【文章內(nèi)容簡介】 PID 控制器受到了控制領域的普遍關注 , PID 控制器在控制領域也已經(jīng)被廣泛的應用 ,這樣便使控制系統(tǒng)具有更強的魯棒性和適用性。 湖南工程學院畢業(yè)設計論文 3 課題內(nèi)容與設計要求及任務 本課題是對實驗室原有系統(tǒng) —— DPJ— Ⅱ智能爐溫控制系統(tǒng)進行了解，要求設計簡單、實用的監(jiān)控管理程序，開發(fā)出新的實驗、訓練項目。了解原有系統(tǒng)的硬件基本結構，分析工作原理；對系統(tǒng)做出總體改造方案；對系統(tǒng)的改造部分進行硬件設計；監(jiān)控管理程序與應用軟件設計調(diào)試；控制算法研究與程序設計；與上位機通信軟件的設計； 技術要求： （ 1） 工業(yè)電爐的額定功率為 2KW， （ 2） 額定電壓為 220V（單相）。 （ 3） 溫度測量范圍 0 ℃ ~ 800 ℃ ；溫度調(diào)節(jié)控制范圍 100 ℃ ~ 600 ℃。 溫度控制工藝曲線如下圖： （ 3）、控制精度177。 5C ； 動態(tài)參數(shù)：超調(diào)量≤ 3% ；調(diào)節(jié)時間 3T 。 首先要明確課題任務及要求，搜集課題所需資料，了解原有系統(tǒng)的硬件結構，分析工作原理；在進行具體設計之前，首先要進行可行性調(diào)研，目的是分析完成這個項目的可能性。根據(jù)溫度控制系統(tǒng)的復雜性進行算法調(diào)研。 對各種算法進行比較，確定最佳方案，將系統(tǒng)軟件分成若干個相對獨立的部分，為提高軟件設 計的總體效率，在編寫應用軟件之前，應繪制出程序流程圖。這是程序設計的一個重要組成部分，也是決定成敗的關鍵部分。然后對系統(tǒng)的將程序嵌入主程序，進行總體調(diào)試。 智能爐溫控制系統(tǒng)控制算法研究 4 第二章 系統(tǒng)硬件概述 系統(tǒng)主要由單片機、信號檢測放大、輸出同步觸發(fā)、控制主電路和電爐組成。采用模塊式結構， I/O 線和各信號設計成總線形式，應用系統(tǒng)的各部分，如 A/D 模塊、鍵顯模塊、存儲器模塊、微型打印機接口、報警指示等，都通過總線底版插座方便地與單片機接口，同時還配有多個插口、接口。方便用戶維護、維修和進一步開發(fā)應用。 系統(tǒng)結構框圖 本系統(tǒng)除總線底板外，選配了以 AT89C51 為核心 CPU 模塊、以及 A/D 轉換、鍵盤與顯示器控制、微型打印機接口、并行 I/O 口、串行通信等模塊。通過編程可實現(xiàn)對爐溫的閉環(huán)控制，具有控制參數(shù)在線修改、手動 /自動無擾切換、工藝參數(shù)打印、狀態(tài)指示和報警以及與上位機通信等功能。由于采用了通用模塊，使系統(tǒng)的設計開發(fā)縮短，調(diào)試方便，修改靈活。系統(tǒng)的系統(tǒng)結構框圖如圖 ： 圖 智能爐溫控制系統(tǒng)結構框圖 系統(tǒng) 的總線結構 隨著微電子技術的迅速發(fā)展，單片機（微控制器）芯片的設計者、制造商不斷推出性能優(yōu)越且價格便宜各類型號的單片機。單片機的使用者則將其應用到越來越廣泛的領域，應用模式也是各種各樣。在我國目前工業(yè)測控系統(tǒng)及儀器儀表的應用中， MCS51系列單片機以及它的兼容系列（如 AT 89C 系列等）使用居多。為了方便快速的開發(fā)和40 總線底板 CPU 主板 89C51 A/D 轉換 模板 鍵盤與顯示控制8279 5*4 鍵盤 并行 I/O 口 8255 狀態(tài)指示與報警電路 打印機接口 微型打印機 串行 通信口 上位機 LED 顯示器 模擬量輸入 晶閘管 過零觸發(fā)模塊 主電 路 P1 口 湖南工程學院畢業(yè)設計論文 5 研制單片機應用系統(tǒng)，相繼出現(xiàn)了許多的仿真器和開發(fā)仿真軟件，受到使用者的歡迎。