畢業(yè)設(shè)計(jì)---基于at89c51單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p>　　基于AT89C51單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著電子科技的發(fā)展，溫度控制在生活中的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，同時(shí)在工業(yè)自動(dòng)化控制中占有非常重要的地位。同時(shí)隨著51單片機(jī)的成熟和普及，51單片機(jī)已經(jīng)應(yīng)用于各行各業(yè)，從溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展來(lái)看，以單片機(jī)為核心構(gòu)成的微機(jī)溫度控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)裝置己經(jīng)成為

2、主要的發(fā)展方向。它根據(jù)用戶所需溫度與設(shè)定溫度之差值來(lái)控制溫度，從而達(dá)到改變用戶所需溫度的目的。有很多控制方案可選。首選方案就是PID控制。</p><p>　　本課題研究AT89C51芯片在溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測(cè)量，并能根據(jù)設(shè)定值對(duì)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)溫控的目的。本文簡(jiǎn)述了溫度控制的原理，介紹了基于AT89C51單片機(jī)的檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，并說(shuō)明了用模糊PID控制方法設(shè)計(jì)出的溫度控制的控制算法及其系統(tǒng)

3、實(shí)現(xiàn)方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的檢測(cè)，顯示和報(bào)警功能。</p><p>　　關(guān)鍵詞：AT89C51 單片機(jī) 溫度控制 PID控制</p><p>　　The temperature control system based on the AT89C51</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　

4、　With the development of the electronic technology, the temperature control is widely used in the application areas of the life, and has the important station in the control of the automation industry. With the maturati

5、on and popularization of the 51 series single-chip, it has used in the every walk of life, From the development of the temperature control system, the main direction of development is micro-computer temperature control s

6、ystem device based on single-chip. It controls the temperatur</p><p>　　The task is to research the applications of AT89C51 chip in the temperature control system, measuring the temperature, and adjusting the

7、 temperature according to the set value, achieving the aim of the temperature control. The paper explains the principle of temperature control, introduces the hard design of detecting system based on single-chip AT89C51,

8、 and illustrates the way and algorithm by fuzzy PID control method to achieve temperature control, display and alarm.</p><p>　　Keywords:AT89C51 ; monolithic computer; temperature control; PID control</p&g

9、t;<p><b>　　目錄 </b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　第一章 緒 論1</b></p><p>　　1.1 選題背景和意義1</p>&l

10、t;p>　　1.2 溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r2</p><p>　　1.3 PID的發(fā)展4</p><p>　　1.4 本文的主要設(shè)計(jì)工作4</p><p>　　第二章 系統(tǒng)分析6</p><p>　　2.1 系統(tǒng)介紹6</p><p>　　2.2 PID控制理論7</p><p&

11、gt;　　2.2.1 模糊PID控制9</p><p>　　2.3 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境10</p><p>　　第三章 硬件電路設(shè)計(jì)16</p><p>　　3.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)16</p><p>　　3.1.1 AT89C51的芯片分析介紹17</p><p>　　3.2溫度檢測(cè)電路22</p>

12、<p>　　3.2.1 傳感器的選擇22</p><p>　　3.2.2 檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)23</p><p>　　3.3電源電路24</p><p>　　3.4顯示電路25</p><p>　　3.4.1 芯片介紹26</p><p>　　3.4.2 LED數(shù)碼管簡(jiǎn)介27</p>&

13、lt;p>　　3.5通信電路30</p><p>　　3.6 繼電器控制電路31</p><p>　　第四章 軟件設(shè)計(jì)33</p><p>　　4.1 程序總體設(shè)計(jì)33</p><p>　　4.2 系統(tǒng)各模塊設(shè)計(jì)40</p><p>　　4.2.1 鍵盤(pán)管理模塊40</p><p&

14、gt;　　4.2.2 顯示模塊42</p><p>　　4.2.3 溫度檢測(cè)模塊42</p><p>　　4.3 本章小結(jié)45</p><p>　　第五章 總結(jié)和展望46</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)47</b></p><p><b>　　致謝50</b>

15、;</p><p>　　附錄 部分驅(qū)動(dòng)程序51</p><p><b>　　第一章 緒 論</b></p><p>　　1.1 選題背景和意義</p><p>　　溫度是生產(chǎn)過(guò)程和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中非常普遍而又十分重要的物理參數(shù)。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，為了高效地進(jìn)行生產(chǎn)，必須對(duì)生產(chǎn)工藝過(guò)程中的主要參數(shù)，如溫度、壓力、流量、速度等進(jìn)

16、行有效的控制，其中溫度控制在生產(chǎn)過(guò)程中占有相當(dāng)大的比例。</p><p>　　我們都知道溫度在工業(yè)自動(dòng)化、家用電器、環(huán)境保護(hù)、安全生產(chǎn)和汽車工業(yè)等部分中，都是最基本的檢測(cè)參數(shù)之一，特別是化學(xué)工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中，一般溫度檢測(cè)占全部檢測(cè)點(diǎn)的50%以上，可見(jiàn)溫度檢測(cè)的重要性所在。而且在我們的日常生活中也使用微波爐、電烤箱、電熱水器、空調(diào)等家用電器，溫度與我們息息相關(guān)。另外在各高等院校的實(shí)驗(yàn)室中，無(wú)不將溫度作為被控參數(shù)，構(gòu)

17、成微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)，供學(xué)生作綜合實(shí)驗(yàn)或課程設(shè)計(jì)?？梢?jiàn)溫度控制電路廣泛應(yīng)用于社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域，所以對(duì)溫度進(jìn)行控制是非常有必要和有意義的。</p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展, 各企業(yè)對(duì)溫度檢測(cè)技術(shù)提出了更高的要求，希望利用新的檢測(cè)方法，制造出適應(yīng)性更強(qiáng)、精度更高、性能更穩(wěn)定、并具有智能功能的新一代溫度檢測(cè)儀表。目前，溫度的自動(dòng)控制系統(tǒng)大多采用的電子式控制方式，主要存在以下兩個(gè)明顯缺點(diǎn):①采用的元器件比較落后，

18、導(dǎo)致電路較為復(fù)雜，使用的邏輯元器件也較多，增加了備件管理和維護(hù)工作的難度；②由于系統(tǒng)整體比較復(fù)雜，同時(shí)模擬儀表的實(shí)現(xiàn)功能的限制， 因此這些溫度控制器都采用了最簡(jiǎn)單的控制規(guī)律，不能提供很好的控制性能。綜合以上的各種不利因素，我們認(rèn)為此類控制系統(tǒng)己經(jīng)無(wú)法滿足日益提高的控制性能需求，必須采用新的控制方式[1]。</p><p>　　現(xiàn)代自動(dòng)控制越來(lái)越朝著智能化發(fā)展，在很多自動(dòng)控制系統(tǒng)中都用到了工控機(jī)，小型機(jī)、甚至是巨型

19、機(jī)處理機(jī)等，當(dāng)然這些處理機(jī)有一個(gè)很大的特點(diǎn)，那就是很高的運(yùn)行速度，很大的內(nèi)存，大量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。但隨之而來(lái)的是巨額的成本。在很多的小型系統(tǒng)中，處理機(jī)的成本占系統(tǒng)成本的比例高達(dá)20%，而對(duì)于這些小型的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，配置一個(gè)如此高速的處理機(jī)沒(méi)有任何必要，因?yàn)檫@些小系統(tǒng)追求經(jīng)濟(jì)效益，而不是最在乎系統(tǒng)的快速性，所以用成本低廉的單片機(jī)控制小型的，而又不是很復(fù)雜，用在不需要大量復(fù)雜運(yùn)算的系統(tǒng)中是非常適合的。</p><p>　　

