基于单片机的智能调节器设计毕业论文.doc

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1、毕业设计说明书题 目：基于单片机的智能调节器设计79内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）基于单片机的智能调节器设计摘 要智能仪器就是以单片机为主体，将计算机技术与测量控制技术结合在一起而组成的“智能化测量控制系统”。智能仪器具有自动操作、数据处理和友好的人机对话等传统仪器无法比拟的优点，因而在各个领域都有着广泛的应用。随着微电子技术和信息技术的发展，智能仪器将会向着微型化、多功能化和网络化的方向发展。本设计以高性能的80C196KB单片机为核心，辅以必要的外围器件，来完成调节器的各项功能。同时，本调解器还具备了初步的智能化。在硬件电路设计中，本文详细介绍了各电路模块的设计方法，并且也给出了

2、键盘、显示、通讯和打印的外围电路设计；在软件设计部分，本文介绍了单片机软件程序的流程和设计。本文还讨论了软硬件抗干扰的方法。最后，针对设计中的问题和不足，提出了一些建议和改进方法。关键词：智能仪器；调节；单片机；PID控制内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）The Design of Intelligent Regulator Based on MCUAbstractIntelligent instrument is a kind of intelligent measuring and controlling system that combines computer technolog

3、y and measuring and controlling technology with MCU being its main body. Intelligent instrument has many strong-points which traditional instrument hasnt, such as automatic operation, data processing and friendly man-machine conversation function. So, it can be applied widely in all kinds of fields.

4、 With the rapid development of microelectronics and information technology, intelligent instrument will develop in micromation, multifunctional and network direction.This design take the high-performance MCU 80C196KB as the core, and auxiliary by necessary periphery component, to complete the regula

5、tors functions. At the same time, this regulator also has the preliminary intellectualization. On the hardware circuit design, this paper describes various circuit modules in detail, and also gives the peripheral circuit design of the keyboard, the display, the communication and the print; In the pa

6、rt of software design, this paper shows the compiling and flow of software of MCU. Finally, in view of the problems and insufficiencies in this design, some recommendations and advices are presented.Key words: Intelligent Instrument; Regulate; MCU; PID Control内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）目 录摘 要IAbstractII第一章

7、 引 言11.1 调节器概述11.2 模拟调节器21.3 数字调节器31.4 智能调节器31.4.1 智能调节器的结构31.4.2 智能调节器的特点和基本功能51.4.3 智能调节器的优越性6第二章 智能调节器方案选择72.1 微处理器的选择72.2 控制算法的选择82.2.1 PID控制的基本原理82.2.2 PID控制算法及特点9第三章 智能调节器硬件电路设计173.1 智能调节器硬件电路总体方案设计173.2 最小单片机系统设计183.2.1 80C196KB单片机183.2.2 地址锁存器74LS373的应用213.2.3 程序存储器27128的应用223.2.4 静态数据存储器626

8、4的应用243.2.5 译码器74LS138的应用253.3 前向通道设计263.3.1 数据选通器4052A的应用263.3.2 运算放大电路273.3.3 A/D转换283.4 人机交互接口设计293.4.1 键盘电路设计293.4.2 显示系统设计323.5 后向通道设计363.5.1 D/A转换363.5.2 V/I转换373.6 通信接口设计383.6.1 通信接口标准的选择383.6.2 MAX485芯片简介393.6.3 MAX485在智能调节器中的应用393.6.4 单片机与PC机串行通信系统构成403.7 电源设计403.7.1 直流稳压电源的组成403.7.2 直流稳压电源

9、的原理403.7.3 直流稳压电源的应用413.8 其它芯片的应用423.8.1 看门狗芯片MAX705的应用423.8.2 8D触发器74LS273的应用433.8.3 总线收发器74LS245的应用44第四章 智能调节器软件系统设计454.1 主程序设计454.2 功能子程序设计464.2.1 A/D转换子程序464.2.2 标度变换子程序474.2.3 键盘子程序484.2.4 显示子程序504.2.5 PID控制算法子程序514.2.6 D/A转换子程序52第五章 智能调节器抗干扰设计535.1 干扰的形成535.2 硬件抗干扰设计535.2.1 切断干扰传播路径535.2.2 提高敏

