基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 摘 要本文針對(duì)溫度控制的特點(diǎn)，提出了單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方法，同時(shí)也對(duì)溫度控制系統(tǒng)的控制過(guò)程做了理論分析，建立了控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，提出了克服溫度控制系統(tǒng)中純滯后影響的控制方法。該單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)由鍵盤、AD采樣、PWM控制與顯示四部分構(gòu)成。其中，鍵盤輸入給定溫度值；由AD574將采集的溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送入單片機(jī)；通過(guò)PWM控制調(diào)節(jié)脈沖的寬度，從而獲得所需要的輸入與輸出電壓；最后由LED顯示給定溫度與檢測(cè)溫度值。溫度控制系統(tǒng)普遍存在大延時(shí)、純滯后的特性，常引起系統(tǒng)產(chǎn)生超調(diào)和震蕩，使控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。因此，本設(shè)計(jì)采用史密

2、斯預(yù)估器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行純滯后補(bǔ)償，以此消除系統(tǒng)的超調(diào)和震蕩，使系統(tǒng)穩(wěn)定。文中給出了控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，確定了系統(tǒng)控制方案和控制系統(tǒng)的硬件電路框圖，本設(shè)計(jì)可直接應(yīng)用于工業(yè)控制中。本設(shè)計(jì)通過(guò)PROTEUS軟件對(duì)系統(tǒng)的硬件進(jìn)行仿真，通過(guò)MATLAB/SIMULINK的仿真結(jié)果驗(yàn)證數(shù)字控制器設(shè)計(jì)的正確性。關(guān)鍵詞：溫度控制，單片機(jī)，純滯后，史密斯預(yù)估器The hardware design in temperature control system based on MicrocontrollerAbstractThis article narrates the hardware design in tem

3、perature control system. Aiming at temperature control problem which industry produce usually occurs. We can use the software and the hardware source of the single chip microcomputer (AT89C51) to check, control and display the temperature value on real-time. The settle temperature value is input by

4、the keyboard. Here we make the system to follow this settle value,and finally to attain the purpose of automatic control.This temperature control system is mostly made of four parts which consists of the keyboard,AD sampling circuit, PWM control and LED real time display part.Among of them,keyboard

5、inputs the settle value.AD574 transforms the temperature into digital signal and sends it into single chip microcomputer.PWM control circuit regulates the width of pulse in order to attain input and output voltage that needed.At last, LED real time display part displays the settle value and detected

6、 value.The temperature control system usually contains great postpones and pure hysteresis characteristic which often causes the system to produce super surge and make its stability lower. The mathematics model has been given in this article in order to definite the control program and hardware elec

7、trocircuit diagram of the system. This design may apply directly in the industrial cnntrol.This design use the PROTEUS to make a simulation of department's hardware ,passes MATLAB/SIMULINK to imitate the true fruit character controller's accuracy.Key word： The temperature control, microcontr

8、oller, pure hysteresis, Smith predictor目 錄 前 言溫度控制設(shè)備是工業(yè)生產(chǎn)中常見的控制設(shè)備之一，因此溫度控制是生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的重要任務(wù)之一。對(duì)于不同生產(chǎn)情況和工藝要求下的溫度控制，所采用的加熱方式，燃料、控制方案也有所不同，例如冶金、機(jī)械、食品、化工等各類工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐等，燃料有煤氣、天然氣、油、電等。傳統(tǒng)的繼電器控制調(diào)溫電路簡(jiǎn)單實(shí)用,但由于繼電器動(dòng)作頻繁,其觸點(diǎn)因頻繁通斷而產(chǎn)生接觸不良而影響正常工作。隨著電子技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展,微機(jī)測(cè)量和控制技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，利用微機(jī)對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)控得到日益發(fā)展

9、和完善,且越來(lái)越顯示出其優(yōu)越性。如IGBT、晶閘管等電子器件的出現(xiàn)，采用主回路無(wú)觸點(diǎn)控制,克服了繼電器接觸不良的缺點(diǎn),且維修方便。同時(shí)計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展也使得新的控制方法得以實(shí)現(xiàn)，如PID控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。而PID控制由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用、價(jià)格低，被廣泛應(yīng)用在工業(yè)過(guò)程控制中。同時(shí)溫度控制系統(tǒng)的控制器也多采用PID控制。單片機(jī)即簡(jiǎn)稱單片微型計(jì)算機(jī)，它是微型計(jì)算機(jī)發(fā)展的產(chǎn)物，自產(chǎn)生到現(xiàn)在已有30余年。微型計(jì)算機(jī)出現(xiàn)以后，計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，通用微處理以驚人的速度更新，出現(xiàn)了許多性能極佳的通用微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。單片機(jī)就是微型計(jì)算機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要的分支，應(yīng)用面廣，發(fā)展很快，其發(fā)展大致

10、經(jīng)歷了3個(gè)歷史階段：1974-1978年，為初級(jí)單片機(jī)階段。第一代單片機(jī)始于1974年，以INTEL公司的MCS-48系列為代表，其特點(diǎn)是采用專門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這個(gè)系列的單片機(jī)在片內(nèi)集成了8位CPU、并行I/O端口、8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、RAM、ROM等。沒(méi)有串行I/O端口，中斷處理也比較簡(jiǎn)單，片內(nèi)RAM、ROM的容量較小，且尋址范圍小于4KB。1978-1983年，為高性能單片機(jī)階段。第二代單片機(jī)以INTEL公司的MCS-51系列為代表，其技術(shù)特點(diǎn)是完善了外部總線，并確立了單片機(jī)的控制功能。外部總線規(guī)范化為16位地址總線，用以尋址的外部64KB的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間，8位數(shù)據(jù)總線及相應(yīng)的控

