單片機溫度控制系統(tǒng)的設計與實現

目錄摘要： 3Abstract 3第一章緒論 41．1課題的背景與意義 41．2課題的應用與展望 41．3課題舉例簡介 5第二章總體方案 62．1系統(tǒng)結構 62．2具體設計考慮 6第三章元器件簡介 73．1AT89C51單片機 73．1．1概述 73．1．2主要特性 83．1．3引腳功能 83．2AD590溫度傳感器 103．2．1概述 103．2．2主要特性 113．2．3AD590工作原理 113．3ADC0809模數轉換器 133．3．1主要特性 133．3．2ADC0809工作原理 13第四章硬件設計 144．1擴展外圍接口 144．2溫度控制電路 154．3溫度檢測電路設計 154．3．1設計目標 154．3．2設計的出發(fā)點 164．3．3設計原理 164．3．4轉換電路 164．3．5信號處理電路 174．3．6主電路 184．4光電隔離電路 194．5過零檢測電路 194．6PID控制算法 204．6．1PID控制作用 204．6．2PID算法的微機實現 204．6．3PID算法的程序設計 21第五章軟件設計 225．1設計步驟 235．1．1畫出系統(tǒng)的程序框圖 235．1．2內存分配 24第六章系統(tǒng)調試 266．1硬件調試方法 266．1．1常見的硬件故障 266．1．2聯機調試 276．1．3脫機調試 286．2軟件調試方法 286．3誤差分析 29第七章結論 29參考文獻 30致謝 31附錄A 32外文原文 32中文翻譯 39附錄B 45附錄C 55單片機溫度控制系統(tǒng)的設計與實現摘要：本文主要從硬件和軟件兩方面介紹了MCS-51單片機溫度控制系統(tǒng)的設計思路，簡單說明如何實現對溫度的控制，并對硬件原理圖和程序框圖作了簡潔的描述。還介紹了在單片機溫度控制系統(tǒng)的軟硬件設計中的一些主要技術關鍵環(huán)節(jié),該系統(tǒng)主要以8031單片機為核心,由溫度檢測電路,模/數轉換電路,過零檢測電路,報警與指示電路,光電隔離與功率放大電路等構成。但用AT89C51單片機設計的溫度檢測電路是本次設計的主要內容，是整個單片機溫度控制系統(tǒng)設計中不可缺少的一部分，該系統(tǒng)對溫度進行了實時采集與檢測。本設計介紹的單片機溫度自動控制系統(tǒng)的主要內容包括：系統(tǒng)方案、元器件選擇、系統(tǒng)理論分析、硬件設計、軟件設計、系統(tǒng)調試及主要技術性能參數。關鍵詞：單片機；溫度傳感器；溫度檢測；溫度控制；PID算法Abstract：Thedesignofsingle-chip’stemperaturecontrolsystemisintroducedfromhardwareandsoftware,andsimplyexplainshowtoactualizethetemperaturecontrol.Thehardwareprincipleandsoftwarecasefigaredescribed.Someimportanttechniquesinadesignschemeofthehardwareandthesoftwareofthetemperaturecontrolbysingle-chipmicrocomputerareintroduced.Thesystemmostlytakes8031single-chipmicrocomputerascore,itisstructuredbytemperaturetestingcircuit,A/Dswitchcircuit,zeropassagetestingcircuit,warningandindicationcircuit,optical-electricalisolationandpoweramplifiercircuitandsoon.ThemaincontentofthisdesignistemperaturetestingcircuitthatusesAT89C51single-chipmicrocomputer.Itisapartofthewholedesignthatcannotbelacked.Thesystemisusedtocollectandcontroltemperatureinrealtime.Thetemperatureautomaticcontrolsystembasedonsingle-chipmicrocomputerisdescribedinthearticleincludingsystemscheme，partsofanapparatuschoice,theoreticalanalysis，thedesignofhardwareandsoftware,systemtesting，andthemaintechnicalperformanceparameters．KeyWords：Single—ChipMicrocomputer；Temperaturesensor；Temperaturecollecting；Temperaturecontrolling；PIDalgorithm第一章緒論1．1課題的背景與意義在近四十年的時間里，電子計算機的發(fā)展經歷了從電子管、晶體管、中小規(guī)模集成電路到大規(guī)模集成電路這樣四個階段，尤其是隨著半導體集成技術的飛躍發(fā)展，七十年代初誕生了一代新型的電子計算機——微型計算機，使得計算機應用日益廣泛；而單片微型計算機的問世，則更進一步推動了這一發(fā)展趨勢，使計算機應用滲透到各行各業(yè)，達到了前所未有的普及程度。一個由微電子技術為先導，計算機技術為標志，包括新材料、宇航、生物工程、海洋工程等多種學科在內的新技術革命正在興起。

