【正文】 設(shè)計(jì)獨(dú)立按鍵編程簡單但占用口I/O多，不適合在按鍵較多的場合應(yīng)用?！安蓸哟翱凇币魂P(guān)閉，比較器自動(dòng)調(diào)零，轉(zhuǎn)換開始。采樣延時(shí)后，多路轉(zhuǎn)換開關(guān)的輸出將連接到采樣保持電容上，并保持接通4個(gè)狀態(tài)周期（采樣時(shí)間）。A/D轉(zhuǎn)換過程：執(zhí)行HSO的0FH通道命令或者向A/D命令寄存器的GO位寫一個(gè) “1”，就啟動(dòng)了轉(zhuǎn)換過程。它不能按字讀取，必須按2個(gè)字節(jié)分別讀取。且應(yīng)注意：在新的轉(zhuǎn)換開始前，應(yīng)把原結(jié)果讀走。A/D命令寄存器位于02H單元，用于選擇轉(zhuǎn)換通道號(hào)和轉(zhuǎn)換啟動(dòng)方式。A/D轉(zhuǎn)換由一個(gè)8通道的模擬多路轉(zhuǎn)換開關(guān)、一個(gè)采樣/保持電路、一個(gè)10位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器、A/D命令寄存器、A/D結(jié)果寄存器和控制邏輯組成。 A/D轉(zhuǎn)換本設(shè)計(jì)所選用的單片機(jī)80C196KB片內(nèi)集成了10位A/D轉(zhuǎn)換器。另外，這種電路還具有增益調(diào)節(jié)能力，調(diào)節(jié)R11可以改變增益而不影響電路的對(duì)稱性。由于UU2性能一致，輸入級(jí)的差動(dòng)輸出及其差模增益只與差模輸入電壓有關(guān)，而其共模輸出、失調(diào)及漂移均在R11兩端抵消，因此電路具有良好的共模抑制能力，又不要求外部匹配電阻。 三運(yùn)放高共模抑制比放大電路上圖（）所示電路是目前廣泛應(yīng)用的高共模抑制比放大電路。其中，第一片4052A（IC12）用于接收輸入的4路模擬電壓信號(hào)，其輸出數(shù)據(jù)（電壓量）直接送往放大電路進(jìn)行放大；第二片4052A（IC13）用于輸出經(jīng)V/I轉(zhuǎn)換后的電流信號(hào)，其輸出數(shù)據(jù)（電流量）直接用來控制被控對(duì)象。由圖可知，電路的核心芯片4052A的地址信號(hào)及片選信號(hào)都來自8D觸發(fā)器（8位地址鎖存器）74LS273（IC9）。本設(shè)計(jì)所用的4052A是獨(dú)立4通道數(shù)據(jù)選通器（雙4通道多路開關(guān)）。多路開關(guān)的主要用途是把多個(gè)模擬量參數(shù)分時(shí)地接通并送入A/D轉(zhuǎn)換器，即完成多到一的轉(zhuǎn)換；或者把經(jīng)計(jì)算機(jī)處理且由D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成的模擬信號(hào)按一定的順序輸出到不同的控制回路（或外部設(shè)備）中，即完成一到多的轉(zhuǎn)換。由于微型計(jì)算機(jī)的工作速度很快，而被測參數(shù)的變化比較慢，所以一臺(tái)微型機(jī)可供十幾到幾十個(gè)回路使用。 譯碼器74LS138的應(yīng)用電路 前向通道設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的前向通道包括數(shù)據(jù)選通器、放大電路及A/D轉(zhuǎn)換。圖中IC11芯片的選通端的輸入信號(hào)來自單片機(jī)80C196KB的RD端與WR端相與的輸出信號(hào)。當(dāng)一個(gè)選通端（E3）為高電平，另兩個(gè)選通端（和）為低電平時(shí)，可將地址端（A、B、C）的二進(jìn)制編碼在一個(gè)對(duì)應(yīng)的輸出端以低電平譯出。其中13根地址線A0~A12的低8位A0~A7與地址鎖存器74LS373的輸出端Q0~Q7相連，高5位A8~A12分別連至單片機(jī)80C196KB的P4口的低5位；8根數(shù)據(jù)線D0~D7與80C196KB的P3口相連；兩個(gè)片選端、CS2中的端接譯碼器74LS138（IC10）的譯碼輸出端Y0，CS2直接接高電平，使其始終有效；數(shù)據(jù)輸出選通端和寫信號(hào)端分別與單片機(jī)80C196KB的RD與WR端相連。 6264的工作方式方式功 能000禁止不允許和同時(shí)為低電平010讀出數(shù)據(jù)讀出001寫入數(shù)據(jù)寫入011選通芯片選通，輸出高阻態(tài)1未選通芯片未選通。地址線13位，其中A3~A12用于行地址譯碼，A0~AA10用于列地址譯碼。 靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器6264的應(yīng)用在程序運(yùn)行中，有大量的臨時(shí)數(shù)據(jù)要暫存在存儲(chǔ)器中，將其存入單片機(jī)內(nèi)顯然是不合理的，因此選用8K的RAM6264作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。