DZ254廢水處理微機(jī)控制系統(tǒng)
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長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文1第一章 緒 論近年來(lái)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及社會(huì)環(huán)境意識(shí)的逐漸增強(qiáng)，環(huán)境保護(hù)已成為當(dāng)前注重經(jīng)濟(jì)工作的同時(shí)所不可忽視的一項(xiàng)工作，并且越來(lái)越顯其重要性。隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，大量工業(yè)廢水未經(jīng)工業(yè)處理流入江河湖海，使環(huán)境和飲用水被嚴(yán)重污染，因此，工業(yè)廢水的處理及達(dá)標(biāo)排放已成為工業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的環(huán)節(jié)?；に嵝詮U水的成分復(fù)雜多變，濃度、流量也大幅度地隨機(jī)變化，而且成分、濃度又不可在線測(cè)量。為了廢物利用，吉化公司污水廠（目前國(guó)內(nèi)最大的污水處理廠）使用電石渣廢液做中和劑，內(nèi)含大量固體顆粒及其他雜質(zhì)，使中和劑本身濃度波動(dòng)很大，又造成反應(yīng)滯后，給中和過(guò)程的控制帶來(lái)困難，現(xiàn)由工人手動(dòng)閥門(mén)進(jìn)行控制，PH 值波動(dòng)范圍大，甚至有時(shí)超過(guò)排放標(biāo)準(zhǔn)。另外，由于化工廢水中含有大量有毒物質(zhì)，必須進(jìn)行生化處理。微生物對(duì) PH 值又很敏感，因此有必要把 PH 值的波動(dòng)控制在更小的范圍內(nèi)，以保證生化處理獲得更好的效果。該課題的主要技術(shù)參數(shù)：通過(guò)控制電石渣液的流量來(lái)控制廢水的 PH 值接近 7。關(guān)于中和的介紹：在工業(yè)行業(yè)中，因?yàn)橐罅渴褂盟岷蛪A，所以酸堿廢水的排放十分普遍，尤其以酸性廢水較為普遍。酸性廢水中含有硫酸、硝酸、鹽酸、氫氟酸等無(wú)機(jī)酸和乙酸、甲酸、檸檬酸等有機(jī)酸，PH 值在 1～2，含量可高達(dá) 5﹪～10﹪；堿性廢水中常有苛性鈉、碳酸鈉、硫化鈉、胺類(lèi)等。無(wú)論從數(shù)量上還是危害程度上，酸性廢水的處理都要比堿性廢水更為重要。中和處理的目的就是中和廢水中過(guò)量的酸和堿，以及調(diào)整廢水中的酸堿度，使中和后的廢水呈中性或接近中性，以適應(yīng)下一步處理和外排的要求。對(duì)不同濃度的酸堿廢水可采用不同的處理方法。對(duì)于濃度較高的酸性廢水和堿性廢水，一般首先考慮回收和綜合利用，如制成硫酸亞鐵、硫銨、石膏、硫化鈉等。回收后的廢水，或濃度較低不易回收再利用的酸堿廢水就可以進(jìn)行中和處理，達(dá)到中性后排放。另外，中和處理和 PH 值調(diào)節(jié)有著本質(zhì)的區(qū)別，PH 值調(diào)節(jié)的目的是為了某種特殊的要求，把廢水的 PH 值調(diào)整到某一特定值或某一范圍，這種處理操作稱為 PH 值調(diào)節(jié)。酸堿廢水中和方法主要有：酸、堿廢水相互中和或堿性廢渣中和，投藥中和以及過(guò)濾中和。酸堿廢水相互中和或堿性廢渣中和:當(dāng)有條件應(yīng)用堿性廢水或堿性廢渣進(jìn)行中和處理時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮以廢治廢，既可 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文2以節(jié)省處理費(fèi)用和藥劑消耗，又簡(jiǎn)便實(shí)用。當(dāng)酸堿廢水相互中和仍達(dá)不到處理要求時(shí)，可再補(bǔ)加藥劑進(jìn)行處理。酸、堿廢水中和所用的設(shè)備一般是根據(jù)酸堿廢水的排放情況來(lái)確定的。當(dāng)酸堿廢水排放的水質(zhì)，水量比較穩(wěn)定并且酸堿含量又能相互平衡，或混合水需要水泵抽升，或有相當(dāng)長(zhǎng)的出水管道可利用時(shí)，則不單獨(dú)設(shè)置中和池。一般情況下，當(dāng)酸堿兩種廢水在進(jìn)行中和時(shí)，其水質(zhì)，水量均不易保持穩(wěn)定，會(huì)給操作帶來(lái)困難，此時(shí)應(yīng)設(shè)置均和池和混合反應(yīng)池。當(dāng)酸堿廢水的水質(zhì)，水量變化很大時(shí)，廢水本身的酸、堿含量難以平衡時(shí)，則需要補(bǔ)加酸性或堿性中和劑。當(dāng)水質(zhì)要求很高時(shí)，或廢水中含有其他的雜質(zhì)，重金屬離子，連續(xù)流無(wú)法保證出水的水質(zhì)，較穩(wěn)妥的方法是采用間歇式的中和池，一般可設(shè)置兩個(gè)，交替使用。利用酸堿廢渣中和酸性廢水也是一種方便可行的方法，如電石渣中含有一定量的氫氧化鈣，鍋爐灰中含有 2﹪～20﹪的氧化鈣，石灰氧化法的軟化站中，含有大量的碳酸鈣等，將這些廢渣投入到酸性廢水中或利用酸性廢水噴淋廢渣，均可達(dá)到一定的中和效果。 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文3第 二 章 控制方案的確定及方案論證2.1 串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)串級(jí)調(diào)節(jié)是改善調(diào)節(jié)質(zhì)量的有效方法之一，它得到了廣泛的應(yīng)用。一．串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特點(diǎn)和效果分析串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一個(gè)雙回路系統(tǒng)。實(shí)質(zhì)上是把兩個(gè)調(diào)節(jié)器串接起來(lái)，通過(guò)它們的協(xié)調(diào)工作，使一個(gè)被調(diào)量準(zhǔn)確保持為給定值。通常，串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)副環(huán)的對(duì)象慣性小，工作頻率錯(cuò)開(kāi)相差三倍以上，以免頻率相近時(shí)發(fā)生共振現(xiàn)象而破壞正常工作。串級(jí)調(diào)節(jié)主要是用來(lái)克服落在副環(huán)內(nèi)的擾動(dòng)。這些擾動(dòng)能在中間變量反應(yīng)出來(lái)，很快就被副調(diào)節(jié)器抵消了。與單回路系統(tǒng)相比，干擾對(duì)被調(diào)量的影響可以減小許多倍。對(duì)于中間變量并無(wú)特殊要求，它的選擇應(yīng)該是，既能迅速反映擾動(dòng)作用，又能使副環(huán)包括更多的，特別是幅度大而頻繁的擾動(dòng)。主調(diào)節(jié)器的任務(wù)主要是克服落在副環(huán)以外的擾動(dòng)，并準(zhǔn)確保持被調(diào)量為給定值。由于副回路的存在，串級(jí)系統(tǒng)可以為閉合的副回路代替了原來(lái)的一部分對(duì)象，起了改善對(duì)象特性的作用。與單回路系統(tǒng)相比，除了克服落在副環(huán)內(nèi)的擾動(dòng)外，還提高了系統(tǒng)的工作頻率，加快了過(guò)渡過(guò)程。采用串級(jí)調(diào)節(jié)的效果可以用圖 2.1 所示的串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的方塊圖來(lái)說(shuō)明。圖 2.1 串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)方框圖串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)由于副回路改善了對(duì)象的動(dòng)特性，使整個(gè)系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程比單回路系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程的頻率有所提高。當(dāng)對(duì)象特性一定時(shí)，副調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)越大，這種效果愈加顯著。對(duì)于不包括在副環(huán)范圍內(nèi)的擾動(dòng)，因?yàn)楦被芈窚p少了對(duì)象時(shí)間常數(shù)，而引起整個(gè)系統(tǒng)調(diào)節(jié)過(guò)程波動(dòng)頻率提高，被調(diào)量的動(dòng)態(tài)偏差也將減小。這時(shí)，主調(diào)節(jié)器發(fā)出的調(diào)節(jié)作用經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)通道去影響被調(diào)量。由于調(diào)節(jié)通道的慣性小，所以調(diào)節(jié)作用能較快地克服偏差，從而減小動(dòng)態(tài)偏差，提高調(diào)節(jié)質(zhì)量。二．