20、單片機(jī)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用給現(xiàn)代工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域帶來(lái)了一次新的技術(shù)革命，自動(dòng)化、智能化均離不開(kāi)單片機(jī)的應(yīng)用。單片機(jī)的體積小，價(jià)格便宜，功能也不斷在提升，成為工業(yè)技術(shù)改造和新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)較為理想的微控單元核心部件，在信號(hào)檢測(cè)、工業(yè)過(guò)程控制、智能儀器儀表、機(jī)電一體化系統(tǒng)、家用電器等眾多領(lǐng)域都有著十分廣泛的應(yīng)用[2]。將單片機(jī)控制方法運(yùn)用到溫度控制系統(tǒng)中，可以克服溫度控制系統(tǒng)中存在的嚴(yán)重滯后現(xiàn)象，同時(shí)在提高采樣頻率的基礎(chǔ)上可以很大程度的提高控制效果和控制精

21、度。</p><p>　　1.2 溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r</p><p>　　溫度控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中獲得了廣泛的應(yīng)用，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防、科研以及日常生活等領(lǐng)域占有重要的地位。溫度控制系統(tǒng)是人類供熱、取暖的主要設(shè)備的驅(qū)動(dòng)來(lái)源，它的出現(xiàn)迄今已有兩百余年的歷史。期間，從低級(jí)到高級(jí)，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，隨著生產(chǎn)力的發(fā)展和對(duì)溫度控制精度要求的不斷提高，溫度控制系統(tǒng)的控制技術(shù)得到迅速發(fā)展。當(dāng)前比較流行的

22、溫度控制系統(tǒng)有基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)，基于PLC 的溫度控制系統(tǒng)，基于工控機(jī)（IPC）的溫度控制系統(tǒng)，集散型溫度控制系統(tǒng)（DCS），現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）等。</p><p>　　單片機(jī)的發(fā)展歷史雖不長(zhǎng)，但它憑著體積小，成本低，功能強(qiáng)大和可靠性高等特點(diǎn)，已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。單片機(jī)已經(jīng)由開(kāi)始的4位機(jī)發(fā)展到32位機(jī)，其性能進(jìn)一步得到改善。基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，工作精度高。但相對(duì)其他溫度系

23、統(tǒng)而言，單片機(jī)響應(yīng)速度慢、中斷源少，不利于在復(fù)雜的，高要求的系統(tǒng)中使用。</p><p>　　PLC是一種數(shù)字控制專用電子計(jì)算機(jī)，它使用了可編程序存儲(chǔ)器儲(chǔ)存指令，執(zhí)行諸如邏輯、順序、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)與演算等功能，并通過(guò)模擬和數(shù)字輸入、輸出等組 件，控制各種機(jī)械或工作程序。PLC可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單，易于被工程人員掌握和使用，目前在工業(yè)領(lǐng)域上被廣泛應(yīng)用。相對(duì)于 IPC，DCS，F(xiàn)SC等系統(tǒng)而言，PLC是具有成

24、本上的優(yōu)勢(shì)。因此，PLC占領(lǐng)著很大的市場(chǎng)份額，其前景也很有前途。</p><p>　　工控機(jī)（IPC）即工業(yè)用個(gè)人計(jì)算機(jī)。IPC的性能可靠、軟件豐富、價(jià)格低廉，應(yīng)用日趨廣泛。它能夠適應(yīng)多種工業(yè)惡劣環(huán)境，抗振動(dòng)、抗高溫、防灰塵，防電磁輻射。過(guò)去工業(yè)鍋爐大多用人工結(jié)合常規(guī)儀表監(jiān)控，一般較難達(dá)到滿意的結(jié)果，原因是工業(yè)鍋爐的燃燒系統(tǒng)是一個(gè)多變量輸入的復(fù)雜系統(tǒng)。影響燃燒的因素十分復(fù)雜，較正確的數(shù)學(xué)模型不易建立，以經(jīng)典的PI

25、D為基礎(chǔ)的常規(guī)儀表控制，已很難達(dá)到最佳狀態(tài)。而計(jì)算機(jī)提供了諸如數(shù)字濾波，積分分離PID，選擇性PID。 參數(shù)自整定等各種靈活算法，以及“模糊判斷”功能，是常規(guī)儀表和人力難以實(shí)現(xiàn)或無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。在工業(yè)鍋爐溫度檢測(cè)控制系統(tǒng)中采用工控機(jī)可大大改善對(duì)鍋爐的監(jiān)控品質(zhì)，提高了平均熱效率。但如果單獨(dú)采用工控機(jī)作為控制系統(tǒng)，又有易干擾和可靠性差的缺點(diǎn)。 </p><p>　　集散型溫度控制系統(tǒng)（DCS）是一種功能上分散，管理上集中

26、的新型控制系統(tǒng)。與常規(guī)儀表相比具有豐富的監(jiān)控、協(xié)調(diào)管理功能等特點(diǎn)。DCS的關(guān)鍵是通信，也可以說(shuō)數(shù)據(jù)公路是分散控制系統(tǒng)DCS的脊柱。由于它的任務(wù)是為系統(tǒng)所有部件之間提供通信網(wǎng)絡(luò)，因此，數(shù)據(jù)公路自身的設(shè)計(jì)就決定了總體的靈活性和安全性。基本DCS的溫度控制系統(tǒng)提供了生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和管理水平，能減少操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，有助于提高系統(tǒng)的效率。但DCS在設(shè)備配置上要求網(wǎng)絡(luò)、控制器、電源甚至模件等都為冗余結(jié)構(gòu)，支持無(wú)擾切換和帶電插拔，由于設(shè)計(jì)上的高

27、要求，導(dǎo)致了DCS成本太高。 </p><p>　　現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）綜合了數(shù)字通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能儀表等多種技術(shù)手段的系統(tǒng)。其優(yōu)勢(shì)在于網(wǎng)絡(luò)化、分散化控制?；诳偩€控制系統(tǒng)（FCS）的溫度控制系統(tǒng)具有高精度、高智能、便于管理等特點(diǎn)，F(xiàn)CS系統(tǒng)由于信息處理現(xiàn)場(chǎng)化，能直接執(zhí)行傳感、控制、報(bào)警和計(jì)算功能。而且它可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)裝置(含變送器、執(zhí)行器等)進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷、維護(hù)和組態(tài)，這是其他

28、系統(tǒng)無(wú)法達(dá)到的。但是FCS還沒(méi)有完全成熟，它才剛剛進(jìn)入實(shí)用化的現(xiàn)階段，另一方面，目前現(xiàn)場(chǎng)總線的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)共有12種之多，這給FSC的廣泛應(yīng)用添加了很大的阻力。</p><p>　　各種溫度系統(tǒng)都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，用戶需要根據(jù)實(shí)際需要選擇系統(tǒng)配置，當(dāng)然，在實(shí)際運(yùn)用中，為了達(dá)到更好的控制系統(tǒng)可以采取多個(gè)系統(tǒng)的集成，做到互補(bǔ)長(zhǎng)短。</p><p>　　溫度控制系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用雖然已經(jīng)十分廣泛

29、，但從生產(chǎn)的溫度控制器來(lái)講，總體發(fā)展水平仍然不高，同日本、美國(guó)、德國(guó)等先進(jìn)國(guó)家相比有著較大差距。成熟產(chǎn)品主要以“點(diǎn)位”控制及常規(guī)的PID控制器為主。它只能適應(yīng)一般溫度系統(tǒng)控制，難于控制滯后、復(fù)雜、時(shí)變溫度系統(tǒng)控制。而適應(yīng)于較高控制場(chǎng)合的智能化、自適應(yīng)控制儀表，國(guó)內(nèi)技術(shù)還不十分成熟，形成商品化并在儀表控制參數(shù)的自整定方面，國(guó)外已有較多的成熟產(chǎn)品。但由于國(guó)外技術(shù)保密及我國(guó)開(kāi)發(fā)工作的滯后，還沒(méi)有開(kāi)發(fā)出性能可靠的自整定軟件。控制參數(shù)大多靠人工經(jīng)

