智能调节器设计.doc

内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）智能调节器设计摘 要随着自动化程度在工业等各个领域的不断加深，自动化领域对各类仪器仪表的要求也不断的提高。早期的模拟仪表控制系统被用单片机、计算机和可编程序控制器作为控制器的集中数字控制系统逐步取代，它克服了模拟仪表控制系统的缺点，对传统的仪表提出了新的要求。本设计就是针对在单回路控制系统中的调节器，以at89c51单片机为核心，结合adc0832、dac0832、74als573、led、键盘等部件，设计了硬件原理图及软件程序，组成一个智能调节器。通过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（p）、积分（i）、微分（d）的pid运算，经ad转换后将信号送给单片机进行处理，随后将处理后的数据使用da转换器输出给执行机构，去控制执行机构的动作。以达到对温度、压力、液位、流量等变量的控制。关键词：智能调节器；at89c51；adc0832；dac0832；pid内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）the design of intelligent regulator abstractwith the degree of automation in industry and other fields have been deepened, the field of automated instrumentation for all types of requirements have been raised. the early instrument control system was gradually replaced by the concentration of digital control system which use single-chip, computers and programmable logic controller as controller . it overcomes the analog instrument control system of the shortcomings, and traditional instrument has made new demands.the design is in the single-loop control system to at89c51 single-chip microcomputer as the core, combined with adc0832, dac0832, 74als573, led, keyboard parts, design of the hardware schematic and software programs, they are composed of the intelligent regulator. by the measured values from the transmitter and compared to the value given after the deviation to the proportional (p), integral (i), differential (d) of the pid computation. after conversion by the ad to the single-chip signal processing, then the data will be processed using the da converter output to the implementing agencies, to control implementing agencys the action. it achieves to control variables such as temperature, pressure, liquid level, flow and so on.key words: intelligent regulator;at89c51;adc0832;dac0832;pid内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）目 录摘 要iabstractii第一章 引 言11.1 智能调节器介绍11.1.1 智能仪表的概述11.1.2 智能仪表的国内外发展概况21.2 智能调节器的特点41.3 智能调节器发展的推动技术51.4 本设计的主要内容7第二章 智能调节器方案设计92.1 控制仪表与控制系统92.2 pid调节器102.3 方案设计14第三章 智能调节器的硬件设计153.1 硬件电路总设计图153.2 单片机的选用153.2.1 at89c51单片机简介153.2.2 at89c51的管脚说明173.3 a/d转换器adc0832203.3.1 adc0832简介203.3.2 adc0832转换器功能介绍203.3.3 adc0832的工作原理223.4 74als573的介绍243.5 d/a转换器dac0832253.6 显示模块273.7 键盘电路28第四章 智能调节器的软件设计304.1 主程序软件设计304.2 按键扫描函数304.3 模数转换子程序324.4 显示处理函数324.5 显示子函数344.6 数模转换子程序34第五章 调试36第六章 总结37参考文献38附录a原理图40附录b源程序40附录b源程序41致谢55 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 智能调节器介绍1.1.1 智能仪表的概述随着自动化程度在工业等各个领域的不断加深，自动化领域对各类仪器仪表的要求也不断的提高。