【正文】 .................................................... 16 鍵盤電路 ........................................................................................................... 16 ......................................................................................... 17 繪制流程圖 ................................................................................................................... 18 程序設計 ...................................................................................................................... 19 6調試和仿真 .............................................................................................................................. 19 7 結果分析 ................................................................................................................................. 20 8設計心得體會 ........................................................................................................................... 20 致 謝 .................................................................................................................... 22 參考文獻 .................................................................................................................................. 23 附錄 ........................................................................................................................................... 24 蘭州交通大學博文學院畢業(yè)設計 （論文） 1 1 緒論 課題背景及國內外研究概況 溫度控制系統(tǒng)在國內各行各業(yè)的應用雖然已經十分廣泛，但從國內生產的溫度控制器來講，總體發(fā)展水平仍然不高，同日本、美國、德國等先進國家相比，仍然有著較大的差距。隨著我國經濟的發(fā)展及加入 WTO，我國政府及企業(yè)對此都非常重視，對相關企業(yè)資源進行了重組，相繼建立了一些國家、企業(yè)的研發(fā)中心，開展創(chuàng)新性研究，使我國儀表工業(yè)得到了迅速的 發(fā)展。傳統(tǒng)的溫度采集方法不僅費時費力，而且精度差，單片機的出現(xiàn)使得溫度的采集和數(shù)據處理問題能夠得到很好的解決。然而所采用的測溫元件和測量方法也不相同；產品的工藝不同，控制溫度的精度也不相同。傳統(tǒng)的控制方式已不能滿足高精度，高速度的控制要求， 如溫度控制表溫度接觸器，其主要缺點是溫度波動范圍大，由于它主要通過控制接觸器的通斷時間比例來達到改變加熱功率的目的，受儀表本身誤差和交流接觸器的壽命限制，通斷頻率很低。這些控制技術大大的提高了控制精度，不但使控制變得簡便，而且使產品的質量更好，降低了產品的成本，提高了生產效率。 本設計使用單片機作為核心進行控制。本系統(tǒng)使用 AT89C51 單片機，使溫度控制大為簡便。 自動控制（ automatic control）是指在沒有人直接參與的 情況 下，利用外加的設備或裝置，使 機器 、設備或生產過程的某個工作狀態(tài)或參數(shù)自動地按照預定的規(guī)律運行。指的是在沒人參與的情況下，利用控制裝置使被控對象或過程自動地按預定規(guī)律運行。它的發(fā)展初期，是以反饋理論為基礎的自動調節(jié)原理，主要用于工業(yè)控制，二戰(zhàn)期間為了設計和制造飛機及船用自動駕駛儀，火炮定位系統(tǒng)，雷達跟蹤系統(tǒng)以及其他基于反饋原理的軍用設備，進一步促進并完善了自動控制理論的發(fā)展。 