【正文】 數Kp調節(jié)輸出，對誤差的反應很快，但是其輸出與期望值之間總是存在一個穩(wěn)態(tài)誤差，必須使用手動復位來消除，在實際運用中很不方便。因此當不能完全了解一個系統和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統參數時，就是PID的用武之地。同時，通過計算機串口采樣輸入信號，利用LabVIEW中的PID控制算法，求出系統輸出信號的大小，再由串口將輸出信號傳輸至外部溫度控制電路，以實現溫度控制。結合上NI為工業(yè)控制而開發(fā)的PID和模糊邏輯控制包，可以輕松地實現PID或模糊控制。軟件選擇包括下位機程序的編譯軟件和上位機的編程軟件。 通信部分，由于溫度變化并不是一個很快的過程，所以并不需要很高的數據采集和發(fā)送速度。VDD 電源電壓 圖21 DS18B20 功率控制部分，本設計采用無錫天豪公司生產的GTJ242A固態(tài)繼電器。內置EEPROM，限溫報警功能。 ?? ?? ??由于其測溫分辨率較高(12位)，因此對時序及電特性參數要求較高，必須嚴格按照時序要求操作。數字式溫度傳感器DS18B20是美國DALLAS公司推出的一種可組網數字式溫度傳感器，采用1wire總線接口，測溫范圍為55℃—+125℃，精度可達0．067 5℃ ，最大轉換時間為200ms 。AVR的單片機可以廣泛應用于計算機外部設備、工業(yè)實時控制、儀器儀表、通訊設備、家用電器等各個領域，它與51單片機、PIC單片機相比具有一系列的優(yōu)點： (1)在相同的系統時鐘下AVR運行速度最快； (2)芯片內部的Flsah、EEPROM、SRAM容量較大； (3)所有型號的Flash、EEPROM都可以反復燒寫、全部支持在線編程燒寫(ISP)； (4)多種頻率的內部RC振蕩器、上電自動復位、看門狗、啟動延時等功能，零外圍電路也可以工作； (5)每個IO口都可以以推換驅動的方式輸出高、低電平，驅動能力強； (6)內部資源豐富，一般都集成AD、DA模數器、PWM、SPI、USART、TWI、I2C通信口、豐富的中斷源等。 在下位機控制器上，由于需要采用PWM技術對加熱裝置進行控制，而傳統的51系列單片由于其內部并不具有專門的PWM模塊，當從上位機發(fā)送控制數據時，就必須采取中斷才能執(zhí)行這個過程。然后在上位機中進行處理和顯示，通過PID或者模糊算法，計算出要輸出的控制量，再由串口將數據發(fā)送到下位機，交由下位機處理。 （4）使用LabVIEW編寫PID控制程序，能實現對溫度的比較準確的控制。像其他軟件一樣，LabVIEW提供了Windows，UNIX，Linux和Macintosh等多種版本。LabVIEW盡可能利用工程技術人員所熟悉的術語、圖標和概念，因而它是一種面向最終用戶的開發(fā)工具，可以增強工程人員構建自己的科學和工程系統的能力，提供了實現儀器編程和數據采集系統的便捷途徑。LabVIEW不僅提供了與遵從GPIB，VXI，RS232和RS485協議的硬件及數據采集卡通信的全部功能，還布置了支持TCP/IP，ActiveX等軟件標準的庫函數，而且圖形化的編程界面使編程過程變得生動有趣。PC—DAQ采集器網絡傳輸信號處理串口儀器磁盤復制數字濾波GPIB儀器文件I/O統計VXI儀器圖形用戶接口分析PXI儀器圖11 虛擬儀器的功能模塊虛擬儀器用各種圖標或控件來虛擬傳統儀器面板上的各種器件。其基本構成包括計算機、虛擬儀器軟件、硬件接口和測試儀器等。虛擬儀器通過軟件開發(fā)平臺將計算機硬件資源與儀器硬件有機地融為一體，把計算機強大的數據處理能力和儀器硬件的測量、控制能力結合在一起，通過軟件實現對數據的顯示、存儲及分析處理。而虛擬儀器技術憑借著其開發(fā)容易、開發(fā)成本低、開發(fā)周期短等明顯的優(yōu)點，漸漸地在工業(yè)測控領域嶄露頭角。 虛擬儀器應用程序的開發(fā)環(huán)境主要有兩種。組建方便靈活、操作簡單。人們曾為測量儀器從模擬化、數字化到智能化的進步而欣喜，也為自動測試技術的日新月異的發(fā)展所鼓舞，當今虛擬儀器技術的出現又使得測量儀器進步入了高科技的殿堂。 