PID溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、遼寧工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）模糊PID溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)姓 名 楊 在 宏 學(xué) 院 電氣工程學(xué)院 專(zhuān) 業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化指導(dǎo)教師 陳 紅 艷 職 稱(chēng) 講 師 2010年 06月 15日天津工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū) 題目模糊PID溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)學(xué)生姓名楊在宏學(xué)院名稱(chēng)電氣工程與自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)班級(jí)電氣064課題類(lèi)型教研課題課題意義課題以模糊自整定 PID 控制算法為基礎(chǔ)，構(gòu)成一個(gè)能進(jìn)行較復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和復(fù)雜控制功能的智能控制器，使其既可與微機(jī)配合構(gòu)成控制系統(tǒng)，又可作為一個(gè)獨(dú)立的單片機(jī)控制系統(tǒng)，具有較高的靈活性和可靠性。單片機(jī)根據(jù)輸入的各種命令，進(jìn)行智能算法得到控制值，輸出脈沖觸發(fā)號(hào)，通過(guò)過(guò)

2、零觸發(fā)電路驅(qū)動(dòng)雙向可控硅，從而控制溫度。本課題提出的基于模糊的自整定 PID 控制算法的控制系統(tǒng)具有真正的智能化和靈活性，有自動(dòng)檢測(cè)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、處理及控制結(jié)果顯示等功能，對(duì)控制溫度的控制精度具有較好的意義。任務(wù)與進(jìn)度要求3.13.31查找資料，理解相關(guān)原理，學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)。4.14.15確定整體方案選擇并編寫(xiě)軟件。4.165.20仿真程序計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析整理。5.216.16 整理資料，撰寫(xiě)論文，準(zhǔn)備答辯。主要參考文獻(xiàn)1 張國(guó)清,陳淑坤.簡(jiǎn)單實(shí)用的溫控電器J.儀器與未來(lái),1992 (1)22.2 鄭炳坤.簡(jiǎn)單的溫控箱溫控電路J.儀器與未來(lái),1991,(7)22.3 鮑可進(jìn).PID參

3、數(shù)自整定的溫度控制J.江蘇理工大學(xué)學(xué)報(bào),4 王文杰.模糊控制理論在溫度控制中的應(yīng)用J.西北紡織工學(xué) 院學(xué)報(bào),1995，(6)151.起止日期2010.3.1-2010.6.16備注院長(zhǎng) 教研室主任 指導(dǎo)教師 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告表 2010年 03月 21日姓名楊在宏學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化班級(jí)電氣064題目模糊PID溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師陳紅艷一、與本課題有關(guān)的國(guó)內(nèi)外研究情況、課題研究的主要內(nèi)容、目的和意義：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)行有

4、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。準(zhǔn)確地測(cè)量和有效地控制溫度是優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗和安全生產(chǎn)的重要條件。傳統(tǒng)的經(jīng)典控制漸漸不能滿(mǎn)足控制要求的情況下,通過(guò)應(yīng)用模糊控制技術(shù)來(lái)完成對(duì)系統(tǒng)的控制要求,引進(jìn)模糊PID溫度控制，它將模糊控制和 PID 控制器兩者結(jié)合起來(lái)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，既具有模糊控制靈活而適應(yīng)性強(qiáng)，調(diào)節(jié)速度快的優(yōu)點(diǎn)，又具有PID控制無(wú)靜差、穩(wěn)定性好、精度高的特點(diǎn)，對(duì)復(fù)雜控制系統(tǒng)和高精度伺服系統(tǒng)具有良好的控制效果.二、進(jìn)度及預(yù)期結(jié)果：起止日期主要內(nèi)容預(yù)期結(jié)果2010.3.1-2010.6.16以模糊自整定 PID 控制算法為基礎(chǔ)，構(gòu)成一個(gè)能進(jìn)行較復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和復(fù)雜控制功能的智能控

5、制器，使其既可與微機(jī)配合構(gòu)成控制系統(tǒng)，又可作為一個(gè)獨(dú)立的單片機(jī)控制系統(tǒng)，具有較高的靈活性和可靠性。單片機(jī)根據(jù)輸入的各種命令，進(jìn)行智能算法得到控制值，輸出脈沖觸發(fā)號(hào)，通過(guò)光電耦合器控制開(kāi)關(guān)，從而控制溫度。具有真正的智能化和靈活性，有自動(dòng)檢測(cè)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、處理及控制結(jié)果顯示等功能完成課題的現(xiàn)有條件已學(xué)過(guò)的基礎(chǔ)課程、各種相關(guān)參考文獻(xiàn)審查意見(jiàn)指導(dǎo)教師： 年 月 日學(xué)院意見(jiàn)主管領(lǐng)導(dǎo)： 年 月 日天津工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評(píng)閱表（論文類(lèi)）題目模糊PID溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)學(xué)生姓名楊在宏學(xué)生班級(jí)電氣064指導(dǎo)教師姓名陳紅艷評(píng)審項(xiàng)目指標(biāo)滿(mǎn)分評(píng)分選題能體現(xiàn)本專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，使學(xué)生得到較全面訓(xùn)練。題目大小、難

