【正文】 他敏銳的洞察力和孜孜不倦的教誨使我受益終身，無(wú)論是現(xiàn)在還是將來，都將激勵(lì)我奮發(fā)向上。 這樣的設(shè)計(jì)使系統(tǒng)不需要使用 A/D 轉(zhuǎn)換芯片，使 整個(gè)系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)緊湊、所用芯片少。 圖 SimLink中搭建的系統(tǒng) 模型圖 32 假設(shè)當(dāng)前溫度和設(shè)定溫度的溫差為 50℃。 2）用選定的采樣周期使系統(tǒng)工作。 整定 PID參數(shù)的有很多，歸納起來可分為兩大類，即理論計(jì)算整定法和簡(jiǎn)易工程整定法。 PID運(yùn)算的輸出是一個(gè) 0255的值，這里我們假設(shè)每個(gè)單位輸出對(duì)應(yīng) 半個(gè)周期正弦波的導(dǎo)通，即 10對(duì)應(yīng) 5個(gè)周期正弦波，那么 255就對(duì)應(yīng) ，而每個(gè)正弦波的周期為 20ms。溫度高字節(jié)（ MS Byte）高 5位是用來保存溫度的正負(fù)（標(biāo)志為 S的 bit11~bit15），高字節(jié)29 （ MS Byte）低 3位和低字節(jié)來保存溫度值（ bit0 ~ bit10）。 DS18B20有嚴(yán)格的通信協(xié)議來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。 NOT2:MOV A,24H。移入顯示數(shù)據(jù)的地址 LOOPDIS:MOV A,R0。 其他子程序介紹 顯示子程序 由于采用單片機(jī)的串口外接串入并出移位寄存器驅(qū)動(dòng)顯示，越早寫入串口的數(shù)據(jù)移到離單片機(jī)越遠(yuǎn)的顯示器。雖然計(jì)算機(jī)控制是離散的，但對(duì)于時(shí)間常數(shù)比較大的系統(tǒng)來說，其近似于連續(xù)變化。 PID調(diào)節(jié)之所以不衰，而且在數(shù)字化計(jì)算機(jī)時(shí)代仍能得到廣泛應(yīng)用，主要有以下幾方面的有點(diǎn)： 1) 技術(shù)成熟。特別是在工業(yè)過程控制中由于控制對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型難以建立，系統(tǒng)的參數(shù)又經(jīng)常發(fā)生變化，運(yùn)用現(xiàn)代控制理論分析綜合要耗費(fèi)很大代價(jià)進(jìn)行模型辨識(shí)。 EXIT:POP PSW。溫度為基準(zhǔn)，進(jìn)行加減的 MOV KEY_BUF_S,DIS_BUF_S MOV KEY_BUF_B,DIS_BUF_B JB ENTER_FLAG,EXIT 。 鍵盤中斷服務(wù)子程序流程圖如圖 。 在 AT89S51單片機(jī)系統(tǒng)中，高級(jí)中斷能夠打斷低級(jí)中斷 以形成中斷嵌套；同級(jí)中斷之間，或低級(jí)對(duì)高級(jí)中斷則不能形成中斷嵌套。 (B8H) IP PS PT1 PX1 PT0 PX0 (A8H) IE EA ES ET1 EX1 ET0 EX0 23 PT1： T1中斷優(yōu)先級(jí)控制位。 EX1：外部中斷 1允許 位。此外，在 TCON中另有 4位用于選擇引起外部中斷的條件并作為標(biāo)志位。電磁閥開通，加水 SJMP SHUIWEI。低水位，跳轉(zhuǎn) SJMP SHUIWEI。采樣周期 4S SHUIWEI:JNB ,L1。 MOV ERR1,00H。 LJMP MAIN。鍵盤中斷服務(wù)程序?qū)︽I盤中斷進(jìn)行響應(yīng)，然后掃描鍵盤，轉(zhuǎn)入對(duì)應(yīng)的鍵值程序。 Flash 存儲(chǔ)器編程時(shí) ,該引腳加上＋ 12V 的編程電壓 Vpp。該位禁位后，只有一條 MOVX 和 MOVC 指令 ALE 才會(huì)被激活。 表 P3口的第二功能 端口功能 第二功能 端口引腳 第二功能 RXD（ ） 串行輸入口 T0（ ） 定時(shí) /計(jì)數(shù)器 0外部輸入 TXD（ ） 串行輸出口 T1（ ） 定時(shí) /計(jì)數(shù)器 1外部輸入 INT0（ ） 外中斷 0 WR（ ） 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通 INT1（ ） 外中斷 1 RD（ ） 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通 RST：復(fù)位輸入。在訪問外程序存儲(chǔ)器或 16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， P2口送出高 8位地址數(shù)據(jù)。在 Flash編程時(shí)， P0口接受指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)，要求外接上拉電阻。它集 Flash程序存儲(chǔ)器既可在線編程（ ISP）也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程及通用 8位微處理器于單片芯片中。