【正文】 低廉、測量精度較高，一般能夠測得真實溫度 。因此，在實際的溫度測量中，要根據(jù)具體的測量對象選擇合適的測量方法，在滿足測量精度要求的前提下盡量減少投入。本文所討論的基于單片機的溫度控制系統(tǒng)就是要實現(xiàn)對溫控箱的恒值溫度控制要求，故以下僅對恒值溫度控制進行討論。目前，這種控制方法的溫度控制器在我國許多工廠的老式工業(yè)電爐中仍被使用。其具體控制電路可以采用模擬電路或計算機軟件方法來實現(xiàn) PID 調(diào)節(jié)功能。只要 PID 參數(shù)選取的正確，對于一個確定的受控系統(tǒng)來說，其控制精度是比較令人滿意的。智能控溫法以神經(jīng)網(wǎng)絡和模糊數(shù)學為理論基礎，并適當加以專家系統(tǒng)來實現(xiàn)智能化。所謂第三代智能溫控儀表，就是指基于智能控溫技術(shù)而研制的具有自適應 PID算法的溫度控制儀表。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 如圖 11所示 。本系統(tǒng)在硬件設計方面具有如下特點 : 作為與 MCS51 系列兼容的單片機，無論在運算速度，還是在內(nèi)部資源上均可勝 任本系統(tǒng)的性能要求。系統(tǒng)擴展和配置在滿足功能要求的基礎上留有適當裕量，以利于擴充和修改。 另外，隨著微電子技術(shù)和半導體工業(yè)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，片上系統(tǒng) SOC (System On Chip)得到了十足的發(fā)展。 從實現(xiàn)復雜系統(tǒng)功能和簡化硬件結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)， SOC 是實現(xiàn)溫度控制系統(tǒng)的最佳選擇，但目前市場上 SOC 的價格還比較昂貴，并且 SOC 的封裝形式幾乎都采用貼片式封裝，不利于實驗電路板的搭建。這種結(jié)構(gòu)化方式可使程序?qū)哟吻逦?，便于使用、維護及調(diào)試 ； (2)適用范圍大和可移植性好 同其他高級語言一樣， C 語言不依賴于特定的 CPU，其源程序具有良好的可移植性。 溫度控制算法方面，結(jié)合本溫控系統(tǒng)的要求采用了經(jīng)典的 PID 控制算法，這主要是由于 PID 控制相對來說算法簡 單、魯棒性好和可靠性高。 單片機主要應用于工業(yè)控制領域，用來實現(xiàn)對信號的檢測、數(shù)據(jù)的采集以及對應用 對象的控制。 MCS51 單片機的類型有： 805 803 8751 等。每個口都包含一個鎖存器，即專用寄存器 P0P3，一個輸出驅(qū)動器和輸入緩沖器。 P0 口：可作為一般的 I/O 口用，但應用系統(tǒng)采用外部總線結(jié)構(gòu)時，它分時作低 8位地址和 8位雙向數(shù)據(jù)總線用。作為第一功能使用時同 P1 口，每一位均可獨立作為 I/O口。 VSS（ 20腳）：接地。剛接上電源時，其內(nèi)部寄存器處于隨機狀態(tài)，在引腳上輸入持續(xù)兩個機器周期的高電平將使單片機復位。其頻率為振蕩器頻率 1/6。 PROG（ 29 腳）：輸出訪問片外程序存儲器的讀選通信號。 EA/VPP（ 31腳）：當 EA 輸入端輸入高電平時， CPU可訪問片內(nèi)程序存儲器 4KB 的地址范圍。 單片機系統(tǒng)擴展的方法有并行擴展法和串行擴展法兩種。為了將它們分離開來，以便同單片機之外的芯片正確地相連，常常在單片機外部加地址鎖存器來構(gòu)成與一般 CPU 相類似的三總線，如圖 22所示 [6]。其值因芯片型號和制造廠商不同而異； VPP：編程電源輸入線，其值因芯片型號和制造廠商不同而異； OE：讀選通信號輸入線，“ 0”有效； VCC：主電源輸入線，一般為＋ 5V。擴展的程序存儲器究竟需要多少位地址線，應根據(jù)程序存儲器容量和選用的 EPROM 芯片容量而定。