調(diào)節(jié)器的選型和整定方法主調(diào)節(jié)器 副調(diào)節(jié)器 管 道 管 道 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文41.調(diào)節(jié)器的選型在本應(yīng)用系統(tǒng)中，主副調(diào)節(jié)器都采用了 PID 調(diào)節(jié)器。其中副調(diào)節(jié)器的任務(wù)是以快動(dòng)作迅速抵消落在副環(huán)內(nèi)的擾動(dòng)。主調(diào)節(jié)器的任務(wù)是準(zhǔn)確保持被調(diào)量符合生產(chǎn)要求。2.串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的整定方法在運(yùn)行中，主環(huán)和副環(huán)兩者波動(dòng)頻率不同，副環(huán)頻率較高，主環(huán)較低。這些頻率主要取決于調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，也與主副調(diào)節(jié)器的整定情況有關(guān)。在整定時(shí)，應(yīng)盡量加大副調(diào)節(jié)器的增益，提高副環(huán)的頻率，目的是使主.副環(huán)的頻率錯(cuò)開(kāi)，最好相差三倍以上，以減少相互之間的影響，提高調(diào)節(jié)質(zhì)量。2.2 系統(tǒng)串級(jí)控制方案的確定酸性廢水的中和值是本次設(shè)計(jì)的主要被控參數(shù)，而中和值的控制又主要由調(diào)節(jié)中和劑電石渣液的流量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。但電石渣廢液內(nèi)含大量固體顆粒及其它雜質(zhì)，使中和劑本身濃度波動(dòng)很大，又造成反應(yīng)滯后，若采用單回路調(diào)節(jié)，很難滿足設(shè)計(jì)要求。根據(jù)本課題的具體要求，以及流量和中和值的相互關(guān)系，經(jīng)確定采用串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。利用流量調(diào)節(jié)作用為內(nèi)環(huán)，PH 值調(diào)節(jié)作為外環(huán)。其中，主調(diào)節(jié)器的任務(wù)主要是克服落在副環(huán)以外的擾動(dòng)，減小靜差，保持中和值在工藝要求的范圍內(nèi)，副環(huán)中副調(diào)節(jié)器用來(lái)克服落在副環(huán)以內(nèi)的擾動(dòng)，保持流量恒定。采用串級(jí)控制方式，可以改善對(duì)象特性，提高系統(tǒng)的工作頻率，加快過(guò)渡過(guò)程，增強(qiáng)抗干擾能力。串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)方框圖如圖 2.2 所示圖 2.2 串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)方框圖要想精確地測(cè)量 PH 值，需要選取合適的 PH 計(jì)，范圍有 2.00～12.00PH，也有0.00～14.00PH,為了更加精確我們選取 PHG-100 型工業(yè)在線 PH 計(jì)，其測(cè)量范圍PH:0.00～14.00PH,隔離信號(hào)輸出：4～20mA一般單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)模擬信號(hào)輸出只是電壓信號(hào)，它能處理的一般也只是電壓副調(diào)節(jié)器主調(diào)節(jié)器 閥門(mén) 管道 中和池流量PH 值 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文5信號(hào)，因此在某些只有電流輸入信號(hào)或只是提供電流的場(chǎng)合，需要進(jìn)行電流/電壓轉(zhuǎn)換，PH 計(jì)流量計(jì)輸出信號(hào)為電流信號(hào)，根據(jù)其規(guī)格不同分別對(duì) PH 計(jì)流量計(jì)選用 4-20mA/0-5v,0-10mA/0-5v 轉(zhuǎn)換電路.在單片機(jī)的實(shí)時(shí)測(cè)控和智能化儀表等應(yīng)用系統(tǒng)中，常需要將檢測(cè)到的連續(xù)變化的模擬量如溫度、壓力、流量、速度等轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字量，才能輸入到單片微機(jī)中進(jìn)行處理，然后再將處理結(jié)果的數(shù)字量經(jīng) D/A 變換器轉(zhuǎn)換成模擬量輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象---過(guò)程或儀表、機(jī)電設(shè)備、裝置的控制。因此，經(jīng)過(guò) I/V 變換后接入ADC0809 使其模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量送給 8031。從 8031 出來(lái)的數(shù)據(jù)，接入串行顯示以便于對(duì) PH 值的大小有清晰的概念保證它在小范圍內(nèi)波動(dòng)，從而確定對(duì)電石渣流量大小的控制。經(jīng)過(guò) 8031 出來(lái)的是數(shù)字信號(hào)經(jīng) DAC0832 把其變?yōu)槟M信號(hào)再經(jīng)過(guò)一個(gè)運(yùn)放使其電壓信號(hào)放大，最后接入調(diào)節(jié)閥。設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)，首先要對(duì)被控對(duì)象做全面的了解，該被控對(duì)象是堿性液體，要測(cè)它的流量特性，建立控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，采用采集正常生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)的方法，即在微型機(jī)控制調(diào)試運(yùn)行的條件下，由微型機(jī)本身采集被控過(guò)程的輸入量，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。因此，在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先要對(duì)電石渣液的流量進(jìn)行測(cè)量，以保證其流量的給定與 PH=7 相匹配，因此選定流量計(jì)是耐酸性耐堿性較好的。根據(jù) PH值波動(dòng)的大小控制電石渣液的流量需要一個(gè)執(zhí)行器即調(diào)節(jié)閥，參照它的特殊環(huán)境，選取電動(dòng)隔膜調(diào)節(jié)閥，它適用于強(qiáng)酸強(qiáng)堿強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)的調(diào)節(jié)，用于黏度及懸浮顆粒狀介質(zhì)的調(diào)節(jié)。在本應(yīng)用系統(tǒng)中，采用 T0 定時(shí)以作為流量?jī)?nèi)環(huán)的采樣周期，16 個(gè)流量采樣周期作為 PH 值檢測(cè)周期。經(jīng)過(guò) 16 個(gè)流量檢測(cè)周期后，檢測(cè)一個(gè) PH 值，對(duì)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，使中和值達(dá)到工藝要求 PH=7.0，之后不斷對(duì)流量進(jìn)行采樣，保持流量恒定，維持上一次 PH 值檢測(cè)后 PID 調(diào)節(jié)的閥的控制流量值，并不斷消除干擾。以上內(nèi)容為此方案選擇的粗略論證。 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文6第三章 控制算法的確定3.1 數(shù)字 PID 控制技術(shù)在模擬的控制系統(tǒng)中是將被測(cè)參數(shù)，如溫度、壓力、流量等。由傳感器變成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)后轉(zhuǎn)入調(diào)節(jié)器，在調(diào)節(jié)器中與給定值進(jìn)行比較，再把比較出的差值經(jīng) PID運(yùn)算后送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，改變輸入量，以達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)的目的，這種系統(tǒng)多用于電動(dòng)或氣動(dòng)單元組合儀表 DDZ 來(lái)完成。而在數(shù)字控制系統(tǒng)中，則是用數(shù)字調(diào)節(jié)器來(lái)代替模擬調(diào)節(jié)器，其調(diào)節(jié)過(guò)程是首先采集過(guò)程參數(shù)信號(hào)，并且通過(guò)模擬量輸入通道將模擬量變成數(shù)字量，這些數(shù)字量是通過(guò)計(jì)算機(jī)按一定控制算法進(jìn)行運(yùn)算處理，運(yùn)算結(jié)果經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換成模擬量后由模擬量輸出通道輸出，并通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)去控制輸入量，以達(dá)到給定值。