10、感器件的抗干扰性能545.2.3 本设计中的其它抗干扰措施545.3 软件抗干扰设计555.3.1 看门狗技术555.3.2 数字滤波法565.3.3 开关量的软件抗干扰56第六章 调试与总结576.1 系统调试576.2 设计总结58参考文献59附录A 硬件电路连接图61附录B 源程序62致谢78内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第一章 引 言在过去的几十年中，传统的电动单元组合仪表曾在工业测控领域里发挥过重要作用，但是随着科技进步，工业生产中的自动化程度越来越高，使得许多传统的单一功能的模拟仪表已不能完全满足生产过程及工业现场控制系统的需要。近年来，随着电子信息技术的快速发展，新型的

11、以数字技术为核心的多功能仪表得到了较快的发展。这种新型仪表与传统产品相比，其功能特点、集成化程度、智能化程度都有显著提高，适应了时代的发展。基于单片机的智能调节器就是这样一种新型仪表。该调节器以80C196KB单片机系统为核心来完成对系统各部件的监视和调节功能。1.1 调节器概述最早的过程控制是人工控制的。首先，人通过视觉进行检测；然后，用大脑进行判断和决策；最后，再由人手控制。在生产过程中，人起到了检测仪表、控制器、执行器三大作用。随着生产的不断发展和技术水平的不断提高，生产过程变得越来越复杂，一些自动控制装置正逐渐代替人工操作。模拟调节器可以代替人的分析、判断、决策功能，再配上检测仪表、自

12、动执行器以及各种二次仪表，就可以使生产过程控制具有合理的一致性。采用模拟或数字控制器对生产过程的某一或某些物理参数进行自动控制，称为过程控制。随着微机、微处理器技术的迅速发展，把微机、微处理器引入仪表，代替人的分析、判断、决策功能，充分利用了其运算速度快和逻辑判断能力强等优点，既能完成常规仪表所实现的自动控制，又能解决常规调节器只能控制一个参数而无法运行较复杂的信息交换的问题，还可以进行集中控制和集中管理。回顾调节器的发展过程，从使用的器件来看，它经历了真空管时代晶体管时代集成电路时代大规模集成电路时代四个阶段；而从调节器的工作原理来看，它也经历了模拟仪器数字仪器智能仪器等不同的阶段1。1.2

13、 模拟调节器调节器将来自变送器的测量值与给定值相比较后产生的偏差进行比例、积分、微分（PID）运算，并输出统一标准信号（420mA或15V），去控制执行机构的动作，以实现对温度、压力、流量、液位以及其它工艺变量的自动控制。模拟调节器的原理图如图1.1所示。在该单回路控制系统中，由于扰动作用使被控变量偏离给定值，从而产生偏差 (1.1)式中 偏差；测量值；给定值。调节器接受偏差信号后，按一定的运算规律输出控制信号，作用于被控对象，以消除扰动对被控变量的影响，从而使被控变量回到给定值上来。图1.1 单回路控制系统原理框图被控变量能否回到给定值上，以及以怎样的途径，经过多长时间回到给定值上来，即控制

14、过程的品质如何，这不仅与对象特性有关，而且还与调节器的特性，即调节器的运算规律有关。调节器的运算规律就是指调节器的输出信号与输入偏差之间随时间的变化规律。习惯上称0为正偏差；0时，对应的输出信号变化量y0，则称调节器为正作用调节器；若0，则称调节器为反作用调节器2。在工业生产中较常用的模拟调节器主要有DDZ-型调节器及DDZ-型调节器。但这些模拟调节器都已慢慢地被数字调节器及更先进的智能调节器所取代。1.3 数字调节器在数字控制系统中，用数字调节器来替代模拟调节器。其调节过程是先把过程参数进行采样，并通过模拟量输入通道将模拟量变成数字量。这些数字量由计算机按一定控制算法进行运算处理，运算结果由

