【正文】 ，最適合用 PID 控制技術(shù) 。 由于電加熱鍋爐是一個具有非線性、大滯后、大慣性、時變性、升溫單向性等特點的控制對象 [3]，很難用數(shù)學(xué)方法建立精確的數(shù)學(xué)模型，因此用傳統(tǒng)的控制理論和方法很難達(dá)到很好的控制效果。而這正符合 PID 控制使用的條件，因而 PID 控制被廣泛用于電 熱鍋爐的控制中，用來取代傳統(tǒng)的控制方法 [6]，并獲得良好的控制效果。 本文的設(shè)計指標(biāo) 本設(shè)計要求設(shè)計一個以單片機(jī)為核心的溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)以及水位控制系統(tǒng)，具體的技術(shù)指標(biāo)如下： a. 恒溫溫度控制在 0100℃之間， 連續(xù)可調(diào) ，誤差在177。 1℃之內(nèi)； b. LED 實時顯示系統(tǒng)溫度，用鍵盤輸入設(shè)定的溫度； c. 水位控制 保持在 50cm 左右， 過高或過低時報警提示。 本文需要完成以下工作： 詳細(xì)分析課題任務(wù)， 設(shè)計電源電路，鍵盤電路，單片機(jī)系統(tǒng)，顯示電路，執(zhí)行器電路，報警電路等系統(tǒng)。 然后根 據(jù)課題任務(wù)的要求設(shè)計出實現(xiàn)控制任務(wù)的硬件原理圖和軟件，并進(jìn)行仿真 調(diào)試。 5 2 硬件電路設(shè)計 系統(tǒng)方案概述 系統(tǒng)的框圖如 圖 所示： 圖 系統(tǒng)框圖 如框圖所示，系統(tǒng)總體上分為兩部分，即溫度控制單元和液位控制單元。下面將分別對這兩個部分進(jìn)行說明。 從圖上能看出，溫度控制單元采用 DS18B20 作為溫度采集元件，該元件的輸出為 數(shù)字信號，所以能直接送入單片機(jī)，而不需要 A/D 轉(zhuǎn)換模塊。溫度信號送入單片機(jī)，經(jīng)過處理后，對固態(tài)繼電器進(jìn)行控制，通過 I/O 口 控制固態(tài)繼電器的通斷，從而實現(xiàn)對加熱電阻的控制。 鍵盤電路則用來輸入設(shè)定值，顯示電路對系統(tǒng)采集到的溫度實時顯示。 水位控制單元通過水位電極將水位信號送入 單片機(jī)，由于水位信號設(shè)計為開關(guān)信號，所以不需要 A/D 轉(zhuǎn)換模塊。單片機(jī)根據(jù)水位信號，通過 I/O 口對電磁閥進(jìn)行控制，從而實現(xiàn)對水位的控制。 很顯然，該方案較其它相比無論在經(jīng)濟(jì)上和實現(xiàn)容易程度上都要好。在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時，使用了合適的傳感器，這樣就不需要使用 A/D 轉(zhuǎn)換電路。在實現(xiàn)溫度控制時不像其它采用 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。同樣，在實現(xiàn)液位控制時，也沒有使用 D/A，而是直接外接繼電器，通過控制繼電器的 AT89S51 DS18B20 水位電極 SSR 加熱電阻 電磁閥 顯示電路 鍵盤電路 報警電路 繼電器 6 吸合控制電 磁閥的通斷。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)。 溫度檢測元件 DS18B20[4] DS18B20 溫度傳感器是美國 DALLAS 半導(dǎo)體公司推出的一種改進(jìn) 型 溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻等溫度元件相比，它能直接讀出被測溫度，而且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn) 912 位的數(shù)字值讀數(shù)方式。 DS18B20 的性能特點如下： ? 獨特的單線接口僅需要一個端口引腳進(jìn)行通信； ? 多個 DS18B20 可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)多點組網(wǎng)功能； ? 無須外部器件； ? 