數(shù)字 PID 調(diào)節(jié)器是按偏差的比例、積分和微分進(jìn)行控制的調(diào)節(jié)器，是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)應(yīng)用最廣泛的一種調(diào)節(jié)器，它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)易于調(diào)整，在長(zhǎng)期應(yīng)用中以積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，特別是在工業(yè)過(guò)程控制中，由于控制對(duì)象的精確數(shù)字模型難以建立，系統(tǒng)的參數(shù)又經(jīng)常發(fā)生變化，運(yùn)用現(xiàn)代控制理論進(jìn)行分析綜合要耗費(fèi)很大的代價(jià)進(jìn)行模型辯識(shí)，且往往不能達(dá)到預(yù)期的效果。所以人們經(jīng)常用 PID 調(diào)節(jié)器，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行在線整定。（一）PID 調(diào)節(jié)器的優(yōu)點(diǎn)：1.技術(shù)領(lǐng)域PID 控制是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)最成熟，應(yīng)用最廣泛的一種控制方法，它的機(jī)構(gòu)靈活，不僅可以用常規(guī)的 PID 調(diào)節(jié)，而且可以根據(jù)系統(tǒng)的需要，采用各種的 PID 調(diào)節(jié)而且可以根據(jù)系統(tǒng)的需要采用各種 PID 的變種如：PI、PD、控制，不完全微分控制，積分的控制，比例 PID 的控制等，在 PID 控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)參數(shù)整定方面，而且在大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)中效果比較好。2. 易被人們熟知和掌握生產(chǎn)技術(shù)人員及操作人員都比較熟悉并在實(shí)踐中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，特別是一些工作時(shí)間比較長(zhǎng)的工程技術(shù)人員更是如此。3. 不需要求出數(shù)學(xué)模型到目前為止，仍有許多工業(yè)對(duì)象設(shè)不到或很難找到精確的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用直接數(shù)字 PID 控制方法比較困難，甚至根本不可能，所以必須應(yīng)用 PID 算法。4. 控制效果好雖然計(jì)算機(jī)控制是離散的，但對(duì)于時(shí)間常數(shù)比較大的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，近似于連續(xù)變化，因此，用數(shù)字 PID 完全可以代替模擬調(diào)節(jié)器，所以，數(shù)字方法模擬 PID 調(diào)節(jié)器 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文7仍是目前應(yīng)用比較廣泛的方法之一。（二）PID 控制原理PID 調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，其框圖如圖 3.1 所示?？刂破靼言O(shè)定值 W 與實(shí)際輸出值 Y 相減，得到控制偏差 e，偏差值 e 經(jīng)比例調(diào)節(jié)器 P，積分調(diào)節(jié)器 I，微分調(diào)節(jié)器 D 的作用后，通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量 u，然后用 u 對(duì)對(duì)象進(jìn)行控制。圖 3.1 PID 調(diào)節(jié)器框圖1、 比例調(diào)節(jié)器比例調(diào)節(jié)器是一種簡(jiǎn)單的調(diào)節(jié)器，控制規(guī)律為 u=kp*e+u0式中 kp 為比例系數(shù)，u 0為控制常量，即誤差為零時(shí)的控制量比例調(diào)節(jié)器能使誤差減小，但不能減小到零，殘存的誤差，加大比較系數(shù) kp 可以減小誤差，但當(dāng) kp 過(guò)大時(shí)，會(huì)使動(dòng)態(tài)質(zhì)量變差，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。比例控制器的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)快，缺點(diǎn)是不能完全消除靜差。2 、比例積分調(diào)節(jié)器為了消除比例積分調(diào)節(jié)器中殘存的靜差，在比例調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上加入積分調(diào)節(jié)器，組成比例積分調(diào)節(jié)器，其控制規(guī)律是：u=kp*(e+1/π∫ 0tedt)+u0式中 Ti 為積分常數(shù)，TI 越大積分作用越弱積分器的輸出值取決于對(duì)誤差積累的結(jié)果，雖然誤差不便，但積分器的輸出還在增大，直至使誤差 e=0，因此，積分器的加入能自動(dòng)調(diào)節(jié)控制常量 u,消除靜差，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。3、比例積分調(diào)節(jié)器積分器雖能消除靜差，但使系統(tǒng)的響應(yīng)速度變慢，在 PI 調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上加入微分調(diào)節(jié)器，組成比例，積分，微分調(diào)節(jié)器就能使反應(yīng)速度加快，其控制規(guī)律為：u=Kp*(e+1/Ti∫ t0edt+Td/dt)+u0式中 Td 為微分常數(shù)，Td 越大微分作用越強(qiáng)。微分調(diào)節(jié)器的加入使微分作用加強(qiáng)，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定同時(shí)加快了系 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文8統(tǒng)的穩(wěn)定速度，縮短調(diào)整時(shí)間，從而改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能（三）PID 控制算法的數(shù)字實(shí)現(xiàn)采用單片機(jī)作為控制器核心上自動(dòng)控制系統(tǒng)通過(guò) A/D 電路檢測(cè)過(guò)程變量 Y，并計(jì)算誤差 e 和控制變量 u，通過(guò) D/A 變換后輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使過(guò)程變量 Y 穩(wěn)定在設(shè)定值上，可見(jiàn)計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的誤差值計(jì)算控制變量 u，因此，模擬 PID 控制算法公式中的積分項(xiàng)和微分項(xiàng)不能準(zhǔn)確計(jì)算，只能用數(shù)值計(jì)算的方法接近。PID 控制算式經(jīng)過(guò)離散化，則變成如下：U(k)=Kp{e(k)+T/Ti∑e(T)+Td/T[e(k)-e(k-1)]}式中 u(k)為第 K 個(gè)采樣時(shí)刻的控制量，Δt=T 為采樣周期，e(k)與 e(k-1)分別為第K 次和第（K-1）次采樣的時(shí)刻偏差值，K=0，1，2……為采樣序號(hào)。上式稱為位置式 PID 算式，這是因?yàn)樗妮敵?u(k)是與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置一一對(duì)應(yīng)的。由上式不難寫(xiě)出第 K-1 個(gè)采樣時(shí)刻的控制量。u(k)為 u(k-1)=Kp{e(k-1)+T/Ti∑e(t)+Td/T[e(k-1)-e(k-2)]}兩式相減Δu(k)=u(k)-u(k-1)=Kp[e(k)-e(k-10]+Kie(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]式中 Ki=KpT/Ti 稱為積分系數(shù)。Kd=KpTd/t 稱為微分系數(shù)。由于這個(gè)式子的 Δu(k)對(duì)應(yīng)于第 K 個(gè)采樣時(shí)刻的輸出增量，所以稱此式為增量式 PID 算式，而第 K 個(gè)采樣時(shí)刻的控制量為 u(k)=u(k-1)+Δu(k)增量式 PID 算法和位置式算法并沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別，此時(shí) u(k)仍可通過(guò) D/A 轉(zhuǎn)換器作用與執(zhí)行機(jī)構(gòu)。但是從計(jì)算方法上，增量式算法具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，它編程簡(jiǎn)單，對(duì)歷史數(shù)據(jù)要求不高，而且可以遞推使用，占用內(nèi)存單元小，運(yùn)算速度快。