毕业设计---基于at89c51单片机温度控制系统设计

毕业设计---基于at89c51单片机温度控制系统设计内容摘要：

作用具有滞后特性，积分控制作用太强会使系统超调加大，控制的动态性能变差，甚至会使闭环系统不稳定。 积分时间 T i，对积分部分的作用影响极大。 当 T i，较大时，则积分作用较弱，这时，有利于系统减小超调，过渡过程不易产生振荡。 但是消除静差所需的时间较长。 当 T i 较小时，则积分作用较强。 这时系统过渡过程中有可能产生振荡，但消除静差所需的时间较短。 第二章 系统分析 8 (3)微分部分 微分部分数学表达式表示如下 ： dttdekpTd )( 微 分控制敏感出偏差的变化趋势，增大微分控制作用可加快系统响应，减小超调量，克服振荡，提高系统的稳定性，但使系统抑制干扰的能力降低。 微分部分的作用强弱由微分时间 Td 决定。 Td 越大，则它抑制 e(t)变化的作用越强， Td 越小，它反抗 e(t)变化的作用越弱。 它对系统的稳定性有很大的影响。 在计算机直接数字控制系统中， PID 控制器是通过计算机 PID 控制算法程序实现的。 计算机直接数字控制系统大多数是采样数据控制系统。 进入计算机的连续时间信号，必须经过采样和整量化后，变成数字量，方能进入计算机的存贮器和寄存器，而在数字计算 机中的计算和处理，不论是积分还是微分，只能用数值计算去逼近。 在数字计算机中， PID控制规律的实现，也必须用数值逼近的方法。 当采样周期相当短时，用求和代替积分，用差商代替微商，使 PID 算法离散化，将描述连续时间算法的微分方程，变为描述离散一时间 PID 算法的差分方程，即为数字 PID 位置型控制算式，如下式 (22)： Ts kekeTdieTiTskekpku ki )1()()()([)( 0   (22) 式中： u(k)为 k 采样周期时的输出 e(k)为 k 采样周期时的偏差 Ts 为采样周期 令 KI=KpTs/Ti, KD=KpTd/Ts,即有 )]1()([)()()( 0   kekeKDieKIkK peku ki (23) 其中 Kp、 KI、 KD分别为比例、积分、微分系数。 PID 控制是迄今为止最通用的控制方法。 大多数反馈控制用该方法或其较小的变形来控制。 PID 调节器及其改进型是在工业过程控制中最常见的控制器 (至今在全世界过程控制中用的 84%仍是纯 PID 调节器，若改进型包含在内则超过 90%)。 我们今天所熟知的 PID控制器产生并发展于 19151940 年期间。 尽管自 1940 年以来，许 多先进控制方法不断推出，但 PID 控制器以其结构简单，及易于操作等优点，仍被广泛应用于冶金、化工、电力、轻工和机械等工业过程控制中。 南京工业大学本科生毕业设计 (论文 ) 9 模糊 PID 控制 常规的二维模糊控制器是以偏差和偏差变化作为输入变量，因此，一般认为这种控制器具有 Fuzzy比例和微分控制作用，而缺少 Fuzzy积分控制作用，众所周知，在线性控制理论中，积分控制作用能消除稳态误差，但动态响应慢；比例控制作用动态响应快；而比例积分控制作用既能获得较高的稳态精度，又能具有较快的动态响应。 故把 PI(PID)控制策略引入模糊控制器，构成 FuzzyPI(或 PID)复合控制，使动静态性能都得到很好的改善，即达到动态响应快，超调小、稳态误差小。 模糊控制和 PID控制结合的形式有多种 ： (1)模糊 PID复合控制 控制策略是 :在大偏差范围内，即偏差 e在某个闭值之外时采用模糊控制，以获得良好的瞬态性能 :在小偏差范围内，即 e落到阐值之内时转换成 PID(或 PI)控制，以获得良好的稳态性能。 二者的转换阐值由微机程序根据事先给定的偏差范围自动实现。 常用的是模糊控制和 PI控制两种控制模式相结合的控制方法称之为 FuzzyPI双模控制。 (2)比例 模糊 PI控 制 当偏差 e大于某个阈值时，用比例控制，以提高系统响应速度，加快响应过程；当偏差e减小到闭值以下时，切换转入模糊控制，以提高系统的阻尼性能，减小响应过程中的超调。 在该方法中，模糊控制的论域仅是整个论域的一部分，这就相当于模糊控制论域被压缩，等效于语言变量的语言值即分档数增加，提高了灵敏度和控制精度。 但是模糊控制没有积分环节，必然存在稳态误差，即可能在平衡点附近出现小振幅的振荡现象。 