基于单片机的PID控制器设计正文

1、精选优质文档-倾情为你奉上精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业专心-专注-专业精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业第1章 绪 论第1.1节 概 述目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。PID控制器的特点是结构简单，适应性强，特别是不依赖对象的精确模型，对系统参数的变化具有较好的鲁棒性，可以解决在工业过程中精确建模的困难。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器，其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。温度是生活及生产中最基本

2、的物理量，它表征的是物体的冷热程度。在很多生产过程中，温度的测量和控制都直接和安全生产、提高生产效率、保证产品质量、节约能源等重大技术经济指标相联系。因此，温度的测量与控制在国民经济各个领域中均受到了相当程度的重视。PID温度控制器作为一种重要的控制设备，在化工、食品等诸多工业生产过程中得到了广泛的应用。下面就简要介绍一下温度测控技术。 第1.2节 温度测控技术的发展与现状温度测控技术包括温度测量技术和温度控制技术两个方面。在温度的测量技术中，接触式测温发展较早，这种测量方法的优点是： 简单、可靠、低廉、测量精度较高，一般能够测得真实温度；但由于检测元件热惯性的影响，响应时间较长，对热容量小的

3、物体难以实现精确的测量，并且该方法不适宜于对腐蚀性介质测温，不能用于超高温测量，难于测量运动物体的温度。另外的非接触式测温方法是通过对辐射能量的检测来实现温度测量的方法，其优点是：不破坏被测温场，可以测量热容量小的物体，适于测量运动物体的温度，还可以测量区域的温度分布，响应速度较快。但也存在测量误差较大，仪表指示值一般仅代表物体表观温度，测温装置结构复杂，价格昂贵等缺点。因此，在实际的温度测量中，要根据具体的测量对象选择合适的测量方法，在满足测量精度要求的前提下尽量减少投入。温度控制技术按照控制目标的不同可分为两类：动态温度跟踪与恒值温度控制。动态温度跟踪实现的控制目标是使被控对象的温度值按预

4、先设定好的曲线进行变化。在工业生产中很多场合需要实现这一控制目标；恒值温度控制的目的是使被控对象的温度恒定在某一给定数值上，且要求其波动幅度(即稳态误差)不能超过某允许值。本文所讨论的基于单片机的温度控制系统就是要实现对温控箱的恒值温度控制要求，故以下仅对恒值温度控制进行讨论。从工业控制器的发展过程来看，温度控制技术大致可分以下几种：1.2.1 定值开关控温法所谓定值开关控温法，就是通过硬件电路或软件计算判别当前温度值与设定目标温度值之间的关系，进而对系统加热装置(或冷却装置)进行通断控制。这种开关控温方法比较简单，在没有计算机参与的情况下，用很简单的模拟电路就能够实现。由于这种控制方式是当系

5、统温度上升至设定点时关断电源，当系统温度下降至设定点时开通电源，因而无法克服温度变化过程的滞后性，致使被控对象温度波动较大，控制精度低，完全不适用于高精度的温度控制。1.2.2 PID线性控温法这种控温方法是基于经典控制理论中的PID调节器控制原理，PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好、可靠性高等优点被广泛应用工业过程控制中，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。由于PID调节器模型中考虑了系统的误差、误差变化及误差积累三个因素，因此，其控制性能大大地优越于定值开关控温。其具体控制电路可以采用模拟电路或计算机软件方法来实现PID调节功能。前者称为模拟PID控

6、制器，后者称为数字PID控制器。其中数字PID控制器的参数可以在现场实现在线整定，因此具有较大的灵活性，可以得到较好的控制效果。采用这种方法实现的温度控制器，其控制品质的好坏主要取决于三个PID参数(比例值、积分值、微分值)。只要PID参数选取的正确，对于一个确定的受控系统来说，其控制精度是比较令人满意的。但是，它的不足也恰恰在于此，当对象特性一旦发生改变，三个控制参数也必须相应地跟着改变，否则其控制品质就难以得到保证。1.2.3 智能温度控制法为了克服PID线性控温法的弱点，人们相继提出了一系列自动调整PID参数的方法，如PID参数的自学习，自整定等等。并通过将智能控制与PID控制相结合，从

7、而实现温度的智能控制。智能控温法以神经网络和模糊数学为理论基础，并适当加以专家系统来实现智能化。其中应用较多的有模糊控制、神经网络控制以及专家系统等。尤其是模糊控温法在实际工程技术中得到了极为广泛的应用。所谓第三代智能温控仪表，就是指基于智能控温技术而研制的具有自适应PID算法的温度控制仪表。目前国内温控仪表的发展，相对国外而言在性能方面还存在一定的差距，它们之间最大的差别主要还是在控制算法方面，具体表现为国内温控仪在全量程范围内温度控制精度比较低，自适应性较差。第1.3节 系统总体设计方案本论文所讨论的基于单片机的温度控制系统是某型号气相色谱仪的温度控制子系统，其目的是对两个温控箱1的温度进

8、行恒值温度控制。温控箱的温度控制范围在室温到摄氏600度之间，温度控制的精度要求为0.1。下面讨论系统的总体设计方案，包括：系统的性能要求及特点以及系统的软、硬件方案分析。1.3.1 系统性能要求及特点(l)系统性能要求： eq oac(,1)可以人为方便地通过控制面板或PC机设定控制期望的温度值，系统应能自动将温控箱加热至此设定温度值并能保持，直至重新设定为另一温度值，即能实现温度的自动控制； eq oac(,2)能够实现对温控箱温度的测量并且通过控制面板上的液晶显示实时的显示出来； eq oac(,3)具有加热保护功能的安全性要求； eq oac(,4)模块化设计，安装拆卸简单，维修方便；

