基于单片机的双容水箱液位控制系统设计

1、本 科 生 毕 业 设 计论文题目：基于单片机的双容水箱液位控制系统设计学 部 专 业 姓 名 班 级 07级1班 学 号 指导教师 答辩日期 2011年日 论文题目 基于单片机的双容水箱液位控制系统设计摘 要 串联双容水箱在工业过程控制中应用非常广泛。在串级双容水箱液位的控制中，进水首先进入第一个水箱，然后通过第二个水箱流出，与一个水箱相比，由于增加了一个水箱，使得被控量的响应在时间上更落后一步，即存在容积延迟，从而导致该过程的难以控制。串级控制是改善调节过程动态性能的有效方法，由于其超前的控制作用，可以大大克服系统的容积延迟。随着工业的发展，液位控制在各种过程控制中的应用越来越广泛。本设计

2、以双容水箱实验液位控制模型为研究对象，采用单片机显示。用小四号宋体字隔行书写内容关键词：串级；双容水箱；液位；单片机Based on single chip dual-tank water level control system designAbstract： Two-tank series in the industrial process control is widely used.In the cascade control of dual-tank water level, the water first into the first tank, and then out thro

3、ugh the second water tank, compared with a water tank, the addition of a water tank, so the amount charged at the time the response is more Backward step, there is delay in the volume, which leads to the process difficult to control. Cascade control is to improve the dynamic performance of the adjus

4、tment process in an effective way to control because of its advanced function to overcome the systems capacity can be greatly delayed. With industrial development, level control in a variety of process control is widely applied. The design of double-tank liquid level control model, experimental stud

5、y, the use of single chip display.Keywords：Cascade；Two Tanks；Level；SCM目录摘要Abstract第1章 绪论1 1.1过程控制的发展过程1 1.1.1过程控制的发展 1 1.1.2过程控制的策略与算法的进展 212控制理论的发展 2 1.2.1经典控制理论 3 1.2.2现代控制理论 51.3单片机的发展6 1.3.1单片机的发展历史 6 1.3.2单片机的发展趋势 7 1.3.3单片机的应用 8第2章 系统的方案设计10 2.1控制系统模型 10 2.1.1被控过程数学模型的作用与要求10 2.1.2建立被控过程数学模型的方

6、法102.2液位过程系统分析 11 2.2.1单容过程的模型11 2.2.2双容过程的模型132.3系统的设计方案 15 2.3.1设计要求15 2.3.2系统的结构图与特性分析15第3章 单片机控制器的设计 3.1单片机控制器的设计方案 17 3.2单片机控制系统的分析 3.3单片机控制器的接口电路 3.3.1 ADC0809的引脚图和接口电路 3.3.2 DAC0832的引脚图和接口电路 3.3.3 8279的引脚图和接口电路第4章 系统的实验调试 结论 4参考文献5附录6致谢7基于单片机的双容水箱液位控制系统设计第1章 绪 论11过程控制的发展过程1.1.1 选题的背景在现代工业控制中,

7、 过程控制技术是一历史较为久远的分支。在本世纪30 年代就已有应用。过程控制技术发展至今天, 在控制方式上经历了从人工控制到自动控制两个发展时期。在自动控制时期内，过程控制系统又经历了三个发展阶段, 它们是：分散控制阶段, 集中控制阶段和集散控制阶段。 从过程控制采用的理论与技术手段来看，可以粗略地把它划为三个阶段：开始到70 年代为第一阶段，70 年代至90 年代初为第二阶段，90 年代初为第三阶段开始。其中70 年代既是古典控制应用发展的鼎盛时期，又是现代控制应用发展的初期，90 年代初既是现代控制应用发展的繁荣时期，又是高级控制发展的初期。第一阶段是初级阶段，包括人工控制，以古典控制理论

