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1、装订线第一章 绪论1引言随着现代工业的逐步发展，在工业生产中，温度、压力、流量和液位是四种最常见的过程变量。其中，温度是一个非常重要的过程变量。例如：在冶金工业、化工工业、电力工业、机械加工和食品加工等许多领域，都需要对各种加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉的温度进行控制。然而，用常规的控制方法，潜力是有限的，难以满足较高的性能要求。采用单片机来对它们进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大的优点，而且可以大幅度提高被测温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。因此，单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的控制问题。 模糊PID单片机温度控制系统，是利用单片机作为系统的主控制器，
2、测量电路中的温度反馈信号经A/D变换后，送入单片机中进行处理，经过模糊PID算法后，单片机的输出用来控制可控硅的通断，控制加热炉的输出功率，从而实现对温度的控制。本设计运用MCS-51系列单片机集中的8051单片机为主控制器，对加热炉的温度进行智能化控制，最终通过软件设计来实现人机对话功能，实现对加热炉的温度控制。 本设计主要介绍模糊PID单片机温度控制系统，内容主要包括：采样、滤波、键盘显示、加热控制系统，单片机MCS-51的开发及系统应用软件的开发等。全文共分四章。第一章绪论介绍相关技术发展，系统设计概述及设计要求，方案论证。第二章硬件电路的设计介绍主控电路核心MCS-51单片机AT80C
3、51的基本结构和配置以及一些子模块的设计。第三章典型芯片的介绍MAX6675 包括了A/D采样技术和数字滤波技术。第四章软件设计介绍以模糊PID为主的温度控制算法及系统加热控制系统。第五章主要是系统软件编程。2单片机技术现状与发展 单片机又称为微控制器（Microcontroller），是把中央处理器(CPU)、随机存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、定时器/计数器、I/O接口电路等部件集成在一块芯片上的微型计算机。自问世以来，性能不断提高和完善，加之具有控制能力强、体积小、功耗小；成本低、开发周期短、集成度高；速度快，指令周期为S级；功能强，有丰富的内置资源；易于商品化，多数厂商提供配套
4、外围借口芯片；抗干扰能力强等优点，因此，在工业控制、智能仪器仪表、数据采集和处理、通信系统、高级计算机、家用电器等领域的应用日益广泛，并且正在逐步取代现有的多片微机应用系统，数字单片机的位数越来越多，精度也越来越高。另外，在需要极高响应速度的控制场合，还出现了模糊单片机，它是专门执行模糊逻辑信号的器件，具有极高的模糊推理速度。 今天，还出现了不少高级语言的开发工具，这些系统经过仿真可在更高的开发平台上进行快速的开发，为单片机的广泛应用铺平了道路。所以，在未来的社会主义工业化建设中，单片机无疑会发挥更大的作用。单片机具有处理能强、运行速度快、功耗低等优点，应用在温度测量与控制方面，控制简单方便，
5、测量范围广，精度较高。3系统设计概述及设计要求采用单片机为控制核心器件，选择合适的传感器对电阻丝加热炉温度进行测量，并采用模糊PID控制算法使其保持在某一设定的温度值。温度值可由键盘设定，并在LED显示器上显示。 具体要求如下：1） 温度范围为50015002） 系统有必要的保护和报警3） 温度值有显示4） 误差范围14方案论证4.1 总体方案比较与论证 方案一： 采用CPLD作为主控制器控制外围电路进行温度测量、键盘和LED控制、报警控制。 方案二：采用AT89C51单片机来实现系统的控制。AT89C51内部自带程序存储器，采用Intel8279键盘/显示器的控制，K 型热电偶（镍铬-镍硅）
6、作为测温传感器,AD574芯片作数模量转换芯片,用继电器对电阻炉加热进行控制。采用PID控制算法对温度进行控制，此系统硬件简洁，将复杂的硬件功能用软件实现，因此系统控制灵活，能很好地满足本题的基本要求和扩展要求。 比较以上两种方案的优缺点： 方案一逻辑电路复杂，且灵活性较低，不利于各种功能的扩展，而且开发成本很高。方案二简洁、灵活、可扩展性好，能完全达到设计要求。通过大量的资料的查找与对比采用第二种方案较好。故采用方案二。4.2 典型模块电路的设计方案与比较4.2.1 温度检测方案 方案一：利用热释电红外传感器（探测器）进行非接触式红外测温的原理、红外测温系统结构和信号处理电路的组成，目的是实
