【文章內(nèi)容簡介】 節(jié)器的類型選擇 模擬式調(diào)節(jié)器 模擬控制器是用模擬電路實現(xiàn)控制功能的儀表，又成電動調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器將來自變送器的測量值與給定值相比較后產(chǎn)生的偏差進行比例、積分、微分（ PID） 運算，并輸出統(tǒng)一 標準信號，去控制執(zhí)行機構的動作，以實現(xiàn)對溫度、壓力、流量、液位及其他工藝變量的自動控制。其發(fā)展經(jīng)歷了Ⅰ型（電子管）、Ⅱ（晶體管）和Ⅲ（集成電路）。目前Ⅰ型、Ⅱ型都已經(jīng)淘汰。這里介紹 DDZⅢ型調(diào)節(jié)器。 DDZⅢ型儀表采用了集成電路和安全火花型防爆結構，提高了儀表精度、儀表可靠性和安全性，適應大型工廠、煉油廠的防爆要求。特點如下： （ 1）采用國際統(tǒng)一標準信號，現(xiàn)場傳輸信號為 DC420mA，控制室聯(lián)絡信號為 DC15V。 （ 2）廣泛采用集成電路，儀表的電路簡化、精度提高、可靠性提高、維修工作量將少。 （ 3）整套 儀表可構成安全火花型防爆系統(tǒng)。 DDZⅢ型控制器的基本類型是全刻度指示 PID 調(diào)節(jié)器。為滿足各種特殊控制系統(tǒng)的要求，還有特殊控制器，例如斷續(xù)控制器、自整定控制器、前饋控制器、非線性控制器等。 數(shù)字式調(diào)節(jié)器 數(shù)字式控制器是以微處理器為基礎的多功能控制儀表，可接受多路模擬量及開關量輸入信號，能實現(xiàn)復雜的運算控制，并具有通信及故障診斷功能，是自動控制、計算機及通信技術（合稱 3C 技術， Control， Computer， Communication） 發(fā)展的產(chǎn)物。 數(shù)字式 PID 控制器是通過編程來控制 PID 調(diào)節(jié)功能的，又 稱可編程 PID 調(diào)節(jié)器，或可編程調(diào)節(jié)器。由于微處理器的強大計算功能，用戶可以根據(jù)需要編寫復雜的控制程序，內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 6 所以一臺可編程控制器可以代替多臺模擬儀表，并且可以根據(jù)重編程序修改功能。 可編程調(diào)節(jié)器產(chǎn)品種類較多，例如西安儀表廠生產(chǎn)的 YS80 系列和 YS100系列等，它們都以 8 位或 16 位微處理器為 CPU，外圍電路也大同小異。 數(shù)字式調(diào)節(jié)器與模擬式控制儀表在構成原理和所用器件上有很大差別。前者采用數(shù)字技術，以微型計算機為核心部件；而后者采用模擬技術，以運算放大器等模擬電子器件為基本部件。 數(shù)字調(diào)節(jié)器與模擬式控制儀表相比較， 數(shù)字調(diào)節(jié)器有如下一些優(yōu)點： (1) 實現(xiàn)了儀表的數(shù)字化、智能化 (2) 具有豐富的運算、控制功能 (3) 通用性強，使用方便 (4) 具有通信功能，便于系統(tǒng)擴展 (5) 可靠性高，維護方便 隨著計算機日益廣泛地應用于工業(yè)系統(tǒng)，數(shù)字控制系統(tǒng)已成為現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)的主流。數(shù)字控制系統(tǒng)的廣泛應用促進調(diào)節(jié)器的進一步發(fā)展。盡管基于計算機的數(shù)字控制系統(tǒng)目前已出現(xiàn)了很多種數(shù)字調(diào)節(jié)器和控制器 ,但 PID 調(diào)節(jié)器以其結構簡單、調(diào)節(jié)效果突出、可調(diào)參數(shù)少和數(shù)字算法實現(xiàn)過程簡單等優(yōu)良品質(zhì)，而獨占控制調(diào)節(jié)器之首。 單片機類型選擇 目前的單回路調(diào)節(jié)器通常由單片機、 ADC、 DAC、放大器、數(shù)字 I/O 接口、參考電源、鍵盤與顯示電路、通信接口等眾多芯片構成，電路復雜，致使可靠性下降。所以需要選擇一個高性能、高性價比的單片機。 IT 行業(yè)飛速發(fā)展的今天，單片機 (MCUMicro Computer Unit)在測控和低速信號處理等方面的應用越來越廣泛，單片機應用技術是一門實戰(zhàn)性很強的學科。現(xiàn)在比較流行內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 7 的單片機有： MCS5 AT89C5 AVR、 STC 系列等等。 這次設計我考慮使用 STC 公司的 STC89C52 系列單片機 [17]， STC89C52是 STC 公司推出的一款性價比很高的單片機。