【正文】 及加入WTO，我國政府及企業(yè)對此都非常重視，對相關(guān)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。單片機具有集成度高，通用性好，功能強，特別是體積小，重量輕，耗能低，可靠性高，抗干擾能力強和使用方便等獨特優(yōu)點，在數(shù)字、智能化方面有廣泛的用途。關(guān)鍵詞: AT89S52；傳感器；PID調(diào)節(jié)；ADC0809AT89S52；Sensor； PID； ADC0809目 錄第一章 概 述 6 單片機作用 6 溫度控制系統(tǒng)作用與要求 7 7 溫度控制的要求 7第二章 系統(tǒng)原理及電路設(shè)計 8 8 8 溫度的測量電路 9 MCS51單片機 12 MCS51系列單片機引腳 13 鎖存器74LS373簡介 15 15 單片機I/O口的擴展 18155接口電路 1 8255接口電路 1LED電路的設(shè)計 17 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇及連接 19 20 復(fù)位操作原理 復(fù)位電路 21 21 時鐘電路 2時鐘電路 2時鐘信號的產(chǎn)生 22 電磁閥控制電路 23 23調(diào)節(jié)閥的流量特性 23 電源電路設(shè)計 2直流型固態(tài)繼電器 25第三章 數(shù)字PID調(diào)節(jié)器 26 數(shù)字PID控制算法 26 數(shù)字PID調(diào)節(jié)器參數(shù)的選擇 2湊試法確定PID調(diào)節(jié)參數(shù) 2實驗經(jīng)驗法確定PID調(diào)節(jié)參數(shù) 2采樣周期的選擇 30 PID調(diào)節(jié)器及被控過程的數(shù)學(xué)模型 30第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 32 主要程序的框圖和原理圖 32總結(jié) 36致謝 37參考文獻 38附錄 3954第一章 概 述 單片機作用在工業(yè)生產(chǎn)過程中，溫度是最基本的工藝參數(shù)之一，因此對溫度實現(xiàn)自動控制是生產(chǎn)自動化的重要任務(wù)之—。通過操作鍵盤，可在線修改給定值和控制參數(shù)，并進行手動、自動的切換。按熱源劃分有燃料加熱爐、電阻加熱爐、感應(yīng)加熱爐、微波加熱爐等。加熱爐按爐溫分布，爐膛沿長度方向可分為預(yù)熱段、加熱段和均熱段。本系統(tǒng)所使用的加熱爐為燃料加熱爐，加熱爐溫控范圍200～650℃，熱處理爐溫升速率100～150℃/h，加熱爐恒溫時間可調(diào)，且要能顯示當(dāng)前溫度值。系統(tǒng)的原理框圖如圖11所示，其基本控制原理為: ：用鍵盤將溫度的設(shè)定值送入單片機，啟動運行后，通過信號采集電路將溫度信號采集到后，送到A/D 轉(zhuǎn)換電路將信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入單片機系統(tǒng)進行PID 控制運算，將控制量輸出，控制煤氣的濃度，把數(shù)據(jù)反饋給單片機。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(jù)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(chǎn)品的工藝不同，控制溫度的精度也不相同。傳統(tǒng)的控制方式以不能滿足高精度，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，由于他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(shù)大大的提高了控制精度，不但使控制變得簡便，而且使產(chǎn)品的質(zhì)量更好，降低了產(chǎn)品的成本，提高了生產(chǎn)效率。溫度工藝曲線隨產(chǎn)品不同而不同，如圖1—2的工作曲線由三部分組成： （1）等數(shù)升（降）溫度。