基于ATC单片机的电加热炉温度控制新版系统的设计.doc

机电系统控制和测试课程设计
汇报名称：电加热炉温度控制系统设计
院 级：机电工程学院级
专业班级：机械电子工程1班
姓 名：郑冬冰
学 号：10834138
指导老师：梁坚
完成日期：6月22日
摘 要

伴随国民经济发展，大家对生活质量要求越来越高，多种电子产品开始进入大家生活并成为大家生活不可或缺一部分，所以对电子产品自动化控制要求也越来越高，本设计正是选择了其中含有代表性电加热炉作为研究对象。
本设计以单片机为关键对电加热炉温度进行监测和控制，采取单片机来对她们控制不仅含有控制方便，简单和灵活性大等优点，而且能够大幅度提升被控温度技术指标，从而能够大大提升产品质量和数量。
为了实现高精度温度控制，本单片机系统采取PID算法控制，经过控制双向可控硅改变电炉和电源接通、断开，从而用改变加热时间方法来实现对温度控制。本系统由按键显示和温度采样控制和上下限报警多个模块组成，经过模块间通信完成温度设定、实际温度和测量温度显示等功效。
本文对系统硬件、选型、软件中步骤控制实现全部有较为具体叙述，对使用编程软件也有描述，对于本系统控制特点也进行总结说明，比较详尽地叙述了整个系统相关事宜。

关键词 单片机 PID算法 温度控制

目 录
1 绪论 1
1.1 课题背景及中国外研究概况 1
1.2 自动控制理论及其发展 2
1.3 课题建立和本文完成关键工作 3
2 总体方案设计 4
2.1 总体方案确实定 4
2.2 系统组成 5
3 单片机技术和PID算法 6
3.1 AT89C51介绍 6
3.1.1 单片机引脚介绍 6
3.1.2 单片机存放结构 9
3.2 PID算法介绍 10
3.2.1 PID算法数字化 10
3.2.2 PID算法利用 11
3.3 小结 12
4 系统硬件设计 14
4.1 系统概况 14
4.2 功效模块 14
4.2.1 单片机控制模块 14
4.2.2 数据转换和采集模块A/D0808 15
4.2.3 按键选择模块 16
4.2.4 显示模块 16
4.2.5 报警模块 17
4.2.6 输出模块 17
4.3 总体方案实现和元器件清单 18
4.3.1系统整体设计 18
4.3.2元器件清单 19
4.4 小结 19
5 系统软件设计 21
5.1 Protues7软件概况 21
5.2 WAVE6000软件介绍 23
5.2.1 软件概况 23
5.2.2 程序界面 23
5.3 子程序设定 23
5.4 程序步骤 24
5.5 程序仿真调试 31
5.5.1 WAVE6000仿真调试 31
5.5.2 软硬连调 31
5.6 小结 32
6 课题特点 33
6.1 单片机技术应用 33
6.2 PID算法利用 33
6.3 软件调试仿真 33
7 结论 34
参考文件 35
附 录 37
致 谢 50

