【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 PID 控制器受到了控制領(lǐng)域的普遍關(guān)注 , PID 控制器在控制領(lǐng)域也已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用 ,這樣便使控制系統(tǒng)具有更強(qiáng)的魯棒性和適用性。 湖南工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 3 課題內(nèi)容與設(shè)計(jì)要求及任務(wù) 本課題是對(duì)實(shí)驗(yàn)室原有系統(tǒng) —— DPJ— Ⅱ智能爐溫控制系統(tǒng)進(jìn)行了解，要求設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、實(shí)用的監(jiān)控管理程序，開發(fā)出新的實(shí)驗(yàn)、訓(xùn)練項(xiàng)目。了解原有系統(tǒng)的硬件基本結(jié)構(gòu)，分析工作原理；對(duì)系統(tǒng)做出總體改造方案；對(duì)系統(tǒng)的改造部分進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)；監(jiān)控管理程序與應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)調(diào)試；控制算法研究與程序設(shè)計(jì)；與上位機(jī)通信軟件的設(shè)計(jì)； 技術(shù)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(cè)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(dòng)態(tài)參數(shù)：超調(diào)量≤ 3% ；調(diào)節(jié)時(shí)間 3T 。 首先要明確課題任務(wù)及要求，搜集課題所需資料，了解原有系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，分析工作原理；在進(jìn)行具體設(shè)計(jì)之前，首先要進(jìn)行可行性調(diào)研，目的是分析完成這個(gè)項(xiàng)目的可能性。根據(jù)溫度控制系統(tǒng)的復(fù)雜性進(jìn)行算法調(diào)研。 對(duì)各種算法進(jìn)行比較，確定最佳方案，將系統(tǒng)軟件分成若干個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部分，為提高軟件設(shè) 計(jì)的總體效率，在編寫應(yīng)用軟件之前，應(yīng)繪制出程序流程圖。這是程序設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成部分，也是決定成敗的關(guān)鍵部分。然后對(duì)系統(tǒng)的將程序嵌入主程序，進(jìn)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(jī)、信號(hào)檢測(cè)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(jié)構(gòu)， I/O 線和各信號(hào)設(shè)計(jì)成總線形式，應(yīng)用系統(tǒng)的各部分，如 A/D 模塊、鍵顯模塊、存儲(chǔ)器模塊、微型打印機(jī)接口、報(bào)警指示等，都通過(guò)總線底版插座方便地與單片機(jī)接口，同時(shí)還配有多個(gè)插口、接口。方便用戶維護(hù)、維修和進(jìn)一步開發(fā)應(yīng)用。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換、鍵盤與顯示器控制、微型打印機(jī)接口、并行 I/O 口、串行通信等模塊。通過(guò)編程可實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫的閉環(huán)控制，具有控制參數(shù)在線修改、手動(dòng) /自動(dòng)無(wú)擾切換、工藝參數(shù)打印、狀態(tài)指示和報(bào)警以及與上位機(jī)通信等功能。由于采用了通用模塊，使系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)縮短，調(diào)試方便，修改靈活。系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 ： 圖 智能爐溫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 系統(tǒng) 的總線結(jié)構(gòu) 隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，單片機(jī)（微控制器）芯片的設(shè)計(jì)者、制造商不斷推出性能優(yōu)越且價(jià)格便宜各類型號(hào)的單片機(jī)。單片機(jī)的使用者則將其應(yīng)用到越來(lái)越廣泛的領(lǐng)域，應(yīng)用模式也是各種各樣。在我國(guó)目前工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)及儀器儀表的應(yīng)用中， MCS51系列單片機(jī)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(zhuǎn)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(bào)警電路 打印機(jī)接口 微型打印機(jī) 串行 通信口 上位機(jī) LED 顯示器 模擬量輸入 晶閘管 過(guò)零觸發(fā)模塊 主電 路 P1 口 湖南工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 5 研制單片機(jī)應(yīng)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(jī)應(yīng)用系統(tǒng)硬件線路基本完成連接后進(jìn)行仿真調(diào)試的，因此要求在調(diào)試之前要花大量的時(shí)間進(jìn)行硬 件的開發(fā)，并且在調(diào)試過(guò)程中還要進(jìn)行反復(fù)修改。