15、模拟量输出通道输出，去控制执行机构的动作，从而实现对温度、压力、流量、液位以及其它被控变量的自动控制。数字调节器具有与常规模拟调节器同样的外部特性，其输入/输出信号制与DDZ-型电动单元组合仪表相同（输入信号15V，输出信号420mA）；保持了常规模拟调节器的操作方式，正反板几乎相同，其指示表头和操作键盘的布置也相差不大；采用了微计算机及其配套芯片，在不增加任何外电路芯片的情况下，即可通过编制适当用户程序，方便地增加调节器功能，功能价格比较高；提供了通讯功能。1.4 智能调节器微电子技术和计算机技术的不断发展，引起了调节器结构的根本性变革。以微型计算机为主体，将计算机技术与检测技术有机结合，组

16、成新一代“智能化调节器”。智能化调节器不仅解决了传统调节器不易解决或不能解决的问题，还能简化仪表电路，提高仪表可靠性，实现高精度、高性能、多功能的目的，迅速地在各个领域得到了广泛的应用。1.4.1 智能调节器的结构智能调节器就是一种数字化的过程控制仪表，其外表类似于一般的盘装仪表，而其内部是由微处理器（可能是8位的中央处理器：280，8085等，也可能是各种单片机：8051系列、8098系列等）、RAM、ROM、模拟量与数字量I/O通道及独立的电源等基本单元组成的一个微型计算机系统。可以说除控制点的区别之外，它的功能与现场控制站大同小异。一般有单回路、2回路、4回路或8回路的调节器，控制方式有

17、单闭环控制、串级控制、信号选择及前馈控制和按预定曲线进行程序控制等，控制算法PID控制、直接数字控制、最优控制、模糊控制和神经网络控制等。智能调节器实际上是一种通用的调节仪表，由硬件和软件两部分组成，其结构原理图如图1.1所示。图1.1智能调节器的结构原理图(1) 硬件部分由于被测参数多为非电量，利用传感器将测到的非电量转换为电信号，大多数传感器产生的信号都很微弱，通常只有V或mV量级，必须用高输入阻抗的运算放大器对它们进行放大，使达到一定的幅值，还要进行滤波，滤除各种干扰信号。若信号的大小与A/D转换的输入范围不一致，须进行电平转换，必要时要加程控增益放大器对信号分段放大以保证转换精度。一般

18、被测量为几路或几十路，采用多路开关对被测信号进行切换，使各路信号共用一个A/D转换器。若模拟信号变化比较缓慢，可以直接加到A/D转换器的输入端，如果信号变化较快，为了保证A/D转换的正确性，要加采样保持器。转换后的数字信号送入单片机，单片机根据测量值进行相应的数据运算和处理，可将结果送显示和打印。单片机还可把运算结果与存储器中存放的设定值进行比较，采用改进的PID控制算法，向执行部件输出控制信号，以将被测参数稳定在设定值。如被测炉温超过上限值或低于下限值时，给出报警信号，进行相应操作。此外，智能调节器还可以与PC机组成分布式测控系统，由单片机作为下位机采集各种测量信号和数据，通过串行通信接口将

19、信息传送给上位机PC机，再由PC机进行更复杂的数据处理或进行全局监控。(2) 软件部分主要包括监控程序、接口管理程序和数据处理程序三大部分。监控程序面向调节器的键盘和显示器，帮助实现从键盘输入数据或进行功能设置、控制，完成显示器对处理后的数据以数字、字符、图形等形式显示的任务；接口管理程序主要完成数据采集、数据存储、通信等任务；数据处理程序主要完成数据滤波、运算、分析等任务。1.4.2 智能调节器的特点和基本功能智能调节器在测量过程自动化、测量数据处理及功能多样化方面与传统调节器的常规测量电路相比，取得了较大的进展。(1) 特点 开发性强，可靠性高； 性能好，精度高； 智能化； 具有友好的人机

