單片機溫度控制系統(tǒng)PID設(shè)計

畢業(yè)論文（論文）題目名稱: 單片機溫度控制系隨設(shè)計題目類別： 畢業(yè)設(shè)計系（部）： 專業(yè)班級： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 輔導(dǎo)教師： TOC\o"1-5"\h\z時間： 至目錄任務(wù)書 I\o"CurrentDocument"畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告 IV畢業(yè)設(shè)計（論文）指導(dǎo)教師審查意見 錯誤!未定義書簽。教師評語 錯誤!未定義書簽。摘要 VAbstract VI前言 VII緒論 1\o"CurrentDocument"選題背景 1\o"CurrentDocument"PID算法在控制領(lǐng)域中的應(yīng)用 2\o"CurrentDocument"課題研究的目的及意義 3\o"CurrentDocument"總體方案論證與設(shè)計 4\o"CurrentDocument"方案設(shè)計的要求與指標(biāo) 4\o"CurrentDocument"方案的可行性分析與方案選擇 4方案可行性分析 4方案的選擇與確定 6系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 7\o"CurrentDocument"溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計和軟件設(shè)計 8\o"CurrentDocument"系統(tǒng)硬件設(shè)計 8系統(tǒng)硬件組成 8AT89C51單片機的介紹 8測量溫度元件的選擇 1.0. .模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809的介紹 11鍵盤和LED顯示電路設(shè)計 L2溫度控制電路設(shè)計 13\o"CurrentDocument"系統(tǒng)軟件設(shè)計 14主程序流程圖及主程序 14T0中斷子程序 17A/D轉(zhuǎn)換子程序 19數(shù)字濾波子程序 20溫度標(biāo)度變換子程序 21鍵盤顯示子程序 21PID算法介紹 23\o"CurrentDocument"系統(tǒng)仿真與調(diào)試分析 25\o"CurrentDocument"系統(tǒng)仿真 25系統(tǒng)調(diào)試 25\o"CurrentDocument"結(jié)束語 27\o"CurrentDocument"參考文獻 28致謝 29\o"CurrentDocument"附錄I單片機溫度控制PID系統(tǒng)仿真電路圖 30\o"CurrentDocument"附錄IIPID算法流程圖及程序清單 31長江大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書系（部）信息系專業(yè)班級501學(xué)生姓名_指導(dǎo)教師/職稱.畢業(yè)設(shè)計（論文）題目：單片機溫度控制系統(tǒng)PID設(shè)計.畢業(yè)設(shè)計（論文）起止時間：2008年7月1日?2009年6月6日3．畢業(yè)設(shè)計（論文）所需資料及原始數(shù)據(jù)（指導(dǎo)教師選定部分）I）原始數(shù)據(jù)：獨立完成系統(tǒng)的硬件設(shè)計。完成系統(tǒng)軟件程序的編寫及模擬調(diào)試。溫度設(shè)定范圍：50℃-150℃控制精度：1II）畢業(yè)設(shè)計參考文獻：單片機原理及應(yīng)用，2005單片機接口技術(shù)，2003自動控制原理，2004單片機實用技術(shù)，20044．畢業(yè)設(shè)計（論文）應(yīng)完成的主要內(nèi)容收集、整理與本課題相關(guān)的資料設(shè)計一個基于單片機的溫度控制系統(tǒng)，要求溫度可以設(shè)定和顯示，采用PID程序控制的方式，達到要求的控制精度掌握單片機的基本原理及應(yīng)用掌握PID控制算法的實現(xiàn)方法熟悉一般電子產(chǎn)品的設(shè)計方法針對存在的問題提出解決方案或建議完成相關(guān)專業(yè)外文資料的翻譯5．畢業(yè)設(shè)計（論文）的目標(biāo)及具體要求目標(biāo)：畢業(yè)設(shè)計是高等學(xué)校培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和應(yīng)用能力的一個重要教學(xué)環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)應(yīng)用性人才必要的基礎(chǔ)訓(xùn)練和從業(yè)、創(chuàng)業(yè)的先期適應(yīng)階段。通過畢業(yè)設(shè)計旨在培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)基礎(chǔ)理論、基本技能和專業(yè)知識，使學(xué)生能夠聯(lián)系生產(chǎn)及科研實際完成某一課題，全面檢驗學(xué)生分析問題和解決問題的能力，使學(xué)生掌握基本的設(shè)計（科研）方法，并受到初步的科研論文寫作訓(xùn)練。具體要求：①學(xué)習(xí)工作態(tài)度認真；②每周至少向?qū)焻R報畢業(yè)設(shè)計的進展兩次；③分階段地完成畢業(yè)設(shè)計的各項要求，并且要求獨立工作；④按時完成畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書所規(guī)定的全部內(nèi)容。6、完成畢業(yè)設(shè)計（論文）所需的條件及上機時數(shù)要求需要學(xué)校圖書館有與本科題相關(guān)的書籍查閱，以豐富學(xué)生的基礎(chǔ)理論知識；其次，學(xué)校的網(wǎng)上數(shù)據(jù)庫能提供與本科題相關(guān)國內(nèi)外最新的研究動態(tài)或成果，以保證學(xué)生知識的及時更新。上機時數(shù)至少80。任務(wù)書批準(zhǔn)日期任務(wù)書下達日期完成任務(wù)日期畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告題目名稱：單片機溫度控制系統(tǒng)PID設(shè)計題目類別：畢業(yè)設(shè)計學(xué)院（系）:專業(yè)班級:學(xué)生姓名:指導(dǎo)教師:輔導(dǎo)教師:開題報告日期:單片機溫度控制系統(tǒng)PID設(shè)計學(xué)生：單位：

