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毕业设计说明书（毕业论文）过程控制系统实验装置开发 PI-P数字调节器摘 要在过程控制中，调节器是由大量运算单元组成。它们的性能直接关系到生产过程的平稳运行和产品的最终质量，与企业的经济效益息息相关，因而其优化设计具有重要的现实意义。系统稳定是调节器设计首先需要考虑的问题，如果系统不稳定，提高其它性能也就没有意义了。常规的模拟调节装置之所以采用基本PID控制方案，主要是因为它在现场能够获得直观的、有效的控制效果。因此，直到现在它仍然是一种最基本的控制规律。而采用单片机实现的数字 PID算法，由于软件系统的灵活性，使算法得到了进一步修正和完善。PID控制算法的种类很多，应用场合不同对算法的要求也有所不同。本次设计主要对积分分离式PID控制算法进行了重点的研究 ，结果证明在一定场合下积分分离式PID控制算法优于基本的PID算法。关键词：单片机；PID调节器；积分分离 Process Control System Experimental Device Development -PI-P Digital RegulatorAbstractIn the process control, regulator is comprised of a great deal of arithmetic elements. Their performance has immediate relation with smooth running in the course of production and the final quality of products. It is also closely interrelated to the economic benefit of enterprises. So it has far-reaching signification that the optimization design of PID control unites.The stability of the closed-loop system is the first consideration in the controller design. If the system is unstable, the improvement of the other performances would be not signification. The main reason that the basic PID control program can be widely used in conventional simulation regulating device is that we can get visual and effective control result in the site by it. So it still be a basic control law until now. Due to the flexibility of software system, the digital PID algorithm accomplished by micro-computer is further revised and improved. There are many types of PID control algorithm, different applications need different algorithms. This paper only study integral separation of PID control algorithm simply. The results prove that the integral separation PID algorithm is better than the conventional PID algorithm in some certain occasions.keyword：Single-chip Computers; PID regulator; Integral Separation目 录摘 要IAbstractII第一章 引 言11.1 PID控制器的现状11.2 PID控制器设计方法回顾21.3 设计PID控制器应考虑的问题2第二章 常规PID控制器32.1 控制器的基础知识32.1.1 比例作用32.1.2 积分作用42.1.3 微分作用42.2 模拟PID调节器42.3 