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1、 题 目：基于STC89C52的通用数字 调节器设计基于STC89C52的通用数字调节器设计 摘 要工业控制系统中，调节器单元是自动控制系统中重要组成部分，调节器在自动控制系统中具有广泛的应用。本设计的主要目的是设计一台具有通用功能的数字调节器，本文主要介绍通用数字调节器的组成、原理以及如何实现数字化控制。该调节器通过模数转换器实现对模拟信号的转换；用单片机STC89C52完成各种控制规律的PID运算；由V/I转换电路输出电流信号控制执行器的动作。通用数字调节器的主要功能就是PID调节，在硬件设计要求完成的情况下，PID算法的设计和实现是整个设计的核心。在此基础上调节器还应该具备串行通讯，参数
2、自整定等功能。通用数字调节器就是在模拟调节器的基础上用软件编程的方法实现PID的运算，以达到提高精度、降低成本、提高系统可靠性，实现被控对象的自动控制。关键词：调节器；数字化；单片机；PID控制； A/D转换Designs based on the STC89C52general digital regulatorAbstractIn the industrial control, the regulator is in automatic control systems important component,the regulator has the widespread applicat
3、ion in the automatic control system. the this designs main purpose is designs one to have the general function digital regulator,the main introduction general digit regulators composition, how do the principle as well as realize the numerical control. Realizes through the modulus switch to the simul
4、ated signal transformation; Completes each kind of control rule with monolithic integrated circuit STC89C52 the PID operation; By V/I switching circuit output current signal control actuators movement. The general digital regulators major function is the PID adjustment, in the hardware design reques
5、t completes in the situation, the PID algorithms design and realizes is the entire design core. Based on the regulator should also have the serial communication, the parameter self regulating grade function. the general digit regulator is in simulates in regulators foundation to realize the PID oper
6、ation with the software programming method, achieves increases the precision, to reduce the cost, to enhance the system reliability, realizes the controlled plant automatic control.Key word: regulator; digitization; monolithic integrated circuit; PID control; A/D transformation目 录摘 要IIAbstractIII第一章
7、 引言11.1 背景11.2 调节器的简介21.2.1 调节器的发展21.2.2 调节器的基本控制规律及其特点21.2.3 PID调节器在控制系统中的作用31.3 设计任务的提出4第二章 方案设计62.1 调节器的类型选择62.1.1 模拟式调节器62.1.2 数字式调节器62.2 单片机类型选择72.3 PID算法的数字化实现82.4 设计方案实现10第三章 硬件设计113.1 调节器硬件设计方案113.1.1 STC89C52芯片简介113.1.2 各外围接口电路芯片简介143.1.3 调节器硬件原理图173.2 硬件具体设计173.2.1 A/D转换器及转换过程173.2.2 V/I转换
