参数自整定PID控制器

1、 第 1 页 共 36 页摘要摘要PID控制是最早发展起来且目前在工业过程控制中依然应用最广泛的控制策略之一。PID控制中至关重要的是控制器三个参数的整定，参数整定的好坏既影响到控制性能，又影响到整个系统的能耗。常规的PID整定参数的选择取决于多种因素：被控过程的动态性能、控制目标以及操作人员对过程的理解等，所以要求工程技术人员具有丰富的经验，加上实际系统又有滞后、非线性等因素，都会使得PID参数整定有一定的难度，比较费时费力，从而导致许多PID控制回路不能运行在最佳工作状态。而自整定控制器能通过按键方式由控制器自身完成参数的整定，不需要人工干预，可以节省整定时间，提高整定精度，进而提高经济效

2、益。因此，研究自整定PID控制器具有重要意义。针对上述问题,，本文开发了一种基于系统辨识的自整定PID控制器。该控制器给过程控制技术人员提供了一种调试工具，不仅保证了控制参数的优化，而且缩短了系统的现场整定时间。 第 2 页 共 36 页ABSTRACTPID control，which is one of the earliest developed in the industrial process control，is still one of the most widely used control strategy , and more than 95of the industria

3、l control loop has PID structureThe tuning of the three control parameters is the most important,because it does not only affect the quality of control performance，but also affects the whole system of energy consumptionConventional PID parameter selection depends on many factors：such as the dynamic

4、performance of the proces，control objectives，as well as the operators understanding of the processThe actual system usally is lagged behind，nonlinear,and has other factorsThat is why it is difficult to turn the PID parametersThere , it needs experienced engineers to complete PID parameters tuning al

5、though it is time-consuming and laborious and results in a number of PID control loop can not run in the best working conditionAuto-tuning controller can complete control with a button on their own,without human interventionAuto-tuning method call save more time and be more accurate than artificial

6、mothod，and it also can improve the cost-effectivenessThus，research on auto-tuning PID controller is of great significance To solve problems mentioned above,this paper developed an auto-tuning PID controller based on system identification methodIt provides the process control engineers with a debuggi

7、ng tool ,which not only ensures the optimization of the control parameters，but also shorten the setting time 第 3 页 共 36 页目目 录录第一章第一章 绪论绪论 .11.1 本课题研究的目的与意义 .21.2 参数自整定技术的国内外研究现状.31.3 本课题主要研究内容.4第第二二章章 模型参数辨识方法与选择模型参数辨识方法与选择 .52.1 模型参数辨识原理.62.2 模型参数辨识常见方法 .72.3 本课题选用方法 .8 2.1.1 递推最小二乘法.9 2.1.2 脉冲响应法.

8、10第第三章三章 参数自整定方法与选择参数自整定方法与选择 .113.1 参数自整定原理.123.2 参数自整定常用方法.133.3 本课题选用方法.14 3.1.1 改进型临界比例度法.14 3.1.2 迭代自整定法.15 第第四章四章 自整定自整定 PIDPID 控制器的控制器的设计与实现设计与实现 .164.1 控制器的功能分析.174.2 控制器的硬件电路设计.18 4.2.1 微处理器的选择.20 4.2.2 模拟量输入/输出通道 .19 4.2.3 人机交互模块的设计.20 4.2.4 电源电路设计 .234.3 控制器的软件模块设计.24第五章第五章 总结与展望总结与展望.25致

9、谢致谢.26参考文献.27附录附录 第 4 页 共 36 页第第 1 1 章章 绪论绪论1.1 本课题研究的目的与意义 PID 控制器是在工业过程控制中最常见的一种控制调节器，广泛应用于化工、机械、冶金和轻工等工业过程控制系统中。有一些文献陈述了当前的应用状况1,2。日本电子测量仪表协会在 1989 年对过程控制做的调查报告，该报告表明 90%以上的控制回路具有 PID 结构。另外一篇有关加拿大造纸厂的统计报告表明典型的造纸厂一般有 2000 多个控制回路，其中 97%以上是 PID 控制，而且仅仅有 20%的控制回路工作比较满意。控制回路性能普遍差的原因中参数整定不合适的占 30%，阀门问题

10、占 30%，而另外 20%的控制器性能差有多种原因，如传感器问题、采样频率的选择不当以及滤波器的问题等。在已安装的过程控制器中 30%是处于手动状态，20%的控制回路采用厂家整定的参数，即控制器制造商预先设定的参数值，30%的控制回路由于阀门和传感器的问题导致控制性能较差。因此，PID 控制器虽然在工业过程控制中普遍应用，但是获得的控制效果并不十分理想。同时由于 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高的情况，但随着现代工业的发展，人们面临的被控对象越来越复杂，对于控制系统的精度性能和可靠性的要求越来越高，这对PID 控制技术提出了严峻的挑战。只有和先进控制策略相结合

