基于stc89c52的通用数字调节器设计本科毕设论文文档格式.docx

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基于STC89C52的通用数字调节器设计

摘要

工业控制系统中，调节器单元是自动控制系统中重要组成部分，调节器在自动控制系统中具有广泛的应用。

本设计的主要目的是设计一台具有通用功能的数字调节器，本文主要介绍通用数字调节器的组成、原理以及如何实现数字化控制。

该调节器通过模数转换器实现对模拟信号的转换；

用单片机STC89C52完成各种控制规律的PID运算；

由V/I转换电路输出电流信号控制执行器的动作。

通用数字调节器的主要功能就是PID调节，在硬件设计要求完成的情况下，PID算法的设计和实现是整个设计的核心。

在此基础上调节器还应该具备串行通讯，参数自整定等功能。

通用数字调节器就是在模拟调节器的基础上用软件编程的方法实现PID的运算，以达到提高精度、降低成本、提高系统可靠性，实现被控对象的自动控制。

关键词：

调节器；

数字化；

单片机；

PID控制；

A/D转换

DesignsbasedontheSTC89C52

generaldigitalregulator

Abstract

Intheindustrialcontrol,theregulatorisinautomaticcontrolsystem'

simportantcomponent,theregulatorhasthewidespreadapplicationintheautomaticcontrolsystem.thethisdesign'

smainpurposeisdesignsonetohavethegeneralfunctiondigitalregulator,themainintroductiongeneraldigitregulator'

scomposition,howdotheprincipleaswellasrealizethenumericalcontrol.Realizesthroughthemodulusswitchtothesimulatedsignaltransformation;

CompleteseachkindofcontrolrulewithmonolithicintegratedcircuitSTC89C52thePIDoperation;

ByV/Iswitchingcircuitoutputcurrentsignalcontrolactuator'

smovement.Thegeneraldigitalregulator'

smajorfunctionisthePIDadjustment,inthehardwaredesignrequestcompletesinthesituation,thePIDalgorithm'

sdesignandrealizesistheentiredesigncore.Basedontheregulatorshouldalsohavetheserialcommunication,theparameterselfregulatinggradefunction.thegeneraldigitregulatorisinsimulatesinregulator'

sfoundationtorealizethePIDoperationwiththesoftwareprogrammingmethod,achievesincreasestheprecision,toreducethecost,toenhancethesystemreliability,realizesthecontrolledplantautomaticcontrol.

Keyword:

regulator;

digitization;

monolithicintegratedcircuit;

PIDcontrol;

A/Dtransformation

第一章引言

一.1背景

随着自动化水平的不断提高，在工业、农业广泛应用的各种类型的调节器也在不断的发展更新，调节器的性能不断提高，功能日趋完善，并朝着集成化、数字化、智能化的趋势不断进步。

调节器主要分为模拟调节器和数字调节器。

模拟调节器采用模拟技术，以运算放大器等模拟电子器件为基本器件；

数字调节器采用数字技术，以微处理器为核心部件。

调节器将来自变送器的测量值与给定值相比较，然后根据比较产生的偏差进行比例、积分、微分（PID）运算，并输出统一的标准信号（4-20mAD.C）去控制执行机构的动作，以实现对温度，压力、流量、液位以及其他工艺参数的自动控制。

调节器的运算规律是指调节器的输出信号与输入偏差之间随时间变化的规律。

电子仪器的演化与发展从总体上看沿着两条主线展开。

一是从所采用的技术上看，经历了模拟仪器、数字化仪器、智能仪器的发展过程；

二是从仪器结构（可扩展性）和实现形式上看，经历了单台仪器、模块化仪器和虚拟仪器的发展过程。

这两条发展主线的技术基础都是微电子技术、数字信号处理技术、计算机技术，仪器仪表也随着这些技术的发展而不断的发展更新。

通用数字调节器就是在模拟调节器的基础上用软件编程的方法实现PID的运算，以达到提高精度、降低成本、提高系统可靠性，实现对被控对象自动控制的目的。

在通用数字调节器的开发应用中，单片机的使用使数字调节器的设计更方便、更快捷，系统性能也得到了很大的提高。

单片机所提供的强大功能也为开发更高性能的仪器仪表创造了条件。

一.2调节器的简介

1.2.1调节器的发展

控制仪表又称控制器或调节器，是控制系统的判断指挥中心。

其作用是将被控变量的测量值与给定值相比较，根据比较的结果（偏差）进行一定的数学运算，并将运算结果以一定的信号形式送往执行器，以实现对被控变量的自动控制。

控制仪表的发展上分为三个阶段：

第一阶段为基地式控制仪表。

这类仪表一般是将检测装置、控制装置、显示装置组装在一个整体内，同时具有检测、控制和显示的功能，它的功能简单、价格低廉、使用方便，但通用性差，信号不能与其他仪表共享，一般只应用于一些简单的控制系统。

