PAGEIV摘要社會生活節(jié)奏的日趨加快，人工上門查記燃?xì)獗淼墓ぷ髁看?效率低,惡意拖欠燃?xì)赓M的用戶使燃?xì)夤緭p失很大。針對這些情況，并隨著科技的發(fā)展以及智能IC卡的出現(xiàn)，本文設(shè)計了IC卡預(yù)付費型燃?xì)獗怼Ｈ細(xì)庥脩粼谌細(xì)夤鹃_戶,購買一定氣量后,即得到加密的IC卡。用戶用氣時將卡插入燃?xì)獗碇?卡中氣量自動輸入燃?xì)獗聿⒃贗C卡中消除氣量,供氣閥門打開。當(dāng)氣量不足時,燃?xì)獗硖崾居脩糍彋?；氣量用完時,燃?xì)獗碜詣忧袛喙夤苈?。這種IC卡燃?xì)獗硎且环N多功能的表，有別于普通的燃?xì)獗?。該表在顯示流量的同時，還可以用PID算法對其流量加以控制，體現(xiàn)其智能性。本設(shè)計在實現(xiàn)對燃?xì)饬髁靠刂频耐瑫r，又可以固定流量加以顯示，而當(dāng)流量小于某一值時，就報警。本設(shè)計采用MCS-51系列單片機(jī)中的89C51為CPU，當(dāng)IC卡插入后，燃?xì)忾_通，傳感器會將檢測到的流量以電流的形式送入I/V變換器，得到相應(yīng)的電壓信號，該信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，以數(shù)字量的形式存于CPU單元中，該量與設(shè)定值間一定存在差值，通過PID調(diào)節(jié)后，將信息送入CPU，由它發(fā)出指令信號推動執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動調(diào)節(jié)閥控制燃?xì)饬髁康拇笮。绱朔磸?fù)多次控制后，最終可實現(xiàn)設(shè)計的相關(guān)參數(shù)。關(guān)鍵詞：IC卡；單片機(jī)；流量；顯示

AbstractCommunitytospeedupthegrowingpaceoflife,artificialgasmeter-siteinvestigationsinmindtheheavyworkload,lowefficiency,malicioususerfeesowedthegascompanyGasgreatloss.Withthedevelopmentoftechnology,apre-paidICcard-typegasmeter,gasusersinthegascompanytoopenanaccount,purchaseacertainvolume,thatisencryptedbytheICcard.Gasuserswillinsertthegascardtable,cardsintheairandautomaticallyentergasmeterintheICcardintheeliminationofgas,andgassupplyvalvetoopen.Whenthegasshortage,thegasmeterpromptstheusertopurchasegas;exhaustedgas,gasmeterautomaticallycutoffgassupplypipeline.Inviewofthis,thepaperdesignofthesmartICcardgasmeter.TheICcardisagasmetermulti-purposetable,unlikeanordinarygasmeter.Thetableshowsthattraffic,itisalsoPIDalgorithmcanbeusedtocontrolitsflow,reflecttheirintelligenceandtheICcardhasplayedtheroleofswitches,ICcardonbehalfofamanagementinformation,itcanbewrittentoreflectapasswordorCardpeople'sthinking.Implementationofthisdesigninthegasflowcontrolatthesametime,trafficcanbefixed,andwhentheflowislessthanacertainvalue,onthealarm.ThisdesignusesMCS-51seriesin89C51microcontrollerfortheCPU,whentheICcardisinsertedaftertheopeningofgas,thesensorwilldetectthecurrenttoflowintotheformofI/Vconverters,thecorrespondingvoltagesignal,ThesignalA/Dconverter,withthenumberofdepositorsintheformofCPUunit,thevolumeandsettingsmustexistbetweenthemarginthroughPIDregulator,theinformationwillbesenttoCPU,itissuedadirectivebypromotingtheimplementationofsignalInstitutionsdrivengasflowcontrolvalvecontrolthesizeofcontrolsorepeatedly,willeventuallyachievethedesignparameters.Keywords：ICcard；Single-chipmicrocomputer；Flow；Display

目錄第1章緒論 11.1引言 11.2智能IC卡燃?xì)獗泶嬖诘募夹g(shù)問題 11.3研制智能IC卡燃?xì)獗淼囊饬x 2第2章總體方案論證 32.1智能IC卡燃?xì)獗碓O(shè)計方案 32.1.1IC卡燃?xì)獗淼墓δ?32.1.2IC卡燃?xì)獗淼目傮w設(shè)計方案 32.2.3系統(tǒng)總體的控制過程 42.2智能IC卡燃?xì)獗硐到y(tǒng)的硬件組成 4第3章硬件電路設(shè)計 53.1傳感器的功能及其技術(shù)參數(shù) 53.2(RCV420)變換器的設(shè)計 63.2.1（RCV420）變換器功能 73.2.2（RCV420）變換器電路的應(yīng)用 93.3A/D轉(zhuǎn)換器的設(shè)計 103.4單片機(jī)的設(shè)計 133.4.189C51芯片及片內(nèi)功能 133.4.289C51芯片及各引腳功能 143.4.389C51最小應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計 153.5存儲器的設(shè)計 163.5.1AT24C02的引腳功能 163.5.2AT24C02與單片機(jī)的連接 173.6LED顯示部分 183.6.1LED顯示及顯示器接口 183.6.2單片機(jī)與顯示器接口 203.7報警裝置設(shè)置 21第4章智能IC卡燃?xì)獗淼目刂扑惴?224.1引言 224.2PID控制算法的應(yīng)用及其控制器的設(shè)計 224.3標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字PID控制算法 244.4增量型PID算法的優(yōu)點 26第5章智能IC卡燃?xì)獗淼能浖O(shè)計 275.1芯片間的通訊方式 275.2控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 275.2.1主程序 275.2.2顯示子程序 295.2.3IC卡讀寫程序 30結(jié)論 31參考文獻(xiàn) 32致謝 33附錄Ⅰ 34附錄II 45附錄Ⅲ 46附錄Ⅳ 48PAGE48緒論引言本文設(shè)計的IC卡燃?xì)獗砑碔C卡膜式智能型燃?xì)獗淼暮喎Q。是近十幾年發(fā)展起來的新型多功能燃?xì)獗?，它是以膜式燃?xì)獗頌榛?，加裝電子控制器所組成的一種具有控制流量功能的燃?xì)庥嬃垦b置。一般由計量傳感器電路、微功耗單片機(jī)、微功耗閥門、電壓測試電路、防竊氣電路、流量監(jiān)測等部分組成。常用于檢測被運(yùn)輸氣體的流量，具有精確記數(shù)功能、功能卡傳輸媒介功能、閥門自動處理功能、非法操作處理功能、欠壓處理功能、掉電處理功能、數(shù)據(jù)下載功能、數(shù)據(jù)顯示與聲音提示功能等。隨著時代的進(jìn)步、居民民主意識的增強(qiáng)、生活水平的提高，這種智能IC卡燃?xì)獗硪矊?yīng)用到更多領(lǐng)域，它將成為一項跨部門、跨地區(qū)、跨世紀(jì)的龐大社會系統(tǒng)工程。當(dāng)前，隨著國家“金卡工程”的深入開展和開發(fā)大西北“西氣東運(yùn)”計劃的正式啟動，這種智能IC卡燃?xì)獗硪猿尸F(xiàn)出十分廣闊的應(yīng)用前景，必然是今后的發(fā)展方向。本設(shè)計介紹該燃?xì)獗淼暮诵募夹g(shù)基于MCS-51單片機(jī)的智能IC卡燃?xì)獗黼娍叵到y(tǒng)設(shè)計，論述了智能IC卡燃?xì)獗淼目刂品绞?、電控系統(tǒng)的硬件電路構(gòu)成、數(shù)字PID控制算法、軟件設(shè)計及應(yīng)用情況。智能IC卡燃?xì)獗泶嬖诘募夹g(shù)問題本文設(shè)計的IC卡燃?xì)獗碓谧畛跤捎诎l(fā)展的不成熟，在實際使用中存在一定的問題：控制器計數(shù)亂碼、電磁閥失控、無法輸氣、傳感器存在較大誤差、電池失效、元器件故障率高等問題，以及在管理上存在的一些漏洞，為公司工程安裝和燃?xì)怃N售帶來一定的工作負(fù)荷和難度。