20、对话能力； 具有可程控操作的能力。(2) 基本功能 可进行多通道、多参数巡回检测； 能进行数据分析和处理； 提供多种形式的数据输出，可方便地与网络、外设及其它设备进行数据交换； 可作为自动控制的信息反馈环节，把检测与控制结合起来； 可通过改变程序或采用可编程的方法增减仪器功能和规模来适应不同的环境和对象； 自校准、自诊断、触发电平自动调整、量程自动调整和各种报警功能3。1.4.3 智能调节器的优越性 智能仪器与传统仪表相比较：(1) 传统测控仪表对于输入信号的测量准确性完全取决于仪表内部各功能部件的精密性和稳定性，在其内部某些部件发生故障时仍进行测量，测量结果的正确性不能保证。智能仪表可采用自

21、动校准技术来消除仪器内部所产生的漂移电压；(2) 传统仪表的校准通常与更高一级的同类仪表进行对比测量来实现，智能仪器提供了一种先进而方便的自动校准方法；(3) 智能仪器在提高仪器可靠性方面也明显优于传统仪表。通常设有自检功能。所谓自检，就是仪器对其自身各主要部件进行的一种自我检测过程，目的是检查各部件的状态是否正常，以保证仪表的正常运行。自检一般可分为开机自检、周期性自检和键控自检三类；(4) 智能仪器内含单片机，可充分利用单片机对于数据的处理能力，最大限度地消除仪器的各种误差。第二章 智能调节器方案选择智能调节器的方案选择主要包括微处理器的选择及控制算法的选择两大部分。2.1 微处理器的选择

22、智能调节器的核心是微处理器，智能调节器的硬件和软件的设计与微处理器的选择有着密切的关系，它的结构、特性对调节器的性能有很大影响。因此，微处理器的选择在本设计中就显得尤为重要。微处理器的选择要从价格、字长、输入/输出的执行速度、编程的灵活性、寻址能力、中断功能、直接存储器访问（DMA）能力、配套的外围电路芯片是否丰富以及相应的开发系统是否具备等多方面进行综合考虑。在实际微处理器的选择中，我们往往会感到许多型号的微处理器都能满足设计要求，这时微处理器的选择主要取决于设计人员对某种微处理器的熟悉程度。随着超大规模集成电路技术日新月异地发展，微处理器的功能在不断增强，价格在不断下降。因此，我们在设计新

23、产品时应尽量采用新器件以优化设计方案。目前，微处理器正向着两个方向发展：一是研制功能更强，速度更快的16位、32位、64位高档微处理器以及与其相配套的存储器和I/O接口芯片；二是在一块芯片上集成多种功能的电路，构成完整的单片微型计算机。应该特别指出的是，高集成度、功能强的单片机的发展给智能仪器的实现带来了极大的方便。单片机用于智能仪器具有下述优越性：单片机具有较高速度的数据计算能力。例如MCS-51，MCS-96系列单片机的时钟频率已扩展至24MHz，其中MCS-96还具有16位乘16位和32位除以16位的除法指令，使运算速度大为提高。单片机具有较强的控制功能。例如MCS-51具有的布尔处理功

24、能，包括一套位处理指令和位控制输入输出功能，非常适用于仪器仪表的控制。单片机本身就是一个结构完备的计算机，内含丰富的I/O接口。例如MCS-51含有32线并行I/O接口、两个16位定时/计数器、一个全双工的串行口和一个内部RAM区等部件，从而大大简化了仪器的硬件结构，降低了仪器的造价。相对于增强型的MCS-51，MCS-96系列单片机内还具有A/D转换和D/A转换脉宽调制输出。因而，80年代以来开发的智能仪器几乎都带有一片或多片单片机4。综合考虑，本设计采用了Intel公司MCS-96系列单片机中的80C196KB单片机作为智能调节器的核心。2.2 控制算法的选择智能调节器的核心是控制算法。基

