溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)(計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)).doc

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學(xué) 號(hào)： 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 課程設(shè)計(jì) 題 目 溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué) 院 專 業(yè) 班 級(jí) 姓 名 指導(dǎo)教師 2016 年 月 日  課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 學(xué)生姓名： _____ 專業(yè)班級(jí)： ___________ 指導(dǎo)教師： 周申培 工作單位： ___________ 題 目: 溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 初始條件： 被控對(duì)象為電爐，采用熱阻絲加熱，利用大功率可控硅控制器控制熱阻絲兩端所加的電壓大小，來(lái)改變流經(jīng)熱阻絲的電流，從而改變電爐爐內(nèi)的溫度。可控硅控制器輸入為0～5伏時(shí)對(duì)應(yīng)電爐溫度0－300℃，溫度傳感器測(cè)量值對(duì)應(yīng)也為0～5伏，對(duì)象的特性為積分加慣性系統(tǒng)，慣性時(shí)間常數(shù)為T1＝40秒。 要求完成的主要任務(wù): （包括課程設(shè)計(jì)工作量及其技術(shù)要求，以及說(shuō)明書撰寫等具體要求） 1．設(shè)計(jì)溫度控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)，畫出框圖； 2．編寫積分分離PID算法程序，從鍵盤接受Kp、Ti、Td、T及β的值； 3．計(jì)算機(jī)仿真被控對(duì)象，編寫仿真程序； 4．通過(guò)數(shù)據(jù)分析Td改變時(shí)對(duì)系統(tǒng)超調(diào)量的影響。 5. 撰寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書。課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書應(yīng)包括：設(shè)計(jì)任務(wù)及要求；方案比較及認(rèn)證；系統(tǒng)濾波原理、硬件原理，電路圖，采用器件的功能說(shuō)明；軟件思想，流程，源程序；調(diào)試記錄及結(jié)果分析；參考資料；附錄：芯片資料，程序清單；總結(jié)。 時(shí)間安排： 2016年5月23日—2016年6月3日  摘要 比例-積分-微分控制（簡(jiǎn)稱PID控制），是控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的一種控制規(guī)律。實(shí)際運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)和理論的分析都表明，這種控制規(guī)律對(duì)許多工業(yè)過(guò)程進(jìn)行控制時(shí)，都能得到滿意的效果。利用計(jì)算機(jī)可以很好地使用PID算法對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制，具有較高的精度，并且可以很方便的改變PID參數(shù)，以達(dá)到不同的控制效果。 本設(shè)計(jì)的控制對(duì)象為電爐，控制量為電爐溫度，利用單片機(jī)對(duì)大功率可控硅導(dǎo)通角的控制，可以很方便地改變電熱絲兩端的電壓，從而起到調(diào)節(jié)溫度的作用。而熱電偶配合單片機(jī)編程，能夠較精確地得到爐溫，使單片機(jī)能夠?qū)崟r(shí)發(fā)出控制信號(hào)，快速將爐溫調(diào)節(jié)為給定值。當(dāng)外界出現(xiàn)干擾使?fàn)t溫發(fā)生變化時(shí)，單片機(jī)能夠通過(guò)PID算法快速使?fàn)t溫回到給定值。 為了使PID控制更加穩(wěn)定可靠，本設(shè)計(jì)加入了積分分離的改進(jìn)措施，當(dāng)偏差較大時(shí)取消積分作用，利用PD控制快速使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定；當(dāng)偏差小于某一個(gè)值時(shí)，加入積分作用，以消除靜差。利用Matlab軟件，可以通過(guò)仿真得到Td改變對(duì)系統(tǒng)超調(diào)量的影響。 關(guān)鍵詞：PID控制；Matlab；系統(tǒng)超調(diào)量  目錄 1 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 1 1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)要求 1 1.2 任務(wù)要求分析 1 2 方案比較及認(rèn)證 2 2.1 方案設(shè)計(jì) 2 2.2 方案認(rèn)證 3 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 4 3.1 PID控制算法 4 3.2 積分分離的PID控制控制算法 5 4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 6 4.1 系統(tǒng)濾波原理 6 4.2 硬件設(shè)計(jì)原理 6 5 系統(tǒng)仿真 8 5.1 仿真程序及圖形 8 5.2 仿真結(jié)果 9 5.3 結(jié)果分析 12 6 心得體會(huì) 13 參考文獻(xiàn) 14 附錄A 芯片資料 15 附A1 ADC0809芯片功能 15 附A2 DAC0832芯片功能 16 附A3 AT89C51單片機(jī) 18 附錄B 程序清單 20 附B1 單片機(jī)程序代碼 20 附B2 仿真程序代碼 27 本科生課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表 28 1 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)要求 被控對(duì)象為電爐，采用熱阻絲加熱，利用大功率可控硅控制器控制熱阻絲兩端所加的電壓大小，來(lái)改變流經(jīng)熱阻絲的電流，從而改變電爐爐內(nèi)的溫度。