【正文】 采樣次數(shù)越大，平滑效果越好，但系統(tǒng)的靈敏度 要下降。 基于單片機(jī)的 恒溫控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā) 27 保 護(hù) 現(xiàn) 場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng) 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。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。 (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 。 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。 可控硅接通時(shí)間可以通過(guò)可控硅控制板上控制脈沖控制。 A/D 轉(zhuǎn)換電路圖如圖 35所示。如果寫(xiě)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。例如：若溫度測(cè)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。 (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(kāi)發(fā) 11 即需 16位地址線。 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。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。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(jiǎn)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) 。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。 目前國(guó)內(nèi)溫控 技術(shù) 的發(fā)展，相對(duì)國(guó)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(guó)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。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(kāi)通電源，因而無(wú)法克服溫度變化過(guò) 程的滯后性，致使被控對(duì)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。下面就簡(jiǎn)要的討論一下溫度測(cè)控技術(shù)的發(fā)展 與現(xiàn)狀。 本文主要 介紹了基于單片機(jī)的 恒溫控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā) 。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]。動(dòng)態(tài)溫度跟蹤實(shí)現(xiàn)的控制目標(biāo)是使被控對(duì)象的溫度值按預(yù)先設(shè)定好的曲線進(jìn)行變化。 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。 為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)硬件，控制量采用可控硅輸出 [4]。加之集成開(kāi)發(fā)基于單片機(jī)的 恒溫 控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā) 6 環(huán)境 KEIL 編譯生成的代碼效率很高 (僅比匯編語(yǔ)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(yǔ)言開(kāi)發(fā)。 在訪問(wèn)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。 ALE（ 30 腳）：當(dāng)訪問(wèn)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)。但是，一般串行接口器件速度慢，在需要高速應(yīng)用的場(chǎng)合，還是并行擴(kuò)展法占主導(dǎo)地位。 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。 基于單片機(jī)的 恒溫控制系統(tǒng)的開(kāi)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。 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(lái)開(kāi)始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號(hào)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。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。 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。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 。 (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(guò)程曲線，即對(duì)象的階躍響應(yīng)曲線 。大體說(shuō)來(lái)，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(kāi)中斷、溫度顯示和鍵盤掃描等程序。 (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。 數(shù)字濾波程 序流程圖 如圖 44所示。 