单片机温度控制系统.docx

题目单片机温度控制系统温度是工业控制中主要的被控参数之一，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足重轻的作用。随着电子技术和微型计算机的迅速发展，微机测量和控制技术得到了迅速的发展和广泛的应用。单片机具有处理能强、运行速度快、功耗低等优点，应用在温度测量与控制方面，控制简单方便，测量范围广，精度较高。本文介绍了一种基于STC89C52单片机的温度控制系统。该系统可实现对工业电热炉温度的测量，并能根据设定值对电热炉温度进行控制。本系统通过热点偶加温度传感器的形式，利用集成温度测量芯片max6675转换将单片机无法测量的温度信号转换为可测量的电信号，然后再将温度值在数码管上显示出来，其次就是借助此温度值利用定时器中断控制电热丝的加热时间，以此达到反馈温度并控制温度的目的。控制算法基于数字PID算法。关键词：单片机；温度控制；温度传感器；数码管；PID算法。IS SYSTEM THROUGH THE HOT SPOT INCREASES TEMPERATURE SENSOR, USING AN INTEGRATED TEMPERATURE MEASUREMENT CHIP M2006级自动化专业毕业设计任务书- 1 -摘 要- 3 -ABSTRACT- 4 -第1章 绪 论- 8 -第2章 系统设计方案- 10 -2.1设计主要思想- 10 -2.2设计思想论证- 11 -第3章 元器件介绍- 12 -3.1 STC89C52单片机简介- 12 -3.1.1 STC89C52单片机概述- 12 -3.1.2 STC89C52单片机特性- 13 -低功耗闲置和掉电模式- 13 -313 STC89C52 单片机引脚功能- 13 -3.2 MAX6675特性- 15 -3.2.1 型热电偶变换器简介- 15 -3.2.2 型热电偶变换器特性- 15 -3.2.3 型热电偶变换器引脚功能- 16 -3.2.4 型热电偶变换器内部介绍- 16 -3.3 高性能晶闸管三相移相触发集成芯片TC787- 17 -3.3.1 TC787简介- 17 -3.3.2 TC787引脚排列、引脚功能- 18 -第4章 温度控制系统硬件设计- 21 -4.1系统工作原理- 21 -4.2 温度传感器电路- 22 -4.2.1 温度传感器电路图- 22 -4.2.2测温流程图- 23 -4.3 显示电路- 24 -4.4 键盘电路- 25 -4.5 脉冲触发电路- 26 -4.6 光电耦合电路- 27 -第5章 单片机温度控制软件设计- 28 -5.1. PID调节器控制原理- 28 -5.2 位置式PID算法- 29 -5.3 数字PID参数的整定- 29 -PID参数对系统性能的影响如下：- 30 -5.4 PID计算程序- 30 -第6章 系统仿真- 33 -6.1 RTWJ-1微机接口技术操作台介绍- 33 -6.1.1操作台组成- 33 -6.1.2 专用开发工具- 35 -6.2仿真介绍- 35 -本系统的仿真主要基于一下仿真内容：- 35 -6.3 温度控制系统仿真- 36 -6.4 PID仿真- 39 -6.4.1稳定边界法整定PID参数- 39 -总 结- 43 -参考资料- 45 -致 谢- 46 -附 录 一- 47 -系统程序：- 47 -附 录 二- 54 -附 录 三- 55 -英文翻译：- 55 -中文翻译：- 59 -温度是一个和人们生活环境有着密切关系的物理量，也是一种在生产、科研、生活中需要测量和控制的重要物理量，是国际单位制七个基本量之一。温度的变化会给我们的生活、工作、生产等带来重大影响，因此对温度的测量和控制至关重要。然而在工业领域温度的控制常由单片机控制。冶金、化工、建材、机械、食品、石油温度是工业对象中的一个重要的被控参数。然而所采用的测温元件和测量方法也不相同；产品的工艺不同，控制温度的精度也不相同。因此对数据采集的精度和采用的控制方法也不相同。本系统所使用的加热器件是电炉丝，功率为五十千瓦，要求温度在400800。单片机具有集成度高，通用性好，功能强，特别是体积小，重量轻，耗能低，可靠性高，抗干扰能力强和使用方便等独特优点，在数字、智能化方面有广泛的用途。