电加热炉温度控制系统设计
1 绪论
1.1 课题背景及中国外研究概况
温度控制系统在中国各行各业应用即使已经十分广泛，但从中国生产温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等优异国家相比，仍然有着较大差距。成熟温控产品关键以“点位”控制及常规PID控制器为主，它们只能适应通常温度系统控制，而用于较高控制场所智能化、自适应控制仪表，中国技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用控制仪表较少。伴随中国经济发展及加入WTO，中国政府及企业对此全部很重视，对相关企业资源进行了重组，相继建立了部分国家、企业研发中心，开展创新性研究，使中国仪表工业得到了快速发展。
伴随新技术不停开发和应用，多年来单片机发展十分快速，一个以微机应用为主新技术革命浪潮正在蓬勃兴起，单片机应用已经渗透到电力、冶金、化工、建材、机械、食品、石油等各个行业。传统温度采集方法不仅费时费力，而且精度差，单片机出现使得温度采集和数据处理问题能够得到很好处理。温度是工业对象中一个关键被控参数。然而所采取测温元件和测量方法也不相同；产品工艺不一样，控制温度精度也不相同。所以对数据采集精度和采取控制方法也不相同。传统控制方法已不能满足高精度，高速度控制要求，如温度控制表温度接触器，其关键缺点是温度波动范围大，因为它关键经过控制接触器通断时间百分比来达成改变加热功率目标，受仪表本身误差和交流接触器寿命限制，通断频率很低。近几年来快速发展了多个优异温度控制方法，如：PID控制，模糊控制，神经网络及遗传算法控制等。这些控制技术大大提升了控制精度，不仅使控制变得简便，而且使产品质量愈加好，降低了产品成本，提升了生产效率。本系统要求有数据处理，显示功效等,被控对象为一阶惯性步骤和一阶积分步骤组合，惯性时间常数为2s，开环增益k=10，温度控制范围为50～150℃。
本设计使用单片机作为关键进行控制。单片机含有集成度高，通用性好，功效强，尤其是体积小，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、智能化方面有广泛用途。本系统使用AT89C51单片机，使温度控制大为简便。
1.2 自动控制理论及其发展
伴随科学技术进步，自动控制技术在各个应用领域中应用已日渐广泛，不仅使得生产设备或生产过程实现自动化，大大提升了劳动生产率和产品质量，改善了劳动条件，还在人类征服大自然，改善居住条件等方面发挥了很关键作用。
自动控制（automatic control）是指在没有些人直接参与情况下，利用外加设备或装置，使机器、设备或生产过程某个工作状态或参数自动地根据预定规律运行。自动控制是相对人工控制概念而言。指是在没人参与情况下，利用控制装置使被控对象或过程自动地按预定规律运行。
自动控制理论是研究自动控制共同规律技术科学，是分析和设计自动控制系统理论基础。它发展早期，是以反馈理论为基础自动调整原理，关键用于工业控制，二战期间为了设计和制造飞机及船用自动驾驶仪，火炮定位系统，雷达跟踪系统和其它基于反馈原理军用设备，深入促进并完善了自动控制理论发展。到战后，已形成完整自动控制理论体系，这就是以传输函数为基础经典控制理论，它关键研究单输入-单输出，线形定常系统分析和设计问题。
自动控制理论发展历程以下：
1．40年代--60年代初
需求动力：市场竞争,资源利用，减轻劳动强度，提升产品质量，适应批量生产需要。关键特点：此阶段关键为单机自动化阶段，关键特点是:多种单机自动化加工设备出现，并不停扩大应用和向纵深方向发展。经典结果和产品：硬件数控系统数控机床。
2．60年代中--70年代早期
需求动力：市场竞争加剧，要求产品更新快，产品质量高，并适应大中批量生产需要和减轻劳动强度。关键特点：此阶段关键以自动生产线为标志，其关键特点是：在单机自动化基础上，多种组合机床、组合生产线出现，同时软件数控系统出现并用于机床，CAD、CAM等软件开始用于实际工程设计和制造中，此阶段硬件加工设备适合于大中批量生产和加工。经典结果和产品：用于钻、镗、铣等加工自动生产线。
3．70年代中期--至今
需求动力：市场环境改变，使多品种、中小批量生产中普遍性问题愈发严重，要求自动化技术向其广度和深度发展，使其各相关技术高度综合，发挥整体最好效能。关键特点：自70年代早期美国学者首次提出CIM概念至今，自动化领域已发生了巨大改变，其关键特点是：CIM已作为一个哲理、一个方法逐步为大家所接收；CIM也是一个实现集成对应技术，把分散独立单元自动化技术集成为一个优化整体。所谓哲理，就是企业应依据需求来分析并克服现存“瓶颈”，从而实现不停提升实力、竞争力思想策略；而作为实现集成对应技术，通常认为是:数据获取、分配、共享；网络和通信；车间层设备控制器；计算机硬、软件规范、标准等。同时，并行工程作为一个经营哲理和工作模式自80年代末期开始应用和活跃于自动化技术领域，并将深入促进单元自动化技术集成。经典结果和产品：CIMS工厂，柔性制造系统(FMS)。
