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本科学生毕业设计 基于继电器反馈的自整定PID调节器设计黑 龙 江 工 程 学 院 二一二年六月 The Graduation Design for Bachelors DegreeDesign of Self-tuning PID Regulator Based on Relay FeedbackHeilongjiang Institute of Technology2012-06Harbin 黑龙江工程学院本科生毕业设计摘要PID控制是目前过程工业应用最普遍的控制方法之一。但是简单PID控制不能很好地适应对象系统特性变化时的最佳控制要求，而人工调整参数在控制精度和调整频度上均不可能满足时时变化的对象系统的控制要求。目前己有的多种具有PID参数自整定功能的智能调节器大多整定复杂并对实际控制过程有影响。鉴于PID控制方法目前仍有广泛应用，PID参数自整定调节器的设计将具有很好的应用价值和市场空间。本设计针对应用现状，提出并实现了一种基于继电器反馈，具有自整定功能的PID调节器的设计。本设计首先对数字PID控制进行了简单介绍，对目前PID自整定现状进行了综述，然后研究了基于继电器极限环法的PID自整定原理和设计方法，并进行了Matlab仿真。设计重点是在理论研究基础上利用STC单片机实现了继电器反馈自整定调节器的设计，并给出了硬件电路和软件程序。关键词：PID控制；继电器反馈；自整定；STC单片机；调节器ABSTRACTPID control is one of the control methods which are widely used in process industry at present. However, the simple PID control can not meet the optimal control requirements when the object system changes its characteristics, while manually adjusting PID parameters can not meet the control accuracy and adjusting frequency. There are a variety of PID controllers with self-tuning function at present, but the tuning methods of them are usually complicated and have bad influence on the actual control. In consideration of PID control method is still widely used at present, Design of self-tuning PID regulator will have good application value and market space. Based on the current application situation, this design puts forward and realizes the design of a kind of PID controller with parameters self-tuning function based on relay feedback.This design first simply introduces digital PID control and summarizes the current research on PID self-tuning methods, then study the principle and design methods of PID parameters self-tuning based on relay limit cycle method. Furthermore,this design carries out simulation experiments using matlab. Based on the study of theory, this design realizes a PID self-tuning controller using an STC single-chip microcomputer and shows the details of hardware circuit and software program.Key words: PID control; relay feedback; Self-tuning; STC MCU; RegulatorII目录摘要IAbstractII第1章 引言11.1 选题的背景11.2 选题的目的和意义11.3 PID参数自整定研究的现状21.4 