基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)(論文)</p><p>　　輔 導(dǎo) 站： </p><p>　　專 業(yè)： 機(jī)電一體化技術(shù) </p><p>　　題 目： 基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2、 </p><p>　　2017 年 3 月 </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本次設(shè)計(jì)對(duì)單片機(jī)在溫度控制系統(tǒng)中的基本理論和應(yīng)用技術(shù)作了較為全面的介紹。主要目的是用單片機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)溫度控制器，通過(guò)運(yùn)用PID控制算法，使得溫度保持在600度這一恒定溫度值上。該控制器具有本機(jī)給定和上位機(jī)給

3、定的功能。</p><p>　　在生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)的發(fā)展歷程中，PID控制是歷史最久、生命力最強(qiáng)的基本控制方式。PID控制是比例積分微分控制的簡(jiǎn)稱。由于模擬PID調(diào)節(jié)器控制溫度的精確模型難以建立，系統(tǒng)的參數(shù)又經(jīng)常發(fā)生變化，運(yùn)用現(xiàn)代控制理論分析綜合要耗費(fèi)很大代價(jià)進(jìn)行模擬辨識(shí)，而且不能得到預(yù)期的效果，所以本次設(shè)計(jì)采用PID調(diào)節(jié)器，由于軟件系統(tǒng)的靈活性，PID算法可以得到修正而更加完善。</p><p&

4、gt;　　根據(jù)不同的測(cè)溫范圍選出合適的溫度傳感器，單片機(jī)把測(cè)到的溫度進(jìn)行處理（通過(guò)內(nèi)置PID控制或與上位機(jī)通訊，由上位機(jī)實(shí)現(xiàn)PID控制）后保持恒溫輸出，來(lái)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。單片機(jī)輸出的是數(shù)字量，需要經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換變?yōu)槟M量后，才能去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：　PID控制器；傳感器；8052溫度控制</p><p><b>　　目 錄</b><

5、/p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1選題背景及目的1</p><p><b>　　1.2發(fā)展?fàn)顩r2</b></p><p>　　1.3各章節(jié)主要內(nèi)容3</p><p>　　第2章 系統(tǒng)方案的提出與論證4</p>&l

6、t;p>　　2.1傳感器的選擇4</p><p><b>　　2.2驅(qū)動(dòng)部分5</b></p><p>　　2.3 PID的算法5</p><p>　　2.4 PID的控制5</p><p>　　2.4.1 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)5</p><p>　　2.4.2 閉環(huán)控制系統(tǒng)6</

7、p><p>　　2.4.3 階躍響應(yīng)6</p><p>　　2.5 PID控制的原理和特點(diǎn)6</p><p>　　2.6 PID控制器的參數(shù)整定7</p><p>　　第3章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)9</p><p><b>　　3.1總體方案9</b></p><p>　　

8、3.2主控制器與采集電路通訊9</p><p>　　3.3溫度控制12</p><p>　　3.3.1D/A轉(zhuǎn)換12</p><p>　　3.3.2繼電器工作原理14</p><p>　　3.3.3 溫度控制電路原理15</p><p>　　3.4鍵盤(pán)顯示接口17</p><p>　

9、　3.5報(bào)警部分18</p><p>　　第4章 軟件設(shè)計(jì)20</p><p>　　4.1數(shù)字濾波子程序20</p><p>　　4.2PID計(jì)算程序21</p><p><b>　　結(jié)論25</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)26</b></p&

10、gt;<p><b>　　致謝27</b></p><p><b>　　附錄128</b></p><p><b>　　附錄229</b></p><p><b>　　附錄338</b></p><p><b>　　第1章

11、緒論</b></p><p>　　1.1 選題背景及目的</p><p>　　在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，對(duì)溫度的測(cè)量及控制始終占據(jù)著重要地位。在冶金、化工、機(jī)械、食品等各類工業(yè)中，廣泛使用各種加熱爐、烘箱、恒溫箱等，它們均需要對(duì)溫度進(jìn)行控制。在實(shí)驗(yàn)室中，電阻爐溫度控制系統(tǒng)，是常見(jiàn)的自動(dòng)控制系統(tǒng)。</p><p>　　目前工業(yè)自動(dòng)化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)

12、代化水平的一個(gè)重要標(biāo)志。同時(shí)，控制理論的發(fā)展也經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個(gè)階段。智能控制的典型實(shí)例是模糊全自動(dòng)洗衣機(jī)等。自動(dòng)控制系統(tǒng)可分為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。一個(gè)控控制系統(tǒng)包括控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、輸入輸出接口?？刂破鞯妮敵鼋?jīng)過(guò)輸出接口、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，加到被控系統(tǒng)上；控制系統(tǒng)的被控量，經(jīng)過(guò)傳感器，變送器，通過(guò)輸入接口送到控制器。不同的控制系統(tǒng)，其傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)是不一樣的。比如壓力控制系統(tǒng)要

13、采用壓力傳感器。電加熱控制系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器。目前,PID控制及其控制器或智能PID控制器（儀表）已經(jīng)有很多產(chǎn)品已在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用,出現(xiàn)了各種各樣的PID控制器產(chǎn)品。各大公司均開(kāi)發(fā)了具有PID參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器(intelligent regulator),其中PID控制器參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整是通過(guò)智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。有利用PID控制實(shí)現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器,能實(shí)現(xiàn)PID控制功能

14、的可編程控制器(PLC),還有可實(shí)現(xiàn)PID控制的PC系統(tǒng)等等。 可編程控制器(PLC)是利用</p><p>　　由于數(shù)字PID控制系統(tǒng)中，引入了計(jì)算機(jī)，可以充分利用計(jì)算機(jī)在對(duì)采集數(shù)據(jù)加以分析并根據(jù)所的結(jié)果做出邏輯判斷等方面的能力，編制出符合某種技術(shù)要求的控制程序、管理程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控參數(shù)的控制與管理。而且PID控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)，是通過(guò)軟件來(lái)完成的。改變控制規(guī)律，只要改變相應(yīng)的程序即可，因此，數(shù)字PID控

15、制系統(tǒng)在生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)常使用。 </p><p>　　由于單片機(jī)和傳感器的多樣化，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)溫度控制系統(tǒng)要應(yīng)用的領(lǐng)域來(lái)決定選擇什么樣的單片機(jī)做主控制器，傳感器的選擇也因其使用的環(huán)境而不同。所以溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是多樣的。本文研究的系統(tǒng)采用的是北京集成電路設(shè)計(jì)中心與愛(ài)特梅爾公司聯(lián)合設(shè)計(jì)的AT89C52單片機(jī)。</p><p><b>　　1.2發(fā)展?fàn)顩r</b><

16、/p><p>　　由于單片機(jī)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域正得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，世界上許多集成電路生廠家相繼推出了各種類型的單片機(jī)。近十幾年來(lái)，單片機(jī)在生產(chǎn)過(guò)程控制、自動(dòng)檢測(cè)、數(shù)據(jù)采集與處理、科技計(jì)算、商業(yè)管理和辦公室自動(dòng)化等方面獲得了廣泛的應(yīng)用。近幾年來(lái)，單片機(jī)的發(fā)展更為迅速，它已滲透到諸多學(xué)科和領(lǐng)域，以及人們生活的各個(gè)方面。在單片機(jī)家族的眾多成員中，MCS-51系列單片機(jī)以其優(yōu)越的性能、成熟的技術(shù)及高可靠性和高性能價(jià)格比，迅速