因而单片机控制系统在各个领域尤其是工业领域有着十分广泛的应用，而单片机温度控制系统是单片机控制系统最为常见的控制类型之一。随着单片机技术的飞速发展，通过单片机对被控对象进行控制日益成为自动控制领域的一个重要发展方向，电流，电压，压力，流速，流量和开关量都是常用的被控参数。例如：在化工生产，冶金工业，电力工程，造纸行业，机械制造和食物加工等领域中，人们都需要对各种加热炉，热处理炉，反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。本设计使用STC89C52单片机作为核心进行控制，不仅具有控制方便，组态灵活和简单等优点，而且可以大幅提高被控温度的技术指标，从而可以大大提高控制效率，因此单片机控制技术是工业生产中经常用到的控制技术，本文以单片机温度控制为例讲述了单片机的基本功能和应用。该温度控制系统是以STC89C52单片机，TC787脉冲触发电路为控制核心设计的，系统主要由温度传感器电路、显示电路、键盘电路、脉冲触发电路、脉冲变压器电路、光电隔离电路组成。本设计说明书分别讲述了该系统的软件实现和硬件组成及具体的控制方法，又进一步从该系统的方案简介，单片机的选型和主芯片的选择，主芯片的介绍，温度采集和温度控制等层面展开详细叙述。2.1设计主要思想该系统以STC89C52单片机为控制核心，由温度采集，信号放大，滤波，温度控制和温度调节等环节组成。在系统中，温度和时间的设置、温度值显示、控制参数得设置、运行、暂停及复位等功能由键盘及显示电路完成。通过热点偶加温度传感器的形式，利用具有冷端补偿的单片K型热电偶数字转换器max6675转换将单片机无法测量的温度信号转换为可测量的电信号，然后再将温度值在数码管上显示出来，其次就是借助此温度值根据相应的PID控制算法利用单片机控制电热丝的加热时间，以此达到反馈温度并控制温度的目的。其中主电路采用三相交流晶闸管调压电路，晶闸管触发脉冲由集成触发芯片TC787供给。单片机控制电热丝加热与否的过程实际上也就是触发芯片TC787是否给三项交流晶闸管调压电路供给触发脉冲的过程。单片机温度控制系统控制框图如下所示：信号放大单片机滤波温度控制温度采集温度调节图2.1 控制系统方框图如上图中，温度采集是温度传感器将温度信息变换为模拟电压信号的过程。信号放大是将温度采集所获得的模拟电压信号放大到单片机可以处理的范围内。滤波是经过低通滤波，滤掉干扰信号。温度控制和温度调节是单片机将检测到的温度信息与设定值进行比较，如果不相符，数字调节程序根据给定值与测得值的差值按PID控制算法设计控制量，触发程序根据控制量控制执行单元。如果检测值高于设定值，则停止加热系统，降低电热丝温度；如果检测值低于设定值，则启动加热系统，提高电热丝温度，达到控制温度的目的。其中温度采集，信号放大和滤波环节由集成芯片max6675和热电偶完成。2.2设计思想论证无论是工农业生产中，还是日常生活中，对温度的检测和控制都是必不可少的，对于温度的检测通常是采用热敏电阻在通过A/D（模/数）转换得到数字信号，但由于信号的采集对整个系统的影响很大，如果采样精度不高，会使这个系统准确性下降。因此本次设计采用高精度的具有冷端补偿的单片K型热电偶数字转换器。这种数字转换器是MAXIM公司推出的具有冷端补偿的单片K型热电偶数字转换器。而对于温度控制的方法也有很多：如单片机控制、PLC控制、模拟PID调节器和数字PID调节器等等。综合各方面的意见，本设计采用单片机来实现温度的控制。由于单片机具有集成度高，通用性好，功能强，特别是体积小，重量轻，耗能低，可靠性高，抗干扰能力强和使用方便等独特优点，所以采用单片机进行温度的控制操作比较简便运行起来也比较安全可靠。3.1 STC89C52单片机简介3.1.1 STC89C52单片机概述STC89C52单片机是由美国设计生产的一种低电压，高性能CMOS 8位单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时3个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口。片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。