單片機張力檢測控制系統(tǒng)本科畢業(yè)設(shè)計

1、 畢業(yè)設(shè)計（論文）論文題目單片機張力檢測控制系統(tǒng) 摘要隨著科技的發(fā)展，單片機在一些自動控制的生產(chǎn)系統(tǒng)中得到充分的應(yīng)用，本課題主要研究對象是車牌膜卷沖壓的張力控制，通過我們苦苦的研究，終于找到一種比較好的解決方法：通過傳感器檢測膜卷帶轉(zhuǎn)動的角度轉(zhuǎn)化為電流信號i(in)，將420ma電流信號i(in)轉(zhuǎn)換為a/d轉(zhuǎn)換器能接收的電壓信號u(in)；a/d轉(zhuǎn)換器將模擬電壓信號u（in）轉(zhuǎn)化為單片機處理器可以讀寫的數(shù)字信號d0-d7，將此數(shù)字信號與給定線速度電流數(shù)字信號送給單片機處理器，用預(yù)先匯編好pid算法程序進行處理，pid算法是能自我調(diào)節(jié)增量式的自動控制系統(tǒng)，以及用8155擴展輸入輸出口芯片進行擴

2、展成一個輸入口一個輸出口，兩個io口都是用2501隔離芯片進行各種輸出輸入信號的光電隔離。然后將得出的增量式的數(shù)字信號傳送給d/a轉(zhuǎn)換器，通過轉(zhuǎn)換得到需要的電流信號，將電流信號通過放大器等模擬芯片轉(zhuǎn)換成電壓信號，再將此電壓信號用xr101轉(zhuǎn)換成420ma 的電流信號。將此模擬電流信號驅(qū)動伺服電機控制器，再驅(qū)動伺服電機，使膜卷帶保持恒定的線速度。關(guān)鍵詞：單片機；pid控制abstract owning to the tremendous advancement of technology, micro-chip has increasing use in automation factory.

3、this thesis mainly discuss some solution to the complexity in the automation process. a perfect solution is founded out at last result from our hard work .with a transformation from angle of press machine sensor to ampere signal, this ampere signal range from 4 to 20ma is transform to voltage signal

4、 which is accepted by a/d converter. and this analog voltage signal u(in) will send into a/d converter in order to convert it to digital signal d0d7 that is been acceptable by computer. on the other hand ,we inject both an given digital ampere signal related to the thread velocity of the machine and

5、 preceding digital signal d0d7 into the computer processor 82s95 .thus the increasingly pid previously made by assembly langue will process the two signal and make the system stable. and using 8155 to extend the interface for increasingly numbers of input and out put for control signal .both the inp

6、ut and output interfaces are lightly and electrically separated by the chip 2501.after that ,the micro-processor will output a proper digital signal into d/a converter. then the converter will transform the signal to analogy ampere signal. after two transformations, the needed 420ma are available to

7、 compensate the executor of pressed machine.key words：micro-chip；pid control目錄摘要iabstractii目錄iii1 緒論11.1 單片機張力檢測控制的發(fā)展趨勢11.2 單片機張力檢測控制系統(tǒng)的技術(shù)要求21.3單片機張力檢測控制系統(tǒng)傳感器22 單片機張力檢測控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計32.1 單片機張力檢測控制系統(tǒng)主要部件32.2單片機張力檢測控制系統(tǒng)的基本組成32.2.1 單片機處理器89s52的主要性能和功能32.2.2 adc0809主要性能和功能42.2.3 dac0832主要性能和功能52.2.4 xtr101主要

8、性能和功能72.2.5 io口擴展8155主要性能和功能82.2.6 光電隔離芯片2501主要性能和功能102.3單片機張力檢測控制系統(tǒng)綜合設(shè)計102.3.1 系統(tǒng)設(shè)計主要內(nèi)容102.3.2 系統(tǒng)設(shè)計流程圖112.3.3 系統(tǒng)資源分配表112.3.4 系統(tǒng)設(shè)計電路原理圖（在附錄）122.3.5 系統(tǒng)設(shè)計pcb圖（在附錄）122.4 單片機張力檢測控制系統(tǒng)其它部件的設(shè)計122.4.1 電源設(shè)計122.4.2 采用d觸發(fā)器分頻122.4.3 電流/電壓轉(zhuǎn)換133 浮點數(shù)簡單的運算143.1 浮點數(shù)的概念143.2 規(guī)格化子程序fsdt153.3浮點數(shù)取數(shù)子程序fmld173.4 浮點數(shù)加、減法處理

