電加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

武漢華夏理工學(xué)院信息工程課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)課程名稱(chēng)計(jì)算機(jī)限制技術(shù)課程設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)總評(píng)成果學(xué)生姓名、學(xué)號(hào)學(xué)生專(zhuān)業(yè)班級(jí)自動(dòng)化1142指導(dǎo)教師姓名李文彥課程設(shè)計(jì)起止日期課程設(shè)計(jì)基本要求課程設(shè)計(jì)是工科學(xué)生非常重要的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，通過(guò)課程設(shè)計(jì)，培育學(xué)生綜合運(yùn)用先修課程的理論學(xué)問(wèn)和專(zhuān)業(yè)技能，解決工程領(lǐng)域某一方面實(shí)際問(wèn)題的實(shí)力。課程設(shè)計(jì)報(bào)告是科學(xué)論文寫(xiě)作的基礎(chǔ)，不僅可以培育和訓(xùn)練學(xué)生的邏輯歸納實(shí)力、綜合分析實(shí)力和文字表達(dá)實(shí)力，也是規(guī)范課程設(shè)計(jì)教學(xué)要求、反映課程設(shè)計(jì)教學(xué)水平的重要依據(jù)。為了加強(qiáng)課程設(shè)計(jì)教學(xué)管理，提高課程設(shè)計(jì)教學(xué)質(zhì)量，特?cái)M定如下基本要求。1.課程設(shè)計(jì)教學(xué)一般可分為設(shè)計(jì)項(xiàng)目的選題、項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案論證、項(xiàng)目設(shè)計(jì)結(jié)果分析、答辯等4個(gè)環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)都應(yīng)有肯定的考核要求和考核成果。2.課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目的選題要符合本課程設(shè)計(jì)教學(xué)大綱的要求，該項(xiàng)目應(yīng)能突出學(xué)生實(shí)踐實(shí)力、設(shè)計(jì)實(shí)力和創(chuàng)新實(shí)力的培育；該項(xiàng)目有肯定的好用性，且學(xué)生通過(guò)努力在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)是可以完成的。課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目名稱(chēng)、目的及技術(shù)要求記錄于課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)一、二項(xiàng)中，課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目的選題考核成果占10%左右。3.項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案論證主要包括可行性設(shè)計(jì)方案論證、從可行性方案中確定最佳方案，實(shí)施最佳方案的軟件程序、硬件電路原理圖和PCB圖。項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案論證內(nèi)容記錄于課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)第三項(xiàng)中，項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案論證主要考核設(shè)計(jì)方案的正確性、可行性和創(chuàng)新性，考核成果占30%左右。4.項(xiàng)目設(shè)計(jì)結(jié)果分析主要包括項(xiàng)目設(shè)計(jì)與制作結(jié)果的工藝水平，項(xiàng)目測(cè)試性能指標(biāo)的正確性和完整性，項(xiàng)目測(cè)試中出現(xiàn)故障或錯(cuò)誤緣由的分析和處理方法。項(xiàng)目設(shè)計(jì)結(jié)果分析記錄于課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)第四項(xiàng)中，考核成果占25%左右。5.學(xué)生在課程設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)仔細(xì)閱讀與本課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目相關(guān)的文獻(xiàn)，培育自己的閱讀愛(ài)好和習(xí)慣，借以啟發(fā)自己的思維，提高綜合分和理解實(shí)力。文獻(xiàn)閱讀摘要記錄于課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)第五項(xiàng)中，考核成果占10%左右。6.答辯是課程設(shè)計(jì)中非常重要的環(huán)節(jié)，由課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)老師向答辯學(xué)生提出2～3個(gè)問(wèn)題，通過(guò)答辯可進(jìn)一步了解學(xué)生對(duì)課程設(shè)計(jì)中理論學(xué)問(wèn)和實(shí)際技能駕馭的程度，以及對(duì)問(wèn)題的理解、分析和推斷實(shí)力。答辯考核成果占25%左右。7.學(xué)生應(yīng)在課程設(shè)計(jì)周內(nèi)仔細(xì)參與項(xiàng)目設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)，按時(shí)完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)交給課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)老師評(píng)閱。