图3 中按键AN1,AN2,AN3,AN4, AN5 键盘采用软件查询和外部中断相结合的方法来设计,低电平有效。的功能定义如表1所示。
按键AN3与P3.2相连,采用外部中断方式,并且优先级定为最高;按键AN5和AN4分别与P1.7和P1.6相连,采用软件查询的方式;AN1则为硬件复位键,与R、C构成复位电路。
表1 按键功能
按键 AN1 AN2 AN3 键名 复位键 运行键 功能转换键 功能 使系统复位 使系统开始数据采集 按键按下(D1亮)时,显示温度设定值;按键升起(D1不亮)时,显示前温度值 AN4 AN5 加一键 减一键 设定温度渐次加一 设定温度渐次减一 显示采用3位共阳LED静态显示方式,显示内容有温度值的十位、个位及小数点后一位,这样可以只用P3.0(RXD)口来输出显示数据,从而节省了单片机端口资源,在P1.4 口和P3.1(TXD)的控制下通过74LS164来实现3位静态显示。数字电路硬件部分见图:
图4 数字硬件电路示意图
三 系统软件设计
系统的软件由三大模块组成：主程序模块、功能实现模块和运算控制模块。
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,并且设定键盘外部中断为最高优先级,以便能实时响应键盘处理;软件设定定时器T0为5秒定时,在无键盘响应时每隔5秒响应一次,以用来采集经过A／D转换的温度信号;设定定时器T1为嵌套在T0之中的定时中断,初值由PID算法子程序提供。在主程序中必须分配好每一部分子程序的起始地址,形式如下：
ORG 0000H
AJMP MAIN
ORG 0003H
AJMP INTO
ORG 000BH
AJMP TT0
ORG 001BH
AJMP TT1
主程序流程图见图5。
2 功能实现模块
以用来执行对可控硅及电炉的控制。功能实现模块主要由A／D转换子程序、中断处理子程序、键盘处理子程序、显示子程序等部分组成。
2.1 T0中断子程序
该中断是单片机内部5s定时中断,优先级设为最低,但却是最重要的子程序。在该中断响应中,单片机要完成A／D数据采集转换、数字滤波、判断是否越限、标度转换处理、继续显示当前温度、与设定值进行比较,调用PID算法子程序并输出控制信号等功能。
2.3 T1中断子程序
T1定时中断嵌套在T 中断之中,优先级高于T 中断,其定时初值由PID算法子程序提供,T1中断响应的
时间用于输出可控硅（电炉）的控制信号。
3 运算控制模块
运算控制模块涉及标度转换、PID算法、以及该算法调用到的乘法子程序等。
3.1 标度转换子程序
该子程序作用是将温度信号(00H~FFH)转换为对应的温度值,以便送显示或与设定值在相同量纲下进行比较。所用线形标度变换公式为：
式中,Ax： 实际测量的温度值;Nx：经过A／D转换的温度量;
Am =90; Ao=40; Nm =FEH; No=01H;
单片机运算采用定点数运算,并且在高温区和低温区分别用程序作矫正处理,温度计测量值与LED显示见图7。
3.2 PID算法子程序
系统算法控制采用工业上常用的位置型PID数字控制,并且结合特定的系统加以算法的改进,形成了变速积分PID一积分分离PID控制相结合的自动识别的控制算法。该方法不仅大大减小了超调量(见图9),而且有效地克服了积分饱和的影响,使控制精度大大提高。PID控制算法的流程图如图8。
图7 温度计测量值与报警方式图
图8 PID控制算法流程图
图9中,初始水温为26 C。实现思想：Ui(k)为第k次采样温度值,Ur 为设定值。
e(k) ≥ε 使用PD算法;