数字PID控制算法52.3.1 位置式PID控制算法52.3.2 增量式PID控制算法62.4 数字调节器的整体设计72.4.1 功能和要求72.4.2 整体结构设计8第三章 硬件设计93.1 单片机93.1.1 单片机的发展概况93.1.2 单片机AT89C5193.2 A/D转换电路设计113.3 D/A转换电路设计133.4 复位电路设计153.5 键盘电路设计163.6 显示电路设计163.6.1 LED数码管163.6.2 显示电路17第四章 软件设计204.1 软件流程介绍204.2 数字滤波224.3 标度变换234.4 偏差处理244.4.1 较大偏差处理244.4.2 较小偏差处理244.5 不完全微分的PID算法设计254.6 积分分离算法设计274.7 限幅程序设计284.8 报警程序设计284.9 键盘程序设计294.9.1 键盘扫描294.9.2 按键处理30第五章 调节器设计中遇到的问题335.1 数字PID控制器采样周期的选择335.2 正反作用问题335.3 手动/自动无扰动切换345.4 控制规律的选择345.4.1 比例控制规律（P）345.4.2 比例积分控制规律（PI）345.4.3 比例微分控制规律（PD）345.4.4 比例积分微分控制规律（PID）355.5 PID参数整定355.5.1 PID参数对系统性能的影响355.5.2 PID参数整定355.6 调节器测试实验36结束语43参考文献44附录A 硬件图45附录B 源程序46致 谢57第一章 引 言1.1 PID控制器的现状在工业过程控制中，PID控制是历史最悠久，生命力最强的一种控制方式。它是迄今为止最通用的控制方法1。它提供一种反馈控制，通过积分作用可以消除稳态误差，通过微分作用可以预测未来9。PID控制器能解决许多控制问题，尤其在动态过程是良性的和性能要求不太高的情况下。PID控制不仅是分布式控制系统的重要组成部分，而且嵌入在许多有特殊要求的控制系统中。在过程控制中，90%以上的控制回路采用PID类型的控制器，因此，大多数反馈回路采用该方法或其较小的变形来控制。我们今天所熟知的PID控制器产生并发展于1915-1940年期间。尽管1940年以来，许多先进的控制方法不断推出，但 PID控制器以其结构简单，仍被广泛应用于冶金、化工、电力、轻工和机械等工业过程控制中。据日本电气计量器工业会先进控制动向调查委员会统计，在日本有91%的控制回路采用的是PID控制器控制。在美国，据控制工程杂志估计，有90%以上的工业控制器采用的是PID控制器。而在我国现在PID调节器的应用就更加普遍。虽然随着控制理论的发展和控制手段的更新，许多基于现代控制理论的新型控制器不断出现，但PID控制仍是最重要的控制方法。据估计：在我国过程控制工业中需要约50万个智能的PID控制器。PID调节器的发展经历了液动式、气动式几个阶段，目前正经历由模拟控制器向着数字化、智能化控制器的方向发展阶段；这些数字化、智能化的控制器有着传统的模拟控制器无法比拟的优点，如：可以灵活的改变控制参数；可以灵活的改变控制策略等。随着工业的发展，对象的复杂程度不断加深，尤其对于大滞后、时变的、非线性的复杂系统：其中有的参数未知或缓慢变化；有的带有延时或随机干扰；有的无法获得较精确的数学模型或模型非常粗糙。加之，人们对控制品质的要求日益提高，基本PID控制器的缺陷逐渐暴露出来。对于时变对象和非线性系统，基本的PID控制更是显得无能为力。因此，基本PID控制的应用受到很大限制和挑战。人们在对 PID应用的同时，也对其控制算法进行了各种改进，例如：不完全微分PID算式、积分分离PID算式、变速积分PID算式和带死区PID算式等。1.2 PID控制器设计方法回顾在过去的几十年中，人们提出了许多PID控制器的设计方法。然而，在这些方法中没有一种是能得到普遍接受的，也就是最好的控制方法依然没有找到。另一方面，也需要各种各样整定PID控制器的方法：从一些简单的整定方法到基于对象模型的更精确的设计方法。各种不同的控制问题要有不同的设计方法来解决。大多数设计方法往往仅考虑了控制问题的一个方面，例如：有些设计方法只考虑了抑制负载扰动而没有考虑设定值跟踪。一个好的设计方法应该满足一系列工程指标，如：负载扰动抑制、设定值跟踪以及控制器的非脆弱性等。许多传统的PID控制器设计方法没有对这些方面进行全面考虑，而是采用一种不能令人满意的折衷手段。1.3 设计PID控制器应考虑的问题当我们去解决一个实际控制问题的时候，首先必须弄清楚控制的主要目的，也就是找出重点要解决的问题。一般来说好的设定值跟踪和快速抑制负载扰动是两个主要控制目标10。