DZ254廢水處理微機控制系統(tǒng),dz254,廢水處理,微機,控制系統(tǒng) 長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文1第一章 緒 論近年來，隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展及社會環(huán)境意識的逐漸增強，環(huán)境保護(hù)已成為當(dāng)前注重經(jīng)濟工作的同時所不可忽視的一項工作，并且越來越顯其重要性。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變化，而且成分、濃度又不可在線測量。為了廢物利用，吉化公司污水廠（目前國內(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很大，又造成反應(yīng)滯后，給中和過程的控制帶來困難，現(xiàn)由工人手動閥門進(jìn)行控制，PH 值波動范圍大，甚至有時超過排放標(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 PH 值又很敏感，因此有必要把 PH 值的波動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)：通過控制電石渣液的流量來控制廢水的 PH 值接近 7。關(guān)于中和的介紹：在工業(yè)行業(yè)中，因為要大量使用酸和堿，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、氫氟酸等無機酸和乙酸、甲酸、檸檬酸等有機酸，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、胺類等。無論從數(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。對不同濃度的酸堿廢水可采用不同的處理方法。對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?；厥蘸蟮膹U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)行中和處理時應(yīng)優(yōu)先考慮以廢治廢，既可 長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文2以節(jié)省處理費用和藥劑消耗，又簡便實用。當(dāng)酸堿廢水相互中和仍達(dá)不到處理要求時，可再補加藥劑進(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)長的出水管道可利用時，則不單獨設(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，其水質(zhì)，水量均不易保持穩(wěn)定，會給操作帶來困難，此時應(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，廢水本身的酸、堿含量難以平衡時，則需要補加酸性或堿性中和劑。當(dāng)水質(zhì)要求很高時，或廢水中含有其他的雜質(zhì)，重金屬離子，連續(xù)流無法保證出水的水質(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，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 串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)串級調(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．串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特點和效果分析串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一個雙回路系統(tǒng)。實質(zhì)上是把兩個調(diào)節(jié)器串接起來，通過它們的協(xié)調(diào)工作，使一個被調(diào)量準(zhǔn)確保持為給定值。通常，串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)副環(huán)的對象慣性小，工作頻率錯開相差三倍以上，以免頻率相近時發(fā)生共振現(xiàn)象而破壞正常工作。串級調(diào)節(jié)主要是用來克服落在副環(huán)內(nèi)的擾動。這些擾動能在中間變量反應(yīng)出來，很快就被副調(diào)節(jié)器抵消了。與單回路系統(tǒng)相比，干擾對被調(diào)量的影響可以減小許多倍。對于中間變量并無特殊要求，它的選擇應(yīng)該是，既能迅速反映擾動作用，又能使副環(huán)包括更多的，特別是幅度大而頻繁的擾動。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，并準(zhǔn)確保持被調(diào)量為給定值。由于副回路的存在，串級系統(tǒng)可以為閉合的副回路代替了原來的一部分對象，起了改善對象特性的作用。與單回路系統(tǒng)相比，除了克服落在副環(huán)內(nèi)的擾動外，還提高了系統(tǒng)的工作頻率，加快了過渡過程。采用串級調(diào)節(jié)的效果可以用圖 2.1 所示的串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的方塊圖來說明。圖 2.1 串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)方框圖串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)由于副回路改善了對象的動特性，使整個系統(tǒng)的過渡過程比單回路系統(tǒng)的過渡過程的頻率有所提高。