在國內，由于單片機具有功能強、體積小、可靠性好、和價格低廉等獨特優(yōu)點，因此，在智能儀器儀表、工業(yè)自動控制、計算機智能終端、家用電器、兒童玩具等許多方面，都已得到了很好的應用，因而受到人們高度重視，取得了一系列科研成果，成為傳統(tǒng)工業(yè)技術改造和新產品更新換代的理想機種，具有廣闊的發(fā)展前景。1．2課題的應用與展望

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，我們現在完全可以運用單片機和電子溫度傳感器對某處進行溫度檢測，而且我們可以很容易地做到多點的溫度檢測，如果對此原理圖稍加改進，我們還可以進行不同地點的實時溫度檢測和控制。溫度是工業(yè)控制中主要的被控參數之一，特別是在冶金、化工、建材、食品、機械等工業(yè)中，具有舉足重輕的作用，因此,溫度控制系統(tǒng)是典型的控制系統(tǒng)。對于不同場所、不同工藝、所需溫度高低范圍不同、精度不同，則采用的測溫元件、測溫方法以及對溫度的控制方法也將不同；產品工藝不同、控制溫度的精度不同、時效不同，則對數據采集的精度和采用的控制算法也不同，因而，對溫度的測控方法多種多樣。隨著電子技術和微型計算機的迅速發(fā)展，微機測量和控制技術也得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應用。利用微機對溫度進行測控的技術，也便隨之而生，并得到日益發(fā)展和完善，越來越顯示出其優(yōu)越性。目前,單片微機已普遍地作用于生產過程的自動控制領域中。單片機以其體積小、價格低廉、可用其構成計算機控制系統(tǒng)中的智能控制單元和可靠性高等特點,受到廣大工程技術人員的重視。溫度是生產過程中最常見的物理量,許多生產過程是以溫度作為其被控參數的。因此,溫度控制系統(tǒng)是典型的控制系統(tǒng)。1．3課題舉例簡介在現代化的工業(yè)生產中，電流、電壓、溫度、壓力、流量、流速和開關量都是常用的主要被控參數。例如：在冶金工業(yè)、化工生產、電力工程、造紙行業(yè)、機械制造和食品加工等諸多領域中，人們都需要對各類加熱爐、熱處理爐、反應爐和鍋爐中的溫度進行檢測和控制。采用MCS-51單片機來對溫度進行控制，不僅具有控制方便、組態(tài)簡單和靈活性大等優(yōu)點，而且可以大幅度提高被控溫度的技術指標，從而能夠大大提高產品的質量和數量。因此，單片機對溫度的控制問題是一個工業(yè)生產中經常會遇到的問題。下面介紹一種功能簡化后的溫度控制系統(tǒng)的設計過程。假設某烘干道采用過熱蒸汽為熱源，蒸汽管道經熱交換器加熱空氣并通過風機向烘箱送熱風實現對膠布（帶）的循環(huán)加熱，烘箱的溫度變化范圍為0～120℃。根據①溫度給定值在85℃②溫度控制誤差≤±2℃③實時顯示溫度值，保留1位小數；④溫度超過給定值±10℃⑤控制參數可在線修改。第二章總體方案根據功能和指標要求，本系統(tǒng)可以從元件級開始設計，選用MCS-51單片機為主控機。通過擴展必要的外圍接口電路，實現對烘箱溫度的測量和控制。2．1系統(tǒng)結構該系統(tǒng)以89C51單片機為核心，由溫度測量變換、測量放大、大功率運放、A/D與D/A轉換器、輸入光電隔離、驅動電路、鍵盤顯示、存儲器共同組成。在系統(tǒng)中，溫度和時間的設置、溫度值及誤差顯示、控制參數得設置、運行、暫停及復位等功能由鍵盤及顯示電路完成。圖2-1單片機溫度控制系統(tǒng)方案原理示意圖傳感器把測量的烘箱溫度信號轉換成弱電壓信號，經過信號放大電路，送入低通濾波電路，以消除噪音和干擾，濾波后的信號輸入到A/D轉換器（ADC0809）轉換成數字信號輸入主機（單片機8031）。2．2具體設計考慮1、由于溫度測量范圍為0～120℃，控制精度也不高，可選用8路8位ADC0809作A/D轉換器，分辨率可達℃；為了方便操作，系統(tǒng)可不擴展專用鍵盤，溫度給定輸入可用2位BCD碼撥盤開關置數2、溫度測量可以選用半導體集成溫度傳感器AD590，它的響應速度快，與單片機接口簡單。其測溫范圍為-55～+150℃，工作電壓4～30V，輸出電流與絕對溫度成正比，即為1μ執(zhí)行機構可選用ZKZP-Ⅱ型線性電動單座調節(jié)閥，用它來調節(jié)通入烘箱的蒸汽流量。調節(jié)閥用D/A轉換器輸出的可調電流控制，0mA對應閥門完全關閉，10mA對應閥門全打開。3、可采用帶死區(qū)的比例積分（PI）控制算法實現對溫度的控制。烘箱溫度與給定值的偏差小時，調節(jié)閥不動作，以減少閥的機械磨損；偏差較大時，經PI算法運算后，單片機通過D/A輸出控制信號控制閥門的開度，為了使控制參數現場可調，可用3個電位器產生3路可調電壓經過A/D轉換實現對A/D轉換，實現對PI算法的3個參數（比例系數Kp、積分系數KI、控制周期Tc）在線整定。這種方法不僅可使參數調整方便，而且具有掉電保護功能。4、為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，D/A轉換器與單片機之間進行光電隔離。