3.2 PID 參數(shù)的整定（一）采樣周期的選擇根據(jù)采樣定理，采樣頻率 f>2fmax，但由于被控對(duì)象的物理過(guò)程及參數(shù)的變化比較復(fù)雜，致使模擬信號(hào)的最高頻率 fmax 很難確定，所以，采樣周期的選擇需根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況綜合考慮多種因素來(lái)決定。1、從系統(tǒng)控制品質(zhì)的需求來(lái)看，希望采樣周期取小些這樣在連續(xù)系統(tǒng) PID 整定參數(shù)時(shí)可得到較好的控制效果。2、從執(zhí)行元件的要求來(lái)看，對(duì)于執(zhí)行速度較慢的執(zhí)行器，要求采樣周期不能過(guò)小。3、從對(duì)控制系統(tǒng)的響應(yīng)快速性和抗干擾性來(lái)看，采樣周期要短些。4、當(dāng)系統(tǒng)的純滯后時(shí)間 τ 與被控制對(duì)象的時(shí)間常數(shù) Tc 相比有 τ≥0。5T 時(shí)， 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文9通常認(rèn)為是大滯后系統(tǒng)，這時(shí)，選采樣周期 T 等于或接近 τ。5、從計(jì)算的精度考慮，采樣周期 τ 不能過(guò)小，過(guò)小將使前后兩次采樣值反映不出差別，使調(diào)節(jié)作用減弱。6、從微型機(jī)的工作量考慮，采樣周期 T 應(yīng)大些。特別是控制回路較多，計(jì)算量較大時(shí)，要使每個(gè)回路有足夠的計(jì)算時(shí)間?？梢?jiàn)，采樣周期的選擇涉及到很多因素，有些是相互制約和矛盾的。實(shí)際中需要考慮上述原則，根據(jù)具體情況和主要要求作出適當(dāng)?shù)恼壑?。（二?PID 參數(shù)的整定1、臨界比例度法這是一種通過(guò)臨界穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)來(lái)整定 PID 參數(shù)的常用的工程方法之一。所謂比例度就是比例增益的倒數(shù) δ=1/Kp.這一方法的步驟：（1）選擇一個(gè)足夠短的采樣周期 Tmin（2）選用純比例控制，給定值 γ 作階躍擾動(dòng)，將比例度由小到大，直到系統(tǒng)產(chǎn)生等幅震蕩。此時(shí)的比例度稱為臨界比例度，對(duì)應(yīng)的震蕩周期稱為臨界震蕩周期。2、擴(kuò)充響應(yīng)曲線法這一方法適用于多容量自平衡系統(tǒng)，其步驟如下：（1）斷開(kāi)控制器，在系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)狀態(tài)下，求出階躍響應(yīng)曲線。（2）在曲線的最大斜率處作切線，求得滯后時(shí)間 τ，對(duì)象時(shí)間常數(shù) Tc 和放大倍數(shù) K。3、試湊法試湊法是從一組初始數(shù)據(jù)出發(fā)，通過(guò)閉環(huán)運(yùn)行觀察系統(tǒng)的運(yùn)行效果，根據(jù)各參數(shù)對(duì)系統(tǒng)本質(zhì)的定性影響，反復(fù)試湊修改參數(shù)，直到結(jié)果滿意為止。PID 各參數(shù)對(duì)系統(tǒng)品質(zhì)的定性影響。（1）增益 KP 與系統(tǒng)快速性成正比，與系統(tǒng)的靜差成反比。但 KP 過(guò)大將使系統(tǒng)超調(diào)過(guò)大振蕩加劇，穩(wěn)定性變壞。（2）積分時(shí)間 Ti 有利于減小超調(diào)和振蕩。有利于系統(tǒng)穩(wěn)定，但消除靜差的過(guò)程將加長(zhǎng)。（3）微分時(shí)間 Td 與系統(tǒng)快速性成正比，并能使超調(diào)減小，穩(wěn)定性增加，但抗干擾性將變差。根據(jù)上述結(jié)論，可按如下步驟對(duì)參數(shù)實(shí)行先比例，后積分，再微分的整定步驟。（1）采用比例控制，Kp 由小變大。如果響應(yīng)時(shí)間、超調(diào)、靜差已達(dá)到要求，則只需用比例控制即可，并由此確定比例增益系數(shù)。（2）如果靜差達(dá)不到要求，則加入積分控制。Kp 減小，例如每次減小到原來(lái) 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文10的 90%，積分時(shí)間 Ti 由大變小，反復(fù)試湊多組 Kp，Ti 只從中確定合適的參數(shù)。（3）如果動(dòng)態(tài)特性不滿足，則加入微分控制，Tα 由 0 增大，逐步試湊多組參數(shù)，從中找出最優(yōu)者。為了減小參數(shù)試湊的盲目性，表 3.2 給出對(duì)幾種常見(jiàn)過(guò)程變量 PID 控制參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)范圍可作為參數(shù)試湊的初值。由表 3.2 可見(jiàn)，其除溫度控制外，其他三種過(guò)程參數(shù)的控制一般都不用微分控制。表 3.2 PID 控制參數(shù)被調(diào)量特點(diǎn) Kp Ti(分) Td(分)流量 對(duì)象時(shí)間常數(shù)小，并有噪聲，故 Kp 較小，Ti 較短，不用微分1～2.5 0.1～1溫度 對(duì)象為多容系統(tǒng)，有較大滯后，常用微分1.6～5 3～10 0.5～3壓力 對(duì)象為容量系統(tǒng)，滯后一般不大，不用微分1.4～3.5 0.4～3在 PID 控制中，比例、積分、微分三部分參數(shù)具有一定的互補(bǔ)性，往往某一參數(shù)的減小可由其他參數(shù)的增加來(lái)補(bǔ)償，所以不同的參數(shù)往往可以達(dá)到相同的控制效果。對(duì)實(shí)際應(yīng)用來(lái)說(shuō)，只要控制效果已達(dá)到要求，就可以確定對(duì)應(yīng)的 PID 參數(shù)。 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文11第 四 章 控制系統(tǒng)的硬件選擇4.1 單片機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)現(xiàn)在可以說(shuō)單片機(jī)是百花齊放，百家爭(zhēng)鳴的時(shí)期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的單片機(jī)，從 8 位、16 位到 32 位，數(shù)不勝數(shù)，應(yīng)有盡有，有與主流 C51系列兼容的，也有不兼容的，但它們各具特色，互成互補(bǔ)，為單片機(jī)的應(yīng)用提供廣闊的天地?？v觀單片機(jī)的發(fā)展過(guò)程，可以預(yù)示單片機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，大致有：⑴低功耗 CMOS 化MCS-51 系列的 8031 推出時(shí)的功耗達(dá) 630mW，而現(xiàn)在的單片機(jī)普遍都在 100mW 左右，隨著對(duì)單片機(jī)功耗要求越來(lái)越低，現(xiàn)在的各個(gè)單片機(jī)制造商基本都采用了CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體工藝)。象 80C51 就采用了 HMOS(即高密度金屬氧化物半導(dǎo)體工藝)和 CHMOS(互補(bǔ)高密度金屬氧化物半導(dǎo)體工藝)。CMOS 雖然功耗較低，但由于其物理特征決定其工作速度不夠高，而 CHMOS 則具備了高速和低功耗的特點(diǎn)，這些特征，更適合于在要求低功耗象電池供電的應(yīng)用場(chǎng)合。所以這種工藝將是今后一段時(shí)期單片機(jī)發(fā)展的主要途徑。⑵微型單片化現(xiàn)在常規(guī)的單片機(jī)普遍都是將中央處理器(CPU)、隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)(RAM)、只讀程序存儲(chǔ)器(ROM)、并行和串行通信接口，中斷系統(tǒng)、定時(shí)電路、時(shí)鐘電路集成在一塊單一的芯片上，增強(qiáng)型的單片機(jī)集成了如 A/D 轉(zhuǎn)換器、PWM (脈寬調(diào)制電路)、WDT(看門(mén)狗)、有些單片機(jī)將 LCD(液晶)驅(qū)動(dòng)電路都集成在單一的芯片上，這樣單片機(jī)包含的單元電路就更多，功能就越強(qiáng)大。甚至單片機(jī)廠商還可以根據(jù)用戶的要求量身定做，制造出具有自己特色的單片機(jī)芯片。此外，現(xiàn)在的產(chǎn)品普遍要求體積小、重量輕，這就要求單片機(jī)除了功能強(qiáng)和功耗低外，還要求其體積要小?，F(xiàn)在的許多單片機(jī)都具有多種封裝形式，其中SMD(表面封裝)越來(lái)越受歡迎，使得由單片機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)正朝微型化方向發(fā)展。⑶主流與多品種共存現(xiàn)在雖然單片機(jī)的品種繁多，各具特色，但仍以 80C51 為核心的單片機(jī)占主流，兼容其結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)的有 PHILIPS 公司的產(chǎn)品，ATMEL 公司的產(chǎn)品和中國(guó)臺(tái)灣的 Winbond 系列單片機(jī)。