11、，才能保证 PID 控制技术永不过时，而它也正是向高精度、高性能、智能化的方向在逐步发展。 鉴于在当前和将来的工业过程中仍旧大量使用PID控制器，这就迫切需要设计出一些简单的且鲁棒性好的自整定控制器。在许多文献中已经报道了，通过大量的调查工作表明实际工业过程中使用的许多PID控制器都没有整定到令人满意的程度。因此，设计一种面向普通工业过程的能够以高性能自动整定的控制器非常有必要，而且这样的自整定PID控制器将会在工业领域内有很好的市场前景。1.2 参数自整定技术的国内外研究现状 在过程工业界，从40年代开始，采用PID控制规律的单输入单输出简单反馈控制回路己成为过程控制的核心系统。目前，PID

12、控制仍广泛应用，即便是在大量采用DCS控制的最现代化的装置中，这类回路仍占总回路数的80-90。这是因为PID控制算法是对人的简单而有效操作方式的总结与模仿，足以维护一般工业过程的平稳操作与运行，而且这类算法简单且应用历史悠久，工业界比较熟悉且容易接受。 PID参数的自整定一般包括两部分内容：一是过程特性的提取，也称为初期校正部分，即对过程进行辨识，得到过程的动态特性，求得过程的增益、时间常数、延迟时间，然后按过程的特征参数或者按部分模型的匹配法设定PID参数。二是确定相应的最优控制器参数，也称为在线校正部分，是通过对控制响应的 第 5 页 共 36 页波形进行在线监视，求出性能控制指标，即超

13、调量、振幅衰减比等，然后建立调整规则对PID参数进行更新。自Ziegler和Nichols提出PID参数整定方法起，有许多技术已经被用于PID控制器的手动和自动整定。Ziegler-Nichols阶跃响应是确定PID参数的简单方法，根据纯滞后时间和时间常数来整定控制器的参数。但是该方法仅在纯滞后时间与时问常数之比处于01-1之间时才适用，对于大的纯滞后需采取专门补偿措施。另外该方法借助于作图来确定特征参数，得到的控制器是使用尚可的或次优的，并不能得到最优的控制器。其中应用广泛的有临界灵敏度法，需要测量临界增益和临界周期从而得到合适的PID参数。Z-N法需要使系统接近临界状态运行，这很易产生增幅

14、振荡，并使系统毁坏。为克服乙N闭环方法的缺点，知名学者Astrom提出基于继电反馈的方法该方法的基本思路是在继电反馈下观测过程的极限环振荡，并由极限环的特征来确定过程的基本性质，然后算出PID调节器的参数。继电器自整定操作简单，不需要较多的有关被控对象的先验知识印可以整定控制器参数的优点，预先确定的参数少，仅仅是继电特性的输出高度和滞环宽度。而且它是在闭环条件下完成的，所以对扰动不灵敏，而且所产生的极限环振荡又是一种受控振荡，易于控制。Astrom在1988年美国控制会议(ACC)上作的Toward Intelligent Control的大会报告概述了结合于新一代工业控制器中的两种控制思想一

15、一自整定和自适应，为智能PID控制的发展奠定了基础。他认为自整定控制器和自适应控制器能视为一个有经验的仪表工程师的整定经验的自动化，自整定调节器应具有推理能力。自适应PID的应用途径的不断扩大使得对其整定方法的应用研究交得日益重要。自适应技术中最主要的是自整定。根据发展阶段来分，PID参数整定可分为常规PID参数整定方法及智能PID参数整定方法；按照被控对象个数来划分可分为单变量PID参数整定方法及多变量PID参数整定方法，前者包括现有大多数整定方法，后者是最近研究的热点及难点。按控制量的组合形式来划分，可分为线性PID参数整定方法及非线性PID参数整定方法。前者用于经典PID调节器，后者用于

16、由非线性跟踪微分器和非线性组合方式生成的非线性PID控制器。按工作机理划分，自整定方法能分为两类：基于模型的自整定方法和基于规则的自整定方法。目前来说，在众多的整定方法中主要有两种方法在实际工业过程中应用较好。一种是基于继电反馈的参数整定方法，另一种是Foxboro公司推出的基于模式识别的参数整定方法。后者主要应用于Foxboro的单回路EXACT控制器及分散控制系统IA Series的PIDE功能块，其原理是基于Bristol在模式识别方面的早期工作。前者的应用实例较多，这类控制器现在包括自整定、增益计划设定及反馈和前馈增益的连续自适应等功能，这些技术都极大简化了PID控制器的使用，显著改进

