二阶环节电压跟踪控制系统的设计讲解

1、计算机硬件课程设计报告二阶环节电压跟踪控制系统的设计学 生:专 业:班 级:重庆大学自动化学院2011年9月目录0.弓丨言31. 系统要求32. 硬件系统的设计32.1. 电路组成32.2. 各部分硬件设计 42.2.1二阶环节电路 42.2.2主控电路设计42.2.3单片机核心控制模块52.2.4. 数模转换器DAC083252.2.5. 模数转换器ADC574A62.3. 操作方式63. 系统软件设计74. 数据记录85. 参考文献9附录一 控制电路原图 10附录二组员分工10附录三程序流程图11附录四程序代码12附录五心得体会14二阶环节电压跟踪控制系统的设计摘要：搭建一个二阶环节，设计

2、一个控制器输出作用于电路输出端使其能够跟踪0-5V范围内的任意阶跃信号。并通过示波器显示输出信号曲线。同时人机交互接口，如键盘、 显示器可以设置和显示信号参数，满足控制精度小于土 5%调节时间小于5秒。关键字：二阶环节，单片机，A/D转换，D/A转换，标度转换0.引言为了更好的熟悉计算机控制技术，熟悉单片机的编译和操作环境，结合计算机软件 和硬件知识，使所学的计算机相关知识得到更好的巩固和应用，并更好的结合实际的使 用环境。故设计了二阶环节电压跟踪控制系统，本系统的主要实现功能和要求有：1）设计并搭建二阶环节电路，绘制完整的控制系统框图和电路原理图；2）分析和论述系统采用的主要单元的工作原理和

3、特性；3） 完成二阶环节电压跟踪控制的程序设计（如：系统初始化；主程序；A/D转换； D/A转换；标度变换；显示和键盘管理；控制算法；输出等）；4）对控制系统进行系统联调。1. 系统要求按任务书搭建二阶环节；可以进行人机界面交换，通过控制器输出作用可以跟踪由 二阶环节电路输出端输出的一定范围内电压阶跃信号，并使控制精度和调节时间满足任务书要求。2. 硬件系统的设计2.1电路组成设计系统的主芯片由SST89E554R单片机构成，用以实现主电路的控制和系统相关 算法的的实施，采用DAC0832专换器与AD574转换器进行数字电压信号和模拟电压信号 间的转换，并用万用表或者示波器进行数字的显示。该系

4、统由89E554R单片机、DAC0832 AD574 4M键盘、示波器等元器件构成。通过 4M键盘将期望电压信号值输入单片机， 单片机进行标度转换处理将信号输入 DAC0832将数字电压信号转换成模拟信号作用于二阶环节电路的输入端，通过二阶环节电路的输出端将所得电压信号输入示波器进行显 示，与此同时将所得电压信号输入 AD574进行模数转换，通过示波器或者万用表显示其 数据，将所得数字信号反馈至单片机与期望值进行比较、处理，从而使二阶环节电路所 得信号达到期望值。其电路构成框图如图 1所示：图1控制系统框图2.2各部分硬件设计2.2.1二阶环节电路根据任务书要求，已将二阶环节电路给出，其电路由

5、电阻、电容、运算放大器构成, 有延迟等作用，其电路图如图2所示。图2二阶环节电路图2.2.2主控电路设计主控芯片采用SST89E554R单片机对电路进行控制，接口图如图 3所示，P20P23 口接键盘 Y1丫4（键盘X1X4接开关0），P00P07 口接DAC0832的D0-D7 口，P10 P17口接 AD574的 D4D11 口，P25 口、P26 P27口分别接 AD574的 A0 口、WF口与 STS 口； DAC0832的WF与CS口接地，OUTS二阶环节电路的输入端，二阶环节电路的输出端接示波器和AD574的10VIN 口； AD574的12/8 口与CS口接地。系统中单片机运用控

6、制算法对电压期望和反馈的实际电压数值进行分析比较和运算，并输出调节信号，通过D/A转换输出调整电压，作用于二阶环节电路的输入端，使示波器显示出期望电压信号 波形图。其中二阶环节电路输出的实际电压信号通过AD574转换后反馈至单片机。总之，系统设计的目标是通过对输出电压的跟踪使输出电压达到期望值。2.2.3 单片机核心控制模块该系统采用了 SST89E554F单片机作为控制核心。SST89E554R是美国SST公司8位 微处理器FlashFlex51系列的成员，是采用先进的SuperFlash CMOS导体技术设计和 制造，是采用8051的指令集，并和标准的8051控制器管脚兼容，嵌入Super

7、Flash存 储器，器件带有 72/40Kbyte的片内FLASHEEPRO存储器，使用了 SST公司专利的CMOS SuperFlash EEPROM技术，FLASH存储器可用标准的87C5X OTP EPROM程器来烧录， 在上电复位时，单片机可以配置成外部主机的从属设备，以源代码存入，也可以做外部主机的控制机，执行IAP操作。还具有掉电保存信息功能uooocaao P容和显示模式等信息保存在匚|以由掉电后主控制器可将显示内Gxu0-1DL山el-L J_4ftft-L U l 0 亡后可以rnmrnr TTrnnm叮注二注耳图3 SST89E554RC单片机接口tu s S bo Jtx

8、Prtttt Ql shs Uzz li*2 7W2.2.4 数模转换器DAC0832数模转换器DAC083是8分辨率的D/A转换集成芯片。与微处理器完全兼容。D/A转换 器由8位输入锁存器、8位DA寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。DAC0832主 要参数如下：分辨率为8位，转换时间为1卩s,满量程误差为土 1LSB参考电压为（+10-10）V,供电电源为+5V+15V,逻辑电平输入与TTL兼容。本设计只需一个模拟量输出， 因此，DAC0832的输出采用单缓冲输出方式。其接受从单片机送来的数字信号，并将其 转换为可在0V+ 5V范围内变化的模拟信号，此信号输出至二阶环节电路模块，

