模糊PID溫度控制系統(tǒng)設計

1、 渤海大學畢業(yè)論文(設計)題 目： 模糊pid溫度控制系統(tǒng)設計 院 系： 工學院 專 業(yè)： 自動化 姓 名： xxx 指導教師： xxx 完成日期： 2011年 月 日 模糊pid溫度控制系統(tǒng)設計摘要：模糊pid的溫度控制系統(tǒng)具有真正的智能化和靈活性，越來越多的溫度控制系統(tǒng)都基于模糊pid算法而設計。當控制對象很復雜的情況下，常規(guī)pid溫度控制器已經(jīng)不再適用了，為了提高對復雜系統(tǒng)的控制性能，要使用模糊pid溫度控制器。本文設計了一種基于模糊pid的溫度控制系統(tǒng)，以at89c51單片機為核心，首先介紹了模糊pid控制理論基礎、系統(tǒng)的硬件設計以及硬件選擇，其次從硬件和軟件兩方面介紹了mcs-51單

2、片機溫度控制系統(tǒng)的設計思路，簡單說明如何實現(xiàn)對溫度的控制，并對硬件原理圖和程序框圖作了簡潔的描述。關鍵詞：模糊pid；單片機；溫度傳感器；溫度控制fuzzy pid temperature control system designingabstract：fuzzy pid temperature control system with real intelligence and flexibility, more and more temperature control systems are designed based on fuzzy pid algorithm.when the co

3、ntrol object is a complex situation, conventional pid temperature controller is no longer applied, in order to improve the control performance of complex systems, to use the fuzzy pid temperature controller.this design presents a fuzzy-based pid temperature control system to at89c51 scm,made the fol

4、lowing main, first introduce the theory of fuzzy pid control, for the hardware design and hardware selection, second single-chips temperature control system is introduced from hardware and software, and simply explains how to actualize the temperature control. keywords: fuzzy pid; singlechip microco

5、mputer; temperature sensor；temperature controlling目 錄一、引言 1（一） 課題的提出和意義 4（二） 概述 4（三） pid控制器的發(fā)展 6二、模糊pid控制 7（一） 模糊 pid控制發(fā)展及優(yōu)點 7（二） 模糊控制理論 9（三） 模糊pid控制算法 11三、模糊pid溫度控制系統(tǒng)的設計 14（一） 系統(tǒng)硬件電路模型的建立 14（二） 系統(tǒng)設計原則及系統(tǒng)總電路圖 15（三） 單片機和溫度傳感器的選擇 16（四） 系統(tǒng)軟件設計 25四、系統(tǒng)調(diào)試 28（一） 常見的硬件故障 28（二） 聯(lián)機調(diào)試和脫機調(diào)試 29（三） 軟件調(diào)試方法 31（四） 誤

6、差分析 32五、結論 33六、參考文獻 34一、引言（一）課題的提出和意義隨著社會的發(fā)展，溫度的測量及控制變得越來越重要。無論你生活在任何地方，從事什么工作，無時無刻不在與溫度打著交道。在工業(yè)高速發(fā)展中為了高效的進行生產(chǎn)，其中溫度的測量及控制扮演者重要的角色。準確測量和有效控制溫度是優(yōu)質，高產(chǎn)，低耗和安全生產(chǎn)的重要條件。在鋼鐵、冶金、水泥、玻璃、醫(yī)藥等行業(yè)，可以說幾乎80%的工業(yè)部門都不得不考慮著溫度的因素。溫度的測量和控制不但對于工業(yè)非常重要，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中溫度的測量與控制也有著十分重要的意義。 （二）概述溫度是生活及生產(chǎn)中最基本的物理量，它表征的是物體的冷熱程度。自然界中任何物理、化學過程都

7、緊密的與溫度相聯(lián)系。在很多生產(chǎn)過程中，溫度的測量和控制都直接和安全生產(chǎn)、提高生產(chǎn)效率、保證產(chǎn)品質量、節(jié)約能源等重大技術經(jīng)濟指標相聯(lián)系。因此，溫度的測量與控制在國民經(jīng)濟各個領域中均受到了相當程度的重視。溫度控制，在工業(yè)自動化控制中占有非常重要的地位。單片機系統(tǒng)的開發(fā)應用給現(xiàn)代工業(yè)測控領域帶來了一次新的技術革命，自動化、智能化均離不開單片機的應用。將單片機控制方法運用到溫度控制系統(tǒng)中，可以克服溫度控制系統(tǒng)中存在的嚴重滯后現(xiàn)象，同時在提高采樣頻率的基礎上可以很大程度的提高控制效果和控制精度?，F(xiàn)代自動控制越來越朝著智能化發(fā)展，在很多自動控制系統(tǒng)中都用到了工控機，小型機、甚至是巨型機處理機等，當然這些處