當(dāng)然，隨著時間的推移，技術(shù)的進(jìn)步，產(chǎn)品質(zhì)量的提高，售后服務(wù)的完善，許多問題大都已解決。目前，以下幾個問題是當(dāng)前IC卡燃?xì)獗碇衅毡榇嬖诘膯栴}?！窦嫒輪栴}目前，在全市數(shù)萬IC卡用戶中，我們所使用的IC卡燃?xì)獗碛袃杉?，但由于兩家的IC卡售氣系統(tǒng)不兼容，造成日常管理較為混亂，重復(fù)設(shè)置銷售網(wǎng)點，居民用戶有時不了解情況，常常感到購氣不方便，因此，我們一直建議兩家能夠?qū)崿F(xiàn)互相兼容，方便用戶?！耠姵貑栴}由于IC卡燃?xì)獗戆惭b位置不好，一般處于高溫高濕環(huán)境中，一般電池自然漏電嚴(yán)重，常常造成電解液腐蝕電路板和電子元件，影響儀表正常工作?！耖y門問題閥門是控制儀表的關(guān)鍵部件，但是，閥門的內(nèi)漏、失靈、功耗大，易引起儀表出現(xiàn)故障，受到外界攻擊，使儀表無法正常工作，這是IC卡燃?xì)獗淼囊粋€薄弱環(huán)節(jié)。●攻擊性問題由于IC卡表具有控制流量的功能，可以免去人為控制所帶來的危險性，但是，不排除一些人會對IC卡表進(jìn)行嘗試攻擊，因此，儀表的抗攻擊性能顯得尤為重要。我們在對儀表檢測時，非常重視對抗攻擊性能的測試，保證燃?xì)獾陌踩\(yùn)輸，防止發(fā)生泄漏或爆炸事件，對人造成不必要的傷害?！窨ㄆl(fā)放管理問題卡片的制造、發(fā)放、管理、服務(wù)等一系列工作，關(guān)系到燃?xì)馄髽I(yè)的經(jīng)濟(jì)利益，必須嚴(yán)格管理，尤其對生產(chǎn)卡、清零卡、測試卡等非用戶卡的管理，關(guān)系到儀表生產(chǎn)廠家和燃?xì)怃N售單位、儀表檢測單位的管理。易存在一定漏洞，需嚴(yán)格管理?！裣到y(tǒng)安全性問題智能卡和接口設(shè)備之間的信息交換：這些信息可以被截取分析，從而被復(fù)制或插入假信號；偽造智能卡的出現(xiàn)：偽造智能卡與接口設(shè)備之間的信息，使接口設(shè)備無法判斷出是合法的還是偽造的；操作人員的作弊行為：私下的泄露和人為的非法修改信息等；用戶的非法攻擊：通過各種手段對設(shè)備的關(guān)鍵部位進(jìn)行攻擊。IC卡表除了抗攻擊性問題的物理安全性之外，還有其他邏輯安全性問題，如工作人員的素質(zhì)和安全意識，密碼密鑰管理的安全等。研制智能IC卡燃?xì)獗淼囊饬x隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，城市的基本建設(shè)規(guī)模日益擴(kuò)大,特別是高層建筑和高級住宅亦越來越多,城市燃?xì)饣こ桃渤霈F(xiàn)了新的變化。即對燃?xì)獾挠嬃?、收費和管理提出了更高的要求。過去的入戶查表收費管理模式與現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、基本建設(shè)和市場經(jīng)濟(jì)很不適應(yīng),并且舊的管理模式最大缺點是投入較多的人力、物力,管理成本高,又不安全。因此,設(shè)計了智能IC卡預(yù)付費燃?xì)獗硌b置,是解決上述問題的有效方法。第2章總體方案論證2.1智能IC卡燃?xì)獗碓O(shè)計方案2.1.1IC卡燃?xì)獗淼墓δ茏鳛楣庥嬃?、自動計費的智能IC卡燃?xì)獗響?yīng)具有以下功能：（1）燃?xì)饬髁康睦鄯e，燃?xì)饪捎脭?shù)的遞減。（2）LED顯示燃?xì)饫鄯e數(shù)，燃?xì)饪捎脭?shù)以及卡中的購氣數(shù)。（3）LED顯示“欠量”，“過流”，“異?！钡忍崾緷h字。（4）“欠量”，“過流”，“異?！钡惹闆r下,有聲音報警。（5）燃?xì)饬髁康妮斎朊}沖頻率范圍在0.1—200Hz之間。（6）掉電保護(hù),系統(tǒng)電壓低于一定值時，將有關(guān)數(shù)據(jù)寫入EEPROM后即關(guān)閥。2.1.2IC卡燃?xì)獗淼目傮w設(shè)計方案根據(jù)上述功能的要求，確定系統(tǒng)的方案如下：智能IC卡燃?xì)獗硐到y(tǒng)主要由單片機(jī)，IC卡，電磁閥，傳感器，A/D轉(zhuǎn)換器，LED顯示器，報警器等組成?？傮w框圖如下:流量傳感器流量傳感器單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換電磁閥電源IC卡顯示報警燃?xì)鈭D2.1系統(tǒng)總體控制原理圖2.2.3系統(tǒng)總體的控制過程MCS-51（89C51）單片機(jī)主要完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)的最優(yōu)運(yùn)算、分析、顯示、存儲和控制等功能，RCV420完成I/V變換；A/D轉(zhuǎn)換部分由TLC549來完成；系統(tǒng)的顯示部分由LED數(shù)碼管實現(xiàn)，而控制部分有執(zhí)行機(jī)構(gòu)（調(diào)節(jié)閥）來完成。整個系統(tǒng)在計算機(jī)控制下完成相關(guān)任務(wù)。2.2智能IC卡燃?xì)獗硐到y(tǒng)的硬件組成1.單片機(jī)AT89C51單片機(jī)是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含4kbytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲器和128bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。2.電磁閥電磁閥是智能IC卡燃?xì)獗淼闹匾考?，本文采用的是新型雙穩(wěn)態(tài)電磁閥MP15A-5V，電源電壓低。正常供氣情況下，電磁閥處于常開狀態(tài)，驅(qū)動機(jī)構(gòu)不消耗電能；只有當(dāng)上一級的氣體數(shù)完時，電磁閥關(guān)閉并自鎖于常閉狀態(tài)。它具有啟動氣壓低及關(guān)閉可靠等特點。3.IC卡電路IC卡讀/寫器是IC卡煤氣表的輸入接口。當(dāng)IC卡插入讀/寫器時，首先讀入的是卡中的密碼，以此判斷IC卡的合法性。煤氣表在判斷了卡的合法性后，讀入所購氣量并與煤氣表內(nèi)剩余氣量累加，同時將卡上購氣量單元清零，回寫煤氣表上用氣量、剩余氣量等信息，以便下次購煤氣時煤氣公司讀取，實現(xiàn)煤氣表信息的回饋功能。4.傳感器本設(shè)計的傳感器選用SWINGWIRLⅡ電容式渦街流量傳感器。此基本原理是以卡門渦街理論為基礎(chǔ)。適用范圍廣，壓力損失小，長期穩(wěn)定性好，工作壽命長。5.LED顯示AT89C5串行口的移位寄存器有四種工作方式，通過外接移位寄存器74LS164實現(xiàn)串／并轉(zhuǎn)換后控制并驅(qū)動數(shù)碼管及LED顯示。主要顯示剩余煤氣量和已用的煤氣量。第3章硬件電路設(shè)計3.1傳感器的功能及其技術(shù)參數(shù)本設(shè)計的傳感器選用SWINGWIRLⅡ電容式渦街流量傳感器。它是20世紀(jì)中后期發(fā)展起來的一種具有國際先進(jìn)水平的新型流量計，它應(yīng)用差動電容檢測原理，以獨特的結(jié)構(gòu)方式克服了壓電式渦街流量計抗振動干擾、耐高難度溫差的缺點，大大提高了渦街流量計的性能，使渦街流量計的技術(shù)和性能達(dá)到目前最高水平。SWINGWIRLⅡ電容式渦街流量傳感器其基本原理是以卡門渦街理論為基礎(chǔ)。它的結(jié)構(gòu)是以三角形卡門旋渦發(fā)生體固定在傳感器本體（測量管）中，并開有一徑向中心孔。后者通過兩側(cè)導(dǎo)壓孔與流體連通。差動開關(guān)電容（DSC）檢測器插入中心孔里面，用于檢測卡門渦街所產(chǎn)生的壓力脈沖信號。DSC結(jié)構(gòu)由支座、電極、振動舌組成。振動舌實際上是一個管形振動體，其管壁很薄，上端以法蘭方式固定在傳感器體上，下端面封密。使得振動舌中心孔內(nèi)部與流體隔離開來。由于其下端不是固定的，故旋渦壓力脈沖可使它沿X軸方向發(fā)生橫向偏移，在振動舌的中心孔內(nèi)部有一個帶有電極的管形支座，其上端與振動舌焊接在一起，中間及下端部分與片制成的弧狀形成電極，整個支座不與流體接觸。傳感器的工作過程如下：當(dāng)管道中的流體流經(jīng)旋渦發(fā)生體而交換成兩側(cè)列旋渦即卡門渦街時，由于在旋渦分離點引起低壓，結(jié)果在旋渦發(fā)生體兩側(cè)產(chǎn)生反相的周期性壓力脈沖，并通過側(cè)面孔傳到旋渦發(fā)生體中心孔內(nèi)部而作用到振動舌上，使它沿X軸作周期性橫向偏移，但由于振動舌上端固定，故這種周期性偏移實際上演變?yōu)閿_性振動，其頻率和相位嚴(yán)格與渦街壓力脈沖一致，但振幅甚微，振動舌始終不會碰觸旋渦發(fā)生體中心孔內(nèi)壁和電極支座。另一方面，流體旋渦壓力脈沖不會使電極支座發(fā)生任何偏移。所以在旋渦壓力作用下僅是震動舌的下端相對于靜止的支座作相對運(yùn)動，在某一時刻，振動舌與支座上一個電極之間的距離縮短，而與另一個電極間的距離則增大；前置放大器電容檢測電路分別向兩個電容充電，而振動體與支座相對運(yùn)動引起的電容變化反映為電流大小的變化，從而實現(xiàn)機(jī)電轉(zhuǎn)換。