在 8051的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲區(qū)低 128字節(jié) RAM中 30H7FH共 80 個存儲單元使用戶 RAM 區(qū)，完全可以容納下 24 個數(shù)據(jù)以及其運算過程中的臨時數(shù)據(jù)，故不需要在另外擴展片外數(shù)據(jù)存儲器。 8 0 5 1溫 控 電 路8 1 5 5A D C 0 8 0 9設 備鍵 盤 與 顯 示傳 感 檢 測 電 路 圖 31 系統(tǒng)設計原理圖 溫度檢測和變送器 溫度檢測元件和變送器的類型選擇與被控溫度的范圍和精度等級有關。 為了提高測量精度，變送器可以進行零點遷移。 由圖 32可見，在 =0 和 =0 時， 8155 選中它內(nèi)部的 RAM 工作；在 =1 和 =0 時， 8155 選中它內(nèi)部的三個 I/O 端口工作。為了減少硬件開銷，提高系統(tǒng)可靠性和降低成本，采用動態(tài)掃描顯示。 帶有 I/O 接口和計時器的靜態(tài) RAM8155 如圖 34所示。使用 A,B,C 三個口時，首先向命令寄存器寫入一個控制字以確定三個口的工作方式。 MCS51 單片機可以和 8155 直接連接，不需要任何外加電路，給系統(tǒng)增加了 256 個字節(jié)的 RAM、 22位 I/O 線及一個計數(shù)器。完成 A/D 轉(zhuǎn)換的器件即為 A/D轉(zhuǎn)換器。 基于單片機的 恒溫控制系統(tǒng)的開發(fā) 16 (3)轉(zhuǎn)換誤差 轉(zhuǎn)換誤差表示 A/D 轉(zhuǎn)換器實際輸出的數(shù)字量和理論上的輸出數(shù)字量之間的差別，常用最低有效位的倍數(shù)表示 ； (4)線性度 線性度指實際轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)移函數(shù)與理想直線的最大偏移。綜合考慮，本系統(tǒng)選用 ADC0809 作為本 系統(tǒng)的 A/D 轉(zhuǎn)換器。然后 輸入啟動轉(zhuǎn)換控制信號 START 啟動轉(zhuǎn)換。它分為單向可控 基于單片機的 恒溫控制系統(tǒng)的開發(fā) 17 硅和雙向可控硅，在微機控制系統(tǒng)中，可作為功率驅(qū)動器件。 8051 對溫度的控制是通過可控硅調(diào)控實現(xiàn)的， 如圖 36所示 。顯然，可控硅在給定周期 T 的 100%時間內(nèi)接通的功率最大。偏差控制的原理是先求出爐溫對給定值 的偏差值，然后對偏差處理而獲得控制信號去調(diào)節(jié)電爐的 加 熱功率，以實現(xiàn)對 溫度的 控制 [11]。據(jù)統(tǒng)計，有 90%以上的工業(yè)控制器采用 PID控制器。 控制原理如圖37 所示。 (3)微分環(huán)節(jié)能夠反映偏差信號的變化趨勢 (變化速率 )，并且能在偏差信號值變得太大之前，在系統(tǒng)中引 入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。針對具體被控對象對 PID 控制器參數(shù)進行整定。在試湊時，實行先比例、后積分、再微分的反復調(diào)整。整定時，先將比例系數(shù)減小 10%20%，以補償因加入積分作用而引起的系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，然后由大到小調(diào)節(jié) IT ，在保持系統(tǒng)良好動態(tài)性能的情況下消除靜差。它是以模擬控制 中使用的臨界比例度法為基礎的一種 PID 數(shù)字控制 參數(shù)的整定方法，用它來整定數(shù)字 PID 控制 的參數(shù)步驟如下 : (a)選擇合適的采樣周期 T， 所謂合適是指周期足夠 小 ，一般應選它 的純滯后時間的 1/10 以下 。 通常，當控制度為 時，數(shù)字控制器與模擬控制器的控制效果相當 ； 當控制度為 ，數(shù)字控制器比模擬控制器的 控制質(zhì)量差一倍 。具體步驟如下 ： (a)斷開數(shù)字控制器，使系統(tǒng)在手動狀態(tài)下工作。 (d)根據(jù)所求得的 ? 、 mT 和 mT /? 的值，可求得控制器的 T 、 PK 、 IT 、 DT ，控制度的求法與擴充臨界比例度法相同。 (1)隔離主要用于過程通道的隔離。要盡可能地使接地電路各自形成回路，減少電路與地線之間的電流 耦 合。無源濾波器是一個簡單的、有效的低通濾波器，它只讓電網(wǎng)中基波通過，而對高次諧波有急劇的衰減作用，對串模干擾和共模干擾信號具有很強的雙向抑制作用 。 開 始設 定 堆 棧 指 針清 標 志 和 暫 存 單清 顯 示 緩 沖 區(qū)T 0 初 始 化C P U 開 中 斷設 定 參 數(shù) 初 值掃 描 鍵 盤溫 度 顯 示結(jié) 束P I D 控 制 圖 41 主程序流程圖 主程序： ORG 0100H DISM0 DATA 78H DISM1 DATA 79H 基于單片機的 恒溫控制系統(tǒng)的開發(fā) 23 DISM2 DATA 7AH DISM3 DATA 7BH DISM4 DATA 7CH DISM5 DATA 7DH MOV SP, 50H； 50H 送 SP CLR 5EH ； 清本次越限標志 CLR 5FH ； 清上次越限標志 CLR A ； 清累加器 A MOV 2FH, A MOV 30H, A MOV 3BH, A MOV 3CH, A MOV 3DH, A MOV 3EH, A MOV 44H, A MOV DISM0, A MOV DISM1, A MOV DISM2, A MOV DISM3, A MOV DISM4, A MOV DISM5, A MOV TMOD, 56H MOV TL0, 06H MOV TH0, 06H CLR PT0 SETB TR0 SETB ET0 SETB EA LOOP ACALL DISPLY ；調(diào)用顯示程序 ACALL SCAN ；調(diào)用掃描程序 基于單片機的 恒溫控制系統(tǒng)的開發(fā) 24 AJMP LOOP ；等待中斷 應當注意：由于 T0 被設定為計數(shù)器方式 2，初值為 06H，故它的溢出中斷時間為 250 個過零同步脈沖。 T0 中斷服務程序： ORG 000BH AJMP CT0 CT0： PUSH ACC ； PUSH DPL ； 保護現(xiàn)場 PUSH DPH ； SETB D5H ； 置標志 ACALL SAMP ACALL FILTER CJNE A， 42H， TPL WL： MOV C， 5EH MOV 5FH， C CLR 5EH ACALL UPL POP DPH POP DPL POP ACC RETI ；中斷返回 TPL： JNC TPL1 基于單片機的 恒溫控制系統(tǒng)的開發(fā) 25 CLR 5FH ；清上次越限標志 CJNE A， 43H， MTPL HAT： SETB ACALL PID MOV A， 2FH CPL A INC A ； 對 PID值求補，作為 TL1值 NM： SETB MOV TL1， A MOV TH1,0FFH SETB PT1 SETB TR1 ；啟動 T1 SETB ET1 ；允許 T1 中斷 ACALL TRAST LOOP: ACALL DISPLY ；顯示溫度 JB D5H,LOOP ；等待 T1中斷 POP DPH POP DPL POP ACC RETI MTPL: JNC HAT SETB MOV A,45H CPL A INC A AJMP NM TPL1: SETB 5EH JNB 5FH,WL INC 44H ；越限計數(shù)器加 1 MOV A,44H 基于單片機的 恒溫控制系統(tǒng)的開發(fā) 26 CLR C SUBB A,N ；越限 N次 JNZ WL SETB CLR 5EH CLR 5FH POP DPH POP DPL POP ACC RETI T0 中斷服務程序框圖如圖 42所示。 數(shù)據(jù)采集 數(shù)據(jù)采集模塊的任務是負責溫度信號的采集以及將采集到的模擬量通過A/D 轉(zhuǎn)換 器轉(zhuǎn)化為相應的數(shù)字量提供給單片機。 數(shù)字濾波克服了模擬濾波器的不足，它與模擬濾波器相比具有以下幾個方面的優(yōu)點 : (1)由于數(shù)字濾波是用程序?qū)崿F(xiàn)的，因而不需要增加硬件設 備，而且可以多個輸入通道共用一個濾波程