设计的主要内容2第2章 自整定PID控制及仿真42.1 PID控制的原理42.1.1 PID控制原理概述42.1.2 PID控制算法的数字实现52.2 继电器自整定PID方法82.2.1 PID参数整定概述82.2.2 继电器反馈自整定PID算法92.4 整定仿真112.5 本章小结18第3章 系统的硬件设计193.1 系统设计思想193.2 微处理器STC12C5A60S2简介203.3显示接口电路的设计213.3.1 74HC573简介213.3.2 74HC573在本设计中的应用233.3.3 指示电路设计233.4 键盘输入电路设计243.5 通讯接口电路设计253.6 电源电路的设计253.7 报警电路的设计263.8 存储器模块设计263.8.1 AT24C02功能介绍263.8.2 AT24C02串行E2PROM的读写273.9 继电器驱动电路设计293.10 系统的抗干扰措施303.11 本章小结31第4章 硬件调试324.1 硬件调试原理324.2 本设计系统的硬件调试344.3 本章小结36第5章 系统的软件设计375.1 主程序设计375.2 信号采集子程序设计375.3 经典PID控制程序设计385.4 继电器反馈自整定程序设计405.5调节器按键操作程序设计415.5 本章小结43结束语44参考文献45致谢47附录48第1章 引言1.1 选题的背景在工业应用中，PID控制由于其简单易用及良好的控制效果而成为历史最久、生命力最强的基本控制方式之一。该方法只需要通过有规律地整定比例，积分，微分作用三个参数便可以实现对被控对象的优化控制，具有控制策略简单，鲁棒性好，可靠性高等特点，被广泛应用于工业过程控制系统中。虽然PID控制从问世至今已经经历了近百年的历史，调查研究表明应用该方法或其较小的变形形式的调节器及其改进型是在工业过程控制中最常见的控制器，充分说明PID控制仍具有很强的生命力。然而生产现场往往存在许多不确定性，使被控对象具有严重的非线性和时变性等特点，若单纯采用常规PID控制方法在一定的时间之内还可能取得比较好的控制效果，但在噪声和负载扰动等因素的影响下往往控制效果变差。具有自整定功能的PID控制器的出现，缩短了控制系统进入正常工作状态的时间，并以其对对象系统的自适应能力获得了广泛的重视和应用。PID自整定方法由于其算法简单，容易实现，并且逻辑性强等优点，而被广泛应用至今。该方法可通过建立被控对象的数学模型采取多种方法进行参数自整定。另外，继电器反馈自整定方法不要求对象精确的数学模型并能够实现在线调整，是近年来智能控制方面发展比较迅速的一个研究方向1。1.2 选题的目的和意义PID控制是目前过程工业应用最普遍的控制方法之一。但是简单PID控制不能很好地适应对象系统特性变化时的最佳控制要求，而人工调整参数在控制精度和调整频度上均不可能满足时时变化的对象系统的控制要求。目前己有的多种具有PID参数自整定功能的智能调节器大多整定复杂并对实际控制过程有影响。鉴于PID控制方法目前仍有广泛应用， PID参数自整定设计将具有很好的应用价值。同时，工业装置在运行过程中，过程对象的动态特性会发生或大或小的变化，实现PID参数的自整定，还可以在过程特性发生变化以后使控制器参数随之作相应的变化，即可使PID控制器具有一定的自适应控制能力。现代控制理论所提出的自校正控制的目标也在于此，二者有许多的共同之处。因此，研究PID自整定问题还具有相当的学术意义。本设计针对应用现状，提出并实现了一种基于高性能单片机的具有自整定功能的PID调节器的设计继电器反馈自整定PID调节器。继电器反馈自整定PID调节器可以应用在简单过程控制系统、复杂过程控制系统，能完成自动整定PID初始参数、自动在线优化PID参数，保证系统在优化的情况下工作。调节器具有节省人工、优化运行、配置简单等特点，使控制系统的投运、调试、运行简便、高效。最终成果可在工业控制系统中应用。1.3 PID参数自整定研究的现状自从有了PID控制，回路整定就是控制领域一直关注的问题。常规PID参数自整定方法可以分为两大类：规则法和辨识法。基于规则的参数自整定方法无需获得被控过程的模型，整定的规则类似于有经验的操作者的手动整定。基于规则的参数自整定方法最著名的是1942年由Ziegler和Nichols提出的临界比例度法，这种方法不依赖于对象的数学模型，至今还在工业控制中普遍应用。之后出现了为衰减振荡法，避免了临界稳定问题。另外还有Astrom和Hagglund提出的基于临界信息利用相幅裕度整定参数，以及在临界比例度原理上，结合ISTE（时间和误差平方乘积积分）准则，给出的参数整定公式等。规则法的整定效果仍然取决于开发者对控制回路参数整定的经验。基于辨识法的PID参数自整定，被控对象的特性通过对其数学模型的分析来得到，在对象数学模型的基础上用基于模型的一类整定法计算PID参数。为解决被控对象模型获取问题，Kalman首先将系统辨识的方法引入了控制领域。获得对象的模型以后可以有多种方法进行PID参数整定，如Z-N经验公式法，Cohen-Coon法，Haalman法，CHR法等。