8、理機有一個很大的特點，那就是很高的運行速度，很大的內(nèi)存，大量的數(shù)據(jù)存儲器。但隨之而來的是巨額的成本。在很多的小型系統(tǒng)中，處理機的成本占系統(tǒng)成本的比例高達20%，而對于這些小型的系統(tǒng)來說，配置一個如此高速的處理機沒有任何必要，因為這些小系統(tǒng)追求經(jīng)濟效益，而不是最在乎系統(tǒng)的快速性，所以用成本低廉的單片機控制小型的，而又不是很復雜，不需要大量復雜運算的系統(tǒng)中是非常適合的。 溫度控制，在工業(yè)自動化控制中占有非常重要的地位，如在鋼鐵冶煉過程中要對出爐的鋼鐵進行熱處理，才能達到性能指標，塑料的定型過程中也要保持一定的溫度。隨著科學技術的迅猛發(fā)展，各個領域對自動控制系統(tǒng)控制精度、響應速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性與自適應

9、能力的要求越來越高，被控對象或過程的非線性、時變性、多參數(shù)點的強烈耦合、較大的隨機擾動、各種不確定性以及現(xiàn)場測試手段不完善等，使難以按數(shù)學方法建立被控對象的精確模型的情況。隨著電子技術以及應用需求的發(fā)展，單片機技術得到了迅速的發(fā)展，在高集成度，高速度，低功耗以及高性能方面取得了很大的進展。伴隨著科學技術的發(fā)展，電子技術有了更高的飛躍，我們必須要好好地利用溫度的測量和控制。今天，我們的生活環(huán)境和工作環(huán)境有越來越多稱之為單片機的小電腦在為我們服務。單片機在工業(yè)控制、尖端武器、通信設備、信息處理、家用電器等各測控領域的應用中獨占鰲頭。時下，家用電器和辦公設備的智能化、遙控化、實現(xiàn)模糊控制化己成為世界

10、潮流，而這些高性能無一不是靠單片機來實現(xiàn)的。（三） pid控制器的發(fā)展 目前工業(yè)自動化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個重要標志。同時，控制理論的發(fā)展也經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個階段。智能控制的典型實例是模糊全自動洗衣機等。自動控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。一個控制系統(tǒng)包括控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行機構、輸入輸出接口?？刂破鞯妮敵鼋?jīng)過輸出接口、執(zhí)行機構，加到被控系統(tǒng)上；控制系統(tǒng)的被控量，經(jīng)過傳感器，變送器，通過輸入接口送到控制器。不同的控制系統(tǒng)，其傳感器、變送器、執(zhí)行機構是不一樣的。比如壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器。電加熱控制系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器。

11、目前，pid控制及其控制器或智能pid控制器已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實際中得到了廣泛的應用，有各種各樣的pid控制器產(chǎn)品，各大公司均開發(fā)了具有pid參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器，其中pid控制器參數(shù)的自動調(diào)整是通過智能化調(diào)整或自校正、自適應算法來實現(xiàn)。有利用pid控制實現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實現(xiàn)pid控制功能的可編程控制器，還有可實現(xiàn)pid控制的pc系統(tǒng)等等。二、 模糊pid控制（一） 模糊 pid控制發(fā)展及優(yōu)點pid控制策略是最早發(fā)展起來的控制策略之一，現(xiàn)金使用的pid控制器產(chǎn)生并發(fā)展于1915-1940年期間盡管自1940年以來，許多先進的控制方法不斷的推出，但由于pid控制具有

12、結構簡單、魯棒性好、可靠性高、參數(shù)易于整定，p、i、d控制規(guī)律各自成獨立環(huán)節(jié)，可根據(jù)工業(yè)過程進行組合，而且其應用時期較長，控制工程師們已經(jīng)積累大量的pid控制器參數(shù)的調(diào)節(jié)經(jīng)驗。因此，pid控制器在工業(yè)控制中仍然得到廣泛的應用，許多工業(yè)控制器仍然采用pid控制器。pid控制器的發(fā)展經(jīng)歷了液動式、氣動式、電動式幾個階段，目前正由模擬控制器向著數(shù)字化、智能化控制器的方向發(fā)展2。在工程實際中，應用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱pid控制，又稱pid調(diào)節(jié)。pid控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一。當被控對象的結構

