【文章內(nèi)容簡介】 基于 51單片機(jī)智能溫度控制器系統(tǒng)設(shè)計 第 10 頁 共 44 頁 /WR：用來啟動轉(zhuǎn)換的控制輸入，相當(dāng)于 ADC 的轉(zhuǎn)換開始，當(dāng) /WR 由 HI 變?yōu)?LO 時轉(zhuǎn)換器被清除；當(dāng) /WR 回到 HI 時，轉(zhuǎn)換正式開始。 CLK IN， CLK R：時鐘輸入或接震蕩元件（ R， C），頻率約限制在 100kHz~1460kHz，如果使用 RC 電路則其震蕩頻率為 1/（ ）。 /INTR：中斷請求信號輸出，低電平動作。 VIN（ +） VIN（ ）：差動模擬電壓輸入。輸入單端正電壓時， VIN（ ）接地；而差動輸入時，直接加 VIN（ +） VIN（ ） 。 AGND， DGND：模擬信號以及數(shù)字信號的接地。 VREF：輔助參考電壓。 DB0~DB7： 8 位的數(shù)字輸出。 VCC：電源供應(yīng)以及作為電路的參考電壓。 4． ADC0804 電壓輸入與數(shù)字輸出的關(guān)系如下表： 十六進(jìn)制 二進(jìn)制碼 與滿刻度的比率 相對電壓值 VREF= 伏 高 4 位字節(jié) 低 4位字節(jié) 高 4 位字節(jié)電壓 低 4位字節(jié)電壓 F 1111 15/16 15/256 4． 800 0． 300 E 1110 14/16 14/256 4． 480 0． 280 D 1101 13/16 13/256 4． 160 0． 260 C 1100 12/16 12/256 3． 840 0． 240 B 1011 11/16 11/256 3． 520 0． 220 A 1010 10/16 10/256 3． 200 0． 200 9 1001 9/16 9/256 2． 880 0． 180 8 1000 8/16 8/256 2． 560 0． 160 7 0111 7/16 7/256 2． 240 0． 140 6 0110 6/16 6/256 1． 920 0． 120 5 0101 5/16 5/256 1． 600 0． 100 4 0100 4/16 4/256 1． 280 0． 080 3 0011 3/16 3/256 0， 960 0． 060 2 0010 2/16 2/256 0． 640 0． 040 1 0001 1/16 1/256 0． 320 0． 020 信息工程學(xué)院 基于 51單片機(jī)智能溫度控制器系統(tǒng)設(shè)計 第 11 頁 共 44 頁 0 0000 0 0 （ 五 ）、 LM741 運算放大器 與普通運放功能相同，只是多了調(diào)零功能，使用更精確，性能更優(yōu)。 （六）、 單片機(jī)鍵盤和鍵盤接口 ■ 我們可以把單片機(jī)使用的鍵盤分為獨立式和矩陣式兩種。獨立式實際上就是一組相互獨立的按鍵，這些按鍵可直接與單片機(jī)的 I/O 連接，即每個按鍵獨占一條口線，接口簡單。矩陣式鍵盤也稱為行列式鍵盤，因為鍵的數(shù)目較多，所以鍵按行列組成矩陣。 ■ 從按一個鍵到鍵的功能被執(zhí)行主要應(yīng)包括兩項工作：一是鍵的識別，即在鍵盤中找出被按的是哪個鍵，另一項是功能鍵的實現(xiàn)。第一項工作是使用接口電路實現(xiàn)的，而第二項工作是通過執(zhí)行中斷服務(wù)程序來完成的。 ■ 鍵盤接口處理的核心內(nèi)容是測試有無閉合鍵，對閉合鍵進(jìn)行去抖動處理，求得閉合鍵的 鍵碼。這些操作內(nèi)容通常都是由軟硬件結(jié)合的方法實現(xiàn)的。