vq基于AT89C51单片机的电加热炉温度控制系统的设计.doc

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1、机电系统控制与测试课程设计机电系统控制与测试课程设计 报告名称：电加热炉温度控制系统的设计报告名称：电加热炉温度控制系统的设计 院院 级：机电工程学院级：机电工程学院 20112011 级级 专业班级：机械电子工程专业班级：机械电子工程 1 1 班班 姓姓 名：郑冬冰名：郑冬冰 学学 号：号：201110834138201110834138 指导教师：梁坚指导教师：梁坚 完成日期：完成日期：20142014 年年 6 6 月月 2222 日日 摘 要 随着国民经济的发展，人们对生活质量的要求越来越高，各种电子产品开始进入人 们的生活并成为人们生活不可或缺的一部分，因此对电子产品的自动化控制的要

2、求也越 来越高，本设计正是选用了其中具有代表性的电加热炉作为研究对象。 本设计以单片机为核心对电加热炉的温度进行监测和控制，采用单片机来对他们控 制不仅具有控制方便，简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指 标，从而能够大大的提高产品的质量和数量。 为了实现高精度的温度控制，本单片机系统采用 PID 算法控制，通过控制双向可控 硅改变电炉和电源的接通、断开，从而用改变加热时间的方法来实现对温度的控制。本 系统由按键显示和温度采样控制以及上下限报警几个模块组成，通过模块间的通信完成 温度设定、实际温度和测量温度的显示等功能。 本文对系统的硬件、选型、软件中流程控制的实现均有较为详

3、细的阐述，对使用的 编程软件也有描述，对于本系统的控制特点也进行总结说明，比较详尽地叙述了整个系 统的相关事宜。 关 键 词 单片机 PID 算法 温度控制 目 录 1 1 绪论绪论 1 1 1.1 课题背景及国内外研究概况1 1.2 自动控制理论及其发展2 1.3 课题的建立以及本文完成的主要工作3 2 2 总体方案设计总体方案设计 4 4 2.1 总体方案的确定4 2.2 系统组成5 3 3 单片机技术和单片机技术和 PIDPID 算法算法 6 6 3.1 AT89C51 简介 6 3.1.1 单片机的引脚介绍 .6 3.1.2 单片机的存储结构 .9 3.2 PID 算法介绍 .10 3

4、.2.1 PID 算法的数字化 .10 3.2.2 PID 算法的运用 .11 3.3 小结.12 4 4 系统硬件设计系统硬件设计 1414 4.1 系统概况.14 4.2 功能模块.14 4.2.1 单片机控制模块 14 4.2.2 数据转换与采集模块 A/D0808 .15 4.2.3 按键选择模块 16 4.2.4 显示模块 16 4.2.5 报警模块 17 4.2.6 输出模块 17 4.3 总体方案的实现和元器件清单.18 4.3.1 系统的整体设计 .18 4.3.2 元器件清单 .19 4.4 小结.19 5 5 系统软件设计系统软件设计 2121 5.1 PROTUES7 软

5、件概况 .21 5.2 WAVE6000 软件简介 23 5.2.1 软件概况 23 5.2.2 程序界面 23 5.3 子程序设定.23 5.4 程序流程.24 5.5 程序仿真调试.31 5.5.1 WAVE6000 仿真调试 31 1 5.5.2 软硬连调 31 5.6 小结.32 6 6 课题特点课题特点 3333 6.1 单片机技术应用.33 6.2 PID 算法的运用 .33 6.3 软件的调试仿真.33 7 7 结论结论 3434 参参考考文文献献 3535 附附 录录 3737 致致 谢谢5050 1 电加热炉温度控制系统的设计 1 绪论 1.1 课题背景及国内外研究概况 温度

6、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

7、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，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

8、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=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 AT89C51 单片机，使温

9、度控制大为简便。 2 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的情况下，利用外加的设备或 装置，使机器、设备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。 自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学，

10、是分析和设计自动控制系统的 理论的基础。它的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，主要用于工业控制， 二战期间为了设计和制造飞机及船用自动驾驶仪，火炮定位系统，雷达跟踪系统以及其 他基于反馈原理的军用设备，进一步促进并完善了自动控制理论的发展。到战后，已形 成完整的自动控制理论体系，这就是以传递函数为基础的经典控制理论，它主要研究单 输入-单输出，线形定常系统的分析和设计问题。 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