伴随现代应用数学新结果推出和电子计算机应用，为适应自动控制、宇航技术发展，自动控制理论跨入了一个新阶段——现代控制理论。关键研究含有高性能，高精度多变量多参数最优控制问题，关键采取方法是以状态为基础状态空间法。现在，自动控制理论还在继续发展，正向以控制论，信息论，仿生学为基础智能控制理论深入。
为了实现多种复杂控制任务，首先要将被控制对象和控制装置根据一定方法连接起来，组成一个有机总体，这就是自动控制系统。在自动控制系统中，被控对象输出量即被控量是要求严格加以控制物理量，它能够要求保持为某一恒定值，比如温度，压力或飞行航迹等；而控制装置则是对被控对象施加控制作用机构总体，它能够采取不一样原理和方法对被控对象进行控制，但最基础一个是基于反馈控制原理反馈控制系统。
在反馈控制系统中，控制装置对被控装置施加控制作用，是取自被控量反馈信息，用来不停修正被控量和控制量之间偏差从而实现对被控量进行控制任务，这就是反馈控制原理。
1.3 课题建立和本文完成关键工作
本文关键包含以下内容：
1．以单片机为关键，建立自动控制系统，构建按键、采样、显示和输出等外围电路，实现整个系统搭建，建立电加热炉系统仿真图；
2．画出软件步骤图，依据步骤图编写程序，并对其进行调试，使其符合系统具体要求；
3．将所编写程序下载到单片机中去，对系统进行整体调试，进而实现系统整个功效，设计出符合实际要求系统。
2 总体方案设计
2.1 总体方案确实定
因为温度控制系统控制对象含有惯性大，连续性特点。所以能够归于含有纯滞后一阶大惯性步骤。通常来说，热过程大多含有较大滞后，它对任何信号响应全部会推迟一段时间，使输出和输入之间产生相移。对于这么部分存在大滞后特征过渡过程控制，通常来说能够采取以下多个控制方案：
1．输出开关量控制
对于惯性较大过程能够简单地采取输出开关量控制方法。这种方法经过比较给定值和被控参数偏差来控制输出状态：开关或通断，所以控制过程十分简单，也轻易实现。但因为输出控制量只有两种状态，使被控参数在两个方向上改变速率均为最大，所以轻易引发反馈回路产生振荡，对自动控制系统会产生十分不利影响，甚至会因为输出开关频繁动作而不能满足系统对控制精度要求。所以，这种控制方案通常在大惯性系统对控制精度和动态特征要求不高情况下采取。
2．百分比控制（P控制）
百分比控制特点是控制器输出和偏差成百分比，输出量大小和偏差之间有对应关系。当负荷改变时，抗干扰能力强，过渡时间短，但过程一直存在余差。所以它适适用于控制通道滞后较小、负荷改变不大、许可被控量在一定范围内改变系统。使用时还应注意经过一段时间后需将累积误差消除。
3．百分比积分控制（PI控制）
因为百分比积分控制特点是控制器输出和偏差积分成百分比，积分作用使得过渡过程结束时无余差，但系统稳定性降低。即使加大百分比度能够使稳定性提升，但又使过渡时间加长。所以，PI控制适适用于滞后较小、负荷改变不大、被控量不许可有余差控制系统，它是工程上使用最多、应用最广一个控制方法。
4．百分比积分加微分控制（PID控制）
百分比积分加微分控制特点是微分作用使控制器输出和偏差改变速度成正百分比,它对克服对象容量滞后有显著效果。在百分比基础上加上微分作用，使稳定性提升，再加上积分作用，能够消除余差。所以，PID控制适适用于负荷改变大、容量滞后较大、控制品质要求又很高控制系统。
结合本例题设计任务和要求，因为温度系统传输函数事先难以正确取得，所以极难判定哪一个控制方法能够满足系统对控制品质要求。但从以上对控制方法分析来看，PID控制方法最适合本例采取。其次，因为能够采取单片机实现控制过程，不管采取上述哪一个控制方法全部不会增加系统硬件成本，而只需对软件作对应改变即可实现不一样控制方案。所以本系统能够采取PID控制方法，以最大程度地满足系统对诸如控制精度、调整时间和超调量等控制品质要求。
2.2 系统组成
就控制器本身而言，控制电路能够采取经典控制理论和常规模拟控制系统实现温度自动调整。但伴随计算机和超大规模集成电路快速发展，以现代控制理论和计算机为基础，采取数字控制、显示、A/D和D/A转换，配合实施器和控制阀组成计算机控制系统，在过程控制过程中得到越来越广泛应用。
因为本例是一个经典检测、控制型应用系统，它要求系统完成从温度检测、信号处理、输入、运算到输出控制电炉加热功率以实现温度控制全过程。所以，应以单片微型计算机为关键组成一个专用计算机应用系统，以满足检测、控制应用类型功效要求。另外，单片机使用也为实现温度智能化控制和提供完善人机交互界面及多机通讯接口提供了可能，而这些功效在常规数字逻辑电路中往往是难以实现或无法实现。所以，本例采取以单片机为关键直接数字控制系统（DDC）。

