單片機閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計

1、<p>　　畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書</p><p>　　茲發(fā)給 班學(xué)生 </p><p>　　畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書，內(nèi)容如下：</p><p>　　1.畢業(yè)設(shè)計（論文）題目： 單片機閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計</p><p><b>　　應(yīng)完成的項目：</b>&l

2、t;/p><p>　　了解熟悉單片機閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計基本原理。 </p><p>　　學(xué)習(xí)掌握溫度控制的基本理論。 </p><p>　　深入研究閉環(huán)溫度控制方法。 </p

3、><p>　　完成單片機閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計。 </p><p>　　總結(jié)單片機閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計經(jīng)驗。 </p><p>　　3.參考資料以及說明：</p><p>　　何立民. 單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計—系統(tǒng)配置與接口技術(shù). 北京航天大學(xué)出版社. 1990.54~114;138~180;254~309;421~474.&

4、lt;/p><p>　　孫育才. MCS-51系列單片微型計算機及其應(yīng)用.南京：南京工學(xué)院出版社.1987.2~180. </p><p>　　李永敏.數(shù)字化測試技術(shù)-模擬信號調(diào)理，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及采集技術(shù).北京：航空工業(yè)出版社.1987.32~161. </p><p>　　BASIC單片機原理及應(yīng)用.武漢力源單片

5、機技術(shù)研究所.1996.4</p><p>　　楊寧.分布式計算機遙測管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能[J].北華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）,2000,1(2):178~181.</p><p>　　徐志軍，大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷捌鋺?yīng)用[M] .成都：電子科技大學(xué)出版.2000. </p><p>　　趙不賄.在系統(tǒng)可編程器件與開發(fā)技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，

6、2001.</p><p>　　張洪潤，藍清華.單片機應(yīng)用技術(shù)教程[M] .北京：清華大學(xué)出版社，1997. </p><p>　　張毅剛等編. MCS-51單片機應(yīng)用設(shè)計.哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1993</p><p>　　沙占友.新編數(shù)字化測量技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，1998.</p><p>　　張俊謨編著.單片機中級

7、教程原理與應(yīng)用. 北京航空航天大學(xué)出版出社，2000.6</p><p>　　何立民編著.單片機高級教程應(yīng)用與設(shè)計. 北京航空航天大學(xué)出版出社，2000.8</p><p>　　張奮程 最新CMOS數(shù)字集成電路應(yīng)用手冊.廣東科技出版社，1995</p><p>　　潘新民 微型計算機控制技術(shù) 高等教育出版社</p><p><b

8、>　　4. 進度要求：</b></p><p>　　11月23日完成論文初稿。</p><p>　　12月14日完成設(shè)計，并交設(shè)計論文。</p><p>　　12月21日演示設(shè)計結(jié)果。</p><p><b>　　1月4日論文答辯。</b></p><p>　　5.本畢業(yè)設(shè)計（論

9、文）任務(wù)書于2003年9月10日發(fā)出，應(yīng)于2004年1月1日前完成，然后提交畢業(yè)考試委員會進行答辯。</p><p>　　教研主任 審核 2003 年 9 月 10 日</p><p>　　指導(dǎo)教師 簽發(fā) 2003 年 9月 10 日</p><p><b>　　摘要</b></p>&

10、lt;p>　　本文介紹了一種PID水溫控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用單片機可以方使地實現(xiàn)對PID參數(shù)的選擇與設(shè)定；也可以通過計算機與單片機的串行通訊，實現(xiàn)工業(yè)過程中的交互式PID控制。它是用溫度傳感器將檢測到的實際爐溫A/D轉(zhuǎn)換，送入計算機中，與設(shè)定值進行比較，得出偏差。對此偏差按PID算法進行修正，求得對應(yīng)的控制量控制可控硅驅(qū)動器，調(diào)節(jié)電爐的加熱功率，從而實現(xiàn)對爐溫的控制。因此采集的爐溫數(shù)據(jù)精度至關(guān)重要。利用89C51單片機實現(xiàn)溫度智能控

