基于单片机的智能温度控制系统设计

1、基于单片机的智能温度控制系统设计摘要电加热炉是典型的工业过程控制对象，在我国应用广泛。电加热炉的温度控制具有升温单向性、大惯性、大滞后、时变性等特点。其升温保温是依靠电阻丝加热，降温则是依靠环境自然冷却。温度超调时，通过工人反复操作调节阀很难达到理想的控制效果。本文就是在不用现场工人操作的前提下，建立以电加热炉为研究对象，针对电加热炉的特点，设计了用计算机来控制电加热炉温度的智能控制系统。本文以STC898C52单片机为核心设计了硬件原理图及软件程序。并详细论述了各个硬件组成部分的工作原理，和各部分所使用的元器件，以及各软件部分流程图。理论上将其应用于电加热炉的温度控制系统，可以满足温度控制稳

2、定性的要求，可以减少操作人员的劳动量和带来的人为误差，可以提高产品的热处理质量。关键词：电加热炉；温度控制；单片机控制Design Of Intelligent Temperature Control System Based on MCSAbstractThe electric heating stove is the typical member of Industrial process control, applies widely in our country. The electric heating stove's temperature control has the

3、elevation of temperature unidirectivity, big inertia, big lag, when characteristics and so on denaturation. Its elevation of temperature and the heat preservation are depend upon the resistance wire heating but the temperature decrease depend upon the environment natural cooling. Once its temperatur

4、e over modulation by workers repeated operation control valves to achieves the ideal control effect with difficulty. The paper is under the premise which without the field operations workers operation control valves, establishes take the electric heating stove as the object of study, in view of the

5、electric heating stove's characteristic, designed has controlled heating furnace's furnace temperature with the computer control system. This article has designed the hardware schematic diagram and the software procedure take the STC898C52 monolithic integrated circuit as the core.And in det

6、ail elaborated each hardware constituent principle of work, uses the primary device with various part, as well as various softwares partial flow charts.Theory general it applies in the electric heating stove temperature control system, may satisfy the temperature control stable request, may reduce t

7、he personal error which operator's labor and brings, may enhance the product the heat treatment quality. Keywords: electric heating stove;temperature control;MCS conller目 录摘要IIAbstractIII第一章 绪论1前言1电加热炉简介1智能温度控制系统3第二章 电加热炉智能温度控制系统5电加热炉智能温度控制系统的构成5电加热炉智能温度控制系统的原理6电加热炉智能温度控制系统设计6第三章 电加热炉智能温度控制系统的硬件

8、设计7检测变换部分7热电偶测温基本原理7热电偶的种类及结构7热电偶冷端温度补偿8温度测量仪表的分类8输入信号转换部分8转换类型83.2.2 ADC0832芯片介绍10单片机微处理部分113.3.1 STC89C51特点11管脚说明12振荡器特性14显示部分14键盘部分152.5.1键盘结构分类15系统键盘电路设计16输出信号转换部分16第四章 智能温度控制系统的软件设计18主程序的设计18转换子程序18控制算法子程序19控制规律介绍20积分饱和问题的处理23人机接口部分的设计25键盘部分的设计25显示部分的设计27转换子程序的设计28系统整定的方法30参数整定31比例（P）调节器315比例积分

9、调节器(PI)32比例积分微分作用调节器(PID)33附录A35附录B36参考文献46致谢48第一章 绪论前言工业控制的形成和发展在理论上经历了三个阶段：50年代末起到70年代为第一阶段，即经典控制理论阶段，这期间既是经典控制理论应用发展的鼎盛时期，又是现代控制理论应用和发展时期。70年代至90年代为第二阶段，即现代控制理论阶段：90年代至今为第三阶段，即智能控制理论阶段。无论是经典控制理论还是现代控制理论，都是建立在系统的精确数学模型基础之上的。但在实际系统中被控对象一般都具有大惯性、大滞后、时变性、关联性、不确定性和非线性的特点。这里的关联性不仅包含过程对象中各物理参数之间的藕合交错，而且