課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)老師應(yīng)仔細(xì)指導(dǎo)學(xué)生課程設(shè)計(jì)全過(guò)程，仔細(xì)評(píng)閱學(xué)生的每一份課程設(shè)計(jì)報(bào)告，給出課程設(shè)計(jì)綜合評(píng)閱看法和每一個(gè)環(huán)節(jié)的評(píng)分成果（百分制），最終將百分制評(píng)分成果轉(zhuǎn)換為五級(jí)分制（優(yōu)秀、良好、中等、及格、不及格）總評(píng)成果。8.課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)是實(shí)踐教學(xué)水平評(píng)估的重要資料，應(yīng)按課程、班級(jí)集成存檔交試驗(yàn)室統(tǒng)一管理。課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)（八）學(xué)生姓名：專(zhuān)業(yè)班級(jí)：自動(dòng)化1142指導(dǎo)老師：李文彥工作單位：信息工程系題目:電加熱爐溫度限制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（一）初始條件：1、設(shè)計(jì)一個(gè)單片機(jī)電阻爐溫度限制系統(tǒng)，限制對(duì)象為電阻加熱爐功率為8KW，220V溝通電源供電，利用大功率可控硅限制器限制熱阻絲兩端所加的電壓大小，來(lái)變更流經(jīng)熱阻絲的電流，從而變更電爐爐內(nèi)的溫度。溫度范圍50-350℃，限制精度為±1℃，通過(guò)LED顯示溫度，其對(duì)象溫控?cái)?shù)學(xué)模型為：其中Td＝350秒，Kd＝50，τ=10秒。要求完成的主要任務(wù):1、硬件設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體電路，設(shè)計(jì)輸入通道及輸出通道，分析的工作原理；2、軟件設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總體程序程圖，編寫(xiě)PID算法程序，從鍵盤(pán)接受Kp、Ti、Td、T；編寫(xiě)顯示程序；3、采納PID算法，通過(guò)數(shù)據(jù)分析Kp變更時(shí)對(duì)系統(tǒng)超調(diào)量的影響；在MATLAB/SIMULINK上對(duì)限制算法進(jìn)行仿真；4、仿真并調(diào)試設(shè)計(jì)的部分硬件電路和軟件程序；5、完成符合要求的課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)；6、課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)要求：引言、設(shè)計(jì)要求、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、原理分析、各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)與仿真、軟件設(shè)計(jì)、調(diào)試過(guò)程、收獲、體會(huì)及總結(jié)、參考文獻(xiàn)、電路圖和源程序。說(shuō)明書(shū)運(yùn)用A4打印紙計(jì)算機(jī)打印或手寫(xiě)，用Protel等繪圖軟件繪制電子線路圖紙。時(shí)間支配：第1～2天下達(dá)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)和日程支配，依據(jù)任務(wù)書(shū)查找資料；第3-4天完成方案論證比較，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)；第4～5天具體設(shè)計(jì)系統(tǒng)的各部分的硬件電路；第6～7天具體總體軟件及各部分的程序流程，完成程序的編寫(xiě)第7～8天仿真并調(diào)試設(shè)計(jì)的部分硬件電路和軟件程序；第9～10天結(jié)果分析整理、撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)報(bào)告，驗(yàn)收和答辯。指導(dǎo)老師簽名：年月日一、課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目名稱(chēng)電加熱爐溫度限制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（一）二、項(xiàng)目設(shè)計(jì)目的及技術(shù)要求1、硬件設(shè)計(jì)：用51單片機(jī)設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體電路，設(shè)計(jì)輸入通道及輸出通道，分析的工作原理；2、軟件設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總體程序程圖，編寫(xiě)積分分別PID算法程序，從鍵盤(pán)接受Kp、Ti、Td、T及β的值；編寫(xiě)顯示程序；3、采納PID算法，通過(guò)數(shù)據(jù)分析Kp變更時(shí)對(duì)系統(tǒng)超調(diào)量的影響；在MATLAB/SIMULINK上對(duì)限制算法進(jìn)行仿真；4、仿真并調(diào)試設(shè)計(jì)的部分硬件電路和軟件程序；5、完成符合要求的課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)；6、課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)要求：引言、設(shè)計(jì)要求、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、原理分析、各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)與仿真、軟件設(shè)計(jì)、調(diào)試過(guò)程、收獲、體會(huì)及總結(jié)、參考文獻(xiàn)、電路圖和源程序。說(shuō)明書(shū)運(yùn)用A4打印紙計(jì)算機(jī)打印或手寫(xiě)，用Protues等繪圖軟件繪制電子線路圖紙。