故在接近稳态点时切换成 PI控制，一般都选在偏差语言变量的语言值为零时， (这时绝对误差实际上并不一定为零 )切换至 PI控制。 (3)模糊 积分混合控制 模糊 积分混合控制是将常规积分控制器和模糊控制器并联构成的。 (4)参数模糊自整定 PID控制 PID控制的关键是确定 PID参数，该方法是用模糊控制来确定 PID参数的，也就是根据系统偏差 e和偏差变化率 ec，用模糊控制规则在线对 PID参数进行修改。 其实现思想是先找出 PID各个参数与偏差 e和偏差变化率 ec之间的模糊关系，在运行中通过不断检测 e和 ec，在根据模糊控制原理来对各个参数进行在线修改，以满足在不同 e和 ec对控制参数的不同要求，使控制对象具有良好的动、静态性能，且计算量小，易于用单片机实 现。 其原理框图第二章 系统分析 10 如图 22所示 ： 图 22 参数模糊自整定 PID控制算法原理图 系统开发环境 1． Protel99 SE 软件 Protel 公司近 10 年来致力于 Windows 平台开发的最新结晶 ,能实现从电学概念设计到输出物理生产数据 ,以及这之间的所有分析、验证和设计数据管理。 因而今天的 Protel 最新产品已不是单纯的 PCB（印制电路板）设计工具 ,而是一个系统工具 ,覆盖了以 PCB 为核心的整个物理设计。 最新版本的 Protel 软件可以毫无障碍地读 Orcad、 Pads、 Accel(PCAD)等知 名 EDA 公司设计文件 ,以便用户顺利过渡到新的 EDA 平台。 Protel99 SE主要由原理图设计系统、印制电路板设计系统两大部分组成。 （ 1） 原理图设计系统 这是一个易于使用的具有大量元件库的原理图编辑器，主要用于原理图的设计。 它可以为印制电路板设计提供网络表。 该编辑器除了具有强大的原理图编辑功能以外，其分层组织设计功能、设计同步器、丰富的电气设计检验功能及强大而完善的打印输出功能，使用户可以轻松完成所需的设计任务。 （ 2） 印制电路板设计系统 它是一个功能强大的印制电路板设计编辑器，具有非常专业的交互 式布线及元件布局的特点，用于印制电路板（ PCB）的设计并最终产生 PCB文件，直接关系到印制电路板的生产。 Protel99SE的印制电路板设计系统可以进行多达 32层信号层、 16层内部电源 /接地层的布线设计，交互式的元件布置工具极大地减少了印制板设计的时间。 南京工业大学本科生毕业设计 (论文 ) 11 同时它还包含一个具有专业水准的 PCB信号完整性分析工具、功能强大的打印管理系统、一个先进的 PCB三维视图预览工具。 此外， Protel99SE还包含一个功能强大的基于SPICE 3f5的模 /数混合信号仿真器，使设计者可以方便地在设计中对一组混合信号进行仿真分析。 同时，它还提供了一个高效、通用的可编程逻辑器件设计工具。 Protel99 SE 共分 5 个模块 ,分别是原理图设计、 PCB 设计（包含信号完整性分析）、自动布线器、原理图混合信号仿真、 PLD 设计。 以下介绍一些 Protel99SE 的部分最新功能： ◆可生成 30 多种格式的电气连接网络表 ； ◆强大的全局编辑功能； ◆在原理图中选择一级器件 ， PCB 中同样的器件也将被选中 ； ◆同时运行原理图和 PCB， 在打开的原理图和 PCB 图间允许双向交叉查找元器件、引脚、网络； ◆既可以进行正向注释元器件标号（由原理 图到 PCB） ， 也可以进行反向注释（由 PCB到原理图），以保持电气原理图和 PCB 在设计上的一致性 ； ◆满足国际化设计要求（包括国标标题栏输出 ,GB4728 国标库） ； 方便易用的数模混合仿真（兼容 SPICE 3f5）； ◆支持用 CUPL 语言和原理图设计 PLD,生成标准的 JED 下载文件 ； PCB 可设计 32 个信号层 ， 16 个电源 地层和 16 个机加工层； ◆强大的 “ 规则驱动 ” 设计环境 ， 符合在线的和批处理的设计规则检查 ； ◆智能覆铜功能 ， 覆铀可以自动重铺 ； ◆提供大量的工业化标准电路板做为设计模版 ； ◆放置汉字功能 ； ◆可以输入和输出 DXF、 DWG 格式文件 ,实现和 AutoCAD 等软件的数据交换 ； ◆智能封装导航（对于建立复杂的 PGA、 BGA 封装很有用） ； ◆方便的打印预览功能 ,不用修改 PCB 文件就可以直接控制打印结果 ； ◆独特的 3D 显示可以在制板之前看到装配事物的效果 ； ◆强大的 CAM 处理使您轻松实现输出光绘文件、材料清单、钻孔文件、贴片机文件、测试点报告等 ； ◆经过充分验证的传输线特性和仿真精确计算的算法 ， 信号完整性分析直接从 PCB 启动 ； ◆反射和串扰仿真的波形显示结果与便利的测量工具相结合 ； 第二章 系统分析 12 下面简单介绍 Protel99se 的使用，首先新建设计数据库文件，点击 File(文件 )中 new 项，新建设计数据库（如图 23）。 