3 单片机技术和PID算法
3.1 AT89C51介绍
微型计算机是指由微处理器加上采取大规模集成电路制成程序存放器和数据存放器，和输入输出设备相连接I/O接口电路，微型计算机简称MC。假如将微处理器、存放器和输入/输出接口电路集成在一块集成电路芯版上，称为单片微型计算机，简称单片机。
此次设计选择是AT89C51，是MCS-51单片机系列一个。其结构体系完整、指令系统功效完善、内部寄存器规范、性能优越、技术成熟、含有高可靠性和高性价比。
它提供以下标准功效：4k 字节Flash 闪速存放器，128字节内部RAM，32 个I/O 口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中止结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器立即钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz静态逻辑操作，并支持两种软件可选节电工作模式。空闲方法停止CPU工作，但许可RAM，定时/计数器，串行通信口及中止系统继续工作。掉电方法保留RAM中内容，但振荡器停止工作并严禁其它全部部件工作直到下一个硬件复位。
3.1.1 单片机引脚介绍
其引脚图图1所表示

图1 单片机引脚图
其各引脚功效以下
VCC：供电电压。
GND：接地。
P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P0口管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存放器，它能够被定义为数据/地址低八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必需接上拉电阻。
P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是因为内部上拉缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。
P2口：P2口为一个内部上拉电阻8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并所以作为输入时，P2口管脚被外部拉低，将输出电流。这是因为内部上拉缘故。P2口当用于外部程序存放器或16位地址外部数据存放器进行存取时，P2口输出地址高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存放器进行读写时，P2口输出其特殊功效寄存器内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，因为外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是因为上拉缘故。
P3口也可作为AT89C51部分特殊功效口，以下表所表示：
各管脚备选功效
P3.0 RXD（串行输入口）
P3.1 TXD（串行输出口）
P3.2 /INT0（外部中止0）
P3.3 /INT1（外部中止1）
P3.4 T0（记时器0外部输入）
P3.5 T1（记时器1外部输入）
P3.6 /WR（外部数据存放器写选通）
P3.7 /RD（外部数据存放器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收部分控制信号。
RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期高电平时间。
ALE/PROG：当访问外部存放器时，地址锁存许可输出电平用于锁存地址低位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率1/6。所以它可用作对外部输出脉冲或用于定时目标。然而要注意是：每当用作外部数据存放器时，将跳过一个ALE脉冲。如想严禁ALE输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在实施MOVX，MOVC指令时ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。假如微处理器在外部实施状态ALE严禁，置位无效。
/PSEN：外部程序存放器选通信号。在由外部程序存放器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存放器时，这两次有效/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存放器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存放器。注意加密方法1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存放器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：反向振荡放大器输入及内部时钟工作电路输入。
XTAL2：来自反向振荡器输出。
3.1.2 单片机存放结构
存放器是组成计算机三大部件之一，其功效是存放信息（数据和程序）。存放器按其存放方法可分为两大类：一类为随机存放器（RAM）；另一类为数据存放器（ROM）。
CPU在运行时可对RAM随时进行数据写入和读出，但在关闭电源时，RAM中所存信息也会丢失，所以RAM只能用来存放临时性输入/输出数据、运算中结果等。RAM也所以常被称为数据存放器。
而ROM是一个写入数据后不能改写只能读出存放器。在断电后，ROM中信息保留不变，所以ROM用来存放固定程序或数据。ROM所以也常被称为程序存放器。
MCS-51单片机存放器配置比通常微机配置复杂，其具体配置是多个存放器交叠。这种交叠不仅反应在存放器种类上，而且还表现在存放器地址空间上。
MCS-51单片机存放器可分为5类：
1．片内程序存放器；
2．片外程序存放器；
3．片内数据存放器；
4．特殊功效存放器；
5．片外数据存放器。
MCS-51单片机存放器地址空间可分为3个，在访问3个不一样地址空间时采取不一样形式指令：
1．片内片外统一编址64K程序存放器地址空间（16位地址0000H-FFFFH）；
2．片内数据存放器和特殊功效存放器统一编址256B内部数据存放器地址空间
（8位地址00H-7FH，80H-FFH）；
3．64KB片外数据存放器地址空间（16位地址0000H-FFFFH）。
89C51内部RAM共有256个单元，这256个单元共分为两部分。其一是地址从00H—7FH单元（共128个字节）为用户数据RAM。从80H—FFH地址单元（也是128个字节）为特殊寄存器（SFR）单元。从图2中可清楚地看出它们结构分布。

