【正文】 但考慮到被控對(duì)象模型的不精確性和其參數(shù)隨時(shí)間的飄移，在調(diào)試中我們選擇了增量式 PID控制算法，即 Δ u（ k） =a0e(k)+a1e(k1)+a2e(k2) U(k)=u(k1)+ Δ u(k) a0=Kp {1+ T + TD } TI + T a1=Kp{1+2TD } T a2=Kp TD T 式中： T 為采樣周期； TD微分時(shí)間常數(shù)； TI為積分時(shí)間常數(shù)； Kp 為比例系數(shù)；e（ k）和 u（ k）分別為系統(tǒng)的偏差信號(hào)和調(diào)節(jié)輸出信號(hào)。重新讀入 P2 口數(shù)據(jù) CJEN A,7FH 。對(duì)內(nèi)部有程序存儲(chǔ)器的單片機(jī)， EA 應(yīng)接高電平。單片機(jī)工作后，只要在它的 RST 引線上加載 10ms 以上的高電平，單片機(jī)就能夠有效地復(fù)位。單片機(jī)內(nèi)部雖然有振蕩電路，但要形成時(shí)鐘，外部還需附加電路。由于顯示部分選擇了靜態(tài)顯示，因此驅(qū)動(dòng)電路也選擇第 21頁(yè) 共 36頁(yè) 靜態(tài)驅(qū)動(dòng)。某筆段控制端低電平時(shí)，該筆段發(fā)光，高電平時(shí)不發(fā)光。 另外， PT100 溫度傳感器還具有抗振動(dòng)、穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、耐高壓等優(yōu)點(diǎn)。 VREF（＋）， VREF（－） 為參考電壓輸入。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存 A/D 轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng) OE端為高電平時(shí)，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。 ADC0809 由單 +5V 電源供電；片內(nèi)帶有鎖存功能的 8路模擬多路開(kāi)關(guān)，可對(duì) 8路 0～ 5V的輸入模擬電壓分時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，成一次轉(zhuǎn)換約需 100μ S；片內(nèi)具有多路開(kāi)關(guān)的地址譯碼器和鎖存器、高阻抗斬波器、穩(wěn)定的比較器， 256 電阻 T型網(wǎng)絡(luò)和樹(shù)狀電子開(kāi)關(guān)以及逐次逼近寄存器。 Flash 存儲(chǔ)器編程時(shí)，該引腳加上 +12V 的編程允許電源 VPP，當(dāng)然這必須是該器件是使用 12V 編程電壓 VPP。 Flash 編程或校驗(yàn)時(shí) ,P2 亦接收高位地址和其它控制信號(hào)。共有 5 個(gè)中斷源，即外中斷 2個(gè)，定時(shí)中斷 2 個(gè)，串行中斷 1 個(gè)，全部中斷分為高級(jí)和低級(jí)共二個(gè)優(yōu)先級(jí)別。需要提醒的是 MCS51 的 CPU 能處理 8位二進(jìn)制數(shù)或代碼。 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案論證 1. 傳統(tǒng) 模擬控制溫度 圖 模擬控制溫度框圖 此方案是傳統(tǒng)的模擬控制方案，選用模擬電路，用電位器設(shè)定值，反饋的溫度值和設(shè)定值比較后，決定加熱或不加熱。溫度測(cè)控技術(shù)主要包括溫度測(cè)量技術(shù)和溫度控制技術(shù)兩方面。這不僅給操作者帶來(lái)許多不便，而且靠人工隨時(shí)調(diào)節(jié)空燃比或者電壓大小，很難跟蹤熱值變化的速度，加之加熱爐都需要按照加熱工藝曲線進(jìn)行周期性的加熱， 而爐子的特性是變化的，要使加熱爐實(shí)現(xiàn)最有效的節(jié)能運(yùn)行還應(yīng)該考慮到進(jìn)料狀況（冷錠或熱錠）以及軋機(jī)故障待軋的運(yùn)行狀態(tài)。因此，溫度量的變化往往受到不可預(yù) 測(cè)的外界環(huán)境擾動(dòng)的影響。本次設(shè)計(jì)采用 AT89C51 單片機(jī)與各種外圍電路構(gòu)成單片機(jī)溫度自動(dòng)檢測(cè)和控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制。 本論文的結(jié)構(gòu)安排 第一章是引言部分，闡述本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的意義以及國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r；第二章為溫度控制系統(tǒng)的總體方案即提出的幾種方案論證；第三章是系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)電路，主要闡述了本次設(shè)計(jì)用到的硬件的屬性即相 關(guān)功能，以及電路的連接；第四章是軟件部分，包括系統(tǒng)流程圖和程序編寫(xiě)；最后是參考文獻(xiàn)和結(jié)束語(yǔ)。如果把 CPU、RAM、 ROM、終端系統(tǒng)、定時(shí) /計(jì)數(shù)器、以及 I/O 口等主要微型機(jī)部件集成在一塊芯片上，就稱(chēng)該芯片為單片微型計(jì)算機(jī) SCMC（ Single Chip Micro Computer） ,簡(jiǎn)稱(chēng)單片機(jī)。該串行口功能較強(qiáng)，既可作為全雙工異步通信收發(fā)器使用，也可作為移位器使用。 Flash 編程和程序校驗(yàn)期間 ,P1 接 收低 8位地址。