水溫自動控制系統(tǒng)設計

/水溫自動限制系統(tǒng)設計摘要水溫自動限制系統(tǒng)在工業(yè)及日常生活中應用廣泛，在生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用。實現(xiàn)水溫限制的方法許多，如單片機限制、PLC限制等等。而其中用單片機限制實現(xiàn)的水溫限制系統(tǒng)，具有牢靠性高、價格低、簡潔易實現(xiàn)等多種優(yōu)點。單片機用于工業(yè)限制是近年來發(fā)展特殊快速的領域，現(xiàn)在許多自動化的生產(chǎn)車間里，都是靠單片機來實現(xiàn)的。溫度是工業(yè)限制對象主要被控參數(shù)之一，在溫度限制中，由于受到溫度被控對象特性（如慣性大、滯后大、非線性等）的影響，使得限制性能很難提高，有些工藝過程其溫度限制的好壞干脆影響著產(chǎn)品的質(zhì)量，因此設計一種較為志向的溫度限制系統(tǒng)是特殊有價值的。為了實現(xiàn)高精度的水溫測量和限制，本文介紹了一種以Atmel公司的低功耗高性能CMOS8位單片機為核心，以PID算法限制以及PID參數(shù)整定相結(jié)合的方法來實現(xiàn)的水溫限制系統(tǒng)，其硬件電路包括溫度采集、溫度限制、溫度顯示、鍵盤輸入以及RS232接口等電路。該系統(tǒng)可實現(xiàn)對溫度的測量，并能依據(jù)設定值對溫度進行調(diào)整，實現(xiàn)控溫的目的。關(guān)鍵詞：AT89S52；溫度限制；PT1000；PIDDesignofTemperatureAutomaticControlSystemABSTRACTThetemperatureisoneofthemainlychargedparameterswhichareindustrialcontroltargets.Itisdifficulttoenhancethecontrolperformanceduetothecharacteristicsofthetemperaturechargedobject.Suchasinertia,hysteresisandnon-linear,etc…Itstemperaturecontrolprocesswillhaveadirectimpactonthequalityoftheproductinsometechnologicalprocess.Thereforeitisabsolutevaluabletodesignaidealtemperaturecontrolsystem.Inordertorealizethehighaccuracysurveyandcontrolofwatertemperature.SystematiccoreisAT89S52,whichisalow-powerloss,high-performance8-bitMCUofAtmelCompany.ThesystemunifiesPIDcontrolalgorithmandPIDparametertuningtocontrolthewatertemperature.Itshardwarecircuitalsoincludestemperaturegathering,temperaturecontrolandtemperaturedisplay,keyboardinputandRS232interfaces.Thesystemcanrealizetosurveythewatertemperature,anditcanadjustthetemperatureaccordingtothesettingvalue.Keywords：AT89S52;temperaturecontrol;PT1000;PID目錄TOC\h\z\u\t"標題1,1,標題2,1,標題5,1"1引言 11.1課題背景 11.2國內(nèi)外探討現(xiàn)狀 11.3探討方法 12系統(tǒng)方案 22.1水溫限制系統(tǒng)設計任務和要求 22.2水溫限制系統(tǒng) 22.2.1方案選擇 22.2.2溫度限制系統(tǒng)算法分析 43系統(tǒng)硬件設計 93.1總體設計框圖及說明 93.2外部電路設計 93.2.1溫度采集電路 93.2.2溫度限制電路 113.3單片機系統(tǒng)電路設計 113.3.1A/D轉(zhuǎn)換電路 113.3.2串口通訊部分電路 143.3.3數(shù)碼顯示電路 164系統(tǒng)軟件設計 174.1程序框架結(jié)構(gòu) 174.2程序流程圖及部分程序 174.2.1主程序模塊 174.2.2系統(tǒng)初始化 194.2.3按鍵程序 194.2.4A/D采樣數(shù)據(jù)處理 214.2.5PID計算 244.2.6繼電器限制 255系統(tǒng)安裝調(diào)試和測試 275.1串口調(diào)試 275.2繼電器測試 275.3溫度采集和測試 276結(jié)論 28參考文獻 29致謝 301引言1.1課題背景溫度限制是無論是從工業(yè)生產(chǎn)過程中，還是在日常生活中都起著至關(guān)重要的作用，過低的溫度或者過高的溫度都會使水資源失去應用的作用，從而造成水資源的巨大奢侈。