众所周知，早期的控制系统主要是模拟仪表控制系统，设备之间传输的信号为1-5v或4-20ma的直流模拟信号，信号的精度较低，传输过程中易受干扰。随着电子技术和计算机技术的发展，以单片机、计算机和可编程序控制器(plc)为控制器的集中数字控制系统逐步取代了模拟仪表控制系统，集中数字控制系统中控制器内部传输的是数字信号，克服了模拟仪表控制系统中模拟信号精度较低的缺点，提高了系统的抗干扰能力。但是数字控制系统对传统的仪表又提出了新的要求，促使新型的智能仪表逐渐在取代传统的模拟仪表。从信息的角度来看，智能就是能有效地获取、传递、处理、再生和利用信息，从而在任意给定的环境下成功地达到预定目的的能力，智能的核心是一种思维活动。研究智能技术的目的，就是要设计制造出具有高度智能水平的人工系统，以便在必要的场合能够用人工系统去代替人执行各种任务。所谓智能仪表，就是指以微型计算机(单片机或嵌入式系统)为主体，代替传统仪表的常规电子线路，具有某种智能的灵巧仪表。这种仪表的设计重点，己经从模拟和逻辑电路的设计转向专用的微机模板或微机功能部件、接口电路和输入输出通道的设计，以及应用软件的开发。传统模拟式仪表的各种功能是由单元电路实现的，而在以单片机或嵌入式系统主体的仪表中，则完全有软件完成众多的数据处理和控制任务。1.1.2 智能仪表的国内外发展概况50年代初期，仪器仪表取得了重大突破，数字技术的出现使各种数字仪器得以问世，把模拟仪器的精度、分辨力与测量速度提高了几个数量级，为实现测试自动化打下了良好的基础。60年代中期，测量技术又一次取得了进展，计算机的引入，使仪器的功能发生了质的变化，从个别电量的测量转变成测量整个系统的特征参数，从单纯的接收、显示转变为控制、分析、处理、计算与显示输出，从用单个仪器进行测量转变成用测量系统进行测量。70年代，计算机技术在仪器仪表中的进一步渗透，使电子仪器在传统的时域与频域之外，又出现了数据域(data domain)测试。80年代，由于微处理器被用到仪器中，仪器的前面板开始朝键盘化方向发展，过去直观的用于调节时基或幅度的旋转度盘，选择电压电流等量程或功能的滑动开关，通、断开关键已经消失。测量系统的主要模式，是采用机柜形式，全部通过总线送到一个控制台上。测试时，可用丰富的basic语言程序来高速测试。不同于传统独立仪器模式的个人仪器已经得到了发展。90年代，仪器仪表与测量科学取得重大的突破性进展。这个进展的主要标志是仪器仪表智能化程度的提高，突出表现为：微电子技术的进步深刻地影响仪器仪表的设计，dsp芯片的大量问世，使仪器仪表数字信号处理功能大大加强；微型机的发展，使仪器仪表具有更强的数据处理能力；图像处理功能的增加十分普遍；vxi总线得到广泛的应用。目前仪器仪表的科技发展趋势如下：（1）数字化、智能化由于微电子技术的进步，仪器仪表产品进一步与微处理器、pc技术融合，仪器仪表的数字化、智能化水平不断得到提高。以美国德州仪器公司提出的“dsp”概念为例，以dsp芯片为核心，配合先进的混合信号电路、asic电路、元件及开发工具等提供整个应用系统的解决方案。仪器仪表中采用了大量的超大规模集成(vlsi)新器件、表面贴装技术(smt)，多层线路板印刷、圆片规模集成等新工艺，cad，cam， capp、cat等计算机辅助手段，使多媒体技术、人机交互、模糊控制、人工神经元网络等新技术在现代仪器仪表中得到了广泛应用。（2）网络化当前国际上现场总线与智能仪表的发展呈现多种总线及其仪表共存发展的局面。hart， ff， profibus， lonworks， worldfip， can等总线都从应用于某一领域不断向其他领域扩展。多种智能化仪器仪表已陆续推向市场，仪器仪表正经历深刻的智能化变革。集成测试系统也走向了网络化，仪器之间通过gpib总线、vxi总线等相连。（3）微型化mems(微机电系统)是80年代中末期发达国家重点发展的领域之一，被视为21世纪广泛应用的新技术。被列为美国“对国家安全及繁荣有重大影响”的22项重大技术之一的传感器及信号处理技术，主要依托的是微型化技术。应用mems技术的微型仪器仪表被称为芯片上的仪器仪表，mems产品包括汽车加速计，压力、温度、流量传感器、微光谱仪等，已广泛应用于环境科学、航天、生物医疗、汽车工业、军事、工业控制等领域。实现仪器仪表的科技发展产品的微型化、数字化、智能化和网络化，并在性能上向高精确度、高可靠性、高环境适应性方向发展。尽管有专家预言，现场总线控制系统将成为21 世纪自动控制系统发展的主流。