现在则往往借助于计算机，利用最优化方法或线性二次型指标等，寻找在某一条件下的控制器参数最优值，如二次型目标函数Hocke-Jeeve模式搜索法等。近年来，智能控制方法和常规PID控制相结合，形成所谓的智能PID控制。它简化了建模程序，并且具有自适应和自学习的能力，显著地提高了常规PID控制系统的控制品质引起了国内外学者的广泛关注，已经成为当前控制领域的研究热点之一。其中以模糊数学、神经网络为代表的智能控制理论己成为解决PID控制难题的新方法，利用智能方法在PID参数自整定研究方面，许多学者都提出了各自的观点，例如新加坡国立大学的何世中、C.C.Hang等人，提出一种基于规则的模糊PI控制方法，胡建元等人在1993年提出了基于神经元的PID学习控制器，李春香等人提出了一种基于神经网络的具有自适应能力和自调整比例因子功能的PID控制器，李卓，萧德云等人在19%提出了一种基于神经网络的模糊自适应PID控制方法23。总之，PID参数自整定虽然取得了很多重要成果，但是许多自整定技术和算法仍有待于进一步研究和改进。本设计将重点关注规则自整定方法在PID参数自整定中的应用，完成继电器反馈自整定调节器的设计。1.4 设计的主要内容本设计主要是利用继电反馈引起的极限振荡周期来确定系统的临界增益和振荡周期，然后采用ZN整定法来确定PID而到达控制要求，其中主要包括硬件设计、软件编程和被控对象控制调试三个部分。（1）在硬件电路的设计方面，控制系统的电路主要包括单片机控制电路、键盘输入电路、显示电路、报警电路、电源电路、通讯电路。在设计中需要对这些模块进行分别的设置和整体的调试。（2）在软件设计方面，完成各个程序模块的流程图，并且编写相应的程序代码，主要包括控制端主控程序、信号采集处理程序、按键操作程序、数码管显示程序、报警程序，主机跟从机的通讯程序。（3）被控对象调试方面，调节器完成与被控对象的通讯然后将数据进行分析和处理后进行在线调试和验证的可行性。通过硬件和软件的结合，完成调节器的硬件设计及软件程序编写和matlab下的仿真，满足试验运行要求，进而完成继电器反馈自整定PID调节器的设计。本设计的结构如下：第1章为引言，自整定PID控制的背景及其意义、PID参数自整定研究的现状、发展前景、设计的主要内容。第2章为自整定PID控制原理和计算机中的PID算法以及在MATLAB下的仿真。第3章为系统的硬件设计，结合总体方案完成单片机控制电路、键盘输入电路、显示电路、报警电路、电源电路的设计。第4章为硬件调试。根据设计功能分别对各模块电路及整体硬件电路进行调试。第5章为软件的设计，根据总体方案的要求完成主控程序、子程序的设计调试。第2章 自整定PID控制及仿真2.1 PID控制的原理2.1.1 PID控制原理概述在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制。常规PID控制系统原理框图如图2.1所示。图2.1 PID控制系统原理框图系统由模拟控制器和被控对象组成。PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)和实际输出值y(t)构成控制偏差： （2.1）并将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)运算通过线性组合构成控制量U(t)，对被控对象进行控制，故称为PID控制器。其控制规律为： （2.2）或写成传递函数的形式： （2.3）简单来说，PID控制器各校正环节的作用如下：1、比例环节及时成比例地反映控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。2、积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数TI，TI越大，积分作用越弱，反之则越强。3、微分环节能反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间45。2.1.2 PID控制算法的数字实现在数字控制系统中，PID控制器是通过计算机PID控制算法程序实现的。连续的时间信号，必须经过离散化后，变成数字量，才能用计算机进行数据处理与存储。在数字计算机中，计算和处理积分和微分时，只能用数值计算去逼近。因此在数字计算机中PID控制规律的实现也必须用数值逼近的方法，用求和代替积分，用差商代替微商，使PID算法离散化，将描述连续时间PID算法的微分方程，变为描述离散时间PID算法的差分方程。 （2.4）式中是控制量的基值，即稳态时PID控制器的输出值；是第采样时刻的控制，KP为比例放大系数：KI为积分放大系数，KD为微分放大系数，；为采样周期。该表达式称为位置式PID控制算法。由位置式PID控制算法推导出。 （2.5）其中， （2.6） （2.7） （2.8）公式（2.6）称为增量式PID控制算法，从该表达式已经看出P、I、D作用的直接关系，只表示了各次误差量对控制作用的影响。