當(dāng)對象特性一定時，副調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)越大，這種效果愈加顯著。對于不包括在副環(huán)范圍內(nèi)的擾動，因為副回路減少了對象時間常數(shù)，而引起整個系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程波動頻率提高，被調(diào)量的動態(tài)偏差也將減小。這時，主調(diào)節(jié)器發(fā)出的調(diào)節(jié)作用經(jīng)過調(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)是以快動作迅速抵消落在副環(huán)內(nèi)的擾動。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.串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的整定方法在運行中，主環(huán)和副環(huán)兩者波動頻率不同，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)對象的動態(tài)特性，也與主副調(diào)節(jié)器的整定情況有關(guān)。在整定時，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)的頻率錯開，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)串級控制方案的確定酸性廢水的中和值是本次設(shè)計的主要被控參數(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實現(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，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)器用來克服落在副環(huán)以內(nèi)的擾動，保持流量恒定。采用串級控制方式，可以改善對象特性，提高系統(tǒng)的工作頻率，加快過渡過程，增強抗干擾能力。串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)方框圖如圖 2.2 所示圖 2.2 串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)方框圖要想精確地測量 PH 值，需要選取合適的 PH 計，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，其測量范圍PH:0.00～14.00PH,隔離信號輸出：4～20mA一般單片機應(yīng)用系統(tǒng)模擬信號輸出只是電壓信號，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 管道 中和池流量PH 值 長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文5信號，因此在某些只有電流輸入信號或只是提供電流的場合，需要進(jìn)行電流/電壓轉(zhuǎn)換，PH 計流量計輸出信號為電流信號，根據(jù)其規(guī)格不同分別對 PH 計流量計選用 4-20mA/0-5v,0-10mA/0-5v 轉(zhuǎn)換電路.在單片機的實時測控和智能化儀表等應(yīng)用系統(tǒng)中，常需要將檢測到的連續(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，實現(xiàn)對被控對象---過程或儀表、機電設(shè)備、裝置的控制。因此，經(jīng)過 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 出來的數(shù)據(jù)，接入串行顯示以便于對 PH 值的大小有清晰的概念保證它在小范圍內(nèi)波動，從而確定對電石渣流量大小的控制。經(jīng)過 8031 出來的是數(shù)字信號經(jīng) DAC0832 把其變?yōu)槟M信號再經(jīng)過一個運放使其電壓信號放大，最后接入調(diào)節(jié)閥。設(shè)計一個控制系統(tǒng)，首先要對被控對象做全面的了解，該被控對象是堿性液體，要測它的流量特性，建立控制對象的數(shù)學(xué)模型，采用采集正常生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)的方法，即在微型機控制調(diào)試運行的條件下，由微型機本身采集被控過程的輸入量，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。因此，在整個設(shè)計過程中，首先要對電石渣液的流量進(jìn)行測量，以保證其流量的給定與 PH=7 相匹配，因此選定流量計是耐酸性耐堿性較好的。根據(jù) PH值波動的大小控制電石渣液的流量需要一個執(zhí)行器即調(diào)節(jié)閥，參照它的特殊環(huán)境，選取電動隔膜調(diào)節(jié)閥，它適用于強酸強堿強腐蝕性介質(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 定時以作為流量內(nèi)環(huán)的采樣周期，16 個流量采樣周期作為 PH 值檢測周期。經(jīng)過 16 個流量檢測周期后，檢測一個 PH 值，對閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，使中和值達(dá)到工藝要求 PH=7.0，之后不斷對流量進(jìn)行采樣，保持流量恒定，維持上一次 PH 值檢測后 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運算后送到執(zhí)行機構(gòu)，改變輸入量，以達(dá)到自動調(diào)節(jié)的目的，這種系統(tǒng)多用于電動或氣動單元組合儀表 DDZ 來完成。