然而，结合目前我国的综合国情，在我国发展中、小型集散控制系统，符合中、小型企业的客观要求，能够满足这些企业工业过程控制的要求。中、小型集散控制系统能完成过程回路控制、画面显示、综合管理功能，有工程师工作站、操作员接口站，还具有若干过程控制的智能仪表，如智能调节器，可编程序控制器等。在这样的结构中，智能调节器有极其重要的作用，所以要求智能调节器有较高的可靠性，有较多的功能，应能实现各种现场物理信号(包括各种模拟量、数字量等) 的周期采集和转换处理，能做各种控制运算，能与其它伙伴调节器共同实现复杂控制。近年来，电子技术迅速发展，集成电路的集成度日趋提高，新型的元器件层出不穷，控制系统可靠性理论不断进展，一些先进的控制策略不断走向实用。综合这些因素，研制一台可靠性高、功能齐全、使用方便、可维护性强、性价比高、能适应中小型集散控制系统的智能调节器，具有一定的实际意义。1.2 智能调节器的特点从信息科学的角度来看，信息系统大致分为三个层次：数字化、自动化、智能化。含有微型计算机scm (single-chip microcomputer)或微处理器mcu(micro-control unit)的测量（或检测）仪器，被称之为智能仪器。智能仪器是电子测量仪器和计算机技术相结合的产物，实际上是一个专用计算机系统，也由硬件和软件两大部分组成。按智能仪器的智能化程度和层次分为四类：聪敏（smart）仪器，初级智能(primary-intelligent)仪器，模型化(model-based)仪器，高级智能(high-level)仪器。其中初级智能仪器除应用了电子、传感、测量技术之外，主要特点是应用了计算机及信号处理技术。这类仪器已具有了拟人的记忆、存储、运算、判断、简单决策等功能，但没有自学习、自适应功能。从使用角度看，已有自校准、自诊断、人机对话等功能。综合考虑分析本设计应归属这一类。智能调节器就是一种数字化的过程控制仪表，其外表类似于一般的盘装仪表，而其内部是由微处理器、ram、rom、模拟量与数字量i/o通道及独立的电源等基本部分组成的一个微型的计算机系统。控制方式除一般pid之外还可组成串级控制、前馈控制和按预定曲线进行程序控制等。随着计算机控制技术在工业生产中的应用，以及网络部分在各个部门特别是工业生产中的应用都对控制仪表提出了更高的要求，用智能化调节器取代模拟调节器，即调节器智能化产品的实现是工业生产发展的必然要求，是使计算机、网络技术在工业领域中的远程控制功能进一步加强的必要条件，这也是本次设计的最大意义之一，因为智能调节器的优势在于以下几点：(1)利用软件实现pid运算，取代硬件，降低成本，提高精度。(2)运算速度加快，功能增强，通过利用单片机实现调节器的智能化，使智能调节器的采样精度提高，速度加快，达到资源的充分利用。(3)多功能化，智能调节器可以实现模块化的设计思想，功能因模块的变化而多样化。(4)智能调节器具有良好的通信能力，对各总线及协议可编程实现能够进行多机通信或与上位机通信，实现被控参数的远程控制。近年来对控制理论研究的深度和广度不断增加，除了古典控制理论外，现代控制理论的应用领域也在不断扩大，特别是对一些时变系统和多变量系统，现代控制理论有其优势。然而在大量的工业生产对象中，超过95%的过程控制系统是基于pid控制回路的，因此对pid调节器的研究和应用仍具有十分重要的意义。现场总线技术的出现，对分布式控制系统的结构有着重大的影响。pid调节器是现场总线概念的重要组成部分，随着现场总线的发展，它还将标准化。随着仪表的智能化，pid调节器已逐步嵌入其中，特别是现场总线仪表，不论是变送器还是执行器，pid调节器的功能已嵌入其中。1.3 智能调节器发展的推动技术推动智能仪器发展的主要技术有：（1）传感器技术：作为现代信息技术三大核心技术之一的传感器技术，经历了聋哑传感器（dumb sensor）、智能传感器（smart sensor）、网络化传感器（networked sensor）的发展历程。（2）a/d等新器件的发展将显著增强仪器的功能与测量范围：a/d芯片是从模拟信号向数字信号转换的关键器件，是现代科学仪器不可缺少的核心部件之一。a/d器件不但在向高速方向发展，还在向低功耗、高分辨率、高性能的方向发展。随着微电子技术的发展，目前不仅可以把a/d等模拟电路与微处理器集成在一起（称为混合电路），而且还能将传感器与控制电路都集成在一块芯片上，从而实现智能仪器的多功能化。（3）单片机与dsp的广泛应用：8位/16位单片机的性能增强首先体现在指令执行速度有了很大的提升；其次，目前单片机竞相集成了大容量的片上flash存储器，集成密度高并实现了isp(在系统烧录程序)和iap(在应用烧录程序)；单片机在低电压、低功耗、低价位方面也有很大的进步；很多公司还采用了d-a混合集成技术，将a/d、d/a、锁相环以及usb、can总线接口等都集成到单片机中，大大减少了片外附加器件的数目，进一步提高了系统的可靠性。如果信号处理在通用微机上用软件来完成，则运算时间较长。随着大规模集成电路技术的发展，高速单片数字信号处理器（digital signal processor, dsp）已被广泛采用，新型dsp芯片接口功能大大加强，甚至集成了dsp与arm双核。