所以 C8051 為核心的單片機(jī)占據(jù)了半壁江山。而Microchip 公司的 PIC 精簡(jiǎn)指令集(RISC)也有著強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭，中國(guó)臺(tái)灣的HOLTEK 公司近年的單片機(jī)產(chǎn)量與日俱增，與其低價(jià)質(zhì)優(yōu)的優(yōu)勢(shì)，占據(jù)一定的市場(chǎng)分額。此外還有 MOTOROLA 公司的產(chǎn)品，日本幾大公司的專(zhuān)用單片機(jī)。在一定的時(shí)期內(nèi)， 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文12這種情形將得以延續(xù)，將不存在某個(gè)單片機(jī)一統(tǒng)天下的壟斷局面，走的是依存互補(bǔ)，相輔相成、共同發(fā)展的道路。4.2 單片機(jī)的選擇美國(guó) Intel 公司繼 1976 年推出 MCS-48 系列單片機(jī)后，1980 年又推出了 MCS-51系列高檔 8 位單片機(jī)。由于 MCS-51 單片機(jī)是在 MCS-48 的基礎(chǔ)上推出的增強(qiáng)型產(chǎn)品，它的出現(xiàn)直接與 HMOS 工藝有關(guān)，并提高了芯片的集成度，因而后者比前者在性能上大為提高，增加了多種片內(nèi)硬件功能，并擴(kuò)展了功能單元的種類(lèi)和數(shù)量。MCS-51 單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)有如下一些主要特點(diǎn)：⑴內(nèi)部程序存儲(chǔ)器和內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器容量⑵輸入/輸出口MCS-51 單片機(jī)內(nèi)的 I/O 口的數(shù)量和種類(lèi)較多且齊全，尤其是它有一個(gè)全雙工的串行口。⑶外部程序存儲(chǔ)器和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器尋址空間MCS-51 可對(duì) 64KB 的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器尋址且不受該系列中各種芯片型號(hào)的影響，而對(duì)程序存儲(chǔ)器是內(nèi)外總空間為 64KB.⑷中斷與堆棧MCS-51 有 5 個(gè)中斷源，分為 2 個(gè)優(yōu)先級(jí)，每個(gè)中斷源的優(yōu)先級(jí)是可編程的，它的堆棧位置也是可編程的，堆棧深度可達(dá) 128 字節(jié)。而 MCS-48 只有不分優(yōu)先級(jí)的 2個(gè)中斷源，且堆棧設(shè)置在片內(nèi) RAM 的 16 個(gè)字節(jié)的固定單元內(nèi)。⑸定時(shí)/計(jì)數(shù)器與寄存器區(qū)MCS-51 子系列有 2 個(gè) 16 位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，通過(guò)編程可以實(shí)現(xiàn)四種工作模式。MCS-52 子系列有 3 個(gè) 16 位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器。而 MCS-48 只有一個(gè) 8 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。MCS-51 在內(nèi)部 RAM 中開(kāi)設(shè)了四個(gè)通用工作寄存器區(qū)，共 32 個(gè)通用寄存器，以適應(yīng)多種中斷或子程序嵌套的要求。而 MCS-48 的內(nèi)部 RAM 中只有兩個(gè)通用工作寄存器區(qū)，每個(gè)寄存器區(qū)包含 8 個(gè) 8 位寄存器。⑹指令系統(tǒng)MCS-51 有一個(gè)比 MCS-48 功能強(qiáng)得多的指令系統(tǒng)，主要表現(xiàn)在 MCS-51 的指令系統(tǒng)中增添了減法、乘法、除法、比較、堆棧操作和多種位操作指令。當(dāng)振蕩器頻率接最高 12MHZ 時(shí)，大部分指令執(zhí)行時(shí)間為 1μs，少部分為 2μs，乘除指令的執(zhí)行時(shí)間也只有 4μs。⑺布爾處理器特別值得一提的是 MCS-51 的布爾處理器。它實(shí)際上是一個(gè)完整的一個(gè)微計(jì)算機(jī)，這個(gè)一位微機(jī)有自己的 CPU ,位寄存器、I/O 口和指令集。把八位微機(jī)和一位微機(jī)結(jié) 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文13合在一起是微機(jī)技術(shù)上的一個(gè)突破。一位機(jī)在開(kāi)關(guān)決策、邏輯電路仿真和實(shí)時(shí)測(cè)控方面非常有效，而八位機(jī)在運(yùn)算處理、智能儀表常用的數(shù)據(jù)采集方面有明顯的長(zhǎng)處。在 MCS-51 系列單片機(jī)中八位機(jī)和一位機(jī)（布爾處理器）的硬件資源是復(fù)合在一起的，二者相輔相成，這是 MCS-51 在設(shè)計(jì)上的精美之處，也是一般微機(jī)所不具備的。MCS-48 的內(nèi)部沒(méi)有布爾處理器。綜上就是 MCS-51 單片機(jī)的主要特點(diǎn)，顯然在性能方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于 MCS-48 系列。MCS-51 的這些優(yōu)良特性和較高的性能價(jià)格比就是它為什么能迅速在我國(guó)代替TP801,Z80,MCS-48 的根本原因，也是為什么 MCS-51 應(yīng)用熱經(jīng)久不衰的理由。因此在本課題中選擇 8031 為核心設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)硬件線路圖。4.3 單片機(jī)芯片的引腳描述⑴主電源引腳 VCC和 VSSVCC-(40 腳)接+5V 電壓；VSS-(20 腳)接地。⑵外接晶體引腳 XTAL1 和 XTAL2XTAL1（19 腳）接外部晶體的一個(gè)引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，它是一個(gè)反相放大器的輸入端，這個(gè)放大器成了片內(nèi)振蕩器。當(dāng)采用外部振蕩器時(shí)，對(duì) HMOS 單片機(jī)，此引腳應(yīng)接地；對(duì) CHMOS 單片機(jī)，此引腳作為驅(qū)動(dòng)端。XTAL2(18 腳)接外部晶體的另一端。在單片機(jī)內(nèi)部，接至上述振蕩器的反相放大器的輸出端。采用外部振蕩器時(shí)，對(duì) HMOS 單片機(jī)，該引腳接外部振蕩器的信號(hào)，即把外部振蕩器的信號(hào)直接接到內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端；對(duì) CHMOS，此引腳應(yīng)懸浮。⑶控制或與其他電源復(fù)用引腳 RST/VPD、ALE/PROG,、PSEN 和 EA/VPP①RST/VPD(9 腳)：當(dāng)振蕩器運(yùn)行時(shí)，在此引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。推薦在此引腳與 VSS引腳之間連接一個(gè)約 8.2kΩ 的下拉電阻，與 VCC引腳之間連接一個(gè)約 10μF 的電容，以保證可靠的復(fù)位。VCC掉電期間，此引腳可接上備用電源，以保持內(nèi)部 RAM 的數(shù)據(jù)不丟失。當(dāng) VCC主電源下掉到低于規(guī)定的電平，而 VPD 在其規(guī)定的電范圍內(nèi)，VPD 就向內(nèi)部 RAM 提供備用電源。②ALE/PROG(30 腳)：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE 的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。即使不訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器，ALE 端仍以不變的頻率周期性地出現(xiàn)正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此，它可用作對(duì)外輸出的時(shí)鐘，或用于定時(shí)目的。然而要注意的是，每當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè) ALE 脈沖。ALE 端可以驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) LS 型的 TTL 輸入電路。對(duì)于 EPROM 型的單片機(jī),在 EPROM 編程期間,此引腳用于輸入編程脈沖. 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文14③PSEN(29 腳):此腳的輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào).在從外部程序存儲(chǔ)器取指令期間,每個(gè)機(jī)器周期兩次有效.