而在數(shù)字控制系統(tǒng)中，則是用數(shù)字調(diào)節(jié)器來代替模擬調(diào)節(jié)器，其調(diào)節(jié)過程是首先采集過程參數(shù)信號，并且通過模擬量輸入通道將模擬量變成數(shù)字量，這些數(shù)字量是通過計算機按一定控制算法進(jìn)行運算處理，運算結(jié)果經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換成模擬量后由模擬量輸出通道輸出，并通過執(zhí)行機構(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)簡單，參數(shù)易于調(diào)整，在長期應(yīng)用中以積累了豐富的經(jīng)驗，特別是在工業(yè)過程控制中，由于控制對象的精確數(shù)字模型難以建立，系統(tǒng)的參數(shù)又經(jīng)常發(fā)生變化，運用現(xiàn)代控制理論進(jìn)行分析綜合要耗費很大的代價進(jìn)行模型辯識，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)驗進(jìn)行在線整定。（一）PID 調(diào)節(jié)器的優(yōu)點：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踐中積累了豐富的經(jīng)驗，特別是一些工作時間比較長的工程技術(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. 控制效果好雖然計算機控制是離散的，但對于時間常數(shù)比較大的系統(tǒng)來說，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。控制器把設(shè)定值 W 與實際輸出值 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，通過線性組合構(gòu)成控制量 u，然后用 u 對對象進(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 過大時，會使動態(tài)質(zhì)量變差，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。比例控制器的優(yōu)點是反應(yīng)快，缺點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。微分調(diào)節(jié)器的加入使微分作用加強，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定同時加快了系 長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文8統(tǒng)的穩(wěn)定速度，縮短調(diào)整時間，從而改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能（三）PID 控制算法的數(shù)字實現(xiàn)采用單片機作為控制器核心上自動控制系統(tǒng)通過 A/D 電路檢測過程變量 Y，并計算誤差 e 和控制變量 u，通過 D/A 變換后輸出到執(zhí)行機構(gòu)，使過程變量 Y 穩(wěn)定在設(shè)定值上，可見計算機控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的誤差值計算控制變量 u，因此，模擬 PID 控制算法公式中的積分項和微分項不能準(zhǔn)確計算，只能用數(shù)值計算的方法接近。PID 控制算式經(jīng)過離散化，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 個采樣時刻的控制量，Δt=T 為采樣周期，e(k)與 e(k-1)分別為第K 次和第（K-1）次采樣的時刻偏差值，K=0，1，2……為采樣序號。上式稱為位置式 PID 算式，這是因為它的輸出 u(k)是與執(zhí)行機構(gòu)的位置一一對應(yīng)的。由上式不難寫出第 K-1 個采樣時刻的控制量。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)。由于這個式子的 Δu(k)對應(yīng)于第 K 個采樣時刻的輸出增量，所以稱此式為增量式 PID 算式，而第 K 個采樣時刻的控制量為 u(k)=u(k-1)+Δu(k)增量式 PID 算法和位置式算法并沒有本質(zhì)的區(qū)別，此時 u(k)仍可通過 D/A 轉(zhuǎn)換器作用與執(zhí)行機構(gòu)。但是從計算方法上，增量式算法具有明顯的優(yōu)點，它編程簡單，對歷史數(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，但由于被控對象的物理過程及參數(shù)的變化比較復(fù)雜，致使模擬信號的最高頻率 fmax 很難確定，所以，采樣周期的選擇需根據(jù)系統(tǒng)的實際情況綜合考慮多種因素來決定。1、從系統(tǒng)控制品質(zhì)的需求來看，希望采樣周期取小些這樣在連續(xù)系統(tǒng) PID 整定參數(shù)時可得到較好的控制效果。2、從執(zhí)行元件的要求來看，對于執(zhí)行速度較慢的執(zhí)行器，要求采樣周期不能過小。3、從對控制系統(tǒng)的響應(yīng)快速性和抗干擾性來看，采樣周期要短些。4、當(dāng)系統(tǒng)的純滯后時間 τ 與被控制對象的時間常數(shù) Tc 相比有 τ≥0。5T 時， 長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文9通常認(rèn)為是大滯后系統(tǒng)，這時，選采樣周期 T 等于或接近 τ。