【正文】 微分調(diào)節(jié)作用消除。因此微分調(diào)節(jié)可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。在為時(shí)間選擇合適的情況下，可以減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。微分作用對(duì)噪音干擾有放大作用，因此過強(qiáng)的加微分環(huán)節(jié)，對(duì)系統(tǒng)抗干擾不利。此外微分反映的是變化率，而當(dāng)輸入沒有變化時(shí)，微分作用的輸出為零。微分作用不能單獨(dú)使用，需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相結(jié)合，組成PI調(diào)節(jié)器或PID調(diào)節(jié)器。大多數(shù)溫度控制系統(tǒng)均建立在模型上，難以滿足加工工藝要求，故引入模糊控制，采用模糊PID算法，運(yùn)用AT89S52單片機(jī)對(duì)電阻爐溫度實(shí)現(xiàn)智能控制，可以解決上述種種不足，從而實(shí)現(xiàn)高精度的控制。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，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)難以采用時(shí)，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(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，因此本次設(shè)計(jì)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為有效。 方案的論證無(wú)論是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，還是日常生活中，對(duì)溫度的檢測(cè)和控制都是必不可少的，對(duì)于溫度的檢測(cè)通常是采用熱敏電阻在通過A/D（模/數(shù)）轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號(hào)，但由于信號(hào)的采集對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響很大，如果采樣精度不高，會(huì)使這個(gè)系統(tǒng)準(zhǔn)確性下降。因此本次設(shè)計(jì)采用高精度的溫度傳感器：數(shù)字溫度傳感器DS18B20。這種數(shù)字溫度傳感器是DALLAS公司生產(chǎn)的單總線。而對(duì)于溫度控制的方法也有很多：如單片機(jī)控制、PLC控制、模擬PID調(diào)節(jié)器和數(shù)字PID調(diào)節(jié)器等等。綜合各方面的意見，本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度的控制。 方案一利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)恒溫控制系統(tǒng)利用單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)溫度恒定的控制。系統(tǒng)主要包括現(xiàn)場(chǎng)溫度采集、實(shí)時(shí)溫度顯示、加熱控制參數(shù)設(shè)置、加熱電路控制輸出、與報(bào)警裝置和系統(tǒng)核心AT89S52單片機(jī)作為微處理器。 方案一的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖溫度采集電路以數(shù)字量形式將現(xiàn)場(chǎng)溫度傳至單片機(jī)。單片機(jī)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)溫度與用戶設(shè)定的目標(biāo)溫度，按照已經(jīng)編程固化的模糊控制算法計(jì)算出實(shí)時(shí)控制量。以此控制量控制固態(tài)繼電器開通和關(guān)斷，決定加熱電路的工作狀態(tài)，使溫度逐步穩(wěn)定于用戶設(shè)定的目標(biāo)值。在溫度到達(dá)設(shè)定的目標(biāo)溫度后，由于自然冷卻而使其溫度下降時(shí)，單片機(jī)通過采樣回的溫度與設(shè)置的目標(biāo)溫度比較，作出相應(yīng)的控制，開啟加熱器。當(dāng)用戶需要比實(shí)時(shí)溫度低的溫度時(shí)，此電路可以利用風(fēng)扇降溫。系統(tǒng)運(yùn)行過程中的各種狀態(tài)參量均可由數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示。 方案二利用PLC實(shí)現(xiàn)恒溫控制系統(tǒng)利用PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度恒定的控制，：采用PLC控制實(shí)現(xiàn)電熱絲加熱全通、間斷導(dǎo)通和全斷加熱的自動(dòng)控制方式，來(lái)達(dá)到溫度的恒定。智能型電偶溫度表將置于被測(cè)對(duì)象中，熱電偶的傳感器信號(hào)與恒定溫度的給定電壓進(jìn)行比較，構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，生成溫差電壓Vt，PLC自適應(yīng)恒溫控制電路，根據(jù)Vt的大小計(jì)算出全通、間接導(dǎo)通和全斷的自適應(yīng)恒溫控制電路，并將占空比可調(diào)的控制電平經(jīng)輸出隔離電路去控制可控硅門極的通斷，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的恒溫控制。若溫度升的過快，PLC也將輸出關(guān)斷電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為可控硅電路相匹配的輸入信號(hào)。 方案二的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 方案三利用模擬PID調(diào)節(jié)的恒溫控制系統(tǒng)基于模擬PID調(diào)節(jié)的恒溫控制系統(tǒng)由數(shù)字電路部分和模擬電路兩部分組成。由按鍵設(shè)定某一溫度，單片機(jī)對(duì)設(shè)定溫度值進(jìn)行查表計(jì)算后轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電壓數(shù)字值，通過16位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器得到與之精確對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，此電壓值于熱敏電阻實(shí)際測(cè)量的電壓值進(jìn)行比較產(chǎn)生一個(gè)誤差信號(hào)，經(jīng)過PID電路后，獲得一個(gè)控制量給制冷元件構(gòu)成實(shí)時(shí)閉環(huán)系統(tǒng)，同時(shí)實(shí)際測(cè)量的電壓值并顯示在液晶屏上。 