單片機(jī)閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書茲發(fā)給 班學(xué)生 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書，內(nèi)容如下：1.畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目： 單片機(jī)閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)【1】 應(yīng)完成的項(xiàng)目：【2】 了解熟悉單片機(jī)閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本原理。 【3】 學(xué)習(xí)掌握溫度控制的基本理論。 【4】 深入研究閉環(huán)溫度控制方法。 【5】 完成單片機(jī)閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 【6】 總結(jié)單片機(jī)閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。 3.參考資料以及說明：【7】 何立民. 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)配置與接口技術(shù). 北京航天大學(xué)出版社. 1990.54114;138180;254309;421474.【8】 孫育才. MCS-51系列單片微型計(jì)算機(jī)及其應(yīng)用.南京：南京工

2、學(xué)院出版社.1987.2180. 【9】 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.1987.32161. 【10】 BASIC單片機(jī)原理及應(yīng)用.武漢力源單片機(jī)技術(shù)研究所.1996.4【11】 楊寧.分布式計(jì)算機(jī)遙測管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能J.北華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2000,1(2):178181.【12】 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. 【13】 趙不賄.在系統(tǒng)可編程器件與開發(fā)技術(shù)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.【14】 張洪潤，藍(lán)清華.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)教程M .北京：清華大學(xué)出版社，1997. 【15】

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4、論文答辯。5.本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）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(huì)進(jìn)行答辯。 教研主任 審核 2003 年 9 月 10 日 指導(dǎo)教師 簽發(fā) 2003 年 9月 10 日摘要本文介紹了一種PID水溫控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用單片機(jī)可以方使地實(shí)現(xiàn)對PID參數(shù)的選擇與設(shè)定；也可以通過計(jì)算機(jī)與單片機(jī)的串行通訊，實(shí)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(shí)際爐溫A/D轉(zhuǎn)換，送入計(jì)算機(jī)中，與設(shè)定值進(jìn)行比較，得出偏差。對此偏差按PID算法進(jìn)行修正，求得對應(yīng)的控制量控制可控硅驅(qū)動(dòng)器，調(diào)節(jié)電爐的加熱功率，從而實(shí)現(xiàn)對爐溫的控制。因此采集的爐溫?cái)?shù)據(jù)精

5、度至關(guān)重要。利用89C51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度智能控制，能自動(dòng)完成數(shù)據(jù)采集、處理、緩沖、轉(zhuǎn)換、并進(jìn)行PID實(shí)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(jī)構(gòu)不能反應(yīng)，而且計(jì)算機(jī)的利用率大為降低。采樣周期太長,也是不合適，因?yàn)楦蓴_無法及時(shí)消除，使調(diào)節(jié)品質(zhì)下降。隨著單片機(jī)在各行業(yè)控制系統(tǒng)中的普遍采用，其構(gòu)成的實(shí)時(shí)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(xì)介紹了該系統(tǒng)的軟、硬件實(shí)施手段及系統(tǒng)特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：單片機(jī)；PID算法；串行通訊；熱電偶；溫度控制Abstract 目 錄摘要 4Abstract

6、5前言 7第一章 硬件電路設(shè)計(jì) 9 1.1 主機(jī)電路的設(shè)計(jì) 101.2 IO通道的硬件電路的設(shè)計(jì) 10121 數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì) 10122電控制執(zhí)行電路的設(shè)計(jì) 101.3 鍵盤及顯示的設(shè)計(jì) 111.4 溫度檢測電路設(shè)計(jì) 131.5 A/D轉(zhuǎn)換接口電路設(shè)計(jì) 1316 光電隔離電路設(shè)計(jì) 1317 掉電保護(hù)電路的設(shè)計(jì) 1418 時(shí)鐘電路 15第二章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 172.1主程序模塊 172.2功能實(shí)現(xiàn)模塊 182.2.1 T0中斷子程序 18鍵盤中斷子程序 192.2.3 T1中斷子程序 19224 采樣子程序 19225 數(shù)字濾波子程序 19226 溫度查表程序 19 2.3 運(yùn)算控制模塊 2