可控硅控制器輸入為0～5伏時(shí)對(duì)應(yīng)電爐溫度0－300℃，溫度傳感器測(cè)量值對(duì)應(yīng)也為0～5伏，對(duì)象的特性為積分加慣性系統(tǒng)，慣性時(shí)間常數(shù)為T1＝40秒。 要求完成的主要任務(wù): 1．設(shè)計(jì)溫度控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)，畫出框圖； 2．編寫積分分離PID算法程序，從鍵盤接受Kp、Ti、Td、T及β的值； 3．計(jì)算機(jī)仿真被控對(duì)象，編寫仿真程序； 4．通過(guò)數(shù)據(jù)分析Td改變時(shí)對(duì)系統(tǒng)超調(diào)量的影響。 5. 撰寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書。 1.2 任務(wù)要求分析 本系統(tǒng)的控制對(duì)象為電爐，被控量為溫度，利用溫度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)電爐溫度；將測(cè)得的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后送入計(jì)算機(jī)；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將檢測(cè)得到的溫度與爐溫給定值進(jìn)行比較，并計(jì)算偏差；按照預(yù)置的控制算法，對(duì)可控硅控制器的導(dǎo)通角進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而可以控制熱阻絲兩端的電壓，起到溫度調(diào)節(jié)的作用。 為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換、處理以及PID算法控制，并通過(guò)鍵盤對(duì)溫度設(shè)定值和PID控制參數(shù)進(jìn)行修正，因此可以使用單片機(jī)或PLC。由于本次控制對(duì)象為電爐，其時(shí)間常數(shù)較大，因此采用周期不宜過(guò)小，避免系統(tǒng)響應(yīng)過(guò)于頻繁，降低計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的效率并使控制品質(zhì)變壞；但也不能太大，否則會(huì)使誤差不能及時(shí)消除。  2 方案比較及認(rèn)證 2.1 方案設(shè)計(jì) 用溫度傳感器來(lái)檢測(cè)爐的溫度，將爐溫轉(zhuǎn)變成毫伏級(jí)的電壓信號(hào)，經(jīng)溫度變送器放大并轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)。由電阻網(wǎng)絡(luò)將電流信號(hào)變成電壓信號(hào)，送入A/D轉(zhuǎn)換器，通過(guò)采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換，所檢測(cè)到的電壓信號(hào)和爐溫給定值的電壓信號(hào)送入計(jì)算機(jī)程序中作比較，得出給定值與實(shí)際值之間的偏差，并與β進(jìn)行比較，從而確定算法。計(jì)算得到的控制量輸出給可控硅控制器，改變可控硅的導(dǎo)通角，達(dá)到調(diào)壓的目的，是電阻絲兩端的電壓增大或較小，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫的控制。 方案一：使用PLC直接對(duì)鐵塊溫度進(jìn)行PID調(diào)節(jié)。其基本思想為，觸摸屏要設(shè)定溫度給PLC，PLC控制光耦電路，然后對(duì)電阻絲進(jìn)行控制加熱。具體流程為，由觸摸屏設(shè)定溫度給PLC，由PLC通過(guò)電路控制鐵塊的加熱或不加熱，熱電偶把溫度以電壓的方式經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換反饋給PLC，PLC再經(jīng)過(guò)PID來(lái)控制溫度。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示。 圖2-1 方案一設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖 方案二：?jiǎn)纹瑱C(jī)熱電偶溫度自動(dòng)控制。主要的控制芯片采用AT89C51，要求傳感器測(cè)量的電壓范圍和可控硅控制器的電壓在0-5℃，所以A/D與D/A轉(zhuǎn)換芯片采用ADC0809和DAC0832。爐溫控制在0－300℃內(nèi)，因此采用鎳鉻-銅鎳熱電偶，同時(shí)選用運(yùn)算放大器將信號(hào)放大。 圖2-2 方案二設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖 2.2 方案認(rèn)證 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，綜合考慮選擇方案二。在系統(tǒng)中，利用熱電偶測(cè)得電阻爐實(shí)際溫度并轉(zhuǎn)換成毫伏級(jí)電壓信號(hào)。該電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)溫度檢測(cè)電路轉(zhuǎn)換成與爐溫相對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，通過(guò)液晶顯示器顯示溫度，同時(shí)將溫度與設(shè)定溫度比較，根據(jù)設(shè)定計(jì)算出控制量，根據(jù)控制量通過(guò)控制繼電器的導(dǎo)通和關(guān)閉從而控制電阻絲的導(dǎo)通時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫的控制。