11、制總線，形成了完整的并行三總線結(jié)構(gòu)。同時(shí)還提供了多機(jī)通信的串行I/O端口、16位定時(shí)器，具有多級(jí)的中斷處理，片內(nèi)的RAM和ROM容量大，有的片內(nèi)還帶A/D。從1983年至今，為8位單片機(jī)的鞏固提高階段，是完善16位單片機(jī)及32位和64位單片機(jī)的研制階段。單片機(jī)有以下主要特點(diǎn)：1低功耗。一般單片機(jī)都能在3到6V范圍內(nèi)工作，對(duì)電池供電的單片機(jī)不再需要對(duì)電源采取穩(wěn)壓措施。低電壓供電的單片機(jī)電源已由從5V降低到3V、2V甚至1V左右，0.9V供電的單片機(jī)已經(jīng)問(wèn)世，工作電流也從毫安降到微安級(jí)。2抗工業(yè)噪聲干擾能力強(qiáng)，可靠性高。單片機(jī)芯片本身是按工業(yè)測(cè)控環(huán)境要求設(shè)計(jì)的，適應(yīng)溫度范圍寬，能在惡劣環(huán)境條件下可

12、靠的工作，這也是其他機(jī)種無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)之一。3系統(tǒng)擴(kuò)展性能強(qiáng)。有供擴(kuò)展外部電路用的三總線結(jié)構(gòu),以方便構(gòu)成各種應(yīng)用系統(tǒng)。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)涉及多種外部設(shè)備或系統(tǒng)的互連和通信，有必要在單片機(jī)與外部芯片之間插入有通信功能的接口總線。一直以來(lái)，單片機(jī)沒(méi)有自己的總線標(biāo)準(zhǔn)，通常是由著名廠家推出自己產(chǎn)品時(shí)配套設(shè)計(jì)的，例如MCS51系列單片機(jī)就設(shè)計(jì)有完整的三總線結(jié)構(gòu)（地址總線AB，數(shù)據(jù)總線DB，控制總線CB）。后來(lái)根據(jù)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)及多機(jī)系統(tǒng)的需要出現(xiàn)了串行、并行接口總線，可以方便的實(shí)現(xiàn)多機(jī)和分布式控制，構(gòu)成各種規(guī)模地多機(jī)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，使系統(tǒng)的效益和規(guī)模大為提高。4壽命長(zhǎng)。這里說(shuō)的壽命長(zhǎng)，一方面指用單片機(jī)開發(fā)的產(chǎn)

13、品可以穩(wěn)定可靠的工作十年、二十年，另一方面是指與微處理器（MPU）相比的壽命長(zhǎng)。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，MPU更新?lián)Q代的速度越來(lái)越快，以386、486、586為代表的MPU，很短時(shí)間內(nèi)就被淘汰出局，而傳統(tǒng)的單片機(jī)已經(jīng)二十多歲了，產(chǎn)量仍然是上升的。這一方面是由于其在相應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)域的適應(yīng)性，另一方面是由于以該類CPU為核心，集成以更多I/O功能模塊的新單片機(jī)系列層出不窮。第1章 溫度控制系統(tǒng)的方案確定在冶金工業(yè)、化工生產(chǎn)、電力工程、造紙行業(yè)、機(jī)械制造和食品加工等諸多領(lǐng)域中，人們都需要對(duì)各類加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐中的溫度進(jìn)行檢測(cè)和控制。采用單片機(jī)來(lái)對(duì)溫度進(jìn)行控制，不僅具有控制方便、組態(tài)簡(jiǎn)單和

14、靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量。1.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)本設(shè)計(jì)的控制對(duì)象為一電加熱爐，輸入為加在電阻絲兩端的電壓，輸出為電加熱爐內(nèi)的溫度?？販胤秶鸀?800，要求實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前溫度值、控制精度為5%，所采用的溫度檢測(cè)元件和變送器的類型選擇與被控溫度的范圍和精度等級(jí)有關(guān)。鎳鉻/鎳硅熱電偶適用于0-1000的溫度檢測(cè)范圍，通過(guò)溫度變送器將傳感器的采樣信號(hào)轉(zhuǎn)換成0-5v的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，送至12位AD轉(zhuǎn)換器AD574轉(zhuǎn)換。溫度控制系統(tǒng)普遍存在大延時(shí)、純滯后的特性，被控對(duì)象的這種特性會(huì)降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，Smith預(yù)估器從理論上解決了純滯后系統(tǒng)的控制問(wèn)題，本文采

15、用一個(gè)帶Smith預(yù)估器的溫度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能有效抑制純滯后的影響。溫度控制采用PID控制算法，為實(shí)現(xiàn)高精度控制的要求，采用PWM方式的電源控制，通過(guò)控制大功率電力電子器件IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間實(shí)現(xiàn)對(duì)給定電壓的控制，從而保持設(shè)定的溫度基本不變，達(dá)到自動(dòng)控制的目的。用鍵盤輸入溫度給定值，采用LED靜態(tài)顯示溫度值，以方便人工監(jiān)視。1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求工業(yè)電熱爐常用溫度一般在幾百攝氏度，對(duì)溫度控制精度要求較高，熱電偶是測(cè)溫的一次儀表，對(duì)它的選擇將直接影響檢測(cè)精度。目前測(cè)溫常選用K型鎳鉻-鎳硅熱電偶，它具有較好的溫度-熱電勢(shì)的線性度，本系統(tǒng)采用帶變送器的溫度測(cè)量設(shè)備，溫度范圍為0-800其輸出為

16、0-5V的電壓信號(hào)。同時(shí)系統(tǒng)對(duì)每個(gè)溫度階段的時(shí)間溫度值有嚴(yán)格的要求，用常規(guī)的方法控制難以達(dá)到滿意的控制效果，為達(dá)到高精度控制的要求，用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫的實(shí)時(shí)控制，每個(gè)爐的溫度控制精度5%。另外，考慮到8位ADC0808的分辨率比較低，所以在該系統(tǒng)中采用12位AD轉(zhuǎn)換器AD574，其分辨率達(dá)到了1/212 =1/4096,即為800/4096=0.1953，從而可以保證系統(tǒng)的控制精度。本系統(tǒng)需完成的設(shè)計(jì)內(nèi)容如下：1、項(xiàng)目的總體設(shè)計(jì)說(shuō)明；2、控制對(duì)象的特性分析與單片機(jī)硬件總體方案設(shè)計(jì)；3、單片機(jī)硬件設(shè)計(jì)說(shuō)明與硬件仿真（用PROTEUS為設(shè)計(jì)電路仿真）；4、硬件電路及其它控制電路的設(shè)計(jì)與仿真；5、控