适用于一些小型的、控制要求比较低的生产设备。

第二阶段为单元组合式控制仪表。

这类仪表主要完成控制功能，附带简单的显示，和其他单元之间以统一的信号相互联系。

单元组合式控制仪表有气动和电动两大类，气动仪表采用的是20-100Ka的气动标准信号；

电动仪表采用的标准信号是0-10mADC（Ⅱ型）和4-20mADC（Ⅲ型）。

第三阶段为以微处理器为中心的控制仪表。

这类仪表功能丰富、操作方便、易于构成各种复杂控制系统。

在控制系统中得到广泛的应用。

主要有单回路控制系统、可编程序数字控制器（PLC）和各种微计算机控制系统等。

[1]

由此，该设计选择以微处理器为中心的控制器。

1.2.2调节器的基本控制规律及其特点

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参数的影响，从而使被控参数回到给定值上来。

控制过程的品质如何，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（或称调节规律）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变化的规律。

基本运算规律有比例（P）、积分（I）和微分（D）三种，各种调节器的运算规律均是由这些基本运算规律组合而成的。

只有比例运算规律的调节器，为P调节器。

比例系数越大，控制精度越高，但是系统的稳定性变差，对于不太重要的参数，可考虑采用，如中间储罐的液位、热量回收预热系统等控制要求不高的系统中。

工程实践中没有单纯积分作用控制器，都是与比例作用组合成比例-积分控制器。

比例-积分控制器对变化很慢（甚至不变）的偏差有很强的调整能力，但是其滞后角度也较大，积分时间越小，消除余差的能力越强，系统越趋向不稳定。

对于比较重要的，控制精度要求较高参数，可采用比例-积分控制器。

工程实践中没有单纯微分作用控制器，都是与比例作用组合成比例-微分控制器。

他对惯性较大的对象有“超前”调整作用，所以一般用在有较大滞后被控对象的场合。

如果微分作用过大，系统变的非常敏感，控制系统的控制质量将变差，甚至变成不稳定。

对于不太重要的参数，但是惯性较大，又不希望动态偏差较大，可考虑采用比例-微分控制器，但是对于系统噪声较大的参数，例如流量，则不能选择此控制器。

[2]

比例-积分-微分控制器综合了比例、积分、微分三者的优点，为控制精度最高的调节器。

对于比较重要，控制精度要求较高，希望动态偏差较小，被控对象的滞后时间比较大的参数可选择此控制器。

PID调节器控制算法简单、鲁棒性好、可靠性高，在工业生产过程控制中是应用最广泛的一类控制器，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。

1.2.3PID调节器在控制系统中的作用

目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。

同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。

控制系统技术对于提高劳动生产率、保证产品质量、改善劳动条件以及保护生态环境、优化技术经济指标等方面起着非常重要的作用[4]。

PID调节器以其简单的结构和优良的调节品质而广泛应用于控制系统中,成为改善工业控制系统动态品质的重要手段,其参数的选择直接影响着系统的动态品质,特别是在连续线性常值控制系统中扮演着重要角色。

PID调节器解决了自动控制理论所要解决的最基本问题，既系统的稳定性、快速性和准确性。

调节PID的参数，可实现在系统稳定的前提下，兼顾系统的带载能力和抗扰能力，同时在PID调节器中引入积分项，系统增加了一个零积点，使之成为一阶或一阶以上的系统，这样系统阶跃响应的稳态误差就为零。

[6]

1.3设计任务的提出

随着工业自动化生产技术水平的不断提高，自动化设备的发展日新月异，提高了产品质量和劳动生产率，降低了工人的劳动强度；

同时不断提高的生产技术水平为自动化装备提出了更高的要求，这其中调节器扮演着重要角色。

在现代工业控制领域中，数字调节器有着广泛应用，可实现多种工业控制，如变频调速，流量调节，温度控制等等。

以调节器构成的自动调节系统，是实现生产过程自动化的重要手段，自动调节系统控制质量的好坏直接影响着工业过程的经济性和安全性。

因此设计一个可靠性高的调节器是非常必要的。

第二章方案设计

二.1调节器的类型选择

二.1.1模拟式调节器

模拟控制器是用模拟电路实现控制功能的仪表，又成电动调节器。

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，去控制执行机构的动作，以实现对温度、压力、流量、液位及其他工艺变量的自动控制。