由地址線輸入的地址，經(jīng)x、y譯碼后選中內(nèi)部存儲(chǔ)矩陣中的一個(gè)單元，經(jīng)讀寫控制電路實(shí)現(xiàn)對(duì)該單元的讀出。 27128引腳圖 。27128是16K8位的EPROM，單一+5V供電，工作電流為100mA，維持電流為40mA，讀出時(shí)間最大為250ns，DIP28封裝。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。之后P3口傳送指令或數(shù)據(jù)代碼。為了將地址線和數(shù)據(jù)線分離開來，用了74LS373鎖存器，其作用是鎖存P3口送出的低8位地址碼。在本設(shè)計(jì)中，采用74LS373作為地址鎖存器使用。 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。為低電平時(shí)，這些引腳總是作系統(tǒng)總線，否則，只有在訪問存儲(chǔ)器時(shí)才作總線[6]。也用作A/D轉(zhuǎn)換器的輸入，共8個(gè)通道ACH0~~；~：8位準(zhǔn)雙向I/O口。PWM的占空比取決于裝入到PWM_CONTROL寄存器的值。在模式0中，該腳用來作數(shù)據(jù)輸入或數(shù)據(jù)輸出。在模式0中，該腳作串行時(shí)鐘輸出用。只有寫偶字節(jié)時(shí)才變低。只有在讀外部存儲(chǔ)器期間是低電平；：對(duì)外部存儲(chǔ)器的讀和寫低位字節(jié)輸出。若不接晶振或諧振電路，該腳應(yīng)浮置；CLKOUT：內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器輸出。正常操作時(shí)，輸入高電平，腳有內(nèi)部上拉；XTAL1：振蕩器反相器和內(nèi)部實(shí)時(shí)鐘發(fā)生器的輸入。為了復(fù)位芯片，至少保持4個(gè)狀態(tài)周期，接著由低到高的跳變使CLOCKOUT重新同步并啟動(dòng)了10個(gè)狀態(tài)周期的復(fù)位序列。=1時(shí)，訪問2000H~3FFFH存儲(chǔ)器單元，指向片內(nèi)EPROM/ROM。必須與VSS保持同電位；ALE/：地址鎖存允許或地址有效輸出。 80C196KB的引腳介紹80C196KB是Intel公司的CHMOS型16位單片機(jī)8XC196XX系列的一種。本設(shè)計(jì)所用的80C196KB，是繼8096BH之后，Intel公司推出的高性能CHMOS16位單片機(jī)——8XC196XX系列中的一種。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)語言。在12MHz頻率輸入下，可實(shí)現(xiàn)16位加法運(yùn)算（1μs），16位16位乘法和16位247。 80C196KB的特點(diǎn)本設(shè)計(jì)所使用的80C196KB單片機(jī)其主要性能特點(diǎn)如下：(1) 高性能的16位CPU，主頻12MHz，采用了寄存器堆運(yùn)算邏輯部件（RALU）。該系列單片機(jī)無論從硬件結(jié)構(gòu)，還是從指令系統(tǒng)都做了較大改進(jìn)，特別適合測控對(duì)象復(fù)雜，數(shù)據(jù)處理量大，實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用場合。在本設(shè)計(jì)中主要包括單片機(jī)芯片80C196KB、地址鎖存器74LS37程序存儲(chǔ)器2712靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器6264及譯碼器74LS138。本設(shè)計(jì)的外圍電路包括：44矩陣式鍵盤；打印機(jī)接口；看門狗芯片及與上位機(jī)通信的接口芯片等。由圖可見，被測電壓信號(hào)通過放大電路進(jìn)行放大，變成0~5V信號(hào)后。第三章 智能調(diào)節(jié)器硬件電路設(shè)計(jì) 智能調(diào)節(jié)器硬件電路總體方案設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)主要是以Intel公司MCS96系列的80C196KB單片機(jī)芯片為核心，輔以各外圍芯片及電路，通過對(duì)輸入被測信號(hào)的檢測及智能化處理，進(jìn)而輸出控制信號(hào)，以對(duì)被控參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。但從另一方面來講，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?？偟膩碚f，PID控制的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：(1) 原理簡單、結(jié)構(gòu)簡明、實(shí)現(xiàn)方便，是一種能夠滿足大多數(shù)實(shí)際需要的基本控制器；(2) 控制器適用于多種截然不同的對(duì)象，算法在結(jié)構(gòu)上具有較強(qiáng)的魯棒性。