17、制系統(tǒng)聯(lián)調(diào)仿真（與軟件設(shè)計(jì)人員共同完成）。1.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體方案閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)一般由三部分組成：溫度傳感器、溫度控制器和執(zhí)行器。溫度傳感器采集受控對(duì)象的溫度，控制器為帶Smith預(yù)估器的PID控制器，執(zhí)行器為由IGBT可關(guān)斷大功率電子器件組成的PWM控制電路。在本設(shè)計(jì)中，整個(gè)系統(tǒng)的控制工作是在單片機(jī)控制下實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)的被測(cè)參數(shù)主要是溫度，電阻爐的溫度值由熱電偶測(cè)定后得到毫伏級(jí)電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)溫度變送器放大濾波后變?yōu)?5V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，再送到采樣/保持器，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)（AT89C51），在單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，一方面，與所設(shè)定的期望溫度值進(jìn)行比較后，產(chǎn)生偏

18、差信號(hào)，單片機(jī)根據(jù)預(yù)定的PID算法計(jì)算出相應(yīng)的控制量實(shí)現(xiàn)對(duì)PWM輸出功率的控制，要求控制精度達(dá)到系統(tǒng)控制性能的指標(biāo)。為實(shí)現(xiàn)高精度的控制，采用PWM方式的電源控制，通過(guò)控制大功率電力電子器件IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間實(shí)現(xiàn)對(duì)給定電壓的控制，從而控制溫度穩(wěn)定在設(shè)定值上，同時(shí)送至LED數(shù)碼管顯示檢測(cè)溫度值，溫度控制系統(tǒng)的總體框圖如圖1.1所示。 電阻爐熱電偶 單片機(jī)AT89C51溫度變送器 AD1674PWMIGBT整流器交流電源圖1.1 溫度控制系統(tǒng)的總體框圖第2章 常見的溫度控制對(duì)象的傳遞函數(shù)模型為： G(S)= (2.1)式中K為放大系數(shù)， 為滯后時(shí)間,T為慣性時(shí)間常數(shù)。本系統(tǒng)的對(duì)象的=20,k=

19、1,T=50,即電阻爐的傳遞函數(shù)為G(S)= (2.2)常規(guī)的溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下所示：D（s）R（S）Y（s）+- 圖2.1 溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖設(shè)被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為 (2.3)其中為不包含純滯后特性的部分，由圖2.2可知系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 （2.4）則系統(tǒng)的特征方程為 （2.5）2.2 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，被控對(duì)象常常存在程度不同的純滯后，以換熱器為例，被控量是被加熱物料的出口溫度，而控制量是熱介質(zhì)，當(dāng)改變熱介質(zhì)的流量后，由于熱介質(zhì)通過(guò)管道輸送需要時(shí)間，因而對(duì)物料出口溫度的影響必然要產(chǎn)生滯后。此外，如化學(xué)反應(yīng)、管道混合、皮帶傳送、軋輥傳輸、多個(gè)容器串聯(lián)以及用分析儀表測(cè)

20、量流體的成分等，都存在不同程度的純滯后。純滯后過(guò)程的存在降低系統(tǒng)穩(wěn)定性的原因分析如下：（1）由測(cè)量信號(hào)提供不及時(shí)，會(huì)導(dǎo)致調(diào)節(jié)器發(fā)出的調(diào)節(jié)作用不及時(shí)，影響調(diào)節(jié)質(zhì)量。（2）由控制介質(zhì)的傳輸而產(chǎn)生的純滯后，會(huì)導(dǎo)致執(zhí)行器的調(diào)節(jié)動(dòng)作不能及時(shí)影響調(diào)節(jié)效果。（3）純滯后的存在使系統(tǒng)的開環(huán)相頻特性的相角滯后隨頻率的增大而增大，從而使開環(huán)頻率特性的中頻段與（-1，j0）點(diǎn)的距離減小，結(jié)果導(dǎo)致閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度下降。若要保證其穩(wěn)定裕度不變，只能減小調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)，同樣導(dǎo)致調(diào)節(jié)質(zhì)量的下降。式（2.5）中包含有純滯后環(huán)節(jié)，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)對(duì)控制指令的反應(yīng)不及時(shí)，引起系統(tǒng)產(chǎn)生超調(diào)或震蕩，尤其當(dāng)比較大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)不穩(wěn)定，所以純

21、滯后系統(tǒng)采用常規(guī)的反饋控制方法（常規(guī)PID控制、微分先行控制及中間微分反饋控制等）往往難以取得顯著效果，因此，為了克服純滯后對(duì)系統(tǒng)的影響，在本設(shè)計(jì)中我們運(yùn)用史密斯預(yù)估器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行純滯后補(bǔ)償。還可以用奈氏判據(jù)3來(lái)分析本系統(tǒng)的穩(wěn)定性，純滯后系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如下所示：G1(S) 圖2.2 純滯后系統(tǒng)的框圖圖2.2所示系統(tǒng)的特征方程為 1+ G1(S) =0 即 1/50S+1= 在沒(méi)有滯后因子時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)生持續(xù)等幅震蕩的條件是：G1(jw)=-1。由上式可知，非滯后系統(tǒng)的臨界穩(wěn)定點(diǎn)是（-1，j0），而具有滯后因子的系統(tǒng)，其臨界穩(wěn)定狀態(tài)不是一個(gè)點(diǎn)，而是一條臨界軌線-。把G1(jw)和-的奈氏圖同時(shí)畫在圖中

22、如下圖2.3所示，并設(shè)這兩條曲線的交點(diǎn)為A。根據(jù)G1(jw)=1的條件，求出G1(jw)曲線上對(duì)應(yīng)的角頻率w=0.497；而在-曲線上對(duì)應(yīng)的w=0.90711。因?yàn)辄c(diǎn)A即在G1(jw)曲線上，又在-曲線上，所以它們應(yīng)用相同的角頻率，即有 0.497=0.90711 于是求得 =1.82。 A 圖2.3由圖2.3可知，當(dāng)大于1.82S時(shí)，在單位圓上的臨界點(diǎn)就被G1(jw)曲線包圍，系統(tǒng)不穩(wěn)定。當(dāng)小于1.82S時(shí)，G1(jw)曲線不包圍臨界點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)是穩(wěn)定的。而本系統(tǒng)的等于20S，故本系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此常規(guī)的調(diào)節(jié)器D（S）很難使閉環(huán)系統(tǒng)獲得滿意的控制性能。2.3 由自動(dòng)控制理論知，純滯后的存在使