图2 存放器结构图
单片机内部数据存放器共有128个字节，地址范围是00H-7FH，分成工作寄存器区、位寻址区、通用RAM区三部分。

3.2 PID算法介绍
PID调整是Proportional（百分比）、Integral（积分）、Differential（微分）三者缩写，是连续系统中技术最成熟、行之有效、应用最广泛一个调整方法。PID调整实质就是依据输入偏差值，按百分比、积分、微分函数关系进行运算，其运算结果用以输出控制。在实际应用中，依据被控对象特征和控制要求，可灵活地改变PID结构，取其中一部分步骤组成控制规律，如百分比（P）调整、百分比积分（PI）调整、百分比积分微分（PID）调整等。尽管凭着单片微机优势，计算机数字控制系统替换了模拟控制系统，不过，在长久生产实践中，模拟PID控制算法所积累经验并未被大家遗忘，而是被广泛地应用到计算机控制系统中来，形成一个新型PID控制方法，称之为数字PID控制。
3.2.1 PID算法数字化
PID算法数字化，其实质就是将连续形式PID微分方程式转化为离散形式PID差分方程。在模拟系统中，PID算法表示式为：

(3-1)
式中，u(t)-调整器输出信号；
e(t)-调整器偏差信号，等于给定值和测量值之差；
Kp-调整器百分比系数；
Ti-调整器积分时间；
Td-调整器微分时间。
控制点现在包含三种比较简单PID控制算法，分别是：增量式算法，位置式算法，微分先行。这三种PID算法即使简单，但各有特点，基础上能满足通常控制大多数要求。
实际上，位置式和增量式控制对整个闭环系统并无本质区分。增量型算法仅仅是就是方法改善，而没有改变位置型算法本质。
3.2.2 PID算法利用
因为计算机控制是一个采样控制，它只能依据采样时刻偏差值来计算控制量。所以，在计算机控制系统中，必需首先对式（3-1）进行离散化处理，用数字形式差分方程替换连续系统微分方程，此时积分项和微分项可用求和及增量式表示。
对温度控制算法，采取技术成熟PID算法，对于时间常数比较大系统来说，其近似于连续改变，所以用数字PID完全能够得到比很好控制效果。
简单百分比调整器能够反应很快，但不能完全消除静差，控制不正确，为了消除百分比调整器中残余静差，在百分比调整器基础上加入积分调整器，积分器输出值大小取决于对误差累积结果，在误差不变情况下，积分器还在输出直到误差为零，所以加入积分调整器相当于能自动调整控制常量，消除静差，使系统趋于稳定。积分器即使能消除静差，但使系统响应速度变慢。深入改善调整器方法是经过检测信号改变率来预报误差，并对误差改变作出响应，于是在PI调整器基础上再加上微分调整器，组成百分比、积分、微分(PID)调整器，微分调整器加入将有利于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定，同时加紧了系统稳定速度，缩短调整时间，从而改善了系统动态性能，其控制规律为：