11、制，能自動完成數(shù)據(jù)采集、處理、緩沖、轉(zhuǎn)換、并進行PID實施控制和鍵盤終端處理及顯示，包括各參數(shù)數(shù)值的修正。但在控制過程中應(yīng)該注意，采樣周期不能太短，否則使調(diào)節(jié)過于頻繁，不但執(zhí)行機構(gòu)不能反應(yīng)，而且計算機的利用率大為降低。采樣周期太長,也是不合適，因為干擾無法及時消除，使調(diào)節(jié)品質(zhì)下降。隨著單片機在各行業(yè)控制系統(tǒng)中的普遍采用，其構(gòu)成的實時控制系統(tǒng)日臻完善，使該溫度控制系統(tǒng)的總體性能大大提高，功能更趨完善，并詳細介紹了該系統(tǒng)的軟、硬件實施手段及

12、系統(tǒng)特點。</p><p>　　關(guān)鍵詞：單片機；PID算法；串行通訊；熱電偶；溫度控制</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　This text introduced a kind of PID water temperature control system. It can choose and modif

13、y the PID parameters by SCM expediently. Moreover, via communication between the Computer and SCM, It can visually control the industry process temperature with the extensive PID arithmetic. It is an actual cooker to spr

14、eads to feel with the temperature machine will examine temperature A/ D conversion, sending into the computer inside, proceeding the comparison with the initial value, having to out the de</p><p>　　Keywords:

15、 Single chip computer; PID arithmetic; serial communication; thermoelectric couple; Temperature control</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　摘要

16、 4</p><p>　　Abstract 5</p><p>　　前言 7</p><p>　　第

17、一章 硬件電路設(shè)計 9 1.1 主機電路的設(shè)計 10</p><p>　　1.2 I／O通道的硬件電路的設(shè)計 10</p><p>　　1．2．1

18、數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計 10</p><p>　　1．2．2電控制執(zhí)行電路的設(shè)計 10</p><p>　　1.3 鍵盤及顯示的設(shè)計 11</p>&

19、lt;p>　　1.4 溫度檢測電路設(shè)計 13</p><p>　　1.5 A/D轉(zhuǎn)換接口電路設(shè)計 13</p><p>　　1．6 光電隔離電路設(shè)計

20、 13</p><p>　　1．7 掉電保護電路的設(shè)計 14</p><p>　　1．8 時鐘電路 15</p><p>　　第二章 系統(tǒng)軟件設(shè)計

21、 17</p><p>　　2.1主程序模塊 17</p><p>　　2.2功能實現(xiàn)模塊 18</p><

22、p>　　2.2.1 T0中斷子程序 18</p><p>　　2.2.2鍵盤中斷子程序 19</p><p>　　2.2.3 T1中斷子程序

23、 19</p><p>　　2．2．4 采樣子程序 19</p><p>　　2．2．5 數(shù)字濾波子程序 19</p><p>　　2．2．6 溫度查表程序

24、 19 </p><p>　　2.3 運算控制模塊 20</p><p>　　2.3.1 標(biāo)度轉(zhuǎn)換子程序 20 </p>&l

25、t;p>　　2.3.2 PID算法子程序 21 </p><p>　　總結(jié)和結(jié)束語 22</p><p>　　附件

26、 22</p><p>　　參考文獻 23</p><p><b>　　前言</b></p><p>　　在現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)反科學(xué)實驗中常常需要對溫度進行控制和調(diào)節(jié)。在控制精度

27、要求不高的情況下，人們往往采用開環(huán)控制，這種控制方式結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)。但是在控制精度要求較高時，單純地采用開環(huán)控制往往達不到滿意的控制效果，所以此時必須采用閉環(huán)控制方式，常規(guī)采用模擬量的ND調(diào)節(jié)方式。盡管這種方法已經(jīng)被人們廣泛采用，但是由于控制對象的復(fù)雜及多樣性，在有些情況下未能獲得滿意的控制精度。</p><p>　　微型計算機，特別是單片微助計算機的應(yīng)用，使各種工業(yè)控制都發(fā)生了巨大的變化，由于單片機成本低、

28、功能強、抗干擾性能好，從而使計算機控制應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)及各種領(lǐng)域成為可能，單片機在溫度控制中的應(yīng)用更具有其他控制手段無法比擬的優(yōu)越性。</p><p>　　溫度控制是工業(yè)生產(chǎn)過程中經(jīng)常遇到的過程控制，有些工藝過程對其溫度的控制效果直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量，因而設(shè)計一種較為理想的溫度控制系統(tǒng)是非常有價值的。根據(jù)溫度變化慢，并且控制精度不易掌握的特點，本文設(shè)計了以89C51單片機為檢測控制中心的水溫自動控制系統(tǒng)。溫度控制采

