【正文】 ..........................................195 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) ...........................................................21 PROTUES7軟件概況 .......................................................21 WAVE6000軟件簡介 ......................................................23 軟件概況 ............................................................23 程序界面 ............................................................23 子程序設(shè)定 .............................................................23 程序流程 ...............................................................24 程序仿真調(diào)試 ...........................................................31 WAVE6000仿真調(diào)試 ....................................................311 軟硬連調(diào) ............................................................31 小結(jié) ...................................................................326 課題特點(diǎn) ...............................................................33 單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用 .........................................................33 PID算法的運(yùn)用 .........................................................33 軟件的調(diào)試仿真 .........................................................337 結(jié)論 ...................................................................34參 考 文 獻(xiàn) .................................................................35附 錄 ..................................................................37致 謝 ..........................................................501電加熱爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1 緒論 課題背景及國內(nèi)外研究概況溫度控制系統(tǒng)在國內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用雖然已經(jīng)十分廣泛，但從國內(nèi)生產(chǎn)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(jìn)國家相比，仍然有著較大的差距。隨著我國經(jīng)濟(jì)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(guān)企業(yè)資源進(jìn)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(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且精度差，單片機(jī)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(diǎn)是溫度波動(dòng)范圍大，由于它主要通過控制接觸器的通斷時(shí)間比例來達(dá)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。本設(shè)計(jì)使用單片機(jī)作為核心進(jìn)行控制。本系統(tǒng)使用 AT89C51單片機(jī)，使溫度控制大為簡便。自動(dòng)控制（automatic control）是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置，使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)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(dòng)地按預(yù)定規(guī)律運(yùn)行。它的發(fā)展初期，是以反饋理論為基礎(chǔ)的自動(dòng)調(diào)節(jié)原理，主要用于工業(yè)控制，二戰(zhàn)期間為了設(shè)計(jì)和制造飛機(jī)及船用自動(dòng)駕駛儀，火炮定位系統(tǒng)，雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)以及其他基于反饋原理的軍用設(shè)備，進(jìn)一步促進(jìn)并完善了自動(dòng)控制理論的發(fā)展。自動(dòng)控制理論的發(fā)展歷程如下：1．40 年代60 年代初需求動(dòng)力：市場競爭,資源利用，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高產(chǎn)品質(zhì)量，適應(yīng)批量生產(chǎn)需要。典型成果和產(chǎn)品：硬件數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床。主要特點(diǎn)：此階段主要以自動(dòng)生產(chǎn)線為標(biāo)志，其主要特點(diǎn)是：在單機(jī)自動(dòng)化的基礎(chǔ)上，各種組合機(jī)床、組合生產(chǎn)線出現(xiàn)，同時(shí)軟件數(shù)控系統(tǒng)出現(xiàn)并用于機(jī)床，CAD 、CAM 等軟件開始用于實(shí)際工程的設(shè)計(jì)和制造中，此階段硬件加工設(shè)備適合于大中批量的生產(chǎn)和加工。 