電阻爐模糊PID溫度控制系統(tǒng)的設計

1、第一章 緒論1引言隨著現(xiàn)代工業(yè)的逐步發(fā)展，在工業(yè)生產中，溫度、壓力、流量和液位是四種最常見的過程變量。其中，溫度是一個非常重要的過程變量。例如：在冶金工業(yè)、化工工業(yè)、電力工業(yè)、機械加工和食品加工等許多領域，都需要對各種加熱爐、熱處理爐、反應爐和鍋爐的溫度進行控制。然而，用常規(guī)的控制方法，潛力是有限的，難以滿足較高的性能要求。采用單片機來對它們進行控制不僅具有控制方便、簡單和靈活性大的優(yōu)點，而且可以大幅度提高被測溫度的技術指標，從而能夠大大提高產品的質量和數(shù)量。因此，單片機對溫度的控制問題是一個工業(yè)生產中經常會遇到的控制問題。 模糊PID單片機溫度控制系統(tǒng)，是利用單片機作為系統(tǒng)的主控制器，測量電

2、路中的溫度反饋信號經A/D變換后，送入單片機中進行處理，經過模糊PID算法后，單片機的輸出用來控制可控硅的通斷，控制加熱爐的輸出功率，從而實現(xiàn)對溫度的控制。本設計運用MCS-51系列單片機集中的8051單片機為主控制器，對加熱爐的溫度進行智能化控制，最終通過軟件設計來實現(xiàn)人機對話功能，實現(xiàn)對加熱爐的溫度控制。 本設計主要介紹模糊PID單片機溫度控制系統(tǒng)，內容主要包括：采樣、濾波、鍵盤顯示、加熱控制系統(tǒng)，單片機MCS-51的開發(fā)及系統(tǒng)應用軟件的開發(fā)等。全文共分四章。第一章緒論介紹相關技術發(fā)展，系統(tǒng)設計概述及設計要求，方案論證。第二章硬件電路的設計介紹主控電路核心MCS-51單片機AT80C51的

3、基本結構和配置以及一些子模塊的設計。第三章典型芯片的介紹MAX6675 包括了A/D采樣技術和數(shù)字濾波技術。第四章軟件設計介紹以模糊PID為主的溫度控制算法及系統(tǒng)加熱控制系統(tǒng)。第五章主要是系統(tǒng)軟件編程。2單片機技術現(xiàn)狀與發(fā)展 單片機又稱為微控制器（Microcontroller），是把中央處理器(CPU)、隨機存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、定時器/計數(shù)器、I/O接口電路等部件集成在一塊芯片上的微型計算機。自問世以來，性能不斷提高和完善，加之具有控制能力強、體積小、功耗??；成本低、開發(fā)周期短、集成度高；速度快，指令周期為S級；功能強，有豐富的內置資源；易于商品化，多數(shù)廠商提供配套外圍借

4、口芯片；抗干擾能力強等優(yōu)點，因此，在工業(yè)控制、智能儀器儀表、數(shù)據(jù)采集和處理、通信系統(tǒng)、高級計算機、家用電器等領域的應用日益廣泛，并且正在逐步取代現(xiàn)有的多片微機應用系統(tǒng)，數(shù)字單片機的位數(shù)越來越多，精度也越來越高。另外，在需要極高響應速度的控制場合，還出現(xiàn)了模糊單片機，它是專門執(zhí)行模糊邏輯信號的器件，具有極高的模糊推理速度。 今天，還出現(xiàn)了不少高級語言的開發(fā)工具，這些系統(tǒng)經過仿真可在更高的開發(fā)平臺上進行快速的開發(fā)，為單片機的廣泛應用鋪平了道路。所以，在未來的社會主義工業(yè)化建設中，單片機無疑會發(fā)揮更大的作用。單片機具有處理能強、運行速度快、功耗低等優(yōu)點，應用在溫度測量與控制方面，控制簡單方便，測量范

5、圍廣，精度較高。3系統(tǒng)設計概述及設計要求采用單片機為控制核心器件，選擇合適的傳感器對電阻絲加熱爐溫度進行測量，并采用模糊PID控制算法使其保持在某一設定的溫度值。溫度值可由鍵盤設定，并在LED顯示器上顯示。 具體要求如下：1） 溫度范圍為50015002） 系統(tǒng)有必要的保護和報警3） 溫度值有顯示4） 誤差范圍14方案論證4.1 總體方案比較與論證 方案一： 采用CPLD作為主控制器控制外圍電路進行溫度測量、鍵盤和LED控制、報警控制。 方案二：采用AT89C51單片機來實現(xiàn)系統(tǒng)的控制。AT89C51內部自帶程序存儲器，采用Intel8279鍵盤/顯示器的控制，K 型熱電偶（鎳鉻-鎳硅）作為測

6、溫傳感器,AD574芯片作數(shù)模量轉換芯片,用繼電器對電阻爐加熱進行控制。采用PID控制算法對溫度進行控制，此系統(tǒng)硬件簡潔，將復雜的硬件功能用軟件實現(xiàn)，因此系統(tǒng)控制靈活，能很好地滿足本題的基本要求和擴展要求。 比較以上兩種方案的優(yōu)缺點： 方案一邏輯電路復雜，且靈活性較低，不利于各種功能的擴展，而且開發(fā)成本很高。方案二簡潔、靈活、可擴展性好，能完全達到設計要求。通過大量的資料的查找與對比采用第二種方案較好。故采用方案二。4.2 典型模塊電路的設計方案與比較4.2.1 溫度檢測方案 方案一：利用熱釋電紅外傳感器（探測器）進行非接觸式紅外測溫的原理、紅外測溫系統(tǒng)結構和信號處理電路的組成，目的是實現(xiàn)對移