使電動閥和單片機之間不共地。第三章元器件簡介3．1AT89C51單片機3．1．1概述AT89C51是一個低電壓，高性能CMOS8位單片機，40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內含2個外中斷口，2個16位可編程定時計數器，2個全雙工串行通信口。片內含4kbytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和128bytes的隨機存取數據存儲器（RAM），可以按照常規(guī)方法進行編程，也可以在線編程。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，內置功能強大的微型計算機的AT89C51提供了高性價比的解決方案。3．1．2主要特性AT89C51的主要特性如下：?壽命達1000寫/擦循環(huán)?數據保留時間：10年?全靜態(tài)工作：0Hz－24MHz?三級程序存儲器鎖定?128×8位內部RAM?32可編程I/O線?2個16位定時器/計數器?6個中斷源?可編程串行通道?低功耗閑置和掉電模式?片內振蕩器和時鐘電路3．1．3引腳功能AT89C51引腳排列如圖3-1所示，引腳功能如下：圖3-1AT89C51的引腳排列VCC（40）：＋5VGND（20）：接地P0口（39－32）：P0口為8位漏極開路雙向I/O口，每個引腳可吸收8個TTL門電流。P1口（1－8）：P1口是從內部提供上拉電阻器的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收和輸出4個TTL門電流。P2口（21－28）：P2口為內部上拉電阻器的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收和輸出4個TTL門電流。P3口（10－17）：P3口是8個帶有內部上拉電阻器的雙向I/O口，可接收和輸出4個TTL門電流，P3口也可作為AT89C51的特殊功能口。RST（9）：復位輸入。當振蕩器復位時，要保持RST引腳2個機器周期的高電平時間。ALE/PROG（30）：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低位字節(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，它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的，要注意的是，每當訪問外部數據存儲器時，將跳過1個ALE脈沖。PSEN（29）：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取值期間，每個機器周期2次PSEN有效，但在訪問外部數據存儲器時，這2次有效的PSEN信號將不出現。EA/VPP（31）：當EA保持低電平時，外部程序存儲器地址為（0000H－FFFFH）不管是否有內部程序存儲器。FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1（19）：反向振蕩器放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。XTAL2（18）：來自反向振蕩器的輸出。3．2AD590溫度傳感器3．2．1概述AD590是AD公司利用PN結正向電流與溫度的關系制成的電流輸出型兩端溫度傳感器。實際上，中國也開發(fā)出了同類型的產品SG590。這種器件在被測溫度一定時，相當于一個恒流源。該器件具有良好的線性和互換性，測量精度高，并具有消除電源波動的特性。即使電源在5-15V之間變化，其電流只是在1μA以下作微小變化。AD590是電流型溫度傳感器，通過對電流的測量可得到所需要的溫度值。根據特性分檔，AD590后綴以I、J、K、L、M表示。AD590L、AD590M一般用于精密溫度測量電路，其電路外形如圖所示，它采用金屬殼3腳封裝，其中1腳為電源正端V+，2腳為電流輸出端I0，3腳為管殼，一般不用。集成溫度傳感器的電路符號如圖3-2所示。圖3-2AD590的外形電路圖及電路符號3．2．2主要特性AD590的主要特性參數如下：?工作電壓：4～30V?工作溫度：-55～+150?保存溫度：-65～+175℃?正向電壓：+44V?反向電壓：-20V?焊接溫度（10秒）：300℃?靈敏度：1μA/K3．2．3AD590工作原理在被測溫度一定時，AD590相當于一個恒流源，把它和5-30V的直流電源相連，并在輸出端串接一個1KΩ的恒值電阻，此電阻上流過的電流與被測溫度成正比，此時電阻兩端將會有1mV/K的電壓信號。其基本電路如圖3-3所示。圖3-3感溫部分的核心電路圖3是利用ΔURE特性的集成PN結傳感器的感溫部分核心電路。其中T1、T2起恒流作用，可用于使左右兩支路的集電極電流I1和I2相等；T3、T4是感溫用的晶體管，兩個管的材質和工藝完全相同，但T3實質上是由n個晶體管并聯而成，因而其結面積是T4的n倍。T3和T4的發(fā)射結電壓URE3和URE4經反極性串聯后加在電阻R上，所以R上端電壓為ΔURE。因此，電流II為：II=ΔURE/R=（KT/q）(Inn)/R對于AD590,n=8,這樣,電路的總電流將與熱力學溫度T成正比,將此電流引至負載電阻RL上便可得到與T成正比的輸出電壓。