【正文】 第 33 頁 共 57 頁 第 3 章 總 結 基于 89C51 單片機溫度控制系統(tǒng)，利用溫度傳感變送器，將采樣到的溫度信號輸入到單片機中，再由單片機作為 89C51 單片機的控制器，根據(jù)測量溫度與設定溫度的差值和 89C51 單片機的算法生成控制信號， 控制電爐的通電與斷電。只要有可能，其重復 周期盡可能短些。所謂數(shù)字濾波，就是通過一定的計算或判斷程序減少干擾在有用信號中的比重。 t1=8min,t2=10min，穩(wěn)態(tài)偏差 在177。 用 PWM 波輸入固態(tài)繼電器的輸入端，從而改變電爐加熱絲內的電流通斷時間 [15]。輸入設定為系統(tǒng)允許的最大值的 60%～70%，由 0 逐漸加大比例增益 P，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩；再反過來，從此時的比例增益 P逐漸減小，直至系統(tǒng)振蕩消失，記錄此時的比例增益 P，設定 PID 的比例增益 P為當前值的 60%～ 70%。人們將模擬 PID 控制規(guī)律引入到計算機中來。積分常數(shù) Ti 越大，積分的積累作用越弱，這時系統(tǒng)在過渡時不會產生振蕩；但是增大積分常數(shù) Ti 會減慢靜態(tài)誤差的消除過程，消除偏差所需的 時間也較長，但可以減少超調量，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 (5)重新調出 E2 存儲器：命令字節(jié) B8H，此命令把貯存在 E2中溫度觸發(fā)器的值重新調至暫存存器，這種重新調出的操作在對 DS18B20 上電時也自動發(fā)生，因此只要器件一接電，暫存存儲器內就有有效的數(shù)據(jù)可供使用。 DS18B20 檢測到上升沿后，延時 15 至 60 微秒， DS18B20 通過拉低總線60240 微秒來產生應答信號，主機接收到有應答信號后，說明有單線器件在線 [12]。 程序如下： 1毫秒延時函數(shù)： void t1ms(void) { uchar i。 當電爐中水溫高于工作人員所設定的上限溫度或者低于設定的下限溫度時，則認為發(fā)生了越限， L2 和 L3 分別用來表示上限報警和下限報警。 圖 28 “ 8”字型共陽數(shù)碼管管腳圖 LED 顯示器分為共陰極和共陽極，共陰極是將 8個發(fā)光二極管陰極連接在一起作為公共端，而共陽極是將 8個發(fā)光二極管的陽極連接在一起作為公共端。其中電平復位是通過 RST 端經電阻和電源 Vcc 接通而實現(xiàn)的，按鍵手動電平復位電路如圖 25 所示 。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 P2口當用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時， P2口輸出地址的高八位。本系統(tǒng)中 DS18B20 接線圖如圖 23所示 ，當測量距離較遠時，可在數(shù)據(jù)輸出口加上拉 電阻 R9，其阻值為 5K左右，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性。測量溫度的方法有兩種，一種是接觸式、另一種是非接觸式。 圖 21 電源電路圖 其中輸入電壓為交流 220V，經過變壓器其輸出為 12V，再進行整流。這樣既節(jié)省了材料也可以很大程度上減少硬件電路的結構 [4]。 ℃； (3)恒溫控制； (4)上下限溫度報 警 。 24 溫度校準 PWM 波作為執(zhí)行機構（固態(tài)繼電器）的輸入從而來決定電爐工作電壓的大小 ,最終實現(xiàn)水溫的控制。 2 設計思想 例如：在冶金工業(yè)、化工生產、電力工程、造紙行業(yè)、機械制造和食品加工等諸多領域中，人們都需要對各類加熱爐、熱處理爐、反應爐和鍋爐中的溫度進行檢測和 控制。其測量精度高 、 測量范圍廣。同時也省去了為建造燃料供應子系統(tǒng)的費用，節(jié)約了成本。其不需要采用大容量的電解電容器，容量大小為 100181。非接觸式測溫是通過接收被測介質發(fā)出的輻射熱來判斷的 [6]。 GND：接地。作為輸入， 由于外部下拉為低電平， P3 口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故。有余輸入至內部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。石英晶體振蕩器是利用石英晶體的壓電效應來起振，而石英晶體諧振器是利用石英晶體和內置 IC來共同作用來工作的。 如圖 29所示 ，共陽極數(shù)碼管管 腳分別與移位寄存器 74HC164 的并行輸出腳相連，DAT 為數(shù)據(jù)串行輸入， CLK 為工作頻率。 ℃時，即可點亮此燈。 for(i=0。 (3)跳過 ROM，命令字節(jié)為 CCH，此命令用于單掛總線系統(tǒng)時，可以無需提供 64 位ROM 的序列號即可運行內存操作。軟件部分只需將需要顯示的數(shù)字在 CLK信號的作用下串行發(fā)送出去。為了實現(xiàn)這一作用，可在 PI 控制器的基礎 第 24 頁 共 57 頁 上加入微 分環(huán)節(jié)，形成 PID 控制器。離散化處理的方法為：以 T 作為采樣周期，作為采樣序號，則離散采樣時間對應著連續(xù)時間，用矩形法數(shù)值積分近似代替積分，用一階后向差分近似代替微分，可作如下近似變換： ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ?0 0010 , 1 , 2 , 31kktjjjkkt k T ke t dt T e jT T ee k T e k Tde t eedt T T???? ? ???????????? ???????? (23) 上式中，為了表示的方便，將類似于 e(kT)簡化成 ek。 (3)確定積分時間常數(shù) Td 積分時間常數(shù) Td 一般不用設定，為 0即可。首先對顯示電路進行調試，根據(jù)移位寄存器的八個并行輸出口與數(shù)碼管的管腳的連接情況得出 0 H、L、 E的字型碼，其中 H用來標志上限報警值， L用來標志下限報警值、 E 用來標志期望設定值。可以看出在 t1 以前系統(tǒng)全速加熱，但由于自然散熱，曲線并不是直線。 數(shù)字濾波器具有以上優(yōu)點，所以數(shù)字濾波在微機應用系統(tǒng)中得到了廣泛應用。當彈飛到某一雙字節(jié)指令上時，有可能落到其操作數(shù)上，從而繼續(xù)出錯。 當然 ,系統(tǒng)同時也存在幾點缺點。指令冗余技術可以減少程序跑 飛的次數(shù)，使其很快進入程序軌道，但這并不能保證在失控期間不干壞事，更不能保證程序納入正常軌道后就太平無事了，解決這個問題必須采用軟件容錯技 術。前者有良好的抗“毛刺” 干擾能力，后者不耐干擾，當鎖存線上出現(xiàn)干擾時，它就會盲目鎖存當前的 第 31 頁 共 57 頁 數(shù)據(jù)，也不管此時數(shù)據(jù)是否有效。 ： 一般單片機應用系統(tǒng)的模擬輸入信號中，均含有種種噪音和干擾，它們來自被測量本身、傳感器、外界干擾等。但是在校對的過程中發(fā)現(xiàn)了一個問題：該系統(tǒng)測量精度符合要求，但是響應時間比較慢，這樣就對軟件設計中的采樣周期提出了較高的要求。流程圖 如圖 218 所示 。 采樣周期的選擇，通常按照過程特性與干 擾大小適當來選取采樣周期：即對于響應快 波動大、易受干擾的過程，應選取較短的采樣周期；反之，當系統(tǒng) 響應慢 、 滯后大時，可選取較長的采樣周期。 微分部分的作用由微分時間常數(shù) Td 決定?？刂谱饔玫膹娙跞Q于比例系數(shù) Kp，比例系數(shù) Kp越大，控制作用越強，則過渡過程越快，控制過程的靜態(tài)偏差也就越??；但是越大，也越容易產生振蕩，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 (2)讀暫存器：命令字節(jié)為 BEH，此命令讀暫存存儲器的內容，讀開始于字節(jié) 0，繼續(xù)經過暫存存儲器，至第九個字節(jié)（字節(jié) 8 CRC）讀出為止。 } } 按鍵設定函數(shù) 系統(tǒng)的被控溫度、上下限報警溫度等都是通過按鍵來設定的，由于采用鍵盤的接法是最普通的，所以按鍵處理函數(shù)并不會占用整個程序太多時序。然后其它的功能都由 DS18B20 溫度轉換程序和中斷程序完成。 第 16 頁 共 57 頁 圖 210 固態(tài)繼電器內部結構框圖 固體繼電器工作可靠，壽命長，無噪聲，無火花，無電磁干擾，開關速度快，抗干擾能力強，且體積小，耐沖擊，耐振蕩，防爆、防潮、防腐蝕、能與 TTL、 DTL、 HTL 等邏輯電路兼容，以微小的控制信號達到直接驅動大電流負載。 圖 26 晶振電路 要想控制溫度，就要采用良好的人 機界面。最簡單的上電自動復位電路，是通過外部復位電路的電容充電來實現(xiàn)的。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的 /PSEN 信號將不出現(xiàn)。 P1 口管腳寫入 1 后，被內部上拉為高，可用作輸入， P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。以上特點使 DS18B20 非常適用于遠距離多點溫度檢測系統(tǒng) [7]。 能做 必要的處理， 其中包括： (1) 測量信號校正。 