畢業(yè)論文---電加熱爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)生活質(zhì)量的要求越來(lái)越高，各種電子產(chǎn)品開(kāi)始進(jìn)入人們的生活并成為人們生活不可或缺的一部分，因此對(duì)電子產(chǎn)品的自動(dòng)化控制的要求也越來(lái)越高，本設(shè)計(jì)正是選用了其中具有代表性的電加熱爐作為研究對(duì)象。</p><p>　　本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心對(duì)電加熱爐的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，采用單片機(jī)來(lái)對(duì)

2、他們控制不僅具有控制方便，簡(jiǎn)單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大的提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。</p><p>　　為了實(shí)現(xiàn)高精度的溫度控制，本單片機(jī)系統(tǒng)采用PID算法控制，通過(guò)控制雙向可控硅改變電爐和電源的接通、斷開(kāi)，從而用改變加熱時(shí)間的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。本系統(tǒng)由按鍵顯示和溫度采樣控制以及上下限報(bào)警幾個(gè)模塊組成，通過(guò)模塊間的通信完成溫度設(shè)定、實(shí)際溫度和測(cè)量溫度的顯示等功能。&l

3、t;/p><p>　　本文對(duì)系統(tǒng)的硬件、選型、軟件中流程控制的實(shí)現(xiàn)均有較為詳細(xì)的闡述，對(duì)使用的編程軟件也有描述，對(duì)于本系統(tǒng)的控制特點(diǎn)也進(jìn)行總結(jié)說(shuō)明，比較詳盡地?cái)⑹隽苏麄€(gè)系統(tǒng)的相關(guān)事宜。</p><p>　　關(guān)鍵詞 單片機(jī) PID算法 溫度控制</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　A

4、long with the development of national economy, the people to the requirements of the quality of the life more and more high, all kinds of electronic products began to enter into the people's life and become an integr

5、al part of life, so the requirements of electronic products of automation control also become more and more high, this design is just choose the electric heating which one is representative as the research object.</p&

6、gt;<p>　　This design with the single chip processor as the core to monitoring and control electric heating temperature, Using the monolithic control has not only to control convenient, simple and flexible and othe

7、r advantages, and can greatly increase the specifications of temperature, which can greatly improve the quality and quantity of products.</p><p>　　In order to realize high precision temperature control, the

8、SCM system adopts PID control algorithm, through controlling the on and off of the Bidirectional controllable silicon and the method of changing the heating time to achieve the control of the temperature. The system is c

9、omposed of button display and temperature sampling control and upper alarm several modules, through the communications of the module to realize temperature set, and the display function of the actual temperature and meas

10、</p><p>　　This article is detailed in hardware, selection, software process control realization of the system, and also describes the programming software , control characteristic and also summarizes that mo

11、re exhaustive account of the system related issues.</p><p>　　Key words Microcontroller Temperature control PID algorithm</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　第1章

12、 緒論1</b></p><p>　　1.1 課題背景及國(guó)內(nèi)外研究概況1</p><p>　　1.2 自動(dòng)控制理論及其發(fā)展1</p><p>　　1.3 課題的建立以及本文完成的主要工作3</p><p>　　第2章 總體方案設(shè)計(jì)4</p><p>　　2.1 總體方案的確定4</p&g

13、t;<p>　　2.2 系統(tǒng)組成5</p><p>　　第3章 單片機(jī)技術(shù)和PID算法6</p><p>　　3.1 AT89C51簡(jiǎn)介6</p><p>　　3.1.1 單片機(jī)的引腳介紹6</p><p>　　3.1.2 單片機(jī)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)8</p><p>　　3.2 PID算法介紹9&l

14、t;/p><p>　　3.2.1 PID算法的數(shù)字化9</p><p>　　3.2.2 PID算法的運(yùn)用10</p><p><b>　　3.3 小結(jié)11</b></p><p>　　第4章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)12</p><p>　　4.1 系統(tǒng)概況12</p><p>

15、;　　4.2 功能模塊12</p><p>　　4.2.1 單片機(jī)控制模塊12</p><p>　　4.2.2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與采集模塊A/D080813</p><p>　　4.2.3 按鍵選擇模塊14</p><p>　　4.2.4 顯示模塊14</p><p>　　4.2.5 報(bào)警模塊14</p>

16、;<p>　　4.2.6 輸出模塊15</p><p>　　4.3 總體方案的實(shí)現(xiàn)和元器件清單15</p><p>　　4.3.1系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)15</p><p>　　4.3.2元器件清單16</p><p><b>　　4.4 小結(jié)16</b></p><p>　　第5

17、章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)18</p><p>　　5.1 Protues7軟件概況18</p><p>　　5.2 WAVE6000軟件簡(jiǎn)介19</p><p>　　5.2.1 軟件概況19</p><p>　　5.2.2 程序界面20</p><p>　　5.3 子程序設(shè)定20</p><p

18、>　　5.4 程序流程20</p><p>　　5.5 程序仿真調(diào)試27</p><p>　　5.5.1 WAVE6000仿真調(diào)試27</p><p>　　5.5.2 軟硬連調(diào)27</p><p><b>　　5.6 小結(jié)28</b></p><p>　　第6章 課題特點(diǎn)29&

19、lt;/p><p>　　6.1 單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用29</p><p>　　6.2 PID算法的運(yùn)用29</p><p>　　6.3 軟件的調(diào)試仿真29</p><p>　　第7章 結(jié)論30</p><p><b>　　致 謝31</b></p><p><

20、b>　　參考文獻(xiàn)32</b></p><p><b>　　附 錄33</b></p><p>　　電加熱爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1 課題背景及國(guó)內(nèi)外研究概況</p><p>

21、　　溫度控制系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用雖然已經(jīng)十分廣泛，但從國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的溫度控制器來(lái)講，總體發(fā)展水平仍然不高，同日本、美國(guó)、德國(guó)等先進(jìn)國(guó)家相比，仍然有著較大的差距。成熟的溫控產(chǎn)品主要以“點(diǎn)位”控制及常規(guī)的PID控制器為主，它們只能適應(yīng)一般溫度系統(tǒng)控制，而用于較高控制場(chǎng)合的智能化、自適應(yīng)控制儀表，國(guó)內(nèi)技術(shù)還不十分成熟，形成商品化并廣泛應(yīng)用的控制儀表較少。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及加入WTO，我國(guó)政府及企業(yè)對(duì)此都非常重視，對(duì)相關(guān)企業(yè)資源進(jìn)行了重組，相

22、繼建立了一些國(guó)家、企業(yè)的研發(fā)中心，開(kāi)展創(chuàng)新性研究，使我國(guó)儀表工業(yè)得到了迅速的發(fā)展。</p><p>　　隨著新技術(shù)的不斷開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，近年來(lái)單片機(jī)發(fā)展十分迅速，一個(gè)以微機(jī)應(yīng)用為主的新技術(shù)革命浪潮正在蓬勃興起，單片機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)滲透到電力、冶金、化工、建材、機(jī)械、食品、石油等各個(gè)行業(yè)。傳統(tǒng)的溫度采集方法不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且精度差，單片機(jī)的出現(xiàn)使得溫度的采集和數(shù)據(jù)處理問(wèn)題能夠得到很好的解決。溫度是工業(yè)對(duì)象中的一個(gè)重要的被控

