【正文】 節(jié)都是深思熟慮而成，各自 完成相應(yīng)的功能并組成一個(gè)統(tǒng)一的整體。采用了模擬的 PWM 變換，和固態(tài)繼電器。 第 6 頁(yè) 共 57 頁(yè) 圖 11 系統(tǒng)原理框圖 綜上所述方案有如下的特點(diǎn)： (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(jiǎn)單、明了的特點(diǎn)，很容易實(shí)現(xiàn)，而且在一 定的程度上節(jié)約成本。 論證分析 經(jīng)過(guò)比較，采用 DS18B20 測(cè)量水溫，硬件電路簡(jiǎn)單，測(cè)量精度 高，信號(hào)易處理，故溫度變送器選用 DS18B20。在使用中不需要任何外圍元件 ， 測(cè)溫范圍 － 55℃ ～＋ 125℃ ， 最小 分辨率 達(dá) ℃ 。常用的熱電偶從 50℃ +1600℃ 均 可 正常測(cè)量 ，某些特殊熱電偶最低可測(cè)到 269℃ （如金鐵鎳鉻），最高可達(dá) +2800℃ （如鎢 錸）。其中，溫度信號(hào)的準(zhǔn)確性影響著整套系統(tǒng)的成功。軟件部分主要負(fù)責(zé)溫度信號(hào)采集、溫度值實(shí)時(shí)顯示驅(qū)動(dòng)、溫度偏差信號(hào)處理。隨著科學(xué)的發(fā)展，特別是電子計(jì)算機(jī)的誕生和發(fā)展，涌現(xiàn)出許多先進(jìn)的控制方法，然而直到現(xiàn)在， PID 控制仍是最廣泛應(yīng)用的控制方式之一。通常，電阻爐爐溫控制都采用偏差控制法。 41 附 錄 3 系統(tǒng)源程序 34 附錄 2 中文翻譯 33 附錄 1 英文資料 25 抗干擾設(shè)計(jì) 18 PID 運(yùn)算子函數(shù) 13 軟件設(shè)計(jì) 12 報(bào)警電路 4 溫度檢測(cè)與變送環(huán)節(jié) 4 電源電路整個(gè)系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性能高?；?PID 算法的水溫控制器的設(shè)計(jì) 摘要： PID 控制是工控領(lǐng)域內(nèi)的一種重要控制方法，將 PID 算法應(yīng)用到以 51 單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)中，能產(chǎn)生良好的控制效果。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該系統(tǒng)無(wú)震蕩現(xiàn)象，響應(yīng)時(shí)間短，穩(wěn)態(tài)誤差小，基本實(shí) 現(xiàn)穩(wěn)、準(zhǔn)、快的指標(biāo)。 2 方案論證 2 第 2 章 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 鍵盤(pán)電路 10 顯示電路 11 加熱驅(qū)動(dòng)模塊 14 主函數(shù) 16 靜態(tài)顯示函數(shù) 25 第 3 頁(yè) 共 57 頁(yè) 系統(tǒng)聯(lián)調(diào) 46 附錄 4 系統(tǒng)原理圖 偏差控制的原理是先求出實(shí)測(cè)爐溫對(duì)所需爐溫的偏差值，然后對(duì)偏差值處理獲得控制信號(hào)去調(diào)節(jié)電阻爐的加熱功率，以實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫的控制 [1]。 現(xiàn)代自動(dòng)控制越來(lái)越朝著智能化發(fā)展，在很多自動(dòng)控制系統(tǒng)中都用到了工控機(jī)，小型機(jī)、甚至是巨型機(jī) 處理機(jī)等，當(dāng)然這些處理機(jī)有一個(gè)很大的特點(diǎn)，那就是很高的運(yùn)行速度，很大的內(nèi)存，大量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)的指標(biāo)如下： (1)按鍵設(shè)定溫度，數(shù)碼管顯示實(shí)時(shí)溫度； (2)溫度控制 范圍為 0～ 100℃，測(cè)量誤差為177。 方案論證 溫度采集有多種方案， 但在水溫控制的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)主要有兩種： 方案一：用熱電偶采集溫度。 但熱電偶測(cè)量需要溫度補(bǔ)償。 驅(qū)動(dòng)加熱模塊也有多種方案： 方案一：?jiǎn)纹瑱C(jī)輸出數(shù)字量，經(jīng) DA 轉(zhuǎn)換后驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的功率器件，特點(diǎn)是控制方便，電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，且存在大量的干擾。 