11、， 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

12、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 3 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，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

13、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

14、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，建立电加热炉系统

15、的仿真图； 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。 4 2 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

16、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

17、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

18、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、 5 控制品质要求又很高的控制系统。 结合本例题设计任务与要求，由于温度系统的传递函数事先难以精确获得，因而很 难判断哪一种控制方法能够满足系统对控制品质的要求。但从以上对控制方法的分析来 看，PID 控制方法最适合本例采用。另一方面，由于可以采用单片机实现控制过程，无 论采用上述哪一种控制方法都不会增加系统硬件成本，而只需对软件作相应改变即可实 现不同的控制方案。因此本系统可以采用 PID 的控制方式，以最大限度地满足系统对诸 如控制精度、调节时间和超调量等控制品质的要求。 2.2 系统组成 就控制器本身而言，控制电路

19、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

20、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） 。 6 3 单片机技术和 PID 算法 3.1 AT89C51 简介 微型计算机是指由微处理器加上采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 AT89C51，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

21、提供以下标准功能：4k 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，AT89C51 可降至 0Hz 的静态逻辑操作，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 1 所示 7 图 1 单片机引脚图 其各引脚的功能如下 VCC：供电电压。

22、 GND：接地。 P0 口口：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，此时 P0 外部必须接上拉电阻。 P1 口口：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

23、 FLASH 编程和校验时，P1 口作 为低八位地址接收。 P2 口口：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

24、制信号。 8 P3 口口：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

25、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。 如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0。此时， ALE 只有

26、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 编程 电源（VPP）

27、 。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 9 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 3.1.2 单片机的存储结构 存储器是组成计算机的三大部件之一，其功能是存储信息（数据和程序） 。存储器按 其存储方式可分为两大类：一类为随机存储器（RAM） ；另一类为数据存储器（ROM） 。 CPU 在运行时可对 RAM 随时进行数据的的写入和读出，但在关闭电源时，RAM 中 所存的信息也会丢失，所以 RAM 只能用来存放暂时性的输入/输出数据、运算中的结果 等。RAM 也因此常被称为数据存储器。 而 ROM 是一种写入数据后不能改写只能读出的存储器。在断电后，ROM 中的信息 保留不

28、变，所以 ROM 用来存放固定的程序或数据。ROM 因此也常被称为程序存储器。 MCS-51 单片机的存储器配置比一般的微机配置复杂，其具体配置是多种存储器的 交叠。这种交叠不仅反映在存储器的种类上，而且还体现在存储器的地址空间上。 MCS-51 单片机存储器可分为 5 类： 1片内程序存储器； 2片外程序存储器； 3片内数据存储器； 4特殊功能存储器； 5片外数据存储器。 MCS-51 单片机存储器的地址空间可分为 3 个，在访问 3 个不同的地址空间时采用 不同形式的指令： 1片内片外统一编址的 64K 的程序存储器地址空间（16 位地址 0000H-FFFFH） ； 2片内数据存储器与特

29、殊功能存储器统一编址的 256B 内部数据存储器地址空间 （8 位地址 00H-7FH，80H-FFH） ； 364KB 片外数据存储器地址空间（16 位地址 0000H-FFFFH） 。 89C51 内部 RAM 共有 256 个单元，这 256 个单元共分为两部分。其一是地址从 00H7FH 单元（共 128 个字节）为用户数据 RAM。从 80HFFH 地址单元（也是 128 个字节）为特殊寄存器（SFR）单元。从图 2 中可清楚地看出它们的结构分布。 10 图 2 存储器结构图 单片机的内部数据存储器共有 128 个字节，地址范围是 00H-7FH，分成工作寄存器 区、位寻址区、通用