STC89C51单片机的结构与80C51单片机的结构基本相同，不同之处有：（1） 具有CHMOS工艺的节能运行方式；（2） 增加了一个16位的定时器；（3） ROM类型属于flash存储器；（4） 中断源由5个增加到6个；（5） 片内ROM增加到8K;（6） 片内RAM从128字节增加到256字节； 3.1.2 STC89C52单片机特性STC89C52单片机的主要特性如下： 寿命达1000写/擦循环数据保留时间：10年全静态工作：0Hz24MHz三级程序存储器锁定256 bytes内部RAM32可编程I/O线3个16位定时器/计数器6个中断源可编程串行通道低功耗闲置和掉电模式313 STC89C52 单片机引脚功能 STC89C52 单片机引脚排列如图3.1.3所示，引脚功能如下： 图3.1.3 STC89C52单片机VCC（40）：5VVSS（20）：接地P0口（3932）：P0口为8位漏极开路双向I/O口，每个引脚可吸收8个TTL门电流。 P1口（18）：P1口是从内部提供上拉电阻器的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收和输出4个TTL门电流。 P2口（2128）：P2口为内部上拉电阻器的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收和输出4个TTL门电流。 P3口（1017）：P3口是8个带有内部上拉电阻器的双向I/O口，可接收和输出4个TTL门电流，P3口也可作为AT89C51的特殊功能口。 RST（9）：复位输入。当振荡器复位时，要保持RST引脚2个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG（30）：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，它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的，要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过1个ALE脉冲。 PSEN（29）：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取值期间，每个机器周期2次PSEN有效，但在访问外部数据存储器时，这2次有效的PSEN信号将不出现。 EA/VPP（31）：当EA保持低电平时，外部程序存储器地址为（0000HFFFFH）不管是否有内部程序存储器。FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1（19）：反向振荡器放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2（18）：来自反向振荡器的输出。 3.2 MAX6675特性3.2.1 型热电偶变换器简介型热电偶是工业生产中最常用的温度传感器，具有结构简单、制造容易、使用方便、测温范围宽等特点。目前，在以型热电偶为测温元件的工业测温系统中，热电偶输出的热电势信号必须经过中间转换环节，才能输入基于单片机的嵌入式系统。中间转换环节包括信号放大、冷端补偿、线性化及数字化等几个部分，实际应用中，由于中间环节较多，调试较为困难，系统的抗干扰性能往往也不理想。在该温度控制系统中，采用了MAXIM公司新近推出的MAX6675，它是一个集成了热电偶放大器、冷端补偿、A/D转换器及SPI串口的热电偶放大器与数字转换器，可以直接与单片机接口，大大简化系统的设计，保证了温度测量的快速、准确。3.2.2 型热电偶变换器特性MAX6675是具有冷端补偿和A/D转换功能的单片集成型热电偶变换器，测温范围01024，主要功能特点如下：直接将热电偶信号转换为数字信号具有冷端补偿功能简单的SPI串行接口与单片机通讯12位A/D转换器、0.25分辨率单一+5V的电源电压热电偶断线检测工作温度范围-20+853.2.3 型热电偶变换器引脚功能MAX6675采用SO-8封装形式，有8个引脚，脚1（GND）接地，脚2（T-）接热电偶负极，脚3（T+）接热电偶正极，脚4（VCC）电源端，脚5（SCK）串行时钟输入端，脚6（CS）片选端，使能启动串行数据通讯，脚7（SO）串行数据输出端，脚8（NC）未用。