煤礦瓦斯的檢查畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各行各業(yè)對煤炭的需求急劇增加，而各種礦難事故的發(fā)生，使得煤炭安全生產(chǎn)面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。這篇文章就是針對導(dǎo)致礦難頻發(fā)的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行監(jiān)控而設(shè)計(jì)的。</p><p>　　在文章里，我針對瓦斯的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出同時(shí)監(jiān)測高低濃度的瓦斯系統(tǒng)，全天候不間斷的對井下瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行監(jiān)測。同時(shí)采用聲光報(bào)警系

2、統(tǒng)，一旦瓦斯超標(biāo)，系統(tǒng)立即提醒正在井下作業(yè)的工人緊急撤離，避免人員傷亡，并且還運(yùn)用紅外遙控系統(tǒng)來進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。設(shè)計(jì)這種智能傳感器采用閉環(huán)控制來確保采樣的平穩(wěn)。</p><p>　　該傳感器以AT89S52單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)對瓦斯的檢測、報(bào)警和控制，安全可靠，經(jīng)久耐用，適合各類煤礦瓦斯的監(jiān)控，可以大大降低煤礦事故的發(fā)生，降低企業(yè)成本，提高煤炭開采率，為我國煤炭事業(yè)做出貢獻(xiàn)。</p><p>

3、　　關(guān)鍵詞：瓦斯；AT89S52；PID控制器 </p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　With the rapid development of China's economy, various industries on the sharp increase in the demand for coal. but

4、 each kind of mining accident's occurrence, causes the coal safety in production faced with the stern challenge. This piece of article aims at the gas to carry on the monitoring to design.</p><p>　　In th

5、e article, I in view of the gas characteristic, design simultaneously monitor the height density the gas system, all-weather uninterrupted carries on the monitor to the mine shaft gas density. Simultaneously uses the aco

6、usto-optics alarm system, once gas exceeding the allowed figure, the system reminds the downhole operation worker to evacuate urgently immediately, avoids the personnel casualty. Also put to use infrared remote-control s

7、ystem carry through long-distence supur risory control.</p><p>　　This system take at89S52 monolithic integrated circuit as a core, realizes to the gas examination, the warning and the control, safe reliable,

8、 durable, suits each kind of coal mine gas the monitoring, may reduce coal mining accident's occurrence greatly, reduces the private costs, raises the coal recovery ratio, makes the contribution for our country coal

9、enterprise.</p><p>　　Keywords：gas； AT89S52；PID controller</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><

10、;b>　　1緒論1</b></p><p><b>　　1.1系統(tǒng)概述1</b></p><p>　　1.1.1工作原理2</p><p>　　1.1.2系統(tǒng)框圖2</p><p>　　1.2煤礦氣體監(jiān)測系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 2</p><p>　　2 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)

11、計(jì)3</p><p>　　2.1系統(tǒng)原理框圖3</p><p>　　2.2單片機(jī)的選用3</p><p>　　2.2.1AT89S52的引腳說明4</p><p>　　2.2.2單片機(jī)的I/O口擴(kuò)展器件6</p><p>　　2.3 ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)8</p><p>　　2

12、.3.1 信號引腳9</p><p>　　2.3.2 MCS-51單片機(jī)與ADC0809的接口10</p><p>　　2.3.3A/D轉(zhuǎn)換應(yīng)用舉例12</p><p>　　2.4 LCD顯示器13 </p><p>　　2.4.1 LCD顯示器的工作原理 15</p><p>　　2.5 PID

13、控制16</p><p>　　2.5.1 PID控制器介紹16</p><p>　　2.5.2 PID控制實(shí)現(xiàn)21 </p><p>　　3系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)24</p><p><b>　　3.1主程序24</b></p><p><b>　　3.2子程序26</

14、b></p><p>　　3.2.1中斷子程序26</p><p>　　3.2.2 顯示子程序的設(shè)計(jì)26</p><p>　　3.2.3聲光報(bào)警子程序27</p><p>　　3.2.4 A/D轉(zhuǎn)換控制程序設(shè)計(jì)流程圖29</p><p>　　3.3 總程序29</p><p>&

15、lt;b>　　結(jié)論35</b></p><p><b>　　致謝36</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)37</b></p><p><b>　　附錄38</b></p><p><b>　　1 緒論</b></p

16、><p><b>　　1.1系統(tǒng)概述</b></p><p>　　隨著超大規(guī)模數(shù)字集成電路、單片機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，利用單片機(jī)及其它外圍芯片實(shí)現(xiàn)對瓦斯的監(jiān)測成為一種可能，并且成為一種發(fā)展趨勢。它具有體積小、操作簡單、攜帶方便、功能較齊全等優(yōu)點(diǎn)，而且性能價(jià)格比也很高，應(yīng)用前景非常廣泛。因此此次設(shè)計(jì)整體上是基于AT89S52單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)煤礦瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測報(bào)警。在這里我們運(yùn)用到的氣

17、敏傳感器是MQ-4，它是用來檢測外部瓦斯的濃度（其檢測到的濃度值為模擬量），并將檢測到的模擬信號轉(zhuǎn)化為電壓信號輸出出來。然后再將電壓信號輸入到AD7109進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換變換成數(shù)字信號，并在51單片機(jī)的控制下將其輸入，然后在內(nèi)部軟件編程下進(jìn)行數(shù)值變換處理。在單片機(jī)進(jìn)行完數(shù)據(jù)處理后就將其結(jié)果輸出顯示，從而顯示出瓦斯氣體的濃度，其中顯示部分我們采用四位的LED數(shù)碼管，用于顯示瓦斯?jié)舛戎怠Ｈ魧?shí)際瓦斯?jié)舛瘸蓿舛瘸揞A(yù)警值可鍵盤控制輸入）則在單

18、片機(jī)的控制下進(jìn)行聲光報(bào)警。提醒生產(chǎn)人員離開，避免生產(chǎn)事故。 </p><p>　　1.1.1 工作原理</p><p>　　在這里我們用甲烷傳感器MQ-4來對煤礦瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行檢測，由于其檢測所得數(shù)據(jù)模擬電壓量而單片機(jī)只能對數(shù)字信號進(jìn)行處理，所以在送入單片機(jī)中進(jìn)行處理之前需先送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器ICL7109中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后才能將轉(zhuǎn)換所得數(shù)據(jù)送入單片AT89S52中處理，這里的處理主要是指將輸