但在此期間,每當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí),這兩次有效的信號(hào)將不出現(xiàn).PSEN 同樣可以驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) LS 型的 TTL 輸入.④EA/VPP(引腳):當(dāng) EA 端保持高電平時(shí),訪問(wèn)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器,但在 PC 值超過(guò)0FFFH 或 1FFFH 時(shí),將自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器內(nèi)的程序.當(dāng) EA 保持低電平時(shí),則只訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器,不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器.對(duì)于常用的 8031 來(lái)說(shuō),無(wú)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器,所以 EA 腳必須常接地,這樣才能只選擇外部程序存儲(chǔ)器.⑷輸入/輸出（I/O）引腳 P0、P1、P2、P3① P0 口(39 腳-32 腳):是雙向 8 位三態(tài) I/O 口,在外接存儲(chǔ)器時(shí),與地址總線的低 8 位及數(shù)據(jù)總線復(fù)用,能以吸收電流的方式驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) LS TTL 負(fù)載.②P1 口(1 腳-8 腳):是 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口.由于這種接口輸出沒(méi)有高阻狀態(tài),輸入也不能鎖存,故不是真正的雙向 I/O 口.P1 口能驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) LS TTL 負(fù)載.對(duì)8052、8032,P1.0 引腳的第二功能為 T2 定時(shí)/計(jì)數(shù)器的外部輸入,P1.1 引腳的第二功能為捕捉、重裝觸發(fā),即 T2 的外部控制端.對(duì) EPROM 編程和程序驗(yàn)證時(shí),它接收低 8位地址。③P2 口(21 腳-28 腳):是 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口.在訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí),它可以作為擴(kuò)展電路高 8 位地址總線送出高 8 位地址.在對(duì) EPROM 編程和程序驗(yàn)證期間,它接收高 8 位地址.可以驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) LS TTL 負(fù)載.④P3 口(10 腳-17 腳):是 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口,在 MCS-51 中,這 8 個(gè)引腳還用于專(zhuān)門(mén)功能,是復(fù)用雙功能口.P3 能驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) LS TTL 負(fù)載.作為第一功能使用時(shí),就作為普通 I/O 口用,功能和操作方法與 P1 口相同.作為第二功能使用時(shí),各引腳的定義如圖所示.值得強(qiáng)調(diào)的是,P3 口的每一條引腳的定義均可獨(dú)立定義為第一功能的輸入輸出或第二功能. 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文15圖 4.1 8031 引腳結(jié)構(gòu)圖4.4 單片機(jī)外圍電路的設(shè)計(jì)4.4.1 復(fù)位電路的設(shè)計(jì)51 系列單片機(jī)通過(guò) RST 片腳輸入復(fù)位信號(hào)。當(dāng) RST 保持個(gè)機(jī)器周期高電平就是先復(fù)位操作。CPU 測(cè)試到復(fù)位信號(hào)后在第二個(gè)機(jī)器周期執(zhí)行一系列片內(nèi)復(fù)位操作，并且在 RST 變低前的每一個(gè)周期重復(fù)執(zhí)行。復(fù)位結(jié)束時(shí)，四個(gè)并行口（P0～P3）為全高，即可直接作第二功能使用，或作第一功能輸入信號(hào)。堆棧指針（SP）設(shè)為 07H，即通用寄存器 0 區(qū)未設(shè)成堆棧，這樣，寄存器 0 區(qū) R0～R7 與棧區(qū)不重迭。串行口緩沖寄存器 SBUF 內(nèi)容不定。其他所有控制位，標(biāo)志位全部為零。按鍵復(fù)位操作不影響片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（用戶 RAM）00～7FH 各單元。如果斷電后再上電復(fù)位，則用戶 RAM 內(nèi)容不確定。RET 片腳也是雙功能的。除復(fù)位外，另一功能是在斷電時(shí)，通過(guò) RST/Vpd 片腳引入備用電源。利用這一特性，在檢測(cè)到電源即將短開(kāi)時(shí)，擁護(hù)系統(tǒng)應(yīng)中斷，把有關(guān)數(shù)據(jù)送到片內(nèi) RAM 保護(hù)，并在單片機(jī)正常電源 Vcc 下降到操作允許極限之前把備用電源加到 RST/Vpd，單片機(jī)進(jìn)入掉電運(yùn)行方式，備用電源向片內(nèi) RAM 供電。這樣單片機(jī)雖然不能工作，但能保存信息。當(dāng)電源恢復(fù)時(shí)，Vpd 應(yīng)保持到片內(nèi)振蕩電路開(kāi)始正常工作再加 2 個(gè)機(jī)器周期以完成復(fù)位操作后才可撤消。對(duì)于一般 51 系列單片機(jī)只有上述掉電運(yùn)行方式，而對(duì)于 CMOS 工藝制作的 51 系列單片機(jī)則具有更完善的掉電保護(hù)功能。圖 4.2 8031 與復(fù)位電路接口4.4.2 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文168031 片內(nèi)設(shè)有一個(gè)有反向放大器構(gòu)成的振蕩器，XTAL1 和 XTAL2 分別為振蕩電路的輸入端和輸出端。時(shí)鐘可以有內(nèi)部方式產(chǎn)生和外部方式產(chǎn)生。在 XTAL1 和XTAL2 引腳上外接定時(shí)元件，內(nèi)部振蕩電路就產(chǎn)生振蕩。定時(shí)元件通常采用石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。晶體可以在 1.2MHz 到 12MHz 之間選擇，電容值在5~30PF 之間選擇，電容的大小可起頻率微調(diào)作用。XTAL1 接地，XTAL2 接外部振蕩器。對(duì)外部振蕩信號(hào)無(wú)特殊要求，只要保證脈沖寬度，一般采用頻率底于 12MHz 的方波信號(hào)。時(shí)鐘發(fā)生器把振蕩頻率兩分頻，產(chǎn)生一個(gè)兩相時(shí)鐘信號(hào) P1 和 P2 供時(shí)鐘使用。P1 在每一個(gè)狀態(tài)的前半部分有效。P2 在每一個(gè)狀態(tài)的后半部分有效。時(shí)鐘電路如圖（4.3）所示：圖 4.3 時(shí)鐘電路接口4.5 存儲(chǔ)器的擴(kuò)展4.5.1 程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展MCS-51 的程序存儲(chǔ)器空間、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間是相互獨(dú)立的。程序存儲(chǔ)器尋址空間為 64K 字節(jié)（0000H～FFFFH）,其中 8051、8751 片內(nèi)包有 4K 字節(jié)的 ROM 或 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文17EPROM,8031 片內(nèi)不帶 ROM..當(dāng)片內(nèi) ROM 不夠用或采用 8031 芯片時(shí)，需擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器。用作程序存儲(chǔ)器的器件是 EPROM 和 EEPROM.程序存儲(chǔ)器一般采用芯片 ，國(guó)內(nèi)一般無(wú)條件使用掩模，也極少使用，經(jīng)常使用的是芯片。由于 MCS-51 單片機(jī)的 P0 口是分時(shí)復(fù)用的地址/數(shù)據(jù)總線，因此在進(jìn)行程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展時(shí)，必須利用地址鎖存器將地址信號(hào)從地址/數(shù)據(jù)總線中分離開(kāi)來(lái)。通常，地址鎖存器可使用帶三態(tài)緩沖輸出的八 D 鎖存器 74LS373 或 8282，也可以使用帶清除端的八 D 鎖存器 74LS273，地址鎖存信號(hào)為 ALE 。74LS373 和 8282 都是透明的帶有三態(tài)門(mén)的八 D 鎖存器。