為了使鍵盤操作更穩(wěn)定可靠，還可以加一些附加功能，例如屏蔽功能；對一個鍵，不管按下多長時間，僅執(zhí)行一次鍵處理子程序等。 ■ 鍵盤接口的控制方式： ，每當(dāng) CPU空閑時執(zhí)行鍵盤掃描程序。 ，每當(dāng)有鍵閉合時才向 CPU 發(fā)出中斷請求，中斷響應(yīng)后執(zhí)行 盤掃描程序。 ，每隔一定時間執(zhí)行一次鍵盤掃描程序，定時可由單片 機(jī)的定時器完成。 ■ 鍵處理子程序： 在計算機(jī)中每一個鍵都對應(yīng)一個處理子程序，得到閉合的鍵的鍵碼后， 可以根據(jù)鍵 瑪，轉(zhuǎn)相應(yīng)的鍵處理子程序，進(jìn)行字符、數(shù)據(jù)的輸入或命令 處理。這樣就可以實現(xiàn)該鍵所設(shè)定的功能了。 （七） 、 LED 顯示器接口 LED 顯示器接口與單片機(jī)接口的顯示主要是 LED 顯示器和 LCD 顯示器兩種， LED（ Light Emiting Diode）是發(fā)光二極管構(gòu)成的，所以在顯示器前面冠以“ LED”。 LED顯示器在單片機(jī)中的應(yīng)用非常普遍。通常所說的 LED 顯示器由７個發(fā)光二極管組成，因此也稱之為七段 LED顯示器，其排列形狀如圖 315 所示。此外，顯示器中還有一個圓點型發(fā)光二極管（在圖中以 dp 表示），用于顯示小數(shù)點 。通過七段發(fā)光二極管亮暗的不同組合，可以顯示多種數(shù)字、字母以及其它符號。 LED 顯示器中的發(fā)光二極管共有兩種連接方法： A．共陽極接法 信息工程學(xué)院 基于 51單片機(jī)智能溫度控制器系統(tǒng)設(shè)計 第 12 頁 共 44 頁 把發(fā)光二信用證管的陽極連在一起構(gòu)成公共陽極。使用時公共陽極接＋５ V，如圖315 中所示。這樣陰極端輸入低電平的段發(fā)光二極管就導(dǎo)通點亮，而輸入高電平的則不點亮。 Ｂ．共陰極接法 反發(fā)光二極管的陰極連在一起構(gòu)成公共陰極，如圖 315 中所示。使用時公共陰極接地，這樣陽極端輸入高電平的段發(fā)光二極管就尋通點亮，而輸入低電平的則不點亮。 圖 315 數(shù)碼管顯示器 使用 LED顯示器時要注意區(qū)分這兩種不同的接法。為了顯示數(shù)字或符號，要為 LED顯示器提供代碼，因為這些代碼是為顯示字形的，因此稱之字形代碼。七段發(fā)光二極管，再加上一個小數(shù)點位，共計八段。因此提供給 LED 顯示器的字形代碼正好一個字節(jié)。各代碼位 的對應(yīng)關(guān)系如下表 3。 表 3 代碼式 Ｄ ７ Ｄ ６ Ｄ ５ Ｄ ４ Ｄ ３ Ｄ ２ Ｄ １ Ｄ ０ 顯示段 dp G f e d c b a LED 顯示器接口比較簡單，使用如圖 316 譯碼驅(qū)動器就可以實現(xiàn) BCD 碼到七位段碼的轉(zhuǎn)換，完成一位 LED顯示器的接口。由于使用了專用的七位段碼的譯碼器／驅(qū)動器，可以把一位十六進(jìn)制數(shù)（４位二進(jìn)制）譯碼為相應(yīng)的字形代碼，并提供足夠的功率去驅(qū)動信息工程學(xué)院 基于 51單片機(jī)智能溫度控制器系統(tǒng)設(shè)計 第 13 頁 共 44 頁 發(fā)光二極管。使用這種接口方法，雖然軟件簡單，僅需使用一條輸出指令就可以進(jìn)行 LED顯示，但使 用硬件卻比較多，而硬件譯碼又缺乏靈活性，所以較少使用。