【正文】 HZ)的信號(hào)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。該算法適用于抑制隨機(jī)千擾。 數(shù)字濾波程 序流程圖 如圖 44所示。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。 (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。 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。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。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 。 (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 。 (c)選擇合適的控制度。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 ?？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) 。 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。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。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(hào)，一般都可以使雙向可控硅 導(dǎo)通。 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。 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(hào)到來開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號(hào)所經(jīng)過的時(shí)間。可以直接利用 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。 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。 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 。 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。具體方法是 CPU應(yīng)向 EPROM 提供三種信號(hào)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。每當(dāng)訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 PROG 信號(hào)將不會(huì)出現(xiàn)。 ALE（ 30 腳）：當(dāng)訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)， ALE 的輸出用于鎖存低字節(jié)地址信號(hào)。 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。 在訪問片外擴(kuò)展存儲(chǔ)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。 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。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)。 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(chǔ)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。 為了簡化系統(tǒng)硬件，控制量采用可控硅輸出 [4]。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]。 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。 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]。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。 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，并能對所測溫度場進(jìn)行較精確的控制，仍然是目前需要解決的問題。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，兩個(gè)溫度相同的系統(tǒng)之間是達(dá)到熱平衡的，這樣利用一個(gè)與目標(biāo)系統(tǒng)溫度同步的隔離層，就可以把目標(biāo)系統(tǒng)與外界進(jìn)行熱隔離 [1]。 本文詳細(xì)闡述了基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的硬件組成、軟件設(shè)計(jì)及相關(guān)的接口電路設(shè)計(jì) ， 并且充分考慮了系統(tǒng)的可靠性，采取了相應(yīng)的措施予以保證。 本文主要 介紹了基于單片機(jī)的 恒溫控制系統(tǒng)的開發(fā) 。為了使系統(tǒng)與外界的能量交換盡可能的符合人們的要求，就需要采取其他手段來達(dá)到這樣一個(gè)絕熱的目的，例如可以讓目標(biāo)系統(tǒng)外部環(huán)境的溫度與其內(nèi)部溫度同步變化。下面就簡要的討論一下溫度測控技術(shù)的發(fā)展 與現(xiàn)狀。 溫度控制技術(shù)按照控制目標(biāo)的不同可分為兩類 :動(dòng)態(tài)溫度跟蹤與恒值溫 度控制。由于這種控制方式是當(dāng)系統(tǒng)溫度上升至設(shè)定點(diǎn)時(shí)關(guān)斷電源，當(dāng)系統(tǒng)溫度下降至設(shè)定點(diǎn)時(shí)開通電源，因而無法克服溫度變化過 程的滯后性，致使被控對象溫度波動(dòng)較大，控制精度低，完全不適用于高精度的溫度控制。但是，它的不足也恰恰在于此，當(dāng)對象特性一旦發(fā)生改變，三個(gè)控制參數(shù)也必須相應(yīng)地跟著改變，否則其控制品質(zhì)就難以得到保證。 