這時，微機不僅要檢測爐溫，還要對加熱爐進行升（降）溫控制。這一工藝過程是溫度控制的主要工藝過程，它要求控制系統(tǒng)保證爐溫在各種干擾下能穩(wěn)定在允許范圍內(nèi)。來至熱處理器的溫度經(jīng)溫度傳感器將現(xiàn)場信號傳化為電信號，再經(jīng)放大器將信號放大，經(jīng)多路開關(guān)選擇通過，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字量并送入單片機進行控制處理，單片機的控制信號由P0輸出并由8155擴展，使其能滿足14路輸出的控制要求，驅(qū)動電磁閥開關(guān)，實現(xiàn)溫度的控制。在微機溫度控制系統(tǒng)中，溫度的檢測不僅要完成溫度到模擬電壓量的轉(zhuǎn)換，還要將電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)值量送計算機。圖2—1 溫度數(shù)字檢測的一般結(jié)構(gòu)溫度傳感器將各測溫點的溫度變換為模擬電壓，其值一般為mV級，需要放大為滿足模/數(shù)轉(zhuǎn)換要求的電壓值。溫度傳感器種類繁多，但在微機溫度控制系統(tǒng)中使用得傳感器，必須是能夠?qū)⒎请娏孔儞Q成電量得傳感器，目前常用得有熱電偶傳感器、熱電阻傳感器和半導(dǎo)體集成溫度傳感器。熱電偶是由兩種不同材料得導(dǎo)體A和B連接在一起構(gòu)成得感溫元件，如圖2－2所示。熱電偶就是利用這個原理測量 溫度的。日本工業(yè)界根據(jù)熱電偶電極線徑和對應(yīng)的溫度范圍將熱電偶分為7類，即K、E、J、T、B、R、S幾種工業(yè)標準。根據(jù)本次畢業(yè)設(shè)計的實際測量溫度的情況，我們選擇熱電偶作為本次設(shè)計的溫度測量設(shè)備。每度只有幾十微伏，這個熱電動勢在整個要測的范圍內(nèi)一般是非線性的。這類的放大器常用的有測量放大器、可編程序放大器和隔離放大器。測量放大器的特點運算放大器對微弱信號的放大，僅適用于信號回路不受干擾的情況，然而，傳感器的工作環(huán)境往往比較惡劣；兩個輸出端上經(jīng)常產(chǎn)生較大的干擾信號，有時是完全相同的，完全相同的干擾信號稱為共模干擾，雖然運算放大器對直接輸入到差動端的共模信號有較強的抑止能力，但對簡單的反相輸入或同相輸入接法，由于電路結(jié)構(gòu)的不對稱，抵御共模干擾的能力很差，故不能用在精密測量場合，因此，需要引入另一種形式的放大器，即測量放大器，又稱儀用放大器、數(shù)據(jù)放大器，他廣泛用于傳感器的信號放大，特別是微弱信號及具有較大共模干擾的場合。測量放大器的組成 測量放大器的基本電路如圖23所示。實用測量放大器目前，國內(nèi)外已有不少廠家生產(chǎn)了許多型號的單片機測量放大器芯片。國內(nèi)749廠生產(chǎn)的有ZF60ZF60ZF60ZF606等。采用單片機測量放大器芯片顯然具有性能優(yōu)異、體積小、電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)點。AD521 AD521的管腳功能與基本接法如圖2—4所示圖2—4 AD521的管腳功能與基本接法(a) 管腳功能 (b) 基本接法管腳OFFSET(4，6)用來調(diào)節(jié)放大器零點，調(diào)節(jié)方法是將該端子接到10電位器的兩固定端，滑動端接負電源端。圖2—4中給出了信號處理電路中與傳感器不同的耦合方式下的接地方法。設(shè)計這樣的放大器是不太困難的，但是在設(shè)計電路時，還必須小心的選用有關(guān)元器件。圖2—5 K型熱電偶的放大電路和元件圖2－5是K型熱電偶的放大電路和元件。假設(shè)該電路實現(xiàn)0～800℃所對應(yīng)電勢的放大，根據(jù)表2－2所示的K型熱電偶的溫差電勢，在0℃時，溫差電勢0V，800℃。該增益只要調(diào)整RG就能達到，所以元件參數(shù)選為：RG=15KΩ。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。