30、驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試確定。國(guó)外溫度控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在智能化、自適應(yīng)、參數(shù)自整定等方面取得成果。日本、美國(guó)、德國(guó)、瑞典等技術(shù)領(lǐng)先，都生產(chǎn)出了一批商品化的、性能優(yōu)異的溫度控制器及儀器儀表，并在各行業(yè)廣泛應(yīng)用。目前，國(guó)外溫度控制系統(tǒng)及儀表正朝著高精度、智能化、小型化等方面快速發(fā)展。</p><p>　　1.3 PID的發(fā)展</p><p>　　PID的發(fā)展過(guò)程，很大程度上是它的參數(shù)整定方法和參數(shù)自適

31、應(yīng)方法的研究過(guò)程。</p><p>　　自ziegler和Nichol:提出PID參數(shù)整定方法起，有許多技術(shù)已經(jīng)被用于PID控制器的手動(dòng)和自動(dòng)整定。根據(jù)發(fā)展階段的劃分，可分為常規(guī)PID參數(shù)整定方法及智能PID參數(shù)整定方法;按照被控對(duì)象個(gè)數(shù)來(lái)劃分，可分為單變量PID參數(shù)整定方法及多變量PID參數(shù)整定方法，前者包括現(xiàn)有大多數(shù)整定方法，后者是最近研究的熱點(diǎn)及難點(diǎn)；按控制量的組合形式來(lái)劃分，可分為線性PID參數(shù)整定方法及

32、非線性PID參數(shù)整定方法，前者用于經(jīng)典PID調(diào)節(jié)器，后者用于由非線性跟蹤—微分器和非線性組合方式生成的非線性PID控制器。從目前PID參數(shù)整定方法的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀來(lái)看，以下幾個(gè)方面將是今后一段時(shí)間內(nèi)研究和實(shí)踐的重點(diǎn)。</p><p>　?、賹?duì)于單入單出被控對(duì)象，需要研究針對(duì)不穩(wěn)定對(duì)象或被控過(guò)程存在較大干擾情況下的PID參數(shù)整定方法，使其在初始化、抗干擾和魯棒性能方面進(jìn)一步增強(qiáng)，使用最少量的過(guò)程信息及較簡(jiǎn)單的操作就

33、能較好地完成整定。</p><p>　?、趯?duì)于多入多出被控對(duì)象，需要研究針對(duì)具有顯著藕合的多變量過(guò)程的多變量PID參數(shù)整定方法，盡可能減少所需先驗(yàn)信息量，使其易于在線整定。</p><p>　?、壑悄躊ID控制技術(shù)有待進(jìn)一步研究，將自適應(yīng)和自整定有機(jī)結(jié)合，使其具有自動(dòng)診斷功能;結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)、直覺(jué)推理邏輯等專家系統(tǒng)思想和方法對(duì)原有PID控制器設(shè)計(jì)思想及整定方法進(jìn)行改進(jìn);將預(yù)測(cè)控制、模糊控

34、制等智能控制和PID控制相結(jié)合，進(jìn)一步提高控制系統(tǒng)性能。這些都是智能PID控制發(fā)展的極有前途的方向。</p><p>　　1.4 本文的主要設(shè)計(jì)工作</p><p>　　本文首先對(duì)基于AT89C51單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測(cè)量，并能根據(jù)設(shè)定值對(duì)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到溫控的目的。系統(tǒng)主要包括單片機(jī)控制模塊，溫度采集模塊，溫度顯示模塊和執(zhí)行模塊等四大部分。采用RS485串行通信

35、協(xié)議，這里主要介紹了這四大模塊和電路的設(shè)計(jì)。然后完成軟件設(shè)計(jì)，控制算法基于數(shù)字PID算法。本論文考慮采用模糊PID控制。通過(guò)設(shè)計(jì)、研究，提高了溫度控制系統(tǒng)的性能。</p><p>　　單片機(jī)控制模塊即是指AT89C51，本設(shè)計(jì)是以計(jì)算機(jī)為控制系統(tǒng)的上位主機(jī)，負(fù)責(zé)從鍵盤(pán)接收指令，由串行口輸出后，再經(jīng)過(guò)接口電路發(fā)送到單片機(jī)；AT89C51作為下位控制，主用來(lái)接收和解釋上位機(jī)發(fā)來(lái)的指令，控制溫度在規(guī)定的范圍內(nèi)。即驅(qū)動(dòng)電

36、路的核心為：以AT89C51單片機(jī)為控制中心，一方面通過(guò)計(jì)算機(jī)通信設(shè)置，另一方面解釋輸入指令并執(zhí)行。</p><p><b>　　第二章 系統(tǒng)分析</b></p><p><b>　　2.1 系統(tǒng)介紹</b></p><p>　　溫度控制系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)溫度的控制以及顯示，主要可以將系統(tǒng)規(guī)劃為以下幾個(gè)模塊，如圖2-1所

37、示。</p><p>　　圖2-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p><b>　　1.硬件部分</b></p><p>　　單片機(jī)控制部分是指AT89C51芯片，來(lái)控制主要的程序。溫度顯示模塊采用傳感器，直接采集溫度傳入單片機(jī)。溫度顯示模塊是來(lái)顯示當(dāng)前的溫度值和所設(shè)定的溫度值，采用LED（數(shù)碼管）顯示。在執(zhí)行模塊本設(shè)計(jì)采用繼電器加熱，即溫度低于所設(shè)

38、定的溫度值時(shí)啟動(dòng)繼電器加熱，使溫度上升達(dá)到要求。這些模塊在后面的硬件電路設(shè)計(jì)中會(huì)進(jìn)行詳細(xì)的介紹。硬件開(kāi)發(fā)工具為Protel99se/cadence。</p><p><b>　　2.軟件部分</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)的控制算法是基于數(shù)字PID算法，軟件采用結(jié)構(gòu)化模塊程序設(shè)計(jì)，應(yīng)用程序主要由主程序、中斷服務(wù)程序和各子程序組成。在后面的軟件設(shè)計(jì)中會(huì)進(jìn)行詳細(xì)的介紹

39、。軟件編譯環(huán)境使用KeilC51軟件。</p><p>　　2.2 PID控制理論</p><p>　　PID控制器是一種比例、積分、微分并聯(lián)控制器。它是最廣泛應(yīng)用的一種控制器。PID控制器的數(shù)學(xué)模型可以用下面的表達(dá)式表示：</p><p><b>　　（2-1）</b></p><p>　　其中：u(t)為控制器的輸出

40、</p><p>　　e(t)為控制器輸入，它是給定值和被控對(duì)象輸出值的差，稱偏差信號(hào)</p><p>　　Kp為控制器的比例系數(shù)</p><p>　　Ti為控制器的積分時(shí)間</p><p>　　Td為控制器的微分時(shí)間</p><p>　　在PID控制器中，他的數(shù)學(xué)模型由比例、積分、微分三部分組成。這三部分分別是：&l

41、t;/p><p><b>　　(1)比例部分</b></p><p>　　比例部分?jǐn)?shù)學(xué)式表示如下：</p><p>　　偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即有控制作用，使控制量朝著減小偏差的方向變化，控制作用強(qiáng)弱取決于比例系數(shù)Kp，Kp越大，則過(guò)渡過(guò)程越短，控制結(jié)果的穩(wěn)態(tài)誤差也越??；但Kp越大，超調(diào)量也越大，越容易產(chǎn)生振蕩，導(dǎo)致動(dòng)態(tài)性能變壞，甚至?xí)归]環(huán)系統(tǒng)不

42、穩(wěn)定。故而，比例系數(shù)Kp，選擇必須適當(dāng)才能取得過(guò)渡時(shí)間少、穩(wěn)態(tài)誤差小而又穩(wěn)定的效果。</p><p><b>　　(2)積分部分</b></p><p>　　積分部分?jǐn)?shù)學(xué)表達(dá)式表示如下：</p><p>　　從積分部分的數(shù)學(xué)表達(dá)式可以知道，只要存在偏差，則它的控制作用就會(huì)不斷地積累，輸出控制量以消除偏差?？梢?jiàn)，積分部分的作用可以消除系統(tǒng)的偏差。