目前國內(nèi)溫控 技術(shù) 的發(fā)展，相對國外而言在性能方面還存在一定的差距，它們之間最大的差別主要還是在控制算法方面，具體表現(xiàn)為國內(nèi)溫控在全量程范圍內(nèi)溫度控制精度比較低，自適應(yīng)性較差。根據(jù)測溫范圍的要求， 本設(shè)計(jì)采用鎳鉻 /鎳鋁熱電偶，此電偶用于 0 Co ～ 1000 Co 的溫度測量范圍，相應(yīng)的輸出電壓為0mV 。一些廠家根據(jù)系統(tǒng)功能的復(fù)雜程度，將這種 SOC 芯片應(yīng)用到先進(jìn)的控制儀表中。目前，主流的 CPU 和常見的 MCU 都有 C 編譯器。它具有體積小、重量輕、價(jià)格低、可靠性高、耗電少和靈活機(jī)動(dòng)等許多優(yōu)點(diǎn)，單片微型計(jì)算機(jī) (簡稱單片機(jī) )是微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要分支，也是一種非?；钴S和頗具生命力的機(jī)種，特別適合用于智能控制系統(tǒng) 。為方便起見，我們把 4個(gè)端口和其中的鎖存器都統(tǒng)稱 P0P3。另外，每一位均具有第二功能，每一位的兩個(gè)功能不能同時(shí)使用。VCC 掉電期間，此引腳可接上備用電源，一旦芯片在使用中 VCC 電壓突然下降或短電，能保護(hù)片內(nèi) RAN 中信息不丟失，使復(fù)電后能繼續(xù)正常運(yùn)行。 CPU 在從片外程序存儲(chǔ)器取指令（或常數(shù)）期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次有效。并行擴(kuò)展法是利用單片機(jī)的三種線（ AB、 DB、 CB）進(jìn)行的系統(tǒng)擴(kuò)展；串行擴(kuò)展法是利用 SPI三線總線或 I2C 雙總線的串行系統(tǒng)擴(kuò)展。 (B)擴(kuò)展方法 擴(kuò)展程 序存儲(chǔ)器時(shí)，一般擴(kuò)展容量大于 256 字節(jié)，因此，除了由 P0 口提供低 8 位地址線外，還需由 P2 口提供若干地址線，最大的擴(kuò)展范圍位 64K 字節(jié)，基于單片機(jī)的 恒溫 控制系統(tǒng)的開發(fā) 11 即需 16位地址線。 基于單片機(jī)的 恒溫控制系統(tǒng)的開發(fā) 12 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要由溫度檢測電路、鍵盤與顯示電路、 A/D轉(zhuǎn)換 電路、輸出控制電路等部分組成。例如：若溫度測量范圍為500Co 1000Co ，則熱電偶輸出為 ，毫伏變送器零點(diǎn)遷移后輸出 4mA 20mA 范圍電流。 A 口和所有 LED 的八段引線相連，各 LED的控制端 G 和 8155C 口相連，故 A 口為字形口， C 口為字位口， 8051 可以通過 C 口 控制 LED 是否點(diǎn)亮，通過 A 口顯示字符 [9]。如果寫入的控制字規(guī)定他們工作于方式 Ⅰ 或方式 Ⅱ 下，則這三個(gè)口都是獨(dú)立的基本 I/O 口。 A/D 轉(zhuǎn)換器的主要性能參數(shù)有 : (1)分辨率 分辨率表示 A/D 轉(zhuǎn)換器對輸入信號(hào)的分辨能力。 A/D 轉(zhuǎn)換電路圖如圖 35所示。雙向可控硅相當(dāng)于兩個(gè)單向可控硅反向并聯(lián)。 可控硅接通時(shí)間可以通過可控硅控制板上控制脈沖控制。 PID 控制器的發(fā)展經(jīng)歷了液動(dòng)式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式幾個(gè)階段，目前正由模擬控制器向著數(shù)字化、智能化控制器的方向發(fā)展。 在工業(yè)上，偏差控制又稱為 PID 控制，這是工業(yè)控制中常用的控制形式，一般能收到令人滿意的效 果。其步驟如下 : (a)整定比例部分 先置 PID 控制中的積分微分環(huán)節(jié)不起作用，使之成為比例控制 ，再將比例系數(shù) PK 由小變大，觀察相應(yīng)的響應(yīng)，使系統(tǒng)的過渡過程達(dá)到 4:1 的衰減振蕩和較小的 靜差。 (b)僅讓控制器作純比例控制，由小到大逐漸增大比例系數(shù) PK ，直至使系統(tǒng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下此時(shí)的臨界振蕩周期 ST 和臨界振蕩增益 SK 。人為地給 被控對象一個(gè)階躍輸入信號(hào) 。光電 耦合 器能有效地抑制尖峰脈沖及各種噪聲干擾，提高信噪比。 基于單片機(jī)的 恒溫控制系統(tǒng)的開發(fā) 22 第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 主程序 主程序包括 8051本身的初始化、并行接口 8155 初始化等等。 基于單片機(jī)的 恒溫控制系統(tǒng)的開發(fā) 27 保 護(hù) 現(xiàn) 場采 樣 爐 溫?cái)?shù) 字 濾 波= 上 限 ？ 上 限 ？清 上 次 越 限 標(biāo) 志= 下 限 ?計(jì) 算 P I D采 樣從 P 1 3 輸 出T 1 初 始 化溫 度 顯 示T 1 中 斷 完 ？恢 復(fù) 現(xiàn) 場返 回 下 限 ？下 限 報(bào) 警取 最 大 P I D 值 輸 出采 樣送 本 次 越 限 標(biāo) 志上 限 處 理恢 復(fù) 現(xiàn) 場 返 回置 本 次 越 限 標(biāo) 志上 次 越 限 ？越 限 計(jì) 數(shù) 器 + 1越 限 N 次 ？上 限 報(bào) 警清 越 限 標(biāo) 志YYYYN 圖 42 T0中斷服務(wù)程序流程圖 采樣 子程序 采樣子程序 SAMP：流程圖如 43 圖所示。 常用的數(shù)字濾波方法有程序判斷濾波法、中值濾波法、算術(shù)平均濾波法、一階滯后濾波法、去極值平均濾波法等等，下面簡要介紹這幾種數(shù)字濾波方法。采樣次數(shù)越大，平滑效果越好，但系統(tǒng)的靈敏度 要下降。 本設(shè)計(jì)采用中值濾波，程序如下： FILTER: MOV A,2CH CJNE A,2DH,CAMP1 AJMP CMP2 CMP1: JNC CMP2 XCH A,2DH XCH A,2CH CMP2 MOV A,2DH CJNE A,2EH,CMP3 MOV 2AH,A 基于單片機(jī)的 恒溫控制系統(tǒng)的開發(fā) 31 RET CMP3: JC CMP4 MOV 2QH,A RET