9、子程序 fabp173.5 浮點數(shù)加法子程序fadd203.6 浮點數(shù)減法子程序fsub203.7 浮點數(shù)乘法法子程序fmul213.8 浮點數(shù)除法子程序fdiv233.9 三字節(jié)浮點數(shù)轉(zhuǎn)換為雙字節(jié)整數(shù)子程序fint253.10 浮點數(shù)存數(shù)子程序fstr264 增量式 pid算法程序設(shè)計274.1 增量式 pid算法概念274.2 增量式 pid算法設(shè)計表達式274.3 pid流程圖294.4 pid 總程序設(shè)計295 結(jié)束語325.1 全文總結(jié)325.2 進一步研究的工作32致謝33參考文獻34附錄35351 緒論 在現(xiàn)代化自動化生產(chǎn)當(dāng)中，經(jīng)常在車牌膜卷帶的沖壓過程中,由于膜卷帶的張力大小會

10、發(fā)生一些變化，從而在沖壓中引起脫落等一系列不良的反應(yīng)。而本課題就是在解決以上問題而設(shè)計的一款新型的單片機張力檢測控制系統(tǒng)，在膜卷帶沖壓系統(tǒng)中檢測并保持膜卷帶的轉(zhuǎn)動的線速度的恒定，以達到工藝要求。其主要研究范圍：單片機處理器，a/d轉(zhuǎn)換器，d/a轉(zhuǎn)換器，8155等芯片的功能及其整個系統(tǒng)的連接，pid算法匯編語言實現(xiàn)。希望通過的研究設(shè)計，為我們自動化生產(chǎn)流程帶來良好效果。1.1 單片機張力檢測控制的發(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

11、互補，為單片機的應(yīng)用提供廣闊的天地?？v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：(1)低功耗cmos化   mcs-51系列的8031推出時的功耗達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

12、。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。(2)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、pmw(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

13、，還要求其體積要小。現(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。(3)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

14、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)，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。1.2 單片機張力檢測控制系統(tǒng)的技術(shù)要求 本課題技術(shù)要求：使經(jīng)過pid增量式算法處理后的電流輸出啟動d/a轉(zhuǎn)換器輸出的電流，推動執(zhí)行機構(gòu)轉(zhuǎn)動一定角度，使印刷機的線速度偏離給定的線速度在一定的范圍之內(nèi)。所需用到的數(shù)據(jù)：采樣電流r(k)；給定電流：m；輸出電流信號：i(x)1.3單片機張力檢測控制系統(tǒng)傳感器 傳感器是測量系統(tǒng)中的一種前置部件，它將輸入變量轉(zhuǎn)換成可供測量的信號。信息處理技術(shù)取得的進展以及微處理器和計算機技術(shù)的高速發(fā)展，都需要在傳感器

15、的開發(fā)方面有相應(yīng)的進展。微處理器現(xiàn)在已經(jīng)在測量和控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著這些系統(tǒng)能力的增強，作為信息采集系統(tǒng)的前端單元，傳感器的作用越來越重要。傳感器已成為自動化系統(tǒng)和機器人技術(shù)中的關(guān)鍵部件，作為系統(tǒng)中的一個結(jié)構(gòu)組成，其重要性變得越來越明顯。在本課題的設(shè)計中，采用角度傳感器，把所要檢測的張力信號轉(zhuǎn)換為我們可以測量的電流信號2 單片機張力檢測控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計 通過傳感器檢測膜卷帶轉(zhuǎn)動的角度轉(zhuǎn)化為電流信號i，a/d轉(zhuǎn)換器將電電流信號i 轉(zhuǎn)化為計算機可以讀寫的數(shù)字信號，將此送給單片機進行預(yù)先匯編好pid算法程序進行處理，然后將得出的數(shù)字信號傳送給d/a轉(zhuǎn)換器，通過轉(zhuǎn)換得到需要的電流信號驅(qū)動

16、角度傳感器轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)度，使張力保持恒定的速度。2.1 單片機張力檢測控制系統(tǒng)主要部件本系統(tǒng)由單片機處理器89s52 、adc0809轉(zhuǎn)換器、 dac0832轉(zhuǎn)換器、 xrt101轉(zhuǎn)換器、擴展io口8155、光電隔離芯片2501。 2.2單片機張力檢測控制系統(tǒng)的基本組成2.2.1 單片機處理器89s52的主要性能和功能 89s52 芯片引腳功能說明 圖21 89s52vcc（40腳）：正常運行和校驗時為5vxtal1（19腳）：接外部晶振的一個引腳。在單片機內(nèi)部，它是一個反相放大器的輸入端，這個放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器xtal2（18腳）：接外部晶振的另一個引腳。在片內(nèi)接至振蕩器的反相放器的輸出和內(nèi)