三、項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案論證3.1．方案論證比較3.1.1.硬件選擇微型計(jì)算機(jī)是指由微處理器加上采納大規(guī)模集成電路制成的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，以及輸入輸出設(shè)備相連接的I/O接口電路，微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱(chēng)MC。假如將微處理器、存儲(chǔ)器和輸入/輸出接口電路集成在一塊集成電路芯版上，稱(chēng)為單片微型計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱(chēng)單片機(jī)。本次設(shè)計(jì)選用的是AT89C51，是MCS-51單片機(jī)系列的一種。其結(jié)構(gòu)體系完整、指令系統(tǒng)功能完善、內(nèi)部寄存器規(guī)范、性能優(yōu)越、技術(shù)成熟、具有高牢靠性和高性價(jià)比。它供應(yīng)以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4k字節(jié)Flash閃速存儲(chǔ)器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個(gè)I/O口線，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器剛好鐘電路。同時(shí)，AT89C51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式。空閑方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)接著工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它全部部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。3.1.2.算法選擇由于計(jì)算機(jī)限制是一種采樣限制，它只能依據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值來(lái)計(jì)算限制量。因此，在計(jì)算機(jī)限制系統(tǒng)中，必需首先對(duì)式（3-1）進(jìn)行離散化處理，用數(shù)字形式的差分方程代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程，此時(shí)積分項(xiàng)和微分項(xiàng)可用求和及增量式表達(dá)。對(duì)溫度的限制算法，采納技術(shù)成熟的PID算法，對(duì)于時(shí)間常數(shù)比較大的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其近似于連續(xù)變更，因此用數(shù)字PID完全可以得到比較好的限制效果。簡(jiǎn)潔的比例調(diào)整器能夠反應(yīng)很快，但不能完全消退靜差，限制不精確，為了消退比例調(diào)整器中殘存的靜差，在比例調(diào)整器的基礎(chǔ)上加入積分調(diào)整器，積分器的輸出值大小取決于對(duì)誤差的累積結(jié)果，在誤差不變的狀況下，積分器還在輸出直到誤差為零，因此加入積分調(diào)整器相當(dāng)于能自動(dòng)調(diào)整限制常量，消退靜差，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。積分器雖然能消退靜差，但使系統(tǒng)響應(yīng)速度變慢。進(jìn)一步改進(jìn)調(diào)整器的方法是通過(guò)檢測(cè)信號(hào)的變更率來(lái)預(yù)報(bào)誤差，并對(duì)誤差的變更作出響應(yīng)，于是在PI調(diào)整器的基礎(chǔ)上再加上微分調(diào)整器，組成比例、積分、微分(PID)調(diào)整器，微分調(diào)整器的加入將有助于減小超調(diào)，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，同時(shí)加快了系統(tǒng)的穩(wěn)定速度，縮短調(diào)整時(shí)間，從而改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，其限制規(guī)律為： (3-2)單片機(jī)是一種采樣限制，它只能依據(jù)采樣時(shí)刻的誤差值計(jì)算限制變量，不能干脆計(jì)算公式中的積分項(xiàng)和微分項(xiàng)，采納數(shù)值計(jì)算法靠近后，PID的調(diào)整規(guī)律可以通過(guò)數(shù)值公式(3-3)計(jì)算，假如采樣取得足夠小，這種靠近可相當(dāng)精確，被控過(guò)程與連續(xù)過(guò)程非常接近。我們變換上式(3-3)得：(3-4)把△ei=ei-ei-1,△2ei=△ei-△ei-1帶人上式（3-4）得：(3-5)式中ei=W—Yi，W為設(shè)定值，Yi為第i次實(shí)際輸出值，Kp為比例系數(shù)，積分系數(shù)I=T/Ti，微分系數(shù)D=Td/T，T為采樣周期，以(3-5)式來(lái)編程比較便利。用PID限制算法實(shí)現(xiàn)溫度限制是這樣一個(gè)反饋過(guò)程：比較實(shí)際溫度和設(shè)定爐溫得到偏差，通過(guò)對(duì)偏差的處理獲得限制信號(hào)，再去調(diào)整電加熱爐的加熱功率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫的限制，由于電阻爐一般都是下一階段對(duì)象和帶純滯后的一階對(duì)象，所以式中Kp、Kd和Ki的選擇取決于電阻爐的響應(yīng)特性和實(shí)際閱歷。本程序先將用戶設(shè)定溫度和鍋爐實(shí)際溫度T比較，計(jì)算出偏差ei，然后分兩種狀況進(jìn)行計(jì)算限制變量：1．ei大于等于設(shè)定的偏差e時(shí)，由于積分限制器使系統(tǒng)響應(yīng)速度變慢，不采納積分限制器調(diào)整，干脆運(yùn)用PD調(diào)整，獲得比較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，計(jì)算Pd和Pp，最終得到限制量獲得比較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。2．ei小于設(shè)定的設(shè)定的偏差e時(shí)，正常的分別計(jì)算Pi、Pd和Pp，然后依據(jù)算法公式計(jì)算出限制變量。