17、了它的性能。1.3 本课题主要研究内容 第 6 页 共 36 页 (1)模型参数辨识方法研究； (2)参数自整定方法研究； (3)基于AVR单片机的自整定PID控制器的设计与实现； 第第二二章章 模型参数辨识方法研究模型参数辨识方法研究 2.1 模型参数辨识原理 系统辨识作为一门独立的学科，通常认为是伴随着现代控制理论的产生则发展起来的，但是， “辨识”的概念和方法的历史可以追溯到更早的时代。引用Zadeh于1962年给系统辨识下的较有权威性的一般定义： “系统辨识就是根据被测系统的输入和输出，从一类指定模型中确定一个与被测系统等价的数学模型。根据这个定义，要求必须规定一类输入信号(试验信号)

18、。 所以，系统的模型辨识就是根据实验得到的输入输出数据构造一个过程模型，而不是根据系统的任何基本特性和属性。在这种情况下，不需要过程的先验知识，系统被认为是一个“黑箱，根据外部激励及其系统响应等实验信息来辨识“黑箱的内部机理。在过程控制领域，假设待辨识的过程在稳态工作点附近是近似线性的，对这种过程用线性传递函数模型来描述是足够精确的。因此，本节只对线性过程辨识作研究。 过程辨识可以采用“离线 或者“在线”两种方式。离线辨识：就是中断过程的正常运行后按照设计好了的经验模型进行特定的试验。在线辨识：就是利用在过程正常运行的条件下得到的数据进行辨识。应用中一个过程的参数辨识可以采取两种方式：即开环方

19、式和闭环方式。开环辨识就是在对系统不施加控制的情况下辨识过程参数，而闭环辨识就是辨识的时候存在控制作用。任何情况下都需要对过程施加一个激励信号，以提取过程动态中的有用信息。作为有用的过程信息，输出数据依赖于输入函数的特性。因此，选择一个合适的输入函数是很重要的，由它产生的输出信号能够提供大量有用且易于提到的过程信息。 过程辨识中用到的典型输入函数如下：阶跃信号，脉冲信号，继电器信号，白噪声，伪随机二进制序列等。 阶跃测试的主要优点在于测试过程简单，需要很少的先验知识。但是它对系统中的非线性非常敏感。对于闭环辨识，大部分现有技术都是在频域里进行研究。通常，在实际应用中只对零到截止频率这一频率段感

20、兴趣。由于闭环测试对过程的干扰较少，因此在过程控制实践中多采用闭环测试而不采用开环测试。阶跃响应辨识就是在实验中，阶跃输入作为过程的输入，测量过程的响应。实验的先决条件是开始时过程处于稳定状态。阶跃信号幅值的选择应该足够大以便于过程响应比噪声水平大且易于观察，但也应该尽可能小，为了不对过程造成不必要的冲击和保持过程的动态是线性的。有许多方法可以用来从暂态响应 第 7 页 共 36 页实验中导出过程的特性。从阶跃响应实验中，通过比较控制信号和阶跃变化前后测量信号的静态值，可以精确地计算静态增益。常数和纯滞后时间可以通过多种方法得到，比较复杂的调整技术中常采用暂态响应方法作为一种预调整模式。该方法

21、的主要优点是它需要很少的先验知识，也很容易使现场操作人员理解。其主要缺点是它对于干扰较为敏感。 基本阶跃响应的典型模型如下，其中的某些参数需要估计。 (1)一阶加纯滞后(FOPDT) 参数：K、T、L(2)二阶加纯滞后(SOPDT)参数：a0,a1,a2,b0,b1,L模型中的纯滞后时间、时间常数和稳态增益可以通过把这些表达式与实验测量得到的数据按照某种方法来得到。2.2 模型参数辨识常见方法实际的工业被控对象是非常复杂的，要确定出它的精确模型是不现实的，而且也是没有必要的。在实际中常用的方法是用低阶加纯滞后模型近似高阶的过程对象。阶跃响应测试常用于一阶加纯滞后模型拟合过程数据。理论上，当时间