10、包含被控量、操作量和干扰量之间的联系；不确定性不单指结构上的不确定性，而且还指参数的不确定性；非线性既有非本质的非线性，又有本质非线性。基于被控对象的这种复杂性，决定了控制的艰难性。传统控制方法绝大多数是基于被控对象的数学模型，即按照建模控制优化进行，建模的精确程度决定着控制质量的高低，尽管目前的建模理论和方法己有长足的长进，但仍有许多过程和对象的机理不清楚，动态特性难以掌握，使我们不得不对被控对象进行简化或近似，将一个理论上极为先进的控制策略应用在这样的模型上，控制效果自然会大打折扣，因此，用传统的控制手段进一步提高控制对象的质量遇到了极大的困难，传统控制方法面临着严峻的挑战。10工业控制中

11、存在着工业过程复杂、数学模型难以确定的系统，智能控制理论的产生正是针对被控对象、环境、控制目标或任务的复杂性提出的。1987年智能控制正式成为一门独立的学科，它是人工智能、运筹学和自动控制理论等多门学科相结合的交叉学科。它与传统控制的主要区别在于可以解决非线性模型化系统的控制问题。就目前而言，智能控制是解决传统过程控制局限性问题和提高控制质量的一个重要途径。在各种仪表高速发展的今天，控制装置己经不是主要问题，影响被控对象性能指标的主要因素取决于控制器本身，控制器本身的智能化设计将直接影响产品的质量和生产率。电加热炉简介电加热炉是工业生产过程和实验室里广泛使用的加热设备，是将电能转换为热能的能量

12、转换装置。布置在炉内的加热元件将电能转化为热能，通过辐射或对流的方式将热能传递给加热对象，从而改变对象的温度。通常的工业过程都对炉温的控制提出了一定的要求，这就需要对电加热炉进行控制，调节它的通电强度来改变它输出的热能。电加热炉具有结构简单、无污染、自动化程度高等特点。与传统的以煤和石化产品为燃料的锅炉相比还具有基本投资少、占地面积小、操作方便、热效率高、能量转化率高等优点。电加热炉控制作为过程控制的一个典型，动态特性具有大惯性大延迟的特点，而且伴有非线性。其温度特性曲线如图所示。图电加热炉温度特性曲线最近几年来，随着工业的快速发展，需要消耗大量的能源，并且环境污染问题越来越突出，节省能源、保

13、护环境己被人们所接受，成为今后科学技术发展的方向。因此，通过国内加热技术在工业行业的应用情况的总结及对比分析，可以预见出国内加热炉的发展方向及趋势。对于现在讲品种、讲效益的时代，一个加热炉的自动化水平的高低和加热形式的多样性，决定了该加热炉适应的生产行业。但是随着计算机控制技术和电子技术的发展，用计算机来控制加热炉的智能控制系统进行加热己成为一个新的发展方向。国内各种形式的加热炉发展到现在，还不能讲哪一种形式是最先进、最成熟的，都多多少少存在一些问题，还有待我们去探索，如各热工参数之间和设计结构之间的定量关系，控制系统和调节系统的最优化，但计算机控制加热炉系统是一种发展方向。2智能温度控制系统

14、在工业生产过程中，控制对象各种各样，温度是生产过程和科学实验中普遍而且重要的物理参数之一。在生产过程中，为了高效地进行生产，必须对它的主要参数，如温度、压力、流量等进行有效的控制。温度控制在生产过程中占有相当大的比例，其关键在于测温和控温两方面。温度测量是温度控制的基础，技术己经比较成熟。基于控制对象越来越复杂，在温度控制方面，还存在着许多问题。温度控制一般指对某一特定空间的温度进行控制调节，使其达到工艺过程的要求。本文主要研究电加热炉温度控制的方法。智能控制的发展主要得益于模糊逻辑控制和神经网络控制理论的不断成熟。90年代以后，智能控制的集成技术研究取得很大重大进展，如模糊神经网络、模糊专家