19、入進(jìn)來的數(shù)據(jù)與我們設(shè)置的瓦斯爆炸預(yù)警值進(jìn)行比較，在這里我們的預(yù)警值可通過鍵盤進(jìn)行設(shè)置，顯示其瓦斯?jié)舛戎怠?lt;/p><p><b>　　1.1.2系統(tǒng)框圖</b></p><p>　　1.1.2 系統(tǒng)原理框圖</p><p>　　1.2煤礦氣體監(jiān)測系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r</p><p>　　伴隨氣體傳感器的發(fā)展，氣體監(jiān)測儀器

20、不斷更新。其類型根據(jù)監(jiān)測對象可分為可燃性氣體監(jiān)測儀、毒性氣體監(jiān)測儀和氧氣監(jiān)測儀等;從儀器結(jié)構(gòu)和方法上分為袖珍式、便攜式和固定式。 袖珍式儀器的采樣方法為擴(kuò)散式，用于在危險(xiǎn)環(huán)境中的工作人員隨身攜帶:便攜式儀器用泵吸式采樣，用于監(jiān)測人員定期安檢;固定式儀器用于煤礦井下固定地點(diǎn)氣體監(jiān)測。</p><p>　　世界各國也均有煤礦瓦斯氣體監(jiān)測的系統(tǒng)，如波蘭的DAN640O、法國的TF200、德國的MINOS和英國的Sent

21、urion-200等，其中全礦井綜合監(jiān)測控制系統(tǒng)有代表性的產(chǎn)品有美國MSA公司生產(chǎn)的系統(tǒng)，德國BEBRO公司PROMOS系統(tǒng)。但是這兩種系統(tǒng)只是基于井下監(jiān)測，并無數(shù)據(jù)上傳，不能實(shí)現(xiàn)智能化監(jiān)控。</p><p>　　我國監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用較晚，80年代初，從波蘭、法國、德國英國和美國等引進(jìn)了一批安全監(jiān)測系統(tǒng)，裝備了部分煤礦;在引進(jìn)的同時(shí)，通過消化、吸收并結(jié)合我國煤礦的實(shí)際情況，先后由重慶煤科院、遼寧撫順煤科院等國內(nèi)知

22、名煤礦科學(xué)研究所研制出KJ2、KJ4、KJS、KJ10、KJ13、KJ19、KJ38、KJ66、KJ75、KJ80、KJ92、KJ95、KJ101等煤礦有害氣體監(jiān)測系統(tǒng)，在我國煤礦己有大量使用，但其中很大一部分儀表的傳輸數(shù)據(jù)是模擬方式，將氣體濃度轉(zhuǎn)化為脈沖量，易受礦井下強(qiáng)電磁設(shè)備干擾，造成監(jiān)測結(jié)果不準(zhǔn)確，易出現(xiàn)誤報(bào)警等現(xiàn)象。</p><p>　　2 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)</p><p>&l

23、t;b>　　2.1系統(tǒng)原理框圖</b></p><p>　　此次設(shè)計(jì)的煤礦瓦斯監(jiān)測報(bào)警器的系統(tǒng)框圖如下所示：主要由氣體傳感器MQ-4、A/D轉(zhuǎn)換器ICL7109、單片機(jī)AT89S52、LED顯示電路、鍵盤控制電路、聲光報(bào)警裝置和附件電路組成。</p><p>　　圖2-1 系統(tǒng)框圖</p><p>　　由圖可以看出煤礦瓦斯監(jiān)測報(bào)警器的硬件部分設(shè)計(jì)

24、是以單片機(jī)系統(tǒng)為核心，用于整個(gè)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)處理、聲光報(bào)警電路等正常工作。在這里我們選用ATMEL公司生產(chǎn)的8位單片機(jī)AT89S52，該種單片機(jī)與以往所采用的AT89S52相比新增加了很多功能，性能有了較大提升，片內(nèi)4K的FLASH存儲(chǔ)空間也能滿足我們設(shè)計(jì)的要求，價(jià)格較之AT89S52基本不變甚至更低。</p><p>　　甲烷傳感器采用MQ-4氣敏傳感器，用于探測采集瓦斯的濃度。由于該傳感器的輸出信號為模擬電壓信號

25、，要想將采集到的數(shù)據(jù)送至單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理則需要將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，所以在這里我們還要選用ICL7109芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理。這里的ICL7109是一種雙積分的12位A/D轉(zhuǎn)換器，其性能價(jià)格比很高，是一種高精度、低噪聲、低漂移A/D轉(zhuǎn)換器。</p><p>　　瓦斯?jié)舛蕊@示部分采用四位的LED數(shù)碼管顯示，在這里我們采用動(dòng)態(tài)掃描方法來顯示各種參數(shù)。</p><p><b>

26、;　　2.2單片機(jī)的選用</b></p><p>　　經(jīng)綜合分析選用單片機(jī)AT89S52適合。AT89S52是一種低功耗高性能的8位單片機(jī)，片內(nèi)帶有一個(gè)4KB的Flash在線可編擦除只讀存儲(chǔ)器，它采用CMOS工藝和ATMEL公司的高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)，而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)和51系列單片機(jī)兼容。片內(nèi)的存儲(chǔ)器允許在線重新編程或用常規(guī)的非易失性存儲(chǔ)器編程器來編程。同時(shí)已具有三級程序存儲(chǔ)器保密的性能。

27、在眾多51系列單片機(jī)中，要算ATMEL公司的AT89S52更實(shí)用，因?yàn)樗粌H和MCU-51系列單片機(jī)指令、管腳完全兼容，而且它將通用CPU和在線可編程Flash集成在一個(gè)芯片上。這種單片機(jī)對開發(fā)設(shè)備的要求很低，開發(fā)時(shí)間也大大縮短。 </p><p>　　2.2.1 AT89S52的引腳說明</p><p>　　AT89S52是一個(gè)低功耗高性能單片機(jī)，40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I

28、/O）端口，同時(shí)內(nèi)含2個(gè)外中斷口，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口，AT89S52可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的Flash存儲(chǔ)器可有效地降低開發(fā)成本。</p><p>　　圖2-2 AT89S52引腳圖</p><p>　　VCC(40腳)：供電電壓。    <

29、;/p><p>　　GND(20腳)：接地。</p><p>　　P0口(32腳～39腳)：P0口為一個(gè)8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫“1”時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。 

30、60;</p><p>　　P1口(1腳～8腳)：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入“1”后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。</p><p>　　P2口(21腳～28腳)：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O

31、口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號和控制信

32、號。P3口(10腳～17腳)：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。</p><p>　　P3口也可作為AT89S52的一些特殊功能口，P3口管腳備選功能如下表所示：</p><p>　　表2-3 P3口第二功能&l