與傳統的儀器不同，虛擬儀器（virtual instrument）是基于計算機和標準總線技術的模塊化系統，通常它是由控制模塊、儀器模塊和軟件組成，在虛擬儀器中軟件是至關重要的，儀器的功能都要通過它來實現，因此軟件是虛擬儀器的核心，“軟件就是儀器”，從本質上反映了虛擬儀器的特征。 VXI體系結構綜合了。一種是基于傳統的文本語言的軟件開發(fā)環(huán)境，常用的有l(wèi)ab windows/cvi、.visual basidc=vc++等：一種是基于圖形化語言的軟件開發(fā)環(huán)境，常用的有LabVIEW和hp vee。它的出現使企業(yè)家們看到了降低成本的希望。在對大規(guī)模、集成化、智能化及數字電子儀器需求愈加迫切的形勢下，計算機技術、儀器技術和通信技術相結合，產生了具有里程碑意義的新一代儀器——虛擬儀器。虛擬儀器以透明的方式把計算與傳統儀器一樣。由各種開關圖標實現儀器電源的通斷；由各種按鈕圖標來設置被測信號的“放大倍數”、“通道”等參數；由各種顯示控件以數值或波形的方式顯示測量或分析結果；由計算機的鼠標和鍵盤操作來模擬傳統儀器面板上的實際操作；以對圖形化軟件流程圖的編程來實現各種信號測量和數據分析功能。LabVIEW是一個功能強大且靈活的軟件，利用他可以方便的建立自己的虛擬儀器。使用它進行原理研究、設計、測試并實現儀器系統時，可以大大提高工作效率。 本論文任務 （1）設計一個由微控制器控制的溫度采集裝置，使其能夠準確地采集環(huán)境溫度。 （5）使用LabVIEW編寫模糊控制程序，能實現對溫度的控制。下位機根據一定的關系，輸出一定的信號來控制固態(tài)繼電器的通斷。由于AVR系列單片機內部均有現成的PWM模塊，可以在進行采集溫度的同時，進行PWM控制。 目前支持AVR單片機編譯器的語言主要有匯編語言、C語言、BASIC語言等。DS18B20能夠直接讀取被測物體的溫度值，體積小，電壓適用范圍寬(3V~5V)，用戶還可以通過編程實現912位的溫度讀數，即具有可調的溫度分辨率。其數據的讀寫是由主機讀寫特定時間片來完成的，包括初始化、讀時間片和寫時間片。先進的單總線數據通信。12位分辨率時的最大工作周期為750毫秒。檢測溫度范圍為–55176。 DS18B20引腳功能： 電氣參數為：輸入控制電壓314VDC（自動限流），開啟電流5mA,控制電流25mA，工作電壓24240VAC。而且，計算機的各種通信方式中，尤以串口通信方式最為簡單，因此本設計采用傳統的RS232串口通信。下位機的編譯軟件，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。 硬件及軟件設計方案下圖給出系統硬件組成框圖，由計算機、單片機、測溫電路及溫度控制電路組成。（如圖22）溫度測控對象溫度控制電路溫度測量電路單片機計算機圖22 系統組成框圖(1)PID控制PID(Proportional Integral Derivative比例微分積分)控制是控制工程中技術成熟，應用廣泛的一種控制策略，它經過長期工程實踐，已形成了一套完整的控制方法和典型的結構。PID控制器執(zhí)行機構被控對象測量裝置期望值輸出反饋 圖23 PID控制系統PID顧名思義，就是根據系統誤差利用比例，微分，積分計算出控制量進行控制。提高Kp值可以增加系統的開環(huán)增益，使穩(wěn)態(tài)誤差減小，還能夠增加系統的快速性；但容易使系統的穩(wěn)定程度變差，振蕩變多。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零，以達到消除穩(wěn)態(tài)誤差的目的。微分控制器的輸出和誤差信號的微分成正比，即，所以PD控制器的輸出有： 微分作用反映的是誤差信號的變化率，所以對系統控制具有預見性，能預見誤差的變化趨勢，因此能產生超前的控制作用。而且微分控制對噪聲干擾有放大作用，過強地調節(jié)微分項對系統抗干擾能力不利。具體如何整定，根據不同的現場有所不同。通常是一類缺乏精確數學模型的被控過程，采用模糊集合的理論，總結人們對系統的操作和控制經驗。③系統的魯棒性強，尤其適用于時變、非線性、時延系統的控制。