有些仿真軟件雖然可實(shí)現(xiàn)純軟件仿真，但軟件仿真的結(jié)果與實(shí)際應(yīng)用的硬件系統(tǒng)還有一定距離，有些問(wèn)題難以發(fā)現(xiàn)（如時(shí)序配合、總線驅(qū)動(dòng)、抗干擾等問(wèn)題）。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種基于總線的模塊式單片機(jī)通用開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)，在產(chǎn)品開發(fā)和實(shí)踐教學(xué)的使用中，取得了滿意的效果。 雖然單片機(jī)應(yīng)用的場(chǎng)合以及其作用各種各樣，各系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)也各不相同，但是每個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的組成原理大致相同，接口電路的設(shè)計(jì)方法是一樣的，系統(tǒng)擴(kuò)展都是基于其片外三總線實(shí)現(xiàn)的。原系統(tǒng)是一種基于５１系列單片機(jī)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(qǐng)求信號(hào)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(chǔ)設(shè)計(jì)了一種帶有 8 個(gè)模塊接插口的總線底板、CPU 主板以及多種接口模塊，在構(gòu)建應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)可根據(jù)設(shè)計(jì)原理選擇不同的模塊進(jìn)行配置，并過(guò)總線底板將帶有 CPU 的主板與各功能模塊進(jìn)行組合，非常方便。 底板上共有 9 個(gè)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(kuò)展口，其中一個(gè)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(kuò)展模塊板。每個(gè)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(jié)構(gòu) ＣＰＵ主板及各功能模塊 系統(tǒng)５１系列單片機(jī)ＣＰＵ主板如圖 所示。應(yīng)用時(shí)單片機(jī)可采用與 8031 引腳兼容的芯片（如 AT98C5 875 80C51 等）。考慮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(dòng)后接到 40 腳總線接口，再通過(guò) 40腳接插件與總線底板的插口連接，P1 口及定時(shí)器輸入 T0、 T1 由 16 腳接插件引出。而程序存儲(chǔ)器選擇邏輯是為了方便選用片內(nèi)有或無(wú)程序存儲(chǔ)器的芯片而設(shè)計(jì)的。 根據(jù)單片機(jī)的一般應(yīng)用情況，我們以 40 總線為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了多種 I/O 接口通用模塊， 存儲(chǔ)器擴(kuò)展模塊（通過(guò)跳線可選擇用于程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展）、 A/D 轉(zhuǎn)換模塊（ ADC0809）、 D/A 轉(zhuǎn)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(jī)接口模塊、可編程接口模塊（分 8155和 8255 兩種）等，在實(shí) 際應(yīng)用中使用者可根據(jù)需要選擇不同的模塊進(jìn)行配置。 湖南工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 7 A/D 轉(zhuǎn)換模塊 ADC0809 是價(jià)格適中的逐次比較型、 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換芯片，單電源供電，無(wú)需外部進(jìn)行 0 點(diǎn)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(zhuǎn)換時(shí)間（ fCLK=500kHz） 128us。轉(zhuǎn)換精度為177。 ％，是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中最廣泛應(yīng)用的 A/D 轉(zhuǎn)換芯片之一。 AT89C51 通過(guò)地址線 P20 和讀、寫控制線 /RD、 /WR 來(lái)控制轉(zhuǎn)換 器的模擬輸入通道地址鎖存、啟動(dòng)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(gè)模擬輸入通道的地址依IN0— IN7 順序?yàn)?FEF0H— FEFFH。轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘可由 AT89C51 的 ALE 取得，如果 ALE信號(hào)頻率過(guò)高，應(yīng)分頻后輸入轉(zhuǎn)換器。在編程時(shí)應(yīng)注意，在啟動(dòng) 0809 后， EOC 約在 10us后才變?yōu)榈碗娖健?A/D 轉(zhuǎn)換接口，一般要完成通道的選擇、發(fā)轉(zhuǎn)換 啟動(dòng)信號(hào)、取回“轉(zhuǎn)換結(jié)束”狀態(tài)信號(hào)、讀取轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)和發(fā)采樣 /保持控制信號(hào)這些操作。 本系統(tǒng)選用鎳鉻— 鎳硅熱電偶作為爐溫測(cè)量傳感器，其冷端補(bǔ)償采用軟件方法，冷端溫度測(cè)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(dòng) 地址總線驅(qū) 動(dòng) 地址總線驅(qū) 動(dòng) D0~D7 A8~A15 A0~A7 P1 控制總線驅(qū) 動(dòng) 按鍵復(fù) 位電路 RESETT AT89C51 程序存儲(chǔ)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(zhuǎn)換接口是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)前向通道中的一個(gè)環(huán)節(jié) ,數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)從一個(gè)或幾個(gè)信號(hào)源中采集模擬信號(hào)，并將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，以便輸入計(jì)算機(jī)。