7、现对移动物体的非接触式温度测量。以此为基础，组装了一套微机红外测温实验装置，用该装置测定了目标表面温度变化规律。在大约190测量精度达到最高，其残差为9.5。但是在测定高温时误差大，而且系统的造价高。方案二：选用K型热电偶（镍铬镍硅），具有线性度好、测温范围适中、输出电动势大、价格便宜等特点。另外，为保证检测精度，采用补偿导线法对热电偶进行冷端补偿。4.2.2 键盘显示方案 方案一：采用独立按键按口，这种方式是各种按键相互独立，每个键各按一根输入线，一根输出线上的按键工作状态不会影响其他输入线上的工作状态。所以通过检测输入线的电平状态可以很容易判断哪个键按下。独立式按键电路配置灵活、软件简单，
8、但是每个键占一根输入口线，在按键数较多时需要较多的输入口线且电路结构简单，故使用于按键少，操作速度高的场合。它直接与单片机I/O相接，通过读I/O口，判断各个I/O口线电平状态，即可识别出按下键盘。 方案二：采用3*3矩阵键盘输入，这种接口方式适用于按键数量较多场合，由行、列线组成，行列分别连接到按键两端。按键位于行列交叉点，行线通过上拉电阻接到+5V上。平时无按键按下时，行处于高电平，而当按下时行电平将由此与此电平相连的列线电平决定。由于矩阵键盘中行、列线为多键共用，各按键均影响该键所在的行和列电平，所以各按键彼此将相互影响，所以必须将行列信号配合起来并做适当处理才能决定闭合键位置。 方案三
9、：采用Intel 8279键盘/显示电路，该接口电路设计新颖，结构简单，稳定性强，可靠性高，编程容易，具有很强的使用性。4.2.3 显示模块的选择 方案一：采用数码管显示。数码管亮度高、体积小、重量轻，但其显示信息简单、有限，在本题目中应用受到很大的限制。方案二：采用液晶显示。液晶显示功耗低、轻便防震。由于本题显示信息比较复杂，采用液晶显示界面友好清晰，操作方便，显示信息丰富。第2章 硬件设计1系统的硬件总体设计 AT89C51电阻炉温度控制系统是以AT89C51 单片机为核心，采用模糊PID控制的方法，使电阻炉的温度得到较为理想的控制。本系统所要控制的电阻炉加热功率1500W，使用电压范围0
10、220V（AC），升温速度0.3 /min，控制精度1，控制温度范围为500-1500度。控制系统的结构框图如图1 所示。放大 光偶双向可控硅电阻炉热电耦A/D89C51报警显示键盘图2-1系统组成基本框图 整个系统由3部分组成，即由单片机AT89C51构成的单片机应用系统；由K 型热电偶、运算放大电路和A/D 转换电路构成的温度检测通道；由双向可控硅构成的输出控制通道。工作时,温度由K型热电偶检测温度值，经过冷端温度补偿运算放大器和A/D 转换，将温度信号送入单片机；单片机将温度信号进行数字滤波，标度变换后，由LED 显示。同时与系统设定值进行比较，按照模糊PID控制算法进行运算，通过输出信
11、号去控制双向可控硅的通断，从而控制电阻炉的平均输入功率，实现电阻炉炉温的控制。并可直接显示。热电偶将炉温变换为模拟电压信号，经MAX6675芯片转换为数字量送单片机。同时，热电偶的冷端温度也由IC温度传感器变为电压信号，经放大和转换后送单片机。标度变换程度根据温检测值求得实际炉温。数字调节器程序根据恒温给定值。与的偏差A0，按积分分离的PID控制算法得到输出控制量i。数字触发器程序根据c控制电阻炉子的导通时间，调节炉温冷端处的温度值的变化使之与给定恒温值一致。导通时间长，输出功率大，温度升高快；导通时间短，输出功率小，温度升高变慢。显示与恒温判断程序完成炉温与恒温时间显示、恒温开与恒温完成判别
12、、恒温完成时给出声光指示信号。断偶判断程序根据温度检测值判断温度传感是否开路，若开路，则给出断偶报警信号。2温度检测设计采用热电偶传感器。热电偶传感器具有价廉、精度高、构造简单、测量范围宽(通常可由一5O度到 +1600度)及反应快速的优点。热电偶传感器输出的电压信号较为微弱(只有几毫伏到几十毫伏)，型热电偶是工业生产中最常用的温度传感器，目前，在以型热电偶为测温元件的工业测温系统中，热电偶输出的热电势信号必须经过中间转换环节，才能输入基于单片机的嵌入式系统。中间转换环节包括信号放大、冷端补偿、线性化及数字化等几个部分，实际应用中，由于中间环节较多，调试较为困难，系统的抗干扰性能往往也不理想。
