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1、目录第1章 绪论21.1 课题背景及国内外研究概况21.2 自动控制理论及其发展21.3 课题的建立以及本文完成的主要工作4第2章 总体方案设计52.1 总体方案的确定52.2 系统组成6第3章 单片机技术和最少拍无差系统算法73.1 AT89C52简介73.1.1 单片机的引脚介绍73.2 最小拍系统93.2.1无稳态误差的最小拍系统103.2.2无纹波，无稳态误差的最少拍系统113.2.3斜坡输入下最少拍系统设计举例123.3 晶闸管调压装置14第4章 系统硬件设计154.1 系统概况154.2 功能模块154.2.1单片机控制模块154.2.2 数据转换与采集模块A/D0808164.2
2、.3 按键选择模块174.2.4 显示模块174.2.5 报警模块174.2.6 输出模块184.3 总体方案的实现18第5章 系统软件设计205.1子程序设定205.2 程序流程205.4 小结26第六章 总结27参考文献28附 录29电加热炉温度控制系统的设计第1章 绪论1.1 课题背景及国内外研究概况温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。成熟的温控产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，它们只能适应一般温度系统控制，而用于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内
3、技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。随着我国经济的发展及加入WTO，我国政府及企业对此都非常重视，对相关企业资源进行了重组，相继建立了一些国家、企业的研发中心，开展创新性研究，使我国仪表工业得到了迅速的发展。随着新技术的不断开发与应用，近年来单片机发展十分迅速，一个以微机应用为主的新技术革命浪潮正在蓬勃兴起，单片机的应用已经渗透到电力、冶金、化工、建材、机械、食品、石油等各个行业。传统的温度采集方法不仅费时费力，而且精度差，单片机的出现使得温度的采集和数据处理问题能够得到很好的解决。温度是工业对象中的一个重要的被控参数。然而所采用的测温元件和测量方法也不相同；产品的工艺不同，
4、控制温度的精度也不相同。因此对数据采集的精度和采用的控制方法也不相同。传统的控制方式已不能满足高精度，高速度的控制要求，如温度控制表温度接触器，其主要缺点是温度波动范围大，由于它主要通过控制接触器的通断时间比例来达到改变加热功率的目的，受仪表本身误差和交流接触器的寿命限制，通断频率很低。近几年来快速发展了多种先进的温度控制方式，如：PID控制，模糊控制，神经网络及遗传算法控制等。这些控制技术大大的提高了控制精度，不但使控制变得简便，而且使产品的质量更好，降低了产品的成本，提高了生产效率。本系统要求有数据处理，显示功能等,被控对象为一阶惯性环节和一阶积分环节的组合，惯性时间常数为2s，开环增益k
5、=10，温度控制范围为50150。本设计使用单片机作为核心进行控制。单片机具有集成度高，通用性好，功能强，特别是体积小，重量轻，耗能低，可靠性高，抗干扰能力强和使用方便等独特优点，在数字、智能化方面有广泛的用途。本系统使用AT89C52单片机，使温度控制大为简便。1.2 自动控制理论及其发展随着科学技术的进步，自动控制技术在各个应用领域中的应用已日渐广泛，不但使得生产设备或生产过程实现自动化，大大提高了劳动生产率和产品质量，改善了劳动条件，还在人类征服大自然，改善居住条件等方面发挥了非常重要的作用。自动控制（automatic control）是指在没有人直接参与，利用外加的设备或装置，使设备