可通過數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍 ； ? 零待機(jī)功 耗； ? 溫度以 9或 12位數(shù)字讀出； ? 用戶可以定義報警設(shè)置； ? 報警搜索命令識別并標(biāo)志超過程序限定溫度（溫度報警條件）的器件； ? 負(fù)電壓特性，電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱而燒毀，只是不能正常工作而已。 圖 DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 正因為 DS18B20 有如上的優(yōu)點，在本系統(tǒng)中 采用溫度芯片 DS18B20 測量溫度。該芯片的物理化學(xué)性很穩(wěn)定，它能用做工業(yè)測溫元件，且此元件線形較好。在 0— 100攝氏度時，最大線形偏差小于 1 攝氏度。該芯片直接向單片機(jī)傳輸數(shù)字信號，便于單片機(jī)處理及控制。 DS18B20 采用 3 腳 PR35 封裝或 8 腳 SOIC 封裝，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。 VDD VDD DQ 64位 ROM和一線端口 供電方式選擇 存儲和控制邏輯 高速緩沖器 8位 CRC生成器 溫度傳感器 高溫觸發(fā)器 TH 低溫觸發(fā)器 TL 配置寄存器 7 64 位 ROM的結(jié)構(gòu)開始 8位是產(chǎn)品類型的編號，接著是每個器件的唯一序號，共48 位，最后 8位是前面 56 位的 CRC 校驗碼，這也是多個 DS18B20 可以采用一線進(jìn)行通信的原因。溫度報警觸發(fā)器 TH和 TL，可通過軟件寫入用戶報警上下限。 DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲器還包括一個高速暫存 RAM和一個非易失性的可電擦除的 EERAM。高速暫存 RAM 的結(jié)構(gòu)為 8 字節(jié)的存儲器，其結(jié)構(gòu)如圖 示。 圖 DS18B20字節(jié)定義 圖中，前 2 個字節(jié)包含 測得的溫度信息，第 3 和第 4 字節(jié)是 TH 和 TL 的拷貝，是易失的每次上電復(fù)位時被刷新。第 5 個字節(jié)，為配置寄存器，它的內(nèi)容用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率。 DS18B20 工作時寄存器中的分辨率轉(zhuǎn)換為相應(yīng)精度的溫度數(shù)值。該字節(jié)各位的定義如圖 所示。低 5 位一直為 1， TM 是工作模式位，用于設(shè)置 DS18B20 在工作模式還是在測試模式， DS18B20 出廠時該位被設(shè)置為 0，用戶要去改動， R1 和 R0 決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)，來設(shè)置分辨率。 DS18B20 完成溫度轉(zhuǎn)換后，就把測得的溫度值與 RAM 中的 TH、 TL字節(jié)內(nèi)容作比較。若 TTH 或 TTL，則將該器件內(nèi)的報警標(biāo)志位置位，并對主機(jī)發(fā)出報警搜索命令作出響應(yīng)。 DS18B20 的測溫原理描述如下。器件中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給減法計數(shù)器 1；高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為減法計數(shù)器 2 的脈沖輸出。器件中還有一個計數(shù)門，當(dāng)計數(shù)門打開時， DS18B20 就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖進(jìn)行計數(shù)進(jìn)而完成溫度測量。