由于這些仿真器一般是基于單片機應用系統(tǒng)硬件線路基本完成連接后進行仿真調(diào)試的，因此要求在調(diào)試之前要花大量的時間進行硬 件的開發(fā)，并且在調(diào)試過程中還要進行反復修改。有些仿真軟件雖然可實現(xiàn)純軟件仿真，但軟件仿真的結果與實際應用的硬件系統(tǒng)還有一定距離，有些問題難以發(fā)現(xiàn)（如時序配合、總線驅(qū)動、抗干擾等問題）。為此，我們設計了一種基于總線的模塊式單片機通用開發(fā)應用系統(tǒng)，在產(chǎn)品開發(fā)和實踐教學的使用中，取得了滿意的效果。 雖然單片機應用的場合以及其作用各種各樣，各系統(tǒng)的硬件結構也各不相同，但是每個應用系統(tǒng)的組成原理大致相同，接口電路的設計方法是一樣的，系統(tǒng)擴展都是基于其片外三總線實現(xiàn)的。原系統(tǒng)是一種基于５１系列單片機三總線的通用總線底板 如圖 所示。 該總線共定義了４０根線（包括電源４根），分別是：數(shù)據(jù)總線Ｄ０～Ｄ７；地址總線Ａ０～Ａ１５；控制總線ＷＲ、ＲＤ、ＡＬＥ、ＰＳＥＮ、ＲＳＴ；外部中斷請求信號ＩＮＴ０、ＩＮＴ１；串行通信線 ＲＸＤ、ＴＸＤ；插口譯碼線ＰＸ；電源 Ｖｃｃ . GＮＤ各兩根。并以該總線為基礎設計了一種帶有 8 個模塊接插口的總線底板、CPU 主板以及多種接口模塊，在構建應用系統(tǒng)時可根據(jù)設計原理選擇不同的模塊進行配置，并過總線底板將帶有 CPU 的主板與各功能模塊進行組合，非常方便。 底板上共有 9 個接插口， J1 用于連接 底板工作電源， 40 腳插口的電源均由此接入，J2~J9 為通用擴展口，其中一個用于安裝帶有ＣＰＵ的主板，其余插口可任意插接各種用途的擴展模塊板。每個插口的地址可根據(jù)譯碼線ＰＸ的連接（ SIP 跳線）確定，譯碼方式非常靈活。 智能爐溫控制系統(tǒng)控制算法研究 6 圖 底板總線結構 ＣＰＵ主板及各功能模塊 系統(tǒng)５１系列單片機ＣＰＵ主板如圖 所示。應用時單片機可采用與 8031 引腳兼容的芯片（如 AT98C5 875 80C51 等）?？紤]到總線上可能要連接多塊模板，將系統(tǒng)的 3 組總線經(jīng)驅(qū)動后接到 40 腳總線接口，再通過 40腳接插件與總線底板的插口連接，P1 口及定時器輸入 T0、 T1 由 16 腳接插件引出。而程序存儲器選擇邏輯是為了方便選用片內(nèi)有或無程序存儲器的芯片而設計的。 根據(jù)單片機的一般應用情況，我們以 40 總線為基礎設計了多種 I/O 接口通用模塊， 存儲器擴展模塊（通過跳線可選擇用于程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器的擴展）、 A/D 轉換模塊（ ADC0809）、 D/A 轉換模塊（ DAC0832）、鍵盤與顯示器控制模塊（ 8279）、與 PC通信的串行通信模塊（經(jīng) RS232 接口）、微型打印機接口模塊、可編程接口模塊（分 8155和 8255 兩種）等，在實 際應用中使用者可根據(jù)需要選擇不同的模塊進行配置。 湖南工程學院畢業(yè)設計論文 7 A/D 轉換模塊 ADC0809 是價格適中的逐次比較型、 8 位 A/D 轉換芯片，單電源供電，無需外部進行 0 點和滿度調(diào)整，可鎖存 3 態(tài)輸出，輸出與 TTL 兼容。分辨率為 8 位，功耗是 15mW，轉換時間（ fCLK=500kHz） 128us。轉換精度為177。 ％，是單片機應用系統(tǒng)中最廣泛應用的 A/D 轉換芯片之一。 AT89C51 通過地址線 P20 和讀、寫控制線 /RD、 /WR 來控制轉換 器的模擬輸入通道地址鎖存、啟動和輸出允許。