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)設(shè)計(jì)、畢業(yè)論文題 目 廢水處理微機(jī)控制系統(tǒng) 學(xué) 院 電氣與電子工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí) 自動(dòng)化 0112 班 指導(dǎo)教師 蒲春華 姓 名 趙發(fā)才 年 月 日指導(dǎo)教師簽字:年 月 日評(píng)閱人簽字:年 月 日摘 要廢水中和值控制系統(tǒng)是通過(guò)控制電石渣的流量,使電石渣與給定流量的酸性廢水中和后的值穩(wěn)定在 7 附近。該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)核心為單片微型計(jì)算機(jī),其控制過(guò)程是:從測(cè)電石渣的流量計(jì)和測(cè)量 PH 值的 PH 計(jì)出來(lái)的電流信號(hào)經(jīng)過(guò) I/V 變換后,將電壓信號(hào)送入 A/D 把模擬量變?yōu)閿?shù)字量后送入 8031,經(jīng)程序處理后再將信號(hào)送入D/A,再由 V/I 變換把電流信號(hào)送給調(diào)節(jié)閥,從而調(diào)節(jié)電石渣的流量,以保證 PH 值穩(wěn)定于 7。本系統(tǒng)采用串級(jí)控制,內(nèi)環(huán)控制電石渣的流量,時(shí)間為 1 秒;外環(huán)控制 PH 值,時(shí)間為 4 秒。對(duì)電石渣流量進(jìn)行采樣,一般可采三次,當(dāng)采集過(guò)后達(dá)到一定時(shí)間時(shí),再對(duì)PH 值進(jìn)行顯示,如果顯示的 PH 值在 7 附近波動(dòng)較大時(shí),則相應(yīng)地調(diào)整電石渣的流量,使值穩(wěn)定于 7,以便于達(dá)到最佳效果。關(guān)鍵詞:?jiǎn)纹瑱C(jī) 調(diào)節(jié)流量 穩(wěn)定 PH 值Title The Controlling System of The Waste WaterAbstractThis controlling system of the waste water neutralizes ph value makes the ph value which is produced by the way that carbide dregs neutralize the acid waste water of given rate of flow stabilized around 7 by controlling the rate of flow of the carbide dregs .The system is core of hardware is MCS-51microcomputor,Its controlling process is the signal which come from the measure of ph and rate of flow change by I/V, and send the signal to 8031,because the signal is small , and magnify it by 4558.At last, we send the signal which will be changed by V/I to the valve, thus it can control the rate of flow and convenient for stabilizing the ph value. The system uses serial controlling system, the small annuals controls the rate of flow of the carbide dregs,the big annuals controls the ph value, the time are one minute and four minutes. It can sample the carbide dregs rate of flow ,later it will show the ph value .If the showing of ph value fluctuates strong around 7,we can gear correspondingly the carbide dregs rate of flow ,which make ph value stabilized around 7,thus it can be better .Keywords :Single-Chip,control the rate of flow ,stabilize the ph value目 錄第一章 緒論1第二章 控制方案的確定及方案論證321 串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)322 系統(tǒng)串級(jí)控制方案的確定 4第三章 控制算法的確定631 數(shù)字 PID 控制技術(shù)632 PID 參數(shù)的整定8第四章 控制系統(tǒng)的硬件選擇1141 單片機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)1142 單片機(jī)的選擇1243 單片機(jī)芯片的引腳描述134. 4 單片機(jī)外圍電路的設(shè)計(jì)1544.1 復(fù)位電路的設(shè)計(jì)1544.2 時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)164. 5 存儲(chǔ)器的擴(kuò)展164.5.1 程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展164.5.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展1946 A/D 轉(zhuǎn)換器的選擇1947 D/A 轉(zhuǎn)換器的選擇2248 電壓/電流的轉(zhuǎn)換2549 電流/電壓的轉(zhuǎn)換26410 傳感器的選擇27410.1 PH 計(jì)的選擇27410.2 流量計(jì)的選擇31411 調(diào)節(jié)閥的選擇32412 顯示器的選擇32第五章 軟件設(shè)計(jì)365.1 主程序的設(shè)計(jì)365.2 中斷程序的設(shè)計(jì)375.3 PID 算法程序的設(shè)計(jì)405.4 標(biāo)度變換子程序的設(shè)計(jì)40第六章 抗干擾的設(shè)計(jì)42 6.1 主要干擾渠道426.2 供電系統(tǒng)干擾426.3 過(guò)程通道干擾436.4 空間干擾436.5 印刷電路板的抗干擾設(shè)計(jì)436.6 軟件的抗干擾設(shè)計(jì)44致謝 45參考文獻(xiàn)46附錄 A 程序清單47附錄 B 程序流程圖56附錄 C 硬件電路圖571Introduction to DC MachinesDC machines are characterized by their versatilityBy means of various combinations of shunt,series,and separately excited field windings they can be designed to display a wide variety of volt-ampere or speed-torque characteristics for both dynamic and steady- state operationBecause of the ease with which they can be controlled,systems of DC machines are often used in applications requiring a wide range of motor speeds or precise contro1 of motor outputThe essential features of a DC machine are shown schematicallyThe stator has Salient poles and is excited by one or more field coils. The air-gap flux distribution created by the field winding is symmetrical about the centerline of the field poles This axis is called the field axis or direct axisAs we know,theAC voltage generated in each rotating armature coil is converted to DC in the external armature terminals by means ofnl,the mmfF 2 rotates in the direction opposite to the rotor rotation and,when interacting with mmfF l,develops the electromagnetic torque directed against emMrotor rotationConsequently,torque is a retarding torque。