【正文】 he temperature control. The hardware principle and software case fig are described. Some important techniques in a design scheme of the hardware and the software of the temperature control by singlechip microputer are introduced. The system mostly takes 89C51 singlechip microputer as core, it is structured by temperature testing circuit, A/D switch circuit, zero passage testing circuit, warning and indication circuit, opticalelectrical isolation and power amplifier circuit and so on.Key Words：Single—Chip Microputer；Temperature sensor；Temperature collecting；Temperature controlling；PID algorithm 目 錄1 前言 1 課題的背景與意義 1 課題的應(yīng)用與展望 2 課題舉例簡(jiǎn)介 22 總體方案 3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 32..2 單片機(jī)溫控模塊 3 具體設(shè)計(jì)考慮 43 硬件設(shè)計(jì) 5 AT89C51單片機(jī)的最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5 電源電路 5 時(shí)鐘電路 5 復(fù)位電路 7 溫度控制電路 7 溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 8 設(shè)計(jì)目標(biāo) 8 設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn) 8 設(shè)計(jì)原理 8 轉(zhuǎn)換電路 8 信號(hào)處理電路 9 主電路 10 光電隔離電路 11 過(guò)零檢測(cè)電路 114 軟件設(shè)計(jì) 12 設(shè)計(jì)步驟 12 系統(tǒng)的程序框圖 12 PID控制算法 14 PID控制作用 14 PID算法的微機(jī)實(shí)現(xiàn) 14 PID算法的程序設(shè)計(jì) 15 內(nèi)存分配 165 結(jié)論 19致謝 20參考文獻(xiàn) 21附錄A源程序清單 22附錄B電路原理圖 32 1 前言 課題的背景與意義在近四十年的時(shí)間里，電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了從電子管、晶體管、中小規(guī)模集成電路到大規(guī)模集成電路這樣四個(gè)階段，尤其是隨著半導(dǎo)體集成技術(shù)的飛躍發(fā)展，七十年代初誕生了一代新型的電子計(jì)算機(jī)——微型計(jì)算機(jī)，使得計(jì)算機(jī)應(yīng)用日益廣泛；而單片微型計(jì)算機(jī)的問(wèn)世，則更進(jìn)一步推動(dòng)了這一發(fā)展趨勢(shì)，使計(jì)算機(jī)應(yīng)用滲透到各行各業(yè)，達(dá)到了前所未有的普及程度。 33基于單片機(jī)爐溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要本文主要從硬件和軟件兩方面介紹了MCS51單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，簡(jiǎn)單說(shuō)明如何實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制，并對(duì)硬件原理圖和程序框圖作了簡(jiǎn)潔的描述。還介紹了在單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)中的一些主要技術(shù)關(guān)鍵環(huán)節(jié),該系統(tǒng)主要以89C51單片機(jī)為核心,由溫度檢測(cè)電路,模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路, 過(guò)零檢測(cè)電路, 報(bào)警與指示電路, 光電隔離與功率放大電路等構(gòu)成。一個(gè)由微電子技術(shù)為先導(dǎo)，計(jì)算機(jī)技術(shù)為標(biāo)志，包括新材料、宇航、生物工程、海洋工程等多種學(xué)科在內(nèi)的新技術(shù)革命正在興起。 課題的應(yīng)用與展望 隨著電子技術(shù)以及應(yīng)用需求的發(fā)展，單片機(jī)技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，在高集成度，高速度，低功耗以及高性能方面取得了很大的進(jìn)展?？偟膩?lái)說(shuō),在智能溫度測(cè)量與控制電器中，單片機(jī)起了智能控制部件作用。