硬件設計 系統(tǒng)的硬件包括：電源模塊、溫度設定模塊、溫度采集變送模塊、溫度偏差處理模塊（即 PID控制模塊）、溫度顯示模塊、報警模塊、電爐加熱模塊。 驅動加熱模塊也有多種方案： 方案一：單片機輸出數(shù)字量，經 DA 轉換后驅動相應的功率器件，特點是控制方便，電路設計復雜，且存在大量的干擾。 現(xiàn)代自動控制越來越朝著智能化發(fā)展，在很多自動控制系統(tǒng)中都用到了工控機，小型機、甚至是巨型機 處理機等，當然這些處理機有一個很大的特點，那就是很高的運行速度，很大的內存，大量的數(shù)據(jù)存儲器。 16 靜態(tài)顯示函數(shù) 11 加熱驅動模塊 4 溫度檢測與變送環(huán)節(jié) 12 報警電路 18 PID 運算子函數(shù) 33 附錄 1 英文資料 41 附 錄 3 系統(tǒng)源程序 隨著科學的發(fā)展，特別是電子計算機的誕生和發(fā)展，涌現(xiàn)出許多先進的控制方法，然而直到現(xiàn)在， PID 控制仍是最廣泛應用的控制方式之一。在使用中不需要任何外圍元件 ， 測溫范圍 － 55℃ ～＋ 125℃ ， 最小 分辨率 達 ℃ 。硬件和軟件的每一個壞節(jié)都是深思熟慮而成，各自 完成相應的功能并組成一個統(tǒng)一的整體。 設備。 DS18B20 是 DALLAS 公司生產的 單 線式數(shù)字溫度傳感器，具有 3引腳 TO－ 92小體積封裝形式；溫度測量范圍為－ 55℃ ～＋ 125℃ ,可編程為 9位～ 12 位 A/D 轉換 精度，測溫分辨率可達 ℃ ，被測溫度用符號擴展的 16 位數(shù)字量方式串行輸出；其工作電源既可在遠端引入，也可采用寄生電源方式產生；多個 DS18B20 可以并聯(lián)到 3根或 2 根線上， CPU 只需一根端口線就能與諸多 DS18B20 通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省 第 9 頁 共 57 頁 大量的引線和邏輯電路。 P1 口： P1口是一個內部提供上拉電阻的 8位雙向 I/O 口， P1口緩沖器能接收輸出4TTL 門電流。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次 /PSEN 有效。 第 12 頁 共 57 頁 圖 24 89C51單片機引腳圖 6. 復位電路 89C51 單片機的復位是由外部的復位電路來實現(xiàn)的。 本設計采用 12MHz 晶振，并聯(lián)兩個 20pF 電容構成晶振電路。它是用半導體器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)電接觸 點作為切換裝置的具有繼電器特性 的無觸點開關器件，單相 SSR為四端有源器件，其中兩個輸入控制端，兩個輸出端，輸入輸出間為光隔離，輸入端加上直流或脈沖信號到一定電流值后，輸出端就能從斷態(tài)轉變成通態(tài)。在系統(tǒng)中其主要的任務是調用鍵盤管理程序。 while(d ) { 。 (1)寫暫存器：命令字節(jié)為 4EH，此命令寫暫存器中地址 2到地址 4的三個字節(jié)（ TH、TL 和配置寄存器）在發(fā)起復位脈沖之前，三個字節(jié)都必須要寫。偏差一旦產生控制器立即產生控制作用，使控制量向減少偏差的方向變化。但微分的作用對輸入信號的噪聲很敏感，對那些噪聲較大的系統(tǒng)一般不用微分，或在微分起作用之前先對輸入信號進行濾波。實際采樣周期的選擇還要受到多方面因素的影響，不同的系統(tǒng)采樣周期應根據(jù)具體情況來選擇。根據(jù)工程經驗，本系統(tǒng)可忽略微分項，只進行比例與積分運算，最終實現(xiàn)穩(wěn)準快的指標。 表 22 溫度校驗 高精度工業(yè)溫度計測溫度 ℃ (冰水混合物的溫度 ) ℃ ℃ ℃ ℃ 本系統(tǒng)中傳感器測溫 度 ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ 高精度工業(yè)溫度計測溫度 ℃ ℃ ℃ ℃ ℃（沸水的溫度） 本系統(tǒng)中傳感器測溫 度 ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ 從上表看出，該系統(tǒng)的溫度采集模塊的測量誤差非常小，幾乎可以忽略。經常采用的軟件抗干擾技術是數(shù)字濾波技術、開關量的軟件抗干擾技術、指令冗余技術、軟件陷阱技術等 [16]。 輸出設備是電 位控制型還是同步鎖存型，對干擾的敏感性相對較大。在某些對系統(tǒng)工作狀態(tài)重要的指令前也可插入兩條 NOP 指令，以保證正確執(zhí)行。在選擇 89C51 單片機的控制器時用了速度相對較慢的單片機， 若采用速度更快的 單