溫度測控系統(tǒng)-xg后

1、目錄1緒論1.1 課題背景及意義1.2 本課題的主要內(nèi)容2 PID控制的基本原理2.1 PID控制的介紹2.2 PID控制的基本原理2.3 PID控制器的設(shè)計2.4 PID控制算法3 電路設(shè)計73.1 電路設(shè)計整體思路73.2 基本硬件組成73.2.1 AT89C52單片機介紹73.2.2 鉑電阻測溫調(diào)理電路103.2.3 時鐘電路113.2.4 復(fù)位電路123.2.5 A/D接口電路123.2.6 鍵盤輸入電路133.2.7 顯示電路143.2.8 溫度控制電路154 系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)164.1鉑電阻測控系統(tǒng)的主程序164.2 A/D轉(zhuǎn)換子程序174.3 鍵盤處理子程序184.4 溫度標(biāo)度變換

2、模塊184.5 顯示子程序194.6 定時子程序204.7 量化子程序214.8 其他模塊22主要參考文獻(xiàn)致謝1緒論1.1 課題背景及意義溫度是工業(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，所采用的升溫加熱方式，控制方案也有所不同。像電力、化工、石油、冶金、航空航天、機械制造、糧食儲存、酒類生產(chǎn)等領(lǐng)域內(nèi)，溫度常常是表征對象和過程狀態(tài)的最重要的參數(shù)之一?？梢哉f幾乎所有的工業(yè)生產(chǎn)部門都不得不考慮著溫度這個因素。我國是一個農(nóng)業(yè)大國，近年來我國糧食總產(chǎn)量將近5億噸，這么多糧食使得糧食存儲問題變得格外

3、重要。我國糧食由于沒有及時控制好糧食儲存溫度而造成霉變和發(fā)芽損失是相當(dāng)嚴(yán)重的?；诖朔N情況，所以對糧食儲存溫度的準(zhǔn)確控制是非常必要的。1.2 本課題的主要內(nèi)容采用單片機來對溫度進(jìn)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。本課題的設(shè)計使用AT89C52單片機作為主控芯片，采用測溫范圍寬、精度高的鉑熱電阻進(jìn)行溫度系統(tǒng)的測量和控制。Pt100溫度傳感器的測溫范圍0100，完全適用糧庫的溫度控制。溫度控制系統(tǒng)具有非線形、時滯以及不確定性。單純依靠傳統(tǒng)的控制方式或現(xiàn)代控制方式都很難達(dá)到高質(zhì)量的控制效果。而智能控制中的PID

4、控制通過從專家們積累的經(jīng)驗中總結(jié)的控制規(guī)律，對溫度進(jìn)行控制，可以有效地解決溫度控制系統(tǒng)的非線性、時滯以及不確定性。本文就是采用PID控制對糧庫溫度進(jìn)行控制。本設(shè)計擬達(dá)到的基本要求為：1)所設(shè)計的溫控儀的溫度測量范圍為0100；2)系統(tǒng)可設(shè)定溫度值；3)設(shè)定的溫度值與測量溫度值可以實時顯示；4)控溫精度在1。本設(shè)計硬件電路部分包括微處理器模塊、溫度控制模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊及顯示模塊和鍵盤部分。系統(tǒng)軟件部分采用PID控制原理進(jìn)行程序編寫，并給出了軟件流程圖及主要源程序。2 PID控制的基本原理2.1 PID控制的介紹 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

5、，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(jìn)行控制的。 2.2 PID控制的基本原理一、模擬PID控制系統(tǒng)組成1、PID調(diào)節(jié)器的結(jié)

6、構(gòu)原理圖 圖211 模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖二、模擬PID調(diào)節(jié)器的微分方程和傳輸函數(shù)1、PID調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，它將給定值r(t)與實際輸出值c(t)的偏差的比例(P)、積分(I)、微分(D)通過線性組合構(gòu)成控制量，對控制對象進(jìn)行控制 式中 2、PID調(diào)節(jié)器的傳輸函數(shù) 三、PID調(diào)節(jié)器各校正環(huán)節(jié)的作用1、比例環(huán)節(jié)：即時成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用以減小偏差。2、積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)TI，TI越大，積分作用越弱，反之則越強3、微分環(huán)節(jié)：能反應(yīng)偏差信號的變化趨勢(變化速率)，并能在偏差

7、信號的值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減小調(diào)節(jié)時間。2.3 PID控制器的設(shè)計采用AT89C52 單片機設(shè)計基于開關(guān)階躍響應(yīng)的參數(shù)自整定控制器?？刂破骺刂屏枯敵鍪褂肞WM控制器整定過程如下：整定過程開始，控制器輸出占空比為100%的PWM波。記錄被控過程的響應(yīng)反饋值，并與設(shè)定值比較。當(dāng)反饋值與設(shè)定值相等時，控制器輸出占空比0%的PWM 波。記錄反饋值，并判斷被控過程的響PWM否達(dá)到最大值。當(dāng)被控過程的響應(yīng)達(dá)到最大值時，由開關(guān)階躍算法計算近似模型參數(shù)，再由 整定公式Z- N控制參數(shù)。自整定過程結(jié)束。切換到PID控制，使用PID算法計算PWM波的輸出。2