6、度適中，學(xué)生工作量飽滿(mǎn)，經(jīng)努力能完成。10題目與生產(chǎn)、科研等實(shí)際問(wèn)題結(jié)合緊密。10課題調(diào)研、文獻(xiàn)檢索能獨(dú)立查閱文獻(xiàn)以及從事其他形式的調(diào)研，能較好地理解課題任務(wù)并提出實(shí)施方案；有分析整理各類(lèi)信息，從中獲取新知識(shí)的能力。15論文撰寫(xiě)結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，理論、觀(guān)點(diǎn)、概念表達(dá)準(zhǔn)確、清晰。10文字通順，用語(yǔ)正確，基本無(wú)錯(cuò)別字和病句，圖表清楚，書(shū)寫(xiě)格式符合規(guī)范。10外文應(yīng)用能正確引用外文文獻(xiàn)，翻譯準(zhǔn)確，文字流暢。5論文水平論文論點(diǎn)正確，論點(diǎn)與論據(jù)協(xié)調(diào)一致，論據(jù)充分支持論點(diǎn)，論證過(guò)程有說(shuō)服力。15有必要的數(shù)據(jù)、資料支持，數(shù)據(jù)、資料翔實(shí)可靠，得出的結(jié)論有可驗(yàn)性。15論文有獨(dú)到見(jiàn)解或有一定實(shí)用價(jià)值。10合計(jì)100意見(jiàn)及建

7、議：評(píng)閱人簽名： 年 月 日天津工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）成績(jī)考核表學(xué)生姓名楊在宏學(xué)院名稱(chēng)電氣工程與自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)班級(jí)電氣064題目模糊PID溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)及成績(jī)：成績(jī)： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日2畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)評(píng)語(yǔ)及成績(jī)：成績(jī)：答辯主席（或組長(zhǎng)）簽字： 年 月 日3畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）總成績(jī)：a.指導(dǎo)教師給定成績(jī)b.評(píng)閱教師給定成績(jī)c.畢業(yè)答辯成績(jī)總成績(jī)(a×0.5+b×0.2+c×0.3)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(lái)越多的溫度控制系統(tǒng)都基于模糊PID算法而設(shè)計(jì)。隨著控制對(duì)象變得復(fù)雜，應(yīng)用常規(guī)P

8、ID溫度控制精度和魯棒性降低。當(dāng)控制對(duì)象很復(fù)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(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的控制性能，要使用模糊PID溫度控制器。一種將PID控制與模糊控制的簡(jiǎn)便性、靈活性、以及魯棒性融為一體，構(gòu)造了一個(gè)模糊PID溫度控制器。本文設(shè)計(jì)了一種基于模糊PID的溫度控制系統(tǒng)，以AT89C51單片機(jī)為核心，主要做了如下幾方面的工作：首先介紹了模糊PID控制理論基礎(chǔ)，其次進(jìn)行系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)以及硬件選擇，最后進(jìn)行系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)以及仿真。關(guān)鍵詞：模糊PID；AT89C51單片機(jī)；溫度控制；仿真AbstractFuzzy PID temperature control system wit

9、h real intelligence and flexibility, more and more temperature control systems are designed based on fuzzy PID algorithm.With the control object becomes complicated, using conventional PID temperature control accuracy and robustness of the lower. When the control object is a complex situation, conve

10、ntional PID temperature controller is no longer applied, in order to improve the control performance of complex systems, to use the fuzzy PID temperature controller. A way to PID control and fuzzy control of simplicity, flexibility, and robustness of the integration, we constructed a fuzzy PID tempe

11、rature controller.This design presents a fuzzy-based PID temperature control system to AT89C51 SCM,made the following main areas of work: first introduce the theory of fuzzy PID control,second for the hardware design and hardware design, and finally to the system software design and simulation.Keywo

12、rds: Fuzzy PID; AT89C51 SCM; temperature control; simulation目 錄第一章 緒論11.1選題背景及其意義11.2概述11.3溫度測(cè)控技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀11.3.1定值開(kāi)關(guān)控溫法21.3.2PID線(xiàn)性控溫法21.3.3智能溫度控制法2第二章 模糊PID控制理論42.1PID控制器42.1.1PID控制的發(fā)展42.1.2PID控制理論42.1.3PID控制算法52.2模糊控制原理72.2.1模糊控制系統(tǒng)的基本概念72.2.2模糊控制系統(tǒng)的組成72.2.3模糊控制的基本原理82.3模糊PID復(fù)合控制算法92.3.1模糊PID復(fù)合算法92.3.2

13、模糊PID算法運(yùn)用10第三章 模糊PID溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)133.1系統(tǒng)硬件電路構(gòu)成133.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則及系統(tǒng)總電路圖133.2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則133.2.2系統(tǒng)總電路圖143.3 單片機(jī)的選擇143.4溫度傳感器的選擇183.4.1DS18B20簡(jiǎn)介183.4.2DS18B20的性能特點(diǎn)193.4.3DS18B20的管腳排列193.4.4DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)203.4.5DS18B20的測(cè)溫原理203.5數(shù)碼管輸出213.6鍵盤(pán)接口電路223.7蜂鳴電路233.8外部存儲(chǔ)模塊233.9電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊23第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)254.1主程序模塊254.2溫度傳感器DS18B20模塊254

14、.3LED顯示模塊274.4鍵盤(pán)控制模塊27第五章 系統(tǒng)的仿真295.1仿真工具295.2 MATLAB及其模糊邏輯工具箱和仿真環(huán)境295.2.1MATLAB概況295.2.2模糊邏輯工具箱295.3模糊PID的仿真305.3.1控制對(duì)象模型305.3.2MATLAB仿真315.4仿真結(jié)果與分析33結(jié)論35參考文獻(xiàn)36附 錄37附件一:部分源程序371.DS18B20相關(guān)子程序372.LED相關(guān)子程序373.按鍵相關(guān)子程序38附件二：英文文獻(xiàn)41附件三：系統(tǒng)總電路圖49謝 辭49第一章 緒論1.1選題背景及其意義在人類(lèi)的生活環(huán)境中，溫度扮演著極其重要的角色。無(wú)論你生活在哪里，從事什么工作，無(wú)時(shí)

