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郑州航空工业管理学院 毕 业 论 文（设 计） 2012 届 电气工程及其自动化 专业 0806072 班级 题 目 基于单片机的时间通断 pid 控制的设计 姓 名 学号 指导教师 职称 副教授 二 年 月 日 内内 容容 摘摘 要要 在控制系统中，采用比例、积分、微分控制方式控制，称之为 pid 控制。数字 pid 控制器原理简单，使用方便，适应性强，可用于多 种工业控制，特别是不依赖对象的精确模型，对系统参数的变化具有较 好的鲁棒性，可以解决在工业过程中精确建模的困难。目前在实际的工 业过程控制中，虽然可以应用很多先进的智能控制算法，但是 pid (比 例-积分-微分)控制器始终是主导的且非常重要的广泛使用的控制方法。 本篇论文介绍了 stc89c51 单片机的体系结构，开发基于单片机 的时间通断 pid 控制的设计，包括硬件设计和软件设计，本篇论文主要 侧重于硬件设计。本次设计的控制电路是控制 led 通电的时间长短，可 用于多种控制系统中，如温度控制等，单片机套件模块作为核心器件配 以适当的外围电路和 pid 算法实现控制作用。即本设计是提供 pid 控制 算法实现的平台。 关键词关键词 单片机；pid 控制；led；键盘；硬件设计 the design of pid control of time on and off based on single-chip liang yan wei abstract in the control system,controling by the control mode of proportional, integral and derivative,we call the control way is pid control. digital pid controller is simple in principle, easy to use and adaptability, it can be used in a variety of industrial control. especially it is independent on an accurate model of the object,and it is robust to changes in system parameters,it can solve the difficulties of accurate modeling of industrial processes. although many of the advanced intelligent control algorithm can be applied in the actual industrial process control present,but the pid controller (proportional - integral - derivative) is always the dominant and a very important and widely used control method. this paper introduces the system structure of the scm stc89c51, develop the design of the pid control of time on and off based on microcontroller, it consists of hardware and software design, this thesis is mainly focused on hardware design. the control circuit is used for control the length of time to the led power this time, it can be used in a variety of control systems, such as control the temperature, etc. the module of single- chip package as the core of the device accompanied by the appropriate external circuit and the pid algorithm make the control action come ture. the design is to provide the platform of the pid control algorithm. keyword single-chip; pid control; led; keyboard; hardware design 目 录 前言1 第一章 绪论2 1.1 概述2 1.2 pid 控制技术的发展与现状 .3 1.2.1 pid 控制技术的发展 3 1.2.2 pid 控制技术的现状4 1.3 系统总体设计方案5 1.3.1 系统性能要求及特点5 1.3.2 系统硬件方案分析6 1.3.3 系统软件方案分析6 1.4 本文主要工作及章节安排7 1.4.1 本文主要工作7 1.4.2 章节安排7 第二章 硬件设计8 2.1 系统硬件总体结构8 2.2 主控模块器件选型及设计8 2.2.1 单片机的选用8 2.2.2 单片机介绍9 2.2.3 主控模块设计11 2.3 电源电路设计12 2.4 输入通道设计12 2.4.1 adc0809 介绍 .12 2.4.2 adc0809 的工作过程 .15 2.5 输出通道设计17 2.6 人机界面设计17 2.6.1 led 显示器及其接口18 2.6.2 键盘及其接口20 2.7 硬件抗干扰措施22 2.8 本章小结22 第三章 系统调试23 第四章 总结与心得24 参考文献26 附录27 - 0 - 前前 言言 单片机是微型计算机的一种，自问世以来，人们对它进行了不断地 升级和完善，由最初的 4 位机发展到如今的 32 位机，呈现出以 8 位单 片机为主流，16 位、32 位单片机共同发展的欣欣向荣的景象。