13、在电阻炉温度检测中，采用MAXIM公司新近推出的MAX6675，它是一个集成了热电偶放大器、冷端补偿、A/D转换器及SPI串口的热电偶放大器与数字转换器，可以直接与单片机接口，大大简化系统的设计，保证了温度测量的快速、准确。2.1 MAX6675电阻炉温度控制系统的型热电偶温度采集电路如图2.1-1所示。其微控制器采用ATMEL公司的FLASH单片机AT89C51，该微控制器具有4K内部可擦写程序存储器和32个输入/输出端口，满足本系统中液位测量、数据显示、温度测量、数据通讯、看门狗电路的需要。作为一款廉价的通用型单片机，AT89C51没有SPI接口。因此采用I/O口线模拟SPI串行口来对MA
14、X6675读取数据。MAX6675的CS端接单片机的P1.0脚，CS低电平停止转换，MAX6675准备将数据输出；SCK引脚接单片机的P1.1脚，为传输数据提供时钟。无数据传输时，SCK应置为低电平；SO引脚接单片机的P1.2脚，用于传输数据。单片机的P1.3脚作为型热电偶探头断线报警口，报警时输出低电平，驱动故障指示LED显示。 在单片机的上述4个引脚各接一个10K的上拉电阻，保证数据的可靠传送。由于MAX6675的测量精度对电源耦合噪声较敏感，为降低电源噪声影响，在MAX6675的电源引脚附近接入1只0.1F陶瓷旁路电容。在印刷电路板的设计中，采用大面积接地技术来降低芯片自热引起的测量误差
15、，提高温度测量精度。图2.1-1 AX6675与AT89C51单片机组成的热电偶温度采集电路 AX6675是一复杂的单片热电偶数字转换器，其内部结构如图二所示。主要包括：低噪声电压放大器A1、电压跟随器A2、冷端温度补偿二极管、基准电压源、12位AD转换器、SPI串行接口、模拟开关及数字控制器。其工作原理如下：K型热电偶产生的热电势，经过低噪声电压放大器A1和电压跟随器A2放大、缓冲后，得到热电势信号U1，再经过S4送至ADC。对于K型热电偶，电压变化率为(41V/)，电压可由如下公式来近似热电偶的特性。U1=(41V/)(T-T0) 上式中，U1为热电偶输出电压（mV），T是测量点温度；T0
16、是周围温度。在将温度电压值转换为相应的温度值之前，对热电偶的冷端温度进行补偿，冷端温度即是MAX6675周围温度与0实际参考值之间的差值。通过冷端温度补偿二极管，产生补偿电压U2经S4输入ADC转换器。U2=(41V/)T0在数字控制器的控制下，ADC首先将U1、U2转换成数字量,即获得输出电压U0的数据，该数据就代表测量点的实际温度值T。这就是MAX6675进行冷端温度补偿和测量温度的原理。 其内部结构图如图二所示2.2 MAX6675的特性与MAX6675引脚功能MAX6675是具有冷端补偿和A/D转换功能的单片集成型热电偶变换器，测温范围01024，主要功能特点如下： 直接将热电偶信号转
17、换为数字信号 具有冷端补偿功能 简单的SPI串行接口与单片机通讯 12位A/D转换器、0.25分辨率 单一+5V的电源电压 热电偶断线检测 工作温度范围-20+85 MAX6675采用SO-8封装形式，有8个引脚，脚1（GND）接地，脚2（T-）接热电偶负极，脚3（T+）接热电偶正极，脚4（VCC）电源端，脚5（SCK）串行时钟输入端，脚6（CS）片选端，使能启动串行数据通讯，脚7（SO）串行数据输出端，脚8（NC）未用。在VCC和GND之间接0.1F电容。MAX6675的引脚如图一所示 2.3 89C51 89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Prog
18、rammable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的89C51是一种高效微控制器，89C2051是它的一种精简版本。89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 1 主要特性： 与MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器
19、 寿命：1000写/擦循环 数据保留时间：10年 全静态工作：0Hz-24Hz 三级程序存储器锁定 128*8位内部RAM 32可编程I/O线 两个16位定时器/计数器 5个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路 2管脚说明： 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P1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/地址的第八位。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外部必须被拉高。 P1口：P1口