23、得被控量不能及時(shí)地反映系統(tǒng)所承受的擾動(dòng)，延長(zhǎng)了調(diào)節(jié)時(shí)間，從而產(chǎn)生明顯的的超調(diào)，降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng)滯后時(shí)間比較小時(shí)，可以采用PID控制，當(dāng)純滯后時(shí)間比較大時(shí)，常規(guī)的PID控制很難得到較好的控制效果。人們針對(duì)純滯后的被控對(duì)象，提出了各種各樣的控制方法，smith預(yù)估器就是一種廣泛應(yīng)用的純滯后系統(tǒng)的控制方法。該方法的基本思路是:預(yù)先估計(jì)出系統(tǒng)在基本擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性，然后由預(yù)估器對(duì)時(shí)滯進(jìn)行補(bǔ)償，力圖使被延遲了的被調(diào)量超前反映到調(diào)節(jié)器,使調(diào)節(jié)器提前動(dòng)作，從而抵消掉時(shí)滯特性所造成的影響：減小超調(diào)量，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性并加速調(diào)節(jié)過(guò)程，提高系統(tǒng)的快速性。史密斯預(yù)估器的原理如圖2.3所示圖2.3 補(bǔ)償器轉(zhuǎn)化圖

24、圖中D（S）是調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)，GP(S) 是被控對(duì)象的傳遞函數(shù)，GP(S)是被控對(duì)象中不包含純滯后部分的傳遞函數(shù)，是被控對(duì)象純滯后部分的傳遞函數(shù)，與D（S）并聯(lián)的環(huán)節(jié)就是補(bǔ)償環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為GP (S)（1-），用來(lái)補(bǔ)償對(duì)象的純滯后部分，稱為smith預(yù)估器。1 由smith預(yù)估器和調(diào)節(jié)器D(S)組成的補(bǔ)償回來(lái)稱為純滯后補(bǔ)償器，其傳遞函數(shù)為 (2.6)補(bǔ)償后系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 (2.7) 從上式可以看出，經(jīng)smith預(yù)估器補(bǔ)償后，純滯后環(huán)節(jié)被移到閉環(huán)控制回路之外，不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。純滯后環(huán)節(jié)只起到延遲的作用，把控制系統(tǒng)作用在時(shí)間坐標(biāo)軸上推遲了時(shí)間，而對(duì)系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程以及其他性能指標(biāo)沒(méi)有

25、任何作用，消除了純滯后部分對(duì)控制系統(tǒng)的影響。另外，由拉氏變換的平移定理得知，系統(tǒng)在單位階躍輸入時(shí)，輸出量的形狀和其他性能指標(biāo)與對(duì)象特性G（s）不包含純滯后特性時(shí)完全相同，只是在時(shí)間軸上滯后了時(shí)間。2.4 系統(tǒng)PID調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)2.4.1 PID控制器由比例單元（P），積分單元（I），和微分單元（D）組成，它的基本原理比較簡(jiǎn)單，基本的PID控制規(guī)律可描述為： GC（S）= （2.8）PID控制用途廣泛，使用靈活，已有系列化的控制器產(chǎn)品，使用中只需設(shè)定三個(gè)參數(shù)、即可。PID控制具有以下優(yōu)點(diǎn)：原理簡(jiǎn)單，使用方便，PID參數(shù)、和可以根據(jù)動(dòng)態(tài)特性及時(shí)調(diào)整，適應(yīng)性強(qiáng)，其控制品質(zhì)對(duì)控制對(duì)象特性的變化不太敏感

26、。PD控制器的傳函為：GC(S)=KP(1+TDS)；PI控制器的傳遞函數(shù)為：GC(S)=KP 。由它們的傳遞函數(shù)可知，PD控制器是 一種超前校正裝置，PI控制器屬于滯后校正裝置，所以兼有PI和PD特點(diǎn)的PID控制器有著超前滯后的作用，它的傳遞函數(shù)為 GC(S)=KP (1+ +TdS ) （2.9）2.4.2 系統(tǒng)PID調(diào)節(jié)器參數(shù)的選定在選定系統(tǒng)PID調(diào)節(jié)器參數(shù)之前，先要知道PID調(diào)節(jié)器參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。（1）比例控制對(duì)系統(tǒng)性能的影響a對(duì)動(dòng)態(tài)性能的影響：比例控制加大，使系統(tǒng)的動(dòng)作靈敏、速度加快；偏大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng)；當(dāng)太大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)趨于不穩(wěn)定。若太小，又會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)作緩慢。b

27、對(duì)穩(wěn)定特性的影響：加大比例控制，在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，可以減少穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度，但加大只能減小誤差，卻不能完全消除誤差。（2）積分控制對(duì)控制性能的影響 a對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響：積分控制通常使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，太小，系統(tǒng)將不穩(wěn)定；偏小，震蕩次數(shù)較多；太大，對(duì)系統(tǒng)性能的影響減小。當(dāng)合適時(shí)，過(guò)渡過(guò)程比較理想。b對(duì)穩(wěn)態(tài)性能的影響：積分控制能消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制系統(tǒng)的控制精度。但太大，積分作用太弱，以致不能減小穩(wěn)態(tài)誤差。（3）微分控制對(duì)控制性能的影響微分控制可以改善動(dòng)態(tài)特性，如超調(diào)量的減少，調(diào)節(jié)時(shí)間縮短，允許加大比例控制，使穩(wěn)態(tài)誤差減小，提高控制精度。當(dāng)偏大時(shí)，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)；當(dāng)偏小時(shí)，

28、超調(diào)量也較大，調(diào)節(jié)時(shí)間也較長(zhǎng)；只有合適時(shí)，可以得到比較滿意的過(guò)渡過(guò)程。PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，它是根據(jù)被控過(guò)程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。PID調(diào)節(jié)器參數(shù)整定的方法很多，概括起來(lái)有兩大類：一是理論計(jì)算整定法，它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定控制器參數(shù)，這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例