由于利用了恒流特性，所以輸出信號不受電源電壓和導線電阻的影響。圖3中的電阻R是在硅板上形成的薄膜電阻，該電阻已用激光修正了其電阻值，因而在基準溫度下可得到1μA/K的I值。AD590的內部結構電路如圖3-4所示。圖3-4AD590的內部結構3．3ADC0809模數轉換器3．3．1主要特性?ADC0809的主要特性指標：?分辨率：n=8?時鐘頻率：小于640KHZ?轉換時間：大于等于100微秒?不可調誤差：1LSB?電源：單電源正5V?模擬輸入量：8路?模擬輸入范圍：0～5V?參考電壓：Uref(+)—Uref(-)=5V3．3．2ADC0809工作原理ADC0809為逐次逼近式A/D轉換器，具有8個模擬量輸入通道。它能與微型計算機的大部分總線兼容，可在程序的控制下選擇8個模入通道之一進行A/D轉換，然后把得到的8位二進制數據送到微機的數據總線，供CPU處理。轉換器是ADC0809的核心部分，它由D/A轉換、逐次逼近寄存器（SAR）、比較器等組成。其中，D/A轉換電路采用了256RT型電阻網絡（即2n個電阻分壓器，此處n=8），它在啟動脈沖的上升沿來到時被復位，在啟動脈沖的下降沿A/D開始轉換。如果在轉換過程中接收到新的啟動轉換脈沖，則終止轉換。轉換結束信號EOC在A/D轉換完成時為“1”。ADC0809的內部結構如圖3-5所示。圖3-5ADC0809的內部結構第四章硬件設計4．1擴展外圍接口根據總體方案，采用8031外擴2764作程序存儲器；外擴8255用于4位LED顯示溫度、聲光報警和擴展光電隔型DAC產生0～10mA可調電流控制電動閥；外擴8路8位ADC0809作溫度測量和通過3個電位器產生3個可調控制參數；2位BCD碼給定撥盤則和8031的P1口相連。完整的硬件電路組成如圖4-1所示（附錄B）。圖4-1中，通過8255的PA口和PC0～PC3口擴展4位LED；通過PB口和PC5擴展光電隔型D/A，DAC0832設置為單緩沖方式，VREF=-5V，于是經運算放大器A1后產生0～5V可調直流電壓，再經運算放大器A2在復合三極管T的集電極和+12V電源之間產生0～10mA可調電流，以便控制電動閥的動作（圖4-1中，RW1于調整滿量程值，D1用于保護三極管T）；通過總線直接擴展ADC0809，由于僅使用4路，故選擇通道的C端直接接地，由于溫度傳感器是輸出電流信號且與絕對溫度成正比，故采用電平移動電路及放大電路使運算放大器A3輸出電壓值與攝氏溫度成正比（圖4-1中RW2，RW3分別用語溫度測量電路的零點調節(jié)和滿量程調節(jié)）；聲音報警電路中，蜂鳴器采用長鳴形式，由門電路構成1s振蕩器產生的響音；2位BCD碼給定撥盤則和8031的P1口直接接口，各位又通過2kΩ電阻接地。由于各擴展芯片用線選發(fā)產生片選信號，故他們的接口地址分別為：2764：0000H～1FFFH8255：7000H～7003HADC0809：B000H～B003H4．2溫度控制電路8031對溫度的控制是通過雙向可控硅實現的。如單片機溫度控制系統(tǒng)電路原理圖所示，雙向可控硅管和加熱絲串接在交流220V、50Hz是電回路。在給定周期T內，8031只要改變可控硅管的接通時間即可改變加熱絲的功率，以達到調節(jié)溫度的目的?？煽毓杞油〞r間可以通過可控硅控制極上觸發(fā)脈沖控制。該觸發(fā)脈沖由8031用軟件在P引腳上產生，在過零同步脈沖同步后經光電耦合管和驅動器輸出送到可控硅的控制極上。4．3溫度檢測電路設計4．3．1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04．3．2設計的出發(fā)點在達到對溫度的檢測和控制的基礎上，達到一定的測控精度，并盡量使系統(tǒng)的可靠性高、穩(wěn)定性好、性價比高、速度快、使用靈活、實現容易、便于擴充。4．3．3設計原理本設計采用89C51單片機應用系統(tǒng)來實現設計要求，因89C51在片內含4KB的EEPROM，不需外擴展存儲器，可使系統(tǒng)整體結構簡單。利用89C51串行口輸出工作方式，使89C51的利用率大大提高，外部電路得以簡化。89C51可直接對鍵盤進行掃描讀數，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。在串行傳輸數據時，頻率可達到1MHz4．3．4轉換電路在設計測溫電路時，首先應將電流轉換成電壓。由于AD590為電流輸出元件，它的溫度每升高1K，電流就增加1μA。當AD590的電流通過一個10K的電阻時，這個電阻上的壓降為10mV即轉換成10mV/K，為了使此%），可用一個9.6K的電阻與一個1K電位器串聯，然后通過調節(jié)電位器來獲得精確的10KΩ。圖所示是一個電流/電壓和絕對/攝氏溫標的轉換電路，其中運算放大器A1被接成電壓跟隨器形式，以增加信號的輸入阻抗。而運放A2的作用是把絕對溫標轉換成攝氏溫標，給A2的同相輸入端輸入一個恒定的電壓（如1.235V），然后將此電壓放圖4-2電流/電壓和絕對/攝氏溫標的轉換電路大到2.73V。這樣，A1與A2輸出端之間的電壓即為轉換成的攝氏溫標。將AD590放入0℃的冰水混合溶液中，A1同相輸入端的電壓應為2.73V，同樣使A2的輸出電壓也為2.73V，因此A1與A2兩輸出端之間的電壓：2.73-2.73=0℃即對應于4．3．5信號處理電路溫度檢測的小信號放大與絕對/攝氏溫度轉換采用圖電路，其中RW用來完成絕對/攝氏溫度轉換及調零功能，運放要求采用一片集成普通四運放LM324來完成圖的信號處理功能，其工作電源取單電源VCC=9V。