（4）嵌入式系统与片上系统soc（system on chip）将使智能仪器的设计提升到一个新阶段：从应用的角度来看，计算机可以分成通用计算机系统和嵌入式计算机系统（简称嵌入式系统）。通用计算机系统是指日常使用的pc系统、工作站、大型计算机和服务器等。而嵌入式系统则是指把微处理器、单片机（微控制器）、dsp芯片等作为“控制与处理部件”，嵌入到应用系统中。智能仪器属于嵌入式系统，核心是计算机，以设备形式出现。（5）asic、fpga/cpld技术在智能仪器中的广泛应用：专用集成电路asic(application specific integrated circuits)可分为数字asic和模拟asic。数字asic又分为全定制（full custom）和半定制（semi custom）两种。fpga(field programmable gates array)与cpld(complex progammable logic device)都是可编程逻辑器件，它们是在pal、gal等逻辑器件的基础之上发展起来的，比较适合于时序、组合等逻辑电路应用场合。它可以替代几十甚至是上百块通用ic芯片。（6）lab view等图形化软件技术：在计算机和必要的硬件确定之后，软件就是pci仪器发展的关键，仪器应用软件主要包括开发环境与硬件接口的仪器驱动程序和用户接口程序。（7）网络与通信技术：网络时代的测试仪器和测试技术变化主要表现在两个方面：智能仪器要上网，完成数据传输、远程控制与故障诊断等功能；构件网络化测试系统，将分散的各种测试设备挂接在网络上，通过网络实现资源和信息共享、协调工作，共同完成大型复杂系统的测试任务。1.4 本设计的主要内容本设计研究的内容主要是在单回路控制系统中，以at89c51单片机为核心，结合adc0832、dac0832、74als573、led、键盘等部件，通过设计硬件原理图及编写软件程序，组成一个智能调节器。通过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（p）、积分（i）、微分（d）的pid运算，经ad转换后将信号送给单片机进行处理，随后将处理后的数据使用da转换器输出给执行机构，去控制执行机构的动作，以实现对温度、压力、液位、流量等工艺变量的自动控制。本论文的结构安排如下：第二章对智能调节器进行了总体的设计。第三章对智能调节器的硬件设计进行了研究，给出了硬件系统和各部分设计的原则和总体方案论证，介绍了硬件电路设计。第四章对智能调节器的软件设计进行了研究，包括ad转换、da转换、led的显示、键盘的各个按键功能设计。第五章对智能调节器进行调试。第六章对本次设计进行总结与展望。第二章 智能调节器方案设计2.1 控制仪表与控制系统控制仪表是实现生产过程自动化的重要工具。在自动控制系统中，检测仪表将被控变量转换成测量信号后，还需送控制仪表，以便控制生产过程的正常进行，使被控变量达到预期的要求。这里所指的控制仪表包括在自动控制系统中的控制器(调节器)、变送器、运算器、执行器等，以及新型控制仪表及装置。 本设计用到的是单回路控制系统，在所有反馈控制系统中，单回路反馈控制系统是最基本、结构最简单的一种，因此，它被称为简单控制系统。单回路控制系统虽然结构简单，却能解决生产过程中的大量控制问题。它是生产过程控制中应用最为广泛的一种控制系统，生产过程中70%以上的控制系统是单回路控制系统。单回路控制系统由四个基本环节组成，即被控对象或被控过程、测量变送装置、控制器（调节器）和控制阀。有时为了分析问题方便起见，把控制阀、被控对象和测量变送装置合在一起，成为广义对象。这样系统就归结为控制器和广义对象两部分。图2.1所示的就是最简单的单回路控制系统。图2.1 单回路控制系统 由于扰动作用使被控变量偏离给定值，从而产生偏差。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，以消除扰动对被控变量的影响，从而使被控变量回到给定值上来。被控变量是否回到给定值上，以及怎样的途径，经过多长时间回到给定值上来，即控制过程的品质如何，这不仅与对象特性有关，而且还与控制器的特性，即控制器的运算规律（或称控制规律）有关。基本运算规律有比例（p）、积分（i）、微分（d）三种，各种控制器的运算规律均由这些基本运算规律组合而成的。2.2 pid调节器按偏差的比例、积分和微分进行控制的调节器简称为pid调节器，是连续系统中技术成熟、应用最为广泛的一种调节器，也是计算机中应用最广的控制方式。pid调节器结构简单，参数易于整定，在长期应用中已经积累了丰富的经验。特别在工业控制中，由于控制对象的精确数学模型难以建立，系统的参数又常常发生变化，运用现代控制理论分析要花费很大的代价进行模型辨识，但往往得不到预期的效果，所以人们还是常常采用pid调节器，并根据经验在线整定。由于一般工业对象动态反应较缓慢，当控制周期取得足够短时，离散的控制形式便趋近于连续的控制形式。pid调节器是一种线性调节器，这种调节器是将设定值w与实际输出值y进行比较构成控制偏差e=w-y，并将其比例、积分、微分通过线性组合构成控制量，所以简称p(比例)i(积分)d(微分)调节器。在实际应用中，根据对象的特性和控制要求，也可以灵活的改变其结构，取其中一部分环节构成控制规律。