29、用改進的PID數(shù)字控制算法，顯示采用3位LED靜態(tài)顯示。該設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，控制算法新穎，控制精度高，有較強的通用性。所設(shè)計的控制系統(tǒng)有以下功能：(1)溫度控制設(shè)定范圍為40~90C，最小區(qū)分度為0.2C，標(biāo)定溫差<0.6C，靜態(tài)誤差<0.4C；（2）實現(xiàn)控制可以升溫也可以降溫；（3）實時顯示當(dāng)前溫度值；（4）按鍵控制：設(shè)置復(fù)位鍵、功能轉(zhuǎn)換鍵、加一鍵、減一鍵；（4）越限報警。</p><p><b&

30、gt;　　硬件電路設(shè)計</b></p><p>　　在溫度控制中，經(jīng)常采用是硬件電路主要有兩大部分組成：模擬部分和數(shù)字部分，對這兩部分調(diào)節(jié)儀表進行調(diào)節(jié)，但都存在著許多缺點，用單片機進行溫度控制使構(gòu)成的系統(tǒng)靈活，可靠性高，并可用軟件對傳感器信號進行抗干攏濾波和非線性補償處理，可大大提高控制質(zhì)量和自動化水平；總的來說本系統(tǒng)由四大模塊組成，它們是輸入模塊、單片機系統(tǒng)模塊、計算機顯示與控制模塊和輸出控制模塊。

31、輸入模塊主要完成對溫度信號的采集和轉(zhuǎn)換工作，由溫度傳感器及其與單片機的接口部分組成。輸出模塊由可控硅和可控硅驅(qū)動器組成。MOC304X芯片是一種集成的帶有光耦合的雙向可控硅驅(qū)動電路。它內(nèi)部集成了發(fā)光二極管、雙向可控和過零觸發(fā)電路等器件。它們的邏輯關(guān)系圖如圖所示。</p><p><b>　　水溫控制硬件原理圖</b></p><p><b>　　系 統(tǒng) 組

32、成 圖</b></p><p>　　從功能模塊上來分有：主機電路（本系統(tǒng)以89C51單片機為檢測控制中心）、數(shù)據(jù)采集電路、鍵盤顯示電路、溫度檢測電路、光電隔離電路、A/D轉(zhuǎn)換接口電路、控制執(zhí)行電路以及掉電保護電路。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。</p><p>　　MCS-51型單片單板機</p><p>　　圖1 溫度控制系統(tǒng)原理硬件結(jié)構(gòu)框圖</

33、p><p>　　本系統(tǒng)的任務(wù)是對水的溫度進行實時檢測和控制，單片機定時對溫度進行檢測，通過溫度傳感器把溫度值轉(zhuǎn)換成微弱的電壓信號，該電壓經(jīng)放大器放大后通過A/D轉(zhuǎn)換得到相應(yīng)的數(shù)字量，再經(jīng)數(shù)字濾波和查表程序得到當(dāng)前的采樣溫度TX通過串行通訊送給計算機。將采樣溫度與設(shè)定溫度進行比較，如果TX≠T，則按照設(shè)計好的PID算法對偏差（采樣溫度—設(shè)定溫度）進行運算、處理，得到一個調(diào)節(jié)量。這里的調(diào)節(jié)量實際上對應(yīng)著加熱源打開或斷開的

34、時間。如果采樣溫度小于設(shè)定溫度，則單片機的P1.0腳輸出高電平， 89C51內(nèi)部導(dǎo)通，雙向可控硅控制端G端出現(xiàn)同步觸發(fā)脈沖，控制可控硅導(dǎo)通，接通加熱器使溫度升高；溫度升高到設(shè)定值時，單片機的P1.0腳自動輸出低電平，89C51內(nèi)部截止，雙向可控硅斷開，關(guān)閉加熱器，如果采樣溫度TX大于設(shè)定溫度T，則單片機的P1.1腳輸出高電平，接通冷卻器或風(fēng)扇使溫度降低，直到兩者的溫度相同后，再讓單片機的P1.1腳輸出低電平，關(guān)閉冷卻器或風(fēng)扇，從而使系統(tǒng)