and the eminduction machine operates as a generatorTo construct the vector diagram of an induction generator,let US lay off the main fluxvector in the positive direction on the abscissa maxisThe current vector I。and the emfvector El=E2will then occupy their usual positions on the diagram,but the current vector 2Iwill now be in the second and not in the third quadrant as would be the case for the motor operating conditionThe primary current = 1mThe voltage across the stator terminals is Vl= 一 El+ The angle2I 1ZI90,ie ,the electric power of the machine inegativeThis means 1that at the conditions considered above the mechanical power delivered to the induction machine from the primary mover is converted into electric power and is supplied to the circuitThe magnetic flux is produced in the induction generator by the m14magnetising current For this purpose synchronous generators are used mIto feed the external circuit together with the induction generatorSince current Im amounts to from 25to 45of and is fed to the generator at nIcircuit voltage,the excitation power(in kVA)amounts to the same 25to 45of the rating of the generatorIn other words,if 2 to 4 induction generators of equal output are installed in a power station,their excitation will take the full output of one synchronous generator of the same capacity as each of the induction generatorsRecall that the power of excitation of a large synchronous generator is less that 1This difference in excitation power being unfavourable for the induction generator is its essential drawback as compared with the synchronous generatorIn addition,the current lags the voltage by practically mI90Consequently,parallel operation of induction and synchronous generators results in a considerable loss in power factor(cos )of the latter even when the external load is purely activeThe connection of an induction generator to the circuit does not present any difficultiesThe rotor is run in the same direction in which the flux is rotating at a speed as close as possible to synchronismWhen the generator is connected to the circuit the same phenomena arise as when transformers or induction motors are connectedA change in active power supplied by the generator to the circuit,as in synchronous generators,is achieved by varying the mechanical power applied to the generator shaftThe efficiency of an induction generator is not lower than that of a synchronous generator。In practice induction generators are used only in lowpower stations,most frequently in automatic hydropower stations and winddriven installationsIf the induction generator is to work alone into an external circuit,the magnetising current may be obtained id the process of selfexcitation of the induction generatorFor this purpose it is necessary to connect to the stator terminals a battery of chosen condensers and run the rotor at required speedThe indispensable condition for selfexcitation of the induction generatorFor this purpose it is necessary to connect to the stator terminals a battery of chosen condensers and run 15the rotor at required speedThe indispensable condition for selfexcitation of the induction generator is the presence of a residual magnetic flux in the rotor steelWith the external circuit disconnected from the stator,the residual magnetic flux creates a certain residemf in the stator winding,the effect of which is to cause residEcurrent to flow into the condenser battery,thus strengthening fluxcIThe process then proceeds in the same way as in the case of selfresidexcitation of DCshunt generatorsThe most costly part of induction selfexcited generator installations is the condenser battery,that is why such generators have not obtained wide useC)Electromagnetic brake conditionsIf we continue to load a motor more and more,its speed will decrease and then,when the load torque exceeds the maximum torque,the motor will stallAfter this,we may run the rotor opposite the field with the help of some auxiliary motorWe have previously agreed to call these operating conditions electromagnetic brake conditionsSince the speed in these conditions should be assumed to be negative,then ln1,磁勢(shì) F2以與18轉(zhuǎn)子相反方向的 轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn),當(dāng)其與定子磁勢(shì) F1相互作用時(shí),便產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反的電磁轉(zhuǎn)矩 Mem。