43、可是積分作用具有滯后特性，積分控制作用太強(qiáng)會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)加大，控制的動(dòng)態(tài)性能變差，甚至?xí)归]環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。</p><p>　　積分時(shí)間T i，對(duì)積分部分的作用影響極大。當(dāng)T i，較大時(shí)，則積分作用較弱，這時(shí)，有利于系統(tǒng)減小超調(diào)，過(guò)渡過(guò)程不易產(chǎn)生振蕩。但是消除靜差所需的時(shí)間較長(zhǎng)。當(dāng)T i較小時(shí)，則積分作用較強(qiáng)。這時(shí)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程中有可能產(chǎn)生振蕩，但消除靜差所需的時(shí)間較短。</p><p>&l

44、t;b>　　(3)微分部分</b></p><p>　　微分部分?jǐn)?shù)學(xué)表達(dá)式表示如下：</p><p>　　微分控制敏感出偏差的變化趨勢(shì)，增大微分控制作用可加快系統(tǒng)響應(yīng)，減小超調(diào)量，克服振蕩，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但使系統(tǒng)抑制干擾的能力降低。微分部分的作用強(qiáng)弱由微分時(shí)間Td決定。Td越大，則它抑制e(t)變化的作用越強(qiáng)，Td越小，它反抗e(t)變化的作用越弱。它對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有

45、很大的影響。</p><p>　　在計(jì)算機(jī)直接數(shù)字控制系統(tǒng)中，PID控制器是通過(guò)計(jì)算機(jī)PID控制算法程序?qū)崿F(xiàn)的。計(jì)算機(jī)直接數(shù)字控制系統(tǒng)大多數(shù)是采樣數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)。進(jìn)入計(jì)算機(jī)的連續(xù)時(shí)間信號(hào)，必須經(jīng)過(guò)采樣和整量化后，變成數(shù)字量，方能進(jìn)入計(jì)算機(jī)的存貯器和寄存器，而在數(shù)字計(jì)算機(jī)中的計(jì)算和處理，不論是積分還是微分，只能用數(shù)值計(jì)算去逼近。在數(shù)字計(jì)算機(jī)中，PID控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)，也必須用數(shù)值逼近的方法。當(dāng)采樣周期相當(dāng)短時(shí)，用求和代

46、替積分，用差商代替微商，使PID算法離散化，將描述連續(xù)時(shí)間算法的微分方程，變?yōu)槊枋鲭x散一時(shí)間PID算法的差分方程，即為數(shù)字PID位置型控制算式，如下式(2-2)：</p><p><b>　　(2-2)</b></p><p>　　式中：u(k)為k采樣周期時(shí)的輸出</p><p>　　e(k)為k采樣周期時(shí)的偏差</p><

47、;p><b>　　Ts為采樣周期</b></p><p>　　令KI=KpTs/Ti, KD=KpTd/Ts,即有</p><p><b>　　(2-3)</b></p><p>　　其中Kp、KI、KD分別為比例、積分、微分系數(shù)。</p><p>　　PID控制是迄今為止最通用的控制方法。大

48、多數(shù)反饋控制用該方法或其較小的變形來(lái)控制。PID調(diào)節(jié)器及其改進(jìn)型是在工業(yè)過(guò)程控制中最常見(jiàn)的控制器(至今在全世界過(guò)程控制中用的84%仍是純PID調(diào)節(jié)器，若改進(jìn)型包含在內(nèi)則超過(guò)90%)。我們今天所熟知的PID控制器產(chǎn)生并發(fā)展于1915-1940年期間。盡管自1940年以來(lái)，許多先進(jìn)控制方法不斷推出，但PID控制器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，及易于操作等優(yōu)點(diǎn)，仍被廣泛應(yīng)用于冶金、化工、電力、輕工和機(jī)械等工業(yè)過(guò)程控制中。</p><p&g

49、t;　　2.2.1 模糊PID控制 </p><p>　　常規(guī)的二維模糊控制器是以偏差和偏差變化作為輸入變量，因此，一般認(rèn)為這種控制器具有Fuzzy比例和微分控制作用，而缺少Fuzzy積分控制作用，眾所周知，在線性控制理論中，積分控制作用能消除穩(wěn)態(tài)誤差，但動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢；比例控制作用動(dòng)態(tài)響應(yīng)快；而比例積分控制作用既能獲得較高的穩(wěn)態(tài)精度，又能具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。故把PI(PID)控制策略引入模糊控制器，構(gòu)成Fuzzy-

50、PI(或PID)復(fù)合控制，使動(dòng)靜態(tài)性能都得到很好的改善，即達(dá)到動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，超調(diào)小、穩(wěn)態(tài)誤差小。</p><p>　　模糊控制和PID控制結(jié)合的形式有多種：</p><p>　　(1)模糊-PID復(fù)合控制</p><p>　　控制策略是:在大偏差范圍內(nèi)，即偏差e在某個(gè)閉值之外時(shí)采用模糊控制，以獲得良好的瞬態(tài)性能:在小偏差范圍內(nèi)，即e落到闡值之內(nèi)時(shí)轉(zhuǎn)換成PID(或PI)

51、控制，以獲得良好的穩(wěn)態(tài)性能。二者的轉(zhuǎn)換闡值由微機(jī)程序根據(jù)事先給定的偏差范圍自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。常用的是模糊控制和PI控制兩種控制模式相結(jié)合的控制方法稱之為Fuzzy-PI雙模控制。</p><p>　　(2)比例-模糊-PI控制</p><p>　　當(dāng)偏差e大于某個(gè)閾值時(shí)，用比例控制，以提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，加快響應(yīng)過(guò)程；當(dāng)偏差e減小到閉值以下時(shí)，切換轉(zhuǎn)入模糊控制，以提高系統(tǒng)的阻尼性能，減小響應(yīng)過(guò)程中的

52、超調(diào)。在該方法中，模糊控制的論域僅是整個(gè)論域的一部分，這就相當(dāng)于模糊控制論域被壓縮，等效于語(yǔ)言變量的語(yǔ)言值即分檔數(shù)增加，提高了靈敏度和控制精度。但是模糊控制沒(méi)有積分環(huán)節(jié)，必然存在穩(wěn)態(tài)誤差，即可能在平衡點(diǎn)附近出現(xiàn)小振幅的振蕩現(xiàn)象。故在接近穩(wěn)態(tài)點(diǎn)時(shí)切換成PI控制，一般都選在偏差語(yǔ)言變量的語(yǔ)言值為零時(shí)，(這時(shí)絕對(duì)誤差實(shí)際上并不一定為零)切換至PI控制。</p><p>　　(3)模糊-積分混合控制</p>

53、<p>　　模糊-積分混合控制是將常規(guī)積分控制器和模糊控制器并聯(lián)構(gòu)成的。</p><p>　　(4)參數(shù)模糊自整定PID控制</p><p>　　PID控制的關(guān)鍵是確定PID參數(shù)，該方法是用模糊控制來(lái)確定PID參數(shù)的，也就是根據(jù)系統(tǒng)偏差e和偏差變化率ec，用模糊控制規(guī)則在線對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行修改。其實(shí)現(xiàn)思想是先找出PID各個(gè)參數(shù)與偏差e和偏差變化率ec之間的模糊關(guān)系，在運(yùn)行中通過(guò)

54、不斷檢測(cè)e和ec，在根據(jù)模糊控制原理來(lái)對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線修改，以滿足在不同e和ec對(duì)控制參數(shù)的不同要求，使控制對(duì)象具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能，且計(jì)算量小，易于用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。其原理框圖如圖2-2所示：</p><p>　　圖2-2 參數(shù)模糊自整定PID控制算法原理圖</p><p>　　2.3 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境</p><p>　　1．Protel99 SE軟件</p&