17、部時鐘發(fā)生器的輸入端。rstvpd9腳：該腳是復(fù)位信號的輸入端。振蕩器工作時，由該引腳輸入脈寬兩個以上機器周期的高電平時復(fù)位單片微機。vpd為備用電源輸入端，即當(dāng)vcc掉電時，由此引腳提供備用電源，以保持內(nèi)部ram的信息。ale允許地址鎖存信號輸出。當(dāng)訪問外部存儲器時，ale信號的負跳變將p0口上的低八位地址送入鎖存器。當(dāng)非訪問外部存儲器期間，ale仍以六分之一振蕩頻率固定不變的速率輸出，因而它能作為外部時鐘或定時信號用。p0口（32-39腳）：八位漏極開路雙向并行io口。當(dāng)訪問外部存儲器時，它是低地址總線（低8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用。p1口（1-8腳）：八位準(zhǔn)雙向并行io端口。在片內(nèi)程序校驗期間

18、，作低八位地址用。p2口（21-28腳）：八位準(zhǔn)雙向并行io端口。當(dāng)訪問外部存儲器時作高八位地址用；不作外部功能擴展時，則作準(zhǔn)雙向io口用。p3.6wr：外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通，低電平有效p3.7rd：外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通，低電平有效2.2.2 adc0809主要性能和功能圖22 adc0809(1)adc0809引腳說明：d0-d7：8位二進制數(shù)字量輸出端in0-in7：8位模擬量開關(guān)輸入端口vcc：5v工作電壓源gnd：接地端vref（+|_）：參考電壓（）、（）連接端start：ad轉(zhuǎn)換啟動信號輸入端口，高電平有效ale：地址鎖存允許信號輸入端口，ale的下降沿將地址打入鎖存器edc：ad

19、轉(zhuǎn)換信號輸出端口，開始轉(zhuǎn)換時為低電平，一旦轉(zhuǎn)換結(jié)束時輸出高電平oe：完成轉(zhuǎn)換后數(shù)字量輸出允許控制信號輸入端口，高電平有效，用以打開三態(tài)數(shù)據(jù)鎖存器的輸出clk：時鐘信號輸入端a、b、c：地址輸入端口，用三位編碼組成3：8譯碼輸出，選通8路模擬電子開關(guān)，實現(xiàn)in0-in78路選1。(2)adc0809主要功能計算機直接數(shù)字控制系統(tǒng)大多數(shù)是采樣-數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)。進入計算機的連續(xù)-時間信號,必須經(jīng)過采樣和整量化后，變成數(shù)字量，方能進入計算機的存貯器和寄存器。而這就需要有ad轉(zhuǎn)換器。ad主要分為積分型、逐次逼近型、并行比較型/串并行型、-調(diào)制型、電容陣列逐次比較型及壓頻變換型。而我 到的ad0809是最常

20、用的8位ad轉(zhuǎn)換器，屬逐次逼近型。adc0809由單一+5v電源供電，片內(nèi)帶有鎖存功能的8路模擬電子開關(guān)，可對0-5v8路的輸入模擬電壓信號分時進行轉(zhuǎn)換，輸出具有ttl三態(tài)鎖存緩沖器，可以與mcs-51數(shù)據(jù)總線相接，通過適當(dāng)?shù)耐饨与娐?，還可對0-5v模擬信號進行ad轉(zhuǎn)換。在本次課題的設(shè)計中，借用主機的ale分頻后作為adc0809的clk。主機的頻率為12mhz，經(jīng)過兩個d觸發(fā)器分頻后得到adc0809所需的時鐘信號。adc0809的多路編碼a，b，c直接與p0。0-p0。2相連，通過軟件編程選取in0為輸入通道。用p2.6與wr rd組合作為0809的start ale 和oe的信號，當(dāng)其為

21、低電平時有效，這樣，在編程時0809的地址是0bffh，每執(zhí)行一條輸出指令，選通in0通道啟動一次ad轉(zhuǎn)換。采用查詢方式，把eoc接p1.0,在啟動轉(zhuǎn)換后，查詢p1.0口，一旦出現(xiàn)高電平，則表示轉(zhuǎn)換結(jié)束。轉(zhuǎn)換結(jié)束后執(zhí)行下一條指令，讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，以完成一次ad轉(zhuǎn)換。(3)采用查詢方式工作的初始化程序 （設(shè)入口地址是p2.6=0）adc: mov dptr,#0bfffh ；adc0809啟動mov a,#00h ;選00通道m(xù)ovx dptr,a ；啟動in0輸入ask0: jb p1.0 ask ；采用查詢方式p1.0movx a,dptrmov #coefur,a2.2.3 dac0832主