23、參數(shù)。然而所采用的測(cè)溫元件和測(cè)量方法也不相同；產(chǎn)品的工藝不同，控制溫度的精度也不相同。因此對(duì)數(shù)據(jù)采集的精度和采用的控制方法也不相同。傳統(tǒng)的控制方式已不能滿足高精度，高速度的控制要求，如溫度控制表溫度接觸器，其主要缺點(diǎn)是溫度波動(dòng)范圍大，由于它主要通過(guò)控制接觸器的通斷時(shí)間比例來(lái)達(dá)到改變加熱功率的目的，受儀表本身誤差和交流接觸器的壽命限制，通斷頻率很低。近幾年來(lái)快速發(fā)展了多種先進(jìn)的溫度控制方式，如：PID控制，模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及遺傳算法控制

24、等。這些控制技術(shù)大大的提高了控制精度，不但使控制變得簡(jiǎn)便，而且使產(chǎn)品的質(zhì)量更好，降低了產(chǎn)品的成本，提高了生產(chǎn)效率。本系統(tǒng)要求有數(shù)據(jù)處理，顯示功能等,被控對(duì)象為一階慣性環(huán)節(jié)和一階積分環(huán)節(jié)的組合，慣性時(shí)間常數(shù)為2s，開(kāi)環(huán)增益k=10，溫度控制范圍為50</p><p>　　本設(shè)計(jì)使用單片機(jī)作為核心進(jìn)行控制。單片機(jī)具有集成度高，通用性好，功能強(qiáng)，特別是體積小，重量輕，耗能低，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)和使用方便等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，

25、在數(shù)字、智能化方面有廣泛的用途。本系統(tǒng)使用AT89C51單片機(jī)，使溫度控制大為簡(jiǎn)便。</p><p>　　1.2 自動(dòng)控制理論及其發(fā)展</p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，自動(dòng)控制技術(shù)在各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域中的應(yīng)用已日漸廣泛，不但使得生產(chǎn)設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，大大提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，改善了勞動(dòng)條件，還在人類征服大自然，改善居住條件等方面發(fā)揮了非常重要的作用。</p>

26、<p>　　自動(dòng)控制（automatic control）是指在沒(méi)有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置，使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。自動(dòng)控制是相對(duì)人工控制概念而言的。指的是在沒(méi)人參與的情況下，利用控制裝置使被控對(duì)象或過(guò)程自動(dòng)地按預(yù)定規(guī)律運(yùn)行。</p><p>　　自動(dòng)控制理論是研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)，是分析和設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的理論的基礎(chǔ)。它的發(fā)展初期

27、，是以反饋理論為基礎(chǔ)的自動(dòng)調(diào)節(jié)原理，主要用于工業(yè)控制，二戰(zhàn)期間為了設(shè)計(jì)和制造飛機(jī)及船用自動(dòng)駕駛儀，火炮定位系統(tǒng)，雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)以及其他基于反饋原理的軍用設(shè)備，進(jìn)一步促進(jìn)并完善了自動(dòng)控制理論的發(fā)展。到戰(zhàn)后，已形成完整的自動(dòng)控制理論體系，這就是以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)的經(jīng)典控制理論，它主要研究單輸入-單輸出，線形定常系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問(wèn)題。</p><p>　　自動(dòng)控制理論的發(fā)展歷程如下：</p><p>

28、;　　1．40年代--60年代初</p><p>　　需求動(dòng)力：市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng),資源利用，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高產(chǎn)品質(zhì)量，適應(yīng)批量生產(chǎn)需要。主要特點(diǎn)：此階段主要為單機(jī)自動(dòng)化階段，主要特點(diǎn)是:各種單機(jī)自動(dòng)化加工設(shè)備出現(xiàn)，并不斷擴(kuò)大應(yīng)用和向縱深方向發(fā)展。典型成果和產(chǎn)品：硬件數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床。 </p><p>　　2．60年代中--70年代初期</p><p>　　需求動(dòng)力：市

29、場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)加劇，要求產(chǎn)品更新快，產(chǎn)品質(zhì)量高，并適應(yīng)大中批量生產(chǎn)需要和減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。主要特點(diǎn)：此階段主要以自動(dòng)生產(chǎn)線為標(biāo)志，其主要特點(diǎn)是：在單機(jī)自動(dòng)化的基礎(chǔ)上，各種組合機(jī)床、組合生產(chǎn)線出現(xiàn)，同時(shí)軟件數(shù)控系統(tǒng)出現(xiàn)并用于機(jī)床，CAD、CAM等軟件開(kāi)始用于實(shí)際工程的設(shè)計(jì)和制造中，此階段硬件加工設(shè)備適合于大中批量的生產(chǎn)和加工。典型成果和產(chǎn)品：用于鉆、鏜、銑等加工的自動(dòng)生產(chǎn)線。 </p><p>　　3．70年代中期--至今&l

30、t;/p><p>　　需求動(dòng)力：市場(chǎng)環(huán)境的變化，使多品種、中小批量生產(chǎn)中普遍性問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)重，要求自動(dòng)化技術(shù)向其廣度和深度發(fā)展，使其各相關(guān)技術(shù)高度綜合，發(fā)揮整體最佳效能。主要特點(diǎn)：自70年代初期美國(guó)學(xué)者首次提出CIM概念至今，自動(dòng)化領(lǐng)域已發(fā)生了巨大變化，其主要特點(diǎn)是：CIM已作為一種哲理、一種方法逐步為人們所接受；CIM也是一種實(shí)現(xiàn)集成的相應(yīng)技術(shù)，把分散獨(dú)立的單元自動(dòng)化技術(shù)集成為一個(gè)優(yōu)化的整體。所謂哲理，就是企業(yè)應(yīng)根據(jù)

31、需求來(lái)分析并克服現(xiàn)存的“瓶頸”，從而實(shí)現(xiàn)不斷提高實(shí)力、競(jìng)爭(zhēng)力的思想策略；而作為實(shí)現(xiàn)集成的相應(yīng)技術(shù)，一般認(rèn)為是:數(shù)據(jù)獲取、分配、共享；網(wǎng)絡(luò)和通信；車間層設(shè)備控制器；計(jì)算機(jī)硬、軟件的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)等。同時(shí)，并行工程作為一種經(jīng)營(yíng)哲理和工作模式自80年代末期開(kāi)始應(yīng)用和活躍于自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域，并將進(jìn)一步促進(jìn)單元自動(dòng)化技術(shù)的集成。典型成果和產(chǎn)品：CIMS工廠，柔性制造系統(tǒng)(FMS)。 </p><p>　　隨著現(xiàn)代應(yīng)用數(shù)學(xué)新成果的