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(gè)方面的優(yōu)點(diǎn) : (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(shè) 備，而且可以多個(gè)輸入通道共用一個(gè)濾波程序 ； (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(wèn)題 ； (3)數(shù)字濾波可以對(duì)頻率很低 (如 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(guò)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。無(wú)源濾波器是一個(gè)簡(jiǎn)單的、有效的低通濾波器，它只讓電網(wǎng)中基波通過(guò)，而對(duì)高次諧波有急劇的衰減作用，對(duì)串模干擾和共模干擾信號(hào)具有很強(qiáng)的雙向抑制作用 。具體步驟如下 ： (a)斷開(kāi)數(shù)字控制器，使系統(tǒng)在手動(dòng)狀態(tài)下工作。在試湊時(shí)，實(shí)行先比例、后積分、再微分的反復(fù)調(diào)整。據(jù)統(tǒng)計(jì)，有 90%以上的工業(yè)控制器采用 PID控制器。它分為單向可控 基于單片機(jī)的 恒溫控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā) 17 硅和雙向可控硅，在微機(jī)控制系統(tǒng)中，可作為功率驅(qū)動(dòng)器件。完成 A/D 轉(zhuǎn)換的器件即為 A/D轉(zhuǎn)換器。為了減少硬件開(kāi)銷，提高系統(tǒng)可靠性和降低成本，采用動(dòng)態(tài)掃描顯示。在 8051的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)低 128字節(jié) RAM中 30H7FH共 80 個(gè)存儲(chǔ)單元使用戶 RAM 區(qū)，完全可以容納下 24 個(gè)數(shù)據(jù)以及其運(yùn)算過(guò)程中的臨時(shí)數(shù)據(jù)，故不需要在另外擴(kuò)展片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展的方法有并行擴(kuò)展法和串行擴(kuò)展法兩種。剛接上電源時(shí)，其內(nèi)部寄存器處于隨機(jī)狀態(tài)，在引腳上輸入持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。每個(gè)口都包含一個(gè)鎖存器，即專用寄存器 P0P3，一個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器和輸入緩沖器。這種結(jié)構(gòu)化方式可使程序?qū)哟吻逦?，便于使用、維護(hù)及調(diào)試 ； (2)適用范圍大和可移植性好 同其他高級(jí)語(yǔ)言一樣， C 語(yǔ)言不依賴于特定的 CPU，其源程序具有良好的可移植性。本系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)方面具有如下特點(diǎn) : 作為與 MCS51 系列兼容的單片機(jī)，無(wú)論在運(yùn)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。只要 PID 參數(shù)選取的正確，對(duì)于一個(gè)確定的受控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其控制精度是比較令人滿意的。因此，在實(shí)際的溫度測(cè)量中，要根據(jù)具體的測(cè)量對(duì)象選擇合適的測(cè)量方法，在滿足測(cè)量精度要求的前提下盡量減少投入。 在實(shí)際的生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，由于系統(tǒng)內(nèi)部與外界的熱交換是難以控制的，其他熱源的干擾也是無(wú)法精確計(jì)算的，因此溫度量的變化往往受到不可預(yù)測(cè)的外界環(huán)境擾動(dòng)的影響。針對(duì)控制對(duì)象的特點(diǎn)，在系統(tǒng)辨識(shí)的基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)的控制算法進(jìn)行了仿真研究，并在單片機(jī)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了控制算 法 ， 最后針對(duì)溫控系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析表明本文所述的基于單片機(jī)的 恒溫 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的合理性和有效性。 溫度測(cè)控技術(shù)包括溫度測(cè)量技術(shù)和溫度控制技術(shù)兩個(gè)方面。 由于 PID調(diào)節(jié)器模型中考慮了系統(tǒng)的誤差、誤差變化及誤差積累三個(gè)因素，因此，其控制性能大大地優(yōu)越于定值開(kāi)關(guān)控溫。 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)是以 MCS5l單片機(jī)為控制核心，輔以采樣反饋電路，驅(qū)動(dòng)電路，晶閘管主電路對(duì)電爐爐溫進(jìn)行控制的微機(jī)控制系統(tǒng)。它不僅能滿足復(fù)雜的系統(tǒng)性能的需要，而且還使整個(gè)系統(tǒng)的電路緊湊，硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。 8051 是 MCS－ 51 系列單片機(jī)的一種型號(hào)。 1） 主電源引腳 VCC 和 VSS VSS（ 40 腳）：主電源 +5V，正常操作的對(duì) EPROM 編程及驗(yàn)證時(shí)均接 +5V電源。該端同樣可驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) LSTTL負(fù)載。即 A：數(shù)據(jù)總線： P0 口接 EPROM 地 O0O7(D7D0)； B：地址總線： P0 口經(jīng)鎖存器向 EPROM 提供地址低 8 位， P2 口提供高 8 位地址以及片選線。 