5、從計算的精度考慮，采樣周期 τ 不能過小，過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，計算量較大時，要使每個回路有足夠的計算時間?？梢?，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臨界穩(wěn)定實驗來整定 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，將比例度由小到大，直到系統(tǒng)產(chǎn)生等幅震蕩。此時的比例度稱為臨界比例度，對應(yīng)的震蕩周期稱為臨界震蕩周期。2、擴充響應(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）斷開控制器，在系統(tǒng)的開環(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，求得滯后時間 τ，對象時間常數(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)，通過閉環(huán)運行觀察系統(tǒng)的運行效果，根據(jù)各參數(shù)對系統(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 過大將使系統(tǒng)超調(diào)過大振蕩加劇，穩(wěn)定性變壞。（2）積分時間 Ti 有利于減小超調(diào)和振蕩。有利于系統(tǒng)穩(wěn)定，但消除靜差的過程將加長。（3）微分時間 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，可按如下步驟對參數(shù)實行先比例，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 長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文10的 90%，積分時間 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 給出對幾種常見過程變量 PID 控制參數(shù)的經(jīng)驗范圍可作為參數(shù)試湊的初值。由表 3.2 可見，其除溫度控制外，其他三種過程參數(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 Kp Ti(分) Td(分)流量 對象時間常數(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)具有一定的互補性，往往某一參數(shù)的減小可由其他參數(shù)的增加來補償，所以不同的參數(shù)往往可以達(dá)到相同的控制效果。對實際應(yīng)用來說，只要控制效果已達(dá)到要求，就可以確定對應(yīng)的 PID 參數(shù)。 長春工業(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 單片機的發(fā)展趨勢現(xiàn)在可以說單片機是百花齊放，百家爭鳴的時期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的單片機，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，為單片機的應(yīng)用提供廣闊的天地。縱觀單片機的發(fā)展過程，可以預(yù)示單片機的發(fā)展趨勢，大致有：⑴低功耗 CMOS 化MCS-51 系列的 8031 推出時的功耗達(dá) 630mW，而現(xiàn)在的單片機普遍都在 100mW 左右，隨著對單片機功耗要求越來越低，現(xiàn)在的各個單片機制造商基本都采用了CMOS(互補金屬氧化物半導(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，這些特征，更適合于在要求低功耗象電池供電的應(yīng)用場合。所以這種工藝將是今后一段時期單片機發(fā)展的主要途徑。⑵微型單片化現(xiàn)在常規(guī)的單片機普遍都是將中央處理器(CPU)、隨機存取數(shù)據(jù)存儲(RAM)、只讀程序存儲器(ROM)、并行和串行通信接口，中斷系統(tǒng)、定時電路、時鐘電路集成在一塊單一的芯片上，增強型的單片機集成了如 A/D 轉(zhuǎn)換器、PWM (脈寬調(diào)制電路)、WDT(看門狗)、有些單片機將 LCD(液晶)驅(qū)動電路都集成在單一的芯片上，這樣單片機包含的單元電路就更多，功能就越強大。甚至單片機廠商還可以根據(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，這就要求單片機除了功能強和功耗低外，還要求其體積要小?，F(xiàn)在的許多單片機都具有多種封裝形式，其中SMD(表面封裝)越來越受歡迎，使得由單片機構(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)在雖然單片機的品種繁多，各具特色，但仍以 80C51 為核心的單片機占主流，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)品和中國臺灣的 Winbond 系列單片機。所以 C8051 為核心的單片機占據(jù)了半壁江山。而Microchip 公司的 PIC 精簡指令集(RISC)也有著強勁的發(fā)展勢頭，中國臺灣的HOLTEK 公司近年的單片機產(chǎn)量與日俱增，與其低價質(zhì)優(yōu)的優(yōu)勢，占據(jù)一定的市場分額。此外還有 MOTOROLA 公司的產(chǎn)品，日本幾大公司的專用單片機。在一定的時期內(nèi)， 長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文12這種情形將得以延續(xù)，將不存在某個單片機一統(tǒng)天下的壟斷局面，走的是依存互補，相輔相成、共同發(fā)展的道路。