22、大于纯滞后时，阶跃响应可以写成 这里表示响应的终值。给定数据y(t)，可以得到在时刻观测到的过程输出ykt值， (一)LOG方法静态增益K：利用极限值和给定输入阶跃函数A，由得静态增益K的估计值是： 第 8 页 共 36 页 时间常数和纯滞后时间L：参数和L的解是非线性的，可以写成 阶跃响应数据对时间t的函数是斜率为一1的直线，纵轴上的截距为L。且这条直线与t轴的交点为t=L。如下图所示。因此从图形上可以估计出这些参数的值。 从阶跃响应数据估计时间常数和纯滞后时间(2) 两点法假设过程模型对于幅乎为A的过程输入，过程的响应由下式描述： 标准化的y(t)和时间t如下图所示： 两点法和面积法 标准

23、化的Y(t)和时间t 第 9 页 共 36 页t1和t2分别是过程的阶跃响应达到稳态值的284和632的时间，得到t1和t2之后，过程的时间常数和滞后时间可以由下式计算：T=I5(t2-t1)；三=05(3t1一t2)(3) 面积法假设静态增益已经采用前面的方法得到，平均驻留时间Tav可以由面积A0来计算，如下图所示：在阶跃响应下直到时间Tav所包围的面积A1可以这样计算：那么T和L的估计值为：相对于前两种方法，这种方法对高频噪声不敏感。它的模型只需要阶跃响应数据的几个值决定。然而，它的估计精度主要依靠A0决定。为了得到精确的A0，测试的时间就得足够长，直到过程刚好再次进入新的稳态。但这些方法

24、只能工作于没有滞后时间的过程中。本文提出一种基于脉冲响应的方法，它能够克服以上几种辨识方法的不足。 第 10 页 共 36 页一阶加纯滞后连续模型的参数可以直接从一组线性方程中获得。计算简单而且对测量噪声的鲁棒性好。这种方法不需要等过程完全进入新的稳态。因此，它节省了测试时间。本文提出的方法能够很好的工作于一阶加纯滞后模型能够描述的工业过程，大量仿真和实际使用结果表明这种方法比现有的方法有所改进。2.3 本课题选用方法 2.1.1 递推最小二乘法 已知线性回归形式的模型的传递函数为： 其中 为方程误差，为了使如下损失函数最小化： 可得最小二乘的估计值为 引入矩阵 于是 又由于 所以，t+1时刻

25、的最小二乘估计为： 第 11 页 共 36 页 最后就得到： 这样利用、式进行递归迭代参数估计，另外选择，迭代一定的时间后就能得到对象的参数了。 2.1.2 脉冲响应法 第第三章三章 参数自整定方法研究参数自整定方法研究3.1 参数自整定原理（1）PID控制原理 PID控制器结构简单，易于操作，广泛应用于石油、制药、食品、化工、航空和半导体等工业过程，并具有较好的鲁棒性，对过程参数和干扰的变化不敏感。据统计，在过程控制领域中大约90的控制回路都采用PID控制。系统控制框图如下所示。PID控制器，是一种最基本的控制方式，它是复杂调节和计算机直接数字控制的基础。其方法是依据偏差e进行控制，其最终目

26、的是消除偏差。P，也就是比例环节，是PID控制中最活跃的环节，是真正意义上的依据偏差来进行控制。I，也就是积分环节，其作用是消除阶跃响应的稳态误差，也就是偏差。D，也就是微分环节，其作用是使得控制器的灵敏度增加，它根据偏差的变化率dedt进行控制，从而起到了早期的修正作用，增加系统的稳定性。 第 12 页 共 36 页 图 3.1.1PID控制器根据给定值r与实际输出值Y构成的控制偏差：定义：e=r-y将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过控制规律为：式中，Kp为比例系数，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数。PID控制器各校正环节的作用如下： 比例(P)调节作用：是按比例反应系统的

27、偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。 积分(I)调节作用：是使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决于积分时间常数，Ti越小，积分作用就越强；反之Ti大则积分作用弱。加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合，组成PI调节器或PID调节器。微分(D)调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还

28、没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此加大微分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为零。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成PD或PID控制器。（2）参数自整定原理3.2 参数自整定常用方法3.3 本课题选用方法3.3.1 改进型临界比例度法 第 13 页 共 36 页eO+-R(t) 这是波形识别法中的一种参数自整定方法。从“过程控制系统”中已知，只要求出比例控制系统等幅震荡时的临界比例系数Kcp和震荡周期Tcp

29、,即可根据Ziegler-Nichols 规则计算出PID参数： PI控制系统 Kp=0.45Kcp，Ti=Tcp/1.2 PID控制系统 Kp=0.6Kcp,Ti=Tcp/2,Td=Ti/4在人工进行参数整定时，将系统设置为比例控制系统，并多次调整Kp，直到使系统产生等幅振荡，此时的比例系数即为Kcp，振荡周期为Tcp。但在工业控制系统中存在许多不确定因素，要得到真正的等幅振荡并保持一段时间是相当困难的，在有些生产过程中也不允许这样的反复试验。为克服这一问题，Astom K.J提出了改进型临界比例度法，它用继电特性的非线性环节替代比例调节器，可使闭环系统自动稳定在等幅振荡状态，振荡幅值还可由

