基于STC89C52的通用数字调节器设计毕业论文.doc

题 目：基于stc89c52的通用数字 调节器设计54内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用a4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订3）其它基于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 application 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 simulated 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 request 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 operation 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 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内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）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，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、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，stc89c52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 downa时，为pd控制当=a时,为pid控制如上图所示，曲线1为采用积分分离手段后的控制曲线。比较曲线1、2可知，使用积分分离方法后，显著降低了被控变量的超调量和过渡过程时间， 使调节性能得到改善。带死区的pid算式在微型机控制系统中，某些系统为了避免控制动作过于频繁，以消除由于频繁动作所引起的振荡，有时也采用带死区的pid控制算式，如图4.7所示：图4.7 带有死区的控制过程曲线 带死区的控制算式为： 当 当 式中,k为死区增益，其数值可为：0、0.25、0.5、1等。 如上图所示，死区b是一个可调的参数。其具体数值可根据实际控制对象确定。b值太小，使调节动作过于频繁，不能达到稳定被调对象的目的。如果b 取得太大，则系统将产生很大的滞后。当b=0（或k=1）时，则为pid控制。该系统实际上是一个非线性控制系统，即当偏差的绝对值时，其控制输出为0，当时，则输出值p(k)以pid(或pi、pd）运算结果输出。 限位问题在某些自动调节系统中，为了安全生产，往往不希望调节阀“全开”或“全关”，而是有一个上限位和一个下限位。也就是说，要求调节器输出限制在一定的幅度范围内，即=p=。在具体系统中，不一定上、下限位都需要，可能只有一个下限或上限限位。例如，在加热炉控制系统中，为防止加热炉熄灭，不希望加热炉的燃料（重油、煤气或天然气）管道上的阀门完全关闭，这就需要设置一个下限限位。为此，可以在pid输出程序中进行上、下限比较，为了提高调节品质，当程序判断输出为(或)后，也可按有限偏差重新求出平p（k）值。在实际pid控制过程中，往往要考虑死区、积分分离、限幅等问题，下图4.8即为其程序流程图： 图4.8 pid算法程序流程图第五章 系统调试单片机系统的硬件调试和软件调试是不能分开的,许多硬件错误是在软件调试中被发现和纠正的。但通常是先排除明显的硬件故障以后,再和软件结合起来调试以进一步排除故障。可见硬件的调试是基础,如果硬件调试不通过,软件调试则是无从做起。当硬件设计从布线到焊接安装完成之后,就开始进入硬件调试阶段,调试大体分为以下几步。排除电源故障 在通电前，一定要检查电源电压的幅值和极性，否则很容易造成集成块损坏。加电后检查各插件上引脚的电位，一般先检查vcc与gnd之间电位，若在5v48v之间属正常。若有高压，联机仿真器调试时，将会损坏仿真器等，有时会使应用系统中的集成块发热损坏。 显示部分调试，分别用规定的电平加至控制数码管段码和位码显示的引脚上，看数码管显示是否与理论上一致。不一致，一般为led显示器接触不良所致，找出故障，然后在通过编写程序（采用“8”字循环程序）进行调试。显示结果如下图5.1所示：图5.1 跑八试验程序显示有上图可知，显示部分没有问题，接下来就可以编写应用程序了。a/d转换部分调试 a/d转换的作用是把采样的电压信号转换成单片机所需要的数字信号，单片机在对其计算输出。由此可知a/d部分是非常重要的，所以在显示没有错误的情况下，紧接着对a/d部分进行调试。根据a/d转换器的特点、工作原理以及与单片机连接的端口等问题进行c语言编程，编译、下载。采样信号可以通过电位器自给定，显示结果如下图5.2所示： 图5.2 a/d转换显示由上图可知，a/d部分硬件电路没有错误。pid算法部分调试 pid部分是整个设计中最核心的部分，调试也是最重要的部分之一，如果pid算法实现错误就无所谓控制参数了，首先根据pid算法编写程序，然后根据下面的实例来探究，如果调节器的实际输出与理论相一致，则说明pid算法没有错误。假设有一温度控制系统，温度测量范围是0600，温度采用pid控制，控制指标为4502。已知比例系数,积分时间，微分时间，采样周期。当测量值，时，计算增量输出。若，计算第n次阀位输出。解：将题中给出的参数代入有关公式计算得，由题知，给定值，将题中给出的测量值代入公式（514）计算得代入公式（5116）计算得代入公式（5119）计算得调节器显示结果如下图5.3所示：图5.3 pid输出显示d/a转换+v/i转换 这属于调节器的输出部分，由数字量转换成模拟量，最后在把模拟电压量转换成电流进行远传控制。编写程