3.2總體方案設(shè)計(jì)與原理分析由于溫度限制系統(tǒng)的限制對(duì)象具有慣性大，連續(xù)性的特點(diǎn)。因而可以歸于具有純滯后的一階大慣性環(huán)節(jié)。一般來(lái)說(shuō)，熱過(guò)程大多具有較大的滯后，它對(duì)任何信號(hào)的響應(yīng)都會(huì)推遲一段時(shí)間，使輸出與輸入之間產(chǎn)生相移。對(duì)于這樣一些存在大的滯后特性的過(guò)渡過(guò)程限制，一般來(lái)說(shuō)可以采納以下幾種限制方案：．輸出開(kāi)關(guān)量限制對(duì)于慣性較大的過(guò)程可以簡(jiǎn)潔地采納輸出開(kāi)關(guān)量限制的方法。這種方法通過(guò)比較給定值與被控參數(shù)的偏差來(lái)限制輸出的狀態(tài)：開(kāi)關(guān)或者通斷，因此限制過(guò)程非常簡(jiǎn)潔，也簡(jiǎn)潔實(shí)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(gè)方向上變更的速率均為最大，因此簡(jiǎn)潔引起反饋回路產(chǎn)生振蕩，對(duì)自動(dòng)限制系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生非常不利的影響，甚至?xí)驗(yàn)檩敵鲩_(kāi)關(guān)的頻繁動(dòng)作而不能滿意系統(tǒng)對(duì)限制精度的要求。因此，這種限制方案一般在大慣性系統(tǒng)對(duì)限制精度和動(dòng)態(tài)特性要求不高的狀況下采納。3.2.2．比例限制（P限制）比例限制的特點(diǎn)是限制器的輸出與偏差成比例，輸出量的大小與偏差之間有對(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)負(fù)荷變更時(shí)，抗干擾實(shí)力強(qiáng)，過(guò)渡時(shí)間短，但過(guò)程始終存在余差。因此它適用于限制通道滯后較小、負(fù)荷變更不大、允許被控量在肯定范圍內(nèi)變更的系統(tǒng)。運(yùn)用時(shí)還應(yīng)留意經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后需將累積誤差消退。．比例積分限制（PI限制）由于比例積分限制的特點(diǎn)是限制器的輸出與偏差的積分成比例，積分的作用使得過(guò)渡過(guò)程結(jié)束時(shí)無(wú)余差，但系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。雖然加大比例度可以使穩(wěn)定性提高，但又使過(guò)渡時(shí)間加長(zhǎng)。因此，PI限制適用于滯后較小、負(fù)荷變更不大、被控量不允許有余差的限制系統(tǒng)，它是工程上運(yùn)用最多、應(yīng)用最廣的一種限制方法。．比例積分加微分限制（PID限制）比例積分加微分限制的特點(diǎn)是微分的作用使限制器的輸出與偏差變更的速度成正比例,它對(duì)克服對(duì)象的容量滯后有顯著的效果。在比例基礎(chǔ)上加上微分作用，使穩(wěn)定性提高，再加上積分作用，可以消退余差。因此，PID限制適用于負(fù)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)。結(jié)合本例題設(shè)計(jì)任務(wù)與要求，由于溫度系統(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意系統(tǒng)對(duì)限制品質(zhì)的要求。但從以上對(duì)限制方法的分析來(lái)看，PID限制方法最適合本例采納。另一方面，由于可以采納單片機(jī)實(shí)現(xiàn)限制過(guò)程，無(wú)論采納上述哪一種限制方法都不會(huì)增加系統(tǒng)硬件成本，而只需對(duì)軟件作相應(yīng)變更即可實(shí)現(xiàn)不同的限制方案。因此本系統(tǒng)可以采納PID的限制方式，以最大限度地滿意系統(tǒng)對(duì)諸如限制精度、調(diào)整時(shí)間和超調(diào)量等限制品質(zhì)的要求。3.3硬件電路設(shè)計(jì)與分析3.3.1.系統(tǒng)概況本系統(tǒng)是采納以AT89C51單片機(jī)為核心的溫度限制系統(tǒng)，通過(guò)溫度傳感器采樣實(shí)時(shí)溫度，并通過(guò)變送器將溫度最終轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器0808將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，送入單片機(jī)與給定值進(jìn)行比較，通過(guò)運(yùn)用PID算法得出限制結(jié)果，送顯示并進(jìn)行限制?？傮w設(shè)計(jì)方案見(jiàn)如圖4-1所示。測(cè)量變送看門(mén)狗看門(mén)狗測(cè)量變送看門(mén)狗看門(mén)狗報(bào)警提示通信接口LED顯示鍵盤(pán)微型限制機(jī)AT89C51溫度檢測(cè)PT100驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)8路D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832測(cè)量變送8路A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809加熱電阻溫度圖3-1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案圖3.3.2.功能模塊1、單片機(jī)限制模塊A/T89C51是整個(gè)系統(tǒng)的限制核心，將采集來(lái)的數(shù)據(jù)與設(shè)定值進(jìn)行比較，利用PID算法得出結(jié)果并送輸出。整個(gè)限制系統(tǒng)的程序就下載到單片機(jī)中去。A/T89C51仿真圖如圖3-2所示。 圖3-2單片機(jī)仿真2、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與采集模塊A/D0808AD0808是CMOS的8位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，采納逐次靠近原理進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，芯片內(nèi)有模擬多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)和A/D轉(zhuǎn)換兩大部分，可對(duì)8路0～5V的輸入模擬電壓信號(hào)分時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。