其发展经历了Ⅰ型（电子管）、Ⅱ（晶体管）和Ⅲ（集成电路）。

目前Ⅰ型、Ⅱ型都已经淘汰。

这里介绍DDZⅢ型调节器。

DDZⅢ型仪表采用了集成电路和安全火花型防爆结构，提高了仪表精度、仪表可靠性和安全性，适应大型工厂、炼油厂的防爆要求。

特点如下：

（1）采用国际统一标准信号，现场传输信号为DC4-20mA，控制室联络信号为DC1-5V。

（2）广泛采用集成电路，仪表的电路简化、精度提高、可靠性提高、维修工作量将少。

（3）整套仪表可构成安全火花型防爆系统。

DDZⅢ型控制器的基本类型是全刻度指示PID调节器。

为满足各种特殊控制系统的要求，还有特殊控制器，例如断续控制器、自整定控制器、前馈控制器、非线性控制器等。

二.1.2数字式调节器

数字式控制器是以微处理器为基础的多功能控制仪表，可接受多路模拟量及开关量输入信号，能实现复杂的运算控制，并具有通信及故障诊断功能，是自动控制、计算机及通信技术（合称3C技术，Control，Computer，Communication）发展的产物。

数字式PID控制器是通过编程来控制PID调节功能的，又称可编程PID调节器，或可编程调节器。

由于微处理器的强大计算功能，用户可以根据需要编写复杂的控制程序，所以一台可编程控制器可以代替多台模拟仪表，并且可以根据重编程序修改功能。

可编程调节器产品种类较多，例如西安仪表厂生产的YS80系列和YS100系列等，它们都以8位或16位微处理器为CPU，外围电路也大同小异。

数字式调节器与模拟式控制仪表在构成原理和所用器件上有很大差别。

前者采用数字技术，以微型计算机为核心部件；

而后者采用模拟技术，以运算放大器等模拟电子器件为基本部件。

数字调节器与模拟式控制仪表相比较，数字调节器有如下一些优点：

（1）实现了仪表的数字化、智能化

（2）具有丰富的运算、控制功能

（3）通用性强，使用方便

（4）具有通信功能，便于系统扩展

（5）可靠性高，维护方便

随着计算机日益广泛地应用于工业系统，数字控制系统已成为现代工业控制系统的主流。

数字控制系统的广泛应用促进调节器的进一步发展。

尽管基于计算机的数字控制系统目前已出现了很多种数字调节器和控制器,但PID调节器以其结构简单、调节效果突出、可调参数少和数字算法实现过程简单等优良品质，而独占控制调节器之首。

二.2单片机类型选择

目前的单回路调节器通常由单片机、ADC、DAC、放大器、数字I/O接口、参考电源、键盘与显示电路、通信接口等众多芯片构成，电路复杂，致使可靠性下降。

所以需要选择一个高性能、高性价比的单片机。

IT行业飞速发展的今天，单片机（MCU-MicroComputerUnit）在测控和低速信号处理等方面的应用越来越广泛，单片机应用技术是一门实战性很强的学科。

现在比较流行的单片机有：

MCS51、AT89C51、AVR、STC系列等等。

这次设计我考虑使用STC公司的STC89C52系列单片机[17]，STC89C52是STC公司推出的一款性价比很高的单片机。

它与同类型单片机相比的优点：

（1）超强抗干扰能力，轻松过2KV/4KV快速脉冲干扰（EFT）；

（2）高抗静电（ESD），6KV静电可直接打在芯片管脚上；

（3）超低功耗，PowerDown<

0·

1μA,可外部中断唤醒；

（4）6时钟/机器周期，12时钟/机器周期任意设置；

（5）加密性强；

（6）支持在线系统串口编程（ISP-InSystemProgrammability）功能；

STC89C52单片机具有在线系统可编程（ISP）特性,它的好处是省去购买通用编程器；

并且单片机在用户系统上即可下载/烧录用户程序，而无须拆下，方便编程，节约调试和进一步完善的时间。

由于可以将程序直接下载进单片机看运行结果，故也可以不用仿真器。

（7）降低成本，提升性能，原有程序直接使用,硬件无需改动。

二.3PID算法的数字化实现

前边所讲的PID调节算法适用于模拟调节系统，由于计算机只能接收数字量，因此要想实现数字化通常选择位置型或增量型控制算法，下面简要介绍一下这两种控制算法。

1、位置型控制，如图2.1所示:

