【正文】 件選擇包括下位機(jī)程序的編譯軟件和上位機(jī)的編程軟件。下位機(jī)的編譯軟件，通常有ICC AVR、WinAVR（也就是通常所說的GCC）、IAR AVR、CodeVision AVR、ATman AVR，在這里使用ICC AVR和AVR Studio的組合。這是因?yàn)槭忻嫔?大陸)的教科書使用ICC AVR作為例程的較多，集成代碼生成向?qū)?，雖然它的各方面性能均不是特別突出，但使用較為方便；而AVR Studio集軟硬件仿真、調(diào)試、下載編程于一體，有效彌補(bǔ)了ICC AVR仿真能力的不足，同時(shí)還可以有效地對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試。上位機(jī)方面，本設(shè)計(jì)采用目前NI最新的LabVIEW 。結(jié)合上NI為工業(yè)控制而開發(fā)的PID和模糊邏輯控制包，可以輕松地實(shí)現(xiàn)PID或模糊控制。 硬件及軟件設(shè)計(jì)方案下圖給出系統(tǒng)硬件組成框圖，由計(jì)算機(jī)、單片機(jī)、測溫電路及溫度控制電路組成。該系統(tǒng)集計(jì)算機(jī)、強(qiáng)大的圖形化編程軟件和模塊化硬件于一體，建立靈活且以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的測量及控制方案，構(gòu)建出滿足需要的系統(tǒng)。利用傳感器獲取溫度信號(hào)，再由單片機(jī)組成的小系統(tǒng)對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行采集、處理和轉(zhuǎn)換，然后通過RS232串口將數(shù)據(jù)送給計(jì)算機(jī)．并通過計(jì)算機(jī)運(yùn)行的LabVIEW程序來分析處理輸入數(shù)據(jù)．最終由計(jì)算機(jī)顯示結(jié)果。同時(shí)，通過計(jì)算機(jī)串口采樣輸入信號(hào)，利用LabVIEW中的PID控制算法，求出系統(tǒng)輸出信號(hào)的大小，再由串口將輸出信號(hào)傳輸至外部溫度控制電路，以實(shí)現(xiàn)溫度控制。（如圖22）溫度測控對(duì)象溫度控制電路溫度測量電路單片機(jī)計(jì)算機(jī)圖22 系統(tǒng)組成框圖(1)PID控制PID(Proportional Integral Derivative比例微分積分)控制是控制工程中技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛的一種控制策略，它經(jīng)過長期工程實(shí)踐，已形成了一套完整的控制方法和典型的結(jié)構(gòu)。 PID控制器結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便（如圖23）。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全被掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。因此當(dāng)不能完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，就是PID的用武之地。PID控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象測量裝置期望值輸出反饋 圖23 PID控制系統(tǒng)PID顧名思義，就是根據(jù)系統(tǒng)誤差利用比例，微分，積分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制。比例，積分，微分這三個(gè)環(huán)節(jié)又相互獨(dú)立，有各自不同的作用，在現(xiàn)場也可以根據(jù)實(shí)際情況來選擇使用。P控制（比例控制） 如果控制器的輸出僅僅與誤差成正比關(guān)系，即u(t)= Kpε(t)，便構(gòu)成了一個(gè)比例控制器（如圖24），可見比例控制器實(shí)際上是一個(gè)增益可調(diào)的放大器。比例控制器通過改變比例放大系數(shù)Kp調(diào)節(jié)輸出，對(duì)誤差的反應(yīng)很快，但是其輸出與期望值之間總是存在一個(gè)穩(wěn)態(tài)誤差，必須使用手動(dòng)復(fù)位來消除，在實(shí)際運(yùn)用中很不方便。提高Kp值可以增加系統(tǒng)的開環(huán)增益，使穩(wěn)態(tài)誤差減小，還能夠增加系統(tǒng)的快速性；但容易使系統(tǒng)的穩(wěn)定程度變差，振蕩變多。而當(dāng)Kp值小時(shí)，又會(huì)使系統(tǒng)動(dòng)作變得緩慢，所以校正系統(tǒng)很少單獨(dú)使用P控制。 