6、、机器或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行。自动控制是相对人工控制概念而言的。指的是在没人参与的情况下，利用控制装置使被控对象或过程自动地按预定规律运行。自动控制理论的发展历程如下：140年代-60年代初需求动力：市场竞争,资源利用，减轻劳动强度，提高产品质量，适应批量生产需要。主要特点：此阶段主要为单机自动化阶段，主要特点是:各种单机自动化加工设备出现，并不断扩大应用和向纵深方向发展。典型成果和产品：硬件数控系统的数控机床。 260年代中-70年代初期需求动力：市场竞争加剧，要求产品更新快，产品质量高，并适应大中批量生产需要和减轻劳动强度。主要特点：此阶段主要以自动生产线为
7、标志，其主要特点是：在单机自动化的基础上，各种组合机床、组合生产线出现，同时软件数控系统出现并用于机床，CAD、CAM等软件开始用于实际工程的设计和制造中，此阶段硬件加工设备适合于大中批量的生产和加工。典型成果和产品：用于钻、镗、铣等加工的自动生产线。 370年代中期-至今需求动力：市场环境的变化，使多品种、中小批量生产中普遍性问题愈发严重，要求自动化技术向其广度和深度发展，使其各相关技术高度综合，发挥整体最佳效能。主要特点：自70年代初期美国学者首次提出CIM概念至今，自动化领域已发生了巨大变化，其主要特点是：CIM已作为一种哲理、一种方法逐步为人们所接受；CIM也是一种实现集成的相应技术，
8、把分散独立的单元自动化技术集成为一个优化的整体。所谓哲理，就是企业应根据需求来分析并克服现存的“瓶颈”，从而实现不断提高实力、竞争力的思想策略；而作为实现集成的相应技术，一般认为是:数据获取、分配、共享；网络和通信；车间层设备控制器；计算机硬、软件的规范、标准等。同时，并行工程作为一种经营哲理和工作模式自80年代末期开始应用和活跃于自动化技术领域，并将进一步促进单元自动化技术的集成。典型成果和产品：CIMS工厂，柔性制造系统(FMS)。 随着现代应用数学新成果的推出和电子计算机的应用，为适应自动控制、宇航技术的发展，自动控制理论跨入了一个新阶段现代控制理论。主要研究具有高性能，高精度的多变量多
9、参数的最优控制问题，主要采用的方法是以状态为基础的状态空间法。目前，自动控制理论还在继续发展，正向以控制论，信息论，仿生学为基础的智能控制理论深入。 为了实现各种复杂的控制任务，首先要将被控制对象和控制装置按照一定的方式连接起来，组成一个有机的总体，这就是自动控制系统。在自动控制系统中，被控对象的输出量即被控量是要求严格加以控制的物理量，它可以要求保持为某一恒定值，例如温度，压力或飞行航迹等；而控制装置则是对被控对象施加控制作用的机构的总体，它可以采用不同的原理和方式对被控对象进行控制，但最基本的一种是基于反馈控制原理的反馈控制系统。 在反馈控制系统中，控制装置对被控装置施加的控制作用，是取自
10、被控量的反馈信息，用来不断修正被控量和控制量之间的偏差从而实现对被控量进行控制的任务，这就是反馈控制的原理。1.3 课题的建立以及本文完成的主要工作本文主要包括以下内容：1以单片机为核心，建立自动控制系统，构建按键、采样、显示以及输出等外围电路，实现整个系统的搭建；2画出软件流程图，根据流程图编写程序，并对其进行调试，使其符合系统的具体要求；3将所编写的程序下载到单片机中去，对系统进行整体调试，进而实现系统的整个功能，设计出符合实际要求的系统。第2章 总体方案设计2.1 总体方案的确定由于温度控制系统的控制对象具有惯性大，连续性的特点。因而可以归于具有纯滞后的一阶大惯性环节。一般来说，热过程大
11、多具有较大的滞后，它对任何信号的响应都会推迟一段时间，使输出与输入之间产生相移。对于这样一些存在大的滞后特性的过渡过程控制，一般来说可以采用以下几种控制方案：1输出开关量控制对于惯性较大的过程可以简单地采用输出开关量控制的方法。这种方法通过比较给定值与被控参数的偏差来控制输出的状态：开关或者通断，因此控制过程十分简单，也容易实现。但由于输出控制量只有两种状态，使被控参数在两个方向上变化的速率均为最大，因此容易引起反馈回路产生振荡，对自动控制系统会产生十分不利的影响，甚至会因为输出开关的频繁动作而不能满足系统对控制精度的要求。因此，这种控制方案一般在大惯性系统对控制精度和动态特性要求不高的情况下