22、要性能和功能 圖23 dac0832(1)dac0832引腳說明：cs片選信號輸入端，低電平有效。ile允許轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸入鎖存信號端，高電平有效wr1寫信號1輸入端，低電平有效，用于將轉(zhuǎn)換數(shù)字量輸入鎖存到輸入數(shù)據(jù)寄存器中。wr2寫信號2輸入端，低電平有效。xferdac寄存器選通控制信號，低電平有效d0-d78位數(shù)據(jù)輸入端i01.i02dac電流輸出端rfb放大器反饋電阻連接端。用于外接直流放大器接入分路反饋電阻。這是為 了保持輸出電流的線性度。vref標(biāo)準(zhǔn)電壓輸入端。通過該端口將外部標(biāo)準(zhǔn)電源和內(nèi)部r-2r t型網(wǎng)絡(luò)相連，為r-2r t型網(wǎng)絡(luò)提供精度高的標(biāo)注的電源?？晒ぷ髟?010vvcc提供芯

23、片的電源輸入端。它可從215。最佳工作狀態(tài)是采用15agnd模擬量接地端。dgnd數(shù)字量接地端。agnd與dgnd是兩種不同性質(zhì)的接地，必須單獨處理，不能含混在一起，特別是agnd必須處理，否則將影響轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定性和精度。最后以一點接地。 (2)dac0832的主要功能: 在輸出控制的時候，需要用模擬信號來驅(qū)動伺服電機，這就需要用da轉(zhuǎn)換器把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號。在本課題的設(shè)計中，選用dac0832。da轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部電路構(gòu)成無太大差異，一般按輸出是電流還是電壓、能否作乘法運算等進行分類。大多數(shù)da轉(zhuǎn)換器由電阻陣列和n個電流開關(guān)(或電壓開關(guān))構(gòu)成。按數(shù)字輸入值切換開關(guān)，產(chǎn)生比例于輸入的電流(或電

24、壓)。dac0832da轉(zhuǎn)換是由輸入寄存器，dac寄存器da轉(zhuǎn)換器等組成的cmos集成器件，其主要特點是內(nèi)部設(shè)有兩個獨立的8位寄存器，因而具有雙緩沖功能，能將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)寄存在dac的寄存器中供da轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換的同時，又可接收新的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)裝入寄存器。dac 0832本身是輸出電流型的，在dac0832的i0 i1輸出端加接一個運算放大器，將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓輸出，在我的設(shè)計中需要的是4-20ma的電流輸出，為方便控制，在設(shè)計時，在加上一個運算放大器的同時，再加上一個vi的芯片xrt101，把最后送出的模擬信號變成符合要求的電流控制信號。在接線中，wr 1 wr2并接于wr，cs和xfer并接于

25、p2.7。這樣，dac0832的地址為7fffh（只要p2.7=0,其他的選線地址線為1的地址均可）。每當(dāng)主機對0832進行一次寫操作，把一個8位二進制數(shù)數(shù)字量輸出到dac0832的輸入數(shù)據(jù)寄存器，鎖存于dac寄存器。經(jīng)da轉(zhuǎn)換，就輸出一個對應(yīng)的電流。(3)dac0832 驅(qū)動程序(入口地址p2.7=0)outda: mov dptr,#7fffh ;dac0832端口地址送dptr mov a ,biabid ;biabid 是輸出口的偽地址 2.2.4 xtr101主要性能和功能d/a轉(zhuǎn)換器中電流要先轉(zhuǎn)換成電壓信號，再將電壓信號轉(zhuǎn)換成電流信號去驅(qū)動伺服電機。在此選用xtr101芯片，xtr

26、101型u/i轉(zhuǎn)換器是美國bb公司的產(chǎn)品，該芯片將微弱的電壓信號輸入轉(zhuǎn)變成標(biāo)準(zhǔn)的電流信號（420ma）輸出。 圖24 xtr101（1）xtr101的特性： ·信號放大部分 偏移電壓低，最大為30uv，電壓漂移校，最大為0.75uv每攝氏度，非線性小于0.005，·雙絞線雙線傳輸 電源和電信號線在一對雙絞線上，電流型信號傳送，抗干擾能力強；·小型14腳dip組件；·輸出標(biāo)準(zhǔn)電流；·輸入電壓范圍010v，05v;·輸入輸出范圍可選；·具有10v，10ma精密參考電壓輸出·但電源供電，范圍廣，達（13.540v）xtr

27、101芯片管腳排列如圖示：（2）xtr101連接圖 圖25 xtr1012.2.5 io口擴展8155主要性能和功能(1)8155引腳功能說明：reset：8155內(nèi)部復(fù)位信號輸入端。8155h被初始復(fù)位，復(fù)位后的io口為輸入方式ad0-ad7：三態(tài)地址數(shù)據(jù)線。此地址可以是ram單元地址或io口地址。ad0-ad7衫的地址由ale的下降沿觸發(fā)鎖存到8155內(nèi)部的地址鎖存器中，由iom端口的電平狀態(tài)確定其是ram還是io口的地址 圖26 8155ce：片選信號端，低電平有效。也由ale的下降沿觸發(fā)鎖存到8155內(nèi)部鎖存器iom：ram或io口操作選擇端。rd：讀選通信號端，低電平有效wr；寫選通

