【正文】 非常適用于儀器儀表的控制。例如MCS51含有32線并行I/O接口、兩個16位定時/計數(shù)器、一個全雙工的串行口和一個內(nèi)部RAM區(qū)等部件，從而大大簡化了儀器的硬件結(jié)構(gòu)，降低了儀器的造價。因而，80年代以來開發(fā)的智能儀器幾乎都帶有一片或多片單片機[4]。 控制算法的選擇智能調(diào)節(jié)器的核心是控制算法。其中，PID控制技術(shù)最為成熟，控制結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)容易整定，且不必求出被控對象的數(shù)學模型就可進行調(diào)節(jié)。 PID控制的基本原理PID控制器本身是一種基于對“過去”、“現(xiàn)在”和“未來”信息估計的簡單控制算法。作為一種線性控制器，它根據(jù)給定值和實際輸出值構(gòu)成控制偏差，將偏差按比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進行控制，故稱PID控制器。即 ()式中：，為比例增益，為積分時間常數(shù)，為微分時間常數(shù)。此時，數(shù)字調(diào)節(jié)器的輸出與輸入之間的關(guān)系為 ()其中：、分別為比例系數(shù)、積分時間常數(shù)和微分時間常數(shù)；T為采樣周期；k為采樣序號，k = 0，1，2，…；為第k次采樣時刻的計算機輸出值；為第k次采樣時刻輸入的偏差值；為第(k1)次采樣時刻輸入的偏差值。簡單來說，PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：(1) 比例環(huán)節(jié) 及時成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號e(t)。(2) 積分環(huán)節(jié) 主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。(3) 微分環(huán)節(jié) 能反映偏差信號的變化趨勢（變化速率），并能在偏差信號值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。(1) 位置式PID控制算法?，F(xiàn)以一系列的采樣時刻點kT代表連續(xù)時間t，以和式代替積分，以增量代替微分，則可作如下近似變換 () () ()將算式簡化表示為，于是得到控制器輸出 () ()其中：為比例增益，為積分系數(shù)，為微分系數(shù)。而且，因為計算機輸出的u(k)對應(yīng)的是執(zhí)行機構(gòu)的實際位置，如計算機出現(xiàn)故障，u(k)的大幅度變化，會引起執(zhí)行機構(gòu)位置的大幅度變化，可能造成重大的生產(chǎn)事故，往往不適合用于生產(chǎn)實踐中，因而產(chǎn)生了增量式PID控制算法。 增量式PID控制原理框圖根據(jù)位置式PID控制算法，導(dǎo)出提供增量的PID控制算法。它們只是與采樣周期、比例增益、積分時間常數(shù)和微分時間常數(shù)相關(guān)的常數(shù)。而增量型設(shè)計只與本次的偏差值有關(guān)，與閥門原來的位置無關(guān)，手動/自動切換時沖擊小，便于實現(xiàn)無擾動切換?？刂圃隽康拇_定僅與最近次的采樣值有關(guān)，所以較容易通過加權(quán)處理而獲得比較好的控制效果。因此，應(yīng)該根據(jù)被控對象的實際情況加以選擇。綜合考慮，本設(shè)計采用增量式PID控制算法。為了提高控制性能，對積分項可采取以下三條改進措施：① 積分分離在一般的PID控制中，當有較大的擾動或大幅度改變給定值時，由于此時有較大的偏差，以及系統(tǒng)有慣性和滯后，故在積分項的作用下，往往會產(chǎn)生較大的超調(diào)和長時間的波動。為此，可采用積分分離措施，即偏差較大時，取消積分作用；當偏差較小時才將積分作用投入。當偏差值較小時，采用PID控制，可保證系統(tǒng)的控制精度；當偏差值較大時，采用PD控制，可使超調(diào)量大幅度降低。