欲使 CPU 訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器（地址為0000HFFFFH）。見(jiàn)下表： 表 空閑和掉電模式外部引腳狀態(tài) 模式 程序存儲(chǔ)器 ALE PSEN P0 P1 P2 P3 空閑模式 內(nèi)部 1 1 數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù) 空閑模式 外部 1 1 浮空 數(shù)據(jù) 地址 數(shù)據(jù) 掉電模式 內(nèi)部 0 0 數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù) 掉電模式 外部 0 0 浮空 數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù) 第 13頁(yè) 共 36頁(yè) 數(shù)模轉(zhuǎn)換器選型 ADC0809 簡(jiǎn)介 A/D 轉(zhuǎn)換部分采用 ADC0809 組成 A/D 轉(zhuǎn)換電路， ADC0809 是一種 8 路模擬輸入的 8位逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器件。 ① ADC0809 的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu) 如圖 所示。 D7－ D0 為數(shù)字量輸出線。 以放大器 LM741為信號(hào)放大器件。因此這種 LED 顯示器稱(chēng)為七段數(shù)碼管或八段數(shù)碼管。若想使 LED 發(fā)光則必須保證有足夠大的電流流過(guò) LED 的各段。當(dāng) TL494 輸出為高時(shí)，繼電器導(dǎo)通，對(duì)熱點(diǎn)電阻進(jìn)行加熱；當(dāng) TL494 輸出為低時(shí)，繼電器關(guān)斷，停止對(duì)電阻絲的加熱。 HMOS 型單片機(jī)由 XTAL2 進(jìn)入，外部振蕩信號(hào)接至 XTAL2，而內(nèi)部反相放大器的輸入端 XTAL1應(yīng)接地，如圖 所示。 B、 EA 程序存儲(chǔ)器選擇 =0，單片機(jī)只訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器。 主要是通過(guò)人為的對(duì)外部按鍵的控制來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的溫度，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)溫度的控制。在溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，由于控制溫度的時(shí)間常數(shù)相對(duì)采樣周期來(lái)說(shuō)比較大，所以其閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)可用一個(gè)一階滯后環(huán)節(jié)來(lái)近視，其傳遞函數(shù)可表示為 第 32頁(yè) 共 36頁(yè) G(s)= K?eθ s 1+τ S 式中： K 為調(diào)節(jié)系統(tǒng)的放大倍數(shù)；τ為慣性時(shí)間常數(shù)；θ為系統(tǒng)的純滯后時(shí)間。在控制方面本打算采用開(kāi)關(guān)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器的通斷，因?yàn)檫@樣可以使整個(gè)電路變得簡(jiǎn)單，即可以省略 D/A 轉(zhuǎn)換單元與 PWM 控制器，但考慮到精度會(huì)受到影響，還是決定用 PID 控制來(lái)對(duì)溫度的變化進(jìn)行控制，這樣就可以使控制精度得到提高。若按下顯示當(dāng)前設(shè)定值，跳轉(zhuǎn)顯示模塊 , KEY1 。 第 27頁(yè) 共 36頁(yè) D、 RST 復(fù)位信號(hào)輸入 ② 電源及時(shí)鐘 VSS 地端接地線， VCC 電源端接 +5V， XTAL1 和 XTAL2 接晶振或外部振蕩信號(hào)源。上電瞬間， RC 電路充電， RST 引線端出現(xiàn)正脈沖，只要 RST端保持 10ms以上的高電平，就能使單片機(jī)有效地復(fù)位。利用其內(nèi)部的振蕩電路在 XTAL1 和 XTAL2 引線上外接定時(shí)元件，內(nèi)部振蕩電路便產(chǎn)生自激振蕩，用示波器可以觀察到 XTAL2 輸出的時(shí)鐘信號(hào)。 驅(qū)動(dòng)電路可采用分立元件電路，也可采用集成驅(qū)動(dòng)電路，此外有些硬件譯碼電路本身包括驅(qū)動(dòng)電路。 LED 數(shù)碼管編碼方式 當(dāng) LED 數(shù)碼管與單片機(jī)相連時(shí)，一般將 LED 數(shù)碼管的各筆段引腳 a、 b、?、g、 dp 按某一順序接到 MCS－ 51 型單片機(jī)某一個(gè)并行 I/O 口 D0、 D?、 D7，當(dāng)該 I/O 口輸出某一特定數(shù)據(jù)時(shí)，就能使 LED 數(shù)碼管顯示出某個(gè)字符?？梢?jiàn) PT100在常溫 0～ 100 攝氏度之間變化時(shí)線性度非常好，其阻值表達(dá)式可近似簡(jiǎn)化為：? ?100 1RtR At? ? ?，當(dāng)溫度變化 1℃， PT100 阻值近似變化 ? 。③ 送要轉(zhuǎn)換的哪一通道的地址到 A， B， C 端口上。 ADC0809 對(duì)輸入模擬量要求：信號(hào)單極性，電壓范圍是 0－ 5V，若信號(hào)太小，必須進(jìn)行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過(guò)程中應(yīng)該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。 