4.2 單片機的選擇美國 Intel 公司繼 1976 年推出 MCS-48 系列單片機后，1980 年又推出了 MCS-51系列高檔 8 位單片機。由于 MCS-51 單片機是在 MCS-48 的基礎(chǔ)上推出的增強型產(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，并擴展了功能單元的種類和數(shù)量。MCS-51 單片機硬件結(jié)構(gòu)有如下一些主要特點：⑴內(nèi)部程序存儲器和內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器容量⑵輸入/輸出口MCS-51 單片機內(nèi)的 I/O 口的數(shù)量和種類較多且齊全，尤其是它有一個全雙工的串行口。⑶外部程序存儲器和外部數(shù)據(jù)存儲器尋址空間MCS-51 可對 64KB 的外部數(shù)據(jù)存儲器尋址且不受該系列中各種芯片型號的影響，而對程序存儲器是內(nèi)外總空間為 64KB.⑷中斷與堆棧MCS-51 有 5 個中斷源，分為 2 個優(yōu)先級，每個中斷源的優(yōu)先級是可編程的，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)先級的 2個中斷源，且堆棧設(shè)置在片內(nèi) RAM 的 16 個字節(jié)的固定單元內(nèi)。⑸定時/計數(shù)器與寄存器區(qū)MCS-51 子系列有 2 個 16 位的定時/計數(shù)器，通過編程可以實現(xiàn)四種工作模式。MCS-52 子系列有 3 個 16 位的定時/計數(shù)器。而 MCS-48 只有一個 8 位定時/計數(shù)器。MCS-51 在內(nèi)部 RAM 中開設(shè)了四個通用工作寄存器區(qū)，共 32 個通用寄存器，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 中只有兩個通用工作寄存器區(qū)，每個寄存器區(qū)包含 8 個 8 位寄存器。⑹指令系統(tǒng)MCS-51 有一個比 MCS-48 功能強得多的指令系統(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，大部分指令執(zhí)行時間為 1μs，少部分為 2μs，乘除指令的執(zhí)行時間也只有 4μs。⑺布爾處理器特別值得一提的是 MCS-51 的布爾處理器。它實際上是一個完整的一個微計算機，這個一位微機有自己的 CPU ,位寄存器、I/O 口和指令集。把八位微機和一位微機結(jié) 長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文13合在一起是微機技術(shù)上的一個突破。一位機在開關(guān)決策、邏輯電路仿真和實時測控方面非常有效，而八位機在運算處理、智能儀表常用的數(shù)據(jù)采集方面有明顯的長處。在 MCS-51 系列單片機中八位機和一位機（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)計上的精美之處，也是一般微機所不具備的。MCS-48 的內(nèi)部沒有布爾處理器。綜上就是 MCS-51 單片機的主要特點，顯然在性能方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)強于 MCS-48 系列。MCS-51 的這些優(yōu)良特性和較高的性能價格比就是它為什么能迅速在我國代替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)計控制系統(tǒng)硬件線路圖。4.3 單片機芯片的引腳描述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）接外部晶體的一個引腳。在單片機內(nèi)部，它是一個反相放大器的輸入端，這個放大器成了片內(nèi)振蕩器。當(dāng)采用外部振蕩器時，對 HMOS 單片機，此引腳應(yīng)接地；對 CHMOS 單片機，此引腳作為驅(qū)動端。XTAL2(18 腳)接外部晶體的另一端。在單片機內(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，對 HMOS 單片機，該引腳接外部振蕩器的信號，即把外部振蕩器的信號直接接到內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端；對 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)振蕩器運行時，在此引腳上出現(xiàn)兩個機器周期的高電平將使單片機復(fù)位。推薦在此引腳與 VSS引腳之間連接一個約 8.2kΩ 的下拉電阻，與 VCC引腳之間連接一個約 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)訪問外部存儲器時，ALE 的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ALE 端仍以不變的頻率周期性地出現(xiàn)正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此，它可用作對外輸出的時鐘，或用于定時目的。然而要注意的是，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個 ALE 脈沖。ALE 端可以驅(qū)動 8 個 LS 型的 TTL 輸入電路。對于 EPROM 型的單片機,在 EPROM 編程期間,此引腳用于輸入編程脈沖. 長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文14③PSEN(29 腳):此腳的輸出是外部程序存儲器的讀選通信號.在從外部程序存儲器取指令期間,每個機器周期兩次有效.