20、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口作为第八位地址接收。 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口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉
21、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： 口管脚 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
22、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地位字节。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S
23、FR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是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）。 XT
24、AL1：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振荡器特性： XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 4芯片擦除： 整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。
25、此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。 5.结构特点：8位CPU；片内振荡器和时钟电路；32根I/O线；外部存贮器寻址范围ROM、RAM64K；2个16位的定时器/计数器；5个中断源，两个中断优先级；全双工串行口；布尔处理器；5.引脚说明：电源引脚Vcc（40脚）：典型值5V。Vss（20脚）：接低电平。外部晶振X1、X2分别与晶体两端相连接。当采用外部时钟信号时，X
26、2接振荡信号，X1接地 输入输出口引脚： P0口：I/O双向口。作输入口时，应先软件置“ 1”。 P1口：I/O双向口。作输入口时，应先软件置“ 1”。 P2口：I/O双向口。作输入口时，应先软件置“ 1”。 P3口：I/O双向口。作输入口时，应先软件置“ 1”。控制引脚：RST/Vpd、ALE/-PROG、-PSEN、-EA/Vpp组成了MSC-51的控制总线。RST/Vpd（9脚）：复位信号输入端（高电平有效）。第一功能：加+5V备用电源，可以实现掉电保护RAM信息不丢失。ALE/-PROG(30脚）：地址锁存信号输出端。第二功能：编程脉冲输入。-PSEN（29脚）：外部程序存储器读选通信
27、号。-EA/Vpp(31脚）：外部程序存储器使能端。第三功能：编程电压输入端（+21V）。6. AT89C51单片机的P口特点： P0口：是一个8位漏极开路输出型双向I/O端口。作为输出端口时，每位能以吸收电流的方式驱动8 个TTL输入，对端口写1时，又可作高阻抗输入端用。在访问外部程序或数据存储器时，它是时分多路转换的地址（低8位）/数据总线，在访问期间将激活内部的上拉电阻。P0口作为I/O端口使用时，多路开关的控制信号为0（低电平），看上图中的线线部份，多路开关的控制信号同时与与门的一个输入端是相接的，我们知道与门的逻辑特点是“全1出1，有0出0”那么控制信号是0的话，这时与门输出的也是一
28、个0（低电平），与让的输出是0，V1管就截止，在多路控制开关的控制信号是0（低电平）时，多路开关是与锁存器的Q非端相接的（即P0口作为I/O口线使用）。(1)P0口用作I/O口线，其由数据总线向引脚输出（即输出状态Output）的工作过程：当写锁存器信号CP 有效，数据总线的信号锁存器的输入端D锁存器的反向输出Q非端多路开关V2管的栅极V2的漏极到输出端P0.X。前面我们已讲了，当多路开关的控制信号为低电平0时，与门输出为低电平，V1管是截止的，所以作为输出口时，P0是漏极开路输出，类似于OC门，当驱动上接电流负载时，需要外接上拉电阻.(2)、作为地址/数据复用口使用时的工作原理 在访问外部存
