基于单片机炉温控制系统设计

基于单片机炉温控制系统设计内容摘要：

7所示。 图 37 光电隔离及放大电路 过零检测电路 过零检测电路在每一个电源周期开始时产生一个脉冲，作为触发器的同步信号 , 计数器 T0对其进行计数。 其电路如图 35所示。 220V交流电压经电阻限流后直接加到 2个反相并联的光电偶器的输入端。 在交流电源的正负半周 , 分别导通 , 输出低电平 , 在交流电源正弦波过零的瞬间 ,两个光电耦合器均不导通 , 输出高电平。 该脉冲信号经非门整形后作为单片机的中断请求信号和可控硅的过零同步信号。 图 38 过零检测电路 12 4 软件设计 本系统的控制软件可设计为一个主程序和一个 T0通道中断服务程序。 主程序的功能是完成系统初始化及温度和设定参数的显示，由于只有 4位 LED，而温度 BCD码设定值正常工作时应在 85左右，不可能太小，故可以用它设定为小值时来选择显示参数； T0通道可定时 100ms，其中，定时 1s完成数据的采集、报警和显示处理，定时 Tc秒完成控制算法的运算和控制输出。 源程序清单参考附录 A。 设计步骤 系统的程序框图 如图 51所示，为主程序框图，为 T0通道中断服务程序框图。 T0中断服务程序是温度控制系统的主体程序，用于启动 A/D转换，读入采样数据，数字滤波，越限温度报警和越限处理， PID计算和输出可控硅的同步触发脉冲等。 引脚上输出的该同步触发脉冲宽度由 T1计数器的溢出中断控制， 89C51利用等待 T1溢出中断空隙时间完成把本次采样值转换成显示值而放入显示缓冲区和调用温度显示程序。 89C51从 T1中断服务程序返回后便可恢复现场和返回主程序，以等待下次 T0中断。 主电路图参考附录 B。 13 图 41 温度控制系统程序框图 14 PID 控制算法 前面提到，大多数的温度控制系统可以看作一阶纯滞后环节，由于本系统纯滞后时间较小，故可采用 PID（比例、积分、微分）控制算法实施控制。 PID 控制作用 PID是比例（ P）、积分（ I）和微分（ D） 3个控制作用的组合。 连续系统 PID控制器的微分方程为： y(t)= KPP[e(t)+   dttdeTddtteTi )()(1 ] （ 41） 式中 y(t)为控制器的输出； e(t)为控制器的输入； KP比例放大系数； TI为控制器的积分时间常数； TD为控制器的微分时间常数。 显然， KP越大， 控制器的控制作用越强；只要 e(t)不为 0，积分项会因积分而使控制器的输出变化；只要 e(t)有变化的趋势，控制器就会在微分作用下，在偏差出现且偏差不大时提前给输出一个较强的控制作用。 PID 算法的微机实现 由于微机控制系统是一种时间离散控制系统，故必须把微分方程离散化为差分方程，最终写出递推公式才能直接应用。 显然：  dtte )( njTtje0)( njje0)( （ 42） dttde )(   t nene )1()( T nene )1()(  （ 43） 于是， )(nY KP{e(n)+TiT njje0)( +TTd [e(n)e(n1)]} （ 44） 式中Δ t=T，为采样周期； e(t)为第 n次采样的偏差 值； e(n1)为第 (n1)次采样时的偏差值； n为采样序列， n=0,1,2,„。 由式（ 44）可以看出：计算一次 Y（ n），不仅需要的存储器空间大，而且计算量也很大，于是进一步写出递推公式： 15 由 Y（ n1） = KP {e(n1)+ TiT 10)(njje +TTd [e(n1)e(n2)]} （ 45） 由式（ 4）减去式（ 5）得： Δ Y（ n） =Y(n)Y(n1) =KP {[e(n)e(n1)]+ )(neTiT TTd[e(n)2e(n1)+e(n2)]} = KP[e(n)e(n1)]+ KI e(n)+KD[e(n)2e(n1)+e(n2)] （ 46） 或 Y(n)=Y(n1)+ KP[e(n)e(n1)]+ KI e(n)+KD[e(n)2e(n1)+e(n2)]（ 47） 式中 KI=KPTiT ，称为积分常数； KD=KP TTd ，称为微分常数。 