程序流程圖如圖2-3所示。 圖2-3 程序流程圖 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 3.1 PID控制算法 模擬PID控制器的控制規(guī)律為 （3-1） 在PID調(diào)節(jié)中，比例控制能迅速反應(yīng)誤差，從而減小誤差，但比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，KP的加大，會(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定；積分控制的作用是：只要系統(tǒng)存在誤差，積分控制作用就不斷地積累，輸出控制量以消除誤差，因而，只要有足夠的時(shí)間，積分控制將能完全消除誤差，積分作用太強(qiáng)就會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)增大，甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩；微分控制可以減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高，同時(shí)加快系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間，從而改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。 為了便于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)PID控制算法，必須將式（3-1）變換成差分方程，以得到數(shù)字PID位置型控制算式 （3-2） 根據(jù)式（3-2）可寫出u(k-1)的表達(dá)式 （3-3） 將式（3-2）與式（3-3）相減，可以得到數(shù)字PID增量型控制算式為 （3-4） 式中，Kp為比例增益；Ki=Kp*T/Ti為積分系數(shù)；Kd=Kd*Td/T為微分系數(shù)。 相對(duì)于位置型算法，增量型算法不需要做累加，計(jì)算誤差或計(jì)算精度對(duì)控制量的計(jì)算影響較小，而位置型算法要用到過(guò)去的累加值，容易產(chǎn)生較大的累加誤差。位置型算法不僅要占用較多的內(nèi)存單元，而且不便于編寫程序，并且逐漸增大的累加誤差可能引起系統(tǒng)沖擊，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。綜合考慮，應(yīng)該使用增量型數(shù)字PID控制算法來(lái)增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及控制精度。 3.2 積分分離的PID控制控制算法 在一般的PID控制中，當(dāng)有較大的擾動(dòng)或大幅度改變給定值時(shí)，由于此時(shí)有較大的偏 差，以及系統(tǒng)有慣性和滯后，故在積分項(xiàng)的作用下，往往會(huì)產(chǎn)生較大的超調(diào)和長(zhǎng)時(shí)間的波動(dòng)。特別對(duì)于溫度等變化緩慢的過(guò)程，這一現(xiàn)象更為嚴(yán)重，為此，可采用積分分離措施，即偏差e(k)較大時(shí)，取消積分作用；當(dāng)偏差較小時(shí)才將積分作用投入。亦即 當(dāng)時(shí)，采用PD控制； 當(dāng)時(shí)，采用PID控制。 積分分離閾值β應(yīng)根據(jù)具體對(duì)象及控制要求。若β值過(guò)大時(shí)，則達(dá)不到積分分離的目的；若β值過(guò)小，則一旦被控量y(t)無(wú)法跳出個(gè)積分分離區(qū)，只進(jìn)行PD控制，將會(huì)出現(xiàn)殘差，為了實(shí)現(xiàn)積分分離，編寫程序時(shí)必須從數(shù)字PID差分方程式中分離出積分項(xiàng)，進(jìn)行特殊處理。積分分離PID控制算法流程圖如圖3-1所示。 圖3-1 積分分離PID控制算法流程圖  4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 4.1 系統(tǒng)濾波原理 一般微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的模擬輸入信號(hào)中，均含有種種噪音和干擾，它們來(lái)自信號(hào)源本身、傳感器、外界干擾等。噪音有兩大類：一類為周期性的，另一類為不規(guī)則的。前者可采用雙積分A/D轉(zhuǎn)換器，有效地消除其影響。后者為隨機(jī)信號(hào)，可用數(shù)字濾波方法予以消除。 算術(shù)平均值法式要按輸入的N個(gè)采樣為周期ix（i=1～N），尋找這樣一個(gè)y，使y與各采樣值間的偏差的平方和為最小，使 由一元函數(shù)求值原理可得 4.2 硬件設(shè)計(jì)原理 該溫度控制硬件設(shè)計(jì)采用了單片機(jī)AT89C52，A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809與D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832。 其設(shè)計(jì)思想為：用熱電偶來(lái)檢測(cè)爐的溫度，將爐溫轉(zhuǎn)變成毫伏級(jí)的電壓信號(hào)，經(jīng)溫度變送器放大并轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)。