【正文】 向通訊。在使用 中不需要任何外圍元件，測溫范圍 55℃ 到 +125℃，最小分辨率達(dá) 度。 驅(qū)動加熱模塊也有多種方案 ： 方案一 ： 單片機(jī)輸出數(shù)字量，經(jīng) DA 轉(zhuǎn)換后驅(qū)動相應(yīng)的功率器件，特點是控制方便，電路設(shè)計復(fù)雜，且存在大量的干擾。 方案二 ： 選用固態(tài)繼電器。單片機(jī)輸出脈寬變化的 PWM 波，從而改變固態(tài)繼電器中交流接觸點的通斷時間以此來改變水溫。 論證分析 經(jīng)過比較，采用 DS18B20 測量水溫，硬件電路簡單，測量精度高，信號易處埋，故溫度變送器選用 DS18B20。驅(qū)動加熱采用固態(tài)繼電器，在實行控制的時候不像其它采用 D/A轉(zhuǎn)換后再控制調(diào)節(jié)閥的方法，而是直接外接一個固態(tài)繼電器，通過內(nèi)部改變定時器的中斷時間來 調(diào)節(jié)一個周期內(nèi)電子開關(guān)的導(dǎo)通和斷開時間。這樣既節(jié)省了材料也可以很大程度上減少硬件電路的結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)原理 2l所示。 3 圖 21：系統(tǒng)原理框圖 綜上所述方案有如下的特點 ： （ 1）在完成所要求的任務(wù)的基礎(chǔ)之上還有著結(jié)構(gòu)簡單明了的特點，很容易實現(xiàn)，而且在一定的程度上節(jié)約成本。 （ 2） 由于采用了離線的方法，很大程度上的減少了編程的麻煩，實現(xiàn)起來較容易。 （ 3） 采用了無污染能源，保護(hù)環(huán)境。同時也省去了為建造燃料供應(yīng)子系統(tǒng)的費用，節(jié)約了成本。采用了模擬的 PWM 變換，和固態(tài)繼電器?？梢詫⒉蓸宇l率提高到很多的水平，使控制結(jié) 果更準(zhǔn)確，實時性、控制效果更好。 4 第 3 章 PID 原理解說 PID 概念及其構(gòu)成 在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱 PID 控制，又稱 PID調(diào)節(jié)。 PID控制器問世至今已有近 70年歷史，它 以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。 PID 控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、 積分、微分計算出控制量進(jìn)行控制的。 具體由比例模塊，積分模塊和微分模塊構(gòu)成。 PID 算法原理 常 規(guī)的模擬 PID 控制系統(tǒng)原理框圖如圖 12 所示。該系統(tǒng)由模擬 PID 控制器和被控對象組成 [1]。其中 r(t)是給定值， y(t)是系統(tǒng)的實際輸出值，給定值與實際輸出值構(gòu)成控制偏差 e(t)： ( ) ( ) ( )e t r t y t?? （ 31） 圖 31 PID原理示意圖 其中 e（ t） 作為 PID 控制的輸入， u（ t） 作為 PID控制器的愉出和被控對象的輸入，所以模擬 PID 控制器的控制規(guī)律為 01 ( )( ) [ ( ) ( ]t d e tu t K p e t e t d t TdTi d t? ? ?? ） （ 32） 其中 Kp： 控制器的比例系數(shù) Ti： 控制器的積分系數(shù) Td： 控制器的微分系數(shù) 比例部分 5 在模擬 PID控制器中，比例環(huán)節(jié)的作用是對偏差瞬間做出反應(yīng)。偏差一旦產(chǎn)生控制器立即產(chǎn)生控制作用，使控制量向 減少偏差的方向變化。控制作用的強(qiáng)弱取決于比例系數(shù) Kp，比例系數(shù) Kp 越大控制作用越強(qiáng)，則過渡過程越快，控制過程的靜態(tài)偏差也就越小 ： 但是越大，也越容易產(chǎn)生振蕩，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。故而，比 例系數(shù)如選擇必須恰當(dāng)，才能過渡時間少，靜差小而又穩(wěn)定的效果。 