55、gt;<p>　　Protel公司近10年來(lái)致力于Windows平臺(tái)開(kāi)發(fā)的最新結(jié)晶,能實(shí)現(xiàn)從電學(xué)概念設(shè)計(jì)到輸出物理生產(chǎn)數(shù)據(jù),以及這之間的所有分析、驗(yàn)證和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)管理。因而今天的Protel最新產(chǎn)品已不是單純的PCB（印制電路板）設(shè)計(jì)工具,而是一個(gè)系統(tǒng)工具,覆蓋了以PCB為核心的整個(gè)物理設(shè)計(jì)。 最新版本的Protel軟件可以毫無(wú)障礙地讀Orcad、Pads、Accel(PCAD)等知名EDA公司設(shè)計(jì)文件,以便用戶順利過(guò)渡到新

56、的EDA平臺(tái)。</p><p>　　Protel99 SE主要由原理圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)、印制電路板設(shè)計(jì)系統(tǒng)兩大部分組成。</p><p>　?。?）原理圖設(shè)計(jì)系統(tǒng) </p><p>　　這是一個(gè)易于使用的具有大量元件庫(kù)的原理圖編輯器，主要用于原理圖的設(shè)計(jì)。它可以為印制電路板設(shè)計(jì)提供網(wǎng)絡(luò)表。該編輯器除了具有強(qiáng)大的原理圖編輯功能以外，其分層組織設(shè)計(jì)功能、設(shè)計(jì)同步器、豐富的電氣設(shè)

57、計(jì)檢驗(yàn)功能及強(qiáng)大而完善的打印輸出功能，使用戶可以輕松完成所需的設(shè)計(jì)任務(wù)。 </p><p>　?。?）印制電路板設(shè)計(jì)系統(tǒng)</p><p>　　它是一個(gè)功能強(qiáng)大的印制電路板設(shè)計(jì)編輯器，具有非常專業(yè)的交互式布線及元件布局的特點(diǎn)，用于印制電路板（PCB）的設(shè)計(jì)并最終產(chǎn)生PCB文件，直接關(guān)系到印制電路板的生產(chǎn)。Protel99SE的印制電路板設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以進(jìn)行多達(dá)32層信號(hào)層、16層內(nèi)部電源/接地

58、層的布線設(shè)計(jì)，交互式的元件布置工具極大地減少了印制板設(shè)計(jì)的時(shí)間。 </p><p>　　同時(shí)它還包含一個(gè)具有專業(yè)水準(zhǔn)的PCB信號(hào)完整性分析工具、功能強(qiáng)大的打印管理系統(tǒng)、一個(gè)先進(jìn)的PCB三維視圖預(yù)覽工具。 此外，Protel99SE還包含一個(gè)功能強(qiáng)大的基于SPICE 3f5的模/數(shù)混合信號(hào)仿真器，使設(shè)計(jì)者可以方便地在設(shè)計(jì)中對(duì)一組混合信號(hào)進(jìn)行仿真分析。 同時(shí)，它還提供了一個(gè)高效、通用的可編程邏輯器件設(shè)計(jì)工具。<

59、/p><p>　　Protel99 SE共分5個(gè)模塊,分別是原理圖設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)（包含信號(hào)完整性分析）、自動(dòng)布線器、原理圖混合信號(hào)仿真、PLD設(shè)計(jì)。 以下介紹一些Protel99SE的部分最新功能： </p><p>　　◆可生成30多種格式的電氣連接網(wǎng)絡(luò)表；</p><p>　　◆強(qiáng)大的全局編輯功能；</p><p>　　◆在原理圖中選擇一

60、級(jí)器件，PCB中同樣的器件也將被選中；</p><p>　　◆同時(shí)運(yùn)行原理圖和PCB，在打開(kāi)的原理圖和PCB圖間允許雙向交叉查找元器件、引腳、網(wǎng)絡(luò)； 　　</p><p>　　◆既可以進(jìn)行正向注釋元器件標(biāo)號(hào)（由原理圖到PCB），也可以進(jìn)行反向注釋（由PCB到原理圖），以保持電氣原理圖和PCB在設(shè)計(jì)上的一致性； 　　</p><p>　　◆滿足國(guó)際化設(shè)計(jì)要求（包括國(guó)標(biāo)

61、標(biāo)題欄輸出,GB4728國(guó)標(biāo)庫(kù)）；方便易用的數(shù)模混合仿真（兼容SPICE 3f5）；</p><p>　　◆支持用CUPL語(yǔ)言和原理圖設(shè)計(jì)PLD,生成標(biāo)準(zhǔn)的JED下載文件；PCB可設(shè)計(jì)32個(gè)信號(hào)層，16個(gè)電源-地層和16個(gè)機(jī)加工層；</p><p>　　◆強(qiáng)大的“規(guī)則驅(qū)動(dòng)”設(shè)計(jì)環(huán)境，符合在線的和批處理的設(shè)計(jì)規(guī)則檢查；</p><p>　　◆智能覆銅功能，覆鈾可以自動(dòng)

62、重鋪；</p><p>　　◆提供大量的工業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)電路板做為設(shè)計(jì)模版；</p><p>　　◆放置漢字功能； 　　</p><p>　　◆可以輸入和輸出DXF、DWG格式文件,實(shí)現(xiàn)和AutoCAD等軟件的數(shù)據(jù)交換；</p><p>　　◆智能封裝導(dǎo)航（對(duì)于建立復(fù)雜的PGA、BGA封裝很有用）；</p><p>　　◆方

63、便的打印預(yù)覽功能,不用修改PCB文件就可以直接控制打印結(jié)果； 　　</p><p>　　◆獨(dú)特的3D顯示可以在制板之前看到裝配事物的效果； 　　</p><p>　　◆強(qiáng)大的CAM處理使您輕松實(shí)現(xiàn)輸出光繪文件、材料清單、鉆孔文件、貼片機(jī)文件、測(cè)試點(diǎn)報(bào)告等； 　　</p><p>　　◆經(jīng)過(guò)充分驗(yàn)證的傳輸線特性和仿真精確計(jì)算的算法，信號(hào)完整性分析直接從PCB啟動(dòng)； &

64、lt;/p><p>　　◆反射和串?dāng)_仿真的波形顯示結(jié)果與便利的測(cè)量工具相結(jié)合；</p><p>　　下面簡(jiǎn)單介紹Protel99se的使用，首先新建設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)文件，點(diǎn)擊File(文件)中new項(xiàng)，新建設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)（如圖2-3）。</p><p><b>　　圖2-3 界面</b></p><p>　　在Browse選項(xiàng)中選取需

65、要存儲(chǔ)的文件夾，然后點(diǎn)擊OK即可建立自己的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)。</p><p><b>　　圖2-4 操作界面</b></p><p>　　圖2-5 Protel99SE界面圖</p><p>　　2. KeilC51軟件簡(jiǎn)介</p><p>　　KeilC51是美國(guó)Keil Software 公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語(yǔ)言

66、軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比C語(yǔ)言在功能上，結(jié)構(gòu)性，可讀性，可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而易學(xué)易用。用過(guò)匯編語(yǔ)言后再使用C來(lái)開(kāi)發(fā)，體會(huì)更加深刻。Keil C51軟件提供豐富的庫(kù)函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開(kāi)發(fā)調(diào)試工具，Windows 界面。另外重要的一點(diǎn)，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會(huì)到Keil C51生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語(yǔ)句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開(kāi)發(fā)大型軟件時(shí)更能體現(xiàn)高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)。這個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境包含：編譯器，匯