33、t;/p><p>　　P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號。</p><p>　　RST（9腳）：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。</p><p>　　ALE/PROG（30腳）：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期

34、輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。</p><p>　　/PSEN（29腳）：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號。在由外部程

35、序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。 </p><p>　　/EA/VPP（31腳）：當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000H- FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電

36、源（VPP）。</p><p>　　XTAL1（19腳）：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。</p><p>　　XTAL2（18腳）：來自反向振蕩器的輸出。</p><p>　　2.2.2 單片機(jī)的I/O口擴(kuò)展器件</p><p>　　由于單片機(jī)本身只有4個(gè)8位并行輸入輸出I/O接口，1個(gè)串行I/O接口，非常有限，所以當(dāng)I/O口

37、不能滿足設(shè)計(jì)需求時(shí)則需要我們進(jìn)行I/O口的擴(kuò)展。其擴(kuò)展方法為根據(jù)需要在串行口上外接1個(gè)或多個(gè)移位寄存器。</p><p>　　由電路原理圖我們可以看到此次我們單片機(jī)89S52的I/O口分配如下：</p><p>　　P0口：A/D轉(zhuǎn)換器ICL7109轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)的輸入接口</p><p>　　P1口：其中P1.0接+5V的直流蜂鳴器當(dāng)P1.0=0時(shí)蜂鳴器蜂鳴<

38、/p><p>　　P1.1接發(fā)光二極管LED,當(dāng)P1.1=1時(shí)發(fā)光二極管發(fā)光，其和蜂鳴器結(jié)合就是我們所要實(shí)現(xiàn)的聲光報(bào)警。</p><p>　　P1.2接排風(fēng)扇的繼電器部分</p><p>　　P1.3～P1.6作為數(shù)碼管顯示部分的位選</p><p>　　P1.7作為7109的片選</p><p>　　P2口我們僅用了P2

39、.6和P2.7作為7109的數(shù)據(jù)選通端</p><p>　　P3：P3.0（RXD）和P3.1（TXD）用于I/O口的擴(kuò)展</p><p>　　所以很顯然我們要對單片機(jī)進(jìn)行擴(kuò)展I/O口，下圖所示為用串行口擴(kuò)展I/O口的電路：</p><p>　　圖2-4 I/O口擴(kuò)展電路</p><p>　　其中芯片74LS164為帶清零端的串行輸入并行輸

40、出移位寄存器（8位），其管腳圖和功能表如下</p><p>　　圖2-5 74LS164的管腳圖</p><p>　　表2-6 74LS164功能表</p><p>　　H=高電平 L=低電平 Ⅹ=任意 ↑=電平上升</p><p>　　在使用時(shí)將A,B并接作為數(shù)據(jù)的串行輸人端,CLK作為時(shí)鐘端。串行輸入時(shí)，先將數(shù)據(jù)

41、在A,B端準(zhǔn)備好，在CLK端產(chǎn)一上升沿，則一位數(shù)據(jù)移至最低位QA;再將下一位數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后，在CLK端產(chǎn)生下一上升沿，則下一位數(shù)據(jù)移至次低位QB,其余位順次從低位到高位移動(dòng)，這種時(shí)序符合串行器件特性，即把164當(dāng)成一典型串行外設(shè)，可以用普通I/O口模擬其時(shí)序?qū)?shù)據(jù)移入。</p><p>　　2.3 ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　ADC0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)圖下圖所示：<

42、/p><p>　　圖2-7 ADC0809內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu) </p><p>　　圖中多路開關(guān)可選通8個(gè)模擬通道，允許8路模擬量分時(shí)輸入，共用一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這是一種經(jīng)濟(jì)的多路數(shù)據(jù)采集方法。地址鎖存與譯碼電路完成對A、B、C 3個(gè)地址位進(jìn)行鎖存和譯碼，其譯碼輸出用于通道選擇，其轉(zhuǎn)換結(jié)果通過三態(tài)輸出鎖存器存放、輸出，因此可以直接與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線相連。</p><p>

43、　　表2-8 為通道選擇表</p><p><b>　　2.3.1信號引腳</b></p><p>　　ADC0809芯片為28引腳為雙列直插式封裝，其引腳排列見圖</p><p>　　對ADC0809主要信號引腳的功能說明如下：</p><p>　　IN7～I(xiàn)N0——模擬量輸入通道</p><p&g

44、t;　　ALE——地址鎖存允許信號。對應(yīng)ALE上跳沿，A、B、C地址狀態(tài)送入地址鎖存器中。</p><p>　　START——轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號。START上升沿時(shí)，復(fù)位ADC0809；START下降沿時(shí)啟動(dòng)芯片，開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；在A/D轉(zhuǎn)換期間，START應(yīng)保持低電平。本信號有時(shí)簡寫為ST.</p><p>　　A、B、C——地址線。通道端口選擇線，A為低地址，C為高地址，引腳圖中為ADD

45、A，ADDB和ADDC。其地址狀態(tài)與通道對應(yīng)關(guān)系見表</p><p>　　CLK——時(shí)鐘信號。ADC0809的內(nèi)部沒有時(shí)鐘電路，所需時(shí)鐘信號由外界提供，因此有時(shí)鐘信號引腳。通常使用頻率為500KHz的時(shí)鐘信號</p><p>　　EOC——轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。EOC=0,正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換；EOC=1,轉(zhuǎn)換結(jié)束。使用中該狀態(tài)信號即可作為查詢的狀態(tài)標(biāo)志，又可作為中斷請求信號使用。</p>

46、<p>　　D7～D0——數(shù)據(jù)輸出線。為三態(tài)緩沖輸出形式，可以和單片機(jī)的數(shù)據(jù)線直接相連。D0為最低位，D7為最高 </p><p>　　OE——輸出允許信號。用于控制三態(tài)輸出鎖存器向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE=0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻；OE=1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。</p><p>　　V cc—— +5V電源。 </p><p>　　V ref——參考電

47、源參考電壓用來與輸入的模擬信號進(jìn)行比較，作為逐次逼近的基準(zhǔn)。其典型值為+5V(V ref(+)=+5V, V ref(-)=-5V).</p><p>　　2.3.2MCS-51單片機(jī)與ADC0809的接口</p><p>　　電路連接主要涉及兩個(gè)問題；一是8路模擬信號通道的選擇，二是A/D轉(zhuǎn)換完成后轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送。</p><p><b>　　8路模擬通