由于一些性能指标的实现往往受到PID控制器结构形式的限制。例如：利用传统的单自由度控制器就无法同时满足设定值跟踪和负载扰动抑制的要求；线性积分器在提高系统稳态精度的同时，也带来了相位的滞后，恶化了控制系统的品质，时常引起系统快速性与稳定性之间不可调和的矛盾2。因此，对控制器的结构形式要做一些深入研究，可根据控制系统的实际要求，采用非常规PID控制器。第二章 常规PID控制器2.1 控制器的基础知识PID控制器是一种基于“过去”、“现在”和“未来”信息估计的简单算法。基本PID控制系统原理图如图2.1所示：图2.1 PID控制系统原理图 系统主要由PID控制器和被控对象组成。作为一种线性控制器，它根据设定值ysp (t)和被控对象的反馈值y(t)构成控制偏差e(t ) ，将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量P(t)，对被控对象进行控制。控制器的输入输出关系可描述为： (2.1)式中：，KP为比例系数，TI为积分时间常数，TD为微分时间常数。2.1.1 比例作用比例作用的引入是为了及时成比例的反映控制系统的偏差信号e(t)，以最快速度产生控制作用，使偏差向减小的方向变化。由于比例调节器的输出和输入成比例关系，只要有偏差存在，调节器的输出立刻与偏差成比例的变化，因此比例调节作用及时迅速，这是它的一个显著特点。但是这种调节器用在控制系统中，将会使系统出现稳态误差 ，也就是说，当被控变量受干扰影响而偏离给定值后，不可能再回到原先数值上，因为如果被控变量值和给定值之间的偏差为零，调节器的输出就不会发生变化，系统也就无法保持平衡。为了减小稳态误差，可增大KP。KP越大，稳态误差越小。但KP增大将使系统的稳定性变差，容易产生振荡。比例调节器一般用在干扰较小，允许有稳态误差的系统中。2.1.2 积分作用在积分控制中，控制器的输出与输入偏差信号的积分成正比关系。对于一个自动控制系统来说，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便偏差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。2.1.3 微分作用在微分控制中，控制器的输出与输入偏差信号的微分（即偏差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服偏差的调节过程中可能会出现振荡。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后组件，具有抑制偏差的作用，其变化总是落后于偏差的变化。解决的办法是使抑制偏差的作用的变化“超前”，即在偏差接近零时，抑制偏差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大偏差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测偏差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制偏差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。2.2 模拟PID调节器模拟PID控制器，实际上是由电阻、电容、运算放大器构成的模拟电子电路来实现PID运算的功能3。模拟PID控制电路如图2.2所示：图2.2 模拟PID控制电路图在图中，前半部分是比例微分（PD）电路，CD、RD及R1、R2组成无源比例微分电路，运算放大器A1构成同相比例放大器。后半部分是比例积分电路，CI、RI构成输入电路，CM为反馈电容，电阻RI、电容CM构成积分电路，电容CI，CM和运算放大器A2构成比例电路。输入信号uI通过PID运算电路得到输出电压信号u0。输出信号与输入信号的传递函数关系如图2.3所示：图2.3 输出信号与输入信号的传递函数关系图这就是反映PID电路的输出/输入信号的关系。为了实现较好的控制效果，需要对PID参数进行整定，调节电位器RD、RPD和RI来获得不同的比例、积分、微分作用，这就是常规的模拟PID调节的原理。2.3 数字PID控制算法控制算法是调节器的一个重要组成部分，整个调节器的功能主要由控制算法来实现。由于计算机技术的发展，数字PID控制器正在逐渐取代模拟PID控制器。数字PID控制算法通常分为位置式PID控制算法和增量式PID控制算法4。2.3.1 位置式PID控制算法在模拟控制系统中，PID算法的表达式为： （2.2）式中：P(t)- 调节器的输出信号； e(t)- 调节器的偏差信号，它等于测量值与给定值之差； KP- 调节器的比例系数；TI- 调节器的积分时间；TD- 调节器的微分时间。