設計中電阻元件可參考下列取值：R1=R2=10K、R3=R4=20K、R5=R6=20K、RG=5K、RWμF。圖4-3信號處理電路4．3．6主電路主電路如圖4-4所示，溫度檢測信號輸入ADC0809的IN3引腳，經過模數轉換結果輸入AT89C51，結果從P1口輸出驅動2個LED實現數據顯示功能。圖4-4溫度檢測主電路4．4光電隔離電路這部分電路是單片機與電阻絲加熱器的接口。由于電阻絲的加熱電壓大于單片機的工作電壓，為了避免燒壞單片機系統(tǒng)，采用光電隔離電路如圖4-5所示。圖4-5光電隔離及放大電路4．5過零檢測電路過零檢測電路在每一個電源周期開始時產生一個脈沖，作為觸發(fā)器的同步信號,計數器T0對其進行計數。其電路如圖4-6所示。220V交流電壓經電阻限流后直接加到2個反相并聯的光電偶器的輸入端。在交流電源的正負半周,分別導通,輸出低電平,在交流電源正弦波過零的瞬間,兩個光電耦合器均不導通,輸出高電平。該脈沖信號經非門整形后作為單片機的中斷請求信號和可控硅的過零同步信號。圖4-6過零檢測電路4．6PID控制算法前面提到，大多數的溫度控制系統(tǒng)可以看作一階純滯后環(huán)節(jié)，由于本系統(tǒng)純滯后時間較小，故可采用PID（比例、積分、微分）控制算法實施控制。4．6．1PID控制作用PID是比例（P）、積分（I）和微分（D）3個控制作用的組合。連續(xù)系統(tǒng)PID控制器的微分方程為：y(t)=KPP[e(t)+]（4-1）式中y(t)為控制器的輸出；e(t)為控制器的輸入；KP比例放大系數；TI為控制器的積分時間常數；TD為控制器的微分時間常數。顯然，KP越大，控制器的控制作用越強；只要e(t)不為0，積分項會因積分而使控制器的輸出變化；只要e(t)有變化的趨勢，控制器就會在微分作用下，在偏差出現且偏差不大時提前給輸出一個較強的控制作用。4．6．2PID算法的微機實現由于微機控制系統(tǒng)是一種時間離散控制系統(tǒng)，故必須把微分方程離散化為差分方程，最終寫出遞推公式才能直接應用。顯然：（4-2）（4-3）于是，KP{e(n)+EQ+[e(n)-e(n-1)]}（4-4）式中Δt=T，為采樣周期；e(t)為第n次采樣的偏差值；e(n-1)為第(n-1)次采樣時的偏差值；n為采樣序列，n=0,1,2,…。由式（4-4）可以看出：計算一次Y（n），不僅需要的存儲器空間大，而且計算量也很大，于是進一步寫出遞推公式：由Y（n-1）=KP{e(n-1)++[e(n-1)-e(n-2)]}（4-5）由式（4）減去式（5）得：ΔY（n）=Y(n)-Y(n-1)=KP{[e(n)-e(n-1)]+[e(n)-2e(n-1)+e(n-2)]}=KP[e(n)-e(n-1)]+KIe(n)+KD[e(n)-2e(n-1)+e(n-2)]（4-6）或Y(n)=Y(n-1)+KP[e(n)-e(n-1)]+KIe(n)+KD[e(n)-2e(n-1)+e(n-2)]（4-7）式中KI=KP，稱為積分常數；KD=KP，稱為微分常數。4．6．3PID算法的程序設計在本控制系統(tǒng)中，烘箱溫度與給定值的偏差經過單片機PI算法運算后從DAC0832輸出0～10mA控制電流去控制電動閥的開度，所以應采用式（7）的位置式算法（且KD=0即為PI），即：YPI（n）=Y(n-1)+KP[e(n)-e(n-1)]+KIe(n)（4-8）如果設KP，KI為純小數，KP，KI，e(n),e(n-1)分別放在8031片內RAM的25H，26H,29H,2AH中，PI結果YPI（n）放在R3R4中，則PI控制程序如下:PI：MOVA，29H；e(n)CLRCSUBBA，2AH；e(n)-e(n-1)MOVB，25H；KPLCALLMULTS；KP[e(n)-e(n-1)]MOVR4，AMOVR3，B；暫存于R3R4MOVA，29H；e(n)MOVA，26H；KILCALLMULTS；KIe(n)ADDA，R4MOVR4，AMOVA，BADDCA，R3MOVR3，A；R3R4=KP[e(n)-e(n-1)]+KIe(n)RETMULTS：CLRF0；置e(n)符號標志位為正JNBACC.7，MUL1SETBF0；置e(n)符號標志位為負CPLAINCA；取絕對值MUL1：MULABJNBF0，MUL2CPLAADDA，#1MOVR2，AMOVA，BCPLAADDCA，#0MOVB，AMOVA，R2；還原為補碼MUL2：RET第五章軟件設計本系統(tǒng)的控制軟件可設計為一個主程序和一個T0通道中斷服務程序。主程序的功能是完成系統(tǒng)初始化及溫度和設定參數的顯示，由于只有4位LED，而溫度BCD碼設定值正常工作時應在85左右，不可能太小，故可以用它設定為小值時來選擇顯示參數；T0通道可定時100ms，其中，定時1s完成數據的采集、報警和顯示處理，定時Tc秒完成控制算法的運算和控制輸出。5．1設計步驟5．1．1畫出系統(tǒng)的程序框圖如圖5-1所示，為主程序框圖，為T0通道中斷服務程序框圖。T0中斷服務程序是溫度控制系統(tǒng)的主體程序，用于啟動A/D轉換，讀入采樣數據，數字濾波，越限溫度報警和越限處理，PID計算和輸出可控硅的同步觸發(fā)脈沖等。