13、和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學模型時，控制理論的其它技術難以采用時，系統(tǒng)控制器的結構和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應用pid控制技術最為方便。即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用pid控制技術。pid控制，實際中也有pi和pd控制。pid控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。 1.比例（p）控制 比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。 2.積分（i）控制 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。對一個自動

14、控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng) 。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(pi)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 3.微分（d）控制 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。 自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會 出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后組件，具有抑制誤差的作用

15、，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(pd)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。（二）模糊控制理論 模糊控制是一種基于規(guī)則的控制，它直接采用語言型控制規(guī)則，出發(fā)點是現(xiàn)場操作人員的控制經(jīng)驗或相關專家的知識，在設計中不需要建立被控

16、對象的精確的數(shù)學模型，因而使得控制機理和策略易于接受與理解，設計簡單，便于應用 4。由工業(yè)過程的定性認識出發(fā)，比較容易建立語言控制規(guī)則，因而模糊控制對那些數(shù)學模型難以獲取，動態(tài)特性不易掌握或變化非常顯著的對象非常適用?；谀Ｐ偷目刂扑惴跋到y(tǒng)設計方法，由于出發(fā)點和性能指標的不同，容易導致較大差異；但一個系統(tǒng)語言控制規(guī)則卻具有相對的獨立性，利用這些控制規(guī)律間的模糊連接，容易找到折中的選擇，使控制效果優(yōu)于常規(guī)控制器。 模糊控制是基于啟發(fā)性的知識及語言決策規(guī)則設計的，這有利于模擬人工控制的過程和方法，增強控制系統(tǒng)的適應能力，使之具有一定的智能水平。模糊控制系統(tǒng)的魯棒性強，干擾和參數(shù)變化對控制效果的影

17、響被大大減弱，尤其適合于非線性、時變及純滯后系統(tǒng)的控制。常規(guī)的 pid控制系統(tǒng)原理框圖如下圖所示，系統(tǒng)由 pid 控制器和被控對象組成。 +=比例積分微分被控對象 r(t) e(t) p c(t) pid控制系統(tǒng)原理框圖 pid 控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值r（t） 與實際輸出值c（t） 構成控制偏差： e(t)=r(t)-c(t) (2-1)將偏差的比例（p） 、積分（i）和微分（d）通過線性組合構成控制量，對被控對象進控制，故稱 pid 控制器。pid 控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下： 1. 比例環(huán)節(jié)即時成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減

18、少偏差；比例調(diào)節(jié)的方程為： y = kp * e(t) (2-2)其中，y 為比例調(diào)節(jié)器的輸出量， kp為比例系數(shù)， e(t)為調(diào)節(jié)器的輸入或偏差值。而e（t）可表示成： e（t）=vo v（t） (2-3)這里 vo為設定的目標值， v（t）為 t時刻的采樣值。比例調(diào)節(jié)器的輸出變化與輸入偏差成比例。比例調(diào)節(jié)作用的大小除了與偏差 e（t）有關外，主要取決于比例系數(shù)kp的大小。kp越大，比例調(diào)節(jié)作用越強，反之則越弱。但對于大多數(shù)系統(tǒng)來說，kp太大時，會引起系統(tǒng)自激振蕩。比例調(diào)節(jié)的優(yōu)點是調(diào)節(jié)及時，只要偏差e（t）一出現(xiàn)，就能及時產(chǎn)生與之成比例的調(diào)節(jié)作用。缺點是存在振蕩，而且如果單純采用比例調(diào)節(jié)，那

19、么系統(tǒng)一定會存在靜差。這是因為比例調(diào)節(jié)的輸出正比于偏差值，若偏差為零，則輸出也為零，此時系統(tǒng)不可能達到平衡。比例系數(shù)越小，過渡過程越平穩(wěn)，但靜差越大。比例系數(shù)越大，則過渡過程曲線振蕩越厲害，當比例系數(shù)過大時，甚至可能出現(xiàn)發(fā)散振蕩的情況。因此，對于擾動較大，慣性也較大的系統(tǒng)，若采用單純的比例調(diào)節(jié)，就難以兼顧動態(tài)和靜態(tài)的特性。2. 積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。；3. 微分環(huán)節(jié)能夠反映偏差信號的變化趨勢(變化速率)，并且能在偏差信號值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間7。（三）模糊pid控制算法由于計算機控制是一種采樣控制系統(tǒng)，它只