電容檢測電路按“差動開關(guān)電容”原理設(shè)計。僅產(chǎn)生一個由兩個電容差值所決定的差動信號，而原來的兩個基本電容值則在形成差動信號時被抵消，差動信號是一個正弦波信號，經(jīng)處理后以4～20mA電流脈沖形式輸出，其頻率與流量成正比，其工作原理圖如圖3.1所示。流量流量旋渦發(fā)生體DSC傳感器前置放大器二次裝置圖3.1SWINGWIRLII電容式渦街流量傳感器其適用范圍：SWINGWIRLⅡ電容式渦街流量傳感器是采用差動開關(guān)電容（DSC）作為檢測元件，來感測旋渦發(fā)生體產(chǎn)生的旋渦頻率的一種器材，壓力損失??；長期穩(wěn)定性好；工作壽命長；測量準(zhǔn)確度高等?？捎糜跍y量封閉管道中的氣體、蒸汽和液體的流量。例如：煤氣、天然氣、壓縮空氣、柴油；變溫液體及液化的二氧化碳、氮，天然氣等低溫液體。其主要技術(shù)參數(shù)如表3.1所示。表3.1SWINGWIRLII電容傳感器主要技術(shù)參數(shù)電源電壓（VDC）2411022050/60HZ介質(zhì)溫度（℃）-10～+50準(zhǔn)確度（1）液體：雷諾數(shù)Re=3800～20000，±0.15%滿量程Re>20000，±0.75%測量值（2）氣體：雷諾數(shù)Re=3800～20000，±1%滿量程Re>20000，±1%測量值公稱壓了MPAPN1.4～4.0防爆等級本安型EEXibIICT1～T6輸出信號電流輸出：0～20mA或4～20mA（可選）RL＜800Ω，數(shù)字試可調(diào)時間常數(shù)2.5重復(fù)性0.2%測量值流速范圍終值液體：9氣體：253.2(RCV420)變換器的設(shè)計RCV420是美國RURR-BROWN公司生產(chǎn)的精密電流環(huán)接收器芯片,用于將4-20mA輸入信號轉(zhuǎn)換成為0-5V輸出信號,具有很高的性能價格比。包含一個高級運(yùn)算放大器，一個片內(nèi)精密電阻網(wǎng)絡(luò)和一個精密10V電壓基準(zhǔn)。其總轉(zhuǎn)換精度為0.1%,共模抑制比CMR達(dá)86dB,共模輸入范圍達(dá)±40V。RCV420在滿量程時的電壓下降僅為1.5V,在環(huán)路中串有其他儀表負(fù)載,或者在對變送器電壓有嚴(yán)格限制的應(yīng)用場合非常有用。10V電壓基準(zhǔn)提供了一個典型溫漂為5ppm/℃的精密10V輸出。RCV420無需其它外圍器件輔助,就能實現(xiàn)諸多功能。增益、偏置和CMR無需調(diào)節(jié),較之由分立器件設(shè)計的印制板電路,RCV420具有更低的開發(fā)成本、制造成本和現(xiàn)場維護(hù)費用。芯片如圖3.2所示。圖3.2RCV420變換器3.2.1（RCV420）變換器功能變送器輸出的信號為0～10mA或4～20mA的電流信號。這一方面提高了信號遠(yuǎn)距離傳送過程中的抗干擾能力，減少了信號的衰減；另一方面為與標(biāo)準(zhǔn)化儀表和執(zhí)行器匹配提供了方便。當(dāng)模擬量輸入為電流信號時，就要經(jīng)過電流/電壓（I/V）轉(zhuǎn)換處理，得到適合A/D轉(zhuǎn)換器使用的電壓信號?！裼性碔/V變換有源I/V變換主要是利用有源器件運(yùn)算放大器和電阻組成，如圖3.3所示。3.3有源I/V變換電路圖利用同相放大電路，把電阻R1上產(chǎn)生的輸入電壓變成標(biāo)準(zhǔn)的輸出電壓。該同相放大電路放大倍數(shù)為：若取R3=100KΩ，R4=150KΩ，R1=200Ω，則0～10mA輸入對應(yīng)于0～5V的電壓輸出。若取R3=100KΩ，R4=25KΩ，R1=200Ω，則4～20mA輸入對應(yīng)于1～5V的電壓輸出。●專用的I/V變換當(dāng)4-20mA電流輸入對應(yīng)0-5V電壓輸出時,要求電路的傳輸阻抗為:為了得到期望的輸出(4mA時0V,20mA時5V),放大器的輸出必須有一個偏置:輸入電流信號接至+IN端還是接至-IN端取決與信號的極性,并經(jīng)過中心抽頭CT返回地端。兩個匹配的75Ω檢測電阻Rs構(gòu)成對稱輸入,可最大程度地抑制CT腳的共模電壓信號,消除不同輸入端電流在差分電壓轉(zhuǎn)換時的不均衡。檢測電阻將輸入的電流信號經(jīng)差分放大器放大,轉(zhuǎn)換成一個與之成正比的電壓。位于放大器反饋通道中的T型網(wǎng)絡(luò)節(jié)點用于產(chǎn)生所需要的-1.25V偏置電壓。輸入電阻網(wǎng)絡(luò)提供了很高的輸入阻抗,并將共模輸入電壓衰減至運(yùn)算放大器的共模信號容限內(nèi)。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.4所示。圖3.4RCV420內(nèi)部結(jié)構(gòu)3.2.2（RCV420）變換器電路的應(yīng)用RCV420典型的應(yīng)用電路如圖3.5所示。在圖中，（10）、（11）與（12）腳相連，（14）與（15）腳相連，（5）腳、（2）腳接地在V+、V-處各接一個1μF的電容，以便濾去電源諧波。（7）腳和（8）腳懸空。RCV420基本轉(zhuǎn)換原理是：16mA的電流變化轉(zhuǎn)換成5V的電壓變化，則單位電流的變化率。根據(jù)設(shè)計要求，在4mA輸入時，輸出為0V，因此放大器需要一個偏置電壓Vos。輸入電流信號究竟是連接在+In還是-In，取決于輸入信號的極性，回到地則是通過中間接頭CT，75Ω的敏感電阻Rs提供了電流/電壓變換，并通過放大器放大，其電壓增益為：在放大器的反饋網(wǎng)絡(luò)中，T型網(wǎng)絡(luò)提供了相加點，產(chǎn)生了所需要的-1.25V的偏置電壓。圖3.5RCV420典型應(yīng)用電路圖3.3A/D轉(zhuǎn)換器的設(shè)計1．概述TLC549是美國德州儀器公司生產(chǎn)的8位串行A/D轉(zhuǎn)換器芯片,可與通用微處理器、控制器通過I/OCLOCK、CS、DATAOUT三條口線進(jìn)行串接口。具有4MHz片內(nèi)系統(tǒng)時鐘和軟、硬件控制電路,轉(zhuǎn)換時間最17μs?？偸д{(diào)誤差最大為±0.5LSB,典型功耗值為6mW。采用差分參考電壓高阻輸入,抗干擾,可按比例量程校準(zhǔn)轉(zhuǎn)換。2.芯片簡介采樣保持8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)據(jù)寄存器8-1據(jù)選擇器和驅(qū)動器內(nèi)部系統(tǒng)時鐘控制邏輯和輸出計數(shù)6DATAOUT7采樣保持8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)據(jù)寄存器8-1據(jù)選擇器和驅(qū)動器內(nèi)部系統(tǒng)時鐘控制邏輯和輸出計數(shù)6DATAOUT712REF+REF-53ANALOGIN488I/OCLOCK圖3.6TLC548、TLC549內(nèi)部框圖TLC549共有8條引腳，如圖3.7所示。圖3.7TLC549各引腳排列1、3．差分基準(zhǔn)電壓2．模擬輸入電壓4、8．電源電壓5V5．轉(zhuǎn)換與輸出控制信號6．串行數(shù)據(jù)輸出7．輸入/輸出時鐘2．2極限參數(shù)TLC548/549的極限參數(shù)如下:●電源電壓:6.5V;●輸入電壓范圍:0.3V～VCC+0.3V;●輸出電壓范圍:0.3V～VCC+0.3V;●峰值輸入電流(任一輸入端):±10mA;●總峰值輸入電流(所有輸入端):±30mA;●工作溫度:TLC548C、TLC549C:0℃～70℃TLC548I、TLC549I:-40℃～85℃TLC548M、TLC549M:-55℃～125℃3．TLC549的工作時序原理及與單片機(jī)的連接3．1TLC548、TLC549均有片內(nèi)系統(tǒng)時鐘,該時鐘與I/OCLOCK是獨立工作的,無須特殊的速度或相位匹配。其工作時序如圖3.8所示。圖3.8工作時序圖3．2TLC549與89C51芯片的連接方法：TLC548/549采用串行方式來傳送數(shù)據(jù),在和單片機(jī)連接時只需占用3根口線。其中I/OCLOCK和DATAOUT可以和另外的TLC548/549或外部單元共用。具體的接口方法如圖3.9所示,圖中P12接轉(zhuǎn)換與輸出控制信號端,P22輸入/輸出雙向I/O口與串行數(shù)據(jù)輸出連接，ALE地址所存與TLC549的輸入/輸出時鐘口相連接。當(dāng)CS為高時,數(shù)據(jù)輸出(DATAOUT)端處于高阻狀態(tài),此時I/OCLOCK不起作用。這種CS控制作用允許在同時使用多片TLC548、TLC549時,共用I/O圖3.9TLC549與89C51的連接CLOCK,以減少多路(片)A/D并用時的I/O控制端口。一組通常的控制時序為：(1)將CS置低。內(nèi)部電路在測得CS下降沿后,再等待兩個內(nèi)部時鐘上升沿和一個下降沿后,然后確認(rèn)這一變化,最后自動將前一次轉(zhuǎn)換結(jié)果的最高位(D7)位輸出到DATAOUT端上。(2)前四個I/OCLOCK周期的下降沿依次移出第2、3、4和第5個位(D6、D5、D4、D3),片上采樣保持電路在第4個I/OCLOCK下降沿開始采樣模擬輸入。