35、的溫度保持在所要求的溫度值上 ，達到溫度控制的目的。</p><p>　　溫度控制范圍：0℃～100℃,控制精度≤0.5℃.</p><p>　　1．1 主機電路的設(shè)計</p><p>　　主機選用INTEL公司的MCS—51系列單片機89C51來實現(xiàn)，利用單片機軟件編程靈活自由度大的特點，力求用軟件完善各種控制算法和邏輯控制。本系統(tǒng)選用的89C51芯片時鐘可達1

36、2MHz，運算速度快，控制功能完善。其內(nèi)部具有128字節(jié)RAM，而且內(nèi)部含有4KB的EPROM不需要外擴展存儲器，可使系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)更為簡單、實用。</p><p>　　I/O通道的硬件電路的設(shè)計</p><p>　　就本系統(tǒng)來說，需要實時采集水溫數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送入單片機中的特定單元，然后一部分送去顯示；另一部分與設(shè)定值進行比較，通過PID算法得到控制量并經(jīng)由單片機輸出

37、去控制電爐加熱或風(fēng)扇降溫。</p><p>　　1．2．1 數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計</p><p>　　數(shù)據(jù)采集電路主要由AD590，MCl403，0P07，74LS373組成。考慮到溫度信號為低電平緩變信號，對A／D轉(zhuǎn)換速度要求不高，為此，選用實效價廉的ADC0809，而且，還可以根</p><p>　　據(jù)需要擴展測量8路溫度信號。為了達到測量高精度的要求，選用溫

38、度傳感器AD590，AD590具有較高精度和重復(fù)性(重復(fù)性優(yōu)于0．1℃，其良好的非線形可以保證優(yōu)于0．1℃的測量精度，利用其重復(fù)性較好的特點，通過非線形補償，可以達到0．1℃測量精度。)超低溫漂移高精度運算放大器0P07將溫度—電壓信號進行放大，便于A／D進行轉(zhuǎn)換，輸入計算機作進一步的處理，以提高溫度采集電路的可靠性。模擬電路硬件部分見圖2。</p><p>　　1．2．2 電控制執(zhí)行電路的設(shè)計</p&g

39、t;<p>　　該部分電路是利用89C51單片機對溫度器作實時控制，由輸出來控制電爐或風(fēng)扇，電爐可以近似建立為具有滯后性質(zhì)的一階慣性環(huán)節(jié)數(shù)學(xué)模型。其傳遞函數(shù)形式為</p><p>　　風(fēng)扇可以認為是線形環(huán)節(jié)實現(xiàn)對水溫的控制。采用PID控制算法，利用微分作超前補償以解決溫度的惰性問題。由于被控對象功率不大，所以采用了弱微分方式。為了實現(xiàn)強電和弱電的隔離，要選擇光電隔離器，但考慮到輸出信號要對可控硅進行

40、觸發(fā)，以便使電爐或風(fēng)扇電路導(dǎo)通，所以選用既有隔離又有觸發(fā)功能的MOC304l。光耦可控硅的特點是輸入和輸出完全隔離，相互無干擾，不考慮同步問題，不設(shè)同步變壓器，故而用其組成的電路所用元件較少，電路簡單明了，安裝維修方便，成本低，觸發(fā)電路板的體積可大幅度縮小，因而可用于各行業(yè)的調(diào)壓、調(diào)速，特別在功率自動調(diào)節(jié)的工業(yè)加熱爐、烘房和烘箱等領(lǐng)域有著十分廣闊的前景。其中P1.0口控制電爐電路；P1.1口控制風(fēng)扇電路(見圖3)。此外，還有越限報警，當(dāng)

41、溫度低于40C時黃色發(fā)光二極管亮；高于90C時紅色二極管亮。</p><p>　　1．3 鍵盤及顯示的設(shè)計</p><p>　　鍵盤和顯示器是人/機對話的接口。MCS-51系列單片機具有4個8位的I/O，即P0、P1、P2、P3。從原理上說，這4 個口均可用作雙向并行I/O接口，但在實際應(yīng)用中，P0口和P2口常被用作擴展總線，P3口的某些位又常被用作它的第二功能，特別是無ROM型的單片