但在此期間,每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時,這兩次有效的信號將不出現(xiàn).PSEN 同樣可以驅(qū)動 8 個 LS 型的 TTL 輸入.④EA/VPP(引腳):當(dāng) EA 端保持高電平時,訪問內(nèi)部程序存儲器,但在 PC 值超過0FFFH 或 1FFFH 時,將自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲器內(nèi)的程序.當(dāng) EA 保持低電平時,則只訪問外部程序存儲器,不管是否有內(nèi)部程序存儲器.對于常用的 8031 來說,無內(nèi)部程序存儲器,所以 EA 腳必須常接地,這樣才能只選擇外部程序存儲器.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,在外接存儲器時,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 8 個 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 4 個 LS TTL 負(fù)載.對8052、8032,P1.0 引腳的第二功能為 T2 定時/計數(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 EPROM 編程和程序驗證時,它接收低 8位地址。③P2 口(21 腳-28 腳):是 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口.在訪問外部存儲器時,它可以作為擴展電路高 8 位地址總線送出高 8 位地址.在對 EPROM 編程和程序驗證期間,它接收高 8 位地址.可以驅(qū)動 4 個 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 個引腳還用于專門功能,是復(fù)用雙功能口.P3 能驅(qū)動 4 個 LS TTL 負(fù)載.作為第一功能使用時,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,各引腳的定義如圖所示.值得強調(diào)的是,P3 口的每一條引腳的定義均可獨立定義為第一功能的輸入輸出或第二功能. 長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文15圖 4.1 8031 引腳結(jié)構(gòu)圖4.4 單片機外圍電路的設(shè)計4.4.1 復(fù)位電路的設(shè)計51 系列單片機通過 RST 片腳輸入復(fù)位信號。當(dāng) RST 保持個機器周期高電平就是先復(fù)位操作。CPU 測試到復(fù)位信號后在第二個機器周期執(zhí)行一系列片內(nèi)復(fù)位操作，并且在 RST 變低前的每一個周期重復(fù)執(zhí)行。復(fù)位結(jié)束時，四個并行口（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。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，通過 RST/Vpd 片腳引入備用電源。利用這一特性，在檢測到電源即將短開時，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，單片機進(jìn)入掉電運行方式，備用電源向片內(nèi) RAM 供電。這樣單片機雖然不能工作，但能保存信息。當(dāng)電源恢復(fù)時，Vpd 應(yīng)保持到片內(nèi)振蕩電路開始正常工作再加 2 個機器周期以完成復(fù)位操作后才可撤消。對于一般 51 系列單片機只有上述掉電運行方式，而對于 CMOS 工藝制作的 51 系列單片機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 時鐘電路設(shè)計 長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文168031 片內(nèi)設(shè)有一個有反向放大器構(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 引腳上外接定時元件，內(nèi)部振蕩電路就產(chǎn)生振蕩。定時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。對外部振蕩信號無特殊要求，只要保證脈沖寬度，一般采用頻率底于 12MHz 的方波信號。時鐘發(fā)生器把振蕩頻率兩分頻，產(chǎn)生一個兩相時鐘信號 P1 和 P2 供時鐘使用。P1 在每一個狀態(tài)的前半部分有效。P2 在每一個狀態(tài)的后半部分有效。時鐘電路如圖（4.3）所示：圖 4.3 時鐘電路接口4.5 存儲器的擴展4.5.1 程序存儲器的擴展MCS-51 的程序存儲器空間、數(shù)據(jù)存儲器空間是相互獨立的。程序存儲器尋址空間為 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，需擴展程序存儲器。用作程序存儲器的器件是 EPROM 和 EEPROM.程序存儲器一般采用芯片 ，國內(nèi)一般無條件使用掩模，也極少使用，經(jīng)常使用的是芯片。由于 MCS-51 單片機的 P0 口是分時復(fù)用的地址/數(shù)據(jù)總線，因此在進(jìn)行程序存儲器擴展時，必須利用地址鎖存器將地址信號從地址/數(shù)據(jù)總線中分離開來。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，地址鎖存信號為 ALE 。74LS373 和 8282 都是透明的帶有三態(tài)門的八 D 鎖存器。