模擬多路開(kāi)關(guān)由8路模擬開(kāi)關(guān)和3位地址鎖存譯碼器組成，可選通8路模擬輸入中的任何一路，地址鎖存信號(hào)ALE將3位地址信號(hào)ADDA、ADDB、ADDC進(jìn)行鎖存，然后由譯碼電路選通其中的一路，被選中的通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換部分包括比較器、逐次靠近寄存器（SAR）、256R電阻網(wǎng)絡(luò)、樹(shù)狀電子開(kāi)關(guān)、限制與時(shí)序電路等。另外ADC0809輸出具有TTL三態(tài)鎖存緩沖器，可干脆連到CPU數(shù)據(jù)總線上。實(shí)時(shí)溫度經(jīng)過(guò)傳感器的檢測(cè)并通過(guò)變送器將其轉(zhuǎn)換成模擬的電壓信號(hào)，而A/D0808則用來(lái)采集電壓信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)在單片機(jī)中，以便后續(xù)對(duì)數(shù)據(jù)的處理。其硬件仿真圖如圖3-3所示。 圖3-3A/D0808仿真圖3、按鍵選擇模塊系統(tǒng)采納了兩個(gè)按鍵用來(lái)進(jìn)行溫度的設(shè)定，一個(gè)進(jìn)行溫度加，一個(gè)進(jìn)行溫度減。每按下一次，溫度就相應(yīng)的加一或減一。依據(jù)設(shè)計(jì)要求，溫度的設(shè)定范圍為50-150度，其仿真如圖3-4所示。圖3-4按鍵示意圖4、顯示模塊顯示模塊采納兩個(gè)7段共陰極數(shù)碼管，一個(gè)用來(lái)顯示實(shí)時(shí)溫度，一個(gè)用來(lái)顯示設(shè)定溫度。并用74LS04來(lái)驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管。其仿真圖如圖3-5所示。圖3-5顯示示意圖5、報(bào)警模塊當(dāng)實(shí)時(shí)溫度高于或低于設(shè)定溫度5度以上時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)報(bào)警，報(bào)警指示燈紅燈亮。如圖3-6所示。圖3-6報(bào)警示意圖6、輸出模塊經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)的運(yùn)算，單片機(jī)通過(guò)P3.4口的凹凸電平來(lái)限制加熱系統(tǒng)的通斷，通過(guò)導(dǎo)通時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)限制加熱的強(qiáng)度，以達(dá)到精確限制的效果。當(dāng)溫度在設(shè)定溫度的正負(fù)5度之內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行PID運(yùn)算限制；當(dāng)高于設(shè)定溫度5度時(shí)，停止加熱；當(dāng)?shù)陀谠O(shè)定溫度5度時(shí)，全功率加熱。由于仿真軟件自身?xiàng)l件的緣由，運(yùn)用綠色的LED燈代替，當(dāng)綠燈亮?xí)r，表示正在加熱，不亮?xí)r，停止加熱。仿真圖如3-7所示。圖3-7加熱示意圖3.3.3.系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)圖如圖3-8所示。圖3-8系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案圖其中：1．單片機(jī)采納的是MCS-51系列的89C51，其集成了中心處理器CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、程序存儲(chǔ)器ROM或EPROM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷限制器及串型和并行I/O接口等部件。單片機(jī)主要應(yīng)用于工業(yè)限制領(lǐng)域，用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的檢測(cè)、數(shù)據(jù)的采集以及對(duì)應(yīng)用對(duì)象的限制。它具有體積小、重量輕、價(jià)格低、牢靠性高、耗電少和敏捷機(jī)動(dòng)等很多優(yōu)點(diǎn)。單片機(jī)是微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要分支，特殊適合用于智能限制系統(tǒng)。2．實(shí)時(shí)的溫度測(cè)量由于條件的限制干脆用模擬電壓來(lái)代替?zhèn)鞲衅骷白兯推?，?808來(lái)采樣和轉(zhuǎn)換溫度。3.3.4.元器件清單系統(tǒng)所需的元器件清單如表4-1所示。表3-1系統(tǒng)配置清單表序號(hào)部件名稱(chēng)所屬類(lèi)數(shù)量1AT89C51MicroprocessorICs12A/D0808DataConverters137SEG-MPX4-CCOptoelectronics24BUTTONSwitches&Relays35LED-GREENOptoelectronics16LED-REDOptoelectronics1774LS373TTL74LSseries18RESPACK-8Resistors1974LS04TTL74LSseries810NOTSimulatorPrimitives111NORSimulatorPrimitives212POT-HGResistors113電容Capacitors214CLOCKSimulatorPrimitives215CRYSTALMiscellaneous116電阻Resistors117INPUT終端418GROUND終端719VSOURCESimulatorPrimitives13.3.5.