单片机应用课程设计报告

专业课程设计报告。

系别信息工程系

专业班级 000

学生姓名 000

学号 000

指导教师 000

目录 1.课程设计功能描述 3

2.课程设计分析 4

3.课程设计相关资料 5

3.1数字调节器介绍 5

3.2 spi总线介绍 7

3.3 4hc595、tlc1543、tlc5615芯片简介 10

3.4电压转电流电路介绍 17

4.硬件电路路设计 18

5.硬件电路pcb版图设计 19

6.数字pid控制算法 20

6.1、抗积分饱和数字pid控制算法原理 21

6.2、抗积分饱和数字pid控制算法流程图 22

6.3、积分饱和数字pid控制算法源程序 22

7. 调试运行结果及分析 25

8. 课程设计经验教训和心得体会 25

附录1 数字调节器部分源程序（a/d采集、d/a输出，静态显示） 27

附录2 数字调节器pcb板图 31

附录3 数字调节器原理图 32

数字调节器主要由微处理器、模拟i输人输出通道、数字量输人输出通道、键盘及显示器、通信模块、电撅及固化软件等几大部分组成。从功能上可分为一般数字调节器和可编程数字调节器。一般数字调节器功能相对比较固定。

可编程数字调节器可通过过程语言 (pol)“组态”调节器的功能。

图1.1、数字调节器使用图。

设计一个用于过程控制的通用数字调节器。数字调节器接收变送器提供的标准的4~20ma反馈信号，与标准的4~20ma给定值或直接设置的给定值进行比较，对其误差进行数字pid运算，输出标准的4~20ma控制信号给执行机构。

数字调节器有以下显著特点：

1)硬件功能软件化，运算功能丰富。数字调节器有许多运算模块和控制模块，用户根据需要选用部分模块进行组态，可以实现各种运算处理和复杂控制。除了具有模拟式调节器pnd 运算等一切控制功能外，还可以实现串级控制、比值控制、前馈控制、选择性控制、自适应控制、非线性控制等。

因此，可编程调节器的运算控制功能大大高于常规的模拟调节器。

2)网络化、信息化。数字调节器具有数字通信功能，可与局部操作站相连，也可以通过数据总线与上位机相连，形成集散控制系统。

3)可靠性高，维护方便。数字调节器具有一定的自诊断功能。能及时发现故障，采取保护措施。

数字调节器的许多功能都是用软件实现的。使得电路结构简化。同时由于调节器电路元器件高度集成化，从而使得数字调节器可靠性很高。

4)涌用性强。操作方便。教字调节器在外特性上与电动调节器兼容，替代方便。调节器的pid参数设定可通过面板操作进行，不需调节内部部件。而自整定调节器不需。

模拟量输入通道：

将多个模拟量输入信号分别转换为cpu所接受的数字量。

多路模拟开关将多个模拟量输入信号分别连接到采样／保持器。

采样／保持器具有暂时存储模拟输入信号的作用。

a／d转换器的作用是将模拟信号转换为相应的数字量。

利用d／a转换器与电压比较器，按逐位比较原理来实现模／数转换的。

要求：1）、数字调节器采用8位静态led显示：高四位显示给定值或参数名，低四位显示反馈值或参数值。

2）、数字调节器采用4个按键的组合进行参数设置和控制。

3）、数字调节器有一路4~20ma的输入端：用于在串级控制时接收上一级的给定信号。

图2.1、数字调节器硬件系统框图。

4）、数字调节器有一路4~20ma的输出端：用于输出控制器的控制信号给执行机构。

5）、数字调节器采用485通讯：可以与上位机进行组态通讯。

6）、数字调节器采用抗积分饱和数字pid控制算法。

7）、数字调节器采用dc12v供电，采用10位a/d转换器 tlc1543，采用10位d/a传感器tlc5615，采用74hc595进行静态显示的设计。

用数字技术和微电子技术实现闭环控制的调节器，又称数字调节仪表，是数字控制器的一种。它接受来自生产过程的测量信号，由内部的数字电路或微处理机作数字处理，按一定调节规律产生输出数字信号或模拟信号驱动执行器，完成对生产过程的闭环控制。

数字调节器是20世纪70年代在模拟调节仪表的基础上采用数字技术和微电子技术发展起来的新型调节器。由于采用集成电路和大规模集成电路，它与微型计算机十分相似，只是在功能上以过程调节为主。

3.1.1数字调节器基本原理。

数字调节器由软件和硬件两大部分组成。硬件部分包括主调节器、过程输人通道、过程输出通道、人机界面和通信等部分，软件部分包括系统程序和用户程序。实际上是一台微机化仪表。

