【文章內(nèi)容簡介】 單片機在汽車電子中的應用非常廣泛，例如汽車中的發(fā)動機控制器，基于 CAN總線的汽車發(fā)動機智能電子控制器， GPS導航系統(tǒng)， abs防抱死系統(tǒng)，制動系統(tǒng)等等。 此外，單片機在工商，金融，科研、教育，國防航空航天等領域都有著十分廣泛的用途。 11 第 2 章 系統(tǒng)的方案設計 控制系統(tǒng)的模型 被控過程數(shù)學模型的作用與要求 模型的作用 被控過程動態(tài) 特性的數(shù)學模型是表示其輸入變量與輸出變量之間動態(tài)關系的數(shù)學描述。被控過程的數(shù)學模型在生產(chǎn)過程工藝分析、設計及控制系統(tǒng)分析與設計方面有廣泛的應用，歸納起來主要有以下幾個方面： （ 1） 設計過程控制系統(tǒng)及整定控制參數(shù) （ 2） 指導生產(chǎn)工藝及其設備的設計與操作 （ 3） 對被控過程進行仿真研究 （ 4） 培訓運行操作人員 （ 5） 工業(yè)過程的故障檢測與診斷 實際生產(chǎn)過程的動態(tài)特性是非常復雜的，為了得到使用的模型，在建立其數(shù)學模型時不得不突出主要因素，忽略次要因素。根據(jù)用途的不同，過程動態(tài)數(shù)學模型的具體要求也有所不同，但總的原則一是盡量簡單 ，二是正確可靠。這主要是基于一下考慮： （ 1）如果模型參數(shù)是用估計方法根據(jù)輸入輸出數(shù)據(jù)計算得到的，選用數(shù)學模型月復雜 需要計算的模型參數(shù)就越復雜。 （ 2）如果數(shù)學模型用于前饋控制、解耦控制、預測控制、推理控制等時，模型過于復雜，則控制規(guī)律和算法也會比較復雜。 調(diào)節(jié)器 執(zhí)行器 被控過程 檢測信號 12 （ 3）如果模型太復雜，控制系統(tǒng)進行在線參數(shù)整定與系統(tǒng)優(yōu)化的計算量很大。為了保證實時性，必須配置高速在線運算設備，增加控制系統(tǒng)的復雜性和投資。 鑒于以上原因，在實際應用中，被控過程的傳遞函數(shù)或其他動態(tài)數(shù)學模型的階次一班不高于三階，經(jīng)常采用具 有純滯后的一階和二階模型，最常用的是純滯后的一階形式。 建立被控過程數(shù)學模型的方法 建立被控數(shù)學模型的基本方法有兩種， 即 機理法和實驗測試法 。 機理法建模是根據(jù)生產(chǎn)過程中實際發(fā)生的變化機理，寫出相關的平衡方程，如：物質(zhì)平衡方程、能量平衡方程、動量平衡方程，以及反映流體流動、傳熱、化學反映等基本規(guī)律的運動方程、物性參數(shù)方程和某些設備的特性方程，從中獲得所需的數(shù)學模型。 2．測試法 測試法建模通過被控過程輸入、輸出的實測數(shù)據(jù)進行數(shù)學處理后求得數(shù)學模型，這種方法也稱為系 統(tǒng)辨識。用測試法建模時，可以在不十分清楚內(nèi)部機理的情況下，把被研究的對象視為黑匣子，完全通過外部測試來描述它的特性。 液位過程系統(tǒng)分析 單容過程的模型 單容過程 只有一個貯蓄容量的過程。單容過程可分為有自平衡能力和無自平衡能力兩類。 1． 自衡過程的建模 自衡過程 指過程在擾動作用下，其平衡狀態(tài)被破壞后不需要操作人員或儀表等干預，依靠其自身重新恢復平衡的過程。 容量或容量系數(shù) 被控過程都具行 — 定貯存物料或能量的能力，其貯存能力的大小。其物理意義是：引 起單位被控量變化時被控過程貯存量變化的大小。 例：液位過程 13 Q1流入量，控制過程的輸入變量 Q2流出量，中間變量 h液位，控制過程的輸出變量 動態(tài)物料平衡關系： dtdhA ??21，其增量形式： dthdA ?????21。 物理原理：2222 QhRRhQ ?????? 或 。 消去中間變量 Q2，及拉氏變換后，得傳遞函數(shù)：11)( )()( 0 02 210 ????? sT KCsR RsQ sHsW 被控過程都具行 — 定貯存物料或能量的能力，其貯存能力的大小，稱為容量或容量系數(shù)。其物理意義是：引起單位被控量變化時被控過程貯存量變化的大小。 例：具有純時延的液位過程 .具有純時延單容過程的微分方程和傳遞函數(shù)為： 14 2． 無自衡過程的建模 無自衡過程 指過程在擾動作用下，其平衡狀態(tài)被破壞后不需要操作人員或儀表等干預，依靠其自身不能重新恢復平衡的過程。 例：無自衡液位控制過程 1QdthdC ???；sTsW a1)(0 ?； sao esTsW01)( ??? 雙容過程的模型 雙容過程 被控過程往往是由兩個個容積和阻力構成?？煞譃橛凶云胶饽芰蜔o自平衡能力兩類。 1. 具自衡能力的雙容過程的建模 其被控量是第二只水箱的液位 h2，輸入量為 Q1。根據(jù)物料平衡關系可以列出下列方程： 15 雙容過程的數(shù)學模型為： 2. 無自衡能力的雙容過程的建模 無自平衡能力雙容過程的傳遞函數(shù)： 111)(0 ??? TssTsW a 無自平衡能力雙容過程的傳遞函數(shù)： 16 na TssTsW )1( 11)(0 ??? 過程具有純時延，則傳遞函數(shù)： sna esTKsTsW 0)1(1)(100 ????? （ 1）查閱國內(nèi)外資料，了解連續(xù)生產(chǎn)過程的現(xiàn)代控制技術和控制方法，了解過程控制系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展動態(tài)。 （ 2）調(diào)節(jié)器設計：完成 PID調(diào)節(jié)的控制功能 （ 3）控制電路設計：給定與反饋 比較環(huán)節(jié)的設計和輸入 /輸出電路設計。 （ 4）實驗驗證：利用 THKGK1型實驗裝置，進行雙容液位控制系統(tǒng)調(diào)試，整定各環(huán)節(jié)參數(shù)，記錄實驗結果，分析實驗結果。 17 雙容水箱液位控制系統(tǒng)，控制的目的既要使下水箱的液位高度等于給定值所期望的值，又要具有減少或消除來自系統(tǒng)內(nèi)部或外部擾動的影響。顯然，這種反饋控制系統(tǒng)的性能主要取決于調(diào)節(jié)器 GK04 的結構和參數(shù)的合理選擇。由于雙容水箱的數(shù)學模型是二階的，故它的穩(wěn)定性不如單容液位控制系統(tǒng)。對于階躍輸入（包括階躍擾動），這種系統(tǒng)用比 例（ P）調(diào)節(jié)器去控制，系統(tǒng)有余差，且與比例度近似成正比，若用比例積分（ PI）調(diào)節(jié)器去控制，不僅可實現(xiàn)無余差，而且只要調(diào)節(jié)器的參數(shù)δ和 Ti 選擇得合理，也能使系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能。 比例積分微分（ PID）調(diào)節(jié)器是在 PI 調(diào)節(jié)器的基礎上再引入微分 D的控制作用，從而使系統(tǒng)既無余差存在，又使其動態(tài)性能得到進一步改善。 第 3章 單片機控制器的設計 單片機控制器的設計方案 18 單片機控制系統(tǒng)的分析 89C51 單片機簡介 89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（ FPEROM— Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理器，俗稱單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除 100 次。