9、 eq oac(,5)系统可靠性高，不易出故障；(2)系统特点：鉴于上述系统功能要求以及智能仪表应具有的体积小、成本低、功能强、抗干扰并尽可能达到更高精度的要求。本系统在硬件设计方面具有如下特点：控制主板采用AT89C52作为核心芯片。根据温控箱测温范围的要求，本系统适合采用Pt100铂电阻作为温度传感器，而Pt100铂电阻在大温度范围内测温时表现出的不可忽视的非线性不容忽视，因此在温度测量的过程中必须对铂电阻温度传感器的非线性进行优化，从而提高系统温度测量的精确度。本文采用最小二乘法2拟合的方法对铂电阻的非线性进行优化。为了简化系统硬件，控制量采用双向可控硅输出，这样就省去了D/A转换环节。

10、1.3.2 系统硬件方案分析目前，温度控制仪的硬件电路一般采用模拟电路和单片机两种形式。模拟控制电路的各控制环节一般由运算放大器、电压比较器、模拟集成电路以及电容、电阻等外围元器件组成。它的最大优点是系统响应速度快，能实现对系统的实时控制。在本系统中，由于温度的变化是一个相对缓慢的过程，对温控系统的实时性要求不是很高，所以模拟电路的优势得不到体现。单片机是大规模集成电路技术发展的产物，属于第四代电子计算机。它是把中央处理单元CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、定时/计数器以及I/O输入输出接口电路等主要计算机部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机，它的特点是：功能强大、运算速度

11、快、体积小巧、价格低廉、稳定可靠、应用广泛。由此可见，采用单片机设计控制系统，不仅可以降低开发成本，精简系统结构，而且控制算法由软件实现，还可以提高系统的兼容性和可移植性。目前，市面上的单片机不仅种类繁多，而且在性能方面也各有所长。AT89C52单片机8是ATMEL公司出品的与MCS-51系列兼容的低电压、高性能CMOS 8位单片机。本系统选择AT89C52为核心器件组成的控制系统。1.3.3 系统软件方案分析目前，MCS51单片机的开发主要用到两种语言:汇编语言和C语言。与汇编语言相比，C语言具有以下的特点：(1)具有结构化控制语句；(2)适用范围大和可移植性好；由于整个系统软件比较复杂，为

12、了便于编写、调试、修改和增删，系统程序的编制适合采用模块化的程序结构，故要求整个控制系统软件由许多独立的小模块组成，它们之间通过软件接口连接，遵循模块内数据关系紧凑，模块间数据关系松散的原则，将各功能模块组织成模块化的软件结构。温度控制算法方面，结合本温控系统的要求采用了经典的PID控制算法，这主要是由于PID控制相对来说算法简单、鲁棒性好和可靠性高。第1.4节 本文主要工作及章节安排1.4.1 本文主要工作(l)在对温度控制发展现状、系统控制要求进行研究的基础上，选择了整个控制系统的控制方案；(2)完成系统的硬件设计，包括采样电路、A/D转换电路、主控制电路、保护电路等等的设计；(3)完成该

13、系统的软件设计，包括主程序模块、控制运算模块、数据输入输出及处理模块等一些子功能模块的设计；(4)研究了该系统的控制策略，建立了PID控制算法；(5)完成了系统的软、硬件调试工作。1.4.2 章节安排本论文由以下几部分组成： 第1章 绪论 主要介绍本文的背景知识及系统的总体设计方案，以及本文所完成的主要工作； 第2章 硬件设计 主要介绍系统各部分的硬件组成和特点，包括信号输入输出电路、单片机系统等等； 第3章 软件设计 介绍了系统软件各主要功能模块的设计； 第4章 控制方案 确立PID算法； 第5章 系统调试 介绍了TKS仿真器和集成开发环境KEIL IDEVision2，以及使用TKS仿真器

14、在KEIL环境中对系统的调试；结论 全文工作的总结和展望。硬件电路第2.1节 系统硬件总体结构本文所研究的温度控制系统硬件部分按功能大致可以分为以下几个部分：单片机主控模块、输入通道、输出通道、保护电路等。硬件总体结构框图如图21所示。由结构框图可见，温度控制系统以AT89C52单片机为核心，并扩展外部存储器构成主控模块。温控箱的温度由Pt100铂电阻13温度传感器检测并转换成微弱的电压信号，再通过16位的A/D转换器AD7705转换成数字量。此数字量经过数字滤波之后，一方面将温控箱的温度通过控制面板上的液晶显示器显示出来；另一方面将该温度值与设定的温度值进行比较，根据其偏差值的大小，采用PI

15、D控制算法进行运算，最后通过控制双向可控硅控制周期内的通断占空比(即控制温控箱加热平均功率的大小)，进而达到对温控箱温度进行控制的目的。如果实际测得的温度值超过了系统给定的极限安全温度，保护电路会做出反应，从而保护温控箱。图 21 硬件总体结构框图第2.2节 主控模块器件选型及设计2.2.1 单片机的选用 对于明确的应用对象，选择功能过少的单片机，无法完成控制任务；选择功能过强的单片机，则会造成资源浪费，使产品的性能价格比下降。目前，市面上的单片机不仅种类繁多，而且在性能方面也各有不同。在实际应用中，针对不同的需求要选择合适的单片机，选择单片机时要注意下几点：(1)单片机的基本性能参数；(2)