7、動物體的非接觸式溫度測量。以此為基礎，組裝了一套微機紅外測溫實驗裝置，用該裝置測定了目標表面溫度變化規(guī)律。在大約190測量精度達到最高，其殘差為9.5。但是在測定高溫時誤差大，而且系統(tǒng)的造價高。方案二：選用K型熱電偶（鎳鉻鎳硅），具有線性度好、測溫范圍適中、輸出電動勢大、價格便宜等特點。另外，為保證檢測精度，采用補償導線法對熱電偶進行冷端補償。4.2.2 鍵盤顯示方案 方案一：采用獨立按鍵按口，這種方式是各種按鍵相互獨立，每個鍵各按一根輸入線，一根輸出線上的按鍵工作狀態(tài)不會影響其他輸入線上的工作狀態(tài)。所以通過檢測輸入線的電平狀態(tài)可以很容易判斷哪個鍵按下。獨立式按鍵電路配置靈活、軟件簡單，但是每

8、個鍵占一根輸入口線，在按鍵數(shù)較多時需要較多的輸入口線且電路結構簡單，故使用于按鍵少，操作速度高的場合。它直接與單片機I/O相接，通過讀I/O口，判斷各個I/O口線電平狀態(tài)，即可識別出按下鍵盤。 方案二：采用3*3矩陣鍵盤輸入，這種接口方式適用于按鍵數(shù)量較多場合，由行、列線組成，行列分別連接到按鍵兩端。按鍵位于行列交叉點，行線通過上拉電阻接到+5V上。平時無按鍵按下時，行處于高電平，而當按下時行電平將由此與此電平相連的列線電平決定。由于矩陣鍵盤中行、列線為多鍵共用，各按鍵均影響該鍵所在的行和列電平，所以各按鍵彼此將相互影響，所以必須將行列信號配合起來并做適當處理才能決定閉合鍵位置。 方案三：采用

9、Intel 8279鍵盤/顯示電路，該接口電路設計新穎，結構簡單，穩(wěn)定性強，可靠性高，編程容易，具有很強的使用性。4.2.3 顯示模塊的選擇 方案一：采用數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管亮度高、體積小、重量輕，但其顯示信息簡單、有限，在本題目中應用受到很大的限制。方案二：采用液晶顯示。液晶顯示功耗低、輕便防震。由于本題顯示信息比較復雜，采用液晶顯示界面友好清晰，操作方便，顯示信息豐富。第2章 硬件設計1系統(tǒng)的硬件總體設計 AT89C51電阻爐溫度控制系統(tǒng)是以AT89C51 單片機為核心，采用模糊PID控制的方法，使電阻爐的溫度得到較為理想的控制。本系統(tǒng)所要控制的電阻爐加熱功率1500W，使用電壓范圍0220

10、V（AC），升溫速度0.3 /min，控制精度1，控制溫度范圍為500-1500度?？刂葡到y(tǒng)的結構框圖如圖1 所示。放大 光偶雙向可控硅電阻爐熱電耦A/D89C51報警顯示鍵盤圖2-1系統(tǒng)組成基本框圖 整個系統(tǒng)由3部分組成，即由單片機AT89C51構成的單片機應用系統(tǒng)；由K 型熱電偶、運算放大電路和A/D 轉換電路構成的溫度檢測通道；由雙向可控硅構成的輸出控制通道。工作時,溫度由K型熱電偶檢測溫度值，經過冷端溫度補償運算放大器和A/D 轉換，將溫度信號送入單片機；單片機將溫度信號進行數(shù)字濾波，標度變換后，由LED 顯示。同時與系統(tǒng)設定值進行比較，按照模糊PID控制算法進行運算，通過輸出信號去控

11、制雙向可控硅的通斷，從而控制電阻爐的平均輸入功率，實現(xiàn)電阻爐爐溫的控制。并可直接顯示。熱電偶將爐溫變換為模擬電壓信號，經MAX6675芯片轉換為數(shù)字量送單片機。同時，熱電偶的冷端溫度也由IC溫度傳感器變?yōu)殡妷盒盘?，經放大和轉換后送單片機。標度變換程度根據(jù)溫檢測值求得實際爐溫。數(shù)字調節(jié)器程序根據(jù)恒溫給定值。與的偏差A0，按積分分離的PID控制算法得到輸出控制量i。數(shù)字觸發(fā)器程序根據(jù)c控制電阻爐子的導通時間，調節(jié)爐溫冷端處的溫度值的變化使之與給定恒溫值一致。導通時間長，輸出功率大，溫度升高快；導通時間短，輸出功率小，溫度升高變慢。顯示與恒溫判斷程序完成爐溫與恒溫時間顯示、恒溫開與恒溫完成判別、恒溫

12、完成時給出聲光指示信號。斷偶判斷程序根據(jù)溫度檢測值判斷溫度傳感是否開路，若開路，則給出斷偶報警信號。2溫度檢測設計采用熱電偶傳感器。熱電偶傳感器具有價廉、精度高、構造簡單、測量范圍寬(通?？捎梢?O度到 +1600度)及反應快速的優(yōu)點。熱電偶傳感器輸出的電壓信號較為微弱(只有幾毫伏到幾十毫伏)，型熱電偶是工業(yè)生產中最常用的溫度傳感器，目前，在以型熱電偶為測溫元件的工業(yè)測溫系統(tǒng)中，熱電偶輸出的熱電勢信號必須經過中間轉換環(huán)節(jié)，才能輸入基于單片機的嵌入式系統(tǒng)。中間轉換環(huán)節(jié)包括信號放大、冷端補償、線性化及數(shù)字化等幾個部分，實際應用中，由于中間環(huán)節(jié)較多，調試較為困難，系統(tǒng)的抗干擾性能往往也不理想。在電阻