20、能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量。因此，式2-3中的積分和微分項不能直接使用，需要進行離散化處理現(xiàn)令t為采樣周期，以一系列的采樣時刻點kt代表連續(xù)時間t，以累加求和近似代替積分以一階后向差分近似代替微分做如下的近似變換1： (2-4) （2-5） (2-6)其中，t為采樣周期，e(k)為系統(tǒng)第k次采樣時刻的偏差值，e(k-l)為系統(tǒng)第(k-l)次采樣時刻的偏差值，k為采樣序號，k=0，1，2，。將上面的式2-4和式2-5代入式2-6則可以得到離散的pid表達式： (2-7)如果采樣周期了足夠小，該算式可以很好的逼近模擬pid算式，因而使被控過程與連續(xù)控制過程十分接近。通常把式2-7稱為pid的

21、位置式控制算法。若在式2-7中，令： （稱為積分系數(shù)） (稱為微分系數(shù)） 則 (2-8)(2-8)式即為離散化的位置式pid控制算法的編程表達式?？梢钥闯觯看屋敵雠c過去的所有狀態(tài)都有關，要想計算u(k)，不僅涉及e(k)和e(k-l)，且須將歷次e(j)相加，計算復雜，浪費內(nèi)存。下面，推導計算較為簡單的遞推算式。為此，對(2-8)式作如下的變動：考慮到第（k-1）次采樣時有： （2-9）使（2-8）兩邊對應減去（2-9）式得 整理后得 （2-10）其中：； 式（2-10）就是pid位置式的遞推形式如果令，則： （2-11）式中、同式（2-10）中一樣。因為在計算機控制中式中、都可以事先求出，

22、所以，實際控制時只須獲得 、三個有限的偏差值就可以求出控制增量。由于其控制輸出對應執(zhí)行機構的位置的增量，故(2-11)式通常被稱為pid控制的增量式算式3。增量式pid控制算法與位置式控制算法比較，有如下的一些優(yōu)點：（1）位置式算法每次輸出與整個過去狀態(tài)有關，算式中要用到過去偏差的累加值，容易產(chǎn)生較大的累計誤差。而增量式中只須計算增量，控制增量的確定僅與最近幾次偏差采樣值有關，當存在計算誤差或者精度不足時，對控制量的影響較小，且較容易通過加權處理獲得比較好的控制效果；（2）由于計算機只輸出控制增量，所以誤動作影響小，而且必要時可以用邏輯判斷的方法去掉，對系統(tǒng)安全運行有利；（3）手動與自動切換時

23、沖擊比較小。三、 模糊pid溫度控制系統(tǒng)的設計（一）系統(tǒng)硬件電路模型的建立模糊pid溫度控制系統(tǒng)主要包括單片機控制模塊，溫度采集模塊，溫度顯示模塊，溫度上下限調(diào)整模塊，電機驅動模塊和外部存儲模塊等六大部分。系統(tǒng)總體框圖如圖3-1所示3。溫度采集模塊溫度設定模塊單片機控制模塊外部存儲模塊溫度超限報警模塊電機驅動模塊溫度顯示模塊 圖3-1 系統(tǒng)總體框圖（1）單片機控制模塊：它是系統(tǒng)的核心模塊，用來控制其他各個模塊的工作情況。（2）溫度采集模塊：該模塊用來采集控制對象的溫度，并輸入到單片機中。（3）溫度設定模塊：用來設定所需求的溫度。（4）溫度超限報警模塊：當溫度高于上限或者低于下限時，該模塊啟動，

24、以實現(xiàn)更好的人機交流。（5）電機驅動模塊：該模塊分為兩個部分；加熱裝置與散熱裝置。（6）外部存儲模塊：用來存儲設定溫度的上限值和下限值。（7）溫度顯示模塊：顯示當前設定的溫度值。（二）系統(tǒng)設計目標、原理及系統(tǒng)總電路圖1. 系統(tǒng)設計目標 用單片機對溫度進行實時檢測和控制，以解決工業(yè)及日常生活中對溫度的及時自動控制問題；用十進制數(shù)碼顯示實際溫度值，方便人工監(jiān)視；用鍵盤輸入溫度控制范圍值，便于在不同應用場所設置不同溫度范圍值。當實際溫度值不在該范圍時，系統(tǒng)能自動調(diào)節(jié)溫度， 以保持設定的溫度基本不變，達到自動控制的目的。系統(tǒng)的溫度最小區(qū)分度為1。在環(huán)境溫度變化時，溫度控制的靜態(tài)誤差小于等于0.5。92