16、单片机的增强功能；(3)单片机的存储介质；(4)芯片的封装形式；(5)芯片工作温度范围符合工业级、军品级还是商业级；(6)单片机的工作电压范围；(7)单片机的抗干扰性能好；(8)编程器以及仿真器的价格，单片机开发是否支持高级语言以及编程环境要好用易学；(9)供货渠道是否畅通，价格是否低廉，是否具有良好的技术服务支持。 根据上面所述的原则，结合本系统实际情况综合考虑，本文讨论的温度控制系统选用ATMEL公司生产的AT89C52单片机作为主控模块的核心芯片。2.2.2 单片机介绍 本系统选用ATMEL公司生产的AT89系列单片机中的AT89C52。AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单

17、片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合，AT89C52的主要特点有：(l)内部程序存储器为电擦除可编程只读存储器EEPROM，容量8KB，内部数据存储器容量256字节，最大寻址空间64KB；(2)AT89C52有40个引脚；三个16位定时/计数器；(3)可利用两根I/O口线作为全双工的串行口，有四种工作方式，可通过编程设定；(4)内部ROM中开辟了四个通用工作寄存器区，共32个通用寄存器，以适应多种中断或

18、子程序嵌套的情况；(5)6个中断源分为两个中断优先级，每个中断源优先级都是可编程的；(6)内部有一个由直接可位寻址组成的布尔处理机，在指令系统中包含了一个指令子集，专门用于对布尔处理机的各位进行各种布尔处理，特别适用于控制目的和解决逻辑问题；(7)AT89C52的状态周期由晶体振荡器2分频后获得，作为芯片工作的基本时间单位，在采用12MHz晶振时，AT89C52的状态周期为(2/12)=167ns。AT89C52单片机DIP封装的引脚如图22所示。 图22 DIP封装的AT89C52引脚图2.2.3 主控模块设计主控模块电路由AT89C52单片机、外部时钟电路、复位电路、存储器扩展电路组成。由

19、于AT89C52内部存储器容量不能满足本系统的需求，所以需要对其存储器进行扩展。这里选择用紫外线擦写的64K8的EPROM 27512和静态数据存储器8K8的SRAM 6264扩展单片机的存储器。存储器扩展时，AT89C52的P0口作为数据总线和低8位地址线，P2口作为高8位地址线。由于P0口的分时复用，所以需要使用地址锁存器74HC373对低8位地址进行锁存。存储器扩展部分电路如图23所示。图 23 存储器扩展电路 单片机的复位是由外部复位电路来实现的。在单片机的复位引脚RST(9脚)上保持两个机器周期的高电平就能使AT89C52完全复位。系统时钟电路设计采用内部方式，AT89C52内部有一

20、个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1(19脚)和XTAL2(18脚)分别是此放大器的输入端和输出端，这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器，外接晶体谐振器以及电容构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。本系统电路采用的晶体振荡器频率为11.0592MHz。 复位电路和时钟电路如图24所示。 图24 复位电路和时钟电路第2.3节 输入通道设计系统输入通道的作用是将温控箱的温度(非电量)通过传感器电路转化为电量(电压或电流)输出，本系统就是将温度转化为电压的输出。由于此时的电量(电压)还是单片机所不能识别的模拟量，所以还需要进行A/D转换，即将模拟的电量转化

21、成与之对应的数字量，提供给单片机判断和控制。输入通道由传感器、A/D转换等电路组成。2.3.1 Pt温度传感器的种类比较繁杂，各种不同的温度传感器由于其构成材料、构成方式及测温原理的不同，使得其测量温度的范围、测量精度也各不相同。Ptl00型铂电阻，在-200到850范围内是精度最高的温度传感器之一。由于在本系统中，测温范围较大(在室温到600之间)且要求检测精度高、稳定性好，因此选用Pt100铂电阻作为本温度控制系统的温度传感器。铂电阻温度传感器主要有两种类型：标准铂电阻温度传感器和工业铂电阻温度传感器。在测量精度方面，工业铂电阻的测量稳定性和复现性一般不如标准铂电阻。这主要有两个方面的原因

22、，其一是高温下金属铂与周围材料之间的扩散使其纯度受到污染；其二是因为高温条件下的应力退火影响了其复现性能。但是标准铂电阻温度传感器也存在价格昂贵，维护起来较为困难等缺点。考虑到成本，故在本系统中采用工业级Pt100铂电阻作为温度传感器。铂电阻测温电路的工作方式一般分为恒压方式和恒流方式两种。按照接线方式的不同又可以分为二线制、三线制和四线制几种。本系统采用的是恒流四线制接法对Pt100铂电阻进行采样。铂电阻温度传感器采样电路如图25所示。该电路将温控箱的温度转化为电压输出。采用恒流四线制接法的测温电路中需要用到一个稳定的基准电压源。本系统采用精密基准电压源LM399H产生基准电压，图中参考电压

23、即来自LM399H。基准电压源电路如图26所示。LM399H是内置恒温槽高精度基准电压源，输出电压6.9999V。本系统中基准电压源产生的电压不仅提供给铂电阻采样电路而且还提供给A/D转换电路使用。 图25 温度传感器电路 图26 基准电压源电路铂电阻温度传感器是利用其电阻值随温度的变化而变化这一特性进行温度测量的，根据IEC标准751-1983： -200t0 (21) 0t850 (22) 其中，为t时的电阻值，为0时的电阻值。图27所示为铂电阻温度电阻曲线。图27 铂电阻温度/电阻曲线由于本系统中温控箱的温度范围在室温到6002.3.2 A在单片机控制系统中，控制或测量对象的有关变量，往