模擬輸入通道地址譯碼輸入 A、 B、 C 由 P00— P03 提供，雖然 ADC0809 具有通道地址鎖存功能，但由于使用 ALE 鎖存地址，故 P00— P03 須經(jīng)鎖存器接入 A、 B、 C。根據(jù) P20 和 P00— P03 的連接方法， 8 個模擬輸入通道的地址依IN0— IN7 順序為 FEF0H— FEFFH。轉換器的時鐘可由 AT89C51 的 ALE 取得，如果 ALE信號頻率過高，應分頻后輸入轉換器。在編程時應注意，在啟動 0809 后， EOC 約在 10us后才變?yōu)榈碗娖健?A/D 轉換接口，一般要完成通道的選擇、發(fā)轉換 啟動信號、取回“轉換結束”狀態(tài)信號、讀取轉換的數(shù)據(jù)和發(fā)采樣 /保持控制信號這些操作。 本系統(tǒng)選用鎳鉻— 鎳硅熱電偶作為爐溫測量傳感器，其冷端補償采用軟件方法，冷端溫度測量選用 IC ~ ~ ALE RXD TXD ~ RST/VPD XTAL1 XTAL2 PSEN A/VPP 地址鎖存 數(shù)據(jù)總線驅(qū) 動 地址總線驅(qū) 動 地址總線驅(qū) 動 D0~D7 A8~A15 A0~A7 P1 控制總線驅(qū) 動 按鍵復 位電路 RESETT AT89C51 程序存儲器選擇邏輯 Vcc GND T0 T1 RXD TXD INT0 INT1 WR RD 晶振 電路 圖 CPU 主板模塊原理框圖 智能爐溫控制系統(tǒng)控制算法研究 8 溫度傳感器。 A/D 轉換接口是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)前向通道中的一個環(huán)節(jié) ,數(shù)據(jù)采集和轉換系統(tǒng)從一個或幾個信號源中采集模擬信號，并將這些數(shù)據(jù)轉換為數(shù)字形式，以便輸入計算機。因此，對于一個模擬信號轉換為數(shù)字信號所要求的基本部件有： ⑴ 模擬多路轉換器與信號調(diào)節(jié)； ⑵ 采樣 /保持放大器； ⑶ 模擬 /數(shù)字（ A/D）轉換器； ⑷ 通道控制電路。 前向通道中 與傳感器相連接的是信號調(diào)節(jié)器，它完成傳感器初次輸出模擬信號的調(diào)節(jié)任務。而模 /數(shù)轉換中的多路轉換及信號調(diào)節(jié)則要將模擬信號變換成能直接滿足模 /數(shù) 變換需要的信號電平及輸入方式。為了減少動態(tài)數(shù)據(jù)測量的孔徑誤差，對于快速動態(tài)信號應設置采樣 /保持電路以防止采樣過程中信號發(fā)生變化。因此，模擬數(shù)據(jù)的采集及模 /數(shù)變換通道設計時不僅僅是單純選擇 A/D 轉換芯片及設計 A/D 轉換接口，要綜合考慮從傳感器到計算機數(shù)據(jù)輸入的全過程。 ADC0809 原理圖如圖 所示。 輸出控制模塊 本模塊包括主電 路與單片機控制電路的光電隔離，過零檢測電路和觸發(fā)脈沖電路。過零檢測電路在每個電源周期開始時產(chǎn)生一個脈沖，作為觸發(fā)器的同步信號。脈沖光電隔離電路實現(xiàn)功率放大電路與單片機在電氣上的分離，防止強電干擾信號竄入單片機。功率放大電路完成出發(fā)脈沖的功率放大、使之能可靠地觸發(fā)晶閘管導通。由于所控制的電阻爐只有一根電阻絲，功率也不大，原系統(tǒng)采用單相電源供電。 通用并行接口模塊 MCS51 系列及其兼容系列單片機都是共有四個 8 位并行 I/O 口，但這些 I/O 口并圖 A/D0809原理圖 湖南工程學院畢業(yè)設計論文 9 不能完全提供給用戶使用。