42、機。所以若一個MCS-51應(yīng)用系統(tǒng)需要連接較多的并行輸入輸出外圍設(shè)備（如打印機、鍵盤、顯示器等），就必需擴展并行接口。常用的MCS-51并行接口擴展電路有：8255A、Zilog-PIO、8155、8156、87C75PF等，其中又以8255A最為常用。8255A是INTEL公司生產(chǎn)的可編程輸入輸出接口芯片，具備有3個8位的并行I/O口。有三種工作方式，可通過編程設(shè)定，因而使用起來靈活方便，通用性強，常作為單片機與許多外圍設(shè)備連接時的中

43、間電路。如8255A可作為編程器接口，將RAM6116中的數(shù)據(jù)固化到EPROM2732中，而應(yīng)用得最多的則是鍵盤/顯示器擴展電路。但對于這種用法，需設(shè)計消抖電路或編制消抖子程序。相對而言，復(fù)雜程度較高。INTEL8279是一種通用可編程鍵盤/顯示器接口芯片，可直接與INTEL微型單片機接口，在我們設(shè)</p><p>　　8279能自動完成鍵盤輸入和顯示控制兩種功能。鍵盤控制部分提供一種掃描工作方式，可與64個按鍵

44、的矩陣鍵盤連接，能對鍵盤進行自動掃描、自動消抖、自動識別出按下的鍵并給出編碼。8279提供了按掃描方式工作的顯示接口，其內(nèi)部有一個168的顯示緩沖器，能對4位或8位LED自動進行掃描，將顯示緩沖器的內(nèi)容在LED上顯示出來。8279通過74LS164譯碼器擴展2×2鍵盤、4位顯示器。由3—8譯碼器對SL0﹀SL2譯出鍵掃描線，由另一3—6譯碼器譯出顯示器的位掃描線，并采用了編碼掃描方式。</p><p>

45、　　圖為 鍵盤及顯示設(shè)計電路圖</p><p>　　鍵盤采用軟件查詢和外部中斷相結(jié)合的方法來設(shè)計，低電平有效。圖3中按鍵ANl，AN2，AN3，AN4的功能定義如表l所示。</p><p>　　按鍵AN2與P3.2(JA／70)相連，采用外部中斷方式，并且優(yōu)先級定為最高；按鍵AN3和AN4平共處分別與P1.5和P1.6 相連，采用軟件查詢的方式；AN1則為硬件復(fù)位鍵，與R、C構(gòu)成復(fù)

46、位電路。</p><p>　　顯示采用3位共陽LED靜態(tài)顯示方式，顯示內(nèi)容有溫度值的十位、個位及小數(shù)點后一位，這樣可以只用P3.0(TXD)口來輸出顯示數(shù)據(jù)，從而節(jié)省了單片機端口資源，在P1.4口和P3.1 (TXD)的控制下通過74LSl64來實現(xiàn)3位靜態(tài)顯示。數(shù)字電路硬件部分見圖3。</p><p>　　1．4 溫度檢測電路</p><p>　　采用鉑電阻溫

47、度傳感器，設(shè)計成電橋放大電路，把溫度的變化轉(zhuǎn)換成鉑電阻的變化，用電阻連成電橋，再把鉑電阻的變化轉(zhuǎn)換成電橋電壓的變化，該電壓經(jīng)放大后送ADC0809芯片進行模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換，放大電路選用單一運放構(gòu)成差動放大器，放大倍數(shù)約200倍左右，運放內(nèi)設(shè)補償，可承受大的差動輸入電壓且輸入阻抗較高，具體電路如圖所示</p><p>　　1．5 A/D轉(zhuǎn)換接口電路</p><p>　　MCS-51型單

48、片單板機擴展一片模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換芯片ADC0809芯片，從而可實現(xiàn)8路的A/D輸入，其口地址：C000H～C007H。ADC0809的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC與89C51的P1.3腳相連，所以通過查詢P1.3腳是否為高電平便可知A/D轉(zhuǎn)換是否已經(jīng)結(jié)束。89C51可以讀入轉(zhuǎn)換好數(shù)字量，并將該數(shù)字量送到軟件部分查表程序的參數(shù)入口，從而查出它所對應(yīng)的溫度值，即為采樣溫度值。</p><p>　　1．6 光電隔離電路