它與同類型單片機相比的優(yōu)點： （ 1）超強抗干擾能力，輕松過 2KV/4KV 快速脈沖干擾 (EFT)； （ 2）高抗靜電 (ESD)， 6KV 靜電可直接打在芯片管腳上； （ 3）超低功耗， Power Down0 1μ A,可外部中斷喚醒； （ 4） 6時鐘 /機器周期， 12時鐘 /機器周期任意設置； （ 5）加密性強； （ 6）支持在線系統(tǒng)串口編程 (ISPIn System Programmability)功能； STC89C52 單片機具有在線系統(tǒng)可編程 (ISP)特性 ,它的好處是省去購 買通用編程器；并且單片機在用戶系統(tǒng)上即可下載 /燒錄用戶程序，而無須拆下，方便編程，節(jié)約調(diào)試和進一步完善的時間。由于可以將程序直接下載進單片機看運行結果，故也可以不用仿真器。 （ 7） 降低成本，提升性能，原有程序直接使用 ,硬件無需改動。 PID 算法的數(shù)字化實現(xiàn) 前邊 所 講的 PID 調(diào)節(jié)算法 適用 于模擬調(diào)節(jié)系統(tǒng)，由于計算機只能接收數(shù)字量，因此要想 實現(xiàn)數(shù)字化通常選擇位置型或增量型控制算法，下面簡要介紹一下這兩種控制算法。 位置型控制，如圖 所示 : ? ?00 )1()()()()( uneneTTieTTneKnuniDIP??????? ????? ?? 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 8 P I D位 置 算 法調(diào) 節(jié) 器 被 控 對 象 c ( t )ue ( t )+r ( t ) 圖 數(shù)字 PID位置型控制示意圖 增量型控制 ,如圖 所示： ? ? ? ?)2()1(2)()()1()()1()()(?????????????neneneTTKneTTKneneKnununuDPIPP P I D增 量 算 法調(diào) 節(jié) 器 被 控 對 象 c ( t )ue ( t )+r ( t ) 圖 數(shù)字 PID增量型控制示意圖 在 位置控制算式中，不僅需要對 )(ie 進行累加，而且計算機的任何故障都會引起 )(nu大幅度變化，對生產(chǎn)不利。增量控制雖然改動不大，然而卻帶來了很多優(yōu)點： （ 1）由于計算機輸出是增量，所以動作影響小，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，必須首先使計算機的輸出值等于閥門的原始開度，才能保證手動 /自動地無擾動切換，這將給程序設計帶來困難。而增量設計只與本次的偏差值有關，與閥門原來的位置無關，因而增量算 法易于實現(xiàn)手動 /自動的無擾動切換。 （ 3）不產(chǎn)生積分失控，所以容易獲得較好的調(diào)節(jié)品質(zhì)。增量控制因其特有的優(yōu)點已得到了廣泛的應用。 [14] 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 9 設計方案實現(xiàn) 本設計的主要目的是設計一臺具有通用功能的數(shù)字調(diào)節(jié)器，硬件設計包括微處理器、A/D 轉換電路、 D/A 轉換輸出、鍵盤、顯示及其外圍電路。不僅要考慮測量的采樣與數(shù)字化，還要考慮微處理器的性能價格比、 I/O 接口能力、串行通信方式以及可靠性的問題。系統(tǒng)軟件設計按照功能可劃分為； A/D 轉換及其處理模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送處理模塊（數(shù)字顯示）、按鍵處理模塊、 D/A 轉換輸出模塊以及 PID 控制算法等。 調(diào)節(jié)器的數(shù)字顯示部分主要包括設定值和實際測量值的顯示兩部分，按鍵設計包括設定鍵、復位鍵、確認鍵、數(shù)字的增減鍵等等。通用調(diào)節(jié)器的主要功能就是 PID 調(diào)節(jié)，所以在硬件設計要求完成的情況下， PID 算法的設計和實現(xiàn)是整個設計的核心。在此基礎上調(diào)節(jié)器還應該具備串行通訊，參數(shù)自整定等功能。 [5] 將程序固化在單片機微處理器中，既降低了成本又提高了運行速度及工藝精度，同時實現(xiàn)了工業(yè)自動化的信息化、網(wǎng)絡化，利用單片機的中斷通訊功能，用軟件去實現(xiàn)智能調(diào)節(jié)器與上位機或各個從機之間的通訊功能。 為了實現(xiàn)控制參數(shù)的實 時顯示，用四位 LED動態(tài)掃描數(shù)碼顯示。測量值和給定值同時輔以鍵盤操作，對給定值、報警值、正反作用、比例增益、積分時間、微分時間在線修改；增加調(diào)節(jié)器的使用范圍，提供良好的人機界面實現(xiàn)靈活的人機對話。 