数字调节器设计.docx

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1、摘要数字调节器是用数字技术和微电子技术实现闭环控制的调节器，又称数字调节仪表。 它接受来自生产过程的测量信号，由内部的数字电路或微处理机作数字处理，按一定调节 规律产生输出数字信号或模拟信号驱动执行器，完成对生产过程的闭环控制。本次智能仪表课程设计主要目的是设计一种数字PID调节器。PlD控制算法是历史最 悠久，生命力最强的一种控制算法。它是迄今为止最通用的控制方法。它提供一种反响控 制，通过积分作用可以消除稳态误差，通过微分作用可以预测未来。本设计的PID数字调 节器采用STC89C52RC单片机作为主控单元，采用ADC0832作为A/D转换器，具有数字滤 波等功能，通过PID算法实现调节功

2、能，调节器设定值、参数可通过四个独立按键设置， 采用LED数字显示，通过AD420模块电路输出模拟信号。关键词：数字调节器；PID控制算法；LED显示；A/D转换器目录摘要1第1章前言31.1 调节器原理与作用31.2 PID控制算法简介41.2. 1模拟PID算法4数字PlD算法4第2章总体方案设计5第3章 硬件选择与电路设计63. 1单片机选择63.2最小系统设计73. 2. 1时钟电路83. 2. 2复位电路83. 3 A/D转换器ADC0832简介与电路设计83. 4 LED数码显示方式及电路设计93. 4. 1静态显示和动态显示93. 4. 2 LED显示硬件接线图设计93.5 按键

3、电路的设计103.6 D/A转换电路设计113. 6. 1 AD420 简介113.6.2 D/A转换电路设计11第4章软件设计124.1调节器主程序设计124. 2输入与输出模块程序设计134. 2.1输入模块程序设计134. 2.2输出模块程序设计134. 3按键程序设计144.4 PlD程序设计154. 5 LED程序设计16第5章 软硬件调试175. 1硬件调试185.2软件调试18第6章总结18参考文献19附录A20附录B21第1章前言1.1 调节器原理与作用调节器在自动控制系统中的作用一一将测量输入信号值PV与给定值SV进行比拟，得 出偏差e,然后根据预先设定的控制规律对偏差e进行

4、运算，得到相应的控制值，并通过输出口以420mA, DC电流或15V, DC电压)传输给执行器。故此，实际调节器均具 有一定数量的输入端口和输出端口。另外，在调节器上一般都有测量值、输出值和给定值 的显示功能，极大地方便了人们对仪表的调整及系统监控的操作。1.2 PlD控制算法简介模拟PlD算法比例积分微分控制规律(PlD)的输入输出关系可用以下公式表示:(1-1)由上式可见，PlD控制作用的输出分别是比例、积分和微分三种控制作用输出的叠加。 当输入偏差e为一幅值为4的阶跃信号时，实际PID控制器的输出特性如图Ll所示。PlD 控制器可以调整的参数是瓦、小 九 适中选取这三个参数的数值，可以获

5、得较好的控制质 量。对式1)进行拉氏变换，可得PID控制规律的传递函数：3 (radzs)图1. 1 PID控制器的输出特性图1. 2 PID控制规律的Bode图由于PID控制规律综合了比例、积分、微分三种控制规律的优点，具有较好的控制性 能，因而应用范围更广，在温度和成分控制系统中得到更为广泛的应用。数字PID算法智能调节器运用的都是数字PID,所以将模拟PID理想控制规律：(1-3)(t) - Kpe(%) + 亍 je(l)力 + Td :)离散化得数字PID理想控制规律:(Q = Kp e(k) + JS() e(k)-e(k-l)i 01,增量型PID算法：根据上式不难得到第-l)个

6、采样周期的控制量，即将式(1-4)与式(1-5)相减，可以得到第k个采样时刻控制量的增量，即NU也1) = KpIi J (6=Kp e(k) - e(k -1) + Kie(k) + Kd e(k)- 2e(k-1) + e(k - 2)式中，KP为比例增益；K,为积分系数，Ki = KpT/Ti ； Kd为微分系数,Kd=KpTdTo由于式(1-6)中对应于第k个采样时刻阀门位置的增量，故称式(1-6)为增量型算式。由此, 第k个采样时刻实际控制量为(k) = uk -1) + ”(左)为了编写程序方便，将式(1-6)改写为N(k) - q0e(k) + q1e(k -1) + q2e(k

7、 - 2)；Qi =式中，q=K由此可见，要利用伏)和(左-1)得到(左)，只需要用到e(左-1) , e(k-2) 和 Mk -1)三个历史数据。第2章总体方案设计智能调节器由单片机、过程输入/输出通道、人机接口电路以及通信接口电路等局部组 成，其结构原理图如图2.1所示。图2.1智能调节器整体设计方框图其中单片机STC89C52RC由CPU、存储器ROM、EPRoM RAMk定时/计数器及I/O接口 等组成，是智能调节器的核心，用于实现仪表数据运算处理、各组成局部之间的管理。过 程输入通道来完成模拟信号的采样、转换，以形成计算机能处理的数字信号；过程输出通 道就是把计算机经过一系列处理后的