30、继电特性的特征值控制，对生产过程不会产生多大影响，达到了实用化要求。用改进型临界比例度法德PID参数自整定控制系统结构示意图2.1如下所示： 图3.3.1.1用改进型临界比例度法德PID参数自整定系统示意图 图中G(jw) 为控制对象，N为具有继电特性的非线性环节。当系统处于自整定状态时，开关S置于位置2，S置于位置1时为系统正常工作状态，进行PID控制。 下图2.2所示为改进临界比例度法自整定PID参数时的系统框图： PIDN12G（jw)-+SM(t)G（jw)M（t)R(t) 第 14 页 共 36 页ty(t) R-H 图3.3.1.2改进临界比例度法自整定PID参数时的系统框图这是一

31、个典型的非线性系统。为了分析系统产生自激振荡的原理，非线性环节用描述函数来表达，以对其进行近似的线性化处理。描述函数N是非线性环节输出的一次谐波分量与正弦输入信号的复数比，即 jeXYN1式中 输出的一次谐波幅值；1Y X输入正弦波幅值；输出一次谐波的相位移。 系统图中的继电特性如下图3.3.1.3(a)所示，其描述函数可由图3.3.1.3(b)求出。 图3.3.1.3（a）理想继电特性 图3.3.1.3（b）正弦输入响应曲线对输出y(t)进行傅里叶变换10)sincos()(nnntnBtnAAty式中 201)(cos)(1ttdtyAy1(t)=Y1sintR+H RX Yx(t)=Xs

32、int 第 15 页 共 36 页 =2200)sin()(1)sin()(1tdHRtdHR 201)()sin()(1tdttyB =2020)cos() 1)(1)cos() 1)(1tdHRtdHR =)(2)(2HRHR = H4一次谐波分量为 )sin(4)(1tHty其描述函数为 XHXYN4001可见，理想继电特性的描述函数是一个实数，且为H/X的函数。图3.3.1.2所示闭环系统产生等幅振荡的条件为 1+NG(j)=0有 G(j)=-HXN41当X从0变化时，-1/N是在幅频特性平面上沿负实轴的一条轨迹。由上式知，G(j)和1/N的交点即为临界振荡点，闭环系统在该点有一个稳定

33、的极限环。此时，临界比例系数 Kcp=N=XH4只要测出图3.3.1.3中偏差e的振幅X，即可得到Kcp，测取e的振荡周期即可得到临界振荡周期Tcp，再按Ziegler-Nichols规则就可计算出PID参数Kp、Ti、Td的值。3.1.2 迭代自整定法在闭环控制系统中，假设调节器经初步整定的初始参数是系统存在一对共轭复数主导几点，在扰动作用下输出呈衰减振荡过程，如图所示，M（t)Otbtbctcata 第 16 页 共 36 页 图 3.1.2.1 二阶系统衰减振荡过程则可按二阶系统来近似该闭环系统，有=expba212式中二阶系统的阻尼系数。令,则21abln21是表征过程衰减比的特征参数

34、。下面给出以为自变量的PID参数迭代算式。（1）比例系数Kp迭代算式设Kcp为调节器的临界比例系数，Kp为其它任意振荡过程式调节器的比例系数。在工程上Kcp/Kp可以用的幂级数来近似：Kcp/Kp2210式中 为常数。i为简化，只取前两项： Kcp/Kp10当时Kp=Kcp时，故。0010如要求过程输出衰减比a/b=1/4，对应有 22. 04ln21ln214ab按Zeigler-Nichols规则，可得出整定Kp的迭代式。对PI调节器有Kp=0.45KcpKcp/Kp=1+41所以 41/ ) 1/(KpKcp =（1/0.45-1)/0.22 =5.5555有5555. 51KcpKp设

35、Kp当前值为Kp(n)，优化值为Kp(n+1)，其对应为，则有4 第 17 页 共 36 页 45555. 515555. 51)() 1(nKpnKp最终得到求取Kp的迭代算式：Kp(n+1)=(0.45+2.5)Kp(n)式中，n为计算次数，经过几次迭代及可是系统输出满足期望的衰减比。同理可推出PID调节器的Kp迭代算式。（2）Ti和Td整定迭代算式 在Kp整定为某一较好值时，再进一步整定Ti、Td值。对衰减比为a/b=1/4的二阶系统，有a/c=c/b=1/2，可规定：c/a1.5时，Ti增加10%；c/a2.5时，Ti减小10%；1.5c/a2.5时，Ti保持不变。故可得出Ti迭代整定