29、法，利用該方法進(jìn)行 PID控制器參數(shù)的整定步驟如下：(1)首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；(2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；(3)在一定的控制度下通過(guò)公式計(jì)算得到PID控制器的參數(shù)。本系統(tǒng)的參數(shù)的選擇，主要是依賴與工程經(jīng)驗(yàn)，有大量的實(shí)驗(yàn)可知，對(duì)于本系統(tǒng)的PID參數(shù)選擇如下： = 6.0 , = 0.15, = 4.0。2.5 2.5.1 采樣周期T的選擇原則 采樣周期T在計(jì)算機(jī)控制中是一個(gè)重要參量，必需根據(jù)具體情況來(lái)選擇。(1) 必須滿足采樣定理的要求。從信號(hào)的保真角度看，采樣周期必須滿足香農(nóng)采樣定理，即采樣角頻率W

30、S2W max, W max是被采樣信號(hào)的最高頻率，因?yàn)閃S = ，所以，根據(jù)采樣定理可以確定采樣周期上限值，T。對(duì)于隨動(dòng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，有經(jīng)驗(yàn)公式WS10WC。（2）從控制系統(tǒng)的隨動(dòng)和抗干擾的性能來(lái)看，則T小些好。干擾頻率越高，則采樣頻率最好越高，以便實(shí)現(xiàn)快速跟隨和快速抑制干擾。（3）根據(jù)被控對(duì)象的特性，快速系統(tǒng)的T應(yīng)取小些，反之，T可取大些。（4）根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的類型，當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作慣性大時(shí)，T應(yīng)取大些。否則，執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)不及反應(yīng)控制器輸出值的變化。（5）從計(jì)算機(jī)的工作量及每個(gè)調(diào)節(jié)回路的計(jì)算成本來(lái)看，T應(yīng)取大些。T大，則每個(gè)回路的計(jì)算控制工作量相對(duì)減少，可以增加控制的回路數(shù)。（6）從計(jì)算機(jī)能精確執(zhí)行

31、控制算式來(lái)看，T應(yīng)取大些。因?yàn)橛?jì)算機(jī)字長(zhǎng)有限，T過(guò)小，偏差值e(k)可能很小，甚至為零，調(diào)節(jié)作用減弱，各微分、積分作用不明顯。本系統(tǒng)電爐的傳遞函數(shù)為G（S）=，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，采樣周期T取為1s。2.5.2 純滯后對(duì)象的控制算法大林算法在一些實(shí)際工程中，經(jīng)常遇到純滯后調(diào)節(jié)系統(tǒng)，它們的滯后時(shí)間比較長(zhǎng)。對(duì)于這樣的系統(tǒng)，往往允許系統(tǒng)存在適當(dāng)?shù)某{(diào)量，以盡可能地縮短調(diào)節(jié)時(shí)間。人們更感興趣的是要求系統(tǒng)沒(méi)有超調(diào)量或只有很小超調(diào)量，而調(diào)節(jié)時(shí)間則允許在較多的采樣周期內(nèi)結(jié)束，也就是說(shuō)，超調(diào)是主要的設(shè)計(jì)指標(biāo)。對(duì)于這樣的系統(tǒng)，用一般的隨動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是不行的，用PID算法效果也欠佳。針對(duì)這一要求，IBM公司的大林(Dah

32、lin)在1968年提出了一種針對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中含有純滯后對(duì)象的控制算法，其目標(biāo)就是使整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)相當(dāng)于一個(gè)帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)。該算法具有良好的控制效果。被控對(duì)象為帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為 ， 其中為被控對(duì)象的時(shí)間常數(shù)，為被控對(duì)象的純延遲時(shí)間，為了簡(jiǎn)化,取其為采樣周期的整數(shù)倍，即N為正整數(shù)。大林算法的設(shè)計(jì)目標(biāo)是使整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)相當(dāng)于一個(gè)帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)5，即 （2.12）由于一般控制對(duì)象均與一個(gè)零階保持器相串聯(lián)，所以相應(yīng)的整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)為 （2.13）于是脈沖傳遞函數(shù)為 （2.14）D(z)可由計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)。由上式可知，它與被控對(duì)象有

33、關(guān)。當(dāng)被控對(duì)象是帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)時(shí)，由式（2.12）的傳遞函數(shù)可知，其脈沖傳遞函數(shù)為 ： （2.15） 將此式代入式(2.14)可知 (2.16) 式中： T采樣周期； 被控對(duì)象的時(shí)間常數(shù)； 閉環(huán)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)。 在本設(shè)計(jì)中，取采樣周期為5S,而系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)取20S.根據(jù)以上分析我們可以計(jì)算出控制器D（Z）： （2.17）在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中,在計(jì)算的D（Z）時(shí)已經(jīng)把采樣與保持環(huán)節(jié)考慮在內(nèi)，故有計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如下所示：R(T)C(T) 圖2.4 系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制框圖2.6系統(tǒng)PID數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)PID控制算法的模擬表達(dá)式為 （2.18）式中，u(t)-調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)；e(

34、t)-偏差信號(hào)（給定量與輸出量之差）；-比例系數(shù)；-積分時(shí)間常數(shù)；-微分時(shí)間常數(shù)。由于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)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，為了使計(jì)算機(jī)能實(shí)現(xiàn)式（2.18），必須將其離散化，用離散的差分方程來(lái)代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程。連續(xù)的時(shí)間離散化，即 t=KT (K=0,1,2,n) （2.19）積分用累加求和近似得 (2.20)微分用一階后向差分近似得 （2.21）式中，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-1)為系統(tǒng)第(k-1)次采樣時(shí)刻的偏差值；k為采樣序號(hào)，k=0,1,2將式(2.20)和(2.21)代入(2.18)，則可得到離散PID表達(dá)式

35、為 （2.22）若以傳遞函數(shù)的形式表示，則為 （2.23）式中，u(s)為調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)；e(s)為調(diào)節(jié)器的偏差信號(hào)； 為比例系數(shù)，；為微分系數(shù)，；為積分時(shí)間常數(shù)；為微分時(shí)間常數(shù)。 如果采樣周期T取得足夠小，該算式可以很好地逼近模擬PID算式，因而使被控過(guò)程與連續(xù)控制過(guò)程十分接近。由于（2.23）表示的控制算法提供了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置一一對(duì)應(yīng)，所以，通常把式（2.23）稱為PID的位置式控制算法或位置式PID控制算法。如果在式（2.23）中，令 ， 則有 （2.24） 此即為離散化的位置式PID控制算法的編程表達(dá)式。當(dāng)進(jìn)行控制時(shí)，、可先分別求出并放在指定的內(nèi)存單元中，則可實(shí)現(xiàn)式（2.24）。由式