13、爐溫度檢測中，采用MAXIM公司新近推出的MAX6675，它是一個集成了熱電偶放大器、冷端補償、A/D轉換器及SPI串口的熱電偶放大器與數(shù)字轉換器，可以直接與單片機接口，大大簡化系統(tǒng)的設計，保證了溫度測量的快速、準確。2.1 MAX6675電阻爐溫度控制系統(tǒng)的型熱電偶溫度采集電路如圖2.1-1所示。其微控制器采用ATMEL公司的FLASH單片機AT89C51，該微控制器具有4K內部可擦寫程序存儲器和32個輸入/輸出端口，滿足本系統(tǒng)中液位測量、數(shù)據(jù)顯示、溫度測量、數(shù)據(jù)通訊、看門狗電路的需要。作為一款廉價的通用型單片機，AT89C51沒有SPI接口。因此采用I/O口線模擬SPI串行口來對MAX66

14、75讀取數(shù)據(jù)。MAX6675的CS端接單片機的P1.0腳，CS低電平停止轉換，MAX6675準備將數(shù)據(jù)輸出；SCK引腳接單片機的P1.1腳，為傳輸數(shù)據(jù)提供時鐘。無數(shù)據(jù)傳輸時，SCK應置為低電平；SO引腳接單片機的P1.2腳，用于傳輸數(shù)據(jù)。單片機的P1.3腳作為型熱電偶探頭斷線報警口，報警時輸出低電平，驅動故障指示LED顯示。 在單片機的上述4個引腳各接一個10K的上拉電阻，保證數(shù)據(jù)的可靠傳送。由于MAX6675的測量精度對電源耦合噪聲較敏感，為降低電源噪聲影響，在MAX6675的電源引腳附近接入1只0.1F陶瓷旁路電容。在印刷電路板的設計中，采用大面積接地技術來降低芯片自熱引起的測量誤差，提高

15、溫度測量精度。圖2.1-1 AX6675與AT89C51單片機組成的熱電偶溫度采集電路 AX6675是一復雜的單片熱電偶數(shù)字轉換器，其內部結構如圖二所示。主要包括：低噪聲電壓放大器A1、電壓跟隨器A2、冷端溫度補償二極管、基準電壓源、12位AD轉換器、SPI串行接口、模擬開關及數(shù)字控制器。其工作原理如下：K型熱電偶產生的熱電勢，經過低噪聲電壓放大器A1和電壓跟隨器A2放大、緩沖后，得到熱電勢信號U1，再經過S4送至ADC。對于K型熱電偶，電壓變化率為(41V/)，電壓可由如下公式來近似熱電偶的特性。U1=(41V/)(T-T0) 上式中，U1為熱電偶輸出電壓（mV），T是測量點溫度；T0是周圍

16、溫度。在將溫度電壓值轉換為相應的溫度值之前，對熱電偶的冷端溫度進行補償，冷端溫度即是MAX6675周圍溫度與0實際參考值之間的差值。通過冷端溫度補償二極管，產生補償電壓U2經S4輸入ADC轉換器。U2=(41V/)T0在數(shù)字控制器的控制下，ADC首先將U1、U2轉換成數(shù)字量,即獲得輸出電壓U0的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)就代表測量點的實際溫度值T。這就是MAX6675進行冷端溫度補償和測量溫度的原理。 其內部結構圖如圖二所示2.2 MAX6675的特性與MAX6675引腳功能MAX6675是具有冷端補償和A/D轉換功能的單片集成型熱電偶變換器，測溫范圍01024，主要功能特點如下： 直接將熱電偶信號轉換為數(shù)

17、字信號 具有冷端補償功能 簡單的SPI串行接口與單片機通訊 12位A/D轉換器、0.25分辨率 單一+5V的電源電壓 熱電偶斷線檢測 工作溫度范圍-20+85 MAX6675采用SO-8封裝形式，有8個引腳，腳1（GND）接地，腳2（T-）接熱電偶負極，腳3（T+）接熱電偶正極，腳4（VCC）電源端，腳5（SCK）串行時鐘輸入端，腳6（CS）片選端，使能啟動串行數(shù)據(jù)通訊，腳7（SO）串行數(shù)據(jù)輸出端，腳8（NC）未用。在VCC和GND之間接0.1F電容。MAX6675的引腳如圖一所示 2.3 89C51 89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFalsh Program

18、mable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。89C2051是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的89C51是一種高效微控制器，89C2051是它的一種精簡版本。89C51單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。 1 主要特性： 與MCS-51 兼容 4K字節(jié)可編程閃爍存儲器 壽命

19、：1000寫/擦循環(huán) 數(shù)據(jù)保留時間：10年 全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz 三級程序存儲器鎖定 128*8位內部RAM 32可編程I/O線 兩個16位定時器/計數(shù)器 5個中斷源 可編程串行通道 低功耗的閑置和掉電模式 片內振蕩器和時鐘電路 2管腳說明： VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。 P1口：P1口是一個

20、內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。 P2口：P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優(yōu)勢，