降壓后還是交流電壓，所以需要整流電路把交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓。由于單片機(jī)輸出的控制信號(hào)無(wú)法直接控制電磁閥的通斷，所以使用一個(gè)繼電器 對(duì)電磁閥進(jìn)行控制。因此通過水面的上升與下降來控制電信號(hào)的接通與斷開：當(dāng)水位上升到電極位置時(shí)14 接通電信號(hào)；水位低于電極位置時(shí)斷開電信號(hào)。固態(tài)繼電器選用歐姆龍公司的 G3NB240B型。 固態(tài)繼電器有三部分組成 :輸入電路，隔離 (耦合 )和輸出電路。具體的電路如圖 所示。在執(zhí)行鍵功能程序時(shí)， CPU 不再響應(yīng)鍵輸入的要求。當(dāng) 列 線通過上拉電阻接 +5V 時(shí)，被定位在高電平狀態(tài)。本設(shè)計(jì)中要應(yīng)用 16 位按鍵，10 故采用此方法。 利用該方法設(shè)計(jì)的顯示系統(tǒng)具有硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，軟件編程方便，價(jià)格低廉的特點(diǎn)。數(shù)據(jù)通過兩個(gè)輸入端（ DSA 或 DSB）之一串行輸入；任一輸入端可以用作高電平使能端，控制另一輸入端的數(shù)據(jù)輸入。器件中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給減法計(jì)數(shù)器 1；高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為減法計(jì)數(shù)器 2 的脈沖輸出。 圖 DS18B20字節(jié)定義 圖中，前 2 個(gè)字節(jié)包含 測(cè)得的溫度信息，第 3 和第 4 字節(jié)是 TH 和 TL 的拷貝，是易失的每次上電復(fù)位時(shí)被刷新。該芯片的物理化學(xué)性很穩(wěn)定，它能用做工業(yè)測(cè)溫元件，且此元件線形較好。 很顯然，該方案較其它相比無(wú)論在經(jīng)濟(jì)上和實(shí)現(xiàn)容易程度上都要好。 然后根 據(jù)課題任務(wù)的要求設(shè)計(jì)出實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)的硬件原理圖和軟件，并進(jìn)行仿真 調(diào)試。 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。 （ 4） 體積小，重量輕，占地面積小。因此在人口密集的居民 區(qū)、 旅館、醫(yī)院和學(xué)校，電加熱鍋爐完全能替代燃煤、燃油、燃?xì)忮仩t。 本 文介紹了 以 AT89S51 單片機(jī)為核心的溫度 和液位 控制系統(tǒng)的工作原理和設(shè)計(jì)方法。溫度信號(hào)由溫度芯片 DS18B20 采集，以數(shù)字信號(hào)的形式傳送給單片機(jī)；水位信號(hào) 由 電接點(diǎn)水位計(jì)采集，以開關(guān)量形式傳送給單片機(jī)。 電加熱鍋爐采用全新加熱方式，無(wú)污染，完全可以稱為綠色環(huán)保鍋爐。由于本體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使得電熱鍋爐體積可以做的很小，簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)更加便于布置，占地面積也就減小。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)試來確定，這時(shí)應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為方便。 5 2 硬件電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)方案概述 系統(tǒng)的框圖如 圖 所示： 圖 系統(tǒng)框圖 如框圖所示，系統(tǒng)總體上分為兩部分，即溫度控制單元和液位控制單元。在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，使用了合適的傳感器，這樣就不需要使用 A/D 轉(zhuǎn)換電路。在 0— 100攝氏度時(shí)，最大線形偏差小于 1 攝氏度。第 5 個(gè)字節(jié)，為配置寄存器，它的內(nèi)容用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率。器件中還有一個(gè)計(jì)數(shù)門，當(dāng)計(jì)數(shù)門打開時(shí)， DS18B20 就對(duì)低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)進(jìn)而完成溫度測(cè)量。兩個(gè)輸入端或者連接在一起，或者把 不用的輸入端接高電平，一定不要懸空。 本顯示電路共設(shè)了四位，分別用于顯示溫度的百、十、個(gè)、小數(shù)位。