25、.系統(tǒng)設計原理本設計采用at89c51單片機應用系統(tǒng)來實現(xiàn)設計要求，因at89c51在片內(nèi)含4kb的eeprom，不需外擴展存儲器，可使系統(tǒng)整體結構簡單。利用at89c51串行口輸出工作方式，使at89c51的利用率大大提高，外部電路得以簡化。at89c51可直接對鍵盤進行掃描讀數(shù)，可直接用串/并轉換模塊驅動led顯示溫度值。因其利用率高，負載重，后相電路只需加一塊同相驅動器即可正常工作。在串行傳輸數(shù)據(jù)時，頻率可達到1mhz，對溫度的顯示完全達到測控精度要求。3.系統(tǒng)總電路圖系統(tǒng)總設計圖如圖3-2所示 圖3-2 系統(tǒng)總設計圖（三）單片機和溫度傳感器的選擇 1.單片機的選擇本文選用at89c51

26、單片機，at89c51是一種帶4k字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器（fperomflash programmable and erasable read only memory）的低電壓、高性能cmos 8位微處理器，俗稱單片機10。at89c51單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。 主要特性：與mcs-51 兼容4k字節(jié)可編程閃爍存儲器壽命：1000寫/擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時間：10年全靜態(tài)工作：0hz-24mhz三級程序存儲器鎖定128×8位內(nèi)部ram 32可編程i/o線兩個16位定時器/計數(shù)5個中斷源可編程串行通道低功耗的閑置和掉電模式片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 圖3-

27、3 at89c51單片機示意圖管腳說明：vcc：供電電壓。gnd：接地。p0口：p0口為一個8位漏級開路雙向i/o口，每腳可吸收8ttl門電流。當p1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。p0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在fiash編程時，p0 口作為原碼輸入口，當fiash進行校驗時，p0輸出原碼，此時p0外部必須被拉高。p1口：p1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向i/o口，p1口緩沖器能接收輸出4ttl門電流。p1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，p1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在flash編程和校驗時，p1口

28、作為第八位地址接收。p2口：p2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o口，p2口緩沖器可接收，輸出4個ttl門電流，當p2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，p2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。p2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，p2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，p2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。p2口在flash編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。    p3口：p3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的

29、雙向i/o口，可接收輸出4個ttl門電流。當p3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，p3口將輸出電流（ill）這是由于上拉的緣故。rst：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持rst腳兩個機器周期的高電平時當8051通電，時鐘電路開始工作，在reset引腳上出現(xiàn)24個時鐘周期以上的高電平，系統(tǒng)即初始復位。初始化后，程序計數(shù)器pc指向0000h，p0-p3輸出口全部為高電平，堆棧指鐘寫入07h，其它專用寄存器被清“0”。reset由高電平下降為低電平后，系統(tǒng)即從0000h地址開始執(zhí)行程序。然而，初始復位不改變ram（包括工作寄存器r0-r7）的狀態(tài)5

30、。 ale/prog：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在flash編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ale端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ale脈沖。如想禁止ale的輸出可在sfr8eh地址上置0。此時， ale只有在執(zhí)行movx，movc指令是ale才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ale禁止，置位無效。psen：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/psen有效。但

31、在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/psen信號將不出現(xiàn)。ea/vpp：當/ea保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000h-ffffh），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/ea將內(nèi)部鎖定為reset；當/ea端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在flash編程期間，此引腳也用于施加12v編程電源（vpp）。xtal1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。xtal2：來自反向振蕩器的輸出。振蕩器特性：xtal1和xtal2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅動器件，xtal2應不接。有余輸入

32、至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。芯片擦除：整個perom陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ale管腳處于低電平10ms 來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復編程以前，該操作必須被執(zhí)行。此外，at89c51設有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，cpu停止工作。但ram，定時器，計數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存ram的內(nèi)容并且凍結振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復位為止。2.溫度傳感器

33、的選擇本文選用ds18b20傳感器，ds18b20是美國dallas半導體公司繼ds1820之后最新推出的一種數(shù)字化單總線器件，屬于新一代適配微處理器的改進型智能溫度傳感器。使用ds1sb20可使系統(tǒng)結構更趨簡單，可靠性更高。同時其“一線總線”獨特而且經(jīng)濟的特點，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡，為測量系統(tǒng)的構建引入了全新的概念。其測量溫度范圍為-55+125，在-1085范圍內(nèi)，精度為土0.5?，F(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，用符號擴展的16位數(shù)字量方式串行輸出，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。因此，數(shù)字化單總線器件ds18b20適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，如：環(huán)境控制、設備或過程控制、測