48、道選擇</b></p><p>　　圖2-9 ADC0809與MCS-51的連接</p><p>　　如圖所示模擬通道選擇信號A、B、C分別接最低三位地址A0、A1、A2即（P0.0、P0.1、P0.2），而地址鎖存允許信號ALE由P2.0控制，則8路模擬通道的地址為0FEF8H～0FEFFH.此外，通道地址選擇以作寫選通信號。</p><p>　　由于

49、它的價(jià)格便宜、使用簡單、在電器，特別是家電領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛，空調(diào)、熱水器、冰箱等等。絕大多數(shù)熱水器用的都是數(shù)碼管，其他家電也用液晶屏和熒光屏。</p><p>　　圖2-10 ADC0809的部分信號連接</p><p>　　圖2-11 信號的時(shí)間配合</p><p>　　從圖中可以看到，把ALE信號與START信號接在一起了，這樣連接使得在信號的前沿寫入（鎖存）通

50、道地址，緊接著在其后沿就啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換只需要一條MOVX指令。在此之前，要將P2.0清零并將最低三位與所選擇的通道好像對應(yīng)的口地址送入數(shù)據(jù)指針DPTR中。例如要選擇IN0通道時(shí)，可采用如下兩條指令，即可啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換：</p><p>　　MOV DPTR , #FE00H ；送入0809的口地址</p><p>　　MOVX @DPTR , A ；啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換（IN0）<

51、;/p><p>　　注意：此處的A與A/D轉(zhuǎn)換無關(guān)，可為任意值。</p><p><b>　　轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送</b></p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)應(yīng)及時(shí)傳送給單片機(jī)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)傳送的關(guān)鍵問題是如何確認(rèn)A/D轉(zhuǎn)換的完成，因?yàn)橹挥写_認(rèn)完成后，才能進(jìn)行傳送。為此可采用下述三種方式。</p><p><b>

52、;　?。?）定時(shí)傳送方式</b></p><p>　　對于一種A/D轉(zhuǎn)換其來說，轉(zhuǎn)換時(shí)間作為一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)是已知的和固定的。例如ADC0809轉(zhuǎn)換時(shí)間為128μs，相當(dāng)于6MHz的MCS-51單片機(jī)共64個(gè)機(jī)器周期?？蓳?jù)此設(shè)計(jì)一個(gè)延時(shí)子程序，A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)后即調(diào)用此子程序，延遲時(shí)間一到，轉(zhuǎn)換肯定已經(jīng)完成了，接著就可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。</p><p><b>　?。?）查詢方

53、式</b></p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換芯片由表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查詢方式，測試EOC的狀態(tài)，即可卻只轉(zhuǎn)換是否完成，并接著進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。</p><p><b>　　（3）中斷方式</b></p><p>　　把表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號（EOC）作為中斷請求信號，以中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。&

54、lt;/p><p>　　不管使用上述那種方式，只要一旦確定轉(zhuǎn)換完成，即可通過指令進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。首先送出口地址并以信號有效時(shí)，OE信號即有效，把轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)送上數(shù)據(jù)總線，供單片機(jī)接受。</p><p>　　2.3.3A/D轉(zhuǎn)換應(yīng)用舉例</p><p>　　設(shè)有一個(gè)8路模擬量輸入的巡回監(jiān)測系統(tǒng)，采樣數(shù)據(jù)依次存放在外部RAM 0A0H～0A7H單元中,按圖所示的接口電路，ADC0

55、809的8個(gè)通道地址為0FEF8H～0FEFFH.其數(shù)據(jù)采樣的初始化程序和中斷服務(wù)程序（假定只采樣一次）如下：</p><p><b>　　初始化程序：</b></p><p>　　MOV R0, #0A0H ；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)首地址</p><p>　　MOV R2, #08H ；8路計(jì)數(shù)器<

56、;/p><p>　　SETB IT1 ；邊沿觸發(fā)方式</p><p>　　SETB EA ；中斷允許</p><p>　　SETB EX1 ；允許外部中斷1中斷</p><p>　　MOV DPTR,#0FEF8H

57、 ；D/A轉(zhuǎn)換器地址</p><p>　　LOOP: MOVX @DPTR,A ；啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換</p><p>　　HERE: SJMP HERE ；等待中斷</p><p><b>　　中斷服務(wù)程序：</b></p><p>　　DJNZ R2

58、,ADEND</p><p>　　MOVX A,@DPTR ；數(shù)據(jù)采樣</p><p>　　MOVX @R0,A ；存數(shù)</p><p>　　INC DPTR ；指向下一模擬通道</p><p>　　INC R0

59、 ；指向數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器下一單元</p><p>　　MOVX @DPTR,A</p><p>　　ADEND: RETI</p><p>　　2.4 LED的顯示</p><p>　　LED數(shù)碼有共陽和共陰兩種，把這些LED發(fā)光二極管的正極接到一塊（一般是拼成一個(gè)8字加一個(gè)小數(shù)點(diǎn)）而作為一個(gè)引腳，就叫共陽的，相反

60、的，就叫共陰的，那么應(yīng)用時(shí)這個(gè)腳就分別的接VCC和GND。再把多個(gè)這樣的8字裝在一起就成了多位的數(shù)碼管了。 </p><p>　　找公共共陰和公共共陽首先，我們找個(gè)電源|穩(wěn)壓器（3到5伏）和1個(gè)1K（幾百的也歐的也行）的電阻，　VCC串接個(gè)電阻后和GND接在任意2個(gè)腳上，組合有很多，但總有一個(gè)LED會(huì)發(fā)光的找到一個(gè)就夠了，，然后用GND不動(dòng)，VCC（串電阻）逐個(gè)碰剩下的腳，如果有多個(gè)LED（一般是8個(gè)），那它就是

61、共陰的了。</p><p><b>　　圖2-12 共陰極</b></p><p>　　相反用VCC不動(dòng)，GND逐個(gè)碰剩下的腳，如果有多個(gè)LED（一般是8個(gè)），那它就是共陽的了。</p><p>　　圖 2-13 共陽極</p><p>　　為了使LED顯示器顯示不同的符號或數(shù)字，就要把不同段的發(fā)光二極管點(diǎn)亮，這樣就有為

62、LED顯示器提供代碼，因?yàn)檫@些代碼可使LED相應(yīng)的段發(fā)光，從而顯示不同字型，因此該代碼稱之為段碼（或稱為字型碼）</p><p>　　7段發(fā)光二極管，再加上一個(gè)小數(shù)點(diǎn)，共計(jì)8段。因此提供給LED顯示器的段碼（或稱之為字型碼）正好是一個(gè)字節(jié)。各段與字節(jié)各位對應(yīng)關(guān)系如下：</p><p>　　表2-14各段與字節(jié)對應(yīng)位</p><p>　　按照上述格式，8段LED的段碼

