基于单片机的pid温度控制系统

基于单片机的pid温度控制系统内容摘要：

别在原有 8 位单片机的基础上推出了 16 位单片机 HPC16040 和 μPD783系列。 1987 年 Intel 公司又宣布了 比 8096 性能 高两倍的 CMOS 型 80C196 单片机 ，1988 年推出带 EPROM 的 87C196 单片机。 由于 16 位单片机推出的时间 比 较迟、价格昂贵、开发 设备有限等多种原因，至今还 不能 得到广泛应用。 而 8 位单片机已经可以 满足大部分应用的需要，因此，在推出 16 位单片机的同时，高性能的新型 8 位单片机也不断问世。 纵观这短短的 20 年， 已经 经历了 4 次更新换代，单片机正朝着集成化、多功能、多选择、高速度、低功耗、扩大存储容量和加强 I/O 功能及结构兼容的方向发展。 新一代的 80C51 系列单片机除了上述的结构特性外，其最主要的技特点是向外部接口电路扩展，以实现微控制器（ microcontroller）完善的控制功能为己任。 这一系列单片机为外部提供了 非常 完善的总线结构，为系统的 扩展和配置打下了良好的基础。 由于 80C51 系列单片机所具有的一系列优越的特点，获得广泛使用是 指日可待 的 [7]。 下面我们就来重点介绍一下本毕业论文讨论的系统所用的 AT89C51 系列单片机。 AT89C51 系列单片机介绍 AT89C51 系列基本组成及特性 AT89C51 是一种带 4k 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（ FPEROM— Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能 CMOS8 位微处理器，俗称单片机。 而在众多的 51 系列 单片机中，要算 ATMEL 公司的 AT89C51更实用，也是一种高效微控制器，因为它不但和 8051 指令、管脚完全兼容，而且其片内的 4K 程序存储器是 FLASH 工艺的，这种工艺的存储器，用户可以用电的方式达到瞬间擦除、改写。 而这种单片机对开发设备的要求 非常 低，开发时间也能 大大缩短。 AT89C51 基本功能描述如下： AT89C51 是一种低损耗、高性能、 CMOS 八位微处理器，而且在其片种还有 4k 字节的在线可重复编程快擦快写程序存储器，能重复写入 /擦除 1000 次，数据保存时间为十年。 它与 MCS51 系列单片机在指令系 统和引脚上完全兼容，不仅可完全代替 MCS51 系列单片机，而且能使系统具有许多 MCS51 系列产品没有的功能。 AT89C51 可 以 构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积 ， 增加系统的可靠性，降低了系统成本。 只要程序长度小于4k， 四个 I/O 口 就会 全部提供给用户。 可 采 用 5V 的 电压 来 编程，而且写入时间仅 10 毫秒 ， 仅为 8751/87C51 的擦除时间的百分之一，与 8751/87C51 的 12V 电压擦写相比 ， 不易损坏器件 ， 没有两种电源的要求，改写时不拔下芯片，适合许多嵌入式控制领域。 AT89C51 芯片 有 三级程序存储器锁 定加密，提供了方便灵活而可靠的硬加密手段 ， 能完全保证程序或系统不被仿制。 另外 ， AT89C51 还 同时具有 MCS51 系列单片机的所有优点。 1288 位内部 RAM， 32 位双向输入输出线 ， 两个十六位定时器 /计时器 ， 5 个中断源 ， 两级中断优先级 ， 一个全双工异步串行口及时钟发生器等。 AT89C51 具 有间歇、掉电两种工作模式。 间歇模式是由软件来设置的 ， 当外围器件仍然处于工作状态时 ， CPU 可根据工作情况适时地进入睡眠状态 ， 内部 RAM 和所有特殊的寄存器值将保持不变。 这种状态 会 被任何 一个中断所终止或通过硬件复位。 掉电模式是 指 VCC 电压低于电源下限 ， 当振荡器停止振动时 ， CPU 停止执行指令。 该芯片内 RAM 和特殊功能寄存器值 会 保持不变 ， 一直到掉电模式被终止。 只有 在 VCC 电压恢复到正常工作范围 内并且在振荡器稳定振荡后，通过硬件复位、掉电模式 才 可被终止。 AT89C51 系列引脚功能 AT89C51 有 40 引脚双列直插（ DIP）形式。 其 结构 与 80C51 引脚结构基本相同，其逻辑引脚图如图 21。 