隨著智能控制理論與人工智能研究的深入，各種更加逼真地模擬人類智能的溫度測(cè)量與控制電器會(huì)更多的出現(xiàn)，而單片機(jī)和智能理論的結(jié)合，將來(lái)不但更多的改進(jìn)現(xiàn)行智能溫度測(cè)量與控制電器，而且將會(huì)產(chǎn)生全新的智能溫度測(cè)量與控制電器。例如：在冶金工業(yè)、化工生產(chǎn)、電力工程、造紙行業(yè)、機(jī)械制造和食品加工等諸多領(lǐng)域中，人們都需要對(duì)各類加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐中的溫度進(jìn)行檢測(cè)和控制。因此，單片機(jī)對(duì)溫度的控制問(wèn)題是一個(gè)工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì)遇到的問(wèn)題。通過(guò)擴(kuò)展必要的外圍接口電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)烘箱溫度的測(cè)量和控制。在系統(tǒng)中，溫度和時(shí)間的設(shè)置、溫度值及誤差顯示、控制參數(shù)得設(shè)置、運(yùn)行、暫停及復(fù)位等功能由鍵盤(pán)及顯示電路完成。 單片機(jī)溫控模塊 溫度檢測(cè)元件和變送器的選擇和被控溫度及精度等級(jí)有關(guān)。為了提高精度，變送器可以進(jìn)行零點(diǎn)遷移。這樣，采用8位A/。于是，單片機(jī)基本系統(tǒng)應(yīng)為： 89C51+2764+8255+ADC0809+DAC0832+4位LED。其測(cè)溫范圍為55～+150℃，工作電壓4～30V，輸出電流與絕對(duì)溫度成正比，即為1181。執(zhí)行機(jī)構(gòu)可選用ZKZPⅡ型線性電動(dòng)單座調(diào)節(jié)閥，用它來(lái)調(diào)節(jié)通入烘箱的蒸汽流量。 可采用帶死區(qū)的比例積分（PI）控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。這種方法不僅可使參數(shù)調(diào)整方便，而且具有掉電保護(hù)功能。使電動(dòng)閥和單片機(jī)之間不共地。電路可分成三部分：電源變壓器部分、整流濾波部分和穩(wěn)壓部分。圖中D2為整流橋，它由四個(gè)整流二極管接成電橋形式?！?μF。C2和C4用以改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)，消除電路的高頻噪聲，同時(shí)也具有消振作用。而在芯片內(nèi)部，XTAL1和XTAL2之間跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容，從而構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。圖32 時(shí)鐘電路在時(shí)鐘電路中晶振的選擇很關(guān)鍵，MCS51的工作頻率為212MHZ，我們選用的89C51單片機(jī)的工作頻率為12MHZ。我們可以知道具體每條指令的周期數(shù)，這樣我們就可以通過(guò)指令的執(zhí)行條數(shù)來(lái)確定1秒的時(shí)間。這樣，一個(gè)機(jī)器周期由12個(gè)振蕩周期組成。對(duì)于單周期指令，當(dāng)指令操作碼讀人指令寄存器時(shí)，使從S1P2開(kāi)始執(zhí)行指令。若為單字節(jié)指令，則在51期間仍進(jìn)行讀，但所讀入的字節(jié)操作碼被忽略，且程序計(jì)數(shù)據(jù)也不加1。多數(shù)MCS—51指令周期為1—2個(gè)機(jī)器周期，只有乘法和除法指令需要兩個(gè)以上機(jī)器周期的指令，它們需4個(gè)機(jī)器周期。電容值無(wú)嚴(yán)格要求，但電容取值對(duì)振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小、振蕩電路起振速度有少許影響，CC7可在20pF到100pF之間取值，但在20pF到30pF時(shí)振蕩器有較高的頻率穩(wěn)定性。 復(fù)位電路復(fù)位電路的原理是：通電時(shí)，電容兩端相當(dāng)于是短路，于是RST引腳上為高電平，然后電源通過(guò)電阻對(duì)電容充電，RST端電壓慢慢下降，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，達(dá)到低電平，單片機(jī)開(kāi)始正常工作。復(fù)位引腳RST通過(guò)一個(gè)斯密特觸發(fā)器用來(lái)抑制噪聲，在每個(gè)機(jī)器周期的S5P2,斯密特觸發(fā)器的輸出電平由復(fù)位電路采樣一次，然后才能得到內(nèi)部復(fù)位操作所需要的信號(hào)。只要Vcc的上升時(shí)間不超過(guò)1ms,就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上電復(fù)位。除了上電復(fù)位外，有時(shí)還需要按鍵手動(dòng)復(fù)位。按鍵手動(dòng)復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。時(shí)鐘頻率選用12MHZ時(shí)，C5取22uF,R1取200Ω，R3取1KΩ。