随着技 术的发展，单片机片内集成的功能越来越强大，并朝着 soc（片上系统） 方向发展。单片机有着集成度高、体积小、功耗低、功能强、速度快、 性价比高等优点，易于推广应用。单片机作为控制系统中必不可少的部 分，在各个领域得到了广泛的应用，用单片机进行实时系统数据处理和 控制保证系统工作在最佳状态，提高系统的控制精度，有利于提高系 统的工作效率。 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。在工业控制中，按偏差的比例 p、积分 i 和微分 d 进行控制的 pid 调节器现在得到广泛的应用。它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、 调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不 能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采 用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时 应用 pid 控制技术最为方便。pid 控制器的参数整定是控制系统设计的 核心内容。它是根据被控过程的特性确定 pid 控制器的比例系数、积分 时间和微分时间的大小嵌入式系统。它具有原理简单，易于实现，适用 面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点，pid 控制器是 一种最优控制。 本系统利用 80c51 单片机作为系统的控制器采用单片机编程实现 pid 算法进行控制。系统由硬件和软件组成，本论文介绍了硬件的设计 过程，它以单片机为核心器件，+5 电压通过 a/d 转换变为数字信号， 输入到单片机经过处理，控制发光二极管亮灭。人机界面由 8 位拨码开 关和 led 数码管构成，拨码开关用来设定 kp、ki、kd 的值，led 用来 显示此值。 - 1 - 第一章第一章 绪绪 论论 1.11.1 概述概述 单片机是为了实现控制功能而设计的一种微型计算机。由于单片机 是在一块芯片上集成了一台微型计算机所需的 cpu、存储器、输入/输 出部件和时钟电路等，因此，它具有体积小、使用灵活、成本低、易 于产品化、抗干扰能力强，可在恶劣环境下可靠工作等特点。单片机 系统的被控对象种类繁多，其应用也十分广泛，如工业控制领域、智 能仪表与智能传感器、家用电器领域、办公自动化领域、计算机网络 和通信领域等。 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。pid 控制器的特点是结构简单，适应性强，特别是不依赖对象的精 确模型，对系统参数的变化具有较好的鲁棒性，可以解决在工业过程 中精确建模的困难。pid 控制及其控制器或智能 pid 控制器已经很多， 产品已在工程实际中得到了广泛的应用，各大公司均开发了具有 pid 参数自整定功能的智能调节器，其中 pid 控制器参数的自动调整是通 过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。采用这种方法实现的控 制器，其控制品质的好坏主要取决于三个 pid 参数(比例值、积分值、 微分值)。只要 pid 参数选取的正确，对于一个确定的受控系统来说， 其控制精度是比较令人满意的。但是，它的不足也恰恰在于此，当对 象特性一旦发生改变，三个控制参数也必须相应地跟着改变，否则其 控制品质就难以得到保证。 本次设计的单片机时间通断 pid 控制是以 89c51 为核心器件，采用 pid 算法，以控制 led 通电的时间长短来间接控制其他物理量，如温度、 水位等物理量，可设置不同的 kp、ki、kd 的值来达到不同的控制目的。 因此，本次的设计可用于多种控制系统中，本次设计的整个系统包括 硬件设计和软件设计，而我负责的是硬件方面的设计，所以本篇论文 是基于硬件方面的。 - 2 - 1.21.2 pidpid 控制技术的发展与现状控制技术的发展与现状 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、 微分控制，简称 pid 控制又称 pid 调节。pid 控制是历史最久、生 命力最强的基本控制方式，在科学技术特别是电子计算机迅速发展的 今天，涌现出许多新的控制方法，但 pid 由于它自身的优点，仍然是 得到最广泛应用的基本控制规律。pid 控制具有以下优点：原理简单， 使用方便；适用性强，可广泛应用于各种工业生产部门，按 pid 控制 规律进行工作的控制器早已商品化，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；鲁棒性强，即其控制品质对 被控制对象特性的变化不太敏感。