基于AT89C51温度智能控制系统的软件设计

摘要 以温度控制系统为例研究嵌入式系统，实现了对工业现场的温度实时监测和控制。以AT89C51单片机为控制核心，采用典型大惯性环节的PID闭环控制装置，可自动控制恶劣环境下的温度，使被控对象温度保持在恒定范围内。该系统通用性强，可广泛应用予工业过程控制中。
关键词 单片机；PID；工业控制；温度

超大规模集成电路技术的发展促进了单片机的诞生，单片机具有功能强、性价比高、可靠性高、功耗低、体积小等特点。单片机技术的出现既提高了产品质量，又丰富了产品功能，同时还简化了控制系统的设计。单片机主要应用在电力、化工、石油、冶金、航空航天、机械制造等生产实践中，用来实现信号检测、数据采集以及对应用对象的控制。
随着国民经济的发展，需要对工业现场中的温度进行监测和控制。温度是表征对象和工程状态的重要参数之一。研究和设计高性能的温度控制系统具有重要意义。所以本设计选用温度作为被控量进行研究。温度控制系统一般具有非线性、时滞以及不确定性，为了能实现较高的控制精度，采用PID闭环算法进行控制。智能温度控制系统满足产品对成本低、性能稳定、可远程监控制现场温度的要求。

1 系统方案设计
本系统采用AT89C51作为温度控制系统主控单元。AT89C51是一种带4 kB闪存可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能CMOS的8位微处理器。指令系统和引脚与典型的MCS-51系列完全兼容，方便软件的编写。系统整体电路包括：主控电路、A／D数据采集、信号调理、LED显示、控制输出、控制对象、双向可控硅模块、设定输入等电路，如图1所示。

(1)主机电路。包括核心控制器件单片机，以及由时钟电路、复位电路、电源电路构成的最小系统。主要完成功能运算，是控制系统数据处理的重要电路。
(2)数据采集电路。本系统需要实时采集温度数据，经过A／D转换器转换成数字信号，存入AT89C51的内部数据存储器，送LED显示器显示，并与设定值比较，经过PID算法得到控制量并由单片机输出以控制电热丝加热。
(3)键盘处理电路。本系统采用独立键盘，主要功能为输入控制系统的设定值，以便与系统采样值比较。键盘共有4个键，其中第2个选用双稳态开关，为后续键盘处理子程序提供便利。第1个、第3个和第4个键选用按钮开关。第1个键按下则转入外部中断处理。第2个键判断是十位还是个位进行加减操作，第2个键按下转十位进行加减操作，否则转入个位加减操作。第3个和第4个键分别为加1和减1操作。
(4)LED显示电路。显示电路采用两个4位LED显示数码管，共阴极接法。由于LED显示电路较多选用动态扫描方式，为实现LED显示管的动态扫描，要给显示器提供段和位控。
(5)控制执行电路。系统用加热丝进行加热，加热时间的长短取决于PWM波高电平时间的长短。

2 软件部分
系统采用AT89C51单片机进行数据处理分析，设置相应的温度初始值并对采集到的信号进行实时处理显示。首先由温度的采样值与设定值之差求出温度误差，通过PID闭环控制算法获得控制量U，然后由定时子程序处理，发出可以改变占空比的PWM控制信号，控制加热片的工作时间，从而达到调节温度的目的。软件设计时采用了模块化设计，由主程序模块、功能实现模块和运算控制模块组成。
2．1 主程序模块
在主程序中首先给定PID算法的参数值，然后通过循环显示当前温度，以等待中断，并且使键盘处于最高优先级。外部中断为高优先级，以便使主程序能及时响应键盘处理。初值由PID算法子程序提供，以用来执行对加热丝的控制。系统总体程序流程图如图2所示。