21、當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3口：P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，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。 P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： 口管腳 備選功能 P3.0 RXD（串行輸入口） P3.1 TXD（串行輸出口） P3.2 /INT0（外部中斷0） P3.3 /INT1（外部中斷1） P3.4 T0（記時器0外部輸入

22、） P3.5 T1（記時器1外部輸入） P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。 RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。 ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8

23、EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是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，置位無效。 /PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。 /EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。 XTAL1

24、：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 3振蕩器特性： XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅動器件，XTAL2應不接。有余輸入至內部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 4芯片擦除： 整個PEROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms 來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復編程以前，該操作必須被執(zhí)行。 此外，

25、AT89C51設有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時器，計數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內容并且凍結振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復位為止。 5.結構特點：8位CPU；片內振蕩器和時鐘電路；32根I/O線；外部存貯器尋址范圍ROM、RAM64K；2個16位的定時器/計數(shù)器；5個中斷源，兩個中斷優(yōu)先級；全雙工串行口；布爾處理器；5.引腳說明：電源引腳Vcc（40腳）：典型值5V。Vss（20腳）：接低電平。外部晶振X1、X2分別與晶體兩端相連接。當采用外部時鐘信號時，X2接振

26、蕩信號，X1接地 輸入輸出口引腳： P0口：I/O雙向口。作輸入口時，應先軟件置“ 1”。 P1口：I/O雙向口。作輸入口時，應先軟件置“ 1”。 P2口：I/O雙向口。作輸入口時，應先軟件置“ 1”。 P3口：I/O雙向口。作輸入口時，應先軟件置“ 1”。控制引腳：RST/Vpd、ALE/-PROG、-PSEN、-EA/Vpp組成了MSC-51的控制總線。RST/Vpd（9腳）：復位信號輸入端（高電平有效）。第一功能：加+5V備用電源，可以實現(xiàn)掉電保護RAM信息不丟失。ALE/-PROG(30腳）：地址鎖存信號輸出端。第二功能：編程脈沖輸入。-PSEN（29腳）：外部程序存儲器讀選通信號。-

27、EA/Vpp(31腳）：外部程序存儲器使能端。第三功能：編程電壓輸入端（+21V）。6. AT89C51單片機的P口特點： P0口：是一個8位漏極開路輸出型雙向I/O端口。作為輸出端口時，每位能以吸收電流的方式驅動8 個TTL輸入，對端口寫1時，又可作高阻抗輸入端用。在訪問外部程序或數(shù)據(jù)存儲器時，它是時分多路轉換的地址（低8位）/數(shù)據(jù)總線，在訪問期間將激活內部的上拉電阻。P0口作為I/O端口使用時，多路開關的控制信號為0（低電平），看上圖中的線線部份，多路開關的控制信號同時與與門的一個輸入端是相接的，我們知道與門的邏輯特點是“全1出1，有0出0”那么控制信號是0的話，這時與門輸出的也是一個0（

28、低電平），與讓的輸出是0，V1管就截止，在多路控制開關的控制信號是0（低電平）時，多路開關是與鎖存器的Q非端相接的（即P0口作為I/O口線使用）。(1)P0口用作I/O口線，其由數(shù)據(jù)總線向引腳輸出（即輸出狀態(tài)Output）的工作過程：當寫鎖存器信號CP 有效，數(shù)據(jù)總線的信號鎖存器的輸入端D鎖存器的反向輸出Q非端多路開關V2管的柵極V2的漏極到輸出端P0.X。前面我們已講了，當多路開關的控制信號為低電平0時，與門輸出為低電平，V1管是截止的，所以作為輸出口時，P0是漏極開路輸出，類似于OC門，當驅動上接電流負載時，需要外接上拉電阻.(2)、作為地址/數(shù)據(jù)復用口使用時的工作原理 在訪問外部存儲器時

29、P0口作為地址/數(shù)據(jù)復用口使用。 這時多路開關控制信號為1，與門解鎖，與門輸出信號電平由“地址/數(shù)據(jù)”線信號決定；多路開關與反相器的輸出端相連，地址信號經“地址/數(shù)據(jù)”線反相器V2場效應管柵極V2漏極輸出。例如：控制信號為1，地址信號為“0”時，與門輸出低電平，V1管截止；反相器輸出高電平，V2管導通，輸出引腳的地址信號為低電平P1口：P1口是一個帶有內部上拉電阻的8位雙向I/O端口。P1口的輸出緩沖器可驅動（吸收或輸出電流方式）4個TTL輸入。對端口寫1時，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時可作輸入口。P2口作輸入口使用時，因為內部有上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流（I

30、il）。單片機復位后，各個端口已自動地被寫入了1，此時，可直接作輸入操作。如果在應用端口的過程中，已向P1一P3端口線輸出過0，則再要輸入時，必須先寫1后再讀引腳，才能得到正確的信息。此外，隨輸入指令的不同，H端口也有讀鎖存器與讀引腳之分。 P2口：P2口是一個帶有內部上拉電阻的8位雙向I/O端口。P2口的輸出緩沖器可驅動（吸收或輸出電流方式）4個TTL輸入。對端口寫1時，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時可作輸入口。P2口作輸入口使用時，因為內部有上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流（Iil）。P2端口在片內既有上拉電阻，又有切換開關MUX，所以P2端口在功能上兼有P0端口