P1.3引腳上輸出的該同步觸發(fā)脈沖寬度由T1計數器的溢出中斷控制，8031利用等待T1溢出中斷空隙時間完成把本次采樣值轉換成顯示值而放入顯示緩沖區(qū)和調用溫度顯示程序。8031從T1中斷服務程序返回后便可恢復現場和返回主程序，以等待下次T0中斷。圖5-1溫度控制系統(tǒng)程序框圖5．1．2內存分配為了編程方便，可以把8031的內部128BRAM先進行分配；也可在程序中用標號代替，最后用EQU或DATA定義。如果先對內存進行分配，本系統(tǒng)可分配為：00H～07H，R0～R7供主程序使用08H～0FH，R′0～R′7供T0中斷服務程序使用20H定時1s時間常數（初值為10）21H8255A口數據暫存（顯示器段碼）22H8255B口數據暫存（D/A數據）23H8255C口數據暫存24H8031P1口的T給定BCD值暫存。當T給定=01H時，顯示的數據為KP參數，格式為P-××；當T給定=02H，顯示器顯示的數據為KI參數，格式為I-×××；當T給定=03H，顯示器顯示的數據為Tc參數，格式為T-××；T給定為其他值（85℃25HKP參數暫存26HKI參數暫存27HTc參數暫存28HT測量值（A/D）暫存29He(n)參數暫存2AHe(n-1)參數暫存2BH～2EH4次A/D值暫存2FH定時Tc秒調節(jié)工作單元30H～31HT測量BCD碼值暫存、格式為×××.×32HT測量值實際溫度暫存50H～7BHSP指針工作區(qū)7CH～7FH顯示緩沖區(qū)（從左到右）第六章系統(tǒng)調試系統(tǒng)調試通常包括實驗室硬件聯調、實驗室軟件聯調、實驗室系統(tǒng)仿真、仿真考機運行和現場安裝調試等幾個環(huán)節(jié)。在系統(tǒng)總裝以后，首先要進行實驗室條件下的系統(tǒng)硬件聯調；聯調成功以后，有了硬件操作保證，就很容易發(fā)現軟件的錯誤，在軟件調試過程中，有時也會發(fā)現硬件故障，軟件故障完畢，硬件中的隱藏問題也能被發(fā)現和糾正；在進入現場以前，還必須在實驗室條件下把存在的問題充分暴露，并加以解決，通常是用模型代替實際系統(tǒng)進行完全仿真調試，通過后進行連續(xù)不停機的48h考機運行，正確無誤后再進入現場安裝，運行成功并經過一定時間的使用，最終驗收合格才算完成整個系統(tǒng)的設計工作。下面通過硬件和軟件兩方面介紹相應的調試方法。6．1硬件調試方法6．1．1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，經不起振動；內部和外部干擾、電源紋波系數大、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。6．1．2聯機調試通過脫機調試可排除一些明顯的硬件故障，但有些故障還必須通過聯機調試才能發(fā)現和排除。聯機前先斷電，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、地址數據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、有斷路或短路現象、集成電路失效等。在樣機主機部分調試好后，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試。在調試過程中若發(fā)現用戶系統(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）采集電路調試為使溫度采集電路輸出的電壓與溫度的關系符合理論設計數值，可用一點測試法。在室溫27℃時，調節(jié)電位器Rw1，使AD590對地電阻為1KΩ，運放正端輸入電壓V+=300mV時，V0=2.7V即可。也可采用兩點測試法，當溫度在0～50℃之間變化時，運放正端輸入電壓V+約為273～323mV，調試時用可調電壓信號模擬溫度信號輸入到運放正端，調節(jié)電位器Rw2使V+=273mV時，V0=0V。調節(jié)Rt2使V+=323mV時，Vo=5V，則5V/5O℃=100mV/℃即為輸出精度。因軟件還要校正測溫值，故基本符合上述數值即可。采用兩點測試法較精確，故用兩點法。（2）數碼顯示調試調試中發(fā)現發(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。6．1．3脫機調試在樣機加電以前，先用萬用表等工具根據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，事先必須單獨調試。調試好后，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，聯機時將損壞仿真器。在脫機調試中，發(fā)現系統(tǒng)無法復位，經檢查知電路中沒有接入復位電路，經接入上電復位方式的復位電路后，系統(tǒng)運行正常。6．2軟件調試方法軟件調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，則逐個模塊分別調試。調試各子程序時一定要符合現場環(huán)境，即入口條件和出口條件。調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的現場，ARM的內容和I/O口的狀態(tài)，檢查程序執(zhí)行結果是否符合設計要求。通過檢測可發(fā)現程序中的死循環(huán)錯誤、機器碼錯誤及轉移地址的錯誤。