28、信號端，低電平有效ale:pa0-7：地址鎖存信號端。pa0-7：8位a口通用io端口，由編程選擇其輸入或輸出方式pb0-7：8位b口通用io端口，由編程選擇輸入或輸出方式pc0-5：6位c口控制io端口。由編程選擇用于pa和pb口的控制信號。(2)8155驅(qū)動程序表21接線地址分配空間8155（ram）ce:p2.2, io/m:p2.10f900h0f9ffh8155(i/o)ce:p2.2, io/m:p2.10fb00h0fbffhiniti: mov dptr,#0fbooh ；命令寄存器地址 mov a , #0c2h ；命令字 mov dptr ,amovx dptr, #f9x

29、xhmovx dptr,a ；寫movx a, dptr ；讀2.2.6 光電隔離芯片2501主要性能和功能考慮到抗干擾問題。采取2501將輸入輸出電路進行光電隔離。2501引腳示意圖： 圖26 2501模擬電路如圖2.3單片機張力檢測控制系統(tǒng)綜合設(shè)計2.3.1 系統(tǒng)設(shè)計主要內(nèi)容通過傳感器檢測印刷帶轉(zhuǎn)動的角度轉(zhuǎn)化為電流信號i(in)，將420ma電流信號i(in)轉(zhuǎn)換為a/d轉(zhuǎn)換器能接收的電壓信號u(in)；a/d轉(zhuǎn)換器將模擬電壓信號u（in）轉(zhuǎn)化為單片機處理器可以讀寫的數(shù)字信號d0d7，將此數(shù)字信號與給定印刷機線速度電流數(shù)字信號送給單片機處理器，用預(yù)先匯編好pid算法程序進行處理，pid算法

30、是能自我調(diào)節(jié)增量式應(yīng)用自動控制系統(tǒng)，以及用8155擴展輸入輸出口芯片進行擴展成一個輸入口一個輸出口，兩個口都是用2501隔離芯片進行各種輸出輸入信號的光電隔離。然后將得出的增量式的數(shù)字信號傳送給d/a轉(zhuǎn)換器，通過轉(zhuǎn)換得到需要的電流信號，將電流信號通過放大器等模擬芯片轉(zhuǎn)換成電壓信號，再將此電壓信號用xr101轉(zhuǎn)換成420ma 的電流信號。將此模擬電流信號驅(qū)動伺服電機控制器，再驅(qū)動伺服電機，通過傳感器轉(zhuǎn)換成角度，使印刷機保持恒定的線速度。2.3.2 系統(tǒng)設(shè)計流程圖 給定角度 a/d轉(zhuǎn)換器 cpu pid 算法 d/a 轉(zhuǎn)換器傳感器 伺服電機 傳感器 角度 圖27 pid流程圖 2.3.3 系統(tǒng)資源

31、分配表表22芯片分配線地址分配空間ad0809p2.60bffhda0832p2.79fffh8155（ram）ce:p2.2, io/m:p2.10f900h0f9ffh8155(i/o)ce:p2.2, io/m:p2.10fb00h0fbffh 2.3.4 系統(tǒng)設(shè)計電路原理圖（在附錄）2.3.5 系統(tǒng)設(shè)計pcb圖（在附錄）2.4 單片機張力檢測控制系統(tǒng)其它部件的設(shè)計2.4.1 電源設(shè)計在電源設(shè)計問題上考慮到電壓抗干擾問題和交流電轉(zhuǎn)換到直流電的穩(wěn)定性問題，下面我們來探討兩個問題：(1)電壓抗干擾問題的解決：采用兩組變壓器將220v電壓變壓成數(shù)字電和模擬電，分別供給芯片不同需要的電壓。在這里

32、我們采用工作電壓和引腳1使用數(shù)字電壓，參考電壓使用模擬電壓；同時也要分清數(shù)字地和模擬地。芯片引腳0采用數(shù)字地，芯片的模擬地和電路元件采用模擬地。 (2)電源穩(wěn)壓設(shè)計交流電轉(zhuǎn)換成直流電采用2575穩(wěn)壓器及穩(wěn)壓橋來解決，使電壓穩(wěn)定地在我們工作電壓5v范圍內(nèi)。以下是電源示意圖： 圖28 電源示意圖2.4.2 采用d觸發(fā)器分頻由于89s25ale 是六分頻2m，但是adc0809的時鐘頻率是512k,所以當(dāng)兩者進行連接時要作相應(yīng)的變換。d觸發(fā)器有2分頻的功能，所以2m的ale 到512k的adc0809要進行四分頻，需要兩個d觸發(fā)器，接線圖如下： 表29 四分頻電路圖2.4.3 電流/電壓轉(zhuǎn)換由于ad