67、編器，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，項(xiàng)目管理器，調(diào)試器。uVision2 IDE可為它們提供單一而靈活的開(kāi)發(fā)環(huán)境。uVision2包含一個(gè)器件數(shù)據(jù)庫(kù)(device database)，可以自動(dòng)設(shè)置匯編器、編譯器、連接定位器及調(diào)試器選項(xiàng)，來(lái)滿足用戶充分利用特定微控制器的要求。此數(shù)據(jù)庫(kù)包含：片上存儲(chǔ)器和外圍設(shè)備的信息，擴(kuò)展數(shù)據(jù)指針(extra data pointer)或者加速器(math accelera

68、tor)的特性。</p><p>　　C51編譯器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)8051系列所有資源的操作。SFR的存取由sfr和sbit兩個(gè)關(guān)鍵字來(lái)提供。變量可旋轉(zhuǎn)到任一個(gè)地址空間。C51允許用戶使用C語(yǔ)言編寫(xiě)中斷服務(wù)程序，快速進(jìn)、出代碼和寄存器區(qū)的轉(zhuǎn)換功能使C語(yǔ)言中斷功能更加高效。 可再入功能是用關(guān)鍵字來(lái)定義的。多任務(wù)，中斷或非中斷的代碼要求必須具備可再入功能。 </p><p>　　

69、C51工具包的整體結(jié)構(gòu)，如圖2-6，其中 uVision 與 Ishell 分別是 C51 for Windows 和for Dos 的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)，可以完成編輯，編譯，連接，調(diào)試，仿真等整個(gè)開(kāi)發(fā)流程。開(kāi)發(fā)人員可用 IDE 本身或其它編輯器編輯 C 或匯編源文件.然后分別由C51及A51編譯器編譯 生成目標(biāo)文件(.OBJ).目標(biāo)文件可由 LIB51 創(chuàng)建生成庫(kù)文件，也可以與庫(kù)文件一起經(jīng)L51連接定位生成絕對(duì)目標(biāo)文件(.ABS)

70、.ABS 文件由 OH51 轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的 Hex 文件，以供調(diào)試器 dScope51或 tScope51使用進(jìn)行源代碼級(jí)調(diào)試，也可由仿真器使用直接對(duì)目標(biāo)板進(jìn)行調(diào)試，也可以直接寫(xiě)入程序存貯器如 EPROM中。</p><p><b>　　圖2-6整體結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　Keil公司的uVision3整合式開(kāi)發(fā)環(huán)境（integrated developmen

71、t environment，簡(jiǎn)稱IDE）是一套相當(dāng)好用的8051開(kāi)發(fā)軟件，在整合式開(kāi)發(fā)環(huán)境里，包括項(xiàng)目管理器（project manage）、源程序編輯器（editor）、組譯器（assembler）、編譯器（complier）、鏈接器（linker/locator）、調(diào)試器（debugger）等，我們可以從建立設(shè)計(jì)項(xiàng)目開(kāi)始，然后編輯源程序（C語(yǔ)言或匯編語(yǔ)言）、編譯、組譯、鏈接，再進(jìn)行調(diào)試，而調(diào)試就是一種程序功能仿真。當(dāng)然，還能生成在線

72、仿真或燒錄到芯片所需要的HEX文件等。</p><p>　　源代碼由uVision3 IDE創(chuàng)建并被C51編譯或A51匯編編譯器和匯編器從源代碼生成可重定位的目標(biāo)文件 Keil C51編譯器完全遵照ANSI C語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)支持C語(yǔ)言的所有標(biāo)準(zhǔn)特性另外直接支持8051結(jié)構(gòu)的幾個(gè)特性被添加到里面Keil A51宏匯編器支持8051及其派生系列的全部指令集。</p><p>　　uVision3源代

73、碼級(jí)調(diào)試器是一個(gè)理想地快速可靠的程序調(diào)試器此調(diào)試器包含一個(gè)高速模擬器能夠讓你模擬整個(gè)8051系統(tǒng)包括片上外圍器件和外部硬件當(dāng)你從器件庫(kù)中選擇器件時(shí)這個(gè)器件的特性將自動(dòng)配置 uVision3調(diào)試器為你在實(shí)際目標(biāo)板上測(cè)試你的程序提供了幾種方法安裝MON51目標(biāo)監(jiān)控器到你的目標(biāo)系統(tǒng)并且通過(guò)Monitor-51接口下載你的程序利用高級(jí)的GDIAGDI接口把uVision3調(diào)試器綁定到你的目標(biāo)系統(tǒng)。</p><p>　　u

74、Vision3調(diào)試器支持用Monitor-51進(jìn)行目標(biāo)板調(diào)試此監(jiān)控程序駐留在你的目標(biāo)板的存儲(chǔ)器里它利用串口和uVision3調(diào)試器進(jìn)行通信利用Monitor-51uVision3調(diào)試器可以對(duì)你的目標(biāo)硬件實(shí)行源代碼級(jí)的調(diào)試。</p><p>　　Keil uVision3作為自動(dòng)控制工程師的常用工具軟件，在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真中具有重要的地位。以其方便的圖形界面，對(duì)各種控制工具包的支持，成為控制工程首選的設(shè)計(jì)軟件。&

75、lt;/p><p>　　第三章 硬件電路設(shè)計(jì)</p><p><b>　　3.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)是基于AT89C51單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)測(cè)量控制顯示裝置，控制模塊是整個(gè)設(shè)計(jì)方案的核心，它控制了溫度的采集、處理與顯示、溫度上下限值的設(shè)定與溫度越限時(shí)繼電器加熱的啟動(dòng)。系統(tǒng)主要包括控制模塊，溫度采集模塊，溫度顯示模塊和執(zhí)行模

76、塊等部分。</p><p><b>　　圖3-1系統(tǒng)方框圖</b></p><p><b>　　原理圖工作簡(jiǎn)介：</b></p><p>　　單片機(jī)AT89C51 能夠根據(jù)SMARTEC溫度傳感器所采集的溫度數(shù)據(jù)來(lái)控制是否啟動(dòng)繼電器加熱，從而把溫度控制在設(shè)定的范圍之內(nèi)。TXD、RXD作為串行數(shù)據(jù)輸入和輸出線。當(dāng)溫度低于設(shè)定

77、的下限時(shí)，單片機(jī)啟動(dòng)繼電器加熱。溫度的增減由PC機(jī)控制。數(shù)據(jù)送到單片機(jī)控制模塊執(zhí)行，并將執(zhí)行的結(jié)果通過(guò)75176返回到PC機(jī)中。單片機(jī)將SMARTEC測(cè)到的經(jīng)程序換算過(guò)的溫度從4511的數(shù)據(jù)輸入端口A，B，C，D送入到LED中顯示出來(lái)。當(dāng)溫度低于設(shè)定的下限或高于上限時(shí)，由2003大電流驅(qū)動(dòng)的蜂鳴器就會(huì)發(fā)出響聲，起到報(bào)警的作用。這即是其實(shí)現(xiàn)的功能。原理圖如下：</p><p><b>　　圖3-2電路圖&

78、lt;/b></p><p>　　3.1.1 AT89C51的芯片分析介紹 </p><p>　　8051源自Intel公司的MCS-51系列芯片，目前采用的8051以其他廠商所發(fā)行的兼容芯片為主，如Atmel公司的89C51/89s51系列。Atmel公司生產(chǎn)的AT89C51單片機(jī)因?yàn)閮?nèi)置了Flash存儲(chǔ)器及其他性能的改進(jìn)加上低廉的價(jià)格，曾一度成為國(guó)內(nèi)MCS-51單片機(jī)的代名詞。&

79、lt;/p><p>　　AT89C51是一種低功耗/低電壓、高性能的8位單片機(jī)。片內(nèi)帶有一個(gè)4KB的FLASH可編程、可擦除只讀存儲(chǔ)器（EPRAOM）。它采用了CMOS工藝和ATMEL公司的高密度非易失性存儲(chǔ)器（NURAM）技術(shù)，而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與MSC51兼容。片內(nèi)的FLASH存儲(chǔ)器允許在系統(tǒng)內(nèi)改編程序或用常規(guī)的非易失性存儲(chǔ)器來(lái)編程。因此AT89C51是一種功能強(qiáng)，靈活性高，且價(jià)格合理的單片機(jī)，可方便的應(yīng)