24、往是一些连续变化的模拟量，如温度、压力、流量、位移、速度等物理量。但是大多数单片机本身只能识别和处理数字量，因此必须经过模拟量到数字量的转换(A/D转换)，才能够实现单片机对被控对象的识别和处理。完成A/D转换的器件即为A/D转换器。A/D转换器的主要性能参数有：(1)分辨率分辨率表示A/D转换器对输入信号的分辨能力。A/D转换器的分辨率以输出二进制数的位数表示；(2)转换时间转换时间指A/D转换器从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间；(3)转换误差转换误差表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别，常用最低有效位的倍数表示；(4)线性度线性度指实

25、际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移。温度控制中A/D转换是非常重要的一个环节。综合考虑，本系统选用AD(ANALOG DEVICES)公司生产的16位AD转换芯片AD77054作为本温控系统的A/D转换器。AD7705是AD公司生产的16位-型A/D转换器。它包括由缓冲器和增益可编程放大器(PGA)组成的前端模拟调节电路、-调制器、可编程数字滤波器等部件组成。能直接将传感器测量到的多路微小信号进行A/D转换。AD7705采用三线串行接口，具有两个全差分输入通道，能达到0.003%非线性的16位无误码输出，其增益和输出更新率均可编程设定，还可以选择输入模拟缓冲器，以及自校准和系统校准方式。工

26、作电压3V或5V，在3V工作电压时，器件的最大功耗仅为lmW。AD7705引脚如图28所示。 图28 AD7705引脚图AD7705引脚功能描述如下：(1)SCLK串行时钟，将一个外部的串行时钟加于这一输入端口，以访问AD7705的串行数据。该串行时钟可以是连续时钟以连续的脉冲串传送所有数据，反之，它也可以是非连续时钟，将信息发送给AD7705；(2)MCLKIN为转换器提供主时钟信号，能以晶体八皆振器或外部时钟的形式提供。晶体/谐振器可以接在MCLKIN和MCLKOUT两引脚之间，时钟频率的范围为500kHz-5MHz；(3)MCLKOUT，当主时钟为晶体/谐振器时，晶体/谐振器被接在MCL

27、KIN和MCLKOUT之间，如果在MCLKIN引脚处接上一个外部时钟，MCLKOUT将提供一个反向时钟；(4)片选信号，低电平有效；(5)复位输入，低电平有效；(6)AIN2(+)差分模拟输入通道2的正输入端；(7)AIN1(+)差分模拟输入通道l的正输入端；(S)AIN1(-)差分模拟输入通道1的负输入端；(9)AIN2(-)差分模拟输入通道2的负输入端；(10)REFIN(+)差分基准输入的正输入端，基准输入是差分的，并规定REFIN(+)必须大于REFIN(-)，REFIN(+)可以取VDD和GND之间的任何值；(10)REFIN(-)差分基准输入的负输入端，REFIN(-)可以取VDD

28、和GND之间的任何值，且必须满足REFIN(+)大于REFIN(-)；(11)逻辑输出，这个输出端上的逻辑低电平表示可以从AD7705的数据寄存器获取新的输出字。完成对一个完全的输出字的读操作后，该引脚立即回到高电平。当该引脚处于高电平时，不能进行读操作，当数据更新后，该引脚又返回低电平；(12)DOUT串行数据输出端，从片内的输出移位寄存器读出的串行数据由此端输出。根据通信寄存器中的寄存器选择位，移位寄存器可以容纳来自通信寄存器、时钟寄存器或数据寄存器的信息；(13)DIN串行数据输入端，向片内的输入移位寄存器写入的串行数据由此输入。A/D转换电路如图29所示。其中，AD7705的SCLK信

29、号接AT89C52的Pl.2引脚；复位信号接AT89C52的P1.3引脚；接P1.1引脚；DOUT串行数据输出端接P1.0脚；AINI(+)差分模拟输入通道1的正输入端接到CD4051的AOUT(3脚)，CD4051的输入端分别接Pt100温度传感器。CD4051是8选1电子开关，CD4051的控制端和地址锁存器74HC373相连，从而受到单片机的控制。通道选择电路如图210所示。 图29 A/D 转换电路 图210 通道选择电路第2.4节 输出通道设计2.4.1 温控箱13的功率调节方式目前多数温控系统均采用可控硅来实现功率调节。可控硅的控制模式有两种：相位控制和零位控制(分配式零位控制、时

30、间比例零位控制)。(l)相位控制：作用于每一个交流正弦波，改变正弦波每个正半波和负半波的导通角来控制电压的大小，进而可以调节输出电压和功率的大小。(2)零位控制：在设定的周期Tc内，触发信号使主回路接通几个周波，再断开几个周波，改变可控硅在设定周期内的通断时间比例，以调节负载上的交流电的平均功率，即可达到调节负载功率的目的。根据输出电压分布的不同，零位控制又分为分配式零位控制和时间比例零位控制。它多用于大惯性的加热器负载，采用这种控制，既实现了温度控制，又消除了相位控制时带来的高次谐波污染电网。本系统采用分配式零位控制的模式，控制温控箱的加热电阻的平均加热功率，进而控制温控箱的温度。2.4.2