pid 控制规律以其明显的优越性而成 为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握， 或得不到精确的数学模型，控制理论的其他技术也难以采用，系统控 制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定时，应用 pid 控制 技术最为方便。 pid 控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控 过程的特性确定 pid 控制器的比例系数、积分时间和微分时问的大小。 pid 控制器参数整定的方法概括起来有两大类：一是理论计算整定法。 它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种 方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调 整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系 统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。 1.2.11.2.1 pidpid 控制技术的发展控制技术的发展 比例积分微分（pid）控制器是在工业过程控制中最常见的一 种控制调节器，它广泛应用于化工、冶金、机械、热工和轻工等工业 过程控制系统中。pid 有几个重要的功能：提供反馈控制；通过积分作 用可以消除稳态误差；通过微分作用预测将来。pid 控制器特别适用于 过程的动态性能是良性的而且控制性能要求不太高的情况。pid 控制是 分布式控制系统的一个重要组成部分，它也包含在许多特殊目的的控 - 3 - 制系统中。在工业过程控制中，95以上的控制回路具有 pid 结构， 而大多数回路实际上都是 pi 控制。pid 控制器的许多有用的特性由于 被认为是 商业秘密而没有被广泛传播，典型的例子如模式切换和防止积分 饱和等技术。 pid 控制器在技术上已经经历了从气动到由电子管、晶体管和集成 电路组成的微处理器。微处理器对 pid 控制器具有非常深刻的影响。 目前制造的所有 pid 控制器几乎都是基于微处理器的，这就给自整定、 自适应和增益调度等附加特性提供了条件。自整定的意思是控制器的 参数可以根据操作员的需要或一个外部信号的要求自动进行参数整定。 实际上目前所有最新的 pid 控制器都具有一定的自整定功能，整定方 法却千差万别。现场总线的出现是另外一个重要的发展，这将对分布 式控制系统的结构产生深刻的影响。pid 控制器是现场总线观念的重要 组成部分，它也可能会随着现场总线的发展被标准化。 pid 控制器问世至今已有近 70 年历史，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。古典 控制理论主要是以传递函数为工具和基础，以频域法和根轨迹法为核 心，研究单输入、单输出一类控制系统的分析和设计问题。现代控制 理论从理论上解决了系统的能控性、能观性、稳定性，以及许多复杂 系统的控制问题。但是，随着现代科学技术的迅速发展，生产系统的 规模越来越大，形成了复杂大系统，导致了控制对象、控制器及控制 任务和目的日益复杂化，从而导致现代控制理论的成果很少在实际中 得到应用。 第三代控制理论，即智能控制理论是人工智能和自动控制交叉的 产物，是当今自动控制科学的出路之一。 “智能控制”概念是美国普度 大学电气工程系的美籍华人傅京孙教授于 1970 年提出的。智能控制是 指驱动智能及其自动地实现其目标的过程。也就是说，智能控制是一 类无需人的直接干预就能独立地驱动智能及其实现其目标的自动控制。 智能控制的基础是人工智能、控制论、运筹学和信息论等学科的交叉。 - 4 - 1.2.21.2.2 pidpid 控制技术的现状控制技术的现状 目前大批的仪表与过程工程师们都熟悉 pid 控制，而且已经建立了 一套很好的安装、整定和使用 pid 控制器的方法。尽管这样，发展 pid 控制仍然有很大的潜力，这是因为许多控制器在实际中都处在手动状 态，而那些处在自动状态的控制器由于微分作用不好调整往往把 微分环节去掉。pid 控制器在实际中性能欠佳的主要原因一是阀门和传 感器的设备问题，另外就是较差的整定实践。提高控制回路的性能， 不仅需要 pid 控制的知识，而且需要过程方面的知识。 自从计算机进入控制领域以来，用数字计算机模拟计算机调节器 组成计算机控制系统，不仅可以用软件实现 pid 控制算法，而且可以 利用计算机的逻辑功能，使得 pid 控制更加灵活。当前控制领域所面 临的一个严峻挑战，是要在不精确知道被控对象模型前提下，设计出 快速、准确的自适应控制算法，以满足对象特性在较大范围内变化时 的控制要求。 1.3 系统总体设计方案系统总体设计方案 本论文所讨论的基于单片机的时间通断 pid 控制系统是以 89c51 为控制的核心器件，配以必需的外围电路加上 pid 控制算法构成，其 目的是对 led 的通电时间长短进行控制，来达到控制其他物理量的目 的。所以本系统是提供一个学习 pid 控制算法的实验平台。下面讨论 系统的总体设计方案，包括：系统的性能要求及特点以及系统的软、 硬件方案分析。 