从式（2.6）看出，数字增量式PID算法，只要贮存最近的三个误差采样值e(k)、e(k-1)、e(k-2)即可当执行机构需要的是控制量的绝对值，而不是控制量的增量时，该算法可以起到很好的控制效果。在调节系统中，PID控制算法的表达式为： （2.9）2.9式中，u(t)为调节器的输出信号；e(t)为偏差信号，它等于给定量与输出量之差；为比例系数；为积分时间常数；为微分时间常数。其控制框图如图2.2。图2.2 PID控制简化示意图由于计算机系统是一种采样控制系统，它根据采样时刻的偏差值计算控制量。因此，必须对其离散化，用离散的差分方程来代替连续系统的微分方程。连续的时间离散化为：（K=0，1，2n） （2.10）积分用累加和近似得： （2.11）微分用一阶向后差分近似得： （2.12）式中，为采样周期；e(k)为系统第次采样时刻的偏差值；e(k-1)为系统第k-1次采样时刻的偏差值；k为采样信号，k=0，1，2。将公式（2.12）和公式（2.13）代入公式（2.10），则可得离散的PID表达式。 （2.13）如果采样周期取的足够小，该式可以很好地逼近模拟PID算式，因而使被控过程与连续控制过程十分接近。由于式表示的控制算法提供了执行机构的位置u(t)，即其输出值与阀门开度的位置一一对应，所以通常把式（2.14）称为位置式PID的控制算法。该式中，令 （2.14） （2.15）可变为： （2.16）取给定值、反馈值形式偏差取、作乘法取、作乘法作减作加作输出数据传送：送数据传送：送、送取、作乘法开始结束图2.3 位置式PID控制算法程序框图此即为离散化的位置式PID控制算法的编程表达式。当进行控制时，、可以先分别求出并放在指定的内存单元中，则可实现公式（2.14）。由公式（2.14）可以看出，每次输出与过去所有状态有关，计算复杂，浪费内存。故要做如下变动： （2.17）以上两公式相减并整理得： （2.18）式中， （2.19） （2.20） （2.21）公式（2.19）就是PID位置式的递推形式，是编程的常用的形式之一 67。2.2 继电器自整定PID方法2.2.1 PID参数整定概述PID控制器是最早出现也是目前使用最多的控制策略之一，因为其结构简单，各个控制器参数有明显的物理意义，调整方便，所以其参数整定方法很多，发展也很快。随着控制理论的发展，出现了各种分支，如专家系统、模糊逻辑、神经网络、灰色系统理论等，它们和传统的PID控制策略相结合，又派生出各种新型PID类控制器一智能PID控制器，产生了新的PID参数整定方法。因此，这种智能PID控制器及其参数整定方法是目前乃至今后研究的重点。PID控制器参数整定是指在控制器形式己经确定的情况下(P、PI和PID)，针对一定的控制对象调整控制器参数(KP，TI，TD)，从而达到控制要求。PID参数整定方法大致可分为四大类：第一类是基于过程参数辩识的整定方法，即参数自适应PID控制器整定方法；第二类是基于被控过程的某些特征参数的整定方法，又称非参数自适应PID控制器整定方法；第三类是基于最优PID控制器设计参数整定方法；第四类是基于控制器本身偏差和偏差变化率的智能PID控制器参数整定方法8。第一种方法需要通过某种辩识算法获得对象数学模型，然后根据其模型参数进行PID控制器参数整定。此方法在得到对象精确数学模型后，可采用解析方法确定PID控制器参数，而且控制效果很好。但在工业系统中，对象工作过程一般比较复杂，通过辩识方法得到对象的精确数学模型，不仅过程繁琐，而且相当困难。由于这种方法在实际中的应用受到局限，因而不被人们青睐。第二种方法是基于被控过程的某些特征参数的整定方法。其设计思路是对于那些难以通过辩识方法建立精确数学模型的复杂过程，通过实验方法测得其阶跃响应、频率响应等开环输出特性，从中找到反映对象特性的特征参数，然后根据其特征参数进行PID参数整定。这种方法在实际中被广为利用。第三种方法是基于最优PID控制器设计的参数整定方法。在不同准则下，提出PID控制器最优整定的算法，在这方面，Zhuang和Atherton提出了最优准则的一般形式为： （2.22）其中为进入PID控制器的误差信号，而向量为PID控制器参数构成的集合。n可取三种值，n = 0，1，2，它们分别对应于误差平方积分(ISE)准则、时间加权的误差平方积分(ISTE)准则与时间平方加权的误差平方积分(IST2E)准则。第四种方法是基于控制器本身偏差及其变化率的智能PID控制器参数整定方法。它是在常规PID控制策略中融入智能控制，能模拟人脑的思维，根据专家和操作者的经验对PID参数进行在线自整定，即根据偏差和偏差变化率的大小，经过推理计算出PID参数KP，TI，TD的取值，从而获得最佳控制策略。PID参数的整定过程可以是离线进行也可以是在线进行。离线整定过程是通过实验方法测出系统的特征参数，然后根据这些参数设计一个合适的PID控制器，最后再将此控制器应用到原系统的控制中。当系统的参数发生变化时，则要再重复这一过程。