31、和P1端口的特點。這主要表現(xiàn)在輸出功能上，當切換開關向下接通時，從內部總線輸出的一位數(shù)據(jù)經反相器和場效應管反相后，輸出在端口引腳線上；當多路開關向上時，輸出的一位地址信號也經反相器和場效應管反相后，輸出在端口引腳線上。對于單片機必須外接程序存儲器才能構成應用電路（或者我們的應用電路擴展了外部存儲器），而P2端口就是用來周期性地輸出從外存中取指令的地址(高8位地址)，因此，P2端口的多路開關總是在進行切換，分時地輸出從內部總線來的數(shù)據(jù)和從地址信號線上來的地址。因此P2端口是動態(tài)的I/O端口。輸出數(shù)據(jù)雖被鎖存，但不是穩(wěn)定地出現(xiàn)在端口線上。其實，這里輸出的數(shù)據(jù)往往也是一種地址，只不過是外部RAM的高

32、8位地址。在輸入功能方面，P2端口與P0和H端口相同，有讀引腳和讀鎖存器之分，并且P2端口也是準雙向口。可見，P2端口的主要特點包括：不能輸出靜態(tài)的數(shù)據(jù)；自身輸出外部程序存儲器的高8位地址；執(zhí)行MOVX指令時，還輸出外部RAM的高位地址，故稱P2端口為動態(tài)地址端口。在訪問外部程序存儲器時和16位外部地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行 MOVX DPTR）時，P2口送出高8位地址。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行 MOVX RI）時，P2口引腳上的內容（就是專用寄存器(SFR)區(qū)中的P2寄存器的內容），在整個訪問期間不會改變。 P3口：P3口是一個帶有內部上拉電阻的8位雙向I/O端口。P3口的輸

33、出緩沖器可驅動（吸收或輸出電流方式）4個TTL輸入。對端口寫1時，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時可作輸入口。P3口作輸入口使用時，因為內部有上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流（Iil）。在穩(wěn)定的狀態(tài)條件下Io 低被外部限制如下1、每個管腳的最大IOL 15mA 注85 規(guī)格2、每個8 位口的最大IOL 26 mA3、IOL 輸出最大總和 71mA4、如果IOL 超過測試條件VOL 可能會超過相應規(guī)格不能保證超過測試電流P3端口和Pl端口的結構相似，區(qū)別僅在于P3端口的各端口線有兩種功能選擇。當處于第一功能時，第二輸出功能線為1，此時，內部總線信號經鎖存器和場效應管輸入/

34、輸出，其作用與P1端口作用相同，也是靜態(tài)準雙向I/O端口。當處于第二功能時，鎖存器輸出1，通過第二輸出功能線輸出特定的內含信號，在輸入方面，即可以通過緩沖器讀入引腳信號，還可以通過替代輸入功能讀入片內的特定第二功能信號。由于輸出信號鎖存并且有雙重功能，故P3端口為靜態(tài)雙功能端口。在應用中,如不設定P3端口各位的第二功能(WR,RD信叼的產生不用設置),則P3端口線自動處于第一功能狀態(tài)，也就是靜態(tài)IO端口的工作狀態(tài)。在更多的場合是根據(jù)應用的需要，把幾條端口線設置為第二功能，而另外幾條端口線處于第一功能運行狀態(tài)。在這種情況下，不宜對P3端口作字節(jié)操作，需采用位操作的形式。7. D鎖存器：構成一個鎖

35、存器，通常要用一個時序電路，時序的單元電路在學數(shù)字電路時我們已知道，一個觸發(fā)器可以保存一位的二進制數(shù)（即具有保持功能），在51單片機的32根I/O口線中都是用一個D觸發(fā)器來構成鎖存器的D鎖存器，D端是數(shù)據(jù)輸入端，CP是控制端（也就是時序控制信號輸入端），Q是輸出端，Q非是反向輸出端。對于D觸發(fā)器來講，當D輸入端有一個輸入信號，如果這時控制端CP沒有信號（也就是時序脈沖沒有到來），這時輸入端D的數(shù)據(jù)是無法傳輸?shù)捷敵龆薗及反向輸出端Q非的。如果時序控制端CP的時序脈沖一旦到了，這時D端輸入的數(shù)據(jù)就會傳輸?shù)絈及Q非端。數(shù)據(jù)傳送過來后，當CP時序控制端的時序信號消失了，這時，輸出端還會保持著上次輸入端

36、D的數(shù)據(jù)（即把上次的數(shù)據(jù)鎖存起來了）。如果下一個時序控制脈沖信號來了，這時D端的數(shù)據(jù)才再次傳送到Q端，從而改變Q端的狀態(tài)。多路開關：在51單片機中，當內部的存儲器夠用（也就是不需要外擴展存儲器時，這里講的存儲器包括數(shù)據(jù)存儲器及程序存儲器）時，P0口可以作為通用的輸入輸出端口（即I/O）使用，對于8031（內部沒有ROM）的單片機或者編寫的程序超過了單片機內部的存儲器容量，需要外擴存儲器時，P0口就作為地址/數(shù)據(jù)總線使用。那么這個多路選擇開關就是用于選擇是做為普通I/O口使用還是作為數(shù)據(jù)/地址總線使用的選擇開關了。當多路開關與下面接通時，P0口是作為普通的I/O口使用的，當多路開關是與上面接通時