15、系统、传统PID控制与智能控制的结合等。这些都为智能控制技术的应用提供了广阔的前景。6 智能控制是一类无需人的干预就能够针对控制对象的状态自动地调节控制规律以实现控制目标的控制策略。它避开了建立精确的数学模型和用常规控制理论进行定量计算与分析的困难性。它实质上是一种无模型控制方案，即在不需要知道被控对象精确数学模型的情况下，通过自身的调节作用，使实际响应曲线逼近理想响应曲线。随着微机的发展和广泛应用，国内于70年代中已开始用计算机实现对电加热炉的控制。由于计算机控制最大的特点是控制算法可灵活变动，因此，为电加热炉的计算机控制提供了方便。若已通过辨识建立了电加热炉的数学模型，则可采用最优控制或自

16、适应控制。若未建立电加热炉的数学模型，则可采用数字PID控制、非线性PID控制、带积分型适应模糊控制或智能控制与神经网络控制等。PID 智能控制算法和单神经元自适 PSD 智能控制算法，由于算法简单、控制效果好，因而受到了人们广泛的关注，受到工程上广泛应用且结构简单的常规 PID 控制器的启发，利用具有自学习和自适应能力的单神经元来构成单神经元自适应智能控制器。PID 和 PSD 控制算法比较结果：(1)单神经元自适应 PID 智能控制算法和单神经元自适应 PSD 智能控制算法都比传统 PID 控制算法超调量小、速度快、实时控制效果好。(2)采用不同学习速率的单神经元自适应PID智能控制算法较

17、采用相同学习速率的有较好的快速性、较小的超调量和较强的鲁棒性。(3)改进后的单神经元自适应PID智能控制算法较改进前的具有较小的超调量和较好的实时控制效果。(4)与单神经元自适应 PID 智能控制算法相比，单神经元自适应 PSD智能控制算法具有可调参数范围大、自适应能力强等优点，可用于控制过程时变、有大滞后的复杂对象，是一种价值较高的智能控制算法。总之，在上述两种算法中，学习速率不同的单神经元自适应 PSD智能控制算法具有较满意的实时控制效果，实用价值较高。5但是考虑到本人目前的学识所限，有许多技术上的问题需要解决，这就需要在以后的工作和学习中加以改进，因此本次毕业设计将采用算法简单、实用价值

18、较高的PID 控制算法，资料表明，采用该算法也可以取得良好的控制效果。电加热炉随着科学技术的发展和工业生产水平的提高，己经在冶金、化工、机械等各类工业控制中得到了广泛应用，并且在国民经济中，占有举足轻重的地位。随着我国经济的快速发展，对能源的消耗与日俱增，怎样降低功耗提高经济效益，已成为人们关注的问题。例如在冶金行业轧钢生产过程中，加热炉能耗约占全厂总能耗的60%左右，是轧钢工序的能耗大户，尤其是近二十年来，加热炉的硬件设备装备水平有了很大的提高，因此提高加热炉操作水平，实现计算机全自动烧钢，降低加热炉能耗意义很大。对于这样一个具有非线性、大滞后、大惯性、时变性、升温单向性等特点的控制对象，很

19、难用数学方法建立精确的数学模型，因此用传统的控制理论和方法很难达到好的控制效果。单片机以其高可靠性、高性能价格比、控制方便简单和灵活性大等优点，在工业控制系统、智能化仪器仪表等诸多领域得到广泛应用。采用单片机进行炉温控制可以提高控制质量和自动化水平。由于计算机技术、控制技术、网络技术和通信技术的迅猛发展，高校的专业合并与渗透使工业控制计算机系统、自动化、信息技术改造了传统产业。机电一体化、数控、先进制造技术、CIMS 之间的技术、专业、学科之间的界限越来越模糊，这是实际发展的需要，也是技术发展的必然趋势。第二章 电加热炉智能温度控制系统电加热炉智能温度控制系统的构成电加热炉广泛用于冶金、石油化

20、工、纺织印染等工业生产过程。因此对加热炉温度的控制是必不可少的。作为被控对象，电加热炉具有非线性、时变性、分布参数等特点。要实现对加热炉的控制，必须建立被控对象的数学模型，然后求取相应的控制器方程，例如自适应控制、随机最优控制、预测控制、解耦控制和变结构控制等。这类控制方法由于数学工具深奥，算法复杂，现场工程师难以理解和接受，因而这些先进控制算法的推广受到制约。人们在实践中知道，许多复杂的生产过程难以实现目标控制，但是熟练的操作工、技术人员和专家操作自如，而不要建立什么数学模型，就可以得到比较满意的控制效果。设想把这些专家的经验和知识总结起来赋予计算机，让计算机参与生产过程控制，这类系统一般称