33、c0809允許輸入的是電壓，但是現(xiàn)在提供的是420ma電流，所以要進行電流向電壓的轉(zhuǎn)換。接線圖如下： 圖210 i/u轉(zhuǎn)換3 浮點數(shù)簡單的運算浮點數(shù)運算精度比定點運算高，運算速度比定點數(shù)運算慢，一般情況下，當(dāng)速度變化比較慢時，可采用浮點運算。本系統(tǒng)正是精度要求高，速度要求并不是太高的系統(tǒng)，所以采用這種浮點數(shù)式。至于增量式控制帶來的有點：由于計算機輸出增量，所以誤動作影響小，必要時可用邏輯判斷的方法去掉；增量式設(shè)計只與本次的偏差值有關(guān)，與閥門原來的位置無關(guān)，因而增量式算法易于實現(xiàn)手動/自動無擾動切換；不產(chǎn)生積分失控，所以易于獲得較好的調(diào)節(jié)效果。 3.1 浮點數(shù)的概念 定點數(shù)有一個致命的缺點：數(shù)表

34、示的范圍太小，例如無符號雙字節(jié)整數(shù)的范圍是065535之間。所以計算機中常用一種小數(shù)點的位置可以按數(shù)值的大小自動變化的數(shù)據(jù)表示方法浮點數(shù)。浮點數(shù)是指尾數(shù)固定，小數(shù)點的位置隨小數(shù)點的位置而浮動。浮點數(shù)的數(shù)學(xué)表達式是：±m*c（e），其中m為尾數(shù)，一般均為純小數(shù)，e是階碼，采用補碼整數(shù)形式；c為底，對微機或單片機來說，c均為2。由此可見，浮點數(shù)的精度取決于尾數(shù)，尾數(shù)越長，精度越高。浮點數(shù)的大小，由階數(shù)來決定。浮點數(shù)的符號有不同的表示方法：用尾數(shù)最高位作為符號位，其中又可分為原碼或補碼；用階碼的最高位作為符號位，用原碼表示尾數(shù)。在微型機或單片機系統(tǒng)中，常用浮點數(shù)有三字節(jié)和四字節(jié)。在這里我們

35、采用三字節(jié)，所以下面著重討論三字節(jié)的浮點數(shù)。三字節(jié)的浮點數(shù)由三個字節(jié)組成，字節(jié)的浮點數(shù)的取值范圍為6463，三字節(jié)浮點數(shù)的尾數(shù)用原碼表示其中尾數(shù)為二個字節(jié)，如圖所示： 表31d7d6d5d4d3d2d1d0ri階碼（補碼）ri+1尾數(shù)高8位ri+2尾數(shù)低8位 階碼 數(shù)碼為了保證運算精度，必須盡量著增加尾數(shù)的有效值位數(shù)。這樣我們應(yīng)使浮點數(shù)的第一位數(shù)字不等于0，對于二進制的原碼表示的尾數(shù)，規(guī)格化數(shù)的尾數(shù)的第一位數(shù)字應(yīng)為1。在實際應(yīng)用中，需要有一個程序來完成把一個非規(guī)格化數(shù)變成規(guī)格化數(shù)的操作。在進行規(guī)格化操作時，對原碼表示的數(shù)，一般是先判斷尾數(shù)的最高數(shù)值位是0還是1。如是0，則把尾數(shù)左移一位，階碼減

36、1再循環(huán)判斷；如果是1則操作結(jié)束。如果在規(guī)格化過程中階碼減1變成最小值，不能再進行規(guī)格化操作。浮點數(shù)的加減法運算比定點數(shù)困難得多，執(zhí)行加減法前必須先對準(zhǔn)小數(shù)點，然后才能按定點小數(shù)加減法運算那樣進行尾數(shù)加減法操作，結(jié)果數(shù)的階碼等于對準(zhǔn)小數(shù)點后的任一個操作數(shù)的階碼。由于結(jié)果數(shù)不一定為規(guī)格化數(shù)，因此必須結(jié)束后進行規(guī)格化操作。3.2 規(guī)格化子程序fsdt功能：入口 cy0時，執(zhí)行右規(guī)格化，右移輸入位為39hf0=0時，對r6r2r3進行右移一位f0=1時，對r7r4r5進行右移一位cy=1時，對r6r2r3進行左規(guī)格化，第一次左移輸入位為f0(1)fsdt程序設(shè)計fsdt: jc fs2mov c,3

37、9h ；右格式化jb psw.5,fs1mov a,r2rrc amov r2,amov a,r3rrc amov r3,a inc r6ret fs1: mov a,r4 ；r7r4r5右移一位rrc amov r4,amov a,r5rrc amov r5,ainc r7retfs2: mov a,r2 ；左規(guī)格化jnz fs4cjne r3,#0,fs5mov r6,#41h ；尾數(shù)等于0，41h送階碼fs3: retfs4: jb acc.7,fs3fs5: mov c,psw.5 ；左移輸入為f0mov a,r3rlc amov r3,amov a,r2rlc amov r2,acl