36、（2.24）可以看出,每次輸出與過(guò)去的所有狀態(tài)有關(guān),要想計(jì)算u(k),不僅涉及e(k)和e(k-1),且須將歷次e(k)相加，計(jì)算復(fù)雜，浪費(fèi)內(nèi)存。下面，來(lái)推導(dǎo)計(jì)算較為簡(jiǎn)單的遞推算式。為此，對(duì)式（2.24）作如下變動(dòng)：考慮到第k-1次采樣時(shí)有 （2.25）使式(2.24) 兩邊對(duì)應(yīng)減去式（2.25），得= (2.26)式（2.26）就是PID位置式算式的遞推形式，是編程時(shí)常用的形式之一。由于K，T均為常數(shù)，所以、也均為常數(shù)。通過(guò)上述推導(dǎo)，似乎PID控制算法的程序設(shè)計(jì)并不復(fù)雜，只要將給定值與每次所得到的溫度檢測(cè)值相減，得到偏差e（k）,在與上次偏差e(k-1) (設(shè)初始值為0)相減，得到e（k）-

37、e(k-1)，又通過(guò)上次偏差e(k-1)與前次偏差e(k-2)（初始值也設(shè)為0）相減,得到e(k-1)-e(k-2).根據(jù)（2.26）可知，有了e（k），e（k）-e(k-1) ，e(k-1)-e(k-2)及、三個(gè)常數(shù)，通過(guò)計(jì)算可得到U（K），然而，事實(shí)上，運(yùn)算并非那么簡(jiǎn)單，這是由于e（k），e（k）-e(k-1) ，e(k-1)-e(k-2)均可能為正或負(fù)。52.7 溫度控制系統(tǒng)的數(shù)字控制器的SIMULINK仿真SIMULINK仿真環(huán)境是美國(guó)MathWorks軟件公司專門為MATLAB設(shè)計(jì)提供的結(jié)構(gòu)圖編程與系統(tǒng)仿真的專用軟件工具，該仿真環(huán)境下的用戶程序其外觀就是控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，操作就是根據(jù)

38、結(jié)構(gòu)圖作系統(tǒng)仿真。利用SIMULINK提供的輸入信號(hào)（信號(hào)源模塊）對(duì)結(jié)構(gòu)圖所描述的系統(tǒng)施加激勵(lì)，利用SIMULINK提供的輸出裝置（輸出口模塊）獲得系統(tǒng)的輸出響應(yīng)，即數(shù)據(jù)或時(shí)間響應(yīng)曲線，成為圖形化、模塊化方式的控制系統(tǒng)仿真。SIMULINK不僅提供了各種標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)圖模塊庫(kù)，提供了開放的結(jié)構(gòu)圖模塊設(shè)計(jì)方法，便于用戶設(shè)計(jì)自己的專用模塊，還提供了幾種系統(tǒng)文件的設(shè)計(jì)方法，使得系統(tǒng)仿真工作更加方便靈活。受控對(duì)象所構(gòu)造的數(shù)學(xué)模型是基于某些假設(shè)條件，忽略了一些非必要因素，使用了簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)方法而構(gòu)造出來(lái)的。控制系統(tǒng)的仿真方法簡(jiǎn)單、方便、靈活、多樣；仿真實(shí)驗(yàn)的成本低，通常在實(shí)驗(yàn)室就可以完成；仿真結(jié)果充分，可以得

39、到有關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的大量的、充分的曲線與數(shù)據(jù)。67下圖是本設(shè)計(jì)在SIMULINK仿真環(huán)境下的仿真接線圖(圖2.7)和仿真結(jié)果(圖2.8)，加史密斯預(yù)估器和不加史密斯預(yù)估器的以比較史密斯預(yù)估器在本系統(tǒng)中的作用。PID控制器的仿真方框圖：圖2.7 SIMULINK仿真接線圖加有預(yù)估器的輸出波形： 圖2.8 加預(yù)估器的系統(tǒng)仿真圖未加預(yù)估器的輸出波形： 圖2.9 不加預(yù)估器的系統(tǒng)仿真圖 離散系統(tǒng)的仿真的方框圖如下： 圖2.10 離散系統(tǒng)的仿真的方框圖用示波器觀察其輸出波形如下： 圖2.11 離散系統(tǒng)的仿真波形仿真結(jié)果分析：（1） 大林離散系統(tǒng)的仿真結(jié)果分析圖中橫坐標(biāo)為時(shí)間軸，縱坐標(biāo)為溫度顯示。從圖2-11

40、離散系統(tǒng)的仿真可以看出，系統(tǒng)幾乎無(wú)超調(diào)，并且能夠很快的達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。（2）帶預(yù)估器的仿真結(jié)果分析超調(diào)為2.2%，調(diào)節(jié)時(shí)間為160S，針對(duì)本系統(tǒng)的對(duì)象具有大慣性，大延時(shí)的特點(diǎn)，從控制效果的角度看，都在系統(tǒng)可以承受的范圍內(nèi)，短時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)就達(dá)到了穩(wěn)定。在400秒時(shí)給系統(tǒng)加上一個(gè)擾動(dòng)，系統(tǒng)雖然受到了一些影響，但短時(shí)間內(nèi)就恢復(fù)到了正常的溫度輸出。由此可見系統(tǒng)的抗擾動(dòng)性是相當(dāng)強(qiáng)的。（3）不帶預(yù)估器的仿真結(jié)果分析本設(shè)計(jì)是溫度控制系統(tǒng)，存在大延時(shí)、純滯后特性。被控對(duì)象的這種純滯后特性常引起系統(tǒng)產(chǎn)生超調(diào)或震蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。圖2-9中,從不加史密斯預(yù)估器的部分我們可以明顯的看出系統(tǒng)發(fā)生了強(qiáng)烈的震蕩，系統(tǒng)不