(3)接下來的3個I/OCLOCK周期的下降沿將移出第6、7、8(D2、D1、D0)個轉(zhuǎn)換位。(4)最后,片上采樣保持電路在第8個I/OCLOCK周期的下降沿將移出第6、7、8(D2、D1、D0)個轉(zhuǎn)換位。保持功能將持續(xù)4個內(nèi)部時鐘周期,然后開始進(jìn)行32個內(nèi)部時鐘周期的A/D轉(zhuǎn)換。第8個I/OCLOCK后,CS必須為高,或I/OCLOCK保持低電平,這種狀態(tài)需要維持36個內(nèi)部系統(tǒng)時鐘周期以等待保持和轉(zhuǎn)換工作的完成。如果CS為低時I/OCLOCK上出現(xiàn)一個有效干擾脈沖,則微處理器/控制器將與器件的I/O時序失去同步;若CS為高時出現(xiàn)一次有效低電平,則將使引腳重新初始化,從而脫離原轉(zhuǎn)換過程。在36個內(nèi)部系統(tǒng)時鐘周期結(jié)束之前,實施步驟(1)-(4),可重新啟動一次新的A/D轉(zhuǎn)換,與此同時,正在進(jìn)行的轉(zhuǎn)換終止,此時的輸出是前一次的轉(zhuǎn)換結(jié)果而不是正在進(jìn)行的轉(zhuǎn)換結(jié)果。若要在特定的時刻采樣模擬信號,應(yīng)使第8個I/OCLOCK時鐘的下降沿與該時刻對應(yīng),因為芯片雖在第4個I/OCLOCK時鐘下降沿開始采樣,卻在第8個I/OCLOCK的下降沿開始保存。3.4單片機(jī)的設(shè)計3.4.189C51芯片及片內(nèi)功能1.簡介在眾多的51系列單片機(jī)中，要算ATMEL公司的AT89C51更實用，因它不但和8051指令、管腳完全兼容，而且其片內(nèi)的4K程序存儲器是FLASH工藝的，這種工藝的存儲器用戶可以用電的方式瞬間擦除、改寫，一般專為ATMELAT89Cx做成的編程器均帶有這些功能。顯而易見，這種單片機(jī)對開發(fā)設(shè)備的要求很低，開發(fā)時間也大大縮短。寫入單片機(jī)內(nèi)的程序還可以進(jìn)行加密，這又很好地保護(hù)了人們的勞動成果。雖然網(wǎng)上有人說AT89C51可以解密，但花費的代價均需萬元左右！況且所有的單片機(jī)均可解密，只是費用多少的問題。再者，AT89C51目前的售價比8031還低，市場供應(yīng)也很充足。2.89C51片內(nèi)功能89C51核心處理單元：4k字節(jié)FLASH89C51X2128字節(jié)RAM89C51X212時鐘操作可選6個時鐘通過軟件或并行編程器。存儲器尋址范圍：64K字節(jié)ROM和64K字節(jié)RAM。電源控制模式：時鐘可停止和恢復(fù)空閑模式和掉電模式。兩個工作頻率范圍：6時鐘模式時為0到20MHz12時鐘模式時為0到33MHz3個加密位4個中斷優(yōu)先級6個中斷源4個8位I/O口3個16位定時/計數(shù)器T0、T1（標(biāo)準(zhǔn)89C51）和增加的T2（捕獲和比較）可編程時鐘輸出異步端口復(fù)位低EMI(禁止ALE以及6時鐘模式)掉電模式可通過外部中斷喚醒3.4.289C51芯片及各引腳功能單片機(jī)是一個系統(tǒng)中的核心部分，所以單片機(jī)電路設(shè)計對系統(tǒng)的性能好壞有著至關(guān)重要的作用。下面就89C51單片機(jī)的引腳及其功能進(jìn)行說明。圖3.10為89C51單片機(jī)引腳圖。圖3.1089C51單片機(jī)單片機(jī)各引腳及功能介紹：（1）Vss：地。（2）Vcc：電源：提供掉電，空閑，正常工作電壓。（3）P0.0-0.7：P0口，是開漏雙向口，可以寫為1使其狀態(tài)為懸浮用作高阻輸入。P0也可以在訪問外部程序存儲器時作地址的低字節(jié)，在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時作數(shù)據(jù)總線。此時通過內(nèi)部強(qiáng)上拉輸出1。（4）P1.0-1.7：P1口：P1口，是帶內(nèi)部上拉的雙向I/O口，向P1口寫入1時，P1口被內(nèi)部上拉為高電平，可用作輸入口。當(dāng)作為輸入腳時，被外部拉低的P1口會因為內(nèi)部上拉而輸出電流。（5）P2.0-2.7：P2口,P2口是帶內(nèi)部上拉的雙向I/O口,向P2口寫入1時,P2口被內(nèi)部上拉為高電平,可用作輸入口。當(dāng)作為輸入腳時，被外部拉低的P2口會因為內(nèi)部上拉而輸出電流。在訪問外部程序存儲器和外部數(shù)據(jù)時分別作為地址高位字節(jié)和16位地址(MOVX@DPTR)，此時通過內(nèi)部強(qiáng)上拉傳送1。當(dāng)使用8位尋址方式(MOV@Ri)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時,P2口發(fā)送P2特殊功能寄存器的內(nèi)容。（6）P3.0-3.7：P3口是帶內(nèi)部上拉的雙向I/O口，向P3口寫入1時，P3口被內(nèi)部上拉為高電平，可用作輸入口。當(dāng)作為輸入腳時，被外部拉低的P3口會因為內(nèi)部上拉而輸出電流。P3口還具有以下特殊功能：RxD(p3.0)：串行輸入口。TxD(P3.1)：串行輸出口。INT0(P3.2)：外部中斷0。INT1(P3.3)：外部中斷。T0(P3.4)：定時器0外部輸入。T1(P3.5)：定時器1外部輸入。WR(P3.6)：外部數(shù)據(jù)存儲器寫信號。RD(P3.7)：外部數(shù)據(jù)存儲器讀信號。（7）RST：復(fù)位，當(dāng)晶振在運(yùn)行中，只要復(fù)位管腳出現(xiàn)2個機(jī)器周期高電平即可復(fù)位，內(nèi)部有擴(kuò)散電阻連接到Vss,僅需要外接一個電容到Vcc,即可實現(xiàn)上電復(fù)位。（8）ALE：地址鎖存使能，在訪問外部存儲器時，輸出脈沖鎖存地址的低字節(jié)，在正常情況下，ALE輸出信號恒定為1/6振蕩頻率。并可用作外部時鐘或定時，注意每次訪問外部數(shù)據(jù)時一個ALE脈沖將被忽略。ALE可以通過置位SFR的auxlilary.0禁止，置位后ALE只能在執(zhí)行MOVX指令時被激活。（9）PSEN：程序存儲使能，當(dāng)執(zhí)行外部程序存儲器代碼時PSEN每個機(jī)器周期被激活兩次，在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時PSEN無效，訪問內(nèi)部程序存儲器時PSEN無效。（10）EA/Vp：外部尋址使能/編程電壓，在訪問整個外部程序存儲器時，EA必須外部置低。如果EA為高時，將執(zhí)行內(nèi)部程序，除非程序計數(shù)器包含大于片內(nèi)FLASH的地址。（11）X1：晶體1，反相振蕩放大器輸入和內(nèi)部時鐘發(fā)生電路輸入。X2：晶體2，反相振蕩放大器輸出。3.4.389C51最小應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計89C51是片內(nèi)有ROM/EPROM的單片機(jī)，因此，用這種芯片構(gòu)成的最小系統(tǒng)簡單、可靠。本設(shè)計在用89C51單片機(jī)構(gòu)成最小系統(tǒng)時，只須將單片機(jī)接上時鐘電路和復(fù)位電路即可，如圖3.11所示。圖3.1189C51最小應(yīng)用系統(tǒng)由于集成度的限制，最小應(yīng)用系統(tǒng)只能用作一些小型的控制單元。其應(yīng)用特點：●有可供用戶使用的大量I/O口線。因沒有外部存儲器擴(kuò)展，這時EA接高電平，P0、P1、P2、P3都可以作用戶I/O口使用?！駜?nèi)部存儲器容量有限。●應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)具有特殊性。P0、P1口的應(yīng)用與開發(fā)環(huán)境差別較大。由于這類應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)用程序量不大，外電路簡單，采用模擬開發(fā)手段較好。89C51的應(yīng)用軟件須依靠半導(dǎo)體廠家用半導(dǎo)體掩膜技術(shù)置入，故89C51應(yīng)用系統(tǒng)一般用作大批量生產(chǎn)的應(yīng)用系統(tǒng)。3.5存儲器的設(shè)計3.5.1AT24C02的引腳功能1．基本特點24C02為I2C總線串行EEPROM儲存器，它的存儲容量為4k位（4096位），存儲器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)為512×8位,24C02的字節(jié)數(shù)分別是256，芯片小巧，為8腳雙列DIP封裝，10萬次擦寫，100年數(shù)據(jù)保存，芯片具有寫保護(hù)，可靠性高,不占用系統(tǒng)存儲空間，只需兩根控制線，但是這種基于兩線制的I2C總線災(zāi)簡化硬件的同時造成了編程的復(fù)雜，因為所有控制時序需用指令去模擬。2．內(nèi)部芯片結(jié)構(gòu)及使用方法芯片引腳如圖3.12所示，A0,A1,A2為芯片地址線，從000（全接低電平）至111（全接高電平），所以一個系統(tǒng)中最大可接同類芯片8片（對24c01和24c02）。