37、，P0口是作為地址/數(shù)據(jù)總線使用的。輸出驅動部份：P0口的輸出是由兩個MOS管組成的推拉式結構，也就是說，這兩個MOS管一次只能導通一個，當V1導通時，V2就截止，當V2導通時，V1截止。3. 溫度控制電路 溫度控制電路采用可控硅調功率方式。雙向可控硅串在50Hz交流電源和加熱絲電路中，只要在給定周期里改變可控硅的接通時間，就能達到改變加熱功率的目的，從而實現(xiàn)溫度控制。對于這樣的執(zhí)行機構，單片機只要輸出能控制可控硅通斷電時間的脈沖信號就可以了。因此，用一條I/O線與可控硅的控制端相連接，并通過程序實現(xiàn)輸出導通脈沖的寬度和導通時間。為了達到過零觸發(fā)的目的，需要交流電過零檢測電路。此電路輸出對應于

38、50Hz交流電壓過零時刻的脈沖，作為觸發(fā)雙向可控硅的同步脈沖，使可控硅在交流電壓過零時刻觸發(fā)導通。電壓比較器將50H z正弦交流電壓變?yōu)榉讲ā７讲ǖ恼睾迂撎胤謩e作為倆個單穩(wěn)觸發(fā)器的觸發(fā)信號，單穩(wěn)觸發(fā)器輸出的窄脈沖經二極管或門混合，就得到對應于220市電過零時刻的同步脈沖。此脈沖一路作為處罰同步脈沖夾道溫度控制電路,一路作為計數(shù)脈沖加到單片機89C51的輸出端。4.鍵盤操作鍵盤的掃描方式有三種，即編程掃描工作方式、定時掃描工作方式和中斷掃描工作方式。鍵盤的工作方式介紹如下：（1）編程掃描工作方式：編程掃描工作方式是利用CPU在完成其他工作的空余，調用鍵盤掃描子程序，來響應鍵輸入要求。將鍵盤

39、端口分為掃描口和輸入口，由掃描口輸出狀態(tài)數(shù)據(jù)，在輸入口讀取掃描后的。（2）定時器產生的定時中斷（定時掃描工作方式：定時掃描工作方式是利用單片機內部定時例如10ms），CPU響應中斷后對鍵盤進行掃描、并在有鍵按下時轉入鍵功能處理程序，則可以實現(xiàn)定時掃描。（3）中斷掃描工作方式：為了進一步提高鍵盤接口CPU的工作效率，可以采用中斷掃描工作方式。當沒有鍵按下時，/I N T1為高電平；當任意鍵被按下時，/I N T1變?yōu)榈碗娖?，向CPU申請中斷。若CPU開放外部中斷1，則響應中斷，執(zhí)行中斷服務程序掃描鍵盤，并判斷是哪個鍵被按下。面板上鍵盤包括啟動運行、停止運行、復位鍵及設置時間鍵。第3章 軟件設計模

40、糊PID控制器具有以下一些特點：(1) 算法簡單實用，本質上不依賴于系統(tǒng)的數(shù)字模型；(2) 可充分利用單片機的軟件資源，可靠性高，開發(fā)速度快；(3) 克服了傳統(tǒng)PID控制器操作的困難，提高了系統(tǒng)的智能化程度；(4) 模糊PID控制器棒性好，具有專家控制器的特點，并可推廣應用于其它工作領域。模糊PID控制的基本思想: 在自動控制技術產生以前，人們在生產過程中只能采用手動控制方式.手動控制過程首先是觀測被控對象的輸出，其次是才民據(jù)觀測結果作出決策判斷，然后手動調整輸入。操作工人就是這樣不斷地觀測一決策一調整，從而實現(xiàn)對生產過程的手動控制，這三個步驟分別由人的眼一腦一手來完成.后來，由于科學和技術的

41、進步，人們采用各種測量裝置代替人的眼睛，完成對被控量的觀測任務;利用各種控制器部分地取代人腦的作用實現(xiàn)比較，綜合被控制量與給定量之間的偏差，控制器所給出的輸出信號相當于手動過程中的人腦的決策;使用各種執(zhí)行機構對被控對象施加某種控制作用，這就起到了手動控制中手的調整作用，這就是人們所熟悉的常規(guī)負反饋控制系統(tǒng)。 在這種情況下，人們總結了自身的控制行為，正是遵循反饋及負反饋控制的思想，人的手動控制決策可以用語言加以描述，總結成一系列條件語句一控制規(guī)則。利用微機程序實現(xiàn)這些控制規(guī)則，微機就起到了控制器的作用，于是利用微機取代人可以付被控對象進行自動控制。這樣，模糊控制技術相應而生了。模糊控制技術是一種

42、由模糊數(shù)學，計算機科學，人工智能，知識工程等多門學科領域相互滲透，理論性很強的科學技術。 綜上，相對于傳統(tǒng)的控制方法，從被控對象的數(shù)學結構上去考慮進行控制，模糊控制的基本思想就是:從人類智能活動的角度和基礎上去考慮實施控制.1 模糊PID自整定控制器的設計本控制系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)采集、速度顯示和速度控制等功能。其中智能模糊控制由單片機完成，并采用規(guī)則自整定PID控制算法進行過程控制。整個系統(tǒng)的核心是模糊控制器，AT89C51單片機是控制器的主體模塊。電液伺服系統(tǒng)輸出的速度信號經傳感器和AD轉換之后進入單片機，單片機則根據(jù)輸入的各種命令，并通過模糊控制算法計算控制量，然后將輸出信號通過DA轉換送給