41、穩(wěn)定?？梢娛访芩诡A(yù)估器在完全可以改善延時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由上述可知，本系統(tǒng)的PID參數(shù)選擇，預(yù)估器的應(yīng)用完全正確。第3章 溫度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1 硬件設(shè)計(jì)的原理該溫度控制系統(tǒng)采用了AT89C51型單片機(jī)，使硬件設(shè)計(jì)的工作量大大減少，接下來(lái)只剩下三個(gè)部分需要進(jìn)行具體的硬件電路設(shè)計(jì)。（1）鍵盤輸入單元；（2）AD采樣轉(zhuǎn)換單元；（3）LED顯示部分。在具體的設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要闡述這三個(gè)部分的詳細(xì)工作原理，并畫出相應(yīng)的電氣原理圖，可使用PROTEUS軟件進(jìn)行封裝和調(diào)試。在進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮到熱電偶及溫度變送器的惡劣工作環(huán)境，同時(shí)注意選擇高分辨率的AD轉(zhuǎn)換器，以保證系統(tǒng)的精度要求。3.2 系統(tǒng)

42、輸入單元鍵盤的設(shè)計(jì)在一般的計(jì)算機(jī)操作中，命令和數(shù)據(jù)是由鍵盤輸入的，在本設(shè)計(jì)中給定值也由鍵盤完成。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中要想做到既能即時(shí)響應(yīng)鍵操作，又不過(guò)多的占用CPU的工作時(shí)間，就要根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)中的CPU的忙閑情況，選擇適當(dāng)?shù)逆I盤操作工作方式。鍵盤的工作方式通常有程序掃描方式和中斷掃描方式兩種，由于程序掃描方式要CPU不斷的掃描鍵是否按下，需要占用大量的CPU時(shí)間，加之本系統(tǒng)的CPU要完成大量的其他運(yùn)算，故本系統(tǒng)采用中斷方式。在單片機(jī)系統(tǒng)中鍵盤中按鈕數(shù)量較多時(shí)，為了減少I/O口的占用，常常將按鈕排列成矩陣形式，如圖3.1所示。在矩陣式鍵盤中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過(guò)一個(gè)按鈕加

43、以連接。這樣，一個(gè)端口（如P1口）就能組成4*4=16個(gè)按鈕，比之直接將端口線用于鍵盤多出了一倍，而且線數(shù)越多，區(qū)別越明顯，比如再多加一條線就能組成20鍵的鍵盤，而直接用端口線則只能多出一鍵（9鍵）。由此可見，在需要的鍵數(shù)比較多時(shí)，采用矩陣法來(lái)做鍵盤是合理的。在本設(shè)計(jì)中需要12個(gè)控鍵，故可以用3*4鍵盤來(lái)設(shè)計(jì)，用P1.0-P1.3作列線，用P1.4-P1.6作行線。5圖3.1 矩陣式鍵盤示意圖 矩陣式結(jié)構(gòu)的鍵盤顯然比直接法要復(fù)雜一些，識(shí)別也要復(fù)雜一些，上圖中，列線通過(guò)電阻接正電源，并將行線所接的單片機(jī)的I/O口作為輸出端，而列線所接的I/O口則作為輸入。這樣，當(dāng)按鈕沒(méi)有按下時(shí)，所有的輸出端都是

44、高電平，代表無(wú)鍵按下。行線輸出是低電平，一旦有鍵按下，則輸入線就會(huì)被拉低，這樣，通過(guò)讀入輸入線的狀態(tài)就可得知是否有鍵按下。具體的識(shí)別及編程辦法如下所述。矩陣式鍵盤的按鈕識(shí)別辦法多使用“行掃描法”，行掃描法又稱為逐行（或列）掃描查詢法，是一種最常用的按鈕識(shí)別辦法，介紹過(guò)程如下：判斷鍵盤中有無(wú)鍵按下時(shí)將全部行線Y0-Y3置低電平，然后檢測(cè)列線的狀態(tài)，只要有一列的電平為低，則表示鍵盤中有鍵被按下，而且閉合的鍵位于低電平線與4根行線相交叉的4個(gè)按鈕之中；若所有列線均為高電平，則鍵盤中無(wú)鍵按下。在確認(rèn)有鍵按下后，即可進(jìn)入確定具體閉合鍵的過(guò)程。辦法是依次將行線置為低電平，即在置某根行線為低電平時(shí)，其它線為

45、高電平，在確定某根行線位置為低電平后，再逐行檢測(cè)各列線的電平狀態(tài)若某列為低，則該列線與置為低電平的行線交叉處的按鈕就是閉合的按鈕。 下面給出一個(gè)具體的例程12，圖仍如3.1所示，8031單片機(jī)的P1口用作鍵盤I/O口，鍵盤的列線接到P1口的低4位，鍵盤的行線接到P1口的高4位。列線P1.0-P1.3分別接有4個(gè)上拉電阻到正電源+5V，并把列線P1.0-P1.3設(shè)置為輸入線，行線P1.4-P.17設(shè)置為輸出線，4根行線和4根列線形成16個(gè)相交點(diǎn)。檢測(cè)當(dāng)前是否有鍵被按下的方法是P1.4-P1.7輸出全“0”，讀取P1.0-P1.3的狀態(tài)，若P1.0-P1.3為全“1”，則無(wú)鍵閉合，不然有鍵閉合。當(dāng)

46、檢測(cè)到有鍵按下后，延時(shí)一段時(shí)間再做下一步的檢測(cè)判斷。若有鍵被按下，應(yīng)識(shí)別出是哪一個(gè)鍵閉合，方法是對(duì)鍵盤的行線進(jìn)行掃描，P1.4-P1.7按下述4種組合依次輸出： P1.7 1 1 1 0P1.6 1 1 0 1P1.5 1 0 1 1P1.4 0 1 1 1在每組行輸出時(shí)讀取P1.0-P1.3，若全為“1”，則表示這一行沒(méi)有鍵閉合，不然有鍵閉合，由此得到閉合鍵的行值和列值，然后可采用計(jì)算法或查表法將閉合鍵的行值和列值轉(zhuǎn)換成所定義的鍵值。為了保證鍵每閉合一次CPU僅作一次處理，必須消除鍵釋放時(shí)的抖動(dòng)。圖3.2所示為PROTEUS仿真的鍵盤接口電路，該電路中只要將P1.6-P1.4輸出全0，開放所