圖 33 復(fù)位電路 溫度控制電路89C51對(duì)溫度的控制是通過(guò)雙向可控硅實(shí)現(xiàn)的。在給定周期T內(nèi)，89C51只要改變可控硅管的接通時(shí)間即可改變加熱絲的功率，以達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的。在過(guò)零同步脈沖同步后經(jīng)光電耦合管和驅(qū)動(dòng)器輸出送到可控硅的控制極上。當(dāng)實(shí)際溫度值不在該范圍時(shí)，系統(tǒng)能自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度， 以保持設(shè)定的溫度基本不變，達(dá)到自動(dòng)控制的目的。在環(huán)境溫度變化時(shí)，℃。 設(shè)計(jì)原理本設(shè)計(jì)采用89C51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求，因89C51在片內(nèi)含4KB的EEPROM，不需外擴(kuò)展存儲(chǔ)器，可使系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。89C51可直接對(duì)鍵盤(pán)進(jìn)行掃描讀數(shù)，可直接用串/并轉(zhuǎn)換模塊驅(qū)動(dòng)LED顯示溫度值。在串行傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，頻率可達(dá)到1MHz，對(duì)溫度的顯示完全達(dá)到測(cè)控精度要求。由于AD590為電流輸出元件，它的溫度每升高1K，電流就增加1181。當(dāng)AD590的電流通過(guò)一個(gè)10K的電阻時(shí)，這個(gè)電阻上的壓降為10mV即轉(zhuǎn)換成10mV/K，為了使此電阻精確（%），然后通過(guò)調(diào)節(jié)電位器來(lái)獲得精確的10KΩ。而運(yùn)放A2的作用是把絕對(duì)溫標(biāo)轉(zhuǎn)換成攝氏溫標(biāo)，給A2的同相輸入端輸入一個(gè)恒定的電壓（），然后將此電壓放圖34 電流/電壓和絕對(duì)/攝氏溫標(biāo)的轉(zhuǎn)換電路。將AD590放入0℃的冰水混合溶液中，因此A1與A2 兩輸出端之間的電壓：=0℃即對(duì)應(yīng)于0℃。設(shè)計(jì)中電阻元件可參考下列取值：R1=R2=10K、R3=R4=20K、R5=R6=20K、RG=5K、RW=10K；高頻濾波電容可取C=。圖36 溫度檢測(cè)主電路 光電隔離電路這部分電路是單片機(jī)與電阻絲加熱器的接口。圖37 光電隔離及放大電路 過(guò)零檢測(cè)電路過(guò)零檢測(cè)電路在每一個(gè)電源周期開(kāi)始時(shí)產(chǎn)生一個(gè)脈沖，作為觸發(fā)器的同步信號(hào), 計(jì)數(shù)器T0對(duì)其進(jìn)行計(jì)數(shù)。220V交流電壓經(jīng)電阻限流后直接加到2個(gè)反相并聯(lián)的光電偶器的輸入端。該脈沖信號(hào)經(jīng)非門(mén)整形后作為單片機(jī)的中斷請(qǐng)求信號(hào)和可控硅的過(guò)零同步信號(hào)。主程序的功能是完成系統(tǒng)初始化及溫度和設(shè)定參數(shù)的顯示，由于只有4位LED，而溫度BCD碼設(shè)定值正常工作時(shí)應(yīng)在85左右，不可能太小，故可以用它設(shè)定為小值時(shí)來(lái)選擇顯示參數(shù)；T0通道可定時(shí)100ms，其中，定時(shí)1s完成數(shù)據(jù)的采集、報(bào)警和顯示處理，定時(shí)Tc秒完成控制算法的運(yùn)算和控制輸出。 設(shè)計(jì)步驟 系統(tǒng)的程序框圖如圖51所示，為主程序框圖，為T(mén)0通道中斷服務(wù)程序框圖。89C51利用等待T1溢出中斷空隙時(shí)間完成把本次采樣值轉(zhuǎn)換成顯示值而放入顯示緩沖區(qū)和調(diào)用溫度顯示程序。主電路圖參考附錄B。 PID控制作用PID是比例（P）、積分（I）和微分（D）3個(gè)控制作用的組合。顯然，KP越大，控制器的控制作用越強(qiáng)；只要e(t)不為0，積分項(xiàng)會(huì)因積分而使控制器的輸出變化；只要e(t)有變化的趨勢(shì)，控制器就會(huì)在微分作用下，在偏差出現(xiàn)且偏差不大時(shí)提前給輸出一個(gè)較強(qiáng)的控制作用。顯然： （42） （43）于是， KP{e(n)++[e(n)e(n1)]} （44）式中Δt=T，為采樣周期；e(t)為第n次采樣的偏差值；e(n1)為第(n1)次采樣時(shí)的偏差值；n為采樣序列，n=0,1,2,…。 PID算法的程序設(shè)計(jì)在本控制系統(tǒng)中，烘箱溫度與給定值的偏差經(jīng)過(guò)單片機(jī)PI算法運(yùn)算后從DAC0832輸出0～10mA控制電流去控制電動(dòng)閥的開(kāi)度，所以應(yīng)采用式（7）的位置式算法（且KD=0即為PI），即：YPI（n）=Y(n1)+ KP[e(n)e(n1)]+ KI e(n)（48）如果設(shè)KP，KI為純小數(shù)，KP，KI，e(n),e(n1)分別放在8031片內(nèi)RAM的25H，26H,29H,2AH中，PI結(jié)果YPI（n）放在R3R4中，則PI