當(dāng)對(duì)象t很大時(shí)，常規(guī)PID控制難以適應(yīng)，控制過程嚴(yán)重超調(diào)，穩(wěn)定性甚差，可以應(yīng)用Smith預(yù)估控制。(3) 純滯后Smith預(yù)估控制在工業(yè)控制中，不少控制對(duì)象往往具有純滯后的性質(zhì)。 微分先行PID控制原理框圖其控制算式為 ()該算法先對(duì)輸出量微分。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，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。為了克服這一缺點(diǎn)，同時(shí)又要使微分作用有效，可以在PID控制輸出串入一階慣性環(huán)節(jié)，這就組成了不完全微分PID調(diào)節(jié)器。(2) 微分項(xiàng)的改進(jìn)① 不完全微分PID控制算法普通的PID控制算式，對(duì)具有高頻擾動(dòng)的生產(chǎn)過程，微分作用響應(yīng)過于靈敏，容易引起控制過程振蕩，降低品質(zhì)。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。為此，設(shè)置一系數(shù)，它是的函數(shù)，當(dāng)增大時(shí)，減小，反之增大。變速積分PID較好地解決了這一問題。否則，積分系數(shù)取大了會(huì)產(chǎn)生超調(diào)，甚至積分飽和，取小了又遲遲不能消除靜差。② 變速積分的PID算式在普通的PID控制算法中，由于積分系數(shù)是常數(shù)，所以，在整個(gè)控制過程中，積分增量不變。積分分離PID算法可表示為 ()其中該算法的優(yōu)點(diǎn)是：縮短了調(diào)節(jié)時(shí)間。特別對(duì)于溫度、成分等變化緩慢的過程，這一現(xiàn)象更為嚴(yán)重。 PID控制算法的改進(jìn)由于實(shí)際被控對(duì)象的復(fù)雜性，普通的PID控制算法通常很難滿足控制要求，需要對(duì)PID控制算法進(jìn)行改進(jìn)，主要的改進(jìn)算法有以下幾種：(1) 積分項(xiàng)的改進(jìn)在PID的控制中，積分的作用是消除殘差。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。但增量式控制也有不足之處：積分截?cái)嘈?yīng)大，有靜態(tài)誤差，溢出的影響大等。此外，當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)生故障時(shí)，由于輸出通道或執(zhí)行裝置具有信號(hào)的鎖存作用，故仍然能保持原值；③ 算式中不需要累加。增量式控制算法與位置型控制算法相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：① 由于微機(jī)輸出增量，所以誤動(dòng)作時(shí)影響小，必要時(shí)可用邏輯判斷的方法去掉；② 在位置型控制算法中，由手動(dòng)到自動(dòng)切換時(shí)，必須首先使微機(jī)的輸出值等于閥門的原始開度，即，才能保證手動(dòng)/自動(dòng)無擾動(dòng)切換，這將給程序設(shè)計(jì)帶來困難。根據(jù)遞推原理可得 () () ()其中：。(2) 增量式PID控制算法。在位置型算法中，由于全量輸出，所以每次輸出均與原來的位置量有關(guān)，計(jì)算時(shí)要對(duì)e(k)進(jìn)行累加，容易造成積分飽和，計(jì)算機(jī)運(yùn)算工作量很大。 位置式PID控制算法原理框圖因?yàn)橛?jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，式()中的積分和微分項(xiàng)不能直接使用，需要對(duì)其進(jìn)行離散化處理。 PID控制算法及特點(diǎn) PID控制器的兩種主要算法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)。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)，越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。PID各控制參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能有不同的影響。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，使用比較普遍的也是PID控制策略。 PID控制系統(tǒng)原理框圖在連續(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。，系統(tǒng)主要由PID控制器和被控對(duì)象組成。