特殊是在當前全球水資源極度匱乏的狀況下，我們就更應當駕馭好對水溫的限制，在環(huán)境惡劣或溫度較高等場合下，為了保證生產(chǎn)過程正常平安地進行，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量，及減輕工人的勞動強度、節(jié)約能源，要求對加熱爐爐溫進行測示、顯示、限制，使之達到工藝標準，以單片機為核心設計的水溫限制系統(tǒng)，可以同時采集多個數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過通訊口送至上位機進行顯示和限制。1.2國內(nèi)外探討現(xiàn)狀目前，國外溫度限制系統(tǒng)及儀表正朝著高精度智能化、小型化等方面快速發(fā)展。溫度限制系統(tǒng)在國內(nèi)各行各業(yè)的應用雖然已經(jīng)特殊廣泛，但從國內(nèi)生產(chǎn)的溫度限制器來講，總體發(fā)展水平照舊不高，同國外的日本、美國、德國等先進國家相比，照舊有著較大的差距。目前，我國在這方面總體技術(shù)水平處于20世紀80年頭中后期水平。成熟產(chǎn)品主要以“點位”限制及常規(guī)的PID限制器為主，它只能適應一般溫度系統(tǒng)限制，難于限制滯后困難時變溫度系統(tǒng)限制，而且適應于較高限制場合的智能化、自適應限制儀表國內(nèi)技術(shù)還不特殊成熟，形成商品化并廣泛應用的限制儀表較少。現(xiàn)在，我國在溫度等限制儀表業(yè)和國外還有著確定的差距。隨著嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)的快速發(fā)展及其在各個領域的廣泛應用，人們對電子產(chǎn)品的小型化和智能化要求越來越高，作為高新技術(shù)之一的單片機以其體積小、價格低、牢靠性高、適用范圍大以及本身的指令系統(tǒng)等諸多優(yōu)勢，在各個領域、各個行業(yè)都得到了廣泛應用。1.3探討方法本文主要介紹單片機溫度限制系統(tǒng)的設計過程，其中涉及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計、元器件的選取和限制算法的選擇、程序的調(diào)試和系統(tǒng)參數(shù)的整定。以AT89S52為CPU，溫度信號由Pt1000和電壓放大電路供應。電壓放大電路用超低溫漂移高精度運算放大器OP07將溫度-電壓信號進行放大，用單片機限制SSR固態(tài)繼電器的通斷時間以限制水溫，系統(tǒng)限制對象為1升凈水，容器為搪瓷器皿。水溫可以在環(huán)境溫度降低時實現(xiàn)自動限制，以保持設定的溫度基本不變，具有較好的快速性和較小的超調(diào)。2系統(tǒng)方案2.1水溫限制系統(tǒng)設計任務和要求該系統(tǒng)設計任務：設計一個水溫自動限制系統(tǒng)，限制對象為1升凈水，容器為搪瓷器皿。水溫可以在確定范圍內(nèi)由人工設定，并能在環(huán)境溫度降低時實現(xiàn)自動調(diào)整，以保持設定的溫度基本不變。系統(tǒng)設計詳細要求為：溫度設定范圍為40～90℃；環(huán)境溫度降低時溫度限制的靜態(tài)誤差≤1℃；接受適當?shù)南拗品椒?，當設定溫度突變（由40℃提高到60℃）時，減小系統(tǒng)的調(diào)整時間和超調(diào)量；用十進制數(shù)碼管顯示水的實際溫度。2.2水溫限制系統(tǒng)水溫限制系統(tǒng)是一個過程限制系統(tǒng)，組成框圖如圖2-1所示，由限制器、執(zhí)行器、被控對象及反饋作用的測量變送組成。圖2-1限制系統(tǒng)框圖除了以上的組成元件以外，還須要選擇合適的算法以實現(xiàn)所要求的限制精度，以下我會對關(guān)鍵的元件以及電路的確定進行詳細的分析。因為方案選取的好壞將干脆影響著整個系統(tǒng)實現(xiàn)效果的優(yōu)劣。方案選擇方案一：接受8031作為限制器，運用最為普遍的器件ADC0804作模數(shù)轉(zhuǎn)換，限制上運用對電阻絲加電使其升溫順開動風扇使其降溫。