因此，對(duì)于一個(gè)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)所要求的基本部件有： ⑴ 模擬多路轉(zhuǎn)換器與信號(hào)調(diào)節(jié)； ⑵ 采樣 /保持放大器； ⑶ 模擬 /數(shù)字（ A/D）轉(zhuǎn)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(hào)調(diào)節(jié)器，它完成傳感器初次輸出模擬信號(hào)的調(diào)節(jié)任務(wù)。而模 /數(shù)轉(zhuǎn)換中的多路轉(zhuǎn)換及信號(hào)調(diào)節(jié)則要將模擬信號(hào)變換成能直接滿足模 /數(shù) 變換需要的信號(hào)電平及輸入方式。為了減少動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)測(cè)量的孔徑誤差，對(duì)于快速動(dòng)態(tài)信號(hào)應(yīng)設(shè)置采樣 /保持電路以防止采樣過(guò)程中信號(hào)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(shè)計(jì)時(shí)不僅僅是單純選擇 A/D 轉(zhuǎn)換芯片及設(shè)計(jì) A/D 轉(zhuǎn)換接口，要綜合考慮從傳感器到計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)輸入的全過(guò)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(jī)控制電路的光電隔離，過(guò)零檢測(cè)電路和觸發(fā)脈沖電路。過(guò)零檢測(cè)電路在每個(gè)電源周期開始時(shí)產(chǎn)生一個(gè)脈沖，作為觸發(fā)器的同步信號(hào)。脈沖光電隔離電路實(shí)現(xiàn)功率放大電路與單片機(jī)在電氣上的分離，防止強(qiáng)電干擾信號(hào)竄入單片機(jī)。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(dǎo)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(jī)都是共有四個(gè) 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(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 9 不能完全提供給用戶使用。只有對(duì)于片內(nèi)有 ROM/EPROM 的單片機(jī)，才允許這四個(gè) I/O口作為用戶 I/O 口使用，然而對(duì)于大多數(shù)使用 8031 或片內(nèi)有 ROM/EPROM 的單片機(jī)需外部擴(kuò)展時(shí)，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(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中都不可避免地要進(jìn) I/O 的擴(kuò)展。根據(jù)擴(kuò)展并行I/O 口時(shí)數(shù)據(jù)線的連接方式， I/O 口擴(kuò)展方式可分為總線擴(kuò)展方法、串行口擴(kuò)展方法和 I/O擴(kuò)展方法。 8255 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中被廣泛用作可編程外部并行 I/O 擴(kuò)展接口。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中， 8255 與 MCS51 系列及其兼容系列單片機(jī)連 接方式簡(jiǎn)單，其工作方式由程序設(shè)定，其接口電路如下圖 所示。 圖中， 8255 的片選信號(hào)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(fù)位端與 AT89C51 的復(fù)位端相連，也可以直接接地，前者應(yīng)保證 8255 復(fù)位完畢后才開始初始化。 8255 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中廣泛用于連接外部設(shè)備，如打印機(jī)、鍵盤、顯示器，以及作為控制信息的輸入、輸出口。 與上位機(jī)通信模塊 串行 通信接口所直接面向的并不是某個(gè)具體的通信設(shè)備，而是一種串行通信的接口標(biāo)準(zhǔn)。所以，要進(jìn)行串行通信接口的設(shè)計(jì)，就必須要選定串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)，然后按照標(biāo)準(zhǔn)來(lái)設(shè)計(jì)接口電路。 串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過(guò)使用和發(fā)展，目前已有幾種。但都是在 RS232C 標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)改進(jìn)而形成。 RS232C 標(biāo)準(zhǔn)的全稱是 EIARS232C 標(biāo)準(zhǔn)（ 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(kuò)展板 智能爐溫控制系統(tǒng)控制算法研究 10 AssociateRemended Standard232C）是美國(guó) EIA（電子工業(yè)聯(lián)合會(huì)）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(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)串行通信接口的有關(guān)問(wèn)題，如信號(hào)線功能、電氣特性都作了明確規(guī)定。由于通信設(shè)備廠商都生產(chǎn)與 RS232C 制式兼容的通信設(shè)備，因此，它作為一種標(biāo)準(zhǔn)，目前已在微機(jī)串行通信接口中廣泛采用