同時也可以發(fā)現用戶系統(tǒng)中的硬件故障，軟件算法及硬件設計錯誤。在調試過程中不斷調試用戶系統(tǒng)的軟件和硬件，逐步通過一個個程序模塊。各模塊通過以后，可以把有關的功能塊聯合起來一起進行綜合調試。在這個階段若發(fā)生故障，可以考慮各子程序在運行時是否破壞現場，緩沖單元是否發(fā)生沖突，標志位的建立和清除在設計上有無失誤，堆棧區(qū)域有無溢出，輸入設備的狀態(tài)是否正常等等。若用戶系統(tǒng)是在開發(fā)機的監(jiān)控下運行時，還要考慮用戶緩沖單元是否和監(jiān)控程序的工作單元發(fā)生沖突。單步和斷點調試后，還應進行連續(xù)調試，這是因為單步運行只能驗證程序的正確與否，不能確定定時精度，CPU的實時響應等問題。待全部調試完成后，應反復運行多次，除了觀察穩(wěn)定性之外，還要觀察系統(tǒng)的操作是否符合原始設計要求，安排的用戶操作是否合理等，必要時應再作適當的修正。如果采用實時多任務操作系統(tǒng)，一般是逐個任務進行調試，調試方法與上述基本類似，只是實時多任務操作系統(tǒng)的應用程序是由若干個任務程序組成，一般是逐個任務進行調試，在調試某個任務時，同時也調試相關的子程序、中斷服務程序和一些操作系統(tǒng)的程序。調試好以后，再使各個任務程序同時運行，如果操作程序無錯誤，一般情況下就能正常運行。6．3誤差分析集成溫度傳感器誤差校正：校正誤差和溫度誤差。校正誤差：傳感器在實際使用中所指示的溫度值和實際溫度值的差值，該誤差大小和溫度成正比，通過調整外部電阻可得到補償。在T=27℃時只要調整R1使vT=300mV即可。該一點調整法不能修正整個范圍內的誤差。溫度誤差(校正誤差調整后)：溫度特性的非線形引起的誤差。如不進行誤差調整，則總誤差為校正誤差與非線形誤差之和，誤差較大。調整Rwl使其在0℃時輸出為0V，調整Rw2使其在50℃時輸出為5V，再進行測溫，精度提高。系統(tǒng)理論測控精度為0．4℃，而實際顯示時，只有1℃，原因在于系統(tǒng)誤差、固有誤差、元件誤差等的存在。定性分析主要誤差來源有：檢測元件的固有誤差、轉換的誤差、數據量化誤差。本設計有待于進一步提高測控精度、減小誤差、進一步提高系統(tǒng)性能。第七章結論本設計介紹的單片機溫度控制系統(tǒng)，可了解微機系統(tǒng)硬、軟件的構成及各種控制參數變化對系統(tǒng)動、靜態(tài)特性的影響。系統(tǒng)用PID控制算法實現溫度控制，可以使系統(tǒng)的精度達到±℃，準確度和穩(wěn)定性都可以令人滿意。系統(tǒng)還以單回路控制為例，極易擴展成多回路控制。MCS-51單片機，體積小，重量輕，抗干擾能力強，對環(huán)境要求不高，價格低廉，可靠性高，靈活性好，即使是非電子計算機專業(yè)人員，通過學習一些專業(yè)基礎知識以后也能依靠自己的技術力量，來開發(fā)所希望的單片機應用系統(tǒng)。本文的溫度控制系統(tǒng)，只是單片機廣泛應用于各行各業(yè)中的一例，相信單片機的應用會更加廣泛化。本系統(tǒng)的設計方案有多種，上述方案是從多種方案中選出的最優(yōu)方案，其具有功能強、成本低、元件少、精度高、可靠性好、穩(wěn)定性高、抗干擾性強、執(zhí)行速度快、簡單易行、具有實效性、使用范圍廣等特點，故具有推廣價值。參考文獻[1]馬江濤.e=%e5%8d%95%e7%89%87%e6%9c%ba%e6%b8%a9%e5%ba%a6%e6%8e%a7%e5%88%b6%e7%b3%bb%e7%bb%9f%e7%9a%84%e8%ae%be%e8%ae%a1%e5%8f%8a%e5%ae%9e%e7%8e%b0"單片機溫度控制系統(tǒng)的設計及實現[J].&Field=BaseID&TableName=CJFDBASEINFO&NaviLink=%e8%ae%a1%e7%ae%97%e6%9c%ba%e6%b5%8b%e9%87%8f%e4%b8%8e%e6%8e%a7%e5%88%b6&Value=JZCK"計算機測量與控制,2004,(12).P1219—1229[2]黃禎祥,鄧懷雄,郭延文,周書.J200506010&dbname=CJFD2005&filetitle=%e5%9f%ba%e4%ba%8eMCS-51%e5%8d%95%e7%89%87%e6%9c%ba%e7%9a%84%e6%b8%a9%e5%ba%a6%e6%8e%a7%e5%88%b6%e7%b3%bb%e7%bb%9f"基于MCS-51單片機的溫度控制系統(tǒng)[J].LinkType=BaseLink&Field=BaseID&TableName=CJFDBASEINFO&NaviLink=%e7%8e%b0%e4%bb%a3%e7%94%b5%e5%ad%90%e6%8a%80%e6%9c%af&Value=XDDJ"現代電子技術,2005,(06).P22—24