49、設(shè)計</p><p>　　本系統(tǒng)采用單片機的I/O線去控制加熱或冷卻器（風(fēng)扇）的通或斷，由于要經(jīng)常地接通和斷開，而這些被測控動作都要和強電聯(lián)系在一起，為避免強電控制電路可能對單片機系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾，故必須在單片機輸出口和驅(qū)動電路之間采用光電隔離器，使輸入與輸出完全絕緣。具體電路如圖3所示，圖中的R0為LED限流電阻，當(dāng)89C51的P1.0腳為高電平經(jīng)非門為低電平時，光耦導(dǎo)通，經(jīng)驅(qū)動器后就能驅(qū)動加熱工作；反之，當(dāng)

50、89C51的P1.0腳為高電平時，光耦斷開，因此不能驅(qū)動加熱器工作。</p><p>　　1．7 掉電保護電路的設(shè)計</p><p>　　掉電保護電路是為防止系統(tǒng)因為意外掉電導(dǎo)致丟失數(shù)據(jù)而設(shè)計的。采用8098單片機構(gòu)成掉電保護裝置，對掉電流的檢測電路，補償電路均可采用原保護裝置中的電路單元，運算處理單元主要由8098單片機，可編程并行接口8255A、A/D轉(zhuǎn)換器等組成，其原理圖見圖所示，

51、其檢測電路、補償電路部分略。此電路可實現(xiàn)電網(wǎng)對地電容電流的動態(tài)補償及自動調(diào)整保護動作時間等功能。</p><p>　　由檢測電路測量的電網(wǎng)對地電容電流，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為8位數(shù)字量后，經(jīng)并行接口8255A的A通道輸入給單片機8098，由8098進行運算分析后發(fā)出調(diào)整補償命令，由8255A的B通道輸出，自動調(diào)整零序電抗器的電感值，從而調(diào)整補償效果，達到動態(tài)最佳補償。</p><p>　　8

52、255A的C通道高4位為輸入，低4位為輸出，其中PC7為由檢測電路輸入的掉電流，在掉電時，其值為高電平，不掉電時為低電平；PC6為橫向選擇性保護的狀態(tài)輸入。掉電時，若橫向保護拒動或分支開關(guān)拒動，其輸入為低電平，動作為高電平。據(jù)此，8098可判斷橫向選擇性掉電保護裝置是否動作可靠，從而自動調(diào)整縱向保護的動作時間。在縱向保護動作時，由PC0輸出一高電平，使開關(guān)跳閘。</p><p>　　1．8 時鐘電路的設(shè)計&l

53、t;/p><p>　　該部分電路為計算機提供了一個精確的時標(biāo)，在該系統(tǒng)中靠計算加熱及冷卻脈沖數(shù)（計時）來調(diào)溫，故時間的準(zhǔn)確與否直接影響數(shù)據(jù)精度。本系統(tǒng)采用內(nèi)部時鐘方式用外接晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路構(gòu)成時鐘電路，另外該時鐘內(nèi)置獨立直流電源，所以是掉電可運行的，即無論系統(tǒng)掉電與否，都不會影響正常走時。通過MCS-51內(nèi)部定時器T0產(chǎn)生中斷來實現(xiàn)計時的。T0工作在定時器工作方式1，每100MS產(chǎn)生一次中斷，利用軟件將基

54、準(zhǔn)100MS（1/10 S）單元進行累加計數(shù)，當(dāng)定時器產(chǎn)生10次中斷后就產(chǎn)生了1秒信號，這時秒單元加1，同理，可對分單元和時單元計時，從而產(chǎn)生秒、分、時的時間值，并通過連接在8155A口、B口上的六位顯示器進行顯示，系統(tǒng)硬件框圖如圖所示。</p><p><b>　　系統(tǒng)硬件框圖</b></p><p>　　第二章 系統(tǒng)軟件設(shè)計</p><p>

55、;　　在數(shù)字控制系統(tǒng)中PID參數(shù)值是很重要的，系統(tǒng)參數(shù)整定的好壞直接影響調(diào)節(jié)品質(zhì)。利用PID溫度控制曲線可以方便地實現(xiàn)PID參數(shù)的整定。曲線反映了系統(tǒng)對溫度控制的狀況。通過該曲線可以很方便地輸入或修改P參數(shù)、I參數(shù)、D參數(shù)和T參數(shù)。表中“上限、正常和下限”指示當(dāng)前溫度范圍。當(dāng)測得溫度大于上限溫度設(shè)定值理，表中上限指示燈閃爍，測得溫度小于等于溫度下限設(shè)定值時，下限指示燈閃爍；反之，溫度在上限溫度和下限溫度之間時正常指示燈亮，同時，當(dāng)溫度越