在實際應(yīng)用中使用較為普遍的是以軟件來代替硬件譯碼，這樣只需要一個接口芯片就可以實現(xiàn)多位 LED顯示器顯示。 我們用單片機(jī)芯片 80C51 作接口電路，本次設(shè)計我們用四位 LED顯示器數(shù)碼管采用的共陽極數(shù)碼管驅(qū)動，動態(tài)掃描輸出顯示。 二．實際電路 （一） 、 電路的制作 （ 1） 電路的設(shè)計 由于是對溫度的控制，及想讓溫度始終保持在我們所設(shè)定的范圍內(nèi)我們就要先設(shè)定我們期望的溫度范圍值，這是通過向單片機(jī)輸入指令來實現(xiàn)的，但是我們所設(shè)定的值都是數(shù)字量，而實際的溫度是模擬量，這樣是沒有辦法讓它們進(jìn)行比較的。這樣就必須進(jìn)行數(shù)字和模擬量之間的轉(zhuǎn)換，從而引入了 ADC0804 模數(shù)轉(zhuǎn)換器，在比較完成后單片機(jī)要發(fā)出控制指令通過一電壓量來控制荊閘管的導(dǎo)通角，從而控制溫度的升降。這樣就還需要將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，從而引 人了 DAC0832 數(shù)模轉(zhuǎn)換器，由于溫度傳感器的輸出信號 Ui 與設(shè)定值的差值較小，所以通過運算放大器 MC1741 或 LM741 或 UA741 放大，將溫度的變化量 轉(zhuǎn)換成 0 ~ 10V的電壓變化量，再加到 A/D變換器 ADC0804 的輸入端轉(zhuǎn)變成數(shù)信息工程學(xué)院 基于 51單片機(jī)智能溫度控制器系統(tǒng)設(shè)計 第 14 頁 共 44 頁 字信號傳入單片機(jī)。 我在實際制作電路時考慮到實用性和可行性決定用獨立式鍵盤，用來改變單片機(jī)設(shè)定溫度值的上下限，在我的電路中有三個按鍵，第一個按鍵用來控制溫度的增減，第二個按鍵用來控制上限的溫度。第三個按鍵用來控制下限溫度。這樣制作簡單實用溫度增減的單位是 10℃，及首先確定是要 增加溫度還是降低溫度，按下第一個鍵。然后確定是要改變上限還是下限的溫度，在選擇不同的鍵來實現(xiàn)，每按一下溫度增加或降低10℃，直到達(dá)到要求為止設(shè)定完畢。 （ 2） 自檢子程序設(shè)計 自檢就是系統(tǒng)開始工作前，對系統(tǒng)所有的硬件進(jìn)行檢測，只有當(dāng)所有硬件準(zhǔn)備就緒才能進(jìn)行系統(tǒng)工作。自檢的內(nèi)容有： CPU、鍵盤、顯示、。其工作原理：首先寫 CPU個指令（例mov、 inc、 dptr、 rrc、等）是否正常，如正常跳過檢查，否則繼續(xù)檢查 CPU直到正常；在檢查鍵盤的方法是寫一段鍵盤掃描程序，掃描一次如果沒有鍵按下正常跳過到顯示檢測，否 則繼續(xù)檢查鍵盤直到正常；在檢查顯示的方法是分別點亮 2個數(shù)碼管以 0、 9如正常則自檢完畢。其流程圖如圖 2 所示： （ 3）理論算法 1． PID 控制算法 比例 +積分 +微分調(diào)節(jié)（ Propor tional+Integral+Deviative 即 PID）是工業(yè)控制中常用的調(diào)節(jié)方法，無論是速度、位置等快過程，還是溫度、化工合成等慢過程，都能得到滿意圖 2 開 始 CPU檢測 鍵盤檢測 顯示檢測 電源檢測 開關(guān)信號檢測 輸出信號檢測 指示燈亮 結(jié) 束 信息工程學(xué)院 基于 51單片機(jī)智能溫度控制器系統(tǒng)設(shè)計 第 15 頁 共 44 頁 的控制效果。