32、推出和電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，為適應(yīng)自動(dòng)控制、宇航技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)控制理論跨入了一個(gè)新階段——現(xiàn)代控制理論。主要研究具有高性能，高精度的多變量多參數(shù)的最優(yōu)控制問(wèn)題，主要采用的方法是以狀態(tài)為基礎(chǔ)的狀態(tài)空間法。目前，自動(dòng)控制理論還在繼續(xù)發(fā)展，正向以控制論，信息論，仿生學(xué)為基礎(chǔ)的智能控制理論深入。 </p><p>　　為了實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制任務(wù)，首先要將被控制對(duì)象和控制裝置按照一定的方式連接起來(lái)，組成一個(gè)有機(jī)的總體，這就是

33、自動(dòng)控制系統(tǒng)。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，被控對(duì)象的輸出量即被控量是要求嚴(yán)格加以控制的物理量，它可以要求保持為某一恒定值，例如溫度，壓力或飛行航跡等；而控制裝置則是對(duì)被控對(duì)象施加控制作用的機(jī)構(gòu)的總體，它可以采用不同的原理和方式對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，但最基本的一種是基于反饋控制原理的反饋控制系統(tǒng)。 </p><p>　　在反饋控制系統(tǒng)中，控制裝置對(duì)被控裝置施加的控制作用，是取自被控量的反饋信息，用來(lái)不斷修正被控量和控制量之間的

34、偏差從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被控量進(jìn)行控制的任務(wù)，這就是反饋控制的原理。</p><p>　　1.3 課題的建立以及本文完成的主要工作</p><p>　　本文主要包括以下內(nèi)容：</p><p>　　1．以單片機(jī)為核心，建立自動(dòng)控制系統(tǒng)，構(gòu)建按鍵、采樣、顯示以及輸出等外圍電路，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的搭建，建立電加熱爐系統(tǒng)的仿真圖；</p><p>　　2．畫(huà)出軟件

35、流程圖，根據(jù)流程圖編寫(xiě)程序，并對(duì)其進(jìn)行調(diào)試，使其符合系統(tǒng)的具體要求；</p><p>　　3．將所編寫(xiě)的程序下載到單片機(jī)中去，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整體調(diào)試，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整個(gè)功能，設(shè)計(jì)出符合實(shí)際要求的系統(tǒng)。</p><p>　　第2章 總體方案設(shè)計(jì)</p><p>　　2.1 總體方案的確定</p><p>　　由于溫度控制系統(tǒng)的控制對(duì)象具有慣性大，

36、連續(xù)性的特點(diǎn)。因而可以歸于具有純滯后的一階大慣性環(huán)節(jié)。一般來(lái)說(shuō)，熱過(guò)程大多具有較大的滯后，它對(duì)任何信號(hào)的響應(yīng)都會(huì)推遲一段時(shí)間，使輸出與輸入之間產(chǎn)生相移。對(duì)于這樣一些存在大的滯后特性的過(guò)渡過(guò)程控制，一般來(lái)說(shuō)可以采用以下幾種控制方案：</p><p><b>　　1．輸出開(kāi)關(guān)量控制</b></p><p>　　對(duì)于慣性較大的過(guò)程可以簡(jiǎn)單地采用輸出開(kāi)關(guān)量控制的方法。這種方法

37、通過(guò)比較給定值與被控參數(shù)的偏差來(lái)控制輸出的狀態(tài)：開(kāi)關(guān)或者通斷，因此控制過(guò)程十分簡(jiǎn)單，也容易實(shí)現(xiàn)。但由于輸出控制量只有兩種狀態(tài)，使被控參數(shù)在兩個(gè)方向上變化的速率均為最大，因此容易引起反饋回路產(chǎn)生振蕩，對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生十分不利的影響，甚至?xí)驗(yàn)檩敵鲩_(kāi)關(guān)的頻繁動(dòng)作而不能滿足系統(tǒng)對(duì)控制精度的要求。因此，這種控制方案一般在大慣性系統(tǒng)對(duì)控制精度和動(dòng)態(tài)特性要求不高的情況下采用。</p><p>　　2．比例控制（P控制）&

38、lt;/p><p>　　比例控制的特點(diǎn)是控制器的輸出與偏差成比例，輸出量的大小與偏差之間有對(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，抗干擾能力強(qiáng)，過(guò)渡時(shí)間短，但過(guò)程始終存在余差。因此它適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、允許被控量在一定范圍內(nèi)變化的系統(tǒng)。使用時(shí)還應(yīng)注意經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后需將累積誤差消除。</p><p>　　3．比例積分控制（PI控制）</p><p>　　由于比例積分控制

39、的特點(diǎn)是控制器的輸出與偏差的積分成比例，積分的作用使得過(guò)渡過(guò)程結(jié)束時(shí)無(wú)余差，但系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。雖然加大比例度可以使穩(wěn)定性提高，但又使過(guò)渡時(shí)間加長(zhǎng)。因此，PI控制適用于滯后較小、負(fù)荷變化不大、被控量不允許有余差的控制系統(tǒng)，它是工程上使用最多、應(yīng)用最廣的一種控制方法。</p><p>　　4．比例積分加微分控制（PID控制）</p><p>　　比例積分加微分控制的特點(diǎn)是微分的作用使控制器的

40、輸出與偏差變化的速度成正比例,它對(duì)克服對(duì)象的容量滯后有顯著的效果。在比例基礎(chǔ)上加上微分作用，使穩(wěn)定性提高，再加上積分作用，可以消除余差。因此，PID控制適用于負(fù)荷變化大、容量滯后較大、控制品質(zhì)要求又很高的控制系統(tǒng)。</p><p>　　結(jié)合本例題設(shè)計(jì)任務(wù)與要求，由于溫度系統(tǒng)的傳遞函數(shù)事先難以精確獲得，因而很難判斷哪一種控制方法能夠滿足系統(tǒng)對(duì)控制品質(zhì)的要求。但從以上對(duì)控制方法的分析來(lái)看，PID控制方法最適合本例采用

41、。另一方面，由于可以采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)控制過(guò)程，無(wú)論采用上述哪一種控制方法都不會(huì)增加系統(tǒng)硬件成本，而只需對(duì)軟件作相應(yīng)改變即可實(shí)現(xiàn)不同的控制方案。因此本系統(tǒng)可以采用PID的控制方式，以最大限度地滿足系統(tǒng)對(duì)諸如控制精度、調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量等控制品質(zhì)的要求。</p><p><b>　　2.2 系統(tǒng)組成</b></p><p>　　就控制器本身而言，控制電路可以采用經(jīng)典控制理論和