7、02.3.1 標(biāo)度轉(zhuǎn)換子程序 20 2.3.2 PID算法子程序 21 總結(jié)和結(jié)束語 22附件 22參考文獻(xiàn) 23前言在現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)反科學(xué)實(shí)驗(yàn)中常常需要對溫度進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。在控制精度要求不高的情況下，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(shí)現(xiàn)。但是在控制精度要求較高時(shí)，單純地采用開環(huán)控制往往達(dá)不到滿意的控制效果，所以此時(shí)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。微型計(jì)算機(jī)，特別是單片微助計(jì)算機(jī)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(jī)成本低、功能強(qiáng)、抗干擾性能好

8、，從而使計(jì)算機(jī)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(jī)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。 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(jì)一種較為理想的溫度控制系統(tǒng)是非常有價(jià)值的。根據(jù)溫度變化慢，并且控制精度不易掌握的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了以89C51單片機(jī)為檢測控制中心的水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)。溫度控制采用改進(jìn)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(jì)結(jié)構(gòu)簡單，控制算法新穎，控制精度高，有較強(qiáng)的通用性。所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)有以下功能：(1)溫度控制設(shè)定范圍為4090C，最小區(qū)分度為0.2C，標(biāo)定溫差<0.6C

9、，靜態(tài)誤差<0.4C；（2）實(shí)現(xiàn)控制可以升溫也可以降溫；（3）實(shí)時(shí)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(bào)警。第一章 硬件電路設(shè)計(jì)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(jìn)行調(diào)節(jié)，但都存在著許多缺點(diǎn)，用單片機(jī)進(jìn)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(jìn)行抗干攏濾波和非線性補(bǔ)償處理，可大大提高控制質(zhì)量和自動(dòng)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(jī)系統(tǒng)模塊、計(jì)算機(jī)顯示與控制模塊和輸出控制模塊。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(jī)

10、的接口部分組成。輸出模塊由可控硅和可控硅驅(qū)動(dòng)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(dòng)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。 水溫控制硬件原理圖輸入模塊輸出模塊 單 片 機(jī) 系 統(tǒng)計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 組 成 圖從功能模塊上來分有：主機(jī)電路（本系統(tǒng)以89C51單片機(jī)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(hù)電路。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。 MCS-51型單片單板機(jī) 圖1 溫度控制系統(tǒng)原理硬件結(jié)構(gòu)框圖 本系統(tǒng)的任務(wù)是對水的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測和控制，單片機(jī)定時(shí)

11、對溫度進(jìn)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(jì)算機(jī)。將采樣溫度與設(shè)定溫度進(jìn)行比較，如果TXT，則按照設(shè)計(jì)好的PID算法對偏差（采樣溫度設(shè)定溫度）進(jìn)行運(yùn)算、處理，得到一個(gè)調(diào)節(jié)量。這里的調(diào)節(jié)量實(shí)際上對應(yīng)著加熱源打開或斷開的時(shí)間。如果采樣溫度小于設(shè)定溫度，則單片機(jī)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(shí)，單片機(jī)的P1.0腳自動(dòng)輸出低電平，89C51內(nèi)部截止，雙向可控硅斷開，關(guān)

12、閉加熱器，如果采樣溫度TX大于設(shè)定溫度T，則單片機(jī)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(jī)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)的溫度保持在所要求的溫度值上 ，達(dá)到溫度控制的目的。 溫度控制范圍：0100,控制精度0.5.11 主機(jī)電路的設(shè)計(jì)主機(jī)選用INTEL公司的MCS51系列單片機(jī)89C51來實(shí)現(xiàn)，利用單片機(jī)軟件編程靈活自由度大的特點(diǎn)，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(shí)鐘可達(dá)12MHz，運(yùn)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(kuò)展存儲(chǔ)器，可使系統(tǒng)整體