只有對于片內(nèi)有 ROM/EPROM 的單片機，才允許這四個 I/O口作為用戶 I/O 口使用，然而對于大多數(shù)使用 8031 或片內(nèi)有 ROM/EPROM 的單片機需外部擴展時，可提供給用戶的 I/O 口只有 P1 口和部分 P3 口線，因此，在大部分的 MCS51系列及其兼容系列單片機應用系統(tǒng)設計中都不可避免地要進 I/O 的擴展。根據(jù)擴展并行I/O 口時數(shù)據(jù)線的連接方式， I/O 口擴展方式可分為總線擴展方法、串行口擴展方法和 I/O擴展方法。 8255 在單片機應用系統(tǒng)中被廣泛用作可編程外部并行 I/O 擴展接口。在單片機應用系統(tǒng)中， 8255 與 MCS51 系列及其兼容系列單片機連 接方式簡單，其工作方式由程序設定，其接口電路如下圖 所示。 圖中， 8255 的片選信號及口地址選擇線 A0、 A1 分別由 AT89C51 的 和 、 經(jīng) 地 址 鎖 存 后 提 供 。 故 8255 的 A 、 B 、 C 口 及 控 制 口 地 址 為8C00H,8C01H,8C02H,8C03H。 8255 的復位端與 AT89C51 的復位端相連，也可以直接接地，前者應保證 8255 復位完畢后才開始初始化。 8255 在單片機應用系統(tǒng)中廣泛用于連接外部設備，如打印機、鍵盤、顯示器，以及作為控制信息的輸入、輸出口。 與上位機通信模塊 串行 通信接口所直接面向的并不是某個具體的通信設備，而是一種串行通信的接口標準。所以，要進行串行通信接口的設計，就必須要選定串行通信接口標準，然后按照標準來設計接口電路。 串行通信接口標準經(jīng)過使用和發(fā)展，目前已有幾種。但都是在 RS232C 標準的基礎上經(jīng)過改進而形成。 RS232C 標準的全稱是 EIARS232C 標準（ Electronic Industrial D034D133D232D331D430D529D628D727P A 04P A 13P A 22P A 31P A 440P A 539P A 638P A 737P B 018P B 119P B 220P B 321P B 422P B 523P B 624P B 725P C 014P C 115P C 216P C 317P C 413P C 512P C 611P C 710RD5WR36A09A18R E S E T35CS6GND7VCC26U182551D2D3D4D5D6D7D8D9A10A11A12A13A14A15A16A17A18A19A20A21A22A23A24AR X D 25T X D 26A L E 27P S E N 28R D 29W R 30T 03 2I N T 03 3R E S T 31I N T 13 4G N D 38V C C 3539D I PV C C 36G N D 371234567891011121314151617181920212223242728293031323334353637383940U040 P I N1D2D3D4D5D6D7D8DR D 29W R 309A10AD I P 40R E S T 311234567891011121314151617181920212223242526U226 P I NV C C 35G N D 38V C C圖 8255擴展板 智能爐溫控制系統(tǒng)控制算法研究 10 AssociateRemended Standard232C）是美國 EIA（電子工業(yè)聯(lián)合會）與 BELL 等公司一起開發(fā)的 1969 年公布的通信協(xié)議。 它適合于數(shù)據(jù)傳輸速率在 0— 20210b/s 范圍內(nèi)的通信。這個標準對串行通信接口的有關問題，如信號線功能、電氣特性都作了明確規(guī)定。由于通信設備廠商都生產(chǎn)與 RS232C 制式兼容的通信設備，因此，它作為一種標準，目前已在微機串行通信接口中廣泛采用