43、液壓伺服系統(tǒng)，從而控制系統(tǒng)的速度。該模糊控制器的硬件框圖如圖1所示。功率放大傳感器電液伺服系統(tǒng)D/A轉換A/D轉換單片機數(shù)碼顯示鍵盤給定圖1模糊控制器硬件框圖模糊控制系統(tǒng)一般可分為四個組成部分: (1)被控對象可以是一種設備或裝置以及它們的群體，也可以是一個生產的自然的，社會的，生物的或其他各種的狀態(tài)轉移過程，這些被控對象可以是確定的或模糊的，單變量的或多變量的，有滯后的或無滯后的，也可以是線性的或非線性的，定常的或時變的以及具有強藕合和千擾等多種情況，對于那些難以建立精確數(shù)學模型的復雜對象更適合采用模糊控制。 (2)執(zhí)行和時勺電氣的可以是交直流電機，伺服電動機，步進電機等;其它氣動的或液壓的

44、，如各類氣動調節(jié)閥和液壓馬達，液壓閥等均可。 (3)控制器模糊拉制系統(tǒng)的核心部分，由于被控對象不同以及對系統(tǒng)的靜態(tài)、動態(tài)特性的要求和所用的控制規(guī)則相異，可構成各種類型的控制器:經典控制論中，采用Pm控制器，串并校正器;現(xiàn)代控制論中，狀態(tài)觀測器;智能控制論中，則采用模糊知識表示和規(guī)則推理的語言型的模糊控制器，這是模糊控制系統(tǒng)區(qū)別于其它自動控制系統(tǒng)的特點所在。實質上一臺微型計算機，根據(jù)控制系統(tǒng)的需要既可以采用系統(tǒng)機也可采用單片機或單板機。 (4)輸入/輸出接口裝置實際模糊控制系統(tǒng)中，由于被控對象的控 制量以及可觀測的狀態(tài)量是模擬量，因此，模糊控制系統(tǒng)與通常的全數(shù)字拉制系統(tǒng)或混合控制系統(tǒng)一樣，也必須

45、具有模數(shù)，數(shù)模轉換單元。模糊控制器通過輸入/輸出接口從被拉對象獲得數(shù)字量信號，并將模糊控制器決策的輸出信號經過數(shù)模變換，將其轉換為模擬信號送給執(zhí)行機構去控制被控對象，不同的是在模糊控制系統(tǒng)中，還應該具有模糊 邏輯處理的“模糊化”與“解模糊化”環(huán)節(jié)這部分，通常也被看作是模糊控制器的輸入/輸出接口。 (5)測量裝置是將被測對象的的各種非電量如電流，溫度，壓力，速度，濃度等轉換為電信號的一類裝置。通常由各類數(shù)字的或模擬的測量儀器，檢測元件或傳感器等組成。它在模糊控制系統(tǒng)中占據(jù)十分重要的地位，其精度往往影響整個系統(tǒng)的性能指標，因此要求其精度高，可靠性強且穩(wěn)定性好。模糊控制器的主程序包括初始化、鍵盤管理

46、及控制模塊和顯示模塊的調用等。溫度信號的采集、標度變換、控制算法以及速度顯示等功能的實現(xiàn)可由各子程序完成。軟件的主要流程是：利用AT89C51單片機調AD轉換、標度轉換模塊以得到速度的反饋信號，然后根據(jù)偏差和偏差的變化率計算輸入量，再由模糊PID自整定控制算法得出輸出控制量。啟動、停止可通過鍵盤并利用外部中斷產生，有按鍵輸入則調用中斷服務程序。該程序的流程圖如圖2所示啟動停止停機狀態(tài)啟動停止命令嗎？數(shù)據(jù)顯示模塊模糊PID控制算法模塊計算偏差 偏差變換量采樣實際速度標度變換開始啟動停止命令嗎？初始化啟動停止圖2模糊控制器程序控制流程2 模糊控制器算法研究 采用模糊PID自整定控制的目的是使控制器

47、能夠根據(jù)實際情況調整比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)Ki和微分系數(shù)Kd，以達到調節(jié)作用的實時最優(yōu)。該電液伺服系統(tǒng)的Fuzzy自整定PID控制系統(tǒng)結構如圖3所示。y輸出量被控對象uk3k2PID調節(jié)器k1逆模糊化處理模糊決策模糊控制規(guī) 則E1E2模糊化e2e1給定量r-+de/dt 圖3模糊控制器系統(tǒng)結構圖為了簡化運算和滿足實時性要求，即該調節(jié)系統(tǒng)的基本控制仍為PID控制，但使PID調節(jié)參數(shù)由模糊自整定控制器根據(jù)偏差e和偏差變化率ec進行自動調整，同時把模糊自整定控制器的模糊部分按Kp、Ki和Kd分成3部分，分別由相應的子推理器來實現(xiàn)。 2.1 輸入值的模糊化模糊自整定PID控制器是在fuzzy集的論域中

48、進行討論和計算的，因而首先要將輸入變量變換到相應的論域，并將輸人數(shù)據(jù)轉換成合適的語言值，也就是要對輸入量進行模糊化。結合本液壓伺服系統(tǒng)的特性，這里選擇模糊變量的模糊集隸屬函數(shù)為正態(tài)分布，具體分布如圖4所示。根據(jù)該規(guī)則可把實際誤差e、誤差變化率ec(dedt)對應的語言變量E、EC表示成模糊量。E、EC的基本論域為-6，+6，將其離散成13個等級即-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6?？紤]到控制的精度要求，本設計將-6，+6分為負大NB、負中NM、負小NS、零ZO、正小PS、正中PM、正大PB等7個語言變量，然后由e、ec隸屬函數(shù)根據(jù)最大值法得出相應的模糊變