積分部分 積分部分的數(shù)學(xué)表達(dá)式是： 0 ()tK e t dtTi ?ｐ (33) 從積分部分的數(shù)學(xué)表達(dá)式可以知道，只要存在偏差，則它的控作用就不斷的增加 ：只有在偏差為 0時，它的積分才能是一個常數(shù)，控制作用才是一個不會增加的常數(shù)?？梢?，積分部分可以消除系統(tǒng)的偏差。 積分環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)作用雖然會消除靜態(tài)誤差，但也會降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度，增加系統(tǒng)的超調(diào)量。積分常數(shù) Ti 越大，積分的 積累作用越弱，這時系統(tǒng)在過渡時不會產(chǎn)生振蕩 ：但是增大積分常數(shù) Ti 會減慢靜態(tài)誤差的消除過程，消除偏差所需的時間也較長，但可以減少超調(diào)量，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng) Ti 較小時，則積分的作用較強(qiáng)，這時系統(tǒng)過渡時間中有可能產(chǎn)生振蕩，不過消除偏差所需的時間較短。所以必須根據(jù)實際控制的具體要求來確定 Ti。 微分部分 微分部分的數(shù)學(xué)表達(dá)式為 ： ()()de tKp Td dt? (34) 實際的控制系統(tǒng)除了希望消除靜態(tài)誤差外，還要求加快調(diào)節(jié)過 程。在偏差出現(xiàn)的瞬間，或在偏差變化的瞬間，不但要對偏差量做出立即響應(yīng) （ 比例環(huán)節(jié)的作用 ） ，而且要根據(jù)偏差的變化趨勢預(yù)先給出適當(dāng)?shù)募m正。為了實現(xiàn)這一作用，可在 PI 控制器的基礎(chǔ)上加入微分環(huán)節(jié)，形成 PID控制器。 微分環(huán)節(jié)的作用使阻止偏差的變化。它是根據(jù)偏差的變化趨勢 （ 變化速度 ） 進(jìn)行控制。偏差變化的越快，微分控制器的輸出就越大，并能在偏差值變大之前進(jìn)行修正。微分作用的引入，將有助于減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，特別對高階系統(tǒng)非常有利，它加快了系統(tǒng)的跟蹤速度。但微分的作用對輸入信號的噪聲很敏感，對那些 噪聲較大的系統(tǒng)一般不用微分，或在微分起作用之前先對輸入信號進(jìn)行濾波。 微分部分的作用由微分時間常數(shù) Td 決定。 Td 越大時，則它抑制偏差變化的作用越 6 強(qiáng) ： Td越小時，則它反抗偏差變化的作用越弱。微分部分顯然對系統(tǒng)穩(wěn)定有很大的作用。 適當(dāng)?shù)剡x擇微分常數(shù) Td，可以使微分作用達(dá)到最優(yōu)。 由于計算機(jī)的出現(xiàn)，計算機(jī)進(jìn)入了控制領(lǐng)域。人們將模擬 PID 控制規(guī)律引入到計算機(jī)中來。對公式 （ 22） 的 PID 控制規(guī)律進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖儞Q，就可以用軟件實現(xiàn) PID控制，即數(shù)字 PID控制。 數(shù)字式 PID 控制算法可以分為位置 式 PID 和增量式 PID 控制算法。 由于計算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差計算控制量，而不能像模擬控制那樣連續(xù)輸出控制量量，進(jìn)行連續(xù)控制。由于這一特點，公式 （ 22 ） 中的積分項和微分項不能直接使用，必須進(jìn)行離散化處理。離散化處理的方法為 ： 以 T 作為采樣周期，作為采樣序號，則離散采樣時間對應(yīng)著連續(xù)時間，用矩形法數(shù)值積分近似代 替積分，用一階后向差分近似代替微分，可作如下近似變換 ： ( = 0 ,1 ,2 ,3 ... ..t k T k? ） 0 = 0 = 0( ) ( ) =kktjjje t d t T e jT T e? ??? (35) 1( ) ( ) [ ( 1 ) T ]()kkd e t e k T e kd t T Tee??? 