3．70 年代中期至今需求動(dòng)力：市場環(huán)境的變化，使多品種、中小批量生產(chǎn)中普遍性問題愈發(fā)嚴(yán)重，要求自動(dòng)化技術(shù)向其廣度和深度發(fā)展，使其各相關(guān)技術(shù)高度綜合，發(fā)揮整體最佳效能。所謂哲理，就是企業(yè)應(yīng)根據(jù)需求來分析并克服現(xiàn)存的“瓶頸” ，從而實(shí)現(xiàn)不斷提高實(shí)力、競爭力的思想策略；而作為實(shí)現(xiàn)集成的相應(yīng)技術(shù)，一般認(rèn)為是:數(shù)據(jù)獲取、分配、共享；網(wǎng)絡(luò)和通信；車間層設(shè)備控制器；計(jì)算機(jī)硬、軟件的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)等。典型成果和產(chǎn)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(chǔ)的狀態(tài)空間法。 為了實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制任務(wù)，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(gè)有機(jī)的總體，這就是自動(dòng)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(shí)現(xiàn)對被控量進(jìn)行控制的任務(wù)，這就是反饋控制的原理。42 總體方案設(shè)計(jì) 總體方案的確定由于溫度控制系統(tǒng)的控制對象具有慣性大，連續(xù)性的特點(diǎn)。一般來說，熱過程大多具有較大的滯后，它對任何信號的響應(yīng)都會推遲一段時(shí)間，使輸出與輸入之間產(chǎn)生相移。這種方法通過比較給定值與被控參數(shù)的偏差來控制輸出的狀態(tài)：開關(guān)或者通斷，因此控制過程十分簡單，也容易實(shí)現(xiàn)。因此，這種控制方案一般在大慣性系統(tǒng)對控制精度和動(dòng)態(tài)特性要求不高的情況下采用。當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，抗干擾能力強(qiáng)，過渡時(shí)間短，但過程始終存在余差。使用時(shí)還應(yīng)注意經(jīng)過一段時(shí)間后需將累積誤差消除。雖然加大比例度可以使穩(wěn)定性提高，但又使過渡時(shí)間加長。4．比例積分加微分控制（PID 控制）比例積分加微分控制的特點(diǎn)是微分的作用使控制器的輸出與偏差變化的速度成正比例,它對克服對象的容量滯后有顯著的效果。因此，PID 控制適用于負(fù)荷變化大、容量滯后較大、5控制品質(zhì)要求又很高的控制系統(tǒng)。但從以上對控制方法的分析來看，PID 控制方法最適合本例采用。因此本系統(tǒng)可以采用 PID 的控制方式，以最大限度地滿足系統(tǒng)對諸如控制精度、調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量等控制品質(zhì)的要求。但隨著計(jì)算機(jī)與超大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，以現(xiàn)代控制理論和計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，采用數(shù)字控制、顯示、A/D 與 D/A 轉(zhuǎn)換，配合執(zhí)行器與控制閥構(gòu)成的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，在過程控制過程中得到越來越廣泛的應(yīng)用。因此，應(yīng)以單片微型計(jì)算機(jī)為核心組成一個(gè)專用計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，以滿足檢測、控制應(yīng)用類型的功能要求。所以，本例采用以單片機(jī)為核心的直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC） 。如果將微處理器、存儲器和輸入/輸出接口電路集成在一塊集成電路芯版上，稱為單片微型計(jì)算機(jī)，簡稱單片機(jī)。其結(jié)構(gòu)體系完整、指令系統(tǒng)功能完善、內(nèi)部寄存器規(guī)范、性能優(yōu)越、技術(shù)成熟、具有高可靠性和高性價(jià)比。同時(shí)，AT89C51 可降至 0Hz 的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式。掉電方式保存 RAM 中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。 GND：接地。當(dāng) P0 口的管腳第一次寫 1 時(shí)，被定義為高阻輸入。在 FIASH 編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH 進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0 輸出原碼，此時(shí) P0 外部必須接上拉電阻。P1 口管腳寫入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1 口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P2 口：P2 口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P2 口緩沖器可接收，輸出 4個(gè) TTL 門電流，當(dāng) P2 口被寫“1” 時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 8P3 口：P3 口管腳是 8 個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個(gè) TTL 門電流。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3 口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故。RST：復(fù)位輸入。 ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)。在平時(shí)，ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時(shí)，將跳過一個(gè) ALE 脈沖。