49、量。2.2 模糊控制規(guī)則表的建立(1) Kp控制規(guī)則設計 在PID控制器中，Kp值的選取決定于系統(tǒng)的響應速度。增大Kp能提高響應速度，減小穩(wěn)態(tài)誤差；但是，Kp值過大會產生較大的超調，甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定減小Kp可以減小超調，提高穩(wěn)定性，但Kp過小會減慢響應速度，延長調節(jié)時間。因此，調節(jié)初期應適當取較大的Kp值以提高響應速度，而在調節(jié)中期，Kp則取較小值，以使系統(tǒng)具有較小的超調并保證一定的響應速度；而在調節(jié)過程后期再將Kp值調到較大值來減小靜差，提高控制精度。Kp的控制規(guī)則如表1所列。(2) Ki控制規(guī)則設計 在系統(tǒng)控制中，積分控制主要是用來消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。由于某些原因(如飽和非線性等)，積分過

50、程有可能在調節(jié)過程的初期產生積分飽和，從而引起調節(jié)過程的較大超調。因此，在調節(jié)過程的初期，為防止積分飽和，其積分作用應當弱一些，甚至可以取零；而在調節(jié)中期，為了避免影響穩(wěn)定性，其積分作用應該比較適中；最后在過程的后期，則應增強積分作用，以減小調節(jié)靜差。依據(jù)以上分析，制定的Ki控制規(guī)則表如表2所列。(3) Kd控制規(guī)則設計 微分環(huán)節(jié)的調整主要是針對大慣性過程引入的，微分環(huán)節(jié)系數(shù)的作用在于改變系統(tǒng)的動態(tài)特性。系統(tǒng)的微分環(huán)節(jié)系數(shù)能反映信號變化的趨勢，并能在偏差信號變化太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快響應速度，減少調整時間，消除振蕩最終改變系統(tǒng)的動態(tài)性能。因此，Kd值的選取對調節(jié)

51、動態(tài)特性影響很大。Kd值過大，調節(jié)過程制動就會超前，致使調節(jié)時間過長；Kd值過小，調節(jié)過程制動就會落后，從而導致超調增加。根據(jù)實際過程經驗，在調節(jié)初期，應加大微分作用，這樣可得到較小甚至避免超調；而在中期，由于調節(jié)特性對Kd值的變化比較敏感，因此，Kd值應適當小一些并應保持固定不變；然后在調節(jié)后期，Kd值應減小，以減小被控過程的制動作用，進而補償在調節(jié)過程初期由于Kd值較大所造成的調節(jié)過程的時間延長。依據(jù)以上分析，制定的Kd控制規(guī)則表如表3所列。2.3 逆模糊化處理及輸出量的計算 對經過模糊控制規(guī)則表求得的Kp、Ki、Kd采用重心法進行逆模糊化處理(重心法在此就不做詳細介紹)的公式如下： 式中

52、，u(k)為k采樣周期時的輸出，e(k)為k采樣周期時的偏差，T為采樣周期，通過輸出u(k)乘以相應的比例因子Ku就可得出精確的輸出量u。其公式如下： 常規(guī)PID控制時通過調節(jié)PID三個參數(shù)，就可以得到系統(tǒng)比較理想的響應圖，控制效果的優(yōu)良與參數(shù)的調整有很大的關系，也能提高快速性。但三個參數(shù)的調整非常繁瑣。而且，如果系統(tǒng)環(huán)境不斷變化，則參數(shù)又必須進行重新調整，往往達不到最優(yōu)。而采用模糊PID控制后，通過模糊控制器對PID進行非線性的參數(shù)整定，可使系統(tǒng)無論是快速性方面還是穩(wěn)定性方面都達到比較好的效果。 將上述PID控制及模糊PID控制分別進行了仿真試驗，實驗分別在單獨模糊PID控制情況下和模糊PI

53、D控制兩種情況下進行。并在在線運行過程中通過邏輯規(guī)則的結果處理、查表和運算完成了對PID參數(shù)的在線自矯正。系統(tǒng)的偏差絕對值以及偏差的變化絕對值的取值范圍可根據(jù)實際經驗分別確定為-0.1 cms，0.1 cms】和-0.06 cms2，0.06 cms2，以而確定相對控制效果較好時Kp、Ki、Kd的取值范圍為Kp-0.3，0.3、Ki-0.06，0.06、Kd-3，3。傳統(tǒng)PID和模糊PID實驗所得的曲線分別如圖5及圖6所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，采用模糊控制策略整定PID參數(shù)相對于普通PID控制策略，其系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性得到了較大的改善，響應時間大大減少，超調量也得到了一定的改善。第四章 系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)1

54、.單片機的軟件編程單片機的主要任務是接收來自主機的命令并執(zhí)行命令，對整個恒壓控制系統(tǒng)進行模糊控制，同時返回系統(tǒng)的狀態(tài)和當前的壓力值。在主機工作之前，片機已啟動。在此設計中.單片機定時器T1工作于方式2,波特率9600，串行口工作方式1，允許接受，或允許發(fā)送，晶振11. 0592MHZ，根據(jù)此設置，(TMOD)=20H,(TH 1)=FD, (TL 1)=FD,(SCON)=50H . 2. 系統(tǒng)運行主程序YN重新設定參數(shù)與設定溫度相等？關中斷模糊PID調節(jié)采樣溫度并顯示CPU開中斷設定定時器T0值清顯示緩沖區(qū)清寄存器設定堆棧主程序開始圖4.2主程序流程圖3.MAX6675溫度采集設計 溫度測量開始進行溫度測量，這一部分程序作為一個獨立的程序段，定時調用，主要包括MAX6675數(shù)據(jù)