方案三的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 設(shè)計(jì)方案 控制模塊的選擇，數(shù)字比較器與模擬控制器相比較，數(shù)字比較器具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)： 模擬調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)能力有限，當(dāng)控制規(guī)律較為復(fù)雜時(shí)，就難以甚至無(wú)法實(shí)現(xiàn)。而數(shù)字控制器能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制規(guī)律的控制。 計(jì)算機(jī)具有分時(shí)控制能力，可實(shí)現(xiàn)多回路控制。 數(shù)字控制器具有靈活性。起控制規(guī)律可靈活多樣，可用一臺(tái)計(jì)算機(jī)對(duì)不同的回路實(shí)現(xiàn)不同的控制方式，并且修改控制參數(shù)或控制方式一般只可改變控制程序即可，使用起來(lái)簡(jiǎn)單方便，可改善調(diào)節(jié)品質(zhì)，提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。 采用計(jì)算機(jī)除實(shí)現(xiàn)PID數(shù)字控制外，還能實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、數(shù)字顯示等其他功能。綜合考慮，本設(shè)計(jì)控制模塊采用數(shù)字PID調(diào)節(jié)器。對(duì)于方案一，采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)恒溫控制，雖然該方案成本低，可靠性高，抗干擾性強(qiáng)，但對(duì)于系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能與穩(wěn)態(tài)性能要求較高的場(chǎng)合是不合適的；而對(duì)于方案二，采用PLC實(shí)現(xiàn)恒溫控制，由于PLC成本高，且PLC是外圍系統(tǒng)配置復(fù)雜，不利于我們的設(shè)計(jì)，由于數(shù)字PID調(diào)節(jié)，運(yùn)算量大，只要選擇合適的參數(shù)對(duì)于溫度的控制精度往往能達(dá)到較好的效果。為了使設(shè)計(jì)的成本低、抗干擾強(qiáng)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能與穩(wěn)態(tài)性能好的前提下，：通過單片機(jī)對(duì)偏差進(jìn)行PID運(yùn)算，輸出控制D/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成0—8V電壓信號(hào)來(lái)控制可控硅觸發(fā)電路，從而控制可控硅通斷率，通過調(diào)節(jié)加熱功率即可達(dá)到控制溫度恒定的目的。 設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)框圖第2章 恒溫控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)考慮到盡量降低成本和避免與復(fù)雜的電路，此系統(tǒng)所用到的元器件均為常用的電子器件。而主控器采用低功耗、高性能、片內(nèi)含8k byte可反復(fù)檫寫的Flash 、只讀程序器CMOS8位單片機(jī)AT89S52；溫度傳感器采用DALLAS公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20；采用控制端TTL電平，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器的開關(guān)，使用時(shí)完全可以用 NPN型三極管接成電壓跟隨器的形式驅(qū)動(dòng)；單片機(jī)所需要的+5V工作電源是通過220V交流電壓通過變壓、整流、穩(wěn)壓、濾波得到。實(shí)時(shí)控制的顯示器、鍵盤通過單片機(jī)來(lái)完成鍵盤掃描與輸出動(dòng)態(tài)顯示?？紤]到系統(tǒng)對(duì)傳輸速度的要求不高，在PCA機(jī)上設(shè)定和實(shí)時(shí)顯示溫度，系統(tǒng)配有RS232串行通訊端口，下面對(duì)硬件電路作具體的設(shè)計(jì)。 AT89S52單片機(jī)簡(jiǎn)介 AT89S52單片機(jī)資源簡(jiǎn)介。由于它的廣泛使用使得市面價(jià)格較8158258279要低，所以說用它是很經(jīng)濟(jì)的。該芯片具有如下功能：①有1個(gè)專用的鍵盤/顯示接口；②有1個(gè)全雙工異步串行通信接口；③有2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。這樣，1個(gè)89S52，承擔(dān)了3個(gè)專用接口芯片的工作；不僅使成本大大下降，而且優(yōu)化了硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)，給用戶帶來(lái)許多方便。89S52有40個(gè)引腳，有32個(gè)輸入端口（I/O），有2個(gè)讀寫口線，可以反復(fù)插除。所以可以降低成本。主要功能特性： （1）兼容MCS51指令系統(tǒng)（2）32個(gè)雙向I/O口線（3）3個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷（4）2個(gè)串行中斷口 （5）2個(gè)外部中斷源（6）2個(gè)讀寫中斷口線（7）低功耗空閑和掉電模式（8）8k可反復(fù)擦寫(1000次)Flash ROM（9）256x8 bit內(nèi)部RAM（10）時(shí)鐘頻率024MHz（11）可編程UART串行通道（12）共6個(gè)中斷源（13）3級(jí)加密位（14）軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能。 