25、本的控制算法有：程序控制和顺序控制；PID控制；直接数字控制；最优控制；模糊控制；神经网络控制等。其中，PID控制技术最为成熟，控制结构简单，参数容易整定，且不必求出被控对象的数学模型就可进行调节。因此，本设计的智能调节器采用改进型的PID控制算法。2.2.1 PID控制的基本原理PID控制器本身是一种基于对“过去”、“现在”和“未来”信息估计的简单控制算法。常规的PID控制系统原理框图如图2.1所示，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，它根据给定值和实际输出值构成控制偏差，将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。图2.1 P

26、ID控制系统原理框图在连续控制系统中，PID控制器的输出u(t)与输入e(t)之间成比例、积分、微分的关系。即 (2.1)式中：，为比例增益，为积分时间常数，为微分时间常数。在计算机控制系统中，使用比较普遍的也是PID控制策略。此时，数字调节器的输出与输入之间的关系为 (2.2)其中：、分别为比例系数、积分时间常数和微分时间常数；T为采样周期；k为采样序号，k = 0，1，2，；为第k次采样时刻的计算机输出值；为第k次采样时刻输入的偏差值；为第(k-1)次采样时刻输入的偏差值。PID各控制参数对系统的动态和稳态性能有不同的影响。简单来说，PID控制器各校正环节的作用如下：(1) 比例环节 及时

27、成比例地反映控制系统的偏差信号e(t)。偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。(2) 积分环节 主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数，越大，积分作用越弱，反之则越强。(3) 微分环节 能反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。2.2.2 PID控制算法及特点2.2.2.1 PID控制器的两种主要算法PID控制器主要有两种算法，位置式算法和增量式算法，下面分别讨论两种算法的特点。(1) 位置式PID控制算法位置式PID控制算法原理框图如图2.2所示。图2

28、.2 位置式PID控制算法原理框图因为计算机控制是一种采样控制，式(2.1)中的积分和微分项不能直接使用，需要对其进行离散化处理。现以一系列的采样时刻点kT代表连续时间t，以和式代替积分，以增量代替微分，则可作如下近似变换 (2.3) (2.4) (2.5)将算式简化表示为，于是得到控制器输出 (2.6) (2.7)其中：为比例增益，为积分系数，为微分系数，。在位置型算法中，由于全量输出，所以每次输出均与原来的位置量有关，计算时要对e(k)进行累加，容易造成积分饱和，计算机运算工作量很大。而且，因为计算机输出的u(k)对应的是执行机构的实际位置，如计算机出现故障，u(k)的大幅度变化，会引起执

29、行机构位置的大幅度变化，可能造成重大的生产事故，往往不适合用于生产实践中，因而产生了增量式PID控制算法。(2) 增量式PID控制算法增量式PID控制算法的原理框图如图2.3所示。图2.3 增量式PID控制原理框图根据位置式PID控制算法，导出提供增量的PID控制算法。根据递推原理可得 (2.8) (2.9) (2.10)其中：，。它们只是与采样周期、比例增益、积分时间常数和微分时间常数相关的常数。增量式控制算法与位置型控制算法相比，具有以下优点： 由于微机输出增量，所以误动作时影响小，必要时可用逻辑判断的方法去掉； 在位置型控制算法中，由手动到自动切换时，必须首先使微机的输出值等于阀门的原始

30、开度，即，才能保证手动/自动无扰动切换，这将给程序设计带来困难。而增量型设计只与本次的偏差值有关，与阀门原来的位置无关，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，故仍然能保持原值； 算式中不需要累加。控制增量的确定仅与最近次的采样值有关，所以较容易通过加权处理而获得比较好的控制效果。但增量式控制也有不足之处：积分截断效应大，有静态误差，溢出的影响大等。因此，应该根据被控对象的实际情况加以选择。一般认为，在以晶闸管或伺服电动机作为执行器件，或对控制精度要求较高的系统中，应当采用位置型控制算法，而在以步进电动机或多圈电位器作执行