此方案簡易可行，器件的價格便宜，但8031內(nèi)部沒有程序存儲器，須要擴展，增加了電路的困難性。方案二：此方案接受89S52單片機實現(xiàn)，此單片機軟件編程自由度大，可用編程實現(xiàn)各種限制算法和邏輯限制。限制電路部分接受SSR固態(tài)繼電器限制電爐絲的通斷此方案電路簡潔并且可以滿足題目中的各項要求的精度。將兩個方案相比較后可得出一個結(jié)論，接受Atmel單片機來實現(xiàn)本題目，無論是從結(jié)構(gòu)上，還是從工作量上都有很大的優(yōu)勢，所以我最終選擇運用AT89S52作為該限制系統(tǒng)的核心。依據(jù)水的溫度變更慢，并且限制精度不易駕馭的特點，我們設計了以AT89S52單片機為檢測限制中心的水箱溫度自動限制系統(tǒng)，總體框圖如圖2-2所示。圖2-2限制器設計總體框圖溫度限制接受改進的PID數(shù)字限制算法，數(shù)碼顯示接受3位LED靜態(tài)顯示。該設計結(jié)構(gòu)簡潔，限制算法新穎 ，限制精度高,有較強的通用性。圖2-3為整個水溫限制系統(tǒng)的原理圖，分別由測溫電路，繼電器限制電路，串口通訊電路，LED顯示電路等部分組成。圖2-3水溫限制電路原理圖2.2.2溫度限制系統(tǒng)算法分析系統(tǒng)算法限制接受工業(yè)上常用的位置型PID數(shù)字限制，并且結(jié)合特定的系統(tǒng)加以算法的改進，形成了變速積分PID—積分分別PID限制相結(jié)合的自動識別的限制算法。該方法不僅大大減小了超調(diào)量，且有效地克服了積分飽和的影響，使限制精度大為提高。長期以來國內(nèi)外科技工作者對溫度限制器進行了廣泛深化的探討，探討了大批溫度限制器，如性能成熟應用廣泛的PID調(diào)整器、智能限制PID調(diào)整器、自適應限制等。此處主要對一些限制器特性進行分析以便選擇適合的限制方法應用于改造。常用的限制算法有以下幾種：1.經(jīng)典的比例積分微分限制算法；2.依據(jù)動態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)化理論得到的自適應限制和最優(yōu)限制方法；3.依據(jù)模糊集合理論得到模糊限制算法。自適應限制、最優(yōu)限制方法以及模糊限制算法是建立在精確的數(shù)學模型基礎上的，在實時過程限制中，由于限制對象的精確數(shù)學模型難于建立，系統(tǒng)參數(shù)經(jīng)常發(fā)生變更，運用限制理論進行綜合分析要花很大代價。同時由于所得到的數(shù)學模型過于困難難于實現(xiàn)。在實時限制系統(tǒng)中要求信號的限制信號的給出要剛好，所以在目前的過程限制系統(tǒng)中較少接受自適應限制、最優(yōu)限制方法和模糊限制算法。目前在過程限制中應用較多的還是PI限制算法、PD限制算法和PID限制算法。水溫限制系統(tǒng)的限制對象具有熱儲存實力大，慣性較大的特點，水在容器內(nèi)的流淌或熱量傳遞都存在確定的阻力，因此可以歸于具有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)。對于大慣性系統(tǒng)的過渡過程限制，一般可接受以下幾種限制方案：1.開關(guān)量限制這種方法通過比較給定值和被控參數(shù)的偏差來限制輸出的狀態(tài)，開通或關(guān)斷，因此限制過程特殊簡潔，也簡潔實現(xiàn)；但由于輸出限制量只有兩種狀態(tài)，使被控參數(shù)在兩個方向上變更的速率均為最大，因此簡潔引起反饋回路振蕩，限制精度不高；這種限制方案一般在大慣性系統(tǒng)對限制精度和動態(tài)特性要求不高的狀況下接受。如圖2-4所示。tytyty圖2-4開關(guān)量限制2.比例限制(P限制)比例限制的輸出和偏差成比例關(guān)系，當負荷變更時，抗干擾實力強，過渡過程時間短，但過程終了存在余差；適用于限制通道滯后較小、負荷變更不大、允許被控量在確定范圍內(nèi)變更的系統(tǒng)。如圖2-3所示。3.比例積分限制(PI限制)限制器的輸出和偏差的積分成比例，積分的作用使過渡過程結(jié)束時無余差，但降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性；PI限制適用于滯后較小，負荷變更不大，被控量不允許有余差的限制系統(tǒng)。如圖2-4所示。4.比例積分加微分限制(PID限制)微分的作用使限制器的輸出和偏差變更的速度成比例，它對克服對象的容量滯后有顯著的效果；在比例基礎上加入微分作用，使穩(wěn)定性提高，再加上積分作用，可以消退余差；PID限制適用于負荷變更大、容量滯后較大、限制品質(zhì)要求又很高的限制系統(tǒng)。