行線電平狀態(tài)將由與此行線相連的列電平?jīng)Q定。鍵盤中有無(wú)按鍵按下是由 行 線送入全掃描字、用行線讀行線狀態(tài)來判斷的。 2) 定時(shí)掃描工作方式： 定時(shí)掃描工作方式是利用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器產(chǎn)生的定時(shí)中斷（例如 10ms）， CPU響應(yīng)中斷后對(duì)鍵盤進(jìn)行掃描，并在有鍵按下時(shí)轉(zhuǎn)入鍵功能處理程序，則可以實(shí)現(xiàn)定時(shí)掃描。 12 圖 指示及報(bào)警電路 功率驅(qū)動(dòng)電路 固態(tài)繼電器簡(jiǎn)介 固態(tài)繼電器（ Solid State Relay,縮寫 SSR） ,是由微電子電路，分立電子器件，電力電子功率器件組成的無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)。按輸入電壓的不同類別，輸入電路可分為直流輸入電路，交流輸入電路和交直流輸入電路三種。 它帶有過零觸發(fā)功能，所以能實(shí)現(xiàn)過零觸發(fā)交流調(diào)功。根據(jù)電極輸出的電信號(hào)就 能確定水位的位置，將電極輸出的電信號(hào)當(dāng)作輸入信號(hào)經(jīng)處理后送入單片機(jī)。另外再使用一只光耦，隔離單片機(jī) 5V 和電磁閥 24V 電源。由于經(jīng)整流電路整流后的電壓含有較大的交流分量，會(huì)影響到負(fù)載電路的正常工作。 AT89S51提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能 ： 40個(gè)引腳， 4k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器， 128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM）， 32個(gè)外部雙向輸入 /輸出（ I/O）口， 5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí) 2層中斷嵌套中斷， 2個(gè) 16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器 ,2個(gè)全雙工串行通信口，看門狗（ WDT）電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器 及時(shí)鐘電路。 P1口： P1口時(shí)一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O口， P1的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出） 4個(gè) TTL邏輯門電路。在訪問 8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， P2口線上的內(nèi)容（即特殊功能寄存器 SFR區(qū)中 P2寄存器的內(nèi)容），在整個(gè)訪問期間不改變。當(dāng)振蕩工 作時(shí)， RST 引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期 以 上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。此外，該引腳伎被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置 ALE 無(wú)效。 XTAL1：振蕩器反相放大器及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。 T0中斷子程序用來進(jìn)行采樣、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、 PID運(yùn)算和控制輸出。 ORG 1000H。 MOV ERR2,00H。水位過高，跳轉(zhuǎn) SETB 。 L1:LCALL SOUND。 T0中斷 服務(wù) 子程序 中斷系統(tǒng)簡(jiǎn)介 AT89S51單片機(jī)的中斷系統(tǒng)的基本特點(diǎn)是：有 5個(gè)固定的可屏蔽中斷源， 3個(gè)在片內(nèi)， 2個(gè)在片外，它們?cè)诔绦虼鎯?chǔ)器中各有固定的中斷入口地址，由此進(jìn)入中斷服務(wù)程序； 5個(gè)中斷源有兩級(jí)中斷優(yōu)先級(jí)，可形成中斷嵌套； 2個(gè)特殊功能寄存器用于中斷控制和條件設(shè)置的編程 [5]。 1） 中斷允許寄存器 IE IE在特殊功能寄存 器中，字節(jié)地址為 A8H，位地址（由低位到高位）分別是 A8HAFH。 EX1=1，允許外部中斷 1中斷； EX1=0，禁止外部中斷 1中斷。 PT1=1，設(shè)定定時(shí)器 T1為高優(yōu)先級(jí)中斷； PT1=0，為低優(yōu)先級(jí)。若幾個(gè)同級(jí)中斷同時(shí)向 CPU請(qǐng)求中斷響應(yīng)，則 CPU按如下順序確定響應(yīng)的先后順序： INT0T0INT1T1RI/TI。