13、結(jié)構(gòu)更為簡單、實(shí)用。12 I/O通道的硬件電路的設(shè)計(jì) 就本系統(tǒng)來說，需要實(shí)時(shí)采集水溫?cái)?shù)據(jù)，然后經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送入單片機(jī)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(jìn)行比較，通過PID算法得到控制量并經(jīng)由單片機(jī)輸出去控制電爐加熱或風(fēng)扇降溫。121 數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)采集電路主要由AD590，MCl403，0P07，74LS373組成?？紤]到溫度信號為低電平緩變信號，對AD轉(zhuǎn)換速度要求不高，為此，選用實(shí)效價(jià)廉的ADC0809，而且，還可以根據(jù)需要擴(kuò)展測量8路溫度信號。為了達(dá)到測量高精度的要求，選用溫度傳感器AD590，AD590具有較高精度和重復(fù)性(重復(fù)性優(yōu)于01，其良好的非

14、線形可以保證優(yōu)于01的測量精度，利用其重復(fù)性較好的特點(diǎn)，通過非線形補(bǔ)償，可以達(dá)到01測量精度。)超低溫漂移高精度運(yùn)算放大器0P07將溫度電壓信號進(jìn)行放大，便于AD進(jìn)行轉(zhuǎn)換，輸入計(jì)算機(jī)作進(jìn)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。 122 電控制執(zhí)行電路的設(shè)計(jì)該部分電路是利用89C51單片機(jī)對溫度器作實(shí)時(shí)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 風(fēng)扇可以認(rèn)為是線形環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)對水溫的控制。采用PID控制算法，利用微分作超前補(bǔ)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(shí)現(xiàn)強(qiáng)電和弱電的隔離，要

15、選擇光電隔離器，但考慮到輸出信號要對可控硅進(jìn)行觸發(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(diǎn)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(dòng)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(bào)警，當(dāng)溫度低于40C時(shí)黃色發(fā)光二極管亮；高于90C時(shí)紅色二極管亮。13 鍵盤及顯示的設(shè)計(jì)鍵盤和顯示器是人/機(jī)對話的接口。

16、MCS-51系列單片機(jī)具有4個(gè)8位的I/O，即P0、P1、P2、P3。從原理上說，這4 個(gè)口均可用作雙向并行I/O接口，但在實(shí)際應(yīng)用中，P0口和P2口常被用作擴(kuò)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型的單片機(jī)。所以若一個(gè)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(jī)、鍵盤、顯示器等），就必需擴(kuò)展并行接口。常用的MCS-51并行接口擴(kuò)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(gè)8位的并行I/O口。有三種工作方式，可通過編程設(shè)定，

17、因而使用起來靈活方便，通用性強(qiáng)，常作為單片機(jī)與許多外圍設(shè)備連接時(shí)的中間電路。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(kuò)展電路。但對于這種用法，需設(shè)計(jì)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(jī)接口，在我們設(shè)計(jì)的閉環(huán)PID水溫控制系統(tǒng)中就采用8279來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的鍵盤/顯示器擴(kuò)展功能，降低了電路的復(fù)雜度，提高了穩(wěn)定性及可靠性。8279能自動(dòng)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(gè)按鍵的矩陣鍵盤連接，能對

18、鍵盤進(jìn)行自動(dòng)掃描、自動(dòng)消抖、自動(dòng)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(gè)168的顯示緩沖器，能對4位或8位LED自動(dòng)進(jìn)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(kuò)展2×2鍵盤、4位顯示器。由38譯碼器對SL0SL2譯出鍵掃描線，由另一36譯碼器譯出顯示器的位掃描線，并采用了編碼掃描方式。 圖為 鍵盤及顯示設(shè)計(jì)電路圖鍵盤采用軟件查詢和外部中斷相結(jié)合的方法來設(shè)計(jì)，低電平有效。圖3中按鍵ANl，AN2，AN3，AN4的功能定義如表l所示。按鍵AN2與P3.2(JA70)相連，采用外部中斷方式，并且優(yōu)先級定為最高；按鍵