34、溫類消費電子產(chǎn)品等。它在測溫精度、轉換時間、傳輸距離、分辨率等方面較ds18b20都有了很大的改進，給用戶帶來了更方便和更令人滿意的效果。可廣泛用于工業(yè)、民用、軍事等領域的溫度測量及控制儀器、測控系統(tǒng)和大型設備中3。ds18b20的測溫原理：溫度傳感器的歷史及簡介溫度的測量是從金屬(物質)的熱脹冷縮開始。水銀溫度計至今仍是各種溫度測量的計量標準?？墒撬娜秉c是只能近距離觀測，而且水銀有毒，玻璃管易碎。代替水銀的有酒精溫度計和金屬簧片溫度計，它們雖然沒有毒性，但測量精度很低，只能作為一個概略指示。不過在居民住宅中使用已可滿足要求。在工業(yè)生產(chǎn)和實驗研究中為了配合遠傳儀表指示，出現(xiàn)了許多不同的溫度檢

35、測方法，常用的有電阻式、熱電偶式、pn結型、輻射型、光纖式及石英諧振型等。它們都是基于溫度變化引起其物理參數(shù)(如電阻值，熱電勢等)的變化的原理。隨著大規(guī)模集成電路工藝的提高，出現(xiàn)了多種集成的數(shù)字化溫度傳感器。每一片dsl8b20在其rom中都存有其唯一的48位序列號，在出廠前已寫入片內(nèi)rom 中。主機在進入操作程序前必須用讀rom(33h)命令將該dsl8b20的序列號讀出。程序可以先跳過rom，啟動所有dsl8b20進行溫度變換，之后通過匹配rom，再逐一地讀回每個dsl8b20的溫度數(shù)據(jù)。ds18b20的測溫原理如圖3-4所示，圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率

36、的脈沖信號送給減法計數(shù)器1，高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其震蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為減法計數(shù)器2的脈沖輸入，圖中還隱含著計數(shù)門，當計數(shù)門打開時，ds18b20就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖后進行計數(shù)，進而完成溫度測量。計數(shù)門的開啟時間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測量前，首先將-55 所對應的基數(shù)分別置入減法計數(shù)器1和溫度寄存器中，減法計數(shù)器1和溫度寄存器被預置在-55 所對應的一個基數(shù)值。減法計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當減法計數(shù)器1的預置值減到0時溫度寄存器的值將加1，減法計數(shù)器1的預置將重新被裝入，減法計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)

37、，如此循環(huán)直到減法計數(shù)器2計數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。低溫度系數(shù)振蕩器預置斜率累加器計數(shù)比較器減法計數(shù)器1減到0預置溫度寄存器高溫度系數(shù)振蕩器減法計數(shù)器2減到0增加1 圖3-4 ds18b20的內(nèi)部測溫電路原理圖圖3-4中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給減法計數(shù)器1，高溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率隨溫度變化而明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為減法計數(shù)器2的脈沖輸入。圖中還隱含著計數(shù)門，當計數(shù)門打開時，ds18b20就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖進行計數(shù)，進而完成溫度測量。計數(shù)門的開啟時間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測量

38、前，首先將-55所對應的基數(shù)分別置入減法計數(shù)器1和溫度寄存器中，減法計數(shù)器和溫度寄存器被預置在-55所對應的一個基數(shù)值。減法計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當減法計數(shù)器1的預置值減到0時溫度寄存器的值將加1，減法計數(shù)器1的預置將重新被裝入，減法計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到減法計數(shù)器2計數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正減法計數(shù)器的預置值，只要計數(shù)門仍未關閉就重復上述過程，直至溫度寄存器值達到被測溫度值，這就是ds18b20的測溫原理6。ds1

39、8b20的測溫流程：初始化ds18b20跳過rom匹配溫度變換延時1s跳過rom匹配讀暫存器轉換成顯示碼數(shù)碼管顯示圖3-5 ds18b20的測溫流程ds18b20使用中注意事項ds18b20雖然具有測溫系統(tǒng)簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點，但在實際應用中也應注意以下幾方面的問題：   1) 較小的硬件開銷需要相對復雜的軟件進行補償，由于ds18b20與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此，在對ds18b20進行讀寫編程時，必須嚴格的保證讀寫時序，否則將無法讀取測溫結果。在使用pl/m、c等高級語言進行系統(tǒng)程序設計時，對ds18b20操作部分最好采用匯編語言實現(xiàn)。 &