29、储器时P0口作为地址/数据复用口使用。 这时多路开关控制信号为1，与门解锁，与门输出信号电平由“地址/数据”线信号决定；多路开关与反相器的输出端相连，地址信号经“地址/数据”线反相器V2场效应管栅极V2漏极输出。例如：控制信号为1，地址信号为“0”时，与门输出低电平，V1管截止；反相器输出高电平，V2管导通，输出引脚的地址信号为低电平P1口：P1口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P1口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可作输入口。P2口作输入口使用时，因为内部有上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电
30、流（Iil）。单片机复位后，各个端口已自动地被写入了1，此时，可直接作输入操作。如果在应用端口的过程中，已向P1一P3端口线输出过0，则再要输入时，必须先写1后再读引脚，才能得到正确的信息。此外，随输入指令的不同，H端口也有读锁存器与读引脚之分。 P2口：P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P2口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可作输入口。P2口作输入口使用时，因为内部有上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流（Iil）。P2端口在片内既有上拉电阻，又有切换开关MUX，所以P2端口在功能上兼有P
31、0端口和P1端口的特点。这主要表现在输出功能上，当切换开关向下接通时，从内部总线输出的一位数据经反相器和场效应管反相后，输出在端口引脚线上；当多路开关向上时，输出的一位地址信号也经反相器和场效应管反相后，输出在端口引脚线上。对于单片机必须外接程序存储器才能构成应用电路（或者我们的应用电路扩展了外部存储器），而P2端口就是用来周期性地输出从外存中取指令的地址(高8位地址)，因此，P2端口的多路开关总是在进行切换，分时地输出从内部总线来的数据和从地址信号线上来的地址。因此P2端口是动态的I/O端口。输出数据虽被锁存，但不是稳定地出现在端口线上。其实，这里输出的数据往往也是一种地址，只不过是外部RA
32、M的高8位地址。在输入功能方面，P2端口与P0和H端口相同，有读引脚和读锁存器之分，并且P2端口也是准双向口。可见，P2端口的主要特点包括：不能输出静态的数据；自身输出外部程序存储器的高8位地址；执行MOVX指令时，还输出外部RAM的高位地址，故称P2端口为动态地址端口。在访问外部程序存储器时和16位外部地址的外部数据存储器（如执行 MOVX DPTR）时，P2口送出高8位地址。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行 MOVX RI）时，P2口引脚上的内容（就是专用寄存器(SFR)区中的P2寄存器的内容），在整个访问期间不会改变。 P3口：P3口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P3
33、口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可作输入口。P3口作输入口使用时，因为内部有上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流（Iil）。在稳定的状态条件下Io 低被外部限制如下1、每个管脚的最大IOL 15mA 注85 规格2、每个8 位口的最大IOL 26 mA3、IOL 输出最大总和 71mA4、如果IOL 超过测试条件VOL 可能会超过相应规格不能保证超过测试电流P3端口和Pl端口的结构相似，区别仅在于P3端口的各端口线有两种功能选择。当处于第一功能时，第二输出功能线为1，此时，内部总线信号经锁存器和场效应管
34、输入/输出，其作用与P1端口作用相同，也是静态准双向I/O端口。当处于第二功能时，锁存器输出1，通过第二输出功能线输出特定的内含信号，在输入方面，即可以通过缓冲器读入引脚信号，还可以通过替代输入功能读入片内的特定第二功能信号。由于输出信号锁存并且有双重功能，故P3端口为静态双功能端口。在应用中,如不设定P3端口各位的第二功能(WR,RD信叼的产生不用设置),则P3端口线自动处于第一功能状态，也就是静态IO端口的工作状态。在更多的场合是根据应用的需要，把几条端口线设置为第二功能，而另外几条端口线处于第一功能运行状态。在这种情况下，不宜对P3端口作字节操作，需采用位操作的形式。7. D锁存器：构成