8、.4 PID控制算法在過程控制中，按偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）進(jìn)行控制的PID控制器（亦稱PID調(diào)節(jié)器）是應(yīng)用最為廣泛的一種自動控制器。它具有原理簡單，易于實現(xiàn)，適用面廣，控制參數(shù)相互獨立，參數(shù)的選定比較簡單等優(yōu)點；而且在理論上可以證明，對于過程控制的典型對象“一階滯后純滯后”與“二階滯后純滯后”的控制對象，PID控制器是一種最優(yōu)控制。PID調(diào)節(jié)規(guī)律是連續(xù)系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)校正的一種有效方法，它的參數(shù)整定方式簡便，結(jié)構(gòu)改變靈活（PI、PD、）。參數(shù)的選擇： 比例系數(shù)P對系統(tǒng)性能的影響：比例系數(shù)加大，使系統(tǒng)的動作靈敏，速度加快，穩(wěn)態(tài)誤差減??；P偏大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時間加長；P太大時，

9、系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定；P太小，又會使系統(tǒng)的動作緩慢。P可以選負(fù)數(shù)，這主要是由執(zhí)行機構(gòu)、傳感器以及控制對象的特性決定的。如果P的符號選擇不當(dāng)對象測量值就會離控制目標(biāo)的設(shè)定值越來越遠(yuǎn)，如果出現(xiàn)這樣的情況P的符號就一定要取反。同時要注意的是，力控的策略控制器的PID控制塊的P參數(shù)是PID控制中的增益。 積分控制I對系統(tǒng)性能的影響：積分作用使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，I?。ǚe分作用強）會使系統(tǒng)不穩(wěn)定，但能消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。微分控制D對系統(tǒng)性能的影響：微分作用可以改善動態(tài)特性，D偏大時，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時間較短；D偏小時，超調(diào)量也較大，調(diào)節(jié)時間也較長；只有D合適，才能使超調(diào)量較小，減短調(diào)節(jié)時間。3

10、電路設(shè)計3.1 電路設(shè)計整體思路在溫度測量系統(tǒng)中，實際溫度值由鉑電阻恒流工作調(diào)理電路進(jìn)行測量。為了克服鉑電阻的非線性特點，在信號調(diào)理電路中加入負(fù)反饋非線性校正網(wǎng)絡(luò)；調(diào)理電路的輸出電壓經(jīng)ADC0808轉(zhuǎn)換后送入單片機AT89C52；對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波及標(biāo)度變換處理后。由3位7段數(shù)碼管顯示。輸入的設(shè)定值則由4位的獨立式鍵盤電路進(jìn)行調(diào)整，可分為對設(shè)定值的十位和個位進(jìn)行加1減1操作，送入單片機AT89C52后由另一3位7段數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管的段碼有74LS05進(jìn)行驅(qū)動，而位碼由三極管2N2222A進(jìn)行驅(qū)動。為了使兩組數(shù)碼管實時顯示，對兩組數(shù)碼管顯示器進(jìn)行動態(tài)掃描。本系統(tǒng)的PID控制由單片機AT89C5

11、2的程序來實現(xiàn)。首先由溫度采樣值與設(shè)定值之差求出溫度的誤差，進(jìn)一步求出誤差的變化率，經(jīng)量化及限幅子程序處理，得到誤差語言變量E和誤差變化率語言變量Ec，直接查詢PID控制表就可獲得控制U，然后由定時子程序處理，發(fā)出控制信號，控制加熱片及風(fēng)扇工作。加熱片及風(fēng)扇的控制電路采用晶體管驅(qū)動的直流電磁繼電器，通過輸出可以改變占空比的PWM波信號，就可改變固態(tài)繼電器的通斷時間，從而達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的。若系統(tǒng)溫度偏高，則控制風(fēng)扇電路工作，進(jìn)行降溫；若溫度未達(dá)到設(shè)定值，則輸出溫度控制信號，控制加熱電路，進(jìn)行加熱。從而自動控制溫度的目的。整體框圖如圖3-1：傳感器加熱絲LED顯示繼電器控制輸出設(shè)定輸入單片機A/

12、D采集電路信號調(diào)理電路風(fēng)扇雙向可控控制對象圖3-1 整體電路框圖3.2 基本硬件組成3.2.1 AT89C52單片機介紹AT89C52單片機是最新的一種低功耗、高性能內(nèi)含8K字節(jié)閃電存儲器(Flash Memory)的8位CMOS 微控制器，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系列和引腳完全兼容。有超強的加密功能，其片內(nèi)閃電存儲器的編程與擦除完全用電實現(xiàn)，數(shù)據(jù)不易揮發(fā)，編程/擦除速度快，全8K字節(jié)編程只需3s，擦除時間約用10ms，它的引腳圖見圖3-2，它的主要特點有：1)內(nèi)部程序存儲器為電擦除可編程只讀存儲器EPROM,容量8KB，內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器容量256B(不包括專用寄存器)，外部數(shù)據(jù)存儲器尋址空間

13、64KB，外部程序存儲器尋址空間64KB； 2)有三個16位的定時器/計數(shù)器；3)可利用兩根I/O口線作為全雙工的串行口，有四種工作方式，可通過編程選定；4)內(nèi)部ROM中開辟了四個通用工作寄存器區(qū)，共32個通用寄存器，以適應(yīng)多種中斷或子程序嵌套的情況； 圖3-2 AT89C52引腳圖 5)內(nèi)部有6個中斷源，分為二個優(yōu)先級，每個中斷源優(yōu)先級是可編程的；6)堆棧位置是可編程的，堆棧深度可達(dá)128字節(jié)； 7)內(nèi)部有一個由直接可尋址位組成的布爾處理機，在指令系統(tǒng)中包含了一個指令子集，專用于對布爾處理機的各位進(jìn)行各種布爾處理，特別適用于控制目的和解決邏輯問題； 8)AT89C52的狀態(tài)周期由振蕩器2分頻