图 21 AT89C51 逻辑引脚图 各引脚功能叙述如下： 电源和晶振 VCC—— 运行和程序校验时加 +5V GND—— 接地 XTAL1—— 输入到振荡器的反向放大器 XTAL2—— 反向放大器的输出，输入到内部时钟发生器 （当使用外部振荡器时， XTAL1 接地， XTAL2 接收振荡器信号） 1． RST：复位输入。 当振荡器复位器件时， 需 要保持 RST 脚两 个机器周期的高电平时间。 2． I/O（ 4 个口， 32 根） P0 口 —— 8 位、漏极开路的双向 I/O 口。 当使用片外存储器（ ROM、 RAM） 时，作地址和数据分时复用。 在程序校验期间，输出指令字节（需加外部上拉电路）。 P0 口（作为总线时）能驱动 8 个 LSTTL 负载。 P1 口 —— 8 位、准双向 I/O 口。 在编程 /校验 的时候 ，用于输入低位字节地址。 P1 口可驱动 4 个 LSTTL 负载。 对于 80C51， —— T2，是定时器的计数端且位输入； —— T2EX，是定时器的外部输入端。 这 时候 ，读两个特殊输入引脚的输出锁存器应由程 序置 1。 P2 口 —— 8 位、准双向 I/O 口。 当使用片外存储器（ ROM 及 RAM）时，输出高 8 位地址。 在编程 /校验 的时候 ，接收高位字节地址。 P2 口可以驱动 4 个 LSTTL负载。 P3 口 —— 8 位、准双向 I/O 口，具有内部上拉电路。 P3 口 可以 提供各种替代功能。 在提供这些功能 的时候 ，其输出锁存器应由程序置 1。 P3 口可以输入 /输出4 个 LSTTL 负载。 3．串行口 —— RXD（串行输入口），输入。 —— TXD（串行输出口），输出。 4．中断 —— INT0 外部中断 0，输入。 —— INT1 外部中断 1，输入。 5．定时器 /计数器 —— T0 定时器 /计数器 0 的外部输入，输入。 —— T1 定时器 /计数器 1 的外部输入，输入。 6．数据存储器选通 —— WR 低电平有效，输出，片外存储器写选通。 —— RD 低电平有效，输出，片外存储器读选通。 7．控制线 (共 4 根 ) 输入： EA/VPP—— 片外程序存储器访问允许信号，低电平有效。 在编程时，其上 需要 施加 21V 的编程电压。 注意：在加密方式 为 1 时， EA 将内部锁定为 RESET；当 EA 端保持高电平 时，此间内部程序存储器。 在 FLASH 编程期间，此引脚也 可以 用于施加 12V 编程电源 （ VPP）。 输入、输出： ALE/PROG—— 地址锁存允许信号，输出。 在 ALE 以 1/6 的振荡频率稳定速率输出 时 ，可用作对外输出的时钟或用于定时。 在 EPROM 编程 的时候 ，作输入，输入编程脉冲（ PROG）。 ALE 可以驱动 8 个 LSTTL 负载。 当访问外部存储器 的时候 ，地址锁存 所 允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。 在 FLASH 编程 的时候 ，此引脚用于输入编程脉冲。 在平时 的时候 ， ALE 端以不变的频率周期输出正脉 冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。 因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。 注意：每当用作外部数据存储器 的时候 ，将跳过一个 ALE 脉冲。 如 果 想 要 禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0。 此时， ALE 只有在执行 MOVX 指令 ，而 MOVC 指令是 ALE 才起作用。 另外，该引脚 会 被略微 的 拉高。 如果微处理器处于 外部执行状态 ALE 禁止，置位无效。 输出： PSEN—— 片外程序存储器选通信号，低电平有效。 在从片外程序存储器取址的时候 ，在每个机器周期中，当 PSEN 有效 的时候 ，程序存储器的内容被送上 P0口（数据总线）。 PSEN 可以驱动 8 个 LSTTL 负载。 AT89C51 系列单片机的功能单元 1．并行 I/O 接口： 单片机芯片内 具 有一项主要功能就是并行 I/O 口。 51 单片机 系列共有 4 个 8位的并行 I/O 口，分别记作 P0、 P P P3 每个口都包含一个锁存器，一个输出驱动器和输入缓冲器。 实际上，它们已 经 被归 为 专用寄存器之列，并且具有字节寻址和位寻址功能。 在访问片外扩展存储器 的时候 ，低八位地址和数据由 P0口分时传送，高八位地址由 P2 口传送。 2．