17、占領(lǐng)了工業(yè)測(cè)控和自動(dòng)化工程應(yīng)用的主要市場(chǎng)，成為國(guó)內(nèi)單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中的主流。目前可用于MCS-51系列單片機(jī)開(kāi)發(fā)的硬件越來(lái)越多，與其配套的各類開(kāi)發(fā)系統(tǒng)、各種軟件也日趨完善，因此，可以極方便的利用現(xiàn)有資源，開(kāi)發(fā)出用于不同目的的各類應(yīng)用系統(tǒng)。</p><p>　　隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，單片微型計(jì)算機(jī)的功能也不斷增強(qiáng)，許多高性能的新型機(jī)種不斷涌現(xiàn)出來(lái)。單片機(jī)以其功能強(qiáng)、體積小、重量輕、可靠性高、造價(jià)低、通用靈活和開(kāi)發(fā)周

18、期短等優(yōu)點(diǎn)，成為自動(dòng)化和各個(gè)測(cè)控領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的器件，也廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星定向、汽車火花控制、交通管理和微波爐等專用控制上在工業(yè)生產(chǎn)中成為必不可少的器件，尤其是在日常生活中發(fā)揮的作用也越來(lái)越大。</p><p>　　在溫度控制系統(tǒng)中，單片機(jī)更是起到了不可替代的核心作用。在工業(yè)生產(chǎn)如：用于熱處理的加熱爐、用于融化金屬的坩鍋電阻爐等，在日常生活中如：熱水器、電熱毯等等，都用到了電阻加熱的原理。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，在工業(yè)中，上

19、述設(shè)備對(duì)溫度的控制要求越來(lái)越高，隨著人們生活水平的提高，對(duì)日常用品的自動(dòng)化也提出了更高的要求，單片機(jī)的不斷更新?lián)Q代，滿足了上述的要求，達(dá)到自動(dòng)控制品質(zhì)的目的。</p><p>　　1.3各章節(jié)主要內(nèi)容</p><p><b>　　本論文共分成四章：</b></p><p>　　第1章主要是選題背景和發(fā)展?fàn)顩r；第2章提出了系統(tǒng)的方案與論證，形成一

20、個(gè)大體輪廓；第3章對(duì)系統(tǒng)硬件電路部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要是接口連接和硬件傳感器的設(shè)計(jì)；第4章系統(tǒng)的軟件部分設(shè)計(jì)，包括各個(gè)子程序和對(duì)應(yīng)的流程圖。</p><p>　　第2章 系統(tǒng)方案的提出與論證</p><p>　　2.1傳感器的選擇</p><p>　　在日常生活和生產(chǎn)中經(jīng)常遇到需要對(duì)溫度進(jìn)行檢測(cè)和控制的問(wèn)題。在溫度檢測(cè)系統(tǒng)中就需要用到溫度傳感器。人們?cè)诤芫靡郧熬烷_(kāi)始了

21、解溫度的測(cè)量，所以溫度傳感器種類繁多，有熱敏電阻、紅外溫度傳感器、熱電偶等等。熱電偶和熱電阻測(cè)量的是電壓值，需要轉(zhuǎn)換成溫度，外部硬件電路很復(fù)雜，也不便于調(diào)試。另外使用熱電偶時(shí)，通常要求冷端T0保持0度，但實(shí)際上很難做到。除此之外還有模擬集成溫度傳感器，其特點(diǎn)是測(cè)溫誤差小、響應(yīng)速度快、傳輸距離遠(yuǎn)、體積小。但是仍然在測(cè)量到溫度值后要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，電路復(fù)雜，使用不方便。</p><p>　　有些集成溫度傳感器可以配微

22、處理器和單片機(jī)，構(gòu)成智能化的溫度檢測(cè)系統(tǒng)。這其中一個(gè)很大的變化就是傳感器由以前的模擬輸出轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訑?shù)字輸出，省去了傳統(tǒng)溫度測(cè)量電路中的調(diào)理、變送、補(bǔ)償、轉(zhuǎn)換、修正等環(huán)節(jié)。這樣整個(gè)測(cè)量電路不會(huì)引入附加誤差，測(cè)溫系統(tǒng)的精度與分辨力完全由數(shù)字化的傳感器所決定。用這種先進(jìn)的傳感器芯片構(gòu)成測(cè)控溫度系統(tǒng)，具有電路簡(jiǎn)單，測(cè)控溫度精度高等顯著優(yōu)點(diǎn)。并且抗干擾能力強(qiáng)，能夠遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)，用戶可設(shè)定溫度上、下限，有越限自動(dòng)報(bào)警的功能，自帶串行總線接口等優(yōu)點(diǎn)，

23、適配各種微控制器，含微處理器和單片機(jī)，是研制和開(kāi)發(fā)具有高性價(jià)比的新一代溫度控制系統(tǒng)所必不可少的核心器件。</p><p>　　智能溫度傳感器的典型產(chǎn)品有DS1820、DS18S20、DS18B20、DS1821、DS1822、DS1624、DS1629等型號(hào)。本文所選用的是美國(guó)DSLLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的DS18B20，它是該公司在研制出DS1820后最新推出的一種改進(jìn)型產(chǎn)品。所以它具有DS1820的全部?jī)?yōu)點(diǎn)。在

24、此基礎(chǔ)上，它有獨(dú)特的性能特點(diǎn)：</p><p>　　獨(dú)特的單線接口僅需要一個(gè)端口引腳進(jìn)行通信。</p><p><b>　　不需要外部器件。</b></p><p>　　可通過(guò)數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍為3.0～5.5V。</p><p><b>　　零待機(jī)功耗。</b></p><p

25、>　　溫度以9或12位數(shù)字量讀出。</p><p>　　用戶可定義的非易失性溫度報(bào)警設(shè)置。</p><p>　　報(bào)警搜索命令識(shí)別并標(biāo)志超過(guò)程序限定溫度的器件。 </p><p><b>　　2.2驅(qū)動(dòng)部分</b></p><p>　　方案一:此方案采用SPCE061A單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，此單片機(jī)內(nèi)置8路ADC,2路DAC,

26、且集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中，配有很多語(yǔ)音播放函數(shù)，用SPCE061A實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音播放極為方便。另外，比較方便的是該芯片內(nèi)置在線仿真、編程接口，可以方便實(shí)現(xiàn)在線調(diào)試，這大大加快了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與調(diào)試。但是，他的成本太高我們不便采用。 </p><p>　　方案二：此方案采用89C52單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，AT89C52是低功耗、高性能的CMOS8位單片機(jī)，片上帶有8KFlash存儲(chǔ)器，且允許在系統(tǒng)改寫(xiě)或用編程器編程。另外，AT89C51的指令

27、系統(tǒng)和引腳80C52完全兼容。所以，AT89C52單片機(jī)應(yīng)用極為廣泛。</p><p>　　2.3 PID的算法</p><p>　　基本偏差:e(t) 表示當(dāng)前測(cè)量值與設(shè)定目標(biāo)之差，設(shè)定目標(biāo)是被減數(shù)，結(jié)可以是正或負(fù)。</p><p>　　正數(shù)表示還沒(méi)有達(dá)到，負(fù)數(shù)表示已經(jīng)超過(guò)了設(shè)定值。這是面向比例項(xiàng)用的變動(dòng)數(shù)據(jù)。</p><p>　　累計(jì)偏差