(3-2)
单片机是一个采样控制，它只能依据采样时刻误差值计算控制变量，不能直接计算公式中积分项和微分项，采取数值计算法迫近后，PID调整规律能够经过数值公式

(3-3)
计算，假如采样取得足够小，这种迫近可相当正确，被控过程和连续过程十分靠近。我们变换上式(3-3)得：

(3-4)

把△ei = ei - ei-1,△2 ei=△ei -△ei-1带人上式（3-4）得：

(3-5)
式中ei=W—Yi，W为设定值，Yi为第i次实际输出值，Kp为百分比系数，积分系数I=T/Ti，微分系数D=Td/T，T为采样周期，以(3-5)式来编程比较方便。
用PID控制算法实现温度控制是这么一个反馈过程：比较实际温度和设定炉温得到偏差，经过对偏差处理取得控制信号，再去调整电加热炉加热功率，从而实现对炉温控制，因为电阻炉通常全部是下一阶段对象和带纯滞后一阶对象，所以式中Kp、Kd和Ki选择取决于电阻炉响应特征和实际经验。
本程序先将用户设定温度和锅炉实际温度T比较，计算出偏差ei，然后分两种情况进行计算控制变量：
1．ei大于等于设定偏差e时，因为积分控制器使系统响应速度变慢，不采取积分控制器调整，直接使用PD调整，取得比较快动态响应，计算Pd和Pp，最终得到控制量取得比较快动态响应。
2．ei小于设定设定偏差e时，正常分别计算Pi、Pd和Pp，然后依据算法公式计算出控制变量。
3.3 小结
本章对单片机控制技术，和PID控制算法进行了深入分析，着重叙述了单片机结构和指令系统，和PID算法使用，为设计提供了硬件基础和软件资源，为下一步设计做好准备。
4 系统硬件设计
4.1 系统概况
本系统是采取以AT89C51单片机为关键温度控制系统，经过温度传感器采样实时温度，并经过变送器将温度最终转换为电压信号经过A/D转换器0808将其转换为数字信号，送入单片机和给定值进行比较，经过利用PID算法得出控制结果，送显示并进行控制。
总体设计方案见图3所表示。

测量变送
看门狗
看门狗
报警提醒
通信接口
LED显示
键盘
微型控制机
AT89C51
温度检测PT100
驱动实施机构
8路D/A转换器DAC0832
测量变送
8路A/D转换器ADC0809
加热电阻
温度

图3 系统设计方案图
4.2 功效模块
4.2.1 单片机控制模块
A/T89C51是整个系统控制关键，将采集来数据和设定值进行比较，利用PID算法得出结果并送输出。整个控制系统程序就下载到单片机中去。
A/T89C51仿真图图4所表示。

图4 单片机仿真
4.2.2 数据转换和采集模块A/D0808
AD0808是CMOS8位模/数转换器，采取逐次迫近原理进行A/D转换，芯片内有模拟多路转换开关和A/D转换两大部分，可对8路0～5V输入模拟电压信号分时进行转换。模拟多路开关由8路模拟开关和3位地址锁存译码器组成，可选通8路模拟输入中任何一路，地址锁存信号ALE将3位地址信号ADDA、ADDB、ADDC进行锁存，然后由译码电路选通其中一路，被选中通道进行A/D转换。A/D转换部分包含比较器、逐次迫近寄存器（SAR）、256R电阻网络、树状电子开关、控制和时序电路等。另外ADC0809输出含有TTL三态锁存缓冲器，可直接连到CPU数据总线上。
实时温度经过传感器检测并经过变送器将其转换成模拟电压信号，而A/D0808则用来采集电压信号并将其转换为数字信号存放在单片机中，方便后续对数据处理。
其硬件仿真图图5所表示。

图5 A/D0808仿真图
4.2.3 按键选择模块
系统采取了两个按键用来进行温度设定，一个进行温度加，一个进行温度减。每按下一次，温度就对应加一或减一。根据设计要求，温度设定范围为50-150度，其仿真图6所表示。

图6 按键示意图
4.2.4 显示模块
显示模块采取两个7段共阴极数码管，一个用来显示实时温度，一个用来显示设定温度。并用74LS04来驱动数码管。
其仿真图图7所表示。

