 單片機(jī)具有較高速度的數(shù)據(jù)計(jì)算能力。 比 例積 分微 分被 控 對(duì) 象r ( t ) e ( t ) u ( t ) y ( t )++++ 圖 PID控制系統(tǒng)原理框圖 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 ） 9 在連續(xù)控制系統(tǒng)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(guān)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(dāng)當(dāng) 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 ） 13 該算法的優(yōu)點(diǎn)是：縮短了調(diào)節(jié)時(shí)間 。 數(shù)字調(diào)節(jié)器輸出的微分作用能在各個(gè)周期里按照偏差變化趨勢(shì)，均勻地輸出，真正起到了微分作用，改善了控制系統(tǒng)的性能。 本設(shè)計(jì)的外圍電路包括： 44 矩陣式鍵盤(pán)；打印機(jī)接口；看門(mén)狗芯片及與上位機(jī)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(shè)置 來(lái)選通。 在用 373作地址鎖存器時(shí)， OE接地， LE接單片機(jī)的 ALE信號(hào)， 74LS373的數(shù)據(jù)輸入端 D0~D7接 P3口， 74LS373的數(shù)據(jù)輸出端 Q0~Q7接存儲(chǔ)器的地址線 A0~A7。在單片機(jī)系統(tǒng)中為了擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器，通常需要一塊 74LS373芯片。 只有在讀外部存儲(chǔ)器期間 RD 是低電平； WRL/WR ：對(duì)外部存儲(chǔ)器的讀和寫(xiě)低位字節(jié)輸出。許多指令既可用于雙操作數(shù)，也可用于三操作數(shù)，大大提高了指令效率，平均指令執(zhí)行時(shí)間為 1μs~2μs； (7) 可使用面向工業(yè)控制的高級(jí)語(yǔ)言 。 但從另一方面來(lái)講，控制算法的普適性也反映了 PID控制器在控制品質(zhì)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(dāng)控制進(jìn)入飽和區(qū)以后，便不再進(jìn)行積分項(xiàng)的累加，而只執(zhí)行削弱積分的運(yùn)算 。一般認(rèn)為，在以晶閘管或伺服電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行器件，或?qū)刂凭纫筝^高的系統(tǒng)中，應(yīng)當(dāng)采用位置型控制算法，而在以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)或多圈電位器作執(zhí)行器件的系統(tǒng)中，則應(yīng)采用增量型控制算法。 PID 控制算法及特點(diǎn) PID 控制器的兩種主要算法 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 ） 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(diǎn)?；镜?控制 算法有 ：程序控制和順序控制； PID控制；直接數(shù)字控制；最優(yōu)控制；模糊控制；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。 微 處理器的選擇要從價(jià)格、字長(zhǎng)、輸入 /輸出的執(zhí)行速度、編程的靈活性 、尋址能力、中斷功能、直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)（ DMA）能力、配套的外圍電路芯片是否豐富以及相應(yīng)的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)是否具備等多方面進(jìn)行綜合考慮。單片機(jī)還可把運(yùn)算結(jié)果與存儲(chǔ)器中存放的設(shè)定值進(jìn)行比較 ， 采用改進(jìn)的 PID 控制算法 ， 向執(zhí)行部件輸出控制信號(hào) ， 以將被測(cè)參數(shù)穩(wěn)定在 設(shè)定值。 數(shù)字調(diào)節(jié)器 在數(shù)字控制系統(tǒng)中，用數(shù)字調(diào)節(jié)器來(lái)替代模擬調(diào)節(jié)器。在生產(chǎn)過(guò)程中，人起到了檢測(cè)儀表、控制器、 執(zhí)行器三大作用。 同時(shí)，本調(diào)解器還具備了初 步的智能化。 Regulate。 模擬 調(diào)節(jié)器的原理圖如 圖 所示 。 智能調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu) 智能調(diào)節(jié)器就是一種數(shù)字化的過(guò)程控制儀表，其外表類(lèi)似于一般的盤(pán)裝儀表，而其內(nèi)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(jī)：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 ） 4 8051 系列、 8098 系列等）、 RAM、 ROM、模擬量與數(shù)字量 I/O 通道及獨(dú)立的電源等基本單元 組成 的一個(gè)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 (2) 基本功能 ① 可進(jìn)行多通道、多參數(shù)巡回檢測(cè)； ② 能進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理； ③ 提供多種形式的數(shù)據(jù)輸出 ， 可方便地與網(wǎng)絡(luò)、外設(shè)及其 它 設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換； ④ 可作為自動(dòng)控制的信息反饋環(huán)節(jié) ， 把檢測(cè)與控制結(jié)合起來(lái)； ⑤ 可通過(guò)改變程序或采用可編程的方法增減儀器功能和規(guī)模來(lái)適應(yīng)不同的環(huán)境和對(duì)象； 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 ） 6 ⑥ 自校準(zhǔn)、自診斷、觸發(fā)電平自動(dòng)調(diào)整、量程自動(dòng)調(diào)整和 各種報(bào)警功能 [3]。例如 MCS51， MCS96系列單片機(jī)的時(shí)鐘頻率已擴(kuò)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(yùn)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(shí)間常數(shù)， DT 為微分時(shí)間常數(shù)。 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu)P I D 增 量 式 算 法∫被 控 對(duì) 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(jù)位置式 PID控制算法，導(dǎo)出提供增量的 PID控制算法。 當(dāng)偏差值較小時(shí)，采用 PID控制，可保證系統(tǒng)的控制精度；當(dāng)偏差值較大時(shí)，采用 PD控制，可使超調(diào)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(tǒng)帶來(lái)沖擊，如超調(diào)量過(guò)大，調(diào)節(jié)閥動(dòng)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(duì)被控量微分 ， 不對(duì)偏差微分，也就是說(shuō)對(duì)給定值無(wú)微分作用。 看 門(mén) 狗（ M A X 7 0 5 ）單 片 機(jī)（ 8 0 C 1 9 6 K B ）平 滑 濾 波 V / I 轉(zhuǎn) 換4 4 鍵 盤(pán)顯 示 驅(qū) 動(dòng)（ 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(cè) 信 號(hào)（ m V ）4 ~ 2 0 m AP C 機(jī)0 ~ 5 V報(bào) 警P 0 . 1 圖 智能調(diào)節(jié)器硬件電路總體方框圖 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 ） 18 最小單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 最小單片機(jī)系統(tǒng)就是指能使單片機(jī)工作所需的一些必備 功能 器 件 。 變低時(shí)鎖存地址，并把它從地址 /數(shù)據(jù)總線分離開(kāi)； EA ：存儲(chǔ)器選擇輸入。在模式 0 中，該腳用來(lái)作數(shù)據(jù)輸入或數(shù)據(jù)輸出。這樣，當(dāng) ALE高電平時(shí) 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(shí)到達(dá)外部程序存貯器的地址線；而當(dāng) ALE降為低電平時(shí)， 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(yīng)用 74LS373是常用的地址鎖存器芯片，它實(shí)質(zhì) 上 是一個(gè)帶三態(tài)緩沖輸出的 8D觸發(fā)器 。 頻率為 1/2XTAL1，占空比為 50%； RD ：對(duì)外部存儲(chǔ)器的讀信號(hào)輸出 。16 位除法運(yùn)算（ ）。 確切 地說(shuō)，在很多情況下其控制品質(zhì)對(duì)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)或參