15、無(wú)刻不在與溫度打著交道。自18世紀(jì)工業(yè)革命以來(lái)，工業(yè)發(fā)展與是否能掌握溫度有著密切的聯(lián)系。在冶金、鋼鐵、石化、水泥、玻璃、醫(yī)藥等行業(yè)，可以說(shuō)幾乎80%的工業(yè)部門(mén)都不得不考慮著溫度的因素。溫度不但對(duì)于工業(yè)如此重要，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中溫度的監(jiān)測(cè)與控制也有著十分重要的意義1。1.2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(xué)過(guò)程都緊密的與溫度相聯(lián)系。在很多生產(chǎn)過(guò)程中，溫度的測(cè)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(zhì)量、節(jié)約能源等重大技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相聯(lián)系。因此，溫度的測(cè)量與控制在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域中均受到了相當(dāng)程度的重視。今天，我們的生活環(huán)境和工作環(huán)境有越來(lái)越

16、多稱(chēng)之為單片機(jī)的小電腦在為我們服務(wù)。單片機(jī)在工業(yè)控制、尖端武器、通信設(shè)備、信息處理、家用電器等各測(cè)控領(lǐng)域的應(yīng)用中獨(dú)占鰲頭。時(shí)下，家用電器和辦公設(shè)備的智能化、遙控化、基于單片機(jī)的溫度測(cè)控系統(tǒng)在溫室大棚中的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)模糊控制化己成為世界潮流，而這些高性能無(wú)一不是靠單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。1.3溫度測(cè)控技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀近年來(lái)，溫度的檢測(cè)在理論上發(fā)展比較成熟，但在實(shí)際測(cè)量和控制中，如何保證快速實(shí)時(shí)地對(duì)溫度進(jìn)行采樣，確保數(shù)據(jù)的正確傳輸，并能對(duì)所測(cè)溫度場(chǎng)進(jìn)行較精確的控制，仍然是目前需要解決的問(wèn)題。溫度測(cè)控技術(shù)包括溫度測(cè)量技術(shù)和溫度控制技術(shù)兩個(gè)方面。在溫度的測(cè)量技術(shù)中，接觸式測(cè)溫發(fā)展較早，這種測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)是：簡(jiǎn)單

17、、可靠、低廉、測(cè)量精度較高，一般能夠測(cè)得真實(shí)溫度；但由于檢測(cè)元件熱慣性的影響，響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)熱容量小的物體難以實(shí)現(xiàn)精確的測(cè)量，并且該方法不適宜于對(duì)腐蝕性介質(zhì)測(cè)溫，不能用于超高溫測(cè)量，難于測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的溫度。另外的非接觸式測(cè)溫方法是通過(guò)對(duì)輻射能量的檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量的方法，其優(yōu)點(diǎn)是：不破壞被測(cè)溫場(chǎng)，可以測(cè)量熱容量小的物體，適于測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的溫度，還可以測(cè)量區(qū)域的溫度分布，響應(yīng)速度較快。但也存在測(cè)量誤差較大，儀表指示值一般僅代表物體表觀(guān)溫度，測(cè)溫裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)。因此，在實(shí)際的溫度測(cè)量中，要根據(jù)具體的測(cè)量對(duì)象選擇合適的測(cè)量方法，在滿(mǎn)足測(cè)量精度要求的前提下盡量減少投入1。溫度控制技術(shù)按

18、照控制目標(biāo)的不同可分為兩類(lèi)：動(dòng)態(tài)溫度跟蹤與恒值溫度控制。動(dòng)態(tài)溫度跟蹤實(shí)現(xiàn)的控制目標(biāo)是使被控對(duì)象的溫度值按預(yù)先設(shè)定好的曲線(xiàn)進(jìn)行變化。在工業(yè)生產(chǎn)中很多場(chǎng)合需要實(shí)現(xiàn)這一控制目標(biāo)，如在發(fā)酵過(guò)程控制，化工生產(chǎn)中的化學(xué)反應(yīng)溫度控制，冶金工廠(chǎng)中燃燒爐中的溫度控制等;恒值溫度控制的目的是使被控對(duì)象的溫度恒定在某一給定數(shù)值上，且要求其波動(dòng)幅度(即穩(wěn)態(tài)誤差)不能超過(guò)某允許值。本文所討論的基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)就是要實(shí)現(xiàn)對(duì)溫控箱的恒值溫度控制要求，故以下僅對(duì)恒值溫度控制進(jìn)行討論。從工業(yè)控制器的發(fā)展過(guò)程來(lái)看，溫度控制技術(shù)大致可分以下幾種：1.3.1定值開(kāi)關(guān)控溫法所謂定值開(kāi)關(guān)控溫法，就是通過(guò)硬件電路或軟件計(jì)算判別當(dāng)前

19、溫度值與設(shè)定目標(biāo)溫度值之間的關(guān)系，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)加熱裝置(或冷卻裝置)進(jìn)行通斷控制。若當(dāng)前溫度值比設(shè)定溫度值高，則關(guān)斷加熱器，或者開(kāi)動(dòng)制冷裝置;若當(dāng)前溫度值比設(shè)定溫度值低，則開(kāi)啟加熱器并同時(shí)關(guān)斷制冷器。這種開(kāi)關(guān)控溫方法比較簡(jiǎn)單，在沒(méi)有計(jì)算機(jī)參與的情況下，用很簡(jiǎn)單的模擬電路就能夠?qū)崿F(xiàn)。目前，采用這種控制方法的溫度控制器在我國(guó)許多工廠(chǎng)的老式工業(yè)電爐中仍被使用。由于這種控制方式是當(dāng)系統(tǒng)溫度上升至設(shè)定點(diǎn)時(shí)關(guān)斷電源，當(dāng)系統(tǒng)溫度下降至設(shè)定點(diǎn)時(shí)開(kāi)通電源，因而無(wú)法克服溫度變化過(guò)程的滯后性，致使被控對(duì)象溫度波動(dòng)較大，控制精度低，完全不適用于高精度的溫度控制。1.3.2PID線(xiàn)性控溫法這種控溫方法是基于經(jīng)典控制理論中