Kpε(t)誤差圖24 比例控制I控制（積分控制） 由于P控制存在穩(wěn)態(tài)誤差需要手動(dòng)復(fù)位，人們發(fā)現(xiàn)可以通過引入一個(gè)積分項(xiàng)來消除穩(wěn)態(tài)誤差。積分控制器的輸出與誤差信號(hào)的積分成正比，即 ，所以PI控制器的輸出有： 積分項(xiàng)對(duì)誤差進(jìn)行積分，隨著時(shí)間的增加積分項(xiàng)增大，只要誤差還存在，就會(huì)不斷輸出。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零，以達(dá)到消除穩(wěn)態(tài)誤差的目的。因此，PI控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。但是對(duì)時(shí)間的積分必將影響系統(tǒng)的快速動(dòng)態(tài)性能，對(duì)于一些系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)超調(diào)過大的現(xiàn)象，嚴(yán)重的甚至引起系統(tǒng)崩潰。D控制（微分控制） 積分控制的動(dòng)態(tài)性能不好，而微分項(xiàng)恰好可以彌補(bǔ)這點(diǎn)。微分控制器的輸出和誤差信號(hào)的微分成正比，即，所以PD控制器的輸出有： 微分作用反映的是誤差信號(hào)的變化率，所以對(duì)系統(tǒng)控制具有預(yù)見性，能預(yù)見誤差的變化趨勢，因此能產(chǎn)生超前的控制作用。甚至在誤差形成之前，可能已被微分調(diào)節(jié)作用消除。所以如果微分時(shí)間選擇合適，可以減少超調(diào)和系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間，使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能大大提高。微分控制在實(shí)際運(yùn)用中經(jīng)常用來抵消積分控制產(chǎn)生的不穩(wěn)定趨勢，但因其反應(yīng)的是誤差的變化率，所以僅對(duì)動(dòng)態(tài)過程作用，通常不單獨(dú)使用。而且微分控制對(duì)噪聲干擾有放大作用，過強(qiáng)地調(diào)節(jié)微分項(xiàng)對(duì)系統(tǒng)抗干擾能力不利。PID控制 PID控制即比例控制、積分控制、微分控制的組合，綜合了3種控制器的優(yōu)點(diǎn)。 實(shí)際運(yùn)用中，有時(shí)也不需要用到全部的三個(gè)部分，只有比例控制單元是必不可少的。對(duì)于PID控制器，輸出為：PID控制實(shí)際就是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)Kp，Ti，Td這3個(gè)參數(shù)進(jìn)行整定，以得到合適的輸出值對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。具體如何整定，根據(jù)不同的現(xiàn)場有所不同。目前PID不僅應(yīng)用廣泛，發(fā)展也很快，已研究出很多對(duì)這3個(gè)參數(shù)進(jìn)行自整定的智能控制器。在和計(jì)算機(jī)這樣的數(shù)字控制器結(jié)合后，還出現(xiàn)了數(shù)字PID的設(shè)計(jì)方法，不過具體原理還是遵循于傳統(tǒng)。(2)模糊控制 模糊控制是以模糊集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制。通常是一類缺乏精確數(shù)學(xué)模型的被控過程，采用模糊集合的理論，總結(jié)人們對(duì)系統(tǒng)的操作和控制經(jīng)驗(yàn)。用模糊條件語句寫出控制規(guī)律，再用算法語言來編寫程序，按此程序?qū)ιa(chǎn)過程進(jìn)行自動(dòng)控制。模糊控制同常規(guī)的控制方案相比，主要特點(diǎn)有：①模糊控制只要求掌握現(xiàn)場操作人員或有關(guān)專家的經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)或操作數(shù)據(jù)， 不需要建立過程的數(shù)學(xué)模型，所以適用于不易獲得精確數(shù)學(xué)模型的被控過程，或其結(jié)構(gòu)參數(shù)不很清楚等場合。②模糊控制是一種語言變量控制器，其控制規(guī)律只用語言變量的形式定性地表達(dá)，不用傳遞函數(shù)與狀態(tài)方程，只要對(duì)人們的控制經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié)，進(jìn)而從中提煉出規(guī)則，直接給出語言變量，再應(yīng)用推理方程進(jìn)行觀察與控制。