指導(dǎo)老師：單位：［摘要］:在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中，電流、電壓、溫度、壓力等都是常用的主要被控參數(shù)。例如：在冶金工業(yè)、化工生產(chǎn)、造紙行業(yè)、機械制造等諸多領(lǐng)域中，人們都需要對溫度進行檢測和控制。采用MCS-51單片機來對溫度進行控制，不僅具有控制方便、組態(tài)簡單和靈活性大等優(yōu)點，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。溫度是工業(yè)生產(chǎn)中常見的工藝參數(shù)之一，任何物理變化和化學(xué)反應(yīng)過程都與溫度密切相關(guān)，因此溫度控制是生產(chǎn)自動化的重要任務(wù)。對于不同生產(chǎn)情況和工藝要求下的溫度控制，所采用的加熱方式，燃料，控制方案也有所不同。例如冶金、機械、化工等工業(yè)生產(chǎn)中使用的各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐等；燃料有煤氣、天然氣、電等；控制方案有直接數(shù)字控制，推斷控制，預(yù)測控制，模糊控制等。本文是介紹以AT89C51單片機為核心的PID溫度控制系統(tǒng)。由溫度控制器，控制算法，溫度檢測，鍵盤輸入，溫度顯示等組成，控制器以參數(shù)偏差和參數(shù)偏差變化作為輸入，以PID控制器的參數(shù)作為輸出，子程序?qū)ο嚓P(guān)事件處理以標(biāo)志位和判斷標(biāo)志位完成，主程序通過調(diào)用子程序?qū)崿F(xiàn)溫度控制器功能，該系統(tǒng)利用單片機可以實現(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。［關(guān)鍵字］:溫度控制；PID；AT89C51單片機;TemperaturePIDcontrolsystemdesign[Abstract]:Inthemodernindustrialproduction,current,voltage,temperature,pressureandsoonarecommonusedparametersofthemainaccused.Forexample:inthemetallurgicalindustry,chemicalproduction,paperindustry,machinebuildingandmanyotherfields,peopleneededtodetectandcontroltemperature.MCS-51single-chipmicrocomputerisusedtocontroltemperature,notonlyhastheadvantagesofconvenientcontrol,simpleconfigurationandgreatflexibility,butalsosubstantialincreaseintemperaturewaschargedwithtechnicalindicators,whichcangreatlyenhancethequalityandquantityofproducts.Temperatureiscommonprocessparameterinindustrialproduction,anyphysicalchangesandchemicalreactionprocessiscloselyrelatedwithtemperature,sotemperaturecontrolisanimportanttaskforautomation.Fordifferentproductionconditionsandtechnologicalrequirementsoftemperaturecontrol,theheatingmethodused,fuel,controlprogramsisalsodefferent.Suchasmetallurgy,machinery,chemicalsusedinindustrialproductionallkindsofheatingfurnace,heattreatmentfurnace,reactorandsoon;fuelgas,naturalgas,electricityandsoon;controlprogramhasadirectdigitalcontrol,inferencecontrol,predictivecontrol,fuzzycontrol.ThepaperintroducedaPIDtemperaturecontrollerbasedonAT89C51Singlechip．Itconsistofthetemperaturecontrol,themanipulativealgorithm,thetemperaturemeasuring,thekeyboardinput,thetemperaturedisplayandsoon.Ittakestheparameterdeviationandthedeviationchangeasinput,andthePIDcontroller’sparametersasoutput,thesubprogramrealizedthecorrespondingeventsbycompletingzonebitandzonebitjudgment.Themainprogramrealizedthefunctionofthecontrollerthroughmakinguseofallthesubroutines.Thesystemcanbeachievedusingsingle-chipselectionofthePIDparametersandsettings；Itcanalsobysingle-chipandcomputerwithserialcommunications,realizingindustrialprocessofcontrolofinteractivePID.[Keyword]:Temperaturecontroller；PID；AT89C51Singlechip隨著工業(yè)技術(shù)的提高，單片機的集成技術(shù)也在不斷的發(fā)展，它有著體積小，功能強，可靠性高，造價低，開發(fā)周期短等優(yōu)點。用單片機可以構(gòu)成形式多樣的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。例如工廠流水線的智能化管理，電梯智能化控制、各種報警系統(tǒng)，與計算機聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成二級控制系統(tǒng)等。目前單片機滲透到我們生活的各個領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個領(lǐng)域沒有單片機的蹤跡。導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，飛機上各種儀表的控制，計算機的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動化過程的實時控制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的各種智能IC卡，民用豪華轎車的安全保障系統(tǒng)，錄像機、攝像機、全自動洗衣機的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機。更不用說自動控制領(lǐng)域的機器人、智能儀表、醫(yī)療器械了。因此，單片機的學(xué)習(xí)、開發(fā)與應(yīng)用將造就一批計算機應(yīng)用與智能化控制的科學(xué)家、工程師。在工業(yè)生產(chǎn)中，有很多行業(yè)都擁有加熱設(shè)備，如用于熱處理的加熱爐，用于熔化金屬的坩堝爐，以及各種不同用途的加熱爐，反應(yīng)爐，這樣溫度就成了工業(yè)對象中一個重要的被控對象。然而常規(guī)的控制方法，作用是有限的，難以滿足各種用戶的需求，因此采用單片機溫度控制ID可以有效地解決控制難，要求高等一系列的問題。