1.3.1 系统性能要求及特点系统性能要求及特点 (l)系统性能要求：系统性能要求： 可以人为方便地通过电路板上的按钮设定 kp、ki、kd 的值，来控制 1 led 通电的时间。通过设定不同的 kp、ki、kd 的值，来实现 pid 控 制算法的实现； 设定 kp、ki、kd 的值能通过电路板上的数字显示器实时的显示出来； 2 - 5 - 模块化设计，安装拆卸简单，维修方便； 3 系统可靠性高，不易出故障； 4 (2)系统特点：系统特点： 鉴于上述系统功能要求以及智能仪器应具有的体积小、成本低、功 能强、抗干扰并尽可能达到更高精度的要求。本系统在硬件设计方面 具 有如下特点：控制主板采用 stc89c51 作为核心芯片，根据控制 物理量的具体要求，调整输入量和 kp、ki、kd 的值达到控制目的。 1.3.2 系统硬件方案分析系统硬件方案分析 目前，各种控制系统的硬件电路一般采用模拟控制电路和单片机 控制电路两种形式。 模拟控制电路的各控制环节一般由运算放大器、电压比较器、模 拟集成电路以及电容、电阻等外围元器件组成。它的最大优点是系统 响应速度快，能实现对系统的实时控制。在本系统中，对实时性要求 不是很高，所以模拟电路的优势得不到体现。 单片机是大规模集成电路技术发展的产物，属于第四代电子计算 机。它是把中央处理单元 cpu、随机存取存储器 ram、只读存储器 rom、定时/计数器以及 i/o 输入输出接口电路等主要计算机部件都集 成在一块集成电路芯片上的微型计算机，它的特点是：功能强大、运 算速度快、体积小巧、价格低廉、稳定可靠、应用广泛。由此可见， 采用单片机设计控制系统，不仅可以降低开发成本，精简系统结构， 而且控制算法由软件实现，还可以提高系统的兼容性和可移植性。 目前，市面上的单片机不仅种类繁多，而且在性能方面也各有所 长，世界上各大芯片制造厂商都推出了自己的单片机，从 8 位、16 位 到 32 位，数不胜数，各具特色，为单片机应用提供了广阔的天地。 stc89c51 单片机是 atmel 公司出品的与 mcs-51 系列兼容的低电压、 高性能 cmos 8 位微控制器。本系统选择 stc89c51 为核心器件组成 控制系统。 - 6 - 1.3.3 系统软件方案分析系统软件方案分析 目前，单片机系统软件的开发主要用到两种语言:汇编语言和 c 语 言。单片机汇编语言是以单片机指令系统为基础面向机器的语言，用 汇编语言编写程序的主要优点是程序设计人员可以直接对存储器、cpu 内部寄存器和输入/输出端口编程，程序效率高，执行速度快。 由于整个系统软件比较复杂，为了便于编写、调试、修改和增删， 系统程序的编制适合采用模块化的程序结构，故要求整个控制系统软 件由许多独立的小模块组成，它们之间通过软件接口连接，遵循模块 内数 据关系紧凑，模块间数据关系松散的原则，将各功能模块组织成 模块化的软件结构。 在控制算法方面，结合本系统的要求采用了经典的 pid 控制算法， 这主要是由于 pid 控制相对来说算法简单、鲁棒性好和可靠性高。 1.4 本文主要工作及章节安排本文主要工作及章节安排 1.4.1 本文主要工作本文主要工作 (l) 通过复习数字电路技术基础 ， 自动控制理论 ， 单片机原理与 应用技术等书中相关内容，掌握单片机时间通断 pid 控制电路的组 成及其功能的实现； (2) 通过所查找的文献复习 51 单片机相关知识和其应用的电路，完成 系统的硬件设计，包括采样电路、a/d 转换电路、主控制电路等等的设 计； (3) 根据流程图初步编写各功能模块的程序，完成该系统的软件设计， 包括主程序模块、控制运算模块、数据输入输出及处理模块等一些子 功能模块的设计，然后对各子程序模块进行整合； (4) 查阅相关资料，充分了解 pid 算法控制器的基本知识，研究该系统 的控制策略，建立 pid 控制算法，然后完成 pid 控制器与单片机系统 的结合； (5) 最后完成对电路板的设计和实物焊接，完成系统的软、硬件调试工 作。 - 7 - 1.4.2 章节安排章节安排 本论文由以下几部分组成： 第一章 绪论 主要介绍本文的背景知识及系统的总体设计方案，以及 本文所完成的主要工作； 第二章 硬件设计 主要介绍系统各部分的硬件组成和特点，包括信号 输入输出电路、单片机系统等等； 第三章 系统调试 主要介绍了硬件调试 第四章 总结与心得 全文工作的总结和展望。 第二章第二章 硬件设计硬件设计 2.1 系统硬件总体结构系统硬件总体结构 本文所设计的单片机时间通断 pid 控制系统硬件部分按功能大致 可以分为以下几个部分：单片机主控模块、输入模块、输出模块、显 示模块等。硬件总体结构框图如图 21 所示。由结构框图可见，控制 系统以 stc89c51 单片机为核心，并扩展外部存储器构成主控模块。 一方面系统的输入由 5v 电源提供，即将被控制量及其反馈量转化为电 压量，再通过 16 位的 a/d 转换器 adc0809 转换成数字量，输入到单 片机内。另一方面将被控制量与反馈量进行比较，根据其偏差值的大 小，采用 pid 控制算法进行运算，最后通过控制 led 通电时间的长短， 进而达到对被控制量进行控制的目的。例如，当系统用于控制温度时， 可将加热装置代替 led。所以本硬件是提供 pid 控制算法实现的平台。 - 8 - 图 21 硬件总体结构框图 2.2 主控模块器件选型及设计主控模块器件选型及设计 2.2.1 单片机的选用单片机的选用 对于明确的应用对象，选择功能过少的单片机，无法完成控制任务； 选择功能过强的单片机，则会造成资源浪费，使产品的性能价格比下 降。