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[8]馮越,楊繼華,俞曙濱.50/detail.aspx?filename=ZDHJ199802011&dbname=CJFD1998&filetitle=%e5%8d%95%e7%89%87%e6%9c%ba%e6%b8%a9%e5%ba%a6%e6%8e%a7%e5%88%b6%e7%b3%bb%e7%bb%9f"單片機溫度控制系統(tǒng)[J].nk&Field=BaseID&TableName=CJFDBASEINFO&NaviLink=%e8%87%aa%e5%8a%a8%e5%8c%96%e6%8a%80%e6%9c%af%e4%b8%8e%e5%ba%94%e7%94%a8&Value=ZDHJ"自動化技術與應用,D*year*issue&TableName=CJFDYEARINFO&Value=ZDHJ*1998*02&NaviLink=%e8%87%aa%e5%8a%a8%e5%8c%96%e6%8a%80%e6%9c%af%e4%b8%8e%e5%ba%94%e7%94%a8"1998,(02).P36—38

[9]徐鳳霞,趙成安.401019&dbname=CJFD2004&filetitle=AT89C51%e5%8d%95%e7%89%87%e6%9c%ba%e6%b8%a9%e5%ba%a6%e6%8e%a7%e5%88%b6%e7%b3%bb%e7%bb%9f"AT89C51單片機溫度控制系統(tǒng)[J].ableName=CJFDBASEINFO&NaviLink=%e9%bd%90%e9%bd%90%e5%93%88%e5%b0%94%e5%a4%a7%e5%ad%a6%e5%ad%a6%e6%8a%a5&Value=QQHE"齊齊哈爾大學學報,2004,(01)．P64—65[10]姜波.le=%e5%8d%95%e7%89%87%e6%9c%ba%e6%b8%a9%e5%ba%a6%e8%87%aa%e5%8a%a8%e6%8e%a7%e5%88%b6%e7%b3%bb%e7%bb%9f"單片機溫度自動控制系統(tǒng)[J].viLink=%e8%87%aa%e5%8a%a8%e5%8c%96%e4%b8%8e%e4%bb%aa%e5%99%a8%e4%bb%aa%e8%a1%a8&Value=ZDYY"自動化與儀器儀表,1996,(05)．P51—59[11]馬明建．數據采集與處理技術[M]．西安交通大學出版社，2005．9，(02)．P86—89［12］曹龍漢，劉安才，高占國．MCS-51單片機原理及應用[M]．重慶出版社，2004，10．P229—247[13]ATMEL．MicrontrollerDataBook.．1995．P46—50［14］DONGXiao-you,BAIZe-sheng,search/search.aspx?query=LIU+Ru"LIURu.．TemperaturemeasurementbasedonMCS-51singlechipmicrocomputer[J]．JournalofYananUniversity，2005，（02）．P32—35[15]HollotC,AnalysisanddesignofcontrollersforAQMroterssupportingTCPflows.IEEETransactionsonAutomaticControl，2002，47(6).P56—62[16]I.YanKor.AlLinearTemperature-to-timeConvertersUsingStandardThermistors.MessureScienceTechnology,1990.P1168—1171[17]KatsuhikoOgata.ModenControlEngineering.Publishinghouseofelectronicsindustry,2000.P196—202致謝四年的大學生活,讓我對關于電子方面的理論知識有了一定的了解和認識，但實踐出真知,唯有把理論與實踐相結合，才能更好地為社會服務。為期將近半個學期的畢業(yè)設計，我不但上網查閱了一些電子技術的應用知識，并對畢業(yè)論文所需的資料進行了仔細地了解和收集，為現在的畢業(yè)設計做了充分的準備,也培養(yǎng)了我獨立思考和動手的能力，同時也讓我了解到了自己的不足，我會繼續(xù)努力，完善自我，為社會主義現代化建設做貢獻。半個學期的畢業(yè)設計已圓滿結束，在這幾個月中，我經歷了很多事，也接觸了很多人，不管怎么說，我在此對每位曾經幫助過我或指導過我的人表示衷心地感謝。首先，感謝我的父母，如果沒有他們對我在物質上的資助和精神上的支持，我是不可能順利完成學業(yè)的。其次，感謝學校的精心安排和指導老師的用心輔導，以及各位曾經教育我、傳授我知識的老師，因為有他們的辛勤付出才有我知識的累積。特別要感謝我的指導老師——王玉巧老師。在他們的指導和啟發(fā)下，我圓滿地完成了本科階段的畢業(yè)設計任務。最后，感謝我的學校、我的老師們和班級里所有的同學，他們給了我一個溫馨、向上的學習環(huán)境和一切無私的幫助。此致敬禮！附錄A：中英文翻譯外文原文:AT89C51TheAT89C51isalow-power,high-performanceCMOS8-bitmicrocomputerwith4KbytesofFlashprogrammableanderasablereadonlymemory(PEROM)and128bytesofdatarandom-accessmemory(RAM).ThedeviceismanufacturedusingATMELCo.’shigh-densitynonvolatilememorytechnologyandiscompatiblewiththeindustry