8、为主要基础，采用常规气动、液动和电动仪表，对生产过程中的温度、流量、压力和液位进行控制，在诸多控制系统中，以单回路结构、PID 策略为主，同时针对不同的对象与要求，创造了一些专门的控制系统，如：使物料按比例配制的比值控制，克服大滞后的Smith 预估器，克服干扰的前馈控制和串级控制等等，这阶段的主要任务是稳定系统，实现定值控制。这与当时生产水平是相适应的。 第二阶段是发展阶段，以现代控制理论为主要基础，以微型计算机和高档仪表为工具，对较复杂的工业过程进行控制。这阶段的建模理论、在线辨识和实时控制已突破前期的形式，继而涌现了大量的先进控制系统和高级控制策略，如克服对象特性时变和环境干扰等不确定影

9、响的自适应控制，消除因模型失配而产生不良影响的预测控制等。这阶段的主要任务是克服干扰和模型变化，满足复杂的工艺要求，提高控制质量。1975 年，世界上第一台分散控制系统在美国Honeywell 公司问世，从而揭开了过程控制崭新的一页。分散控制系统也叫集散控制系统，它综合了计算机技术、控制技术、通信技术和显示技术，采用多层分级的结构形式,按总体分散、管理集中的原则，完成对工业过程的操作、监视、控制。由于采用了分散的结构和冗余等技术，使系统的可靠性极高，再加上硬件方面的开放式框架和软件方面的模块化形式，使得它组态、扩展极为方便，还有众多的控制算法(几十至上百种) 、较好的人机界面和故障检测报告功能

10、。经过20 多年的发展，它已日臻完善，在众多的控制系统中，显示出出类拔萃的风范，因此，可以毫不夸张地说，分散控制系统是过程控制发展史上的一个里程碑。第三阶段是高级阶段，目前正在来到。1.1.2 过程控制的策略与算法的进展几十年来，过程控制策略与算法出现了三种类型：简单控制、复杂控制与先进控制。通常将单回路PID控制称为简单控制。它一直是过程控制的主要手段。PID控制以经典控制理论为基础，主要用频域方法对控制系统进行分析与综合。目前，PID控制仍然得到广泛应用。在许多DCS和PLC系统中，均没有PID控制算法软件，或PID控制模块。 从20世纪50年代开始，过程控制界逐渐发展了串级控制、比值控制

11、、前馈控制、均匀控制和Smith预估控制等控制策略与算法，称之为复杂控制。它们在很大程度上，满足了复杂过程工业的一些特殊控制要求。它们仍然以经典控制理论为基础，但是在结构与应用上各有特色，而且在目前仍在继续改进与发展。 20世纪70年代中后期，出现了以DCS和PLC为代表的新型计算机控制装置，为过程控制提供了强有力的硬件与软件平台。 从20世纪80年代开始，在现代控制理论和人工智能发展的理论基础上，针对工业过程控制本身的非线性、时变性、耦合性和不确定性等特性，提出了许多行之有效的解决方法，如解耦控制、推断控制、预测控制、模糊控制、自适应控制、人工神经网络控制等，常统称为先进过程控制。近十年来，

12、以专家系统、模糊逻辑、神经网络、遗传算法为主要方法的基于知识的智能处理方法已经成为过程控制的一种重要技术。先进过程控制方法可以有效地解决那些采用常规控制效果差，甚至无法控制的复杂工业过程的控制问题。实践证明，先进过程控制方法能取得更高的控制品质和更大的经济效益，具有广阔的发展前景。1.2 控制理论的发展现代工业、科学技术的迅猛发展,对控制系统提出了越来越高的要求。例如,要求系统有更高的控制精度、更快的控制速度、更大的控制范围以及更强的适应能力等。计算机技术和其他相关材料、设备的发展也为控制系统的新理论、新设计和新技术的产生创造了条件。如今,控制理论和技术已不再局限于工业和科学技术领域,而是已广