例如，比例(p)调节器、比例积分(pi)调节器、比例微分(pd)调节器等。比例（p）的特点：由于p控制器的输出与输入成比例关系，只要有偏差存在，控制器的输出就会立刻与偏差成比例地变化，因此比例控制作用及时迅速，这是它的一个显著特点。但是这种控制器用在控制系统中，将会使系统出现余差。也就是说，当被控变量受干扰影响而偏离给定值后，不可能再回到原先数值上，因为如果被控变量值和给定值之间的偏差为零，控制器的输出不会发生变化，系统也就无法保持平衡。应用于干扰较小，允许有余差的系统中。积分（i）的特点：只要偏差存在，积分作用的输出就会随时间不断变化，直到偏差消除，控制器的输出才稳定下来，这就是积分作用能消除余差的原因。由于积分输出是随时间积累逐渐增大的，一般不单独使用，否则会造成控制不及时，使系统稳定裕度下降，应用于要求无余差场合。微分（d）的特点：微分作用是根据偏差变化速度进行控制的，即使偏差很小，只要出现变化趋势，就有控制作用输出，故有超前控制之称。在温度、成分等控制系统中，往往引入微分作用，以改善控制过程的动态特性，不过在偏差恒定不变时，微分作用输出为零，故微分作用不能单独使用。应用在温度、成分等滞后性大的控制系统中，以改善动态特性。pid控制器由于用途广泛，使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三个参数(kc，ki和kd)即可。理想pid控制器表达式为：由于pid控制器有kp、ti、td这三个参数可供选择，因而适用范围广，在温度和成分分析控制系统中得到更广泛的应用，具有较好的控制性能，但这并不意味着它存在于任何情况下都是最合适的，必须根据过程特性和工艺要求选择最为合适的控制规律。下列是工业生产过程常用的控制规律：液位：一般要求不高，用p或pi控制规律；流量：时间常数小，测量信息中杂有噪音，用pi或加反微分控制规律；压力：介质为液体的时间常数小，介质为气体的时间常数中等，用p或pi控制规律；温度：容量滞后较大，用pid控制规律。pid控制器具有以下特点：(1)原理简单，使用方便，pid参数可以根据过程动态特性及时调整。如果过程的动态特性发生变化，pid参数就可以重新进行调整与设定。(2)适应性强，按pid控制规律进行工作的控制器早己商品化，即使目前最新式的过程控制计算机，其基本控制功能也仍然是pid控制。pid应用范广，虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过适当简化，可以将其变基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样就可以通过pid控制了。(3)鲁棒性强，稳态无静差，控制品质对被控对象特性的变化不大敏感。由于具有这些优点，在生产过程控制中人们首先想到的总是pid控制。pid参数的整定除了需要确定kp、ti、td等参数外，还需要确定系统的采样周期t。生产过程（对象）通常有较大的惯性时间常数，而大多数情况，采样周期与对象的时间常数相比要小得多。因此，所确定采样周期t应远小于系统中其它时间常数。采样周期的选择受各种因素的影响，有些相互矛盾的必须视具体情况和系统的要求做出折中的选表2.1 常见被控变量的经验采样周期被控变量采样周期/s备注流量15优先选12s压力310优先选68s液位68-温度1520或取纯滞后时间成分1520-择。在具体选择采样周期时，可参照表2.1所示的经验数据，再通过现场实验，最后确定合适的采样周期。kp、ti、td的整定通常有两种方法，即理论设计法和实验确定法。理论设计法需要有被控对象的精确数学模型，然后采用最优化的方法确定pid的各参数。被控对象的模型可以通过物理建模或系统辨识等方法得到，但通常也只能得到近似的模型。因此，通过实验确定法来选择pid参数是行之有效的方法。实验确定法主要有试凑法和工程整定法。试凑法是通过计算机仿真或实际运行，观察系统对典型输入的响应曲线，根据各调节参数（kp、ti、td）对系统相应的影响，反复调节试凑，直到满意为止，从而确定pid参数。试凑时，实行先比例，后积分，再微分的原则反复调试。pid各参数对系统响应影响如下：（1）增大比例系数kp将加快系统的响应时间，并减少稳态误差，但过大的kp会使系统有较大的超调，产生振荡，破坏系统的稳定性。（2）增大积分时间常数ti有利于减小超调，提高系统稳定性，但系统稳态误差的消除将随之变慢。（3）增大微分时间常数td可以加快系统的响应时间，使超调量减小，增加系统稳定性，但系统抗干扰能力下降。下表为常见被控变量的pid参数经验选择范围。表2.2 常见被控变量pid参数经验选择范围变量特 点kpti/min td/min流量对象时间参数小并有噪声，故kp较小，不用微分12.50.11-温度对象为多容量系统，有较大滞后，常用微分1.653100.53压力对象为容量系统，滞后一般不大，不用微分1.43.50.43-液位在允许有静差时，不用积分、微分1.255-2.3 方案设计硬件是整个设计的基础。硬件包括输入信号转换部分，微处理部分，显示部分，键盘部分及输出信号转换部分等。在本系统中选用以at89c51单片机为控制核心，输入电压通过ad转换器，输出数字信号送入at89c51单片机进行pid运算，运算完成后一路输出结果进入74als573锁存器。