19、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)位電路。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(gè)位及小數(shù)點(diǎn)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(jī)端口資源，在P1.4口和P3.1 (TXD)的控制下通過74LSl64來實(shí)現(xiàn)3位靜態(tài)顯示。數(shù)字電路硬件部分見圖3。14 溫度檢測電路采用鉑電阻溫度傳感器，設(shè)計(jì)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(jìn)行模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換，放大電路選用單一運(yùn)放構(gòu)

20、成差動(dòng)放大器，放大倍數(shù)約200倍左右，運(yùn)放內(nèi)設(shè)補(bǔ)償，可承受大的差動(dòng)輸入電壓且輸入阻抗較高，具體電路如圖所示15 A/D轉(zhuǎn)換接口電路MCS-51型單片單板機(jī)擴(kuò)展一片模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換芯片ADC0809芯片，從而可實(shí)現(xiàn)8路的A/D輸入，其口地址：C000HC007H。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。16 光電隔離電路設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)采用單片機(jī)的I/O線去控制加熱或冷卻器（風(fēng)扇）的通或斷

21、，由于要經(jīng)常地接通和斷開，而這些被測控動(dòng)作都要和強(qiáng)電聯(lián)系在一起，為避免強(qiáng)電控制電路可能對單片機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾，故必須在單片機(jī)輸出口和驅(qū)動(dòng)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(shí)，光耦導(dǎo)通，經(jīng)驅(qū)動(dòng)器后就能驅(qū)動(dòng)加熱工作；反之，當(dāng)89C51的P1.0腳為高電平時(shí)，光耦斷開，因此不能驅(qū)動(dòng)加熱器工作。17 掉電保護(hù)電路的設(shè)計(jì) 掉電保護(hù)電路是為防止系統(tǒng)因?yàn)橐馔獾綦妼?dǎo)致丟失數(shù)據(jù)而設(shè)計(jì)的。采用8098單片機(jī)構(gòu)成掉電保護(hù)裝置，對掉電流的檢測電路，補(bǔ)償電路均可采用原保護(hù)裝置中的電路單元，運(yùn)算處理單元主要由80

22、98單片機(jī)，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，其檢測電路、補(bǔ)償電路部分略。此電路可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)對地電容電流的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償及自動(dòng)調(diào)整保護(hù)動(dòng)作時(shí)間等功能。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(jī)8098，由8098進(jìn)行運(yùn)算分析后發(fā)出調(diào)整補(bǔ)償命令，由8255A的B通道輸出，自動(dòng)調(diào)整零序電抗器的電感值，從而調(diào)整補(bǔ)償效果，達(dá)到動(dòng)態(tài)最佳補(bǔ)償。8255A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(shí)，其值為高電平，不掉電時(shí)為低電平；PC6為橫向選擇性保護(hù)的狀態(tài)輸入。掉電時(shí)，若橫向保護(hù)拒

23、動(dòng)或分支開關(guān)拒動(dòng)，其輸入為低電平，動(dòng)作為高電平。據(jù)此，8098可判斷橫向選擇性掉電保護(hù)裝置是否動(dòng)作可靠，從而自動(dòng)調(diào)整縱向保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間。在縱向保護(hù)動(dòng)作時(shí)，由PC0輸出一高電平，使開關(guān)跳閘。18 時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì) 該部分電路為計(jì)算機(jī)提供了一個(gè)精確的時(shí)標(biāo)，在該系統(tǒng)中靠計(jì)算加熱及冷卻脈沖數(shù)（計(jì)時(shí)）來調(diào)溫，故時(shí)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(shí)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(shí)鐘電路，另外該時(shí)鐘內(nèi)置獨(dú)立直流電源，所以是掉電可運(yùn)行的，即無論系統(tǒng)掉電與否，都不會(huì)影響正常走時(shí)。通過MCS-51內(nèi)部定時(shí)器T0產(chǎn)生中斷來實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)的。T0工作在定時(shí)器工作方式1，每100MS產(chǎn)生一次中斷，利用