35、一个锁存器，通常要用一个时序电路，时序的单元电路在学数字电路时我们已知道，一个触发器可以保存一位的二进制数（即具有保持功能），在51单片机的32根I/O口线中都是用一个D触发器来构成锁存器的D锁存器，D端是数据输入端，CP是控制端（也就是时序控制信号输入端），Q是输出端，Q非是反向输出端。对于D触发器来讲，当D输入端有一个输入信号，如果这时控制端CP没有信号（也就是时序脉冲没有到来），这时输入端D的数据是无法传输到输出端Q及反向输出端Q非的。如果时序控制端CP的时序脉冲一旦到了，这时D端输入的数据就会传输到Q及Q非端。数据传送过来后，当CP时序控制端的时序信号消失了，这时，输出端还会保持着上次
36、输入端D的数据（即把上次的数据锁存起来了）。如果下一个时序控制脉冲信号来了，这时D端的数据才再次传送到Q端，从而改变Q端的状态。多路开关：在51单片机中，当内部的存储器够用（也就是不需要外扩展存储器时，这里讲的存储器包括数据存储器及程序存储器）时，P0口可以作为通用的输入输出端口（即I/O）使用，对于8031（内部没有ROM）的单片机或者编写的程序超过了单片机内部的存储器容量，需要外扩存储器时，P0口就作为地址/数据总线使用。那么这个多路选择开关就是用于选择是做为普通I/O口使用还是作为数据/地址总线使用的选择开关了。当多路开关与下面接通时，P0口是作为普通的I/O口使用的，当多路开关是与上面
37、接通时，P0口是作为地址/数据总线使用的。输出驱动部份：P0口的输出是由两个MOS管组成的推拉式结构，也就是说，这两个MOS管一次只能导通一个，当V1导通时，V2就截止，当V2导通时，V1截止。3. 温度控制电路 温度控制电路采用可控硅调功率方式。双向可控硅串在50Hz交流电源和加热丝电路中，只要在给定周期里改变可控硅的接通时间，就能达到改变加热功率的目的，从而实现温度控制。对于这样的执行机构，单片机只要输出能控制可控硅通断电时间的脉冲信号就可以了。因此，用一条I/O线与可控硅的控制端相连接，并通过程序实现输出导通脉冲的宽度和导通时间。为了达到过零触发的目的，需要交流电过零检测电路。此电路输出
38、对应于50Hz交流电压过零时刻的脉冲，作为触发双向可控硅的同步脉冲，使可控硅在交流电压过零时刻触发导通。电压比较器将50H z正弦交流电压变为方波。方波的正跳沿河负跳沿分别作为俩个单稳触发器的触发信号，单稳触发器输出的窄脉冲经二极管或门混合，就得到对应于220市电过零时刻的同步脉冲。此脉冲一路作为处罚同步脉冲夹道温度控制电路,一路作为计数脉冲加到单片机89C51的输出端。4.键盘操作键盘的扫描方式有三种，即编程扫描工作方式、定时扫描工作方式和中断扫描工作方式。键盘的工作方式介绍如下：（1）编程扫描工作方式：编程扫描工作方式是利用CPU在完成其他工作的空余，调用键盘扫描子程序，来响应键输入要求。
39、将键盘端口分为扫描口和输入口，由扫描口输出状态数据，在输入口读取扫描后的。（2）定时器产生的定时中断（定时扫描工作方式：定时扫描工作方式是利用单片机内部定时例如10ms），CPU响应中断后对键盘进行扫描、并在有键按下时转入键功能处理程序，则可以实现定时扫描。（3）中断扫描工作方式：为了进一步提高键盘接口CPU的工作效率，可以采用中断扫描工作方式。当没有键按下时，/I N T1为高电平；当任意键被按下时，/I N T1变为低电平，向CPU申请中断。若CPU开放外部中断1，则响应中断，执行中断服务程序扫描键盘，并判断是哪个键被按下。面板上键盘包括启动运行、停止运行、复位键及设置时间键。第3章 软件
40、设计模糊PID控制器具有以下一些特点：(1) 算法简单实用，本质上不依赖于系统的数字模型；(2) 可充分利用单片机的软件资源，可靠性高，开发速度快；(3) 克服了传统PID控制器操作的困难，提高了系统的智能化程度；(4) 模糊PID控制器棒性好，具有专家控制器的特点，并可推广应用于其它工作领域。模糊PID控制的基本思想: 在自动控制技术产生以前，人们在生产过程中只能采用手动控制方式.手动控制过程首先是观测被控对象的输出，其次是才民据观测结果作出决策判断，然后手动调整输入。操作工人就是这样不断地观测一决策一调整，从而实现对生产过程的手动控制，这三个步骤分别由人的眼一脑一手来完成.后来，由于科学和