通过人机界面的设计，在led上显示出来。其中键盘的三个按键功能分别为“功能选择键”、“+”、“-”。一路通过da转换芯片将转换值返回输入端。硬件设计各种功能的实现，要靠软件的配合才能完成。智能调节器的软件在程序设计时采用的是模块化设计方法，将调节器所要完成的功能分别进行编写程序并进行调试。当每一个模块都能正常运行时，将各个模块统一连接起来，构成一个完整的软件系统。第三章 智能调节器的硬件设计3.1 硬件电路总设计图硬件电路总体设计的思想是在方案设计的前提下，通过系统框图设计硬件电路图（电路图见附录）。下面是硬件系统框图。图3.1硬件系统方框图3.2 单片机的选用3.2.1 at89c51单片机简介由于mcs-51集成了几乎完善的8位中央处理单元，处理功能强，中央处理单元中集成了方便灵活的专用寄存器，硬件的加、减、乘、除法器和布尔处理机及各种逻辑运算和转移指令，这给应用提供了极大的便利。mcs-51的指令系统近乎完善，指令系统中包含了全面的数据传送指令、完善的算术和逻辑运算指令、方便的逻辑操作和控制指令、对于编程来说，是相当灵活和方便的。mcs-51单片机的工作频率为2-12mhz，当振荡频率为12mhz时，一个机器周期为1us,这个速度应该说是比较快的。mcs-51把微型计算机的主要部件都集成在一块芯片上，使得数据传送距离大大缩短，可靠性更高，运行速度更块。由于属于芯片化的微型计算机，各功能部件在芯片中的布局和结构达最优化，抗干扰能力加强，工作亦相对稳定。因此，在工业测控系统中，使用单片机是最理想的选择。单片机属于典型的嵌入式系统，所以它是低端控制系统最佳器件。mcs-51系列单片机的开发环境要求较低，软件资源十分丰富，介绍其功能特性书籍和开发软件随处可取，随着windows视窗软件的普及，现在几乎都使用windows版本，并且软件种类繁多，琳琅满目，在众多的单片机品种中，c51的环境资源是最丰富的，这给c51用户带来极大的便利。其具有以下几个显著特点：（1）抗干扰性强，工作温度范围宽。通用微机cpu一般要求在室温下工作，抗干扰能力也较低。（2）可靠性高。在工业控制中，任何差错都有可能造成极其严重的后果。（3）控制功能往往很强，数值计算能力较差。而通用微机cpu具有很强的数值运算能力，但是控制能力相对较弱，将通用微机用于工业控制时，一般需要增加一些专用的接口电路。（4）指令系统比通用微机系统简单。（5）更新换代速度比通用微处理器慢的多。微电子技术发展迅速，目前各个公司不断采用新技术，使单片机的种类、性能不断提高，应用领域不断扩大。如atmel公司的89c51芯片，片内含有4kb eprom；89c51fa芯片，片内有8kb eprom；89c51fb芯片，片内有16kb eprom。at89c51是美国atmel公司生产的低电压、高性能cmos8位单片机，片内有4kb的可反复擦写的程序存储器和256b的随机存取数据存储器，器件采用atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准mcs-51指令集和输出管脚相兼容，片内配置通用8位中央处理器和flash存储单元。由于将多功能8位cpu和闪烁存储器组合在单个芯片中，atmel的at89c51是一种高效微控制器。at89c51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。功能强大的at89c51单片机可灵活应用于各种控制领域。所以单片机的应用非常广泛，在智能仪表、机电一体化、实时控制、分布式多机系统以及人们的生活中均有用武之地。单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思路和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。这种用软件代替硬件的控制技术，是对生产控制技术的一次革命。3.2.2 at89c51的管脚说明目前，at89c51单片机在工业控制、智能仪器、家用电器等领域得到了广泛应用。本系统拟采用at89c51型单片机为控制核心，对智能调节器系统进行设计。下图为at89c51的引脚图。图3.2 at89c51引脚图at89c51是一种带4k字节闪烁可编程可擦除只读存储器（fperomflash programmable and enable read only memory），高性能cmos8位微处理器，俗称单片机。该器件采用atmel高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的mcs-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位cpu和闪烁存储器组合在单个芯片中，atmel的at89c51是一种高效微控制器。其管脚说明如下：vcc：供电电压。gnd：接地。p0口：p0口为一个8位漏级开路双向i/o口，每脚可吸收8ttl门电流。当p1口的管脚第一次写“1”时，被定义为高阻输入。p0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在fiash编程时，p0 口作为原码输入口，当fiash进行校验时，p0输出原码，此时p0外部必须被拉高。