③系統(tǒng)的魯棒性強(qiáng)，尤其適用于時(shí)變、非線性、時(shí)延系統(tǒng)的控制。④從不同的觀點(diǎn)出發(fā)，可以設(shè)計(jì)不同的目標(biāo)函數(shù)，其語言控制規(guī)則分別是獨(dú)立的，但是整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可得到總體的協(xié)調(diào)控制。模糊控制的理論基礎(chǔ)是模糊集合理論，模糊集合是一種介于嚴(yán)格變量與定性間的數(shù)學(xué)表達(dá)形式，例如變量的數(shù)值分為正大（PL）、正中（PM）、正?。≒S）、零（O）、負(fù)?。∟S）、負(fù)中（NM）、負(fù)大（NB）等。其中P=Posive，B=Big，M=Medium，S=Small，O=Zero，N=Negative。模糊集合理論的核心是對(duì)復(fù)雜的系統(tǒng)或過程建立一種語言分析的數(shù)學(xué)模式，提供一個(gè)嚴(yán)格的數(shù)學(xué)框架，使日常生活中的自然語言能直接轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)所能接受的算法語言。模糊集合理論的一個(gè)基本概念是函數(shù)或稱隸屬度。表示某一個(gè)元素與模糊子集的關(guān)系（即隸屬度），并用 或 表示。所有隸屬度均滿足下列要求，即 ，表示 隸屬于 ； ，則表示 不屬于 。模糊子集可表示成 其中的U為論域（指被考慮過程的所有元素的全體）。式中的“+”號(hào)表示列舉，并不是加號(hào)；作用每項(xiàng)中的分式也不表示相除，分母表示元素名稱，分子表示該元素的隸屬度。模糊子集 不僅可用隸屬度 來描述，也可用模糊向量（即隸屬度向量）來表示，即下圖25為模糊控制系統(tǒng)原理框圖。模糊控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象測量裝置期望值輸出——圖25 模糊控制系統(tǒng)3 LabVIEW 開發(fā)環(huán)境以及PID和模糊控制模塊簡介使用LabVIEW開發(fā)平臺(tái)編制的程序稱為虛擬儀器程序，簡稱為VI。設(shè)計(jì)程序主要是在以下兩個(gè)窗口中進(jìn)行的：前面板設(shè)計(jì)窗口：它是與用戶直接接觸的圖形用戶界面，即VI的虛擬儀器面板。后面板編輯窗口：它是用戶為完成特定功能而編寫的程序，即VI的圖形化源代碼。 LabVIEW前臺(tái)顯示面板與后臺(tái)控制面板 LabVIEW前臺(tái)顯示面板 程序前面板是圖形用戶界面，這一界面上有用戶輸入控制和輸出顯示兩類對(duì)象，用于模擬真實(shí)儀表的前面板?？刂坪惋@示是用各種各樣的圖標(biāo)形式出現(xiàn)在前面板，具體表現(xiàn)為旋鈕、開關(guān)、圖形、圖標(biāo)以及其他的控制（Control）和顯示（Indicator）對(duì)象等，這使得用戶界面更加直觀易懂。 LabVIEW后臺(tái)控制面板 后面板即是程序編輯窗口。流程圖提供VI的圖形化源程序，可以理解為傳統(tǒng)程序的源代碼。在流程圖中隊(duì)VI進(jìn)行編程，以實(shí)現(xiàn)程序的輸入和輸出功能流程圖由端口、節(jié)點(diǎn)、圖框和連線構(gòu)成。 LabVIEW有三類端口：前面板對(duì)象端口、全局變量與局部變量端口和常量端口。對(duì)象端口被用來與程序前面板上的控制件或顯示件傳遞數(shù)據(jù)；常量端口只能在程序中作為數(shù)據(jù)流起點(diǎn)；全局變量和局部變量端口是LabVIEW用力啊傳遞數(shù)據(jù)的工具。 節(jié)點(diǎn)類似于文本語言的函數(shù)或子程序，LabVIEW有兩種節(jié)點(diǎn)類型：功能函數(shù)節(jié)點(diǎn)或子VI節(jié)點(diǎn)，二者的區(qū)別在于功能函數(shù)節(jié)點(diǎn)是LabVIEW本身提供給用戶使用的，不可以對(duì)它進(jìn)行修改；子VI則是用戶可以進(jìn)入并根據(jù)實(shí)際需要對(duì)其加以修改。 圖框被用來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化控制命令，例如循環(huán)控制、順序控制以及條件分支等；此外還有MATLAB腳本、HiQ腳本以及調(diào)用C語言編程的CIN節(jié)點(diǎn)等。連線用于代表程序執(zhí)行過程中的數(shù)據(jù)流，它類似于文本程序的變量，數(shù)據(jù)是單向流動(dòng)的。這些都是編程必須有的東西。 LabVIEW程序執(zhí)行流程 宏觀上講，LabVIEW的運(yùn)行機(jī)制已經(jīng)不是傳統(tǒng)上的馮諾依曼式計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的執(zhí)行方式了。