36、算式Ti(n+1)=)(2nTi式中：c/a1.5,=1.8c/a2.5,=2.21.5c/a2.5,=2Td=0.25Ti同理，可推导出要求衰减比为1/10的PID参数迭代整定算式。第第 4 4 章章 基于基于 AVRAVR 单片机的自整定单片机的自整定 PIDPID 控制器的控制器的设计与实现设计与实现4.1 控制器的功能分析参数自整定 PID 控制器作为一个能够自整定整定 PID 参数的整定器，在软硬件上主要应该能够具备以下几个功能：(1)数字量的输出模块：能够给出系统相应的激励信号，并根据实时采集到的现场输入输出数据辨识出过程的数学模型； (2)模拟信号输入模块：能够采样接入 0-5V

37、 的电压信号，能够完成 PID 自整定算法； (3)模拟信号输出模块：能根据 PID 自整定算法的需要，输出 420mA 的电流控制信号； (4)人机交互接口模块：能通过键盘进行参数的设置、修改，并能够将些实时信息以及整定的结果等通过 LCD 显示； 第 18 页 共 36 页 (5)电源模块：采用 220V 交流供电，内部通过整流滤波生成+24V、15V、5V 电压以供各模块使用。 这些模块有机地构成了参数自整定 PID 控制器。4.2 控制器的硬件电路设计4.2.1 微处理器的选择（一） 单片机的选用 针对一定的用途，恰当的选择所使用的单片机是十分重要的。对于明确的应用对象，选择功能过少的

38、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，例如指令执行速度，程序存储器容量，中断能力及IO口引脚数量等； （2)单片机的增强功能，例如看门狗，双串口，RTC(实时时钟)，EEPROM，CAN接口等； （3)单片机的存储介质，对于程序存储器来说，Flash存储器和OTP(一次性可编程)；存储器相比较，最好是选择Flash存储器； （4)芯片的封装形式，如DIP封装，PLCC封装及表面贴附

39、封装等。选择DIP封装在搭建实验电路时会更加方便一些； （5)芯片工作温度范围符合工业级、军品级还是商业级，如果设计户外产品，必须选用工业级芯片； （6)单片机的工作电压范围，例如设计电视机遥控器时，使用2节干电池供电，至少选择的单片机能够在18V36V电压范围内工作； （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。 根据上面所述的原则，结合实际情况综合考虑，本文选用ATMEL公司的90系列AT90S8535单片机作为主控模块的核心芯片。（二）AT90S8535简

40、介该单片机是基于AVR增强性能、PISC结构、低功耗、CMOS技术、8位微微控制器。它具有以下特点：（1）有4K字的Flash 程序存储器； 程序存储器一次读取一个字（16位） ，速度加快了；可反复擦写、修改程序1000次以上不损坏，便于新产片开发。（2）高速度。每个时钟周期执行一条指令，当主频8 MHz时，大多数指令仅需 第 19 页 共 36 页125 ns.AVR 运用了Harvard 结构概念，对程序和数据存储使用不同的存储器和总线，具有预取指令功能。当执行某一指令，下一条指令被预先从程序存储器中取出，这样可以在每一个时钟周期内都执行指令。（3）高度保密性。可可多次烧写的Flash 具

41、有多重密码保护、锁死功能。保密位在芯片地步，无法用电子显微镜看到。程序高度保密，避免非法窃取。（4）超功能精简指令。具有32个通用工作寄存器（均可用作累加器，克服了单一累加器造成瓶颈现象）及512字节的SRAM，可灵活使用指令寻址运算。（5）低功耗。在主频4 MHz,3 V 供电条件下，AT90LS8535工作模式只需6.4 mA 的供电电流，具有空闲、省电、掉电3中低功耗方式。掉电模式下工作电流小于1 uA。（6）工作电压范围宽（2.76.0） ，抗电源波动能力强。（7）有512 B的EEPROM（点擦写存储器） ，掉电不丢失信息，可在线改写。（8）有32个I/O口，输入/输出的方向是可以定

42、义的。输出口的驱动能力强，灌电流可达40 mA,能直接驱动LED、继电器等器件，省去驱动电路；输入口可以三态输入，也可以带内部上拉电阻。（9）有2个8位和1个16位的定时器/计数器,除定时、计数功能外，有些还具有比较匹配输出和输入捕获功能。（10）有看门狗定时器，便于程序抗干扰。程序飞走进入死循环后，能自动复位，重新启动。（11）有模拟比较器，便于发现输入模拟电压的拜年话。（12）有8路10位ADC，可直接输入模拟电压信号。（13）有2路10位和1路8位的PWM脉宽调制输出，经滤波输出模拟电压信号，可作为D/A转化器。这种模拟量输出很容易与主机隔离。（14）有UART异步串行接口，便于实现RS