13、泛渗透到农业、社会、经济等领域。 控制理论的发展基本上可分为经典控制理论和现代控制理论两个阶段 1.2.1 经典控制理论 在古代,劳动人民就凭借生产实践中积累的丰富经验和对反馈概念的直观认识,发明了许多闪烁着控制理论智慧火花的杰作。例如,我国北宋时期(10861089年)天文学家苏颂、韩公廉建造的水运仪象台,就是一个按负反馈原理构成的闭环非线性自动控制系统;1681 年法国物理学家、发明家巴本(D. Papin),发明了用作安全调节装置的锅炉压力调节器;1765 年,俄国人普尔佐诺夫(I. Polzunov)发明了蒸汽锅炉水位调节器等。 到了1788年,英国人瓦特(J. Watt)在他发明的蒸

14、汽机上使用了离心调速器,解决了蒸汽机的速度控制问题。这项发明引起了人们对控制技术的重视,此后人们曾经试图改善调速器的准确性,却常常导致系统产生振荡。实践中出现的问题,促使科学家们从理论上进行探索研究。1868 年,英国物理学家麦克斯韦(J.C. Maxwell)通过对调速系统线性常微分方程的建立和分析,解释了瓦特速度控制系统不稳定的原因,开辟了用数学方法研究控制系统的途径。此后,英国数学家劳斯(E.J. Routh)和德国数学家胡尔维茨(A. Hurwitz)分别在1877年和 1895年独立建立了直接根据代数方程的系数判别系统稳定性的准则。这些方法奠定了经典控制理论中时域分析法的基础。 19

15、32年,美国物理学家奈奎斯特(H. Nyquist)研究了长距离 线信号传输中出现的失真问题,运用复变函数理论建立了以频率特性为基础的稳定性判据,奠定了频域法的基础。随后,伯德(H.W. Bode)和尼科尔斯(N.B. Nichols)在 20 世纪30年代末和40年代初进一步发展了频域法,形成了经典控制理论的频域分析法,为工程技术人员提供了一个设计反馈控制系统的有效工具。 第二次世界大战期间,反馈控制方法被广泛应用于设计、研制飞机自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达天线控制系统以及其他军用系统。这些系统的复杂性和对快速跟踪、精确控制的高性能追求,迫切要求拓展已有的控制技术,促成许多新的见解和方法的

16、产生。同时,还促进了对非线性系统、采样系统以及随机控制系统的研究。 1948 年,美国科学家伊万斯(W.R. Evans)创立了根轨迹分析方法,为分析系统性能随系统参数变化的规律提供了有力工具,被广泛应用于反馈控制系统的分析、设计中。 以传递函数作为描述系统的数学模型,以时域分析法、根轨迹法和频域分析法为主要分析、设计工具,构成了经典控制理论的基本框架。到20世纪 50年代,经典控制理论发展到相当成熟的地步,形成了相对完整的理论体系,为指导当时的控制工程实践发挥了极大的作用。 经典控制理论主要用于解决反馈控制系统中控制器的分析与设计的问题。图 1-1所示为反馈控制系统的简化原理框图。经典控制理

17、论主要研究线性定常系统。所谓线性系统,是指系统中各组成环节或元件的状态或特性可以用线性微分方程描述的系统。如果描述该线性系统的微分方程的系数是常数,则称为线性定常系统。描述自动控制系统输入量、输出量和内部量之间关系的数学表达式称为系统的数学模型,它是分析和设计控制系统的基础。经典控制理论中广泛使用的频域法和根轨迹法,是建立在传递函数基础上的。线性定常系统的传递函数是在零初始条件下系统输出量的拉普拉斯(以下简称拉氏)变换与输入量的拉氏变换之比,是描述系统的频域模型。传递函数只描述了系统的输入、输出关系,没有内部变量的表示。经典控制理论的特点是以传递函数为数学工具,本质上是频域方法,主要研“单输入

