PID温控器系统设计与仿真.doc

课 程 设 计 报 告课程名称专 业： 班 级： 指导老师：姓 名： 同组成员： PID温控器系统设计与仿真一、系统概述PID温控器系统的工作原理图如图1，电炉内的热电阻温度传感器测出的温度信号经运算放大器放大和模/数转换后，由8051单片机读出电阻炉炉温，PID控制程序根据当前炉温和目标温度的偏差，按照一定的控制方法控制开关K的通与断，提供适当的加热功率，以使炉温尽快趋近目标温度。PID温控器还通过串口与PC通信，以实现远程监控。LED和键盘用于人机接口，交流电过零检测部分可使8051只在正弦交流电零点附近控制开关K的通与断，以避免对交流电斩波而造成干扰。图1二、系统设计及仿真1.PID温控器存储系统设计PID温控器的存储系统设计中使用了一片3-8译码器74LS138来产生个芯片所需的片选信号。6264的信号来自于74LS138的输出，要使为低电平选中6264，则C、B、A的输入应为011，由此可计算出6264的地址范围为0x60000x7FFF,2764的地址范围为0x00000x1FFF。在Proteus仿真软件中建立如图2所示的温控器存储系统的Memory.dsn模型文件。图22.人机接口和PID温控器的输入/输出设计及仿真2.1 PID温控器LED显示及仿真图3是PID温控器LED显示部分的Proteus仿真原理图。8255A是较复杂的并行接口芯片，在PID控制器主要用作I/O口拓展，用于LED的显示。在编程时应注意，由于8255A的复位时间较长，在应用程序访问8255A之前，应有足够的延时保证8255A已正确复位，仿真时可不延时，但实际电路中必须加足够的延时。另外，在Proteus中建立仿真模型时，要保证8255A的器件编号小于8051的编号，否则仿真不能成功。打开建立的Memory.dsn模型文件，在其中新建一个名为LED的设计页，将图3的内容画在该设计页中，然后将文件保存为Led.dsn。图3编写程序，在图3上的6位数码管上循环显示数字05。程序代码如下：/*display.h*/*8255A端口地址*/#define BASE 0x0000#define PORT_A (BASE)#define PORT_B (BASE+1)#define PORT_C (BASE+2)#define PORT_CONTROL (BASE+3)#define LEDS 6 /共有6位LED#define CA 0 /共阳#define CC 1 /共阴/函数声明void turn_On(char led,char ChNumber,char mode);void LedsOff();void OneByOne(char datas);extern void Init8255();unsigned char code Select;unsigned char code LED_CODES;/*display.c*/#include absacc.h#include Reg51.h#include display.h/led灯选通信号/高电平位选unsigned char code Select=0x01,0x02,0x04,0x08,0x10,0x20;unsigned char code LED_CODES=0xc0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,/0-40x92,0x82,0xF8,0x80,0x90,/5-90x88,0x83,0xC6,0xA1,0x86,/A,b,C,d,E0x8E,0xFF,0x0C,0x89,0x7F,0xBF/F,空格,P,H,.,-;/初始化8255A/各led位全灭void Init8255()unsigned char i,j; for(j=0;j10;j+) for(i=0;i1; t1=t1; t1=t1|0x0f;/低4位置1 P1=t1; t1=P1;t2=0x08;t1=t1; for(i=4;i!=0;i-) t3=t2&t1; if(t3!=0) *row=i-1;break; else t2=t21; exit: return Result;/*main.c 源程序，现实所识别键的行、列号*/#include display.h#include absacc.h#include Reg51.hextern char keyCheck(char*row,char *col);void main()char row,col,r;char strIndexs6=20,20,20,20,20,20;unsigned char i,k; Init8255(); while(1) r=keyCheck(&row,&col);if (r=0) strIndexs5=20;strIndexs4=20; strIndexs1=20;strIndexs0=20; else strIndexs5=0;strIndexs1=0; strIndexs4=row;strIndexs0=col; for(k=6;k!=0;k-) LedsOff(); for(i=50;i!=0;i-); turn_On(k-1,strIndexsk-1,CC); for(i=50;i!=0;i-); 程序运行结果如图7，当按下图5中第3行第1列上按键时，将在LED上显示键的行列号。图73.PID温控器的炉温采样接口及仿真图8是PID温控器的仿真原理图。图中74LS161用于提供ADC0808所需的时钟信号，其Q1、Q2、Q3、Q4输出信号的频率分别是其CLK引脚输入时钟信号频率的1/2、1/4、1/8、1/16，CLK输入信号来自于51单片机的ALE引脚输出，多路开关SW1为ADC0808选取不同的时钟频率。