目前，市面上的单片机不仅种类繁多，而且在性能方面也各有不 同。在 实际应用中，针对不同的需求要选择合适的单片机，选择单片机 时要注意下几点： (1)单片机的基本性能参数； (2)单片机的增强功能； (3)单片机的存储介质； (4)芯片的封装形式； (5)芯片工作温度范围符合工业级、军品级还是商业级； (6)单片机的工作电压范围； (7)单片机的抗干扰性能好； (8)编程器以及仿真器的价格，单片机开发是否支持高级语言以及 编程环境要好用易学； (9)供货渠道是否畅通，价格是否低廉，是否具有良好的技术服务 支持。 - 9 - 根据上面所述的原则，结合本系统实际情况综合考虑，本文讨论 的控制系统选用 atmel 公司生产的 stc89c51 单片机作为主控模块的 核心芯片。 2.2.2 单片机介绍单片机介绍 stc89c51 单片机是一款基于 8 位单片机处理芯片 stc89c52rc 的系统。其功能强大，可以实现单片机开发的多种要求，学习、开发 者可以根据需要选配多种常用模块，达到实验及教学的目的。89c51 单 片机具有报警，跑马灯、串行通信（max232）、段码液晶 （msm0801lcd）和字符液晶显示(lcd1602)、电机控制(l298)、a/d 转换(tlc2543)、d/a 转换(tlc5615)、温度采集(ds18b20)、数字信号 合成(ad9851)、实时时钟电路(ds1302)、420ma 输出、pwm 输出 （uc3842）、红外检测（ksm-603lm）控制等十七种功能，供学习者 学习开发使用。功能强大的 stc89c51 单片机可提供许多较复杂系统 控制应用场合，stc89c51 的主要特点有： (1)增强型 1t 流水线/ 精简指令集结构 8051 cpu ； (2) 内部程序存储器为电擦除可编程只读存储器 eeprom，容量 8kb，内部数据存储器容量 512 字节，最大寻址空间 64kb； (3)工作频率范围：0 -35 mhz，相当于普通 8051 的 0420mhz.实 际工作频率可达 48mhz； (4) stc89c51 有 40 个引脚，二个 16 位定时/计数器； (5) 内部 rom 中开辟了四个通用工作寄存器区，共 32 个通用寄存 器，以适应多种中断或子程序嵌套的情况； (6)eeprom 功能和看门狗； (7)内部集成 max810 专用复位电路（外部晶体 20m 以下时，可 省外部复位电路； (8)时钟源：外部高精度晶体/ 时钟，内部 r/c 振荡器。用户在下 载用户程序时，可选择是使用内部 r/c 振荡器还是外部晶体/ 时钟。 常温下内部 r/c 振荡器频率为：5.2mhz 6.8mhz。精度要求不高时， 可选择使用内部时钟，因为有温漂，请选 4mhz 8mhz； (9)外部中断 2 路,下降沿中断或低电平触发中断,power down 模式 - 10 - 可由外部中断低电平触发中断方式唤醒； (10)pwm( 4 路）/ p c a（可编程计数器阵列），也可用来再实现 4 个定时器或 4 个外部中断(上升沿中断/ 下降沿中断均可支持)； stc89c51 单片机的引脚如图 22 所示。 图 22 stc89c51 引脚图 2.2.3 主控模块设计主控模块设计 主控模块电路由 stc89c51 单片机、外部时钟电路、复位电路组成。 单片机的复位是由外部复位电路来实现的。在单片机的复位引脚 rst(9 脚)上保持两个机器周期的高电平就能使 stc89c51 完全复位。 本次设计的复位电路是手动复位电路，它是上电复位与手动复位相结 合的方案。手动复位时，按下复位按钮，电容通过电阻迅速放电，是 rst 端迅速变为高电平，复位按钮松开后，电容通过 r 和内部下拉电 阻放电，逐渐使 rst 端恢复为低电平。 系统时钟电路设计采用内部方式，stc89c51 内部有一个用于构成 振荡器的高增益反相放大器，引脚 xtal1(19 脚)和 xtal2(18 脚)分别 是此放大器的输入端和输出端，这个放大器与作为反馈元件的片外晶 - 11 - 体谐振器一起构成一个自激振荡器，外接晶体谐振器以及电容构成并 联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。本系统电路采用的晶体振荡 器频率为 11.0592mhz。 复位电路和时钟电路如图 23 所示。 图 23 复位电路和时钟电路 2.3 电源电路设计电源电路设计 系统所用直流电源由三端集成稳压器组成的串联型直流稳压电源 提供。设计中选用了 l78l05abz 三端集成稳压器，来提供+5v 直流电 压。电源电路如图 24 所示。 - 12 - 图 24 输出+5v 直流电源 2.4 输入通道设计输入通道设计 本系统输入通道的作用是将不同的电压量输入到单片机内，由于 此时的电压量还是单片机所不能识别的模拟量，所以还需要进行 a/d 转换，即将模拟的电量转化成与之对应的数字量，提供给单片机判断 和控制。所以输入通道由电位器和 a/d 转换电路组成，电位器用来调 节电压的大小，a/d 转换电路进行模数转变。 2.4.1 adc0809 介绍介绍 在单片机控制系统中，控制或测量对象的有关变量，往往是一些 连续变化的模拟量，如温度、压力、流量、位移、速度等物理量。但 是大多数单片机本身只能识别和处理数字量，因此必须经过模拟量到 数字量的转换(a/d 转换)，才能够实现单片机对被控对象的识别和处理。 完成 a/d 转换的器件即为 a/d 转换器。 