本次畢業(yè)設(shè)計是關(guān)于溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計在，整個設(shè)計過程中既用到單片機傳、感器、微控技術(shù)，也用到了控制系統(tǒng)中的一些相關(guān)知識。本設(shè)計系統(tǒng)的硬件部分，使用如AT89C51、鉑熱電阻、ADC0809,LED顯示器等器件。軟件則介紹數(shù)字調(diào)節(jié)器的設(shè)計、PID參數(shù)的整定、PID算法程序清單、以及相關(guān)的程序；最后介紹系統(tǒng)特性的測量與識別。本次設(shè)計是在輔導(dǎo)老師和同學(xué)們的指導(dǎo)和幫助以及本人的努力下完成的。由于本人知識水平有限，因此設(shè)計中還有一些不妥之處，懇請批評指正，以便加以修改。單片機溫度控制系統(tǒng)PID設(shè)計1緒論選題背景溫度是生產(chǎn)過程和科學(xué)實驗中普遍而且重要的物理參數(shù)。在工業(yè)生產(chǎn)過程中為了高效地進行生產(chǎn)，必須對生產(chǎn)工藝過程中的主要參數(shù)，如溫度，壓力，流量，速度等進行有效的控制。其中溫度的控制在生產(chǎn)過程中占有相當(dāng)大的比例。準(zhǔn)確測量和有效控制溫度是優(yōu)質(zhì)，高產(chǎn)，低耗和安全生產(chǎn)的重要條件。在工業(yè)的研制和生產(chǎn)中，為了保證生產(chǎn)過程的穩(wěn)定運行并提高控制精度，采用微電子技術(shù)是重要的途徑。它的作用主要是改善勞動條件，節(jié)約能源，防止生產(chǎn)和設(shè)備事故，以獲得好的技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟效益。本課題是結(jié)合生產(chǎn)實際和科研工作，運用PID算法對溫度進行控制，以求達到較好的控制效果。目前先進國家各種爐窯自動化水平較高，裝備有完善的檢測儀表和計算機控制系統(tǒng)。其計算機控制系統(tǒng)已采用集散系統(tǒng)和分布式系統(tǒng)的形式，大部分配有先進的控制算法，能夠獲得較好的工藝性能指標(biāo)。單片微型計算機是隨著超大規(guī)模集成電路的技術(shù)的發(fā)展而誕生的。由于它具有體積小，功能強，性價比高等優(yōu)點，所以廣泛應(yīng)用于電子儀表，家用電器，節(jié)能裝置，軍事裝置，機器人，工業(yè)控制等諸多領(lǐng)域，使產(chǎn)品小型化，智能化，既提高了產(chǎn)品的功能和質(zhì)量又降低了成本，簡化了設(shè)計。PID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一,由于其算法簡單、魯棒性好、可靠性高等優(yōu)點,被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制。當(dāng)用計算機實現(xiàn)后,數(shù)字PID控制器更顯示出參數(shù)調(diào)整靈活、算法變化多樣、簡單方便的優(yōu)點。隨著生產(chǎn)的發(fā)展,對控制的要求也越來越高,隨之發(fā)展出許多以計算機為基礎(chǔ)的新型控制算法,如自適應(yīng)PID控制、模糊PID控制、智能PID控制等等。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，特別是隨著大規(guī)模集成電路的產(chǎn)生，給人們的生活帶來了根本性的變化，如果說微型計算機的出現(xiàn)使現(xiàn)代的科學(xué)研究得到了質(zhì)的飛躍，那么可編程控制器的出現(xiàn)則是給現(xiàn)代工業(yè)控制測控領(lǐng)域帶來了一次新的革命。在現(xiàn)代社會中，溫度控制不僅應(yīng)用在工廠生產(chǎn)方面，其作用也體現(xiàn)到了各個方面。隨著人們生活質(zhì)量的提高，酒店廠房及家庭生活中都會見到溫度控制的影子，溫度控制將更好的服務(wù)于社會目前，單片機控制器在從生活工具到工業(yè)應(yīng)用的各個領(lǐng)域，例如生活工具的電梯、工業(yè)生產(chǎn)中的現(xiàn)場控制儀表、數(shù)控機床等。尤其是用單片機控制器改造落后的設(shè)備具有性價比高、提高設(shè)備的使用壽命、提高設(shè)備的自動化程度的特點?，F(xiàn)代工業(yè)設(shè)計、工程建設(shè)及日常生活中常常需要用到溫度控制,早期溫度控制主要應(yīng)用于工廠中，例如鋼鐵的水溶溫度，不同等級的鋼鐵要通過不同溫度的鐵水來實現(xiàn)，這樣就可能有效的利用溫度控制來掌握所需要的產(chǎn)品了。隨著社會的發(fā)展，人們對溫度的控制要求也越來越高，這篇論文是我為了達到這樣的溫度控制要求而進行設(shè)計的。我所采用的控制芯片為AT89C51,此芯片功能強大，能夠滿足設(shè)計要求。通過對電路的設(shè)計，對芯片的外圍擴展，來達到對溫度的控制和調(diào)節(jié)功能。PID算法在控制領(lǐng)域中的應(yīng)用控制理論的發(fā)展經(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階段。智能控制的典型實例是模糊全自動洗衣機等。自動控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。一個控制系統(tǒng)包括控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行機構(gòu)、輸入輸出接口?？刂破鞯妮敵鼋?jīng)過輸出接口、執(zhí)行機構(gòu)，加到被控系統(tǒng)上；控制系統(tǒng)的被控量，經(jīng)過傳感器，變送器，通過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)行機構(gòu)是不一樣的。比如壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器，電加熱控制系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器。在工程實際中，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，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、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。以經(jīng)典控制理論為基礎(chǔ)的PID控制過程是應(yīng)用最多的控制規(guī)律，現(xiàn)在仍然在各種過程控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，在DCS以及以邏輯控制為主體的大型PLC系統(tǒng)中，均設(shè)有PID控制模塊。當(dāng)被控對象的結(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，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。目前，PID控制及其控制器已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實際中得到了廣泛的應(yīng)用，有各種各樣的PID控制器產(chǎn)品，各大公司均開發(fā)了具有PID參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器，其中PID控制器參數(shù)的自動調(diào)整是通過智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來實現(xiàn)。