38、r psw.5dec r6sjmp fs2(2)fsdt流程圖 圖31 規(guī)格化fsdt流程圖 3.3浮點數(shù)取數(shù)子程序fmld功能:把(r0)指向的內(nèi)部ram中的三字節(jié)浮點數(shù)送到r6r2r3,把r1指向的內(nèi)部ram中的三字節(jié)浮點數(shù)送到r7r4r5，并保持r0.r1的內(nèi)容不變。程序設(shè)計fmld: mov a,r0mov r6,ainc r0mov a,r0mov r2,ainc r0mov a,r0mov r3,a dec r0dec r0mov a,r1mov r7,a inc r1mov a ,r1mov r4,a inc r1mov a,r1mov r5,a dec r1decr1ret3.

39、4 浮點數(shù)加、減法處理子程序 fabp功能：把r6r2r3和r7r4r5的兩個三字節(jié)浮點數(shù)進行相加或相減，結(jié)果存放到r4r2r3中。入口時，bit3ah=0時，為加；否則為減。(1)程序如下：fabp: mov a,r6mov c,acc.7mov 38h,c ；保存被加數(shù)符號xrl a,r7jnb acc.7,fa1cpl 3ah ；兩數(shù)異號，取反運算標(biāo)志fa1: mov a,r6mov c,acc.6 ；擴展階碼為雙符號位mov acc.7,cmov r6,amov a,r7mov c,acc.6mov acc.7,cmov r7,aclr cmov a,r6subb a,r7jz fa2

40、clr psw.5clr 39hjb acc.7,fa5cjne r4,#0,fa6cjne r5,#0,fa6fa2: jb 3ah,fa8mov a,r3 ；執(zhí)行尾數(shù)加法add a,r5mov r3,a mov a,r2addc a,r4mov r2,a jnc fa4setb 39hclr cfa3: clr psw.5lcall fsdtfa4: cjne r2,#0,faacjne r3,#0,faamov r4,#41retfaa: mov a,r6 ；送結(jié)果符號mov c,38hmov acc.7cxch a,r4mov r6,a retfa5: cjne r2,#0,fa7cj

41、ne r3,#0,fa7mov a,r7mov r6,a sjmp fa2fa6: cpl psw.5fa7: clr c lcall fsdtsjmp fa1fa8: mov a,r3 ；執(zhí)行尾數(shù)減法clr c subb a,r5mov r3, a mov a,r2subb a,r4mov r2,a jnc fa9clr a ；不夠減 ，把尾數(shù)取補clr csubb a,r3mov r3,a clr a subb a,r2mov r2, a cpl 38h ；把結(jié)果符號取反fa9: setb csjmp fa3(2)fabp流程圖fabp 圖32 fabp流程圖3.5 浮點數(shù)加法子程序fad

42、d功能：r0指向的三字節(jié)浮點數(shù)和r1指向的三字節(jié)浮點數(shù)相加，結(jié)果存放在r4r2r3中，并保持r0r1的內(nèi)容不變。程序設(shè)計:fadd: clr 3ah ；置加法標(biāo)志lcal fmld ；取操作數(shù)lcall fabp ；加法ret3.6 浮點數(shù)減法子程序fsub功能：r0指向的三字節(jié)浮點數(shù)和r1指向的三字節(jié)浮點數(shù)相減，結(jié)果存放在r4r2r3中，并保持r0r1的內(nèi)容不變。fsub: setb 3ah ；置減法標(biāo)志位lcall fmld ；取操作數(shù)lcall fabp ；加法ret3.7 浮點數(shù)乘法法子程序fmul功能：r0指向的三字節(jié)浮點數(shù)和r1指向的三字節(jié)浮點數(shù)相乘，結(jié)果存放在r4r2r3中，并保

43、持r0r1和ram中的內(nèi)容不變。(1)fmul流程圖 圖33 fmul流程圖(2)fmul程序設(shè)計 fmul: lcall fmld mov a,r6 xrl a,r7 mov c,acc.7 mov 38h,c ；計算并暫存積的符號 lcall dmul ；調(diào)用定點無符號雙字節(jié)乘法子程序 mov a,r7 mov c,acc.7 mov pws.5,c ；f0位規(guī)格化時第一次左移輸入值 mov a,a0 ；計算階碼 add a,r1 mov r6,a setb c lcall fsdt mov a,r6 mov c,38h ；回送積的符號 mov acc.7,c mov r4,a retdm