當(dāng)三態(tài)門(mén)的使能信號(hào)線 OE 非為低電平時(shí)，三態(tài)門(mén)處于導(dǎo)通狀態(tài)，允許 1Q～8Q輸出到 OUT1～8，當(dāng) OE 非端為高電平時(shí)，輸出三態(tài)門(mén)斷開(kāi)，輸出線 OUT1～8 處于浮空狀態(tài)。G 稱為數(shù)據(jù)打入線，當(dāng) 74LS373 用作地址鎖存器時(shí)，首先應(yīng)使三態(tài)門(mén)的使能信號(hào) OE 非為低電平，這時(shí)，當(dāng) G 輸入端為高電平時(shí)，鎖存器輸出狀態(tài)和輸入端狀態(tài)相同；當(dāng) G 端從高電平返回到低電平時(shí)，輸入端的數(shù)據(jù)鎖入 1Q～8Q 的 8 位鎖存器中。當(dāng)用 74LS373 和 8282 作為地址鎖存器時(shí)，它們的鎖存控制端 G 和 STB 可直接與單片機(jī)的鎖存控制信號(hào)端 ALE 相連，在 ALE 下降沿進(jìn)行地址鎖存，而 74LS273 作為地址鎖存器時(shí)，單片機(jī) ALE 端輸出的鎖存控制信號(hào)必須經(jīng)反相器后才能連到74LS273 的 CLK 端，以滿足 CLK 在上升沿鎖存的要求。常用 EPROM 芯片介紹紫外線擦除電可編程只讀存儲(chǔ)器 EPROM 可作為 MCS-51 單片機(jī)的外部程序存儲(chǔ)器，其典型產(chǎn)品是 INTEL 公司的系列芯片 2716、2732、2764、27128、27256、27512 等。這些芯片上均有一個(gè)玻璃窗戶，在紫外光下照射 20 分鐘左右，存儲(chǔ)器中的各位信息均變?yōu)?1，此時(shí)，可以通過(guò)編程器將工作程序固化到這些芯片中。① 2716EPROM2716 是 2K×8 位的紫外線擦除電可編程只讀存儲(chǔ)器，單一+5V 供電，運(yùn)行時(shí)最大功耗為 252mW，維持功耗位 132mW，讀出時(shí)間最大位 450ns，24 腳雙列直插式封裝，其管腳配置如圖所示。其中 A0～A10 是地址線；O0～O7 是數(shù)據(jù)線；CE 非是片選線，低電平有效；OE 非是數(shù)據(jù)輸出選通線；Vpp 是編程電源；Vcc 是工作電源。② 2732A EPROM2732A 是一種 4K×8 位的紫外線擦除電可編程知識(shí)讀存儲(chǔ)器，單一+5V 供電，最大靜態(tài)工作電流位 100mA，維持電流為 35mA，讀出時(shí)間最大為 250ns。2732A 為 24線雙列直插式封裝。③ 2764A EPROM2764A 是 8K 字節(jié)的紫外線擦除、電可編程只讀存儲(chǔ)器，單一+5V 供電，工作電 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文18流為 75mA，維持電流為 35mA，讀出時(shí)間最大為 250ns，28 腳雙列直插式封裝。④ 27128A EPROM27128A 是 16K×8 位的紫外線擦除電可編程只讀存儲(chǔ)器，單一+5V 供電，工作電流為 100mA，維持電流 40mA，讀出時(shí)間最大為 250ns，28 線雙列直插式封裝，各引腳含義如下：A0～A13 為地址線；O0～O7 為數(shù)據(jù)輸出線；CE 非為片選線；OE 非為數(shù)據(jù)輸出選通線；PGM 非為編程脈沖輸入端；Vpp 為編程電源。⑤ 7256 EPROM27256 是 64K×8 位的紫外線擦除、電可編程只讀存儲(chǔ)器，單一+5V 供電，工作電流為 100mA，維持電流為 40mA，讀出時(shí)間為 250ns，28 線雙列直插式封裝，其各引腳如下：A0～A14 是地址線；O0～O7 是數(shù)據(jù)輸出線；CE 非是片選線；OE 非是數(shù)據(jù)輸出選通線；Vpp 是編程電源⑥ 27512 EPROM27512 是 64K×8 位的紫外線擦除、電可編程只讀存儲(chǔ)器，單一+5V 供電，工作電流最大 125mA，維持電流 40mA，讀出時(shí)間最大為 250ns。27512 為 28 線雙列直插式封裝，各引腳含義如下：A0～A15 為地址線；O0～O7 為數(shù)據(jù)輸出線；CE 非是片選線，OE 非/Vpp 是數(shù)據(jù)輸出選通/編程電源。圖 4.4 8031 與 27128 的接口圖 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文194.5.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展8031 單片機(jī)內(nèi)部具有 128 個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，CPU 對(duì)內(nèi)部 RAM 具有豐富的操作指令，這個(gè) RAM 區(qū)是十分珍貴的資源，可作為工作寄存器，堆棧，軟件標(biāo)志和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)等。但在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中，可利用外接 RAM 電路作為外部的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與程序存儲(chǔ)器地址重疊編號(hào)使用不同的控制信號(hào)和指令，但它于I/O 口以及外圍設(shè)備實(shí)行統(tǒng)一編址，任何擴(kuò)展 I/O 口以及外圍設(shè)備均占用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器只使用 WR，RD 控制線而不用 PSEN。在本次設(shè)計(jì)中適用靜態(tài)RAM，靜態(tài) RAM 不必考慮保持?jǐn)?shù)據(jù)而設(shè)置的刷新電路，且它與主機(jī)的硬件連接簡(jiǎn)便，方便。圖 4.5 8031 與 6264 的接口圖6264 是 8K×8 位的靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器芯片，采用 CMOS 工藝制作，單一+5V 電源，額定功耗 165mw，典型存取時(shí)間為 200ns，24 線雙列直插式封裝，其管腳與邏輯符號(hào)如上圖所示。A0~A12 為片內(nèi) 13 位地址線，D0~D7 為 8 位數(shù)據(jù)線 CE 為片選信號(hào)，OE 為讀允許信號(hào)線，WE 為寫(xiě)信號(hào)線。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路與程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路相似，所用的地址線，數(shù)據(jù)線完全相同，讀，寫(xiě)控制線用 WR，RD 但要考慮的問(wèn)題比程序存儲(chǔ)器涉及的問(wèn)題要多，如I/O 口擴(kuò)展的統(tǒng)一編址問(wèn)題。4.6 A/D 轉(zhuǎn)換器的選擇在單片機(jī)的實(shí)時(shí)控制和智能化儀表等應(yīng)用系統(tǒng)中，常需要將檢測(cè)到的連續(xù)變化的模擬量如溫度、壓力、流量、速度等轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字量，才能輸入到單片機(jī)微機(jī)中進(jìn)行處理。然后再將處理結(jié)果的數(shù)字量經(jīng) D/A 變換器轉(zhuǎn)換成模擬量輸出，實(shí)現(xiàn) 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文20對(duì)被控對(duì)象的控制。實(shí)現(xiàn)模擬量變換成數(shù)字量的設(shè)備稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器。A/D 轉(zhuǎn)換器按照輸出代碼的有效位數(shù)分為 4 位、6 位、8 位、10 位、12 位、16位等；按照轉(zhuǎn)換速度可以分為超高速、高速、中速、低速等幾種不同轉(zhuǎn)換速度的芯片。A/D 轉(zhuǎn)換器的選擇要點(diǎn)：⑴如何確定 A/D 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)A/D 轉(zhuǎn)化器的位數(shù)的確定與整個(gè)測(cè)量控制系統(tǒng)所要測(cè)量控制的范圍和精度有關(guān)，但又不能唯一確定系統(tǒng)的精度。因?yàn)橄到y(tǒng)精度涉及的環(huán)節(jié)較多，包括傳感器變換精度、信號(hào)預(yù)處理電路精度和 A/D 轉(zhuǎn)換器及輸出電路、伺服機(jī)構(gòu)精度，甚至還包括軟件控制算法。然而估算時(shí)，A/D 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)至少要比總精度要求的最低分辨率高一位。實(shí)際選取的 A/D 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)應(yīng)與其他環(huán)節(jié)所能達(dá)到的精度相適應(yīng)。只要不低于它們就行，選得太高既沒(méi)有意義，而且價(jià)格還要高得多。對(duì)轉(zhuǎn)換器位數(shù)的另一點(diǎn)考慮是如果微處理器是 8 位的，采用 8 位以下的轉(zhuǎn)換器，其接口電路最簡(jiǎn)單。因?yàn)榻^大部分集成轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)輸出都具有電平，而且數(shù)據(jù)輸出寄存器具有可控三態(tài)輸出功能，可直接掛在數(shù)據(jù)總線上。