上式中，為了表示的方便，將類似于 e(Kt)簡化成 ek。將公式 （ 35） 代入公式 （ 32）就可以得到離散的 PID 表達(dá)式 ： 1=0= K p [ + + ]k kkk k jjiT TdTeeu e eT ? （ 36） 或者 1=0= * + + K d ( )kk k j k kjK p K iu e e e e? （ 37） 公式 （ 36） 或公式 （ 37） 表示的控制算法是直接按照公式 （ 31） 說給出的 PID控制規(guī)律定義進(jìn)行運算 的，所以它給出了全部控制量的大小，因此稱為全量式或位置式PID 控制算法。位置式的特點是每次輸出均與過去的狀態(tài)有關(guān)，將過去的偏差進(jìn)行 累加，對 于溫度控制系統(tǒng)，比較適合采用位置式控制。 香農(nóng)采樣定律 ： 為不失真地復(fù)現(xiàn)信號的變化，采樣頻率至少應(yīng)大于 或 等于 連續(xù)信號 7 最高頻率分量的二倍。根據(jù)采樣定律可以確定采樣周期的上限值。實際采樣周期的選擇還要受到多方而因素的影響，不同的系統(tǒng)采樣周期應(yīng)根據(jù)具體情況來選擇。 采樣周期的選擇，通常按照過程特性與干擾大小適當(dāng)來選取采樣周期 ： 即對于響 應(yīng)快波動大、易受干擾的過程，應(yīng) 選取較短的采樣周期 ： 反之，當(dāng)系統(tǒng)響應(yīng)慢、滯后大時，可選取較長的采樣周期。 采樣周期的選取應(yīng)與 PID參數(shù)的整定進(jìn)行綜合考慮，采樣周期應(yīng)遠(yuǎn)小于過程的擾動信號的周期，在執(zhí)行器的響應(yīng)速度比較慢時，過小的采樣周期將失去意義，因此可適當(dāng)選大一點 ： 在計算機(jī)運算速度允許的條件下 ，采樣周期短，則控制品質(zhì)好 ： 當(dāng)過程的純滯后時間較長時，一般選取采樣周期為純滯后時間 的四分之一到八分之一 。 由于自動控制系統(tǒng)被控對象的千差萬別， PID 的參數(shù)也必須隨之變化，以滿足系統(tǒng)的性能要求。這就給使用者帶來相當(dāng)?shù)穆闊?，特別是對初學(xué)者 。下面簡單介紹一下 調(diào)試 PID 參數(shù)的一般步驟 ： （ 1） 確定比例增益 P 確定比例增益 P 時，首先去掉 PID 的積分項和微分項，一般是 Td=0,Ti=0，使 PID為純比例調(diào)節(jié)。輸入設(shè)定為系統(tǒng)允許的最大值的 60%70%，由 0 逐漸加大比例增益 P，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩 ： 再反過來，從此時的比例增益 P逐漸減小，直至系統(tǒng)振蕩消失，記錄此時的比例增益 P，設(shè)定 PID 的比例增益 P 為當(dāng)前值的 60%70%。比例增益 P 調(diào)試完成。 （ 2） 確定積分時間常數(shù) Ti 比例增益 P 確定后，設(shè)定一個較大的積分時間常數(shù) Ti 的初值，然后逐漸減 小 Ti,直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，之后在反過來，逐漸加大 Ti，直至系統(tǒng)振蕩消失。記錄此時的 Ti 設(shè)定 PID 的積分時間常數(shù) Ti為當(dāng)前值的 150%180%。積分時間常數(shù) Ti調(diào)試完成。 （ 3） 確定積分時間常數(shù) Td 積分時間常數(shù) Td 一般不用設(shè)定，為 0即可。若要設(shè)定，與確定 P 和 Ti 的方法相同，取不振蕩時的 30%。 （ 4） 系統(tǒng)空載、帶載聯(lián)調(diào)，再對 PID 參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，直至滿足要求。 