AT89S52單片機(jī)信號(hào)引腳介紹[9]輸入輸出口線～ 口8位雙向口線～ 口8位雙向口線～ 口8位雙向口線～ 口8位雙向口線ALE 地址鎖存控制信號(hào)在系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí),ALE用于控制把口輸出的低8位地址送入鎖存器鎖存起來(lái),以實(shí)現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的分時(shí)傳送。此外由于ALE是以六分之一晶振頻率的固定頻率輸出正脈沖,因此可作為外部定時(shí)脈沖使用。 外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)在讀外部ROM時(shí), 有效(低電平),以實(shí)現(xiàn)外部ROM單元的讀操作。 訪問程序存儲(chǔ)趨控制信號(hào)但信號(hào)為低電平時(shí),對(duì)ROM的讀操作限定在外部程序存儲(chǔ)器；而當(dāng)信號(hào)為高電平時(shí),則對(duì)ROM的讀操作是從內(nèi)部程序存儲(chǔ)器開始,并可延續(xù)至外部程序存儲(chǔ)器。RST 復(fù)位信號(hào)當(dāng)輸入的復(fù)位信號(hào)延續(xù)2個(gè)機(jī)器周期以上高電平時(shí)即為有效，用以完成單片機(jī)的復(fù)位操作。和 外接晶體引線端當(dāng)使用芯片內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)，此二引線端用語(yǔ)外接石英晶體和微調(diào)電容；當(dāng)使用外部時(shí)鐘時(shí)，用于接外部時(shí)鐘脈沖信號(hào)。 地線 +5V電源 AT89S52單片機(jī)時(shí)鐘和復(fù)位電路時(shí)鐘電路單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增益反向放大器，輸入端為芯片引腳，輸出端為引腳。而在芯片外部和 之間跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容，從而構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。晶體震蕩頻率高，則系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率也高，單片機(jī)運(yùn)行速度也就快，但反過來(lái)運(yùn)行速度快對(duì)存儲(chǔ)器的速度要求就高，對(duì)印制電路板的工藝要求也高，所以，這里使用震蕩頻率為6MHz的石英晶體。震蕩電路產(chǎn)生的震蕩脈沖并不直接是使用，而是經(jīng)分頻后再為系統(tǒng)所用，震蕩脈沖經(jīng)過二分頻后才作為系統(tǒng)的時(shí)鐘信號(hào)。在設(shè)計(jì)電路板時(shí)，振蕩器和電容應(yīng)盡量靠近單片機(jī)，以避免干擾。需要注意的是：電路板時(shí)，振蕩器和電容應(yīng)盡量安裝得與單片機(jī)靠近，以減小寄生電容的存在更好的保障振蕩器穩(wěn)定、復(fù)位電路單片機(jī)的復(fù)位電路分上電復(fù)位和按鍵復(fù)位兩種方式。（a）上電復(fù)位： 在加電之后通過外部復(fù)位電路的電容充電來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)?shù)纳仙龝r(shí)間不超過1ms，就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上電復(fù)位，即接通電源就完成了系統(tǒng)的初始化電路原理圖。RST上的電壓必須保證在斯密特觸發(fā)器的閥值電壓以上足夠長(zhǎng)時(shí)間，滿足復(fù)位操作的要求。 (b) 按鍵復(fù)位：程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為了擺脫困境，也需按復(fù)位鍵以重新啟動(dòng)。RST引腳是復(fù)位信號(hào)的輸入端，復(fù)位信號(hào)是高電平有效。按鍵復(fù)位又分按鍵脈沖復(fù)位（）和按鍵電平復(fù)位。電平復(fù)位將復(fù)位端通過電阻與相連，按鍵脈沖復(fù)位是利用RC分電路產(chǎn)生正脈沖來(lái)達(dá)到復(fù)位的。(c) 注意：因?yàn)榘存I脈沖復(fù)位是利用RC微分電路產(chǎn)生正脈沖來(lái)達(dá)到復(fù)位的。、C的值選擇不當(dāng)，使復(fù)位時(shí)間過長(zhǎng)，單片機(jī)將處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。故本設(shè)計(jì)采用按鍵復(fù)位。 溫度傳感器溫度測(cè)量轉(zhuǎn)換部分是整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來(lái)源，直接影響系統(tǒng)的可靠性。傳統(tǒng)的溫度測(cè)量方法是：溫度傳感器例如AD590，將測(cè)量的溫度轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，單片機(jī)再對(duì)采集的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理[3]。這種模擬數(shù)字混合電路實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較復(fù)雜，濾波消噪難度大系統(tǒng)穩(wěn)定性不高，鑒于這些考慮，本設(shè)計(jì)采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20。DS18B20支持“一線總線”接口，測(cè)量溫度的范圍為55176。C～+125176。C，現(xiàn)場(chǎng)溫度直接以“一線總線”的數(shù)字式傳輸，大大的提高了系統(tǒng)的抗干擾性。DS18B20為3引腳， DQ為數(shù)字信號(hào)輸入/輸出端；GND為電源地；VDD為外接供電電源輸入端。，用于將采集到的溫度送入單片機(jī)中處理，即可完成溫度采集部分硬件電路。DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。 溫度采樣電路DS18B20中的溫度傳感器可完成對(duì)溫度的測(cè)量，以12位轉(zhuǎn)化為例:用16位符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供，℃/LSB形式表達(dá)，其中S為符號(hào)位。 DS18B20溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換表LS ByteBit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit02322212021222324MS ByteBit15Bit14Bit13Bit12Bit11Bit10Bit9Bit8SSSSS26