而系統(tǒng)對積分項的要求是，系統(tǒng)偏差大時積分作用減弱以至全無，而在小偏差時則應(yīng)加強。因此，如何根據(jù)系統(tǒng)的偏差大小改變積分的速度，這對于提高調(diào)節(jié)品質(zhì)是至關(guān)重要的。它的基本思想是設(shè)法改變積分項的累加速度，使其與偏差大小相對應(yīng)：偏差越大，積分越慢，反之則越快。變速積分的積分項表達式為 ()與偏差當前值的關(guān)系可以是線性的或高階的，如設(shè)其為 ()將式()代入位置型PID算式，可得變速積分PID的完整形式 ()變速積分PID與普通PID相比，具有以下優(yōu)點：完全消除了積分飽和現(xiàn)象，大大減少了超調(diào)量，適應(yīng)能力強，參數(shù)整定容易。先判斷是否超出限制值，若超出，則只累加負偏差，否則，累加正偏差。尤其是微機對每個控制回路輸出時間是短暫的，而驅(qū)動執(zhí)行器動作又需要一定時間，如果輸出較大，在短時間內(nèi)執(zhí)行器達不到應(yīng)有的相應(yīng)開度，會使輸出失真。 不完全微分PID調(diào)節(jié)器原理框圖不完全微分PID位置型控制算式 ()式中 （衰減因子）該算法的優(yōu)點是：不但能抑制高頻干擾，而且克服了普通數(shù)字PID控制的缺點。② 微分先行PID控制算法為了避免給定值升降給控制系統(tǒng)帶來沖擊，如超調(diào)量過大，調(diào)節(jié)閥動作劇烈，它和普通PID控制的不同之處在于，只對被控量微分，不對偏差微分，也就是說對給定值無微分作用。其優(yōu)點在于避免因提降給定值時所引起的超調(diào)量過大或閥門動作過分劇烈而產(chǎn)生振蕩等，適用于給定值頻繁提降的場合。對象的滯后性質(zhì)，會導(dǎo)致控制作用不及時，引起系統(tǒng)超調(diào)和振蕩。 Smith預(yù)估計控制原理框圖 ()式中：， PID控制算法的特點PID這樣簡單的控制器，能夠適用于如此廣泛的工業(yè)與民用對象，并仍以很高的性價比在市場中占據(jù)著重要地位，充分地反映了PID控制器的良好品質(zhì)。確切地說，在很多情況下其控制品質(zhì)對被控對象的結(jié)構(gòu)或參數(shù)攝動不敏感。具體分析，其局限性主要來自以下幾個方面：(1) 算法結(jié)構(gòu)的簡單性決定了PID控制比較適用于SISO最小相位系統(tǒng)，在處理大時滯、開環(huán)不穩(wěn)定過程等難控對象時，需要通過多個PID控制器或與其它控制器的組合，才能得到較好的控制效果；(2) 算法結(jié)構(gòu)的簡單性同時決定了PID控制只能確定閉環(huán)系統(tǒng)的少數(shù)主要零極點；閉環(huán)特性從根本上只是基于動態(tài)特性的低階近似假定的；(3) 出于同樣的原因，決定了單一PID控制器無法同時滿足對假定設(shè)定值控制和伺服/跟蹤控制的不同性能要求[5]。在單片機內(nèi)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換以后的信號以數(shù)字量形式通過數(shù)字濾波及線性化處理后輸出到顯示驅(qū)動芯片MAX7219進行顯示；同時，這些數(shù)據(jù)經(jīng)PID運算及D/A轉(zhuǎn)換后，將由單片機的PWM口送出，通過平滑濾波及V/I轉(zhuǎn)換后，轉(zhuǎn)換成4~20mA的控制信號。 智能調(diào)節(jié)器硬件電路總體方框圖 最小單片機系統(tǒng)設(shè)計最小單片機系統(tǒng)就是指能使單片機工作所需的一些必備功能器件。 80C196KB單片機繼MCS51系列8位單片機后，Intel公司于1983年推出MCS96系列16位單片機。如導(dǎo)彈制導(dǎo)控制，電子對抗，高性能汽車自動控制，工業(yè)機器人，高性能智能儀器等。