因此,該轉(zhuǎn)矩 Mem為阻轉(zhuǎn)矩,感應(yīng)電機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行。為了繪出感應(yīng)發(fā)電機(jī)的向量圖,我們將主磁通向量 置于橫軸的正方向上,m那么電流 向量 Im和電勢(shì)向量 1= 在向量圖上將仍處于原位置,但電流向量 現(xiàn)E2 2I在是處于第二象限而不是處于作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的第三象限。原邊電流 I1=Im 。定子兩端電壓為 Vl=E l+I1Z1。相位角 90,即電機(jī)的電功率為負(fù)。這就是說(shuō)在上述1討論的運(yùn)行狀態(tài)下,由原動(dòng)機(jī)提供給感應(yīng)電機(jī)的機(jī)械功率已轉(zhuǎn)換成電功率且送入了電網(wǎng)。在感應(yīng)發(fā)電機(jī)中,磁通 。是由激磁電流 Im產(chǎn)生的。為此目的,需由同步發(fā)m電機(jī)與感應(yīng)發(fā)電機(jī)一道向電網(wǎng)供電。由于激磁電流 Im的數(shù)量為額定電流的In2545,且是在網(wǎng)上電壓下供電,因此激磁功率的大小也為發(fā)電機(jī)額定功率的 2545,換句話說(shuō),若由相同容量的 24 臺(tái)感應(yīng)發(fā)電機(jī)建立一電站,那么激磁容量便占據(jù)了與感應(yīng)電機(jī)單機(jī)相同的一臺(tái)同步發(fā)電機(jī)的滿載輸出。而大型同步發(fā)電機(jī)的激磁功率不到額定功率的 1。感應(yīng)電機(jī)的這種所需激磁功率較大方面的差值是與同步發(fā)電機(jī)相比的主要缺點(diǎn)。除此之外,激磁電流 Im。滯后電壓接近 90,因此,盡管當(dāng)外電路負(fù)載為完全的純電阻時(shí),仍然會(huì)在與感應(yīng)發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的同步發(fā)電機(jī)中產(chǎn)生由于滯后的功率因數(shù)而引起的可觀的損耗。感應(yīng)發(fā)電機(jī)并人電網(wǎng)不存在任何困難。其轉(zhuǎn)子與磁通同方向旋轉(zhuǎn),且盡可能接近同步。當(dāng)感應(yīng)發(fā)電機(jī)接入電網(wǎng),其物理現(xiàn)象與當(dāng)變壓器或感應(yīng)電動(dòng)機(jī)接到電網(wǎng)上時(shí)是一樣的。與同步發(fā)電機(jī)一樣,由發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)提供的有功功率的變化是通過(guò)調(diào)節(jié)施加于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的機(jī)械功率來(lái)實(shí)現(xiàn)的。感應(yīng)發(fā)電機(jī)的功率并不比同步發(fā)電機(jī)的效率低。在實(shí)際運(yùn)用中,感應(yīng)發(fā)電機(jī)只是用于小功率電站,其中尤其是無(wú)人值守的水電站和風(fēng)力發(fā)電裝置更為常用。如果感應(yīng)發(fā)電機(jī)要接負(fù)載單獨(dú)運(yùn)行,勵(lì)磁電流可在感應(yīng)發(fā)電機(jī)的自勵(lì)過(guò)程中得到。為此目的,必須在定子端聯(lián)接一組經(jīng)選定的電容器,并且將轉(zhuǎn)子拖至所需的轉(zhuǎn)速。感應(yīng)發(fā)電機(jī)自勵(lì)的必要條件是在轉(zhuǎn)子鐵芯中必須有剩磁。當(dāng)負(fù)載電路還未與定子端相聯(lián)時(shí),剩磁磁通 resid在定子繞組中產(chǎn)生的剩磁電勢(shì) Eresid便產(chǎn)生一流向電容器組的電流 Ic,這樣便加強(qiáng)了磁通 resid。隨后的過(guò)程便與直流并勵(lì)發(fā)電機(jī)的自勵(lì)過(guò)程的情形是一樣的。自勵(lì)感應(yīng)發(fā)電機(jī)組中最費(fèi)錢的部分是電容器組,這便是該類發(fā)電機(jī)不能得到廣泛運(yùn)用的原因所在。c)電磁制動(dòng)狀態(tài)。如果繼續(xù)向電動(dòng)機(jī)施加越來(lái)越多的負(fù)載,其轉(zhuǎn)速將下降,而后當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩超過(guò)其最大轉(zhuǎn)矩時(shí),電動(dòng)機(jī)將停轉(zhuǎn)。從這時(shí)后便可借助某一輔助電動(dòng)機(jī)令主電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子朝磁場(chǎng)相反的方向運(yùn)轉(zhuǎn)。前面我們已經(jīng)約定,稱該運(yùn)行狀態(tài)19為電磁制動(dòng)狀態(tài)。由于該狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速 n應(yīng)該假定為負(fù),因此 s的范圍便為 ls 。由于轉(zhuǎn)差 s較大,因此轉(zhuǎn)子電流,=2I2jEsr也便較大,且滯后 角,其極限值為 90(出現(xiàn)在 s=時(shí))。此時(shí),原邊電流2EI1,的大小和其相位相對(duì)于電壓 V1的相位角 也相應(yīng)較大。電磁制動(dòng)時(shí)的向量圖與1電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的相似,具有如前所述的所有特點(diǎn)。由于 90,因此此時(shí)感應(yīng)電機(jī)從電網(wǎng)吸收電功率。除此之外,它還從原動(dòng)1機(jī)獲取機(jī)械功率。所有這些由電機(jī)吸收的功率都消耗在電機(jī)的損耗中,此時(shí)的損耗是相當(dāng)大的。因此,從發(fā)熱的觀點(diǎn)來(lái)看,這種運(yùn)行狀態(tài)是嚴(yán)峻的,因而在額定電壓下電磁制動(dòng)狀態(tài)只允許短時(shí)運(yùn)行。 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 12,含量可高達(dá) 510;堿性廢水中常有苛性鈉、碳酸鈉、硫化鈉、胺類等。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?;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(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 220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 2.0012.00PH,也有0.0014.00PH,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:0.0014.00PH,隔離信號(hào)輸出:420mA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 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/ 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)=Kpe(k)+T/Tie(T)+Td/Te(k)-e(k-1)式中 u(k)為第 K 個(gè)采樣時(shí)刻的控制量,t=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。由上式不難寫出第 K-1 個(gè)采樣時(shí)刻的控制量。u(k)為 u(k-1)=Kpe(k-1)+T/Tie(t)+Td/Te(k-1)-e(k-2)兩式相減u(k)=u(k)-u(k-1)=Kpe(k)-e(k-10+Kie(k)+Kde(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 u(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)+u(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 f2fmax,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 與被控制對(duì)象的時(shí)間常數(shù) Tc 相比有 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 。