18、单输出”(Single-Input Single-output, SISO)线性定常系统的分析与设计,对线性定常系统的研究,已经形成相当成熟的理论。典型的经典控制理论包括 PID控制、Smith控制、解耦控制和串级控制等。 经典控制理论虽然具有很大的实用价值,但也有着明显的局限性,主要表现如下。 1) 经典控制理论只适用于 SISO 线性定常系统的研究,难以推广到多输入多输出(Multi-Input Multi-Output, MIMO)线性定常系统,对时变系统和非线性系统更无能为力; 2) 用经典控制理论分析、设计控制系统,一般根据幅值裕度、相位裕度、超调量、调节时间等频域里讨论的指标来进行

19、,这些指标并不直观且难以接受,与通常所讨论的性能指标,如最快、最小能量等,难以建立直接对应关系; 3) 经典控制理论在系统设计、分析时无法考虑系统的初始条件,因此,难以达到高精度的位置、速度等控制系统设计要求; 4) 经典控制理论在进行控制系统设计和综合时,需要借助丰富的经验进行试凑以及大量的手工计算。 1.2.2 现代控制理论 20 世纪 50 年代中期,科学技术及生产力的发展,特别是空间技术的发展,迫切要求解决多变量系统、非线性系统的最优控制问题,例如火箭和宇航器的导航、跟踪和着陆过程中的高精度、低消耗控制等。实践的需求推动了控制理论的进步,同时,计算机技术的发展也为控制理论的发展提供了条

20、件,适合于描述航天器的运动规律,又便于计算机求解的状态空间描述成为主要的模型形式。俄国数学家李雅普诺夫(. ) 在 1892 年创立的稳定性理论被应用到现代控制理论研究中。1956年,前苏联科学家庞特里亚金(L.S. ) 批注 z1: 提出极大值原理;同年,美国数学家贝尔曼(R. Bellman)创立了动态规划理论。极大值原理和动态规划为解决最优控制问题提供了理论依据。美国数学家卡尔曼(R. Kalman)在1959年提出了著名的卡尔曼滤波器,1960年又提出系统的能控性和能观性问题。到20 世纪 60 年代初,一套以状态方程作为描述系统的数学模型,以最优控制和卡尔曼滤波为核心的控制系统分析、

21、设计的新原理和方法基本确定,现代控制理论应运而生。 现代控制理论主要利用计算机作为系统建模分析、设计乃至控制的手段,适用于多变量、非线性、时变系统。它在本质上是一种“时域法”,但并不是对经典频域法的从频域回到时域的简单回归,而是立足于新的分析方法,有着新的目标的新理论。现代控制理论研究内容非常广泛,主要包括3 个基本内容:多变量线性系统理论、最优控制理论以及最优估计与系统辨识理论。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。 与经典控制理论相比较,现代控制理论有如下优点。 1) 现代控制理论不仅适用于 SISO线性定常系统,而且易于推广到MIMO系统、时变

22、系统和非线性系统等,显示了有更强的描述系统的动态行为特性的能力,能够处理的系统的范围更大; 2) 现代控制理论利用时域法容易给人以时间上清晰的性能指标,如最快速度、最小能量等,易于理解、接受和优化设计; 3) 现代控制理论易于考虑系统的初始条件,使得所设计的控制系统有更高的精度和更佳的性能指标; 4) 现代控制理论易于用计算机进行系统分析、计算和实现计算机控制,所设计的控制系统的实现具有极大的可行性、优越性、先进性。 现代控制理论和经典控制理论并不是截然对立的,而是相辅相成、互为补充的,有各自的长处和不足。一般来说,现代控制理论对描述系统动态特性的数学模型的要求较高,需要用到更多的数学知识,在

23、控制系统的设计和实现时对控制设备和系统所处的环境要求也高一些。在进行实际系统分析与设计时,要根据具体的要求、目标和条件,选择适宜的控制理论方法,也可以将经典控制理论和现代控制理论结合起来综合考虑。1.3 单片机的发展 1.3.1单片机的发展历史单片机的发展历史可划分为三个阶段： 第一阶段(1974年1976年)：单片机初级阶段。因工艺限制，单机采用双片形式，而且功能比较简单。例如仙童公司生产的F8单片机。第二阶段(1976年1978年)：低性能单片机阶段。以Intel公司的MCS-48系列单片机为代表。这种单片机片内集成有8位CUP，并行I/O口，8位定时器/计数器，RAM及ROM等。不足之处