28、：∑e(t)= e(t) + e(t-1) + e(t-2)+…….+e(1),這是我們每一次測(cè)量到的偏差值的總和，這是代數(shù)和，考慮到正負(fù)符號(hào)的運(yùn)算，這是面向積分項(xiàng)用的變動(dòng)數(shù)據(jù)。</p><p>　　基本偏差的相對(duì)偏差：e(t) – e(t-1)，用本次的基本偏差減去上一次的基本偏差，用于考察當(dāng)前控制的對(duì)象的趨勢(shì)，作為快速反應(yīng)的重要依據(jù)，這是面向微分項(xiàng)的一個(gè)變動(dòng)數(shù)據(jù)。 </p><p>

29、　　比例調(diào)節(jié)作用：是按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少偏差。比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但是過(guò)大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。</p><p>　　積分調(diào)節(jié)作用：是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無(wú)差度。因?yàn)橛姓`差，積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無(wú)差，積分調(diào)節(jié)停止，積分調(diào)節(jié)輸出一常值。</p><p>　　微分調(diào)節(jié)作用：微分作用反映系統(tǒng)偏差

30、信號(hào)的變化率，具有預(yù)見(jiàn)性，能預(yù)見(jiàn)偏差變化的趨勢(shì)，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒(méi)有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此，可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。</p><p>　　2.4 PID的控制</p><p>　　2.4.1 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng) </p><p>　　開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)(open-loop control system)是指被控對(duì)象的輸出(被控

31、制量)對(duì)控制器(controller)的輸出沒(méi)有影響。在這種控制系統(tǒng)中,不依賴將被控量以形成任何閉反送回來(lái)的閉環(huán)回路。</p><p>　　2.4.2 閉環(huán)控制系統(tǒng)</p><p>　　閉環(huán)控制系統(tǒng)(closed-loop control system)的特點(diǎn)是系統(tǒng)被控對(duì)象輸出(被控制量)會(huì)反送回來(lái)影響控制器的輸出,形成一個(gè)或多個(gè)閉環(huán)。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負(fù)反饋,若反

32、饋信號(hào)與系統(tǒng)給定值信號(hào)相反,則稱為負(fù)反饋( Negative Feedback),若極性相同,則稱為正反饋,一般閉環(huán)控制系統(tǒng)均采用負(fù)反饋,又稱負(fù)反饋控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)的例子很多。比如人就是一個(gè)具有負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng),眼睛便是傳感器,充當(dāng)反饋,人體系統(tǒng)能通過(guò)不斷的修正最后作出各種正確的動(dòng)作。如果沒(méi)有眼睛,就沒(méi)有了反饋回路,也就成了一個(gè)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。另例,當(dāng)一臺(tái)真正的全自動(dòng)洗衣機(jī)具有能連續(xù)檢查衣物是否洗凈,并在洗凈

33、之后能自動(dòng)切斷電源,它就是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。</p><p>　　2.4.3 階躍響應(yīng) </p><p>　　階躍響應(yīng)是指將一個(gè)階躍輸入（step function）加到系統(tǒng)上時(shí),系統(tǒng)的輸出。穩(wěn)態(tài)誤差是指系統(tǒng)的響應(yīng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，系統(tǒng)的期望輸出與實(shí)際輸出之差?？刂葡到y(tǒng)的性能可以用穩(wěn)、準(zhǔn)、快三個(gè)字來(lái)描述。穩(wěn)是指系統(tǒng)的穩(wěn)定性(stability),一個(gè)系統(tǒng)要能正常工作,首先必須

34、是穩(wěn)定的,從階躍響應(yīng)上看應(yīng)該是收斂的；準(zhǔn)是指控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、控制精度,通常用穩(wěn)態(tài)誤差來(lái)(Steady-state error) 描述,它表示系統(tǒng)輸出穩(wěn)態(tài)值與期望值之差；快是指控制系統(tǒng)響應(yīng)的快速性,通常用上升時(shí)間來(lái)定量描述。 </p><p>　　2.5 PID控制的原理和特點(diǎn) 　　在工程實(shí)際中,應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制,簡(jiǎn)稱PID控制,又稱PI

35、D調(diào)節(jié)。PID控制器問(wèn)世至今已有近70年歷史,它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握,或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí),控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí),系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定,這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象﹐或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí),最適合用PID控制技術(shù)。PID控制,實(shí)際中也有PI和PD控制。P

36、ID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差,利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。  (1)比例（P）控制 　　比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）。 </p><p>　　(2)積分（I）控制 　　在積分控制中,控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正

37、比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng),如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差,則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)（System with Steady-state Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差,在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分,隨著時(shí)間的增加,積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣,即便誤差很小,積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大,它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小,直到等于零。因此,比例+積分(PI)控

38、制器,可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。 </p><p>　　(3)微分（D）控制 　　在微分控制中,控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件,具有抑制誤差的作用,其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”,

39、即在誤差接近零時(shí),抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說(shuō),在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的,比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值,而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”,它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì),這樣,具有比例+微分的控制器,就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零,甚至為負(fù)值,從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象,比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。 2.6 PID控制器的參數(shù)整定 

40、 PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過(guò)程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多,概括起來(lái)有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這</p><p>　　第3章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)</p><p><b>　　3.1總體方案</b></p&g

41、t;<p>　　該系統(tǒng)是以AT89C52單片機(jī)為主控制器的智能化溫度控制系統(tǒng)。采用定時(shí)檢測(cè)和調(diào)節(jié)的方式。首先由定時(shí)器或軟件定時(shí)，定時(shí)時(shí)間到后啟動(dòng)智能溫度傳感器對(duì)溫度進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)量結(jié)果送CPU，并在CPU的控制下顯示結(jié)果。利用鍵盤(pán)輸入控制目標(biāo)。CPU把測(cè)量的結(jié)果與給定值比較，進(jìn)行PID計(jì)算，然后根據(jù)計(jì)算結(jié)果輸出DAC信號(hào)，并加上反相器使輸出電壓范圍為0～5V，通過(guò)在固態(tài)繼電器前端連入電阻使電壓變?yōu)?～1.7V，固態(tài)繼電器在該

42、電壓范圍內(nèi)線性工作，輸出的電壓控制繼電器的通導(dǎo)，對(duì)爐溫進(jìn)行調(diào)節(jié)。整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，從而使?fàn)t溫控制在預(yù)定的范圍之內(nèi)。</p><p>　　溫度采集部分采用DS18B20測(cè)溫，它是單線智能溫度傳感器，不需要A/D轉(zhuǎn)換，可以直接測(cè)量出數(shù)字式的溫度值送入主控制器。采集溫度時(shí)對(duì)DS18B20進(jìn)行初始化，然后執(zhí)行ROM操作命令，再執(zhí)行暫存器操作命令，最后完成數(shù)據(jù)處理。通過(guò)鍵盤(pán)向CPU輸入用戶設(shè)定的報(bào)警溫度上限值和

