【文章內(nèi)容簡介】 算法得出控制結(jié)果，送顯示并進行控制?？傮w設計方案見如圖34所示?？撮T狗報警提醒通信接口LED顯示鍵盤微型控制機AT89S51溫度檢測驅(qū)動執(zhí)行機構8路D/A轉(zhuǎn)換器測量變送 8路A/D轉(zhuǎn)換器加熱電阻溫度圖34 系統(tǒng)硬件結(jié)構框圖 功能模塊 單片機控制模塊A/T89C51是整個系統(tǒng)的控制核心，將采集來的數(shù)據(jù)與設定值進行比較，利用PID算法得出結(jié)果并送輸出。整個控制系統(tǒng)的程序就下載到單片機中去。A/T89C51仿真圖如圖35所示。圖35 單片機仿真 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與采集模塊A/D0808AD0808是CMOS的8位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，采用逐次逼近原理進行A/D轉(zhuǎn)換，芯片內(nèi)有模擬多路轉(zhuǎn)換開關和A/D轉(zhuǎn)換兩大部分，可對8路0～5V的輸入模擬電壓信號分時進行轉(zhuǎn)換。模擬多路開關由8路模擬開關和3位地址鎖存譯碼器組成，可選通8路模擬輸入中的任何一路，地址鎖存信號ALE將3位地址信號ADDA、ADDB、ADDC進行鎖存，然后由譯碼電路選通其中的一路，被選中的通道進行A/D轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換部分包括比較器、逐次逼近寄存器（SAR）、256R電阻網(wǎng)絡、樹狀電子開關、控制與時序電路等。另外ADC0809輸出具有TTL三態(tài)鎖存緩沖器，可直接連到CPU數(shù)據(jù)總線上。實時溫度經(jīng)過傳感器的檢測并通過變送器將其轉(zhuǎn)換成模擬的電壓信號，而A/D0808則用來采集電壓信號并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號存儲在單片機中，以便后續(xù)對數(shù)據(jù)的處理。其硬件仿真圖如圖36所示。 圖36 A/D0808仿真圖 按鍵選擇模塊系統(tǒng)采用了兩個按鍵用來進行溫度的設定，一個進行溫度加，一個進行溫度減。每按下一次，溫度就相應的加一或減一。按照設計要求，溫度的設定范圍為50150度，其仿真如圖37所示。圖37 按鍵示意圖 顯示模塊顯示模塊采用兩個7段共陰極數(shù)碼管，一個用來顯示實時溫度，一個用來顯示設定溫度。并用74LS04來驅(qū)動數(shù)碼管。其仿真圖如圖38所示。圖38 顯示示意圖 報警模塊當實時溫度高于或低于設定溫度5度以上時，系統(tǒng)就會報警，報警指示燈紅燈亮。如圖39所示。圖39 報警示意圖 輸出模塊經(jīng)過數(shù)據(jù)的運算，通過導通時間的長短來控制加熱的強度，以達到精確控制的效果。當溫度在設定溫度的正負5度之內(nèi)時，系統(tǒng)進行PID運算控制；當高于設定溫度5度時，停止加熱；當?shù)陀谠O定溫度5度時，全功率加熱。由于仿真軟件自身條件的原因，使用綠色的LED燈代替，當綠燈亮時，表示正在加熱，不亮時，停止加熱。仿真圖如310所示。圖310 加熱示意圖 單片機仿真和元器件清單 系統(tǒng)的整體設計系統(tǒng)的整體設計圖如圖311所示。圖311 系統(tǒng)設計方案圖其中：1．單片機采用的是MCS51系列的89C51，其集成了中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、程序存儲器ROM或EPROM、定時器/計數(shù)器、中斷控制器及串型和并行I/O接口等部件。單片機主要應用于工業(yè)控制領域，用來實現(xiàn)對信號的檢測、數(shù)據(jù)的采集以及對應用對象的控制。它具有體積小、重量輕、價格低、可靠性高、耗電少和靈活機動等許多優(yōu)點。單片機是微型計算機的重要分支，特別適合用于智能控制系統(tǒng)。2．實時的溫度測量由于條件的限制直接用模擬電壓來代替?zhèn)鞲衅骷白兯推?，?808來采樣和轉(zhuǎn)換溫度。 元器件清單系統(tǒng)所需的元器件清單如表312所示。序號部件名稱所屬類數(shù)量1AT89C51Microprocessor ICs12A/D0808Data Converters137SEGMPX4CCOptoelectronics24BUTTONSwitchesamp。