編程時芯片地址字節(jié)作為第一個發(fā)往EEPROM的信息，用來選擇芯片，需要說明的是，24C02以后的芯片，因內(nèi)部字節(jié)數(shù)大于256，A0,A1,A2就不能全部接固定電平用于芯片選擇，而是要用其中一位、二位乃至三位接上I/O口線用作線內(nèi)頁面選擇，與之對應(yīng)，系統(tǒng)可連接的最大芯片數(shù)量也有變化。Vcc，Vss：電源和地線，SCL：串行時鐘線，SDA：數(shù)據(jù)及地址信息線，WP：為寫保護(hù)。圖3.1224C系列EEPROM引腳圖3.5.2AT24C02與單片機(jī)的連接圖3.1324C02與8051的連接圖圖中AT24C02的1、2、3腳是三條地址線，用于確定芯片的硬件地址。在AT89C51試驗開發(fā)板上它們分別接P15，P16,P17口，第8腳和第4腳分別為正、負(fù)電源。第5腳SDA為串行數(shù)據(jù)輸入/輸出，數(shù)據(jù)通過這條雙向I2C總線串行傳送，在AT89C51試驗開發(fā)板上和單片機(jī)的P14連接。第6腳SCL為串行時鐘輸入線，在AT89C51試驗開發(fā)板上和單片機(jī)的P13連接。SDA和SCL都需要和正電源間各接一個5.1K的電阻上拉。第7腳需要接地。24C02中帶有片內(nèi)地址寄存器。每寫入或讀出一個數(shù)據(jù)字節(jié)后，該地址寄存器自動加1，以實現(xiàn)對下一個存儲單元的讀寫。所有字節(jié)均以單一操作方式讀取。為降低總的寫入時間，一次操作可寫入多達(dá)8個字節(jié)的數(shù)據(jù)。SDA和SCL兩條雙向總線采用I2C-bus匯流總線技術(shù)，所有控制命令和數(shù)據(jù)傳輸均通過這兩條線進(jìn)行，其波特率最大為100kbit’s。數(shù)據(jù)讀，寫操作過程：在寫操作中,主器件發(fā)送完寫控制字節(jié)10100000,等接收到24C02通過SDA發(fā)出確認(rèn)信號ACK后,主器件接著隨時鐘輸入8位地址碼(00-0FFH),收到24C02再次發(fā)出確認(rèn)信號ACK后,才發(fā)送待寫入的數(shù)據(jù)。最后,主設(shè)備必須用停止?fàn)顟B(tài)來終止寫操作。在寫控制字節(jié)中高四位被指定為1010,芯片地址為A2、A1、A0為000,R/W=0。在讀操作中，若是讀當(dāng)前地址內(nèi)容,主器件發(fā)送完讀控制字節(jié)10100001,并收到ACK信號后,即可一位位地讀出該單元內(nèi)容;若要讀隨意地址內(nèi)容,由主器件先發(fā)送寫控制字節(jié)10100000,然后發(fā)送待讀的E2PROM單元地址(00-0FFH),收到ACK信號后由主器件再次產(chǎn)生起始條件,接著發(fā)送讀控制字節(jié),收到ACK信號后,即可讀出該單元內(nèi)容。最后,數(shù)據(jù)的讀取不通過確認(rèn)應(yīng)答,而是通過產(chǎn)生一個停止?fàn)顟B(tài)來應(yīng)答。3.6LED顯示部分單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，使用第二顯示器主要有LED（發(fā)光二極管顯示器）和LCD（液晶顯示器）。這兩種顯示器成本低廉，配置靈活，與單片機(jī)接口方便。近年來也開始配置簡易形式的CRT接口，可以方便地進(jìn)行圖形顯示。本設(shè)計采用的是LED靜態(tài)顯示方式。3.6.1LED顯示及顯示器接口LED顯示塊是由發(fā)光二極管顯示字段的顯示器件。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中通常使用的是七段LED。這種顯示塊有共陰極與共陽極兩種，如圖3.14所示。共陰極LED顯示塊的發(fā)光二極管陰極接地。如圖（a）所示，當(dāng)某個發(fā)光二極管的陽極為高電平時，發(fā)光二極管點亮；共陽極LED顯示塊的發(fā)光二極管陽極并接。如圖（b）所示。本設(shè)計采用的是共陽極的接法。（a）共陰極gongyinji（a）共陰極gongyinji圖3.14七段LED顯示段通常的七段LED顯示塊中有八個發(fā)光二極管，故也有人叫做八段顯示器。其中七個發(fā)光二極管構(gòu)成七筆字形“8”。一個發(fā)光二極管構(gòu)成小數(shù)點。七段顯示塊與單片機(jī)接口非常容易。只要將一個8位并行輸出口與顯示塊的發(fā)光二極管引腳相連即可。8位并行輸出口輸出不同的字節(jié)數(shù)據(jù)即可獲得不同的數(shù)字或字符，如表3.2示。通?？刂瓢l(fā)光二極管的8位字節(jié)數(shù)據(jù)稱為段選碼。顯示字符共陰極段選碼共陽極段選碼顯示字符共陰極段選碼共陽極段選碼03FHC0HC39HC6H106HF9HD5EHAH25BHA4HE79H86H34FHB0HF71H8EH406H99HP73H8CH56DH92HU3EHC1H67DH82HΓ31HCEH707HF8HY6EH91H87FH80H8.FFH00H96FH90H“滅”00HFFHA77H88H………………B7CH83H表3.2七段LED的段選3.6.2單片機(jī)與顯示器接口MCS-51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，當(dāng)不用做串行通訊時，可以用來擴(kuò)展并行I/O（設(shè)定串行口工作在移位寄存器、方式0狀態(tài)下）。用于顯示器接口時，使用串行輸入、并行輸出移位寄存器74LS164，每接一片74LS164可擴(kuò)展一個8位并行輸出口，用以連接一個LED段選口作靜態(tài)顯示中的8根列線使用。圖3.15為89C51串行口擴(kuò)展的顯示器的接口電路。為了避免電路重復(fù)，只畫出兩位LED靜態(tài)顯示，根據(jù)需要可任意擴(kuò)展。顯示器中，每擴(kuò)展一個74LS164，就可增加一位LED顯示器。圖3.15串行擴(kuò)展口的顯示接口74LS164是串輸入、并輸出移位寄存器，并帶有清除端。其外部引腳如圖3.16所示。其中74LS164的引腳Q0～Q7為8位并行輸出端；引腳A、B為串行輸入端;引腳CLK為時鐘脈沖輸入端,在CLK脈沖的上升沿作用下實現(xiàn)移位,在CLK=0清除端MR=1時,74LS164保持原來數(shù)據(jù)狀態(tài)；MR=0時74LS164輸出清零。 圖3.1674LS164引腳圖3.7報警裝置設(shè)置基于本設(shè)計中流量范圍（0.025～4m3/h），最小讀數(shù)不小于0.1L的技術(shù)指標(biāo)，設(shè)計使用單頻音報警裝置。當(dāng)燃?xì)庑∮?.1L的時候，該報警器會自動發(fā)出蜂鳴聲來提醒用戶注意。下面介紹單頻音報警器與CPU的接口。實現(xiàn)單頻音報警的接口電路比較簡單。其發(fā)音元件通常采用壓電蜂鳴器，這種蜂鳴器只需在兩條引線上加3～15V的直流電壓，就能產(chǎn)生3kHz左右的蜂鳴振蕩音響。比電動式蜂鳴器結(jié)構(gòu)簡單，耗電少，且更適合于在單片機(jī)系統(tǒng)中使用。壓電式蜂鳴器，約需10mA的驅(qū)動電流。因此，可以使用一個晶體三極管驅(qū)動如圖3.17所示。圖3.17使用單頻音報警電路上圖中，晶體管基極輸入端接單片機(jī)的P1.0口，當(dāng)P1.0輸出高電平“1”時，晶體管導(dǎo)通，壓電蜂鳴器兩端獲得約+5V電壓而鳴音；當(dāng)P1.0輸出低電平“0”時，三極管退出導(dǎo)通狀態(tài)，蜂鳴器停止發(fā)音。其接口電路程序如下：SND：SETBP1.0MOVR7，#1EHDL：MOVR6，#0F9HDL1：DJNZR6，DL1DJNZR7，DLCLRP1.0RET第4章智能IC卡燃?xì)獗淼目刂扑惴?.1引言大滯后對象及對象的不確定性是工業(yè)生產(chǎn)過程中很難控制的一類對象，它“具有滯后的過程，在輸入作用下不能立刻觀察出它對輸出的影響，因此，控制問題就變得復(fù)雜化了，基于這個原因，滯后及對象的不確定性就被認(rèn)為是本來就存在于物理系統(tǒng)中的最難控制的動態(tài)環(huán)節(jié)”。而在許多工業(yè)生產(chǎn)過程中，滯后現(xiàn)象又是普遍存在的，例如冶金、玻璃、造紙工業(yè)中板材厚度的控制，加熱爐、爐窖的傳熱，化工、煉油生產(chǎn)中物料的傳輸，反應(yīng)器的化學(xué)合成等系統(tǒng)都存在著上述問題。因此，找尋一種簡單、實用的控制方法來克服上述問題成了當(dāng)務(wù)之急。為此,本設(shè)計采用PID控制算法。4.2PID控制算法的應(yīng)用及其控制器的設(shè)計按偏差的比例（Proportional）、積分（Integral）、微分（Differential）進(jìn)行控制的調(diào)節(jié)器，簡稱為PID調(diào)節(jié)器。PID調(diào)節(jié)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算法，它結(jié)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)的要求，采用各種PID變型，如PI、PD控制及改進(jìn)的PID控制等。它具有許多特點，如不需要出數(shù)學(xué)模型、控制效果好等，特別是在微機(jī)控制系統(tǒng)中，對于時間常數(shù)比較大的被控對象來說，數(shù)字PID完全可以代替模擬PID調(diào)節(jié)器，應(yīng)用更加靈活，適用性更強(qiáng)。