在线整定即自整定的基本思想，是系统中设置两种模态：自整定模态和调节模态。自整定模态在线测定系统特征参数，并算出PID参数；调节模态由PID控制器对系统动态性能进行调节，如果系统发生变化，则重新进入自整定模态进行整定，整定完成后再回到调节模态进行控制910。2.2.2 继电器反馈自整定PID算法PID控制器参数整定有很多种方法,比较常用的有Ziegler-Nichols设定方法，ISTE最优设定方法，临界灵敏度法等，这些整定方法，只需要测出系统的一阶模型或者得出了系统的临界比例增益Kc和振荡周期Tc就可以容易的计算出PID参数。继电自整定PID参数的基本思路是，在控制系统中设置两种模式：自整定模式和调节模式。在自整定模式下，由继电器闭环的极限环法来整定系统的临界比例增益和振荡频率，而在调节模式下，由PID参数整定方法整定出PID参数值，然后对控制对象进行控制调节，如果控制系统发生变化，则需要重新进行自整定。继电型PID自整定控制的结构如图2.4所示：图2.4 继电反馈自整定结构图用描述函数方法来确定系统的增益Kc和振荡频率，图2.5为系统的继电非线性环节特性。图2.5 继电非线性环节特性由描述函数理论可知，图2.5中给出的带有回环的继电非线性环节特性的描述函数可以表达为 （2.23）式中 A正弦波幅值 d回环幅值 回环宽度的一半这时系统的闭环特性方程发生振荡的条件可以写成即 （2.24）只考虑以一种简单的情况，假设继电非线性环节不带有回环，即若=0，则描述函数可以简化为 参数控制器KPTITDP0.5KcPI0.4Kc0.8TcPID0.6Kc0.5Tc0.12Tc （2.25）表2.1 Ziegler-Nichols整定公式注：KP=0.6Kc；KI=KP/TI；KD=KPTD。这时可求出系统的振荡频率c与增益Kc ， （2.26）当已知系统的临界比例增益和振荡周期时，可以用经验整定公式来确定PID参数值，表2.1给出了根据Ziegler-Nichols整定公式。继电自整定方法简单，可靠，需要预先设定的参数就是继电器特性的参数11。2.4 整定仿真利用MATLAB软件环境可以实现计算机仿真，MATLAB语言是一种更为抽象的高级计算机语言，既有与C语言等同的一面，又更为接近人的抽象思维。便于学习和编程。同时它具有很好的开放性，用户可以根据自己的需求，利用MATLAB提供的基本工具，灵活的编制和开发自己的程序，开创新的应用。Simulink是MATLAB环境下的数字仿真工具，是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的集成环境。它支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统仿真，也支持具有多种速率的多速率系统仿真。Simulink提供了用鼠标“画”出系统框图的方式，可以进行图形建模。与传统的仿真软件包用微分方程或差分方程建模相比，它具有直观、方便、灵活的优点。Simulink还提供了封装和模块化工具，尤其适用于复杂、多层次、高非线性的系统仿真。它简化了设计过程，减轻了设计负担。提高了仿真的集成化和可视化程度。在MATLAB工作空间中键入命令Simulink模块库1213。由于单容水箱一般都属于一阶对象和带纯滞后的一阶对象，被控对象的传递函数可表示为： （2.27）式中：为被控对象的放大系数；为被控对象的时间常数；为纯滞后时间。取；。MATLAB仿真过程如下：图2.5 仿真模型图图2.6 Relay regulor子系统图2.7 PID控制器子系统图2.8 被控对象子系统表2.2为封装变量表：表2.2 封装变量说明序号变量名称说明1h给定继电器幅值2sample time设置采样时间3mode设置PID控制器模式验证：1、在被控对象参数不同下，系统均能整定出参数（1）设置被控对象参数如下：图2.9 参数设置图图2.10 仿真模型输出图（2）再次设置被控对象模型为：图2.11 参数设置图仿真模型输出为：图2.12仿真模型输出图（3）设置被控对象模型为：图2.13 参数设置图模型输出为：图2.14 仿真模型输出图由仿真结果可以知，在不同的被控对象参数下，系统均能整定出参数，达到控制要求。2、在整定完成后加阶跃信号，测试系统性能模型：图2.15测试系统性能模型Plant Lag Time设置如下：图2.16 Plant Lag Time设置图仿真时间设置为400，Relay regulor设置比例控制器时：图2.17 Relay regulor设置比例控制器图获得的仿真结果为：图2.18 仿真结果图设置为比例积分控制器时：图2.19 Plant Lag Time设置积分控制器图图2.20 仿真结果图设置为比例积分微分控制器为：图2.21 Relay regulor设置积分微分控制器图图2.22 仿真结果图由仿真结果可以得，在整定完成后加阶跃信号，系统均能在最优的时间内进行控制最后达到稳定。并且不同的控制器模式控制效果不同，其中PID控制模式的控制效果最好，P控制模式下控制效果不理想。