43、232-C和RS485通信接口。（15）有SPI同步串行接口。（16）有独立振荡器的实时时钟。在省电模式的低功耗方式下，时钟正常工作。（17）有16种中断源。每种中断源在程序空间都有一个独立的中断向量作相应的中断入口地址。（18）除用汇编语言外，还可使用C语言编程，易学、易写、易移植。（19）有商用级产品（工作温度070摄氏度）和工业级产品（工作温度-4085摄氏度）供用户选用。（20）有PDIP40脚、PLCC 44脚及TQFP 44脚封装供用户选择。(3）晶振电路设计 由于 AT90S8535 工作在 8MHz 的频率，故选用的陶瓷振荡器是 3.3728MHz，旁路电容是 22pF，电路如

44、图 4.2.1.3 所示。 第 20 页 共 36 页 图 4.2.1.3 晶振电路 4.2.2 模拟量输入/输出通道 4.2.2.1 模拟量输入通道 输入信号是变送器送来的420mA电流信号，通过下图的电流电压转换电路，将变送器送来的电流信号转换为单片机内嵌的A/D转换器的输入电平0-5V范围内。 图 4.2.2.1 输入调理电路输入的420mA电流信号经电阻R1流向地，R1为阻值250 Q的精密电阻，这样经过限流电阻R2后，在B点得到250*(420mA)=15V的电压。通过调整VR1，在C点得到5V的电位，VR1，D0为输入电流信号过流释放通道，当输入信号超过20mA 第 21 页 共

45、36 页时，B点的电位被箝位在5V，防止过电流流入下一级，对于下一级信号调理电路起保护作用，图中U1是电压跟随器，因此D点得电位和B点相同。D点的1-5V通过以下调理方案调理到0-5V：在I/V转换电路输出信号加上一1V电压，使信号变成0V4V； 将上面调理后的信号取反并放大125倍，变成一5V0V，由图中U2组成的加法和反相放大电路完成： 再将上面信号再次取反，使输出信号与输入信号保持同相，由图中U3组成的反相放大电路完成。为保证对信号的精确调理，需要选用一个具有适当闭环增益的运算放大器，本电路选用的运算放大器是美国TI公司的OP07，它具有高输入阻抗、低输出阻抗、宽频带、较强的过载能力、足

46、够高的放大倍数、共模抑制能力强、漂移低、增益可调，是一种高性能、低价格、低温漂的精密运算放大器，其允许输入电压为014V，供电电压为3V+l8V。图4.2.2.1元器件各参数计算如下： DBVV =-()(/+/)FV37VRR DV4REV6R =-/输出V11RFV9R将=-1V，=5V，=5V代入上式，并取=R，得：EVDV输出V4R6R 5=4*（）/R11R37VRR 9R 取=20K，R=10K，则可得=12.5K11R9R37VRR 和分别是U2运放电路和U3运放电路的平衡电阻，和的值计算5R10R5R10R如下：=/()=10/10/12.53.6K5R4R6R37VRR =/

47、=20/20=10K 10R11R9R4.2.2.2 模拟量输出通道在完成AD转换，取得模拟量数据之后，单片机经过一定的算法运算处理后，经DA转换，送功率放大电路放大，才能驱动执行器。如图4.2.2.2所示。 图 4.2.2.2 模拟量输出通道框图(1)D/A转化器的选择 数字量到模拟量的转换称为DA转换，DA转换器有8位、10位、12位、16位等。DA转换器的输出多数为电流形式(如DAC0832、AD7522等)，相当于电流源，有些芯片内部设有放大器，直接输出电压信号，如AD558、AD7226等，相AT90S8535输出接口D/A 转换V/I 转换执行器 第 22 页 共 36 页当于电压

48、源。在实际使用中常选用电流输出的DAC芯片实现电压输出，DA转换器与单片机的接口形式主要决定于转换器是否带数据锁存器，DA转换器有带锁存器的，也有不带锁存器的，对于不带锁存器的DA转换器，为了保存来自单片机的转换数据，接口时要加锁存器，因此这类转换器必须在口线上；而带锁存器的DA转换器，可以把它看作是一个输出口，因此可直接接在数据线上，而不需另加锁存器。 本次设计采用8位的DAC0832、其精度已经满足系统要求。DAC0832采用单电源供电，从+5V+15V均可正常工作，基准电压的范围为10V，电流建立时间为ls，CMOS工艺，低功耗20mW。其工作方式有直通方式、单缓冲方式和双缓冲方式。直通