43、下限值，完成溫度轉(zhuǎn)換之后，DS18B20就把測(cè)得的溫度值同上下限值比較，如果超出所設(shè)定的范圍，將該器件的報(bào)警標(biāo)志位置位，并對(duì)CPU發(fā)出的報(bào)警搜索命令做出響應(yīng)。該傳感器使用同步串行總線接口技術(shù)，串行通信是將數(shù)據(jù)字節(jié)分成一位一位的形式在一條傳輸線上逐個(gè)地傳送，數(shù)據(jù)接收設(shè)備將接收到的串行形式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行形式進(jìn)行存儲(chǔ)和處理。同步通信時(shí)要建立發(fā)送方時(shí)鐘對(duì)接收方時(shí)鐘的直接控制，使雙方達(dá)到完全同步。通過(guò)主控制器的定時(shí)器建立一個(gè)30μs的同步脈沖實(shí)現(xiàn)

44、與溫度檢測(cè)回路的通信。CPU經(jīng)過(guò)單線接口訪問(wèn)DS18B20，CPU對(duì)ROM操作完畢，即發(fā)出控制操作命令，使DS18B20完成溫度測(cè)量并將結(jié)果存入高速暫存器中，然后讀出該結(jié)果。由繼電器及其外部電路如D/A轉(zhuǎn)換等實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制功能。 </p><p>　　3.2主控制器與采集電路通訊</p><p>　　AT89C52是低功耗、高性能的CMOS8位單片機(jī)，片上帶有8KFlash存儲(chǔ)器，且允許

45、在系統(tǒng)改寫(xiě)或用編程器編程。另外，AT89C51的指令系統(tǒng)和引腳80C52完全兼容。所以，AT89C52單片機(jī)應(yīng)用極為廣泛。</p><p>　　單片機(jī)在開(kāi)機(jī)時(shí)都需要復(fù)位，以便CPU以及其他功能部件都處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開(kāi)始工作。AT89C52的RST引腳是復(fù)位信號(hào)的輸入端。復(fù)位信號(hào)是高電平有效，持續(xù)時(shí)間要有24個(gè)時(shí)鐘周期以上。本系統(tǒng)中時(shí)鐘頻率為12MHz，復(fù)位脈沖寬度至少應(yīng)為2μs。主控制器與傳感

46、器連接電路如圖3.1所示。</p><p>　　圖3.1 主控器與傳感器的連接電路</p><p>　　由AT89C52根據(jù)總線的接口規(guī)范向智能溫度傳感器發(fā)送諸如啟動(dòng)轉(zhuǎn)換、設(shè)置配置寄存器、讀取溫度等命令。智能溫度傳感器則向AT89C52回送當(dāng)前溫度值等數(shù)據(jù)。二者之間的數(shù)據(jù)傳輸完全是串行的。</p><p>　　主控制器與溫度檢測(cè)系統(tǒng)使用同步串行總線通信，串行通信是將

47、數(shù)據(jù)字節(jié)分成一位一位的形式在一條傳輸線上逐個(gè)地傳送，數(shù)據(jù)接收設(shè)備將接收到的串行形式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行形式進(jìn)行存儲(chǔ)和處理。同步通信時(shí)要建立發(fā)送方時(shí)鐘對(duì)接收方時(shí)鐘的直接控制，使雙方達(dá)到完全同步。此時(shí)，傳輸數(shù)據(jù)的位之間的距離均為“位間隔”的整數(shù)倍，同時(shí)傳送的字符間不留間隙，即保持位同步關(guān)系，也保持字符同步關(guān)系。發(fā)送方對(duì)接收方的同步通過(guò)外同步來(lái)實(shí)現(xiàn)。發(fā)送方在每個(gè)比特周期都向接收方發(fā)送一個(gè)同步脈沖。接收方根據(jù)這些同步脈沖來(lái)完成接收過(guò)程。</p&

48、gt;<p>　　DS18B20有嚴(yán)格的通信協(xié)議來(lái)保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。單線總線在空閑狀態(tài)下呈高電平。操作單線總線時(shí)，必須從空閑狀態(tài)開(kāi)始。單線總線加低電平的時(shí)間超過(guò)480μs時(shí)，總線上所有的器件都被復(fù)位。通信協(xié)議規(guī)定了復(fù)位脈沖、應(yīng)答脈沖、寫(xiě)0、寫(xiě)1、讀0、讀1等幾種信號(hào)的時(shí)序。除了應(yīng)答脈沖，其余信號(hào)均由CPU控制。寫(xiě)時(shí)序包括寫(xiě)“0”時(shí)序和寫(xiě)“1”時(shí)序。所有寫(xiě)時(shí)序都至少需要60μs，且在兩次獨(dú)立的寫(xiě)時(shí)序之間至少需

49、要1μs的恢復(fù)時(shí)間。兩種寫(xiě)時(shí)序均起始于主機(jī)拉低總線。對(duì)于寫(xiě)“1”時(shí)序，主機(jī)在拉低總線后，接著必須在15μs內(nèi)釋放總線，由上拉電阻將總線拉至高電平；而對(duì)于寫(xiě)“0”時(shí)序，在主機(jī)拉低總線后，只需要在整個(gè)時(shí)序內(nèi)保持低電平即可（至少60μs）。在寫(xiě)時(shí)序開(kāi)始后的15～60μs期間內(nèi)，保持單線器件采樣總線電平狀態(tài)。如果在此期間采樣為高電平，則對(duì)該器件寫(xiě)入邏輯1，低電平則寫(xiě)入邏輯0。</p><p>　　只有在主機(jī)啟動(dòng)了讀時(shí)序后

50、，器件才向主機(jī)傳輸數(shù)據(jù)。所以一般在主機(jī)給單線器件發(fā)送了讀數(shù)據(jù)命令后，必須馬上產(chǎn)生讀時(shí)序，以便器件能傳輸數(shù)據(jù)。所有的讀時(shí)序需要至少60μs，且在兩次獨(dú)立的讀時(shí)序之間需要1μs的恢復(fù)時(shí)間。每個(gè)讀時(shí)序都由主機(jī)發(fā)起，拉低總線至少1μs，然后釋放單線。在主機(jī)發(fā)起讀時(shí)序之后，單線器件開(kāi)始在總線上發(fā)送0或1。若其發(fā)送1，則保持總線為高電平。若發(fā)送0，則器件拉低總線，在該時(shí)序結(jié)束后釋放總線，由上拉電阻將總線拉回空閑高電平狀態(tài)。從機(jī)發(fā)出的數(shù)據(jù)在起始時(shí)序之

51、后15μs內(nèi)保證可靠有效。因此主機(jī)在讀時(shí)序期間必須釋放總線，并且要在時(shí)序開(kāi)始后的15μs內(nèi)完成采樣總線狀態(tài)。</p><p>　　每次的命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從主機(jī)啟動(dòng)寫(xiě)時(shí)序開(kāi)始的，如果要求單線器件回送數(shù)據(jù)，在進(jìn)行完寫(xiě)命令后，主機(jī)需要啟動(dòng)讀時(shí)序完成數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是低位在先。在對(duì)一位的“0”和“1”規(guī)定好時(shí)序后，命令字節(jié)和數(shù)據(jù)字節(jié)的發(fā)送就表現(xiàn)為多個(gè)“0”、“1”在時(shí)間上的排列。</p>&