PID 算法的程序设计 在本控制系统中，烘箱温度与给定值的偏差经过单片机 PI算法运算后从 DAC0832输出 0～ 10mA控制电流去控制电动阀的开度，所以应采用式（ 7）的位置式算法（且 KD=0即为 PI），即： YPI（ n） =Y(n1)+ KP[e(n)e(n1)]+ KI e(n)（ 48） 如果设 KP， KI为纯小数， KP， KI， e(n),e(n1)分别放在 8031片内 RAM的 25H， 26H,29H,2AH中， PI结果 YPI（ n）放在 R3R4中，则 PI控制程序如下 : PI： MOV A， 29H ； e(n) CLR C SUBB A， 2AH ； e(n)e(n1) MOV B， 25H ； KP LCALL MULTS ； KP [e(n)e(n1)] MOV R4， A MOV R3， B ；暂存于 R3R4 MOV A， 29H ； e(n) MOV A， 26H ； KI LCALL MULTS ； KI e(n) ADD A， R4 MOV R4， A 16 MOV A， B ADDC A， R3 MOV R3， A ； R3R4= KP [e(n)e(n1)]+ KI e(n) RET MULTS： CLR F0 ；置 e(n)符号标志位为正 JNB ， MUL1 SETB F0 ； 置 e(n)符号标志位为负 CPL A INC A ；取绝对值 MUL1： MUL AB JNB F0， MUL2 CPL A ADD A， 1 MOV R2， A MOV A， B CPL A ADDC A， 0 MOV B， A MOV A， R2 ；还原为补码 MUL2： RET 内存分配 为了编程方便，可以把 89C51的内部 128B RAM先进行分配；也可在程序中用标号代替，最后用 EQU或 DATA定义。 如果先对内存进行分配，本系统可分配为： 00H～ 07H， R0～ R7 供主程序使用 08H～ 0FH， R′ 0～ R′ 7 供 T0中断服务程序使用 20H 定时 1s时间常 数（初值为 10） 21H 8255A口数据暂存（显示器段码） 22H 8255B口数据暂存（ D/A数据） 17 23H 8255C口数据暂存 24H 8031 P1 口的 T给定 BCD值暂存。 当 T给定 =01H时，显示的数据为 KP参数，格式为 P；当 T给定 =02H，显示器显示的数据为 KI参数，格式为 I；当 T给定 =03H，显示器显示的数据为 Tc参数，格式为 T； T给定 为其他值（ 85℃左右），显示器显示的数据为温度测量值 25H KP参数暂存 26H KI参数暂存 27H Tc参数暂存 28H T测量值 （ A/D）暂存 29H e(n)参数暂存 2AH e(n1)参数暂存 2BH～ 2EH 4次 A/D值暂存 2FH 定时 Tc秒调节工作单元 30H～ 31H T测量 BCD码值暂存、格式为 . 32H T测量值 实际温度暂存 50H～ 7BH SP指针工作区 7CH～ 7FH 显示缓冲区（从左到右） 注释 ① A/D转换 程序─ — ADC 它的功能为对 4路 A/D进行 4次采样，取平均值后存于内存相应单元。 ②标度变换子程序─ — BDBH 它的功能是把温度 A/D值变换为供显示的 BCD码值（含 1 位小数），格式为 .，存放于 30H 和 31H 中（ 31H 为低位），并把整数部分存放在 32H（十六进制数）。 标度变换原理为：若 A/D满量程（ 5V 电压， A/D值为 FFH）对应的温度为 TM，则任意温度A/D 值 NA/D对应的实际温度 TX为： TX=255Tm NA/D如果把温度变送器校准为 A/D 满量程（ 5V电压 ）对应的温度为 ℃，则任意 A/D 值下的实际温度只需把该 A/D 值乘 即可，由于保留 1位小数，可把该值乘 5，显示时在第三位 LED 显示出小数点即可。 ③显示子程序─ — DISUP 18 它的功能是把显示缓冲区（ 7CH～ 7FH）的数据转换为 7段代码送 4 位 LED 显示。 设计时应注意送位选信号时不能破坏 PC 口的其他位，还应注意显示温值时第三位 LED 有小数点。 19 5 结论 本设计介绍的单片机温度控制系统，可了解微机系统硬、软件的构成及各种控制参数变化对系统动、静态特性的影响。 系统用 PID控制算法实现温度控制，可以使系统的精度达到 177。 ℃ ，准确度和稳定性都可以令人满意。 系统还以单回路控制为例，极易扩展成多回路控制。 采集电路调试： 为使温度采集电路输出的电压与温度的关系符合理论设计数值，可用一点测试法。 在室温 27℃ 时，调节电位器 Rw1，使 AD590对地电阻为 1KΩ ，运放正端输入电压 V+=300mV时， V0=。 也可采用两点测试法，当温度在 0～ 50℃ 之间变化时，运放正端输入电压 V+约为 273～ 323mV，调试时用可调电压信号模拟温度信号输入到运放正端，调节电位器 Rw2使 V+=273mV时， V0=0V。 调节 Rt2使 V+=323mV时， Vo=5V，则 5V/5O℃=100mV/℃ 即为输出精度。 因软件还要校正测温值，故基本符合上述数值即可。 采用两点测试法较精确，故用两点法。 数码显示调试： 调试中发现发光二极管的亮度一直很微弱，用万用表测量可知，其输入电压只有 ，勉强能够发光，而 89C51输出的电压依然为 5V左右，分析知 89C51在串行口工作方式下，负载很重，发光二极管分得的电流较小，使其不能正常发光。 在。