80、用在各種控制領(lǐng)域。</p><p>　　圖3-3 三種封裝形式及其管腳圖</p><p>　　數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM：內(nèi)部有128B、外部最多可擴(kuò)展至64KB。4組可位尋址的8位輸入輸出端口，即P0、P1、P2及P3。1個(gè)全雙工串行口，即UART；兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。5個(gè)中斷源，即INT0、INT1、T0、T1、TXD及RXD。111個(gè)指令碼。</p><p>　　

81、AT89C51主要性能：</p><p>　　4KB可改編程序Flash存儲(chǔ)器。</p><p>　　全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz。</p><p>　　3級(jí)程序存儲(chǔ)器保密。</p><p>　　128*8字節(jié)內(nèi)部RAM</p><p>　　32條可編程I/O線。</p><p>　　2個(gè)16位

82、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。</p><p><b>　　6個(gè)中斷源。</b></p><p><b>　　可編程穿行通道。</b></p><p><b>　　片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。</b></p><p>　　另外，AT89C51是用靜態(tài)邏輯來(lái)設(shè)計(jì)的，其工作頻率可下降到0Hz，并提供兩種可用

83、軟件來(lái)選擇省電的方式—空閑方式（Idle Mode）和掉電方式（Power Down Mode）。在空閑方式中，片內(nèi)振蕩器停止工作由于時(shí)鐘被“凍結(jié)”，使一切功能都暫停，故只保存片內(nèi)RAM中的內(nèi)容，直到下一次硬件復(fù)位為止。</p><p>　　89c51的器件封裝方式有3種，其中雙列直插式封裝的PDIP40的封裝方式最為常用，這種封裝與MSC-51完全兼容。其左上方有個(gè)記號(hào)的腳為第一腳，然后逆時(shí)針排序，分別為2、3

84、……40腳。其中的主要引腳：</p><p>　　(1)電源引腳：幾乎所有IC都需要連接電源，其右上角接Vcc、左下角接GND。即40腳接Vcc，連接5V±10%電源，20腳為GND，必須接地。</p><p>　　(2)外接晶體引腳XTAL1和XTAL2</p><p>　　XTAL1：接外部晶體的一個(gè)引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，它是構(gòu)成片內(nèi)振蕩器的反相放大器的

85、輸入端。當(dāng)采用外部震蕩器時(shí)，該引腳接收振蕩器的信號(hào)，即把此信號(hào)直接接到內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。</p><p>　　XTAL2：接外部晶體的另一個(gè)引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，它是上述振蕩器的反相放大器的輸出端。采用外部振蕩器時(shí)，此引腳應(yīng)懸浮不連接。</p><p>　　(3)控制或與其他電源復(fù)用引腳RST，ALE/,和</p><p>　　RST：復(fù)位輸入端。當(dāng)振蕩器運(yùn)行時(shí)

86、，在該引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。</p><p>　　ALE/：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE（地址鎖存允許）的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。即使不訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器，ALE端仍以不變的頻率（此頻率為振蕩器頻率的1/6）周期性地出現(xiàn)正脈沖信號(hào)。因此，它可用作對(duì)外輸出的時(shí)鐘，或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。</p><p>　　在對(duì)F

87、lash存儲(chǔ)器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（）。</p><p>　　如果需要的話，通過(guò)對(duì)專用寄存器（SFR）區(qū)中8EH單元的D0位置數(shù)，可禁止ALE操作。該位置數(shù)后，只有在執(zhí)行一條MOVX或MOVC指令期間，ALE才會(huì)被激活。另外，該引腳會(huì)被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，該設(shè)定禁止ALE位無(wú)效。</p><p>　?。撼绦虼鎯?chǔ)允許（）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)。當(dāng)AT89C

88、51由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或常數(shù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次有效（即輸出2個(gè)脈沖）。但在此期間內(nèi)，每當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的信號(hào)將不出現(xiàn)。</p><p>　?。和獠吭L問(wèn)允許端。要使cpu只訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器（地址為0000H-FFFFH），則端必須保持低電平（接到GND端）。然而要注意的事，如果保密位LB1被編程，復(fù)位時(shí)在內(nèi)部會(huì)鎖存端的狀態(tài)。</p><p>　　當(dāng)端保持高電平（

89、接端）時(shí)，CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的程序。</p><p>　　在flash存儲(chǔ)器編程期間，該引腳也用于施加12V的編程允許電源（如果選用12V編程）。</p><p>　　(4)輸入/輸出引腳P0.0～P0.7，P1.0～P1.7，P2.0～P2.7和P3.0～P3.7</p><p>　　P0端口（P0.0～P0.7）：P0是一個(gè)8位漏極開(kāi)路型雙向I/O端口

90、。作為輸出口用時(shí)，每位能以吸收電流的方式驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL輸入，對(duì)端口寫(xiě)1時(shí)，又可以做高阻抗輸入端用。</p><p>　　在訪問(wèn)外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，它是分時(shí)多路轉(zhuǎn)換的地址（低8位）/數(shù)據(jù)總線，在訪問(wèn)期間激活了內(nèi)部的上拉電阻。</p><p>　　在flash編程時(shí)，P0端口接受指令字節(jié)；而在校驗(yàn)程序時(shí)，則輸出指令字節(jié)。驗(yàn)證時(shí)，要求外接上拉電阻。</p><p>　

91、　P1端口（P1.0～P1.7）：P1是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。P1的輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流方式）4個(gè)TTL輸入。對(duì)端口寫(xiě)1時(shí)，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時(shí)可用作輸入口。P1作輸入口使用時(shí)，因?yàn)橛袃?nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號(hào)拉低的引腳會(huì)輸出一個(gè)電流（）。</p><p>　　在對(duì)flash編程和程序校驗(yàn)時(shí)，P1接收低8位地址。</p><p>　　

92、P2端口（P2.0～P2.7）：P2是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。P2的輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流方式）4個(gè)TTl輸入。對(duì)端口寫(xiě)1時(shí)，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時(shí)可用作輸入口。P2做輸入口使用時(shí)，因?yàn)橛袃?nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號(hào)拉低的引腳會(huì)輸出一個(gè)電流（）。</p><p>　　在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器和16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（如執(zhí)行MOVX@DPTR指令）時(shí)，P2送出高8位地

93、址。在訪問(wèn)8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（如執(zhí)行MOVX@RI指令）時(shí)，P2口引腳上的內(nèi)容（就是專用寄存器（SFR）區(qū)中P2寄存器的內(nèi)容），在整個(gè)訪問(wèn)期間不會(huì)改變。</p><p>　　在對(duì)flash編程和程序校驗(yàn)期間，P2也接收高位地址和一些控制信號(hào)。</p><p>　　P3端口（P3.0～P3.7）：P3是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。P3的輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流方式）

94、4個(gè)TTL輸入。對(duì)端口寫(xiě)1時(shí)，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時(shí)可用作輸入口。P3做輸入口使用時(shí)，因?yàn)橛袃?nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號(hào)拉低的引腳會(huì)輸出一個(gè)電流（）。</p><p>　　圖3-4 AT89C51內(nèi)部功能圖</p><p>　　在AT89C51中，P3端口還用于一些復(fù)用功能如下表，在對(duì)flash編程或程序校驗(yàn)時(shí)，P3還接收一些控制信號(hào)。</p><p