單片機是微型計算機的一個重要分支，特別適合用于智能控制系統(tǒng)。AT89S52是MCS－51系列單片機的一種型號，在MCS－51系列單片機中還有80580380C31等。SP是堆棧指針寄存器，PC是程序計數(shù)器，PSW是程序狀態(tài)字寄存器，DPTR是數(shù)據(jù)指針寄存器。一般微處理器（如Z80）只包括運算器和控制器兩部分。各部分的功能簡述如下。a) 運算器：包括一個可進行8位算術(shù)運算和邏輯運算的單元ALU，8位的暫存器暫存器2，8位的累加器ACC，寄存器B和程序狀態(tài)寄存器PSW等。能做加減、乘、除、加減BCD數(shù)十進制調(diào)整及比較等算術(shù)運算和與、或、異或、求補及循環(huán)移位等邏輯操作。除此之外，ACC在8051內(nèi)部經(jīng)常作為數(shù)據(jù)傳送的中轉(zhuǎn)站。PSW：程序狀態(tài)字寄存器，8位，用于指示指令執(zhí)行后的狀態(tài)信息，相當(dāng)于一般微處理器的標志寄存器。B：8位寄存器，在乘、除運算時，B寄存器用來存放一個操作數(shù)，也用來存放運算后的一部分結(jié)果；若不做乘、除運算時，則可作為通用寄存器使用。② 存儲器8051片內(nèi)有ROM（程序存儲器，只能讀）和RAM（數(shù)據(jù)存儲器，可讀可寫）兩類，它們有各自獨立的存儲地址空間，與一般微機的存儲器配置方式很不相同。它們都是雙向端口，每個端口各有8條I/O線，均可輸入/輸出。 MCS51系列單片機引腳MCS—51系列單片機芯片均為40個引腳，HMOS工藝制造的芯片采用雙列直插方式封裝，其引腳示意及功能分類。這40腳大致可分為：電源（VCC、VSS、VDD、VPD），時鐘（XTALXTAL2），I/O（P0—P3），地址總線（P0、P2），數(shù)據(jù)總線（BUS）和控制總線（ALE、RST、）6大部分。Vss（20腳）：接+5V電源地端。在使用外部振蕩源時，此端必須接地。在使用外部振蕩源時，此端用于輸入外部振蕩信號。當(dāng)訪問外部程序器時，ALE(地址鎖存)的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。如果單片機是EPROM，在編程其間， 將用于輸入編程脈沖。每個口都包含一個鎖存器，即專用寄存器P0P3，一個輸出驅(qū)動器和輸入緩沖器。在訪問片外擴展存儲器時，低8位地址和數(shù)據(jù)由P0口分時傳送，高8位地址由P2口傳送。P0口：可作為一般的I/O口用，但應(yīng)用系統(tǒng)采用外部總線結(jié)構(gòu)時，它分時作低8位地址和8位雙向數(shù)據(jù)總線用。P2口：可作為一般I/O口用，但應(yīng)用系統(tǒng)采用外部系統(tǒng)采用總線結(jié)構(gòu)時，它分時作為高8位地址線。作為第一功能使用時同P1口，每一位均可獨立作為I/O口。如表26示。該引腳為單片機的上電復(fù)位或掉電保護端。當(dāng)Vcc發(fā)生故障，降低到低電平規(guī)定值或掉電時，該引腳上可接備用電源Vpd（+5V）為內(nèi)部RAM供電，以保證RAM中的數(shù)據(jù)不丟失。ALE在每個機器周期內(nèi)輸出兩個脈沖。 PSEN（29腳）：片外程序存儲器選通信號輸出端，低電平有效。在訪問片外數(shù)據(jù)存儲器期間，該信號將不出現(xiàn)。該引腳有效（低電平）時，只選用片外程序存儲器，否則單片機上電或復(fù)位后選用片內(nèi)程序存儲器。5．單片機外總線結(jié)構(gòu)微型計算機大多數(shù)CPU外部都有單獨的地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線，而MCS—51單片機由于受到芯片管腳的限制，數(shù)據(jù)線和地址線（低8位）是復(fù)用的，而且是I/O口兼用。單片機系統(tǒng)擴展的方法有并行擴展法和串行擴展法兩種。但是，一般串行接口器件速度慢，在需要高速應(yīng)用的場合，還是并行擴展法占主導(dǎo)地位。由于是16位地址線，因此，可使外部存儲器的尋址范圍達到64KB。1Q～8Q為8個輸出端。OE為輸出允許端。