30、RAM 区三部分。 3.2 PID 算法介绍 PID 调节是 Proportional（比例） 、Integral（积分） 、Differential（微分）三者 的缩写，是连续系统中技术最成熟、行之有效、应用最广泛的一种调节方式。PID 调节 的实质就是根据输入的偏差值，按比例、积分、微分的函数关系进行运算，其运算结果 用以输出控制。在实际应用中，根据被控对象的特性和控制要求，可灵活地改变 PID 的 结构，取其中的一部分环节构成控制规律，如比例（P）调节、比例积分（PI）调节、比 例积分微分（PID）调节等。尽管凭着单片微机的优势，计算机数字控制系统取代了模拟 控制系统，但是，在长期生产实

31、践中，模拟 PID 控制算法所积累的经验并未被人们遗忘， 而是被广泛地应用到计算机控制系统中来，形成一种新型 PID 控制方式，称之为数字 PID 控制。 3.2.1 PID 算法的数字化 PID 算法的数字化，其实质就是将连续形式的 PID 微分方程式转化为离散形式的 PID 差分方程。在模拟系统中，PID 算法的表达式为： ) 1 ( 1 0 dt de Tedt T eKud i p (3-1) 11 式中，u(t)-调节器的输出信号； e(t)-调节器的偏差信号，等于给定值与测量值之差； Kp-调节器的比例系数； Ti-调节器的积分时间； Td-调节器的微分时间。 控制点目前包含三种比

32、较简单的 PID 控制算法，分别是：增量式算法，位置式算法， 微分先行。这三种 PID 算法虽然简单，但各有特点，基本上能满足一般控制的大多数要 求。 实际上，位置式与增量式控制对整个闭环系统并无本质区别。增量型算法仅仅是就 是方法的改进，而没有改变位置型算法的本质。 3.2.2 PID 算法的运用 由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值来计算控制量。因 此，在计算机控制系统中，必须首先对式（3-1）进行离散化处理，用数字形式的差分方 程代替连续系统的微分方程，此时积分项和微分项可用求和及增量式表达。 对温度的控制算法，采用技术成熟的 PID 算法，对于时间常数比较大的系统来

33、说， 其近似于连续变化，因此用数字 PID 完全可以得到比较好的控制效果。 简单的比例调节器能够反应很快，但不能完全消除静差，控制不精确，为了消除比 例调节器中残存的静差，在比例调节器的基础上加入积分调节器，积分器的输出值大小 取决于对误差的累积结果，在误差不变的情况下，积分器还在输出直到误差为零，因此 加入积分调节器相当于能自动调节控制常量，消除静差，使系统趋于稳定。积分器虽然 能消除静差，但使系统响应速度变慢。进一步改进调节器的方法是通过检测信号的变化 率来预报误差，并对误差的变化作出响应，于是在 PI 调节器的基础上再加上微分调节器， 组成比例、积分、微分(PID)调节器，微分调节器的加

34、入将有助于减小超调，克服振荡， 使系统趋于稳定，同时加快了系统的稳定速度，缩短调整时间，从而改善了系统的动态 性能，其控制规律为： 0 1 0 ) 1 (u dt de Tedt T eKud i p (3-2) 单片机是一种采样控制，它只能根据采样时刻的误差值计算控制变量，不能直接计 12 算公式中的积分项和微分项，采用数值计算法逼近后，PID 的调节规律可以通过数值公 式 01 0 )(uee T T e T T eKuii i j d j i ip (3-3) 计算，如果采样取得足够小，这种逼近可相当准确，被控过程与连续过程十分接近。 我们变换上式(3-3)得： 2 11iiipiiie

35、DeIeKuuuu (3-4) 把ei = ei - ei-1,2 ei=ei -ei-1带人上式（3-4）得： )2()(2111iiiiiipieeeDeIeeKuu (3-5) 式中 ei=WYi，W 为设定值，Yi为第 i 次实际输出值，Kp为比例系数，积分系数 I=T/Ti，微分系数 D=Td/T，T 为采样周期，以(3-5)式来编程比较方便。 用 PID 控制算法实现温度控制是这样一个反馈过程：比较实际温度和设定炉温得到 偏差，通过对偏差的处理获得控制信号，再去调节电加热炉的加热功率，从而实现对炉 温的控制，由于电阻炉一般都是下一阶段对象和带纯滞后的一阶对象，所以式中 Kp、Kd