95、><b>　　3.2溫度檢測(cè)電路</b></p><p>　　3.2.1 傳感器的選擇 </p><p>　　溫度對(duì)人的影響相當(dāng)?shù)拇?，所以已有許多方法用來(lái)測(cè)量溫度，最近幾年來(lái)有許多IC廠商紛紛推出IC型的測(cè)溫元件,在眾多的IC式感溫器當(dāng)中，較有代表的有三種：</p><p>　　(1) AD590：電流輸出型的測(cè)溫元件，溫度每升高一度(K

96、),電流增加1μA，溫度測(cè)量范圍在-55～+150℃，許多微計(jì)算機(jī)的實(shí)驗(yàn)教材都以此IC做溫度測(cè)量的示范。</p><p>　　(2) DS1620：這是于1994年問(wèn)世的感測(cè)控制IC（由美國(guó)的Dallas公司開(kāi)發(fā)，2001年Dallas公司已并入美國(guó)的Maxim公司），除了測(cè)量溫度外，它還可以把溫度值以數(shù)字的方式（9位）送出，溫度送出的精度為0.5℃，溫度測(cè)量范圍在-55～+125℃。DS1620還可獨(dú)立做智能型

97、的恒溫控制。</p><p>　　(3) SMARTEC感溫元件：這是一個(gè)只有三個(gè)引腳的溫度感測(cè)IC，它最特殊之處是將測(cè)量到的溫度以方波的形式輸出，亦即方波的DUTY CYCLE是和攝氏溫度成比例的溫度測(cè)量范圍在-45～+130℃，整個(gè)測(cè)量范圍的誤差可以保持在0.7℃以內(nèi)。</p><p>　　對(duì)于用來(lái)讀取溫度并做控制來(lái)說(shuō)，上述三種感溫元件都是相當(dāng)合適的。不過(guò)，AD590所送出的溫度值必須

98、再經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換后，才能得到實(shí)際的數(shù)字溫度值，這是上述三種感溫元件中處理起來(lái)最為麻煩的。DS1620的溫度讀取就比較直接，只要保留三個(gè)引腳來(lái)控制DS1620即可。如果用SMARTEC的感溫元件只要用一支數(shù)字輸入引腳即可得到溫度值，若想一次測(cè)量多點(diǎn)溫度時(shí)，用這個(gè)感測(cè)元件也是相當(dāng)方便的 ，所以我們選擇SNARTEC感溫IC。</p><p>　　3.2.2 檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　本

99、設(shè)計(jì)采用SMARTEC感溫元件，是一個(gè)只有三個(gè)引腳的溫度感測(cè)IC，將測(cè)量到的溫度以方波的形式輸出，是一種先進(jìn)的數(shù)字輸出的硅溫度傳感器。由一根導(dǎo)線輸出（占空比調(diào)制）直接可以連接到各種微控制器，而不需要A/D轉(zhuǎn)換。Smartec溫度傳感器采用占空比調(diào)制方波輸出電壓的方式，線性響應(yīng)的溫度在-45℃至130℃范圍內(nèi)。絕對(duì)精度優(yōu)于1.2℃。在范圍-30到100℃內(nèi)，絕對(duì)精度優(yōu)于0.7℃。</p><p>　　SMARTEC

100、感測(cè)元件的輸出頻率約在1～4KHz間，換算成周期為1000μs到250μs左右，有三個(gè)引腳，除了電源與地腳外，就剩下方波的輸出引腳了，其輸出信號(hào)與溫度的關(guān)系為DutyCycle=0.320+0.00470×temp（temp溫度的單位為℃）。即溫度為：</p><p>　　Temp=212×（DutyCycle）－68 (3-1)</p>

101、<p>　　只要計(jì)算出SMARTEC感溫器的DutyCycle值（單位為%），把此值代入公式即可得到溫度值。為了方便程序的處理，我們把溫度值放大100倍，即</p><p>　　Temp100=100×Temp =212×（DutyCycle×100）－6808 (3-2)</p><p>　　DutyCycle=（t2*100）／t1，只

102、要取出該值的千位值和百位值，就是所要的溫度值了，Temp100的十位數(shù)值就是測(cè)量溫度的小數(shù)點(diǎn)一下第一位數(shù)值。其中t1為整個(gè)方波所要的時(shí)間，t2為高電位狀態(tài)所花的時(shí)間。</p><p>　　電路由AT89C51單片機(jī)作為控制器，將SMARTEC感溫元件的輸出端與單片機(jī)的P3.5腳相連，2腳接電源，3腳接地。電路圖如圖3-5所示。</p><p>　　圖3-5 溫度檢測(cè)電路</p>

103、<p><b>　　3.3電源電路</b></p><p>　　電源電路的功能和組成每個(gè)電子設(shè)備都有一個(gè)供給能量的電源電路，常見(jiàn)的家用電器中多數(shù)要用到直流電源。如圖3-6所示。</p><p>　　圖3-6 電源原理框圖</p><p>　　通過(guò)電源適配器ADAPTER提供低壓9V交流電，再經(jīng)過(guò)二極管變成脈動(dòng)的直流電，然后通過(guò)電容

104、濾波電路濾除脈動(dòng)直流電中的交流成分后得到一個(gè)直流電，再經(jīng)過(guò)三段穩(wěn)壓器LM7805穩(wěn)壓，輸出穩(wěn)定的+5V直流電，為主電路供電。具體電路如圖3-7所示。</p><p><b>　　圖3-7 電源電路</b></p><p>　　3.4顯示電路 </p><p>　　如圖3-8所示。本設(shè)計(jì)使用的是數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描，使用的是共陰數(shù)碼管，即

105、把七段數(shù)碼管內(nèi)的所有發(fā)光二極管的陰極都接地時(shí)，數(shù)碼管才能被點(diǎn)亮。CD4511用于驅(qū)動(dòng)共陰極 LED （數(shù)碼管）顯示器的 BCD 碼—七段碼譯碼器。</p><p><b>　　圖3-8 顯示電路</b></p><p>　　電路上共有四組顯示數(shù)字，其中每?jī)蓚€(gè)數(shù)字排成一排，上一組數(shù)字代表溫度值，下一組數(shù)字代表設(shè)定的溫度值。為了簡(jiǎn)化線路本設(shè)計(jì)采用動(dòng)態(tài)掃描的方式，僅用P1端

106、口就完成4個(gè)位數(shù)的數(shù)字顯示。顯示程序一定要安排在定時(shí)中斷服務(wù)程序內(nèi)持續(xù)執(zhí)行，否則會(huì)使數(shù)字顯示突然中斷。</p><p>　　3.4.1 芯片介紹</p><p><b>　　1.CD4511</b></p><p>　　CD4511是一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)共陰極 LED （數(shù)碼管）顯示器的 BCD 碼—七段碼譯碼器，特點(diǎn)：具有BCD轉(zhuǎn)換、消隱和鎖存控制、

107、七段譯碼及驅(qū)動(dòng)功能的CMOS電路能提供較大的拉電流?？芍苯域?qū)動(dòng)LED顯示器。</p><p>　　CD4511 是BCD－7段所存譯碼驅(qū)動(dòng)器，在同一單片結(jié)構(gòu)上由COS/MOS 邏輯器件和n－p－n 雙極型晶體管構(gòu)成。這些器件的組合，使CD4511具有低靜態(tài)耗散和高抗干擾及源電流高達(dá)25mA 的性能。由此可直接驅(qū)動(dòng)LED及其它器件。LT 、BI 、LE 輸入端分別檢測(cè)顯示、亮度調(diào)節(jié)、存儲(chǔ)或選通一BCD碼等功能。當(dāng)使

108、用外部多路轉(zhuǎn)換電路時(shí)，可多路轉(zhuǎn)換和顯示幾種不同的信號(hào)。</p><p>　　CD4511 提供了16 引線多層陶瓷雙列直插（D）、熔封陶瓷雙列直插（J）、塑料雙列直插（P）和陶瓷片狀載體（C）4 種封裝形式。</p><p>　　圖3-9 CD4511引腳圖</p><p><b>　　引出端功能符號(hào)：</b></p><p