PID控制規(guī)律及其基本作用：PID調(diào)節(jié)器是一種線形調(diào)節(jié)器，其框圖如圖4.1所示。圖4.1PID方框控制器下面分別討論比例調(diào)節(jié)器P、積分調(diào)節(jié)器I、微分調(diào)節(jié)器D的作用?！癖壤{(diào)節(jié)器（P）這是一種簡單的調(diào)節(jié)器，控制規(guī)律為（4.1）式中，Kp為比例系數(shù)，u0為偏差e=r-y=0時的控制作用（如原始閥門開度、基準(zhǔn)電壓等）。比例調(diào)節(jié)器與偏差成比例調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)及時，誤差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用，使被控量y向減小偏差的方向變化，但這種調(diào)節(jié)使被控量y存在靜差，即有殘留誤差，因為調(diào)節(jié)作用是以偏差的存在為前提條件的。只有在控制作用為u0時才會出現(xiàn)零靜差（此時偏差e=0）。提高放大系數(shù)Kp雖可以減小靜差，但永遠(yuǎn)不會使之減小到零，而且無止境地提高放大系數(shù)Kp最終將導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。●比例積分調(diào)節(jié)器（PI）采用比例調(diào)節(jié)的系統(tǒng)存在靜差，為了消除靜差，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)律為（4.2）式中Ti為積分常數(shù)，Ti越大積分作用越弱。積分調(diào)節(jié)器的突出優(yōu)點是，只要被調(diào)量存在偏差，其輸出的調(diào)節(jié)作用便隨時間不斷加強(qiáng)，直到偏差為零。在被調(diào)量的偏差消除后，由于積分規(guī)律的特點，輸出將停留在新的位置而不回復(fù)原位，因而能保持靜差為零。但單純的積分也有弱點，其動作過于遲緩，因而在改變靜態(tài)品質(zhì)的同時，往往使調(diào)節(jié)的動態(tài)品質(zhì)變壞，過度過程時間加長。因此在實際生產(chǎn)中往往在積分調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上加入比例調(diào)節(jié)，把比例作用的及時性與積分作用消除靜差的優(yōu)點結(jié)合起來，構(gòu)成比例積分調(diào)節(jié)器。●比例積分微分調(diào)節(jié)器（PID）比例積分調(diào)節(jié)消除系統(tǒng)誤差需經(jīng)過較長的時間，為進(jìn)一步改進(jìn)控制器，可通過檢測誤差的變化率來預(yù)報誤差，根據(jù)誤差變化趨勢，產(chǎn)生強(qiáng)烈的調(diào)節(jié)作用，使偏差盡快地消除在萌芽狀態(tài)，數(shù)學(xué)上描述這個概念用微分，因此在PI調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上加入微分調(diào)節(jié)，就構(gòu)成了比例積分微分調(diào)節(jié)器，其控制規(guī)律為(4.3)(4.3)式中Td為微分常數(shù)，Td越大微分作用越強(qiáng)。在PID三作用調(diào)節(jié)器中，微分調(diào)節(jié)主要用來加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減小超調(diào)，克服振蕩。將P、I、D三種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合在一起，既快速敏捷，又平穩(wěn)準(zhǔn)確，只要三者強(qiáng)度配合適當(dāng)，便可獲得滿意的調(diào)節(jié)效果。(4.4)PID調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為(4.4)在工業(yè)過程控制中，模擬PID調(diào)節(jié)器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有電動、氣動、液動等類型，PID調(diào)節(jié)規(guī)律用硬件實現(xiàn)。而在微機(jī)控制系統(tǒng)中采用數(shù)字控制器，即用軟件來實現(xiàn)PID控制，因此要將模擬PID調(diào)節(jié)器離散化為數(shù)字PID控制算法。數(shù)字PID控制算法，是立足于連續(xù)系統(tǒng)PID控制器的設(shè)計，然后用微機(jī)進(jìn)行數(shù)字模擬，這種方法稱為模擬化（連續(xù)化）設(shè)計方法。由于它要求較小的采樣周期，只能實現(xiàn)較簡單的控制算法。當(dāng)根據(jù)控制任務(wù)的要求，選擇較大的采樣周期或?qū)刂瀑|(zhì)量有較高的要求時，就不能采用數(shù)字控制器的模擬化的設(shè)計方法，而應(yīng)該選擇數(shù)字控制器的直接設(shè)計方法。數(shù)字控制器的直接設(shè)計方法也稱離散化設(shè)計方法，是Z平面上的設(shè)計方法，它根據(jù)系統(tǒng)的性能要求，運(yùn)用離散控制理論，直接設(shè)計控制系統(tǒng)的數(shù)字控制器。與模擬化設(shè)計方法相比更具有一般的意義，它完全是根據(jù)采樣系統(tǒng)的特點進(jìn)行分析與綜合，并導(dǎo)出相應(yīng)的控制規(guī)律的。利用微機(jī)軟件的靈活性，就可以實現(xiàn)從簡單到復(fù)雜的各種控制規(guī)律。在工業(yè)過程控制中，模擬PID調(diào)節(jié)器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有電動、氣動、液動等類型，PID調(diào)節(jié)規(guī)律用硬件實現(xiàn)。而在微機(jī)控制系統(tǒng)中采用數(shù)字控制器，即用軟件來實現(xiàn)PID控制，因此要將模擬PID調(diào)節(jié)器離散化為數(shù)字PID控制算法。數(shù)字PID控制算法，是立足于連續(xù)系統(tǒng)PID控制器的設(shè)計，然后用微機(jī)進(jìn)行數(shù)字模擬，這種方法稱為模擬化（連續(xù)化）設(shè)計方法。由于它要求較小的采樣周期，只能實現(xiàn)較簡單的控制算法。當(dāng)根據(jù)控制任務(wù)的要求，選擇較大的采樣周期或?qū)刂瀑|(zhì)量有較高的要求時，就不能采用數(shù)字控制器的模擬化的設(shè)計方法，而應(yīng)該選擇數(shù)字控制器的直接設(shè)計方法。數(shù)字控制器的直接設(shè)計方法也稱離散化設(shè)計方法，是Z平面上的設(shè)計方法，它根據(jù)系統(tǒng)的性能要求，運(yùn)用離散控制理論，直接設(shè)計控制系統(tǒng)的數(shù)字控制器。與模擬化設(shè)計方法相比更具有一般的意義，它完全是根據(jù)采樣系統(tǒng)的特點進(jìn)行分析與綜合，并導(dǎo)出相應(yīng)的控制規(guī)律的。利用微機(jī)軟件的靈活性，就可以實現(xiàn)從簡單到復(fù)雜的各種控制規(guī)律。4.3標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字PID控制算法為了實現(xiàn)微機(jī)控制生產(chǎn)過程變量，必須將式（4.3）表示的模擬PID算式離散化，變?yōu)閿?shù)字PID算式，為此，在采樣周期T遠(yuǎn)小于信號變化周期時，作如下近似（T足夠小時，如下逼近相當(dāng)準(zhǔn)確，被控過程與連續(xù)系統(tǒng)十分接近）：(4.5)(4.5)式中T為采樣周期，k為采樣序號，k=0，1，2，……j，……，k。將（4.5）式代入（4.3）式，于是有：(4.6)(4.6)其中，u（k）為調(diào)節(jié)器第k次輸出值；e（k）、e（k-1）分別為第k次，第k-1次采樣時刻的偏差值。從式4.6可見，u（k）是全量值輸出，每次的輸出值都與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置（如控制閥門的開度）一一對應(yīng)，所以稱之為位置型PID算法。在這種位置型控制算法中，由于算式中存在累加項，因此輸出的控制量u（k）不僅與本次偏差有關(guān)，還與過去歷次采樣偏差有關(guān)，使得u（k）產(chǎn)生大幅度變化，這樣會引起系統(tǒng)沖擊，甚至造成事故。所以在實際中當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的不是控制量的絕對值，而是其增量時，可采用增量型PID算法，現(xiàn)推導(dǎo)如下。由（4.6）式可得出控制量的增量Δu(k)為(4.7)(4.7)令，，則式（4.7）可寫為(4.8)(4.8)為了更易于編程，可將式（4.8）進(jìn)一步寫為(4.9)(4.9)式中，當(dāng)控制系統(tǒng)中的執(zhí)行器為步進(jìn)電機(jī)、電動調(diào)節(jié)閥、多圈電位器等具有保持歷史位置的功能的這類裝置時，一般均采用增量PID控制算法。4.4增量型PID算法的優(yōu)點●位置型算式每次輸出與整個過去狀態(tài)有關(guān)，計算式中要用到過去偏差的累加值Σe(j)，容易產(chǎn)生較大的累積計算誤差；而在增量型算式中由于消去了積分項，從而可消除調(diào)節(jié)器的積分飽和，在精度不足時，計算誤差對控制量的影響較小，容易取得較好的控制效果?！駷閷崿F(xiàn)手動——自動無擾切換，在切換瞬時，計算機(jī)的輸出值應(yīng)設(shè)置為原始閥門開度u0，若采用增量型算法，其輸出對應(yīng)于閥門位置的變化部分，即算式中不出現(xiàn)u0項，所以易于實現(xiàn)從手動到自動的無擾動切換?！癫捎迷隽啃退惴〞r所用的執(zhí)行器本身都具有寄存作用，所以即使計算機(jī)發(fā)生故障，執(zhí)行器仍能保持在原位，不會對生產(chǎn)造成惡劣的影響。正因為具有上述優(yōu)點，在實際控制中，增量型算法要比位置式算法應(yīng)用更加廣泛。

