【正文】 程序流程如圖42。圖42 增量型PID運算程序流程圖5 系統(tǒng)的軟件設(shè)計 系統(tǒng)軟件功能分析對于單片機系統(tǒng)的設(shè)計，設(shè)計好了硬件，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)計出相關(guān)的程序，通過應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)應有的作用。恒溫箱在上電復位后，處于停止加熱狀態(tài)，此時通過按鍵來設(shè)定預置溫度和定時時間。初始溫度和定時時間設(shè)定好后，開始加熱，并實時的檢測恒溫箱的溫度，通過PID控制算法計算出加熱時間，從而控制晶閘管的導通和關(guān)斷時間，以達到控制溫度的目的。當恒溫箱的溫度達到初始溫度后，在單片機的控制下處于恒溫，知道定時時間到，蜂鳴器提示，停止加熱。根據(jù)上面對系統(tǒng)的分析，可實現(xiàn)下面幾個功能：A. 系統(tǒng)初始化：對系統(tǒng)進行初始化；B. 設(shè)定溫度控制值和定時時間，控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)入相應的加熱或恒溫階段；C. 檢測恒溫箱溫度經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，輸入單片機進行處理；D. 進行PID運算，按照運算結(jié)果，驅(qū)動加熱器加熱，以調(diào)節(jié)溫度；E. 實現(xiàn)定時功能，定時時間到，蜂鳴器蜂鳴提示。 主程序的設(shè)計 主程序主要進行初始化，分配內(nèi)存單元及設(shè)置定時器參數(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，如溫度上限報警值，所以內(nèi)存單元比較多，故本系統(tǒng)將同時使用內(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，采用兩個定時器串聯(lián)的方法，即設(shè)T0為定時方式，設(shè)T1為計數(shù)方式。設(shè)T0為定時方式1，定時的時間間隔為100ms，時鐘頻率選6MHz。代入公式，可得出T0應裝入的時間常數(shù)X=3CB0H，可分別裝TH0和TL0。設(shè)T1為計數(shù)方式2，計數(shù)值為50。 圖51 主程序流程圖當按下了啟動/停止鍵后，系統(tǒng)進入加熱狀態(tài)，每次的循環(huán)，系統(tǒng)除了執(zhí)行鍵掃描、顯示程序外，還會執(zhí)行溫度采集、溫度控制以及定時程序。系統(tǒng)會根據(jù)采集到的實際溫度值，再與設(shè)定溫度值，上次偏差值一起進行PID計算，計算出加熱時間，通過加熱時間的大小來控制繼電器的通斷。定時程序則會計算出剩余的定時時間，并在定時時間到時，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/停止鍵，系統(tǒng)將進入停止狀態(tài)，程序跳到系統(tǒng)初始化處，重新初始化，同時蜂鳴、加熱都會停止，重新回到設(shè)定狀態(tài)。 子程序的設(shè)計 系統(tǒng)初始化模塊的設(shè)計單片機在運行之前要對其進行端口配置，工作模式的選擇，以及定時器、中斷等的設(shè)置，就是對其初始化，同時初始化程序也要對系統(tǒng)中的一些全局變量進行初始化，以便系統(tǒng)重新初始化時，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)計顯示方式為動態(tài)顯示，動態(tài)顯示是一位一位地輪流點亮各位數(shù)碼管，這種逐位點亮的方式稱為位掃描。動態(tài)方式顯示時各數(shù)碼管分時輪流選通，要使其穩(wěn)定顯示必須采用動態(tài)掃描方式，即在每一時刻只選通一位數(shù)碼管，并送出相應的段碼，在另一時刻選通另外一位數(shù)碼管，并送出相應的碼段。雖然這些字符是在不同的時刻分別顯示，但是由于人眼存在視覺暫留效應，只要每位顯示間隔足夠短就可以給人以數(shù)碼管同時顯示的感覺。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，只要從表中查出對應的端口輸出數(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( )實現(xiàn)，、分別對應著數(shù)碼管的DS1，DS2，DS3，DS4，每個時刻指令某一位為0，在顯示完后要對該位進行復位。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)位同時接到P2口，所以選通某一個數(shù)碼管后一定要禁止顯示。在選通下一位數(shù)碼管時P2口上的電平發(fā)生變化，如果不禁止上一位則發(fā)生兩位同時顯示當前P2端口數(shù)據(jù)的情況。在選通一個數(shù)碼管，并把數(shù)據(jù)送給P2口后，要經(jīng)過一段時間延時后，才能禁止其顯示。因為，人眼睛視神經(jīng)的反應速度是有限的，如果不加延時，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，都會對放大器采集來的模擬信號AV進行溫度采集，即進行A/D轉(zhuǎn)換。單片機讀取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EOC重新變成高電平時表示轉(zhuǎn)換結(jié)束，此時可以申請中斷或者由程序查詢該位并讀取結(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，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際噪聲的存在，在采樣過程當中會出現(xiàn)采樣信號與實際信號存在偏差的現(xiàn)象，甚至會出現(xiàn)信號的高低波動，為了減小這方面原因造成的測量誤差，在實際采樣時采樣10個點，然后再除去其中偏差較大的兩個點，即一個最大值和一個最小值，再對剩余的8個點取平均值，即實現(xiàn)了數(shù)字濾波，這樣得到的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果比較接近實際值。