63、如表2-14所示</p><p>　　表2-15 LED段碼</p><p>　　2.4.1LCD顯示器的工作原理</p><p>　　從液晶顯示器的結(jié)構(gòu)來看，無論是筆記本電腦還是桌面系統(tǒng)，采用的LCD顯示屏都是由不同部分組成的分層結(jié)構(gòu)。LCD由兩塊玻璃板構(gòu)成，厚約1mm，其間由包含有液晶材料的5μm均勻間隔隔開。因?yàn)橐壕Р牧媳旧聿⒉话l(fā)光，所以在顯示屏兩邊都設(shè)有作

64、為光源的燈管，而在液晶顯示屏背面有一塊背光板（或稱勻光板）和反光膜，背光板是由熒光物質(zhì)組成的可以發(fā)射光線，其作用主要是提供均勻的背景光源。</p><p>　　背光板發(fā)出的光線在穿過第一層偏振過濾層之后進(jìn)入包含成千上萬液晶液滴的液晶層。液晶層中的液滴都被包含在細(xì)小的單元格結(jié)構(gòu)中，一個(gè)或多個(gè)單元格構(gòu)成屏幕上的一個(gè)像素。在玻璃板與液晶材料之間是透明的電極，電極分為行和列，在行與列的交叉點(diǎn)上，通過改變電壓而改變液晶的旋

65、光狀態(tài)，液晶材料的作用類似于一個(gè)個(gè)小的光閥。在液晶材料周邊是控制電路部分和驅(qū)動(dòng)電路部分。當(dāng)LCD中的電極產(chǎn)生電場時(shí)，液晶分子就會(huì)產(chǎn)生扭曲，從而將穿越其中的光線進(jìn)行有規(guī)則的折射，然后經(jīng)過第二層過濾層的過濾在屏幕上顯示出來。</p><p>　　液晶顯示技術(shù)也存在弱點(diǎn)和技術(shù)瓶頸，與CRT顯示器相比亮度、畫面均勻度、可視角度和反應(yīng)時(shí)間上都存在明顯的差距。其中反應(yīng)時(shí)間和可視角度均取決于液晶面板的質(zhì)量，畫面均勻度和輔助光學(xué)

66、模塊有很大關(guān)系。</p><p>　　對于液晶顯示器來說，亮度往往和他的背板光源有關(guān)。背板光源越亮，整個(gè)液晶顯示器的亮度也會(huì)隨之提高。而在早期的液晶顯示器中，因?yàn)橹皇褂?個(gè)冷光源燈管，往往會(huì)造成亮度不均勻等現(xiàn)象，同時(shí)明亮度也不盡人意。一直到后來使用4個(gè)冷光源燈管產(chǎn)品的推出，才有很大的改善。</p><p>　　信號反應(yīng)時(shí)間也就是液晶顯示器的液晶單元響應(yīng)延遲。實(shí)際上就是指的液晶單元從一種分子

67、排列狀態(tài)轉(zhuǎn)變成另外一種分子排列狀態(tài)所需要的時(shí)間，響應(yīng)時(shí)間愈小愈好，它反應(yīng)了液晶顯示器各像素點(diǎn)對輸入信號反應(yīng)的速度，即屏幕由暗轉(zhuǎn)亮或由亮轉(zhuǎn)暗的速度。響應(yīng)時(shí)間越小則使用者在看運(yùn)動(dòng)畫面時(shí)不會(huì)出現(xiàn)尾影拖拽的感覺。有些廠商會(huì)通過將液晶體內(nèi)的導(dǎo)電離子濃度降低來實(shí)現(xiàn)信號的快速響應(yīng)，但其色彩飽和度、亮度、對比度就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的降低，甚至產(chǎn)生偏色的現(xiàn)象。這樣信號反應(yīng)時(shí)間上去了，但卻犧牲了液晶顯示器的顯示效果。有些廠商采用的是在顯示電路中加入了一片IC圖像輸

68、出控制芯片，專門對顯示信號進(jìn)行處理的方法來實(shí)現(xiàn)的。IC芯片可以根據(jù)VGA輸出顯卡信號頻率，調(diào)整信號響應(yīng)時(shí)間。由于沒有改變液晶體的物理性質(zhì)，因此對其亮度、對比度、 色彩飽和度都沒有影響，這種方法的制造成本也相對較高。</p><p>　　由上便可看出，液晶面板的質(zhì)量并不能完全代表液晶顯示器的品質(zhì)，沒有出色的顯示電路配合，再好的面板也不能做出性能優(yōu)異的液晶顯示器。隨著LCD產(chǎn)品產(chǎn)量的增加、成本的下降，液晶顯示器會(huì)大量

69、普及。</p><p>　　2.5 PID控制</p><p>　　2.5.1 PID控制器介紹</p><p>　　當(dāng)今的自動(dòng)控制技術(shù)都是基于反饋的概念。反饋理論的要素包括三個(gè)部分：測量、比較和執(zhí)行。測量關(guān)心的變量，與期望值相比較，用這個(gè)誤差糾正調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng)。</p><p>　　這個(gè)理論和應(yīng)用自動(dòng)控制的關(guān)鍵是，做出正確的測量和比較

70、后，如何才能更好地糾正系統(tǒng)。</p><p>　　PID（比例-積分-微分）控制器作為最早實(shí)用化的控制器已有50多年歷史，現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器。PID控制器簡單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器。</p><p>　　PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其輸入e (t)與輸出u (t)的關(guān)系為</p>

71、<p>　　因此它的傳遞函數(shù)為：</p><p>　　其中為比例系數(shù)；為積分時(shí)間常數(shù)；為微分時(shí)間常數(shù)</p><p>　　它由于用途廣泛、使用靈活，已有系列化產(chǎn)品，使用中只需設(shè)定三個(gè)參數(shù)（Kp， Ti和Td）即可。在很多情況下，并不一定需要全部三個(gè)單元，可以取其中的一到兩個(gè)單元，但比例控制單元是必不可少的。</p><p>　　首先，PID應(yīng)用范圍廣。

72、雖然很多工業(yè)過程是非線性或時(shí)變的，但通過對其簡化可以變成基本線性和動(dòng)態(tài)特性不隨時(shí)間變化的系統(tǒng)，這樣PID就可控制了。</p><p>　　其次，PID參數(shù)較易整定。也就是，PID參數(shù)Kp，Ti和Td可以根據(jù)過程的動(dòng)態(tài)特性及時(shí)整定。如果過程的動(dòng)態(tài)特性變化，例如可能由負(fù)載的變化引起系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性變化，PID參數(shù)就可以重新整定。</p><p>　　第三，PID控制器在實(shí)踐中也不斷的得到改進(jìn)，下面