31、 可控硅输出电路可控硅是一种功率半导体器件，简称SCR，也称晶闸11。可控硅具有控制功率小、无触点、长寿命等优点，在交流电机调速、调功、随动等系统有着广泛的应用。双向可控硅相当于两个单向可控硅反向并联。双向可控硅与单向可控硅的区别是：(l)它在触发之后是双向导通；(2)在控制极上不管是加正的还是负的触发信号，一般都可以使双向可控硅导通。本系统中与可控硅配套使用的是MOC3041光电藕合双向可控硅驱动器，与一般的光祸器件不同之处是MOC3041输出部分是硅光敏双向可控硅，还带有过零触发检测器以保证电压接近零时触发可控硅。可控硅输出电路如图212所示。图2.12 可控硅输出电路第2.5节 保护电路

32、保护电路的作用是对温控箱进行过温保护，其电路如图213所示。 图213 保护电路 当Ptl00测得的温度(电压信号)与设定的极限温度(通过电位器可调的电压信号)经过电压比较器LM339比较，如果发生温控箱温度超过设定的极限温度的情况，由于电压比较器LM339非常灵敏(电压比较器的两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态)，则电压比较器的输出端输出低电平，该低电平使高速光电隔离器6N315的3脚变为低电平，从而使RELAY_DRY信号为低电平，继而驱动RELAY_DRY信号控制继电器，断开加热电阻丝电源，保护温控箱。电路中增加的达林顿管TIP122是一个电流驱

33、动型器件，能够提高继电器的励磁电流。在继电器两端并联了续流二极管，其作用是当达林顿管由导通到关断时，继电器也由导通变为关断，由于继电器是个感性负载，电流不能突变，线圈两端将产生很高的反向电势，以继续维持线圈中通过的电流。这个反向电势一般很高，容易造成三极管的击穿，加入续流二极管后，为反向电势提供了放电回路，从而保护三极管不会被击穿。第2.6节 串行通信接口电路目前，广泛使用的串行数据接口标准有RS-232，RS-422与RS-485三种。其中RS-232是美国电子工业协会正式公布的串口总线标准，也是目前最为常用的串行接口标准，用来实现计算机与计算机之间，计算机与外设之间的数据通讯。串行通信接口

34、的基本任务是实现数据格式化。来自CPU的是普通的并行数据，接口电路应具有实现不同串行通信方式下的数据格式化的任务。具体任务是：(l)进行串一并转换；(2)控制数据传输速率；(3)进行错误检测；(4)进行TTL与EIA电平转换；(5)提供EIA-RS-232接口标准所要求的信号线。由于CMOS电平和RS-232电平不匹配，因此要实现单片机和PC机之间通信，必须在它们之间加接电平转换器。系统设计采用MAXIM公司的RS-232接口芯MAX232，这是一种标准的RS-232接口芯片。MAX232只需+5V电源供电，其内部的电源变化成10V电源用于RS232通信。该芯片集成有两路收发器，可将单片机输入

35、的TTL/CMOS电平转换为RS232电平发送给PC机，或将从PC机接收的RS232电平转换为TTL/CMOS电平发送给单片机。MAX232为双列直插16脚封装。系统串口通信电路如图214所示。图214 串口通信电路 其中T2OUT连接上位机串口的RX端，R2IN连接上位机串口的TX端，R2OUT和T2IN是TTL/CMOS发送器的输出和输入端，分别连接单片机的RX(P3.0)和TX(P3.l)端。第2.7节 电源电路系统所用直流电源由三端集成稳压器组成的串联型直流稳压电源提供。设计中选用了LM7805，LM7815和LM7915三个三端集成稳压器，分别提供+5V、+15V和-15V直流电压，

36、输出电流均为1A。LM7805、LM7815和LM7915的连接方法一样。电源电路如图215和216所示。 图215 输出+5V直流电源 图216 输出+15V和-15V直流电源第2.8节 硬件抗干扰措施硬件抗干扰是应用系统最基本和最主要的抗干扰手段，一般从防和抗两方面入手来抑制干扰。其总的原则是：抑制或消除干扰源，切断干扰对系统的藕合通道，降低系统对干扰信号的敏感性。对于本系统，硬件抗干扰设计具体措施有：隔离、接地、滤波等常用方法。 (l)隔离主要用于过程通道的隔离。光电祸合器能有效地抑制尖峰脉冲及各种噪声干扰，提高信噪比。在输入、输出通道采用光电藕合器将控制系统与外围接口隔离；(2)接地接

37、地应遵循的基本原则是：数字地、模拟地、屏蔽地应该合理接地，不能混用。要尽可能地使接地电路各自形成回路，减少电路与地线之间的电流祸合。模拟电源和数字电源各自并接0.1uF的陶瓷电容(去藕电容)；(3)滤波电源系统干扰源主要是高次谐波。无源滤波器是一个简单的、有效的低通滤波器，它只让电网中基波通过，而对高次谐波有急剧的衰减作用，对串模干扰和共模干扰信号具有很强的双向抑制作用。第2.9节 本章小结本章主要介绍了温度控制系统的硬件电路主要模块的设计。在介绍了单片机及其存储器扩展电路的基础上设计了系统采用的传感器铂电阻采样电路，这是系统的模拟电路部分，为本温度控制系统提供了温度电信号。然后通过A/D转换

38、芯片AD7705把温度电信号转换成数字信号送入AT89C52中，通过微控制器，实现对温度信号的显示、判断及控制。最后系统输出的适当控制量驱动系统的执行机构-双向可控硅。通过可控硅调功对被控对象温控箱的加热，实现系统对被控对象的温度控制。第3章 软件设计 在微机测控系统中，软件与硬件同样重要。当系统的硬件电路设计好之后，系统的主要功能还是要靠软件来实现，而且软件的设计在很大程度上决定了测控系统的性能。为了满足系统的要求，编制软件时一般要符合以下基本要求： (l)易理解性、易维护性要达到易理解和易维护等指标，在软件的设计方法中，结构化设计是最好的一种设计方法，这种设计方法是由整体到局部，然后再由局