由電阻網(wǎng)絡(luò)講電流信號(hào)變成電壓信號(hào)，送入A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809，通過(guò)采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換，所檢測(cè)到的電壓信號(hào)和爐溫給定值的電壓信號(hào)都轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入單片機(jī)AT80C52進(jìn)行比較，其差值即為實(shí)際爐溫和給定爐溫的偏差，以單片機(jī)為核心的數(shù)字PID控制器對(duì)偏差按照給定的方法運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果送入D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832轉(zhuǎn)換成模擬電壓，經(jīng)功率放大器放大后送入晶閘管調(diào)壓器，觸發(fā)晶閘管并改變其導(dǎo)通角的大小，從而控制電阻爐的加溫電壓，起到爐溫調(diào)節(jié)的作用。 其電路圖如圖4-1所示。 圖4-1 硬件設(shè)計(jì)電路圖  5 系統(tǒng)仿真 5.1 仿真程序及圖形 被控對(duì)象為 采用simulink仿真，通過(guò)simulink模塊實(shí)現(xiàn)積分分離PID控制算法。 選擇合適的Kp，Ki，Kd是系統(tǒng)的仿真效果趨于理想狀態(tài)。MATLAB程序如下所示。 clear all; close all; ts=2; %采樣時(shí)間2s sys=tf([1],[40,1,0]); %令sys為系統(tǒng)傳遞函數(shù) dsys=c2d(sys,ts,zoh); %將sys離散化并加零階保持器 [num,den]=tfdata(dsys,v); %求sys多項(xiàng)式模型參數(shù) kp=1; ti=50; td=1; beta=0.1; ki=kp*ts/ti; kd=kp*td/ts; Simulink仿真圖如圖5-1所示。 圖5-1 Simulink仿真圖 5.2 仿真結(jié)果 (1) 當(dāng)Td=0.1時(shí)，仿真波形圖如圖5-2所示。 圖5-2 當(dāng)Td=0.1時(shí)的仿真波形圖 (2) 當(dāng)Td=1時(shí)，仿真波形圖如圖5-3所示。 圖5-3 當(dāng)Td=1時(shí)的仿真波形圖 (3) 當(dāng)Td=10時(shí)，仿真波形圖如圖5-4所示。 圖5-4 當(dāng)Td=10時(shí)的仿真波形圖 (4) 當(dāng)Td=15時(shí)，仿真波形圖如圖5-5所示。 圖5-5 當(dāng)Td=15時(shí)的仿真波形圖 (5) 當(dāng)Td=20時(shí)，仿真波形圖如圖5-6所示。 圖5-6 當(dāng)Td=20時(shí)的仿真波形圖 (6) 當(dāng)Td=30時(shí)，仿真波形圖如圖5-6所示。 圖5-7 當(dāng)Td=30時(shí)的仿真波形圖 (7) 當(dāng)Td=40時(shí)，仿真波形圖如圖5-8所示。此時(shí)系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，系統(tǒng)不穩(wěn)定。 圖5-7 當(dāng)Td=40時(shí)的仿真波形圖 5.3 結(jié)果分析 增大微分時(shí)間Td，有利于加快系統(tǒng)響應(yīng)，使超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加，但系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)的抑制能力減弱，對(duì)擾動(dòng)有較敏感的響應(yīng)。 通過(guò)仿真可以看出，當(dāng)K，Td，T，β取了合適的值后，改變Td既會(huì)改變系統(tǒng)的超調(diào)量，又會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定時(shí)間發(fā)生較大的改變。在一定范圍內(nèi)Td增大，而相應(yīng)的系統(tǒng)超調(diào)量減小，說(shuō)明此時(shí)微分作用會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)量減小。但超過(guò)該范圍，隨Td增大超調(diào)量增大。仿真結(jié)果中，當(dāng)Td=40時(shí)，系統(tǒng)甚至出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。因此，積分時(shí)間常數(shù)Td必須取恰當(dāng)值，微分作用過(guò)強(qiáng)，會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)過(guò)大，甚至不穩(wěn)定。 因此，Td增大即微分作用的增強(qiáng)有助于增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，還可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，如可以明顯減少超調(diào)量，縮短調(diào)節(jié)時(shí)間等，提高控制精度。但Td值偏大都會(huì)適得其反。 6 心得體會(huì) 通過(guò)本次溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，個(gè)人有了很多獲得： 一，了解了自身各種理論知識(shí)的不足之處，強(qiáng)化了自身知識(shí)水平； 二，知道了理論必須與實(shí)踐結(jié)合，各種技術(shù)才能真正達(dá)到熟練運(yùn)用的程度； 三，科學(xué)技術(shù)是嚴(yán)密謹(jǐn)慎的，不能有一絲馬虎，否則可能會(huì)出現(xiàn)較大誤差； 四，通過(guò)本次溫度控制設(shè)計(jì)，進(jìn)一步學(xué)習(xí)了單片機(jī)設(shè)計(jì)與Matlab仿真設(shè)計(jì)。也學(xué)習(xí)了數(shù)字PID控制，比較了數(shù)字PID位置型控制算法與數(shù)字PID增量型控制算法。同時(shí)了解了數(shù)字PID控制器改進(jìn)的方法，如積分分離。為了實(shí)現(xiàn)積分分離，編寫程序時(shí)必須從數(shù)字PID差分方程式中分離出積分項(xiàng)，進(jìn)行特殊處理。  參考文獻(xiàn) [1] 于海生. 