計數(shù)門開啟時間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測量前，溫度 LSB 溫度 MSB TH 用戶字節(jié)1 TL 用戶字節(jié)2 配置寄存器 保留 保留 保留 CRC TM R1 R0 1 1 1 1 1 8 首先將 55℃所對應(yīng)的一個基數(shù)分別置入減法計數(shù)器 溫度 寄存器中，計數(shù)器 1 和溫度寄存器被預(yù)置在 55℃所對應(yīng)的一個基數(shù)值 。 減法計數(shù)器 1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行減法計算，當(dāng)減法計數(shù)器 1的預(yù)置數(shù)減到 0 時，溫度寄存器的值加 1，減法計數(shù)器 1的預(yù)置將重新被裝入，減法計數(shù)器 1 重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行計數(shù)，如此循環(huán)直到減法計數(shù)器計數(shù)到 0 時，停止溫度寄存器的累加，此時溫度寄存器中的是數(shù)值就是所測溫度值。其輸出用于修正減法計數(shù)器的預(yù)置值，只要計時器門仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過程，直到溫度寄存器值大致為被測溫度值。 圖 DS18B20的接線圖 如圖 所示， DS18B20 溫度傳感器的 1腳接地， 2腳作為信號線，與 AT89S51的 管腳相接， 3 腳接電源， 3 腳與 2腳間連接一個 的 電阻，用以抬高 2 腳的電位。 顯示 模塊設(shè)計 [5] 74HC164 是高速硅門 CMOS 器件，與低功耗肖特基型 TTL (LSTTL) 器件的引腳兼容。 74HC164 是 8 位邊沿觸發(fā)式移位寄存器，串行輸入數(shù)據(jù)，然后并行輸出。數(shù)據(jù)通過兩個輸入端（ DSA 或 DSB）之一串行輸入；任一輸入端可以用作高電平使能端，控制另一輸入端的數(shù)據(jù)輸入。兩個輸入端或者連接在一起，或者把 不用的輸入端接高電平，一定不要懸空。 時鐘 (CP) 每次由低變高時，數(shù)據(jù)右移一位，輸入到 Q0， Q0 是兩個數(shù)據(jù)輸入端（ DSA 和 DSB）的邏輯與，它將上升時鐘沿之前保持一個建立時間的長度。 主復(fù)位 (MR) 輸入端上的一個低電平將使其它所有輸入端都無效，同時非同步地清除寄存器，強(qiáng)制所有的輸出為低電平 。 9 在一般情況下，單片機(jī)使用并行驅(qū)動的方式進(jìn)行 LED的顯示 。但采用并行驅(qū)動方式需要占用單片機(jī)大量 I/O 口，使用不太方便。 利用串 入并出 技術(shù)， 使用 74LHC164芯片就 可以很容易解決 I/O 口的問題。 采用 51 單片機(jī)的串行方式 0，只要兩根線 （數(shù)據(jù)與時鐘）就能完成顯示功能，而且串行口還可以跟其它芯片共用。 利用該方法設(shè)計的顯示系統(tǒng)具有硬件結(jié)構(gòu)簡單，軟件編程方便，價格低廉的特點。 本顯示電路共設(shè)了四位，分別用于顯示溫度的百、十、個、小數(shù)位。所以顯示的溫度可以精確到小數(shù)點后一位，即 ℃ 。其具體電路 如 圖 所示 。 圖 串入并出顯示電路 鍵盤模塊設(shè)計 鍵盤是計算機(jī)不可缺少的輸入設(shè)備，是實現(xiàn)人機(jī)對話的紐帶，借助鍵盤可以向計算機(jī)系統(tǒng)輸入程序、置數(shù)、送操作命令、控制程序的執(zhí)行走向等，所以應(yīng)用極為廣泛 [7]。 鍵盤工作原理 行列式鍵盤又稱矩陣式鍵盤。用 I/O 口線組成行、列結(jié)構(gòu)，按鍵設(shè)置在行列的交點上。因此，在按鍵數(shù)量較多時，可以節(jié)省 I/O 口線。本設(shè)計中要應(yīng)用 16 位按鍵，10 故采用此方法。行線電平狀態(tài)將由與此行線相連的列電平?jīng)Q定。列線電平如果為低，則行線電平為低；列線電平如果為高，則行線電平亦為高。這是識別矩陣鍵盤是否被按下的關(guān)鍵。矩陣鍵盤中行、列線為多線共用，各按鍵均影響該鍵所在行和列的電平。按鍵設(shè)置在行、列交點上，行、列線分別連接到按鍵開關(guān)，列線通過上拉電阻接到 +5V 上。平時無按鍵動作時， 列線處于高電平 狀態(tài)，而當(dāng)有鍵按下時，各按鍵將彼此相互發(fā)生影響，所以必須將行、列線信號配合起來作適當(dāng)?shù)奶幚?