【正文】 序 ； (2)由于數(shù)字濾波不需要硬件設(shè)備，因而可靠性高、穩(wěn)定性好，各回路之間不存在阻抗匹配等問題 ； (3)數(shù)字濾波可以對頻率很低 (如 HZ)的信號實(shí)現(xiàn)濾波，克服了模擬濾波器的缺陷，而且通過改變數(shù)字濾波程序，可以實(shí)現(xiàn)不同的濾波方法或改變?yōu)V波參數(shù)，這比改變模擬濾波器的硬件要更靈活方便。該算法適用于變化緩慢的物理參數(shù)的采樣過程，如濕度、液位等。該算法適用于抑制隨機(jī)千擾。 (5)去極值平均濾波法既采用去極值法去掉明顯的脈沖干擾，又可對采樣值進(jìn)行平滑處理，在高、低速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，它都能削弱干擾，提高數(shù)據(jù)處理能力。 數(shù)字濾波程 序流程圖 如圖 44所示。即對目標(biāo)參數(shù)連續(xù)采樣 6次數(shù)據(jù)，然后對 6 次采樣的數(shù)據(jù)由小到大排序，分別去掉最小值和最大值，將剩余的 4個(gè)數(shù)據(jù)求其算術(shù)平均值，即得到本次 A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。算術(shù)平均濾波不能將明顯的脈沖干擾消除，只是將其影響削弱。對于變化較為劇烈的參數(shù)，此濾波方法不宜采用。 (1)程序判斷濾波法首先要從經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，定出一個(gè)目 標(biāo)參數(shù)最大可能的變化范圍。因此僅僅對模擬量采樣一次，我們是無法確定該結(jié)果是否可信的，必須經(jīng)過多次采樣，得到一個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)序列，通過某種處理后，才能得到一個(gè)可信度較高的結(jié)果。 基于單片機(jī)的 恒溫控制系統(tǒng)的開發(fā) 28 采 樣 值 送 R 0采 樣 次 數(shù) 送 R 2選 同 I N 0啟 動(dòng) A D C延 時(shí)A / D 完 成 ？所 有 采 樣 結(jié) 束 ？返 回NNY 圖 43 采樣子程序流程圖 采樣子程序： SAMP: MOV R0,2CH ；采樣值始址送 R0 MOV R2,03H MOV DPTR,03F8H SAM1: MOVX DPTR,A ；啟動(dòng) ADC0809 工作 MOV R3,20H DLY: DJNZ R3,DLY ；延時(shí) HERE: JB ,HERE MOVX A,DPTR MOV R0,A ；存放采樣值 INC R0 DJNC R2,SAM1 RET 基于單片機(jī)的 恒溫控制系統(tǒng)的開發(fā) 29 數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)處理 A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。 T0 中斷服務(wù)程序 T0 中斷服務(wù)程序是溫度控制系統(tǒng)的主程序，用于啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換器，讀如數(shù)據(jù)采樣，數(shù)字濾波，越權(quán)溫度報(bào)警和處理， PID 計(jì)算和輸出可控硅的同步觸發(fā)脈沖等。大體說來，本程序包括設(shè)置有關(guān)標(biāo)志、暫存單元和顯示緩沖區(qū)清零、 T0 初始化、 CPU 開中斷、溫度顯示和鍵盤掃描等程序。模擬電源和數(shù)字電源各自并接 ? 的陶瓷電容 (去 耦 電容 )。在輸入、輸出通道采用光電 耦合 器將控制系統(tǒng)與外圍接口隔離 。其總的原則是 :抑制或消除干擾源，切斷干擾對系統(tǒng)的藕合通道，降 低系統(tǒng)對干擾信號的敏感性。 (b)用儀表記錄下被控參數(shù)在此階躍輸入作用下的變化過程曲線，即對象的階躍響應(yīng)曲線 。 (3)擴(kuò)充響應(yīng)曲線法 基于單片機(jī)的 恒溫控制系統(tǒng)的開發(fā) 21 在上述的兩種方法中，不需要預(yù)先知道對象的動(dòng)態(tài)特性，而是直接在閉環(huán)系統(tǒng)中進(jìn)行 PID 參數(shù)整定的。 (c)選擇合適的控制度。 (c)加入微分環(huán)節(jié) 在整定時(shí)，先置 DT 為零， 然后，在第 (2)步整定的基礎(chǔ)上再增大 DT ，同時(shí)相應(yīng)地改變比例系數(shù) PK 和積分時(shí)間 IT ，逐步試湊以獲得比較滿意的控制效果和控制參數(shù)。如果系統(tǒng)靜差已小到允許范圍內(nèi)，并且已達(dá)到 4:1 衰減的響應(yīng)曲線，那么只需用比例控制 既可，最優(yōu)比例度就由此確定 。 我們知道， PID 控制器各參數(shù)對系統(tǒng)的影響是，增大開環(huán)比例系數(shù) PK ，一般將加快系統(tǒng)的影響速度，在有靜差的情況下則有利于減小靜差 ?？刂普摳嬖V我們， PID 控制的理想方程是： )1( dtdeTe dtTeKU DIP ???? （ 33） 式中 e — 測量值與給定值之間的偏差 ； DT — 微分時(shí)間 ； IT — 積分時(shí)間 ； )()]([1111?????????????? nnDniiInPnnDiniInPneeKeKeKeeTTeTTeKU (34) PK — 調(diào)節(jié)器的放大 系數(shù) 。 (2)積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。 PID 控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給 定值 )(tr 與實(shí)際輸出值只 )(ty 構(gòu)成控制偏差。盡管自 1940 年以來，許多先進(jìn)的控制方法不斷推出，基于單片機(jī)的 恒溫控制系統(tǒng)的開發(fā) 18 但由于 PID 控制方法具有結(jié)構(gòu)簡單、魯棒性好、可靠性高、參數(shù)易于整定 P， I，D 控制規(guī)律各自成獨(dú)立環(huán)節(jié)，可根據(jù)工業(yè)過程進(jìn)行組合，而且其應(yīng)用時(shí)期較長，控制工程師們已經(jīng)積累了大量的 PID 控制器參數(shù)的調(diào)節(jié)經(jīng)驗(yàn)。該觸發(fā)脈沖由8051 用軟件在 引腳上產(chǎn)生，受過零同步脈沖后經(jīng)驅(qū)動(dòng)器輸送到可控硅的控制極上。在給定的周期 T 內(nèi)， 8051只要改變可控硅管的接通時(shí)間便可改變加熱絲功率，以達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的。雙向可控 硅與單向可控硅的區(qū)別是 : (1)它在觸發(fā)之后是雙向?qū)?； (2)在控制極上不管是加正的還是負(fù)的觸發(fā)信號，一般都可以使雙向可控硅 導(dǎo)通。在允許輸入信號 OE 的控制下，再將轉(zhuǎn)換結(jié)果輸入到外部數(shù)據(jù)總線。 ADC0809 的 IN0 和變送器輸出端相連，故 IN0 上輸入的 0V +5V 范圍的模擬電壓經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后可由 8051通過程序從 P0 口輸入到它的內(nèi)部 RAM 單元。溫度控制中 A/D 轉(zhuǎn)換是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。 A/D 轉(zhuǎn)換器的分辨率以輸出二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)表示 ； (2)轉(zhuǎn)換時(shí)間 轉(zhuǎn)換時(shí)間指 A/D 轉(zhuǎn)換器從轉(zhuǎn)換控制信號到來開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號所經(jīng)過的時(shí)間。相應(yīng)地址分配為 [10]： 0000H00FFH 8155 內(nèi)部 RAM 0100H 命令 /狀態(tài)口 0101H A 口 0102H B 口 0103H C 口 0104H 定時(shí)器低八位口 0105H 定時(shí)器高八位口 A/D 轉(zhuǎn)換電路 在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，控制或測量對象的有關(guān)變量，往往是一些連續(xù)變化的模擬量，如溫度、壓力、流量、位移、速度等物理量?？