24、軟件將基準(zhǔn)100MS（1/10 S）單元進(jìn)行累加計(jì)數(shù)，當(dāng)定時(shí)器產(chǎn)生10次中斷后就產(chǎn)生了1秒信號，這時(shí)秒單元加1，同理，可對分單元和時(shí)單元計(jì)時(shí)，從而產(chǎn)生秒、分、時(shí)的時(shí)間值，并通過連接在8155A口、B口上的六位顯示器進(jìn)行顯示，系統(tǒng)硬件框圖如圖所示。 系統(tǒng)硬件框圖第二章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)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(shí)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，

25、測得溫度小于等于溫度下限設(shè)定值時(shí)，下限指示燈閃爍；反之，溫度在上限溫度和下限溫度之間時(shí)正常指示燈亮，同時(shí)，當(dāng)溫度越上限或下限時(shí)，單片機(jī)硬件部分也會(huì)發(fā)出報(bào)警信號。本軟件具備與硬件實(shí)時(shí)通訊，實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)狀態(tài)的特點(diǎn)。單片機(jī)系統(tǒng)的鍵盤對參數(shù)的任何修改，也會(huì)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(jìn)行修改。系統(tǒng)的軟件由三大模塊組成：主程序模塊、功能實(shí)現(xiàn)模塊和運(yùn)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(shí)器用作采樣周期的定時(shí)中斷，每隔15秒種中斷一次。在中斷服務(wù)程序中啟動(dòng)A/D，讀入采樣數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)字濾波，上下限報(bào)警處理，PID計(jì)算，然后調(diào)節(jié)T1輸出控

26、制脈沖信號，啟動(dòng)定時(shí)器T1，返回主程序。脈沖的寬度由T1計(jì)數(shù)器溢出中斷決定。在等待T1中斷時(shí)，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。需要說明的是，系統(tǒng)控制程序邏輯采用兩次中斷嵌套方式來設(shè)計(jì)，T1中斷嵌套在T0中斷之中。21 主程序模塊 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(shí)時(shí)響應(yīng)鍵盤處理；軟件設(shè)定定時(shí)器T0為5秒定時(shí)，在無鍵盤響應(yīng)時(shí)每隔5秒響應(yīng)一次，以用來采集經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換的溫度信號；設(shè)定定時(shí)器T1為嵌套在T0之中的定

27、時(shí)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。 圖4 主程序流程圖22功能實(shí)現(xiàn)模塊 功能實(shí)現(xiàn)模塊主要由AD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。221 T0中斷子程序 該中斷是單片機(jī)內(nèi)部5s定時(shí)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(jī)要完成AD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(jìn)行比較，調(diào)用PID算法子程序并輸出控制信號等功能。222 鍵盤中斷子程序作為優(yōu)先級最高的功能控制鍵，系統(tǒng)要實(shí)時(shí)響應(yīng)該中斷。在該中斷的響應(yīng)過程中，系統(tǒng)要

28、顯示上一次的溫度設(shè)定值，并且可以通過AN3、AN4來實(shí)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(shí)再加則為40；減1到40時(shí)再減則為90。223 T1中斷子程序 T1定時(shí)中斷嵌套在T中斷之中，優(yōu)先級高于T中斷，其定時(shí)初值由PID算法子程序提供，T1中斷響應(yīng)的時(shí)間用于輸出電爐或風(fēng)扇的控制信號。224 采樣子程序 流程圖如圖5所示。225 數(shù)字濾波子程序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(jìn)行比較，取中間值存放在溫度查表程序的參數(shù)入口。226 溫度查表程序 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(jī)讀出對應(yīng)該熱電勢的數(shù)字量，這個(gè)數(shù)字量與模擬的溫度標(biāo)準(zhǔn)值構(gòu)成一個(gè)數(shù)據(jù)對，在使用的溫度范圍內(nèi)逐點(diǎn)獲得全部數(shù)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