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014：101-111. 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[5] 王孝武，方敏，葛鎖良. 自動(dòng)控制理論[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012：117-118. 附錄A 芯片資料 附A1 ADC0809芯片功能 A/D轉(zhuǎn)換器是將模擬電壓或電流轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的期間或裝置，它是一種模擬系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)之間的接口，它在數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中，得到了廣泛的應(yīng)用，常用的A/D轉(zhuǎn)換器有ADC0809. 它是一種帶有8通道模擬開關(guān)的8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間為100us左右，線性誤差為1/2LSB，采用28腳雙立直插式封裝，ADC0809由8通道模擬開關(guān)、通道選擇邏輯、8位A/D轉(zhuǎn)換器及三態(tài)輸出鎖存緩沖器組成。 (1)8通道模擬開關(guān)及通道選擇邏輯 該部分的功能是實(shí)現(xiàn)8選1操作，通道選擇信號(hào)C、B、A與所選通道的關(guān)系如下： 表A-1 ADC0809模擬開關(guān)及通道選擇邏輯 地址鎖存允許信號(hào)（ALE、正脈沖）用于通道選擇信號(hào)C、B、A的鎖存。加至C、B、A上的通道選擇信號(hào)在ALE的作用下送入通道選擇邏輯后，通道i上的模擬輸入被送至A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換。 (2)8位A/D轉(zhuǎn)換器 圖A-1 ADC0809引腳圖 如圖A-1所示。IN0~IN7為模擬信號(hào)的8個(gè)輸入通道。VREF，VREF為基準(zhǔn)電壓的正極和負(fù)極。 ADDA 、ADDB和ADDC為模擬信號(hào)輸入通道的地址選擇線。ALE為地址鎖存信號(hào)，由低電平到高電平正跳變時(shí)講地址選擇線的狀態(tài)鎖存，一選通相應(yīng)的輸入通道。 START為啟動(dòng)信號(hào)，正脈沖的上升沿使內(nèi)部寄存器清零，從下降沿開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。 OEC為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，在START信號(hào)之后變低，轉(zhuǎn)換結(jié)束為高電平，用來(lái)申請(qǐng)中斷。OE為輸出允許信號(hào)，有效時(shí)將輸出寄存器中的數(shù)據(jù)放到數(shù)據(jù)總線上。2-8~2-1為數(shù)碼輸出端，2-8為最低有效位，2-1為最高有效位。 附A2 DAC0832芯片功能 D/A轉(zhuǎn)換器的功能是把二進(jìn)制數(shù)字量電信號(hào)轉(zhuǎn)換為與其數(shù)值成正比的模擬量電信號(hào)。常用D/A轉(zhuǎn)換器為DAC0832芯片。DAC0832工作在單緩沖寄存器方式，即當(dāng)CS信號(hào)來(lái)時(shí)，D0～D7數(shù)據(jù)線送來(lái)的數(shù)據(jù)直通進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，當(dāng)IOW變高時(shí)，則此數(shù)據(jù)便被鎖存在寄存器中，因此D/A轉(zhuǎn)換的輸出也保持不變。DAC0832講輸入的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成差動(dòng)的電流輸出（Iout1和Iout2），為了將其編程電壓輸出，須經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器，使其輸出0~5V（Vref為-5V）或0~10V（Vref為-10V），若要形成負(fù)電壓輸出，則Vref需接正的基準(zhǔn)電壓。 圖A-2 DAC0832引腳圖 如圖A-2 所示，DAC0832是雙列直插式8位D/A轉(zhuǎn)換器。能完成數(shù)字量輸入到模擬量(電流)輸出的轉(zhuǎn)換。圖4為DAC0832的引腳圖。其主要參數(shù)如下：分辨率為8位，轉(zhuǎn)換時(shí)間為1μs，滿量程誤差為1LSB，參考電壓為(+10/span>-10)V，供電電源為(+5～+15)V，邏輯電平輸入與TTL兼容。在DAC0832中有兩級(jí)鎖存器，第一級(jí)鎖存器稱為輸入寄存器，它的允許鎖存信號(hào)為ILE，第二級(jí)鎖存器稱為DAC寄存器，它的鎖存信號(hào)也稱為通道控制信號(hào)XFER。 當(dāng)ILE為高電平，片選信號(hào) CS和寫信號(hào) WR1為低電平時(shí)，輸入寄存器控制信號(hào)為1， 這種情況下，輸入寄存器的輸出隨輸入而變化。此后，當(dāng)WR1由低電平變高時(shí)，控制信號(hào)成為低電平，此時(shí)，數(shù)據(jù)被鎖存到輸入寄存器中，這樣輸入寄存器的輸出端不再隨外部數(shù)據(jù)DB的變化而變化。 對(duì)第二級(jí)鎖存來(lái)說(shuō)，傳送控制信號(hào)XFER和寫信號(hào)WR2同時(shí)為低電平時(shí)，二級(jí)鎖存控制信號(hào)為高電平，8位的DAC寄存器的輸出隨輸入而變化，此后，當(dāng)WR2由低電平變高時(shí)，控制信號(hào)變?yōu)榈碗娖剑谑菍⑤斎爰拇嫫鞯男畔㈡i存到DAC寄存器中。 其余各引腳的功能定義如下： DI7～DI0：8位的數(shù)據(jù)輸入端，DI7為最高位。 IOUT1：模擬電流輸出端1，當(dāng)DAC寄存器中數(shù)據(jù)全為1時(shí)，輸出電流最大，當(dāng) DAC寄存器中數(shù)據(jù)全為0時(shí)，輸出電流為0。 