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃 爍存儲器組合在單個芯片中， ATMEL 的 89C51 是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。 89C51 的引腳及其功能 19 1．主要特性： 與 MCS51 兼容 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲器 壽命： 1000 寫 /擦循環(huán) 數(shù)據(jù)保留時間： 10 年 全靜態(tài)工作： 0Hz24Hz 三級程序存儲器鎖定 128*8 位內(nèi)部 RAM 20 32 可編程 I/O 線 兩個 16位定時器 /計數(shù)器 5個中斷源 可編程串行通道 低功耗的閑置和掉電模式 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 2．管腳說明： VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0 口： P0口為一個 8位漏級開路雙向 I/O口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當 P1口的管腳第一次寫 1時，被定義為高阻輸入。 P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FIASH 編程時， P0 口作為原碼輸入口，當 FIASH 進行校驗時， P0 輸出原碼，此時 P0 外部必須被拉高。 P1 口： P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的 8位雙向 I/O 口， P1口緩沖器能接收輸出4TTL 門電流。 P1 口管腳寫入 1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗時， P1 口作為第八位地址接收。 P2 口： P2口為一個內(nèi)部上拉電阻 的 8位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出 4個 TTL 門電流，當 P2 口被寫“ 1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時， P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P2口當用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時， P2口輸出地址的高八位。在給出地址“ 1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 P2 口在 FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3 口： P3口管腳是 8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O口，可接收輸出 4個 TTL 門電流。當 P3口寫入“ 1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3 口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故。 P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表所示： 口管腳 備選功能 RXD（串行輸入口） 21 TXD（串行輸出口） /INT0（外部中斷 0） /INT1（外部中斷 1） T0（記時器 0外部輸入） T1（記時器 1外部輸入） /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫 選通） /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） P3 口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。 RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持 RST 腳兩個機器周期的高電平時間。 ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時， ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個 ALE脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。此時， ALE 只有在執(zhí)行 MOVX， MOVC 指令是ALE 才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無效。 /PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次 /PSEN 有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的 /PSEN 信號將不出現(xiàn)。 /EA/VPP：當 /EA 保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（ 0000H FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式 1時， /EA 將內(nèi)部鎖定為 RESET；當 /EA 端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（ VPP）。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 3．振蕩器特性： XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件， XTAL2 應不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度 。 4．芯片擦除： 22 整個 PEROM 陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持 ALE管腳處于低電平 10ms 來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“ 1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復編程以前，該操作必須被執(zhí)行。 此外， AT89C51 設有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下， CPU 停止工作。但 RAM，定時器，計數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存 RAM 的內(nèi)容并且凍結振蕩