如圖2-5所示。tytyty圖2-5PID限制結(jié)合本設計任務和要求，由于水溫系統(tǒng)的傳遞函數(shù)事先難以精確獲得，因而很難推斷哪一種限制方法能夠滿足系統(tǒng)對限制品質(zhì)的要求；但從以上對限制方法的分析來看，PID限制方法最適合本例接受：一方面，由于可以接受單片機實現(xiàn)限制過程，無論哪一種限制方法都不會增加系統(tǒng)硬件成本，而只需對軟件作相應變更即可實現(xiàn)不同的限制方案；另一方面，接受PID的限制方式可以最大限度地滿足系統(tǒng)對諸如限制精度、調(diào)整時間和超調(diào)量等限制品質(zhì)的要求。由圖2-6可知PID調(diào)整器是一種線性調(diào)整器，這種調(diào)整器是將設定值w和實際輸出值y進行比較構(gòu)成偏差(2-1)并將其比例、積分、微分通過線性組合構(gòu)成限制量。其動態(tài)方程為：(2-2)其中為調(diào)整器的比例放大系數(shù)為積分時間常數(shù)為微分時間常數(shù)PID調(diào)整器的離散化表達式為；(2-3)其增量表達形式為：(2-4)其中T為采樣周期。圖2-6模擬PID限制溫度PID調(diào)整器有三個可設定參數(shù)，即比例放大系數(shù)、積分時間常數(shù)、微分時間常數(shù)。比例調(diào)整的作用是使調(diào)整過程趨于穩(wěn)定，但會產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差；積分作用可消退被調(diào)量的穩(wěn)態(tài)誤差，但可能會使系統(tǒng)振蕩甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定；微分作用能有效的減小動態(tài)偏差。圖2-7中，初始水溫為26℃。實現(xiàn)思想：Ui(k)為第k次采樣溫度值，Ur為設定值。e(k)≥ε運用PD算法；e(k)＜ε運用變速積分PID算法。圖2-7溫度限制曲線圖該限制系統(tǒng)是把輸出量檢測出來，經(jīng)過物理量的轉(zhuǎn)換，再反饋到輸入端去和給定量進行比較（綜合），并利用限制器形成的限制信號通過執(zhí)行機構(gòu)SSR對限制對象進行限制，抑制內(nèi)部或外部擾動對輸出量的影響，減小輸出量的誤差，達到限制目的。自動限制框圖如圖2-8所示，在此限制系統(tǒng)中單片機就相當于常規(guī)限制系統(tǒng)中的運算器限制器，它對過程變量的實測值和設定位之間的誤差信號進行運算然后給出限制信息。單片機的運算規(guī)則稱為限制法則或限制算法。圖2-8自動限制框圖3系統(tǒng)硬件設計3.1總體設計框圖及說明本系統(tǒng)是一個簡潔的單回路限制系統(tǒng)。為了實現(xiàn)溫度的自動測量和限制，依據(jù)系統(tǒng)總體方案，系統(tǒng)由單片機基本系統(tǒng)、前向通道、后向通道和人機對話通道等4個主要功能模塊組成。單片機是整個限制系統(tǒng)的核心，AT89S52可以供應系統(tǒng)限制所需的I/O口、中斷、定時及存放中間結(jié)果的RAM電路；前向通道是信息采集的通道，主要由傳感器、信號放大、A/D轉(zhuǎn)換等電路組成；由于水溫變更是一個相對緩慢的過程，因此前向通道中沒有運用采樣保持電路；信號的濾波可由軟件實現(xiàn)，并可以簡化硬件、降低硬件成本。鍵盤設定：用于溫度設定，共三個按鍵。數(shù)據(jù)采樣：將由傳感器及相關(guān)電路采集到的溫度轉(zhuǎn)為電壓信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，送入AT89S52相應接口中，換算成溫度值，用于限制和顯示。數(shù)據(jù)顯示：接受了共陰極數(shù)碼管LED進行顯示設置溫度和測量溫度。串行口傳輸：將采樣溫度值，上傳至PC機，可利用PC機的端口下載程序。繼電器/熱電管：通過三極管限制繼電器的開關(guān)來完成對熱電爐的功率限制。圖3-1系統(tǒng)框圖3.2外部電路設計3.2.1溫度采集電路本系統(tǒng)運放接受高精度單片運算放大器OP07，此運放具有很低的輸入失調(diào)電壓和漂移。OP07的優(yōu)良特性使它特殊適合作前級放大器，放大微弱信號。運用OP07一般不用考慮調(diào)零和頻率問題就可以滿足要求。