图中P1为CPU访问片外数据存储空间地址0x2XXX时74LS138的译码输出，当CPU写0x2XXX时，可使ADC0808锁存数据总线上D0、D1、D2的输入通道号；CPU读0x2XXX时，可将A/D转换结果读入到CPU中。P2为CPU访问片外数据存储空间地址0x4XXX时74LS138的译码输出，当CPU读地址0x4XXX时，可将EOC信号从数据总线D7位读入到CPU中；、信号来自于51单片机的、引脚P3.6、P3.7。打开前面完成的仿真模型文件KeyBoard.dsn，并另存为Adc.dsn.新建一个名为ADC0808的设计页，将图8的内容画在该设计页中；在进入External Memory设计页，为其中的AT89C51的P3口加上所需的端子并正确命名；在P3.3上加一个端子将其命名为EX1，P3.5加一个端子并将其命名为START，然后保存仿真文件。图8用端口查询方式编写程序从图8的ADC0808通道1读取AD转换值并显示在LED上。程序代码如下：/*ADC.H*/#define ADC_0808 1#define ADC0808_DATA_PORT 0x2000#define ADC0808_QUERY_PORT 0x4000#define ADC0808_START_PORT 0x2000/function :gets data from ADC chip,/parameters:/unsigned char ADC_Chip-the adc chip such as ADC_0808(9),/AD574 and so on.the chips resolution shouldnt be higher/than 12 bits/unsigned char channel:the channel that data from/return value:if succeed,the data between 0 to 4095(12bits) read from selected channel of Adc chip, /else return -1. unsigned char getData1(unsigned char ADC_Chip,unsigned char channel); unsigned char getData2(unsigned char ADC_Chip,unsigned char channel);/*ADC0808.c*/#include Adc.h#include absacc.h#include Reg51.h /端口(P3.3)查询方式unsigned char getData2(unsigned char ADC_Chip,unsigned char channel)unsigned char flag=0; unsigned char value=-1; unsigned xdata ale; switch (ADC_Chip) case ADC_0808: P3=P3|0x08;/读入端口前相应位先置1 XBYTEADC0808_START_PORT=channel;/输入通道锁存 /P3.4低-高-低脉冲启动AD转换 P3=P3&0xdf;/P3.4置低 P3=P3|0x20;/P3.4置高 P3=P3&0xdf;/P3.4置低 /查询转换是否完成(P3.3是否为0) flag=P3; while(1) ale=1;/注意:Proteus中8051模型有问题,在不访问片外RAM时ALE无输出, /故在此加入了一条访问片外RAM的语句ale=1 , /以产生ADC0808所需的时钟信号,实际的应用程序是不需要这条语句的 flag=flag & 0x08; if(flag=0) break; flag=P3; /step 3:read data and return it value=XBYTEADC0808_DATA_PORT; return value; break; /*main.c*/#include Adc.h#include display.h#include Reg51.hvoid dispStr(char strIndexs,unsigned char value,char channel)char i,k; for(i=0;i3;i+) strIndexsi=value%10; value=value/10; strIndexs4=channel; LedsOff(); for(i=50;i!=0;i-); for(k=6;k!=0;k-) LedsOff(); for(i=50;i!=0;i-); turn_On(k-1,strIndexsk-1,CC); for(i=50;i!=0;i-); /端口查询读取通道1的值并显示void main()unsigned char value;unsigned int k; char strIndexs6=20,20,20,20,1,12;/待显示字符下标 Init8255(); while(1) value= getData2(ADC_0808,1); for(k=100;k!=0;k-) dispStr(strIndexs,value,1); LedsOff(); 运行程序结果如图9，数码管左边两位表示通道号，右边三位为读入的数据。图94.PID温控器的温度测量电路设计及仿真PID温控器的测温放大电路原理图如图10。 图10打开以上所建立的Adc.dsn仿真图，在其中LED_KeyBoard设计页上建立如图（a）所示的放大子电路Amp，用以封装测温放大电路（b）。Amp子电路和模仿热电阻阻值变化的R放置道0。进入子电路设计页，将图（b）绘制在子电路设计页，最后将仿真图保存为Measure.dsn。图（b）中的R用于调整放大电路的倍数，使电路在测温上限200时输出Uto刚好为5V；R用于调节电桥的初始平衡，即在测温下限0时使电桥平衡，Uto为零。