在VCC和GND之间接0.1F电容。MAX6675的引脚如下图一所示。3.2.4 型热电偶变换器内部介绍MAX6675是一复杂的单片热电偶数字转换器，其内部结构如图二所示。主要包括：低噪声电压放大器A1、电压跟随器A2、冷端温度补偿二极管、基准电压源、12位AD转换器、SPI串行接口、模拟开关及数字控制器。 在数字控制器的控制下，ADC首先将U1、U2转换成数字量,即获得输出电压U0的数据，该数据就代表测量点的实际温度值T。这就是MAX6675进行冷端温度补偿和测量温度的原理。3.3 高性能晶闸管三相移相触发集成芯片TC7873.3.1 TC787简介TC787是采用先进IC工艺设计制作的单片集成电路，可单电源工作，亦可双电源工作，主要适用于三相晶闸管移相触发电路和三相三极管脉宽调制电路，以构成多种调压调速和变流装置。与目前流行的KC系列电路相比，具有功耗小、功能强、输入阻抗高、抗干扰性能好、移相范围宽，外接元件少等优点；而且装调简便，使用可靠。3.3.2 TC787引脚排列、引脚功能TC787是标准双列直插式18引脚的集成电路，它的引脚排列如图3.3.2所示。图 3.3.2 TC787的引脚排列(脚朝下) TC787各引脚的名称、功能及用法如下：(1)同步电压输入端：引脚1(Vc)、引脚2(Vb)及引脚10(Va)分别为三相同步输入电压连接端，应用中分别接经输入滤波后的同步电压，同步电压的峰值应不超过TC787的工作电源电压VDD。(2)脉冲输出端：在半控单脉冲工作模式下，引脚8(C)、引脚18(B)、引脚16(A)分别为与三相同步电压正半周对应的同相触发脉冲输出端，而引脚 7(-B)、引脚9(-A)、引脚17(-C)分别为与三相同步电压负半周对应的反相触发脉冲输出端。当TC787被设置为全控双窄脉冲工作方式时，引脚8为与三相同步电压中C相正半周及B相负半周对应的两个脉冲输出端，引脚16为与三相同步电压中A相正半周及C相负半周对应的两个脉冲输出端，引脚17为与三相同步电压中C相负半周及B相正半周对应的两个脉冲输出端，引脚9为与三相同步电压中A相同步电压负半周及C相电压正半周对应的两个脉冲输出端，引脚7为与三相同步电压中B相电压负半周及A相电压正半周对应的两个脉冲输出端，引脚18为与三相同步电压中B相正半周及A相负半周对应的两个脉冲输出端，应用中均接脉冲功率放大环节或脉冲变压器。(3)控制端引脚5(Pi)为输出脉冲禁止端。该端用来进行故障状态下封锁TC787的输出，高电平有效，应用中接保护电路的输出。引脚14(Cb)、引脚13(Cc)、引脚12(Ca)分别为对应三相同步电压的锯齿波电容连接端。该端连接的电容值大小决定了移相锯齿波的斜率和幅值，应用中分别通过一个相同容量的电容接地。引脚6(Pc)为TC787工作方式设置端。当该端接高电平时，TC787输出双脉冲；而当该端接低电平时，输出单脉冲。引脚4(Vr)为移相控制电压输入端。该端输入电压的高低，直接决定着TC787输出脉冲的移相范围，应用中接给定环节输出，其电压幅值最大为TC787的工作电源电压VDD。引脚15(Cx)。该端连接的电容Cx的容量决定着TC787输出脉冲的宽度，电容的容量越大，则脉冲宽度越宽。(4)电源端：TC787可单电源工作，亦可双电源工作。单电源工作时引脚3(VSS)接地，而引脚11(VDD)允许施加的电压为 8-18V。双电源工作时，引脚3(VSS)接负电源，其允许施加的电压幅值为-4-9V，引脚11(VDD)接正电源，允许施加的电压为+4+ 9V。3.3.3 TC787主要参数(1)工作电源电压VDD：818V； (2)输入同步电压有效值：(1/22)VDD；(3)输入控制信号电压范围：0VDD； (4)输出脉冲电流最大值：20mA；(5)锯齿波电容取值范围：0.1F0.15F；(6)脉宽电容取值范围：3300pF0.01F；(7)移相范围：0177；(8)工作温度范围：0+55。第4章 温度控制系统硬件设计4.1 单片机温度控制系统是以STC89C52单片机，TC787脉冲触发电路为控制核心设计的，系统主要由温度传感器电路、显示电路、键盘电路、脉冲触发电路、脉冲变压器电路、光电隔离电路组成。