【文章內(nèi)容簡介】 算法得出控制結(jié)果，送顯示并進(jìn)行控制?？傮w設(shè)計方案見如圖34所示。看門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(gòu)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(gòu)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(shè)定值進(jìn)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(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，芯片內(nèi)有模擬多路轉(zhuǎn)換開關(guān)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(jìn)行轉(zhuǎn)換。模擬多路開關(guān)由8路模擬開關(guān)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(jìn)行鎖存，然后由譯碼電路選通其中的一路，被選中的通道進(jìn)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(luò)、樹狀電子開關(guān)、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(jìn)行溫度的設(shè)定，一個進(jìn)行溫度加，一個進(jìn)行溫度減。每按下一次，溫度就相應(yīng)的加一或減一。按照設(shè)計要求，溫度的設(shè)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(shè)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(dāng)實時溫度高于或低于設(shè)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(dǎo)通時間的長短來控制加熱的強度，以達(dá)到精確控制的效果。當(dāng)溫度在設(shè)定溫度的正負(fù)5度之內(nèi)時，系統(tǒng)進(jìn)行PID運算控制；當(dāng)高于設(shè)定溫度5度時，停止加熱；當(dāng)?shù)陀谠O(shè)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(dāng)綠燈亮?xí)r，表示正在加熱，不亮?xí)r，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(shè)計系統(tǒng)的整體設(shè)計圖如圖311所示。圖311 系統(tǒng)設(shè)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(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，用來實現(xiàn)對信號的檢測、數(shù)據(jù)的采集以及對應(yīng)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(shè)計 Protues7軟件概況PROTUES是一種基于標(biāo)準(zhǔn)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(xué)的教師、致力于單片機開發(fā)應(yīng)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(shè)計，真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)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(dá)，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(shè)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(shè)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(shè)計平臺。 程序流程控制系統(tǒng)的程序主要包括：采樣、標(biāo)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(shè)定及修改。其中控制算法采用數(shù)字PID調(diào)節(jié)，應(yīng)用增量型控制算法，并對積分項進(jìn)行改進(jìn)，以達(dá)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(jìn)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(shè)置對棧指針請標(biāo)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(jìn)行比較，取中間值作為實時溫度的值，用它進(jìn)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(shè)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(yīng)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(jìn)行條件轉(zhuǎn)移，改變設(shè)定值。設(shè)定值的范圍是50150度，當(dāng)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(dāng)中斷到來時，關(guān)閉計數(shù)器，清F0標(biāo)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(guān)計數(shù)器T1清F0標(biāo)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(yīng)PID控制系統(tǒng)仿真在Matalable軟件仿真中設(shè)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(yīng)論域上的語言值為負(fù)大(NB)、負(fù)中(NM)、負(fù)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(gòu)建模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)的仿真模型并且給出了其相應(yīng)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(yīng)PID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖55 模糊自適應(yīng)PID系統(tǒng)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖56 模糊自適應(yīng)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(shè)