2.5 本章小结本章主要介绍PID的调节原理和算法及参数整定方法，并应用MATLAB仿真软件确定PID参数。18第3章 系统的硬件设计3.1 系统设计思想现代的调节器正趋于智能化，结构简单但功能强大使用方便的调节器是发展的趋势。因此调节器的设计应朝着通用型、智能型、良好的人机界面的方向发展。通常情况下，控制方案采用先进的、经济的，能长期使用的电路系统，保证控制的可靠性和节能原则为总体设计目标，力求按下述原则设计：1、先进性原则设计方案能够体现当前控制器的控制水平，力求较目前的同类产品有明显的优势和特点。2、经济性原则能够在保证控制各项功能的基础上，使用较低廉的控制元件，实现产品的低成本目标。3、耐久性原则设计方案应能够达到控制器正常使用，保证电路的可长期使用原则。4、可靠性原则设计成品可以进行稳定的读取控制信号并传输控制，无漏读、错读、重复读取等问题14。本设计的硬件框图如图3.1所示。图3.1 调节器硬件电路框图3.2 微处理器STC12C5A60S2简介本设计中单片机主要完成数据的运算和显示的任务，考虑到实用性和成本的问题，本设计选用STC公司的单片机STC12C5A60S2。功能特性描述如下：STC12系列单片机是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换(250K/S，即25万次/秒)，针对电机控制，强干扰场合。（1）增强型8051CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统的8051。（2）工作电压：3.5v-5.5v。（3）工作频率范围：035MHz，相当于普通的8051的0420MHz。（4）片上集成1280字节的RAM。（5）通用I/O口，（36/40/44）复位后为：准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口），每个I/O口的驱动能力都能达到20mA，但整个芯片最大不超过120mA。（6）有EEPROM功能（STC12C5A62S2）/AD/PWM无内部EEPROM。）（7）看门狗。（8）内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体12M以下时，复位脚可以直接1K电阻到地）。（9）共4个16位定时器，两个与传统的8051兼容的定时器/计时器，16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器，再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器。（10）3个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟，可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟，独立波特率发生器可以在P1.0口输出时钟。（11）外部中断I/O口7路，传统的下降沿中断或低电平触发中断，并新增支持上升沿中断的PCA模块，Power Down模式可由外部中断唤醒，INT0/P3.2，INT1/P3.3，T0/P3.4，T1/P3.5，RxD/P3.0，CCP0/P1.3(也可通过寄存器设置到P4.2)，CCP1/P1.4(也可通过寄存器设置到P4.3)。（12）PWM(2路）/ PCA（可编程计数器阵列，2路） 也可用来当2路D/A使用 也可用来再实现2个定时器 也可用来再实现2个外部中断(上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持)。（13）A/D转换，10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S(每秒钟25万次)（14）通用全双工异步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的8051，可再用定时器或PCA软件实现多串口。（15）STC12C5A60S2系列有双串口，后缀有S2标志的才有双串口，RxD2/P.2(可通过寄存器设置到P4.2)，TxD2/P.3(可通过寄存器设置到P4.3)。引脚图如图3.2所示图3.2 STC12C5A60S2引脚图3.3显示接口电路的设计键盘与显示器作为常用的现场人机接口，尤其是作为现场工作的智能仪表，那是不可缺少的，作为液位测量也不例外。在这里，不仅要用显示器件向用户提供实时测量的液位值，而且由于不同的现场有不同的液位报警参数，因此还需要现场调整这类参数的键盘，当然调整参数时，显示器的作用是配合键盘显示当前设定的现场参数。常用的显示器件主要有LED（发光二极管）和LCD（液晶），它们都具有耗电少，成本低，线路简单，寿命长等优点，广泛应用于智能仪表场合。考虑一般工业现场的工作特点（工作温度、光线等），在本设计中选用LED数码管显示器。LED数码管显示器是由发光二极管显示字段的显示器件。