14、后獲得，作為芯片工作的基本時間單位。采用12MHz時，AT89C52的狀態(tài)周期為(2/12)10-6 =167ns。系統(tǒng)中所用的中斷簡介：AT89C52芯片內(nèi)部有6個中斷源，在本次設(shè)計中涉及到AT89C52芯片的中斷源有四個，分別是采樣中斷INT0，外部輸入中斷INT1、定時/計數(shù)器T0和T1其中外部中斷INT1中斷優(yōu)先級最高，定時/計數(shù)器T0次高，采樣中斷INT0次低，定時/計數(shù)器T1優(yōu)先級最低。下面就中斷源介紹如下：1)關(guān)于外部中斷INT0與INT1：外部中斷的激活方式分為兩種:一種是電平激活，另一種是邊緣激活。這兩種方式可以靠TCON寄存器中的中斷方式位IT1或IT0來控制。若ITx=0

15、（x為0或1），則采用電平激活方式:在x引腳上檢測到低電平，將觸發(fā)外部中斷。若ITx=1，則采用邊沿激活方式:在相繼的2個周期中，對ITx 引腳進(jìn)行連續(xù)2次采樣，若第一次采樣值為高，第二次為低，則TCON寄存器中的中斷請求標(biāo)志IEx 被置1，以請求中斷。由于外部中斷引腳每個機器周期被采樣一次，為確保采樣由引腳x（x為0或1)輸入的信號至少保持一個機器周期，如果外部中斷為邊緣激活方式，則引腳處的高電平和低電平值至少各保持一個機器周期，才能確保CPU檢測到電平的跳變，而把中斷請求標(biāo)志IEx=1。如果采用電平激活外部中斷方式，外部中斷源應(yīng)一直保持中斷請求有效，直至所請求的中斷得到響應(yīng)時為止。2)關(guān)于

16、定時/計數(shù)器T1、T0和T2：AT89C52有三個定時計數(shù)器T0、T1和T2。在專用寄存器TMOD(定時器方式)中，各有一個控制位（C/），分別用于控制定時/計數(shù)器0和1是工作在定時器方式還是計數(shù)器方式。選擇定時器工作方式時。計數(shù)輸入信號是內(nèi)部時鐘，每隔機器周期使寄存器的值增1。每個機器周期等于12個振蕩器周期，故計數(shù)速率為振蕩器頻率的1/12。當(dāng)采用12MHz晶振時，計數(shù)速率為1MHz。當(dāng)選擇計數(shù)器工作方式時，計數(shù)脈沖來自相應(yīng)的外部引腳T0或T1。當(dāng)輸入信號產(chǎn)生由1至0的跳變時，計數(shù)寄存器(TH0,TL0或TH1、TH0)的值增1每個定時/計數(shù)器還有4種操作模式。模式0：通過TMOD寄存器把

17、定時/計時器0或1置為模式0。在這種模式下，16位寄存器TH1/0+TL1/0只用了13位，TL1/0的高三位未用。模式1：定時/計數(shù)器0或1以全16位參與操作的。模式2：這種模式是把定時計數(shù)器TL0或TL1配置成一個可以自動重裝載的8為計數(shù)器。TL1計數(shù)溢出時，不僅使溢出標(biāo)志TF1置1，而且還自動把TH1中的內(nèi)容重裝載到TL1中。TH1的內(nèi)容可以靠軟件預(yù)置，重裝載后內(nèi)容不變。模式3：操作模式3對定時/計數(shù)器0和定時/計數(shù)器1是不同的。對于定時/計數(shù)器1，設(shè)置為模式3將使它保持原有的計數(shù)值，其作用如同使TR1=0。對于計數(shù)/計數(shù)器0，模式3將使TL0和TH0成為2個互相獨立的8位計數(shù)器。專用寄

18、存器TMOD、TCON用于控制和確定各定時/計數(shù)器的功能和操作模式。這些寄存器的內(nèi)容靠軟件設(shè)置，系統(tǒng)復(fù)位時，寄存器的所有位都被清零。模式控制寄存器TMOD用于控制定時/計數(shù)器0或1的操作模式，其中低4位用于控制定時/計數(shù)器T0，高四位用于控制定時/計數(shù)器T1。其各位定義下：GATEC/M1M0CATEC/M1M0GATE：選通門。GATE=1時，只有x (x=0或1)的引腳為高電平且TR0或TRI置1時，相應(yīng)的定時/計數(shù)器才被選通工作，這時可用于測量在x端出現(xiàn)的正脈沖的寬度。若GATE=0，則只要TR0和TRI 置1，定時/計數(shù)器就被選通，而不管x的電平是高是低。C/：計數(shù)器方式和定時器方式的

19、選擇位。C/=0，設(shè)置為定時器方式，內(nèi)部計數(shù)器的輸入是內(nèi)部脈沖，其周期等于機器周期；C/=1，設(shè)置為計數(shù)器方式，內(nèi)部計數(shù)器的輸入是來自T0或T1的外部脈沖。M0和M1：操作模式控制位。2位可形成4種編碼，對于4種操作方式。M1=M0=0，對應(yīng)于模式0；M1=0,M0=1，對應(yīng)于模式1；M1=1，M0=0，對應(yīng)于模式2；M1=M0=1，對應(yīng)于模式3。控制寄存器TCON的各位定義為：TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0TF1：定時器1溢出標(biāo)志。當(dāng)定時/計數(shù)器溢出時，由硬件置位，申請中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)后被硬件自動清除。TR1：定時器1運行控制位?？寇浖梦换蚯宄梦粫r，定時/計時器接通