52、lt;p>　　主CPU經(jīng)過(guò)單線接口訪問(wèn)DS18B20的工作流程為：對(duì)DS18B20進(jìn)行初始化，接著進(jìn)行ROM操作命令，然后進(jìn)行存儲(chǔ)器操作命令，最后對(duì)數(shù)據(jù)處理。CPU對(duì)ROM操作完畢即發(fā)出控制操作命令，使DS18B20完成溫度測(cè)量并將測(cè)量結(jié)果存入高速暫存器中，然后讀出結(jié)果。當(dāng)DS18B20接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后，開(kāi)始啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就以16位帶符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲(chǔ)在高速暫存存儲(chǔ)器的第1、2字節(jié)。單片機(jī)可以通過(guò)單線接

53、口讀出該數(shù)據(jù)，讀數(shù)據(jù)時(shí)低位在先，高位在后。當(dāng)符號(hào)位S=0時(shí)，表示測(cè)得的溫度值為正值，可以直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制；當(dāng)符號(hào)位S=1時(shí)，表示測(cè)得的溫度值為負(fù)值，要先將補(bǔ)碼變成原碼，再計(jì)算十進(jìn)制值。</p><p>　　一旦CPU檢測(cè)到從屬器件的存在，就發(fā)出ROM命令。所有ROM操作命令均為8位字長(zhǎng)。主CPU對(duì)ROM的操作命令有以下5種：</p><p>　　(1)讀ROM命令。該命令允許CP

54、U讀取DS18B20中的8位產(chǎn)品系列編碼、48位序列號(hào)以及8位的CRC。只有在總線上存在DS18B20(溫度采集)的時(shí)候才能使用這個(gè)命令。</p><p>　　(2)符合ROM命令。主CPU在發(fā)出“符合”ROM命令后，接著送出64位ROM數(shù)據(jù)序列，從而使CPU實(shí)現(xiàn)對(duì)單線總線上特定DS18B20的尋址。</p><p>　　(3)搜索ROM命令。允許主CPU使用“消除法”識(shí)別總線上所有DS1

55、8B20的64位ROM編碼，完成整個(gè)系統(tǒng)的初始化工作。</p><p>　　(4)跳過(guò)ROM命令。該命令使主CPU不必提供64位ROM編碼就能訪問(wèn)DS18B20。在單線總線的情況下可以節(jié)省時(shí)間。</p><p>　　(5)報(bào)警搜索命令。該命令僅在最近一次溫度測(cè)量出現(xiàn)報(bào)警的情況下，DS18B20才對(duì)該命令做出響應(yīng)。報(bào)警條件定義為溫度高于TH或者低于TL。只要DS18B20不掉電，報(bào)警狀態(tài)將一

56、直保持，直到再一次測(cè)得的溫度值達(dá)不到報(bào)警條件。</p><p><b>　　3.3溫度控制</b></p><p>　　3.3.1 D/A轉(zhuǎn)換</p><p>　　由于計(jì)算機(jī)采集與處理的是數(shù)字量，而受控對(duì)象需要的是模擬量信號(hào)，所以需要進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。D/A轉(zhuǎn)換器是一種能把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的電子器件。DAC的種類繁多，DAC0832是常用的一種

57、，由美國(guó)國(guó)民半導(dǎo)體公司研制，是一個(gè)8位單片D/A轉(zhuǎn)換器，它的連接電路如圖3.2所示。</p><p>　　圖3.2 DAC0832的硬件電路</p><p>　　DAC0832主要由兩個(gè)8位寄存器和一個(gè)8位D/A轉(zhuǎn)換器組成。8位輸入寄存器用于存放CPU送來(lái)的數(shù)字量，使輸入數(shù)字量得到緩沖和鎖存，由加以控制。8位DAC寄存器用于存放等待轉(zhuǎn)換的數(shù)字量，由控制。8位D/A轉(zhuǎn)換電路由8位T型電阻網(wǎng)絡(luò)

58、和電子開(kāi)關(guān)組成，電子開(kāi)關(guān)受8位DAC寄存器輸出控制，T型電阻網(wǎng)絡(luò)能輸出和數(shù)字量成正比的模擬電流。因此，DAC0832通常需要外接運(yùn)算放大器才能得到模擬輸出電壓。</p><p>　　DAC0832的數(shù)字量輸入線DI7～DI0和CPU數(shù)據(jù)總線相連，用于輸入CPU送來(lái)的待轉(zhuǎn)化數(shù)字量，DI7為最高位。CS為片選線，當(dāng)CS為低電平時(shí)，本片被選中工作；當(dāng)為高電平時(shí)，本片不被選中工作。ILE為允許數(shù)字量輸入線。當(dāng)ILE為高電

59、平時(shí)，8位輸入寄存器允許數(shù)字量輸入。為傳送控制輸入線，低電平有效。和為兩條寫(xiě)命令輸入線。用于控制數(shù)字量輸入到輸入寄存器：若ILE為“1”、為“0”和為“0”同時(shí)滿足，8位輸入寄存器接收信號(hào)；若上述條件中有一個(gè)不滿足，8位輸入寄存器鎖存DI7～DI0上的輸入數(shù)據(jù)。用于控制D/A轉(zhuǎn)換的時(shí)間：若和同時(shí)為低電平，則8位DAC寄存器輸出跟隨輸入；否則8位DAC寄存器鎖存數(shù)據(jù)。和的脈沖寬度要求不小于500ms，即便VCC提高到15V，其脈寬也不應(yīng)小

60、于100ms。</p><p>　　DAC0832采用R-2R T型網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換法。它由二級(jí)緩沖寄存器和D/A轉(zhuǎn)換電路組成，可直接與CPU總線連接，接口比較簡(jiǎn)單。Rfb為運(yùn)算放大器反饋線，常常接到運(yùn)算放大器輸出端。IOUT1和IOUT2為兩條模擬電流輸出線。IOUT1+IOUT2為一常數(shù)：若輸入數(shù)字量為全“1”，則IOUT1為最大，IOUT2為最??；若輸入數(shù)字量為全“0”，則IOUT1最小，IOUT2最大。為了保證額

61、定負(fù)載下輸出電流的線性度，IOUT1和IOUT2引腳上的電位必須盡量接近低電平。為此，IOUT1和IOUT2通常接運(yùn)算放大器輸入端。由于輸出的模擬電壓范圍是-5～0V，所以再加以反相器使電壓變?yōu)?～+5V。VREF為參考電壓輸入端，用來(lái)將外部基準(zhǔn)電壓與片內(nèi)的T型電阻網(wǎng)絡(luò)連接。</p><p>　　DAC用途很廣，在需要單極性模擬電壓環(huán)境下，可以采用如圖3.2所示接線。由D/A轉(zhuǎn)換器原理可得出輸出電壓對(duì)輸入數(shù)字量的

62、關(guān)系為：</p><p><b>　　式中；為一常數(shù)。</b></p><p>　　顯然，和B成正比關(guān)系。輸入數(shù)字量B為0時(shí)，也為0，輸入數(shù)字量為255時(shí)，為負(fù)的最大值，輸出電壓為負(fù)的單極性。</p><p>　　作為單片機(jī)的一個(gè)外圍I/O接口，口地址設(shè)為0DFFH。這樣CPU只要執(zhí)行一條輸出指令，就可以把數(shù)據(jù)直接寫(xiě)入0832的DAC寄存器，然