自動控制理論的發(fā)展歷程如下： 1． 40 年代 60 年代初 需求動力：市場競爭 ,資源利用，減輕勞動強度，提高產品質量，適應批量生產需要。典型成果和產品： 硬件 數(shù)控系統(tǒng)的 數(shù)控機床 。主要特點：此階段主要以 自動生產線 為標志，其主要特點是：在單機自動化的基礎上，各種組合 機床 、組合生產線出現(xiàn)，同時 軟件 數(shù)控系統(tǒng)出現(xiàn)并用于機床， CAD、 CAM 等軟件開始用于實際工程的設計和制造中，此階段硬件加工設備適合于大中批量的生產和加工。 3． 70 年代中期 至今 需求動力：市場環(huán)境的變化，使多品種、中小批量生產中普遍性問題愈發(fā)嚴重，要求 自動化技術 向其廣度 和深度發(fā)展，使其各相關技術高度綜合，發(fā)揮整體最佳效能。所謂哲理，就是企業(yè)應根據需求來分析并克服現(xiàn)存的 “瓶頸 ”，從而實現(xiàn)不斷提高實力、競爭力的思想策略；而作為實 現(xiàn)集成的相應技術，一般認為是 :數(shù)據獲取 、分配、共享；網絡和通信；車間層設備控制器； 計算機 硬、軟件的規(guī)范、標準等。典型成果和產品： CIMS 工廠， 柔性制造系統(tǒng) (FMS)。主要研究具有高性能，高精度的多變量多參數(shù)的 最優(yōu)控制 問題，主要采用的方法是以狀態(tài)為基礎的狀態(tài)空間法。 為了實現(xiàn)各種復雜的控制任務，首先要將被控制對象和控制裝置按照一定的方式連接起來， 組成一個有機的總體，這就是 自動控制系統(tǒng) 。 在反饋控制系統(tǒng)中，控制裝置對被控裝置施加的控制作用，是取自被控量的反饋信息，用來不斷修正被控量和控制量之間的偏差從而實現(xiàn)對被控量進行控制的任務，這就是反饋控制的原理。工業(yè)生產中的電加熱爐溫度監(jiān)控系統(tǒng)和培養(yǎng)基的溫度監(jiān)控系統(tǒng)都是計算機控制系統(tǒng)的典型應用。 蘭州交通大學博文學院畢業(yè)設計 （論文） 1 要求利用所學過的知識設計一個溫度控制系統(tǒng)，并用軟件仿真。 3 單片機技術和 PID 算法 微型計算機是指由微處理器加上采用大規(guī)模集成電路制成的程序存儲器和數(shù)據存儲器，以及輸入輸出設備相連接的 I/O 接口電路，微型計算機簡稱 MC。 本次設計選用的是 AT89C51，是 MCS51 單片機系列的一種。 它提供以下標準功能： 4k 字節(jié) Flash 閃速存儲器， 128 字節(jié)內部 RAM， 32 個 I/O 口線，兩個 16 位定時 /計數(shù)器，一個 5 向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內振蕩器及時鐘電路。空閑方式停止 CPU 的工作，但允許 RAM，定時 /計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。 其引腳圖如圖 1 所示 蘭州交通大學博文學院畢業(yè)設計 （論文） 1 圖 1 單片機引腳圖 其各引腳的功能如下 VCC：供電電壓。 P0口 ： P0 口為一個 8位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。 P0能夠用于外部程序數(shù)據存儲器，它可以被定義為數(shù)據 /地址的低八位。 P1口 ： P1 口是一個內部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸出4TTL 門電流。在 FLASH 編程和校驗時， P1 口作為低八位地址接收。并因此作為輸入時， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。 P2口當用于外部程序存儲器或 16位地址外部數(shù)據存儲器進行存取時， P2 口輸出地址的高八 位。 P2口在 FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。當 P3 口寫入 “1” 后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。 P3口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表所示： 各管腳備選功能 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） /INT0（外部中斷 0） /INT1（外部中斷 1） T0（記時器 0 外部輸入） T1（記時器 1 外部輸入） /WR（外部數(shù)據存儲器寫選通） /RD（外部數(shù)據存儲器讀選通） P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。