20、的PID調(diào)節(jié)器控制原理，PID控制是最早發(fā)展起來(lái)的控制策略之一，由于其算法簡(jiǎn)單、魯棒性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用工業(yè)過(guò)程控制中，尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)。由于PID調(diào)節(jié)器模型中考慮了系統(tǒng)的誤差、誤差變化及誤差積累三個(gè)因素，因此，其控制性能大大地優(yōu)越于定值開(kāi)關(guān)控溫。其具體控制電路可以采用模擬電路或計(jì)算機(jī)軟件方法來(lái)實(shí)現(xiàn)PID調(diào)節(jié)功能。前者稱(chēng)為模擬PID控制器，后者稱(chēng)為數(shù)字PID控制器。其中數(shù)字PID控制器的參數(shù)可以在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)整定，因此具有較大的靈活性，可以得到較好的控制效果。采用這種方法實(shí)現(xiàn)的溫度控制器，其控制品質(zhì)的好壞主要取決于三個(gè)PID參數(shù)（比例值、積分值、微分值）。

21、只要PID參數(shù)選取的正確，對(duì)于一個(gè)確定的受控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其控制精度是比較令人滿(mǎn)意的。但是，它的不足也恰恰在于此，當(dāng)對(duì)象特性一旦發(fā)生改變，三個(gè)控制參數(shù)也必須相應(yīng)地跟著改變，否則其控制品質(zhì)就難以得到保證。1.3.3智能溫度控制法為了克服PID線(xiàn)性控溫法的弱點(diǎn)，人們相繼提出了一系列自動(dòng)調(diào)整PID參數(shù)的方法，如PID參數(shù)的自學(xué)習(xí)，自整定等等。并通過(guò)將智能控制與PID控制相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)溫度的智能控制。智能控溫法以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊數(shù)學(xué)為理論基礎(chǔ)，并適當(dāng)加以專(zhuān)家系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)智能化。其中應(yīng)用較多的有模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制以及專(zhuān)家系統(tǒng)等。尤其是模糊控溫法在實(shí)際工程技術(shù)中得到了極為廣泛的應(yīng)用。目前已出現(xiàn)一種高精度模糊

22、控制器，可以很好的模擬人的操作經(jīng)驗(yàn)來(lái)改善控制性能，從理論上講，可以完全消除穩(wěn)態(tài)誤差。所謂第三代智能溫控儀表，就是指基于智能控溫技術(shù)而研制的具有自適應(yīng)PID算法的溫度控制儀表。目前國(guó)內(nèi)溫控儀表的發(fā)展，相對(duì)國(guó)外而言在性能方面還存在一定的差距，它們之間最大的差別主要還是在控制算法方面，具體表現(xiàn)為國(guó)內(nèi)溫控儀在全量程范圍內(nèi)溫度控制精度比較低，自適應(yīng)性較差。這種不足的原因是多方面造成的，如針對(duì)不同的被控對(duì)象，由于控制算法的不足而導(dǎo)致控制精度不穩(wěn)定。第二章 模糊PID控制理論2.1PID控制器2.1.1PID控制的發(fā)展PID控制策略是最早發(fā)展起來(lái)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1915-1

23、940年期間盡管自1940年以來(lái)，許多先進(jìn)的控制方法不斷的推出，但由于PID控制具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dú)立環(huán)節(jié)，可根據(jù)工業(yè)過(guò)程進(jìn)行組合，而且其應(yīng)用時(shí)期較長(zhǎng)，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(yàn)。因此，PID控制器在工業(yè)控制中仍然得到廣泛的應(yīng)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(dòng)式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式幾個(gè)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3。2.1.2PID控制理論P(yáng)ID控制器是一種線(xiàn)性控制器，它根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際輸出值y(t)構(gòu)成控制偏差e(t)： 式（2-1）將偏差e(t

24、)的比例(Proportional)、積分(Integral)和微分(Derivative)通過(guò)線(xiàn)性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，因此稱(chēng)為PID控制，PID控制系統(tǒng)原理如圖2-1所示：圖2-1 PID控制系統(tǒng)原理圖其控制規(guī)律為 式（2-2）或者寫(xiě)成傳遞函數(shù)形式為 式（2-3）式2-3中：比例系數(shù)；：積分時(shí)間常數(shù)；：微分時(shí)間常數(shù)。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(shí)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差；（2）積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。；（3）微分環(huán)節(jié)能夠反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)(變化速率)，并且能在偏差信號(hào)

25、值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間5。2.1.3PID控制算法由于計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制系統(tǒng)，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量。因此，式2-3中的積分和微分項(xiàng)不能直接使用，需要進(jìn)行離散化處理現(xiàn)令T為采樣周期，以一系列的采樣時(shí)刻點(diǎn)KT代表連續(xù)時(shí)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2： 式（2-4） 式（2-5） 式（2-6）其中，T為采樣周期，e(k)為系統(tǒng)第k次采樣時(shí)刻的偏差值，e(k-l)為系統(tǒng)第(k-l)次采樣時(shí)刻的偏差值，k為采樣序號(hào)，k=0，1，2，。將上面的式2-4和式2-5代入式2-6則可

26、以得到離散的PID表達(dá)式： 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(guò)程與連續(xù)控制過(guò)程十分接近。通常把式2-7稱(chēng)為PID的位置式控制算法。若在式2-7中，令： （稱(chēng)為積分系數(shù)） (稱(chēng)為微分系數(shù)）則 式（2-8）(2-8)式即為離散化的位置式PID控制算法的編程表達(dá)式?？梢钥闯?，每次輸出與過(guò)去的所有狀態(tài)都有關(guān)，要想計(jì)算u(k)，不僅涉及e(k)和e(k-l)，且須將歷次e(j)相加，計(jì)算復(fù)雜，浪費(fèi)內(nèi)存。下面，推導(dǎo)計(jì)算較為簡(jiǎn)單的遞推算式。為此，對(duì)(2-8)式作如下的變動(dòng)：考慮到第（k-1）次采樣時(shí)有： 式（2-9）使（2-8）兩邊對(duì)應(yīng)減去（2-9）式得整理后