驅(qū)動(dòng)加熱采用固態(tài)繼電器， 在實(shí)行控制的時(shí)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(gè)固態(tài)繼電器，通過(guò)內(nèi)部改變定時(shí)器的中斷時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)一個(gè)周期內(nèi)電子開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通和斷開(kāi)時(shí)間。 (2) 由于采用了離線(xiàn)的方法，很大程度上的減少了編程的麻煩，實(shí)現(xiàn)起來(lái)較容易?？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(shí)時(shí)性、控制效果更好。 硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的硬件包括：電源模塊、溫度設(shè)定模塊、溫度采集變送模塊、溫度偏差處理模塊（即 PID控制模塊）、溫度顯示模塊、報(bào)警模塊、電爐加熱模塊。 如圖 21所示。F,耐壓為 25V。 溫度檢測(cè)與變送環(huán)節(jié) 檢測(cè)與變送設(shè)備主要根據(jù)被檢測(cè)參數(shù)的性質(zhì)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體考慮來(lái)決定。 能做 必要的處理， 其中包括： (1) 測(cè)量信號(hào)校正。 溫度的檢測(cè)與控制是自動(dòng)控制工程的重要任務(wù)之一。同時(shí)測(cè)量體可能與被測(cè)介質(zhì)產(chǎn)生化學(xué) 反應(yīng) 。但是它受到物體的輻射率、距離、煙塵和水汽等因素影響，測(cè)溫誤差較大。以上特點(diǎn)使 DS18B20 非常適用于遠(yuǎn)距離多點(diǎn)溫度檢測(cè)系統(tǒng) [7]。溫度信息的低位、高位字節(jié)內(nèi)容還包括了符號(hào)位 S和二進(jìn)制小數(shù)部分。 1．主要特性： 第 10 頁(yè) 共 57 頁(yè) 與 MCS51兼容 ,4K 字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器，壽命： 1000 寫(xiě) /擦循環(huán) ； 數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10 年 ； 全靜態(tài)工作： 0Hz24Hz； 三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定 ； 128*8 位內(nèi)部 RAM； 32 個(gè) 可編程I/O 線(xiàn) ， 兩個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 ， 5 個(gè)中斷源 ， 可編程串行通道 ， 低功耗的閑置和掉電模式 ， 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 。當(dāng) P1 口的管腳第一次寫(xiě) 1時(shí)，被定義為高阻輸入。 P1 口管腳寫(xiě)入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P3 口： P3 口管腳是 8 個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個(gè) TTL 門(mén)電流。當(dāng)振蕩器復(fù)位器 件時(shí)，要保持 RST 腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。但在訪(fǎng)問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 /PSEN 信號(hào)將不出現(xiàn)。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。 89C51 與外圍電路的接口 本系統(tǒng)采用 P1口與 鍵盤(pán)電路 連接， 口與 DS18B20 的數(shù)據(jù)端 連接。最簡(jiǎn)單的上電自動(dòng)復(fù)位電路，是通過(guò)外部復(fù)位電路的電容充電來(lái)實(shí)現(xiàn)的。按鍵手動(dòng)復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。一般的晶振的負(fù)載電容為 15pF或 ，如果再考慮元件引腳的等效輸入電容，則兩個(gè) 20pF 的電容構(gòu)成晶振的振蕩電路就是比較好的選擇。振蕩器比 諧振器多了一個(gè)重要技術(shù)參數(shù)為：諧振電阻 。 圖 26 晶振電路 要想控制溫度，就要采用良好的人 機(jī)界面。 LED 顯示是用發(fā)光二極管顯示字段的顯示器件，也可稱(chēng)為數(shù)碼管，其外形結(jié)構(gòu)如圖所示，由圖可見(jiàn)它由 8 個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成，通過(guò)不同的組合可用來(lái)顯示 0～ A～ F 及小數(shù)點(diǎn)。 