73、兩個(gè)改進(jìn)的例子。</p><p>　　在工廠，總是能看到許多回路都處于手動(dòng)狀態(tài)，原因是很難讓過程在“自動(dòng)”模式下平穩(wěn)工作。由于這些不足，采用PID的工業(yè)控制系統(tǒng)總是受產(chǎn)品質(zhì)量、安全、產(chǎn)量和能源浪費(fèi)等問題的困擾。PID參數(shù)自整定就是為了處理PID參數(shù)整定這個(gè)問題而產(chǎn)生的。現(xiàn)在，自動(dòng)整定或自身整定的PID控制器已是商業(yè)單回路控制器和分散控制系統(tǒng)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。</p><p>　　在一些情況下針對

74、特定的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的PID控制器控制得很好，但它們?nèi)源嬖谝恍﹩栴}需要解決：</p><p>　　如果自整定要以模型為基礎(chǔ)，為了PID參數(shù)的重新整定在線尋找和保持好過程模型是較難的。閉環(huán)工作時(shí)，要求在過程中插入一個(gè)測試信號。這個(gè)方法會(huì)引起擾動(dòng)，所以基于模型的PID參數(shù)自整定在工業(yè)應(yīng)用不是太好。</p><p>　　如果自整定是基于控制律的，經(jīng)常難以把由負(fù)載干擾引起的影響和過程動(dòng)態(tài)特性變化引起的影

75、響區(qū)分開來，因此受到干擾的影響控制器會(huì)產(chǎn)生超調(diào)，產(chǎn)生一個(gè)不必要的自適應(yīng)轉(zhuǎn)換。另外，由于基于控制律的系統(tǒng)沒有成熟的穩(wěn)定性分析方法，參數(shù)整定可靠與否存在很多問題。</p><p>　　因此，許多自身整定參數(shù)的PID控制器經(jīng)常工作在自動(dòng)整定模式而不是連續(xù)的自身整定模式。自動(dòng)整定通常是指根據(jù)開環(huán)狀態(tài)確定的簡單過程模型自動(dòng)計(jì)算PID參數(shù)。</p><p>　　PID在控制非線性、時(shí)變、耦合及參數(shù)和結(jié)

76、構(gòu)不確定的復(fù)雜過程時(shí)，工作地不是太好。最重要的是，如果PID控制器不能控制復(fù)雜過程，無論怎么調(diào)參數(shù)都沒用。</p><p>　　雖然有這些缺點(diǎn)，PID控制器是最簡單的有時(shí)卻是最好的控制器。</p><p>　　目前工業(yè)自動(dòng)化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個(gè)重要標(biāo)志。同時(shí)，控制理論的發(fā)展也經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個(gè)階段。智能控制的典型實(shí)例是模糊全自動(dòng)洗衣機(jī)等。自

77、動(dòng)控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。一個(gè)控制系統(tǒng)包括控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、輸入輸出接口?？刂破鞯妮敵鼋?jīng)過輸出接口、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，加到被控系統(tǒng)上；控制系統(tǒng)的被控量，經(jīng)過傳感器，變送器，通過輸入接口送到控制器。不同的控制系統(tǒng)，其傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)是不一樣的。比如壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器。電加熱控制系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（儀表）已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)

78、用，有各種各樣的PID控制器產(chǎn)品，各大公司均開發(fā)了具有PID參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器 (intelligent regulator)，其中PID控制器參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整是通過智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來實(shí)現(xiàn)。有利用PID控制實(shí)現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實(shí)現(xiàn)PID控制功能的可編程控制器(PLC)，還有可實(shí)現(xiàn)PID控制的PC系統(tǒng)等等。 可編程控制器(PLC) 是利用其</p><p><b>　

79、　1、開環(huán)控制系統(tǒng)</b></p><p>　　開環(huán)控制系統(tǒng)(open-loop control system)是指被控對象的輸出(被控制量)對控制器(controller)的輸出沒有影響。在這種控制系統(tǒng)中，不依賴將被控量反送回來以形成任何閉環(huán)回路。</p><p><b>　　2、閉環(huán)控制系統(tǒng)</b></p><p>　　閉環(huán)控制

80、系統(tǒng)(closed-loop control system)的特點(diǎn)是系統(tǒng)被控對象的輸出(被控制量)會(huì)反送回來影響控制器的輸出，形成一個(gè)或多個(gè)閉環(huán)。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負(fù)反饋，若反饋信號與系統(tǒng)給定值信號相反，則稱為負(fù)反饋( Negative Feedback)，若極性相同，則稱為正反饋，一般閉環(huán)控制系統(tǒng)均采用負(fù)反饋，又稱負(fù)反饋控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)的例子很多。比如人就是一個(gè)具有負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，眼睛便是傳感器，充當(dāng)反饋，人體系統(tǒng)能通

81、過不斷的修正最后作出各種正確的動(dòng)作。如果沒有眼睛，就沒有了反饋回路，也就成了一個(gè)開環(huán)控制系統(tǒng)。另例，當(dāng)一臺(tái)真正的全自動(dòng)洗衣機(jī)具有能連續(xù)檢查衣物是否洗凈，并在洗凈之后能自動(dòng)切斷電源，它就是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。</p><p><b>　　3、階躍響應(yīng)</b></p><p>　　階躍響應(yīng)是指將一個(gè)階躍輸入（step function）加到系統(tǒng)上時(shí)，系統(tǒng)的輸出。穩(wěn)態(tài)誤差是指

82、系統(tǒng)的響應(yīng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，系統(tǒng)的期望輸出與實(shí)際輸出之差。控制系統(tǒng)的性能可以用穩(wěn)、準(zhǔn)、快三個(gè)字來描述。穩(wěn)是指系統(tǒng)的穩(wěn)定性(stability)，一個(gè)系統(tǒng)要能正常工作，首先必須是穩(wěn)定的，從階躍響應(yīng)上看應(yīng)該是收斂的；準(zhǔn)是指控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、控制精度，通常用穩(wěn)態(tài)誤差來(Steady-state error)描述，它表示系統(tǒng)輸出穩(wěn)態(tài)值與期望值之差；快是指控制系統(tǒng)響應(yīng)的快速性，通常用上升時(shí)間來定量描述。</p><p>　　4、

83、PID控制的原理和特點(diǎn)</p><p>　　在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制