40、#160; 2) 在ds18b20的有關資料中均未提及單總線上所掛ds18b20數(shù)量問題，容易使人誤認為可以掛任意多個ds18b20，在實際應用中并非如此。當單總線上所掛ds18b20超過8個時，就需要解決微處理器的總線驅動問題，這一點在進行多點測溫系統(tǒng)設計時要加以注意。   3) 連接ds18b20的總線電纜是有長度限制的。試驗中，當采用普通信號電纜傳輸長度超過50m時，讀取的測溫數(shù)據(jù)將發(fā)生錯誤。當將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時，正常通訊距離可達150m，當采用每米絞合次數(shù)更多的雙絞線帶屏蔽電纜時，正常通訊距離進一步加長。這種情況主要是由總線分布電容使信號波形

41、產(chǎn)生畸變造成的。因此，在用ds18b20進行長距離測溫系統(tǒng)設計時要充分考慮總線分布電容和阻抗匹配問題。   4) 在ds18b20測溫程序設計中，向ds18b20發(fā)出溫度轉換命令后，程序要等待ds18b20的返回信號，一旦某個ds18b20接觸不好或斷線，當程序讀該ds18b20時，將沒有返回信號，程序進入死循環(huán)。這一點在進行ds1820硬件連接和軟件設計時也要給予一定的重視。 測溫電纜線建議采用屏蔽4芯雙絞線，其中一對線接地線與信號線，另一組接vcc和地線，屏蔽層在源端單點接地。（四）系統(tǒng)軟件設計1.系統(tǒng)軟件設計整體思路：一個應用系統(tǒng)要完成各項功能，首先必須有較完善的硬件

42、作保證。同時還必須得到相應設計合理的軟件的支持，尤其是微機應用高速發(fā)展的今天，許多由硬件完成的工作，都可通過軟件編程而代替。甚至有些必須采用很復雜的硬件電路才能完成的工作，用軟件編程有時會變得很簡單，如數(shù)字濾波，信號處理等。因此充分利用其內(nèi)部豐富的硬件資源和軟件資源，采用與s51系列單片機相對應的51匯編語言和結構化程序設計方法進行軟件編程。程序設計語言有三種：機器語言、匯編語言和高級語言。機器語言是機器唯一能“懂”的語言，用匯編語言或高級語言編寫的程序（稱為源程序）最終都必須翻譯成機器語言的程序（成為目標程序），計算機才能“看懂”，然后逐一執(zhí)行。高級語言是面向問題和計算過程的語言，它可通過于

43、各種不同的計算機，用戶編程時不必仔細了解所用的計算機的具體性能與指令系統(tǒng)，而且語句的功能強，常常一個語句已相當于很多條計算機指令，于是用高級語言編制程序的速度比較快，也便于學習和交流，但是本系統(tǒng)卻選用了匯編語言。原因在于，本系統(tǒng)是編制程序工作量不大、規(guī)模較小的單片機微控制系統(tǒng)，使用匯編語言可以不用像高級語言那樣占用較多的存儲空間，適合于存儲容量較小的系統(tǒng)。同時，本系統(tǒng)對位處理要求很高，需要解決大量的邏輯控制問題。mcs51指令系統(tǒng)的指令長度較短，它在存儲空間和執(zhí)行時間方面具有較高的效率，編成的程序占用內(nèi)存單元少，執(zhí)行也非常的快捷，與本系統(tǒng)的應用要求很適合。而且mcs51指令系統(tǒng)有豐富的位操作（

44、或稱位處理）指令，可以形成一個相當完整的位操作指令子集，這是mcs51指令系統(tǒng)主要的優(yōu)點之一。對于要求反應靈敏與控制及時的工控、檢測等實時控制系統(tǒng)以及要求體積小、系統(tǒng)小的許多“電腦化”產(chǎn)品，可以充分體現(xiàn)出匯編語言簡明、整齊、執(zhí)行時間短和易于使用的特點8。2. 軟件主程序模塊主程序模塊要做的主要工作是上電后對系統(tǒng)初始化和構建系統(tǒng)整體軟件框架，其中初始化包括對單片機的初始化和串口初始化等。然后等待溫度設定，若溫度已經(jīng)設定好了，判斷系統(tǒng)運行鍵是否按下，若系統(tǒng)運行，則依次調(diào)用各個相關模塊，循環(huán)控制直到系統(tǒng)停止運行11。主程序模塊的程序流程圖如圖3-6所示。開始系統(tǒng)初始化等待溫度設定否讀溫度設定值等待運

