PID温控器系统设计与仿真.docx
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PID温控器系统设计与仿真
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0x6000~0x7FFF,2764的地址范围为0x0000~0x1FFF。
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2
2.人机接口和PID温控器的输入/输出设计及仿真
2.1PID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0~5。
程序代码如下：
/*display.h*/
/*8255A端口地址*/
#defineBASE0x0000
#definePORT_A（BASE）
#definePORT_B（BASE+1）
#definePORT_C（BASE+2）
#definePORT_CONTROL（BASE+3）
#defineLEDS6//共有6位LED
#defineCA0//共阳
#defineCC1//共阴
//函数声明
voidturn_On（charled,charChNumber,charmode）;
voidLedsOff（）;
voidOneByOne（chardatas[]）;
externvoidInit8255（）;
unsignedcharcodeSelect[];
unsignedcharcodeLED_CODES[];
/*display.c*/
#include"absacc.h"
#include"Reg51.h"
#include"display.h"
//led灯选通信号
//高电平位选
unsignedcharcodeSelect[]={0x01,0x02,0x04,0x08,0x10,0x20};
unsignedcharcodeLED_CODES[]={0xc0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,//0-4
0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90,//5-9
0x88,0x83,0xC6,0xA1,0x86,//A,b,C,d,E
0x8E,0xFF,0x0C,0x89,0x7F,0xBF//F,空格,P,H,.,-
};
//初始化8255A
//各led位全灭
voidInit8255（）
{unsignedchari,j;
for（j=0;j<10;j++）
for（i=0;i<255;i++）;//空循环延时，等待8255A复位
//A组,B组工作于方式0,C,B口输出
XBYTE[PORT_CONTROL]=0x90;
//所有的灯全关
LedsOff（）;
}
//点亮某led
//led:
led灯编号，从右至左为0-5号
//chNumber:
字符在段码表中下标
//mode:
1-共阴,反相Led位选,0-共阳,同相led位选
//段均为同相驱动
voidturn_On（charled,charChNumber,charmode）
{
if（mode==CA）
XBYTE[PORT_C]=LED_CODES[ChNumber];//送字形码;
else
XBYTE[PORT_C]=~LED_CODES[ChNumber];//送字形码;
XBYTE[PORT_B]=Select[led];//送选通信号
}
voidLedsOff（）
{//led全关
XBYTE[PORT_B]=0x00;
}
/*main.c*/
#include"reg51.h"
#include"display.h"
//循环在0-5位上显示数字0-5
voidmain（）
{
unsignedintm;
unsignedchari;
Init8255（）;
i=LEDS-1;
while
（1）
{
LedsOff（）;
for（m=50;m!
=0;m--）;//延时调整可改变显示效果
turn_On（i,i,CC）;
for（m=50;m!
=0;m--）;//延时调整可改变显示效果
if（i==0）i=LEDS-1;
elsei--;
}
}
程序运行结果如图4。
图4
2.3PID温控器的键盘设计及其Proteus仿真
打开上小节建立的Led.dsn,删除LED设计页中的ULA2003A驱动部分，在LED设计页中新建一个子电路LED_DRIVER,为该子电路加上图5中的输入/输出端子。
进入子电路设计页，按照图6绘出原ULA2003驱动部分并加上相应端子。
用BUTTON元件绘出图5右上角的键盘部分，并为行扫描线和列扫描线上的端子命名为R0~R3和C0~C3。
转到ExternalMemory设计页，为8051的P1.0~P1.3加上连接端子并命名为R0~R3，为P1.4~P1.7加上连接端子并命名为C0~C3。
将仿真模型文件另存为KeyBoard.dsn仿真模型文件。
图5
图6
为仿真模型KeyBoard.dsn编写按键处理程序，将所识别按键的行、列号显示在LED的第1、2位和5、6位上。
程序代码如下：
/*KeyCheck.c按键检测C程序*/
#include"absacc.h"
#include"display.h"
#include"Reg51.h"
voiddelay（）
{chari;
for（i=255;i!
=0;i--）;
}
//用反转法检查按键的行列号（只检查单键）
//row返回行号,col返回列号
//若有键按下,函数返回1,否则返回0
charkeyCheck（char*row,char*col）
{
unsignedchart1,t2,t3,i;
unsignedcharResult=0;
P1=0xF0;t1=P1;
if（t1==0xf0）gotoexit;//无键按下，返回
for（i=11;i!
=0;i--）//去抖延时约20ms
delay（）;
t1=P1;
if（t1==0xf0）gotoexit;//无键按下，返回
Result=1;
//求列号
t2=0x80;t1=~t1;
for（i=4;i!