42、常規(guī)模擬控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。但隨著計(jì)算機(jī)與超大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，以現(xiàn)代控制理論和計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，采用數(shù)字控制、顯示、A/D與D/A轉(zhuǎn)換，配合執(zhí)行器與控制閥構(gòu)成的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，在過(guò)程控制過(guò)程中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　由于本例是一個(gè)典型的檢測(cè)、控制型應(yīng)用系統(tǒng)，它要求系統(tǒng)完成從溫度檢測(cè)、信號(hào)處理、輸入、運(yùn)算到輸出控制電爐加熱功率以實(shí)現(xiàn)溫度控制的全過(guò)程。因此，應(yīng)以單片微型計(jì)算機(jī)為核心組成

43、一個(gè)專用計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，以滿足檢測(cè)、控制應(yīng)用類型的功能要求。另外，單片機(jī)的使用也為實(shí)現(xiàn)溫度的智能化控制以及提供完善的人機(jī)交互界面及多機(jī)通訊接口提供了可能，而這些功能在常規(guī)數(shù)字邏輯電路中往往是難以實(shí)現(xiàn)或無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。所以，本例采用以單片機(jī)為核心的直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）。</p><p>　　第3章 單片機(jī)技術(shù)和PID算法</p><p>　　3.1 AT89C51簡(jiǎn)介</p>

44、<p>　　微型計(jì)算機(jī)是指由微處理器加上采用大規(guī)模集成電路制成的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，以及輸入輸出設(shè)備相連接的I/O接口電路，微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱MC。如果將微處理器、存儲(chǔ)器和輸入/輸出接口電路集成在一塊集成電路芯版上，稱為單片微型計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱單片機(jī)。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)選用的是AT89C51，是MCS-51單片機(jī)系列的一種。其結(jié)構(gòu)體系完整、指令系統(tǒng)功能完善、內(nèi)部寄存器規(guī)范、性能優(yōu)越、技術(shù)成熟

45、、具有高可靠性和高性價(jià)比。</p><p>　　它提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4k 字節(jié)Flash 閃速存儲(chǔ)器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32 個(gè)I/O 口線，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，AT89C51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存

46、RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。 </p><p>　　3.1.1 單片機(jī)的引腳介紹</p><p>　　其引腳圖如圖3-1所示</p><p>　　圖3-1 單片機(jī)引腳圖</p><p><b>　　其各引腳的功能如下</b></p><p>　　VCC

47、：供電電壓。 </p><p><b>　　GND：接地。 </b></p><p>　　P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開(kāi)路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P0口的管腳第一次寫(xiě)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)/地址的低八位。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

48、須接上拉電阻。 </p><p>　　P1口：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(xiě)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口作為低八位地址接收。 </p><p>　　P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，

49、輸出4個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫(xiě)“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(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)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(hào)和控制信號(hào)。 </p>

50、;<p>　　P3口：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(xiě)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AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： </p><p><b>　　各管腳備選功能 <

51、;/b></p><p>　　P3.0 RXD（串行輸入口）</p><p>　　P3.1 TXD（串行輸出口）</p><p>　　P3.2 /INT0（外部中斷0）</p><p>　　P3.3 /INT1（外部中斷1）</p><p>　　P3.4 T0（記時(shí)器0外部輸入）</p><p

52、>　　P3.5 T1（記時(shí)器1外部輸入）</p><p>　　P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通）</p><p>　　P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）</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(hào)。</p><p>　　RST：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。 &

53、lt;/p><p>　　ALE/PROG：當(dāng)訪問(wèn)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低位字節(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輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)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(guò)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，

54、MOVC指令時(shí)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(wú)效。 </p><p>　　/PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。 </p><p>　　/EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000H-FFF

55、FH），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編程電源（VPP）。 </p><p>　　XTAL1：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：來(lái)自反向振蕩器的輸出。</p><p>　　3.1.2 單片

56、機(jī)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)</p><p>　　存儲(chǔ)器是組成計(jì)算機(jī)的三大部件之一，其功能是存儲(chǔ)信息（數(shù)據(jù)和程序）。存儲(chǔ)器按其存儲(chǔ)方式可分為兩大類：一類為隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）；另一類為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ROM）。</p><p>　　CPU在運(yùn)行時(shí)可對(duì)RAM隨時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的的寫(xiě)入和讀出，但在關(guān)閉電源時(shí)，RAM中所存的信息也會(huì)丟失，所以RAM只能用來(lái)存放暫時(shí)性的輸入/輸出數(shù)據(jù)、運(yùn)算中的結(jié)果等。RAM也因此常被稱為數(shù)

57、據(jù)存儲(chǔ)器。</p><p>　　而ROM是一種寫(xiě)入數(shù)據(jù)后不能改寫(xiě)只能讀出的存儲(chǔ)器。在斷電后，ROM中的信息保留不變，所以ROM用來(lái)存放固定的程序或數(shù)據(jù)。ROM因此也常被稱為程序存儲(chǔ)器。</p><p>　　MCS-51單片機(jī)的存儲(chǔ)器配置比一般的微機(jī)配置復(fù)雜，其具體配置是多種存儲(chǔ)器的交疊。這種交疊不僅反映在存儲(chǔ)器的種類上，而且還體現(xiàn)在存儲(chǔ)器的地址空間上。</p><p&g

58、t;　　MCS-51單片機(jī)存儲(chǔ)器可分為5類：</p><p>　　1．片內(nèi)程序存儲(chǔ)器；</p><p>　　2．片外程序存儲(chǔ)器；</p><p>　　3．片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；</p><p>　　4．特殊功能存儲(chǔ)器；</p><p>　　5．片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。</p><p>　　MCS-51單片機(jī)存

59、儲(chǔ)器的地址空間可分為3個(gè)，在訪問(wèn)3個(gè)不同的地址空間時(shí)采用不同形式的指令： </p><p>　　1．片內(nèi)片外統(tǒng)一編址的64K的程序存儲(chǔ)器地址空間（16位地址0000H-FFFFH）；</p><p>　　2．片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與特殊功能存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址的256B內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址空間</p><p>　　（8位地址00H-7FH，80H-FFH）；</p>

60、<p>　　3．64KB片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址空間（16位地址0000H-FFFFH）。</p><p>　　89C51內(nèi)部RAM共有256個(gè)單元，這256個(gè)單元共分為兩部分。其一是地址從00H—7FH單元（共128個(gè)字節(jié)）為用戶數(shù)據(jù)RAM。從80H—FFH地址單元（也是128個(gè)字節(jié)）為特殊寄存器（SFR）單元。從圖3-2中可清楚地看出它們的結(jié)構(gòu)分布。</p><p>　　圖3-2

61、存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　單片機(jī)的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器共有128個(gè)字節(jié)，地址范圍是00H-7FH，分成工作寄存器區(qū)、位尋址區(qū)、通用RAM區(qū)三部分。</p><p>　　3.2 PID算法介紹</p><p>　　PID調(diào)節(jié)是Proportional（比例）、Integral（積分）、Differential（微分）三者的縮寫(xiě)，是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)最成熟、行之有效、應(yīng)用