程序如下： KEY_SCAN： PUSH PSW；保護(hù)現(xiàn)場(chǎng) LCALL K_DELAY。如果輸入完成， ENTER_FLAG 則為 1，退出鍵盤程序 CLR 。 RETI。模型辨識(shí)，是通過對(duì)系統(tǒng)輸入 /輸出數(shù)據(jù)的測(cè)量與處理，從而建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。 PID控制是連續(xù)控制系統(tǒng)中技術(shù)最成熟，且應(yīng)用最廣泛的一種控制方法。因此，用數(shù)字 PID完全可以代替模擬調(diào)節(jié)器，而且可以得到比較滿意的效果。這樣顯示碼的存儲(chǔ)順序和顯示器的順序剛好相反 [11]。移入 A MOVC A,A+DPTR。 DD:MOV SBUF ,A。該協(xié)議定義了幾種信號(hào)的時(shí)序：初始化時(shí)序、讀時(shí)序、寫時(shí)序。其中低字節(jié)（ LS Byte）的低 4 位來保存溫度的小數(shù)位（ bit0 ~ bit 3）。通過這樣的關(guān)系我們就能建立起 PID的輸出 u(k)與導(dǎo)通時(shí)間的關(guān)系： )(*255 )()(20**255 )( skumskut d ?? () 而導(dǎo)通時(shí)間 td 與定時(shí)器 T1的初值關(guān)系為 ： 50**)( 102 616 ??? Xt d () 通過以上兩式可編寫將 PID輸出 u(k)轉(zhuǎn)換為定時(shí)器 T1定時(shí)初值的子程序 U(K)_TO_T1。理論計(jì)算整定法要求已知過程的數(shù)學(xué)模型，且計(jì)算繁瑣、工作量大、可靠性不高，因此在現(xiàn)場(chǎng)使用中，尚需反復(fù)修正。這時(shí)，去掉積分作用和微分作用，只保留比31 例作用。 經(jīng)過調(diào)試，確定 PID參數(shù)為： Kp=，Ki=， Kd=1。 在軟件 部分 ， 有以下一些特點(diǎn)： （ 1） 溫度控制部分采用了經(jīng)典的 PID 算法，方法簡(jiǎn)單，且控制效果良好； （ 2） 同時(shí)采用過零觸發(fā)直接使用 PID 的控制輸出去控制加熱的時(shí)間，免去了一級(jí) D/A 轉(zhuǎn)換器，減小了成本，且簡(jiǎn)單易行 ； （ 3） 采用定時(shí)器中斷對(duì)采樣時(shí)間進(jìn)行控制，使每一次的采樣時(shí)間基本相同 。值此論文完成之際，謹(jǐn)向魯老師致以衷心感謝和崇高敬意。他淵博的知識(shí)，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，鞭策我不斷努力探索。 （ 4） 電源電路雖未采用流行的開關(guān)穩(wěn)壓電源，但也經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，性能穩(wěn)定。首先在 SIMLINK中搭建系統(tǒng)的 模型圖 ，如圖 。這里將介紹擴(kuò)充臨界比例度法，其整定的步驟為： 1）選擇一個(gè)足夠短 的采樣周期，具體說就是選擇采樣周期為被控對(duì)象純滯后時(shí)候的十分之一以下。首先我們要了解三個(gè)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響：增加比例系數(shù) Kp一般將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，在有靜差的情況下有利于減小靜差，但過大的比例系數(shù)會(huì)使系統(tǒng)有較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，使穩(wěn)定性變壞；增大積分時(shí)間 Ti有利于減小超調(diào)，減小振蕩，是系統(tǒng)更加穩(wěn)定，但系統(tǒng)的靜差的消除將隨之減慢；增大微分時(shí)間 Td亦有利于加快系統(tǒng)響應(yīng)，使超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加，單系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)的抑制能力減弱，對(duì)擾動(dòng)有較敏感的響應(yīng)。簡(jiǎn)單的說，就是假設(shè)最大功率加熱時(shí)導(dǎo)通 100個(gè)周期的正弦波，那導(dǎo)通 50個(gè)周期正弦波時(shí)加熱功率就變?yōu)?50%，以此類推。 由于 DS18B20 轉(zhuǎn)換后的代碼并不是實(shí)際的溫 度值，所以要進(jìn)行計(jì)算轉(zhuǎn)換。0~9的字形碼 DS18B20相關(guān)子程序 由于 DS18B20是在一根 I/O線上讀寫數(shù)據(jù)，因此，對(duì)讀寫的數(shù)據(jù)位有 著嚴(yán)格的時(shí)序要求。判斷是否為個(gè)位 ,如是則點(diǎn)亮小數(shù)點(diǎn) AJMP DD。數(shù)字字型碼地址