當(dāng)采用 8 位以上的轉(zhuǎn)換器時(shí)，就要加緩沖器接口，數(shù)據(jù)要分兩次讀出。假如微處理器是 16 位的，采用多少位的轉(zhuǎn)換器都一樣。綜上所述，因此該課題選擇 8 位以下的，如 ADC0809。⑵如何確定 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率A/D 轉(zhuǎn)換器從啟動(dòng)轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)換結(jié)束，輸出穩(wěn)定的數(shù)字量，需要一定的時(shí)間，這就是 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間；其倒數(shù)就是每秒鐘能完成的轉(zhuǎn)換次數(shù)，稱為轉(zhuǎn)換速率。用不同原理實(shí)現(xiàn)的 A/D 轉(zhuǎn)換器其轉(zhuǎn)換時(shí)間是大不相同的?？偟膩?lái)說(shuō)，積分型、電荷平衡型和跟蹤比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度較慢，轉(zhuǎn)換時(shí)間從幾毫秒到幾十毫秒不等，只能構(gòu)成低速 A/D 轉(zhuǎn)換器，一般適用于對(duì)溫度、壓力、流量等緩變參量的檢測(cè)和控制。逐次比較型的 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間可從幾微秒到 100 微秒左右，屬于中速A/D 轉(zhuǎn)換器，常用于工業(yè)多通道單片機(jī)控制系統(tǒng)和聲頻數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等。⑶如何決定是否要加采樣保持器原則上直流和變化非常緩慢的信號(hào)可不用采樣保持器。其他情況都要加采樣保持器。根據(jù)分辨率、轉(zhuǎn)換時(shí)間、信號(hào)帶寬關(guān)系可得到如下數(shù)據(jù)作為是否要加采樣保持器的參考：如果 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間是 100ms、ADC 是 8 位時(shí)、沒(méi)有采樣保持器時(shí)，信號(hào)的允許頻率是 0.12HZ；如果 ADC 是 12 位，該頻率為 0.0077HZ。如果轉(zhuǎn)換時(shí)間是 100μs，ADC 是 8 位時(shí)，該頻率為 12HZ，12 位時(shí)是 0.77HZ。⑷工作電壓和基準(zhǔn)電壓有些早期設(shè)計(jì)的集成 A/D 轉(zhuǎn)換器需要±15V 的工作電壓，最近開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品可在+12V～+15V 范圍內(nèi)工作，這就需要多種電源。如果選擇使用單一＋5V 工作電壓的芯片，與單片機(jī)系統(tǒng)可共用一個(gè)電源就比較方便。 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文21基準(zhǔn)電源是提供給 A/D 轉(zhuǎn)換器在轉(zhuǎn)換時(shí)所需要的參考電壓，這是為保證轉(zhuǎn)換精度的基本條件。在要求較高精度時(shí)，基準(zhǔn)電壓要單獨(dú)用高度穩(wěn)定電源供給。⑸正確選用 A/D 轉(zhuǎn)換器有關(guān)量程的引腳A/D 轉(zhuǎn)換器的模擬量輸入有時(shí)需要是雙極性的，有時(shí)是單極性的。輸入信號(hào)最小值有從零開(kāi)始，也有從非零開(kāi)始的。有的 A/D 轉(zhuǎn)換器提供了不同的量程的引腳，只有正確使用，才能保證轉(zhuǎn)換精度。有些 A/D 轉(zhuǎn)換器如 ADC0809 提供有兩個(gè)參考電壓引腳，一個(gè)為 REF(+)，另一個(gè)為 REF(-)。通常情況下，可將 REF(-)接地。當(dāng)輸入的模擬量不是從零開(kāi)始，最大值也不是滿量程時(shí)，就可利用這兩個(gè)參考電壓引腳連成。例如輸入模擬量來(lái)自壓力傳感器，壓力為零時(shí)模擬量電壓為 1.25V；壓力為額定值時(shí)模擬電壓值為 3.75V。使用對(duì)稱參考電壓接法，則可使壓力為零時(shí)的 A/D 轉(zhuǎn)換器的輸出字為 00H，壓力為額定值時(shí)輸出字為 FFH。此種接法可提高測(cè)量精度。綜上，該課題選擇 ADC0809ADC0809 片內(nèi)帶有鎖存功能的 8 路模擬多路開(kāi)關(guān)，可對(duì) 8 路 0～5V 的輸入模擬電壓信號(hào)分時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，片內(nèi)具有多路開(kāi)關(guān)的地址譯碼和鎖存電路、比較器、256R電阻 T 型網(wǎng)絡(luò)、樹(shù)狀電子開(kāi)關(guān)、逐次逼近寄存器 SAR、控制與時(shí)序電路等。輸出具有 TTL 三態(tài)鎖存緩沖器，可直接連到單片機(jī)數(shù)據(jù)總線上。分辨率為 8 位。最大不可調(diào)誤差 ADC0809 小于±1LSB.單一+5V 供電，模擬輸入范圍為 0～5V.具有鎖存控制的 8 路模擬開(kāi)關(guān)?？涉i存三態(tài)輸出，輸出與 TTL 兼容。功耗為 15 兆瓦.不必進(jìn)行零點(diǎn)和滿度調(diào)整。轉(zhuǎn)換速度取決于芯片的時(shí)鐘頻率。芯片引腳功能如下：IN0～I(xiàn)N7:8 路輸入通道的模擬量輸入端口。2-1-2-8:8 位數(shù)字量輸出端口。START,ALE:START 為啟動(dòng)控制輸入端口，ALE 為地址鎖存控制信號(hào)端口。這兩個(gè)信號(hào)端可連接在一起，當(dāng)通過(guò)軟件輸入一個(gè)正脈沖，便立即啟動(dòng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換。EOC,OE:EOC 為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)脈沖輸出端口，OE 為輸出允許控制端口。這兩個(gè)信號(hào)也可連接在一起表示模/數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)束。OE 端的電平由低變高，打開(kāi)三態(tài)輸出鎖存器，將轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。REF(+),REF(-),VCC,GND:REF(+)和 REF(-)為參考電壓輸入端，V CC為主電源輸入端，GND 為接地端。一般 REF(+)與 VCC連接在一起，REF(-)與 GND 連接在一起。 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文22CLK:時(shí)鐘輸入端ADDA,B,C:8 路模擬開(kāi)關(guān)的三位地址選通輸入端，以選擇對(duì)應(yīng)的輸入通道。其對(duì)應(yīng)的輸入通道。圖 4.6 A/D 轉(zhuǎn)換器的接法4.7 D/A 轉(zhuǎn)換器的選擇在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，常要用到模擬輸出，數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D/A)就是一種把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成為模擬信號(hào)的器件。實(shí)際上，D/A 轉(zhuǎn)換器輸出的電量并不真正能連續(xù)可調(diào)，而是以所用 D/A 轉(zhuǎn)換器的絕對(duì)分辨率為單位增減，所以這實(shí)際上是準(zhǔn)模擬量輸出。為了滿足計(jì)算機(jī)的總線控制要求，適應(yīng)計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在 D/A 轉(zhuǎn)換芯片內(nèi)增加了一些計(jì)算機(jī)接口相關(guān)電路及引腳，其結(jié)構(gòu)特征是：具有數(shù)字輸入鎖存功能電路，能和 CPU 數(shù)據(jù)總線直接相連；帶有數(shù)據(jù)寄存器及 D/A 轉(zhuǎn)換控制端，CPU 可直接控制數(shù)字量的輸入和轉(zhuǎn)換；與 CPU 相同的單一+5V 電源供電。這類(lèi)芯片適用于單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的 D/A 接口，故稱這類(lèi)芯片為與微處理器完全兼容的 D/A 轉(zhuǎn)換芯片。這類(lèi)芯片主要有：⑴DAC0830 系列。DAC0830 系列為美國(guó) National Semiconductor 公司生產(chǎn)的具有兩個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的 8 位 D/A 轉(zhuǎn)換芯片，該系列產(chǎn)品包括DAC0830、DAC0831、DAC0832，管腳完全兼容為 20 腳的雙列直插式封裝。
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