當(dāng)三態(tài)門的使能信號線 OE 非為低電平時，三態(tài)門處于導(dǎo)通狀態(tài)，允許 1Q～8Q輸出到 OUT1～8，當(dāng) OE 非端為高電平時，輸出三態(tài)門斷開，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，首先應(yīng)使三態(tài)門的使能信號 OE 非為低電平，這時，當(dāng) G 輸入端為高電平時，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，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，它們的鎖存控制端 G 和 STB 可直接與單片機的鎖存控制信號端 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，單片機 ALE 端輸出的鎖存控制信號必須經(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器 EPROM 可作為 MCS-51 單片機的外部程序存儲器，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玻璃窗戶，在紫外光下照射 20 分鐘左右，存儲器中的各位信息均變?yōu)?1，此時，可以通過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器，單一+5V 供電，運行時最大功耗為 252mW，維持功耗位 132mW，讀出時間最大位 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讀存儲器，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、電可編程只讀存儲器，單一+5V 供電，工作電 長春工業(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器，單一+5V 供電，工作電流為 100mA，維持電流 40mA，讀出時間最大為 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、電可編程只讀存儲器，單一+5V 供電，工作電流為 100mA，維持電流為 40mA，讀出時間為 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、電可編程只讀存儲器，單一+5V 供電，工作電流最大 125mA，維持電流 40mA，讀出時間最大為 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 長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文194.5.2 數(shù)據(jù)存儲器的擴展8031 單片機內(nèi)部具有 128 個字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器，CPU 對內(nèi)部 RAM 具有豐富的操作指令，這個 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)存儲器。數(shù)據(jù)存儲器與程序存儲器地址重疊編號使用不同的控制信號和指令，但它于I/O 口以及外圍設(shè)備實行統(tǒng)一編址，任何擴展 I/O 口以及外圍設(shè)備均占用數(shù)據(jù)存儲器地址。數(shù)據(jù)存儲器只使用 WR，RD 控制線而不用 PSEN。在本次設(shè)計中適用靜態(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，且它與主機的硬件連接簡便，方便。圖 4.5 8031 與 6264 的接口圖6264 是 8K×8 位的靜態(tài)隨機存儲器芯片，采用 CMOS 工藝制作，單一+5V 電源，額定功耗 165mw，典型存取時間為 200ns，24 線雙列直插式封裝，其管腳與邏輯符號如上圖所示。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，OE 為讀允許信號線，WE 為寫信號線。數(shù)據(jù)存儲器擴展電路與程序存儲器擴展電路相似，所用的地址線，數(shù)據(jù)線完全相同，讀，寫控制線用 WR，RD 但要考慮的問題比程序存儲器涉及的問題要多，如I/O 口擴展的統(tǒng)一編址問題。4.6 A/D 轉(zhuǎn)換器的選擇在單片機的實時控制和智能化儀表等應(yīng)用系統(tǒng)中，常需要將檢測到的連續(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，才能輸入到單片機微機中進(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，實現(xiàn) 長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文20對被控對象的控制。實現(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：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)的確定與整個測量控制系統(tǒng)所要測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。因為系統(tǒng)精度涉及的環(huán)節(jié)較多，包括傳感器變換精度、信號預(yù)處理電路精度和 A/D 轉(zhuǎn)換器及輸出電路、伺服機構(gòu)精度，甚至還包括軟件控制算法。然而估算時，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，選得太高既沒有意義，而且價格還要高得多。對轉(zhuǎn)換器位數(shù)的另一點考慮是如果微處理器是 8 位的，采用 8 位以下的轉(zhuǎn)換器，其接口電路最簡單。