44、ul: mov a,r3 ；定點無符號雙字節(jié)乘法子程序mov b,r5mul abmov r7,bmov a,r3mov b,r4mul abadd a,r7mov r7,a clr a addc a,bmov r3,a mov a,r2mov b,r5mul abadd a,r7mov r7,a mov a,r3addc a,bmov r3,amov pws.5,c mov a,r2mov b,r4mul abadd a,r3mov r3,a clr a addc a,bmov c,pws.5addc a,#0mov r2,aret3.8 浮點數(shù)除法子程序fdiv功能：r0指向的三字節(jié)浮點數(shù)

45、除以r1指向的三字節(jié)浮點數(shù)，商存放到r4r2r3中，并保持r0r1的內(nèi)容不變。浮點除法計算商的符號被除尾數(shù)<除數(shù)尾數(shù)？對被除數(shù)進行右規(guī)格化執(zhí)行尾數(shù)定點小數(shù)除法階碼相減，存商符號返回 圖34 fdiv流程圖fdiv: lcall fmld mov a,r6xrl a,r7mov a,acc.7mov 38h,c ；保存商的符號clr a mov r6,a mov r7,a cjne r4,#0,fd1cjne r5,#0,fd1setb cretfd1: mov a,r3 ；比較被除數(shù)與除數(shù)的尾數(shù)大小 subb a,r5mov a,a2subb a,r4jc fd2clr pws.5 ；被

46、除數(shù)尾數(shù)太大，則右移一位clr 39hlcall fsdtmov a,r7rrc a mov r7,a clr csjmp fd1fd2: clr a xch a,r6 push acc ；保存被除數(shù)移位次數(shù) lcall ddiv ；調(diào)用定點雙字節(jié)小數(shù)除法 pop acc ；計算商的階碼 add a,r0clr c subb a,r1mov c,38h ；回送商的符號mov acc.7,c mov r4,a clr cretddiv: mov a,r1 ；定點雙字節(jié)小數(shù)除法 push acc ；保護r1 mov b,#10h dv1: clr c mov a,r6 rlc a mov r6,a

47、 mov a,r7 rlc a mov r7,a mov a,r3 rlc a mov r3,a xch a,r2 rlc a xch a,r2 mov pws.5,c clr c sebb a,r5 mov r1,a mov a,r2 subb a,r4 jb pws.5,dv2 jc dv3dv2: mov r2,a mov a,r1mov r3,a inc r6dv3: djnz b,dv1pop acc mov r1,a mov a,r7mov r2,amov a,r6mov r3,a ret3.9 三字節(jié)浮點數(shù)轉(zhuǎn)換為雙字節(jié)整數(shù)子程序fint 功能：將r0指向的內(nèi)部ram 中的三字節(jié)浮

48、點數(shù)取整，16為的整數(shù)絕對值送r2r3,符號存于位單元3ch。(1)fint程序設(shè)計fin1: cjne a,#17,$+3 jc fin3 setb pws.5 ；溢出 mov r2,#0ffh mov r3,#0ffh retfin3: cjne a,#16,fin4 retfin4: clr c ；階碼大于0，小于16 xch a,r2 ；尾數(shù)右移一位 rrc a xch a,r2 xch a,r3 rrc a xch a,r3 inc a ；階碼加1 sjmp fin33.10 浮點數(shù)存數(shù)子程序fstr功能：r0指向的三字節(jié)浮點數(shù)除以r1指向的三字節(jié)浮點數(shù)，商存放到r4r2r3中，并保

49、持r0r1的內(nèi)容不變。fstr: mov a,r4 ；存結(jié)果 mov r1,a inc r1 mov a,r2 mov r1,a inc r1 mov a,r3 mov r1,a dec r1 ；恢復(fù)r1值dec r1 ret4 增量式 pid算法程序設(shè)計 4.1 增量式 pid算法概念傳統(tǒng)的pid控制最主要的問題是參數(shù)整定問題，一旦整定計算好后，在整個控制過程中都是固定不變的，而在實際系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)狀態(tài)和參數(shù)等發(fā)生變化時，過程中會出現(xiàn)狀態(tài)和參數(shù)的不確定性，系統(tǒng)很難達到最佳的控制效果。因此，在現(xiàn)代工業(yè)過程控制中，采用傳統(tǒng)的pid控制器難以獲得滿意的控制效果。智能pid控制就是將智能控制(intelligent control)與傳統(tǒng)的pid控制相結(jié)合，是自適應(yīng)的，它的設(shè)計思想是利用專家系統(tǒng)（expert system）、模糊控制(fuzzy control)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(neural network)技術(shù)，將人工智能以非線性控制方式引入到控制器中，使系統(tǒng)在任何運行狀態(tài)下均能得到比傳統(tǒng)pid控制更好的控制性能。具有不依賴系統(tǒng)精確數(shù)學(xué)模型和控制器參數(shù)在線自動調(diào)整等特點，對系統(tǒng)參數(shù)變化具有較好的適應(yīng)性。模糊pid