这种显示器有阳极和共阴极两种，本设计中采用了共阴极LED。常用的LED显示器接口芯片有MC14499、8279、8155、MAX7219、74HC573、74HC573、 ZLG7290、BC7281等。考虑本人对该类芯片的熟悉程度及其性能好的优点，本设计中选用了74HC573作为显示器的驱动芯片。3.3.1 74HC573简介74HC573是八进制3态非反转透明锁存器，为高性能硅门CMOS器件，器件的输入是和标准CMOS输出兼容的，加上拉电阻，他们能使LS/ALSTTL输出兼容。当锁存使能端为高时，这些器件的锁存对于数据是透明的（也就是说输出同步)。当锁存使能变低时，符合建立时间和保持时间的数据会被锁存1516。1、74HC573的引脚功能74HC573引脚图如图3.3所示。 图3.3 74HC573引脚图74HC573功能如下表3.2所示。表3.2 74HC573功能表输入输出输出使能锁存使能DQLHHHLHLLLLX不变HXXZ注：X=不关心。Z=高阻抗。2、74HC573特点（1）输出能直接到CMOS，NMOS和TTL接口上（2）操作电压范围：2.0V6.0V（3）低输入电流：1.0uA（4）CMOS器件的高噪声抵抗特性3.3.2 74HC573在本设计中的应用显示电路设计如图3.4所示。图3.4 显示电路设计图74HC573的八个锁存器都是透明的D型锁存器，当使能（C）为高时，Q输出将随数据（D）输入而变。当使能为低时，输出将锁存在已建立的数据电平上。输出控制不影响锁存器的内部工作，即老数据可以保持，甚至当输出被关闭时新的数据也可以置入。这种电路可以驱动大电容或低阻抗负载，可以直接与系统总线接口并驱动总线，而不需要外接口。特别适用于缓冲寄存器，I/O通道，双向总线驱动器和工作寄存器。本设计中，通过P20、P21接使能端，来控制数据的锁存。通过数据的锁存P1口同时可以用来控制数码管的位选和段选，从而提高I/O口的利用率，解决I/O口的分配问题。3.3.3 指示电路设计指示电路设计如图3.5所示为设计的指示电路，指示灯共有8个，设计中利用4个来实现指示功能。1、D2自整定模式工作指示灯2、D3调节模式工作指示灯3、D4上限报警指示灯4、D5下限报警指示灯自整定模式工作指示灯：当调节器处于自整定工作时，指示灯亮。调节模式工作指示灯：当调节器处于调节模式工作时，指示灯亮。上限报警指示灯：当液位超出上限值时指示灯亮。下限报警指示灯：当液位低于下限值时指示灯亮。图3.5 指示电路图3.4 键盘输入电路设计通过矩阵式按键来完成系统中控制输入部分的设计。在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，通过八个I/O口可以构成44=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如使用九个I/O口就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能连接9个按键。由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。矩阵式结构的键盘显然比直接法要复杂一些，识别也要复杂一些，列线通过电阻接如单片机I/O口，并将行线所接的单片机的I/O口作为输出端，而列线所接的I/O口则作为输入。这样，当按键没有按下时，所有的输入端都是高电平，代表无键按下。行线输出是低电平，一旦有键按下，则输入线就会被拉低，这样，通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下。设计按键电路如图3.6所示17。图3.6 键盘输入按键3.5 通讯接口电路设计MAX232芯片是MAXIM公司生产的、包含两路接收器和驱动器的IC芯片。MAX232芯片内部都有一个电源电压变换器，可以把输入的+5V电源电压变换成为RS232输出电平所需的10V电压。所以，采用此芯片接口的串行通讯系统只需单一的+5V电源就可以了。对于没有12V的场合，其适应性更强。在图3.7中上半部分电容C10、C11、C12、C13，及V+、V-是电源变换电路部分。在实际应用中。电容C10、C11、C12、C13取同样的值，用于提高抗干扰能力，在连接时一定要靠近器件。下半部分为发送和接受部分。实际应用中，T-IN1，T-IN2可以直接接TTL/CMOS电平的单片机的串行发送端TXD；R_OUT1，R_OUT2可直接接TTL/CMOS电平的单片机的串行接收端RXD；1Cout，2Cout可直接接PC机的RS232串口的接收端；R-IN1，R-IN2可直接接PC机的RS232C串口的发送端。图3.7 通讯接口芯片MAX232接口电路3.6 电源电路的设计控制端整体电路选择使用5V供电。为了减小控制端硬件的体积，选用9V电池为整个电路进行供电。9V电压通过一个电源转换芯片7805转化为5V。为了能得到稳定的电压在电源的输入和输出端都加上了滤波电容以滤出纹波。5V系统电源模块原理图如图3.8所示。