基于A(yíng)T89C51溫度智能控制系統的軟件設計

摘要 以溫度控制系統為例研究嵌入式系統，實(shí)現了對工業(yè)現場(chǎng)的溫度實(shí)時(shí)監測和控制。以AT89C51單片機為控制核心，采用典型大慣性環(huán)節的PID閉環(huán)控制裝置，可自動(dòng)控制惡劣環(huán)境下的溫度，使被控對象溫度保持在恒定范圍內。該系統通用性強，可廣泛應用予工業(yè)過(guò)程控制中。
關(guān)鍵詞 單片機；PID；工業(yè)控制；溫度

超大規模集成電路技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了單片機的誕生，單片機具有功能強、性?xún)r(jià)比高、可靠性高、功耗低、體積小等特點(diǎn)。單片機技術(shù)的出現既提高了產(chǎn)品質(zhì)量，又豐富了產(chǎn)品功能，同時(shí)還簡(jiǎn)化了控制系統的設計。單片機主要應用在電力、化工、石油、冶金、航空航天、機械制造等生產(chǎn)實(shí)踐中，用來(lái)實(shí)現信號檢測、數據采集以及對應用對象的控制。
隨著(zhù)國民經(jīng)濟的發(fā)展，需要對工業(yè)現場(chǎng)中的溫度進(jìn)行監測和控制。溫度是表征對象和工程狀態(tài)的重要參數之一。研究和設計高性能的溫度控制系統具有重要意義。所以本設計選用溫度作為被控量進(jìn)行研究。溫度控制系統一般具有非線(xiàn)性、時(shí)滯以及不確定性，為了能實(shí)現較高的控制精度，采用PID閉環(huán)算法進(jìn)行控制。智能溫度控制系統滿(mǎn)足產(chǎn)品對成本低、性能穩定、可遠程監控制現場(chǎng)溫度的要求。

1 系統方案設計
本系統采用AT89C51作為溫度控制系統主控單元。AT89C51是一種帶4 kB閃存可編程可擦除只讀存儲器的低電壓、高性能CMOS的8位微處理器。指令系統和引腳與典型的MCS-51系列完全兼容，方便軟件的編寫(xiě)。系統整體電路包括：主控電路、A／D數據采集、信號調理、LED顯示、控制輸出、控制對象、雙向可控硅模塊、設定輸入等電路，如圖1所示。

(1)主機電路。包括核心控制器件單片機，以及由時(shí)鐘電路、復位電路、電源電路構成的最小系統。主要完成功能運算，是控制系統數據處理的重要電路。
(2)數據采集電路。本系統需要實(shí)時(shí)采集溫度數據，經(jīng)過(guò)A／D轉換器轉換成數字信號，存入AT89C51的內部數據存儲器，送LED顯示器顯示，并與設定值比較，經(jīng)過(guò)PID算法得到控制量并由單片機輸出以控制電熱絲加熱。
(3)鍵盤(pán)處理電路。本系統采用獨立鍵盤(pán)，主要功能為輸入控制系統的設定值，以便與系統采樣值比較。鍵盤(pán)共有4個(gè)鍵，其中第2個(gè)選用雙穩態(tài)開(kāi)關(guān)，為后續鍵盤(pán)處理子程序提供便利。第1個(gè)、第3個(gè)和第4個(gè)鍵選用按鈕開(kāi)關(guān)。第1個(gè)鍵按下則轉入外部中斷處理。第2個(gè)鍵判斷是十位還是個(gè)位進(jìn)行加減操作，第2個(gè)鍵按下轉十位進(jìn)行加減操作，否則轉入個(gè)位加減操作。第3個(gè)和第4個(gè)鍵分別為加1和減1操作。
(4)LED顯示電路。顯示電路采用兩個(gè)4位LED顯示數碼管，共陰極接法。由于LED顯示電路較多選用動(dòng)態(tài)掃描方式，為實(shí)現LED顯示管的動(dòng)態(tài)掃描，要給顯示器提供段和位控。
(5)控制執行電路。系統用加熱絲進(jìn)行加熱，加熱時(shí)間的長(cháng)短取決于PWM波高電平時(shí)間的長(cháng)短。

2 軟件部分
系統采用AT89C51單片機進(jìn)行數據處理分析，設置相應的溫度初始值并對采集到的信號進(jìn)行實(shí)時(shí)處理顯示。首先由溫度的采樣值與設定值之差求出溫度誤差，通過(guò)PID閉環(huán)控制算法獲得控制量U，然后由定時(shí)子程序處理，發(fā)出可以改變占空比的PWM控制信號，控制加熱片的工作時(shí)間，從而達到調節溫度的目的。軟件設計時(shí)采用了模塊化設計，由主程序模塊、功能實(shí)現模塊和運算控制模塊組成。
2．1 主程序模塊
在主程序中首先給定PID算法的參數值，然后通過(guò)循環(huán)顯示當前溫度，以等待中斷，并且使鍵盤(pán)處于最高優(yōu)先級。外部中斷為高優(yōu)先級，以便使主程序能及時(shí)響應鍵盤(pán)處理。初值由PID算法子程序提供，以用來(lái)執行對加熱絲的控制。系統總體程序流程圖如圖2所示。