Relays35LEDGREENOptoelectronics16LEDREDOptoelectronics1774LS373TTL 74LS series18RESPACK8 Resistors1974LS04 TTL 74LS series810NOTSimulator Primitives111NORSimulator Primitives212POTHGResistors113電容Capacitors214CLOCKSimulator Primitives215CRYSTALMiscellaneous116電阻Resistors117INPUT終端418GROUND終端719VSOURCESimulator Primitives1表312 系統(tǒng)配置清單表第4章 系統(tǒng)軟件設計 Protues7軟件概況PROTUES是一種基于標準仿真殷勤SOICE3F5的混合電路仿真工具，既可仿真模擬電路，又可以仿真數(shù)字電路以及數(shù)字、模擬混合電路，其最大特色在于能夠仿真基于控制器的系統(tǒng)。它是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。雖然目前國內(nèi)推廣剛起步，但已受到單片機愛好者、從事單片機教學的教師、致力于單片機開發(fā)應用的科技工作者的青睞。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設計，真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設計。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設計平臺，其處理器模型支持805HC1PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC3AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即將增加Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯。PROTUES軟件的功能特點介紹如下：1．原理布圖 2．PCB自動或人工布線 3．SPICE電路仿真　 革命性的特點： 1．互動的電路仿真。用戶甚至可以實時采用諸如RAM，ROM，鍵盤，馬達，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。 2．仿真處理器及其外圍電路?？梢苑抡?1系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流單片機。還可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程，再配合顯示及輸出，能看到運行后輸入輸出的效果。配合系統(tǒng)配置的虛擬邏輯分析儀、示波器等，Protues建立了完備的電子設計開發(fā)環(huán)境。同時它還具有4大功能模塊：智能原理圖設計（ISIS），完善的電路仿真功能（Prospice），獨特的單片機協(xié)同仿真功能（VSM），實用的PCB設計平臺。 程序流程控制系統(tǒng)的程序主要包括：采樣、標度變換、控制計算、控制輸出、中斷、顯示、報警、調(diào)節(jié)參數(shù)修改、溫度設定及修改。其中控制算法采用數(shù)字PID調(diào)節(jié)，應用增量型控制算法，并對積分項進行改進，以達到更好的控制效果。根據(jù)課題要實現(xiàn)的功能及要求。各個程序的流程圖如下。 主程序流程圖主程序主要實現(xiàn)了對系統(tǒng)的初始化，并通過調(diào)用子程序?qū)崿F(xiàn)將運算結(jié)果與極限值進行比較，從而確定跳轉(zhuǎn)方向，實現(xiàn)系統(tǒng)的報警功能及運算功能。主程序流程圖如圖41所示。Ui(k)UminT1中斷加熱報警顯示Ui(k)=UmaxUi(k)Umax報警停止加熱Ui(k)=Umin加熱不報警停止加熱不報警設置對棧指針請標志和暫存單元清閑時緩沖區(qū)采樣濾波溫度轉(zhuǎn)換掃描鍵盤NNNNYYYYUi(k)=UmaxUi(k)UmaxUi(k)=UminUi(k)Umin圖41 主程序流程圖 采樣子程序流程圖采樣子程序的是A/D0808將模擬的電壓信號轉(zhuǎn)化成的數(shù)字信號，由于各種干擾會使系統(tǒng)產(chǎn)生誤差，為了減小誤差，所以要采樣三次，將采樣值存在2CH,2DH,2EH中去。