图3.8 系统电源电路3.7 报警电路的设计报警电路可以及时通知我们系统出现错误或者有益处产生，这样就避免了器件的损坏，减少了使用者的损失。报警电路如图3.9所示。当单片机输出为高电平时三极管截止，蜂鸣器没有电流流过，报警电路不工作；当单片机输出为低电平时三极管导通，电源两端与蜂鸣器相接，蜂鸣器开始工作，这就是本设计的报警电路的工作原理。图3.9 报警电路3.8 存储器模块设计存储器选择了美国ATMEL公司的低功耗CMOS串行EEPROM AT24C02，内部含有256个8位字节，工作电压宽（2.55.5V），它的特点是擦写次数多大于10000次、写入速度快小于10ms。该器件通过IC总线接口进行操作，而且与单片机接口电路简单，有一个专门的写保护功能，掉电存储数据不丢失，可用于保存用户的历史数据。 3.8.1 AT24C02功能介绍AT24C02支持IC，总线数据传送协议IC，总线协议规定任何将数据传送到总线的器件作为发送器。任何从总线接收数据的器件为接收器。数据传送是由产生串行时钟和所有起始停止信号的主器件控制的。主器件和从器件都可以作为发送器或接收器，但由主器件控制传送数据（发送或接收）的模式，通过器件地址输入端A0、A1和A2可以实现将最多8个AT24C02 器件连接到总线上。而且采用8脚的DIP封装，使方用便。其引脚如图3.10所示。图3.10 AT24C02 引脚图其主要引脚功能如下：（1）SCL串行时钟AT24C02 串行时钟输入管脚用于产生器件所有数据发送或接收的时钟，这是一个输入管脚。（2）SDA 串行数据地址AT24C02双向串行数据/地址管脚用于器件所有数据的发送或接收，SDA是一个开漏输出管脚，可与其它开漏输出或集电极开路输出进行线或（wire-OR）。（3）WP、TEST为写保护输入端如果WP管脚连接到Vcc，所有的内容都被写保护只能读。当WP管脚连接到Vss或悬空允许器件进行正常的读/写操作（4）A0、A1、A2器件地址输入端这些输入脚用于多个器件级联时设置器件地址，当这些脚悬空时默认值为0。当使用AT24C02时最大可级联8个器件。如果只有一个AT24C02被总线寻址，这三个地址输入脚（A0、A1、A2）可悬空或连接到Vss，如果只有一个AT24C02被总线寻址这三个地址输入脚（A0、A1、A2）必须连接到Vss。3.8.2 AT24C02串行E2PROM的读写I2C总线是一种用于IC器件之间连接的二线制总线。它通过SDA（串行数据线）及SCL（串行时钟线）两跟线在连到总线上的器件之间传送信息，并根据地址识别每个器件：不管是单片机、存储器、LCD驱动还是键盘接口。1、I2C总线的基本结构采用IC总线标准的单片机或IC器件，其内部不仅有IC接口电路，而且将内部各单元电路按功能划分为若干相对独立的模块，通过软件寻址实现片选，减少了器件片选线的连接。CPU不仅能通过指令将某个功能单元挂靠或摘离总线，还可对该单元的工作状况进行检测，从而实现对硬件系统的既简单又灵活的扩展与控制。2、双向传输的接口特性传统的单片机串行接口的发送和接收一般都各用一条线，如MCS-51系列的TXD和RXD，而I2C总线则根据器件的功能通过软件程序使其可工作于发送或接受方式。当某个器件向总线上发送信息时，它就是发送器（也叫主器件），而当其从总线上接收信息时，又成为接收器（也叫从器件）。主器件用于启动总线上传送数据并产生时钟以开放传送的器件，此时任何被寻址的器件均被认为是从器件。I2C总线的控制完全由挂接在总县上的主器件送出的地址和数据决定。在总线上，既没有中心机，也没有优先机。总线上主和从（即发送和接收）的关系不是一成不变的，而是取决于此数据传送的方向。SDA和SCL均为双向I/O线，通过上拉电阻接正电源。当总线空闲时，两跟线都是高电平。连接总线的器件的输出级必须是集电极或漏极开路，以具有线“与”功能。I2C总线的数据传送速率在标准工作方式下为100kbit/s，在快速方式下，最高传送速率可达400kbit/s。3、I2C总线上的时钟信号在I2C总线上传送信息时的时钟同步信号是由挂接在SCL时钟线上的所有器件的逻辑“与”完成的。SCL线上由高电平到低电平的跳变将影响到这些器件，一旦某个器件的时钟信号下跳为低电平，将使SCL线一直保持低电平，使SCL线上的所有器件开始低电平期。此时，低电平周期短的器件的时钟由低至高的跳变并不影响SCL线的状态，于是这些器件将进入高电平等待的状态。当所有器件的时钟信号都上跳为高电平时，低电平期结束，SCL线被释放返回高电平，即所有的器件都同时开始它们的高电平期。其后，第一个结束高电平期的器件又将SCL线拉成低电平。这样就在SCL线上产生一个同步时钟。可见，时钟低电平时间由低电平期最长的器件确定，而时钟高电平时间由时钟高电平期最短的器件确定。4、数据的传送在数据传送过程中，必须确认数据传送的开始和结束。在I2C总线技术规范中，开始和结束信号的定义如图3.11所示。当时钟线SCL为高电平时，数据线SDA由高电平跳变为低电平定义为“开始”信号；当SCL线