27、得 式（2-10）其中：； 式（2-10）就是PID位置式的遞推形式如果令，則： 式（2-11）式中、同式（2-10）中一樣。因?yàn)樵谟?jì)算機(jī)控制中式中、都可以事先求出，所以，實(shí)際控制時(shí)只須獲得 、三個(gè)有限的偏差值就可以求出控制增量。由于其控制輸出對(duì)應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置的增量，故(2-11)式通常被稱(chēng)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(diǎn)：（1）位置式算法每次輸出與整個(gè)過(guò)去狀態(tài)有關(guān)，算式中要用到過(guò)去偏差的累加值，容易產(chǎn)生較大的累計(jì)誤差。而增量式中只須計(jì)算增量，控制增量的確定僅與最近幾次偏差采樣值有關(guān)，當(dāng)存在計(jì)算誤差或者精度不足時(shí)，對(duì)控制量的影響較小，且較

28、容易通過(guò)加權(quán)處理獲得比較好的控制效果；（2）由于計(jì)算機(jī)只輸出控制增量，所以誤動(dòng)作影響小，而且必要時(shí)可以用邏輯判斷的方法去掉，對(duì)系統(tǒng)安全運(yùn)行有利；（3）手動(dòng)與自動(dòng)切換時(shí)沖擊比較小5。2.2模糊控制原理2.2.1模糊控制系統(tǒng)的基本概念在人參與的實(shí)際控制系統(tǒng)中，人們發(fā)現(xiàn)，有些有經(jīng)驗(yàn)的操作人員，雖然不懂被控對(duì)象或者被控過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，也不懂自動(dòng)控制的基本原理，卻能憑借經(jīng)驗(yàn)采取相應(yīng)的決策，很好的完成控制工作，如圖2-2是典型的人機(jī)控制系統(tǒng)框圖4。圖2-2 典型人機(jī)控制系統(tǒng)框圖操作者根據(jù)儀表顯示的信息（包括聲、光、及數(shù)字信息），獲得系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，然后操作者根據(jù)自己以往的經(jīng)驗(yàn)和積累的知識(shí)，做出相應(yīng)的決策，

29、并對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行運(yùn)作，在這個(gè)系統(tǒng)中，儀表的信息都是精確量，通過(guò)人的感官傳入操作者的大腦，然后在腦中形成具有模糊性的概念，然后操作者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行模糊決策。顯然，這種人機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行的控制是一種模糊控制，人們?yōu)榱四M這種控制過(guò)程，設(shè)計(jì)了一種以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)，模糊控制系統(tǒng)的工作過(guò)程同人機(jī)控制系統(tǒng)一樣，都是一種模糊控制，只不過(guò)模糊控制系統(tǒng)中的決策者是模糊控制器。模糊控制器將根據(jù)輸入的信息進(jìn)行模糊決策，輸出一個(gè)模糊量，然后將它精確化，并作用于被控對(duì)象。這樣即使一個(gè)控制過(guò)程出現(xiàn)了問(wèn)題，其他的規(guī)則往往可以補(bǔ)償，此時(shí)的系統(tǒng)可能不是最佳控制，但是仍然會(huì)正常工作。2.2.2模糊控制系統(tǒng)的組成模糊控制系

30、統(tǒng)如圖2-3所示10 圖2-3 模糊控制系統(tǒng) 模糊控制系統(tǒng)一般可以分為五個(gè)部分： （1）模糊控制器。它是各類(lèi)模糊控制系統(tǒng)的核心部分。由于被控對(duì)象的不同，以及對(duì)系統(tǒng)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性的要求和所應(yīng)用的控制規(guī)則各異，可以構(gòu)成各種類(lèi)型的控制器，在模糊控制理論中，則采用基于模糊控制的知識(shí)表示和規(guī)則推理的語(yǔ)言型“模糊控制器”，這也是模糊控制系統(tǒng)區(qū)別于其他控制系統(tǒng)的特點(diǎn)所在。模糊控制器的主要功能有三個(gè)：模糊量化處理；模糊推理（決策）；非模糊化處理（精確化處理）。（2）輸入-輸出接口。模糊控制器通過(guò)輸入-輸出接口從被控對(duì)象獲取數(shù)字信號(hào)量，并將模糊控制器決策的輸出數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號(hào)，然后送給被控對(duì)

31、象。在I/O接口裝置中，除了A/D、D/A轉(zhuǎn)換外，還包括必要的電平轉(zhuǎn)換。（3）執(zhí)行結(jié)構(gòu)。包括各種交、直流電動(dòng)機(jī)、伺服電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等。（4）被控對(duì)象。它可以是一種設(shè)備或裝置以及它們的群體，也可以是一個(gè)生產(chǎn)的、自然的、社會(huì)的、生物的或其他的各種的對(duì)象過(guò)程。這些被控對(duì)象可以是確定性的或是不確定的、單變量的或多變量的、有滯后或是無(wú)滯后的，也可以是線(xiàn)性或非線(xiàn)性的、定?；驎r(shí)變的以及具有強(qiáng)耦合的和干擾的等多種情況。對(duì)于那些難以監(jiān)理精確數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜對(duì)象，更適宜采用模糊控制。（5）檢測(cè)裝置。即傳感器，傳感器是將被控對(duì)象或各種過(guò)程的被控量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)（模擬或數(shù)字）的一類(lèi)裝置。被控量往往是非電量，如速度、加

