基于单片机的计算机解耦控制硬件设计和软件开发(编辑修改稿)

基于单片机的计算机解耦控制硬件设计和软件开发(编辑修改稿)内容摘要：

向。 在 MIMO 解耦控制中目前逐渐出现了将自适应控制、预测控制、神经网络、模糊控 制、遗传算法等先进控制手段合理搭配来实现解耦 ， 这种扬长避短的方法也不失为解决耦合问题的一个有效途径。 本文主要工作 本题目的 主要内容 是构造一个多输入、多输出耦合系统；设计 基于 单片机的解耦控制系统 硬件装置，针对耦合系统构造补偿 PID 控制和解耦控制算法，并编制软件程序，实现多输入、多输出耦合系统的解耦控制。 针对解耦控制系统多变量、强耦合、惯性的特点，为适应系统高精度控制，迅速反应，强抗干扰能力的需要，解决多回路的耦合，达到稳定运行是极为关键和重要的。 根据上述研究目标，本文主要包括以下研究内容： (1) 设计 解耦控制中典型耦合系统，并设计总体框架； (2) 根据上述设计的总体框架，设计并连接硬件电路； (3) 根据硬件电路的连接，设计相应的软件； (4) 对解耦控制的硬件电路和控制结果进行仿真和硬件实验比较验证设计实验结果。 本文的设计平台简介 本文主要介绍使用 STC89C52 型号的单片机对耦合系统进行解耦控制，使用程序编写软件平台为 Kill4，利用 C 语言来编写程序。 本文的主要内容 本文主要根据一般实验研究设计步骤来安排各部分的内容，依照一步步来进行设计。 1）绪论部分 主要阐述了课题的研究背景及研究 的目标和意义，简要介绍了国内外解耦技术的研究现状，给出了论文构成。 2）基于单片机的计算机解耦控制系统总体设计方案 基于单片机的计算机解耦控制硬件设计与软件开发 6 介绍解耦控制系统的总体设计概述， STC89C51 芯片的总体介绍，系统总体设计框架与流程实现。 3）基于单片机的计算机解耦控制系统的硬件设计 介绍解耦控制系统中需要使用到的所有硬件电路，包括的耦合系统连接，单片机解耦系统的连接， LED 显示部件的连接等。 4）基于单片机的计算机解耦控制系统的软件设计 介绍解耦控制系统中所需要的软件设计，包括 PID 控制、解耦控制、 A/D 转换、D/A 转换，和 LED 显示 部分的软件设计。 5）基于单片机的计算机解耦控制系统的总体调试 说明在设计解耦控制系统中所遇到一些问题、解耦现象说明、系统完整硬件电路介绍等。 6）总结 对此次毕业设计中的内容做出总结。 本章小结 本章主要讨论了课题研究的背景及意义，介绍了当前国内外解耦控制的研究现状，最后简要给出了论文的结构安排。 沈阳航空航天大学毕业设计（论文） 7 2 基于单片机的计算机解耦控制的总体设计方案 本设计是针对于单片机原理及其应用展开的，通过设计出双输入双输出的耦合系统，验证此硬件系统耦合性，设计解耦电路，编写解耦程序实现软件解耦，在解耦时，先要实现数据的采集即 A/D 转换、数据的输出即 D/A 转换，然后对系统进行解耦，最后对解耦后的系统进行 PID 控制，达到最终设计要求的设计目的。 系统基本概述 设计是针对于单片机原理及其应用展开的， STC89C52 单片机好比一个桥梁，联系着输入与由两个运算放大器构成两回路相互耦合的电路系统 ，实现当输入发生变化时，系统只希望其对应回路的输出发生变化，而对其余的回路不产生影响。 单片机接受经过 A/D 转换后的数字信号，对数字信号进行处理 (主要实现 PID 控制和解耦算法 )后，输出经过单片机调节后的数字信号， D/A 转换后，将此输出值作为 相互耦合的电路系统的输入，实现解耦作用。 系统基本要求 利用运算放大器构造一个两输入、两输出耦合系统；构造补偿解耦控制算法；编制 基于 单片机的解耦 控制系统 程序，实现 两输入、两输出耦合系统的解耦控制。 该设计应包括： （ 1）利用运算放大器等器件搭建一个两输入、两输出耦合系统； （ 2）建立耦合系统的数学模型，并针对该耦合系统构造补偿解耦控制算法； （ 3） 设计 单片机解耦 控制系统 硬件； （ 4）编制基于 单片机 程序，实现该耦合系统的解耦控制。 系统能够进行解耦控制的条件 在进行解耦控制前，判断耦合系统是否能够进行解耦控制很重要，现阶 段使用判定方法如下： 如果 系统 存在 N 阶矩阵 G 和 N 阶矩阵 F，使反馈系统的传递函数阵为非异对角阵，则称为可解耦系统。 经过计算，本设计所使用的耦合系统是可以解耦控制的。 基于单片机的计算机解耦控制硬件设计与软件开发 8 系统的设计框架及其实现 上面的部分已经对此系统的设计要求进行了一些简短的介绍了，现在要做的就是设计出系统的原理框架图。 本系统以 STC89C52 单片机为核心，经过必要的 D/A 转换、 A/D 转换，和耦合系统搭建而成的一个耦合系统，在单片机芯片中软件编程实现所有的解耦控制，使系统能够稳定的运行。 