45、行/停止鍵按否數(shù)據(jù)采集溫度顯示控制輸出pid運算運/停止按否 n y n y y n 圖3-6 主程序流程圖四、系統(tǒng)調(diào)試（一）常見的硬件故障1.邏輯錯誤 它是由設計錯誤或加工過程中的工藝性錯誤所造成的。這類錯誤包括錯線、開路、短路、相位錯等。2.元器件失效 有兩方面的原因：一是器件本身已損壞或性能不符合要求；二是組裝錯誤造成元件失效，如電解電容、二極管的極性錯誤、集成電路安裝方向錯誤等。3.可靠性差 引起可靠性差的原因很多，如金屬化孔、接插件接觸不良會造成系統(tǒng)時好時壞，經(jīng)不起振動；內(nèi)部和外部干擾、電源紋波系數(shù)大、器件負荷過大等造成邏輯電平不穩(wěn)定；走線和布局不合理也會引起系統(tǒng)可靠性差。4.電源故

46、障 若樣機有電源故障，則加電后很容易造成器件損壞。電源故障包括電壓值不符合設計要求，電源引線和插座不對，功率不足，負載能力差等。（二）聯(lián)機調(diào)試和脫機調(diào)試1.聯(lián)機調(diào)試通過脫機調(diào)試可排除一些明顯的硬件故障，但有些故障還必須通過聯(lián)機調(diào)試才能發(fā)現(xiàn)和排除。聯(lián)機前先斷電，將單片機開發(fā)系統(tǒng)的仿真頭插到樣機的8031插件上，檢查開發(fā)機和樣機之間的電源、接地是否良好。一切正常后，即可打開電源。通電后執(zhí)行開發(fā)機的讀寫指令，對樣機的存儲器、i/o端口進行讀寫操作、邏輯檢查，若有故障，可用示波器觀察有關波形（如選中的譯碼器輸出波形、讀寫控制信號、地址數(shù)據(jù)波形以及有關的控制電平）。通過對波形的觀察分析，尋找故障原因并進

47、一步排除故障。可能的故障有：路線連接上有邏輯錯誤、有斷路或短路現(xiàn)象、集成電路失效等。在樣機主機部分調(diào)試好后，可以插上系統(tǒng)的其他外圍部件，例如鍵盤、顯示器、輸出驅動板、a/d及d/a板等，再對這部分進行初步調(diào)試。在調(diào)試過程中若發(fā)現(xiàn)用戶系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，可能有下列情況：電源系統(tǒng)供電不足，或聯(lián)機時公共地線接觸不良，或用戶系統(tǒng)主板負載過大，或用戶的各級電源濾波不完善等。對這些問題一定要查出原因并加以排除。（1）采集電路調(diào)試（2）數(shù)碼顯示調(diào)試調(diào)試中發(fā)現(xiàn)發(fā)光二極管的亮度一直很微弱，用萬用表測量可知，其輸入電壓只有1.99v，勉強能夠發(fā)光，而89c51輸出的電壓依然為5v左右，分析知89c51在串行口工作方式

48、下，負載很重，發(fā)光二極管分得的電流較小，使其不能正常發(fā)光。在此加入一塊同相放大器來驅動它們工作。2.脫機調(diào)試在樣機加電以前，先用萬用表等工具根據(jù)硬件電氣原理和裝配圖仔細檢查樣機線路的正確性，并核對元器件的型號、規(guī)格和安裝是否符合要求，特別應注意電源的走線，防止電源線之間短路和極性錯誤，并檢查擴展系統(tǒng)總線是否存在相互短路或與其他信號線的短路。對于樣機所用電源，事先必須單獨調(diào)試。調(diào)試好后，檢查其電壓值、負載能力、極性等均符合要求，才能加到系統(tǒng)的各個部件上。在不插芯片的情況下，加電檢查各插件上引腳的電位，仔細測量各點電位是否正常，尤其應注意8031插座上各電位是否正常，若有高壓，聯(lián)機時將損壞仿真器。在脫機調(diào)試中，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)無法復位，經(jīng)檢查知電路中沒有接入復位電路，經(jīng)接入上電復位方式的復位電路后，系統(tǒng)運行正常。（三）軟件調(diào)試方法軟件調(diào)試與所選用的軟件結構和程序設計技術有關。如果采用模塊程序設計技術，則逐個模塊分別調(diào)試。調(diào)試各子程序時一定要符合現(xiàn)場環(huán)境，即入口條件和出口條件。調(diào)試手段可采用單步或設置斷點運行方式，通過檢查系統(tǒng)cpu 的現(xiàn)場，arm的內(nèi)容和i/o口的狀態(tài)，檢查程序執(zhí)行結果是否符合設