32、速度、溫度、壓力等。傳感器在模糊控制系統(tǒng)中占有十分重要的地位，它的精度往往直接影響整個(gè)模糊控制系統(tǒng)的精度，因此，在選擇傳感器時(shí)，應(yīng)十分注意選擇精度高且穩(wěn)定性好的傳感器。2.2.3模糊控制的基本原理模糊控制的基本原理如圖2-4所示，它的核心部分為模糊控制器，即圖中線(xiàn)框內(nèi)部9。 圖2-4 模糊控制原理框圖 模糊控制器的控制規(guī)律由計(jì)算機(jī)的程序?qū)崿F(xiàn)，模糊控制的基本思想是：微機(jī)經(jīng)中斷采樣獲取被控制量的精確值，然后將此量與給定值比較得到偏差信號(hào)e。一般選偏差信號(hào)e作為模糊控制器的一個(gè)輸入量，把偏差信號(hào)e的精確量進(jìn)行模糊化變成模糊量，偏差e的模糊量可以用相應(yīng)的模糊語(yǔ)言表示，得到偏差e的模糊語(yǔ)言集合的一個(gè)子集

33、。再由模糊子集、模糊控制規(guī)則（模糊關(guān)系）和前項(xiàng)推理進(jìn)行模糊推理，得到模糊控制量為：u=E*R，式中u為一個(gè)模糊量。為了對(duì)被控對(duì)象施加精確的控制，還需要將模糊量u轉(zhuǎn)換為精確量，這一步驟稱(chēng)為解模糊（也稱(chēng)清晰化）。得到了精確的數(shù)字控制量后，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換變?yōu)榫_的模擬量送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行一步控制。然后中斷，等待第二次采樣，進(jìn)行第二步控制，這樣循環(huán)下去，就實(shí)現(xiàn)了都被控對(duì)象的模糊控制。綜上所述，模糊控制過(guò)程可概括為以下四個(gè)步驟：（1）根據(jù)本次采樣得到的系統(tǒng)的輸出值，計(jì)算所選擇系統(tǒng)的輸入變量；（2）將輸入變量的精確值變?yōu)槟：浚唬?）根據(jù)輸入變量（模糊量）及模糊控制規(guī)則，按照模糊推理合成規(guī)則推理計(jì)算

34、輸出控制量（模糊量）；（4）由上述得到的控制量（模糊量），并作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)。2.3模糊PID復(fù)合控制算法2.3.1模糊PID復(fù)合算法由于PID算法只有在系統(tǒng)為非時(shí)變的情況下才能獲得較理想的效果，當(dāng)一個(gè)調(diào)整好參數(shù)的PID控制器被應(yīng)用到模型參數(shù)時(shí)變系統(tǒng)，系統(tǒng)控制性能會(huì)變差，甚至不穩(wěn)定。而Fuzzy控制雖然對(duì)被控對(duì)象的時(shí)滯性、非線(xiàn)性和時(shí)變性具有一定的適應(yīng)能力，同時(shí)對(duì)噪聲也具有較強(qiáng)的抑制能力，但消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的能力較弱，難以達(dá)到較高的控制精度。因此單純采用模糊控制都不會(huì)取得較好的控制效果。本文采用Fuzzy-PID復(fù)合控制溫度可以克服上述兩種方法的缺點(diǎn)。Fuzzy-PID控制是在一般PID控制系統(tǒng)的

35、基礎(chǔ)上，加上一個(gè)環(huán)節(jié)，利用模糊控制規(guī)則對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行修改的一種自適應(yīng)控制系統(tǒng)誤差E和誤差變化Ec作為輸入，可以滿(mǎn)足不同時(shí)刻的E和Ec對(duì)參數(shù)要求。Fuzzy-PID控制器是在常規(guī)PID的基礎(chǔ)上，應(yīng)用Fuzzy集合理論建立參數(shù)、與誤差變化間的二元連續(xù)函數(shù)關(guān)系為：，并根據(jù)不同的E和Ec在線(xiàn)自整定參數(shù)、的控制器。PID參數(shù)自整定在運(yùn)行中通過(guò)不斷檢測(cè)E和Ec，根據(jù)不同的E、Ec在線(xiàn)自整、參數(shù)，以滿(mǎn)足不同時(shí)對(duì)控制參數(shù)的不同要求，使被控對(duì)E和時(shí)對(duì)控制參數(shù)的不同要求，使被控對(duì)象具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。PID參數(shù)模糊自整定控制原理如圖所示。 圖2-5 PID模糊自整定控制原理圖 2.3.2模糊PID算法運(yùn)用（

36、1）模糊化處理將系統(tǒng)誤差和誤差變化率變化范圍定義為模糊集上的論域：E，Ec-5,5，其模糊子集為：E，Ec-NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB。子集中元素分別代表負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大。設(shè)E，Ec隸屬函數(shù)取“三角形”隸屬函數(shù)，如圖2-6所示。 圖2-6 E、Ec隸屬函數(shù)、的論域?yàn)?,1，均服從正態(tài)分布，隸屬函數(shù)如圖2-7 所示。 圖2-7 、隸屬函數(shù)（2）建立模糊規(guī)則Fuzzy-PID是在PID算法的基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算當(dāng)前系統(tǒng)誤差E和誤差變化率EC，利用模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，查詢(xún)模糊矩陣表進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。建立、的模糊控制規(guī)則表分別如表2-1、2-2和2-3所示。 表2-1 的

37、模糊規(guī)則表 （3）去模糊化經(jīng)過(guò)模糊推理后，模糊PID控制器整定的3個(gè)修正參數(shù)進(jìn)行去模糊化處理，取得精確量以計(jì)算輸出控制量。去模糊化的過(guò)程是把推理系統(tǒng)輸出的模糊集合映射成精確量輸出，采用面積中模糊中心法解模糊。 ； ； 。 表2-2 的模糊規(guī)則表 表2-3 的模糊規(guī)則表（4）確定參數(shù)、經(jīng)去模糊處理后，、最終通過(guò)以下公式得到：其中、由以下公式得到：， ， 式中：為比例控制下等幅振蕩時(shí)的比例增益；為比例控制下等幅振蕩時(shí)振蕩周期8。第三章 模糊PID溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)硬件電路構(gòu)成模糊PID溫度控制系統(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，溫度上下限調(diào)整模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和外部