24、是无串行口，中断简单。第三阶段(1978年至今)：高性能单片机阶段。单片机以其优异的性能，低廉的价格，不断渗透到社会生活的每个角落。单片机生产厂商如雨后春笋不断涌现，多系列，多型号，各种性能组合的单片机层出不穷，不断满足不同应用场合的新要求。随着芯片制作工艺，技术水平的不断提高和单片机需求量的不断加大，单片机的性能价格比不断攀升，呈现出一派欣欣向荣的景象。单片机技术的开放性，生产商的竟争激烈性和广泛的市场需求等因素，无疑为单片机的飞速发展提供了强大动力。因此，单片机应用开发成为当今电子工程技术人员急需掌握的技术。 1.3.2 单片机的发展趋势1制作工艺CMOS化(全盘CMOS化)出于对低功耗的

25、普遍要求，目前各大厂商推出的各类单片机产品都采用了CHMOS工艺。80C51系列单片机采用两种半导体工艺生产。一种是HMOS工艺,即高密度短沟道MOS工艺。另外一种是CHMOS工艺，即互补金属氧化物的HMOS工艺。CHMOS是CMOS和HMOS的结合，除保持了HMOS的高速度和高密度的特点之外，还具有CMOS低功耗的特点。例如8051的功耗为630mw，而80C51的功耗只有120mw。在便携式、手提式或野外作业仪器设备上低功耗是非常有意义的。因此，在这些产品中必须使用CHMOS的单片机芯片。2尽量实现单片化尽管我们常说，单片机是将中央处理器CPU、存储器和I/O接口电路等主要功能部件集成在一

26、块集成电路芯片上的微型计算机，但由于工艺和其它方面的原因，很多功能部件并未集成在单片机芯片内部。于是，用户通常的做法是根据系统设计的需要在外围扩展功能芯片。随着集成电路技术的快速发展和“以人为本”思想在单片机设计上的体现，很多单片机生产厂家充分考虑到用户的需求，将一些常用的功能部件，如A/D(模/数转换器)、D/A(数/模转换器)、PWM(脉冲产生器)以及LCD(液晶)驱动器等集成到芯片内部，尽量做到单片化；同时，用户还可以提出要求，由厂家量身定作(SOC设计)或自行设计。3共性与个性共存如今的市场上为我们提供了丰富多彩的单片机产品。从宏观上讲，有RISC和CISC两大类型；从微观上说，有In

27、tel、Motorola、Philips、Microchip、EMC、NEC等公司的相关产品。在未来相当长的时间内，都将维持这种群雄并起、共性与个性共存的局面。究其原因，主要有以下两点。首先，以80C51为代表的单片机的基础地位不会动摇。这是因为80C51的架构和指令系统为后来的单片机提供了参考基准和强大支持，凡是学过80C51单片机的人再去学用其它类型的单片机易如反掌，借梯子爬坡何乐而不为呢？有关这方面的教材建设在出版界也得到了共识，取得了斐然的成果；这足以解释为制么在课堂上大家都以80C51的教材来进行教与学了。其次，个性化的产品如专用单片机等在满足用户需求方面得到了大家的认可，在应用领域

28、大有后来赶上的架势；它们由于先天的优势，在80C51的基础上扬长避短，以用户需要为根本，在市场上受到欢迎。总之，80C51作为共性的代表会与个性化的产品相互依存，共同发展，将会给用户带来更大的实惠与方便。1.3.3单片机的应用单片机的应用目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹，导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械

29、了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：1.在智能仪器仪表上的应用单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。2.在工业控制中的

30、应用用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。3.在家用电器中的应用可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。4.在计算机网络和通信领域中的应用现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机， 机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的