20、工作，清除時停止工作。TF0：定時器0溢出標(biāo)志。其功能和操作類同于TF1。TR0：定時器0運行控制位。其功能和操作類同于TR1。 IE1：外部沿觸發(fā)中斷1請求標(biāo)志。檢測到在x引腳上出現(xiàn)的外部中斷信號的下降沿時，由硬件置位，請求中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)后被硬件自動清除。IT1：外部中斷1類型控制位。靠軟件來設(shè)置或清除，以控制外部中斷的觸發(fā)類型。IT1=1時，是下降沿觸發(fā)；IT1=0時，是低電平觸發(fā)。IE0：外部沿觸發(fā)中斷0請求標(biāo)志。其功能和操作類同于IE1。IT0：外部中斷0類型控制位。其功能和操作類同于IT07。3.2.2 鉑電阻測溫調(diào)理電路 Pt100如圖3-3所示，本系統(tǒng)采用恒流工作調(diào)理電路，鉑

21、電阻選用標(biāo)稱值為100的Pt100作為溫度傳感器，其物理、化學(xué)性能在高溫和氧化性介質(zhì)中非常穩(wěn)定，在-259.34630.74溫域內(nèi)，可作為溫度標(biāo)準(zhǔn)。A1、A2、和A3采用低漂移運放OP07C，由于有電流流經(jīng)鉑電阻傳感器，所以當(dāng)溫度為0時，在鉑電阻傳感器上有電壓降，這個電壓為鉑電阻傳感器的圖3-3 鉑電阻信號調(diào)理電路偏置電壓，是運放A1輸出電壓的一部分，使恒流工作調(diào)理電路的輸出實際不為0。所以需要對這個偏置電壓調(diào)零，圖中R3為調(diào)零電阻，其作用為當(dāng)溫度為0時，將恒流工作調(diào)理電路的輸出調(diào)到零。又因為鉑電阻的電阻特性為非線性，鉑電阻在0100變化范圍內(nèi)非線性誤差為0.4%，由于本系統(tǒng)無小數(shù)顯示，0.4

22、的誤差本身不會對A/D量化和數(shù)碼管顯示造成影響，但是由于在軟件編制過程中，對標(biāo)度變換子程序中變換系數(shù)作了近似，使得非線性誤差接近0.79%，就可能對A/D量化和數(shù)碼管顯示造成影響，所以加進(jìn)了線性化電路，圖中運放A3、及電阻R1、R4和R6一同構(gòu)成了負(fù)反饋非線性校正網(wǎng)絡(luò)。R5用于調(diào)整運放A2的增益。電路的調(diào)整方法如下(用普通電阻代替鉑電阻進(jìn)行調(diào)整)：1)接入相當(dāng)于0的100的電阻，用R3調(diào)零。2)接入相當(dāng)于50的119.70電阻，用R5調(diào)整增益。3)接入相當(dāng)于100的139.10電阻，用R1或R4調(diào)整線性。4)反復(fù)調(diào)整多次，在0100溫度范圍內(nèi)適宜為止。經(jīng)上述信號電路調(diào)理，顯示對照表如表3-1所

23、列。表3-1 顯示對照表理想溫度值/01020304050對應(yīng)電阻值/100103.96107.91111.85115.78119.7實際輸出電壓/V0.0020.5021.0041.5022.0042.505顯示溫度值/01020304050理想溫度值/60708090100對應(yīng)電阻值/123.49127.49131.37135.24139.1實際輸出電壓/V3.0013.5024.0014.4984.996顯示溫度值/60708090100以溫度值為橫坐標(biāo)，電壓值為縱坐標(biāo)，由表3-1分析非線性誤差可知：在50時，存在最大偏差為0.005，故非線性校正后非線性誤差變?yōu)?.1%，A/D量化及數(shù)

24、碼管顯示就不會產(chǎn)生誤操作。3.2.3 時鐘電路AT89C52單片機芯片內(nèi)部設(shè)有一個反向放大器所構(gòu)成的振蕩器，XTAL1和XTAL2分別為振蕩電路的輸入端和輸出端，時鐘可以由內(nèi)或外部產(chǎn)生，在XTAL1和XTAL2引腳上外接定時元器件，內(nèi)部振蕩電路就會產(chǎn)生自激振蕩。本系統(tǒng)采用的定時元器件為石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。晶振頻率選擇6MHz，C1、C2的電容值取30pF，電容的大小可起頻率微調(diào)的作用。時鐘電路如圖3-4所示。 圖3-4時鐘電路 3.2.4 復(fù)位電路單片機具有多種復(fù)位電路，本系統(tǒng)采用電平式開關(guān)復(fù)位與上電復(fù)位方式，具體電路如圖3-5所示。當(dāng)上電時，C1相當(dāng)于短路，使單片機復(fù)位，在正常