此時(shí)， ALE 只有在執(zhí)行MOVX，MOVC 指令時(shí) ALE 才起作用。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無效。在由外部程序存儲器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN 有效。 /EA/VPP：當(dāng)/EA 保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲器（ 0000HFFFFH） ，不管是否有內(nèi)部程序存儲器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（VPP） 。 9XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。存儲器按其存儲方式可分為兩大類：一類為隨機(jī)存儲器（RAM） ；另一類為數(shù)據(jù)存儲器（ROM） 。RAM 也因此常被稱為數(shù)據(jù)存儲器。在斷電后，ROM 中的信息保留不變，所以 ROM 用來存放固定的程序或數(shù)據(jù)。MCS51 單片機(jī)的存儲器配置比一般的微機(jī)配置復(fù)雜，其具體配置是多種存儲器的交疊。MCS51 單片機(jī)存儲器可分為 5 類：1．片內(nèi)程序存儲器；2．片外程序存儲器；3．片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器；4．特殊功能存儲器；5．片外數(shù)據(jù)存儲器。89C51 內(nèi)部 RAM 共有 256 個(gè)單元，這 256 個(gè)單元共分為兩部分。從 80H—FFH 地址單元（也是 128個(gè)字節(jié)）為特殊寄存器（SFR）單元。10圖 2 存儲器結(jié)構(gòu)圖單片機(jī)的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器共有 128 個(gè)字節(jié)，地址范圍是 00H7FH，分成工作寄存器區(qū)、位尋址區(qū)、通用 RAM 區(qū)三部分。PID 調(diào)節(jié)的實(shí)質(zhì)就是根據(jù)輸入的偏差值，按比例、積分、微分的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算，其運(yùn)算結(jié)果用以輸出控制。盡管憑著單片微機(jī)的優(yōu)勢，計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)取代了模擬控制系統(tǒng)，但是，在長期生產(chǎn)實(shí)踐中，模擬 PID控制算法所積累的經(jīng)驗(yàn)并未被人們遺忘，而是被廣泛地應(yīng)用到計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中來，形成一種新型 PID控制方式，稱之為數(shù)字PID控制。在模擬系統(tǒng)中，PID 算法的表達(dá)式為： )1(0????dteTteKuip(31)11式中，u(t)調(diào)節(jié)器的輸出信號；e(t)調(diào)節(jié)器的偏差信號，等于給定值與測量值之差； Kp調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； Ti調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間； Td調(diào)節(jié)器的微分時(shí)間。這三種 PID算法雖然簡單，但各有特點(diǎn)，基本上能滿足一般控制的大多數(shù)要求。增量型算法僅僅是就是方法的改進(jìn)，而沒有改變位置型算法的本質(zhì)。因此，在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，必須首先對式（31）進(jìn)行離散化處理，用數(shù)字形式的差分方程代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程，此時(shí)積分項(xiàng)和微分項(xiàng)可用求和及增量式表達(dá)。簡單的比例調(diào)節(jié)器能夠反應(yīng)很快，但不能完全消除靜差，控制不精確，為了消除比例調(diào)節(jié)器中殘存的靜差，在比例調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上加入積分調(diào)節(jié)器，積分器的輸出值大小取決于對誤差的累積結(jié)果，在誤差不變的情況下，積分器還在輸出直到誤差為零，因此加入積分調(diào)節(jié)器相當(dāng)于能自動(dòng)調(diào)節(jié)控制常量，消除靜差，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。進(jìn)一步改進(jìn)調(diào)節(jié)器的方法是通過檢測信號的變化率來預(yù)報(bào)誤差，并對誤差的變化作出響應(yīng)，于是在 PI調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上再加上微分調(diào)節(jié)器，組成比例、積分、微分(PID)調(diào)節(jié)器，微分調(diào)節(jié)器的加入將有助于減小超調(diào)，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，同時(shí)加快了系統(tǒng)的穩(wěn)定速度，縮短調(diào)整時(shí)間，從而改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，其控制規(guī)律為： 010)( udteTteKuip ?????(32)單片機(jī)是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的誤差值計(jì)算控制變量，不能直接計(jì)12算公式中的積分項(xiàng)和微分項(xiàng)，采用數(shù)值計(jì)算法逼近后，PID 的調(diào)節(jié)規(guī)律可以通過數(shù)值公式 010)]([ ueTeKuiijdiip ???????(33)計(jì)算，如果采樣取得足夠小，這種逼近可相當(dāng)準(zhǔn)確，被控過程與連續(xù)過程十分接近。用 PID控制算法實(shí)現(xiàn)溫度控制是這樣一個(gè)反饋過程：比較實(shí)際溫度和設(shè)定爐溫得到偏差，通過對偏差的處理獲得控制信號，再去調(diào)節(jié)電加熱爐的加熱功率，從而實(shí)現(xiàn)對爐溫的控制