【正文】 程序流程如圖42。圖42 增量型PID運(yùn)算程序流程圖5 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件功能分析對(duì)于單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)好了硬件，只是完成了一半工作，沒有軟件，硬件是沒有意義的。因此必須設(shè)計(jì)出相關(guān)的程序，通過應(yīng)用程序把器件與器件之間、器件與人之間建立起溝通和相關(guān)聯(lián)系，才能發(fā)揮系統(tǒng)應(yīng)有的作用。恒溫箱在上電復(fù)位后，處于停止加熱狀態(tài)，此時(shí)通過按鍵來設(shè)定預(yù)置溫度和定時(shí)時(shí)間。初始溫度和定時(shí)時(shí)間設(shè)定好后，開始加熱，并實(shí)時(shí)的檢測(cè)恒溫箱的溫度，通過PID控制算法計(jì)算出加熱時(shí)間，從而控制晶閘管的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，以達(dá)到控制溫度的目的。當(dāng)恒溫箱的溫度達(dá)到初始溫度后，在單片機(jī)的控制下處于恒溫，知道定時(shí)時(shí)間到，蜂鳴器提示，停止加熱。根據(jù)上面對(duì)系統(tǒng)的分析，可實(shí)現(xiàn)下面幾個(gè)功能：A. 系統(tǒng)初始化：對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化；B. 設(shè)定溫度控制值和定時(shí)時(shí)間，控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)入相應(yīng)的加熱或恒溫階段；C. 檢測(cè)恒溫箱溫度經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，輸入單片機(jī)進(jìn)行處理；D. 進(jìn)行PID運(yùn)算，按照運(yùn)算結(jié)果，驅(qū)動(dòng)加熱器加熱，以調(diào)節(jié)溫度；E. 實(shí)現(xiàn)定時(shí)功能，定時(shí)時(shí)間到，蜂鳴器蜂鳴提示。 主程序的設(shè)計(jì) 主程序主要進(jìn)行初始化，分配內(nèi)存單元及設(shè)置定時(shí)器參數(shù)，以便為系統(tǒng)正常工作創(chuàng)造條件。由于本系統(tǒng)采樣數(shù)據(jù)為12位（雙字節(jié)），加上一些給定值，如溫度上限報(bào)警值，所以內(nèi)存單元比較多，故本系統(tǒng)將同時(shí)使用內(nèi)部RAM及外部RAM。主程序流程如圖51所示，本系統(tǒng)的采樣周期為5s，采用兩個(gè)定時(shí)器串聯(lián)的方法，即設(shè)T0為定時(shí)方式，設(shè)T1為計(jì)數(shù)方式。設(shè)T0為定時(shí)方式1，定時(shí)的時(shí)間間隔為100ms，時(shí)鐘頻率選6MHz。代入公式，可得出T0應(yīng)裝入的時(shí)間常數(shù)X=3CB0H，可分別裝TH0和TL0。設(shè)T1為計(jì)數(shù)方式2，計(jì)數(shù)值為50。 圖51 主程序流程圖當(dāng)按下了啟動(dòng)/停止鍵后，系統(tǒng)進(jìn)入加熱狀態(tài)，每次的循環(huán)，系統(tǒng)除了執(zhí)行鍵掃描、顯示程序外，還會(huì)執(zhí)行溫度采集、溫度控制以及定時(shí)程序。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)采集到的實(shí)際溫度值，再與設(shè)定溫度值，上次偏差值一起進(jìn)行PID計(jì)算，計(jì)算出加熱時(shí)間，通過加熱時(shí)間的大小來控制繼電器的通斷。定時(shí)程序則會(huì)計(jì)算出剩余的定時(shí)時(shí)間，并在定時(shí)時(shí)間到時(shí)，通知系統(tǒng)發(fā)出蜂鳴聲。若是在加熱狀態(tài)下，按下了啟動(dòng)/停止鍵，系統(tǒng)將進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)，程序跳到系統(tǒng)初始化處，重新初始化，同時(shí)蜂鳴、加熱都會(huì)停止，重新回到設(shè)定狀態(tài)。 子程序的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)初始化模塊的設(shè)計(jì)單片機(jī)在運(yùn)行之前要對(duì)其進(jìn)行端口配置，工作模式的選擇，以及定時(shí)器、中斷等的設(shè)置，就是對(duì)其初始化，同時(shí)初始化程序也要對(duì)系統(tǒng)中的一些全局變量進(jìn)行初始化，以便系統(tǒng)重新初始化時(shí)，變量變回初始值。