模糊集合理論的核心是對復雜的系統或過程建立一種語言分析的數學模式，提供一個嚴格的數學框架，使日常生活中的自然語言能直接轉化為計算機所能接受的算法語言。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）。設計程序主要是在以下兩個窗口中進行的：前面板設計窗口：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。 LabVIEW后臺控制面板 后面板即是程序編輯窗口。對象端口被用來與程序前面板上的控制件或顯示件傳遞數據；常量端口只能在程序中作為數據流起點；全局變量和局部變量端口是LabVIEW用力啊傳遞數據的工具。這些都是編程必須有的東西。而且，對于那些數學和邏輯運算過程較復雜的程序，用花可以選擇使用VC或者Matlab等開發(fā)工具將數學分析和處理過程編寫為專用的動態(tài)鏈接庫，LabVIEW提供了專門的接口函數可以調用之。并且，有時使用外部儀器也是可以的?？梢耘c許多不同的儀器協調工作的儀器驅動程序（用來控制外部儀器的軟件）標準。美國儀器協會為串行通信提出的建議標準。SCPI協會的一個建議標準，該標準使用簡單、直觀的ASCII命令為儀器通信制定了結構和語法。 LabVIEW支持的GPIB、VXI、標準串口I/O儀器的驅動 通常LabVIEW有兩張安裝光盤，其中一張就是設備驅動盤，它包含了一個儀器驅動庫，該庫為NI生產的各種程控儀器（GPIB儀器、VXI儀器和串行儀器等）提供儀器驅動程序，例如HP34401A數字萬用表的儀器驅動程序。 VISA簡介 VISA是NI公司發(fā)布的為統一軟件標準的驅動軟件體系結構。 VISA 能夠控制VXI、GPIB、串口或者基于計算機的儀器，并能根據所用儀器的類型來調用合適的驅動程序。VI功能將輸出緩沖區(qū)中的數據發(fā)送到VISA resource name指定的串口向VISA resource name指定的串口發(fā)送一個暫停信號結束與VISA resource name指定的串口資源之間的會話清空VISA resource name指定的串口的輸入輸出緩沖區(qū) PID控制模塊簡介 NI提供了在LabVIEW中使用的PID控制工具包，可幫助工程師結合NI數據采集設備快速有效地搭建一個數字PID控制器，精確可靠地完成系統需求。該vi還能控制輸出值的范圍（如圖32）。PID Setpoint 。PID EGU to %.vi和PID % to 。安裝工具包后。工程師可根據專家經驗繪制出輸入和輸出量的隸屬函數圖，繪制完成后點擊Quit；接著彈出Rulebase Editor對話框（圖37），這是仿真模糊推理器的規(guī)則庫。工具包中的另一個VI是Test Fuzzy ，它可以通過手動輸入算出輸出響應值。硬件部分分為四個部分：主控部分、DS18B20測溫部分、通信部分、程序下載部分。 圖42 測溫部分 硬件電路如圖43 圖43 串口通信部分 硬件電路如圖44 圖44 程序下載部分 下位機的軟件設計系統模型如下圖45.PID/模糊控制器加熱執(zhí)行設備溫度輸出溫度輸入圖45 下位機系統模型DS18B20的溫度檢測與數字數據輸出全集成于一個芯片之上，從而抗干擾力更強。數據在出產時設置不由用戶更改。在上電復位時其值將被刷新。EEPROM 非易失性記憶體，用于存放長期需要保存的數據，上下限溫度報警值和校驗數據，DS18B20共3位EEPROM，并在RAM都存在鏡像，以方便用戶操作。至此，通信雙方已經達成了基本的協議，接下來將會是控制器與DS18B20間的數據通信。其主要目的是為了分辨一條總線上掛接的多個器件并作處理。存儲器操作指令的功能是命令18B20作什么樣的工作，是芯片控制的關鍵。若要讀出當前的溫度數據需要執(zhí)行兩次工作周期，第一個周期為復位、跳過ROM指令、執(zhí)行溫度轉換存儲器操作指令、等待500uS溫度轉換時間。初始化內容包括首先選擇同步發(fā)送還是異步發(fā)送，如果是異步發(fā)送的話，選擇是正常發(fā)送模式還是倍速發(fā)送模式，在本設計中采用異步正常模式發(fā)送。在串口初始化函數完成之后，即可編寫發(fā)送和接受函數。比較重要的是PID控制器輸出的控