系统设计设计原理框图如下图 所示： 图 系统原理框架 图 系统的设计流程图 系统整体设计流程图如图 所示：整个程序运行时，先启动 A/D 转换获得初始数据 1()yt、 2()yt然后将初始数据与设定数据进行比较，获得系统静差 1()ut 、 2()ut将他们带入 PID 控制器作为控制参数，然后将 PID 控制的输出作为解耦控制的输入带入解耦控制系统中进行解耦控制，输出数字量经过 D/A 转换直接接到双输入 双输沈阳航空航天大学毕业设计（论文） 9 出耦合系统的两个输入端口，然后按照定时时间不断地进行循环检测调节，实现解耦控制。 基于单片机的计算机解耦控制硬件设计与软件开发 10 图 系统整体设计流程图 开始 将 PID 控制的结果作为解耦控制的参数进行解耦控制 利用 A/D 转换获得参数和两个 通道的设置数据作为 PID 控制的控制参数进行 PID 控制 分别对通道一和通道二的输出参数进行 A/D 转换 对解耦输出结果进行 D/A 转换并把转换结果加到耦合系统的两个对应的输入端 分别设置通道一和通道二初始量 采样时刻是否达到。 是否结束解耦控制。 结束 是 是 否 否 沈阳航空航天大学毕业设计（论文） 11 STC89C52 单片机介绍 单片机的简介 单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式 微控制器 (Microcontroller Unit），常用英文字母的缩写 MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。 单片机由 芯片 内仅有 CPU 的专用 处理器 发展而来。 最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU 集成在一个芯片中，使 计算机系统 更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。 单片机又称 单片微控制器 ,它不是完成某一个逻辑功能的芯片 ,而是把一个 计算机系统集成 到一个芯片上。 相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O 设备。 概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。 它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。 同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。 单片机内部也 有 和电脑功能类 似的模块，比如 CPU、 内存 、 并行总线，还有和硬盘作用相同的 存储器 件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低的，一般不超过 10 元即可用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。 我们现在用的全自动滚筒洗衣机、排烟罩、 VCD 等等的家电里面都可以看到它的身影。 它主要是作为控制部分的核心部件。 它是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的 成本，这也是和离线式计算机的（比如家用 PC）的主要区别。 单片机是靠 程序 运行的，并且可以修改。 通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。 一个不是很复杂的功能要是用 美国 50 年代开发的 74 系列，或者60 年代的 CD4000 系列这 些纯硬件来搞定的话， 电路 一定是一块大 PCB 板。 但是如果要是用美国 70 年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别。 只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性。 STC89C52 的主要性能参数 STC89C52 是一种低功耗，高性能 CMOS 微控制器，具有 8K在系统可编程 Flash存储器。 使用 Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 STC80C51 产品指令和引脚完全兼容。 片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。 