31、器件的系统中，则应采用增量型控制算法。综合考虑，本设计采用增量式PID控制算法。2.2.2.2 PID控制算法的改进由于实际被控对象的复杂性，普通的PID控制算法通常很难满足控制要求，需要对PID控制算法进行改进，主要的改进算法有以下几种：(1) 积分项的改进在PID的控制中，积分的作用是消除残差。为了提高控制性能，对积分项可采取以下三条改进措施： 积分分离在一般的PID控制中，当有较大的扰动或大幅度改变给定值时，由于此时有较大的偏差，以及系统有惯性和滞后，故在积分项的作用下，往往会产生较大的超调和长时间的波动。特别对于温度、成分等变化缓慢的过程，这一现象更为严重。为此，可采用积分分离措施，即

32、偏差较大时，取消积分作用；当偏差较小时才将积分作用投入。积分分离PID算法可表示为 (2.11)其中该算法的优点是：缩短了调节时间。当偏差值较小时，采用PID控制，可保证系统的控制精度；当偏差值较大时，采用PD控制，可使超调量大幅度降低。 变速积分的PID算式在普通的PID控制算法中，由于积分系数是常数，所以，在整个控制过程中，积分增量不变。而系统对积分项的要求是，系统偏差大时积分作用减弱以至全无，而在小偏差时则应加强。否则，积分系数取大了会产生超调，甚至积分饱和，取小了又迟迟不能消除静差。因此，如何根据系统的偏差大小改变积分的速度，这对于提高调节品质是至关重要的。变速积分PID较好地解决了这

33、一问题。它的基本思想是设法改变积分项的累加速度，使其与偏差大小相对应：偏差越大，积分越慢，反之则越快。为此，设置一系数，它是的函数，当增大时，减小，反之增大。变速积分的积分项表达式为 (2.12)与偏差当前值的关系可以是线性的或高阶的，如设其为 (2.13)将式(2.12)代入位置型PID算式，可得变速积分PID的完整形式 (2.14)变速积分PID与普通PID相比，具有以下优点：完全消除了积分饱和现象，大大减少了超调量，适应能力强，参数整定容易。 遇限削弱积分PID控制算法该算法的基本思想是：当控制进入饱和区以后，便不再进行积分项的累加，而只执行削弱积分的运算。先判断是否超出限制值，若超出，

34、则只累加负偏差，否则，累加正偏差。(2) 微分项的改进 不完全微分PID控制算法普通的PID控制算式，对具有高频扰动的生产过程，微分作用响应过于灵敏，容易引起控制过程振荡，降低品质。尤其是微机对每个控制回路输出时间是短暂的，而驱动执行器动作又需要一定时间，如果输出较大，在短时间内执行器达不到应有的相应开度，会使输出失真。为了克服这一缺点，同时又要使微分作用有效，可以在PID控制输出串入一阶惯性环节，这就组成了不完全微分PID调节器，其原理框图如图2.4所示。图2.4 不完全微分PID调节器原理框图不完全微分PID位置型控制算式 (2.15)式中 （衰减因子）该算法的优点是：不但能抑制高频干扰，

35、而且克服了普通数字PID控制的缺点。数字调节器输出的微分作用能在各个周期里按照偏差变化趋势，均匀地输出，真正起到了微分作用，改善了控制系统的性能。 微分先行PID控制算法为了避免给定值升降给控制系统带来冲击，如超调量过大，调节阀动作剧烈，可采用如图2.5所示的微分先行PID控制方案，它和普通PID控制的不同之处在于，只对被控量微分，不对偏差微分，也就是说对给定值无微分作用。图2.5 微分先行PID控制原理框图其控制算式为 (2.16)该算法先对输出量微分。其优点在于避免因提降给定值时所引起的超调量过大或阀门动作过分剧烈而产生振荡等，适用于给定值频繁提降的场合。(3) 纯滞后Smith预估控制在