PID 應(yīng)用到水溫控制器中的編程思路 本設(shè)計要求使用 PID 算法來實現(xiàn)水的恒溫控制，所以在程序中，以實測溫度與設(shè)定溫度的差值作為偏 差即 ek，通過 PID 運算求出 uk，用 uk來調(diào)節(jié)輸出 PWM 波的占空比， 8 從而實現(xiàn)對水溫的精確調(diào)節(jié)控制，最終實現(xiàn)穩(wěn)準(zhǔn)快的控制目標(biāo)。 9 第 4 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 控制模塊單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計 因為 8051 單片機(jī)內(nèi)部自帶 8k 字節(jié)的 ROM 和 256 字節(jié)的 RAM,因此不必構(gòu)建單片機(jī)系統(tǒng)的擴(kuò)展電路。如圖 單片機(jī)最小系統(tǒng)有復(fù)位電路和振蕩器電路。值得注意的一點是單片機(jī)的 31EAVP 腳必須接高電平，否則系統(tǒng)將不 能運行 。因為該腳不接時為低電平，單片機(jī)將直接讀取外部程序存儲器 而系統(tǒng)沒有外部程序存儲器，所以 EAVP 必須接高電平。在按鍵兩端并聯(lián)一個電解電容，濾除交流干擾，增加系統(tǒng)抗干擾能力。 如下圖 41所示 [5]： 圖 41單片機(jī)最小系統(tǒng) 鍵盤模塊的設(shè)計 本次設(shè)計需要用鍵盤來設(shè)定閾值溫度，而不是用電位器以及 AD 的模擬輸入，所以設(shè)置了四個按鍵，加一按鍵（ INC1），加十按鍵（ INC10） ,確定按鍵（ QUEDING）， 返回按鍵（ FUWEI）。通過加一和加十來設(shè)置好閾 值溫度，并按下確定鍵 進(jìn)入加熱環(huán)節(jié)。當(dāng)想從加熱環(huán)節(jié)中退出時候，按下返回鍵，進(jìn)入重新設(shè)置閾值溫度模塊，直到設(shè)置好在重新進(jìn)入加熱模式。若是想退出系統(tǒng)，按下復(fù)位鍵即可。鍵盤模塊如圖 42所示： 10 圖 42 鍵盤模塊 顯示模塊的設(shè)計 本次設(shè)計由于用的是實驗室的實驗板，上面帶有八位數(shù)碼管，所以顯示模塊就選用數(shù)碼管顯示即可，顯示應(yīng)用動態(tài)顯示原理，通過循環(huán)輸出，由于人眼誤差，從而來實現(xiàn)顯示的溫度值可以讀出的目的。由于數(shù)碼管的輝光效應(yīng)，即使溫度更新較快，也可以準(zhǔn)確的讀出溫度值，不會出現(xiàn)亂碼的情況。顯示部分的電路如下圖 43 所示 [6]： 圖 43 數(shù)碼管顯示模塊 溫度采集模塊的設(shè)計 本次設(shè)計采用的是溫度傳感器 DS18B20 來采集溫度 ，由于 DS18B20 直接輸出的就是數(shù)字信號，所以非常方便，直接避開了應(yīng)用其他采集溫度方法的繁瑣，并且 DS18B20 的誤差相對來說非常小，從而可以精確的采集到溫度，對于 PID 控制來說，幫助非常大，準(zhǔn)確的采集溫度才可以精確地進(jìn)行 PID 運算來調(diào)節(jié)溫度。溫 11 度采集模塊的電路圖 44 示： 圖 44 溫度傳感器部分 12 第 5 章 軟件系統(tǒng)的設(shè)計 軟件系 統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心 ,相當(dāng)于人體的大腦 ,完成溫度的采集 ,PID 運算 ,以及 PWM 波的輸出等重要環(huán)節(jié) ,軟件系統(tǒng)是否能夠設(shè)計的完美 ,決定了整個系統(tǒng)能否正常工作 ,甚至達(dá)到自己預(yù)設(shè)的那些目標(biāo)。所以，有一個細(xì)致邏輯精確的軟件系統(tǒng)是本次設(shè)計能否成功的關(guān)鍵，下面便按照編程思路來逐一介紹比較重要的幾個設(shè)計模塊。 主程序模塊流程圖的搭建 主程序就是真正工作時候 執(zhí)行的程序，相當(dāng)于軟件系統(tǒng)中的中樞，在本次設(shè)計中，按照我的編程思路，主程序