62、最廣泛的一種調(diào)節(jié)方式。PID調(diào)節(jié)的實(shí)質(zhì)就是根據(jù)輸入的偏差值，按比例、積分、微分的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算，其運(yùn)算結(jié)果用以輸出控制。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)被控對(duì)象的特性和控制要求，可靈活地改變PID的結(jié)構(gòu)，取其中的一部分環(huán)節(jié)構(gòu)成控制規(guī)律，如比例（P）調(diào)節(jié)、比例積分（PI）調(diào)節(jié)、比例積分微分（PID）調(diào)節(jié)等。盡管憑著單片微機(jī)的優(yōu)勢(shì)，計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)取代了模擬控制系統(tǒng)，但是，在長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐中，模擬PID控制算法所積累的經(jīng)驗(yàn)并未被人們遺忘，而是被廣泛地應(yīng)

63、用到計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中來(lái)，形成一種新型PID控制方式，稱之為數(shù)字PID控制。</p><p>　　3.2.1 PID算法的數(shù)字化</p><p>　　PID算法的數(shù)字化，其實(shí)質(zhì)就是將連續(xù)形式的PID微分方程式轉(zhuǎn)化為離散形式的PID差分方程。在模擬系統(tǒng)中，PID算法的表達(dá)式為：</p><p><b>　　(3-1)</b></p>

64、<p>　　式中，u(t)-調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)；</p><p>　　e(t)-調(diào)節(jié)器的偏差信號(hào)，等于給定值與測(cè)量值之差；</p><p>　　Kp-調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；</p><p>　　Ti-調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間；</p><p>　　Td-調(diào)節(jié)器的微分時(shí)間。</p><p>　　控制點(diǎn)目前包含三種比較簡(jiǎn)單的P

65、ID控制算法，分別是：增量式算法，位置式算法，微分先行。這三種PID算法雖然簡(jiǎn)單，但各有特點(diǎn)，基本上能滿足一般控制的大多數(shù)要求。 </p><p>　　實(shí)際上，位置式與增量式控制對(duì)整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)并無(wú)本質(zhì)區(qū)別。增量型算法僅僅是就是方法的改進(jìn)，而沒(méi)有改變位置型算法的本質(zhì)。</p><p>　　3.2.2 PID算法的運(yùn)用</p><p>　　由于計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，

66、它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值來(lái)計(jì)算控制量。因此，在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，必須首先對(duì)式（3-1）進(jìn)行離散化處理，用數(shù)字形式的差分方程代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程，此時(shí)積分項(xiàng)和微分項(xiàng)可用求和及增量式表達(dá)。</p><p>　　對(duì)溫度的控制算法，采用技術(shù)成熟的PID算法，對(duì)于時(shí)間常數(shù)比較大的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其近似于連續(xù)變化，因此用數(shù)字PID完全可以得到比較好的控制效果。</p><p>　　簡(jiǎn)單的比例調(diào)節(jié)器能夠反

67、應(yīng)很快，但不能完全消除靜差，控制不精確，為了消除比例調(diào)節(jié)器中殘存的靜差，在比例調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上加入積分調(diào)節(jié)器，積分器的輸出值大小取決于對(duì)誤差的累積結(jié)果，在誤差不變的情況下，積分器還在輸出直到誤差為零，因此加入積分調(diào)節(jié)器相當(dāng)于能自動(dòng)調(diào)節(jié)控制常量，消除靜差，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。積分器雖然能消除靜差，但使系統(tǒng)響應(yīng)速度變慢。進(jìn)一步改進(jìn)調(diào)節(jié)器的方法是通過(guò)檢測(cè)信號(hào)的變化率來(lái)預(yù)報(bào)誤差，并對(duì)誤差的變化作出響應(yīng)，于是在PI調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上再加上微分調(diào)節(jié)器，組成比

68、例、積分、微分(PID)調(diào)節(jié)器，微分調(diào)節(jié)器的加入將有助于減小超調(diào)，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，同時(shí)加快了系統(tǒng)的穩(wěn)定速度，縮短調(diào)整時(shí)間，從而改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，其控制規(guī)律為：</p><p><b>　　(3-2)</b></p><p>　　單片機(jī)是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的誤差值計(jì)算控制變量，不能直接計(jì)算公式中的積分項(xiàng)和微分項(xiàng)，采用數(shù)值計(jì)算法逼近后，PID

69、的調(diào)節(jié)規(guī)律可以通過(guò)數(shù)值公式</p><p><b>　　(3-3)</b></p><p>　　計(jì)算，如果采樣取得足夠小，這種逼近可相當(dāng)準(zhǔn)確，被控過(guò)程與連續(xù)過(guò)程十分接近。我們變換上式(3-3)得：</p><p><b>　　(3-4)</b></p><p>　　把△ei = ei - ei-1,

70、△2 ei=△ei -△ei-1帶人上式（3-4）得：</p><p><b>　　(3-5)</b></p><p>　　式中ei=W—Yi，W為設(shè)定值，Yi為第i次實(shí)際輸出值，Kp為比例系數(shù)，積分系數(shù)I=T/Ti，微分系數(shù)D=Td/T，T為采樣周期，以(3-5)式來(lái)編程比較方便。</p><p>　　用PID控制算法實(shí)現(xiàn)溫度控制是這樣一個(gè)反

71、饋過(guò)程：比較實(shí)際溫度和設(shè)定爐溫得到偏差，通過(guò)對(duì)偏差的處理獲得控制信號(hào)，再去調(diào)節(jié)電加熱爐的加熱功率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫的控制，由于電阻爐一般都是下一階段對(duì)象和帶純滯后的一階對(duì)象，所以式中Kp、Kd和Ki的選擇取決于電阻爐的響應(yīng)特性和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。</p><p>　　本程序先將用戶設(shè)定溫度和鍋爐實(shí)際溫度T比較，計(jì)算出偏差ei，然后分兩種情況進(jìn)行計(jì)算控制變量：</p><p>　　1．ei大于等于設(shè)定

72、的偏差e時(shí)，由于積分控制器使系統(tǒng)響應(yīng)速度變慢，不采用積分控制器調(diào)節(jié)，直接使用PD調(diào)節(jié)，獲得比較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，計(jì)算Pd和Pp，最終得到控制量獲得比較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。</p><p>　　2．ei小于設(shè)定的設(shè)定的偏差e時(shí)，正常的分別計(jì)算Pi、Pd和Pp，然后根據(jù)算法公式計(jì)算出控制變量。</p><p><b>　　3.3 小結(jié)</b></p><p>

73、;　　本章對(duì)單片機(jī)控制技術(shù)，以及PID控制算法進(jìn)行了深入分析，著重闡述了單片機(jī)結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)，以及PID算法的使用，為設(shè)計(jì)提供了硬件基礎(chǔ)與軟件資源，為下一步的設(shè)計(jì)做好準(zhǔn)備。</p><p>　　第4章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)</p><p><b>　　4.1 系統(tǒng)概況</b></p><p>　　本系統(tǒng)是采用以AT89C51單片機(jī)為核心的溫度控制系統(tǒng)