25、工作時，按下開關(guān)使單片機復(fù)位，當(dāng)系統(tǒng)時鐘頻率為6MHz時，C1=22uF, R1=200 ,R2=1K。其缺點是干擾易于串入復(fù)位端，在大多數(shù)條件下，不會造成單片機錯誤復(fù)位，但會引起內(nèi)部某些寄存器錯誤復(fù)位，這時可以在RESET端加一個去耦電容。圖3-5 復(fù)位電路3.2.5 A/D接口電路本系統(tǒng)采用5V的電壓源，用Pt100電阻傳感器組成的信號調(diào)理電路作為信號的輸入裝置，當(dāng)鉑電阻傳感器置于溫度場時，調(diào)理電路將根據(jù)鉑電阻的阻值輸出相應(yīng)的電壓值。將起輸出電壓ADC0808的模擬量輸入通道IN0，經(jīng)ADC0808進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將標(biāo)準(zhǔn)的模擬信號轉(zhuǎn)換為等價的數(shù)字信號。本設(shè)計選用IN0做為模擬量輸入通道，則將

26、ADC0808的A、B、C三條地址線均置為低電平。轉(zhuǎn)換啟動信號START接到AT89C52的P2.0口，轉(zhuǎn)換結(jié)果狀態(tài)信號EOC接P3.7口，輸出允許信號OE接P3.6口，地址鎖存允許信號ALE接P3.3口，由于ADC0808內(nèi)部沒有時鐘電路，所以用AT89C52的ALE經(jīng)過二分頻接ADC0808的CLK端，VREF-接-5V，VREF+接+5V電壓，通過軟件編程給地址鎖存允許信號ALE一上跳沿使A、B、C地址狀態(tài)送入地址鎖存器中，給START一上跳沿使內(nèi)部寄存器清0，再給其一下跳沿，開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，用最高有效位(1/2滿量程值)與輸入電壓進(jìn)行比較。如果輸入電壓大于最高位，則該位的寄存器（稱

27、為逐位逼近寄存器SAR）倒通，輸出“1”電平。接著用次高位與輸入電壓進(jìn)行比較，如輸入電壓底于最高位和次高位之和，則該位截止、輸出“0”電平。如果次高位加上最高位后仍低于輸入電壓，則該位的逐位逼近寄存器仍然輸出“1”電平。這個逐位比較過程一直進(jìn)行到最低位、數(shù)字輸出代碼逼近模擬輸入量為止。在A/D轉(zhuǎn)換期間，START保持低電平。然后判斷轉(zhuǎn)換結(jié)果狀態(tài)信號EOC是否為1，為1 則將轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)經(jīng)ADC0808的8個數(shù)據(jù)輸出端D0D8送到AT89C52的P0.0P0.7口，作為AT89C52的輸入信號。A/D轉(zhuǎn)換接口電路如圖3-6所示。圖3-6 A/D轉(zhuǎn)換接口電路3.2.6 鍵盤輸入電路在本系統(tǒng)中，采用

28、獨立式鍵盤。本鍵盤完成的功能為輸入控制系統(tǒng)的設(shè)定值，以便與系統(tǒng)的采樣值比較，求出系統(tǒng)的誤差與誤差變化率，供以后的PID控制子程序使用。其中第1個鍵和第2個鍵選用雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)，為后續(xù)鍵盤處理子程序的分支子程序提供便利。第3個鍵和第4個鍵選用按鈕開關(guān)。本系統(tǒng)中編寫的鍵盤處理子程序，主要注重3個問題。1)如何減少開關(guān)的使用次數(shù)，以提高開關(guān)的使用壽命。2)如何更快捷，更方便地給出設(shè)定值。3)如何更有利于總程序的整體調(diào)度。為此，采用4個鍵來搭建鍵盤電路，如圖3-7所示。第1個鍵用來判斷是轉(zhuǎn)入控制處理子程序運行，還是轉(zhuǎn)入鍵盤處理子程序運行。若未按下則轉(zhuǎn)控制處理子程序運行，按下則轉(zhuǎn)入鍵盤處理子程序運行；若第1

29、個鍵按下，則第2個鍵開始起作用，用第2鍵來判斷是十位進(jìn)行加減操作，還是個位進(jìn)行加減操作。若第2鍵未按下，轉(zhuǎn)十位進(jìn)行加減操作，否則轉(zhuǎn)個位進(jìn)行加減操作；第3鍵為減1操作，第4鍵為加1操作。為了進(jìn)一步解決上面提出的前兩個問題，將個位與十位的設(shè)定值均設(shè)置為5，如果加1操作結(jié)果等于11，給加1單圖3-7 鍵盤輸入電路元重賦5，如果減1操作結(jié)果等于0FFH，給減1單元重賦5。這樣，考慮最壞情況，即用鍵盤設(shè)置離初始值最遠(yuǎn)的值；第1個鍵和第2個鍵的加入，也充分考慮了總程序的整體調(diào)度。 3.2.7 顯示電路顯示電路采用兩個4位LED顯示數(shù)碼管，共陰極接法，（第1個數(shù)碼管顯示A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集的采樣值，選用3位顯

30、示采樣值，顯示范圍0100，而第2個數(shù)碼管顯示由鍵盤輸入的設(shè)定值，用于顯示對系統(tǒng)的溫度設(shè)定，也選用3位顯示設(shè)定值，顯示范圍為0100。）由于LED顯示電路較多選用動態(tài)掃描方式，為了實現(xiàn)LED顯示器的動態(tài)掃描，除了要給顯示器供段（字型代碼）的輸入之外，還有對顯示器加位的控制，即段控和位控。所以需要用P1 DISPLAY2DISPLAY1圖3-8 顯示電路口輸出6段控線；位控線由挑選的P2.1、P2.2、P2.3、P3.0、P3.1和P3.2進(jìn)行輸出，其中P2.1、P2.2和P2.3用于驅(qū)動鍵盤輸入的設(shè)定值的數(shù)碼管位控線，P3.0、P3.1和P3.2用于驅(qū)動顯示A/D轉(zhuǎn)換數(shù)碼管的數(shù)據(jù)碼位控線，位控