56、上限或下限時，單片機硬件部分也會發(fā)出報警信號。</p><p>　　本軟件具備與硬件實時通訊，實時顯示系統(tǒng)狀態(tài)的特點。單片機系統(tǒng)的鍵盤對參數(shù)的任何修改，也會影響本軟件的參數(shù)。另外通過本軟件也可很方便對串行通訊波特率進行修改。</p><p>　　系統(tǒng)的軟件由三大模塊組成：主程序模塊、功能實現(xiàn)模塊和運算控制模塊。程序結(jié)構(gòu)采用中斷方式，其中，8098作為外部中斷0的中斷源，T0定時器用作采樣周

57、期的定時中斷，每隔15秒種中斷一次。在中斷服務(wù)程序中啟動A/D，讀入采樣數(shù)據(jù)，進行數(shù)字濾波，上下限報警處理，PID計算，然后調(diào)節(jié)T1輸出控制脈沖信號，啟動定時器T1，返回主程序。脈沖的寬度由T1計數(shù)器溢出中斷決定。在等待T1中斷時，將本次采樣數(shù)值轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的溫度值放入顯示緩沖區(qū)，然后調(diào)用顯示子程序；從T1中斷返回后，再從T0中斷返回主程序并繼續(xù)顯示本次采樣溫度，等待下次T0中斷。</p><p>　　需要說明的是

58、，系統(tǒng)控制程序邏輯采用兩次中斷嵌套方式來設(shè)計，T1中斷嵌套在T0中斷之中。</p><p>　　2．1 主程序模塊</p><p>　　在主程序中首先給定PID算法的參數(shù)值，然后通過循環(huán)顯示當(dāng)前溫度，并且設(shè)定鍵盤外部中斷為最高優(yōu)先級，以便能實時響應(yīng)鍵盤處理；軟件設(shè)定定時器T0為5秒定時，在無鍵盤響應(yīng)時每隔5秒響應(yīng)一次，以用來采集經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換的溫度信號；設(shè)定定時器T1為嵌套在T0之中的定

59、時中斷，初值由PID算法子程序提供，以用來執(zhí)行對電爐或風(fēng)扇的控制。主程序流程圖見圖4。</p><p>　　圖4 主程序流程圖</p><p><b>　　2．2功能實現(xiàn)模塊</b></p><p>　　功能實現(xiàn)模塊主要由A／D轉(zhuǎn)換子程序、中斷處理子程序、鍵盤處理子程序、顯示子程序等部分組成。限于篇幅，只介紹中斷處理子程序。</p&g

60、t;<p>　　2．2．1 T0中斷子程序</p><p>　　該中斷是單片機內(nèi)部5s定時中斷，優(yōu)先級設(shè)為最低，但卻是最重要的子程序。在該中斷響應(yīng)中，單片機要完成A／D數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、判斷是否越限、標(biāo)度轉(zhuǎn)換處理、繼續(xù)顯示當(dāng)前溫度、與設(shè)定值進行比較，調(diào)用PID算法子程序并輸出控制信號等功能。</p><p>　　2．2．2 鍵盤中斷子程序</p>&l

61、t;p>　　作為優(yōu)先級最高的功能控制鍵，系統(tǒng)要實時響應(yīng)該中斷。在該中斷的響應(yīng)過程中，系統(tǒng)要顯示上一次的溫度設(shè)定值，并且可以通過AN3、AN4來實現(xiàn)加1、減1的輸入修改。鑒于系統(tǒng)要求，程序?qū)崿F(xiàn)為加1到90時再加則為40；減1到40時再減則為90。</p><p>　　2．2．3 T1中斷子程序</p><p>　　T1定時中斷嵌套在Tφ中斷之中，優(yōu)先級高于Tφ中斷，其定時初值由PID

62、算法子程序提供，T1中斷響應(yīng)的時間用于輸出電爐或風(fēng)扇的控制信號。</p><p>　　2．2．4 采樣子程序</p><p><b>　　流程圖如圖5所示。</b></p><p><b>　　數(shù)字濾波子程序</b></p><p>　　用于濾去控制過程中外部對采樣值的干擾，采用三次采樣值進行比較