39、部到细节，先考虑整个系统所要实现的功能，确定整体目标，然后把这个目标分成一个个的任务，任务中可以分成若干个子任务，这样逐层细分，逐个实现； (2)实时性实时性是电子测量系统的普遍要求，即要求系统及时响应外部事件的发生，并及时给出处理结果。近年来，由于硬件的集成度与运算速度的提高，配合相应的软件，实时性比较容易满足设计要求； (3)准确性准确性对整个系统具有重要意义，尤其是测量系统，系统要进行一定量的运算，算法的正确性和准确性对结果有着直接的影响，因此在算法的选择、计算的精度等方面都要符合设计的要求； (4)可靠性可靠性是系统软件最重要的指标之一，作为能够稳定运行的系统，抗干扰技术的应用是必不可

40、少的，最起码的要求是在软件受到干扰出现异常时，系统还能恢复正常工作。 结合上述编制系统软件的基本要求，首先讨论软件的设计思想。第3.1节 软件设计思想 很多的单片机软件系统都是采用前、后台系统(也称超循环系统)。其中，应用程序是一个无限的循环，循环中调用相应的函数完成相应的操作，这部分可以看成是后台行为(background)。中断服务程序处理异步事件，这部分可以看成是前台行为(foreground)。后台也可以叫做任务级。前台也可以叫做中断级。时间相关性很强的关键操作(criticaloperation)一定是靠中断服务来保证的。本系统软件正是基于这种软件思想编制的。第3.2节 软件组成由于

41、整个系统软件相对比较庞大，为了便于编写、调试、修改和增删，系统软件的编制采用了模块化的设计。即整个控制软件由许多独立的小模块组成，它们之间通过软件接口连接，遵循模块内部数据关系紧凑，模块之间数据关系松散的原则，按功能形成模块化结构。系统的软件主要由主程序模块、数据采集模块、数据处理模块、控制算法模块等组成。主模块的功能是为其余几个模块构建整体框架及初始化工作；数据采集模块的作用是将A/D转换的数字量采集并储存到存储器中；数据处理模块是将采集到的数据进行一系列的处理，其中最重要的是数字滤波程序；控制算法模块完成控制系统的PID运算并且输出控制量。下面就介绍本系统几个主要的程序模块。第3.3节 主

42、程序模块主程序模块的主要工作是上电后对系统初始化和构建系统整体软件框架，其中初始化包括对单片机、A/D芯片和串口的初始化等。然后等待温度设定，若温度已经设定好了，判断系统运行键是否按下，若系统运行，则依次调用各个相关模块，循环控制直到系统停止运行。主程序模块的程序流程图如图32所示。在附录中给出了部分系统初始化源程序。 图32 主程序流程图第3.4节 数据采集模块数据采集模块的任务是负责温度信号的采集以及将采集到的模拟量通过A/D转换器转化为相应的数字量提供给单片机。数据采集模块的程序流程图如图33和图34。所示 图33 数据采集模块程序流程图 图34 A/D转换程序流程图第3.5节 数据处理

43、模块数据处理模块负责处理A/D转换后的数字量。其中最重要的环节是数字滤所以这里主要讨论系统采用的数字滤波程序。3.5.1 数字滤波模拟信号都必须经过A/D转换后才能为单片机接受，如果模拟信号受到扰动影响，将使A/D转换结果偏离真实值。因此仅仅对模拟量采样一次，我们是无法确定该结果是否可信的，必须经过多次采样，得到一个A/D转换的数据序列，通过某种处理后，才能得到一个可信度较高的结果。这种从数据序列中提取逼近真值数据的软件算法，通常称为数字滤波算法。常用的数字滤波方法有程序判断滤波法、中值滤波法、算术平均滤波法、一阶滞后滤波法、去极值平均滤波法等等，下面简要介绍这几种数字滤波方法。 (l)程序判

44、断滤波法首先要从经验出发，定出一个目标参数最大可能的变化范围。每次采样后都和上次的有效采样值进行比较，如果变化幅度不超过经验值，本次采样有效，否则，本次采样值应视为干扰而放弃，以上次采样值为准。 (2)中值滤波法对目标参数连续进行若干次采样，然后将这些采样进行排序，选取中间位置的采样值为有效值。(3)算术平均滤波法是对目标参数进行连续采样，然后求其算术平均值作为有效采样值。该算法适用于抑制随机千扰。采样次数越大，平滑效果越好，但系统的灵敏度要下降。算术平均滤波不能将明显的脉冲干扰消除，只是将其影响削弱。(4)一阶滞后滤波法是一种动态滤波方法，其表达式为： (31)式中 ：第n次采样值 ：上次滤

45、波结果输出值 ：第n次采样后滤波结果输出值 ：滤波平滑系数 ：滤波环节时间常数 T：采样周期 通常采样周期远小于滤波环节的时间常数，也就是输入信号的频率快，而滤波环节时间常数相对地小，这是一般滤波器的概念，所以这种滤波方法相当于RC滤波器。(5)去极值平均滤波法既采用去极值法去掉明显的脉冲干扰，又可对采样值进行平滑处理，在高、低速数据采集系统中，它都能削弱干扰，提高数据处理能力。本系统就采用了去极值平均滤波法。即对目标参数连续采样6次数据，然后对6次采样的数据由小到大排序，分别去掉最小值和最大值，将剩余的4个数据求其算术平均值，即得到本次A/D转换后的数字量。去极值平均滤波程序流程图如图35所