12、采用。2比例控制（P控制）比例控制的特点是控制器的输出与偏差成比例，输出量的大小与偏差之间有对应关系。当负荷变化时，抗干扰能力强，过渡时间短，但过程始终存在余差。因此它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、允许被控量在一定范围内变化的系统。使用时还应注意经过一段时间后需将累积误差消除。3比例积分控制（PI控制）由于比例积分控制的特点是控制器的输出与偏差的积分成比例，积分的作用使得过渡过程结束时无余差，但系统的稳定性降低。虽然加大比例度可以使稳定性提高，但又使过渡时间加长。因此，PI控制适用于滞后较小、负荷变化不大、被控量不允许有余差的控制系统，它是工程上使用最多、应用最广的一种控制方法。4比例
13、积分加微分控制（PID控制）比例积分加微分控制的特点是微分的作用使控制器的输出与偏差变化的速度成正比例,它对克服对象的容量滞后有显著的效果。在比例基础上加上微分作用，使稳定性提高，再加上积分作用，可以消除余差。因此，PID控制适用于负荷变化大、容量滞后较大、控制品质要求又很高的控制系统。5. 最少拍无差系统算法在采样控制系统中，通常把一个采样周期称作一拍。在典型输入信号作用下，经过最少拍，使输出量采样时刻的数值能完全跟踪参考输入量的数值，跟踪误差为零的系统称为最少拍系统。对于那些控制对象的模型为已知时, 若采用直接数字化的设计方法, 则更适合时滞特性强, 采样周期大的控温系统中。同时可避免PI
14、D 控制器所必需而又麻烦的参数整定。在温度控制技术领域中, 普遍采用PID 控制算法, 但是, 在一些离散性大, 时滞特性强的系统中, PID 控制规律不一定能获得理想的效果。对于那些控制对象的模型为已知时, 若采用直接数字化的设计方法, 则更适合时滞特性强, 采样周期大的控温系统中。同时可避免PID 控制器所必需而又麻烦的参数整定。所以本设计采用直接数字化法最少拍控制原理。2.2 系统组成就控制器本身而言，控制电路可以采用经典控制理论和常规模拟控制系统实现温度的自动调节。但随着计算机与超大规模集成电路的迅速发展，以现代控制理论和计算机为基础，采用数字控制、显示、A/D与D/A转换，配合执行器
15、与控制阀构成的计算机控制系统，在过程控制过程中得到越来越广泛的应用。由于本例是一个典型的检测、控制型应用系统，它要求系统完成从温度检测、信号处理、输入、运算到输出控制电炉加热功率以实现温度控制的全过程。因此，应以单片微型计算机为核心组成一个专用计算机应用系统，以满足检测、控制应用类型的功能要求。另外，单片机的使用也为实现温度的智能化控制以及提供完善的人机交互界面及多机通讯接口提供了可能，而这些功能在常规数字逻辑电路中往往是难以实现或无法实现的。所以，本例采用以单片机为核心的直接数字控制系统（DDC）。第3章 单片机技术和最少拍无差系统算法3.1 AT89C52简介微型计算机是指由微处理器加上采
16、用大规模集成电路制成的程序存储器和数据存储器，以及输入输出设备相连接的I/O接口电路，微型计算机简称MC。如果将微处理器、存储器和输入/输出接口电路集成在一块集成电路芯版上，称为单片微型计算机，简称单片机。本次设计选用的是AT89C52，是MCS-51单片机系列的一种。其结构体系完整、指令系统功能完善、内部寄存器规范、性能优越、技术成熟、具有高可靠性和高性价比。它提供以下标准功能：8k 字节Flash 闪速存储器，128字节内部RAM，32 个I/O 口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C52可降至0Hz的静态逻辑操作
17、，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。 3.1.1 单片机的引脚介绍其引脚图如图3-1所示图3-1 单片机引脚图其各引脚的功能如下VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，