MAX6675是一复杂的单片热电偶数字转换器，其内部主要包括：低噪声电压放大器A1、电压跟随器A2、冷端温度补偿二极管、基准电压源、12位AD转换器、SPI串行接口、模拟开关及数字控制器。它将采集到的温度信号直接转换成相应的数字信号并和单片机直接相连，单片机根据设定温度值和采集到的温度值进行比较，运用PID控制，从而改变单片机输出高低电平脉冲序列的占空比来改变移相电压，此时三相移相触发集成芯片TC787获得移相电压，然后TC787再将此移相电压和积分电容上获得的电压比较从而决定是否给三相晶闸管负载电路发射触发脉冲，进而决定是否给电热丝加热，从而达到恒温控制的目的。本系统工作原理图解如下： 图4.1 工作原理图解4.2 温度传感器电路4.2.1 温度传感器电路图 图4.2.1 温度传感器电路 K型热电偶产生的热电势，经过低噪声电压放大器A1和电压跟随器A2放大、缓冲后，得到热电势信号U1，再经过S4送至ADC。对于K型热电偶，电压变化率为(41V/)，电压可由如下公式来近似热电偶的特性。U1=(41V/)(T-T0) （4-1）上式中，U1为热电偶输出电压（mV），T是测量点温度；T0是周围温度。在将温度电压值转换为相应的温度值之前，对热电偶的冷端温度进行补偿，冷端温度即是MAX6675周围温度与0实际参考值之间的差值。通过冷端温度补偿二极管，产生补偿电压U2经S4输入ADC转换器。 U2=(41V/)T0 (4-2)4.2.2测温流程图 读温度初始化温度传感器扫描键盘选定所需芯片选定所需芯片进行温度转换读取温度调试显示子程序子程序返回 图 4.2.2测温流程图 4.3 显示电路 图4.3 显示电路此显示电路采用并行接法，有两块74HC573锁存器控制，第一块为段选锁存器，第二块为位选锁存器，皆为高电平有效，三位显示器第几位显示有位选锁存器的WE1，WE2,WE3 决定,当WE1为高电平时，第一位显示器被选中显示，其余两位同理。每位显示器要显示的数值则由第一块段锁存器控制，各个数字的相应段如上图所示。4.4 键盘电路 图4.3 键盘电路此键盘电路采用矩阵式接法，矩阵式键盘的列线接+5V,当键盘上没有键闭合时，所有的行线和列线是断开的，列线均呈高电平。当键盘上某一键闭合时，该键所对应的行线和列线短接，此时该列线的电平将由被短接的行线电平决定，因此，可以采用以下方法完成是否有键按下及按下的是哪一键的判断：判有无键按下。将行线和列线分别于单片机相接，首先使所有行线为低电平，然后读列线状态，若列线都为高电平，则没有键按下；若读出的列线不全为高电平，则可以判定有键按下。判断按下的是哪一键。先让P2.0这一行为低电平，其余行线为高电平，读列线状态，如列线状态不全为“1”，则说明所按键在该行，否则不在该行，然后让P2.1行为低电平，其他行为高电平，判断P2.1行有无键按下。其余行列推。这样就可以找到所按键的行列位置。同理，当+5V电源接行线是，检测原理相同。4.5 脉冲触发电路 图4.4 脉冲触发电路该电路首先将三相电压经同步变压器变压后输入TC787同步电压输入端：引脚1(Vc)、引脚2(Vb)及引脚18(Va)分别为三相同步输入电压连接端，应用中分别接经输入滤波后的同步电压，同步电压的峰值应不超过TC787或TC788的工作电源电压VDD。TC787再将Vr口获得的移相电压与积分电容Ca,Cb,Cc上的电压比较从而决定是否发射触发脉冲。4.6 光电耦合电路5.1. PID调节器控制原理图5.1 PID控制系统原理框图PID控制器是一种线性控制器,一种它根据给定值rin(t)与实际输出值yout(t)构成控制偏差： Error(t)=rin(t)-yout(t) (5-1)PID控制就是对偏差信号进行比例、积分、微分运算后，形成一种控制规律。即，控制器的输出为： (5-2)或写成传递函数的形式： (5-3) （1） 式中，（2）微分控制： Gc(s) =KpT ds5.2 位置式PID算法 基本PID控制器的理想算式为 (5-4)式中u(t)控制器(也称调节器)的输出；e(t)控制器的输入（常常是设定值与被控量之差，即e(t)=r(t)-c(t)）；Kp 控制器的比例放大系数；Ti 控制器的积分时间；Td 控制器的微分时间。