31、移动 ，集群移动通信，无线电对讲机等。5.单片机在医用设备领域中的应用单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。6.在各种大型电器中的模块化应用某些专用单片机设计用于实现特定功能，从而在各种电路中进行模块化应用，而不要求使用人员了解其内部结构。如音乐集成单片机，看似简单的功能，微缩在纯电子芯片中（有别于磁带机的原理），就需要复杂的类似于计算机的原理。如：音乐信号以数字的形式存于存储器中（类似于ROM），由微控制器读出，转化为模拟音乐电信号（类似于声卡）。在大型电路中，这种模块化应用极大地缩小了体积，简化了电路，降低了损坏、错误率，也

32、方便于更换。7.单片机在汽车设备领域中的应用单片机在汽车电子中的应用非常广泛，例如汽车中的发动机控制器，基于CAN总线的汽车发动机智能电子控制器，GPS导航系统，abs防抱死系统，制动系统等等。此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。第2章 系统的方案设计2.1 控制系统的模型调节器执行器被控过程检测信号 2.1.1被控过程数学模型的作用与要求 1.数学模型的作用被控过程动态特性的数学模型是表示其输入变量与输出变量之间动态关系的数学描述。被控过程的数学模型在生产过程工艺分析、设计及控制系统分析与设计方面有广泛的应用，归纳起来主要有以下几个方面：（1） 设计

33、过程控制系统及整定控制参数（2） 指导生产工艺及其设备的设计与操作（3） 对被控过程进行仿真研究（4） 培训运行操作人员（5） 工业过程的故障检测与诊断2.数学模型的要求实际生产过程的动态特性是非常复杂的，为了得到使用的模型，在建立其数学模型时不得不突出主要因素，忽略次要因素。根据用途的不同，过程动态数学模型的具体要求也有所不同，但总的原则一是尽量简单，二是正确可靠。这主要是基于一下考虑：（1）如果模型参数是用估计方法根据输入输出数据计算得到的，选用数学模型月复杂需要计算的模型参数就越复杂。（2）如果数学模型用于前馈控制、解耦控制、预测控制、推理控制等时，模型过于复杂，则控制规律和算法也会比较

34、复杂。 （3）如果模型太复杂，控制系统进行在线参数整定与系统优化的计算量很大。为了保证实时性，必须配置高速在线运算设备，增加控制系统的复杂性和投资。 鉴于以上原因，在实际应用中，被控过程的传递函数或其他动态数学模型的阶次一班不高于三阶，经常采用具有纯滞后的一阶和二阶模型，最常用的是纯滞后的一阶形式。 2.1.2 建立被控过程数学模型的方法 建立被控数学模型的基本方法有两种，即机理法和实验测试法。1. 机理法机理法建模是根据生产过程中实际发生的变化机理，写出相关的平衡方程，如：物质平衡方程、能量平衡方程、动量平衡方程，以及反映流体流动、传热、化学反映等基本规律的运动方程、物性参数方程和某些设备的

35、特性方程，从中获得所需的数学模型。2测试法 测试法建模通过被控过程输入、输出的实测数据进行数学处理后求得数学模型，这种方法也称为系统辨识。用测试法建模时，可以在不十分清楚内部机理的情况下，把被研究的对象视为黑匣子，完全通过外部测试来描述它的特性。 2.2 液位过程系统分析 2.2.1 单容过程的模型单容过程-只有一个贮蓄容量的过程。单容过程可分为有自平衡能力和无自平衡能力两类。1自衡过程的建模自衡过程-指过程在扰动作用下，其平衡状态被破坏后不需要操作人员或仪表等干预，依靠其自身重新恢复平衡的过程。容量或容量系数-被控过程都具行定贮存物料或能量的能力，其贮存能力的大小。其物理意义是：引起单位被控