18、此时P0外部必须接上拉电阻。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址
19、的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： 各管脚备选功能 P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部
20、中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如
21、想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令时ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编
22、程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。3.2 最小拍系统在采样控制系统中，通常把一个采样周期称作一拍。在典型输入信号作用下，经过最少拍，使输出量采样时刻的数值能完全跟踪参考输入量的数值，跟踪误差为零的系统称为最少拍系统。计算机控制系统的方框图为：图4-1 最少拍计算机控制原理方框图根据上述方框图可知，有限拍系统的闭环脉冲传递函数为： (4-1) (4-2)由(4-1) 、(4-2)解得： （4-3）首先要使系统的过渡过程在有限拍内结束，显然，这样对系统的闭环脉冲传递函数提出了较为苛刻的要求，即其极点应位于z平面的坐标原
23、点处。亦即希望系统的脉冲传递函数为 （4-4）式中：F(z)为H(z)的分子多项式，k为某一整数。式（4-4）表明H(z)的极点都在z平面的原点，系统的脉冲响应在经过了有限数k拍以后就变为零，过渡过程结束。式（4-4）表明了离散系统中，为了使过渡过程较快地结束应符合的条件。K是个有限值，它至少应该是什么数值呢？可以分析一下闭环传递函数H(z)。将式（4-4）代入D(z)表示式，得 （4-5）如果m和n分别为对象和保持器的组合脉冲传递函数G(z)的分子和分母的阶次，为式（4-5）中F(z)的阶次，要使D(z)能实现，就应使分母的阶次大于分子的阶次 （4-6）由式（4-6）可见，当时，H(z)的分
24、子常数，暂态响应的持续节拍数最少。式中n和m是由对象、保持器决定的，是不可变部分。这时应有 （4-7）这是过渡过程所能达到的最低极限节拍数，它规定了“最少拍”的极限数。3.2.1无稳态误差的最小拍系统由王勤主编教材P89P90的理论推导，可以知道，为保证系统稳态误差为零且拍数最少，应取 （4-8）其中为不包含G(z)的零点和极点的多项式。为式（4-8）表示了无稳态误差的最少拍系统，其满足的条件。另外，为了使系统的暂态过程在有限时间内结束，H(z)必须是的有限多项式。这两者都要满足，因而应使为的有限多项式。最简单的情况是，这时（1）对阶跃输入因而（2）对斜坡函数输入或 从而有 （3）对加速度函数
25、输入或 从而有 3.2.2无纹波，无稳态误差的最少拍系统用前述方法设计的最少拍控制系统，对于符合原设计的输入信号能很快地跟踪。然而，如果进一步用改进的z变换法来研究所设计的系统，就会发现问题。这种改进的z变换不仅能求出采样时刻的系统输出，而且可以研究采样间隔中，输出的变化情况。用这种z变换将发现用前述方法设计的系统，在采样时刻之间存在着波动。有纹波的系统，在采样时刻之间存在误差，而且功率损耗、振动等也很大，它将加快执行机构等可动部件的磨损。为此，必须改进设计方法，使设计出的系统满足无纹波的条件。（1）最少拍系统产生纹波的原因经分析可知，最少拍系统虽然经过有限拍后能使采样时刻的稳态误差为零，从而