84、技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實(shí)際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。</p><p><b>　　比例（P）控制</b></p><p>　　比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比

85、例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）。</p><p><b>　　積分（I）控制</b></p><p>　　在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（System with Steady-state Err

86、or）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。</p><p><b>　　微分（D）控制</b></p><p>　　在微分

87、控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入 “比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)

88、”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性。</p><p>　　5、PID控制器的參數(shù)整定</p><p>　　PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系

89、數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)

90、都是通過試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善。現(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進(jìn)行 PID控制器參數(shù)的整定步驟如下：(1)首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；(2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；(3)在一定的控制度下通過公式計(jì)算得到PID控制器的參數(shù)。</p>

91、<p>　　參數(shù)整定找最佳，從小到大順序查</p><p>　　先是比例后積分，最后再把微分加</p><p>　　曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大</p><p>　　曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳</p><p>　　曲線偏離回復(fù)慢，積分時(shí)間往下降</p><p>　　曲線波動(dòng)周期長，積分時(shí)間再加長<

92、;/p><p>　　曲線振蕩頻率快，先把微分降下來</p><p>　　動(dòng)差大來波動(dòng)慢。微分時(shí)間應(yīng)加長</p><p>　　理想曲線兩個(gè)波，前高后低4比1</p><p>　　一看二調(diào)多分析，調(diào)節(jié)質(zhì)量不會(huì)低 </p><p>　　2.5.2 PID控制實(shí)現(xiàn)</p><p>　　1 ． PID 的反饋

93、邏輯 </p><p>　　各種變頻器的反饋邏輯稱謂各不相同，甚至有類似的稱謂而含義相反的情形。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)以所選用變頻器的說明書介紹為準(zhǔn)。所謂反饋邏輯，是指被控物理量經(jīng)傳感器檢測到的反饋信號對變頻器輸出頻率的控制極性。例如中央空調(diào)系統(tǒng)中，用回水溫度控制調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率和水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速。冬天制熱時(shí)，如果回水溫度偏低，反饋信號減小，說明房間溫度低，要求提高變頻器輸出頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速，加大熱水的流量；而夏天制冷時(shí)，

94、如果回水溫度偏低，反饋信號減小，說明房間溫度過低，可以降低變頻器的輸出頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速．減少冷水的流量。由上可見，同樣是溫度偏低，反饋信號減小，但要求變頻器的頻率變化方向卻是相反的。這就是引入反饋邏輯的原由。幾種變頻器反饋邏輯的功能選擇見表 。 </p><p>　　2 ．打開 PID 功能 </p><p>　　要實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的 PID 控制功能，首先應(yīng)將 PID 功能預(yù)置為有效。具體方法有

95、兩種：一是通過變頻器的功能參數(shù)碼預(yù)置，例如，康沃 CVF-G2 系列變頻器，將參數(shù) H-48 設(shè)為 O 時(shí)，則無 PID 功能；設(shè)為 1 時(shí)為普通 PID 控制；設(shè)為 2 時(shí)為恒壓供水 PID 。二是由變頻器的外接多功能端子的狀態(tài)決定。例如安川 CIMR-G 7A 系列變頻器，如圖所示，在多功能輸入端子 Sl-S10 中任選一個(gè)，將功能碼 H1-01 ～ H1-10( 與端子 S1-S10 相對應(yīng) ) 預(yù)置為 19 ，則該端子即具有決定

96、 PI[) 控制是否有效的功能，該端子與公共端子 SC “ ON ”時(shí)無效，“ OFF ”時(shí)有效。應(yīng)注意的是．大部分變頻器兼有上述兩種預(yù)置方式，但有少數(shù)品牌的變頻器只有其中的一種方式。 </p><p>　　在一些控制要求不十分嚴(yán)格的系統(tǒng)中，有時(shí)僅使用 PI 控制功能、不啟動(dòng) D 功能就能滿足需要，這樣的系統(tǒng)調(diào)試過程比較簡單。 </p><p>　　3 ．目標(biāo)信號與反饋信號 </p&

97、gt;<p>　　欲使變頻系統(tǒng)中的某一個(gè)物理量穩(wěn)定在預(yù)期的目標(biāo)值上，變頻器的 PID 功能電路將反饋信號與目標(biāo)信號不斷地進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果來實(shí)時(shí)地調(diào)整輸出頻率和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。所以，變頻器的 PID 控制至少需要兩種控制信號：目標(biāo)信號和反饋信號。這里所說的目標(biāo)信號是某物理量預(yù)期穩(wěn)定值所對應(yīng)的電信號，亦稱目標(biāo)值或給定值；而該物理量通過傳感器測量到的實(shí)際值對應(yīng)的電信號稱為反饋信號，亦稱反饋量或當(dāng)前值。 圖中有一個(gè) PID

98、開關(guān)?？赏ㄟ^變頻器的功能參數(shù)設(shè)置使 PID 功能有效或無效。 PID 功能有效時(shí)，由 PID 電路決定運(yùn)行頻率； PID 功能無效時(shí)，由頻率設(shè)定信號決定運(yùn)行頻率。 PID 開關(guān)、動(dòng)作選擇開關(guān)和反饋信號切換開關(guān)均由功能參數(shù)的設(shè)置決定其工作狀態(tài)。 </p><p><b>　　4 ．目標(biāo)值給定 </b></p><p>　　如何將目標(biāo)值 ( 目標(biāo)信號 ) 的命令信息傳送給

99、變頻器，各種變頻器選擇了不同的方法，而歸結(jié)起來大體上有如下兩種方案：一是自動(dòng)轉(zhuǎn)換法，即變頻器預(yù)置 PID 功能有效時(shí)，其開環(huán)運(yùn)行時(shí)的頻率給定功能自動(dòng)轉(zhuǎn)為目標(biāo)值給定．如表中的安川 CIMR-G 7A 與富士 P11S 變頻器。二是通道選擇法，如表中的康沃 CVF-G2 、森蘭 SB12 和普傳 P17000 系列變頻器。 </p><p>　　以上介紹了目標(biāo)信號的輸入通道，接著要確定目標(biāo)值的大小。由于目標(biāo)信號和反饋