有利用PID控制實現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實現(xiàn)PID控制功能的可編程控制器(PLC)，還有可實現(xiàn)PID控制的PC系統(tǒng)等等。課題研究的目的及意義隨著工業(yè)技術(shù)的提高，單片機的集成技術(shù)也在不斷的發(fā)展，它有著體積小，功能強，可靠性高，造價低，開發(fā)周期短等優(yōu)點，因此在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中占有舉足輕重的地位，尤其在日常生活中發(fā)揮著越來越大的作用。在工業(yè)生產(chǎn)中，有很多行業(yè)擁有加熱設(shè)備，如用于熱處理的加熱爐，用于熔化金屬的坩堝爐，以及各種不同用途的加熱爐，反應(yīng)爐，這樣溫度就成了工業(yè)對象中一個重要的被控對象。然而常規(guī)的控制方法，作用是有限的，難以滿足各種用戶的需求，本溫控系統(tǒng)采用的數(shù)字PID算法由軟件實現(xiàn)，增量PID控制算法的優(yōu)點是編程簡單，數(shù)據(jù)可以遞推使用，占用存儲空間少，運算速度快。采用單片機溫度控制PID可以有效地解決控制難，要求高等一系列的問題。對于一個具有非線性、大滯后、大慣性、時變性強、升溫單向等特點的控制對象，用傳統(tǒng)的控制理論和方法很難達到好的控制效果，而且操作工人的勞動強度也很大，人力資源浪費問題十分嚴(yán)重。為此我們使用以AT89C51單片機為核心的控制系統(tǒng)來控制溫度，單片機以其高可靠性、高性能價格比、控制方便簡單和靈活性大等優(yōu)點，滿足了這些要求。采用單片機對溫度進行控制，不僅具有控制方便、靈活和組態(tài)簡單的優(yōu)點，而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而可以顯著提高溫度控制的精度。2總體方案論證與設(shè)計方案設(shè)計的要求與指標(biāo)系統(tǒng)要求:采用單片機控制PID系統(tǒng)對溫度進行實時監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性高，溫度誤差小于±1℃系統(tǒng)應(yīng)具有良好的操作性能，為了滿足用戶使用方便和操作人員維修，系統(tǒng)控制的開關(guān)要少。系統(tǒng)使用及維護方便，便于擴展系統(tǒng)的性能指標(biāo):控制容量：20KW溫度設(shè)定：按鍵溫度顯示：4位LED數(shù)碼管顯示誤差：±1℃控制溫度：50℃—150℃控制過程：設(shè)定對爐內(nèi)測溫、控溫方案的可行性分析與方案選擇方案可行性分析方案一本方案主要由單片機控制器、可控硅輸出部分、熱電偶傳感器、溫度變送器以及被控對象組成，以AT89C51單片機為該控制系統(tǒng)的核心，實現(xiàn)對溫度的采集、檢測和控制，熱電偶采用DBW型熱電偶一鎳絡(luò)-鎳硅，A/D轉(zhuǎn)換器選用常用的ADC0809,可編程并行I/O擴展口8255用作鍵盤/LED顯示器接口電路，溫度設(shè)定電路采用BCD碼撥盤，采用字符型LCD（液晶顯示器）模塊TC1602A，本系統(tǒng)以單片機AT89C51為核心，具有高可靠性、高性能價格比、控制方便簡單和靈活性大等優(yōu)點?？刂破鞑捎眯滦偷闹悄芸刂扑惴?，系統(tǒng)升溫快，控溫精度高，穩(wěn)態(tài)誤差可達±5℃以內(nèi)，滿足系統(tǒng)要求。整個系統(tǒng)操作簡便,抗干擾能力強、運行可靠。本設(shè)計方案的原理框圖如圖2-1所示：

圖2-1方案一原理框圖方案二本方案硬件系統(tǒng)采用atmel公司的AT89C52單片機為控制核心，考慮要求的控制精度較高，溫度傳感器選用pt100型鉑熱電阻溫度傳感器，采用雙積分A/D轉(zhuǎn)換器MC14433,外圍擴展并行接口8155用作鍵盤/LED顯示器接口電路，單片機的輸出控制電機工作，為避免強干擾，選用帶有光電隔離功能的晶閘管MC3041,該系統(tǒng)能基本可靠運行，配合軟件算法設(shè)計，可有效解決溫度大滯后控制精度不精確的問題，顯著提高溫度測量結(jié)果精度，并可避免因控制電機執(zhí)行機構(gòu)滯后、過量執(zhí)行而影響測量準(zhǔn)確性，從而能較好的完成試驗?zāi)康?。本設(shè)計方案的原理框圖如圖2-2所示：試驗儀系統(tǒng)看門狗定時電路AT89C528155鍵盤/顯示電路報警電路控制電路RS232C通信試驗儀系統(tǒng)看門狗定時電路AT89C528155鍵盤/顯示電路報警電路控制電路RS232C通信圖2-2方案二原理框圖方案三本方案以AT89C51單片機為核心的PID溫度控制系統(tǒng)。由溫度過零控制電路，控制算法，溫度檢測，鍵盤輸入，溫度顯示等組成，控制器以參數(shù)偏差和參數(shù)偏差變化作為輸入，以PID控制器的參數(shù)作為輸出，子程序?qū)ο嚓P(guān)事件處理以標(biāo)志位和判斷標(biāo)志位完成，主程序通過調(diào)用子程序?qū)崿F(xiàn)溫度控制器功能，該系統(tǒng)利用單片機可以實現(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。本設(shè)計方案的原理框圖如圖2-3所示：圖2-3方案三原理框圖方案的選擇與確定三種方案都采用的是MCS-51系列的單片機，該系列單片機具有體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于儀器儀表中。第二、第三種方案設(shè)計外圍電路簡單，采用單片機控制管理比較合理，也比較符合我們大學(xué)生的電子設(shè)計思維，將單片機的資源合理地利用，也能夠滿足畢業(yè)設(shè)計的要求。第二種方案的設(shè)計比較完善，數(shù)模結(jié)合設(shè)計，很具有想象力和創(chuàng)造力，但外圍電路復(fù)雜，一般適合于做溫度控制的產(chǎn)品設(shè)計方案。第三種與前面幾種方案相比，硬件電路更簡單，設(shè)計思路清晰，考慮畢業(yè)設(shè)計的要求，設(shè)計時間對簡單，自己掌握的知識情況，再加上金費限制，綜合上面幾個因素，本次的畢業(yè)設(shè)計選擇第三種方案比較貼切，比較合理。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖初步選定系統(tǒng)用閉環(huán)控制，且采用單閉環(huán)控制。因為所帶負載是阻性元件，其線性度比較好，溫度變化不太高，但對控制精度有一定的要求。系統(tǒng)被測參數(shù)主要是溫度，被測參數(shù)溫度值由熱電阻傳測定后得到的信號經(jīng)過溫度變送器放大濾波，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器后，將模擬信號變?yōu)閿?shù)字信號進入AT89C51單片機，在單片機進行數(shù)據(jù)處理，與所設(shè)定的期望溫度值進行比較后，產(chǎn)生偏差信號，單片機根據(jù)預(yù)定的PID算法計算出相應(yīng)的控制量，該控制量控制雙向可控硅的導(dǎo)通和關(guān)閉，以便切斷和連通加熱設(shè)備，從而控制溫度穩(wěn)定在設(shè)定值上，如圖2-4所示：圖2-4系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖3．溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計和軟件設(shè)計系統(tǒng)硬件設(shè)計硬件設(shè)計:溫度檢測和變送器：使用鉑熱電阻作為溫度的檢測，變送器由毫伏變送器和電流/電壓變送器組成。接口電路:接口電路采用MCS-51系列單片機AT89C51,模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809等芯片。溫度調(diào)節(jié)電路：使用雙向可控硅管和加熱絲串接在交流電路中。系統(tǒng)硬件組成3.1.1.1AT89C51單片機的介紹AT89C51是美國ATMEL公司設(shè)計的一款低電壓，高性能CMOS8位單片機，片內(nèi)含4Kbytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器和128bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器，器件采用高密度，非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和flash存儲單元，功能強大，靈活適用于多種控制場合。由于本系統(tǒng)設(shè)計并不是非常復(fù)雜，所使用的功能不是很多，AT89C51已經(jīng)足夠完成此設(shè)計的需求，因此選用AT89C51作為核心芯片設(shè)計本溫度控制系統(tǒng)。AT89C51引腳圖如圖3-1所示：PL0?1.1?1.2PL0?1.1?1.2n.3PL4PI.5PL6P(.7|R5T做時慮6(no>P3.](TTOJP3.2(TntTjp?.?(TO)fe.4cn)?i5阿P工bXTAL2KTAllc陽ATB9C51YCCP也好值嘲PO.17(ADI)Pth.3/(KD2)P止3/IAD3)po."認MPJ.5/I,W5)PHAUDJFCLT/iAUnE1/VPP4LE/MCpmi喀7加分PL6/-：A14)Pl,5/(A]31pm4闡i)pi.j/^aihPZ.2/(Alfl)PL:門工5P2*心世加圖3-1AT98C51弓|腳圖AT89C51引腳功能：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(dāng)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(dāng)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，將輸出電流，這是由于內(nèi)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(nèi)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(dāng)P2口被寫“1”時，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，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。P2口當(dāng)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。P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“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。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG：當(dāng)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。/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取址期間，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(dāng)/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲(0000H-FFFFH)，不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時，此間內(nèi)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：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。乂1人12：來自反向振蕩器的輸出。3.1.1.2測量溫度元件的選擇熱電阻和熱電偶都是測量溫度的元件，熱電阻是電阻隨溫度變化的元件，而熱電偶是熱電勢（電壓）隨溫度變化的元件。一般熱電阻用在低溫，熱電偶用在高溫。如果溫度超過500℃的話那么熱電阻的阻值會非常大，可能會影響測量結(jié)果，甚至?xí)霈F(xiàn)不能出來測量結(jié)果的情況發(fā)生。通常檢測低于500℃時，一般選用熱電阻而不選用熱電偶的。因此本次設(shè)計選用熱電阻作為測量溫度元件。而在熱電阻中我選擇鉑熱電阻。鉑熱電阻是電阻體采用鉑金屬的一種電阻，廣泛用作穩(wěn)定溫度系數(shù)的電阻以及溫度傳感器，它與一般的金屬一樣，具有正的溫度系數(shù)。0℃時的它的電阻值的大小分為10歐姆和100歐姆等，測溫范圍均為-200℃~850℃.但10歐姆鉑熱電阻耐溫性能明顯優(yōu)于100歐姆的鉑熱電阻，只要用于650℃以上的溫區(qū)：100歐姆鉑熱電阻主要用于650℃以下的溫區(qū)，因此本設(shè)計選用100歐姆鉑熱電阻作為溫度傳感器，來測量溫度。本設(shè)計中的熱敏電阻測量原理電路，由電源，電阻電橋，運放和輸出四部分組成。電源部分包括R4，R6，C1，U1B。R4，R6為分壓電路，C1主要濾除Vcc中的波紋，U1B為LM324運放放大器，工作于電壓跟隨器方式，其特點是輸入阻抗高，輸出阻抗低，為后級電橋提供穩(wěn)定的電流。電橋由R1,R2,R3,R13及U2（熱敏電阻）組成，通過調(diào)節(jié)R13使電橋平衡，當(dāng)溫度發(fā)生變化時，熱敏電阻阻值發(fā)生變化，電橋產(chǎn)生電位差。運放電路由R7,R8,R9,R10及U1A組成，這是一種靈敏度較高的電橋放大電路，放大倍數(shù)由R9/R8得到。輸出電路由R4,R12,R14,D1組成，調(diào)節(jié)R14可以調(diào)整輸出電壓幅度。D1主要用于防止輸出負電壓，保護后級A/D電路。溫度測量后從ADC0809的IN0口輸入，進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。原理電路連接如3-2所示：