31、線的數(shù)目等于數(shù)碼管顯示的位數(shù)。P1接口最多可有連接8個LED顯示器。為了提高顯示亮度，通常加74LS05進(jìn)行段控輸出驅(qū)動，與七段數(shù)碼管的段碼驅(qū)動輸入端相連，由于位控線的驅(qū)動電流比較大，八段全亮需要4060mA,所以用三極管9012進(jìn)行提高驅(qū)動能力，其集電極接到七段數(shù)碼管的位碼驅(qū)動輸入端，三極管的發(fā)射極接地，將AT89C52的P3.0、P3.1、P3.2口分別與一個2K的電阻相連接到三極管的基極，用于驅(qū)動采樣值顯示數(shù)碼管，將AT89C52的P2.0、P2.1和P2.2口分別與一個2K的電阻連接到三極管的基極，用于驅(qū)動設(shè)定值顯示數(shù)碼管。顯示電路如圖3-8所示。3.2.8 溫度控制電路系統(tǒng)加熱絲與風(fēng)

32、扇均采用圖3-9所示電路形式。此電路采用了晶體管驅(qū)動的直流電磁繼電器。當(dāng).P3.4或P3.5為低電平時，繼電器RL1吸合；P3.4和P3.5為高電平時，繼電器RL1釋放。采用這種控制邏輯可以使繼電器在上電復(fù)位或單片機受控復(fù)位時不吸合。繼電器由晶體管2N2222A，可以提供所需的驅(qū)動電流。鉑電阻測溫系統(tǒng)的完整電路如圖3-10所示。圖3-9 輸出信號控制電路圖3-10 鉑電阻測溫系統(tǒng)的完整電路4 系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)4.1鉑電阻測控系統(tǒng)的主程序打開單片機電源開關(guān)、讓單片機上電復(fù)位。啟動A/D轉(zhuǎn)換，將環(huán)境溫度（模擬量）轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，為下一步的數(shù)字顯示做好準(zhǔn)備；接著，把單片機的各種參數(shù)進(jìn)行初始化，調(diào)用數(shù)據(jù)采

33、集子程序，并且將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波；再將濾波后的數(shù)據(jù)經(jīng)溫度標(biāo)度變換后送顯示數(shù)碼管進(jìn)行顯示，我們可以從數(shù)碼管中看出環(huán)境的溫度，通過鍵盤我們可以改變設(shè)定值，此時，根據(jù)鍵盤掃描判斷S1鍵是否按下，S1鍵按下則會轉(zhuǎn)入鍵盤處理程序，沒有則調(diào)用誤差e處理子程序和誤差變化率ec處理子程序，將誤差e和誤差變化率ec進(jìn)行量化，通過查PID控制規(guī)則，得出占空比控制變化量U，采用不同的定時來改變繼電器的通斷，從而完成對加熱和風(fēng)扇的控制。鉑電阻測控系統(tǒng)主程序流程圖如圖4-1。Y調(diào)顯示子程序賦初值啟動AD調(diào)溫標(biāo)變換子程序調(diào)數(shù)據(jù)采集子程序調(diào)數(shù)字濾波子程序調(diào)誤差e處理子程序調(diào)鍵盤處理子程序調(diào)誤差變化率ec處理子程序調(diào)溫標(biāo)

34、變換子程序調(diào)顯示子程序調(diào)E、EC量化子程序調(diào)控制子程序N調(diào)數(shù)據(jù)采集子程序S1鍵按下嗎？開始結(jié)束圖 4-1 鉑電阻測控系統(tǒng)的主程序流程圖4.2 A/D轉(zhuǎn)換子程序先送地址鎖存允許信號ALE一上跳沿，使A、B、C地址狀態(tài)送入地址鎖存器中，然后送START一上跳沿使內(nèi)部寄存器清0，再給其一個下跳沿，開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后判斷轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)信號是否為1。為0則繼續(xù)等待轉(zhuǎn)換，為1則將緩好的數(shù)字量經(jīng)ADC0808的8個數(shù)據(jù)輸出端D0D8送到AT89C52的P0.0P0.7口。流程圖如圖4-2所示。NY開始送ALE上跳沿，鎖存地址送START上跳沿，內(nèi)部寄存器清0送START下降沿，啟動A/D轉(zhuǎn)換EOC=0嗎

35、？取A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，送R0結(jié)束圖4-2 A/D轉(zhuǎn)換處理子程序流程圖4.3 鍵盤處理子程序鍵盤處理子程序流程圖如圖4-3所示鍵盤處理子程序是用來改變設(shè)定值的，通過此程序我們可以輸入預(yù)定的設(shè)定值。它通過S1來判斷程序是轉(zhuǎn)入控制子程序還是鍵盤子程序，S1按下則轉(zhuǎn)入鍵盤處理子程序，S1沒按下則轉(zhuǎn)入控制子程序。用S2來設(shè)定我們輸入的是個位數(shù)字還是十位數(shù)字。用S3和S4鍵對設(shè)定值進(jìn)行加一減一操作最后調(diào)用顯示子程序?qū)⒃O(shè)定值送數(shù)碼管進(jìn)行顯示。4.4 溫度標(biāo)度變換模塊控制系統(tǒng)在讀入被測模擬信號并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，需轉(zhuǎn)換成操作人員所熟悉的物量。這種轉(zhuǎn)換就是標(biāo)度變換。線性標(biāo)度變換的公式為： Y=(Ymax-Ymin)