8、电路183.2.3 键盘部分设计193.2.4 显示部分设计203.2.5 串口通信部分设计21第四章 通用数字调节器系统软件设计234.1 软件设计方案234.1.1 软件设计原理234.1.2 软件设计方案234.1.3 软件总体设计方案流程图234.2 系统软件的具体设计254.2.1 A/D采样转换程序254.2.2 数字滤波程序254.2.3 数据显示程序264.2.4 按键处理程序274.2.5 PID算法实现28第五章 系统调试32总结37参考文献38致谢40附录A 硬件原理图41附录B 源程序42第一章 引言1.1 背景随着自动化水平的不断提高，在工业、农业广泛应用的各种类型的
9、调节器也在不断的发展更新，调节器的性能不断提高，功能日趋完善，并朝着集成化、数字化、智能化的趋势不断进步。调节器主要分为模拟调节器和数字调节器。模拟调节器采用模拟技术，以运算放大器等模拟电子器件为基本器件；数字调节器采用数字技术，以微处理器为核心部件。调节器将来自变送器的测量值与给定值相比较，然后根据比较产生的偏差进行比例、积分、微分（PID）运算，并输出统一的标准信号(4-20 mA D.C）去控制执行机构的动作，以实现对温度，压力、流量、液位以及其他工艺参数的自动控制。调节器的运算规律是指调节器的输出信号与输入偏差之间随时间变化的规律。电子仪器的演化与发展从总体上看沿着两条主线展开。一是从
10、所采用的技术上看，经历了模拟仪器、数字化仪器、智能仪器的发展过程；二是从仪器结构(可扩展性)和实现形式上看，经历了单台仪器、模块化仪器和虚拟仪器的发展过程。这两条发展主线的技术基础都是微电子技术、数字信号处理技术、计算机技术，仪器仪表也随着这些技术的发展而不断的发展更新。通用数字调节器就是在模拟调节器的基础上用软件编程的方法实现PID的运算，以达到提高精度、降低成本、提高系统可靠性，实现对被控对象自动控制的目的。在通用数字调节器的开发应用中，单片机的使用使数字调节器的设计更方便、更快捷，系统性能也得到了很大的提高。单片机所提供的强大功能也为开发更高性能的仪器仪表创造了条件。 1.2 调节器的简
11、介1.2.1 调节器的发展控制仪表又称控制器或调节器，是控制系统的判断指挥中心。其作用是将被控变量的测量值与给定值相比较，根据比较的结果（偏差）进行一定的数学运算，并将运算结果以一定的信号形式送往执行器，以实现对被控变量的自动控制。控制仪表的发展上分为三个阶段：第一阶段为基地式控制仪表。这类仪表一般是将检测装置、控制装置、显示装置组装在一个整体内，同时具有检测、控制和显示的功能，它的功能简单、价格低廉、使用方便，但通用性差，信号不能与其他仪表共享，一般只应用于一些简单的控制系统。适用于一些小型的、控制要求比较低的生产设备。第二阶段为单元组合式控制仪表。这类仪表主要完成控制功能，附带简单的显示，
12、和其他单元之间以统一的信号相互联系。单元组合式控制仪表有气动和电动两大类，气动仪表采用的是20-100Ka的气动标准信号；电动仪表采用的标准信号是0-10mA DC(型)和4-20mA DC (型)。第三阶段为以微处理器为中心的控制仪表。这类仪表功能丰富、操作方便、易于构成各种复杂控制系统。在控制系统中得到广泛的应用。主要有单回路控制系统、可编程序数字控制器（PLC）和各种微计算机控制系统等。1由此，该设计选择以微处理器为中心的控制器。1.2.2 调节器的基本控制规律及其特点调节器接受偏差信号后，按一定的运算规律输出控制信号，作用于被控对象以消除扰动对被控参数的影响，从而使被控参数回到给定值上
13、来。控制过程的品质如何，这不仅与对象特性有关，而且还与调节器的特性，即调节器的运算规律(或称调节规律)有关。调节器的运算规律就是指调节器的输出信号与输入偏差之间随时间变化的规律。基本运算规律有比例(P)、积分(I)和微分(D)三种，各种调节器的运算规律均是由这些基本运算规律组合而成的。只有比例运算规律的调节器，为P调节器。比例系数越大，控制精度越高，但是系统的稳定性变差，对于不太重要的参数，可考虑采用，如中间储罐的液位、热量回收预热系统等控制要求不高的系统中。工程实践中没有单纯积分作用控制器，都是与比例作用组合成比例-积分控制器。比例-积分控制器对变化很慢（甚至不变）的偏差有很强的调整能力，但