a/d 转换器的主要性能参数有： (1)分辨率：分辨率表示 a/d 转换器对输入信号的分辨能力。a/d 转换器的分辨率以输出二进制数的位数表示； (2)转换时间：转换时间指 a/d 转换器从转换控制信号到来开始， 到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间； - 13 - (3)转换误差：转换误差表示 a/d 转换器实际输出的数字量和理论 上的输出数字量之间的差别，常用最低有效位的倍数表示； (4)线性度：线性度指实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏 移。 a/d 转换在控制系统中是非常重要的一个环节。综合考虑，本系统 选用 ti 公司生产的 8 位 ad 转换芯片 adc0809 作为本单片机控制系 统的 a/d 转换器。 adc0809 是 cmos 工艺 8 通道，8 位逐次逼近式 a/d 模数转换器。 其内部有一个 8 通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号， 只选通 8 路模拟输入信号中的一个进行 a/d 转换。是目前国内应用最 广泛的 8 位通用 a/d 芯片。 adc0809 是 cmos 单片型逐次逼近式 a/d 转换器，内部结构如图 2.5 所示，它由 8 路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8 位开关 树型 a/d 转换器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成。 图 25 adc0809 内部结构图 adc0809 芯片有 28 条引脚，采用双列直插式封装，如图 2.6 所示。 下面说明各引脚功能。 - 14 - 图 26 adc0809 引脚图 各引脚的功能如下： （1）in0in7：8 个通道的模拟量输入端。可输入 05v 待转换 的模拟电压。 （2）d0d7：8 位转换结果输出端。三态输出，d7 是最高位， d0 是最低位。 （3）a、b、c：通道选择端。当 cba=000 时，in0 输入；当 cba=111 时，in7 输入。 （4）ale：地址锁存信号输入端。该信号在上升沿处把 a、b、c 的状态锁存到内部的多路开关的地址锁存器中，从而选通 8 路模拟信号中的某一路。 （5）start：启动转换信号输入端。从 start 端输入一个正脉 冲，其下降沿启动 adc0809 开始转换。脉冲宽度应不小于 100200ns。 （6）eoc：转换结束信号输出端。启动 a/d 转换时它自动变为低 电平。 （7）oe：输出允许端。 （8）clk：时钟输入端。adc0809 的典型时钟频率为 640khz， 转换时间约为 100s。 （9）ref(-)、ref(+)：参考电压输入端。adc0809 的参考电压为 5v。 （10）vcc、gnd：供电电源端。adc0809 使用5v 单一电源 - 15 - 供电。 当 ale 为高电平时，通道地址输入到地址锁存器中，下降沿将地 址锁存，并译码。在 start 上升沿时，所有的内部寄存器清零，在下 降沿时，开始进行 a/d 转换，此期间 start 应保持低电平。在 start 下降沿后 10us 左右，转换结束信号变为低电平，eoc 为低电 平时，表示正在转换，为高电平时，表示转换结束。oe 为低电平时， d0d7 为高阻状态，oe 为高电平时，允许转换结果输出。 2.4.2 adc0809 的工作过程的工作过程 首先输入 3 位地址，并使 ale=1，将地址存入地址锁存器中。此 地址经译码选通 8 路模拟输入之一到比较器。 start 上升沿将逐次 逼近寄存器复位。下降沿启动 a/d 转换，之后 eoc 输出信号变低， 指示转换正在进行。直到 a/d 转换完成，eoc 变为高电平，指示 a/d 转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。 当 oe 输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到 数据总线上。 转换数据的传送 a/d 转换后得到的数据应及时传送给单片机进 行处理。数据传送的关键问题是如何确认a/d 转换的完成，因为只 有确认完成后，才能进行传送。为此可采用下述三种方式。 （1）定时传送方式 对于一种 a/d 转换器来说，转换时间作为一项技术指标是已知 的和固定的。例如 adc0809 转换时间为 128s，相当于 6mhz 的 mcs-51 单片机共 64 个机器周期。可据此设计一个延时子程序， a/d 转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了， 接着就可进行数据传送。 （2）查询方式 a/d 转换芯片由表明转换完成的状态信号，例如adc0809 的 eoc 端。因此可以用查询方式，测试 eoc 的状态，即可确认转换是 否完成，并接着进行数据传送。 （3）中断方式 - 16 - 把表明转换完成的状态信号（ eoc）作为中断请求信号，以中断 方式进行数据传送。 不管使用上述哪种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令 进行数据传送。首先送出口地址并以信号有效时， oe 信号即有效， 把转换数据送上数据总线，供单片机接受。 