38、存儲(chǔ)模塊等六大部分。系統(tǒng)總體框圖如圖3-1所示5。 圖3-1 系統(tǒng)總體框圖（1）單片機(jī)控制模塊：它是系統(tǒng)的核心模塊，用來(lái)控制其他各個(gè)模塊的工作情況。（2）溫度采集模塊：該模塊用來(lái)采集控制對(duì)象的溫度，并輸入到單片機(jī)中。（3）溫度設(shè)定模塊：用來(lái)設(shè)定所需求的溫度。（4）溫度超限報(bào)警模塊：當(dāng)溫度高于上限或者低于下限時(shí)，該模塊啟動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)更好的人機(jī)交流。（5）電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：該模塊分為兩個(gè)部分；加熱裝置與散熱裝置。（6）外部存儲(chǔ)模塊：用來(lái)存儲(chǔ)設(shè)定溫度的上限值和下限值。（7）溫度顯示模塊：顯示當(dāng)前設(shè)定的溫度值。3.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則及系統(tǒng)總電路圖3.2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則要求單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)具有可靠性高、操作維護(hù)方便、

39、性?xún)r(jià)比高等特點(diǎn)4。l.可靠性高可靠性是單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用的前提，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的每一個(gè)環(huán)節(jié)，都應(yīng)該將可靠性作為首要的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。提高系統(tǒng)的可靠性通常從以下幾個(gè)方面考慮：使用可靠性高的元器件；設(shè)計(jì)電路板時(shí)布線(xiàn)和接地要合理；對(duì)供電電源采用抗干擾措施；.輸入輸出通道抗干擾措施；進(jìn)行軟硬件濾波；系統(tǒng)自診斷功能等。2.操作維護(hù)方便在系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)從操作者的角度考慮操作和維護(hù)方便，盡量減少對(duì)操作人員專(zhuān)用知識(shí)的要求，以利于系統(tǒng)的推廣。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，要盡可能減少人機(jī)交互接口，多采用操作內(nèi)置或簡(jiǎn)化的方法。同時(shí)系統(tǒng)應(yīng)配有現(xiàn)場(chǎng)故障診斷程序，一旦發(fā)生故障能保證有效地對(duì)故障進(jìn)行定位，以便進(jìn)行維修。3.性?xún)r(jià)比單片機(jī)除體積小

40、、功耗低等特點(diǎn)外，最大的優(yōu)勢(shì)在于高性能價(jià)格比。一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)能否被廣泛使用，性?xún)r(jià)比是其中一個(gè)關(guān)鍵因素。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，除了保持高性能外，盡可能降低成本，如簡(jiǎn)化外圍硬件電路，在系統(tǒng)性能和速度允許的情況下盡可能用軟件功能取代硬件功能等。3.2.2系統(tǒng)總電路圖系統(tǒng)總設(shè)計(jì)圖11如圖3-2所示圖3-2 系統(tǒng)總設(shè)計(jì)圖3.3 單片機(jī)的選擇本文選用AT89C51單片機(jī)，AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱(chēng)單片機(jī)。AT89C2051是

41、一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡(jiǎn)版本。AT89C51單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。主要特性：與MCS-51 兼容4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器壽命：1000寫(xiě)/擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年全靜態(tài)工作：0Hz-24MHz三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定128×8位內(nèi)部RAM 32可編程I/

42、O線(xiàn)兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)5個(gè)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(shí)鐘電路 圖3-6 AT89C51單片機(jī)示意圖管腳說(shuō)明：VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開(kāi)路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門(mén)電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫(xiě)1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個(gè)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(mén)電流。P1口管腳寫(xiě)入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸

43、入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。P2口：P2口為一個(gè)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(gè)TTL門(mén)電流，當(dāng)P2口被寫(xiě)“1”時(shí)，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(shí)，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(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)，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(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)

44、和控制信號(hào)。    P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門(mén)電流。當(dāng)P3口寫(xiě)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(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)當(dāng)8051通電，時(shí)鐘電路開(kāi)始工作，在RESET引腳上出現(xiàn)24個(gè)時(shí)鐘周期以上的高電平，系統(tǒng)即初始復(fù)位。初始化后，程序計(jì)數(shù)器PC指向0000H，P0-P3輸出口全部為高電平，堆棧指鐘寫(xiě)入07H，其它專(zhuān)用寄存器被清“0”。RESET由高電平下降為低電平后

45、，系統(tǒng)即從0000H地址開(kāi)始執(zhí)行程序。然而，初始復(fù)位不改變RAM（包括工作寄存器R0-R7）的狀態(tài)。 ALE/PROG：當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，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(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)， 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(wú)效。

46、PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪(fǎng)問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)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(shí)鐘工作電路的輸入。XTAL2：來(lái)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

47、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(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過(guò)一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無(wú)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(gè)PEROM陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過(guò)正確的控制信號(hào)組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms 來(lái)完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫(xiě)“1”且在任何非空存儲(chǔ)字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。此外，AT89C51設(shè)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(shí)器，計(jì)數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模

48、式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止。3.4溫度傳感器的選擇3.4.1DS18B20簡(jiǎn)介本文選用DS18B20傳感器，DS18B20是美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司繼DS1820之后最新推出的一種數(shù)字化單總線(xiàn)器件，屬于新一代適配微處理器的改進(jìn)型智能溫度傳感器。使用DS1SB20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡(jiǎn)單，可靠性更高。同時(shí)其“一線(xiàn)總線(xiàn)”獨(dú)特而且經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，使用戶(hù)可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)建引入了全新的概念。其測(cè)量溫度范圍為-55+125，在-1085范圍內(nèi)，精度為土0.5?，F(xiàn)場(chǎng)溫度直接以“一線(xiàn)總線(xiàn)”的數(shù)字方式傳輸，用符號(hào)擴(kuò)展的16位數(shù)字量方式串行輸