设u(k)为第k次采样时刻控制器的输出值，可得离散的PID算式 (5-5)式中 ， 。由于计算机的输出u(k)直接控制执行机构（如阀门），u(k)的值与执行机构的位置（如阀门开度）一一对应，所以通常称式(5-4)式为位置式PID控制算法。位置式PID控制算法的缺点：当前采样时刻的输出与过去的各个状态有关，计算时要对e(k)进行累加，运算量大；而且控制器的输出u(k)对应的是执行机构的实际位置，如果计算机出现故障，u(k)的大幅度变化会引起执行机构位置的大幅度变化。5.3 数字PID参数的整定 PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。本设计采用PID归一整定法把对控制的三个参数（Kc、Ti、Td,）转换为一个参数， 从而使问题明显简化。以达到控制器的特性与被控过程的特性相匹配,满足某种反映控制系统质量的性能指标。 PID参数对系统性能的影响如下：P （比例）作用：加快调节，减少稳态误差。缺点：稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。I (积分)作用：因为有误差，积分调节就进行，直至无差.消除稳态误差，提高无差度。缺点：加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合，组成PI调节器或PID调节器。D(微分)作用：反映系统偏差信号变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用。可以减少超调，减少调节时间。缺点：微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规蓄料目结合，组成PD或PID控制。 Kp、Ti、Td,对系统的性能影响如表5.3所示：表5.3 Kp、Ti和Td对系统的影响影响 Kp Ti Td稳态性能 可以减少静差， 消除静差， 配合比例控制， 但不能消除 但不能太大 可以减少静差动态性能 加快系统速度， 太小会不稳定， 太大和太小都会引起但会引起震荡 太大会影响性能 超调量大，过渡时间长。 5.4 PID计算程序 PID调节规律的基本输入输出关系可用微分方程表示为： (5-6)式中为调节器的输入误差信号，且 (5-7)为给定值，为被控变量； 为调节器的输出控制信号； 为比例系数；为积分时间常数；微分时间常数。计算机只能处理数字信号，若采样周期为T第n次采样的输入误差为，且，输出为，PID算法用的微分由差分代替，积分由代替，于是得到(5-8) += 不少行之有效的参数整的 PID归一调整法，调整参式中=0.2，=1.258 PID 控制程序见附表。 6.1 RTWJ-1微机接口技术操作台介绍6.1.1操作台组成操作台由基础板和功能扩展模块板组成。操作台采用台式结构，外形美观大方、操作方便。1 基础板基础板是本仿真装置的基础仿真模块的集成体，是针对理论实验和基础知识所专门设计的。本仿真平台包括多个功能模块，操作平台如下图6.1.1所示：图6.1.1 RTWJ-1微机接口技术操作台它由以下25个模块组成：1) 微处理器监控模块；2) 1K12MHZ外部时钟源模块；3) 32K字节SRAM外部数据存储器扩展模块（2个）；4) 64K字节EEPROM外部程序存储器；5) 32K字节FlashROM扩展模块；6) 8155可编程并行I/O扩展模块；7) 8255可编程并行I/O扩展模块；8) 8279键盘显示接口扩展模块；9) 4*4矩阵键盘模块；10) 独立式键盘模块；11) 自锁按键模块；12) 发光二极管阵列模块；13) 8*8发光管点阵屏模块；14) 动态扫描数码管显示模块；15) 静态串行数码管显示模块；16) 16*2字符液晶显示模块；17) 语音模块；18) RS232接口模块；19) 波形信号发生器模块；20) 总线锁存和驱动模块；21) 通用逻辑器件GAL模块；22) 芯片自由扩展模块（2个）；23) 常用器件实验模块；24) 5V、12V电源模块；25) 接口转换模块；2 分立的功能模块 功能模块的实验内容紧密结合了单片机系统在实际中的各种应用，它包括以下实验模块：1) AD0809、V/F转换模块；2) DA0832、F/V转换模块；3) 