图 23 界面 在 Browse 选项中选取需要存储的文件夹，然后点击 OK 即可建立自己的设计数据库。 图 24 操作界面 南京工业大学本科生毕业设计 (论文 ) 13 图 25 Protel99SE 界面图 2. KeilC51 软件简介 KeilC51 是美国 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容单片机 C 语言软件开发系统 ，与汇编相比 C 语言在功能上 ， 结构性 ， 可读性 ， 可维护性上有明显的优势 ， 因而易学易用。 用过汇编语言后再使用 C 来开发 ， 体会更加深刻。 Keil C51 软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具 ， Windows 界面。 另外重要的一点 ， 只要看一下编译后生成的汇编代码 ， 就能体会 到 Keil C51 生成的目标代码效率非常之高 ， 多数语句生成的汇编代码很紧凑 ， 容易理解。 在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。 这个集成开发环境包含：编译器，汇编器，实时操作系统，项目管理器，调试器。 uVision2 IDE 可为它们提供单一而灵活的开发环境。 uVision2 包含一个器件数据库 (device database)，可以自动设置汇编器、编译器、连接定位器及调试器选项，来满足用户充分利用特定微控制器的要求。 此数据库包含：片上存储器和外围设备的信息，扩展数据指针 (extra data pointer)或者加速器(math accelerator)的特性。 C51 编译器可以实现对 8051 系列所有资源的操作。 SFR 的存取由 sfr 和 sbit 两个关键字来提供。 变量可旋转到任一个地址空间。 C51 允许用户使用 C 语言编写中断服务程序，快速进、出代码和寄存器区的转换功能使 C 语言中断 功能更加高效。 可再入功能是用关键字来定义的。 多任务，中断或非中断的代码要求必须具备可再入功能。 C51 工具包的整体结构 ， 如图 26， 其中 uVision 与 Ishell 分别是 C51 for Windows 和for Dos 的集成开发环境 (IDE)， 可以完成编辑 ， 编译 ， 连接 ， 调试 ， 仿真等整个开发流程。 开发人员可用 IDE 本身或其它编辑器编辑 C 或汇编源文件 .然后分别 由 C51 及 A51 编译第二章 系统分析 14 器编译 生成目标文件 (.OBJ).目标文件可由 LIB51 创建生成库文件 ， 也可以与库文件一起经 L51 连接定位 生成绝对目标文件 (.ABS).ABS 文件由 OH51 转换成标准的 Hex 文件 ，以供调试器 dScope51 或 tScope51 使用进行源代码级调试 ， 也可由仿真器使用直接对目标板进行调试 ， 也可以直接写入程序存贮器如 EPROM 中。 图 26整体结构 Keil 公司的 uVision3 整合式开发环境（ integrated development environment，简称 IDE）是一套相当好用的 8051开发软件，在整合式开发环境里，包括项目管理器（ project manage）、源程 序编辑器（ editor）、组译器（ assembler）、编译器（ plier）、链接器（ linker/locator）、调试器（ debugger）等，我们可以从建立设计项目开始，然后编辑源程序（ C 语言或汇编语言）、编译、组译、链接，再进行调试，而调试就是一种程序功能仿真。 当然，还能。