图2.1数字PID位置型控制示意图

2、增量型控制,如图2.2所示：

图2.2数字PID增量型控制示意图

在位置控制算式中，不仅需要对

进行累加，而且计算机的任何故障都会引起

大幅度变化，对生产不利。

增量控制虽然改动不大，然而却带来了很多优点：

（1）由于计算机输出是增量，所以动作影响小，必要时可用逻辑判断的方法去掉；

（2）在位置型控制算法中，由手动到自动切换时，必须首先使计算机的输出值等于阀门的原始开度，才能保证手动/自动地无扰动切换，这将给程序设计带来困难。

而增量设计只与本次的偏差值有关，与阀门原来的位置无关，因而增量算法易于实现手动/自动的无扰动切换。

（3）不产生积分失控，所以容易获得较好的调节品质。

增量控制因其特有的优点已得到了广泛的应用。

[14]

二.4设计方案实现

本设计的主要目的是设计一台具有通用功能的数字调节器，硬件设计包括微处理器、A/D转换电路、D/A转换输出、键盘、显示及其外围电路。

不仅要考虑测量的采样与数字化，还要考虑微处理器的性能价格比、I/O接口能力、串行通信方式以及可靠性的问题。

系统软件设计按照功能可划分为；

A/D转换及其处理模块、数据发送处理模块（数字显示）、按键处理模块、D/A转换输出模块以及PID控制算法等。

调节器的数字显示部分主要包括设定值和实际测量值的显示两部分，按键设计包括设定键、复位键、确认键、数字的增减键等等。

通用调节器的主要功能就是PID调节，所以在硬件设计要求完成的情况下，PID算法的设计和实现是整个设计的核心。

[5]

将程序固化在单片机微处理器中，既降低了成本又提高了运行速度及工艺精度，同时实现了工业自动化的信息化、网络化，利用单片机的中断通讯功能，用软件去实现智能调节器与上位机或各个从机之间的通讯功能。

为了实现控制参数的实时显示，用四位LED动态扫描数码显示。

测量值和给定值同时辅以键盘操作，对给定值、报警值、正反作用、比例增益、积分时间、微分时间在线修改；

增加调节器的使用范围，提供良好的人机界面实现灵活的人机对话。

第三章硬件设计

三.1调节器硬件设计方案

三.1.1STC89C52芯片简介

STC89C52RC/RD+系列单片机是新一代超强抗干扰/高速/低功耗的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可任意选择，最新的D版本内部集成MAX810专用复位电路。

特点：

1.增强型6时钟/机器周期，12时钟/机器周期8051CPU

2.工作电压：

5.5V-3.4V（5V单片机）/3.8V-2.0V（3V单片机）

3.工作频率范围：

0-40MHZ，相当于普通8051的0-80MHZ.实际工作频率可达48MHZ。

4.用户应用程序空间4K/8K/13K/16K/20K/32K/64K字节

5.片上集成128字节/512字节RAM

6.通用I/O口（32/36个），复位后为：

P1/P2/P3/P4是标准双向/弱上拉（普通8051传统I/O口）

7.ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器/仿真器，可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，8K程序3秒即可完成

8.EEPROM功能

9.看门狗

10.内部集成MAX810专用复位电路（D版本才有），外部晶体20M以下时，可省外部复位电路

11．共3个16位定时器/计数器，其中定时器0还可以当成2个8位定时器使用

12．外部中断4路，下降沿中断或低电平触发中断，PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒

13.通用异步串行口（URAT）,还可用定时器软件实现多个URAT

14.工作温度范围：

0—75℃/-40—+80℃

15.封装：

PDIP-40，PLCC-44,PQFP-44

此设计选择STC89C52,其封装形式为PDIP-40,如下图3.1所示：

图3.1STC89C52引脚图

其引脚功能如下：

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，即地址／数据总线口。

作为输出口时可以驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“１”时，可做为高阻抗输入端用。

P1口：

P1口是内部带有弱上拉电阻的标准双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4个TTL门电流。

P1口锁存器写入1后，P1口引脚被上拉为高电平时，可用作输入，P1.0和P1.1引脚除了可以作为一般使用外，还具有第二输入/输出功能：

P1.0：

定时器T2的计数输入端或定时器T2的时钟输出端。

P1.1：

定时器T2的外部触发输入端。

P2口：

P2口是内部带有弱上拉电阻的标准双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写入“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，作为输入。

在读/写外部存储器时，P2口输入高八位地址信号A15-A8。

当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

在FLASH编程和校验时P2口接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口是内部带有弱上拉电阻的标准双向I/