63、，取中間值存放在溫度查表程序的參數(shù)入口。</p><p><b>　　溫度查表程序</b></p><p>　　為解決鉑熱電阻溫度/電壓變換電路中的非線性，采用模擬數(shù)據(jù)擬合法，利用已調(diào)好的硬件電路，用電壓表產(chǎn)生模擬的熱電勢信號。該信號經(jīng)放大及A/D轉(zhuǎn)換后，由單片單板機讀出對應(yīng)該熱電勢的數(shù)字量，這個數(shù)字量與模擬的溫度標(biāo)準(zhǔn)值構(gòu)成一個數(shù)據(jù)對，在使用的溫度范圍內(nèi)逐點獲得全部數(shù)

64、據(jù)對后再采用曲線擬合法的方法建立A/D值與溫度之間的函數(shù)關(guān)系式，由此得到A/D轉(zhuǎn)換值與溫度值的對應(yīng)關(guān)系，由這些一一對應(yīng)關(guān)系制成表格存貯在ROM中，供實際測試與程序運行過程中查表用。</p><p><b>　　2．3運算控制模塊</b></p><p>　　運算控制模塊涉及標(biāo)度轉(zhuǎn)換、PID算法、以及該算法調(diào)用到的乘法子程序等。</p><p>

65、　　2．3．1 標(biāo)度轉(zhuǎn)換子程序</p><p>　　該子程序作用是將溫度信號(00H~FFH)轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的溫度值，以便送顯示或與設(shè)定值在相同量綱下進行比較。所用線形標(biāo)度變換公式為：</p><p>　　式中，Ax：實際測量的溫度值；Nx：經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換的溫度量；</p><p>　　Am＝90；Ao=40；Nm＝FEH；No＝01H</p><

66、p>　　單片機運算采用定點數(shù)運算，并且在高溫區(qū)和低溫區(qū)分別用程序作矯正處理，測量值與LED顯示見圖5。</p><p>　　2．3．2 PID算法子程序</p><p>　　系統(tǒng)算法控制采用工業(yè)上常用的位置型PID數(shù)字控制，并且結(jié)合特定的系統(tǒng)加以算法的改進，形成了變速積分PID—積分分離PID控制相結(jié)合的自動識別的控制算法。該方法不僅大大減小了超調(diào)量(見圖6)，而且有效地克服了積分

67、飽和的影響，使控制精度大大提高。</p><p>　　圖6中，初始水溫為26C。</p><p>　　實現(xiàn)思想：ui(k)為第k次采樣溫度值，Ur為設(shè)定值。</p><p>　　ui(k)-ur=e(k)</p><p>　　|e(k)|≥ε，使用PD算法；</p><p>　　|e(k)|<ε，使用PID算法；

68、</p><p>　　給出本算法的控制結(jié)果曲線(見圖6)</p><p><b>　　結(jié)束語：</b></p><p>　　本文針對水溫控制系統(tǒng)模型，提出了一種基于單片機89C5l的設(shè)計方案。設(shè)計結(jié)果由圖5和圖6可以看出：本設(shè)計的控制器工作穩(wěn)定，控制精度高，改進的PID算法超調(diào)量大大降低；軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，提高了通用性。本設(shè)計的目的不僅僅是水

69、溫控制本身，主要提供了單片機外圍電路及軟件包括控制算法設(shè)計的思想，應(yīng)該說，這種思想比控制系統(tǒng)本身更為重要?？梢苑奖愕貙崿F(xiàn)現(xiàn)場溫度的實時測量、顯示與控制；實時地利用鍵盤或PID曲線整定溫度控制的參數(shù)如比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)和采樣時間等，從而真正實現(xiàn)了交互式溫度控制的目的，大大提高了控制的效果。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　1、

70、譚運光、陳安源等．單片機開發(fā)手冊．華齡出版社．1994年12月</p><p>　　2、李華編．MCS—51系列單片機實用接口技術(shù)．北京航空航天大學(xué)出版社．1993年8月</p><p>　　3、實用電子電路手冊LJ3．高等教育出版社．1992年10月</p><p>　　4、黃一夫編著.微型計算機控制技術(shù).北京.機械工業(yè)出版社，1987年</p>&