當振蕩器復位器件時，要保持 RST 腳兩個機器周期的高電平時間。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。另外，該引腳被略微拉高。 /PSEN：外部程序存儲器的選通信號。但在訪問外部數(shù)據存儲器時，這兩次有效的 /PSEN 信號將不出現(xiàn)。注意加密方式 1時， /EA 將內部鎖定為 RESET；當 /EA 端保持高電平時，此間內部程序存儲器。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。 蘭州交通大學博文學院畢業(yè)設計 （論文） 1 存儲器是組成計算機的三大部件之一，其功能是存儲信息（數(shù)據和程序）。 CPU 在運行時可對 RAM 隨時進行數(shù)據的的寫入和讀出，但在關閉電源時， RAM 中所存的信息也會丟失，所以 RAM 只能用來存放暫時性的輸入 /輸出數(shù)據、運算中的結果等。 而 ROM 是一種寫入數(shù)據后不能改寫只能讀出的存儲器。 ROM 因此也常被稱為程序存儲器。這種交疊不僅反映在存儲器的種類上，而且還體現(xiàn)在存儲器的地址空間上。 MCS51單片機存儲器的地址空間可分為 3 個，在訪問 3個不同的地址空間時采用不同形式的指令： 1．片內片外統(tǒng)一編址的 64K 的程序存儲器地址空間（ 16 位地 址 0000HFFFFH）； 2．片內數(shù)據存儲器與特殊功能存儲器統(tǒng)一編址的 256B 內部數(shù)據存儲器地址空間 （ 8位地址 00H7FH， 80HFFH）； 3． 64KB 片外數(shù)據存儲器地址空間（ 16 位地址 0000HFFFFH）。其一是地址從 00H— 7FH 單元（共 128 個字節(jié)）為用戶數(shù)據 RAM。從圖 2中可清楚地看出它們的結構分布。 PID 算法 算法介紹 PID 調節(jié)是 Proportional（比例）、 Integral（積分）、 Differential（微分）三者的縮寫，是連續(xù)系統(tǒng)中技術最成熟、行之有效、應用最廣泛的一種調節(jié)方式。在實際應用中，根據被控對象的特性和控制要求，可靈活地改變 PID 的結構，取其 中的一部分環(huán)節(jié)構成控制規(guī)律，如比例（ P）調節(jié)、比例積分（ PI）調節(jié)、比例積分微分（ PID）調節(jié)等。 算法的數(shù)字化 PID算法的數(shù)字化，其實質就是將連續(xù)形式的 PID微分方程式轉化為離散形式的 PID差分方程。 控制點目前包含三種比較簡單的 PID控制算法，分別是：增量式算法，位置式算法，微分先行。 實際上，位置式與增量式控制對整個閉環(huán)系統(tǒng)并無本質區(qū)別。 算法的運用 由于計算機控制是一種采樣控制，它只能根據采樣時刻的偏差值來計算控制量。 對溫度的控制算法，采用技術成熟的 PID 算法，對于時間常數(shù)比較大的系統(tǒng)來說，其近似于連續(xù)變化，因此用數(shù)字 PID完全可以得到比較好的控制效果。積分器雖然能消除靜差，但使系統(tǒng)響應速度變慢。我們變換上式 (33)得： ][ 211 iiipiii eDeIeKuuuu ???????? ????? (34) 把△ ei = ei ei1,△ 2 ei=△ ei △ ei1帶人上式（ 34）得： )]2()[( 2111 ??????? ??????? iiiiiipi eeeDeIeeKuu (35) 式中 ei=W— Yi， W為設定值， Yi為第 i次實際輸出值， Kp為比例系數(shù)，積分系數(shù) I=T/Ti，微分系數(shù) D=Td/T， T 為采樣周期，以 (35)式來編程比較方便。 本程序先將用戶設定溫度和鍋爐實際溫度 T比較，計算出偏差 ei，然后分兩種情況進行計算控制變量： 1． ei 大于等于設定的偏差 e 時，由于積分控制器使系統(tǒng)響應速度變慢，不采用積分控制器調節(jié)，直接使用 PD 調節(jié)，獲得比較快的動態(tài)響應，計算 Pd和 Pp，最終得到控制量獲得比較快的動態(tài)響應。 小結 本章對單片機控制技術，以及 PID 控制算法進行了深入分析，著重闡述了單片機結構和指令系統(tǒng)，以及 PID 算法 的使用，為設計提供了硬件基礎與軟件資源，為下一步的設計做好準備。其中單片機用作主控制器，控制其他器件的工作和處理數(shù)據；溫度傳感器用來檢測環(huán)境中的實時溫度，并將檢測值送到單片機中進行數(shù)值對比； LCD 顯示屏用來顯示溫度的數(shù)字值。若檢測值小于設定值，則無任何動作，電加熱爐繼續(xù)導通加熱；若檢測值大于設定值，繼電器動作，電加熱爐斷電停止加熱。這個過程中所設定的溫度值和傳感器檢測到得溫度值都要在 LCD顯示屏上顯示出來，以方便