IOUT2：模擬電流輸出端2,IOUT2與IOUT1的和為一個(gè)常數(shù)。 RFB：反饋電阻引出端，DAC0832內(nèi)部已有反饋電阻，所以 RFB端可以直接接到外部運(yùn)算放大器的輸出端,相當(dāng)于將一個(gè)反饋電阻接在運(yùn)算放大器的輸出端和輸入端之間。 VREF：參考電壓輸入端，此端可接一個(gè)正電壓，也可接一個(gè)負(fù)電壓，它決定0至255的數(shù)字量轉(zhuǎn)化出來(lái)的模擬量電壓值的幅度，VREF范圍為+10。VREF端與D/A內(nèi)部T形電阻網(wǎng)絡(luò)相連。 VCC：芯片供電電壓，范圍為5V~15V。 GND ：模擬量地/數(shù)字量地，即模擬/數(shù)字電路接地端。 附A3 AT89C51單片機(jī) AT89C51提供以下的功能標(biāo)準(zhǔn)：4K字節(jié)閃爍存儲(chǔ)器，128字節(jié)隨機(jī)存儲(chǔ)器，32個(gè)I/O口，2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，1個(gè)5向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，1個(gè)串行通信口，片內(nèi)震蕩器和時(shí)鐘電路。另外，AT89C51還可以進(jìn)行0HZ的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件的節(jié)電模式。8051單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，但封裝之后，只有引腳是面向用戶的，所以使用者需要熟悉各引腳的用途。常用的8051芯片是用雙列直插40腳封裝。如圖A-3所示。 圖A-3 AT89C51引腳圖 其各引腳功能如下所示： VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P0口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0口外部必須被拉高。 P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。 P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外 部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 ALE/PROG：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6，可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。 ：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次PSEN有效。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的信號(hào)將不出現(xiàn)。 /VPP：當(dāng)保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來(lái)自反向振蕩器的輸出。 附錄B 程序清單 附B1 單片機(jī)程序代碼 單片機(jī)程序代碼如下所示： 積分分離PID控制算法子程序： START：MOV 68H,KP ；分別將KP ，TI ，TD， T，β送入指定的存儲(chǔ)單元 MOV 54H,TI MOV 55H,TD MOV 56H,T MOV 57H,β MOV A,68H；計(jì)算KI=KP*T/TI MOV B,56H MUL AB MOV B,54H DIV AB MOV 69H,A MOV A,68H；計(jì)算KD=KP*TD/T MOV B,55H MUL AB MOV B,56H DIV AB MOV 6AH,A LOOP0: MOV DPTR #7FF0H；讀取預(yù)定溫度值，送入ADC0809的IN0口地址 MOV @DPTR,A ；啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換 LOOP1 JB P3.3,LOOP1；等待轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù) MOVX A,@DPTR；讀取ADC0809的IN0口轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù) MOV 5CH,A；將預(yù)定值數(shù)據(jù)放入指定的存儲(chǔ)單元 MOV DPTR,#7FF1H；讀取采樣溫度值，送ADC0809的IN1口地址 MOVX @DPTR,A；啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換 LOOP2: JB P3.3,LOOP2；等待轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù) MOVX A,@DPTR；讀取ADC0809的IN1口轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù) MOV 49H,A ；將采樣值數(shù)據(jù)放入指定的存儲(chǔ)單元 MOV A,5CH ；計(jì)算e(i)，先取溫度給定值 CLR C SUBB A,50H ；溫度給定值-采樣值 JNC AA0；判斷e(i)的正負(fù)，如果為正，跳至AA0 CPL A；e(i)為負(fù)，下兩條指令求補(bǔ) ADD A,#01H AA0 MOV R0,57H SUBB A,57H；|e(i)|-β JNC AA1；|e(i)|>β跳至AA1 SJMP AA2；|e(i)|<β跳至AA2 AA1: LCALL PD；調(diào)用PD算法 AA2: LCALL PID；調(diào)用PID算法 MOV A,7CH；將△Ui通過(guò)DAC0832輸出 MOV DPTR,#7FF2H MOVX @DPTR,A INC DPTR MOVX @DPTR,A LCALL DELAY；調(diào)用延時(shí)子程序，等待下一次采樣計(jì)算 SJMP LOOP0；進(jìn)入下一次控制計(jì)算 