49、出，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。因此，數(shù)字化單總線(xiàn)器件DS18B20適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量，如：環(huán)境控制、設(shè)備或過(guò)程控制、測(cè)溫類(lèi)消費(fèi)電子產(chǎn)品等。它在測(cè)溫精度、轉(zhuǎn)換時(shí)間、傳輸距離、分辨率等方面較DS18B20都有了很大的改進(jìn)，給用戶(hù)帶來(lái)了更方便和更令人滿(mǎn)意的效果?？蓮V泛用于工業(yè)、民用、軍事等領(lǐng)域的溫度測(cè)量及控制儀器、測(cè)控系統(tǒng)和大型設(shè)備中5。本文所用DS18B20，與單片機(jī)的P1.7引腳相連。如圖3-7所示。圖3-7 DS18B20與單片機(jī)連線(xiàn)圖3.4.2DS18B20的性能特點(diǎn)（1）采用DALLAS公司獨(dú)特的單線(xiàn)接口方式：DS18B20與微處理器連僅需要一條口線(xiàn)即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DSI8B2

50、0的雙向通訊。（2）在使用中不需要任何外圍元件。（3）可用數(shù)據(jù)線(xiàn)供電，供電電壓范圍+3.0V5.5V（4）測(cè)溫范圍:-55125。固有測(cè)溫分辨率為0.5。當(dāng)在-10+85范圍內(nèi)，可確保測(cè)量誤差不超過(guò)0.5，在-55+125范圍內(nèi)，測(cè)量誤差也不超過(guò)2。（5）通過(guò)編程可實(shí)現(xiàn)912位的數(shù)字讀數(shù)方式。（6）用戶(hù)可自設(shè)定非易失性的報(bào)警上下限值。（7）支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線(xiàn)上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫。（8）負(fù)壓特性，即具有電源反接保護(hù)電路。當(dāng)電源電壓的極性反接時(shí)，能保護(hù)DS18B20不會(huì)因發(fā)熱而燒毀。但此時(shí)芯片無(wú)法正常工作。（9）DS18B20的轉(zhuǎn)換速率比較高，進(jìn)行9位的溫度轉(zhuǎn)換僅

51、需93.75ms。（10）適配各種單片機(jī)或系統(tǒng)。（11）內(nèi)含64位激光修正的只讀存儲(chǔ)ROM，扣除8位產(chǎn)品系列號(hào)和8位循環(huán)冗余校驗(yàn)碼(CRC)之后，產(chǎn)品序號(hào)占48位。出廠(chǎng)前產(chǎn)品序號(hào)存入其ROM中。在構(gòu)成大型溫控系統(tǒng)時(shí)，允許在單線(xiàn)總線(xiàn)上掛接多片DS18B20。3.4.3DS18B20的管腳排列DS18B20采用3腳PR35封裝或8腳SOIC封裝。其管腳排列如圖3-3所示 圖3-3 DS18B20的管腳排列I/O為數(shù)據(jù)輸入/輸出端(即單線(xiàn)總線(xiàn))，它屬于漏極開(kāi)路輸出，外接上拉電阻后，常態(tài)下呈高電平。UDD是可供選用的外部電源端，不用時(shí)接地，GND為地，NC空腳。3.4.4DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)DS1

52、8B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2-6所示。它主要包括7部分：1、寄生電源;2、溫度傳感器；3、64位激光(loser)ROM與單線(xiàn)接口；4、高速暫存器，即便筏式RAM，用于存放中間數(shù)據(jù):5、TH觸發(fā)寄存器和TL觸發(fā)寄存器，分別用來(lái)存儲(chǔ)用戶(hù)設(shè)定的溫度上下限值；6、存儲(chǔ)和控制邏輯；7、8位循環(huán)冗余校驗(yàn)碼(CRC)發(fā)生器。圖3-4 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3.4.5DS18B20的測(cè)溫原理DS18B20的測(cè)溫原理如圖3-5所示。圖3-5 DS18B20的內(nèi)部測(cè)溫電路原理圖圖3-5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(hào)送給減法計(jì)數(shù)器1，高溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率隨溫度變化而明

53、顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為減法計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入。圖中還隱含著計(jì)數(shù)門(mén)，當(dāng)計(jì)數(shù)門(mén)打開(kāi)時(shí)，DS18B20就對(duì)低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，進(jìn)而完成溫度測(cè)量。計(jì)數(shù)門(mén)的開(kāi)啟時(shí)間由高溫度系數(shù)振蕩器來(lái)決定，每次測(cè)量前，首先將-55所對(duì)應(yīng)的基數(shù)分別置入減法計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器中，減法計(jì)數(shù)器和溫度寄存器被預(yù)置在-55所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。減法計(jì)數(shù)器1對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)減法計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減到0時(shí)溫度寄存器的值將加1，減法計(jì)數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，減法計(jì)數(shù)器1重新開(kāi)始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到減法計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測(cè)溫度。斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測(cè)溫過(guò)程中的非線(xiàn)性，其輸出用于修正減法計(jì)數(shù)器的預(yù)置值，只要計(jì)數(shù)門(mén)仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過(guò)程，直至溫度寄存器值達(dá)到被測(cè)溫度值，這就是DS18B20的測(cè)溫原理。3.5數(shù)碼管輸出數(shù)碼管在儀器儀表中主要是顯示單片機(jī)的輸出數(shù)據(jù)、狀態(tài)等，因而，作為