14、是其滞后角度也较大，积分时间越小，消除余差的能力越强，系统越趋向不稳定。对于比较重要的，控制精度要求较高参数，可采用比例-积分控制器。工程实践中没有单纯微分作用控制器，都是与比例作用组合成比例-微分控制器。他对惯性较大的对象有“超前”调整作用，所以一般用在有较大滞后被控对象的场合。如果微分作用过大，系统变的非常敏感，控制系统的控制质量将变差，甚至变成不稳定。对于不太重要的参数，但是惯性较大，又不希望动态偏差较大，可考虑采用比例-微分控制器，但是对于系统噪声较大的参数，例如流量，则不能选择此控制器。2比例-积分-微分控制器综合了比例、积分、微分三者的优点，为控制精度最高的调节器。对于比较重要，控
15、制精度要求较高，希望动态偏差较小，被控对象的滞后时间比较大的参数可选择此控制器。PID调节器控制算法简单、鲁棒性好、可靠性高，在工业生产过程控制中是应用最广泛的一类控制器，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。1.2.3 PID调节器在控制系统中的作用目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。控制系统技术对于提高劳动生产率、保证产品质量、改善劳动条件以及保护生态环境、优化技术经济指标等方面起着非常重要的作用4。PID调节器以其简单的结构和优良的调节品质而广泛应用于控制系统中,成为改善工业控
16、制系统动态品质的重要手段,其参数的选择直接影响着系统的动态品质,特别是在连续线性常值控制系统中扮演着重要角色。PID调节器解决了自动控制理论所要解决的最基本问题，既系统的稳定性、快速性和准确性。调节PID的参数，可实现在系统稳定的前提下，兼顾系统的带载能力和抗扰能力，同时在PID调节器中引入积分项，系统增加了一个零积点，使之成为一阶或一阶以上的系统，这样系统阶跃响应的稳态误差就为零。61.3 设计任务的提出随着工业自动化生产技术水平的不断提高，自动化设备的发展日新月异，提高了产品质量和劳动生产率，降低了工人的劳动强度；同时不断提高的生产技术水平为自动化装备提出了更高的要求，这其中调节器扮演着重
17、要角色。在现代工业控制领域中，数字调节器有着广泛应用，可实现多种工业控制，如变频调速，流量调节，温度控制等等。以调节器构成的自动调节系统，是实现生产过程自动化的重要手段，自动调节系统控制质量的好坏直接影响着工业过程的经济性和安全性。因此设计一个可靠性高的调节器是非常必要的。第二章 方案设计2.1 调节器的类型选择2.1.1 模拟式调节器模拟控制器是用模拟电路实现控制功能的仪表，又成电动调节器。调节器将来自变送器的测量值与给定值相比较后产生的偏差进行比例、积分、微分（PID）运算，并输出统一标准信号，去控制执行机构的动作，以实现对温度、压力、流量、液位及其他工艺变量的自动控制。其发展经历了型（电
18、子管）、（晶体管）和（集成电路）。目前型、型都已经淘汰。这里介绍DDZ型调节器。DDZ型仪表采用了集成电路和安全火花型防爆结构，提高了仪表精度、仪表可靠性和安全性，适应大型工厂、炼油厂的防爆要求。特点如下：（1）采用国际统一标准信号，现场传输信号为DC4-20mA，控制室联络信号为DC1-5V。（2）广泛采用集成电路，仪表的电路简化、精度提高、可靠性提高、维修工作量将少。（3）整套仪表可构成安全火花型防爆系统。 DDZ型控制器的基本类型是全刻度指示PID调节器。为满足各种特殊控制系统的要求，还有特殊控制器，例如断续控制器、自整定控制器、前馈控制器、非线性控制器等。2.1.2 数字式调节器数字式
19、控制器是以微处理器为基础的多功能控制仪表，可接受多路模拟量及开关量输入信号，能实现复杂的运算控制，并具有通信及故障诊断功能，是自动控制、计算机及通信技术（合称3C技术，Control，Computer，Communication）发展的产物。数字式PID控制器是通过编程来控制PID调节功能的，又称可编程PID调节器，或可编程调节器。由于微处理器的强大计算功能，用户可以根据需要编写复杂的控制程序，所以一台可编程控制器可以代替多台模拟仪表，并且可以根据重编程序修改功能。可编程调节器产品种类较多，例如西安仪表厂生产的YS80系列和YS100系列等，它们都以8位或16位微处理器为CPU，外围电路也大同
20、小异。数字式调节器与模拟式控制仪表在构成原理和所用器件上有很大差别。前者采用数字技术，以微型计算机为核心部件；而后者采用模拟技术，以运算放大器等模拟电子器件为基本部件。数字调节器与模拟式控制仪表相比较，数字调节器有如下一些优点：(1) 实现了仪表的数字化、智能化 (2) 具有丰富的运算、控制功能(3) 通用性强，使用方便(4) 具有通信功能，便于系统扩展(5) 可靠性高，维护方便随着计算机日益广泛地应用于工业系统，数字控制系统已成为现代工业控制系统的主流。数字控制系统的广泛应用促进调节器的进一步发展。尽管基于计算机的数字控制系统目前已出现了很多种数字调节器和控制器,但PID调节器以其结构简单、