63、后輸出一個(gè)模擬的電壓信號(hào)。</p><p>　　3.3.2 繼電器工作原理</p><p>　　繼電器是電氣控制中常用的控制器件。使用觸點(diǎn)式繼電器控制，由于采用電磁吸合方式，在開(kāi)關(guān)瞬間，觸點(diǎn)容易產(chǎn)生電火花，從而引起干擾。在大功率、高壓等場(chǎng)合，觸點(diǎn)還容易氧化，因而影響整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。所以本系統(tǒng)中采用固態(tài)繼電器，較好地克服了這方面的問(wèn)題。</p><p>　　固態(tài)繼電

64、器是用晶體管或可控硅代替常規(guī)繼電器的觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，再把光電隔離器作為前級(jí)構(gòu)成一個(gè)整體。因此，固態(tài)繼電器實(shí)際上是一種帶光電隔離器的無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)。固態(tài)繼電器有直流型和交流型之分。對(duì)于交流供電的負(fù)載，其開(kāi)關(guān)量的輸出控制可用交流型固態(tài)繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　由于固態(tài)繼電器輸入控制電流小，輸出無(wú)觸點(diǎn)，所以與電磁觸點(diǎn)式繼電器相比，具有體積小、重量輕、無(wú)機(jī)械噪聲、無(wú)抖動(dòng)和回跳、開(kāi)關(guān)速度快、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

65、中應(yīng)用廣泛。</p><p>　　下面說(shuō)明交流型SSR的工作原理，圖3.3是它的工作原理框圖。</p><p>　　圖3.3 SSR工作原理圖</p><p>　　從整體上看，SSR只有兩個(gè)輸入端(A和B)及兩個(gè)輸出端(C和D)，是一種四端器件。工作時(shí)只要在A、B上加上一定的控制信號(hào)，就可以控制C、D兩端之間的“通”和“斷”，實(shí)現(xiàn)“開(kāi)關(guān)”的功能，其中耦合電路的功能是

66、為A、B端輸入的控制信號(hào)提供一個(gè)輸入/輸出端之間的通道，但又在電氣上斷開(kāi)SSR中輸入端和輸出端之間的(電)聯(lián)系，以防止輸出端對(duì)輸入端的影響，耦合電路用的元件是“光耦合器”，它動(dòng)作靈敏、響應(yīng)速度高、輸入與輸出端間的絕緣(耐壓)等級(jí)高；由于輸入端的負(fù)載是發(fā)光二極管，這使SSR的輸入端很容易做到與輸入信號(hào)電平相匹配，在使用時(shí)可直接與計(jì)算機(jī)輸出接口相接，即受“1”與“0”的邏輯電平控制。觸發(fā)電路的功能是產(chǎn)生合乎要求的觸發(fā)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)電路工作。

67、但由于開(kāi)關(guān)電路在不加特殊控制電路時(shí)，將產(chǎn)生射頻干擾并以高次諧波或尖峰等污染電網(wǎng)，為此特設(shè)“過(guò)零控制電路”。所謂“過(guò)零”是指，當(dāng)加入控制信號(hào)，交流電壓過(guò)零時(shí)，SSR即為通態(tài)；而當(dāng)斷開(kāi)控制信號(hào)后，SSR要等待交流電的正半周與負(fù)半周的交界點(diǎn)(零電位)時(shí)，SSR才為斷態(tài)。這種設(shè)計(jì)能防止高次諧波的干擾和對(duì)電網(wǎng)的污染。吸收電路是為防止從電源中傳來(lái)的尖峰、浪涌(電壓)</p><p>　　3.3.3 溫度控制電路原理</

68、p><p>　　由于DAC0832輸出的電壓范圍是-5～0V，不能直接加在固態(tài)繼電器上。固態(tài)繼電器的線性工作范圍是1～1.7V，所以在DAC0832輸出端加上反相器使電壓范圍變成0～5V再加上合適的電阻，使輸出電壓范圍縮小到1～1.7V，以便使固態(tài)繼電器的工作在線性范圍內(nèi)，再將固態(tài)繼電器與電阻爐連接，通過(guò)固態(tài)繼電器的通導(dǎo)來(lái)對(duì)電阻爐進(jìn)行溫度控制。電路圖如圖3.4所示。</p><p>　　圖3.

69、4 溫度控制電路</p><p>　　在圖3.4中VCC=+5V，設(shè)DAC0832的輸出電壓為，設(shè)四個(gè)電阻相交于A點(diǎn)，R4的作用是限制電流，其電流很小，在計(jì)算中暫時(shí)不考慮。為了使輸出電壓在1～1.7V范圍內(nèi)，當(dāng)=0V時(shí)，=1V，此時(shí)與并聯(lián)后再與串聯(lián)，則根據(jù)電流關(guān)系可得到關(guān)系式：將=1v，=5v代入關(guān)系式可得</p><p><b>　　即</b></p>

70、<p><b>　　(1)</b></p><p>　　當(dāng)=5V，=1.7V此時(shí)與并聯(lián)后與串聯(lián)，可得關(guān)系式</p><p>　　=1.7V，=5V時(shí)代入得：</p><p>　　即1.7=3.3+3.3可得</p><p><b>　　(2)</b></p><p&g

71、t;　　由(1)(2)兩式得 </p><p>　　即 </p><p>　　可得 </p><p>　　選定=1K，則4.7K，3.3K將選定的電阻連入電路，</p><p>　　當(dāng)=0V時(shí)，求得 =0.99957V1V</p><p>　　當(dāng)=5V時(shí)，求得

72、 =1.7014V1.7V</p><p>　　證實(shí)了所選電阻阻值可以滿足輸出電壓在1～1.7V范圍內(nèi)，可以使固態(tài)繼電器工作在線性范圍內(nèi)，以便對(duì)電阻爐的溫度進(jìn)行控制。</p><p>　　3.4 鍵盤(pán)顯示接口 </p><p>　　如圖3.5所示，鍵盤(pán)顯示系統(tǒng)采用8155芯片控制4×4矩陣鍵盤(pán)和4個(gè)七段數(shù)碼管LED顯示，以實(shí)現(xiàn)用戶的輸入和數(shù)據(jù)輸出。鍵盤(pán)的

73、16個(gè)鍵中0－9為數(shù)字鍵，A－F為功能鍵，完成參數(shù)設(shè)置、顯示方式選擇、自動(dòng)/手動(dòng)轉(zhuǎn)換、系統(tǒng)停止和啟動(dòng)。 </p><p>　　系統(tǒng)中將8155的B口作為顯示接口，經(jīng)74LS48的驅(qū)動(dòng)器與LED相連，8155的A口的PA3－PA0作為掃描接口，從B口的PB3－PB0讀入列值，鍵盤(pán)處理為中斷方式，所以8155的B口工作在兩種方式下：在顯示狀態(tài)時(shí)為輸入方式，在鍵盤(pán)中斷服務(wù)程序處理過(guò)程中為輸入方式。</p>