主要特點：低輸入失調(diào)電壓：75uV(最大)低失調(diào)電壓溫漂：1.3uV/℃(最大)低失調(diào)電壓時漂：1.5uV/月(最大)低噪聲：0.6uVP-P(最大)寬輸入電壓范圍：±14V寬電源電壓范圍：3V～18V溫度采集接受的溫度傳感器鉑電阻Pt1000,對于溫度的精密測量而言,溫度測量部分是整個系統(tǒng)設計的第一步。溫度傳感器的選擇是這塊電路的關(guān)鍵，它是干脆影響整個系統(tǒng)的性能和效果的關(guān)鍵因素。這里接受的是精密級鉑電阻溫度傳感器Pt1000，它的金屬鉑含量達99.9999%，因為鉑電阻的物理和化學性能在高溫順氧化介質(zhì)中都很穩(wěn)定、價格又便宜，常作為工業(yè)測量元件，以鉑電阻溫度計作基準器線性好，溫度系數(shù)分散性小，在0～100攝氏度時，最大非線性偏差小于0.5攝氏度，性能穩(wěn)定，廣泛應用于精密溫度測量和標定。鉑熱電阻和溫度關(guān)系式：(3-1)其中：--溫度為t攝氏度時的電阻；--溫度為0攝氏度時的電阻；A、B--溫度系數(shù)A=3.94*102/℃；其中B=-/℃；T--隨意溫度。圖3-2測溫電路3.2.2溫度限制電路此部分時通過限制繼電器的通斷從而限制電加熱管（俗稱“熱得快”），接受對加在電熱管兩端的電壓進行通斷的方式進行限制，以實現(xiàn)對水加熱功率的調(diào)整，從而達到對水溫限制的目的，即在閉環(huán)限制系統(tǒng)中對被控對象進行限制。此部分的繼電器接受的是SSR繼電器，即固態(tài)繼電器。其工作原理為：固態(tài)繼電器是一種無觸點電子開關(guān)，主要由輸入（限制）電路，驅(qū)動電路和輸出（負載）電路三部分組成。固態(tài)繼電器的輸入電路是為輸入限制信號供應一個回路，使之成為固態(tài)繼電器的觸發(fā)信號源。固態(tài)繼電器的輸入電路多數(shù)為直流輸入，個別的為溝通輸入。固態(tài)繼電器的輸出電路是在觸發(fā)信號的限制下，實現(xiàn)對固態(tài)繼電器的通斷切換。輸出電路主要由輸出器件（芯片）和起瞬態(tài)抑制作用的吸取回路組成，固態(tài)繼電器是一種全電子電路組合元件，它依靠半導體器件和電子元件的電、磁和光特性來完成隔離和繼電切換功能。固態(tài)繼電器和傳統(tǒng)的電磁繼電器相比，是一種沒有機械、不含運動零部件的繼電器，但具有和電磁繼電器本質(zhì)上相同的功能。圖3-3加熱棒限制電路3.3單片機系統(tǒng)電路設計3.3.1A/D轉(zhuǎn)換電路ADC0804引腳及運用說明：ADC0804是CMOS集成工藝制成的逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器芯片。ADC0804辨別率為8位，轉(zhuǎn)換時間為100μs，輸出電壓范圍為0～5V，在增加某些外部電路后，輸入模擬電壓可為±5V。該芯片內(nèi)有輸出數(shù)據(jù)鎖存器，當和計算機連接時，轉(zhuǎn)換電路的輸出可以干脆連接到CPU的數(shù)據(jù)總線上，而不再須要附加邏輯接口電路。圖3-4ADC0804引腳圖圖3-5ADC0804限制信號的時序圖ADC0804引腳名稱及意義如下：VIN+、VIN－：ADC0804的兩模擬信號輸入端，用以接收單極性、雙極性和差模輸入信號。D7～D0：A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)輸出端，該輸出端具有三態(tài)特性，能和微機總線相連接。AGND：模擬信號地。DGND：數(shù)字信號地。CLKIN：外電路供應時鐘脈沖輸入端。CLKR：內(nèi)部時鐘發(fā)生器外接電阻端，和CLKIN端協(xié)作，可由芯片自身產(chǎn)生時鐘脈沖，其頻率為1/1.1RC。CS：片選信號輸入端，低電平有效，一旦CS有效，就表明A/D轉(zhuǎn)換器被選中，可啟動工作。WR：寫信號輸入，接受微機系統(tǒng)或其他數(shù)字系統(tǒng)限制芯片的啟動輸入端，低電平有效，當CS、WR同時為低電平常，啟動轉(zhuǎn)換。RD：讀信號輸入，低電平有效，當CS、RD同為低電平常，可讀取轉(zhuǎn)換輸出數(shù)據(jù)。INTR：轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出信號，低電平有效。輸出低電平表示本次轉(zhuǎn)換已經(jīng)完成。該信號經(jīng)常作為向微機系統(tǒng)發(fā)出的中斷請求信號。