基于单片机的计算机解耦控制硬件设计与软件开发 12 在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU和在系统可编程 Flash，使得 STC89C52 众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 STC89C52 可提供以下标准功能： 8K 字节 Flash 闪存器， 256 字节内部 RAM，32 个 I/O 口线，看门狗定时器， 2 个数据指针， 3 个 16 位定时 /计数器，一个 6 向量 2级中断结构，全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。 同时， STC89C52 可降至0HZ 的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。 空闲方式停止 CPU 的工作，但允许 RAM，定时 /计数器，串口及中断系统继续工作。 掉电方式保存 RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个中断或硬件复位为止。 主要特性： 80C52 核心处理器单元； 3V/5V工作电压，操作频率 033MHz（ STC89LE516AD 最高可达 90MHz）； 5V工作电压，操作频率 040MHz； 大容量内部数据 RAM： 1K 字节 RAM； 64/32/16/8kB 片内 Flash 程序存储器，具有在应用可编程 (IAP) ,在系统可编程(ISP)，可实现远程软件升级，无需编程器； 支持 12 时钟 （ 默认 ） 或 6 时钟模式； 双 DPTR 数据指针； SPI（ 串行外围接口 ） 和增强型 UART； PCA（ 可编程计数器阵列 ） ，具有 PWM 的捕获 /比较功能； 4 个 8 位 I/O 口，含 3 个高电流 P1 口，可直接驱动 LED； 3 个 16 位定时器 /计数器； 可编程看门狗定时器 (WDT)； 低 EMI 方式 (ALE 禁止 )； 兼容 TTL 和 COMS 逻辑电平； 掉电检测和低功耗模式等。 STC89C52 单片机管脚连接图如图 所示 : 沈阳航空航天大学毕业设计（论文） 13 图 STC89C52单片机管脚连接图 单片机内部结构如图 所示。 图 STC89C52内部结构图 基于单片机的计算机解耦控制硬件设计与软件开发 14 STC89C52 内部配置 程序存储器：如果 EA 引脚接地，程序读取只从外部存储器开始。 对于 STC89C52，如果 EA 接 VCC，程序读写先从内部存储器（地址为 0000H～ 1FFFH）开始，接着从外部寻址，寻址地址为： 2020H~FFFFH。 数据存储器： STC89C52 有 256 字节片内数据存储器。 高 128 字节与特殊功能寄存器重叠。 也就是说高 128 字节与特殊功能寄存器有相同的地址，而物理上是分开的。 当一条指令访问高于 7FH 的地址时，寻址方式决定 CPU 访问高 128 字 RAM 还是特殊功能寄存器空间。 直接寻址方式访问特殊功能寄存器（ SFR）。 WDT 是一种需要软件控制的复位方式。 WDT 由 13 位计数器和特殊功能寄存器中的看门狗定时器复位存储器（ WDTRST）构成。 WDT 在默认情况下无法工作；为了激活 WDT，用户必须往 WDTRST 寄存器（地址： 0A6H）中依次写入 01EH 和0E1H。 当 WDT 激活后，晶振工作， WDT 在每个机器周期都会增加。 WDT 计时周期依赖于外部时钟频率。 除了复位（硬件复位或 WDT 溢出复位），没有办法停止WDT 工作。 当 WDT 溢出，它将 驱动 RSR 引脚一个高个电平输出。 从定时器 /计数器的结构图 中我们可以看出， 16 位的定时 /计数器分别由两个8 位专用寄存器组成，即 T0 由 TH0 和 TL0 构成 ， T1 由 TH1 和 TL1 构成。 其访问地址依次为 8AH8DH。 每个寄存器均可单独访问。 这些寄存器是用于存放定时或计数初值的。 此外，其内部还有一个 8 位的定时器方式寄存器 TMOD 和一个 8 位的定时控制寄存器 TCON。 这些寄存器之间是通过内部总线和控制逻辑电路连接起来的。 TMOD 主要是用于选定定时器的工作方式； TCON 主要是用于控制定时器的启动停止，此外 TCON 还可以保存 T0、 T1 的溢出和中断标志。 当定时器工作在计数方式时，外部事件通过引脚 T0()和 T1()输入。 沈阳航空航天大学毕业设计（论文） 15 图 定时 /计数器 T0、 T1的结构框图 16 位的定时器 /计数器实质上就是一个加 1 计数器，其控制电路受软件控制、切换。 中断是计算机中很重要的一个概念，中断系统是计算机的重。