定时器 /计数器 ： 定时器 /计数器（ timer/counter）是单片机中的重要 部件，其工作方式灵活、编程简单，使用它对减轻 CPU 的负担和简化外围电路都大有好处。 C51 单片机 系列包含有两个 16 位的可编程定时器 /计数器分别称为定时器 /计数器 T0 和定时器 /计数器 T1；在 C51 部分产品中，还包含有一个用做看门狗的 8位定时器。 定时器 /计数器的核心是一个加 1 计数引脚上施加器，其基本 的 功能是加 1 功能。 在单片机的定时器 T0 或 T1 中，有一个定时器 在 发生由 0 到 1 的跳变时，计数器增 1，即为计数功能；在单片机内部对机器周期或其分频进行计数，从而得到定时，这就是定时功能。 在单片机中，定时功能和计数功能的设定 和控制都是 需要 通过软件来进行的。 定时器 /计数器 的 内部结构及其原理：由定时器 0、定时器 定时器方式寄存器 TMOD 和定时器控制寄存器 TCON 组成。 当定时器 /计数器设置为定时工作方式时，计数器 会 对内部机器周期计数，每过一个机器周期，计数器加 1，直至计满溢出。 定时器的定时时间与系统的振荡频率紧密相关，因为 C51 系列单片机的一个机器周期由 12 个振荡脉冲组成，所以，计数频率 fc=fosc/12。 如果单片机系统采用 12MHz 晶振，则计数周期为 ： （ ） 这是最短的定时周期，适当选择定时器的初值可获取各种定时时间。 当定时器 /计数器设置为计数工作方式时，计数器对来自输入引脚 T0（ ）和 T1（ ）的外部信号计数，外部脉冲的下降沿将触发计数。 在每个机器周期的 S5P2 期间采样引脚输入电平，若前一个机器 的 周期采样值为 1，后一个机器 的周期采样值为 0，则计数器加 1。 新的计数值是在检测到输入引脚电平发生 从 1到 0 的负跳变后，于下一个机器周期的 S3P1 期间装入计数器中的，可见，检测一个由 1 到 0 的负跳变需要两个机器周期，所以最高检测频率为振荡频率的 1/24。 计数器对外部输入信号的占空比没有 什么 特别的限制，但必须保证输入信号的高电平与低电平的持续时间在一个机器周期以上。 3．振荡器 ： XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出。 该反向放大器可 被 配置为片内振荡器。 石晶振荡和陶 瓷振荡均可 以 采用。 如 果 采用外部时钟源驱动器件，XTAL2 应不接。 当输入至内部时钟信号时需要通过一个二分频触发器，而对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 4．芯片擦除 ： 整个 PEROM 阵列和三个锁定位的电擦除可 以 通过正确的控制信号组合，并保持 ALE 管脚处于低电平 10ms 来完成。 在芯片 被 擦除操作中，代码阵列全被 “ 1”并 且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。 AT89C51 设有稳态逻辑，可以 使其 在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。 在闲置模式下， CPU 停止工作。 但 RAM、定时器、计数器、串口和中断系统仍在工作。 在掉电模式下，保存 RAM 的内容并且冻结振荡器，禁止 用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。 5．中断系统 ： 中断系统是单片机的重要组成部分 之一。 实时控制、故障自动处理、单片机与外围设备 之 间的数据传送往往采用中断系统。 中断系统大大 的 提高了系统的效率。 C51 系统有关 于 中断的寄存器有 4 个，分别为中断源寄存器 TCON 和 SCON、中断允许控制寄存器 IE 和中断优先级控制寄存器 IP；中断源有 5 个，分别为外部中断 0 请求 INT0、外部中断 1 请求 INT定时 器 0 溢出中断请求 TF0、定时器 1 溢出中断请求 TF1 和串行中断请求 R1 或 T1。 5 个中断源的排列顺序由中断优先级控制寄存器 IP 和顺序查询逻辑电路共同决定， 5 个中断源分别对应 5 个固定的中断入口地址。 中断的 主要 特点是分时操作，实时处理和故障处理 [8]。 简单介绍一下本次设计所需的单片机芯片 AT89C51 的中断系统中要用到的中断类型。 （ 1） 外部中断源 AT89C51 具 有 INT0 和 INT1 两条外部中断请求输入线 ， 用于输入两个外部中断源的中断请求信号 ， 并允许外部中断源以低电平或负边沿两种中断触发方式来输入中断请 求信号。 AT89C5。