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)語言（如C語言）中的順序執(zhí)行結(jié)構(gòu)在LabVIEW中被并行機(jī)制所代替。而且，對(duì)于那些數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算過程較復(fù)雜的程序，用花可以選擇使用VC或者M(jìn)atlab等開發(fā)工具將數(shù)學(xué)分析和處理過程編寫為專用的動(dòng)態(tài)鏈接庫，LabVIEW提供了專門的接口函數(shù)可以調(diào)用之。這樣，可以結(jié)合圖形語言和文本語言各自優(yōu)點(diǎn)，更為靈活、高效、易用。 LabVIEW中的儀器控制和驅(qū)動(dòng) 虛擬儀器是儀器的未來，但在工作臺(tái)上還有很多非虛擬儀器，毫無疑問需要用LabVIEW控制他們。對(duì)儀器的驅(qū)動(dòng)是虛擬儀器實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)物理信號(hào)采集的基礎(chǔ)，當(dāng)儀器驅(qū)動(dòng)后，才能由軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析處理進(jìn)而實(shí)現(xiàn)某種測溫功能，并求取測量結(jié)果。并且，有時(shí)使用外部儀器也是可以的。 GPIB：通用接口總線（General Purpose Interface Bus）。有時(shí)候成為HPIB（HewlettPackard Interface Bus）和IEEE （Institute of Electronic Engineer standard ），它幾乎是任何儀器與計(jì)算機(jī)通信的世界標(biāo)準(zhǔn)。 IVI：可交換虛擬儀器（Interchangeable Virtual Instrument）?？梢耘c許多不同的儀器協(xié)調(diào)工作的儀器驅(qū)動(dòng)程序（用來控制外部儀器的軟件）標(biāo)準(zhǔn)。 LXI：LAN在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展（LAN eXtension for Instrumentation）。LXI協(xié)會(huì)給予工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)，為小型和中型系統(tǒng)提供模塊化、靈活性和性能的儀器平臺(tái)建議標(biāo)準(zhǔn)。 RS232：232號(hào)推薦標(biāo)準(zhǔn)（Remended Standard 232）。美國儀器協(xié)會(huì)為串行通信提出的建議標(biāo)準(zhǔn)?？梢耘c術(shù)語“串行通信”互換使用，盡管串行通信一般指的是一次傳輸一位。也許還會(huì)看到其他一些標(biāo)準(zhǔn)如RS48RS422和RS432。 SCPI：可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)命令（Standard Commands for Programmable Instrumentation）。SCPI協(xié)會(huì)的一個(gè)建議標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)使用簡單、直觀的ASCII命令為儀器通信制定了結(jié)構(gòu)和語法。 USB：通用串行總線（Universal Serial Bus），大多數(shù)PC與外部設(shè)備互聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)總線。 VISA：虛擬儀器標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)（Virtual Instrument Standard Architecture），NI公司研發(fā)的一種驅(qū)動(dòng)軟件體系結(jié)構(gòu)。其目的是盡量統(tǒng)一一起軟件標(biāo)準(zhǔn)，不論儀器使用GPIB、PXI、VXI，還是串行接口（RS232/422/485）。 LabVIEW支持的GPIB、VXI、標(biāo)準(zhǔn)串口I/O儀器的驅(qū)動(dòng) 通常LabVIEW有兩張安裝光盤，其中一張就是設(shè)備驅(qū)動(dòng)盤，它包含了一個(gè)儀器驅(qū)動(dòng)庫，該庫為NI生產(chǎn)的各種程控儀器（GPIB儀器、VXI儀器和串行儀器等）提供儀器驅(qū)動(dòng)程序，例如HP34401A數(shù)字萬用表的儀器驅(qū)動(dòng)程序。儀器驅(qū)動(dòng)程序在功能模塊~Instru