第5章智能IC卡燃?xì)獗淼能浖O(shè)計對一個完整的控制系統(tǒng)來說，硬件是骨架，軟件是靈魂，二者缺一不可。軟件的好壞直接影響整個系統(tǒng)的控制性能，本設(shè)計研究的是智能IC卡燃?xì)獗淼脑O(shè)計，為了編寫軟件方便，根據(jù)模塊化原理，采用分塊編寫和高度集中的原則。每個子程序都完成一定的功能，且具有相對的獨立性。該做法不僅簡單，而且一旦出現(xiàn)了問題，可以有針對性的進(jìn)行調(diào)試和處理。5.1芯片間的通訊方式各個芯片間通過一定的工作方式使整個系統(tǒng)協(xié)調(diào)有序的工作著，最終完成相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)?，F(xiàn)將該系統(tǒng)的主要的工作方式簡單作以介紹：●A/D轉(zhuǎn)換CPU與TLC549中斷方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。這樣可以節(jié)省CPU的時間去執(zhí)行其他的程序?！耧@示顯示采用串行輸入，并行輸出方式實現(xiàn)。●報警報警采用三極管驅(qū)動揚(yáng)聲器來發(fā)出蜂鳴聲，起到警報作用。5.2控制系統(tǒng)軟件設(shè)計5.2.1主程序主程序的功能是首先對所有芯片復(fù)位，初始化后，經(jīng)外圍設(shè)備，通過A/D轉(zhuǎn)換器，將信號轉(zhuǎn)換后進(jìn)行讀取，當(dāng)IC卡中的金額不足或沒有時，將顯示出來并報警響鈴，同時關(guān)閉電磁閥；續(xù)費后，電磁閥開啟，功能正常。主程序流程圖如圖5.1所示。初始化單片機(jī)及外圍設(shè)備初始化單片機(jī)及外圍設(shè)備設(shè)置A/D通道讀數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)存儲查詢歷史數(shù)據(jù)YLED顯示是否金額已無？關(guān)閉電閥啟動報警金額過低聲音報警NYYN返回開始圖5.1主程序流程5.2.2顯示子程序電路中設(shè)計了4位LED顯示器,其功能為:電路中設(shè)計了4位LED顯示器,其功能為:左首位為百位數(shù)或標(biāo)志位,左二位為十位數(shù),左三位為個位數(shù),左四位為小數(shù)點后的十分位數(shù)。如圖5.2所示的顯示子程序框圖。取百位數(shù)取百位數(shù)查表取段選碼送百位數(shù)滅LED輸出完否？取送十位循環(huán)取送個位循環(huán)點亮LED返回YN圖5.2顯示子程序框圖5.2.3IC卡讀寫程序與舊氣量數(shù)相加讀取購氣量數(shù)正確IC卡IC卡密碼正確？開閥與舊氣量數(shù)相加讀取購氣量數(shù)正確IC卡IC卡密碼正確？開閥氣量大于零NNNYYYIC卡讀寫中斷入口中斷返回圖5.3IC卡讀寫流程圖結(jié)論我國民用燃?xì)獗淼氖召M，過去采用的是人工抄表、按戶收費的方式，工作繁瑣而且容易出錯。因此，燃?xì)獠块T一直在尋求一種方便實用的收費方法，先后試用過集中抄表系統(tǒng)、聯(lián)網(wǎng)式抄表系統(tǒng)，但這些系統(tǒng)都沒有從根本上擺脫抄表的麻煩，而且有的系統(tǒng)過于復(fù)雜、成本高、不穩(wěn)定。為了改變這種現(xiàn)狀，將IC卡技術(shù)應(yīng)用到燃?xì)獗碛嬃恐?。IC卡又稱為集成電路卡，能夠抗磁性，并能按人的意識進(jìn)行讀寫，讀寫次數(shù)可達(dá)10萬次以上。考慮系統(tǒng)的成本及穩(wěn)定性，我基于AT89C51單片機(jī)設(shè)計出了IC卡燃?xì)獗硐到y(tǒng)。本設(shè)計主要闡述了IC卡燃?xì)獗淼挠布④浖O(shè)計方案，包括系統(tǒng)功能、工作原理、結(jié)構(gòu)框圖、硬件各部分電路設(shè)計及其軟件程序編寫等。涉及領(lǐng)域包括電子、單片機(jī)、匯編語言等多門學(xué)科。在本系統(tǒng)的設(shè)計過程中，硬件方面的重點是燃?xì)獗頊y量電路、控制電路等的設(shè)計。軟件部分采用AT89C51單片機(jī)的匯編語言編寫，設(shè)計中應(yīng)用模塊化設(shè)計結(jié)構(gòu)，完成了電表的計費功能。通過本次畢業(yè)設(shè)計，有很多更深入的東西有待開發(fā)和利用，其發(fā)展前景是廣闊的，有較高的社會價值和經(jīng)濟(jì)價值。由于我的知識水平有限，設(shè)計中遇到許多的難題，但在老師的幫助下，得到了相應(yīng)的解答，使我在設(shè)計中不斷的增長知識，拓展思路。參考文獻(xiàn)[1]王麗,李勁偉.TLC549A/D轉(zhuǎn)換電路在EDA實驗系統(tǒng)上的實現(xiàn)[J].河南科技大學(xué)學(xué)報，2002,(05):12-32[2]歐陽兵,呂艷萍,宋述波,駱德昌.串行A/D轉(zhuǎn)換器TLC2558接口的設(shè)計[J].電子工程師，2002,(09):76-90[3]何立民.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計[M].第一版.北京:北京航空航天大學(xué)社,1990:25-47[4]姜迎新.國外電子元器件[M].第一版.北京:北京交通大學(xué)出版社,2004:24-35[5]李濤.新型單片機(jī)AT89C51及其應(yīng)用舉例[J].計算機(jī)應(yīng)用，1996,（04）:13-25[6]徐文達(dá),劉欣然.智能卡讀卡器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機(jī)工程與應(yīng)用，1997,（10）:89-101[7]肖建輝.由單片機(jī)構(gòu)成的帶串行接口的LED顯示驅(qū)動器[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用，2002,(01):87-91[8]沙占友.單片機(jī)外圍電路設(shè)計[M].第一版.北京:電子工業(yè)出版社,2003:30-50[9]劉小芳,曾黃麟,呂炳朝.單片機(jī)的多串口擴(kuò)展技術(shù)的設(shè)計[J].計算機(jī)測量與控制，2004,(11):34-41[10]于凌宇.當(dāng)代傳感器新技術(shù)應(yīng)用[J].傳感器技術(shù),1998,(11):88-94[11]Shay,WilliamA.UnderstandingDateCommunicationandNetworks.BostonMA:PWS,1994:5-14.[12]陳章龍.實用單片機(jī)大全[M].第一版.哈爾濱:黑龍江科學(xué)技術(shù)出社，1989:58-65[13]蘇斌.非接觸式IC卡預(yù)付費燃?xì)獗淼脑O(shè)計方法[J].電子工藝技術(shù)，2000,(03):39-51[14]李光東.單片機(jī)原理與接口技術(shù)[M].第一版.武漢:華中科技大學(xué)出版社,1992:110-122[15]Michealhill.TheDevelopmentofSemiconductorTechnologyExpectationsforFutureSmartCard.TheSmartCardGuide,1995:85-96[16]饒志強(qiáng),葉念渝.數(shù)字濾波器的探討與實現(xiàn)[J].計算機(jī)與數(shù)學(xué)工程,2005(07):11-14[17]張小牛,侯國屏.虛擬儀器技術(shù)回顧與展望[J].測控技術(shù),2000(09):19-27[18]龍志強(qiáng),趙海龍.虛擬儀器測試技術(shù)研究[J].儀表技術(shù),2000(03):48-54[19]MSP430WindowWork-BenchInterfaceGuide.TexasInstruments.1999:23-45[20]方佩敏.新編傳感器原理與應(yīng)用[M]．