=0;i--）
{t3=t2&t1;
if（t3!
=0）{*col=i-1;break;}
elset2=t2>>1;
}
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;}
elset2=t2>>1;
}
exit:
returnResult;
}
/*main.c源程序，现实所识别键的行、列号*/
#include"display.h"
#include"absacc.h"
#include"Reg51.h"
externcharkeyCheck（char*row,char*col）;
voidmain（）
{charrow,col,r;
charstrIndexs[6]={20,20,20,20,20,20};
unsignedchari,k;
Init8255（）;
while
（1）
{
r=keyCheck（&row,&col）;
if（r==0）
{strIndexs[5]=20;strIndexs[4]=20;
strIndexs[1]=20;strIndexs[0]=20;
}
else
{strIndexs[5]=0;strIndexs[1]=0;
strIndexs[4]=row;strIndexs[0]=col;
}
for（k=6;k!
=0;k--）
{LedsOff（）;
for（i=50;i!
=0;i--）;
turn_On（k-1,strIndexs[k-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7
3.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ExternalMemory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*/
#defineADC_08081
#defineADC0808_DATA_PORT0x2000
#defineADC0808_QUERY_PORT0x4000
#defineADC0808_START_PORT0x2000
//function:
getsdatafromADCchip,
//parameters:
//unsignedcharADC_Chip--theadcchipsuchasADC_0808（9）,
//AD574andsoon.thechip'sresolutionshouldn'tbehigher
//than12bits
//unsignedcharchannel:
thechannelthatdatafrom
//returnvalue:
ifsucceed,thedatabetween0to4095（12bits）readfromselectedchannelofAdcchip,
//elsereturn-1.
unsignedchargetData1（unsignedcharADC_Chip,unsignedcharchannel）;
unsignedchargetData2（unsignedcharADC_Chip,unsignedcharchannel）;
/*ADC0808.c*/
#include"Adc.h"
#include"absacc.h"
#include"Reg51.h"
//端口（P3.3）查询方式
unsignedchargetData2（unsignedcharADC_Chip,unsignedcharchannel）
{unsignedcharflag=0;
unsignedcharvalue=-1;
unsignedxdataale;
switch（ADC_Chip）
{caseADC_0808:
P3=P3|0x08;//读入端口前相应位先置1
XBYTE[ADC0808_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;
}
//step3:
readdataandreturnit
value=XBYTE[ADC0808_DATA_PORT];
returnvalue;
break;
}
}
/*main.c*/
#include"Adc.h"
#include"display.h"
#include"Reg51.h"
voiddispStr（charstrIndexs[],unsignedcharvalue,charchannel）
{chari,k;
for（i=0;i<3;i++）
{strIndexs[i]=value%10;
value=value/10;
}
strIndexs[4]=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,strIndexs[k-1],CC）;
for（i=50;i!
=0;i--）;
}
}
//端口查询读取通道1的值并显示
voidmain（）
{unsignedcharvalue;
unsignedintk;
charstrIndexs[6]={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9
4.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
voidmain（）
{unsignedcharvalue;//通道0读入的数据
unsignedlongt;//标度换算出的温度值
unsignedchari,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*（unsignedlong）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11
1、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ExternalMemory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ExternalMemory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.H
IntrinsicfunctionsforC51.
Copyright（c）1988-2010KeilElektronikGmbHandARMGermanyGmbH
Allrightsreserved.
--------------------------------------------------------------------------*/
#ifndef__INTRINS_H__
#define__INTRINS_H__
externvoid_nop_（void）;
externbit_testbit_（bit）;
externunsignedchar_cror_（unsignedchar,unsignedchar）;
externunsignedint_iror_（unsignedint,unsignedchar）;
externunsignedlong_lror_（unsignedlong,unsignedchar）;
externunsignedchar_crol_（unsignedchar,unsignedchar）;
externunsignedint_irol_（unsignedint,unsignedchar）;
externunsignedlong_lrol_（unsignedlong,unsignedchar）;
externunsignedchar_chkfloat_（float）;
#if!
defined（__CX2__）
externvoid_push_（unsignedchar_sfr）;
externvoid_pop_（unsignedchar_sfr）;
#endif
#endif
/*KeyCheck.c*/
#include"display.h"
#include"Reg51.h"
#include"intrins.h"
voiddelay（）
{chari;
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0
sbitP1_0=0x90;//第0行信号
sbitP1_1=0x91;//第1行信号
sbitClear=0x92;//74LS164清零信号
charkeyCheck（char*row,char*col）
{charResult=0;
chari,mask=0x7f;
charcolumn=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
gotoexit;
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
gotoexit;
//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
whil
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