复杂可编程逻辑器件CPLD模块；4) 交通灯模块；5) 微型打印机模块；6) RS485模块；7) RS232-RS485无源转换模块；8) I2C总线日历时钟实验模块；9) X25045模块（具有WDT、SPI串行EEPROM）；10) IC卡读写实验模块；11) 温度测量与控制模块；12) 继电器驱动控制模块；13) 步进电机模块；14) 直流电机模块；15) 单片机最小系统板1、2（用于通讯）；6.1.2 专用开发工具1) 51系列单片机仿真器；2) 单片机烧录器；3) 汇编、C51编译器；4) IDE集成开发环境；5) 与CPLD接口模块配套的MAXPLUS软件及JTAG下载电缆；6.2仿真介绍 本系统的仿真主要基于一下仿真内容：（1）输出输入类内容串行静态数码管显示矩阵式键盘输入 （2）数/模、模/数类内容 8位D/A转换器接口设计 8位D/A转换器接口设计 温度测量 温度PWM方式自动控制温度自动控制系统：该系统是一个逻辑上完整的控制系统。包括模块：温度控制、温度测量、单片机、显示，以及矩阵键盘等模块。温度发热对象属于各种温度控制器件的小型模拟。要使用的模块：单片机最小系统与仿真仪LED显示温度控制单元温度测量单元矩阵键盘。6.3 温度控制系统仿真（1）仿真设备 单片机最小系统与仿真器 温度测量控制实验模块 独立式键盘实验模块 RS232接口模块（2）仿真要求综合以上实验模块，构成满足以下要求的温度自动控制测量系统：显示当前温度和设置温度（单位为）具有3个功能按键：1个“升温键”，按下后“设置温度”加1；1个“降温键”，按下后“设置温度”减1。一个“开始/停止”键，用来启动/停止温度自动控制。在“开始/停止”键第一次按下后，温度自动测量控制功能启动；从这时开始，系统开始以一定的时间间隔读取温度传感器的“测量温度”，并送LED显示器进行显示；比较“测量温度”和“设置温度”，根据比较的结果，调整输出的脉冲序列的占空比(通过软件进行调制)，从而实现温度自动控制。再次按下该键，停止自动测量控制功能。（3）仿真原理硬件逻辑结构：如图6.3所示，该系统是一个闭环温度控制系统。显示屏单片机系统温度控制加热元件与对象温度测量矩阵式键盘图6.3.1硬件示意图硬件电路图如图6.3所示，使用P1.5端口输出脉冲序列，该脉冲序列经过光电隔离和脉冲触发芯片加到单向可控硅上控制温度加热元件。温度测量使用P1.2端口，使用MAX6675器件，显示使用P1口。开始初始化有按键按键处理模块读取温度和温度处理模块温度处理模块显示模块温度控制模块图6.3.2 软件设计流程图仿真程序见附录。6.4 PID仿真 运行SIMULINK，进入SIMULINK环境，在元件库中找到所需要元件并选择，用鼠标将各元器件连接起来，得到一个完整方框图，如下图6-1所示。图6-1 系统仿真方框图6.4.1稳定边界法整定PID参数使用边界法整定PID参数分为一下几个步骤：1、 将积分系数Ki和Kd 设为0，Kp置较小的值，使系统投入稳定运行。若系统不能稳定运行，则采用其它校正方式。2、 逐渐增大比例系数Kp，直到系统出现等幅振荡，即所谓临界振荡过程。记录此时临界振荡增益Kp和振荡周期T。3、 按照下表6-2所指示的经验公式和校正装置类型整定相应的PID参数，然后再进行仿真。表6-2 稳定边界参数的计算公式KpKiKdP0.5 KpPI0.455 Kp0.535 Kp/TPID0.6 Kp1.2 Kp/T0.075 KpT在SIMULINK下可以如下实现：先取较大的Kp1，使系统出现不温度的增幅振荡；然后采取折半取中的办法寻找临界增益。当Kp1=2.5时系统放散；而当Kp1=2是系统收敛；因此，只要当Kp1处于22.5之间时，系统会出现临界振荡。当KP1=2.36时系统出现临界振荡，有如图6-3所示的等幅振荡的阶跃响应曲线图6-3 等幅振荡的阶跃响应曲线此时Kp1=2.36，从上图可以读出曲线两峰值之间的距离约为2s多一点，因此取T=2.1s。下一步即可算出按稳定边界法整定的PID参数了。在MATLAB Command Window下键入以下代码：%临界增益Kp=2.36； %临界振荡周期T=2.1 Kd=0.075Kp1T Ki=1.2Kp1/T Kp=0.6Kp 其中等式左边的Kp1均为临界增益时的Kp1,