74、<p>　　圖3.5 LED數(shù)碼顯示電路</p><p>　　動(dòng)態(tài)顯示需要CPU時(shí)刻對(duì)顯示器件進(jìn)行數(shù)據(jù)刷新，顯示數(shù)據(jù)有閃爍感，占用的CPU時(shí)間多。這兩種顯示方式各有利弊；靜態(tài)顯示雖然數(shù)據(jù)穩(wěn)定，占用很少的CPU時(shí)間，但每個(gè)顯示單元都需要單獨(dú)的顯示驅(qū)動(dòng)電路，動(dòng)態(tài)顯示雖然有閃爍感，占用的CPU時(shí)間多，但使用的硬件少，能節(jié)省線路板空間。 </p><p><b>　　3.5

75、報(bào)警部分</b></p><p>　　可采用單頻報(bào)警，如圖3.6所示，其中7406是驅(qū)動(dòng)器，接在8031的P1.0口，在8031使P1.0輸出高電平時(shí)，7406輸出低電平，使蜂鳴器鳴音，反之，使蜂鳴器停止鳴音。 </p><p>　　功率放大電路我們選用采用了PNP型共發(fā)射極放大電路，它的輸入阻抗幾百～幾千歐，輸出阻抗幾千～幾十千歐，電壓放大倍數(shù)大，電流放大倍數(shù)大，功率放大倍數(shù)

76、大。電聲器件選用最常用的電動(dòng)式錐形紙盆揚(yáng)聲器。 </p><p><b>　　圖3.6報(bào)警電路</b></p><p><b>　　第4章 軟件設(shè)計(jì) </b></p><p>　　溫度控制程序所要完成的任務(wù)：8031，8155芯片的初始化以及分配內(nèi)存單片及設(shè)置定時(shí)器參數(shù)，溫度采樣，數(shù)字濾波，進(jìn)行轉(zhuǎn)換計(jì)算，判斷溫度是否在規(guī)定

77、范圍內(nèi)，超限報(bào)警和處理；顯示溫度及輸入控制。 </p><p><b>　　4.1主程序 </b></p><p>　　溫度控制系統(tǒng)的主程序如圖4.1所示。</p><p>　　圖 4.1溫度控制系統(tǒng)主程序圖</p><p>　　4.2 PID計(jì)算程序</p><p>　　我們可以根據(jù)上式編程，相

78、應(yīng)程序框圖如圖4.2所示，</p><p>　　圖4.2 PID計(jì)算程序流程圖</p><p><b>　　程序清單如下：</b></p><p>　　PID:MOVR5,31H ;UR送R5R4</p><p>　　MOVR4,32H;UR送R5R4</p><p

79、>　　MOVR3,2AH;Ui(K)送R3R2</p><p>　　MOVR2,#00H;Ui(K)送R3R2</p><p>　　ACALLCPL1;取Ui(K)的補(bǔ)碼</p><p>　　ACALLDSUM;計(jì)數(shù)E(K)</p><p>　　MOV39H,R7

80、;E(K)送39H和3AH單元</p><p>　　MOV3AH,R6;E(K)送39H和3AH單元</p><p>　　MOVR5,35H;KI送R5R4</p><p>　　MOVR4,36H;KI送R5R4</p><p>　　MOVR0,#4AH;積始址4AH送R0&l

81、t;/p><p>　　ACALLMULT1;計(jì)算PI=KI*E(K)</p><p>　　MOVR5,39H;E(K)送R5R4</p><p>　　MOVR4,3AH;E(K)送R5R4</p><p>　　MOVR3,3BH;E(K-1)送R3R2 </p><

82、;p>　　MOVR2,3CH;E(K-1)送R3R2</p><p>　　ACALLCPL1;對(duì)E(K-1)求補(bǔ)</p><p>　　ACALLDSUM;求[E(K)-E(K-1)]</p><p>　　MOVR5,33H;Kp送R5R4</p><p>　　MOVR

83、4,34H;Kp送R5R4</p><p>　　MOVR0,#46H;積始址46H送R0</p><p>　　ACALLMULT1;求得Pp</p><p>　　MOVR5,49H;Pp的高16位送R5R4</p><p>　　MOVR4,48H;Pp的高16位送R5R4

84、</p><p>　　MOVR3,4DH;KP1送R3R2</p><p>　　MOVR2,4CH;KP1送R3R2</p><p>　　ACALLDSUM;求得Pp+PI</p><p>　　MOV4AH,R7;存入4AH和4BH單元</p><p>　

85、　MOV4BH,R6;存入4AH和4BH單元</p><p>　　MOVR5,39H;E(K)送R5R4</p><p>　　MOVR4,3AH;E(K)送R5R4</p><p>　　MOVR3,3DH;E(K-2)送R3R2</p><p>　　MOVR2,3EH

86、;E(K-2)送R3R2</p><p>　　ACALLDSUM;計(jì)算E(K)+E(K-2)</p><p>　　MOVR5,R7;存入R5R4</p><p>　　MOVR4,R6;存入R5R4</p><p>　　MOVR3,3BH;E(K-1)送R3R2</p&g

87、t;<p>　　MOVR2,3CH;E(K-1)送R3R2</p><p>　　ACALLCPL1;對(duì)E(K-1)求補(bǔ) </p><p>　　ACALLDSUM;計(jì)算E(K)+E(K-2)-E(K-1)</p><p>　　MOVR5,R7;存入R5R4</p><p&

88、gt;　　MOVR4,R6;存入R5R4</p><p>　　MOVR3,3BH;E(K-1)送R3R2</p><p>　　MOVR2,3CH;E(K-1)送R3R2</p><p>　　ACALLCPL1;對(duì)E(K-1)求補(bǔ)</p><p>　　ACALLDSUM

89、;求E(K)-2E(K-1)+E(K-2)</p><p>　　MOVR5,37H;KD送R5R4</p><p>　　MOVR4,38H;KD送R5R4</p><p>　　MOVR0,#46H;積始址46H送R0</p><p>　　ACALLMULT1;求得PD</

90、p><p>　　MOVR5,49H;送入R5R4</p><p>　　MOVR4,48H;送入R5R4</p><p>　　MOVR3,4AH;Pp+PI送R3R2</p><p>　　MOVR2,4BH;Pp+PI送R3R2</p><p>　　ACALL

91、DAUM;求得Pp+PI+PD</p><p>　　MOVR3,R7;送入R3R2</p><p>　　MOVR2,R6;送入R3R2</p><p>　　MOVR5,2FH;P(K-1)送R5R4</p><p>　　MOVR4,30H;P(K-1)送R5R4&l

92、t;/p><p>　　ACALLDSUM;求出P(K)</p><p>　　MOV2FH,R7;存入2FH和30H單元</p><p>　　MOV30H,R6;存入2FH和30H單元</p><p>　　MOV3DH,3BH;E(K-1)送E(K-2)單元</p><

93、;p>　　MOV3EH,3CH;E(K-1)送E(K-2)單元</p><p>　　MOV3BH,39H;E(K)送E(K-1)單元 </p><p>　　MOV3CH,3AH;E(K)送E(K-1)單元</p><p><b>　　RET</b></p><p><

94、b>　　結(jié) 論</b></p><p>　　本系統(tǒng)核心是控制算法的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，各方面指標(biāo)基本達(dá)到題目要求。通過(guò)完成本次設(shè)計(jì)，我對(duì)PID控制算法的實(shí)現(xiàn)、單片機(jī)內(nèi)部工作原理及其相關(guān)芯片實(shí)現(xiàn)的功能有了更深、更進(jìn)一步的了解和認(rèn)識(shí)，使以前所學(xué)的知識(shí)更全面、系統(tǒng)化了。</p><p>　　此系統(tǒng)是一種高效低成本的系統(tǒng)，他具有很多優(yōu)點(diǎn)，適合在很多場(chǎng)所中的具體情況，具有很強(qiáng)的推廣優(yōu)勢(shì)，