21、为智能控制系统，它包含专家控制、模糊控制和神经网络控制。本文就没有建立电加热炉的数学模型，而是在设计出加热炉硬件原理图的基础上，直接采用算法简单、效果好的PID 智能控制算法。其系统框图如图所示。图2.1 智能温度控制系统结构框图图电加热炉温度智能控制系统硬件连接框图电加热炉炉膛温度是由多组炉丝的供电能量来调节的，它们分别由多套晶闸管调功器供电。调功器的输出功率由改变过零触发器的给定电压来调节。为了控制炉温，设计了一套电加热炉计算机控制系统，如图所示。该系统以单片机为核心，包括A/D 转换电路、键盘电路、LED显示电路、D/A转换电路等几部分组成。电加热炉智能温度控制系统的原理电加热炉计算机控

22、制系统是一多输入、多输出的多变量系统，但本次设计仅以一组为例，即输入信号有八组，经过放大后再经过多路选择，之后在经控制电路处理。电加热炉炉温的控制过程如下：测温元件将检测到的温度信号经过放大、隔断处理后，在某一时刻被选择的信号送到 A/D转换器，转换成数字量送给单片机，单片机对 A/D 结果处理（包括冷端补偿计算），得出加热炉温度测量值，一路信号经74LS164驱动LED显示，一路信号将温度测量值与给定温度值进行 PID运算（可通过键盘调节PID参数），运算结果经D/A转换，送给SCR调功器来控制加热炉的加热过程。电加热炉智能温度控制系统设计电加热炉智能温度控制系统包括软件和硬件两大部分。硬件

23、是整个设计的基础。硬件包括检测变换部分，输入信号转换部分，微处理部分，显示部分，键盘部分及输出信号转换部分等。温度控制系统的软件设计是整个控制系统设计的核心，硬件要在软件的配合下才能完成预先确定要实现的各种功能。硬件设计具有通用性，而软件设计的大部分工作是针对某一特定对象，可以完成硬件不能完成的功能。软件设计具有充分的灵活性，可以根据系统的要求而变化。单片机的智能功能要由软件来完成，温度控制系统软件在程序设计时采用了模块化设计方法，将控制器所要完成的功能分别编写和调试，所有模块调试成功以后，将各个模块连接，构成单片机软件系统。这样的设计有利于程序代码的优化，而且便于调试、维护和升级。整个系统由

24、 3 部分组成：系统主程序、各功能子程序、中断程序。系统主程序负责任务调度，子程序实现系统各个子功能，中断程序负责处理系统的中断事件。主程序在完成系统初始化后，顺序执行各子模块程序，而中断发生时或预定义的时间到时 (例如控制时间到) ，系统执行中断服务程序，处理完毕后程序回到中断发生前的状态，主程序继续执行。第三章 电加热炉智能温度控制系统的硬件设计检测变换部分热电偶测温范围广、测量精度高、便于远距离、多点、集中检测和自动控制；需自由端温度补偿，在低温段测量精度较低。热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。其优点是：测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。测量范围广。常用的

25、热电偶从-50+1600均可持续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269（如金铁镍铬），最高可达+2800（如钨-铼）。构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。14热电偶测温基本原理图 热电偶原理将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，如图 所示。当导体 A 和 B 的两个执着点 1 和 2 之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。3.1.2热电偶的种类及结构常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所调用标准热电

26、偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。标准化热电偶 我国从 1988 年 1 月 1日起，热电偶和热电阻全部按 IEC 国际标准生产，并指定 S、B、E、K、R、J、T 七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。为了保证热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下：组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固；两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路；补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠；保护套管应能保证热电极与有害介质充分

27、隔离。热电偶冷端温度补偿由于热电偶的材料一般都比较贵重（特别是采用贵金属时），而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，降低成本，通常采用补偿导线把热电偶的冷端（自由端）延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端子上。必须指出，热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极，使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上，它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，不起补偿作用。因此，还需采用其他修正方法来补偿冷端温度t00时对测温的影响。在使用热电偶补偿导线时必须注意型号相配，极性不能接错，补偿导线与热电偶连接端的温度不能超过 100。温度测量仪表的分类温度测量仪表按测温方式可分为接触式和非接触式两大类。通