由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，因此必须对（2.2）式进行离散化处理，用数字形式的差分方程代替连续系统的微分方程，此时积分项和微分项可用求和及增量式表示： （2.3） （2.4）可得到离散的PID表达式： （2.5）式中：t=T - 采样周期，必须使T足够小，才能保证系统有一定的精度；E(k) - 第k次采样时的偏差值；E(k-1) - 第k-1次采样时的偏差值；k - 采样序号，k=0，1，2，.；P(k) - 第k次采样时调节器的输出。由于（2.5）式的输出值与阀门开度的位置一一对应，因此通常把上式称为位置型PID控制算式。这种算法的缺点是：由于全量输出，所以每次输出都与过去的状态有关，计算时要对e(k)进行累加，计算机运算的工作量大。因为计算机的输出对应的是执行机构的实际位置，如果计算机出现故障，P(k)的大幅度变化，会引起执行机构的位置的大幅度变化，这种情况往往是生产实践中不允许的，在某些场合，还可能造成重大的生产事故，因而产生了增量式PID控制算法。2.3.2 增量式PID控制算法当执行机构需要的是控制量的增量时，由（2.5）式可导出提供增量的PID控制算法。根据递推原理可得： （2.6）用式（2.5）减去（2.6），可得 （2.7）式(2.7)称为增量式PID控制算法。可以看出，由于一般计算机控制系统采用恒定的采样周期T，一旦确定了KP，KI，KD只要使用前后三次测量值的偏差，即可由(2.7) 式求出控制增量。当采用增量式控制算法时，计算机输出的控制增量P(k)对应的是本次执行机构位置(如阀门开度)的增量。对应阀门实际位置的控制量，目前采用较多的是利用算式P(k)=P(k-1)十P(k)通过软件来完成。增量式控制虽然只是在算法上作了一点改进，但却带来了不少的优点：（1）由于计算机输出增量，所以误动作时影响小，必要时可用逻辑判断的方法去除。（2）手动自动切换时冲击小，便于实现无扰动切换。此外，当计算机发生故障时，由于输出通道或执行装置具有信号的锁存作用，故能保持原值。（3）算式中不需要累加，控制增量P(k)的确定仅与最近三次的采样值有关，所以较容易通过加权处理而获得较好的控制效果。但增量式控制也有其不足之处：积分截断效应大；溢出的影响大。因此，在选择时不可一概而论，一般认为在以晶闸管作为执行器或在控制精度要求高的系统中，可以采用位置式控制算法。而在以步进电机或电动阀门作为执行器的系统中，则可采用增量式控制算法。2.4 数字调节器的整体设计2.4.1 功能和要求本次设计的数字调节器应能达到以下功能和要求：(1)可以人为方便地设定被控变量的设定值，调节器能自动将被控变量调节至此设定值并能保持，直至重新设定为另一设定值，即能自动调节；(2)能够实现被控变量的实时显示功能；(3)能够实现输入输出处理，且具有抗积分饱和功能；(4)具有手动/自动无扰动切换功能；(5)设计简单易懂，可靠性好，不容易出现故障，易于维护等优点。2.4.2 整体结构设计该调节器的硬件部分主要由单片机AT89C51、A/D转换器TLC0832、D/A转换器DAC0832、人机接口部件(44矩阵键盘和LED数码管)等组成。数字式PID调节器总体结构图如图2.4所示：图2.4 数字式PID调节器总体结构图A/D转换器是把检测装置输出的模拟信号转换成数字信号送到单片机中，单片机把输入的测量值与给定值进行偏差计算，并对偏差进行处理，将经过处理的偏差按照相应的PID运算规律进行计算，计算的结果（即单片机输出的控制量）是数字量，而执行器往往需要的是模拟量，通过D/A转换器，把单片机输出的数字量转换成模拟量去驱动执行器。人机交互换接口（键盘和显示）在设计中也是必不可少的，它是控制系统与操作人员之间交互的窗口。这样操作人员可以通过显示的内容，及时掌握生产情况，并通过键盘修改数据，传递命令，对控制系统进行人工干预，使其随时能按照操作人员的意图工作。 软件部分采用C51 编程，C51是一种结构化的语言，具有灵活、高效等优点。同汇编编程相比，整个程序可读性和结构化较好，算法的实现也较汇编语言简单。第三章 硬件设计3.1 单片机3.1.1 单片机的发展概况目前，计算机硬件技术向巨型化、微型化和单片三个方向高速发展。自1975年美国德克萨斯仪器公司第一块单片微型计算机芯片TMS-100问世以来，在短短的二十多年间，单片机技术已发展成为计算机技术一个非常有前途的分支，他有自己的技术特征、规范、发展道路和应用领域。