26、使数字控制器的离散输入量E(z)为零。但控制器的输出并没有达到稳态值，仍然是上下波动的。亦即控制器的输出U(z)不能在有限拍内变为零。如果整个系统以U(z)为输出量，设这时的闭环传递函数为。同样，如果这一闭环传递函数也能表示成极点都在z平面原点的形式，则过渡过程也能在有限拍内结束。（2）无纹波最少拍系统的设计根据王勤主编教材P93的理论推导可知，无纹波最少拍系统的闭环传递函数应分别为 （4-9） （4-10）式中：，为z的多项式。上述传递函数能保证系统的输出Y(z)和控制器输出U(z)的暂态过程均能在有限拍内结束。式（4-9）说明，无纹波最少拍系统的闭环传递函数H(z)不仅应为的多项式，而且应
27、包含G(z)的全部零点。由式（4-5）可得在最简单的情况下，为常数。为了保证D(z)是可实现的，至少要使k大于或等于Q(z)的阶次，即 （4-11）将式（4-7）与式（4-11）相比，发现由于要求无纹波，系统的最少拍增加了m拍，响应的暂态过程也延长m拍。3.2.3斜坡输入下最少拍系统设计举例（1）斜坡输入下无稳态误差最少拍系统设计设被控对象为二阶系统，其传递函数为对于二阶被控对象加零阶保持器后对象的传递函数为：选择采样周期T，将上述传递函数离散后得 因为输入是单位斜坡信号，所以选择： 其中 ，由此可得斜坡输入下最少拍算法的数字控制器算法为u(k)=(1-B)u(k-1)+Bu(k-2)+ （2
28、）斜坡输入下无纹波、无稳态误差最少拍系统设计保证系统在斜坡输入下的稳态误差为零，则系统的闭环传递函数应符合稳定性原则应包含G(z)的不稳定极点，其形式为，其中为不包含G(z)的零点和极点的多项式。上式和保证稳态误差为零的要求相同。应包含G(z)的不稳定零点，其形式为，其中为不包含G(z)的零点和极点的多项式。无纹波有限拍暂态过程为了实现无纹波，中必须包含G(z)的分子上的另一因子。要寻找、和的形式，使它们的项数最少（即最小实现）而又满足上述条件。显然应为联立求解得，所以有 由此可得斜坡输入下最少拍无纹波的算法：3.3 晶闸管调压装置可控硅调压器简称晶闸管调功器，又称晶闸管调压器、晶闸管调整器、
29、可控硅调功器、可控硅调整器。是一种以可控硅为基础，以专用控制电路为核心的电源功率控制电器。可控硅调压器：是一种以可控硅（电力电子功率器件）为基础，以专用控制电路为核心的电源功率控制电器。简称晶闸管调功器。又称晶闸管调功器，晶闸管调压器，晶闸管调整器，可控硅调功器，可控硅调整器，具有效率高、无机械噪声和磨损、响应速度快、体积小、重量轻等诸多优点。三相恒压|恒流|恒功率晶闸管功率控制器是移相触发型的晶闸管电力控制器。触发板具有过流、缺相、相序、晶闸管过热等多种保护功能；可广泛应用于工业各领域的电压、电流、功率的调节，适用于电阻性负载、电感性负载、变压器一次侧等，主要应用如下： 以镍铬、铁铬铝、远红
30、外发热元件及硅钼棒、硅碳棒、钼丝、石墨、白金漏板等为加热元件的温度控制。 盐浴炉、工频感应炉、淬火炉、熔融玻璃的温度控制。 整流变压器、电炉变压器一次侧控制。 真空镀膜设备、拉丝机变压器一次侧、静电植荣变压器一次侧等 三相力矩电动机的速度控制。 电压、电流、功率、灯光等无级平滑调节。 恒压、恒流、恒功率控制。主要应用领域：盐浴炉、工频感应炉、淬火炉温控；热处理炉温控；玻璃生产过程温控；金刚石压机加热；大功率充磁/退磁设备；半导体工业舟蒸发源；航空电源调压；真空磁控溅射电源；纺织机械；水晶石生产；粉末冶金机械；隧道电窑集散温控系统；彩色显像管生产设备；冶金机械设备；交直流电机拖动；石油化工机械；
31、电压、电流、功率、灯光等无级平滑调节，恒压恒流恒功率控制等领域。制做工艺及质量保证：控制器的元器件全部采用波峰焊（非人工焊接）；控制板焊接完成后进行初调；初调合格后进行为期一周的通电升温动态老化试验；最后进行全面检测。特点:* 可用380V电源频率为50HZ/60HZ电网，特殊电压要求可定制。* 采用移相式触发方式、适用于阻性负载、感性负载、变压器一次侧等各种负载类型。* 能与国内外各种控制仪表、微机的输出信号直接接口。* 一台仪表可以同时控制多台触发板。* 具有软启动功能，减少对电网的冲击干扰，使主电路更加安全可靠。* 脉冲输出对称度小于0.1度。* 同步电压范围宽。第4章 系统硬件设计4.