74、，通過(guò)溫度傳感器采樣實(shí)時(shí)溫度，并通過(guò)變送器將溫度最終轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器0808將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，送入單片機(jī)與給定值進(jìn)行比較，通過(guò)運(yùn)用PID算法得出控制結(jié)果，送顯示并進(jìn)行控制。</p><p>　　總體設(shè)計(jì)方案見(jiàn)如圖4-1所示。</p><p>　　圖4-1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案圖</p><p><b>　　4.2 功能模塊</b><

75、;/p><p>　　4.2.1 單片機(jī)控制模塊</p><p>　　A/T89C51是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，將采集來(lái)的數(shù)據(jù)與設(shè)定值進(jìn)行比較，利用PID算法得出結(jié)果并送輸出。整個(gè)控制系統(tǒng)的程序就下載到單片機(jī)中去。</p><p>　　A/T89C51仿真圖如圖4-2所示。</p><p>　　圖4-2 單片機(jī)仿真</p><p&g

76、t;　　4.2.2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與采集模塊A/D0808</p><p>　　AD0808是CMOS的8位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，采用逐次逼近原理進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，芯片內(nèi)有模擬多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)和A/D轉(zhuǎn)換兩大部分，可對(duì)8路0～5V的輸入模擬電壓信號(hào)分時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。模擬多路開(kāi)關(guān)由8路模擬開(kāi)關(guān)和3位地址鎖存譯碼器組成，可選通8路模擬輸入中的任何一路，地址鎖存信號(hào)ALE將3位地址信號(hào)ADDA、ADDB、ADDC進(jìn)行鎖存，然后由譯碼電路選通其

77、中的一路，被選中的通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換部分包括比較器、逐次逼近寄存器（SAR）、256R電阻網(wǎng)絡(luò)、樹(shù)狀電子開(kāi)關(guān)、控制與時(shí)序電路等。另外ADC0809輸出具有TTL三態(tài)鎖存緩沖器，可直接連到CPU數(shù)據(jù)總線上。</p><p>　　實(shí)時(shí)溫度經(jīng)過(guò)傳感器的檢測(cè)并通過(guò)變送器將其轉(zhuǎn)換成模擬的電壓信號(hào)，而A/D0808則用來(lái)采集電壓信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)在單片機(jī)中，以便后續(xù)對(duì)數(shù)據(jù)的處理。</p>

78、<p>　　其硬件仿真圖如圖4-3所示。</p><p>　　圖4-3 A/D0808仿真圖</p><p>　　4.2.3 按鍵選擇模塊</p><p>　　系統(tǒng)采用了兩個(gè)按鍵用來(lái)進(jìn)行溫度的設(shè)定，一個(gè)進(jìn)行溫度加，一個(gè)進(jìn)行溫度減。每按下一次，溫度就相應(yīng)的加一或減一。按照設(shè)計(jì)要求，溫度的設(shè)定范圍為50-150度，其仿真如圖4-4所示。</p>

79、<p>　　圖4-4 按鍵示意圖</p><p>　　4.2.4 顯示模塊</p><p>　　顯示模塊采用兩個(gè)7段共陰極數(shù)碼管，一個(gè)用來(lái)顯示實(shí)時(shí)溫度，一個(gè)用來(lái)顯示設(shè)定溫度。并用74LS04來(lái)驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管。</p><p>　　其仿真圖如圖4-5所示。</p><p>　　圖4-5 顯示示意圖</p><p>

80、　　4.2.5 報(bào)警模塊</p><p>　　當(dāng)實(shí)時(shí)溫度高于或低于設(shè)定溫度5度以上時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)報(bào)警，報(bào)警指示燈紅燈亮。</p><p><b>　　如圖4-6所示。</b></p><p>　　圖4-6 報(bào)警示意圖</p><p>　　4.2.6 輸出模塊</p><p>　　經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)的運(yùn)算，單片

81、機(jī)通過(guò)P3.4口的高低電平來(lái)控制加熱系統(tǒng)的通斷，通過(guò)導(dǎo)通時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)控制加熱的強(qiáng)度，以達(dá)到精確控制的效果。當(dāng)溫度在設(shè)定溫度的正負(fù)5度之內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行PID運(yùn)算控制；當(dāng)高于設(shè)定溫度5度時(shí)，停止加熱；當(dāng)?shù)陀谠O(shè)定溫度5度時(shí)，全功率加熱。由于仿真軟件自身?xiàng)l件的原因，使用綠色的LED燈代替，當(dāng)綠燈亮?xí)r，表示正在加熱，不亮?xí)r，停止加熱。仿真圖如4-7所示。</p><p>　　圖4-7 加熱示意圖</p>&l

82、t;p>　　4.3 總體方案的實(shí)現(xiàn)和元器件清單</p><p>　　4.3.1系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)</p><p>　　系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)圖如圖4-8所示。</p><p>　　圖4-8 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案圖</p><p><b>　　其中：</b></p><p>　　1．單片機(jī)采用的是MCS-51系列

83、的89C51，其集成了中央處理器CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、程序存儲(chǔ)器ROM或EPROM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷控制器及串型和并行I/O接口等部件。</p><p>　　單片機(jī)主要應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的檢測(cè)、數(shù)據(jù)的采集以及對(duì)應(yīng)用對(duì)象的控制。它具有體積小、重量輕、價(jià)格低、可靠性高、耗電少和靈活機(jī)動(dòng)等許多優(yōu)點(diǎn)。單片機(jī)是微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要分支，特別適合用于智能控制系統(tǒng)。</p><p&g

84、t;　　2．實(shí)時(shí)的溫度測(cè)量由于條件的限制直接用模擬電壓來(lái)代替?zhèn)鞲衅骷白兯推鳎?808來(lái)采樣和轉(zhuǎn)換溫度。</p><p>　　4.3.2元器件清單</p><p>　　系統(tǒng)所需的元器件清單如表4-1所示。</p><p>　　表4-1 系統(tǒng)配置清單表</p><p><b>　　4.4 小結(jié)</b></p>

85、<p>　　系統(tǒng)硬件是設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，在設(shè)計(jì)軟件程序之前，要對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有個(gè)深入的了解，本章詳細(xì)介紹了整個(gè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和各模塊的選型，介紹了系統(tǒng)的概況，使讀者對(duì)總體的設(shè)計(jì)有個(gè)大致了解。</p><p>　　第5章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　5.1 Protues7軟件概況</p><p>　　PROTUES是一種基于標(biāo)準(zhǔn)仿真殷勤SOICE3F5的

86、混合電路仿真工具，既可以仿真模擬電路，又可以仿真數(shù)字電路以及數(shù)字、模擬混合電路，其最大特色在于能夠仿真基于控制器的系統(tǒng)。它是目前最好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。雖然目前國(guó)內(nèi)推廣剛起步，但已受到單片機(jī)愛(ài)好者、從事單片機(jī)教學(xué)的教師、致力于單片機(jī)開(kāi)發(fā)應(yīng)用的科技工作者的青睞。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。是目前世界上