实际电路调整时，Uto的上下限与5V、0V有微小偏差。在Measure.dsn温度测量仿真模型上编写程序，将ADC0808输入通道0上读入的数据转换为温度后显示在LED上。程序代码如下：/*main.c源程序*/#include Adc.h#include display.h#include Reg51.h/读取通道0输入并换算成温度(保留一位小数)显示并显示/量程:0-200度void main()unsigned char value; /通道0读入的数据 unsigned long t; /标度换算出的温度值 unsigned char i,m,n; Init8255(); while(1) value= getData1(ADC_0808,0); /标度变换时,为避免浮点运算,将算出的温度放大10倍,并对第二位小数四舍 /五入,结果保留一位小数,如读入的value为103,则200*103*100)/255=8078 /t=(8078+5)/10=808(注意:C整除运算只取商的整数部分) /则算出的温度为80.8度 t=(200*(unsigned long)value*100)/255+5)/10; LedsOff(); for(i=200;i!=0;i-) for(m=100;m!=0;m-);/延时 for(i=0;i+) m=t%10; if(i=1) turn_On_WithDot(i,m,CC); else turn_On(i,m,CC); for(n=50;n!=0;n-); t=t/10; if(t=0) break; 程序仿真结果如图11。图111、 PID温控器上/下位机串口通信及仿真PID温控器串口通信的原理如图12所示。 图12虚线边框内是PID温控器的串行通信口设计部分；黑色边框内部分用于模拟PC，便于调试通信程序，在PID温控器的实际电炉中是不需要的。打开前面建立的Adc.dsn仿真原理图，进入External Memory设计页，为AT89C51的TXD、RXD引脚各连上一个接线端子并取名为T和R。将图12的内容画在External Memory设计页中，将AT89C51的时钟频率设为12MHz，两个虚拟终端的波特率设为2400。然后将仿真原理图另存为Comm.dsn。运行如下程序。/*-INTRINS.HIntrinsic functions for C51.Copyright (c) 1988-2010 Keil Elektronik GmbH and ARM Germany GmbHAll rights reserved.-*/#ifndef _INTRINS_H_#define _INTRINS_H_extern void _nop_ (void);extern bit _testbit_ (bit);extern unsigned char _cror_ (unsigned char, unsigned char);extern unsigned int _iror_ (unsigned int, unsigned char);extern unsigned long _lror_ (unsigned long, unsigned char);extern unsigned char _crol_ (unsigned char, unsigned char);extern unsigned int _irol_ (unsigned int, unsigned char);extern unsigned long _lrol_ (unsigned long, unsigned char);extern unsigned char _chkfloat_(float);#if !defined (_CX2_)extern void _push_ (unsigned char _sfr);extern void _pop_ (unsigned char _sfr);#endif#endif/*KeyCheck.c*/#include display.h#include Reg51.h#include intrins.hvoid delay()char i; for(i=255;i!=0;i-);/用扫描法检查按键的行列号(只检查单键)/按仿真图设计，无键按下时行信号为低电平/有键按下时，行信号为高电平/row返回行号,col返回列号/若有键按下,函数返回1,否则返回0sbit P1_0 =0x90;/第0行信号sbit P1_1=0x91; /第1行信号sbit Clear=0x92; /74LS164清零信号char keyCheck(char *row,char *col)char Result=0;char i,mask=0x7f; char column=0; P1_0=1;P1_1=1; /读之前先置1 Clear=0;Clear=0; /74LS清全零 Clear=1; if(P1_0&P1_1) /无键按下,两行信号均为高电平 goto exit; for(i=11;i!=0;i-)/去抖延时约20ms delay(); if(P1_0&P1_1) /无键按下,两行信号均为高电平 goto exit; /记录行号 if(P1_0=0) *row=0; else *row=1; Result=1; /求列号 Clear=1;Clear=1;/允许74LS164串入并出 while(column7) Result=0; exit: return Result; /*main.c*/#include display.h#include absacc.h#include Reg51.hextern char keyCheck(char*row,char *col);void main()char row,col,r; char strIndexs6=20,20,20,20,20,20;/待显示字符下标组 unsigned char i,k; SCON=0; /* 将串行口设置成工作方式0 */ ES=0; /* 禁止串口中断 */ EA=0; Init8255(); strIndexs5=20;strIndexs4=20; strIndexs1=20;strIndexs0=20; while(1) r=keyCheck(&row,&col); if (r!