采樣子程序流程圖如圖42所示。采樣值始址送R1采樣次數(shù)送R0選同INT1啟動ADC延時A/D完成？NY所有采樣結(jié)束？NY返回圖42 采樣子程序流程圖 濾波子程序流程圖從上邊可以知道為了減小系統(tǒng)誤差采樣了3次，而濾波子程序則是將三次采樣值進行比較，取中間值作為實時溫度的值，用它進行顯示以及后續(xù)的的運算。濾波子程序流程圖如圖43所示。YNNYYYYNYYN(2CH)送A (2CH)≠(2DH)?(2CH)(2DH)?(2CH)和(2DH)互換(2DH)≠(2EH)?(2DH)(2EH)?(2CH)≠(2EH)?(2EH)(2CH)?(2CH)送2AH返回(2EH)送2AH(2EH)送2AH(2DH) 送2AH(2DH) 送2AHN圖43 濾波子程序流程圖 顯示子程序流程圖實時溫度和設定溫度分別存在51H和50H中，顯示子程序?qū)⑦@兩個溫度轉(zhuǎn)換成BCD碼見其存在70H75H中，通過查表的方法將其轉(zhuǎn)換成對應的段碼，最后運用動態(tài)顯示的方法將其顯示出來。顯示子程序流程圖如圖44所示N開始將待顯示數(shù)送顯示緩沖區(qū)送掃描控制字送顯示緩沖區(qū)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為七段碼送顯示緩沖區(qū)斷碼送P1口送顯示緩沖區(qū)調(diào)用延時程序送顯示緩沖區(qū)指向下一地址送顯示緩沖區(qū)送掃描控制字送顯示緩沖區(qū)6位顯示完？掃描控制字左移一位送顯示緩沖區(qū)子程序返回送顯示緩沖區(qū)Y圖44 顯示子程序流程圖 按鍵選擇流程圖通過延時程序判斷按鍵是否按下，從而進行條件轉(zhuǎn)移，改變設定值。設定值的范圍是50150度，當溫度超過這個范圍是時，按鍵將不起作用。NNYYYNNYYA=150調(diào)TRAST131H←B32H←A開始調(diào)延時溫度加1A=150A1←A溫度加按下?溫度加按下?A=150?溫度減按下?溫度減按下?調(diào)延時A←A1A=50?A150?清C返回A1←AA50?清C溫度減1A←50NNNN按鍵選擇流程圖如圖45所示。圖45 按鍵選擇流程圖 PID控制子程序流程圖根據(jù)PID算法公式，PID算法程序運用雙字節(jié)加法程序，雙字節(jié)求補程序，雙字節(jié)無符號乘法程序，雙字節(jié)有符號乘法程序?qū)崿F(xiàn)了PID公式的程序化。PID控制子程序流程圖如圖46所示。根據(jù)E(K)=UrUi(K) 計算E(K)計算Kp[E(K) E(K1)]計算KiE(K)計算Kp[E(K) E(K1)]+ KiE(K)計算Kp[E(K) E(K1)]+ KiE(K)+Kd[E(K) 2E(K1)+ E(K2)]計算P(K)返回開始圖46 PID算法程序流程圖 T1中斷程序流程圖當中斷到來時，關閉計數(shù)器，清F0標志位，返回主程序。T1中斷程序流程圖如圖47所示。中斷到來關計數(shù)器T1清F0標志位中斷返回圖47 T1中斷子程序流程圖第5章 模糊自適應PID控制系統(tǒng)仿真在Matalable軟件仿真中設輸入（e、ec）的論域值均為（6,6），輸出（KP、KI、KD）的模糊論語為（3,3），取相應論域上的語言值為負大(NB)、負中(NM)、負小(N S)、零(ZO)、正小(PS)、正中（PM）和正大（PB），而令所有輸入、輸出變量的隸屬度函數(shù)均為trinf如圖51，圖52所示。圖53為P ID控制的3個參數(shù)的模糊控制規(guī)則圖51 E、EC的模糊論域和隸屬函數(shù)圖52 KP、KI、KD的模糊論域和隸屬函數(shù)圖53 模糊控制規(guī)則然后構建模糊自適應PID控制系統(tǒng)的仿真模型并且給出了其相應部分的子系統(tǒng)的框圖如圖54和圖55，最后的仿真結(jié)果如圖56所示。圖54 模糊自適應PID系統(tǒng)結(jié)構圖圖55 模糊自適應PID系統(tǒng)子系統(tǒng)結(jié)構圖圖56 模糊自適應PID系統(tǒng)仿真結(jié)果總 結(jié)本文主要借助單片機這一載體，設