第 15 頁(yè) 共 57 頁(yè) 本系統(tǒng)中 DS18B20 的工作周期為幾百毫秒，而且后續(xù)的 PID 運(yùn)算涉及到浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算， PWM波的中斷周期小于溫度采樣周期控制，若采用動(dòng)態(tài)掃描顯示，顯示時(shí)間短，且容易被中斷打斷，所以綜上考慮，為使顯示部分顯示的是實(shí)時(shí)溫度，且為了保持良好的人機(jī)界面，必須采用串行靜態(tài)顯示。 圖 29 串行靜態(tài)顯示電路 加熱驅(qū)動(dòng)模塊 執(zhí)行機(jī)構(gòu)為一個(gè)固態(tài)繼電器，程序中采用了模擬的 PWM 變換方法。 第 16 頁(yè) 共 57 頁(yè) 圖 210 固態(tài)繼電器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 固體繼電器工作可靠，壽命長(zhǎng)，無(wú)噪聲，無(wú)火花，無(wú)電磁干擾，開(kāi)關(guān)速度快，抗干擾能力強(qiáng)，且體積小，耐沖擊，耐振蕩，防爆、防潮、防腐蝕、能與 TTL、 DTL、 HTL 等邏輯電路兼容，以微小的控制信號(hào)達(dá)到直接驅(qū)動(dòng)大電流負(fù)載。 為使系統(tǒng)的人機(jī)交互界面更好，設(shè)置了兩路報(bào)警信號(hào)和兩路標(biāo)志信號(hào)，用于顯示越 第 17 頁(yè) 共 57 頁(yè) 限報(bào)警、強(qiáng)電電路通斷情況、溫度穩(wěn)定情況。 圖 212 報(bào)警電路 如圖 212所示， L1用來(lái)標(biāo)志強(qiáng)電電路的通斷情況，當(dāng)燈亮?xí)r，表示繼電器被吸合；燈 滅時(shí)表示繼電器復(fù)位，加熱電路斷開(kāi)。溫度采樣頻率由軟件延時(shí)控制，在每一次采樣完成之后進(jìn)行控制時(shí)間的計(jì)算和顯示刷新。然后其它的功能都由 DS18B20 溫度轉(zhuǎn)換程序和中斷程序完成。 讀 取 溫 度按 鍵 掃 描輸 出 P W MP I D 運(yùn) 算顯 示延 時(shí)初 始 化 圖 213 主程序流程圖 延時(shí)子函數(shù) 單片機(jī)在讀取 DS18B20 時(shí)，需要用到多次微秒級(jí)的延時(shí)函數(shù) ，而在顯示和采樣周期計(jì)算時(shí)，需要用到多次毫秒級(jí)延時(shí)函數(shù)，考慮到 89C51 的 ROM 和 RAM 足夠，可設(shè)置兩組延時(shí)函數(shù)，分別為微秒延時(shí)和毫秒延時(shí)。i++)。i++) t1ms()。 } } 按鍵設(shè)定函數(shù) 系統(tǒng)的被控溫度、上下限報(bào)警溫度等都是通過(guò)按鍵來(lái)設(shè)定的，由于采用鍵盤(pán)的接法是最普通的，所以按鍵處理函數(shù)并不會(huì)占用整個(gè)程序太多時(shí)序。主機(jī)釋放總線(xiàn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)上升沿。 (2)匹配 ROM，命令字節(jié)為 55H， 此命令后跟 64 位 ROM 的序列號(hào)，尋址多掛接總線(xiàn) 第 20 頁(yè) 共 57 頁(yè) 上的對(duì)應(yīng) DS18B20。 (5)告警搜索：命令字節(jié)為 ECH， DS18B20 只有在最近一次測(cè)量溫度時(shí)滿(mǎn)足了告警觸發(fā)條件，才會(huì)響應(yīng)此命令。 (2)讀暫存器：命令字節(jié)為 BEH，此命令讀暫存存儲(chǔ)器的內(nèi)容，讀開(kāi)始于字節(jié) 0，繼續(xù)經(jīng)過(guò)暫存存儲(chǔ)器，至第九個(gè)字節(jié)（字節(jié) 8 CRC）讀出為止。 (4)溫度變換：命令字節(jié)為 44H，此命令開(kāi)始溫度變換，不需要另外的數(shù)據(jù)，溫度變換將被執(zhí)行著 DS1820 便保持在空閑狀態(tài)，如果總線(xiàn)主機(jī)在此命令之后發(fā)出讀時(shí)間片，那么只要 DS1820 正忙于進(jìn)行溫度變換，它將在總線(xiàn)上輸出“ 0”，當(dāng)溫度變換完成時(shí)，它 便返回“ 1” ， 如果由寄生電源供電 ， 那么總線(xiàn)主機(jī)在發(fā)出此命令之后必須立即強(qiáng)制上拉至少 2毫秒 。 流程圖 如圖 215 所示 。 第 22 頁(yè) 共 57 頁(yè) 拆 字 獲 得 字 型 碼串 行 發(fā) 送 千 位 數(shù) 的字 型 碼 的 二 進(jìn) 制串 行 發(fā) 送 十 位 數(shù) 的字 型 碼 的 二 進(jìn) 制串 行 發(fā) 送 百 位 數(shù) 的字 型 碼 的 二 進(jìn) 制串 行 發(fā) 送 個(gè) 位 數(shù) 的字 型 碼 的 二 進(jìn) 制 216 串 行靜態(tài)顯示流程圖 PID運(yùn)算子函數(shù) 常規(guī)的模擬 PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖 2－ 17 所示。