单片机是为了满足工业控制需要而诞生的，是自动控制系统的核心部件，因而也主要用于工业控制、智能化仪器仪表、家用电器中。它具有体积小、个性突出（某些方面的性能指标大大优于通用微机中央处理器）、价格低廉等优点，应用领域正在不断扩大，除了工业控制、智能化仪表、通讯、家用电器外，在智能化高档电子玩具产品中也大量采用单片机芯片作为核心控制部件5。3.1.2 单片机AT89C51AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，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1000次以上。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AT89C51是一种高效微控制器。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价格低廉的方案。图3.1 AT89C51引脚图VCC：供电电压。GND：接地。P0口：作为I/O口使用时，P0口是漏级开路双向口，向口锁存器写入1，I/O引脚将悬空，可作高阻输入引脚；在读写外部存储器时，P0口作为“低8位地址/数据”总线使用。P1口：内部带有弱上拉电阻的双向I/O口，作为输入引脚使用前，先向P1口锁存器写入1，使P1口引脚被上拉为高电平。P1.0、P1.1引脚除了作为一般I/O引脚使用外，还具有第二输入/输出功能：T2(P1.0)：定时器T2的计数输入端或定时器T2的时钟输出端；T2EX（P1.1）：定时器T2外部触发输入端。P2口：内部带有弱上拉电阻的双向I/O口，作为输入引脚使用前，先向P2口锁存器写入1，使P2口引脚被上拉为高电平。在读写外部存储器时，P2口输出高8位地址A15A8。P3口：内部带有弱上拉电阻的双向I/O口，作为输入引脚使用前，先向P3口锁存器写入1，使P3口引脚被上拉为高电平。P3口除了可作为一般I/O引脚使用外，还具有 第二输入输出功能：P3.0 RXD：串行数据接收（输入）端；P3.1 TXD：串行数据发送（输出）端；P3.2：外部中断0输入端；P3.3 ：外部中断1输出端；P3.4 T0：定时/计数器T0的外部输入端；P3.5 T1：定时/计数器T1的外部输入端P3.6 ：外部数据存储器写选通，低电平有效；P3.7 ：外部数据存储器读选通，低电平有效；RST：复位信号输入端。高电平有效。ALE：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。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。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。：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，每个机器周期两次有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的信号将不出现。/VPP：外部程序存储器选择信号，低电平有效。当/VPP引脚接地（即低电平）时，将从外部程序存储器读取指令码；当/VPP引脚接高电平时，将从内部程序存储器读取指令。XTAL1：片内晶振电路反相放大器输入端；XTAL2：片内晶振电路反相放大器输出端。3.2 A/D转换电路设计 A/D转换器用以实现模拟量向数字量的转换。按转换原理可分为4种：计数式、双积分式、逐次逼近式及并行式A/D转换器。目前最常用的是双积分式和逐次逼近式。双积分式A/D转换器的主要优点是转换精度高、抗干扰性能好、价格便宜；缺点为转换速度较慢。因此这种转换器主要用于转换速度要求不高的场合。另一种常用的A/D转换器是逐次逼近式。逐次逼近式A/D转换器是一种转换速度较快、精度较高的转换器，其转换时间大约在几微秒到几百微秒之间。本次设计模/数转换器采用的是8位逐次逼近型电压A/D转换器TLC0832，它有两个可多路选择的输入通道CH0、CH1。图3.2 TLC0832工作时序与多路器控制逻辑图TLC0832的多路器可用软件配置为单端输入或差分输入。差分的模拟电压输入可以共模抑制和使模拟输入电压偏移值为零。另外，输入基准电压可以调整大小，在全8位分辨率下允许任意小的模拟电压编码间隔。当连到分配为正端的输入电压低于分配为负端的输入电压时，转换结果为全0。由于该设计只需要将被测信号进行转换即可，所以采用单通道输入。图3.3 TLC0832接线图置 为低电平才能启动转换开始，使所有逻辑电路使能。在整个转换过程中必须置为低。