36、量变化时被控过程贮存量变化的大小。例：液位过程Q1-流入量，控制过程的输入变量Q2-流出量，中间变量h-液位，控制过程的输出变量动态物料平衡关系：，其增量形式：。物理原理：。 消去中间变量Q2，及拉氏变换后，得传递函数：被控过程都具行定贮存物料或能量的能力，其贮存能力的大小，称为容量或容量系数。其物理意义是：引起单位被控量变化时被控过程贮存量变化的大小。例：具有纯时延的液位过程.具有纯时延单容过程的微分方程和传递函数为：2 无自衡过程的建模无自衡过程-指过程在扰动作用下，其平衡状态被破坏后不需要操作人员或仪表等干预，依靠其自身不能重新恢复平衡的过程。例：无自衡液位控制过程；2.2.2 双容过程

37、的模型双容过程-被控过程往往是由两个个容积和阻力构成。可分为有自平衡能力和无自平衡能力两类。1. 具自衡能力的双容过程的建模其被控量是第二只水箱的液位h2，输入量为Q1。根据物料平衡关系可以列出下列方程：双容过程的数学模型为：2. 无自衡能力的双容过程的建模无自平衡能力双容过程的传递函数：无自平衡能力双容过程的传递函数：过程具有纯时延，则传递函数：2.3系统的设计方案 2.3.1设计要求（1）查阅国内外资料，了解连续生产过程的现代控制技术和控制方法，了解过程控制系统的国内外发展动态。（2）调节器设计：完成PID调节的控制功能（3）控制电路设计：给定与反馈比较环节的设计和输入/输出电路设计。（4

38、）实验验证：利用THKGK-1型实验装置，进行双容液位控制系统调试，整定各环节参数，记录实验结果，分析实验结果。2.3.2系统的结构图与特性分析双容水箱液位控制系统，控制的目的既要使下水箱的液位高度等于给定值所期望的值，又要具有减少或消除来自系统内部或外部扰动的影响。显然，这种反馈控制系统的性能主要取决于调节器GK-04的结构和参数的合理选择。由于双容水箱的数学模型是二阶的，故它的稳定性不如单容液位控制系统。对于阶跃输入（包括阶跃扰动），这种系统用比例（P）调节器去控制，系统有余差，且与比例度近似成正比，若用比例积分（PI）调节器去控制，不仅可实现无余差，而且只要调节器的参数和Ti选择得合理，

39、也能使系统具有良好的动态性能。比例积分微分（PID）调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的控制作用，从而使系统既无余差存在，又使其动态性能得到进一步改善。 第3章 单片机控制器的设计 3.1单片机控制器的设计方案3.2单片机控制系统的分析 3.2.1 89C51单片机简介89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。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

40、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89C51是一种高效微控制器，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。3.2.2 89C51的引脚及其功能1主要特性： 与MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环 数据保留时间：10年 全静态工作：0Hz-24Hz 三级程序存储器锁定 128*8位内部RAM 32可编程I/O线 两个16位定时器/计数器 5个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路 2管脚说明： VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级

41、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

42、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

43、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： 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（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器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

44、用于锁存地址的地位字节。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。 /PSEN：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/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现

45、。 /EA/VPP：当/EA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，/EA将内部锁定为RESET；当/EA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振荡器特性： XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因

46、此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 4芯片擦除： 整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。 此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。 5.结构特点：8位CPU；片内振荡器和时钟电

47、路；32根I/O线；外部存贮器寻址范围ROM、RAM64K；2个16位的定时器/计数器；5个中断源，两个中断优先级；全双工串行口；布尔处理器；3.3单片机控制器的接口电路3.3.1 ADC0809的引脚图和接口电路电路连接主要涉及两个问题。一是8路模拟信号通道的选择，二是A/D转换完成后转换数据的传送。如图所示模拟通道选择信号A、B、C分别接最低三位地址A0、A1、A2即（P0.0、P0.1、P0.2），而地址锁存允许信号ALE由P2.0控制，则8路模拟通道的地址为0FEF8H0FEFFH.此外，通道地址选择以作写选通信号，这一部分电路连接如图所示：从图中可以看到，把ALE信号与START信号