小結(jié)系統(tǒng)硬件是設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，在設(shè)計(jì)軟件程序之前，要對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有個(gè)深化的了解，本章具體介紹了整個(gè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和各模塊的選型，介紹了系統(tǒng)的概況，使讀者對(duì)總體的設(shè)計(jì)有個(gè)大致了解。3.4軟件設(shè)計(jì)軟件概況PROTUES是一種基于標(biāo)準(zhǔn)仿真殷勤SOICE3F5的混合電路仿真工具，既可以仿真模擬電路，又可以仿真數(shù)字電路以及數(shù)字、模擬混合電路，其最大特色在于能夠仿真基于限制器的系統(tǒng)。它是目前最好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。雖然目前國(guó)內(nèi)推廣剛起步，但已受到單片機(jī)愛(ài)好者、從事單片機(jī)教學(xué)的老師、致力于單片機(jī)開(kāi)發(fā)應(yīng)用的科技工作者的青睞。Proteus是世界上聞名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺(tái)，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即將增加Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯。其程序界面如圖3-9所示。圖3-9Protues7工作界面PROTUES軟件的功能特點(diǎn)介紹如下：1．原理布圖2．PCB自動(dòng)或人工布線3．SPICE電路仿真革命性的特點(diǎn)：1．互動(dòng)的電路仿真。用戶甚至可以實(shí)時(shí)采納諸如RAM，ROM，鍵盤(pán)，馬達(dá)，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。2．仿真處理器及其外圍電路?？梢苑抡?1系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流單片機(jī)。還可以干脆在基于原理圖的虛擬原型上編程，再協(xié)作顯示及輸出，能看到運(yùn)行后輸入輸出的效果。協(xié)作系統(tǒng)配置的虛擬邏輯分析儀、示波器等，Protues建立了完備的電子設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)環(huán)境。同時(shí)它還具有4大功能模塊：智能原理圖設(shè)計(jì)（ISIS），完善的電路仿真功能（Prospice），獨(dú)特的單片機(jī)協(xié)同仿真功能（VSM），好用的PCB設(shè)計(jì)平臺(tái)。Protues供應(yīng)了豐富的資源：1．Protues可供應(yīng)的仿真元器件資源：仿真數(shù)字和模擬、溝通和直流等數(shù)千種元器件，有30多個(gè)元件庫(kù)。2．Protues可供應(yīng)的仿真儀表資源：示波器、邏輯分析儀、虛擬終端、SPI調(diào)試器、I2C調(diào)試器、信號(hào)發(fā)生器、模式發(fā)生器、交直流電壓表、交直流電流表。理論上同一種儀器可以在一個(gè)電路中隨意的調(diào)用。3．除了現(xiàn)實(shí)存在的儀器外，Protues還供應(yīng)了一個(gè)圖形顯示功能，可以將線路上變更的信號(hào)，以圖形的方式實(shí)時(shí)地顯示出來(lái)，其作用與示波器相像，但功能更多。這些虛擬儀器儀表具有志向的參數(shù)指標(biāo)，例如極高的輸入阻抗、極低的輸出阻抗。這些都盡可能削減了儀器對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。4．Protues可供應(yīng)的調(diào)試手段Protues供應(yīng)了比較豐富的測(cè)試信用于電路的測(cè)試。這些測(cè)試信號(hào)包括模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。3.4.2.軟件流程圖溫度限制系統(tǒng)的軟件流程圖，系統(tǒng)起先工作時(shí)會(huì)檢測(cè)爐溫，一般狀況下此時(shí)爐溫比給定值低，于是電爐起先全速加熱。于此同時(shí)，系統(tǒng)會(huì)依據(jù)預(yù)定的采樣周期進(jìn)行采樣，當(dāng)檢測(cè)爐溫在上限溫度和下限溫度之間，那么起先進(jìn)行PID限制，并接著依據(jù)預(yù)定的采樣周期進(jìn)行采樣，直至溫度穩(wěn)定為給定值。項(xiàng)目設(shè)計(jì)結(jié)果分析4.1調(diào)試記錄及結(jié)果分析4.1.1.仿真程序及圖形在打開(kāi)Matlab中的Simulink之后，起先繪制系統(tǒng)仿真圖形，如圖4.1所示，該圖中對(duì)積分和微分先進(jìn)行處理，使得的到當(dāng)為等幅震蕩時(shí)的kc值，然后通過(guò)Z-N法則的其次法，加入為微分和積分之后，采納PID限制。變更Kp的值，既可以的得到不同的結(jié)果，從而可以分析出Kp的變更對(duì)系統(tǒng)超調(diào)量造成的影響。圖4.1系統(tǒng)仿真圖 仿真結(jié)果及分析由圖可以得到Kc=1.13，Tc=40，TI=0，TD=0，時(shí)出現(xiàn)的等幅震蕩曲線圖Kp=0.678Ki=0.05Kd=5當(dāng)Kp=0.7時(shí)，曲線圖如下所示：當(dāng)Kp=0.8時(shí)曲線如上圖所示當(dāng)Kp=1時(shí)，曲線如上圖所示當(dāng)Kp=1.1時(shí)如上圖所示從上述結(jié)果圖中可以看出，但當(dāng)Kp增大到肯定程度時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的超調(diào)量增加，穩(wěn)定性變差，并且使得系統(tǒng)產(chǎn)生震蕩。從上面曲線圖中可以明顯看出當(dāng)Kp為1時(shí)，系統(tǒng)起先出現(xiàn)震蕩，在Kp大于1時(shí)，出現(xiàn)猛烈震蕩，系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。4.2.結(jié)論 本試驗(yàn)通過(guò)PID算法調(diào)整，設(shè)計(jì)并比較實(shí)際溫度與設(shè)定溫度，最終達(dá)到實(shí)際溫度與設(shè)定溫度的誤差穩(wěn)定在肯定范圍。