在運用時我們應留意以下幾點：（1）轉(zhuǎn)換時序ADC0804限制信號的時序圖如圖3-5所示，由圖所示，各限制信號時序關(guān)系為：當CS和WR同為低電平常，A/D轉(zhuǎn)換器啟動，且在WR上升沿后100μS模數(shù)轉(zhuǎn)換完成，轉(zhuǎn)換結(jié)果存入數(shù)據(jù)鎖存器，同時INTR自動變?yōu)榈碗娖?，表示本次轉(zhuǎn)換結(jié)束。假如CS、RD同時為低電平，則數(shù)據(jù)鎖存器三態(tài)門打開，數(shù)據(jù)信號送出，而RD高電平到來后三態(tài)門處于高阻狀態(tài)。（2）參考電壓的調(diào)整在運用A/D轉(zhuǎn)換器時，為保證轉(zhuǎn)換精度，要求輸入電壓滿量程運用。如輸入電壓動態(tài)范圍較小，則可調(diào)整參考電壓VREF，以確保小信號輸入時ADC0804芯片8位的轉(zhuǎn)換精度。（3）接地模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路中要特殊留意到地線的正確連接，否則將會產(chǎn)生干擾，以致影響轉(zhuǎn)換結(jié)果精確性。A/D、D/A及取樣－保持芯片上都供應了獨立的模擬地（AGND）和數(shù)字地（DGND）。在線路設計中，確定要將全部器件的模擬地和數(shù)字地分別進行相連，然后將模擬地和數(shù)字地僅在一點上相連接。地線的正確連接方法如圖3-6所示。圖3-6正確的地線連接系統(tǒng)由微處理器、存儲器和A/D轉(zhuǎn)換器組成，它們之間通過數(shù)據(jù)總線（DBUS）和限制總線（CBUS）連接，系統(tǒng)信號接受總線傳送方式。采集數(shù)據(jù)時，首先微處理器執(zhí)行一條傳送指令，在指令執(zhí)行過程中，微處理器在限制總線的同時產(chǎn)生CS1、WR1低電平信號，A/D轉(zhuǎn)換器啟動起先工作，ADC0804經(jīng)100μS后將輸入模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并存于輸出鎖存器，在INTR端產(chǎn)生低電平表示轉(zhuǎn)換結(jié)束，并通知微處理器可來取數(shù)。當微處理器通過總線查詢到INTR為低電平常，立刻執(zhí)行輸入指令，以產(chǎn)生CS、RD2低電平信號到ADC0804相應引腳，將數(shù)據(jù)取出并存入存儲器中。整個數(shù)據(jù)采集過程中，微處理器有序地將執(zhí)行若干指令完成。AD0804的連接圖如圖3-7所示圖3-7AD0804連接圖3.3.2串口通訊部分電路系統(tǒng)設計要求限制系統(tǒng)能同PC聯(lián)機通信，以利用PC圖形處理實力打印顯示溫度曲線以及下載程序。由于AT89S52串行口電平和PC不一樣，AT89S52的I/O為TTL電平，PC串行口為RS232電平利用單片機片內(nèi)串行口外加邏輯電平轉(zhuǎn)換電路組成RS-232C標準接口以實現(xiàn)系統(tǒng)相互通道的擴展，邏輯電平轉(zhuǎn)換電路接受了一片專用芯片MAX232，外加少量電容即可完成TTL到RS-232或RS-232到TTL的邏輯電平轉(zhuǎn)換。表3-1RS-232C引腳型號定義名稱信號方功能25芯腳9芯腳FRD愛惜地1TXD輸出發(fā)送數(shù)據(jù)23RXD輸入接收數(shù)據(jù)32RTS輸出請求對方發(fā)送數(shù)據(jù)47CTS輸入可向?qū)Ψ桨l(fā)送數(shù)據(jù)58DSR輸入對方已經(jīng)準備好接收數(shù)據(jù)66GND信號地75DCD輸入對方已收到載波81DTR輸出通知對方，本方可以接受數(shù)據(jù)204RJ輸出對方送來的振鈴指示信號229圖3-8串口通訊電路UART模塊供應了一個全雙工標準通信口，用于完成AT89S52和外設之間的串行通信。依據(jù)RS-232的標準，AT89S52單片機是依據(jù)字節(jié)傳輸數(shù)據(jù)的。圖3-9單片機連接電路單片機上的P25口接S1，P26口接S2，P27口接S3。S1：設置溫度的十位數(shù)：0—9S2：設置溫度的個位數(shù)：0—9S3：工作模式選擇鍵，兩種工作模式為：正常工作狀態(tài)、溫度重新設置。系統(tǒng)上電后，數(shù)碼管全部顯示為零，依據(jù)按S1次數(shù)，十位的數(shù)碼管依次增加。同樣S2，也如此。按S3后，系統(tǒng)起先測溫，并和采集的溫度進行比較，通過軟件來限制電爐的開關(guān)。3.3.3數(shù)碼顯示電路數(shù)碼管作為單片機系統(tǒng)中最常用的輸出器件，在顯示時可以由數(shù)字和少量字母組合完成輸出功能的系統(tǒng)中應用特殊便利。