图7 显示示意图
4.2.5 报警模块
当实时温度高于或低于设定温度5度以上时，系统就会报警，报警指示灯红灯亮。
图4-6所表示。

图4-6 报警示意图
4.2.6 输出模块
经过数据运算，单片机经过P3.4口高低电平来控制加热系统通断，经过导通时间长短来控制加热强度，以达成正确控制效果。当温度在设定温度正负5度之内时，系统进行PID运算控制；当高于设定温度5度时，停止加热；当低于设定温度5度时，全功率加热。因为仿真软件本身条件原因，使用绿色LED灯替换，当绿灯亮时，表示正在加热，不亮时，停止加热。仿真图如4-7所表示。

图8 加热示意图
4.3 总体方案实现和元器件清单
4.3.1系统整体设计
系统整体设计图图9所表示。

图9 系统设计方案图
其中：
1．单片机采取是MCS-51系列89C51，其集成了中央处理器CPU、随机存放器RAM、程序存放器ROM或EPROM、定时器/计数器、中止控制器及串型和并行I/O接口等部件。
单片机关键应用于工业控制领域，用来实现对信号检测、数据采集和对应用对象控制。它含有体积小、重量轻、价格低、可靠性高、耗电少和灵活机动等很多优点。单片机是微型计算机一个关键分支，尤其适适用于智能控制系统。
2．实时温度测量因为条件限制直接用模拟电压来替换传感器及变送器，用0808来采样和转换温度。
4.3.2元器件清单
系统所需元器件清单如表4-1所表示。
表4-1 系统配置清单表
序号
部件名称
所属类
数量
1
AT89C51
Microprocessor ICs
1
2
A/D0808
Data Converters
1
3
7SEG-MPX4-CC
Optoelectronics
2
4
BUTTON
Switches&Relays
3
5
LED-GREEN
Optoelectronics
1
6
LED-RED
Optoelectronics
1
7
74LS373
TTL 74LS series
1
8
RESPACK-8
Resistors
1
9
74LS04
TTL 74LS series
8
10
NOT
Simulator Primitives
1
11
NOR
Simulator Primitives
2
12
POT-HG
Resistors
1
13
电容
Capacitors
2
14
CLOCK
Simulator Primitives
2
15
CRYSTAL
Miscellaneous
1
16
电阻
Resistors
1
17
INPUT
终端
4
18
GROUND
终端
7
19
VSOURCE
Simulator Primitives
1

4.4 小结
系统硬件是设计基础，在设计软件程序之前，要对系统结构有个深入了解，本章具体介绍了整个系统硬件结构和各模块选型，介绍了系统概况，使读者对总体设计有个大致了解。
5 系统软件设计
5.1 Protues7软件概况
PROTUES是一个基于标准仿真殷勤SOICE3F5混合电路仿真工具，既能够仿真模拟电路，又能够仿真数字电路和数字、模拟混合电路，其最大特色在于能够仿真基于控制器系统。它是现在最好仿真单片机及外围器件工具。即使现在中国推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学老师、致力于单片机开发应用科技工作者青睐。Proteus是世界上著名EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机和外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品完整设计。是现在世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，立即增加Cortex和DSP系列处理器，并连续增加其它系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多个编译。其程序界面图10所表示。