因此，本設(shè)計(jì)的智能調(diào)節(jié)器采用改進(jìn)型的PID控制算法。基本的控制算法有：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。綜合考慮，本設(shè)計(jì)采用了Intel公司MCS96系列單片機(jī)中的80C196KB單片機(jī)作為智能調(diào)節(jié)器的核心。相對(duì)于增強(qiáng)型的MCS51，MCS96系列單片機(jī)內(nèi)還具有A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換脈寬調(diào)制輸出。單片機(jī)本身就是一個(gè)結(jié)構(gòu)完備的計(jì)算機(jī)，內(nèi)含豐富的I/O接口。單片機(jī)具有較強(qiáng)的控制功能。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。目前，微處理器正向著兩個(gè)方向發(fā)展：一是研制功能更強(qiáng)，速度更快的16位、32位、64位高檔微處理器以及與其相配套的存儲(chǔ)器和I/O接口芯片；二是在一塊芯片上集成多種功能的電路，構(gòu)成完整的單片微型計(jì)算機(jī)。隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)日新月異地發(fā)展，微處理器的功能在不斷增強(qiáng)，價(jià)格在不斷下降。微處理器的選擇要從價(jià)格、字長、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（DMA）能力、配套的外圍電路芯片是否豐富以及相應(yīng)的開發(fā)系統(tǒng)是否具備等多方面進(jìn)行綜合考慮。 微處理器的選擇智能調(diào)節(jié)器的核心是微處理器，智能調(diào)節(jié)器的硬件和軟件的設(shè)計(jì)與微處理器的選擇有著密切的關(guān)系，它的結(jié)構(gòu)、特性對(duì)調(diào)節(jié)器的性能有很大影響。自檢一般可分為開機(jī)自檢、周期性自檢和鍵控自檢三類；(4) 智能儀器內(nèi)含單片機(jī)，可充分利用單片機(jī)對(duì)于數(shù)據(jù)的處理能力，最大限度地消除儀器的各種誤差。通常設(shè)有自檢功能。 智能調(diào)節(jié)器的優(yōu)越性 智能儀器與傳統(tǒng)儀表相比較：(1) 傳統(tǒng)測控儀表對(duì)于輸入信號(hào)的測量準(zhǔn)確性完全取決于儀表內(nèi)部各功能部件的精密性和穩(wěn)定性，在其內(nèi)部某些部件發(fā)生故障時(shí)仍進(jìn)行測量，測量結(jié)果的正確性不能保證。(1) 特點(diǎn)① 開發(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。監(jiān)控程序面向調(diào)節(jié)器的鍵盤和顯示器，幫助實(shí)現(xiàn)從鍵盤輸入數(shù)據(jù)或進(jìn)行功能設(shè)置、控制，完成顯示器對(duì)處理后的數(shù)據(jù)以數(shù)字、字符、圖形等形式顯示的任務(wù)；接口管理程序主要完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、通信等任務(wù)；數(shù)據(jù)處理程序主要完成數(shù)據(jù)濾波、運(yùn)算、分析等任務(wù)。此外，智能調(diào)節(jié)器還可以與PC機(jī)組成分布式測控系統(tǒng)，由單片機(jī)作為下位機(jī)采集各種測量信號(hào)和數(shù)據(jù)，通過串行通信接口將信息傳送給上位機(jī)——PC機(jī)，再由PC機(jī)進(jìn)行更復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理或進(jìn)行全局監(jiān)控。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)，以將被測參數(shù)穩(wěn)定在設(shè)定值。若模擬信號(hào)變化比較緩慢，可以直接加到A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端，如果信號(hào)變化較快，為了保證A/D轉(zhuǎn)換的正確性，要加采樣保持器。若信號(hào)的大小與A/D轉(zhuǎn)換的輸入范圍不一致，須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，必要時(shí)要加程控增益放大器對(duì)信號(hào)分段放大以保證轉(zhuǎn)換精度。智能調(diào)節(jié)器實(shí)際上是一種通用的調(diào)節(jié)儀表，由硬件和軟件兩部分組成?？梢哉f除控制點(diǎn)的區(qū)別之外，它的功能與現(xiàn)場控制站大同小異。智能化調(diào)節(jié)器不僅解決了傳統(tǒng)調(diào)節(jié)器不