8、数字信号转换成模拟信号用于输出；显示与键盘都属 于人机接口局部，键盘主要用来输入参数等控制信息，LED主要用来显示测量信息和给定 信息。人机接口部件一般由操作按钮和显示部件组成，用于实现调节器与使用人员之间的 各种信息的交流。通信接口电路主要用于智能调节器与其他控制设备之间的数据通信，大 多采用串级传输方式。第3章硬件选择与电路设计3.1 单片机选择STC89C52RC是美国Atmel公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含8KB 的可反复榛写的程序存储器和12B的随机存取数据存储器RAM),器件采用AtmeI公司的 高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内

9、配置通用8位中央处理 器CPU)和Flash存储单元，功能强大的STC89C52RC单片机可灵活应用于各种控制领域。STC89C52RC单片机属于STC89C51RC单片机的增强型，与Intel公司的80XC52在引脚排列、 硬件组成、工作特点和指令系统等方面兼容。其管脚图如图3.1。UlP1.O(T2)(ADO)PO-OP1.1(T2EX)(AD1)PO.1Pl.2(AD2)P0.2P1.3(AL3)PO.3P1.4(AEH)P0.4P1.5(AL5)PO.5P1.6(AL6)P0.6P1.7(AD7)PO.7P3 J(ZNTl)(A8)P2.0P3.2(INT0)(A9)P2.1(A10)

10、P2.2P3.5(T1)(A11)P2.3P3.4(TO)(A12)P2.4(A13)P2.5EAVPP(A14)P2.6(A15)P2.7 XTALl XTAL2VCC398-Im4020RST(RXD)P3.0(TXD)P3.1P3.7(RL)ALEPROGP3.6(WR)PSEN10N-Qo3tS二 9AT89C52图3. 1 STC89C52RC 管脚图ST89C52RC为40脚双列直插封装的8位通用微处理器,采用工业标准的C51内核， 在内部功能及管脚排布上与通用的89XC52相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。功 能包括对会聚主IC内部存放器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始

11、化，会聚调整控 制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。主要管脚有:XTALl 19脚）和XTAL2118脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHZ晶振。RST/Vpd9脚 为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC40脚）和VSS20脚）为供电端 口，分别接+5V电源的正负端。P0P3为可编程通用I/O脚，其功能用途由软件定义，在 本设计中，PO端口3239脚）被定义为Nl功能控制端口，分别与Nl的相应功能管脚 相连接，13脚定义为IR输入端，10脚和脚定义为I2C总线控制端口，分别连接Nl的 SDAS18脚）和SCLS19脚）端口，12脚、27脚及28脚定

12、义为握手信号功能端口，连 接主板CPU的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。3.2 最小系统设计时钟电路及复位电路是单片机工作的根本电路，单片机加上这两局部 电路就构成了单片机最小系统，即单片机系统就可以工作了。时钟电路STC89C52RC虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外部附加电路。STC89C52RC 单片机的时钟产生方法有两种，内部时钟方式和外部时钟方式。本设计采用内部时钟 方式，利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2引脚上外接定时元件，内部的振 荡电路便产生自激振荡。本设计采用最常用的内部时钟方式，即用外接晶体和电容组 成的并联谐振同路。设计原理

13、如图3. 2。图3. 2 STC89C52RC时钟产生电路复位电路复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。最简单的上电自动复位电路中上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的, 如图3. 3 (a) o除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。本设计就是用的按键手动复位。 按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中电平复位是通过RST端经电阻与电源Vcc 接通而实现的。设计如图3.3b) o(a)(b)图3. 3自动复位电路3. 3 A/D转换器ADCO832简介与电路设计ADC0832是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道A/D转换 芯片。由于它体积小，兼容性，性价比高

14、而深受单片机爱好者及企业欢送，其目 前已经有很高的普及率。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 05V之间。芯片转换时间仅为32S,据有双数据输出可作为数据校验，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，使多器件挂接和处理器控制 变的更加方便。通过Dl数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。对其原理分 析后设计器电路图如图3.5。DIVRZICHO CHlDO图3. 5 A/D转换器硬件电路3.4 LED数码显示方式及电路设计静态显示和动态显示LED显示器工作方式有两种：静态显示方式和动态显示方式。静态显示的特点是每个 数码管必须接一个8位锁存器用来锁存待显示的字形码。送入一次字形码显示字形一直保 持，直到送入新字形码为止。这种方法的优点是占用CPU时间少，显示便于监测和控制。 缺点是硬件电路比拟复杂，本钱较高。动态显示的特点是将所有位数码管的段选线并联在一起，由位选线控制是哪一位数码 管有效。这样一来，就没有必要每一位数码管配一个锁存器，从而大大地简化了硬件电路。 选亮数码管采用动态扫描显示。所谓动态扫描显示即轮流向各位数码管送出字形码和相应 的位选，利用发光管的余辉和人眼视觉暂留作