基于AT89C51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，實現了對工業現場的溫度實時監測和控制。以AT89C51單片機為控制核心，采用典型大慣性環節的PID閉環控制裝置，可自動控制惡劣環境下的溫度，使被控對象溫度保持在恒定范圍內。該系統通用性強，可廣泛應用予工業過程控制中。
關鍵詞 單片機；PID；工業控制；溫度

超大規模集成電路技術的發展促進了單片機的誕生，單片機具有功能強、性價比高、可靠性高、功耗低、體積小等特點。單片機技術的出現既提高了產品質量，又豐富了產品功能，同時還簡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、機械制造等生產實踐中，用來實現信號檢測、數據采集以及對應用對象的控制。
隨著國民經濟的發展，需要對工業現場中的溫度進行監測和控制。溫度是表征對象和工程狀態的重要參數之一。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行研究。溫度控制系統一般具有非線性、時滯以及不確定性，為了能實現較高的控制精度，采用PID閉環算法進行控制。智能溫度控制系統滿足產品對成本低、性能穩定、可遠程監控制現場溫度的要求。

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。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。本系統需要實時采集溫度數據，經過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，經過PID算法得到控制量并由單片機輸出以控制電熱絲加熱。
(3)鍵盤處理電路。本系統采用獨立鍵盤，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。鍵盤共有4個鍵，其中第2個選用雙穩態開關，為后續鍵盤處理子程序提供便利。第1個、第3個和第4個鍵選用按鈕開關。第1個鍵按下則轉入外部中斷處理。第2個鍵判斷是十位還是個位進行加減操作，第2個鍵按下轉十位進行加減操作，否則轉入個位加減操作。第3個和第4個鍵分別為加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態掃描方式，為實現LED顯示管的動態掃描，要給顯示器提供段和位控。
(5)控制執行電路。系統用加熱絲進行加熱，加熱時間的長短取決于PWM波高電平時間的長短。

2 軟件部分
系統采用AT89C51單片機進行數據處理分析，設置相應的溫度初始值并對采集到的信號進行實時處理顯示。首先由溫度的采樣值與設定值之差求出溫度誤差，通過PID閉環控制算法獲得控制量U，然后由定時子程序處理，發出可以改變占空比的PWM控制信號，控制加熱片的工作時間，從而達到調節溫度的目的。軟件設計時采用了模塊化設計，由主程序模塊、功能實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，然后通過循環顯示當前溫度，以等待中斷，并且使鍵盤處于最高優先級。外部中斷為高優先級，以便使主程序能及時響應鍵盤處理。初值由PID算法子程序提供，以用來執行對加熱絲的控制。系統總體程序流程圖如圖2所示。