C. A/D值向?qū)嶋H溫度值轉(zhuǎn)換在對采樣值進行濾波操作之后，還要將A/D值轉(zhuǎn)換為實際溫度，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，適應于線性化較差的NTC傳感器。公式法比較簡單，只需要確定比例系數(shù)K和基準偏差B即可，適合于線性化較好的傳感器，溫度的C語言實現(xiàn)過程為：fT = ADC_data * K － B，利用這個公式換算成溫度值。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，所以公式法無法實現(xiàn)A/D值到溫度值的轉(zhuǎn)換，本設(shè)計采用的是查表法。鍵盤與單片機的接口有查詢方式和中斷方式，查詢方式比較簡單、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、同時可以保證實時性的要求。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單。有鍵按下時，P3相應口的電平會被拉低，只要程序循環(huán)得讀P3口的電平，就可以判斷哪個鍵被按下。由于按鍵抖動現(xiàn)象的存在，按鍵一次按下或釋放會被錯誤的認為是多次操作，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，即在每次檢測到有按鍵按下時，執(zhí)行一個10ms左右的延時程序后，再執(zhí)行鍵按下后的操作。鍵掃描模塊流程圖如圖55所示。復位或停止后，系統(tǒng)處于設(shè)定狀態(tài)，其功能是監(jiān)測鍵盤輸入，接收溫度設(shè)定，定時和啟動鍵等。每一個鍵都具有第二功能，根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)，按鍵實現(xiàn)不同的功能。復位或停止后，時間/溫度選擇鍵處于時間設(shè)定狀態(tài)，此時按下+1/+min鍵或+10/+h是設(shè)置時間，若按下時間/溫度選擇鍵，系統(tǒng)將工作于溫度設(shè)定狀態(tài)，此時再按下+1/+min或+10/+h則是設(shè)置溫度。設(shè)定溫度或時間時，程序會根據(jù)情況，使溫度和時間設(shè)定值設(shè)定在要求的范圍之內(nèi)。時間/溫度選擇鍵還可以在系統(tǒng)加熱狀態(tài)下對顯示時間還是顯示溫度進行選擇。加熱/停止鍵在每次按下后，會改變系統(tǒng)狀態(tài)標志，主程序會根據(jù)這個標志使系統(tǒng)工作在相應的狀態(tài)下。圖55鍵掃描程序流程圖 溫度控制模塊的設(shè)計本設(shè)計利用位置式PID算法，將溫度傳感器采樣輸入作為當前輸入，然后與設(shè)定值相減得到偏差ek，再對之進行PID運算產(chǎn)生輸出結(jié)果fout，再讓fout控制繼電器的通斷時間，進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。加熱時間通過PID算法計算出來后，由定時器0中斷控制。在溫度控制程序中，計算出fout后，如果該參數(shù)大于0，則開啟加熱器，每進入一次定時器0中斷，fout參數(shù)減1，直到fout等于0，停止加熱。如果PID算法計算結(jié)果比較大，說明離設(shè)定溫度相差較大，則加熱時間比較長，如果計算結(jié)果比較小，說明離設(shè)定溫度相差較小，加熱時間相對較短。圖56 溫度控制程序流程圖當高于設(shè)定溫度時，將影響恒溫箱的質(zhì)量。因此，將恒溫箱定一個溫度上限。檢測到溫度超限，應進行報警處理。報警子程序流程如圖57。 圖57報警程序流程圖 軟件設(shè)計小結(jié)在軟件程序的設(shè)計中，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)知識面不廣泛，所以設(shè)計起來很費勁。無法從任何地方去著手，真后悔以前沒有把基礎(chǔ)打扎實，所以在上面花了很多的時間，只有重頭開始學起。雖然在這次設(shè)計中遇到了種種困難和問題，但在老師和同學的悉心指導下，最終把所有問題都迎刃而解，最終圓滿的完成了設(shè)計。程序清單參見附錄1。6結(jié)束語本系統(tǒng)針對以往常用的模擬儀表，測量精度較低、集成度較低、適應性能較差和單路測溫系統(tǒng)的不足，如分立元件多、體積大、可靠性差且日常維護量大，以及針對延時性和維修量大、維修不方便等缺點，采用P89V51RD2恒溫控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)的硬件簡單、軟件豐富、調(diào)試、修改方便，可以方便地實現(xiàn)現(xiàn)代化測溫和多種功能，可靠性高，測溫簡單，可以作為一種先進的一路或多路溫度測量方法來取代以往常用的單路測溫方法。由于本人理論水平的有限和實踐經(jīng)驗的缺乏，在系統(tǒng)的實際運行中必然存在一定的缺點和不足，不一定能像預期般實現(xiàn)以下指定要求：A. 對電加熱恒溫箱溫度的檢測，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. 顯示檢測溫度值。相信在今后的學習和交流中，通過對恒溫控制系統(tǒng)的深入了解，必然能有所新的體會，能對本系統(tǒng)做進一步的改善，使其更加完善。 參考文獻[1] 曹琳琳，[M].長沙:國防科技大學出版社，2000[2] 謝宜仁，謝煒，[M].北京:人民郵電出版社，2003[3] 張洪潤，[M].北京:清華大學出版社，1997[4] [M].北京：機械工業(yè)出版社，[5] —51系列單片機應用系統(tǒng)設(shè)計[M].北京:北京航空航天大學出版社，1990[6] 潘新民，[M].北京:高等教育出版社，[7] 、應用與實驗[M].上海:復旦大學出版社,1993.[8] [M].北京:機械工業(yè)出版社,1996[9] 樓然苗，[M].北京:北京航空航天大學出版社,2003[10] [M].北京:北京航空航天大學出版社,2003[11] [M].上海:復旦大學出版社,1994.[12] [M].重慶:重慶大學出版社,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:復旦大學出版社,1994.[16] [M].北京:人民郵電出版社,2004.[17] [M].北京：清華大學出版社,2002.[18] (1)[M].北京:北京航空航天大學出版社,1996. 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