該CPU的最大特點是采用了寄存器寄存器結(jié)構(gòu)，CPU直接面向256B的寄存器空間，消除了累加器結(jié)構(gòu)中存在的瓶頸效應(yīng)，提高了操作速度和數(shù)據(jù)吞吐能力；(2) 具有8KB的內(nèi)部程序存儲器，內(nèi)部程序存儲器可以加密；具有256B的內(nèi)部寄存器和專用寄存器，其中內(nèi)部寄存器為232B，它兼有通用寄存器和高速RAM的功能；(3) 與MCS51相比，單片機內(nèi)部增加了許多高性能功能部件，如I/O器（HSIO），特別適合快速脈沖的測量和生產(chǎn)；多通道10位A/D轉(zhuǎn)換器，特別適合多路數(shù)據(jù)采集、智能儀器和工業(yè)控制系統(tǒng)等應(yīng)用領(lǐng)域；脈寬調(diào)制輸出（PWM），可用于直接驅(qū)動電機類的執(zhí)行元件，或濾波后獲得直流輸出，作為D/A轉(zhuǎn)換器使用；外設(shè)事務(wù)服務(wù)器（PTS），專門用于處理外設(shè)中斷事務(wù)，和普通中斷服務(wù)過程相比，它能夠提供類似于直接存儲器存取DMA(Direct Memory Access)的響應(yīng)，大大減少了CPU的軟件開銷，從而提高了單片機的信息處理速度；(4) 有4條高速觸發(fā)輸入線和6條高速脈沖輸出線，同時具有兩個16位定時器；另外還有4個受高速輸出部件控制的軟件定時器；具有9個中斷源和8個中斷優(yōu)先級；(5) 8XC196XX內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換器多具有轉(zhuǎn)換位數(shù)（有8位和10位）可選擇、采樣和轉(zhuǎn)換時間可選擇的特點，比8096中的A/D更靈活；(6) 運算能力和運算速度大大提高。16位除法運算（）。如C語言、FORTH語言、PL/M語言等。CHMOS芯片耗電少，除正常工作外還可工作于2種節(jié)電方式：待機方式和掉電方式，進一步減少了芯片的功耗。它有68條引腳，： 80C196引腳圖由于芯片引腳較多，下面僅對本設(shè)計所涉及的主要引腳的功能予以描述：VCC：主電源電壓（+5V）；VSS：數(shù)字地（0V）；VREF：A/D轉(zhuǎn)換器和P0口的參考電壓（+5V）；AGND：A/D轉(zhuǎn)換器的參考地。變低時鎖存地址，并把它從地址/數(shù)據(jù)總線分離開；：存儲器選擇輸入。=0時，全部存儲器的訪問指向片外存儲器；：復(fù)位輸入和開漏輸出。在此序列中，清除了PSW，由2018H讀得的一個字節(jié)裝入CCR，并跳轉(zhuǎn)至2080H單元，開始執(zhí)行程序。若采用外部時鐘源，應(yīng)接至此腳；XTAL2：振蕩器反相輸出。頻率為1/2XTAL1，占空比為50%；：對外部存儲器的讀信號輸出。每次外部寫操作時，變低。只有在寫外部存儲器期間，才有效；TXD/：在串行口模式2和3中，TXD作為發(fā)送腳。該腳也可作輸出口；RXD/：串行口的接收腳。該腳也可作輸入口；PWM/：。該腳也可作輸出口；~：8位高阻輸入口。在本設(shè)計中用于接44矩陣式鍵盤；~~：有2種功能：① 具有開漏輸出特性的雙向口；② 訪問外部存儲器時，作為系統(tǒng)總線（AD0~AD15）。 本設(shè)計中80C196KB單片機與外圍設(shè)備的連接在本設(shè)計中，80C196KB單片機外接12MHz晶振的JJ2與其XTAL1和XTAL2腳相連；串行接口芯片MAX485接在單片機的TXD和RXD兩個引腳上；看門狗芯片MAX705的腳與單片機的腳相連，；；D/A轉(zhuǎn)換結(jié)果從PWM腳（）輸出；44矩陣式鍵盤接在P1口的8條引腳上；P3和P4口引腳作數(shù)據(jù)總線和地址總線用，與地址鎖存器74LS373線8線譯碼器74LS13總線收發(fā)器74LS24程序存儲器27128及數(shù)據(jù)存儲器6264相連，實現(xiàn)總線分離以及對外部存儲器的讀/寫等操作。在單片機系統(tǒng)中為了擴展外部存儲器，通常需要一塊74LS373芯片。 地址鎖存器74LS373的應(yīng)用電路80C196KB的P3口用作數(shù)據(jù)地址復(fù)用總線，其先傳送地址碼的低8位，而后再傳送8位的數(shù)據(jù)碼。