28、常来说接触式测温仪表比较简单、可靠，测量精度较高；但因测温元件与被测介质需要进行充分的热交换，需要一定的时间才能达到热平衡，所以存在测温的延迟现象，同时受耐高温材料的限制，不能应用于很高的温度测量。非接触式仪表测温是通过热辐射原理来测量温度的，测温元件不需与被测介质接触，测温范围广，不受测温上限的限制，也不会破坏被测物体的温度场，反应速度一般也比较快；但受到物体的发射率、测量距离、烟尘和水气等外界因素的影响，其测量误差较大。输入信号转换部分从上面的介绍我们知道，本设计使用的是计算机控制，计算机只能接受数字信号，而热电偶输出的是模拟信号，所以必须把模拟信号转换成数字信号，这就需要 A/D 转换。

29、3./D转换类型模数转换技术是现实各种模拟信号通向数字世界的桥梁，作为将模拟信号转换成数字信号的模数转换技术主要有以下几种。（1）积分型转换 积分型模数转换技术在低速、高精度测量领域有着广泛的应用，特别是在数字仪表领域。积分型模数转换技术有单积分和双积分两种转换方式，单积分模数转换的工作原理是将被转换的电信号先变成一段时间间隔，然后再对时间间隔记数，从而间接把模拟量转换成数字量的一种模数转换方法，它的主要缺陷是转换精度不高，主要受到斜坡电压发生器、比较器精度以及时钟脉冲稳定性的影响。为了提高积分型转换器在同样条件下的转换精度，可采用双积分型转换方式，双积分型转换器通过对模拟输入信号的两次积分，

30、部分抵消了由于斜坡发生器所产生的误差，提高了转换精度。双积分型转换方式的特点表现在：精度较高，可以达到 22 位；抗干扰能力强，由于积分电容的作用，能够大幅抑止高频噪声。但是，它的转换速度太慢，转换精度随转换速率的增加而降低，每秒 100300 次（SPS）对应的转换精度为 12 位。所以这种转换方式主要应用在低速高精度的转换领域。（2）逐次逼近型转换 逐次逼近型转换方式在当今的模数转换领域有着广泛的应用，它是按照二分搜索法的原理，类似于天平称物的一种模数转换过程。也就是将需要进行转换的模拟信号与已知的不同的参考电压进行多次比较，使转换后的数字量在数值上逐次逼近输入模拟量的对应值。逐次逼近型转

31、换方式的特点是：转换速度较高，可以达到 100 万次/秒（MPSP）；在低于 12 位分辨率的情况下，电路实现上较其他转换方式成本低；转换时间确定。但这种转换方式需要数模转换电路，由于高精度的数模转换电路需要较高的电阻或电容匹配网络，故精度不会很高。（3）并行转换 并行转换方式在所有的模数转换中，转换速度最快，并行转换是一种直接的模数转换方式。它大大减少了转换过程的中间步骤，每一位数字代码几乎在同一时刻得到，因此，并行转换又称为闪烁型转换方式。并行转换的主要特点是它的转换速度特别快，可达 50MPSP，特别适合高速转换领域。缺点是分辨率不高，一般都在 10 位以下；精度较高时，功耗较大。这主要

32、是受到了电路实现的影响，因为一个 N 位的并行转换器，需要 2N1 个比较器和分压电阻，当 N10 时，比较器的数目就会超过 1000 个，精度越高，比较器的数目越多，制造越困难。12本设计采用逐次逼进式A/D转换器ADC0832。3.2.2 ADC0832芯片介绍ADC0832 是美国国家半导体公司生产的一种8 位分辨率、双通道A/D转换芯片。由于它体积小，兼容性强，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前已经有很高的普及率。ADC0832 具有以下特点：8位分辨率；双通道A/D转换；输入输出电平与TTL/CMOS相兼容；5V电源供电时输入电压在05V之间；工作频率为250KHZ，转换时