图10 Protues7工作界面

PROTUES软件功效特点介绍以下：
1．原理布图
2．PCB自动或人工布线
3．SPICE电路仿真　
革命性特点：
1．互动电路仿真。用户甚至能够实时采取诸如RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。
2．仿真处理器及其外围电路。能够仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常见主流单片机。还能够直接在基于原理图虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出效果。配合系统配置虚拟逻辑分析仪、示波器等，Protues建立了完备电子设计开发环境。
同时它还含有4大功效模块：智能原理图设计（ISIS），完善电路仿真功效（Prospice），独特单片机协同仿真功效（VSM），实用PCB设计平台。
Protues提供了丰富资源：
1．Protues可提供仿真元器件资源：仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件，有30多个元件库。
2．Protues可提供仿真仪表资源 ：示波器、逻辑分析仪、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器、信号发生器、模式发生器、交直流电压表、交直流电流表。理论上同一个仪器能够在一个电路中随意调用。
3．除了现实存在仪器外，Protues还提供了一个图形显示功效，能够将线路上改变信号，以图形方法实时地显示出来，其作用和示波器相同，但功效更多。这些虚拟仪器仪表含有理想参数指标，比如极高输入阻抗、极低输出阻抗。这些全部尽可能降低了仪器对测量结果影响。
4．Protues可提供调试手段 Protues提供了比较丰富测试信号用于电路测试。这些测试信号包含模拟信号和数字信号。
5.2 WAVE6000软件介绍
5.2.1 软件概况
WAVE6000是南京伟福企业单片机开发编译软件，采取汉字界面。用户源程序大小不受限制，有丰富窗口显示方法，能够多方位、动态地展示程序实施过程。其项目管理功效强大，可使单片机程序化大为小，化繁为简，便于管理。另外，其书签、断点管理功效和外设管理功效等为51单片机仿真带来极大便利。
5.2.2 程序界面
WAVE6000界面图11所表示。

图11 WAVE6000界面

5.3 子程序设定
本设计使用了较多子程序，命名皆以其功效作用为名，目标是增加程序可读性。总程序见附录。
5.4 程序步骤
控制系统程序关键包含：采样、标度变换、控制计算、控制输出、中止、显示、报警、调整参数修改、温度设定及修改。其中控制算法采取数字PID调整，应用增量型控制算法，并对积分项进行改善，以达成愈加好控制效果。依据课题要实现功效及要求，WAVE6000软件独立控制部分设计。
各个程序步骤图以下。

1．主程序步骤图
主程序关键实现了对系统初始化，并经过调用子程序实现将运算结果和极限值进行比较，从而确定跳转方向，实现系统报警功效及运算功效。
主程序步骤图图12所表示。
Ui(k)<Umin

T1中止
加热报警
显示
Ui(k)=Umax
Ui(k)<Umax

报警停止加热
Ui(k)=Umin

加热不报警
停止加热不报警
设置对栈指针
请标志和暂存单元
清闲时缓冲区
采样
滤波
温度转换
扫描键盘
N
N
N
N
Y
Y
Y
Y
Ui(k)=Umax

Ui(k)<Umax

Ui(k)=Umin

Ui(k)<Umin

图12 主程序步骤图

2．采样子程序步骤图
采样子程序是A/D0808将模拟电压信号转化成数字信号，因为多种干扰会使系统产生误差，为了减小误差，所以要采样三次，将采样值存在2CH,2DH,2EH中去。
采样子程序步骤图图13所表示。

图13采样子程序步骤图
3．滤波子程序步骤图
从上边能够知道为了减小系统误差采样了3次，而滤波子程序则是将三次采样值进行比较，取中间值作为实时温度值，用它进行显示和后续运算。
滤波子程序步骤图图14所表示。
Y
N
N
Y
Y
Y
Y
N
Y
Y
N
(2CH)送A
(2CH)≠(2DH)?
(2CH)>(2DH)?
(2CH)和(2DH)交换
(2DH)≠(2EH)?
(2DH)>(2EH)?
(2CH)≠(2EH)?
(2EH)>(2CH)?
(2CH)送2AH
返回
(2EH)送2AH
(2EH)送2AH
(2DH) 送2AH
(2DH) 送2AH
N

图14 滤波子程序步骤图

4．显示子程序步骤图
实时温度和设定温度分别存在51H和50H中，显示子程序将这两个温度转换成BCD码见其存在70H-75H中，经过查表方法将其转换成对应段码，最终利用动态显示方法将其显示出来。
显示子程序步骤图图15所表示。
N
开始
将待显示数送显示缓冲区
送扫描控制字送显示缓冲区
数据转换为七段码送显示缓冲区
断码送P1口送显示缓冲区
调用延时程序送显示缓冲区
指向下一地址送显示缓冲区
送扫描控制字送显示缓冲区
6位显示完？
扫描控制字左移一位送显示缓冲区
子程序返回送显示缓冲区
Y

图15 显示子程序步骤图
5．按键选择步骤图