這時，ALE鎖存信號為高，地址碼即進入鎖存器，而后ALE鎖存信號變低，地址碼便被鎖存在鎖存器的輸出端，與P4口送出的高8位地址碼組成完整的16位地址碼。在用373作地址鎖存器時，OE接地，LE接單片機的ALE信號，74LS373的數(shù)據(jù)輸入端D0~D7接P3口，74LS373的數(shù)據(jù)輸出端Q0~Q7接存儲器的地址線A0~A7。 程序存儲器27128的應(yīng)用80C196KB不帶程序存儲器，所以要加外部程序存儲器。27128有14條地址線A0~A13，8條數(shù)據(jù)輸出線O0~O7，為片選線，為數(shù)據(jù)輸出允許線，PGM為編程脈沖輸入端，Vpp為編程電源，Vcc為工作電源。 EPROM27128的應(yīng)用電路從上圖（）可知，本設(shè)計只接了13根地址線，并采用線選法與單片機80C196KB的總線相連，即將27128的片選控制端接到未用的高位地址線A15上。8位數(shù)據(jù)線D0~D7與單片機80C196KB的P3口相連接，數(shù)據(jù)輸出允許線接至單片機80C196KB的RD端。6264是一種8K8的靜態(tài)存儲器，主要包括512128的存儲器矩陣、行/列地址譯碼器以及數(shù)據(jù)輸入/輸出控制邏輯電路。本設(shè)計采用全譯碼法與單片機80C196KB的總線相連。 靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲器6264的應(yīng)用電路 譯碼器74LS138的應(yīng)用 74LS138為3線－8線譯碼器，它有三個輸入端，三個控制端及8個輸出端引腳。其它引腳的輸入/輸出信號將在其它模塊中介紹，這里就不再贅述了。 數(shù)據(jù)選通器4052A的應(yīng)用在微型計算機測量及控制系統(tǒng)中，往往需要對多路或多種參數(shù)進行采集和控制。但是微型計算機在某一時刻只能接收一個通道的信號，因此必須通過多路開關(guān)進行切換，使各路參數(shù)分時進入微型計算機。前者稱為多路開關(guān)，后者叫做多路分配器，或叫做反多路開關(guān)。 數(shù)據(jù)選通器4052A的應(yīng)用電路 上圖（）是本設(shè)計的多路開關(guān)硬件連接圖。兩片4052A的數(shù)據(jù)都通過模擬信號輸入/輸出插口J4進行輸入/輸出。 運算放大電路。它由三個集成運算放大器組成，其中UU2為兩個性能一致（主要指輸入阻抗、共模抑制比和增益）的同相輸入精密集成運算放大器，構(gòu)成平衡對稱（或稱同相并聯(lián)型）差動放大輸入級，U3構(gòu)成雙端輸入單端輸出的輸出級，用來進一步抑制UU2的共模信號，并適應(yīng)接地負載的需要。但為了消除UU2偏置電流等的影響，通常取R12=R13。本設(shè)計中的UUU3選用的是偏置電壓及電流小、增益大的精密型集成運算放大器OP07（偏置電壓特別小為25μV，環(huán)路增益大，低噪聲性最好，輸入特性比uA741還要好兩位數(shù)），使該電路獲得相當優(yōu)良的性能。共有8個模擬量輸入通道，~~ACH7。外部模擬信號被選通后，由采樣/保持電路采樣和保持后，逐次與內(nèi)部D/A轉(zhuǎn)換器的輸出作比較，共比較10次。每次A/D轉(zhuǎn)換都要重寫命令寄存器。A/D結(jié)果寄存器位于02H和03H。結(jié)果寄存器除了存放轉(zhuǎn)換結(jié)果外，還包括有通道號及A/D轉(zhuǎn)換器的狀態(tài)信息。一旦A/D單元接收到開始轉(zhuǎn)換信號后，在采樣前將有一個延時（采樣延時），在這段時間內(nèi)，逐次逼近寄存器將復(fù)位，多路轉(zhuǎn)換開關(guān)選通到適當?shù)耐ǖ郎稀?個狀態(tài)周期后，“采樣窗口”關(guān)閉，多路轉(zhuǎn)換開關(guān)與采保電容斷開，因而在轉(zhuǎn)換過程進行中，模擬輸入腳上的信號變化不會改變采保電容上所存儲的電荷。逐次逼近的基本原理是：把一個以二進制規(guī)則變化的參考電壓序列逐次與模擬輸入作比較，以尋找一個與輸入最接近的參考電壓[6]。而本設(shè)計中需要16個按鍵，用獨立按鍵顯然太浪費I/O口資源