毕业论文 电加热炉温度控制系统的设计(3)

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VCC：供电电压。 GND：接地。

P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须接上拉电阻。

P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。

P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： 各管脚备选功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，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

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定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令时ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式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，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。

3.1.2 单片机的存储结构

存储器是组成计算机的三大部件之一，其功能是存储信息（数据和程序）。存储器按其存储方式可分为两大类：一类为随机存储器（RAM）；另一类为数据存储器（ROM）。

CPU在运行时可对RAM随时进行数据的的写入和读出，但在关闭电源时，RAM中所存的信息也会丢失，所以RAM只能用来存放暂时性的输入/输出数据、运算中的结果等。RAM也因此常被称为数据存储器。

而ROM是一种写入数据后不能改写只能读出的存储器。在断电后，ROM中的信息保留不变，所以ROM用来存放固定的程序或数据。ROM因此也常被称为程序存储器。

MCS-51单片机的存储器配置比一般的微机配置复杂，其具体配置是多种存储器的交叠。这种交叠不仅反映在存储器的种类上，而且还体现在存储器的地址空间上。

MCS-51单片机存储器可分为5类： 1．片内程序存储器； 2．片外程序存储器； 3．片内数据存储器； 4．特殊功能存储器； 5．片外数据存储器。

MCS-51单片机存储器的地址空间可分为3个，在访问3个不同的地址空间时采用不同形式的指令：

1．片内片外统一编址的64K的程序存储器地址空间（16位地址0000H-FFFFH）； 2．片内数据存储器与特殊功能存储器统一编址的256B内部数据存储器地址空间 （8位地址00H-7FH，80H-FFH）；

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3．64KB片外数据存储器地址空间（16位地址0000H-FFFFH）。

89C51内部RAM共有256个单元，这256个单元共分为两部分。其一是地址从00H—7FH单元（共128个字节）为用户数据RAM。从80H—FFH地址单元（也是128个字节）为特殊寄存器（SFR）单元。从图3-2中可清楚地看出它们的结构分布。

图3-2 存储器结构图

单片机的内部数据存储器共有128个字节，地址范围是00H-7FH，分成工作寄存器区、位寻址区、通用RAM区三部分。

3.2 PID算法介绍

PID调节是Proportional（比例）、Integral（积分）、Differential（微分）三者的缩写，是连续系统中技术最成熟、行之有效、应用最广泛的一种调节方式。PID调节的实质就是根据输入的偏差值，按比例、积分、微分的函数关系进行运算，其运算结果用以输出控制。在实际应用中，根据被控对象的特性和控制要求，可灵活地改变PID的结构，取其中的一部分环节构成控制规律，如比例（P）调节、比例积分（PI）调节、比例积分微分（PID）调节等。尽管凭着单片微机的优势，计算机数字控制系统取代了模拟控制系统，但是，在长期生产实践中，模拟PID控制算法所积累的经验并未被人们遗忘，而是被广泛地应用到计算机控制系统中来，形成一种新型PID控制方式，称之为数字PID控制。

3.2.1 PID算法的数字化

PID算法的数字化，其实质就是将连续形式的PID微分方程式转化为离散形式的PID差分方程。在模拟系统中，PID算法的表达式为：

11deu?Kp?(e?edt?Td) ?0Tidt(3-1)

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式中，u(t)-调节器的输出信号；

e(t)-调节器的偏差信号，等于给定值与测量值之差；

Kp-调节器的比例系数； Ti-调节器的积分时间； Td-调节器的微分时间。

控制点目前包含三种比较简单的PID控制算法，分别是：增量式算法，位置式算法，微分先行。这三种PID算法虽然简单，但各有特点，基本上能满足一般控制的大多数要求。

实际上，位置式与增量式控制对整个闭环系统并无本质区别。增量型算法仅仅是就是方法的改进，而没有改变位置型算法的本质。

3.2.2 PID算法的运用

由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值来计算控制量。因此，在计算机控制系统中，必须首先对式（3-1）进行离散化处理，用数字形式的差分方程代替连续系统的微分方程，此时积分项和微分项可用求和及增量式表达。

对温度的控制算法，采用技术成熟的PID算法，对于时间常数比较大的系统来说，其近似于连续变化，因此用数字PID完全可以得到比较好的控制效果。

简单的比例调节器能够反应很快，但不能完全消除静差，控制不精确，为了消除比例调节器中残存的静差，在比例调节器的基础上加入积分调节器，积分器的输出值大小取决于对误差的累积结果，在误差不变的情况下，积分器还在输出直到误差为零，因此加入积分调节器相当于能自动调节控制常量，消除静差，使系统趋于稳定。积分器虽然能消除静差，但使系统响应速度变慢。进一步改进调节器的方法是通过检测信号的变化率来预报误差，并对误差的变化作出响应，于是在PI调节器的基础上再加上微分调节器，组成比例、积分、微分(PID)调节器，微分调节器的加入将有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定，同时加快了系统的稳定速度，缩短调整时间，从而改善了系统的动态性能，其控制规律为：

u?Kp?(e?1Ti?10edt?Tddedt)?u0

(3-2)

单片机是一种采样控制，它只能根据采样时刻的误差值计算控制变量，不能直接计算公式中的积分项和微分项，采用数值计算法逼近后，PID的调节规律可以通过数值公式

u?Kp?[ei?TTii?j?0ej?TdT(ei?ei?1)]?u0

(3-3)

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计算，如果采样取得足够小，这种逼近可相当准确，被控过程与连续过程十分接近。我们变换上式(3-3)得：

u?ui?1?ui?ui?1?Kp?[?ei?I?ei?D??ei]

(3-4)

2把△ei = ei - ei-1,△2 ei=△ei -△ei-1带人上式（3-4）得：

u?ui?1?Kp?[(ei?ei?1)?I?ei?D?(ei?2ei?1?ei?2)]

(3-5)

式中ei=W—Yi，W为设定值，Yi为第i次实际输出值，Kp为比例系数，积分系数I=T/Ti，微分系数D=Td/T，T为采样周期，以(3-5)式来编程比较方便。

用PID控制算法实现温度控制是这样一个反馈过程：比较实际温度和设定炉温得到偏差，通过对偏差的处理获得控制信号，再去调节电加热炉的加热功率，从而实现对炉温的控制，由于电阻炉一般都是下一阶段对象和带纯滞后的一阶对象，所以式中Kp、Kd和Ki的选择取决于电阻炉的响应特性和实际经验。

本程序先将用户设定温度和锅炉实际温度T比较，计算出偏差ei，然后分两种情况进行计算控制变量：

1．ei大于等于设定的偏差e时，由于积分控制器使系统响应速度变慢，不采用积分控制器调节，直接使用PD调节，获得比较快的动态响应，计算Pd和Pp，最终得到控制量获得比较快的动态响应。

2．ei小于设定的设定的偏差e时，正常的分别计算Pi、Pd和Pp，然后根据算法公式计算出控制变量。

3.3 小结

本章对单片机控制技术，以及PID控制算法进行了深入分析，着重阐述了单片机结构和指令系统，以及PID算法的使用，为设计提供了硬件基础与软件资源，为下一步的设计做好准备。

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