系統(tǒng)初始化程序流程圖如圖52所示。圖52 系統(tǒng)初始化程序流程圖 顯示模塊的設(shè)計(jì)顯示方式為動(dòng)態(tài)顯示，動(dòng)態(tài)顯示是一位一位地輪流點(diǎn)亮各位數(shù)碼管，這種逐位點(diǎn)亮的方式稱為位掃描。動(dòng)態(tài)方式顯示時(shí)各數(shù)碼管分時(shí)輪流選通，要使其穩(wěn)定顯示必須采用動(dòng)態(tài)掃描方式，即在每一時(shí)刻只選通一位數(shù)碼管，并送出相應(yīng)的段碼，在另一時(shí)刻選通另外一位數(shù)碼管，并送出相應(yīng)的碼段。雖然這些字符是在不同的時(shí)刻分別顯示，但是由于人眼存在視覺暫留效應(yīng)，只要每位顯示間隔足夠短就可以給人以數(shù)碼管同時(shí)顯示的感覺。數(shù)碼管為共陽極接法，顯示數(shù)據(jù)的字型碼如表51所示。表51 共陽極接法字型表顯示數(shù)字hgfedcba端口輸出0110000000XC01111110010XF92101001000XA43101100000XB04100110010X995100100100X926100000100X827111110000XF88100000000X809100100000X90在程序中要顯示數(shù)字0～9，只要從表中查出對(duì)應(yīng)的端口輸出數(shù)據(jù)，再把該數(shù)字送到P1口輸出就顯示了。顯示模塊功能由函數(shù)DisplayLed( )實(shí)現(xiàn)，、分別對(duì)應(yīng)著數(shù)碼管的DS1，DS2，DS3，DS4，每個(gè)時(shí)刻指令某一位為0，在顯示完后要對(duì)該位進(jìn)行復(fù)位。其顯示程序流程圖如圖53。圖53顯示程序流程圖由于數(shù)碼管的數(shù)據(jù)位同時(shí)接到P2口，所以選通某一個(gè)數(shù)碼管后一定要禁止顯示。在選通下一位數(shù)碼管時(shí)P2口上的電平發(fā)生變化，如果不禁止上一位則發(fā)生兩位同時(shí)顯示當(dāng)前P2端口數(shù)據(jù)的情況。在選通一個(gè)數(shù)碼管，并把數(shù)據(jù)送給P2口后，要經(jīng)過一段時(shí)間延時(shí)后，才能禁止其顯示。因?yàn)?，人眼睛視神?jīng)的反應(yīng)速度是有限的，如果不加延時(shí)，人眼可能還沒感知到數(shù)碼管顯示就已經(jīng)關(guān)掉了。一般在使用Pt100采集方案中，都會(huì)對(duì)放大器采集來的模擬信號(hào)AV進(jìn)行溫度采集，即進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。單片機(jī)讀取ADC0809轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)可以有中斷和查詢兩種方式，ADC0809開始轉(zhuǎn)換后EOC引腳為低電平，當(dāng)EOC重新變成高電平時(shí)表示轉(zhuǎn)換結(jié)束，此時(shí)可以申請(qǐng)中斷或者由程序查詢?cè)撐徊⒆x取結(jié)果。溫度采集包括三方面內(nèi)容： A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波和A/D值向?qū)嶋H溫度值的轉(zhuǎn)換。其溫度采集程序流程圖如圖54所示。圖54溫度采集程序流程圖A. A/D轉(zhuǎn)換每隔1s執(zhí)行一次溫度采樣操作，每次采樣執(zhí)行10次A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)，通過查詢EOC引腳電平變化，來判斷轉(zhuǎn)換是否結(jié)束，轉(zhuǎn)換完成，將結(jié)果讀出，并將轉(zhuǎn)換后的A/D值存入數(shù)組。B. 數(shù)字濾波由于干擾和實(shí)際噪聲的存在，在采樣過程當(dāng)中會(huì)出現(xiàn)采樣信號(hào)與實(shí)際信號(hào)存在偏差的現(xiàn)象，甚至?xí)霈F(xiàn)信號(hào)的高低波動(dòng)，為了減小這方面原因造成的測(cè)量誤差，在實(shí)際采樣時(shí)采樣10個(gè)點(diǎn)，然后再除去其中偏差較大的兩個(gè)點(diǎn)，即一個(gè)最大值和一個(gè)最小值，再對(duì)剩余的8個(gè)點(diǎn)取平均值，即實(shí)現(xiàn)了數(shù)字濾波，這樣得到的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果比較接近實(shí)際值。C. A/D值向?qū)嶋H溫度值轉(zhuǎn)換在對(duì)采樣值進(jìn)行濾波操作之后，還要將A/D值轉(zhuǎn)換為實(shí)際溫度，常用的兩種方法為查表法和公式法：查表法比較麻煩，而且精度也不高，適應(yīng)于線性化較差的NTC傳感器。