在转换过程中，转换数据从DO端输出，以最高位开头。经过8个时钟后，转换完成。当变高，内部所有寄存器清零。此时，输出电路变为高阻状态。如果希望开始另一个转换， 必须做一个从高到低的跳变，后面紧接地址数据。DI和DO端可以连在一起，通过一根线连到单片机的一个双向I/O口进行控制。之所以能这样做是因为DI端只在多路器寻址时被检测，而此时DO端仍为高阻状态。3.3 D/A转换电路设计D/A转换器的作用是将计算机输出的数字量转换成模拟量，是模拟量输出通道的重要组成部分，其精度和性能直接影响着控制效果。从D/A转换位数上来说，有8位、10位、12位、16位等，按其工作方式可分并行和串行两种。DAC0832为一个8位D/A转换器，单电源供电，在+5V+15V范围内均可正常工作。基准电压的范围为10V，电流建立时间为1s，CMOS工艺，低功耗20mW。DAC0832由8位输入寄存器、8位DAC寄存器和8位D/A转换器构成。DAC0832中有两级锁存器，第一级即输入寄存器，第二级即DAC寄存器。DAC0832可处于三种不同的工作方式5：直通方式：当ILE接高电平，、和都接地时，DAC处于直通方式，8位数字量一旦到达DI7DI0端，就立即加到8位D/A转换器，被转换成模拟量。 图3.4 D/A转换部分硬件图单缓冲方式 ：只要把两个寄存器中的任何一个接成直通方式，而用另一个锁存器数据，DAC就可处于单缓冲工作方式。一般的做法是将和都接地，使DAC寄存器处于直通方式，另外把ILE接高电平，接端口地址译码信号，接单片机的信号，这样就可以通过一条指令，选中该端口，使和有效，启动D/A转换。双缓冲方式 ：主要在以下两种情况下需要用双缓冲方式的D/A转换。需在程序的控制下，先把转换的数据送入输入寄存器，然后在某个时刻再启动D/A转换。这样，可先选中端口，把数据写入输入寄存器；再选中端口，把输入寄存器内容写入DAC寄存器，实现D/A转换。在需要同步进行D/A转换的多路DAC系统中，采用双缓冲方式，可以在不同的时刻把要转换的数据送到各DAC的输入寄存器，然后由一个转换命令同时启动多个DAC转换。先用3条输出指令选择3个端口，分别将数据写入各DAC的输入寄存器，当数据准备就绪后，再执行一次写操作，使变低同时选通2个D/A的DAC寄存器，实现同步转换。由于本次设计的调节器的输出只有一个，所以只要DAC0832工作在直通方式下即可。3.4 复位电路设计图3.5 复位电路图3.5(a)是最简单的复位电路，在VCC和RST端接一电容量为22uF左右的电解电容，利用RST内部复位下拉电阻RRST(40K220K)便构成了复位电路。接通电源瞬间，电容C上的电压很小，复位下拉电阻RRST上电压接近电源电压，即RST为高电平，在电容充电过程中，RST端电位逐渐下降，当RST端电位小于某一数值后，单片机脱离复位状态。只要电容C容量足够大，即可保证RST高电平有效时间大于24个振荡周期，单片机就能可靠复位。图3.5(b) 复位电路与图3.5(a)类似，仅增加了外接电阻R1和二极管VD。二极管VD的作用在于停电后，给电容C提供迅速放电通路，保证再上电时RST为高电平，使单片机可靠复位。正常工作时，二极管VD反偏，对电路没有影响，而断电后，VCC逐渐下降，当VCC=0时，相当于VCC端与地等电位，这时电容C通过VD迅速放电，放电通路为C正极电源VCC端（与地等电位）二极管VD正极二极管VD负极C负极，保证再上电时，RST端为高电平。图3.5(c)增加了手动复位按钮，避免死机时通过关机复位。复位按钮按下时，电容C通过R2放电，当电容C放电结束后，RST端的电位由R2、R1分压比决定。由于R2R1，因此RST为高电平，单片机进入复位状态，松手后，电容C充电，RST端电位下降，单片机脱离复位状态。R2的作用在于限制按钮按下的瞬间电容C的放电电流，避免产生火花，以保护按钮的触点。3.5 键盘电路设计键盘实际上是由排列成矩阵形式的一系列按键开关组成的，它是单片机系统中最常用的人机联系的一种输入设备，可分为编码键盘和非编码键盘。闭合键的识别由专用的硬件译码器实现并产生键编号或键值的称为编码键盘，如 BCD 码键盘、ASCII 键盘等。这种键盘使用方便，但价格较贵。靠软件识别的称为非编码键盘。在此设计中，键盘用来设定目标温度、PID 参数，以及控制系统的工作状态转换。本次设计采用非编码键盘。非编码式键盘一般采用行列式结构并按矩阵形式排列，如图3.6所示：图3.6 44行列式键盘的基本结构示意图44表示有4根行线和4根列线，在每根行线和列线的交叉点上均分布1个单触点按键，共有16个按键。 3.6 显示电路设计3.6.1 LED数码管LED数码显示是一种由LED发光二极管组合显示字符的显示器件。