當(dāng)OE＝1時,三態(tài)門關(guān)閉,輸出呈高阻。其中輸入端１Ｄ～８Ｄ接至單片機的Ｐ０口，輸出端１Ｑ～８Ｑ提供的是地址的低８位，Ｇ端接至單片機的地址鎖存器信號ＡＬＥ?？偩€驅(qū)動器74LS244經(jīng)常用作三態(tài)數(shù)據(jù)緩沖器，74LS244為單向三態(tài)數(shù)據(jù)緩沖器，而74LS244為雙向三態(tài)數(shù)據(jù)緩沖器。在控制端G有效時（G為低電平），由DIR端控制驅(qū)動方向；DIR為“1”時方向從左到右（輸出允許），DIR為“0”時方向從右到左（輸入允許）。此處采用74LS244純粹是為了增加驅(qū)動能力而不加任何控制。MCS51和8155相連不僅可為外部設(shè)備提供兩個8位I/O端口（A口和B口）和一個6位（C口），而且也可為CPU提供一個256字節(jié)RAM存儲器和一個14位的定時器/計數(shù)器，所以8155廣泛用于MCS51系統(tǒng)中。P0口輸出的低8位地址不必再另加鎖存器，可直接與8155的AD0AD7相連，既可作低8位地址總線，又可作數(shù)據(jù)總線。高8位地址由及IO/的地址控制線決定，因此在圖中的連接狀態(tài)下，可以確定各個端口的地址：RAM的地址范圍：FC00H~FCFFH命令/狀態(tài)口： FD00H； PA口： FD01H；PB口： FD02H； PC口： FD03H；定時器低8位： FD04H； 定時器高8位：FD05H8155在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中是16位地址數(shù)據(jù)，其高8位由片選線提供，而低8位地址為片內(nèi)地址。AT89S52與8155的連接如圖和鍵盤顯示連接圖如圖26所示。可編程為8位輸入/輸出或雙向寄存器?？删幊虨?位輸入/輸出寄存器，但不能雙向輸入/輸出。C口可分作兩個4位口使用。(2)讀/寫控制邏輯讀/寫控制邏輯的功能用于管理所有的數(shù)據(jù)、控制字或狀態(tài)字的傳送。RD：讀選通信號端，低電平有效WR：寫選通信號端，低電平有效RESET：復(fù)位信號端，高電平有效。每組控制電路從讀、寫控制邏輯接收各種命令，從內(nèi)部數(shù)據(jù)總線接收控制字（指令），并發(fā)出適當(dāng)?shù)拿畹较鄳?yīng)的端口。B組控制電路控制B口及C口的低４位。、LED電路的設(shè)計一、LED數(shù)碼顯示器的接口電路實際使用的LED數(shù)碼顯示器位數(shù)較多,為了簡化線路、降低成本，大多采用以軟件為主的接口方法。這樣雖然在任一時刻只有1位顯示器被點亮，但是由于人眼具有視覺殘留效應(yīng)，看起來與全部顯示器持續(xù)點亮的效果基本一樣（在亮度上要有差別）。因此對于多位LED數(shù)碼顯示器的接口電路來說，需要有兩個輸出口，其中一個用于輸出顯示段碼；另一個用于輸出位控信號，“位控”實際上就是對LED顯示器的公共端進行控制，位控信號的數(shù)目與顯示器的位數(shù)相同?？紤]到LED顯示器的段電流為8mA左右，不能用8155的A口直接驅(qū)動，因此要加1級電流驅(qū)動。反相電流驅(qū)動器經(jīng)常使用7406；同相電流驅(qū)動器則采用7407或74LS244。把發(fā)光二極管的陽極連在一起構(gòu)成公共陽極。陰極端輸入電平的段發(fā)光二極管導(dǎo)通點亮，輸入高電平的則不亮。把發(fā)光二極管的陰極連接在一起構(gòu)成公共陰極。二、鍵盤接口電路對于8751或8051型單片機來說，如果不再外擴程序存儲器的話，則可以利用P0～P3口中的口構(gòu)成多打4*8的鍵盤，其中1個作為輸出口，1個作為輸入口，既可以采用掃描法，也可以采用線反轉(zhuǎn)法。在本次的畢業(yè)設(shè)計中我們的顯示與鍵盤的設(shè)計如圖2—7其中顯示器8個 。ADC0809 可處理8 路模擬量輸入， 且有三態(tài)輸出能力， 既可與各種微處理器相連， 也可單獨工作。8 路8 位A／D 轉(zhuǎn)換器， 即分辨率8 位。轉(zhuǎn)換時間為100μs， 單個＋5V 電源供電，