積分調(diào)節(jié)可以消除靜差，微分調(diào)節(jié)可以改善系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度。比例、積分、微分三者結(jié) 合起來可以消除靜差，微分調(diào)節(jié)可以改善系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度。比例、積分、微分三者結(jié)合起來可以滿足不同的控制要求。 PID調(diào)節(jié)之所以在工業(yè)控制中得到廣泛的應(yīng)用，是因其具有三方面的特點： （ 1）系統(tǒng)設(shè)計簡單，可根據(jù)不同的要求組成比例、積分、微分控制系統(tǒng)，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和靈活性。 （ 2）參數(shù)調(diào)整方便，易于達(dá)到滿意的控制效果。 （ 3）程序設(shè)計簡單，沒有繁瑣的數(shù)字運算，工程上易于實現(xiàn)。 可編程控制器 PID 調(diào)節(jié)器的設(shè)計是以連續(xù)系統(tǒng)的 PID 控制規(guī)律為基礎(chǔ)，然后將其數(shù)字化，寫成離散形式的控制方程 ，根據(jù)離散方程進(jìn)行控制程序設(shè)計。 連續(xù)系統(tǒng) PID 調(diào)節(jié)器的微分方程可表示為： dt tdeTdtteTteKtu dtip )()(1)([)( 0 ??? ? (4— 1) 其中： u(t)： PID 調(diào)節(jié)器的輸出量； Kp：比例系數(shù)； Ti：積分時間常數(shù)； Td：微分時間常數(shù)； e(t)：誤差。 PID 調(diào)節(jié)器的方框圖如圖 4— 1 所示。 如果選擇采樣周期為 Ts，初始時刻為零，將式 4— 1 離散化為： ?????? ????? ??nj SdiSp neneTTjeTTneKnu0 )]1()([)()()( 改寫成： )()()()( 0 neKjeKneKnu dnjiP ???? ?? （ 4— 2） 其中，△ e(n) =e(n)— e(n— 1) e(n)：第 n 次采樣時的偏差值 Kp：比例系數(shù) Ki：積分系數(shù) Ki=Kp*Ts/Ti Kd：微分系數(shù) Kp(1+1 TiS+TDS) R(S) E(S) (LS) V(S) + — 圖 4— 1 PID調(diào)節(jié)器方框圖 信息工程學(xué)院 基于 51單片機(jī)智能溫度控制器系統(tǒng)設(shè)計 第 16 頁 共 44 頁 Kd=Kp*Td/Ts 當(dāng)用可編程控制器實現(xiàn)上述算法時，由于它的周期掃描機(jī)制的限制，每個掃描周期的時間不盡相同，并且在每個周期內(nèi)各回路的處理時間也不盡相同，因而影響到采樣時間間隔 Ts(n)或多或少地不同?？紤]到采樣時間 Ts 對 輸出控制量的影響，故將式 4— 2 的控制算法改為： SdnjiP BneKjeKneKnu ????? ?? )()()()( 0 （ 4— 3） 其中， Bs 為系統(tǒng)偏移量。 2。 PID 控制參數(shù)的確定 （ 1）采樣周期 Ts 的確定 根據(jù)采樣定理亦稱香農(nóng)（ Shanon）定理可知，采樣頻率應(yīng)大于或等于被采樣信號所含最高頻率的兩倍，才能還原出原信號，即： ω s≥ 2ω max 其中：ω s— — 采樣頻率； ω max—— 被采樣信號中最高