当 adc0809 用于输入通道电路时，还需两个 74ls74 接到 clk 管脚，因为 adc0809 的时钟需要 10-610khz，而单片机的引脚中正 好有一个 ale(低位地址锁存有效信号），这个引脚自动在每个机器 周期发一个脉冲（当然个别指令有丢脉冲情况但可忽略不计）这个引 脚输出 fosc/12(如果单片机主频为 12mhz,则输出 1.2mhz)。如果用 别的引脚则必须编程，而且不一定有这么标准，而74ls74 构成一 个二分频电路，这样到达 adc0809 的 clk 为 600khz,正好满足要求。 总的输入通道电路如图 2.7 所示： - 17 - 图 27 输入通道电路图 2.5 输出通道设计输出通道设计 传统电气设备采用的各种控制信号，必须转换到与单片机输入/输 出口相匹配的数字信号。用户设备须输入到单片机的各种控制信号， 如限位开关，操作按钮、选择开关、行程开关以及其他一些传感器输 出的开关量等，通过输入电路转换成单片机能够接收和处理的信号。 输出电路则应将单片机送出的弱电控制信号转换、放大到现场需要的 强输出信号，以驱动功率管、电磁阀和继电器、接触器、电动机等被 控制设备的执行元件，能方便实际控制系统使用。 单片机输出端口受驱动能力的限制，一般情况下均需专用的接口 芯片。其输出虽因控制对象的不同而千差万别，但一般情况下均满足 对输出电压、电流、开关频率、波形上升下降速率和隔离抗干扰的要 求。在此讨论几种典型的单片机输出端到功率端的电路实现方法。 在本系统中，单片机的双向 i/o 口输出一个微弱的电流，能够驱动 led 二极管，所以在 led 前面加一个上拉电阻即可。输出通道如图 2.8 所示。 图 28 输出通道电路图 2.6 人机界面设计人机界面设计 在单片机控制系统中，通常都有大量的人机对话活动。操作人员 一方面要能通过输入设备将人要求送出的信息传送给机器或系统，另 一方面要能通过输出设备将机器或系统的信息呈现给人，这就是人机 界面所实现的功能。 - 18 - 人机界面设备主要分为输入设备和输出设备，输入设备通常是指 各种开关、键盘、操作杆，以及声音、图像和文字等新型输入设备； 输出设备通常包括各种显示器、报警器、打印机，以及新型的图像输 出、语音合成等输出设备。 2.6.1 led 显示器及其接口显示器及其接口 在单片机应用系统和智能化仪器仪表中广泛使用各种显示器来显 示数据、文字或者图形画面，其中最常用的显示器是 led（发光二极管 数字显示器） ，因为它具有驱动电路简单、配置灵活方便、功耗低、响 应速度快、可靠性高及易于实现且价格低廉等优点，已获得越来越广 泛的应用。 此外，较常用的还有阴极射线管显示器 crt 和背投大屏幕显示器 等。crt 显示器具有现实直观、显示内容广泛的特点，不仅可以显示数 据、汉字、表格，而且还可以显示图形画面。背投大屏幕显示器显示 清晰、视觉范围宽，主要用于车站、码头和大型生产现场的显示。 led 显示是由若干个发光二极管组成的，当发光二极管导通时，相 应的一个点或一个笔画发光，控制不同组合的二极管导通，就能显示 出各种字符。在单片机应用系统中通常使用的是 7 段 led。通常的 7 段 led 显示器有 8 个发光二级管，其中 7 个发光二极管构成 7 段字形 “8” ，一个发光二极管构成小数点，这种显示器有共阴极和共阳极两 种。共阴极 led 显示器的发光二级管阴极接地，当某个发光二极管的 阳极为高电平时，即逻辑“1”是，发光二极管点亮。共阳极 led 显示 器的发光二极管阳极共+5v，当某个发光二极管的阴极为低电平时，即 逻辑为“0”时，发光二极管点亮。 在单片机应用系统中，显示器显示常用两种方法：静态显示和动 态扫描显示。当显示器位数较少时，适合采用静态显示的方法。当位 数较多时，用静态显示所需的 i/o 太多，一般采用动态显示的方法。所 谓静态显示，就是每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的 i/o 接 口用于笔划段字形显示。这样单片机只要把要显示的字形代码发送到 接口电路，就不用管它了，直到要显示新的数据时，再发送新的字形 码，因此，使用这种方法单片机中 cpu 的开销小，较小的电流能得到 - 19 - 较高的亮度且字符不闪烁。所谓动态显示就是一位一位地轮流点亮显 示器各个位（扫描） ，对于显示器的每一位来说，每隔一段时间点亮一 次。利用人的视觉暂留功能可以看到整个显示，但必需保证扫描速度 足够快，字符才不闪烁。显示器的亮度既与导通电流有关，也与点亮 时间和间隔时间的比例有关。调整电流和时间参数，可实现亮度较高 较稳定的显示。若显示器的位数不大于 8 位，控制显示器的各位所显 示的字形需一个 8 位口，称为段数据口，显示器的哪一个 led 显示还 需要一个位选择控制，称为位控口。 综合考虑，本次设计的系统采用静态显示的方法。如图 2.9 所示， 单片机串行口方式置为移位寄存器方式，外接 3 片 74ls164 作为 3 位 led 显示器的静态显示接口。74ls164 为 ttl 单向 8 位移位寄存器， 可实现串行输入，并行输出。其中 a、b（第 1、2 脚）为串行数据输 入端，2 个引脚按逻辑与运算规律输入信号，共一个输入信号时可并接。 t（第 8 脚）为时钟输入端，可连接到串行口的 txd 端。每一个时钟 信号的上升沿加到 t 端时，移位寄存器移一位，8 个时钟脉冲过后，8 位二进制数全部移入 74ls164 中。