圖3-2溫度測量電路3.1.1.3模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809的介紹ADC0809是采樣頻率為8位的、以逐次逼近原理進行模數(shù)轉(zhuǎn)換的器件。其內(nèi)部有一個8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8個單斷模擬輸入信號中的一個進行A/D轉(zhuǎn)換。ADC0809引腳圖如圖3-3所示：7項——1 沿——現(xiàn)現(xiàn)一.4 Ml-? ■?in5——5 H——工“理——」 2F——ADDA叫一G n|—仙DBSTART—& 25—仙DCEOC一APC080e"ALE打%0E———口匚CLOCK項 嚇口5心11 禽4%田十）—F 17%15 T&%11D?圖3-3ADC0809弓|腳圖內(nèi)部結(jié)構(gòu)：ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如上圖所示，它由8路模擬開關(guān)、模擬開關(guān)的地址鎖存與譯碼電器、比較器、256R電阻網(wǎng)絡(luò)、電子開關(guān)逐位比較寄存器SAR、m態(tài)輸出鎖存緩沖器及定時電路等。外部特性（引腳功能）：ADC0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，如上圖所示。下面說明各引腳功能。IN0?IN7：8路模擬量輸入端。2-1?2-8（D0?D7）：8位數(shù)字量輸出端。ADDA、ADDB、ADDC：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路ALE：地址鎖存允許信號，輸入，高電平有效。START：A/D轉(zhuǎn)換啟動信號，輸入，高電平有效。EOC：A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，輸出，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸出一個高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）。OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入，高電平有效。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸入一個高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。CLK：時鐘脈沖輸入端。要求時鐘頻率不高于640KHZ。REF（+）、REF（-）：正基準(zhǔn)電壓輸入端和負基準(zhǔn)電壓輸入端。Vcc：電源，接+5V。GND：接地。ADC0809的工作過程是：首先輸入3位地址，并使ALE=1,將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。下降沿啟動A/D轉(zhuǎn)換，之后EOC輸出信號變低，指示轉(zhuǎn)換正在進行。直到A/D轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)楦唠娖?，指示A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。當(dāng)0￡輸入高電平時，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。鍵盤和LED顯示電路設(shè)計鍵盤電路：鍵盤電路采用獨立式鍵盤，它的每個鍵獨立接入一根數(shù)據(jù)輸入線。這種鍵盤優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。由于本次設(shè)計所使用的按鍵不多，所以采用這種鍵盤設(shè)計編輯電路圖。獨立鍵盤連接如圖3-4所示：圖3-4獨立鍵盤連接圖采用兩個按鍵口，k2來控制顯示的溫度，k1減少溫度，k2增加溫度。LED動態(tài)顯示方式：所謂動態(tài)顯示就是用掃描方式輪流點亮ED顯示器的各個位。特點：將多個7段LED顯示器同名端的段選線復(fù)接在一起，只用一個8位I/O控制各個LED顯示器的公共陰極輪流接地，逐一掃描點亮，使每位LED顯示該位應(yīng)當(dāng)顯示的字符。恰當(dāng)?shù)剡x擇點亮LED的時間間隔(1ms?5ms),會個人一種視覺暫停效應(yīng)，似乎多位LED都在“同時”顯示。用AT89C51右移循環(huán)指令可實現(xiàn)。動態(tài)顯示的操作由軟件完成。每次由I/O(1)口輸出段選碼、再由I/O口輸出位選碼，經(jīng)過延時，以獲得穩(wěn)定的顯示效果。以上述分析的顯示原理可知，為了顯示數(shù)字和字母，最終需要轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的段選碼。這種轉(zhuǎn)換可以通過譯碼器或軟件譯碼完成。溫度控制電路設(shè)計本系統(tǒng)是通過對加熱電阻絲的電源通斷來實現(xiàn)的溫度控制，采用晶閘管調(diào)功方式。晶閘管開關(guān)控制方式采用變周期過零控制。通過MOC3031光耦過零觸發(fā)驅(qū)動器實現(xiàn)對功率晶閘管的過零觸發(fā)。在P1.3控制電壓下完成功率晶閘管的觸發(fā)導(dǎo)通。當(dāng)P1.3=1時關(guān)掉晶閘管，P1.3=0時開啟晶閘管。溫度控制電路連接圖如圖3-5所示：MQC3D31M圖3-5溫度控制電路-22AVMQC3D31M圖3-5溫度控制電路-22AVZerocrassrgU3：A溫度加加由路?3.2系統(tǒng)軟件設(shè)計軟件設(shè)計：單片機程序包括：主程序，A/D轉(zhuǎn)換子程序，濾波子程序，PID計算子程序。使用PID控制系統(tǒng)來調(diào)節(jié)溫度的變化：當(dāng)溫度小于設(shè)定溫度時，采用PID控制。當(dāng)溫度大于設(shè)定溫度時，采用PD控制。3.2.1主程序流程圖及主程序該系統(tǒng)是一個反饋調(diào)節(jié)過程，首先比較實際溫度和設(shè)定溫度之間的偏差值，然后對偏差值進行PID算法的處理，得到輸出量，然后用輸出量調(diào)節(jié)加熱功率，從而實現(xiàn)對溫度的控制。本系統(tǒng)設(shè)計過程劃分為以下幾個過程：定時采樣：使用T0定時器產(chǎn)生5s定時中斷，作為本系統(tǒng)的采樣周期，在中斷服務(wù)程序中啟動A/D轉(zhuǎn)換，讀入采樣數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理：對采樣數(shù)據(jù)進行PID算法處理。PID算法：對偏差進行PID算法處理，并輸出脈沖信號，脈沖寬度由T0定時器中斷決定。主程序：主流程圖主要完成：T0初始化，溫度采樣，溫度顯示。PID計算等等。主程序流程圖如3-6所示：SETBP1.0 SETBP1.0 ；置P1.0為輸入方式5s定時時FID售法計算置位輸出標(biāo)志溫度標(biāo)識變換清除設(shè)定標(biāo)志執(zhí)行中斷程序數(shù)字濾波AQ轉(zhuǎn)換清顯示緩存區(qū)清暫存單元溫度顯:示TO初始化港標(biāo)志設(shè)堆棧圖3-6主程序流程圖主程序如下：MOVSPMOVSP,A；設(shè)置堆棧MOVP2,#0FFH