32、1 系统概况本系统是采用以AT89C51单片机为核心的温度控制系统，通过温度传感器采样实时温度，并通过变送器将温度最终转换为电压信号通过A/D转换器0808将其转换为数字信号，送入单片机与给定值进行比较，通过运用最少拍算法得出控制结果，送显示并进行控制。总体设计方案见如图4-1所示。报警提醒LED显示键盘微型控制机AT89C52 温度传感器驱动执行机构测量变送8路A/D转换器ADC0809加热电阻温度图4-1 系统设计方案图4.2 功能模块本系统是采用以AT89C51单片机为核心的温度控制系统，通过温度传感器采样实时温度，并通过变送器将温度最终转换为电压信号通过A/D转换器0808将其转换为数
33、字信号，送入单片机与给定值进行比较，通过运用最少拍算法得出控制结果，送显示并进行控制。4.2.1单片机控制模块A/T89C52是整个系统的控制核心，将采集来的数据与设定值进行比较，利用最少拍算法得出结果并送输出。整个控制系统的程序就下载到单片机中去。A/T89C52仿真图如图4-2所示。图4-2 单片机仿真4.2.2 数据转换与采集模块A/D0808AD0808是CMOS的8位模/数转换器，采用逐次逼近原理进行A/D转换，芯片内有模拟多路转换开关和A/D转换两大部分，可对8路05V的输入模拟电压信号分时进行转换。模拟多路开关由8路模拟开关和3位地址锁存译码器组成，可选通8路模拟输入中的任何一路
34、，地址锁存信号ALE将3位地址信号ADDA、ADDB、ADDC进行锁存，然后由译码电路选通其中的一路，被选中的通道进行A/D转换。另外ADC0809输出具有TTL三态锁存缓冲器，可直接连到CPU数据总线上。实时温度经过传感器的检测并通过变送器将其转换成模拟的电压信号，而A/D0808则用来采集电压信号并将其转换为数字信号存储在单片机中，以便后续对数据的处理。其硬件仿真图如图4-3所示。图4-3 A/D0808仿真图4.2.3 按键选择模块系统采用了两个按键用来进行温度的设定，一个进行温度加，一个进行温度减。每按下一次，温度就相应的加一或减一。按照设计要求，温度的设定范围为50-150度，其仿真
35、如图4-4所示。图4-4 按键示意图4.2.4 显示模块显示模块采用两个7段共阴极数码管，一个用来显示实时温度，一个用来显示设定温度。并用74LS04来驱动数码管。其仿真图如图4-5所示。图4-5 显示示意图4.2.5 报警模块当实时温度高于或低于设定温度5度以上时，系统就会报警，报警指示灯红灯亮。如图4-6所示。图4-6 报警示意图4.2.6 输出模块经过数据的运算，单片机通过P3.4口的高低电平来控制加热系统的通断，通过导通时间的长短来控制加热的强度，以达到精确控制的效果。当温度在设定温度的正负5度之内时，系统进行运算控制；当高于设定温度5度时，停止加热；当低于设定温度5度时，全功率加热。
36、由于仿真软件自身条件的原因，使用绿色的LED灯代替，当绿灯亮时，表示正在加热，不亮时，停止加热。仿真图如4-7所示。图4-7 加热示意图4.3 总体方案的实现系统的整体设计图如图4-8所示。图4-8 系统设计方案图其中：1单片机采用的是MCS-51系列的89C51，其集成了中央处理器CPU、随机存储器RAM、程序存储器ROM或EPROM、定时器/计数器、中断控制器及串型和并行I/O接口等部件。单片机主要应用于工业控制领域，用来实现对信号的检测、数据的采集以及对应用对象的控制。它具有体积小、重量轻、价格低、可靠性高、耗电少和灵活机动等许多优点。单片机是微型计算机的一个重要分支，特别适合用于智能控
37、制系统。2实时的温度测量由于条件的限制直接用模拟电压来代替传感器及变送器，用0808来采样和转换温度。第5章 系统软件设计5.1子程序设定本设计使用了较多的子程序，命名皆以其功能作用为名，目的是增加程序的可读性。总程序见附录。5.2 程序流程控制系统的程序主要包括：采样、标度变换、控制计算、控制输出、中断、显示、报警、调节参数修改、温度设定及修改。其中控制算法采用最少拍无差系统控制算法。各个程序的流程图如下。1主程序流程图主程序主要实现了对系统的初始化，并通过调用子程序实现将运算结果与极限值进行比较，从而确定跳转方向，实现系统的报警功能及运算功能。主程序流程图如图5-1所示。Ui(k)Umin