=0) / /保存按键行列号 strIndexs5=0;strIndexs1=0; strIndexs4=row;strIndexs0=col; for(k=6;k!=0;k-) LedsOff(); for(i=100;i!=0;i-); turn_On(k-1,strIndexsk-1,CC); for(i=100;i!=0;i-); 打开两个虚拟终端，右击“发往单片机”虚拟终端，在弹出的快捷菜单选择Echo Typed Characters选项，在该虚拟终端中输入“hello world”字符串，单片机将接收到的字符串原样返回，并显示在“从单片机接收”虚拟终端上。仿真结果如图13。 图135、PID温控器直流电源与加热功率控制子系统的设计及仿真5.1直流电源和过零检测设计所有单片机系统都需要直流电源供电，本系统需要+12V、-12V、+5V这三种规格的直流电，将220V交流电通过降压、整流、滤波、稳压后，可得到各种规格的直流电。当运算放大器的输出与输入之间无反馈回路时，由于运算放大器的放大倍数很大，即使两输入端只有微小的电位差，其输出都会饱和，其值接近运算放大器的工作电源电平。直流电源和过零检测设计的仿真原理图如图14。 图14利用Proteus分析模拟及数字信号的Graph仿真，可得到LM358工作时输出的脉冲波形。LM358工作时的输入/输出信号的波形分析如下：在零点附近，同相端电压高于反相端电压，LM358输出正饱和，为+4V左右；在离交流电过零点稍远的地方，反相端电压高于同相端电压，LM358输出负饱和，为0V左右，按TTL电平规范，则LM358输出的是100Hz的矩形波；LM358的输出经74LS04反相器接至8051的外部中断0引脚P3.2。打开前面建立的Comm.dsn模型文件，新建标题为Pulse的设计页，将图14的内容画在该页上，然后在External Memory页面中8051的EX0引脚上连接一个名为EX0的输入端子，最后将文件另存为Power_Control_Pulse.dsn仿真模型文件。在Power_Control_Pulse.dsn仿真模型上编写程序，测量LM358输出的过零脉冲频率，并在LED_KeyBoardy页面中的LED上显示所测得的过零脉冲频率。程序代码如下：/*main.c*/#include reg51.h#include Display.hunsigned char COUNT=0;/每个测量周期（1秒）过零脉冲信号计数值unsigned char PRECOUNT=0;/ 上个测量周期的COUNT值，用于显示unsigned char OVER_FLAG=0;/一个测量周期结束标志unsigned int T1_OC=5000;void main()/定时器1，方式2，自动重装 unsigned char i,j,value; Init8255(); P3=P3|0x04; SCON=0x52; TMOD=0x20;/定时器1自动重装 ET1=1;EX0=1; IT0=1;/外部中断零0为边沿触发 TH1=56;TL1=56;/当8051晶振频率Fosc=12Mhz时,200x12/12e6=0.2ms秒溢出一次,溢出5000次为1秒 TR1=1; EA=1; while(1) if(!OVER_FLAG) continue; /从第二秒钟才开始不显示 for(value=PRECOUNT,i=0;i+) turn_On(i,value%10,CC);for(j=50;j!=0;j-); value=value/10;if(!value) break; void int_EX0() interrupt 0 COUNT+;/测量周期定时器void int_T1() interrupt 3 T1_OC-; if(T1_OC=0) EA=0; OVER_FLAG=1;PRECOUNT=COUNT;COUNT=0;T1_OC=5000;EA=1;5.2开关K的控制和仿真由于Proteus没有SSR仿真模型，可用继电器来代替，为便于观察，用一个灯泡来代替发热丝。打开前面建立的Power_Control_Pulse.dsn仿真文件，将Pulse页面名称改为Switch，在该页面增加图15部分，然后将仿真文件另存为Power_Control_Switch.dsn。图中的光耦用于光电隔离，三极管用于驱动继电器，灯泡的亮与灭由SW信号控制。图15在新建的Power_Control_Switch.dsn仿真模型上编写程序使灯泡在奇数秒亮，偶数秒灭。程序代码如下：/*main.c*/#include reg51.h/奇数秒接通,偶数秒断开,50HZ交流电源,整流后100个脉冲为1秒unsigned char COUNT=0;/每个周期（1秒）过零脉冲信号计数值unsigned char FLAG=0;void main() EX0=1; IT0=1; EA=1; while(1) if(!FLAG) P3=P3|0x10; else P3=P3&0xef; void int_EX0() interrupt 0 COUNT+; if(COUNT=100) FLAG=!FLAG; COUNT=0; 6.炉温闭环PID控制系统仿真PID