87、唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺(tái)，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即將增加Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯。其程序界面如圖5-1所示。</p><p>　　圖5-1 Protue

88、s7工作界面</p><p>　　PROTUES軟件的功能特點(diǎn)介紹如下：</p><p><b>　　1．原理布圖 </b></p><p>　　2．PCB自動(dòng)或人工布線 </p><p>　　3．SPICE電路仿真　 </p><p><b>　　革命性的特點(diǎn)： </b>&

89、lt;/p><p>　　1．互動(dòng)的電路仿真。用戶甚至可以實(shí)時(shí)采用諸如RAM，ROM，鍵盤(pán)，馬達(dá)，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。 </p><p>　　2．仿真處理器及其外圍電路?？梢苑抡?1系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流單片機(jī)。還可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程，再配合顯示及輸出，能看到運(yùn)行后輸入輸出的效果。配合系統(tǒng)配置的虛擬邏輯分析儀、示波器等，P

90、rotues建立了完備的電子設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)環(huán)境。</p><p>　　同時(shí)它還具有4大功能模塊：智能原理圖設(shè)計(jì)（ISIS），完善的電路仿真功能（Prospice），獨(dú)特的單片機(jī)協(xié)同仿真功能（VSM），實(shí)用的PCB設(shè)計(jì)平臺(tái)。</p><p>　　Protues提供了豐富的資源：</p><p>　　1．Protues可提供的仿真元器件資源：仿真數(shù)字和模擬、交流和直流等數(shù)千種

91、元器件，有30多個(gè)元件庫(kù)。 </p><p>　　2．Protues可提供的仿真儀表資源 ：示波器、邏輯分析儀、虛擬終端、SPI調(diào)試器、I2C調(diào)試器、信號(hào)發(fā)生器、模式發(fā)生器、交直流電壓表、交直流電流表。理論上同一種儀器可以在一個(gè)電路中隨意的調(diào)用。</p><p>　　3．除了現(xiàn)實(shí)存在的儀器外，Protues還提供了一個(gè)圖形顯示功能，可以將線路上變化的信號(hào)，以圖形的方式實(shí)時(shí)地顯示出來(lái)，其作用

92、與示波器相似，但功能更多。這些虛擬儀器儀表具有理想的參數(shù)指標(biāo)，例如極高的輸入阻抗、極低的輸出阻抗。這些都盡可能減少了儀器對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。 </p><p>　　4．Protues可提供的調(diào)試手段 Protues提供了比較豐富的測(cè)試信號(hào)用于電路的測(cè)試。這些測(cè)試信號(hào)包括模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。</p><p>　　5.2 WAVE6000軟件簡(jiǎn)介</p><p>　　5.

93、2.1 軟件概況</p><p>　　WAVE6000是南京偉福公司的單片機(jī)開(kāi)發(fā)編譯軟件，采用中文界面。用戶源程序大小不受限制，有豐富的窗口顯示方式，能夠多方位、動(dòng)態(tài)地展示程序的執(zhí)行過(guò)程。其項(xiàng)目管理功能強(qiáng)大，可使單片機(jī)程序化大為小，化繁為簡(jiǎn)，便于管理。另外，其書(shū)簽、斷點(diǎn)管理功能以及外設(shè)管理功能等為51單片機(jī)的仿真帶來(lái)極大的便利。</p><p>　　5.2.2 程序界面</p>

94、<p>　　WAVE6000界面如圖5-2所示。</p><p>　　圖5-2 WAVE6000界面</p><p><b>　　5.3 子程序設(shè)定</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)使用了較多的子程序，命名皆以其功能作用為名，目的是增加程序的可讀性?？偝绦蛞?jiàn)附錄。</p><p><b>　　5

95、.4 程序流程</b></p><p>　　控制系統(tǒng)的程序主要包括：采樣、標(biāo)度變換、控制計(jì)算、控制輸出、中斷、顯示、報(bào)警、調(diào)節(jié)參數(shù)修改、溫度設(shè)定及修改。其中控制算法采用數(shù)字PID調(diào)節(jié)，應(yīng)用增量型控制算法，并對(duì)積分項(xiàng)進(jìn)行改進(jìn)，以達(dá)到更好的控制效果。根據(jù)課題要實(shí)現(xiàn)的功能及要求，WAVE6000軟件的獨(dú)立控制部分設(shè)計(jì)。</p><p>　　各個(gè)程序的流程圖如下。</p>

96、<p><b>　　1．主程序流程圖</b></p><p>　　主程序主要實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)的初始化，并通過(guò)調(diào)用子程序?qū)崿F(xiàn)將運(yùn)算結(jié)果與極限值進(jìn)行比較，從而確定跳轉(zhuǎn)方向，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的報(bào)警功能及運(yùn)算功能。</p><p>　　主程序流程圖如圖5-3所示。</p><p>　　圖5-3 主程序流程圖</p><p>　　

97、2．采樣子程序流程圖</p><p>　　采樣子程序的是A/D0808將模擬的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化成的數(shù)字信號(hào)，由于各種干擾會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生誤差，為了減小誤差，所以要采樣三次，將采樣值存在2CH,2DH,2EH中去。</p><p>　　采樣子程序流程圖如圖5-4所示。</p><p>　　圖5-4采樣子程序流程圖</p><p>　　3．濾波子程序流程

98、圖</p><p>　　從上邊可以知道為了減小系統(tǒng)誤差采樣了3次，而濾波子程序則是將三次采樣值進(jìn)行比較，取中間值作為實(shí)時(shí)溫度的值，用它進(jìn)行顯示以及后續(xù)的的運(yùn)算。</p><p>　　濾波子程序流程圖如圖5-5所示。</p><p>　　圖5-5 濾波子程序流程圖</p><p>　　4．顯示子程序流程圖</p><p>

99、;　　實(shí)時(shí)溫度和設(shè)定溫度分別存在51H和50H中，顯示子程序?qū)⑦@兩個(gè)溫度轉(zhuǎn)換成BCD碼見(jiàn)其存在70H-75H中，通過(guò)查表的方法將其轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的段碼，最后運(yùn)用動(dòng)態(tài)顯示的方法將其顯示出來(lái)。</p><p>　　顯示子程序流程圖如圖5-6所示。</p><p>　　圖5-6 顯示子程序流程圖</p><p><b>　　5．按鍵選擇流程圖</b>&l

100、t;/p><p>　　通過(guò)延時(shí)程序判斷按鍵是否按下，從而進(jìn)行條件轉(zhuǎn)移，改變?cè)O(shè)定值。設(shè)定值的范圍是50-150度，當(dāng)溫度超過(guò)這個(gè)范圍是時(shí)，按鍵將不起作用。</p><p>　　按鍵選擇流程圖如圖5-7所示。</p><p>　　圖5-7 按鍵選擇流程圖</p><p>　　6．PID控制子程序流程圖</p><p>　　根據(jù)