36、和 Ki的选择取决于电阻炉的响应特性和实际经验。 本程序先将用户设定温度和锅炉实际温度 T 比较，计算出偏差 ei，然后分两种情况 进行计算控制变量： 1ei大于等于设定的偏差 e 时，由于积分控制器使系统响应速度变慢，不采用积分 控制器调节，直接使用 PD 调节，获得比较快的动态响应，计算 Pd 和 Pp，最终得到控制 量获得比较快的动态响应。 2ei小于设定的设定的偏差 e 时，正常的分别计算 Pi、Pd 和 Pp，然后根据算法公 式计算出控制变量。 13 3.3 小结 本章对单片机控制技术，以及 PID 控制算法进行了深入分析，着重阐述了单片机结 构和指令系统，以及 PID 算法的使用，

37、为设计提供了硬件基础与软件资源，为下一步的 设计做好准备。 14 4 系统硬件设计 4.1 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 PID 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 3 所示。 看门 狗 报警提 醒 通信接口 LED 显 示 键盘 微 型 控 制 机 AT89C51 温度检 测 PT100 驱动执行 机构 8 路 D/A 转换器 DAC0832 测量 变送 8 路 A/D 转

38、换器 ADC0809 加热电 阻 温度 图 3 系统设计方案图 4.2 功能模块 4.2.1 单片机控制模块 A/T89C51 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 PID 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。 看门狗 测量 变送 15 A/T89C51 仿真图如图 4 所示。 图 4 单片机仿真 4.2.2 数据转换与采集模块 A/D0808 AD0808 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

39、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，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。A/D 转换部分包括比较器、逐次 逼近寄存器（SAR） 、256R 电阻网络、树状电子开关、控制与时序电路等。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

40、仿真图如图 5 所示。 16 图 5 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 仿真如图 6 所示。 图 6 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 7 所示。 17 图 7 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

41、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 PID 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。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 8 加热示意图 18 4.3 总体方案的实现和元器件清单 4.3.1 系统的整体设计 系统的整体设计图如图 9 所示。 图 9 系统设计方案

42、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。 19 4.3.2 元器件清单 系统所需的元器件清单如表4-1所示。 表4-1

43、 系统配置清单表 序号部件名称所属类数量 1AT89C51Microprocessor ICs1 2A/D0808Data Converters1 37SEG-MPX4-CCOptoelectronics2 4BUTTONSwitches to implement , do not want to, dare not, not with disciplinary ruler to supervision; to discipline a ruler, often the control inspection, and consciously in the ideological red lin

44、e to draw the row Ming Good accumulation is indeed the bottom line, so that the heart has fear, said to have quit, the line has ended. Attached: indifferent to heart, calmly to the table in our life, there are many unpredictable things will happen, some good, some bad things, we cannot control is po

45、werless to stop, but with time, you will find in life sometimes turns out to be not good, some bad things finally turned out to be a good thing, but then we muddy however did not know, this is the life teach us things. 1, life can be complex, can also be simple. Want simple life of precipitation, to

46、 have enough time to reflect, to make Become more perfect. Life is the most important thing is not to win, but the struggle; not to have conquered, but to have fought well. 2, the plain is the background of life. Live a plain life, give up on themselves is not a coward, but the wise answers; not dis

47、illusioned after the heart, such as ashes, but experience the storm after the enlightenment; not unrewarding perfunctorily, but calm attitude of life of unrestrained self-confidence. Plain living, there is no noise noisy, no earthly troubles, more did not fill in the discontent of desire, some just

48、a calm, a calm. 3, memory of heart will not good things to erase the, life is a When no movie, pain is a beginning, the struggle is a kind of process, death is a kind of ending. Give up this giving up is the helpless, do not give up the abandoned, do not give up this giving up is ignorance, do not g

49、ive up should not give up is persistent. 4, a thing figured is heaven, think impassability is hell. Since the living, to live better. Sometimes we because of too narrow-minded, too care around the chores and penny wise and pound foolish, not worth the candle. Some things to attract trouble and worry, completely depends on how we look at and deal with it. Dont always take everything back to things, and dont get into a blind alley, dont want to face, dont be narrow-