36、(X-Nmin)/(Nmax-Nmin)+Ymin (4-1)式中，Y為參數(shù)測量值；Ymax為測量范圍最大值；Ymin為測量范圍最小值；Nmax為Ymax對應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換值；Nmin為Ymin對應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換值；X為測量值Y對應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換值。本系統(tǒng)中，Ymin=0，Ymax=100，Nmin =0，Nmax =255，則 Y=(100-0)(X-0)(255-0)+0=X+ (4-2)其中，=0.39,=0。由于x的系數(shù)為小數(shù)，在單片機中編制像0.39這樣的小數(shù)的乘法程序很難實現(xiàn)，如果將其近似取值為0.4，則乘以最大A/D轉(zhuǎn)換 值后，會產(chǎn)生0.01255=2.55的誤差。所以，設(shè)線性系數(shù)為，

37、最終轉(zhuǎn)化的結(jié)果為100,通過=100256/255=100.39可確定系數(shù)。是四舍五入取100還是取101，將其放入單片機進(jìn)行調(diào)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)取100時，顯示最高只能顯示99，所以選用101。NYYYYNS2鍵按下嗎？S4鍵按下嗎？S3鍵按下嗎？NNNYYK4鍵按下嗎？K3鍵按下嗎？顯示緩沖器十位減調(diào)顯示程序顯示緩沖器個位加調(diào)顯示程序顯示緩沖器個位減顯示緩沖器十位加調(diào)顯示程序調(diào)顯示程序調(diào)控制子程序S1鍵按下嗎？開始返回圖4-3鍵盤處理子程序流程圖4.5 顯示子程序顯示模塊的功能為：使第1個數(shù)碼管顯示A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集的采樣值，而第2個數(shù)碼管顯示由鍵盤輸入的設(shè)定值，用于顯示對系統(tǒng)的溫度設(shè)定，在整個

38、系統(tǒng)進(jìn)行測控的過程中，兩數(shù)碼管同時顯示，顯示程序中采樣值顯示采用了常規(guī)的顯示程序，不再贅述，這里只談編寫顯示程序中鍵盤顯示時的一點注意，由于最后生成的設(shè)定值是由十位或個位的加1鍵和十位或個位的減1鍵輸入，必須嚴(yán)格區(qū)分才可以編制其顯示程序，此處采用的方法是將個位的加1、減1鍵輸入的值存放在28H，而十位的加1、減1鍵輸入的值存放在34H，然后驅(qū)動不同的位碼即可正常顯示。流程圖如4-4所示。二進(jìn)制轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制送鍵盤處理百為數(shù)顯示送A/D采集百位數(shù)顯示送A/D采集十位數(shù)顯示送鍵盤處理十位數(shù)顯示送鍵盤處理個位數(shù)顯示送A/D采集個位數(shù)顯示延時延時延時延時延時延時開始返回圖4-4 顯示處理子程序流程圖4.

39、6 定時子程序定時程序主要是用于完成PID查詢表的占空比控制，總體思想是根據(jù)PID控制表中占空比控制變量U的不同取值，采用不同的定時來改變繼電器的通斷，進(jìn)而完成對加熱和風(fēng)扇的控制。根據(jù)繼電器的機械特性，要求其不能頻繁通斷，所以通斷要有一定長的時間，但是又要考慮到控制能及時的根據(jù)新的采樣值和設(shè)定值的變化來做出相應(yīng)的動作，所以采用以下方法：以占空比1/4為例說明，定時器T0、T1仍都采用方式1定時，T0專用于置低電平定時，即雙向可控硅導(dǎo)通，T1專用于置高電平定時，即雙向可控硅關(guān)斷，先將P3.4口置低電平，啟動T0定時，定時長度僅取10ms，高字節(jié)存放0ECH，低字節(jié)存放78H，循環(huán)次數(shù)為1次，每次

40、10ms定時完成后，不直接進(jìn)行循環(huán)，而是插入數(shù)據(jù)采集程序、標(biāo)度變換和顯示程序，然后再進(jìn)行循環(huán)，循環(huán)1次后，P3.4口置高電平，啟動T1定時，為了方便計算占空比，定時長度仍取10ms，循環(huán)次數(shù)為3次，同上，10ms定時完成后，仍不直接進(jìn)行循環(huán)，而是插入數(shù)據(jù)采集程序、標(biāo)度變換和顯示程序，然后再進(jìn)行循環(huán)，循環(huán)3次后返回主程序，這樣就完成了占空比為1/4的定時。流程圖如圖4-5所示。YYYYNNNN置定時方式1T0循環(huán)次數(shù)送寄存器R2P3.4口置底電平T0賦定時初值P3.4口置高電平調(diào)顯示子程序調(diào)溫標(biāo)變換子程序啟動T0調(diào)顯示子程序啟動T1調(diào)溫標(biāo)變換子程序T1賦定時初值10ms到了嗎？10ms到了嗎？R