；置P2為輸入方式SETB TR0 SETB TR0 ;啟動T0CLRGF0CLR AMOV 20H,AMOV 2FH,AMOV 30H,AMOV 3BH,AMOV 3CH,AMOV 3DH,AMOV 3EH,AMOV 45H,AMOV MISM0,AMOV MISM1,AMOV MISM02,AMOV MISM3,AMOV MISM4,AMOV MISM5,AMOV TCON,#00HMOV TMOD,#01HMOV TH0,#0D8HMOV TL0,#0F0HSETB EASETB ET0；清定時5s標(biāo)志;清5s定時計數(shù)單元；清顯示緩沖區(qū)；清TCON;T0定時方式1;計數(shù)初始值設(shè)定20ms；開總中斷;T0允許中斷；；GF0=0則等待;A/D轉(zhuǎn)換；調(diào)用數(shù)字濾波子程序；調(diào)用PID計算子程序；調(diào)用溫度標(biāo)度變換子程序；調(diào)用顯示子程序;清定時5s標(biāo)志;啟動T0LOOPA:JNBGF0,$LCALLSAMPLELCALLFILTERLCALLPIDLCALLCHNTERLCALLDISPLAYCLR GF0SETB TR0SJMPLOOPAT0中斷子程序T0應(yīng)用于產(chǎn)生5s采樣周期和晶閘管通斷周期程序流程圖如3-7所示圖3-7T0中斷流程圖T0中斷程序如下:AJMPSTARTORG000BH ；定時器0的中斷向量地址AJMPTIME0 ；跳轉(zhuǎn)到真正的定時器程序處ORG0030HSTART：MOVTMOD,#00000001B；定時/計數(shù)器0工作于方式1MOVTH0,#0D8HMOVTL0,#0F0HSETBEA：開中斷允許LOOP: AJMPLOOPTIME0: CPLP1.3MOV45H,ADECAMOV45H,AINC20H；計時單元加1MOVA,20HMOV20H,#00HMOVTH0,#0D8HMOVTL0,#0F0HCLRTR0SETBGF0RETI

A/D轉(zhuǎn)換子程序A/D轉(zhuǎn)換子程序?qū)崿F(xiàn)的是將模擬量的溫度值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的溫度數(shù)據(jù)，用以實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，此程序中ADC0809采樣了3次，對數(shù)據(jù)進行取平均值，避免誤差過大，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果存于2CH，2DH，2EH中。A/D轉(zhuǎn)換子程序：SAMPLE:EOCBITP1.2ORG0000HMOVR0,#2CH；采樣值存儲首地址MOVR1,#03H；采樣次數(shù)LJMPSAMP1ORG0100HSAMP1:CLRP3.6CLRP3.7JBP1.2,$；判斷A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束MOVA,P2MOV@R0,A；存轉(zhuǎn)換結(jié)果MOVR2,#20HWAIT:CLRSTARTSETBSTARTCLRSTARTDELAY:MOVR5,#10D1:MOVR6,#10DJNZR5,D1INCR0

DJNZR1,SAMP1RET3.2.4數(shù)字濾波子程序3次采樣值分別放入2CH,2DH,2EH中，取中間值存入2AH中，以備PID運算和溫度標(biāo)度轉(zhuǎn)換使用。數(shù)字濾波子程序:FILTER: MOVR3,#02H ；循環(huán)次數(shù)LOOPC1: MOVR2,#02H ；循環(huán)次數(shù)MOVR0,#2CH ；采樣值首地址LOOPC2: MOVA,@R0INCR0CLRCSUBBA,@R0JCLOOPC3ADDA,@R0 ;恢復(fù)AXCHA,@R0DECR0MOV@R0,AINCR0LOOPC3: DJNZR2,LOOPC2DJNZR3,LOOPC1MOVA,2DHMOV2AH,A ；采樣中間值存于2AH

RET3.2.5溫度標(biāo)度變換子程序在這個控制系統(tǒng)中，在讀入被測模擬信號并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，還要進行溫度的標(biāo)度變換，才可以將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成能夠顯示的數(shù)值。溫度變換之程序如下:CHNTER:MOV21H,#235 ；a1存于21HMOVDPTR,#500MOV 22H,DPLMOV 23H,DPHMOV A,2AHMOV B,21HMUL ABADD A,22HMOV 24H,AMOV A,BADDC A,23HMOV 25H,ARET3.2.6鍵盤顯示子程序鍵盤顯示子程序如下：DISPLAY: BITP3.2BITP3.3ORG0000HAJMPJIANPORG0100HJIANP:MOVWDTCN,#0DEHMOVWDTCN,#0ADHINPUT:SETBK1MOVC,K1JCNEXT1SJMPINPUTSETBK2MOVC,K2JCNEXT2SJMPINPUTNEXT1：SETBK1MOVC,K1JNCPRESS1NEXT2：SETBK2MOVC,K2JNCPRESS2PRESS1:DECASJMPINPUTPRESS2:INCASJMPINPUTMOVA,#00HXIANS:MOVP0,ALCALLDELAYDJNZR2,XIANSSJMPDISPLAYDELAY:MOVR5,#20D1:MOVR6,#20D2:MOVR7,#248DJNZR7,$DJNZR6,D2DJNZR5,D1RET3.2.7PID算法介紹PID控制的原理和特點：在工程實際中，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，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、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，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。圖3-6是PID控制系統(tǒng)：圖3-6PID控制系統(tǒng)U(t)=Kp[e(t)+1/Tje(t)dt+TDde(t)/dt]比例(P)控制：比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。積分(I)控制：在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。微分(D)控制：在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分成正比關(guān)系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件或有滯后組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，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，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。PID控制器的參數(shù)整定：PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實際運行中進行最后調(diào)整與完善?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進行PID控制器參數(shù)的整定步驟如下：(1)首先預(yù)選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；(2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；(3)在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數(shù)。