36、工业控制中，不少控制对象往往具有纯滞后的性质。对象的滞后性质，会导致控制作用不及时，引起系统超调和振荡。当对象t很大时，常规PID控制难以适应，控制过程严重超调，稳定性甚差，可以应用Smith预估控制，其原理框图如图2.6所示。图2.6 Smith预估计控制原理框图 (2.17)式中：，2.2.2.3 PID控制算法的特点PID这样简单的控制器，能够适用于如此广泛的工业与民用对象，并仍以很高的性价比在市场中占据着重要地位，充分地反映了PID控制器的良好品质。总的来说，PID控制的优点主要体现在以下两个方面：(1) 原理简单、结构简明、实现方便，是一种能够满足大多数实际需要的基本控制器；(2)

37、控制器适用于多种截然不同的对象，算法在结构上具有较强的鲁棒性。确切地说，在很多情况下其控制品质对被控对象的结构或参数摄动不敏感。但从另一方面来讲，控制算法的普适性也反映了PID控制器在控制品质上的局限性。具体分析，其局限性主要来自以下几个方面：(1) 算法结构的简单性决定了PID控制比较适用于SISO最小相位系统，在处理大时滞、开环不稳定过程等难控对象时，需要通过多个PID控制器或与其它控制器的组合，才能得到较好的控制效果；(2) 算法结构的简单性同时决定了PID控制只能确定闭环系统的少数主要零极点；闭环特性从根本上只是基于动态特性的低阶近似假定的；(3) 出于同样的原因，决定了单一PID控制

38、器无法同时满足对假定设定值控制和伺服/跟踪控制的不同性能要求5。第三章 智能调节器硬件电路设计3.1 智能调节器硬件电路总体方案设计本设计主要是以Intel公司MCS-96系列的80C196KB单片机芯片为核心，辅以各外围芯片及电路，通过对输入被测信号的检测及智能化处理，进而输出控制信号，以对被控参数进行调节。本设计的硬件电路总体方框图如图3.1所示。由图可见，被测电压信号通过放大电路进行放大，变成05V信号后，从P0.0口输入到单片机80C196KB。在单片机内，经A/D转换以后的信号以数字量形式通过数字滤波及线性化处理后输出到显示驱动芯片MAX7219进行显示；同时，这些数据经PID运算及

39、D/A转换后，将由单片机的PWM口送出，通过平滑滤波及V/I转换后，转换成420mA的控制信号。本设计的外围电路包括：44矩阵式键盘；打印机接口；看门狗芯片及与上位机通信的接口芯片等。图3.1 智能调节器硬件电路总体方框图3.2 最小单片机系统设计最小单片机系统就是指能使单片机工作所需的一些必备功能器件。在本设计中主要包括单片机芯片80C196KB、地址锁存器74LS373、程序存储器27128、静态数据存储器6264及译码器74LS138。3.2.1 80C196KB单片机继MCS-51系列8位单片机后，Intel公司于1983年推出MCS-96系列16位单片机。该系列单片机无论从硬件结构，

40、还是从指令系统都做了较大改进，特别适合测控对象复杂，数据处理量大，实时性要求较高的应用场合。如导弹制导控制，电子对抗，高性能汽车自动控制，工业机器人，高性能智能仪器等。3.2.1.1 80C196KB的特点本设计所使用的80C196KB单片机其主要性能特点如下：(1) 高性能的16位CPU，主频12MHz，采用了寄存器堆运算逻辑部件（RALU）。该CPU的最大特点是采用了寄存器-寄存器结构，CPU直接面向256B的寄存器空间，消除了累加器结构中存在的瓶颈效应，提高了操作速度和数据吞吐能力；(2) 具有8KB的内部程序存储器，内部程序存储器可以加密；具有256B的内部寄存器和专用寄存器，其中内部

41、寄存器为232B，它兼有通用寄存器和高速RAM的功能；(3) 与MCS-51相比，单片机内部增加了许多高性能功能部件，如I/O器（HSIO），特别适合快速脉冲的测量和生产；多通道10位A/D转换器，特别适合多路数据采集、智能仪器和工业控制系统等应用领域；脉宽调制输出（PWM），可用于直接驱动电机类的执行元件，或滤波后获得直流输出，作为D/A转换器使用；外设事务服务器（PTS），专门用于处理外设中断事务，和普通中断服务过程相比，它能够提供类似于直接存储器存取DMA(Direct Memory Access)的响应，大大减少了CPU的软件开销，从而提高了单片机的信息处理速度；(4) 有4条高速触发