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(guò)渡過(guò)程越快，控制過(guò)程的靜態(tài)偏差也就越??；但是越大，也越容易產(chǎn)生振蕩，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 積分環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)作用雖然會(huì)消除靜態(tài)誤差，但也會(huì)降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度，增加系統(tǒng)的超調(diào)量。 微分部分 微分部分的數(shù)學(xué)表達(dá)式 是： ? ?* de tKp Td dt 實(shí)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(guò)程。它是根據(jù)偏差的變化趨勢(shì)（變化速度）進(jìn)行控制。 微分部分的作用由微分時(shí)間常數(shù) Td 決定。 由于計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，計(jì)算機(jī)進(jìn)入了控制領(lǐng)域。 由于計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差計(jì)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。位置式的特點(diǎn)是每次輸出均與過(guò)去的狀態(tài)有關(guān)，將過(guò)去的偏差進(jìn)行累加，對(duì)于溫度控制系統(tǒng)，比較適合采用位置式控制。 采樣周期的選擇，通常按照過(guò)程特性與干 擾大小適當(dāng)來(lái)選取采樣周期：即對(duì)于響應(yīng)快 波動(dòng)大、易受干擾的過(guò)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(shí)，可選取較長(zhǎng)的采樣周期。下面簡(jiǎn)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(shí)，首先去掉 PID 的積分項(xiàng)和微分項(xiàng)，一般是令 Ti=0、 Td=0（具體見(jiàn) PID的參數(shù)設(shè)定說(shuō)明），使 PID為純比例調(diào)節(jié)。記錄此時(shí)的 Ti，設(shè)定 PID 的積分時(shí)間常數(shù) Ti為當(dāng)前值的 150%～ 180%。 (4)系統(tǒng)空載、帶載聯(lián)調(diào)，再對(duì) PID 參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，直至滿(mǎn)足要求。流程圖 如圖 218 所示 。噪聲只有在強(qiáng)到足以將邏 輯 1 改變?yōu)檫壿?0或?qū)⑦壿?0改變?yōu)檫壿?1時(shí)，也才能對(duì)數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生影響。 重 裝 5 0 毫 秒 定 時(shí) 器初 值i + +P W M = 0P W M = 1 。當(dāng) CHECK 鍵被按下時(shí)，啟動(dòng)溫度測(cè)量，并將測(cè)得溫度值存入變量 T，當(dāng)TT_L 時(shí)，下限報(bào)警指示燈亮；當(dāng) TT_H，上限報(bào)警指示燈亮。但是在校對(duì)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)問(wèn)題：該系統(tǒng)測(cè)量精度符合要求，但是響應(yīng)時(shí)間比較慢，這樣就對(duì)軟件設(shè)計(jì)中的采樣周期提出了較高的要求。取 Kp=4， Ki=，設(shè)定溫度為 50℃ 時(shí)，得到如圖 221所示的曲線(xiàn)。而經(jīng)過(guò)不斷調(diào)整參數(shù)，系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的控制效果。 綜上所述，在控制精度上完全達(dá)到了設(shè)計(jì)任務(wù)的要求。 ： 一般單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的模擬輸入信號(hào)中，均含有種種噪音和干擾，它們來(lái)自被測(cè)量本身、傳感器、外界干擾等。對(duì)于隨機(jī)干擾，我們可以用數(shù)字濾波 方法予以削弱或?yàn)V除。 數(shù)字濾波可以根據(jù)信號(hào)的不同，采用不同的濾波方法或?yàn)V波參數(shù)，具有靈活、方便，功能強(qiáng)的特點(diǎn)。若多次采樣后，信號(hào)總是變化不定，可停止采集，給出報(bào)警信號(hào)，由于開(kāi)關(guān)量信號(hào)主要是來(lái)自各