北京：電子工業(yè)出版社，1994:48-60致謝這次畢業(yè)設(shè)計是在我的導(dǎo)師王宇老師的指導(dǎo)下完成的，從他那里我學(xué)到許多技術(shù)理論和開發(fā)經(jīng)驗，使我受益匪淺。我的導(dǎo)師王宇老師在我設(shè)計的整個過程中，一直給予我無私的幫助。他不但在設(shè)計思路中給我很多指點，使我在設(shè)計中遇到的一些問題得到盡快的解決。通過本次畢業(yè)設(shè)計，讓我學(xué)到很多課堂上學(xué)不到的知識，而王宇老師對我的熱心指導(dǎo)和幫助，更讓我學(xué)到很多道理。在此我對王老師表示深深的感謝。同時，我還要感謝許多幫助我順利完成本次畢業(yè)設(shè)計的同學(xué)，在此對他們我也表示由衷的感謝。由于能力有限，本次設(shè)計中難免有錯誤和漏洞，望各位老師給予批評指正。附錄Ⅰ英文翻譯CompleteA/D574ConverterComplete12-BitA/DConverterwithReferenceandClock8and16BitMicroprocessorBusInterfaceGuaranteedLinearityOverTemperature0oCto+70oC–AD574AJ,K,L–55oCto+125oC–AD574AS,T,UNoMissingCodesOverTemperature35μsMaximumConversionTimeBuriedZenerReferenceforLong-TermStabilityandLowGainT.C.10ppm/CmaxAD574AL12.5ppm/CmaxAD574AUCeramicDIP,PlasticDIPorPLCCPackageAvailableinHigherSpeed,Pinout-CompatibleVersions(15μsAD674B,80msAD774B;10μs(withSHA)AD1674)AvailableinVersionsCompliantwithMIL-STD-883andJANQPLPRODUCTDESCRIPTION：TheAD574Aisacomplete12-bitsuccessive-approximationanalog-to-digitalconverterwith3-stateoutputbuffercircuitryfordirectinterfacetoan8-or16-bitmicroprocessorbus.Ahighprecisionvoltagereferenceandclockareincludedon-chip,andthecircuitguaranteesfull-ratedperformancewithoutexternalcircuitryorclocksignals.TheAD574AdesignisimplementedusingAnalogDevices’Bipolar/I2Lprocess,andintegratesallanaloganddigitalfunctionsononechip.Offset,linearityandscalingerrorsareminimizedbyactivelaser-trimmingofthin-filmresistorsatthewaferstage.ThevoltagereferenceusesanimplantedburiedZenerforlownoiseandlowdrift.Onthedigitalside,I2Llogicisusedforthesuccessive-approximationregister,controlcircuitryand3-stateoutputbuffers.TheAD574Aisavailableinsixdifferentgrades.TheAD574AJ,K,andLgradesarespecifiedforoperationoverthe0°Cto+70°Ctemperaturerange.TheAD574AS,T,andUarespecifiedforthe–55°Cto+125°Crange.Allgradesareavailableina28-pinhermetically-sealedceramicDIP.Also,theJ,K,andLgradesareavailableina28-pinplasticDIPandPLCC,andtheJandKgradesareavailableinceramicLCC.TheS,T,andUgradesinceramicDIPorLCCareavailablewithoptionalprocessingtoMIL-STD-883CClassB;theTandUgradesareavailableasJANQPL.TheAnalogDevices’MilitaryProductsDatabookshouldbeconsultedfordetailson/883BtestingoftheAD574A.PRODUCTHIGHLIGHTS1.TheAD574Ainterfacestomost8-or16-bitmicroprocessors.Multiple-modethree-stateoutputbuffersconnectdirectlytothedatabuswhilethereadandconvertcommandsaretakenfromthecontrolbus.The12bitsofoutputdatacanbereadeitherasone12-bitwordorastwo8-bitbytes.2.Theprecision,laser-trimmedscalingandbipolaroffsetresistorsprovidefourcalibratedranges:0voltsto+10voltsand0voltsto+20voltsunipolar,–5voltsto+5voltsand–10voltsto+10voltsbipolar.Typicalbipolaroffsetandfull-scalecalibrationerrorsof±0.1%canbetrimmedtozerowithoneexternalcomponenteach.3.TheinternalburiedZenerreferenceistrimmedto10.00voltswith0.2%maximumerrorand15ppm/°CtypicalT.C.Thereferenceisavailableexternallyandcandriveupto1.5mAbeyondtherequirementsofthereferenceandbipolaroffsetresistors.4.AD674B(15ms)andAD774B(8ms)providehigherspeed,pincompatibility;AD1674(10ms)includeson-chipSample-HoldAmplifier(SHA).THEAD574AOFFERSGUARANTEEDMAXIMUMLINEARITYERROROVERTHEFULLOPERATINGTEMPERATURERANGEDEFINITIONSOFSPECIFICATIONSLINEARITYERRORLinearityerrorreferstothedeviationofeachindividualcodefromalinedrawnfrom“zero”through“fullscale”.Thepointusedas“zero”occurs1/2LSB(1.22mVfor10voltspan)beforethefirstcodetransition(allzerostoonlytheLSB“on”).“Fullscale”isdefinedasalevel11/2LSBbeyondthelastcodetransition(toallones).Thedeviationofacodefromthetruestraightlineismeasuredfromthemiddleofeachparticularcode.TheAD574AK,L,T,andUgradesareguaranteedformaximumnonlinearityof1/2LSB.Forthesegrades,thismeansthatananalogvaluewhichfallsexactlyinthecenterofagivencodewidthwillresultinthecorrectdigitaloutputcode.Valuesnearertheupperorlowertransitionofthecodewidthmayproducethenextupperorlowerdigitaloutputcode.TheAD574AJandSgradesareguaranteedto1LSBmaxerror.Forthesegrades,ananalogvaluewhichfallswithinagivencodewidthwillresultineitherthecorrectcodeforthatregionoreitheradjacentone.Notethatthelinearityerrorisnotuser-adjustable.DIFFERENTIALLINEARITYERROR(NOMISSINGCODES)Aspecificationwhichguaranteesnomissingcodesrequiresthateverycodecombinationappearinamonotonicincreasingsequenceastheana