21、调节效果突出、可调参数少和数字算法实现过程简单等优良品质，而独占控制调节器之首。 2.2 单片机类型选择目前的单回路调节器通常由单片机、ADC、DAC、放大器、数字I/O接口、参考电源、键盘与显示电路、通信接口等众多芯片构成，电路复杂，致使可靠性下降。所以需要选择一个高性能、高性价比的单片机。IT行业飞速发展的今天，单片机(MCU-Micro Computer Unit)在测控和低速信号处理等方面的应用越来越广泛，单片机应用技术是一门实战性很强的学科。现在比较流行的单片机有：MCS51、AT89C51、AVR、STC系列等等。这次设计我考虑使用STC公司的STC89C52系列单片机17，STC
22、89C52是STC公司推出的一款性价比很高的单片机。它与同类型单片机相比的优点：（1）超强抗干扰能力，轻松过2KV/4KV快速脉冲干扰(EFT)；（2）高抗静电(ESD)，6KV静电可直接打在芯片管脚上；（3）超低功耗，Power Down01A,可外部中断唤醒；（4）6时钟/机器周期，12时钟/机器周期任意设置；（5）加密性强；（6）支持在线系统串口编程(ISP-In System Programmability)功能；STC89C52单片机具有在线系统可编程(ISP)特性,它的好处是省去购买通用编程器；并且单片机在用户系统上即可下载/烧录用户程序，而无须拆下，方便编程，节约调试和进一步完善
23、的时间。由于可以将程序直接下载进单片机看运行结果，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,硬件无需改动。2.3 PID算法的数字化实现前边所讲的PID调节算法适用于模拟调节系统，由于计算机只能接收数字量，因此要想实现数字化通常选择位置型或增量型控制算法，下面简要介绍一下这两种控制算法。1、位置型控制，如图2.1所示: 图2.1 数字PID位置型控制示意图2、增量型控制,如图2.2所示： 图2.2 数字PID增量型控制示意图在位置控制算式中，不仅需要对进行累加，而且计算机的任何故障都会引起大幅度变化，对生产不利。增量控制虽然改动不大，然而却带来了很多优点：（1）由于计算机
24、输出是增量，所以动作影响小，必要时可用逻辑判断的方法去掉；（2）在位置型控制算法中，由手动到自动切换时，必须首先使计算机的输出值等于阀门的原始开度，才能保证手动/自动地无扰动切换，这将给程序设计带来困难。而增量设计只与本次的偏差值有关，与阀门原来的位置无关，因而增量算法易于实现手动/自动的无扰动切换。（3）不产生积分失控，所以容易获得较好的调节品质。增量控制因其特有的优点已得到了广泛的应用。142.4 设计方案实现本设计的主要目的是设计一台具有通用功能的数字调节器，硬件设计包括微处理器、A/D转换电路、D/A转换输出、键盘、显示及其外围电路。不仅要考虑测量的采样与数字化，还要考虑微处理器的性能
25、价格比、I/O接口能力、串行通信方式以及可靠性的问题。系统软件设计按照功能可划分为；A/D转换及其处理模块、数据发送处理模块（数字显示）、按键处理模块、D/A转换输出模块以及PID控制算法等。调节器的数字显示部分主要包括设定值和实际测量值的显示两部分，按键设计包括设定键、复位键、确认键、数字的增减键等等。通用调节器的主要功能就是PID调节，所以在硬件设计要求完成的情况下，PID算法的设计和实现是整个设计的核心。在此基础上调节器还应该具备串行通讯，参数自整定等功能。5将程序固化在单片机微处理器中，既降低了成本又提高了运行速度及工艺精度，同时实现了工业自动化的信息化、网络化，利用单片机的中断通讯功
26、能，用软件去实现智能调节器与上位机或各个从机之间的通讯功能。为了实现控制参数的实时显示，用四位LED动态扫描数码显示。测量值和给定值同时辅以键盘操作，对给定值、报警值、正反作用、比例增益、积分时间、微分时间在线修改；增加调节器的使用范围，提供良好的人机界面实现灵活的人机对话。第三章 硬件设计3.1 调节器硬件设计方案3.1.1 STC89C52芯片简介STC89C52RC/RD+系列单片机是新一代超强抗干扰/高速/低功耗的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可任意选择，最新的D版本内部集成MAX810专用复位电路。特点：1.增强型6时钟/机器周期，1
27、2时钟/机器周期 8051 CPU2.工作电压：5.5V-3.4V(5V单片机) / 3.8V-2.0V(3V单片机)3.工作频率范围：0-40 MHZ，相当于普通8051的 0-80 MHZ.实际工作频率可达48 MHZ。4.用户应用程序空间4K/8K/13K/16K/20K/32K/64K 字节5.片上集成128字节/512字节 RAM6.通用I/O口（32/36个），复位后为：P1/P2/P3/P4是标准双向/弱上拉（普通8051传统I/O口）7.ISP(在系统可编程)/IAP(在应用可编程)，无需专用编程器/仿真器，可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，8K程序3秒即可完成