圖3-10為一個四位共陰數(shù)碼管，DIG0、DIG1、DIG2、DIG3分別和單片機的P21、P22、P23、P24相連，每一個都擁有一個共陰級的位選端。從而可以通過單片機選通所需顯示的數(shù)碼管。SegA--SegDp口傳輸要顯示的數(shù)據(jù)，利用其串/并轉(zhuǎn)換功能，送入數(shù)碼管顯示。在此外接了一個10K的電阻來愛惜LED。圖3-10數(shù)碼管顯示電路4系統(tǒng)軟件設計4.1程序框架結(jié)構(gòu)整體的系統(tǒng)軟件設計是由各個在系統(tǒng)里起著不同作用的模塊整合在一起，從而實現(xiàn)系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能。本系統(tǒng)硬件接口如下：P1--AD；P00～P07--LEDa～LEDdp.；P25～P27--S1～S3；P20～P23--COM1～COM3；系統(tǒng)包括主限制程序，A/D采樣數(shù)據(jù)處理程序，PID算法程序，LED顯示及按鍵處理程序。結(jié)構(gòu)框架圖如圖4-1所示。圖4-1程序結(jié)構(gòu)圖主程序模塊負責對子程序模塊的調(diào)用進行管理，它主要負責初始化IO口；等待鍵盤的被按下，并調(diào)用相應的模塊進行處理；在適當?shù)臅r候接受A/D采樣的數(shù)據(jù)，并和所設定的值進行比較，然后通過調(diào)用PID算法處理數(shù)據(jù)，處理后而限制繼電器的通斷，從而限制熱電管達到水溫限制的目的。4.2程序流程圖及部分程序4.2.1主程序模塊由于模塊化程序的設計，通過調(diào)用程序即可實現(xiàn)所用功能，主程序流程圖如圖4-2所示。圖4-2主程序流程圖主程序如下：intmain(void){intKeyValue;status=temperature_set;System_Initial(); PID_Initial(); //PID初始化 while(1){ KeyValue=GetCh(); //鍵盤掃描、去抖動處理、取鍵值 key_value_process(KeyValue); //鍵值處理 if(status=temperature_control) display_AD_temperature();//測量溫度顯示、PID計算 if(Out<=0)turn_off_timer();}}由以上程序我們可以看出，調(diào)用程序前首要先對系統(tǒng)進行初始化。然后對按鍵進行掃描，對按鍵事務做出相應的反應。接下來看是否采集到溫度數(shù)據(jù)，假如有就進行A/D采樣及PID處理數(shù)據(jù)，最終所得結(jié)果和設定值比較從而限制繼電器通斷。系統(tǒng)初始化系統(tǒng)初始化包括A/D口初始化、按鍵初始化等。端口的初始化就是對端口相應位進行設置。這些初始化程序都嵌入在各個子程序里面，在下面介紹的各個子程序里會有所標注。A/D口初始化程序：voidSystem_Initial(void){ CS=1; WR=1; RD=1;}按鍵程序（1）按鍵掃描：由于機械觸點富有彈性，在按下或彈起時會出現(xiàn)彈跳抖動過程，從而從最初按下到接觸穩(wěn)定要經(jīng)過數(shù)毫秒的彈跳時間，實際效果好像是反復按了幾下，這一狀況肉眼是不易看清的，但是計算機卻能識別，于是出錯的信號將導致完全錯誤、甚至更為嚴峻的后果，如圖4-3所描述的。因此為了保證探險鍵識別的精確性，必需消退抖動。消抖處理有硬件和軟件兩種方法：硬件消抖是利用加抖動電路濾避開產(chǎn)生抖動信號；軟件消抖是利用數(shù)字濾波技術(shù)來消退抖動。我們接受的是軟件消抖，利用主程序循環(huán)掃描，主程序每循環(huán)一次掃描到的鍵值相同時，則說明是某鍵按下。圖4-3按鍵掃描鍵按下的過程sbitS1=P2^5;sbitS2=P2^6;sbitS3=P2^7;unsignedGetCh(void){unsignedchars=0,k=0;if(!S1)s=1;\\對于不同按鍵按下賜予不同的數(shù)值，以供后if(!S2)s=2;面程序推斷if(!S3)s=3;k=s;if(s){while(s){delay(1000);s=0;if(!S1)s=1;if(!S2)s=2;if(!S3)s=3;}}returnk;}（2）鍵值處理：圖4-4A/D轉(zhuǎn)換流程圖4.2.4A/D采樣數(shù)據(jù)處理當采樣到溫度數(shù)據(jù)時，為了防止采樣過程中外界干擾而造成采樣數(shù)據(jù)的不精確，必需調(diào)用溫度均值處理程序，然后確定溫度系數(shù)使采樣轉(zhuǎn)換得到的電壓信號轉(zhuǎn)換成溫度值，并進行十進制轉(zhuǎn)換，用于顯示和PID計算。