42、输入线和6条高速脉冲输出线，同时具有两个16位定时器；另外还有4个受高速输出部件控制的软件定时器；具有9个中断源和8个中断优先级；(5) 8XC196XX内的A/D转换器多具有转换位数（有8位和10位）可选择、采样和转换时间可选择的特点，比8096中的A/D更灵活；(6) 运算能力和运算速度大大提高。在12MHz频率输入下，可实现16位加法运算（1s），16位16位乘法和16位16位除法运算（6.5s）。许多指令既可用于双操作数，也可用于三操作数，大大提高了指令效率，平均指令执行时间为1s2s；(7) 可使用面向工业控制的高级语言。如C语言、FORTH语言、PL/M语言等。本设计所用的80C1

43、96KB，是继8096BH之后，Intel公司推出的高性能CHMOS16位单片机8XC196XX系列中的一种。CHMOS芯片耗电少，除正常工作外还可工作于2种节电方式：待机方式和掉电方式，进一步减少了芯片的功耗。3.2.1.2 80C196KB的引脚介绍80C196KB是Intel公司的CHMOS型16位单片机8XC196XX系列的一种。它有68条引脚，如图3.2所示：图3.2 80C196引脚图由于芯片引脚较多，下面仅对本设计所涉及的主要引脚的功能予以描述：VCC：主电源电压（+5V）；VSS：数字地（0V）；VREF：A/D转换器和P0口的参考电压（+5V）；AGND：A/D转换器的参考地

44、。必须与VSS保持同电位；ALE/：地址锁存允许或地址有效输出。变低时锁存地址，并把它从地址/数据总线分离开；：存储器选择输入。=1时，访问2000H3FFFH存储器单元，指向片内EPROM/ROM。=0时，全部存储器的访问指向片外存储器；：复位输入和开漏输出。为了复位芯片，至少保持4个状态周期，接着由低到高的跳变使CLOCKOUT重新同步并启动了10个状态周期的复位序列。在此序列中，清除了PSW，由2018H读得的一个字节装入CCR，并跳转至2080H单元，开始执行程序。正常操作时，输入高电平，脚有内部上拉；XTAL1：振荡器反相器和内部实时钟发生器的输入。若采用外部时钟源，应接至此脚；XT

45、AL2：振荡器反相输出。若不接晶振或谐振电路，该脚应浮置；CLKOUT：内部时钟发生器输出。频率为1/2XTAL1，占空比为50%；：对外部存储器的读信号输出。只有在读外部存储器期间是低电平；：对外部存储器的读和写低位字节输出。每次外部写操作时，变低。只有写偶字节时才变低。只有在写外部存储器期间，才有效；TXD/P2.0：在串行口模式1、2和3中，TXD作为发送脚，TXD脚的功能靠设置IOC1.5来选通。在模式0中，该脚作串行时钟输出用。该脚也可作输出口；RXD/P2.1：串行口的接收脚。RXD功能靠设置SPCON.3来选通。在模式0中，该脚用来作数据输入或数据输出。该脚也可作输入口；PWM/P2.5：把IOC1.0置1，P2.5脚就作PWM的输出了。PWM的占空比取决于装入到PWM_CONTROL寄存器的值。该脚也可作输出口；P0.0P0.7：8位高阻输入口。也用作A/D转换器的输入，共8个通道ACH0ACH7与P0.0P0.7共享；P1.0P1.7：8位准双向I/O口。在本设计中用于接44矩阵式键盘；P3.0P3.7和P4.0P4.7：有2种功能： 具有开漏输出特性的双向口； 访问外部存储器时，作为系统总线（AD0AD15）。为低电平时，这些引脚总是作系统总线，否则，只有在访问存储器时才作总线6。3.2.1.3 本设