28、8.EEPROM 功能9.看门狗10.内部集成MAX810 专用复位电路（D版本才有），外部晶体20M以下时，可省外部复位电路11共3个16位定时器/计数器，其中定时器0还可以当成2个8位定时器使用12外部中断4路，下降沿中断或低电平触发中断，Power Down 模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒13.通用异步串行口（URAT）,还可用定时器软件实现多个URAT14.工作温度范围：075/-40+8015.封装：PDIP-40，PLCC-44,PQFP-44 此设计选择STC89C52,其封装形式为PDIP-40,如下图3.1所示：图3.1 STC89C52引脚图其引脚功能如下：P0口：
29、P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，即地址数据总线口。作为输出口时可以驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“”时，可做为高阻抗输入端用。P1口：P1口是内部带有弱上拉电阻的标准双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4个TTL门电流。P1口锁存器写入1后，P1口引脚被上拉为高电平时，可用作输入，P1.0和P1.1引脚除了可以作为一般使用外，还具有第二输入/输出功能：P1.0：定时器T2的计数输入端或定时器T2的时钟输出端。P1.1：定时器T2的外部触发输入端。 P2口：P2口是内部带有弱上拉电阻的标准双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写入“1”时，其管脚被内部上
30、拉电阻拉高，作为输入。在读/写外部存储器时，P2口输入高八位地址信号A15-A8。当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。在FLASH编程和校验时P2口接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口是内部带有弱上拉电阻的标准双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。作输入引脚使用前，先向P3口锁存器输入“1”，使P3口引脚被上拉成高电平。P3口除了作为一般的I/O引脚使用外，还具有第二功能。P3口作为一些特殊功能口，如下所示：P3.0 RXD（
31、串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RESET：复位信号输入端，高电平有效。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PRDG：低八位地址锁存信号。在访问外部存储器时，用ALE/PRDG下降沿从P0口输出的低八位地址信息A7-A0,以便随后将P0口作为数据总线使用。在正常情况下，ALE/PRDG输出信号
32、恒为1/6振荡频率，并可用作外部时钟或定时信号。PSEN：外部程序存储器的读选通信号。在外部程序存储器取指令期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。EA/VPP：外部程序存储器选择信号，低电平有效。在复位期间CPU检测并锁存EA/VPP引脚电平状态，当该引脚为高电平时，从片内程序存储器取指令，只有当程序计数器PC超出片内程序存储器地址编码范围时，才转到外部程序存储器取指令；当该引脚为低电平时，一律从外部程序存储器取指令。X1：片内晶振电路反向振荡放大器的输入端，接CPU内部时钟工作电路。X2：片内晶振电路反向振荡器的输出端。3.1.2
33、 各外围接口电路芯片简介A/D转换器（A/DC0832）在数字电路里，电平只有高和低两种状态，比如5V和0V，对应着1和0；模拟电路里，电平则理论上有无数个状态，比如0V、0.1V、0.2V等等。A/DC0832转换器可以将模拟电平值在数字电路里表达出来。ADC0832具有以下特点： 8位分辨率；双通道A/D转换；输入输出电平与TTL/CMOS相兼容；5V电源供电时输入电压在0-5V之间；工作频率为250KHZ，转换时间为32S；一般功耗仅为15mW；8P、14PDIP（双列直插）、PICC多种封装； 商用级芯片温宽为0 to +70，工业级芯片温宽为40 to +85 此设计选择8PDIP形