47、有行的鍵后，CPU可以轉(zhuǎn)去執(zhí)行其他的任務(wù)，而不用重復(fù)調(diào)用鍵盤掃描程序。當(dāng)鍵盤上有任一鍵按下時(shí)，均可向CPU申請(qǐng)中斷，CPU響應(yīng)中斷請(qǐng)求后，在中斷服務(wù)程序中掃描鍵盤判按鍵的行列值，以形成鍵值號(hào)。 圖3.2 鍵盤接口電路3.3 系統(tǒng)AD采樣單元的設(shè)計(jì)溫度檢測(cè)元件和變送器的類型選擇與被控溫度的范圍和精度等級(jí)有關(guān)，鎳鉻/鎳鋁傳感器適用于01000的溫度檢測(cè)范圍。利用這種溫度傳感器完成溫度的測(cè)量，把轉(zhuǎn)換的溫度值的模擬量送入AD1674的其中一個(gè)通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換的結(jié)果與給定溫度進(jìn)行比較通過(guò)控制算法之后再送入數(shù)碼管顯示。AD1674是逐次逼近式的12位A/D轉(zhuǎn)換器，為單端輸入模擬電壓，可在10VI

48、N和20VIN中任一端和AGND之間輸入單極性電壓或者雙極性電壓，輸入模擬電壓的極性不同其輸入的電路也不同。AD1674的數(shù)據(jù)輸出線也有三態(tài)輸出門，可直接接數(shù)據(jù)總線。但是，它是12位輸出，就有一個(gè)A/D輸出數(shù)位和總線數(shù)位的對(duì)應(yīng)關(guān)系問(wèn)題。如果AD1674直接接到12位或16位的系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線上，可以接8位數(shù)據(jù)總線，按字節(jié)分時(shí)讀出。此時(shí)將DB4DB11接數(shù)據(jù)總線D0D7,而低四位管腳接到高四位上去。通過(guò)控制信號(hào)A0來(lái)區(qū)別，當(dāng)A0=0時(shí)，則允許高8位數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，而當(dāng)A0=1時(shí)，高8位被禁止，低四位呈現(xiàn)，其余各位為0，這樣CPU執(zhí)行兩條輸入指令就可以將轉(zhuǎn)換后的12位數(shù)據(jù)讀入。A/D轉(zhuǎn)換器是在CPU控制下工

49、作的，即有CPU發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)。啟動(dòng)信號(hào)有電平信號(hào)和脈沖信號(hào)兩種啟動(dòng)方式，而本設(shè)計(jì)中用的AD1674是采用的脈沖啟動(dòng)，通過(guò)讀或?qū)懶盘?hào)或程序控制得到足夠?qū)挾鹊拿}沖信號(hào)。A/D裝換結(jié)束時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換芯片輸出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)有兩種:一種是電平信號(hào),一種是脈沖信號(hào)，CPU檢測(cè)到轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)即可讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，CPU一般可采取三種方式和A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行聯(lián)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的讀取。這三種方式為程序查詢方式、中斷方式、固定的延遲程序方式。三種方式中當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，宜采用中斷方式，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間較短時(shí)，宜用查詢方式或延遲方式。圖3.2所示即為系統(tǒng)AD采樣單元接線圖,由于本系統(tǒng)中只有1路模擬量輸

50、入，故CBA對(duì)應(yīng)的通道地址為000，直接接地。ALE（START）由P3.6控制，EOC轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)由P3.5口來(lái)檢測(cè)，讀允許EO接高電平。由于軟件功能原因，溫度傳感器經(jīng)變送器轉(zhuǎn)換到0-5V的信號(hào)，由滑動(dòng)變阻器代替。圖3.2 系統(tǒng)AD采樣接線圖3.4 系統(tǒng)顯示單元設(shè)計(jì)在單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)中，通常使用LED和LCD來(lái)觀察和監(jiān)視單片機(jī)的運(yùn)行情況以及顯示運(yùn)行的中間結(jié)果及狀態(tài)等信息，因此，顯示器也不可缺少的外部設(shè)備之一。顯示器的種類有很多中，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中常用的有LED，LCD，它們具有功耗低，成本少，配置簡(jiǎn)單，方便靈活，安裝方便，耐振動(dòng)，壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)由于只用于簡(jiǎn)單的數(shù)值顯示，故采用LED顯

51、示器，考慮到動(dòng)態(tài)顯示時(shí)由于系統(tǒng)運(yùn)算量大會(huì)出現(xiàn)閃爍，本設(shè)計(jì)采用LED的靜動(dòng)態(tài)顯示方式時(shí)，位選碼端口由LS138譯碼器輸出選擇要顯示的字符，當(dāng)要顯示某位時(shí)只要將該位對(duì)應(yīng)的位選送低電平即可。P2口送待顯示字符的代碼，譯碼器送出不同的位掃描碼。這種顯示方式不要求CPU始終不停的循環(huán)顯示，只要在更新顯示內(nèi)容時(shí)運(yùn)行顯示程序。七段碼的段選（a,b,c,d,e,f,g,p）：對(duì)應(yīng)8個(gè)發(fā)光二極管，接I/O口，共陰（或共陽(yáng)）時(shí)接地（或+5V），根據(jù)條件控制發(fā)光二極管的亮或滅。位選（A,B,C,D）:共陰（或共陽(yáng)）時(shí)接地（或+5V）分別用選中對(duì)應(yīng)位的LED。本設(shè)計(jì)采用LED的共陰極接法，接線圖如圖3.3所示 共陰七

52、段LED段選碼表13：顯示字符數(shù)顯代碼顯示字符數(shù)顯代碼03FH56DH106H67DH258H7F8H34FH880H466H990H 表3.2 LED段選碼表圖3.3 LED顯示接線圖3.5 PWM控制的基本原理PWM（Pulse Width Modulation）控制就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。即通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效獲得所需要波形。改變脈沖的占空比就是對(duì)脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制，只是因?yàn)檩斎腚妷汉退枰妮敵鲭妷憾际侵绷麟妷海来蚊}沖既是等幅的，也是等寬的，僅僅是對(duì)脈沖的占空比進(jìn)行控制，這是PWM控制中的最為簡(jiǎn)單的一種情況。圖3.6 PWM電路原理圖上圖是本設(shè)計(jì)所選用的簡(jiǎn)單的不可逆PWM電路原理圖，其中功率開關(guān)部件為IGBT，IGBT的控制極由脈寬可調(diào)的脈沖電壓序列驅(qū)動(dòng)