DELAY PROC NEAR DL0: MOV R6,#FFH DL1: MOV R7,#FFH DL2: MOV R5,#FFH DLS: DJNZ R5,DLS DJNZ R7,DL2 DJNZ R6 DL1 RET DELAY ENDP PID PROC NEAR PID:MOV A,5CH；計(jì)算e(i)，先取溫度給定值 CLR C SUBB A,50H；溫度給定值-溫度檢測(cè)值 JNC PID1；判斷e（i）正負(fù)，如果為正，跳至PID1 CPL A；e（i）為負(fù)，下兩條指令求補(bǔ) ADD A,#01H SETB 30H；e（i）為負(fù)，符號(hào)位置1 SJMP PID2 PID1:CLR 30H；e（i）為正，符號(hào)位置0 PID2:MOV 6BH,A；e（i）值存放在6BH單位元中 MOV R1,6BH；計(jì)算ei-ei-1，先將ei值，送R1 MOV C,30H；將ei的符號(hào)位值送20H位 MOV 20H,C MOV R2,6CH；將ei-1值送R2 MOV C,31H；將 ei-1的符號(hào)位值送21H位 MOV 21H,C LCALL DJF；調(diào)用單字節(jié)帶符號(hào)的減法子程序 MOV 6EH,R3；將差值ei-ei-1送6EH單元 MOV C,22H；將差值ei-ei-1的符號(hào)位送33H位MOV 33H,C MOV R1,6CH；計(jì)算ei-1-ei-2，先將ei-1值送R1 MOV C,31H；將ei-1符號(hào)位送20H位 MOV 20H,C MOV R2,6DH；將ei-2的值送R2 MOV C,32H；將 ei-2的符號(hào)位值送21H位 MOV 21H,C LCALL DJF；調(diào)用單字節(jié)帶符號(hào)的減法子程序 MOV 6FH,R3；將差值ei-1-ei-2送6FH單元 MOV C,22H；將差值ei-1-ei-2的符號(hào)位送34H位 MOV 34H,C MOV R1,6EH ；計(jì)算（ei-ei-1）-（ei-1-ei-2），將ei-ei-1值送R1 MOV C,33H；將ei-ei-1符號(hào)位送20H位 MOV 20H,C MOV R2,6FH；將ei-1-ei-2值送R2 MOV C,34H；將ei-1-ei-2符號(hào)位送21H位 MOV 21H,C LCALL DJF；調(diào)用單字節(jié)帶符號(hào)的減法子程序 MOV 70H,R3；將差值（ei-ei-1）-（ei-1-ei-2）送70H單元 MOV C,22H；將差值（ei-ei-1）-（ei-1-ei-2）的符號(hào)位值送 35H位 MOV 35H,C MOV A,68H；計(jì)算Kp*（ei-ei-1），將Kp值送A MOV B,6EH；將ei-ei-1值送B MUL AB；兩數(shù)相乘 MOV 71H,B；Kp*（ei-ei-1）值存71H，72H單元 MOV 72H.A MOV A,69H；計(jì)算KI*ei，將KI值送A MOV B,6BH；將ei值送B MUL AB；兩數(shù)相乘 MOV 73H,B；KI*ei值存73H，74H單元 MOV 74H,A MOV A,6AH；計(jì)算KD*[（ei-ei-1）-（ei-1-ei-2）]，將KD送 A MOV B,70H；將（ei-ei-1）-（ei-1-ei-2）值送B MUL AB；兩數(shù)相乘 MOV 75H,B；KD*[（ei-ei-1）-（ei-1-ei-2）]值存75H，76H 單元 MOV 76H,A MOV R1,71H；計(jì)算Kp*（ei-ei-1）+KI*ei，將Kp*（ei-ei-1） 值送R1，R2 MOV R2,72H MOV C,33H；將Kp*（ei-ei-1）的符號(hào)位值送23H位 MOV 23H,C MOV R3,73H；將KI*ei值送R3，R4 MOV R4,74H MOV C,30H；將KI*ei值的符號(hào)位懂24H位 MOV 24H,C LCALL SJF；調(diào)用雙字節(jié)帶符號(hào)加法子程序 MOV 77H,R5；將Kp*（ei-ei-1）+KI*ei值送77H，78H MOV 78H,R6 MOV C,25H；將Kp*（ei-ei-1）+KI*ei值的符號(hào)位送36H位 MOV 36H,C MOV R1,77H；計(jì)算△Ui，將將Kp*（ei-ei-1）+KI*ei值送R1， R2 MOV R2,78H MOV C,36H；將Kp*（ei-ei-1）+KI*ei值的符號(hào)位送23H位 MOV 23H,C MOV R3,75H；將KD*[（ei-ei-1）-（ei-1-ei-2）]的值送R3，R4 MOV R4,76H MOV C,35H；將KD*[（ei-ei-1）-（ei-1-ei-2）]的符號(hào)位送23H 位 MOV 24H,C LCALL SJF；調(diào)用雙字節(jié)帶符號(hào)加法子程序 MOV 79H,R5；將△Ui值送79H，7AH MOV 7AH,R6 MOV C,25H；將△Ui值的符號(hào)位送37H MOV 37H,C MOV R1,7DH；計(jì)算Ui，將Ui-1值送R1，R2 MOV R2,7EH CLR 23H；Ui-1值的符號(hào)位值恒為0 MOV R3,79H；將△Ui值送R3，R4 MOV R4,7AH MOV C,37H；將△Ui值的符號(hào)位送24H MOV 24H,C LCALL SJF；調(diào)用雙字節(jié)帶符號(hào)加法子程序 JNB 25H,PID3；判斷計(jì)算結(jié)果是否為負(fù) MOV 7BH,#00H；如果是負(fù)數(shù)，則輸出電壓為0 MOV 7CH,#00H SJMP PID4 PID3:MOV 7BH,R5；否則，將計(jì)算得到的Ui值置7BH，7CH MOV 7CH,R6 PID4:MOV 6DH,6CH ；數(shù)據(jù)迭代，ei-1值送ei-2存儲(chǔ)單元 MOV 6CH,6BH；ei值送ei-1存儲(chǔ)單元 MOV 7DH,7BH；Ui值送Ui-1存儲(chǔ)單元 MOV 7EH,7CH RET PID ENDP PD PROC NEAR PD:MOV A,5CH；計(jì)算ei，先取溫度給定值 CLR C SUBB A,50H；溫度給定值-溫度檢測(cè)值 