95、而且很方便實(shí)現(xiàn)應(yīng)用場(chǎng)所的實(shí)時(shí)操控。 </p><p>　　本設(shè)計(jì)是基于PID算法的應(yīng)用，但是還有許多需要改進(jìn)的地方。如對(duì)于溫度傳感器，供我們選擇的也有很多種，但是DS18B20溫度傳感器芯片可直接把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)供單片機(jī)讀取是我們選擇該芯片的主要原因。但現(xiàn)在新出現(xiàn)的傳感器功能更加的齊全在許多的領(lǐng)域中都有廣泛的應(yīng)用也是可以選擇的。 </p><p>　　通過(guò)對(duì)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，我在各方

96、面都掌握了很多有用的知識(shí)，比如在傳感器方面、計(jì)算機(jī)軟件硬件技術(shù)等。達(dá)到了畢業(yè)設(shè)計(jì)的最終目的。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　[1] 胡漢才. 單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，1996，46～70</p><p>　　[2] 何立民. 單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)選編—5[M]. 北京：北京航空航天

97、大學(xué)出版社.1998，</p><p><b>　　380～385</b></p><p>　　[3] 張振榮. MCS-51單片機(jī)原理及實(shí)用技術(shù)[M]. 北京：人民郵電出版社，2000，</p><p><b>　　192～221</b></p><p>　　[4] 曹玉林，曹巧媛. 單片機(jī)原

98、理與接口技術(shù)[M]. 北京：國(guó)防科技大學(xué)出版社.2000，64～92</p><p>　　[5] 楊忠煌. 單芯片8051實(shí)務(wù)與應(yīng)用[M]. 北京：中國(guó)水利水電出版社.2001，59～76</p><p>　　[6] 楊振江. 單片機(jī)實(shí)用子程序及應(yīng)用實(shí)例[M]. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社.</p><p>　　2002，32～38、136～142</p

99、><p>　　[7] 沈紅衛(wèi). 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例與分析[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社.2003，25～31、222～245</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　在論文即將完成之際，我首先向關(guān)心幫助和指導(dǎo)我的導(dǎo)師王書(shū)滿老師表示衷心的感謝并致以崇高的敬意! 在論文工作中，一直得到王老師的悉心指導(dǎo)。王老師以

100、其淵博的學(xué)識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、求實(shí)的工作作風(fēng)和她敏捷的思維、飽滿的工作熱情以及對(duì)我的耐心指導(dǎo)和嚴(yán)格要求給我留下了深刻的印象，使我在理論和實(shí)際應(yīng)用兩方面的能力都得到了很大的提高，使我受益匪淺。高老師治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、待人誠(chéng)懇，她高屋建瓴的學(xué)術(shù)眼光、對(duì)事業(yè)孜孜不倦地追求和勤奮不輟的精神將使我終生受益，是我終生學(xué)習(xí)的榜樣，在此向恩師致以最誠(chéng)摯的謝意。</p><p>　　我還要感謝我的同學(xué)們，他們?cè)诋厴I(yè)設(shè)計(jì)期間給我了莫大的支持

101、與幫助，為我提供了一個(gè)良好的學(xué)習(xí)和生活環(huán)境，并且對(duì)于我提出的任何難題都給予熱心、耐心的解答，使我受益頗深。</p><p>　　感謝應(yīng)用電子技術(shù)專業(yè)的全體老師對(duì)我的諄諄教導(dǎo)，你們的教誨將使我受益終生。</p><p>　　感謝全體同學(xué)，你們的關(guān)心和友愛(ài)使我很感動(dòng)！</p><p>　　感謝我的父母對(duì)我的養(yǎng)育之恩!</p><p>　　感謝所有

102、幫助過(guò)我的人們!</p><p>　　最后，再次感謝王書(shū)滿老師對(duì)我的鼓勵(lì)、支持與關(guān)懷，這些我將永生難忘！</p><p><b>　　附錄1</b></p><p><b>　　硬件電路原理圖</b></p><p><b>　　溫度控制系統(tǒng)原理圖</b></p>

103、<p><b>　　附錄2</b></p><p>　　程序清單為：ORG0100H</p><p>　　DISM0DATA78H</p><p>　　DISM1DATA79H</p><p>　　DISM2DATA7AH</p><p>　　DIS

104、M3DATA7BH</p><p>　　DISM4DATA7CH</p><p>　　DISM5DATA7DH</p><p>　　MOVSP,#50H;50H送SP</p><p>　　CLR5EH;清本次越限標(biāo)志</p><p>　　CLR5FH

105、;清上次越限標(biāo)志</p><p>　　CLRA;清累加器A</p><p>　　MOV2FH,A;清暫存單元</p><p>　　MOV30H,A;清暫存單元</p><p>　　MOV3BH,A;清暫存單元</p><p>　　MOV3

106、CH,A;清暫存單元</p><p>　　MOV3DH,A;清暫存單元</p><p>　　MOV3EH,A;清暫存單元</p><p>　　MOV44H,A;清暫存單元</p><p>　　MOVDISM0,A;清顯示緩沖區(qū)</p><p>　　

107、MOVDISM1,A;清顯示緩沖區(qū)</p><p>　　MOVDISM2,A;清顯示緩沖區(qū)</p><p>　　MOVDISM3,A;清顯示緩沖區(qū)</p><p>　　MOVDISM4,A;清顯示緩沖區(qū)</p><p>　　MOVDISM5,A;清顯示緩沖區(qū)</p&g

108、t;<p>　　MOVTMOD,#56H;設(shè)T0計(jì)數(shù)器方式2，T1方式1</p><p>　　MOVTL0,#06H;T0賦初值</p><p>　　MOVTH0,#06H;T0賦初值</p><p>　　CLRPT0;令T0為低中斷優(yōu)先級(jí)</p><p>　　SETB

109、TR0;啟動(dòng)T0工作</p><p>　　SETBET0;允許T0中斷</p><p>　　SETBEA;開(kāi)CPU中斷</p><p>　　LOOP:ACALLDISPLY;調(diào)用顯示程序</p><p>　　ACALLSCAN;調(diào)用掃描程序</p>

110、;<p>　　AJMPLOOP;等待中斷</p><p><b>　　T0中斷</b></p><p>　　ORG000BH</p><p>　　AJMP CT0</p><p>　　CT0:PUSHACC;保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)</p><p>

111、;　　PUSHDPL;保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)</p><p>　　PUSHDPH;保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)</p><p>　　SETBD5H;置標(biāo)志</p><p>　　ACALLSAMP;調(diào)用采樣子程序</p><p>　　ACALLFILTER;調(diào)用數(shù)字濾波程序</p>&

112、lt;p>　　CJNEA,42H,TPL;若Ui(K)/=Umax，則TPL</p><p>　　WL:MOVC,5EH;(5EH)送5FH</p><p>　　MOV5FH,C;(5EH)送5FH</p><p>　　CLR5EH;清5EH單元</p><p>　　AC