它使用了8个LED发光二极管，其中7个用于显示字符,1个用于显示小数点，故通常称之为7段(也有称作8段)发光二极管数码显示器。其内部结构如图3.7所示：图3.7 LED数码管内部结构图LED数码显示器有两种连接方法：共阴极接法：把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极，使用时公共阴极接地。每个发光二极管的阳极通过电阻与输入端相连。共阳极接法：把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极，使用时公共阳极接+5V。每个发光二极管的阴极通过电阻与输入端相连。 单片机与LED数码显示器有以硬件为主和以软件为主的两种接口方法。3.6.2 显示电路在单片机系统中，通常用 LED 数码管来显示各种数字或符号。由于它具有显示清晰、亮度高、使用电压低、寿命长的特点，因此使用非常广泛。对于多位数码管来说，为了简化线路、降低成本，往往采用以软件为主的接口方法，即不使用专门的硬件译码器，而采用软件程序进行译码。由于各位数码管的显示段码是互相并联的，因此在同一时刻只能显示同一种字符。对于这种接口电路来说，其显示方法有静态显示和动态显示两种。 动态显示：如果要在同一时刻显示不同的字符，从电路上看，这是办不到的。因此只能利用人眼对视觉的残留效应，采用动态扫描显示的方法，逐个地循环点亮各位数码管，每位显示1ms左右，使人看起来就好像在同时显示不同的字符一样。在进行动态扫描显示时，往往事先并不知道应显示什么内容，这样也就无从选择被显示字符的显示段码。为此，一般采用查表的方法，由待显示的字符通过查表得到其对应的显示段码。这种方式耗电少、硬件成本低，但需占用较多的单片机时间，故在工业控制中应用较少。静态显示：所谓静态显示，就是在同一时刻只显示1种字符，或者说被显示的字符在同一时刻是稳定不变的。其显示方法比较简单，就是利用锁存器将各显示单元锁定，直到更新显示内容为止。它的优点是软件不必动态扫描，送出段码后可锁存，直到需更改显示字符，软件简单，占用单片机时间较少，工作可靠，同时由于始终保持显示所以亮度较好。由于本系统需要对控制信号进行实时操作，故采用静态显示方式以减少单片机的负担。系统显示电路包括LED数码管及LED指示灯两部分，如图3.8所示：图3.8 显示部分硬件图LED数码管显示电路采用四片首尾相连的74LS164作为LED数码管的静态显示锁存器。芯片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管脚)为串行数据输入端，2个引脚按逻辑与运算规律输入信号，公用一个输入信号时可并接，本次设计中将其接到AT89C51的RxD端，CLK(第8管脚)为时钟输入端，连接到AT89C51的TxD端。每一个时钟信号的上升沿加到CLK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。 (第9脚)为复位端，当=0时，移位寄存器各位复0，只有当=1时，时钟脉冲才起作用。故在本次设计中将接到+5V。Q1Q8(第3-6和10-13引脚)并行输出端分别接LED的aDp各端对应的引脚上。74LS164具有10mA的输出电流，可以直接输出驱动LED数码管，但考虑到LED长期运行于10mA以上会缩短其寿命，故串入电阻加以限流。LED指示灯的作用是对较大偏差进行报警、对调节器的工作状态进行指示。其电路相对比较简单，由于AT89C51单片机I/O端口的驱动能力可直接对LED指示灯进行驱动，因此无需对LED指示灯进行额外的驱动。电路中的电阻是为保护LED而设置的限流电阻。第四章 软件设计4.1 软件流程介绍在系统启动后，先要对系统进行初始化，初始化的主要目的是对一些变量和参数进行赋初值，然后启动A/D转换，将输入的05V的电压信号转换成数字量0255。数据采集及数字滤波子程序，是对A/D转换的数字量进行采集，将采集到的四次数据进行平均值数字滤波，该平均值作为本次数据采集的采集结果。数字滤波是为了减少干扰在有用信号中的比重。标度变换子程序是将采集到的测量值（0255）转换成0100%，这样做主要是为了统一变量，为工程计算提供方便。键盘子程序包括两个部分：键盘扫描和键盘处理两个部分。键盘扫描是对键盘的按键位置进行判断，并读取相应按键的键号，键盘处理是根据键盘扫描后得到的按键键号，赋予相应的标志位。手动自动切换（控制状态的改变）就是通过键盘改变标志位来实现的。手动控制实际上是通过增加键和减小键改变输出值实现的，该输出值是在自动运行的基础上改变的。为了实现手动自动无扰动切换，需要将手动输出值进行保存。