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 10 第三章 硬件設計 調(diào)節(jié)器硬件設計方案 STC89C52 芯片簡介 STC89C52RC/RD+系列單片機是新一代超強抗干擾 /高速 /低功耗的單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051 單片機， 12時鐘 /機器周期和 6時鐘 /機器周期可任意選擇，最新的 D版本內(nèi)部集成 MAX810 專用復位電路。 特點： 6時鐘 /機器周期， 12時鐘 /機器周期 8051 CPU ： (5V 單片機 ) / (3V 單片機 ) ： 040 MHZ，相當于普通 8051 的 080 48 MHZ。 4K/8K/13K/16K/20K/32K/64K 字節(jié) 128 字節(jié) /512 字節(jié) RAM I/O 口（ 32/36 個），復位后為： P1/P2/P3/P4是標準雙向 /弱上拉（普通 8051傳統(tǒng) I/O 口） (在系統(tǒng)可編程 )/IAP(在應用可編程 )，無需專用編程器 /仿真器，可通過串口（ ） 直接下載用戶程序， 8K程序 3秒即可完成 功能 MAX810 專用復位電路（ D版本才有），外部晶體 20M 以下時，可省外部復位電路 11．共 3個 16 位定時器 /計數(shù)器，其中定時器 0 還可以當成 2個 8位定時器使用 12．外部中斷 4路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷， Power Down 模式可由外部中斷內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 11 低電平觸發(fā)中斷方式喚醒 （ URAT） ,還可用定時器軟件實現(xiàn)多個 URAT 作溫度范圍： 0— 75℃ /40— +80℃ ： PDIP40， PLCC44,PQFP44 此設計選擇 STC89C52,其封裝形式為 PDIP40,如下圖 所示： P ( T 2)1P ( T 2E X )2P 3P 4P 5P 6P 7P 8R E S E T9P ( R X D )10P ( T X D )11P ( IN T 0)12P ( IN T 1)13P ( T 0)14P ( T 1)15P ( W R )16P ( R D )17X T A L 218X T A L 119GND20( A 8) P 21( A 9) P 22( A 10) P 23( A 11) P 24( A 12) P 25( A 13) P 26( A 14) P 27( A 15) P 28P S E N29A L E / P R O G30E A / V P P31( A D 7) P 32( A D 6) P 33( A D 5) P 34( A D 4) P 35( A D 3) P 36( A D 2) P 37( A D 1) P 38( A D 0) P 39V C C40S T C89C 52 圖 STC89C52引腳圖 其引腳功能如下： P0口： P0口為一個 8位漏級開路雙向 I/O口，即地址／數(shù)據(jù)總線口。作為輸出口時可以驅動 8個 TTL邏輯門電路，對端口 P0寫“１”時，可做為高阻抗輸入端用。 P1口： P1口是內(nèi)部帶有弱上拉電阻的標準雙向 I/O口， P1口緩沖器能接收輸出 4個 TTL門電流。 P1口鎖存器寫入 1后， P1口引腳被上拉為高電平時，可用作輸入， 引腳除了可以作為一般使用外，還具有第二輸入 /輸出功能： ：定時器 T2的計數(shù)輸入端或定時器 T2的時鐘輸出端。 ：定時器 T2的外部觸發(fā)輸入端。 P2口： P2口是內(nèi)部帶有弱上拉電阻的標準雙向 I/O口， P2口緩沖器可接收，輸出 4個TTL門電流，當 P2口被寫入“ 1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，作為輸入。在讀 /寫外內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 12 部存儲器時， P2口輸入高八位地址信號 A15A8。 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。在 FLASH編程和校驗時 P2口接收高八位地址信號和控制信號。 P3口： P3口是內(nèi)部帶有弱上拉電阻的標準雙向 I/O口，可接收輸出 4個 TTL門電流。作輸入引腳使用前，先向 P3口鎖存器輸入“ 1”，使 P3口引腳被上拉成高電平。 P3口除了作為一般的 I/O引腳使用外，還具有第二功能。 P3口作為一些特殊功能口，如下所示： RXD（串行輸入口） 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