在這次課設(shè)的試驗(yàn)過(guò)程中我遇到了諸多問(wèn)題，算的上是困難重重，也讓我在試驗(yàn)過(guò)程中了解了自己的不足之處，讓我了解了自己對(duì)以前所學(xué)過(guò)的學(xué)問(wèn)理解得不夠深刻，駕馭得不夠堅(jiān)固。通過(guò)這次試驗(yàn)，我不僅鞏固了以前所學(xué)過(guò)的學(xué)問(wèn)，而且學(xué)到了很多在書(shū)本上所沒(méi)有學(xué)到過(guò)的學(xué)問(wèn)。 這次課程設(shè)計(jì)使我了解了微型計(jì)算機(jī)限制技術(shù)課程設(shè)計(jì)的真正用意是培育我們的自學(xué)實(shí)力，養(yǎng)成編寫(xiě)程序的好習(xí)慣，懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論學(xué)問(wèn)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論學(xué)問(wèn)與實(shí)踐相結(jié)合起來(lái)，從理論中得出結(jié)論，才能真正為實(shí)際所用，從而提高自己的實(shí)際動(dòng)手實(shí)力和獨(dú)立思索的實(shí)力。五、參考文摘[1]于海生．微型計(jì)算機(jī)限制技術(shù)[M].清華高校出版社，2007計(jì)算機(jī)限制系統(tǒng)概述、線性離散系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述和分析方法、計(jì)算機(jī)限制系統(tǒng)的多種限制算法、過(guò)程輸入輸出通道、網(wǎng)絡(luò)限制技術(shù)、限制軟件設(shè)計(jì)、限制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真以及計(jì)算機(jī)限制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與工程實(shí)現(xiàn)等內(nèi)容。本書(shū)留意了先進(jìn)性、系統(tǒng)性和好用性。①增加了內(nèi)模限制、模型預(yù)料限制等先進(jìn)限制內(nèi)容；②加強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)限制的內(nèi)容；③每章附有大量的實(shí)例，并增加大量MATLAB仿真等實(shí)踐內(nèi)容，以利于學(xué)生實(shí)踐實(shí)力、創(chuàng)新實(shí)力的培育和熬煉。[2]于海生．單片微機(jī)原理與接口技術(shù).冶金工業(yè)出版社，2003主要內(nèi)容包括嵌入式開(kāi)發(fā)技術(shù)。單片機(jī)的內(nèi)部指令、指令系統(tǒng)、內(nèi)部功能部件的工作原理、應(yīng)用編程及外部擴(kuò)展技術(shù)。介紹mcs-51系列及增加型單片機(jī)的硬件編程結(jié)構(gòu)、軟件設(shè)計(jì)、中斷系統(tǒng)、存儲(chǔ)器配置，以及mcs-96系列單片機(jī)硬件、軟件、pts、epa和人--機(jī)聯(lián)系設(shè)備，新產(chǎn)品80c196kc的應(yīng)用結(jié)構(gòu)。[3]鄭榮煥．Proteus電子電路設(shè)計(jì)及仿真.電子工業(yè)出版社，2014ProtuesVSM組合了混合模式SPICE電路仿真、處理 器模型、動(dòng)態(tài)元器件庫(kù)、虛擬儀器、處理器軟仿真器、第三方編譯器和調(diào)試器等組件，第一次使得在物理原型構(gòu)建出來(lái)之前，在計(jì)算器上完成從原理圖設(shè)計(jì)、電子測(cè)試仿真、處理器代碼調(diào)試聯(lián)系電路實(shí)時(shí)仿真設(shè)計(jì)、功能驗(yàn)證、出版成品成為可能。運(yùn)用Pouteus能夠幫助電子電路開(kāi)發(fā)人員涉及更多學(xué)問(wèn)，縮短開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本。[4]鄒伯敏．自動(dòng)限制理論.機(jī)械工業(yè)出版社，2007超前、滯后、和滯后-超前3種對(duì)系統(tǒng)的校正方法，這些方法是基于校正裝置的輸出與其輸入信號(hào)間相位的超前、滯后來(lái)區(qū)分的，并利用這些特性對(duì)不同的系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)校正。這些校正裝置所起的作用等價(jià)于時(shí)域中的比例-微分（PD）、比例-積分（PI）或它們的組合（PID）。PID限制器有著運(yùn)用敏捷，參數(shù)調(diào)整便利，性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，且已有定型的工業(yè)產(chǎn)品溫室，因此它在限制工程中被廣泛應(yīng)用。[5]吳勤勤．限制儀表及裝置.化學(xué)工業(yè)出版社，2012本書(shū)以電子技術(shù)、微機(jī)原理、限制工程和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，系統(tǒng)的闡述儀表與裝置的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、功能和應(yīng)用。本書(shū)全分為兩篇：第一篇為模擬式限制儀表及裝置，主要介紹模擬式限制器、變送器和轉(zhuǎn)換器、運(yùn)算器和執(zhí)行器；其次篇為數(shù)字式限制儀器及裝置，主要介紹可編程調(diào)整器、可編程限制器、智能變送器和閥門(mén)定位器、集散限制器系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線限制系統(tǒng)。