100、信號通常不是同一種物理量。難以進(jìn)行直接比較，所以，大多數(shù)變頻器的目標(biāo)信號都用傳感器量程的百分?jǐn)?shù)來表示。例如，某儲(chǔ)氣罐的空氣壓力要求穩(wěn)定在 1 ． 2MPa ，壓力傳感器的量程為 2MPa ，則與 1 ． 2MPa 對應(yīng)的百分?jǐn)?shù)為 60 ％，目標(biāo)值就是 60 ％。而有的變頻器的參數(shù)列表中，有與傳感器量程上下限值對應(yīng)的參數(shù)，例如富士 P11S 變頻器，將參數(shù) E40( 顯示系數(shù) A) 設(shè)為 2 ，即壓力傳感器的量程上限 2MPa ：參數(shù) E

101、41( 顯示系數(shù) B) 設(shè)為 0 ，即量程下限為 0 ，則目標(biāo)值為 1 ． 2 。即壓力穩(wěn)定值為 1 ． 2 MPa 。目標(biāo)值即是預(yù)期穩(wěn)定值的絕對值。 </p><p>　　5 ．反饋信號的連接 </p><p>　　各種變頻器都有若干個(gè)頻率給定輸入端，在這些輸入端子中，如果已經(jīng)確定一個(gè)為目標(biāo)信號的輸入通道，則其他輸入端子均可作為反饋信號的輸入端。可通過相應(yīng)的功能參數(shù)碼選擇其中的一個(gè)使用。

102、比較典型的幾種變頻器反饋信號通道。</p><p>　　6 ． P 、I 、D 參數(shù)的預(yù)置與調(diào)整 </p><p>　　(1) 比例增益 P </p><p>　　變頻器的 PID 功能是利用目標(biāo)信號和反饋信號的差值來調(diào)節(jié)輸出頻率的，一方面，我們希望目標(biāo)信號和反饋信號無限接近，即差值很小，從而滿足調(diào)節(jié)的精度：另一方面，我們又希望調(diào)節(jié)信號具有一定的幅度，以保證調(diào)節(jié)的靈

103、敏度。解決這一矛盾的方法就是事先將差值信號進(jìn)行放大。比例增益 P 就是用來設(shè)置差值信號的放大系數(shù)的。任何一種變頻器的參數(shù) P 都給出一個(gè)可設(shè)置的數(shù)值范圍，一般在初次調(diào)試時(shí)， P 可按中間偏大值預(yù)置．或者暫時(shí)默認(rèn)出廠值，待設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)再按實(shí)際情況細(xì)調(diào)。 </p><p><b>　　(2) 積分時(shí)間 </b></p><p>　　如上所述．比例增益 P 越大，調(diào)節(jié)靈敏度越

104、高，但由于傳動(dòng)系統(tǒng)和控制電路都有慣性，調(diào)節(jié)結(jié)果達(dá)到最佳值時(shí)不能立即停止，導(dǎo)致“超調(diào)”，然后反過來調(diào)整，再次超調(diào)，形成振蕩。為此引入積分環(huán)節(jié) I ，其效果是，使經(jīng)過比例增益 P 放大后的差值信號在積分時(shí)間內(nèi)逐漸增大 ( 或減小 ) ，從而減緩其變化速度，防止振蕩。但積分時(shí)間 I 太長，又會(huì)當(dāng)反饋信號急劇變化時(shí)，被控物理量難以迅速恢復(fù)。因此， I 的取值與拖動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)有關(guān)：拖動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)較小時(shí)，積分時(shí)間應(yīng)短些；拖動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)較

105、大時(shí)，積分時(shí)間應(yīng)長些。 </p><p>　　(3) 微分時(shí)間 D </p><p>　　微分時(shí)間 D 是根據(jù)差值信號變化的速率，提前給出一個(gè)相應(yīng)的調(diào)節(jié)動(dòng)作，從而縮短了調(diào)節(jié)時(shí)間，克服因積分時(shí)間過長而使恢復(fù)滯后的缺陷。 D 的取值也與拖動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)有關(guān)：拖動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)較小時(shí)，微分時(shí)間應(yīng)短些；反之，拖動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)較大時(shí)， 微分時(shí)間應(yīng)長些。 </p><p>

106、　　P 、 I 、 D 參數(shù)的調(diào)整原則 </p><p>　　P 、 I 、 D 參數(shù)的預(yù)置是相輔相成的，運(yùn)行現(xiàn)場應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行如下細(xì)調(diào)：被控物理量在目標(biāo)值附近振蕩，首先加大積分時(shí)間 I ，如仍有振蕩，可適當(dāng)減小比例增益 P 。被控物理量在發(fā)生變化后難以恢復(fù)，首先加大比例增益 P ，如果恢復(fù)仍較緩慢，可適當(dāng)減小積分時(shí)間 I ，還可加大微分時(shí)間 D。 </p><p>　　在該系統(tǒng)中，通

107、過將輸出信號反饋給輸入端，經(jīng)過PID控制器比較判斷，決定輸出值是否超過設(shè)定值，如果如果輸出值超過設(shè)定值，則PID控制器通過控制閥門開閉的大小來控制輸出量，使其降低到設(shè)定值；如果輸出值低于設(shè)定值，則PID控制器通過控制閥門開閉的大小來控制輸出量，使其升高到設(shè)定值。</p><p>　　3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　軟件設(shè)計(jì)編制的程序易于調(diào)試、修改，可讀性好，軟件的設(shè)計(jì)是一個(gè)將需求

108、轉(zhuǎn)變?yōu)檐浖愂龅倪^程。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用自頂向下、模塊化、結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)方法，把總的編程過程逐步細(xì)分，分解成一個(gè)個(gè)功能模塊，每個(gè)模塊相互獨(dú)立，其正確與否不依賴其它模塊，每個(gè)模塊都能完成一個(gè)明確的任務(wù)、實(shí)現(xiàn)某個(gè)具體的功能。</p><p><b>　　3.1 主程序</b></p><p>　　單片機(jī)系統(tǒng)上電后，首先要對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，初始化程序包括內(nèi)存空間的分配、初始

109、變量的設(shè)置、設(shè)定堆棧指針等。正常初始化后開放定時(shí)器中斷，外部中斷和串行口中斷，然后啟動(dòng)定時(shí)器定時(shí)。每隔一段時(shí)間對瓦斯的濃度采集一次，將采集到的模擬量濃度數(shù)據(jù)存到寄存器中，當(dāng)系統(tǒng)在取數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示的過程中要產(chǎn)生中斷，調(diào)用中斷處理子程序，在中斷處理子程序中進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及顯示濃度。主程序編好后編制各從屬的程序和子程序，最后完成整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中要實(shí)現(xiàn)的功能有：用戶機(jī)的單片機(jī)系統(tǒng)要完成定時(shí)地對瓦斯?jié)舛鹊倪M(jìn)行檢測，將瓦斯?jié)舛戎档倪M(jìn)行