49、方式是第一级、第二级数据缓冲器都直通，数据一旦加在数据线（D7D0)上，DAC的输出就立即响应；单缓冲方式是DAC0832的两个输入寄存器中的一个(锁存器)处于受控锁存方式，而另一个(DAC寄存器)处于直通方式，或者两个寄存器均处于受控锁存方式，在实际应用中，如果只有一路模拟量输出，或虽有几路模拟量但不要求同步输出时，就可采用单缓冲方式：双缓冲方式是DAC0832的两个输入寄存器均处于受控状态，此时单片机要对DAC芯片进行两步写操作i第一步将数据写入锁存器(LE1=0)，第二步将锁存器的内容写入DAC寄存器(LE2=1)。这种方式的优点是数据接收和启动转换可异步进行，可在DA转换的同时，进行下

50、一数据的接收，以提高转换速度，还可以实现多个模拟输出通道同时进行转换，同步输出，此时，单片机的数据总线分时向各路DA转换器输入要转换的数字量并锁存在各自的输入锁存器中，然后单片机对所有的DA转换器同时发出控制信号，使各个DA转换器输入锁存器的数据打入DAC输入寄存器，从而实现同步输出。更多路接法可依此类推。考虑到本控制器只是单模拟量输出且单片机与D/A转换器之间是通过74LS192连接，74LS192相当于锁存器，故D/A转化器可以选择工作在直通方式。如下图4.2.2.2.2所示。 图 4.2.2.2.1 D/A 转换电路 运放的输出为： 第 23 页 共 36 页 REFOUTVDV82运算

51、放大器的输出电压与参考电压的极性相反。REFV（2）输出电路图 4.2.2.2.2 (a) 输出调理电路 图 4.2.2.2.2 (b) 输出驱动电路4.2.3 人机交互模块的设计 第 24 页 共 36 页 4.2.3.1 按键指示灯电路设计 因为微处理器系统中的单片机需要进行大量的运算和控制工作，如前面所示单片机的外围有丰富的功能模块，这就必然使得单片的资源不够用，为了减轻该单片机的负担，进一步提高系统的运行效率和稳定性，避免过多的干扰，本设计中采用系统使用了 SK5278 串行键盘控制器芯片实现键盘输入信号的采集和状态功能。SK5278 是福州贝能科技有限公司推出的采用 PIC 内核的键

52、盘控制器。该芯片采用 4 线串行接口，可与任何种类的单片机接口;它具有按键有效指示输出，可用中断方式管理键盘;其行线 X0X3 与列线 Y0Y3 可构成 44 键盘矩阵;SK5278 的 16 键键盘控制器内含去抖动处理电路，因而可直接输出键值;此外，该器件的工作电源电压范围宽达 46V;SK5278 采用 18 脚双列直插 DIP 封装形式。键盘输入电路如图 4.2.3.1 所示 图 4.2.3.1 键盘指示灯电路电路 4.2.3.2 液晶显示电路设计 液晶显示器(LCD)具有体积小、外形薄、重量轻、耗能小、工作电压低、无辐射，特别是视域宽、显示信息量大等优点。液晶显示器已被广泛应用于各种仪

53、器仪表、电子显示装置等场合，成为测量结果显示和人机对话的重要工具。液晶显示器按功能分为段位式 LCD、字符式 LCD 和点阵式 LCD，前两者只能显示有限字符，而点阵式 LCD 不仅能显示字符，还可以显示汉字及各种图形。 第 25 页 共 36 页其中，1602 字符型液晶显示模块是其中发展比较成熟的一种，应用相当广泛。它是一类专用于显示字母、数字、符号等的点阵液晶显示模块，可显示两行，每行可以显示 16 个字符。把 1602 字符型液晶显示模块应用到光电计数系统中，对工业生产的自动化十分有意义。本文采用的液晶显示就是 LMBl62ADC，其驱动电路原理图如图 4.2.3.2 所示。 图 4.2.3.2 液晶显示电路4.2.4 电源电路设计 控制器所用电源有输出级的24V、各运算放大器需要的15V、各种逻辑芯片需要的5V。24V的直流电源采用交流220V电源，经降压、整流、滤波后转换成24DC电源，作为稳压电路的输入电源和输出级的上拉电源。由电工学原理可知，单相桥式整流电路的输出负载电压与变压器二级电压的关系为，初级电压=220V，则LV2V29 . 0 VVL