r（第 9 脚）为复位端，当 r=0 时， 移位寄存器各位复 0，只有当 r=1 时，时钟脉冲才起作用。 q0q7（第 3-6 和 10-13 引脚）并行输出端分别接 led 显示器的 hg- a 各段对应的引脚上。 - 20 - 图 29 led 显示接口 2.6.2 键盘及其接口键盘及其接口 键盘是由若干个按簇组成的开关矩阵，它是最简单的单片机输入 设备，操作员通过键盘输入数据或命令，实现简单的人机通信。键盘 系统的主要工作包括及时发现有键闭合，并作相应的处理，键盘上闭 合键的识别有专用硬件实现和软件实现的两种。 键盘通常使用机械触点式按键开关，其主要功能是把机械上的通 断转换成为电气上的逻辑关系。也就是说，它能提供标准的 ttl 逻辑 电平，以便与通用数字系统的逻辑电平相容。键是一种常用的按钮开 关，平时键的两个触点处于断开状态，按下键时，他们被短接。键盘 中的键通常以矩阵的形式排列在各行线和列线的交叉点，键的两个触 点分别接在该键所在位置的行线和列线上。如果依次向列线发出低电 平，同时检测行线上的电平，则可以判断是哪个键被按下。机械式按 键在按下或释放时，由于机械弹性作用的影响，通常伴随有一定时间 的触点机械抖动，然后其触点才稳定下来。其抖动过程如下图所示， 抖动时间的长短与开关的机械特性有关，一般为 5 10 ms。 - 21 - 对键盘的响应取决于键盘的工作方式，键盘的工作方式应根据实 际应用系统中单片机的工作情况而定，其选取的原则是既要保证单片 机能及时响应按键操作，又不要过多占用其工作时间。通常，键盘的 工作方式有三种，即编程扫描、定时扫描和中断扫描。 （1）编程扫描方式：是利用 单片机完成其它工作的空余时间， 调用键盘扫描子程序来响应键盘输入的要求。在执行键功能程序时， 单片机不再响应键输入要求，直到单片机重新扫描键盘为止。 （2）定时扫描方式：是每隔一段时间对键盘扫描一次，它利用单 片机内部的定时器产生一定时间(例如 10ms)的定时，当定时时间到就 产生定时器溢出中断，cpu 响应中断后对键盘进行扫描，并在有键按 下时识别出该键，再执行该键的功能程序。 （3）中断扫描方式：采用上述两种键盘扫描方式时，无论是否按 键，单片机都要定时扫描键盘，而单片机应用系统工作时，并非经常 需要键盘输入，因此，单片机经常处于空扫描状态，为提高 cpu 工作 效率，可采用中断扫描工作方式。其工作过程如下：当无键按下时， cpu 处理自己的工作，当有键按下时产生中断请求，cpu 转去执行键 盘扫描子程序，并识别键号。 通常键盘的行、列线分别连接到按键开关的两端，列线接到单片 机的输入端，行线通过上拉电阻接到5v 上。当无键按下时，行线处 于高电平状态；当有键按下时，行、列线将导通，此时，行线电平将 由与此行线相连的列线电平决定，这是识别按键是否按下的关键。然 而，键盘中的行线、列线和多个键相连，各按键按下与否均影响该键 所在行线和列线的电平，各按键间将相互影响，因此，必须将行线、 列线信号配合起来作适当处理，才能确定闭合键的位置。 本设计中用 8 位拨码开关代替了键盘，使得输入更为简便，还多 加了一个不带自锁的按键开关，当需要通过拨码开关向单片机内输入 时，就按下此开关。系统键盘接口电路如图 2.10 所示。 - 22 - 图 210 键盘接口电路 2.7 硬件抗干扰措施硬件抗干扰措施 硬件抗干扰是应用系统最基本和最主要的抗干扰手段，一般从防 和抗两方面入手来抑制干扰。其总的原则是：抑制或消除干扰源，切 断干扰对系统的藕合通道，降低系统对干扰信号的敏感性。硬件抗干 扰设计具体措施有：隔离、接地、滤波等常用方法。 (l)隔离主要用于过程通道的隔离。光电祸合器能有效地抑制尖峰 脉冲及各种噪声干扰，提高信噪比。在输入、输出通道采用光电藕合 器将控制系统与外围接口隔离； (2)接地接地应遵循的基本原则是：数字地、模拟地、屏蔽地应该 合理接地，不能混用。要尽可能地使接地电路各自形成回路，减少电 路与地线之间的电流祸合。模拟电源和数字电源各自并接 0.1uf 的陶瓷 电容(去藕电容)； - 23 - (3)滤波电源系统干扰源主要是高次谐波。无源滤波器是一个简单 的、有效的低通滤波器，它只让电网中基波通过，而对高次谐波有急 剧的衰减作用，对串模干扰和共模干扰信号具有很强的双向抑制作用。 本系统的抗干扰措施采取第二种方法，即用了 7 个瓷片电容。 2.8 本章小结本章小结 本章主要介绍了单片机时间通断 pid 控制系统的硬件电路主要模 块的设计。在介绍了单片机的基础上设计了系统采用+5v 电压通过电 位器的调整作为输入信号，这是系统的模拟电路部分，然后通过 a/d 转换芯片 adc0809 把电压信号转换成了数字信号送入到单片机中，通 过微控制器，实现对 led 二极管通电时间的控制。最后系统可通过键 盘开关设置不同的 kp、ki、kd 的值，模拟 pid 控制算法的实现，设定 的值可通过 led 数码显示管显示出来。 第三章第三章 系统调试系统调试 在单片机开发过程中，从硬件设计到软件设计几乎是开发者针对 本系统特点亲自完成的。这样虽然可以降低系统成本，提高系统的适 应性，但是每个系统的调试占去了总开发时间的 23，可见调试的工 作量比较大。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，软件设计则是无从做起。 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。 （1）硬件静态的调试 - 24 - 排除逻辑故障：这类