41、技术的进步，人们采用各种测量装置代替人的眼睛，完成对被控量的观测任务;利用各种控制器部分地取代人脑的作用实现比较，综合被控制量与给定量之间的偏差，控制器所给出的输出信号相当于手动过程中的人脑的决策;使用各种执行机构对被控对象施加某种控制作用，这就起到了手动控制中手的调整作用，这就是人们所熟悉的常规负反馈控制系统。 在这种情况下，人们总结了自身的控制行为，正是遵循反馈及负反馈控制的思想，人的手动控制决策可以用语言加以描述，总结成一系列条件语句一控制规则。利用微机程序实现这些控制规则，微机就起到了控制器的作用，于是利用微机取代人可以付被控对象进行自动控制。这样，模糊控制技术相应而生了。模糊控制技术
42、是一种由模糊数学，计算机科学，人工智能，知识工程等多门学科领域相互渗透，理论性很强的科学技术。 综上，相对于传统的控制方法，从被控对象的数学结构上去考虑进行控制，模糊控制的基本思想就是:从人类智能活动的角度和基础上去考虑实施控制.1 模糊PID自整定控制器的设计本控制系统主要完成数据采集、速度显示和速度控制等功能。其中智能模糊控制由单片机完成，并采用规则自整定PID控制算法进行过程控制。整个系统的核心是模糊控制器，AT89C51单片机是控制器的主体模块。电液伺服系统输出的速度信号经传感器和AD转换之后进入单片机，单片机则根据输入的各种命令，并通过模糊控制算法计算控制量，然后将输出信号通过DA转
43、换送给液压伺服系统，从而控制系统的速度。该模糊控制器的硬件框图如图1所示。功率放大传感器电液伺服系统D/A转换A/D转换单片机数码显示键盘给定图1模糊控制器硬件框图模糊控制系统一般可分为四个组成部分: (1)被控对象可以是一种设备或装置以及它们的群体，也可以是一个生产的自然的，社会的，生物的或其他各种的状态转移过程，这些被控对象可以是确定的或模糊的，单变量的或多变量的，有滞后的或无滞后的，也可以是线性的或非线性的，定常的或时变的以及具有强藕合和千扰等多种情况，对于那些难以建立精确数学模型的复杂对象更适合采用模糊控制。 (2)执行和时勺电气的可以是交直流电机，伺服电动机，步进电机等;其它气动的或
44、液压的，如各类气动调节阀和液压马达，液压阀等均可。 (3)控制器模糊拉制系统的核心部分，由于被控对象不同以及对系统的静态、动态特性的要求和所用的控制规则相异，可构成各种类型的控制器:经典控制论中，采用Pm控制器，串并校正器;现代控制论中，状态观测器;智能控制论中，则采用模糊知识表示和规则推理的语言型的模糊控制器，这是模糊控制系统区别于其它自动控制系统的特点所在。实质上一台微型计算机，根据控制系统的需要既可以采用系统机也可采用单片机或单板机。 (4)输入/输出接口装置实际模糊控制系统中，由于被控对象的控 制量以及可观测的状态量是模拟量，因此，模糊控制系统与通常的全数字拉制系统或混合控制系统一样，
45、也必须具有模数，数模转换单元。模糊控制器通过输入/输出接口从被拉对象获得数字量信号，并将模糊控制器决策的输出信号经过数模变换，将其转换为模拟信号送给执行机构去控制被控对象，不同的是在模糊控制系统中，还应该具有模糊 逻辑处理的“模糊化”与“解模糊化”环节这部分，通常也被看作是模糊控制器的输入/输出接口。 (5)测量装置是将被测对象的的各种非电量如电流，温度，压力，速度，浓度等转换为电信号的一类装置。通常由各类数字的或模拟的测量仪器，检测元件或传感器等组成。它在模糊控制系统中占据十分重要的地位，其精度往往影响整个系统的性能指标，因此要求其精度高，可靠性强且稳定性好。模糊控制器的主程序包括初始化、键
46、盘管理及控制模块和显示模块的调用等。温度信号的采集、标度变换、控制算法以及速度显示等功能的实现可由各子程序完成。软件的主要流程是：利用AT89C51单片机调AD转换、标度转换模块以得到速度的反馈信号，然后根据偏差和偏差的变化率计算输入量，再由模糊PID自整定控制算法得出输出控制量。启动、停止可通过键盘并利用外部中断产生，有按键输入则调用中断服务程序。该程序的流程图如图2所示启动停止停机状态启动停止命令吗？数据显示模块模糊PID控制算法模块计算偏差 偏差变换量采样实际速度标度变换开始启动停止命令吗？初始化启动停止图2模糊控制器程序控制流程2 模糊控制器算法研究 采用模糊PID自整定控制的目的是使控制器能够根据实际情况调整比例系数Kp、积分系数Ki和微分系数Kd，以达到调节作用的实时最优。该电液伺服系统的Fuzzy自整定PID控制系统结构如图3所示。y输出量被控对象uk3k2PID调节