图8-15是数字调节器基本原理方框图。

(1)主询节器部分。主调节器由**处理单元(cpu)、只读存储器(rom)、可擦除存储器(eprom),随机存储器(ram)和译码控制电路等组成。

**处理单元完成调度指令、教据传送、运算处理和控制功能。它通过总线与其他部分连在一起构成一个系统。

只读存储器存放系统程序，用来管理用户程序、功能子程序、人机接口及通信等。一般用户是无法改变系统程序的，系统程序由制造厂家编制并固化在只读存储器中。

可擦除存储器存放用户编制的程序。用户程序在编制并调试通过后，离线或**写人可擦除存储器中。随机存储器用来存放调节器输人数据、输出数据、显示数据、运算中间结果等。

(2)过程输人通道。过程输人通道包括模拟量输人和开关橄输人。模拟量输人通过多路切换开关，模数转换器(a/d)，由cpu读人。开关at输人信号通过中断或查询由cpu读人。

(3)过程翰出通道。过程输出通道包括模扮盆输出和开关量输出。模拟量愉出在cpu 的控制下，通过数模转换器(d/a)、多路切换开关、保持电路、电压电流转换器(v/i) 送给外部设备。

开关量输出信号通过光电隔离，功率驱动送给外部设备。

(4)人机界面。人机界面包括键盘和显示器两部分。键盘主要指调节器面板上的操作键，对可编程调节器而言，还包括调节器内侧面板上的操作键。

它用来接收操作指令或参数调整要求。前面板显示器用来显示测盆值、给定值和翰出控制里。侧面板显示器用来显示系统状态值和参数值。

(5)通信部件。通信部件包括通信接口和发送、接收电路等。控制程序按标准通信格式将数据发往通信接口，通信接n将数字信号转换成某种规定的电气形式发往外部通信线路。

同时通过接收电路接收来自通信线路的数字信号，将其转换成能被计算机接收的数据。数字调节器大多采用申行通信方式。

(6)软件部分。调节器软件包括系统程序和用户程序。系统程序主要包括系统初始化、键盘和显示管理、中断管理、故降诊断以及运行状态控制，它由生产厂编制并固化，不可修改。

用户程序是针对可编程序调节器，用户按生产工艺要求确定调节器功能后，编制并写人程序到用户程序存储器中。普通数字调节器没有用户程序，调节器的pid参数和一些设置参数由前面板输人并存放到电可擦除存储器中，作为调节器的工作参数被系统程序调用。

3.1.2数字调节器分类与功用。

数字调节器分为数字式混合比率调节器、多回路调节器和单回路调节器三类。

（1）数字式混合比率调节器它是控制组分混合比的仪表。它与流量计、执行器配套构成混合比率控制系统和混合-批量控制系统，用于液料混合配比和混合产品的批量发货系统。

（2）多回路调节器用微处理机实现多回路调节功能的仪表。它可独立应用于单元性生产装置（如工业炉窑、精馏塔等）中，完成装置的全部或大部分控制作用。由于单元性装置的类型很多，多回路调节器的品种和类型也很繁杂。

一台多回路调节器可控制 8～16个调节回路，有的还可完成简单的程序控制或批量控制。

（3）单回路调节器用微处理机实现一个回路调节功能的仪表。它只有一个可送到执行器去完成闭环控制的输出。单回路调节器有两种主要用途：

一是用于系统的重要回路，以提高系统的可靠性和安全性；一是取代模拟调节器，以减少盘装仪表的数量或提高原有回路的功能，如实现单回路的高级控制、顺序控制、批量控制。

（1） spi总线。

spi 总线是motorola公司推出的三线同步接口，同步串行3线方式进行通信：一条时钟线sck，一条数据输入线mosi，一条数据输出线miso;用于cpu与各种外围器件进行全双工、同步串行通讯。spi主要特点有：

可以同时发出和接收串行数据；可以当作主机或从机工作；提供频率可编程时钟；发送结束中断标志；写冲突保护；总线竞争保护等。图3示出spi总线工作的四种方式，其中使用的最为广泛的是spi0和spi3方式(实线表示):

图3.2.1 spi总线四种工作方式。

spi模块为了和外设进行数据交换，根据外设工作要求，其输出串行同步时钟极性和相位可以进行配置，时钟极性（cpol）对传输协议没有重大的影响。如果cpol=0，串行同步时钟的空闲状态为低电平；如果cpol=1，串行同步时钟的空闲状态为高电平。时钟相位（cpha）能够配置用于选择两种不同的传输协议之一进行数据传输。

如果cpha=0，在串行同步时钟的第一个跳变沿（上升或下降）数据被采样；如果cpha=1，在串行同步时钟的第二个跳变沿（上升或下降）数据被采样。spi主模块和与之通信的外设音时钟相位和极性应该一致。spi接口时序如图3、图4所示。

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