单片机串行数据采集及PID控制的设计

鞍山科技大学本科生毕业设计（论文） I单片机串行数据采集及 PID 控制的设计摘 要 自从 1975 年美国 Texas 公司推出 TMS-1000 系列单片机以来，单片机技术的发展十分迅速。世界上许多著名公司已开发出多种各具特色的产品。由于它具有功能强，体积小，价格便宜，功耗低，稳定可靠和使用方便等优点，所以单片机已成为研制和开发数据采集系统的理想选择。本文论述的是本系统是如何实现的。首先，数据采集模块实现对数据的采集。第二，通过传输模块完成从单片机到 PC 机的通信。最后，使数据在 PC 机上显示，并通过 PID 实现控制。由于本系统自身具有较高的精确度，而且在工作过程中还省去了不少手工工作，这就使系统的可靠性进一步的提高。因为已经开发出比较成熟的产品，所以本系统已经应用于各行各业，如工业生产，环境监测，参数测量等一系列实践当中。Visual Basic 语言的出现，即是对程序语言的丰富，也是对数据采集系统功能的完善。VB 语言具有可视化语言的特性，尤其是 Picture Box 控件，对数据采集系统功能的完善具有很大帮助，使采集来的数据能形象的显示出来，使整个系统更有亲和力。本系统还应用到了数据库方面的技术，如数据库的设计、存储及连接等。由于系统具有较高的现实性和应用价值，所以，它具有很好的发展空间，并会向着高精度、高可靠性、系统结构简单、功能完善的方向进一步发展。关键词：数据采集，精确度，VB 语言，PID 算法，数据库鞍山科技大学本科生毕业设计（论文） IIThe Design of Collecting Data of Single Chip Microcomputer and PID ControlAbstractOn 1975,Texas company of American produces series of TMS-1000 single-clip computer. Since the year of 1975 ,the development of single-clip computer technique is very rapidly.A lot of famous companies have developed kinds of products. Because of its advantage of strong function,tiny volume,cheap,low power,stabilization，using convenient and so on, single-clip computer has been the ideal selection of manufacturing and developing the system of data collect.This paper introduces how to complete the system.Firstly,collecting data module completes collection of the data.Secondly,it accomplishes communication between single-clip computer and PC by transmision module.At last,it can display in PC,and complete controlling by PID algorithm.Because this system has the characteristic of highly precision on itself, and also passing over a lot of manual working in the process of producing,so it makes the system having more highly precision.Because some companies have developed product,which is quite mature,so this system has applied to kinds of professions.For example, industry producing,environment supervision,parameter surveying and so on.However,the appearance of Visual Basic language,not only which is abundant to the procedure of language,but also consummating the function of the system of data collecting. Visual Basic language which has the characteristic of visual language ,especially Picture Box component, which is helpful to the consummation of this system function,make the data of collecting display easily and also make the system more easily closed to.The technique of database is also applied to this system.For example,designing,conserving,connecting and so on. Due to the reality and the value of application of this system, therefor, it has a better development space.It also develops in the direction of highly precision,highly reliable, simplely construction,consummated funtion.Keywords:data of collecting,precision,VB language,PID algorithm,database 鞍山科技大学本科生毕业设计（论文） III目 录摘 要 .IABSTRACT.II1 绪 论.11.1 选题背景 .11.2 本系统的发展前景 .22 程序设计部分.42.1 系统的总体设计 .42.1.1 需求分析.42.1.2 系统的综述及模块划分.42.1.3 系统的总体程序流程图.52.1.4 软件开发工具的选择.62.2 基于下位机部分的汇编程序设计 .72.2.1 数据采集模块的程序设计.72.2.2 下位机系统与 PC 机串行通信的程序设计.112.3 基于 PC 机上的 VB 程序设计 .122.3.1 在 PC 机上的 VB 程序总体设计.122.3.2 数据库部分的程序设计.132.3.3 PC 机上的通信程序设计 .152.3.4 数据显示程序设计.182.3.5 PID 算法的设计 .23结 论 .27致 谢 .28参考文献 .29附录 A（外文文献） .30鞍山科技大学本科生毕业设计（论文） IV附录 B（中文译文） .37鞍山科技大学本科生毕业设计（论文） 11 绪 论1.1 选题背景随着社会经济的迅速发展和科学技术的全面进步，及计算机事业的飞速发展，以计算机及通信技术为基础的数据采集系统正处于蓬勃发展的时期。