一旦切向自动，输出等于切换瞬间的手动控制量与自动控制增量之和，这就实现了手自动无扰动切换。系统进入自动控制后，首先需要进行偏差计算，然后进行偏差处理，偏差处理可分为较大偏差处理和较小偏差处理。较大偏差处理是为了防止微分响应过大的偏差变化率。当偏差较小时，经PID计算出的控制增量几乎为零，根据控制性能指标可以将其忽略不计。这时就不进行PID运算，输出保持不变。在PID计算中，首先计算比例增量，然后再计算微分增量，微分计算采用不完全微分算法，该算法能够按照偏差的变化趋势在整个调节过程中起作用，其微分作用是逐渐下降的，不易引起振荡。积分部分采用的是积分分离算法，当偏差|E(k)|A时，积分增量为0；当偏差|E(k)|A时，计算积分增量。然后把比例增量、积分增量和微分增量求和，作为调节器的输出增量。将该增量与本时刻采样时的输出相加求和，并对其进行限幅处理，然后将该数据送到单片机的数据口进行D/A转换输出模拟控制信号。图4.1 整体软件流程图4.2 数字滤波所谓数字滤波，就是通过程序计算或判断以减少干扰在有用信号中的比重，故实际上它是一种程序滤波。与模拟滤波器相比，数字滤波具有以下优点：（1）数字滤波是用程序实现的，不需要增加硬件设备，所以可靠性高，稳定性好。（2）数字滤波可以对频率很低（如 0.01Hz）的信号实现滤波，克服了模拟滤波器的缺陷。（3）模拟滤波器通常每个通道都要有，而数字滤波则可以做到多个通道共用，从而降低成本。（4）数字滤波器可以根据信号的不同，采用不同的滤波方法或滤波参数，具有灵活、方便、功能强的特点。随着单片机运算速度的提高，数字滤波法在实时数据采集系统中的应用也越来越广。常用方法有算术平均值法，比较取舍法，中位值滤波法及一阶惯性数字滤波法。（1）算术平均值滤波法就是对某一点的数据连续采样多次，计算其平均值，以平均值作为该点的采样结果。算术平均值法适用于具有随机干扰的信号滤波。这种信号的特点是信号本身在某一数值范围附近上下波动，如测量流量、液位时经常遇到这种情况。（2）比较取舍法是对每个采样点连续采样几次，根据所采数据的变化规律确定取舍办法。当控制系统测量的个别数据存在偏差时，为了剔除个别错误数据，可采用比较取舍法。（3）中位值滤波法是对某一被测参数连续采样几次(一般 N 取奇数)，将 N 次采样值按从大到小顺序排列，取中间值为本次采样值。中位值滤波法能有效地克服偶然因素引起的波动或采样器不稳定引起的误码等脉冲干扰。对温度、液位等缓慢变化的被测参数采用此法极为有效，而对于流量、压力等快速变化的参数一般不宜采用此方法。（4）一阶惯性滤波法是用数字滤波算法等效一阶惯性 RC 模拟低通滤波器来抑制低频干扰。在滤波常数要求较大的场合比较适用，其对于周期性干扰（如 50Hz 的工频干扰）具有良好的抑制作用。但也存在相位滞后，灵敏度低等不足。本次设计数字滤波部分采用的是平均值滤波法。4.3 标度变换生产过程中的各种参数都具有不同的量纲和数值变化范围，例如：温度的单位为，流量的单位为m3/h，压力的单位为Pa或MPa。所有这些参数都需要经过变送器转换为电信号，再经A/D转换成计算机所能处理的数字量。由于不同的参数变化范围和量纲是不同的，因此同样的数字量表示的模拟量也可能是不同的，如数字量FAH，可能表示的是150的温度，也可能表示的是50V的直流电压；即使相同的量纲，如果变化范围不同，相同的数字量表示的模拟量也是不同的，例如温度的变化范围是0200，则数字量FFH表示的是200，而变化范围是-100100时，数字量FFH表示的则是100。为了生产过程及该调节器的通用性需要，必须把这些数字量转换成相应的不同量纲的物理量，使之便于显示、记录、打印和报警等操作。这种转换被称为标度变换或工程量转换。常用的标度变换方式是线性标度变换，其前提条件是被测参数值与A/D转换结果为线性关系。线性标度变换的公式为： （4.1）式（4.1）中，A0为一次测量仪表的下限，Am为一次测量仪表的上限，Ax为实际测量值（工程量），N0为仪表下限所对应的数字量，Nm为仪表上限所对应的数字量，Nx为测量值所对应的数字量。为了使程序设计简单，一般把一次测量仪表的下限A0所对应的A/D转换值置0，即N0=0。上式可简化为： （4.2）在很多测量系统中，仪表的下限值A0=0，此时，其对应的N0=0，上式可进一步简化为： （4.3）本次设计中的标度变换就是将数字量（0255）转换成0100%，这样做主要是为了在工程计算中更加方便。4.4 偏差处理在偏差计算完后，还要对偏差进行处理，才能进行PID运算。偏差处理包括较大偏差处理和较小偏差处理两部分。4.4.1 较大偏差处理在自动控制中，有些时