46、示，附录中给出了去极值平均滤波的源程序。 图35去极值平均滤波程序流程图3.5.2 显示处理显示处理模块主要完成人机交互作用，具体实现将采样温度值、设定温度值以字符的形式通过液晶显示出来。本系统使用HT1621作为显示驱动器。HT1621是128点内存映象和多功能LCD驱动器。附录中给出了显示处理模块的源程序。第3.6节 软件抗干扰措施 本系统中，在软件方面的抗干扰措施主要从以下两个个方面来考虑：(l)按键的软件消抖措施按键是一个机械开关，当键按下时，开关闭合；当键松开时，开关断开。其特点之一就是它的抖动性，这是由按键的机械特性所决定的，抖动的时间一般约为10ms-20ms。对于按键消抖的具体

47、措施目前有两种：一是用硬件电路来实现，即用RC滤波电路滤除抖动。另一种是用软件延时的方法来解决，即利用软件的延时避开按键的按下与抬起时都有的抖动期，从而避免检测到干扰信号。本文采用的就是软件延时消抖的方法。附录中给出了延时程序的源程序，同时延时程序还作为通用功能模块被其他模块调用。(2)数字滤波数字滤波是将一组输入数字序列进行一定的运算而转换成另一组输出数字序列的方法，采用软件滤波算法不需要增加硬件设备，可靠性高，功能多样，使用灵活，但是要占用一定的处理器运行时间。在本系统设计中，采用了数字滤波的软件抗干扰措施，所采用的数字滤波算法是去极值平均滤波法。第3.7节 本章小结 本章在分析了系统软件

48、组成的基础之上，采用传统的前、后台方式编制系统软件，分别介绍了系统中的主程序模块、数据采集模块、数据处理模块。并在此基础上讨论了系统的软件抗干扰措施。第4章 控制方案第4.1节 PID控制4.1.1 PID控制的发展 PID控制8是最早发展起来的控制策略之一，现今使用的PID控制器产生并发展于1915-1940年期间。尽管自1940年以来，许多先进的控制方法不断推出，但由于PID控制方法具有结构简单、鲁棒性好、可靠性高、参数易于整定，P、I、D控制规律各自成独立环节，可根据工业过程进行组合，而且其应用时期较长，控制工程师们已经积累了大量的PID控制器参数的调节经验。因此，PID控制器在工业控制

49、中仍然得到广泛应用。据统计，有90%以上的工业控制器采用PID控制器。 PID控制器的发展经历了液动式、气动式、电动式几个阶段，目前正由模拟控制器向着数字化、智能化控制器的方向发展。4.1.2 PID控制理论PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值y(t)构成控制偏差e(t)： e(t)=r(t)-y(t) ( 41)将偏差e(t)的比例(Proportional)、积分(Integral)和微分(Derivative)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，因此称为PID控制。PID控制系统原理10如图41所示。 图41 PID控制系统原理框图其控制规律为 (42)

50、或者写成传递函数的形式为 (43)式中 ：比例系数； ：积分时间常数； ：微分时间常数PID控制器各校正环节的作用如下： 1.比例环节：比例环节的引入是为了及时成比例地反映控制系统的偏差信号e(t)；2.积分环节：积分环节的引入主要用于消除静差； 3.微分环节：微分环节的引入是为了改善系统的稳定性和动态响应速度。第4.2节 PID控制算法 由于计算机控制是一种采样控制系统，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。因此，(42)式中的积分和微分项不能直接使用，需要进行离散化处理。现令T为采样周期，以一系列的采样时刻点kT代表连续时间t，以累加求和近似代替积分，以一阶后向差分近似代替微分，做如下的近

51、似变换： t=KT (44) (45) (46)其中，T为采样周期，e(k)为系统第k次采样时刻的偏差值，e(k-l)为系统第(k-l)次采样时刻的偏差值，k为采样序号，k=0，1，2，。 将上面的(45)式和(46)式代入(42)式，则可以得到离散的PID表达式 (47)如果采样周期了足够小，该算式可以很好的逼近模拟PID算式，因而使被控过与连续控制过程十分接近。通常把(47)式称为PID的位置式控制算法。若在(47)式中，令： (称为积分系数) ； (称为微分系数)则 (48)(48)式即为离散化的位置式PID控制算法的编程表达式。可以看出，每次输出与过去的所有状态都有关，要想计算u(k)

52、，不仅涉及e(k)和e(k-l)，且须将历次e(j)相加，计算复杂，浪费内存。下面，推导计算较为简单的递推算式。为此，对(48)式作如下的变动：考虑到第(k-l)次采样时有 (49)使(48)式两边对应减去(49)式，得 整理后的 (410) 其中，(410)式就是PID位置式得递推形式。 如果令则 (411)式中的同(4.11)式中的一样。 因为在计算机控制中、都可以事先求出，所以，实际控制时只须获得e(k)、e(k-l)、e(k-2)三个有限的偏差值就可以求出控制增量。由于其控制输出对应执行机构的位置的增量，故(411)式通常被称为PID控制的增量式算式。本系统的控制算法即采用增量式的PI

53、D控制算法。其程序流程图如图42所示。图42 增量式PID控制算法程序流程图附录中给出了本系统的PID控制算法源程序。第4.3节 本章小结本章介绍了PID的发展及其控制理论，并设计了PID控制算法系统调试第5.1节 TKS仿真器与集成开发环境KEIL5.1.1 TKS仿真器 仿真的概念其实使用非常广，最终的含义就是使用可控的手段来模仿的情况。单片机系统开发中的仿真包括软件仿真和硬件仿真。 (l)软件仿真这种方法主要是使用计算机软件来模拟实际的单片机运因此仿真与硬件无关的系统具有一定的优点。用户不需要搭建硬件电路就可对程序进行验证，特别适合于偏重算法的程序。软件仿真的缺点是无法完全真与硬件相关的