33、间为32S；一般功耗仅为15mW；8P、14PDIP（双列直插）、PICC 多种封装；商用级芯片温宽为0°C to+70°C，工业级芯片温宽为。40°C 85°C；芯片顶视图：（图）图32芯片顶视图芯片接口说明：CS_ 片选使能，低电平芯片使能。CH0 模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。 CH1 模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。GND 芯片参考0 电位（地）。DI 数据信号输入，选择通道控制。DO 数据信号输出，转换数据输出。CLK 芯片时钟输入。Vcc/REF 电源输入及参考电压输入（复用）。ADC0832 与单片机的接口电路如图3.3所示。

34、图ADC0832与单片机接口电路ADC0832 为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在05V之间。芯片转换时间仅为32S，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过DI 数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。单片机微处理部分单片机要完成的任务是：接收ADC0832发出的数字量，进行标度变换，线性化，进行PID运算，输出数字量一路给DAC0832控制调功器，一路给74LS164驱动显示。市场上流行的单片机

35、有很多种，基于各种因素，本次设计选用STC89C51单片机。STC89C51系列单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰、高速、低功耗、的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟机器周期可任意选择，最新的D版内部集成MAX810专业复位电路。 STC89C51特点l 增强型6时钟/机器周期，12时钟/机器周期8051CPUl 共组电压：V3.4V(5V单片机)l 工作频率范围：0-40MHz，相当于普通8051的0-80 MHz,实际工作频率可达48 MHzl 用户应用程序空间4K/8K/13K/16K/20K/32K/64K字节l 片上集成1280字节/512字节

36、RAMl 通用I/O口（32/16个），复位后：P1,P2,P3,P4是准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）P0口是开漏输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻l ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器/仿真器，可通过串口(P3.0/P3.1)直接下载用户程序，8K程序3秒即可完成一片l EEPROM功能l 看门狗l 内部集成MAX810专用复位电路（D版才有），外部晶体20M以下时，可省外部复位电路l 共3个16位定时器/计数器，其中定时器0还可以当成2个8位定时器使用l 外部中断4路，下降沿中断或低电平触发中断，Power Do

37、wn模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒l 通用异步串行口（UART）,还可以用定时器软件实现多个UARTl 工作温度范围：0-75/-40-+85l 封装：PDIP-40,PLCC-44,PQFP-44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口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓

38、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，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输

39、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：P3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外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部

40、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SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE

41、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）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XT

42、AL2：来自反向振荡器的输出。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。13显示部分在计算机控制系统中，常用的显示方法有两种：一种为静态显示；一种为动态显示。动态显示，就是微型计算机定时地对显示器件进行扫描。在这种方法中，显示器件分时工作，每次只能有一个器件显示。但由于人的视觉有暂留现象，所以只要扫描频率足够快，仍会感觉所有的器件都在显示。此

43、种显示的优点是使用硬件少，因而价格低，线路简单。但它占用机时长，只要微型计算机不执行显示程序，就立刻停止显示。由此可见，这种显示将使计算机的开销增大，所以，在以微型计算机为主的控制系统中应用较少。静态显示，是由微型计算机一次输出显示模型后，就能保持该显示结果，直到下次发送新的显示模型为止。这种显示占用机时少，显示可靠，因而在工业过程控制中得到了广泛的应用。这种显示方法的缺点是使用原件多，且线路比较复杂。静态显示的最大优点是只要不送新的数据，责显示值不变。且微型计算机不向动态显示那样不间断地扫描，因而节省了大量机时，适用于工业过程控制及智能化仪器。本次设计采用静态显示，硬件电路连接图如图所示。图

44、电加热炉智能温度控制系统显示电路键盘部分键盘结构分类独立式键盘 每个按键占用一根I/O线，构成单个按键电路，优点是配置灵活，软件结构简单;缺点是按键多时I/O口浪费较大，故一般在按键数目较少时采用。列式键盘(又叫矩阵式键盘) 它是用I/O口组成行列结构，按键设置在行列的交叉点上，在按键比较多时，能节省I/O口，通常采用较多。系统键盘电路设计键盘部分的设计是为了方便操作，让使用者能够通过键盘进行PID参数设置。（具体电路见附表）输出信号转换部分从前面的介绍我们知道，本设计使用的是计算机控制，计算机只能输出数字信号，而执行器接收的是模拟信号，所以必须把数字信号转换成模拟信号，这就需要D/A 转换。