p1口：p1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向i/o口，p1口缓冲器能接收输出4ttl门电流。p1口管脚写入“1”后，被内部上拉为高，可用作输入，p1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在flash编程和校验时，p1口作为第八位地址接收。p2口：p2口为一个内部上拉电阻的8位双向i/o口，p2口缓冲器可接收，输出4个ttl门电流，当p2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，p2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。p2口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。p2口在flash编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。p3口：p3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向i/o口，可接收输出4个ttl门电流。当p3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，p3口将输出电流（ill）这是由于上拉的缘故。p3口也可作为at89c51的一些特殊功能口，如下表所示。p3口管脚 备选功能p3.0 rxd（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（定时器0外部输入）p3.5 t1（定时器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。rst：复位输入。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/prog：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在flash编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ale端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ale脉冲。如想禁止ale的输出可在sfr8eh地址上置0。此时， ale只有在执行movx，movc指令是ale才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ale禁止，置位无效。：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的信号将不出现。/vpp：当保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000h-ffffh），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，将内部锁定为reset；当端保持高电平时，此间内部程序存储器。在flash编程期间，此引脚也用于施加12v编程电源（vpp）。xtal1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。xtal2：来自反向振荡器的输出。3.3 a/d转换器adc08323.3.1 adc0832简介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，兼容性强，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前已经有很高的普及率。adc083x是市面上常见的串行模一数转换器件系列。adc0831，adc0832，adc0834，adc0838是具有多路转换开关的8位串行i/o模一数转换器，转换速度较高(转换时间32us)，单电源供电，功耗低(15mw )，适用于各种便携式智能仪表。3.3.2 adc0832转换器功能介绍adc0832是8脚双列直插式双通道a/d转换器，能分别对两路模拟信号实现模一数转换，可以用在单端输入方式和差分方式下工作。adc0832采用串行通信方式，通过di数据输入端进行通道选择、数据采集及数据传送。8位的分辨率(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0-5v之间。具有双数据输出，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，使得器件挂接和处理器控制变的更加方便。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32us； 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+70，工业级芯片温宽为-40+85。 