54、部分，因此最终还要通过硬件仿真来完成最后的设计；(2)硬件仿真使用附加的硬件来替代用户系统的单片机并完成单片机部或大部分的功能。使用了附加硬件后用户就可以对程序的运行进行控制。在单片机应用系统的开发过程中，程序的设计是最为重要的但也是难度大的工作，一种最简单和原始的开发流程是：编写程序，烧写芯片并验证功这种方法对于功能简单的小系统是可以对付的，但在比较大的系统中使用这方法则是完全不可能的。此时就需要用到仿真器。在本系统软件设计调试的过程中使用的是TKS58型仿真器。彻底解决80C51开发中仿真工具的瓶颈问题。TKS系列仿真器在硬件上采用了PHILIPS授权HOOKS/Bondout仿真术，并加

55、以改进，几乎支持所有的80C51系列单片机的实时仿真，能保证更加方便的操作和更加真实的仿真效果并能直接或通过简单的升级支持PHLIPS陆续推出的全系列80C51内核单片机，每种型号的仿真器均能支种不同型号80C51单片机的仿真。TKS系列仿真器还可以同KEIL调试软件衔接并得到KEIL公司的强力技术援助具备强大的调试功能。5.1.2 集成开发环境KEIL KEIL IDE Vision2集成开发环境是德国KEIL software Inc/KEIL Elektronik GmbH开发的基于80C51内核的微处理器软件开发平台。它可以完成从工程建立和管理、编译连接目标代码的生软件仿真、硬件仿真等

56、完整的开发流程。尤其它的C编译工具在产生代码确性和效率方面达到了很高的水平，而且可以附加灵活的控制选项，在开发型项目时非常理想。 KEIL IDE Vision2集成开发环境主要由以下部分组成：(l) Vision2 IDE Vision2 IDE 包括：一个工程管理器，一个功能丰富并有交互式错误提示的编辑器选项设置生成工具。使用 vision2创建源文件并组应用工程加以管理。 vision2可以自动完成编译汇编链接程序的操作； (2)C51编译器和A51汇编器 由 Vision2 IDE创建的源文件可以被C51编译器或A51汇编器处理生成可定位的object文件。KEIL C51编译器遵照A

57、NSI C语言标准支持C语言的所有准特性，另外还增加了几个可以直接支持80C51结构的特性。KEIL A51宏汇器支持80C51及其派生系列的所有指令集； (3)LIB51库管理器 LIB51库管理器可以从由汇编器和编译器创建的目标文件建立目标库，些库是按规定格式排列的目标模块，可在以后被链接器所使用当链接器处理个库时仅仅使用了库中程序使用了的目标模块而不是全部加以引用；(4)BL51链接器定位器BL51链接器使用从库中提取出来的目标模块和由编译器汇编器生成的标模块创建一个绝对地址目标模块，绝对地址目标文件或模块包括不可重定的代码和数据所有的代码和数据都被固定在具体的存储器单元中。绝对地址标文

58、件可以用于： 编程EPROM或其它存储器设备；由 Vision2调试器对目标进行调试和模拟；使用在线仿真器进行程序测试。(5) Vision2软件调试器 Vision2软件调试器能十分理想地进行快速可靠的程序调试。调试器包一个高速模拟器，可以使用它模拟整个80C51系统包括片上外围器件和外部件； (6)Vision2硬件调试器 Vision2调试器向您提供了几种在实际目标硬件上测试程序的方法。安装MON51目标监控器到目标系统并通过Monitor-51接口下载程序，使用高级GD1接口将 Vision2调试器同TKS系列仿真器的硬件系统相连接，通过Vision2的机交互环境指挥连接的硬件完成仿真

59、操作。5.1.3 利用KEIL开发系统软件流程 利用KEIL开发和调试系统软件流程大致如下： (l)启动 Vision2，进入KEIL软件的集成开发环境； (2)利用KEIL内置的文本编辑器进行程序源文件的编辑； (3)建立工程，指定针对哪种单片机进行开发，指定对源程序的编译、链参数，指定调试方式，然后对工程进行相关设置；(4)设置好工程后即可进行编译、链接。连接仿真器对软件进行调试。也以生成下载到单片机存储器上的HEX文件。第5.2 节 系统软件调试 系统的软件调试借助于TKS仿真器，在进行系统软件的连续调试之前进行软件的初调，就是要使各个子程序模块运行正确，程序的运行流程正软件调试主要分以

60、下几个步骤进行： (1)功能子程序的调试功能子程序的调试包括运算、采样、数字滤波以及PID运算等子程序试。在调试功能子程序时，许多参数都是未知的，要根据其所需的条件，假定的数据，使其运行，如果能完成预定的处理功能或与手工计算的结果相就说明该子程序己调试通过。调试时由小到大，由里到外；(2)程序流程的调试 程序流程的调试主要是查看程序运行的步骤是否正确，在某时刻程序运所处的位置是否正确，是否能正确运行各个中断服务程序。在调试过程中，将PID算法子程序屏蔽，输出可控硅导通时间用一个固定的常数代替，在各中断服务子程序设置断点，然后运行程序，查看程序是否能运行到所有的断若所有断点都能运行到，则程序流程