45、本次设计采用DAC0832转换器实现D/A转换。DAC0832是采样频率为八位的D/A转换器件。DAC0832内部结构资料：芯片内有两级输入寄存器，使DAC0832具备双缓冲、单缓冲和直通三种输入方式，以便适于各种电路的需要(如要求多路D/A异步输入、同步转换等)。D/A转换结果采用电流形式输出。要是需要相应的模拟信号，可通过一个高输入阻抗的线性运算放大器实现这个功能。运放的反馈电阻可通过RFB端引用片内固有电阻，还可以外接。16 图芯片原理图该片逻辑输入满足TTL电压电平范围，可直接与TTL电路或微机电路相接，芯片电路原理图如图3.5所示。DAC0832与单片机连接的电路图如图所示。此接法是

46、用DAC0832的直通方式，只要二进制数据送到DAC0832的数据口，则会自动把数据转为相应的电压。图与单片机连接电路第四章 智能温度控制系统的软件设计智能温度控制系统的软件部分按其功能分为：监测程序、测控程序和其他模块辅助程序。监测程序是整个系统软件的中心环节，又称为主程序。它接收和分析各种命令，管理和协调全部程序的执行，其包括系统初始化，系统自检等部分；测控程序主要包括数据采集，数据处理，输出控制和自我诊断等部分。其他模块辅助程序包括显示子程序和键盘中断子程序。主程序的设计系统上电或复位后，进入控制系统主程序。主程序是软件设计的中枢环节，是整个程序架构的关键所在，从中也体现了程序设计模块化

47、的思想。在主程序中完成系统的初始化、A/D转换、信号处理、显示处理、键盘处理、控制算法处理、输出控制等功能。主程序流程图如图所示。/D转换子程序A/D转换器的程序设计与芯片的转换时间、系统参数的多少以及参数的变换速度有关。一般来讲，如果系统的参数不多，且变换速度比较快，A/D转换器的转换时间比较短，因而多数采用查询方式。相反，如果系统的参数比较多，变换速度比较慢，所采用的A/D转换器的转换时间比较长，一般可采用中断方式。具体采用哪种方式好，要根据具体情况来确定。A/D转换程序的设计主要分为三步：启动A/D转换；查询或等待A/D转换结束；读出转换结果。对于8为A/D转换器，一次读数即可。由于从模

48、拟量转换为计算机所能接受的数字量需要一定的时间，所以当A/D转换器启动之后，需要等待转换结束信号生效后才能读出A/D转换结果。对于单片机而言，其丰富的指令系统，且片内设有定时器，使得无论采用软件方式还是硬件方式提供一段时间的延时都是很容易做到的。通常，将延时的时间定得略大于转换时间，以确保读数准确无误。至于采用软件方式，还是通过硬件进行延时，各有利弊。软件方式编程简单，但需要花费机时；采用定时器则需要对其进行初始化编程，但延时过程中不占用机时。在设计A/D转换程序时，必须和硬件接口电路结合起来进行。A/D转换流程图如图所示。 图/D转换程序流程图图4.1 主程序流程图控制算法子程序在工程实际中

49、，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。ID控制

50、规律介绍比例（P）控制 比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。积分（I）控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。微分（D）控制

51、 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重损失。微分(PD)控制器能改善系统在调

52、节过程中的动态特性。PID算法的两种类型：（1）位置型控制 （4-1）位置型的递推形式 （4-2）其程序流程图如图所示。图位置型控制程序流程图（2）增量型控制（4-3）增量型PID算法的算式 （4-4）式中，其程序流程图如图所示。本文采用的是位置式 PID 控制器。系统一旦出现了偏差，比例调节立即作用已减少偏差。比例作用大，可加快调节，减少误差，但过大的比例，会使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。积分调节使系统消除稳态误差，提高无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数 Ti，Ti 越小，积分作用越强，反之则积分作用弱。加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。微分调节反应系统偏差信号