48、接在一起了，这样连接使得在信号的前沿写入（锁存）通道地址，紧接着在其后沿就启动转换。启动A/D转换只需要一条MOVX指令。在此之前，要将P2.0清零并将最低三位与所选择的通道好像对应的口地址送入数据指针DPTR中。例如要选择IN0通道时，可采用如下两条指令，即可启动A/D转换：MOV DPTR , #FE00H ；送入0809的口地址MOVX DPTR , A ；启动A/D转换（IN0）注意：此处的A与A/D转换无关，可为任意值。3.3.2 DAC0832的引脚图和接口电路采用ADC0809实现A/D转换。（一） D/A转换器DAC0832DAC0832是采用CMOS工艺制成的单片直流输出型8

49、位数/模转换器。如下图所示，它由倒T型R-2R电阻网络、模拟开关、运算放大器和参考电压VREF四大部分组成。运算放大器输出的模拟量V0为：由上式可见，输出的模拟量 与输入的数字量（ ） 成正比，这就实现了从数字量到模拟量的转换。一个8位D/A转换器有8个输入端（其中每个输入端是8位二进制数的一位），有一个模拟输出端。输入可有28=256个不同的二进制组态，输出为256个电压之一，即输出电压不是整个电压范围内任意值，而只能是256个可能值。下图是DAC0832的逻辑框图和引脚排列。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

50、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：是源电压（+5+15V）。AGND：模拟地 NGND：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。实验线路如下图所示。 IN0IN7：8路模拟信号输入端。A1、A2、A0 ：地址输入端。ALE地址锁存允许输入信号，在此脚施加正脉冲，上升沿有效，此时锁存地址码，从而选通相应的模拟信号通道，以便进行A/D转换。STAR

51、T：启动信号输入端，应在此脚施加正脉冲，当上升沿到达时，内部逐次逼近寄存器复位，在下降沿到达后，开始A/D转换过程。EOC：转换结束输出信号（转换接受标志），高电平有效。OE：输入允许信号，高电平有效。CLOCK(CP)：时钟信号输入端，外接时钟频率一般为640kHz。 Vcc：+5V单电源供电。 、 Vref(+),Vref(-)：基准电压的正极、负极。一般Vref(+)接+5V电源，Vref(-)接地。D7D0：数字信号输出端。 由A2、A1、A0三地址输入端选通8路模拟信号中的任何一路进行A/D转换。3.3.3 8279的引脚图和接口电路8279芯片有40条引脚，由单一+5V电源供电。它

52、主要由以下几部分组成： (1) I/O控制和数据缓冲器；(2) 控制和定时寄存器及定时控制部分；(3) 扫描计数器； (4)回送缓冲器与键盘去抖动控制电路； (5)FIFO(先进先出)寄存器和状态电路； (6)显示器地址寄存器及显示RAM。 8279的引脚如下图所示，下面对引脚名称作简要说明。DB0DB7：双向数据总线。 A0：命令状态或数据选择线。A0=1，表示从DB0DB7线上传送的是命令或状态字；A0=0表示为数据。IRQ:中断请求线。 SL0SL3:扫描线。可进行译码扫描(4选1),也可进行编码扫描(16选1),但要使用4-16译码器。若用3-8译码器的话,则扫描线为8选1。MCS-5

53、1单片机和8279的接口如下图所示。P0口接8279的D0-D7，P2口的地址线和经过地址锁存器74LS373锁存的地址一起译码，选中8279的端，周期输出信号ALE直接接到8279的时钟端，8279的终端请求线反向接8031的 。8031的分别和8279的相连8279的A0接8051的地址线的最低位。8279外接8X8键盘，16为显示器，8279的回送输入线键盘列线，选用外部译码方式，扫描线SL0-SL3为4为计数器输出信号，低3位又3-8译码器译出8位选择线Y0-Y7接键盘的行线。SL0-SL3由4-16译码器出16位选择线接显示器公共极Y0-Y7，OUTB0-OUTB3，OUTA0-OUTA3相当于8段数据输出口（B0为低位，A3为高位），再显示器位切换时输出低