，才能確定閉合鍵的位置。 鍵盤識別方法 按鍵設(shè)置在行、列交點上，行列線分別連接到按鍵開關(guān)的兩端。當(dāng) 列 線通過上拉電阻接 +5V 時，被定位在高電平狀態(tài)。鍵盤中有無按鍵按下是由 行 線送入全掃描字、用行線讀行線狀態(tài)來判斷的。其方法是：讓所有 行 線均置為 低 電平，檢查各 列 線電平是否有變化，如果有變化，則說明有鍵被按下；如果沒有變化，則說明無鍵被按下 。實際編程 時應(yīng)考慮按鍵抖動的影響，通常采用軟件延時 （如 20ms）的方法進(jìn)行抖動 消除處理 。 識別具體按鍵的方法（掃描法）是：逐 行 置 低 電平，其余各 行 置 高 電平，檢查各 列 線電平的變化，如果某 列 電平由高電平變?yōu)榈碗娖?，則可以確定此行此列的交叉點處的按鍵被按下。 鍵盤工作方式 單片機(jī)系統(tǒng)中， CPU 既要忙于處理好各項工作任務(wù)，又要保證及時響應(yīng)對鍵盤的操作，同時還要節(jié)省 CPU 的時間，所以選 擇一個好的鍵盤工作方式，可以提高一個單片機(jī)系統(tǒng)的工作效率。鍵盤共 有三種掃描方式，即編程掃描工作方式、定時掃描工作方式和中斷掃描工作方式。 1) 編程掃描工作方式： 編程掃描工作方式是利用 CPU 在完成其 他工作的空余，調(diào)用鍵盤掃描子程序來響應(yīng)鍵輸入要求。在執(zhí)行鍵功能程序時， CPU 不再響應(yīng)鍵輸入的要求。 2) 定時掃描工作方式： 定時掃描工作方式是利用單片機(jī)內(nèi)部定時器產(chǎn)生的定時中斷（例如 10ms）， CPU響應(yīng)中斷后對鍵盤進(jìn)行掃描，并在有鍵按下時轉(zhuǎn)入鍵功能處理程序，則可以實現(xiàn)定時掃描。 3) 中斷掃描工作方式： 11 為了進(jìn)一步提高 CPU 的工作效率，可以采用中斷掃描工作方式，即只有在鍵盤上有鍵按下時，發(fā)出中斷請求， CPU 響應(yīng)中斷請求后，轉(zhuǎn)中斷服務(wù)程序，進(jìn)行鍵盤掃描，識別鍵碼。 本系統(tǒng) 利用 P1 口對鍵盤進(jìn)行控制， 采用中 斷掃描方式的鍵盤。電路圖如 圖 所示 ， 。 鍵盤的鍵名和對應(yīng)功能如表 所示。 圖 鍵盤電路 表 鍵盤設(shè)置與功能設(shè)定 鍵 名 功 能 UP 在設(shè)定溫度時，增加設(shè)定值，每按一次加 1 DOWN 在設(shè)定溫度時，減小設(shè)定值，每按一次減 1 ENTER 進(jìn)入鍵盤輸入狀態(tài)， 確定輸入的數(shù)據(jù) 停機(jī) 使其停止加熱，停機(jī)時停止顯示，停止測量 指示及報警電路 為使系統(tǒng)的人機(jī)交互界面更好 ，設(shè)置了兩個指示燈和一個蜂鳴報警器。當(dāng)水位達(dá)到超高報警水位時，蜂鳴器報警， 且紅燈點亮， 告訴工作人員應(yīng)斷開電磁 閥 ，避免了 水位溢出 引起的危險 ；當(dāng)水位達(dá)到超低報警水位時，蜂鳴器報警，且綠燈點亮，告訴工作人員應(yīng) 打開 電磁閥，避免干燒的危險 。具體的電路如圖 所示。 12 圖 指示及報警電路 功率驅(qū)動電路 固態(tài)繼電器簡介 固態(tài)繼電器（ Solid State Relay,縮寫 SSR） ,是由微電子電路，分立電子器件，電力電子功率器件組成的無觸點開關(guān)。用隔離器件實現(xiàn)了控制端與負(fù)載端的隔離。固態(tài)繼電器的輸入端用微小的控制信號，達(dá)到直接驅(qū)動大電流負(fù)載。 SSR 具有如下優(yōu)點： （ 1） 高壽命，高可靠 :SSR 沒有機(jī)械 零部件，有固體器件完成觸點功能，由于沒有運動的零部件，因此能在高沖擊，振動的環(huán)境下工作，由于組成固態(tài)繼電器的元器件的固有特性，決定了固態(tài)繼電器的壽命長，可靠性高 （ 2） 靈敏度高，控制功率小，電磁兼容性好 :固態(tài)繼電器的輸入電壓范圍較寬，驅(qū)動功率低，可與大多數(shù)邏輯集成電路兼容不需加緩沖器或驅(qū)動器。 （ 3） 快速轉(zhuǎn)換 :固態(tài)繼電器因為采用固體器件，所以切換速度可從幾毫秒至幾微妙。 （