5、從計(jì)算的精度考慮,采樣周期 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。可見(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)恼壑小#ǘ?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) =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 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 ,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,T 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12.5 0.11溫度 對(duì)象為多容系統(tǒng),有較大滯后,常用微分1.65 310 0.53壓力 對(duì)象為容量系統(tǒng),滯后一般不大,不用微分1.43.5 0.43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: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。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。現(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。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):內(nèi)部程序存儲(chǔ)器和內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器容量輸入/輸出口MCS-51 單片機(jī)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(gè)全雙工的串行口。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.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)。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。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 1s,少部分為 2s,乘除指令的執(zhí)行時(shí)間也只有 4s。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)芯片的引腳描述主電源引腳 VCC和 VSSVCC-(40 腳)接+5V 電壓;VSS-(20 腳)接地。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??刂苹蚺c其他電源復(fù)用引腳 RST/VPD、ALE/PROG,、PSEN 和 EA/VPPRST/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 8.2k 的下拉電阻,與 VCC引腳之間連接一個(gè)約 10F 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。ALE/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14PSEN(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.EA/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.輸入/輸出(I/O)引腳 P0、P1、P2、P3 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.P1 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。P2 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.P3 口(10 腳-17 腳):是 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口,在 MCS-51 中,這 8 個(gè)引腳還用于專門功能,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(P0P3)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) R0R7 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)007FH 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530PF 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)(0000HFFFFH),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)門的八 D 鎖存器。當(dāng)三態(tài)門的使能信號(hào)線 OE 非為低電平時(shí),三態(tài)門處于導(dǎo)通狀態(tài),允許 1Q8Q輸出到 OUT18,當(dāng) OE 非端為高電平時(shí),輸出三態(tài)門斷開(kāi),輸出線 OUT18 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 1Q8Q 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。 2716EPROM2716 是 2K8 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 A0A10 是地址線;O0O7 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。 2732A EPROM2732A 是一種 4K8 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。 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。 27128A EPROM27128A 是 16K8 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:A0A13 為地址線;O0O7 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。 7256 EPROM27256 是 64K8 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:A0A14 是地址線;O0O7 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 27512 EPROM27512 是 64K8 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:A0A15 為地址線;O0O7 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 8K8 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。A0A12 為片內(nèi) 13 位地址線,D0D7 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):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。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。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 100s,ADC 是 8 位時(shí),該頻率為 12HZ,12 位時(shí)是 0.77HZ。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。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 05V 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 05V.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:IN0IN7:8 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。這類芯片適用于單片機(jī)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:DAC0830 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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