41、2=0嗎？R6=0嗎？T1循環(huán)次數(shù)送寄存器R6返回開始圖4-5 定時處理子程序4.7 量化子程序?qū)τ谙到y(tǒng)采樣值和設(shè)定值求出的溫度誤差e和溫度變化率ec，不能直接查詢PID控制表，需要經(jīng)過量化程序，得到量化后誤差變量E和誤差變化率變量EC才可以對應(yīng)于誤差控制表的行列值，進(jìn)行查詢控制，所以需要編制量化程序。溫度誤差e的量化比較簡單，如圖4-6所示量化程序流程圖。YN取誤差e符號C1誤差e量化結(jié)果求補求誤差e量化結(jié)果誤差e求補取誤差e量化因子Ke取誤差e量化因子Ke求誤差e量化結(jié)果C1=1嗎？開始返回圖4-6 量化子程序流程圖 溫度變化率ec的量化因子Kec=2.5，采用整數(shù)和小數(shù)分而治之的方法，先

42、將誤差變化率ec乘以2，送入量化暫存單元2CH，再取誤差變化率ec，將其除以2送入量化暫存單元2DH，再使2CH和2DH里的內(nèi)容相加，即可完成量化因子2.5的功能，誤差變化率ec的量化子程序流程圖同理可得。4.8 其他模塊模擬信號都必須經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后才能被計算機接受，干擾作用于模擬信號之后，使A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果偏離真實值。如果僅采樣一次，單片機無法確定該結(jié)果是否可信，為了克服干擾，加進(jìn)了中值數(shù)字濾波子程序，流程圖如圖4-7所示。為了進(jìn)行采樣值數(shù)碼顯示加入了二十進(jìn)制轉(zhuǎn)換子程序，為了求取誤差及誤差變化率，加入將鍵盤設(shè)定值進(jìn)行十二轉(zhuǎn)換子程序2CHec量化暫存單元3DH暫存單元2DHec量化暫存單元3E

43、H暫存單元2EH暫存單元3FH暫存單元2FH暫存單元40H暫存單元30H暫存單元41H暫存單元YYYYYYNNNNNN31H送A（32H）送2AH（31H）與（32H）交換嗎？（32H）送2AH（32H）送24H（32H）送2AH（32H）送2AH（31H）（32H）嗎 ？（31H）（32H）嗎 ？（33H）（31H）嗎 ？（31H）（33H）嗎 ？（32H）（33H）嗎 ？（32H）（33H）嗎 ？（32H）送2AH開始返回圖4-7 中值數(shù)字濾波子程序流程圖主要參考文獻(xiàn) 1 張毅剛，彭喜源.曲春波.MCS51單片機應(yīng)用設(shè)計M.哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1997.2 鄧力.PROTEUS 和51單

44、片機的電路仿真J.中國科技信息，2006,(8): 45-46.3 張靖武.周靈彬.單片機系統(tǒng)的PROTEUS設(shè)計與仿真M.電子工業(yè)出版社2004.5孫涵芳徐愛卿主編的MCS-51、96系列單片機原理及應(yīng)用6何立民主編的MCS-51系列單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)配制與接口技術(shù)7趙秀菊主編的單片機與測控技術(shù)8胡壽松主編的自動控制原理第五版致謝本文的研究工作是在我的導(dǎo)師馮根生的指導(dǎo)下完成的。在完成論文的這段時間內(nèi)，馮老師無論是在學(xué)習(xí)上還是在生活上都給予我很大關(guān)懷和指導(dǎo)，尤其是針對一些技術(shù)細(xì)節(jié)方面對我們進(jìn)行深入淺出的講解，使我受益匪淺。他學(xué)識淵博，品德高尚，治學(xué)態(tài)度嚴(yán)謹(jǐn)，工作認(rèn)真負(fù)責(zé)，具有親切、和藹和平

45、易近人的師長風(fēng)范。是我們學(xué)習(xí)和生活中的楷模，所有的這一切都將會對我以后的工作和人生產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。同時，在此我要向我的導(dǎo)師馮根生致以最誠摯的感謝和深深的敬意!同時，我還要對四年來辛勤培養(yǎng)我的蚌埠坦克學(xué)院的領(lǐng)導(dǎo)和基礎(chǔ)部教員，正是由于他們的高尚的自我奉獻(xiàn)精神，才有了我們今天的學(xué)業(yè)有成，在此向他們表示衷心的謝意！此外，在大學(xué)四年期間，我還得到了隊長和教導(dǎo)員在生活上給予的無微不至的關(guān)心和幫助，在此對他們表示感謝！其次，我還要感謝平常在生活和學(xué)習(xí)中給予我指導(dǎo)和幫助的同學(xué)，正是由于他們，讓我在異地他鄉(xiāng)感到了家的溫暖，在此向他們表示由衷的謝意！同時，我也要感謝我的父母，在漫長的求學(xué)生涯中，是他們給我物質(zhì)上的支持和精神上的鼓勵，才能讓我今天有更大的能力為國家作出自己的貢獻(xiàn)。最后，衷心感謝在百忙之中評閱我的論文和參加答辯的各位專家、教授！摘 要本文主要介紹基于AT89C52的PID控制算法的溫控儀的設(shè)計，設(shè)計應(yīng)用于糧庫的溫度控制。設(shè)計包括PID控制的基本原理、電路設(shè)計、系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)以及系統(tǒng)仿真。首先介紹PID控制算法的實現(xiàn)，包括PID控制的基本原理和PID控制程序的設(shè)計思想。其次，是介紹系統(tǒng)的電路設(shè)計，它從系統(tǒng)電路設(shè)計的整體思路到基本硬件組成等方面進(jìn)行分析說