图3.3 adc0832引脚图芯片接口说明（图3.3）： 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 电位（地）。di 数据信号输入，选择通道控制。do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）。adc0832工作时，模拟通道的选择及单端输入和差分输入的选择，都取决于输入时序的配置位。当差分输入时，要分配输入通道的极性，两个输入通道的任何一个通道都可作为正极或负极。adc0832的配置位逻辑表如表3.1所列。表3.1 adc0832的配置位逻辑表输入方式配置位选择通道号ch0ch1ch0ch1差分ll+-lh-+单端hl+hh+表中“+”表示输入通道的端点为正极性；“-”表示输入端点为负极性；h或l表示高、低电平。输入配置位时，高位（ch0）在前，低位（ch1）在后。3.3.3 adc0832的工作原理adc0832 与单片机的接口电路：图3.4 adc0832与单片机的接口电路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，具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，使得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使用并与单片机的接口是双向的，所以在i/o口资源紧张时可以将do和di并联在一根数据线上使用。当adc0832未工作时其cs输入端应为高电平，此时芯片禁用，clk和do/di的电平可任意。当要进行a/d转换时，须先将cs使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟(clk)输人端输入时钟脉冲，do/di端则使用di端输入通道功能选择的数据信号。在第一个时钟脉冲的下降沿之前di端必须是高电平，表示启始信号。在第二、三个脉冲下降沿之前di端应输入两位数据用于选择通道功能。到第3 个脉冲的下降沿之后di端的输入电平就失去输入作用，此后do/di 端则开始利用数据输出do进行转换数据的读取。从第4个脉冲下降沿开始由do 端输出转换数据最高位data7，随后每一个脉冲下降沿do端输出下一位数据。直到第11个脉冲时发出最低位数据data0，一个字节的数据输出完成。也正是从此位开始输出下一个相反字节的数据，即从第11个字节的下降沿输出datd0。随后输出8位数据，到第19 个脉冲时数据输出完成，也标志着一次a/d转换的结束。最后将cs置高电平禁用芯片，直接将转换后的数据进行处理就可以了。更详细的时序说明请见图3.5。作为单通道模拟信号输入时adc0832的输入电压是0-5v，且8位分辨率时的电压精度为19.53mv。如果作为由in+与in-输入的输入时，可以将电压值设定在某一个较大的范围之内，从而提高转换的宽度。但值得注意的是，在进行in+与in-的输入时，如果in-的电压大于in+的电压，则转换后的数据结果始终为00h。图3.5 adc0832时序说明3.4 74als573的介绍1、真值表表3.2 真值表dnleoeqnhhlhlhllxllqoxxhz这个就是真值表，表示这个芯片在输入和其它的情况下的输出情况。2、高阻态就是输出既不是高电平，也不是低电平，而是高阻抗的状态；在这种状态下，可以多个芯片并联输出。本设计就是利用这个特点进行设计的。3、数据锁存当输入的数据消失时，在芯片的输出端，数据仍然保持。4、管脚说明oe：输出使能。le：数据锁存使能。dn：第n路输入数据。qn：第n路输出数据。vcc：供电电压。gnd：接地。图3.6 74als5733.5 d/a转换器dac0832dac0832是采用cmos工艺制成的单片直流输出型8位数/模转换器，如图3.7所示。管脚说明如下：d0d7：数字信号输入端。ile：输入寄存器允许，高电平有效。cs：片选信号，低电平有效。wr1：写信号1，低电平有效。xfer：传送控制信号，低电平有效。wr2：写信号2，低电平有效。iout1、iout2：dac电流输出端。rfb：是集成在片内的外接运放的反馈电阻。vref：基准电压（-1010v）。vcc：源电压（+5+15v）。agnd：模拟地。dgnd：数字地，可与agnd接在一起使用。dac0832输出的是电流，一般要求输出是电压，所以还必须经过一个外接的运算放大器转换成电压。图3.7 dac0832的引脚图3.6 显示模块在微型计算机控制系统中，常用的显示方法有两种：一种为动态显示，一种为静态显示。动态显示，就是微型计算机定时地对显示器件进行扫描。在这种方法中，显示器件分时工作，每次只能有一个器件显示。但由于人的视觉有暂留现象，所以只要扫描频率足够快，仍会感觉所有的器件都在显示。此种显示的优点是使用硬件少，因而价格低，线路简单。但它占用机时长，只要微型计算机不执行显示程序，就立刻停止显示。由此可见，这种显示将使计算机的开销增大，所以，在以微型计算机为主的控制系统中应用较少。静态显示，是由微型计算机一次输出显示模型后，就能保持该显示结果，直到下次发送新的显示模型为止。这种显示占用机时少，显示可靠，