9、从而调节该模块的输出功率。数模转换器DAC0832与单片机SST89E554F的接口电路如图4所示。Apip-R7-U311i-1 C4 1 jJT-n -iurC2 sLJfmiIL业T1唱直GOJAR2DOSFeFDIZ汕DI1DDVAfiFRJ8Mg。和BIT110忖J53181+13工11- -aP1C-U1IRLlRD 测 2!R8TFQ.WAD4 POJm哼 用的阳 用】肌旳PZEf/G 甩即UQRll幽空撇总EAFZMQP1HFZfiftUP3MXDP1.1F11说P12P13P32TII1U pajiHTM +P3.WC5.1I ET P1D3B33呱啤%强U3221ZZ8 U

10、2 gDID Dll ?R.EIOUTD82DHJ /D0i fREIFDi5iSMT OiPOIFMSP89IH1DIsniMIB1SKRilM.KOI 1C8VEEZLimr- TC-Tur+itTEE 1 ( n i m lfti:, , B:冲:；， !-1ZV ! !,B .,1 r i i r b r |-.R5- ： ri-m-【七.JJ5图4控制系统电路原理图225模数转换器AD574A模数转换器AD574A是12位逐次逼近式A/D转换芯片，8位A/D转换模式下对应的数字 量输出为OOH-FFH以及相应的通道抵制锁存用译码电路，其转换时间为25卩s左右。二阶环节电路输出将电压信

11、号输入模数转换器AD574A转换后的数字量输入到单片机SST89E554F中。上图因软件中不存在AD574A故采用AD167设计电路图。在实际操作过 程中，12/8 与C取地，A0接P2.5 , R/C接单片机 P2.7,STS接 P2.6。2.3操作方式打开keil软件 建立newproject，选择SST89E554F芯片，设置参数，建立 C语言文 件，编写试验程序，保存，按照硬件连线方法进行连线，打开试验箱，打开keil调试，执行程序，按下键盘按键，在示波器上得到电压变化曲线，并用万用表测得输出端电压， 按RET可进行复位。3. 系统软件设计在程序设计时先对程序进行初始化，定义变量赋值，

12、定义键盘输入电压。然后判断键盘控制的输入电压，启动 A/D转换器，读取A/D转换器的STS脚是否为低电平。若为 高电平，则返回继续检测STS管脚的电平状态。STS一旦变为低电平，则单片机读出A/D 转换器的输出结果，计算反馈电压值，并计算误差，然后进行误差积分，判断误差绝对 值是否大于5%若大于5%则在PID算法式子中加入积分环节，并计算 PID输出值， 然后将PID输出值转换成数字信号输出至 D/A转换器中进行数模转换。然后程序重新返 回至初始化之后，进行下一轮，由此反复。在D/A转换中，单片机中PID算法输出值化成数字量之后，通过P0 口输给DAC0832 转换器进行数模转换，最终将模拟信

13、号输入给后面的二阶电路。由于DAC0832勺控制口在试验箱上都已经通过硬件连接的方法连好，所以DAC083咨目当于是直通的。这个过程的相关程序：t=kp*e1+b*ki*e+kd*(e1-e2);out=(t+5)*127)/5;if(out255)out=255;if(out pj.ioai mfim rajiTn 叮J3OT1旳远fztiTT.g：卑 ii ET- F11C4:M1lDc T-EP注：因proteus软件中，不存在AD574芯片，所以电路设计过程中采用的AD167替代, 在实际实验过程中，采用的AD574芯片。附录三：程序流程图附录四：程序段代码/数字量输出/积分分离变量#

14、in elude float kp=5,ki=0.00001,kd=3;float e1=0,e2=0,e=0;float u=2.5,t;sbit p27=P2A7;sbit p25=P2A5;sbit p24=P2A4;sbit p26=P2A6;sbit p23=P2A3;sbit p22=P2A2;sbit p2 仁 P2A1;sbit p20=P2A0;int out;int b=0;int i;void mai n()P2=0Xff;while(1)if(p20=0)while仲20);u+=0.5;if(p21=0)while(!p21);u-=0.5;if(u5)u=0;if(

15、u-0.5&e1255) out=255;if(out0) out=0;P0=out;/上次误差值/ R/C=1 AD574 的输出读 AD574计算采样电压值/ 一次误差/误差累积/判断是否用积分项采用积分分离的PID控制算法/计算PID输出值/输出数字量计算/使输出数字量在范围内/输出给DA附录五心得体会一周的时间虽然很短，但是学到了很多。现代的工业控制基本都是利用工业计算机 对参数以及生产过程的控制。所以，我们在学习了计算机控制技术的理论知识后进行此 次课程设计显得很有必要，也很有意义。在经过这一周的课程设计后我学会了很多东西, 这是在课本以及理论的课堂所得不到或者不是那么真切的体会到的。我们这一组在这次课程设计过程中，发挥团队精神，互帮互助，达到了分组合作的 目的，为今后科研或者工作打下基础。可以说这次课程设计意义非凡，它不是纯粹的计算机控制课程设计，还涉及到以前 学的自动控制原理等，以前在自动控制课程设计上，要求的是在电脑上模拟的，而在这 里，是进行了实物演练的。总的说来，通过这次课程设计，使我在传统的自动控制的观 念上向计算机控制的方向跨出了一大步。该实验训练了使用汇编语言编写程序的能力，并且锻炼了解决问题的能力，掌