101、PID算法公式，PID算法程序運(yùn)用雙字節(jié)加法程序，雙字節(jié)求補(bǔ)程序，雙字節(jié)無(wú)符號(hào)乘法程序，雙字節(jié)有符號(hào)乘法程序?qū)崿F(xiàn)了PID公式的程序化。</p><p>　　PID控制子程序流程圖如圖5-8所示。</p><p>　　圖5-8 PID算法程序流程圖</p><p>　　7．T1中斷程序流程圖</p><p>　　當(dāng)中斷到來(lái)時(shí)，關(guān)閉計(jì)數(shù)器，清F0

102、標(biāo)志位，返回主程序。</p><p>　　T1中斷程序流程圖如圖5-9所示。</p><p>　　圖5-9 T1中斷子程序流程圖</p><p>　　5.5 程序仿真調(diào)試</p><p>　　5.5.1 WAVE6000仿真調(diào)試</p><p>　　通過(guò)WAVE6000軟件分別對(duì)每個(gè)子程序進(jìn)行便攜機(jī)調(diào)試，調(diào)試成功后，在

103、編寫(xiě)主程序，將每個(gè)子程序聯(lián)系起來(lái)，進(jìn)行整體的調(diào)試。調(diào)試成功后，下載到單片機(jī)中，進(jìn)行仿真。</p><p>　　程序設(shè)計(jì)示例如圖5-10所示。</p><p>　　圖5-10 程序樣圖</p><p>　　5.5.2 軟硬連調(diào)</p><p>　　系統(tǒng)的整體仿真圖如圖5-11所示。</p><p>　　圖5-11仿真示意

104、圖</p><p>　　本次設(shè)計(jì)采用的是Protues軟件來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)的仿真，同時(shí)通過(guò)WAVE6000軟件來(lái)對(duì)程序進(jìn)行編譯和調(diào)試，最后添加到單片機(jī)中去，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)的仿真，達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。</p><p><b>　　5.6 小結(jié)</b></p><p>　　程序部分的設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，其中包含了系統(tǒng)的核心算法，即PID算法，它確定

105、了電加熱爐的控制精度，使得本次設(shè)計(jì)能夠滿足要求。程序部分相當(dāng)于一個(gè)人的大腦，它控制了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作。本章從軟件的概況、各控制程序的流程等方面詳細(xì)做了介紹，在保證了功能實(shí)現(xiàn)的同時(shí)，盡量增加程序的可讀性，方便在需要時(shí)進(jìn)一步改進(jìn)。</p><p><b>　　第6章 課題特點(diǎn)</b></p><p>　　6.1 單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用</p><p>　　

106、在計(jì)算機(jī)控制領(lǐng)域，單片機(jī)控制憑借其快速計(jì)算、靈活多樣的邏輯判斷和高效的信息加工能力，提高了生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化程度，減少了人工干預(yù)，并不斷地完善和滿足工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國(guó)防科技日益增長(zhǎng)的需要。結(jié)合許多成功例子，使得單片機(jī)的應(yīng)用于自動(dòng)控制系統(tǒng)有了強(qiáng)大的保障。伴隨更多人的關(guān)注，單片機(jī)技術(shù)會(huì)有更大的發(fā)展。本系統(tǒng)采用的單片機(jī)是計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的水平發(fā)展到一個(gè)嶄新的階段，這就注定了在今后的使用當(dāng)中，有這更多的拓展的空間和進(jìn)行進(jìn)一步提高性能的基礎(chǔ)。</p

107、><p>　　6.2 PID算法的運(yùn)用</p><p>　　由于對(duì)系統(tǒng)有較高的精度要求，這就要求控制范圍寬、響應(yīng)快且連續(xù)可調(diào)，所以我選用PID進(jìn)行控制，并將模糊控制應(yīng)用于PID的參數(shù)整定。對(duì)電加熱爐控制系統(tǒng)的控制取得了滿意的效果。</p><p>　　在溫度范圍內(nèi)過(guò)沖小于5℃時(shí)，則采用PID調(diào)節(jié)，當(dāng)溫度偏差大于5℃時(shí)全功率加熱，當(dāng)溫度偏差小于5℃時(shí)，停止加熱。</

108、p><p>　　在此系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了逐點(diǎn)連續(xù)調(diào)控，與單純的PID調(diào)節(jié)相比，調(diào)節(jié)時(shí)間減小，穩(wěn)定精度減小，超調(diào)量變小，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性曲線有明顯改善，該系統(tǒng)對(duì)希望超調(diào)量小，穩(wěn)定度高的電加熱爐系統(tǒng)有很好的實(shí)用價(jià)值。</p><p>　　6.3 軟件的調(diào)試仿真</p><p>　　本次設(shè)計(jì)中運(yùn)用了WAVE6000對(duì)程序進(jìn)行了編譯和調(diào)試，使我更容易找到程序的錯(cuò)誤和不合理的地方，通過(guò)仿真

109、軟件對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的建模與仿真為我們?cè)趯?shí)際系統(tǒng)中更好掌握其動(dòng)向并發(fā)現(xiàn)問(wèn)題予以解決奠定了良好的基礎(chǔ)。</p><p><b>　　第7章 結(jié)論</b></p><p>　　現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，用于熱處理的加熱爐，需要消耗大量的電能，而且溫度控制是純滯后的一階大慣性環(huán)節(jié)。現(xiàn)有企業(yè)多采用常規(guī)儀表加接觸器的斷續(xù)控制，隨著科技進(jìn)步和生產(chǎn)的發(fā)展，這類設(shè)備對(duì)溫度的控制要求越來(lái)越高，除

110、控溫精度外，對(duì)溫度上升速度及下降速度也提出了可控要求，顯而易見(jiàn)常規(guī)控制難于滿足這些工藝要求。隨著微電子技術(shù)及電力電子技術(shù)的發(fā)展，采用功能強(qiáng)、體積小、價(jià)格低的智能化溫度控制裝置控制加熱爐已成為現(xiàn)實(shí) 。</p><p>　　采用單片機(jī)來(lái)對(duì)溫度進(jìn)行控制不僅具有控制方便、簡(jiǎn)單和靈活性等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量，比過(guò)去單純采用電子線路進(jìn)行PID調(diào)節(jié)的控制效果要好的多。&l

111、t;/p><p>　　微機(jī)控制系統(tǒng)的快速計(jì)算、靈活多樣的邏輯判斷和高效的信息加工能力使自動(dòng)控制進(jìn)人了更高一級(jí)的領(lǐng)域，提高了生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化程度，減少了人工干預(yù)，并不斷地完善和滿足工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國(guó)防科技日益增長(zhǎng)的需要。隨著微機(jī)和單片機(jī)的推廣使用，實(shí)現(xiàn)信息自動(dòng)化與過(guò)程控制相結(jié)合的分級(jí)分布式計(jì)算機(jī)控制，使計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的水平發(fā)展到一個(gè)嶄新的階段。論文在自動(dòng)控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)闡述了其在電加熱爐溫度控制系統(tǒng)的應(yīng)用。同時(shí)，采用