六附錄6.1軟件程序ORG0000HAJMPMAINORG001BHAJMPCT1ORG0200HA1EQU50HMAIN:CLRAMOV2AH,AMOV2CH,AMOV2DH,AMOV2EH,AMOVA1,#50LOOP:ACALLSAMPACALLFILTERACALLTRASTACALLTESTKEYACALLDISPLAYMOVA,50HADDA,#5MOV52H,ASUBBA,#10MOV53H,AMOVA,51HCJNEA,52H,TPLCLRP3.4CLRP3.2AJMPLOOPTPL:JNCTPL1CJNEA,53H,MTPLSETBP3.4CLRP3.2AJMPLOOPMTPL:JNCHATSETBP3.2SETBP3.4AJMPLOOPTPL1:SETBP3.2CLRP3.4AJMPLOOPHAT:CLRP3.2ACALLPIDMOVA,2FHCPLAINCASETBF0MOVTMOD,#50HSETBP3.4MOVTL1,AMOVTH1,#0FFHCLRPT1SETBEASETBTR1SETBET1LOOP1:ACALLTESTKEYACALLDISPLAYJBF0,LOOP1AJMPLOOPCT1:CLRTR1CLRF0CLRP3.4RETI;采樣子程序;SAMP:MOVR1,#02CHMOVR0,#03MOVDPTR,#0FEFFHREAD:MOVX@DPTR,AHERE:JBP3.3,HEREMOVXA,@DPTRRLCAMOV20H.0,CRLCAMOV20H.1,CRLCAMOV20H.2,CRLCAMOV20H.3,CRLCAMOV20H.4,CRLCAMOV20H.5,CRLCAMOV20H.6,CRLCAMOV20H.7,CMOVA,20HMOV@R1,AMOVP0,AINCR1DJNZR0,READRET;濾波子程序;FILTER:MOVA,2CHCJNEA,2DH,CMP1AJMPCMP2CMP1:JNCCMP2XCHA,2DHXCHA,2CHCMP2:MOVA,2DHCJNEA,2EH,CMP3MOV2AH,ARETCMP3:JCCMP4MOV2AH,ARETCMP4:MOVA,2EHCJNEA,2CH,CMP5MOV2AH,ARETCMP5:JCCMP6XCHA,2CHCMP6:MOV2AH,ARETTRAST:MOVA,2AHMOVB,#02HDIVABADDA,#25MOV51H,ARETTRAST1:SUBBA,#25MOVB,#02HMULABRET;按鍵選擇子程序;TESTKEY:JBP3.0,MAIN2_2 ACALL DELAY10 JBP3.0,MAIN2_2 JNBP3.0,$ MOV A,#1 ADDA,A1 CLR C CJNE A,#150,MAIN2_1_1 MOV A,#150 AJMP MAIN2_1_3MAIN2_1_1: JC MAIN2_1_3MAIN2_1_2: CLR C MOV A,#150MAIN2_1_3: MOV A1,A;;上面這一段是+1度按鍵,按下+1度;MAIN2_2: JBP3.1,MAIN2_3 ACALL DELAY10 JB P3.1,MAIN2_3 JNB P3.1,$ MOV A,A1 CJNE A,#50,MAIN2_2_1 AJMPMAIN2_2_3MAIN2_2_1:JC MAIN2_2_2CLRC MOV B,#1 SUBBA,BAJMPMAIN2_2_3MAIN2_2_2: MOV A,#50MAIN2_2_3:MOVA1,A;MAIN2_3:ACALLTRAST1MOV32H,AMOV31H,BRET;顯示子程序;DISPLAY:MOV A,A1 ;將待顯示的數(shù)存在70H到75H中MOV B,#100DIV AB ;顯示子程序MOV 73H,A ;百位在A MOV A,B ;MOVB,#10DIVABMOV72H,A;十位在BMOV71H,B;個(gè)位在CMOV A,51H ;將的十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制MOV B,#100DIV AB ;顯示子程序MOV76H,A ;百位在A MOV A,B MOVB,#10DIVABMOV75H,A;十位在BMOV74H,B;個(gè)位在CDISP1:MOVR1,#70H;指向顯示數(shù)據(jù)首址MOVR5,#0FEH;掃描限制字初值PLAY:MOVP1,#0FFHMOVA,R5;掃描字放入AMOVP2,A;從P2口輸出MOVA,@R1;取顯示數(shù)據(jù)到AMOVDPTR,#TAB;取段碼表地址MOVCA,@A+DPTR;查顯示數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)段碼MOVP1,A;段碼放入P1口MOVA,R5LCALLD1MS;顯示1MSINCR1;指向下一地址MOVA,R5;掃描限制字放入AJNBACC.6,ENDOUT;ACC.5=0時(shí)一次顯示結(jié)束RLA;A中數(shù)據(jù)循環(huán)左移MOVR5,A;放回R5內(nèi)AJMPPLAY;跳回PLAY循環(huán)ENDOUT:MOVP1,#0FFH;一次顯示結(jié)束，P2口復(fù)位MOVP2,#0FFH;P3口復(fù)位RET;子程序返回TAB:DB0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H,0FFH;共陽(yáng)段碼表"0""1""2""3""4""5""6""7""8""9""不亮"“-”;延時(shí)子程序;D1MS:MOVR6,#14H;1MS延時(shí)程序，LED顯示程序用DL1:MOVR7,#19HDL2:DJNZR7,DL2DJNZR6,DL1RETDELAY10:MOV R6,#20 ;10MS延時(shí)D3:MOV R5,#255 DJNZ R5,$DJNZ R6,D3 RETDELAY125: MOV R6,#255 ;125MS延時(shí)D1: MOVR5,#255 DJNZ R5,$ DJNZ R6,D1 RETDELAY1S: MOV R7,#8 ;1S延時(shí)D2: LCALLDELAY125 DJNZ R7,D2 RET ;PID算法子程序;PID:MOVR5,31HMOVR4,32HMOVR3,2AHMOVR2,#00HACALLCPL1ACALLDSUMMOV39H,R7MOV3AH,R6MOVR5,35HMOVR4,36HMOVR0,#4AHACALLMULT1MOVR5,39HMOVR4,3AHMOVR3,3BHMOVR2,3CHACALLCPL1ACALLDSUMMOVR5,33HMOVR4,34HMOVR0,#46HACALLMULT1MOVR5,49HMOVR4,48HMOVR3,4DHMOVR2,4CHACALLDSUMMOV4AH,R7MOV4BH,R6MOVR3,4AHMOVR2,4BHMOVR5,2FHMOVR4,30HACALLDSUMMOV2FH,R7MOV30H,R6MOV3DH,3BHMOV3EH,3CHMOV3BH,39HMOV3CH,3AHRET;雙字節(jié)加法程序;;R5R4+R3R2=R7R6;DSUM:MOVA,R4 ADDA,R2MOVR6,AMOVA,R5ADDCA,R3MOVR7,ARET;雙子節(jié)求補(bǔ)程序?qū)3R2求補(bǔ);CPL1:MOVA,R2CPLAADDA,#01HMOVR2,AMOVA,R3CPL