因為絕大部分集成轉(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，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，需要一定的時間，這就是 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間；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。用不同原理實現(xiàn)的 A/D 轉(zhuǎn)換器其轉(zhuǎn)換時間是大不相同的?？偟膩碚f，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，一般適用于對溫度、壓力、流量等緩變參量的檢測和控制。逐次比較型的 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間可從幾微秒到 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)換時間、信號帶寬關(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)換時間是 100ms、ADC 是 8 位時、沒有采樣保持器時，信號的允許頻率是 0.12HZ；如果 ADC 是 12 位，該頻率為 0.0077HZ。如果轉(zhuǎn)換時間是 100μs，ADC 是 8 位時，該頻率為 12HZ，12 位時是 0.77HZ。⑷工作電壓和基準(zhǔn)電壓有些早期設(shè)計的集成 A/D 轉(zhuǎn)換器需要±15V 的工作電壓，最近開發(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，與單片機系統(tǒng)可共用一個電源就比較方便。 長春工業(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，基準(zhǔn)電壓要單獨用高度穩(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需要是雙極性的，有時是單極性的。輸入信號最小值有從零開始，也有從非零開始的。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 提供有兩個參考電壓引腳，一個為 REF(+)，另一個為 REF(-)。通常情況下，可將 REF(-)接地。當(dāng)輸入的模擬量不是從零開始，最大值也不是滿量程時，就可利用這兩個參考電壓引腳連成。例如輸入模擬量來自壓力傳感器，壓力為零時模擬量電壓為 1.25V；壓力為額定值時模擬電壓值為 3.75V。使用對稱參考電壓接法，則可使壓力為零時的 A/D 轉(zhuǎn)換器的輸出字為 00H，壓力為額定值時輸出字為 FFH。此種接法可提高測量精度。綜上，該課題選擇 ADC0809ADC0809 片內(nèi)帶有鎖存功能的 8 路模擬多路開關(guān)，可對 8 路 0～5V 的輸入模擬電壓信號分時進(jìn)行轉(zhuǎn)換，片內(nèi)具有多路開關(guān)的地址譯碼和鎖存電路、比較器、256R電阻 T 型網(wǎng)絡(luò)、樹狀電子開關(guān)、逐次逼近寄存器 SAR、控制與時序電路等。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)行零點和滿度調(diào)整。轉(zhuǎn)換速度取決于芯片的時鐘頻率。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 為啟動控制輸入端口，ALE 為地址鎖存控制信號端口。這兩個信號端可連接在一起，當(dāng)通過軟件輸入一個正脈沖，便立即啟動模/數(shù)轉(zhuǎn)換。EOC,OE:EOC 為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號脈沖輸出端口，OE 為輸出允許控制端口。這兩個信號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。 長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文22CLK:時鐘輸入端ADDA,B,C:8 路模擬開關(guān)的三位地址選通輸入端，以選擇對應(yīng)的輸入通道。其對應(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應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計中，常要用到模擬輸出，數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D/A)就是一種把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成為模擬信號的器件。實際上，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)換器的絕對分辨率為單位增減，所以這實際上是準(zhǔn)模擬量輸出。為了滿足計算機的總線控制要求，適應(yīng)計算機應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在 D/A 轉(zhuǎn)換芯片內(nèi)增加了一些計算機接口相關(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。這類芯片適用于單片機應(yīng)用系統(tǒng)的 D/A 接口，故稱這類芯片為與微處理器完全兼容的 D/A 轉(zhuǎn)換芯片。這類芯片主要有：⑴DAC0830 系列。DAC0830 系列為美國 National Semiconductor 公司生產(chǎn)的具有兩個數(shù)據(jù)存儲器的 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。