公式法比較簡(jiǎn)單，只需要確定比例系數(shù)K和基準(zhǔn)偏差B即可，適合于線性化較好的傳感器，溫度的C語言實(shí)現(xiàn)過程為：fT = ADC_data * K － B，利用這個(gè)公式換算成溫度值。Pt100在0～100℃內(nèi)幾乎是線性的，但是本系統(tǒng)的測(cè)溫范圍最高為250℃，且又由于ADC0809轉(zhuǎn)換精度的原因，電阻的非線性造成的誤差超出了要求，所以公式法無法實(shí)現(xiàn)A/D值到溫度值的轉(zhuǎn)換，本設(shè)計(jì)采用的是查表法。鍵盤與單片機(jī)的接口有查詢方式和中斷方式，查詢方式比較簡(jiǎn)單、可靠性比較高，但是效率低；而中斷方式則效率比較高、系統(tǒng)資源占用較少、同時(shí)可以保證實(shí)時(shí)性的要求。本軟件由于按鍵較少，在效率上和系統(tǒng)資源占用上與中斷方式差別不大，所以采用查詢方式比較簡(jiǎn)單。有鍵按下時(shí)，P3相應(yīng)口的電平會(huì)被拉低，只要程序循環(huán)得讀P3口的電平，就可以判斷哪個(gè)鍵被按下。由于按鍵抖動(dòng)現(xiàn)象的存在，按鍵一次按下或釋放會(huì)被錯(cuò)誤的認(rèn)為是多次操作，這顯然是不允許的，為了消除這種情況，程序采用軟件去抖動(dòng)，即在每次檢測(cè)到有按鍵按下時(shí)，執(zhí)行一個(gè)10ms左右的延時(shí)程序后，再執(zhí)行鍵按下后的操作。鍵掃描模塊流程圖如圖55所示。復(fù)位或停止后，系統(tǒng)處于設(shè)定狀態(tài)，其功能是監(jiān)測(cè)鍵盤輸入，接收溫度設(shè)定，定時(shí)和啟動(dòng)鍵等。每一個(gè)鍵都具有第二功能，根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)，按鍵實(shí)現(xiàn)不同的功能。復(fù)位或停止后，時(shí)間/溫度選擇鍵處于時(shí)間設(shè)定狀態(tài)，此時(shí)按下+1/+min鍵或+10/+h是設(shè)置時(shí)間，若按下時(shí)間/溫度選擇鍵，系統(tǒng)將工作于溫度設(shè)定狀態(tài)，此時(shí)再按下+1/+min或+10/+h則是設(shè)置溫度。設(shè)定溫度或時(shí)間時(shí)，程序會(huì)根據(jù)情況，使溫度和時(shí)間設(shè)定值設(shè)定在要求的范圍之內(nèi)。時(shí)間/溫度選擇鍵還可以在系統(tǒng)加熱狀態(tài)下對(duì)顯示時(shí)間還是顯示溫度進(jìn)行選擇。加熱/停止鍵在每次按下后，會(huì)改變系統(tǒng)狀態(tài)標(biāo)志，主程序會(huì)根據(jù)這個(gè)標(biāo)志使系統(tǒng)工作在相應(yīng)的狀態(tài)下。圖55鍵掃描程序流程圖 溫度控制模塊的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)利用位置式PID算法，將溫度傳感器采樣輸入作為當(dāng)前輸入，然后與設(shè)定值相減得到偏差ek，再對(duì)之進(jìn)行PID運(yùn)算產(chǎn)生輸出結(jié)果fout，再讓fout控制繼電器的通斷時(shí)間，進(jìn)而控制加熱器的平均功率。其溫度控制程序流程圖如圖56所示。首先，定義了一些變量，用于存放PID運(yùn)算所需要的P、I、D系數(shù)，以及溫度設(shè)定值，歷史誤差的累加和等信息。加熱時(shí)間通過PID算法計(jì)算出來后，由定時(shí)器0中斷控制。在溫度控制程序中，計(jì)算出fout后，如果該參數(shù)大于0，則開啟加熱器，每進(jìn)入一次定時(shí)器0中斷，fout參數(shù)減1，直到fout等于0，停止加熱。如果PID算法計(jì)算結(jié)果比較大，說明離設(shè)定溫度相差較大，則加熱時(shí)間比較長(zhǎng)，如果計(jì)算結(jié)果比較小，說明離設(shè)定溫度相差較小，加熱時(shí)間相對(duì)較短。圖56 溫度控制程序流程圖當(dāng)高于設(shè)定溫度時(shí)，將影響恒溫箱的質(zhì)量。因此，將恒溫箱定一個(gè)溫度上限。檢測(cè)到溫度超限，應(yīng)進(jìn)行報(bào)警處理。報(bào)警子程序流程如圖57。 圖57報(bào)警程序流程圖 軟件設(shè)計(jì)小結(jié)在軟件程序的設(shè)計(jì)中，特別是程序，接觸不多，更沒好好去探討，所以一開始讓人摸不著頭腦，陷入了僵持狀態(tài)。主要是自己的專業(yè)知識(shí)面不廣泛，所以設(shè)計(jì)起來很費(fèi)勁。無法從任何地方去著手，真后悔以前沒有把基礎(chǔ)打扎實(shí)，所以在上面花了很多的時(shí)間，只有重頭開始學(xué)起。雖然在這次設(shè)計(jì)中遇到了種種困難和問題，但在老師和同學(xué)的悉心指導(dǎo)下，最終把所有問題都迎刃而解，最終圓滿的完成了設(shè)計(jì)。程序清單參見附錄1。