PID流程圖及計算程序見附錄n。4．系統(tǒng)仿真與調(diào)試分析4.1系統(tǒng)仿真在仿真軟件proteus中，根據(jù)硬件設(shè)計方案畫出仿真電路圖，檢查仿真電路圖，并在確認無誤后，開始調(diào)試。調(diào)試方面主要是軟件的調(diào)試。在編程軟件WAVE中把編寫好的程序?qū)懭?。邊寫邊進行檢查，各方面可能存在的錯誤。最終程序?qū)懲旰?，進行測試，運行正確后，把生成的“.HEX”文件，加載畫好的仿真電路圖中，點擊運行。如果出現(xiàn)錯誤，對源程序進行修改，直至調(diào)試成功。仿真電路圖見附錄I。4.2系統(tǒng)調(diào)試按以下順序進行調(diào)試：首先，進行單元調(diào)試，分別對鉑電阻及其放大電路、模擬量輸人電路、模擬量輸出電路進行調(diào)試。其次，進行程序調(diào)試，首先對各子程序及中斷服務(wù)子程序進行調(diào)試，然后對系統(tǒng)主程序和子程序進行局部聯(lián)調(diào)。最后，進行系統(tǒng)調(diào)試，在硬件單元調(diào)試和程序調(diào)試的基礎(chǔ)上，根據(jù)整個系統(tǒng)原理及接線圖連接各單元組成電阻爐爐溫控制系統(tǒng)，接著運行程序，記錄各采樣時刻的溫度值和輸出值。采用試湊法來適當(dāng)調(diào)整Kp，KD和KI等參數(shù)，使系統(tǒng)的性能達到要求的指標(biāo)。從調(diào)試過程和仿真結(jié)果來看，所得結(jié)果是否滿足各項性能指標(biāo)要求分析出哪些是影響爐溫調(diào)節(jié)性能的主要參數(shù)：如采用PD控制時，進入PD調(diào)節(jié)溫度值，電阻爐保溫值,Kp，KD等參數(shù)。為改善系統(tǒng)的性能指標(biāo)，還可以考慮采用其他的措施，如引入積分環(huán)節(jié)，或在進入PID調(diào)節(jié)之前，采用溫度值經(jīng)過恒速升溫過程的辦法’以減少超調(diào)量；再如可選用10位或10位以上的A/D轉(zhuǎn)換芯片以提高采樣輸出精度等等，在調(diào)試過程中，建議從以下幾個方面著手：進入PD調(diào)節(jié)的溫度值點的選擇要合適。KP選擇大了，容易使輸出溢出，使溫度值產(chǎn)生震蕩，增加過度時間和靜態(tài)誤差，嚴(yán)重時使系統(tǒng)難以正常工作；太小了雖然減少了超調(diào)量，但卻增加了過渡過程時間。KD的選擇，對于帶純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)來說，可以改善系統(tǒng)的指標(biāo)，且選擇偏大些為好。為了改善系統(tǒng)的性能指標(biāo)還可以采用其他的方法；如選用10位或者10位以上的A/D轉(zhuǎn)換芯片；引入積分環(huán)節(jié)。5．結(jié)束語當(dāng)今高科技社會計算機高速發(fā)展，單片機在自動化與智能化水平有了突飛猛進的發(fā)展。而溫度控制在冶金、化工等領(lǐng)域也起著舉足輕重的作用。隨著電力工業(yè)的發(fā)展，溫度控制系統(tǒng)設(shè)計水平不斷地提高和完善，其作用受到越來越多人的關(guān)注，溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計正朝著高精度、多功能、總線標(biāo)準(zhǔn)化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬溫度控制器和網(wǎng)絡(luò)溫度控制器、研制單片測溫及控溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展，它擁有著廣闊的發(fā)展前景。在此之際，我選擇單片機溫度控制PID系統(tǒng)的設(shè)計，在學(xué)校指導(dǎo)老師輔導(dǎo)的關(guān)心和幫助下，和同組同學(xué)的共同努力下，我順利完成了這次畢業(yè)設(shè)計。通過這次畢業(yè)設(shè)計，我對單片機的應(yīng)用、微控控制技術(shù)、傳感器技術(shù)等等好多專業(yè)知識有了更深的了解，解決了許多在學(xué)習(xí)過程中不能理解的知識，并且提高了自己理論聯(lián)系實際的能力，為今后在工作中專業(yè)知識的應(yīng)用積累了寶貴的經(jīng)驗。這次畢業(yè)設(shè)計，使我對各方面的知識有了更新，掌握了一些常用芯片的功能，懂得了AT89C51,ADC0809這些器件在實際生產(chǎn)中的最基礎(chǔ)的應(yīng)用，通過這次的設(shè)計也讓我明白了無論學(xué)習(xí)什么知識都不可以只是一知半解，我在對論文的排版中就遇到了很多的格式問題，雖然到最后都一一得到解決，但是花費了我許多的時間。在這次畢業(yè)設(shè)計中，我也查閱了很多有關(guān)于本次設(shè)計的文獻資料，在翻閱的過程中也發(fā)現(xiàn)自己有許多關(guān)于單片機及PID控制方面知識都有欠缺。以后我會更加努力的學(xué)習(xí)，不斷提高。參考文獻趙麗娟，邵欣.基于單片機的溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn).機械制造出版社.2006胡壽松，自動控制原理.科學(xué)出版社.2007[3]邊春元，李文濤.C51單片機模塊設(shè)計與應(yīng)用.機械工業(yè)出版社.2008[4]王幸之，鐘愛琴.AT89系列單片機原理與接口技術(shù).北京航空航天大學(xué)出版社.2004[5]乃福君，潘松峰.MCS-51單片機原理系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用.清華大學(xué)出版社徐愛鈞.8051單片機實踐教程.電子工業(yè)大學(xué)出版社.2006張俊謨.單片機中級教程---原理與應(yīng)用.北京航空航天大學(xué)出版社.2006[8]宋彩利，孫友倉.單片機原理與C51編程.西安交通大學(xué)出版社.2008王俊杰.檢測技術(shù)與儀表.武漢理工大學(xué)出版社，2002孟華.工業(yè)過程檢測與控制.北京航空航天大學(xué)出版社.2002王兆安，黃俊.電力電子技術(shù).機械工業(yè)出版社，2001[12]程安宇，孫士民，徐洋.基于DS18B20的單片機溫度測量控制系統(tǒng).兵工自動化.2007年第26卷第2期附錄I單片機溫度控制PID系統(tǒng)仿真電路圖IF-JJC口Ifj-nrujF^rt-lfrF/J6IIP?J丘I。P/d-C-lJP/i-i-l-PXFtit附錄II PID算法流程圖及程序清單PID算法流程圖如圖1所示：圖1PID算法流程圖本設(shè)計采用位置式算法，計算公式為：Un=Un-1+Kp（en-en-1）+KIen+KD（en-2en-1+en-2）=Un-1+Pp+PI+PDMOVR5,31H ;給定值rnMOV R4,32HMOV R3,2AH ;采樣值cnMOV R2,#00HLCALLCPL1 ；取一cn補碼LCALL DSUM ;計算en=rn-cnMOV 39H,R7 ；存en（補碼）

MOV3AH,R6MOVR5,35H;取kIMOVR4,36HMOVR0,#4AHLCALLMULT1