超大規模集成電路技術的發展促進了單片機的誕生，單片機具有功能強、性價比高、可靠性高、功耗低、體積小等特點。單片機技術的出現既提高了產品質量，又豐富了產品功能，同時還簡化了控制系統的設計。單片機主要應用在電力、化工、石油、冶金、航空航天、機械制造等生產實踐中，用來實現信號檢測、數據采集以及對應用對象的控制。
    隨著國民經濟的發展，需要對工業現場中的溫度進行監測和控制。溫度是表征對象和工程狀態的重要參數之一。研究和設計高性能的溫度控制系統具有重要意義。所以本設計選用溫度作為被控量進行研究。溫度控制系統一般具有非線性、時滯以及不確定性，為了能實現較高的控制精度，采用PID閉環算法進行控制。智能溫度控制系統滿足產品對成本低、性能穩定、可遠程監控制現場溫度的要求。

1 系統方案設計
    本系統采用AT89C51作為溫度控制系統主控單元。AT89C51是一種帶4 kB閃存可編程可擦除只讀存儲器的低電壓、高性能CMOS的8位微處理器。指令系統和引腳與典型的MCS-51系列完全兼容，方便軟件的編寫。系統整體電路包括：主控電路、A／D數據采集、信號調理、LED顯示、控制輸出、控制對象、雙向可控硅模塊、設定輸入等電路，如圖1所示。

    (1)主機電路。包括核心控制器件單片機，以及由時鐘電路、復位電路、電源電路構成的最小系統。主要完成功能運算，是控制系統數據處理的重要電路。
    (2)數據采集電路。本系統需要實時采集溫度數據，經過A／D轉換器轉換成數字信號，存入AT89C51的內部數據存儲器，送LED顯示器顯示，并與設定值比較，經過PID算法得到控制量并由單片機輸出以控制電熱絲加熱。
    (3)鍵盤處理電路。本系統采用獨立鍵盤，主要功能為輸入控制系統的設定值，以便與系統采樣值比較。鍵盤共有4個鍵，其中第2個選用雙穩態開關，為后續鍵盤處理子程序提供便利。第1個、第3個和第4個鍵選用按鈕開關。第1個鍵按下則轉入外部中斷處理。第2個鍵判斷是十位還是個位進行加減操作，第2個鍵按下轉十位進行加減操作，否則轉入個位加減操作。第3個和第4個鍵分別為加1和減1操作。
    (4)LED顯示電路。顯示電路采用兩個4位LED顯示數碼管，共陰極接法。由于LED顯示電路較多選用動態掃描方式，為實現LED顯示管的動態掃描，要給顯示器提供段和位控。
    (5)控制執行電路。系統用加熱絲進行加熱，加熱時間的長短取決于PWM波高電平時間的長短。

2 軟件部分
    系統采用AT89C51單片機進行數據處理分析，設置相應的溫度初始值并對采集到的信號進行實時處理顯示。首先由溫度的采樣值與設定值之差求出溫度誤差，通過PID閉環控制算法獲得控制量U，然后由定時子程序處理，發出可以改變占空比的PWM控制信號，控制加熱片的工作時間，從而達到調節溫度的目的。軟件設計時采用了模塊化設計，由主程序模塊、功能實現模塊和運算控制模塊組成。
2．1 主程序模塊
    在主程序中首先給定PID算法的參數值，然后通過循環顯示當前溫度，以等待中斷，并且使鍵盤處于最高優先級。外部中斷為高優先級，以便使主程序能及時響應鍵盤處理。初值由PID算法子程序提供，以用來執行對加熱絲的控制。系統總體程序流程圖如圖2所示。

2．2 功能實現模塊
    功能實現模塊主要由A／D轉換子程序、中斷處理子程序、鍵盤處理子程序和顯示子程序等組成。
    (1)A／D轉換子程序。
    先送地址鎖存允許ALE一上跳沿，使A、B、C地址狀態送入地址鎖存器中，然后發送給START一個上跳沿使內部寄存器清0，再給其發送一個下跳沿，開始進行A／D轉換，然后判斷轉換結束狀態信號EOC是否為1，為0則繼續等待轉換，為1則將轉換好的數字量經ADC0808的8個數據輸出端送到AT89C51的P0.0～P0.7口，A／D轉換流程圖如圖3所示。

    (2)T0中斷子程序。
    該中斷是單片機內部5 s定時中斷，為低優先級，但卻是最重要的處理子程序。在該中斷響應中，單片機要完成的工作有：A／D數據采集和轉換、數字濾波、標度變換處理、顯示設定值、調用PID算法及PWM處理子程序。產生控制信號PWM波是單片機上常用的模擬量輸出方法，通過外接轉換電路，可以將脈沖的占空比變成電壓。程序中通過調整占空比調節輸出模擬電壓，PWM的占空比由定時器通過定時來實現，定時長短取決于PID運算的結果。
    (3)T1中斷子程序。
    T1中斷子程序嵌套在T0中斷子程序中，為高優先級的中斷。T0的定時初值由PID算法子程序提供，T0中斷的響應時間用于對電熱絲的控制，也就是產生PWM波。
    (4)鍵盤處理子程序。
    作為高優先級的功能鍵，系統要實時準備響應實時中斷。在中斷的響應過程中，應能顯示設定值和控制處理后的值，其流程圖如圖4所示。

2．3 運算控制模塊
    運算控制模塊涉及標度變換、PID算法及該算法調用的乘法子程序等。
    (1)溫度標度轉換模塊。
    控制系統讀人被測量模擬信號，并轉換成操作人員的物理量，這種轉換就是標度轉換。線性標度變換的公式為
   
    式中，Y為參數測量值；Ymax為測量范最大值，Ymin為測量范最小值；Ymax為對應的A／D轉換值；Nmin為Ymin對應的A／D轉換值；X為測量值Y對應的A／D轉換值。在本系統中Ymin=0，Ymax=100，Nmin=0。
    (2)PID算法。
    在模擬控制系統中，控制器最常用的控制規律是PID控制。工業控制算法常用位置型PID算法，經離散化后的算式為
   
    式中，U(n)為第n個采樣時刻控制器的輸出量，e(n)第n個采樣時刻的偏差值，Kp為比例系數，Ki為積分作用系數，Kd為微分作用系數。由于位置式算法每次輸出與整個過去狀態有關，算式中用到過去偏差的累加值，容易產生較大的累計誤差。而增量式中只需計算增量，算式中不需要累加，控制增量的確定僅與幾次偏差采樣值有關，當存在計算誤差或精度不足時，對控制量計算的影響較小，且容易通過加權處理獲得較好的控制效果。由于計算機只輸出控制增量，所以誤動作時影響較小，且必要時可用邏輯判斷的方法去掉，對系統安全運行有利。
    由于上述優點，所以增量式PID控制算法得到廣泛的應用。其控制算法表達式為

    式(3)是PID位置式的遞推形式，是編程時常用的形式之一。按增量式PID控制算法編程時，a0，a1，a2可預先算出存入固定單元。PID算法流程圖如圖5所示。

3 結束語
    本嵌入式智能溫度控制系統能夠實時處理采集到的數據、通過鍵盤實現設定初始值并實時顯示當前的溫度值，采用PID閉環控制算法增強了系統的抗干擾能力，提高了智能系統的精確度，達到了較高的設計水平，是一種成本低且效果好的嵌入式系統。