53、的变化率，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，可改善系统的动态性能。但微分作用对噪声干扰有放大作用，若过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。图控制增量型程序流程图现场整定 PID 参数时，可以根据这些参数在 PID 过程中的作用原理，来讨论我们的对策：（1）加温很快就达到目标值，但是温度过冲很大： 比例系数太大，致使在未达到设定温度前加温比例过高。 微分系数过小，致使对对象反应不敏感。（2）加温经常达不到目标值，小于目标值的时间较多： 比例系数过小，加温比例不够。 积分系数过小，对恒偏差补偿不足。（3）基本上能够在控制目标上，但上下偏差偏大，经常波动： 微分系数过小，对即时变化反应不

54、够快。 积分系数过大，使微分反应被淹没钝化。（4）受工作环境影响较大，稍有变动就会引起温度的波动： 微分系数过小，对即时变化反应不够快。 设定的基本定时周期过长，不能及时得到修正。选择一个合适的时间常数要根据输出单元采用什么器件来确定，如果是采用可控硅的，则可设定时间常数的范围就很自由；如果采用继电器的，若过于频繁的开关就会影响继电器的使用寿命，所以不太适合采用较短周期。18积分饱和问题的处理 (1) 遇限削弱积分法一旦控制变量进入饱和区，将只执行削弱积分项的运算而停止进行增大积分项的运算。具体地说，在计算Ui时，将判断上一个时刻的控制量Ui-1是否已经超出限制范围，如果已经超出，那么将根据偏

55、差的符号，判断系统是否在超调区域，由此决定是否将相应偏差计入积分项。其程序流程图如图所示。图遇限削弱积分的PID算法程序流程图(2) 积分分离法图积分分离程序控制流程图图PID程序流程图在基本PID控制中，当有较大幅度的扰动或大幅度改变给定值时， 由于此时有较大的偏差，以及系统有惯性和滞后，故在积分项的作用下，往往会产生较大的超调量和长时间的波动。特别是对于温度、成份等变化缓慢的过程，这一现象将更严重。为此可以采用积分分离措施，即偏差较大的时，取消积分作用；当偏差较小时才将积分作用投入。 另外积分分离的阈值应视具体对象和要求而定。若阈值太大，达不到积分分离的目的，若太小又有可能因被控量无法跳出

56、积分分离区，只进行PD控制，将会出现残差。(3) 有效偏差法当根据PID位置算法算出的控制量超出限制范围时，控制量实际上只能取边际值U=Umax,或U=Umin,有效偏差法是将相应的这一控制量的偏差值作为有效偏差值计入积分累计而不是将实际的偏差计入积分累计。因为按实际偏差计算出的控制量并没有执行。综上所述，本次设计智能算法程序流程图如图4.7所示。人机接口部分的设计人机接口部分包含键盘部分和显示部分。键盘部分的设计键盘是若干键的集合，是向系统提供操作人员干预命令及数据的接口设备，键盘可分为编码键盘和非编码键盘两种类型。前者能自动识别按下的键并产生相应的代码，以并行或串行方式发给CPU。它使用方

57、便，接口简单，响应速度快，但需要专用的硬件电路。后者则通过软件来确定按键并计算键值。这种方法虽然没有编码键盘速度快，但它不需要专用的硬件支持，因此得到了广泛的应用。键盘是计算机应用系统中一个重要组成部分，设计时必须解决下述一些问题。（1）按键的确认键盘实际上是一组按键开关的集合，其中每一个键值就是一个开关量的输入装置。键的闭合与否取决于机械弹性开关的通、断状态。反应在电压上就是呈现出高电平或者低电平，例如高电平表示断开，低电平表示闭合。所以，通过检测电平的状态（高或低），便可确定按键是否已被按下。在工业过程控制和智能化仪器系统中，为了缩小整个系统的规模，简化硬件线路，常常希望设置最少量的按键，获取更多的操作控制功能。（2）重键与连击的处理实际按键操作中，若无意中同时或先后按下两个以上的键，系统确认哪个键操作是有效的完全由设计者的意志决定的。如视按下时间最长者为有效，或认为最先按下的键为当前按键，也可以将最后释放的键看成是输入键。不过微型计算机控制系统毕竟资源有限，交互能力不强，通常总是采用单键按下有效，多