其中均值處理是一個較為重要的環(huán)節(jié)，是A/D轉(zhuǎn)換前必不行少的工具，流程圖如圖4-4所示，以下是子程序。voidAD(void){ CS=0; nop(); \\空操作 WR1=0; Delay(100); WR1=1; nop(); CS=1; while(!INTR);nop(); CS=0; nop(); RD1=0; nop(); dat=P2; RD1=1; nop(); CS=1;ch=dat;\\ch是全局變量}intadc_data; if(G_ADC_flag){//推斷是否有溫度采樣1，有0，無 G_ADC_flag=0; adc_data=adc_data_cmp(); adc_data/=SET_ADC_TIME;//計算溫度平均值 if(adc_data>0x0255)K=0.079;//確定溫度系數(shù) elseK=0.076; fT=adc_data*K;//換算成溫度值//將溫度值轉(zhuǎn)換成十進制用于LED顯示guiLED_Value[0]=(int)fT/10;guiLED_Value[1]=(int)fT%10;guiLED_Value[2]=(int)(fT*10)%10;stPID.Proportion=1;//設置PID比例值stPID.Integral=0.5;//設置PID積分值stPID.Derivative=0.0;//設置PID微分值Out=100*PIDCalc(&stPID,(int)(fT*10));//PID計算}}圖4-5是數(shù)據(jù)采樣中斷服務程序的流程圖，此中斷程序接受的是2Hz中斷定時0.5秒鐘采樣一次。圖4-5數(shù)據(jù)采樣的中斷程序流程圖intadc_data_cmp(){intmax;intmin;intSum;inti;max=ADC_DataSave[0];for(i=0;i<10;i++){ if(ADC_DataSave[i]>max) max=ADC_DataSave[i];//取出最大值}min=ADC_DataSave[i];for(i=0;i<10;i++){ if(ADC_DataSave[i]<min) min=ADC_DataSave[i];//取出最小值}for(i=0;i<10;i++)Sum+=ADC_DataSave[i];//計算累計值Sum=Sum-max-min;//解除最大最小值return(Sum);}PID計算由于單片機限制是一種采樣限制，它只能依據(jù)采樣時刻的偏差值計算限制量，因此式2-1中的積分和微分項不能干脆精確計算，只能用數(shù)值計算的方法靠近。在采樣時刻t=iT（T為采樣周期）。式2-1所示的PID調(diào)整規(guī)律可通過數(shù)值公式4-1近似計算。(4-1)由式4-1可以得到：(4-2)由式4-1,式4-2可得增量式算法公式：(4-3)這個計算的過程可用一個簡潔的程序來實現(xiàn)。voidPID_Initial(void){ stPID.LastError=0; stPID.PrevError=0; stPID.SumError=0;}floatPIDCalc(PID*pp,intNextPoint){intdError,Error;Error=pp->SetPoint*10-NextPoint;//偏差pp->SumError+=Error;//積分dError=pp->LastError-pp->PrevError;//當前微分pp->PrevError=pp->LastError;pp->LastError=Error;return(pp->Proportion*Error//比例項+pp->Integral*pp->SumError//積分項+pp->Derivative*dError//微分項);}4.2.6繼電器限制繼電器是和AT89S52單片機的P25口相連，它的開斷完全取決于P25口的輸出，即PID計算的結(jié)果。當輸出小于零說明設定值小于實際輸出值，這就是要關(guān)閉電爐，同時關(guān)閉定時器的計時。當輸出值大于設定值2攝氏度時，我們就可以開電爐對水起先加熱。假如設定值和實際輸出值差值在2攝氏度以內(nèi)時，我們就調(diào)用中斷程序定時加熱。圖4-6是限制程序的中斷服務程序，用來對繼電器定時加熱。它利用中斷定時器10ms確定加熱時間，當加熱時間未到時，接著時間累積，若加熱時間到時，就調(diào)用關(guān)定時器子程序，從而停止計時。圖4-6限制程序中斷程序流程圖voidactive