34、式，其管脚如图3.2所示： 图3.2 ADC0832引脚图各引脚功能如下：CS_ 片选使能，低电平芯片使能CH0 模拟输入通道0，或作为IN+/-使用CH1 模拟输入通道1，或作为IN+/-使用GND 芯片参考0点位（地）D1 数据信号输入，选择通道控制。D0 数据信号输出，转换数据输出CLK 芯片时钟输入Vcc/REF 电源输入及参考电压输入（复用）LED显示LED显示是由发光二极管作为显示字段的数码显示器件，如图3.3为一位LED显示器的外形和引脚图，其中七只发光二极管(a-g七段)构成字型“8”，另外还有一只发光二极管dp作为小数点。内部为发光二极管，对于共阳的接法，可知当adp段为低电
35、平，公共端为高电平，则发光显示。图3.3 LED显示器引脚图RS232串口通信芯片串口是计算机上一种非常通用设备通信的协议（不要与通用串行总线Universal Serial Bus或者USB混淆）。大多数计算机包含两个基于RS232的串口。串口同时也是仪器仪表设备通用的通信协议；很多GPIB兼容的设备也带有RS-232口。同时，串口通信协议也可以用于获取远程采集设备的数据。典型的RS-232信号在正负电平之间摆动，在发送数据时，发送端驱动器输出正电平在+5+15V，负电平在-5-15V电平。当无数据传输时，线上为TTL，从开始传送数据到结束，线上电平从TTL电平到RS-232电平再返回TTL
36、电平。接收器典型的工作电平在+3+12V与-3-12V。由于发送电平与接收电平的差仅为2V至3V左右，所以其共模抑制能力差，再加上双绞线上的分布电容，其传送距离最大为约15米，最高速率为20kb/s。RS-232是为点对点（即只用一对收、发设备）通讯而设计的，其驱动器负载为37k。所以RS-232适合本地设备之间的通信。如图3.4所示:Pin No. Signal 1DCD2TxD3RxD4DSR5GND6DTR7CTS8RTS9- 图3.4 RS232串口3.1.3 调节器硬件原理图此设计具体原理框图如图3.5所示： 图3.5 数字调节器设计框图3.2 硬件具体设计3.2.1 A/D转换器及
37、转换过程ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在1-5V之间。芯片转换时间仅为32S，据有双数据输出作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多个器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过DI数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。正常情况下ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO和DI并联在一根数据线上使用。其设计连接电路如图
38、3.6所示： 图3.6 A/D转换设计电路ADC0832的控制引脚CS、CLK、DO、DI占用了P20、P36、P37三个个I/O口。其中，DO和DI共用一条数据线。3.2.2 V/I转换电路由于D/A转换器输出的电压信号不适于远距离传输，所以应将其转换成不仅适于远传，而且不易受干扰的电流信号，即需通过V/I转换器输出420mA的控制信号去控制。V/I转换电路是用来将电压信号转换成与电压成正比的电流信号。它不仅要求输出电流与输入电压具有线性关系，而且要求输出的电流随负载电阻变化所引起的变化量不超过允许值，即转换器具有恒流性能。如下图3.7所示，它由运算放大器和晶体管V1、V2组成。V1构成反相
39、放大级，V2构成电流输出级。 图3.7 V/I转换电路3.2.3 键盘部分设计 矩阵式键盘常应用在按键数量比较多的系统之中。这种键盘由行线和列线组成，按键设置在行、列结构的交叉点上，行列线分别连在按键开关的两端。行线通过上拉电阻接至电源，以使无键按下时行线处于高电平状态，键盘矩阵与微型计算机的连接，应用最多的方法是采用I/O接口芯片。 键盘处理程序的关键是如何识别键码，微型计算机对键盘控制的办法是“扫描”，键盘处理程序的关键是如何识别键码。根据微型计算机进行扫描的方法又可分程控扫描法、定时扫描法以及中断扫描法三种。多数使用中断扫描法这种办法的实质是：当没有键入操作时，CPU不对键盘进行扫描，以
40、节省出大量时间对系统进行监控和数据处理。一旦键盘输入，即刻向CPU申请中断。CPU 响应中断后，立刻转到响应的中断服务程序，对键盘进行扫描，判别键盘上闭合键的键号，并做相应的处理。若无键按下，CPU执行主程序或处理其他事务。这样节省了大量的空扫描时间，进而提高了计算机的工作效率。设计原理图如图3.8所示：图3.8 按键原理图这里的按键设计稍微有点不同，一般来说，按键是一端接在单片机的I/O口上，另一端接地，当按下时，I/O口就可以检测到低电平，从而来判断是否有按下。而在此次设计中，采用了矩阵的接法，把多个按键（接在P20P23）的接地端连在一起，分别接在P24、P25上面，这种复用的设计方法可