6結(jié)束語本系統(tǒng)針對(duì)以往常用的模擬儀表，測(cè)量精度較低、集成度較低、適應(yīng)性能較差和單路測(cè)溫系統(tǒng)的不足，如分立元件多、體積大、可靠性差且日常維護(hù)量大，以及針對(duì)延時(shí)性和維修量大、維修不方便等缺點(diǎn)，采用P89V51RD2恒溫控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)的硬件簡(jiǎn)單、軟件豐富、調(diào)試、修改方便，可以方便地實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化測(cè)溫和多種功能，可靠性高，測(cè)溫簡(jiǎn)單，可以作為一種先進(jìn)的一路或多路溫度測(cè)量方法來取代以往常用的單路測(cè)溫方法。由于本人理論水平的有限和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的缺乏，在系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行中必然存在一定的缺點(diǎn)和不足，不一定能像預(yù)期般實(shí)現(xiàn)以下指定要求：A. 對(duì)電加熱恒溫箱溫度的檢測(cè)，并按工藝要求控制最高加熱溫度；B. 在恒溫階段，保持持續(xù)的穩(wěn)定；C. 電阻絲加熱后采用恒值控制；D. 顯示檢測(cè)溫度值。相信在今后的學(xué)習(xí)和交流中，通過對(duì)恒溫控制系統(tǒng)的深入了解，必然能有所新的體會(huì)，能對(duì)本系統(tǒng)做進(jìn)一步的改善，使其更加完善。 參考文獻(xiàn)[1] 曹琳琳，[M].長(zhǎng)沙:國防科技大學(xué)出版社，2000[2] 謝宜仁，謝煒，[M].北京:人民郵電出版社，2003[3] 張洪潤(rùn)，[M].北京:清華大學(xué)出版社，1997[4] [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，[5] —51系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，1990[6] 潘新民，[M].北京:高等教育出版社，[7] 、應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)[M].上海:復(fù)旦大學(xué)出版社,1993.[8] [M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1996[9] 樓然苗，[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003[10] [M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003[11] [M].上海:復(fù)旦大學(xué)出版社,1994.[12] [M].重慶:重慶大學(xué)出版社,2003.[13] [M].北京:國防工業(yè)出版社,1988.[14] [M].北京：高等教育出版社,2000.[15] [M].上海:復(fù)旦大學(xué)出版社,1994.[16] [M].北京:人民郵電出版社,2004.[17] [M].北京：清華大學(xué)出版社,2002.[18] (1)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1996. [19] [M].北京:高等教育出版社,2002. [20] 張毅剛,[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,1997. [21] 李華,孫曉民,[M].北京。.[22] [J].煤炭技術(shù)，：3539[23] 沈祖冀，孫海波，[J].河北省科學(xué)院學(xué)報(bào)，：4852 附 錄附錄1系統(tǒng)源程序清單include define ADC0809_Value P0define LED_Display P1sbit ADC0809_EOC=P2^4。sbit ADC0809_ALE=P2^5。sbit ADC0809_START=P2^6。sbit ADC0809_OE=P2^7。sbit LED_0= P2^3。sbit LED_1=P2^2。sbit LED_2= P2^1。sbit LED_3=P2^0。sbit Buz=P3^6。sbit Heater=P3^7。sbit Key_0=P3^0。sbit Key_1=P3^1。static float PValue,IValue,DValue,fout。static unsigned char Temp_Value。static unsigned char Time_SetValue。static unsigned char Count_HourNum。static unsigned char Temp_SetValue。static unsigned char F