JNC PD1；判斷ei正負(fù)，如果為正，跳至PID1 CPL A；ei為負(fù)，下兩條指令求補(bǔ) ADD A,#01H SETB 30H；ei為負(fù)，符號(hào)位置1 SJMP PD2 PD1:CLR 30H；ei為正，符號(hào)位置0 PD2:MOV 6BH,A；ei值存放在6BH單位元中 MOV R1,6BH；計(jì)算ei-ei-1，先將ei值，送R1 MOV C,30H；將ei的符號(hào)位值送20H位 MOV 20H,C； MOV R2,6CH；將ei-1值送R2 MOV C,31H；將 ei-1的符號(hào)位值送21H位 MOV 21H,C LCALL DJF；調(diào)用單字節(jié)帶符號(hào)的減法子程序 MOV 6EH,R3；將差值ei-ei-1送6EH單元 MOV C,22H；將差值ei-ei-1的符號(hào)位送33H位 MOV 33H,C MOV R1,6CH；計(jì)算ei-1-ei-2，先將ei-1值送R1 MOV C,31H；將ei-1符號(hào)位送20H位 MOV 20H,C MOV R2,6DH；將ei-2的值送R2 MOV C,32H；將 ei-2的符號(hào)位值送21H位 MOV 21H,C LCALL DJF；調(diào)用單字節(jié)帶符號(hào)的減法子程序 MOV 6FH,R3；將差值ei-1-ei-2送6FH單元 MOV C,22H；將差值ei-1-ei-2的符號(hào)位送34H位 MOV 34H,C MOV R1,6EH ；計(jì)算（ei-ei-1）-（ei-1-ei-2），將ei-ei-1值送R1 MOV C,33H；將ei-ei-1符號(hào)位送20H位 MOV 20H,C MOV R2,6FH；將ei-1-ei-2值送R2 MOV C,34H；將ei-1-ei-2符號(hào)位送21H位 MOV 21H,C LCALL DJF；調(diào)用單字節(jié)帶符號(hào)的減法子程序 MOV 70H,R3；將差值（ei-ei-1）-（ei-1-ei-2）送70H單元 MOV C,22H；將差值（ei-ei-1）-（ei-1-ei-2）的符號(hào)位值送 35H位 MOV 35H,C MOV A,68H；計(jì)算Kp*（ei-ei-1），將Kp值送A MOV B,6EH；將ei-ei-1值送B MUL AB；兩數(shù)相乘 MOV 71H,B；Kp*（ei-ei-1）值存71H，72H單元 MOV 72H.A MOV A,6AH；計(jì)算KD*[（ei-ei-1）-（ei-1-ei-2）]，將KD送A MOV B,70H；將（ei-ei-1）-（ei-1-ei-2）值送B MUL AB；兩數(shù)相乘 MOV 75H,B；KD*[（ei-ei-1）-（ei-1-ei-2）]值存75H，76H單元 MOV 76H,A MOV R1,71H；計(jì)算Kp*（ei-ei-1）+KI*ei，將Kp*（ei-ei-1）值送 R1，R2 MOV R2,72H MOV C,33H；將Kp*（ei-ei-1）的符號(hào)位值送23H位 MOV 23H,C MOV R3,75H；將KD*[（ei-ei-1）-（ei-1-ei-2）]值送R3，R4 MOV R4,76H MOV C,35H；將KD*[（ei-ei-1）-（ei-1-ei-2）]值的符號(hào)位送 24H位 MOV 24H,C LCALL SJF；調(diào)用雙字節(jié)帶符號(hào)加法子程序 MOV 79H,R5；將△Ui值送79H，7AH MOV 7AH,R6 MOV C,25H；將△Ui值的符號(hào)位送37H MOV 37H,C MOV R1,7DH；計(jì)算Ui，將Ui-1值送R1，R2 MOV R2,7EH CLR 23H；Ui-1值的符號(hào)位值恒為0 MOV R3,79H；將△Ui值送R3，R4 MOV R4,7AH MOV C,37H；將△Ui值的符號(hào)位送24H MOV 24H,C LCALL SJF；調(diào)用雙字節(jié)帶符號(hào)加法子程序 JNB 25H,PD3；判斷計(jì)算結(jié)果是否為負(fù) MOV 7BH,#00H；如果是負(fù)數(shù)，則輸出電壓為0 MOV 7CH,#00H SJMP PID4 PD3:MOV 7BH,R5；否則，將計(jì)算得到的Ui值置7BH，7CH MOV 7CH,R6 PD4:MOV 6DH,6CH；數(shù)據(jù)迭代，ei-1值送ei-2存儲(chǔ)單元 MOV 6CH,6BH；ei值送ei-1存儲(chǔ)單元 MOV 7DH,7BH；Ui值送Ui-1存儲(chǔ)單元 MOV 7EH,7CH RET PD ENDP 附B2 仿真程序代碼 仿真程序代碼如下所示： clear all; close all; ts=2;%采樣時(shí)間2s sys=tf([1],[40,1,0]);%令sys為系統(tǒng)傳遞函數(shù) dsys=c2d(sys,ts,zoh); %將sys離散化并加零階保持器 [num,den]=tfdata(dsys,v); %求sys多項(xiàng)式模型參數(shù) kp=1; ti=50; td=10; beta=0.1; ki=kp*ts/ti; kd=kp*td/ts;%設(shè)定PID及β的值  本科生課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表 姓 名 性 別 專業(yè)、班級(jí) 課程設(shè)計(jì)題目： 課程設(shè)計(jì)答辯或質(zhì)疑記錄： 成績(jī)?cè)u(píng)定依據(jù)： 序 號(hào) 1 選題合理，目的明確（10分） 2 設(shè)計(jì)方案正確，具有可行性、創(chuàng)新性（20分） 3 設(shè)計(jì)結(jié)果（例如：硬件成果、軟件程序）（25分） 4 態(tài)度認(rèn)真、學(xué)習(xí)刻苦、遵守紀(jì)律（15分） 5 設(shè)計(jì)報(bào)告的規(guī)范化、參考文獻(xiàn)充分（不少于5篇）（10分） 6 答辯（20分） 總 分 最終評(píng)定成績(jī)（以優(yōu)、良、中、及格、不及格評(píng)定） 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日