基于單片機(jī)的 恒溫控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā) 13 圖 32 單片機(jī) 恒溫 控制系統(tǒng)電路原理圖 接口電路 接口電路采用 MCS51 系列單片機(jī) 8051，外圍擴(kuò)展并行接口 8155， 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC0809 等芯片。工作在方式 Ⅲ 或方式 Ⅳ 時(shí)， C 口用作控制口或部分用于控制。首先輸入地址選擇信號(hào)，在 ALE 信號(hào)作用下，地址信號(hào)被鎖存，產(chǎn)生譯碼信號(hào)，選中一路模擬量輸入。 通常，爐溫控制采用偏差控制法。 將上式離散化得到數(shù)字 PID位置式算法 式中 在位置式算法的基礎(chǔ)之上得到數(shù)字PID增量式算法： )( )2()( 1 211 ? ??? ??????? ?????? nnDnInP nnnDnInnPn eeKeKeK eeeKeKeeKU (35) 由于 PID控制器的輸出為系統(tǒng)偏差的比例、微分和積分作用后的線性組合，所以調(diào)整各個(gè)部分的線性系數(shù)就是 PID 控制器控制性能好壞的關(guān)鍵。所謂控制度， 就是數(shù)字控制器和模擬調(diào)節(jié)器所對(duì)應(yīng)的過(guò)渡過(guò)程的誤差平方的積分之比。 (2)接地應(yīng)遵循的基本原則是數(shù)字地、模擬地、屏蔽地應(yīng)該合理接地，不能混用。其中最重要的環(huán)節(jié)是數(shù)字濾 所以這里主要討論系統(tǒng)采用的數(shù)字濾波程序。 (4)一階滯后濾波法是一種動(dòng)態(tài)濾波方法，其表達(dá)式為 : 1)1( ???? nn YXY ?? (41) 式中 ： X:第 n 次采樣值 1?nY :上次濾波結(jié)果輸出值 nY :第 n次采樣后濾波結(jié)果輸出值 ? :濾波平滑系數(shù) 通常采樣周期遠(yuǎn)小于濾波環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù) ，也就是輸入信號(hào)的頻率快，而濾波環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)相對(duì)地小，這是一般濾波器的概念，所以這種濾波方法相當(dāng)于 RC 濾波器。 基于單片機(jī)的 恒溫控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā) 30 (3)算術(shù)平均濾波法是對(duì)目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行連續(xù)采樣，然后求其算術(shù)平均值作為有效采樣值。 引腳上輸出的該同步脈沖寬度由 T1 計(jì)數(shù)器的溢出中斷控制，8051 利用等待 T1 溢出中斷空隙時(shí)間完成把本次采樣數(shù)值轉(zhuǎn)換成顯示值而放入顯示緩沖區(qū)和調(diào)用溫度顯示程序， 8051 從 T1 中斷服務(wù)程序返回后便可以恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)和返回主程序，以等待下次 T0 中斷。對(duì)于本系統(tǒng)，硬件抗干擾設(shè)計(jì)具體措施有隔離、接地、濾波等常用方法。 (2)擴(kuò)充臨界比例度法 這是 Ziegler 和 Nichols 提出的一種 PID 參數(shù)整定方法。積分作用的強(qiáng)弱取決基于單片機(jī)的 恒溫控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā) 19 于積分時(shí)間常數(shù)， IT 越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng) 。圖 35示出了可控硅管在給定周期 T 內(nèi)具有不同接通時(shí)間的情況。傳統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)方法是在 A/D 轉(zhuǎn)換前增加一級(jí)高精度的測(cè)量放大器，這樣就增加了成本，電路也較為復(fù)雜。 此時(shí) P0 輸出的低 8 位地址只有 3 位有效，用于片內(nèi)選址，其他位無(wú)用。 毫伏變送器用于把熱電偶輸出的 0mV 變換成 4mA 20mA 的電流；電流 /電壓變送器用于把毫伏變送器輸出的 4mA 20mA 電流變換成 05V 的電壓 [8]。維持或編程禁止時(shí) O0O7 呈高阻抗； CE：片選信號(hào)輸入線，“ 0”（即 TTL 低電平）有效； PGM：編程脈沖輸入線 。 對(duì)含有 EPROM 的單片機(jī)，片內(nèi) EPROM 編程期間，此引腳用于輸入編程脈 沖（ PROG）。 P3 口：雙功能口。它包括中央處理器 CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器 RAM、只讀存儲(chǔ)器 ROM、中斷系統(tǒng)、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、串行口和 I/O 等等。由此可見(jiàn)，采用單片機(jī)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，不僅可以降低開(kāi)發(fā)成本，精簡(jiǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而且控制算法由軟件實(shí)現(xiàn)，還可以提高系統(tǒng)的兼容性和可移植性。目前已出現(xiàn)一種高精度模糊控制器，可以很好的模擬人的操作經(jīng)驗(yàn)來(lái)改善控制性能，從理論上講，可以完全消除穩(wěn)態(tài)誤差。這種開(kāi)關(guān)控溫方法比較簡(jiǎn)單，在沒(méi)有計(jì)算機(jī)參與的情況下，用很簡(jiǎn)單的模擬電路就能夠?qū)崿F(xiàn)。同樣道理，對(duì)于只有冷卻沒(méi)有加熱環(huán)節(jié)的應(yīng)用中，實(shí)際溫度低于控制的目標(biāo)溫度，對(duì)控制效果的影響也是很大的。采用單片機(jī)對(duì) 其進(jìn)行