41、缩减I/O口的使用量，这里占用6个I/O口可以得到8个按键，如果再增加两列，变成44的设计，则只用8个I/O口就有16个按键。我们一般称P20P23为行，而P24P25为列。3.2.4 显示部分设计在各类仪表中，常用的显示元件有：发光二极管显示器（LED）、液晶显示器（LCD）、荧光管显示器、简易的CRT接口等。LED是各类仪表中最常用的显示元件。LED常用的显示方法有两种，分别为静态显示和动态显示，根据LED数码管内各笔段LED发光二极管的连接方式，可将LED数码管分为共阴极和共阳极两大类。对于显示，本设计使用4位7段数码管显示各种参数及其设定，采用动态扫描实现显示任务。则设计电路原理图如图
42、3.9所示： 图3.9 显示电路原理图从图可以看出，数码管段ag、dp共8个位接在单片机的P0口对应的8个位上，位控制4个接在PP1.0P1.3上面，这是一种四个数码管合为一体的结构，所有段口是并在一起的，每个数码管位控制单独一条引脚。每个数码管位控制由一只三极管来完成，当三极管基极为低电平时导通，5V电压加到数码管的公共端。3.2.5 串口通信部分设计串口通信的概念非常简单，串口按位（bit）发送和接收数据。尽管比按接收数据的并行通信慢，但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。它很简单并且能够实现远距离通信。比如IEEE488定义并行通行状态时，规定设备线总长不得超过20米
43、，并且任意两个设备间的长度不得超过2米；而对于串口而言，长度可达1200米（RS485）。典型地，串口用于ASCII码字符的传输。通信使用3根线完成：（1）地线，（2）发送，（3）接收。由于串口通信是异步的，端口能够在一根线上发送数据的同时在另一根线上接收数据。其他线用于握手，但是不是必须的。串口通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验。电路原理图如图3.10所示：图3.10 串口通信原理图第四章 通用数字调节器系统软件设计4.1 软件设计方案4.1.1 软件设计原理通用数字调节器最终目的是根据给定值与测量值之间的偏差进行PID控制。输入信号即被控对象参数经A/D转换送给CPU，在C
44、PU中与设定值比较，然后进行PID运算，得到的结果经运算后输出以控制执行机构。用键盘来控制PID各参数的大小，用4个LED来显示各项数据。4.1.2 软件设计方案软件的设计是实现调节器功能的关键，这里可将软件设计划分为各个子功能模块的软件设计和主程序设计两个部分。完成主程序的设计后，让用户根据实际需求将若干子程序组合成应用的程序，以实现调节器的运算和控制功能,这是主程序应完成的任务。该调节器分三部分：数据输入、数据处理、控制输出数据输入：设计中，将采样回来的反馈信号以电压的形式送给单片机。数据处理：数据存储、键盘设定、显示、控制算法（PID数字算法，用程序实现）等。控制输出：由于执行机构的驱动
45、信号通常是模拟的，所以用单片机集成的D/A完成数模转换。用C51语言编写调节器程序。系统子程序分为数据采样（模数转换程序），数据处理（按键程序、显示程序、数据存储程序、控制算法程序），控制输出（数模转换程序）等等。4.1.3 软件总体设计方案流程图软件设计是系统设计的一项主要内容。根据系统功能要求，以系统硬件电路为基础进行系统软件设计。为了使设计的软件功能明确、阅读、调试方便、可靠性好，本设计采用结构化的程序设计方法来进行系统软件设计。本系统软件程序主要包括按键通道查询程序、LED显示程序、A/D转换程序和数字滤波程序等等。其主程序流程图如图4.1所示： 图4.1 主程序流程图4.2 系统软件
46、的具体设计4.2.1 A/D采样转换程序 采样信号是模拟信号，单片机只能接受数字信号，所以必须进行模数转换才能进行PID运算。程序流程图如图4.2所示：图4.2 模数转换程序流程图4.2.2 数字滤波程序在过程控制中，由于环境因素，被控对象的测量会存在干扰源，所以在线性化之前要先进行数字滤波。数字滤波通常有以下几种方法：算术平均值法、比较舍取法、采样值的加权平均值、一阶递推数字滤波法、中位值法。本设计数字滤波采用的是算术平均值滤波法。程序流程图如图4.3所示： 图4.3 数字滤波程序4.2.3 数据显示程序四位数码管有显示PID参数，显示采样信号等任务，则数据显示流程图如图4.4所示： 图4.4 显示程序流程图4.2.4 按键处理程序按键用来实现PID参