38、T1中断加热报警显示Ui(k)=UmaxUi(k)Umax报警停止加热Ui(k)=Umin加热不报警停止加热不报警设置对栈指针请标志和暂存单元清闲时缓冲区采样滤波温度转换扫描键盘NNNNYYYYUi(k)=UmaxUi(k)UmaxUi(k)=UminUi(k)Umin图5-1 主程序流程图2采样子程序流程图采样子程序的是A/D0808将模拟的电压信号转化成的数字信号，由于各种干扰会使系统产生误差，为了减小误差，所以要采样三次，将采样值存在 2CH,2DH,2EH中去。采样子程序流程图如图5-2所示。图5-2采样子程序流程图3显示子程序流程图实时温度和设定温度分别存在51H和50H中，显示子程
39、序将这两个温度转换成BCD码见其存在70H-75H中，通过查表的方法将其转换成对应的段码，最后运用动态显示的方法将其显示出来。显示子程序流程图如图5-3所示。N开始将待显示数送显示缓冲区送扫描控制字送显示缓冲区数据转换为七段码送显示缓冲区断码送P1口送显示缓冲区调用延时程序送显示缓冲区指向下一地址送显示缓冲区送扫描控制字送显示缓冲区6位显示完？扫描控制字左移一位送显示缓冲区子程序返回送显示缓冲区Y图5-3 显示子程序流程图4按键选择流程图通过延时程序判断按键是否按下，从而进行条件转移，改变设定值。设定值的范围是50-150度，当温度超过这个范围是时，按键将不起作用。按键选择流程图如图5-4所示
40、。YYYNNYYA=150调TRAST131HB32HA开始调延时温度加1A=150A1A温度加按下?温度加按下?A=150?温度减按下?温度减按下?调延时AA1A=50?A150?清C返回A1AA50?清C温度减1A50NNNNNN图5-4 按键选择流程图5最少拍控制子程序流程图根据最少拍算法公式，最少拍算法程序运用双字节加法程序，双字节求补程序，双字节无符号乘法程序，双字节有符号乘法程序实现，最少拍算法公式的程序化。最少拍控制子程序流程图如图5-5所示采样中断服务程序采样周期变量减一中断返回变量初始化采样周期变量赋初值输出控制量赋初值输出控制量U(k)同步信号到否D/A输出清零Y采样求误差
41、E(k)N计算u(k)= Y采样周期到否N 图5-5 最少拍控制子程序流程图6T1中断程序流程图当中断到来时，关闭计数器，清F0标志位，返回主程序。T1中断程序流程图如图5-6所示。中断到来关计数器T1清F0标志位清P3.4中断返回图5-6 T1中断子程序流程图5.4 小结程序部分的设计是整个系统的核心部分，其中包含了系统的核心算法，即最少拍误差系统算法，它确定了电加热炉的控制精度，使得本次设计能够满足要求。程序部分相当于一个人的大脑，它控制了整个系统的运作。本章从软件的概况、各控制程序的流程等方面详细做了介绍，在保证了功能实现的同时，尽量增加程序的可读性，方便在需要时进一步改进。第六章 总结
42、通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关温湿度度控制方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵回顾起此次温度控制系统设计，我仍感慨颇多，的确，从理论到实践，在接近一个星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理
43、论中得出结论，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。 这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师和同学的帮助下，终于游逆而解。同时通过温度控制系统设计我学得到很多实用的知识，我对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢！参考文献1 范立南，李雪飞，尹授远单片微型计算机控制系统设计人民邮电出版社，2004(3)：245-255、325-3282 房小翠，王金凤单片机使用系统设计技术国防工业出版社，1999：131-138、220-2243 胡汉才单片机原理及系统设计清华大学出版社，2002(1)，26(8)：532-5454 先锋工作室单片机程序设计实例2003(1)：107-114、251-2535 马淑华，高原电子设计自动化北京邮电大学出版社，2006(9)，95-1316 宋丽蓉自动控制原理机械工业出版社，2005，34(6)：1-77 李广弟单片机基础北京航空航天大学出版社，20018 赖寿宏微型计算机控制技术北京：机械工业出版社，20039 王毓银主编数字电路逻辑设计北京：高等教育出版社