随着科技水平和理论水平的显著提高，科技工作者对检测数据的精度要求越来越高。因此，全自动化的单片机数据采集系统随之产生。它的出现给数据采集技术带来了前所未有的发展。数据采集技术水平的高低，不但标志着企业的科技能力，而且还是一个国家综合国力的象征。在没有以计算机及通信技术为基础的数据采集系统之前，数据采集处于一个什么样的状况。第一，在没有数据采集系统之前，数据的采集完全处于人工采集状态，这样就给工作者带来了巨大的工作量和难度。人工采集需要有工作人员时时刻刻都在采集对象面前观察情况，以记录即时数据。一旦发生异常情况，工作人员必须立即作出调整。还有就是在采集完数据之后，数据分析对工作人员来说也是一个不小的难题。第二，人工采集数据存在的最大问题就是采集来的数据是否可靠，也就是说工作人员的粗心或视觉误差而带来的数据不准确是不可避免的。第三，人工采集的精度只局限在一定范围内可调。由于人眼视觉特性的限制和设备的不完善，不可能都达到我们所需要的精度。所以，测量精度只能局限在一定范围之内，这也是限制人工采集乃至科学技术发展的一个重要问题。分析完人工采集的状况和它都具有哪些缺点之后，可以得出这样一个结论：全自动化单片机数据采集系统可以对科学技术的发展和社会进步产生巨大的推动作用，它还会给企业带来意想不到的经济效益和社会效益。下面就来说明一下本系统都能应用在哪些方面。第一，它可以应用在工业控制系统中，如对温度、流量和压力等参数进行的测量和控制。由于在一些企业中，工作环境比较恶劣和危险，如钢厂、电站、矿山等一系列重工业，如果完全靠人工采集数据，那么就会给工作人员带来极大危险和不便，容鞍山科技大学本科生毕业设计（论文） 2易促使事故的发生。一旦应用了本系统，就会完全消除这种危险，而且还可以提高企业的生产效率。第二，对空气、水质等一系列环境的监测，也可以应用这套单片机数据采集系统。首先应该说明的是环境监测是一项长期的工作，如果要是利用工作人员长时间对数据进行采集，那就会浪费十分宝贵的人力资源。所以，人们可以采用这套系统即时的对环境进行监测。第三，本系统还可以应用在各种安保系统中，例如感应保险门，它需要用户在进入此门之前触摸感应系统，感应系统就会采集到信号，通过单片机的处理和分析，确认此人的信息是否在列表中。如果存在，就会反馈允许通过的信号，反之，就反馈不允许进入的信号。其实，这也是一种单片机数据采集系统。其实，单片机数据采集系统还可以应用到社会中的其它各行各业。在这里就不一一介绍了。但需要说明的一点是，本系统的发展是建立在传感器发展基础之上的。从以上的分析看，这种系统的应用范围相当广泛。所以，它的需求量一定相当可观。因此，就应该在现有的技术条件下，开发最理想和最实用的系统来迎合大家的需求。1.2 本系统的发展前景通过上面的分析，可以肯定的是此系统的发展前景相当可观。下面从以下几个方向阐述一下此系统的未来。第一，此系统会向着高精度、高可靠性的方向进一步发展。由于个别行业的需要，如空间探索，医疗卫生等一系列高端科技，它们所需要系统的性能必须特别可靠。如果出现一点偏差，那就会造成不可预测的后果。所以，单片机数据采集系统必然会向着这个方向发展。第二，它还会向着简单，便捷的方向发展。比如空间探索自然就需要最轻的设备，因为运载火箭或航天飞机不可能承受过多的负重。并且，任何使用者都希望自己所使用的设备简单、便捷，操作起来非常容易，因此，向这方面发展是必然的趋势。第三，随着各种软件在 PC 机上的应用，在 PC 机上我们可以方便的对单片机采集来的数据进行处理及显示。这种通过系统与 PC 机通信并且在 PC 机上显示所采集来的数据的多功能系统，会使系统变得更有亲和力。这也是基于各种软件发展的一种发展鞍山科技大学本科生毕业设计（论文） 3方向。各种行业所需要的系统的特点是不一致的，这就要求系统向着更多的方向发展。在这里就仅举以上这几个例子。上面是本次所设计题目目前的发展状况，以及未来的发展趋势。而下面的设计是在此基础上来进行的。鞍山科技大学本科生毕业设计（论文） 42 程序设计部分2.1 系统的总体设计2.1.1 需求分析本系统可以应用在很多方面。下面就以测量高压锅炉的温度为例子。比如某企业需要对其锅炉的温度进行测量和监测，而高压锅炉的温度在 0 到 1000的范围内变化，精确度为 0.1，并希望高压锅炉的温度能够稳定在 800。这就相当于一个企业的实际需求。下面就按着相应的要求进行系统的设计。2.1.2 系统的综述及模块划分本次设计的单片机数据采集系统及 PID 算法的总体流程为：首先，由传感器采集模拟信号，然后由模数转换电路将模拟信号转变为数字信号，再由单片机对信号进行处理和串行传输，然而由单片机输出的电平是 TTL 电平，它不能被 PC 机识别，所以必须经电平转换电路进行电平转换，而后与 PC 机进行通信。在 PC 机上，应用 VB 程序设计语言编写程序，实现图象的显示和利用自行开发的 PID 算法对系统进行回控。因此本系统主要分为六大模块：数据采集模块、下位机系统与 PC 机串行通信模块、基于 VB 语言的图形显示、PID 算法的设计、数据库的建立及访问。具体的要求如下：（1）数据采集时，采集来的数据的精确度要精确到小数点后一位，而整数位为三位，这样每个测量值就由四位数组成。因而就需要用十位二进制表示，而且考虑到数值前的正负号和为了扩大测量范围，因而选择用十二位二进制数表示。（2）考虑到传感器的采集速度、模数转换速率、单片机的传输数率，并保证采集来的数据与数据之间不被覆盖，设定系统与 PC 机的串口通信的波特率为 4800 bps。并且采用半双工的方式进行传输。（3）在 VB 语言的 Picture Box 控件中，添加新的窗体，在其程序代码中编写坐标显示程序，并刻画出坐标刻度。横轴表示时间，纵轴表示温度。时间的单位长度为 5分钟，温度的单位长度为 100。鞍山科技大学本科生毕业设计（论文） 5（4）在 PID 算法的设计当中，采用的是积分分离式控制算法。由于在实际应用中，测量值有时候往往与理想值的差距较大，这样就带来了较大的超调量。位置式 PID 算法和增量式 PID