梢灾苯永?MOVX A,DPTR 或 MOVX DPTR,A 指令完成這三個(gè)口的讀 /寫（輸入 /輸出）操作。 A,B,C 三個(gè)口可以作為擴(kuò)展的 I/O 口使用， MCS51 單片機(jī)的 PO口與 8155 的 AD0AD7 相連。 基于單片機(jī)的 恒溫控制系統(tǒng)的開發(fā) 14 圖 33 8155用作鍵盤 /LED 顯示器接口電路 8155 芯片內(nèi)具有 256 個(gè)字節(jié)的 RAM，兩個(gè) 8位、一個(gè) 16 位的可編程 I/O口和一個(gè) 14位計(jì)數(shù)器。圖 33 中鍵盤有 30個(gè)按鍵，分成六行（ L0L5）五列（ R0R4），只要某 個(gè) 鍵被按下，相應(yīng)的行線和列線才會接通。 以熱電偶為檢測元件的單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)電路原理圖如圖 32所示 。 變送器由毫伏變送器和電流 /電壓變送器組成。 系 統(tǒng)控制主電路是由 8051及其外圍芯片 及一些輔助 部分構(gòu)成的。 ALE— 接鎖存器的 G， EA 接地。具體方法是 CPU應(yīng)向 EPROM 提供三種信號線。 EPROM 外引腳功能如下： A0－ A15:地址輸入線； O0O7:三態(tài)數(shù)據(jù)總線，讀或編程校驗(yàn)時(shí)為數(shù)據(jù)輸出線，編程時(shí)為數(shù)據(jù)輸入線。但是，一般串行接口器件速度慢，在需要高速應(yīng)用的場合，還是并行擴(kuò)展法占主導(dǎo)地位。當(dāng) EA 輸入低電平時(shí)，不論片內(nèi)是否有程序存儲器，則 CPU 只能訪問片外程序存儲器。每當(dāng)訪問片外存儲器時(shí)，這兩次有效的 PROG 信號將不會出現(xiàn)。應(yīng)注意的是：當(dāng)訪問片外數(shù)據(jù)存儲器時(shí)，將跳過一個(gè) ALE 脈沖； ALE 端基于單片機(jī)的 恒溫 控制系統(tǒng)的開發(fā) 9 可以驅(qū)動(dòng) 8個(gè) LSET 負(fù)載。 ALE（ 30 腳）：當(dāng)訪問片外存儲器時(shí)， ALE 的輸出用于鎖存低字節(jié)地址信號。 3） RST/VPD、 ALE、 PROG、 PSEN 控制信號引腳。 MCS— 51 單片機(jī)的引腳及其功能 MCS51 單片機(jī)采用 40引腳的雙列直插封裝形式。 P2 口：可作為一般 I/O 口用，但應(yīng)用系統(tǒng)采用外部系統(tǒng)采用總線結(jié)構(gòu)時(shí)，它分時(shí)作為高 8位地址線。 在訪問片外擴(kuò)展存儲器 時(shí)，低 8 位地址和數(shù)據(jù)由 P0 口分時(shí)傳送，高 8 位地址由 P2 口傳送。它 包含 CPU、震蕩器和時(shí)序電路、 4KB的 ROM、 256B 的 RAM、兩個(gè) 16定時(shí) /計(jì)數(shù)器 T0 和 T 4 個(gè) 8 位 I/O 端口（ P0、P P P3）、串行口等組成， 其中震蕩時(shí)序與時(shí)鐘組成定時(shí)控制部件。 單片機(jī)內(nèi)部模塊 在本設(shè)計(jì)中 ,從經(jīng)濟(jì)上以及性能上考慮，選用 8051作為 CPU。 基于單片機(jī)的 恒溫 控制系統(tǒng)的開發(fā) 7 第二章 單片機(jī) 單片機(jī)是單片微型計(jì)算機(jī) SCM(single chip microputer)的譯名簡稱，在國內(nèi)簡稱為“單片機(jī)”。加之集成開發(fā)基于單片機(jī)的 恒溫 控制系統(tǒng)的開發(fā) 6 環(huán)境 KEIL 編譯生成的代碼效率很高 (僅比匯編語言生成的代碼效率低 10%—15%) 所以 ，本系統(tǒng)的軟件選擇使用 C 語言開發(fā)。 系統(tǒng)軟件方案分析 目前， MCS51 單片機(jī)的開發(fā)主要用到兩種語言 :匯編 語言和 C 語 言。 