3． VCC： +5V 工作電壓。 7）時(shí)鐘振蕩器： AT89C51 中有一個(gè)用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的反相放大器，引腳 XTAL1 和 XTAL2 分別是該放大器的輸入端和輸出端。 2） ALE/PROG：當(dāng)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低 8位字節(jié)。系 統(tǒng)允許的晶振頻率為 12MHZ。地址范圍為 00H～ FFH（ 256B）。 圖 基于單片機(jī)的閉環(huán)溫度控制系統(tǒng) 此方案采用單片機(jī)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。就一般溫度控制系統(tǒng)中的測(cè)量裝置而言，它對(duì)被控溫度進(jìn)行測(cè)量，并將測(cè)量值與給定值比較，若存在偏差便由調(diào)節(jié)器對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行處理，再輸送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)增加或減少供給被控對(duì)象的熱量，使被控溫度調(diào)節(jié)到整定值。 在實(shí)際的生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，由于系統(tǒng)內(nèi)部和外界的熱交換通常是難以控制的，再加上其他熱源的干擾也是無(wú)法精確計(jì)算的。 在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，發(fā)電廠鍋爐的溫度必須控制在一定范圍之內(nèi)；許多化學(xué)反應(yīng)工藝過(guò)程必須在適當(dāng)溫度下才能正常進(jìn)行；煉油過(guò)程中，原油必須在不同溫度和壓力條件下分餾才能得到汽油、柴油、煤油的產(chǎn)品；沒(méi)有合適的溫度環(huán)境許多電子設(shè)備就不能正常工作，糧倉(cāng)的糧食就會(huì)變質(zhì)霉?fàn)€，酒類(lèi)的品質(zhì)就沒(méi)有保障。 可見(jiàn)溫度的測(cè)量和控制是非常重要的。計(jì)算機(jī)主要是進(jìn)行編程，對(duì)溫度進(jìn)行顯示、報(bào)警和控制等；溫度傳感器是對(duì)大棚內(nèi)溫度進(jìn)行測(cè)量，顯示；單片機(jī)是對(duì)溫度傳感器進(jìn)行編程，去讀溫度傳感器的溫度值，并把溫度值通過(guò)串口通信送入計(jì)算機(jī)；串口通信作用是把單片機(jī)送來(lái)的數(shù)據(jù)送到計(jì)算機(jī)里，起到傳輸作用。所以，經(jīng)過(guò)對(duì) 兩 種方案的比較，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)采用了方案 二 。 5 并行 I/O 口 MCS51 共有 4個(gè) 8 位的 I/O 口（ P0、 P P P3）以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入輸出。在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這轉(zhuǎn)換地址 (低8 位 )和數(shù)據(jù)總線復(fù)用 ,在訪問(wèn)期間激活內(nèi)部上拉電阻。 3） PSEN：程序儲(chǔ)存允許（ PSEN）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀先通信號(hào)，當(dāng)AT89C51 由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次 PSEN 有效，即輸出兩個(gè)脈沖。如需同時(shí)進(jìn)入兩種工作模式，即 PD和 IDL 同 時(shí)為 1，則先激活掉電模式。 10． EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)輸出引腳，開(kāi)始轉(zhuǎn)換時(shí)為低電平，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)為高電平。當(dāng) EOC為高電平時(shí)，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否則，表明正在進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。 PT100 鉑熱電阻的阻值隨著溫度變化而變化，利用這一特點(diǎn)來(lái)采集溫度信號(hào)，再經(jīng)過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并有單片機(jī)系統(tǒng)讀取；單片機(jī)系統(tǒng)把讀取到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行識(shí)別處理，并換算成與溫度對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，最后由顯示器顯示溫度。 LED 數(shù)碼管顯示清晰、成本低廉、配置靈活，與單片機(jī)接口簡(jiǎn)單易行。電路如圖 所示。由 WR XFER 的邏輯組合產(chǎn)生 LE2，當(dāng) LE2為高電平時(shí)， DAC寄存器的輸出隨寄存器的輸入而變化， LE2的負(fù)跳變時(shí)將數(shù)據(jù)鎖存器的內(nèi)容打入 DAC