SOC 芯片通常含有一個(gè)微處理器核(CPU)，同時(shí)，它還含有多個(gè)外圍特殊功能模塊和一定規(guī)模的存儲器 (RAM 和ROM)，并且這種片上系 統(tǒng)一般具有用戶自定義接口模塊，使得其功能非常強(qiáng)大，適用領(lǐng)域也非常廣。它是把中央處理單元 CPU (Central Processing Unit)、隨機(jī)存取存儲器 RAM (Random Access Memory)、只讀存儲器 ROM (Read only Memory)、定時(shí) /計(jì)數(shù)器以及 I/O (Input/Output)輸入輸出接口電路等主要計(jì)算機(jī)部件都集成在一塊集成電路芯片上的微型計(jì)算機(jī)，它的特點(diǎn)是 :功能強(qiáng) 大、運(yùn)算速度快、體積小巧、價(jià)格低廉、穩(wěn)定可靠、應(yīng)用廣泛。 為了簡化系統(tǒng)硬件，控制量采用可控硅輸出 [4]。 8 0 5 1 單 片 機(jī)晶 閘 管 驅(qū)動(dòng) 電 路被 控 對 象 輸 出 值測 量 變 送 器A / D 轉(zhuǎn) 換給 定 值 圖 11 系統(tǒng)工作原理圖 系統(tǒng)性能要求及特點(diǎn) (1)系統(tǒng)性能要求 : (a)可以人為方便地通過控制面板或 PC 機(jī)設(shè)定控制期望的溫度值，系統(tǒng)應(yīng)能自動(dòng)將設(shè)備 加熱至此設(shè)定溫度值并能保持，直至重新設(shè)定為另一溫度值，即能實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)控制 ； (b)能夠?qū)崿F(xiàn)對 設(shè)備 溫度的測量并 且通過控制面板上的液晶 屏實(shí)時(shí)地 顯示溫度 ； (c)具有加熱保護(hù)功能的安全性要求 ； (d)模塊化設(shè)計(jì)，安裝拆卸簡單，維修方便 ； (e)系統(tǒng)可靠性高，不易出故障 ； (f)盡量采用典型、通用的器件，一旦損壞，易于在市場上買到同樣零部件進(jìn)行替換。這種不足的原因是多方面造成的，如針對不同的被控對象，由于控制算法的不足而導(dǎo)致控制精度不穩(wěn)定 [3]。尤其是模糊控溫法在實(shí)際工程技術(shù)中得到了極為廣泛的應(yīng)用。 智能溫度控制法 為了克服 PID 線性控溫法的弱點(diǎn)，人們相繼提出了一 系列自動(dòng)調(diào)整 PID 參數(shù)的方法，如 PID 參數(shù)的自學(xué)習(xí)，自整定等等。其中數(shù)字 PID控制器的參數(shù)可以在現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)在線整定，因此具有較大的靈活性，可以得到較好的控制效果。 PID 線性控溫法 這種控溫方法是基于經(jīng)典控制理論中的 PID 調(diào)節(jié)器控制原理， PID 控制是基于單片機(jī)的 恒溫 控制系統(tǒng)的開發(fā) 3 最早發(fā)展起來的控制策略之一，由于其算法簡單、魯棒性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用工業(yè)過程控制中，尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng) [2]。若當(dāng)前溫度值比設(shè)定溫度值高，則關(guān)斷加熱器，或者開動(dòng)制冷裝置 ； 若當(dāng)前溫度值比設(shè)定溫度值低，則開啟加熱器并同時(shí)關(guān)斷制冷器。動(dòng)態(tài)溫度跟蹤實(shí)現(xiàn)的控制目標(biāo)是使被控對象的溫度值按預(yù)先設(shè)定好的曲線進(jìn)行變化。非接觸式測溫方法是通過對輻射能量的檢測來實(shí)現(xiàn)溫度測量的方 法，其優(yōu)點(diǎn)是不破壞被測溫場，可以測量熱容量小的物體，適于測量運(yùn)動(dòng)物體的溫度，還可以測量區(qū)域的溫度分布，響應(yīng)速度較快。 溫度測控技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀 近年來，溫度的檢測在理論上發(fā)展比較成熟，但在實(shí)際測量和控制中，如何保證快速實(shí)時(shí)地對溫度進(jìn)行采樣，確保數(shù)據(jù)的正確傳輸，并能對所測