【正文】 （ IIL） 。穩(wěn)壓電路的功能是使輸出直流電壓基本不受電網(wǎng)電壓波動(dòng)和負(fù)載電阻變化的影響，從而獲得穩(wěn)定性足夠高的直流電壓。 由于水的導(dǎo)電性十分微弱，因此電極送出的電信號(hào)十分微弱，不能直接送入單片機(jī)，因此需要對(duì)該信號(hào)進(jìn)行處理，這里我們選用 PNP 三極管開(kāi)關(guān)電路。固態(tài)繼電器的輸入與輸出電路的隔離和耦合方式有光電耦合和變壓器耦合兩種。 本系統(tǒng) 利用 P1 口對(duì)鍵盤(pán)進(jìn)行控制， 采用中 斷掃描方式的鍵盤(pán)。這是識(shí)別矩陣鍵盤(pán)是否被按下的關(guān)鍵。 主復(fù)位 (MR) 輸入端上的一個(gè)低電平將使其它所有輸入端都無(wú)效，同時(shí)非同步地清除寄存器，強(qiáng)制所有的輸出為低電平 。該字節(jié)各位的定義如圖 所示。同樣，在實(shí)現(xiàn)液位控制時(shí)，也沒(méi)有使用 D/A，而是直接外接繼電器，通過(guò)控制繼電器的 AT89S51 DS18B20 水位電極 SSR 加熱電阻 電磁閥 顯示電路 鍵盤(pán)電路 報(bào)警電路 繼電器 6 吸合控制電 磁閥的通斷。 由于電加熱鍋爐是一個(gè)具有非線性、大滯后、大慣性、時(shí)變性、升溫單向性等特點(diǎn)的控制對(duì)象 [3]，很難用數(shù)學(xué)方法建立精確的數(shù)學(xué)模型，因此用傳統(tǒng)的控制理論和方法很難達(dá)到很好的控制效果。由于采用電加熱方式，電能直接轉(zhuǎn)換為熱能，不需要采用燃燒的方式將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能，因此就不會(huì)排放出有害氣體及飛灰，不會(huì)產(chǎn)生灰渣，完全符合環(huán)保方面的要求，更適合安放在人口密集的生活區(qū)和辦公區(qū)。它具有環(huán)保、高效、體積小等優(yōu)點(diǎn)。 （ 3） 鍋爐本體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安全性好。 1℃之內(nèi)； b. LED 實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)溫度，用鍵盤(pán)輸入設(shè)定的溫度； c. 水位控制 保持在 50cm 左右， 過(guò)高或過(guò)低時(shí)報(bào)警提示。 DS18B20 的性能特點(diǎn)如下： ? 獨(dú)特的單線接口僅需要一個(gè)端口引腳進(jìn)行通信； ? 多個(gè) DS18B20 可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)組網(wǎng)功能； ? 無(wú)須外部器件； ? 可通過(guò)數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍 ； ? 零待機(jī)功 耗； ? 溫度以 9或 12位數(shù)字讀出； ? 用戶可以定義報(bào)警設(shè)置； ? 報(bào)警搜索命令識(shí)別并標(biāo)志超過(guò)程序限定溫度（溫度報(bào)警條件）的器件； ? 負(fù)電壓特性，電源極性接反時(shí)，溫度計(jì)不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，只是不能正常工作而已。若 TTH 或 TTL，則將該器件內(nèi)的報(bào)警標(biāo)志位置位，并對(duì)主機(jī)發(fā)出報(bào)警搜索命令作出響應(yīng)。 利用串 入并出 技術(shù)， 使用 74LHC164芯片就 可以很容易解決 I/O 口的問(wèn)題。平時(shí)無(wú)按鍵動(dòng)作時(shí)， 列線處于高電平 狀態(tài)，而當(dāng)有鍵按下時(shí)，各按鍵將彼此相互發(fā)生影響，所以必須將行、列線信號(hào)配合起來(lái)作適當(dāng)?shù)奶幚?，才能確定閉合鍵的位置。 圖 鍵盤(pán)電路 表 鍵盤(pán)設(shè)置與功能設(shè)定 鍵 名 功 能 UP 在設(shè)定溫度時(shí)，增加設(shè)定值，每按一次加 1 DOWN 在設(shè)定溫度時(shí)，減小設(shè)定值，每按一次減 1 ENTER 進(jìn)入鍵盤(pán)輸入狀態(tài)， 確定輸入的數(shù)據(jù) 停機(jī) 使其停止加熱，停機(jī)時(shí)停止顯示，停止測(cè)量 指示及報(bào)警電路 為使系統(tǒng)的人機(jī)交互界面更好 ，設(shè)置了兩個(gè)指示燈和一個(gè)蜂鳴報(bào)警器。 功率驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 圖 功率驅(qū)動(dòng)電路 本系統(tǒng)功率驅(qū)動(dòng)部分采用單片機(jī)控制的固態(tài)繼電器控溫電路，其波形為完整的正弦波，對(duì) 熱慣性較大的被控對(duì)象，是一種穩(wěn)定、可靠、較合理的控制方法，因而本系統(tǒng)采用過(guò)零觸發(fā)方法 [8]。之所以在水位沒(méi)到達(dá)時(shí)輸出高電平，是考慮到單片機(jī)復(fù)位時(shí)，各管腳都置高電位，這樣就不會(huì)在剛復(fù)位時(shí) 產(chǎn)生 錯(cuò)誤信號(hào)。主控模塊采用單片機(jī)最小系統(tǒng)是由于 AT89S51芯片內(nèi)含有 4 kB的 E2PROM ,無(wú)需外擴(kuò)存儲(chǔ)器 ,電路簡(jiǎn)單可靠 ,其時(shí)鐘頻率為 0～ 24 MHz ,并且價(jià)格低廉。對(duì)端口寫(xiě)“ 1”，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電17 平，此時(shí)可做輸入口。即使不訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器， ALE 仍以時(shí)鐘振蕩頻率的1/6 輸出 固定 的正脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外 輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的 ，要注意的是：第當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳 過(guò)一個(gè) ALE 脈沖。 因此本系統(tǒng)的軟件大體可分為三個(gè)部分：主程序，鍵盤(pán)中斷服務(wù)程序， T0中斷服務(wù)程序。 PID 中一些數(shù)值初始化 MOV UK1,00H。 SETB 。 TI/RI：串行 I/O中斷，串行端口完成一幀字符發(fā)送 /接受后引起。 2） 中斷優(yōu)先級(jí)寄存器 IP IP在特殊功能寄存器中，字節(jié)地址為 B8，位地址（由低位到高位）分別為 B8HBFH，IP用來(lái)設(shè)定各個(gè)中斷源屬于兩級(jí)中斷的哪一級(jí)， IP的基本格式如下所示： PS：串行口中斷優(yōu)先級(jí)控制位。 具體 程序 見(jiàn)附錄 2。 JNB ,KEY_ENTER。 2） 積分控制的作用是，只要系統(tǒng)存在誤差，積分控制作用就不斷的積累，控制輸出量以消除誤差，因而，只要有足夠的時(shí)間，積分控制將能完全消除誤差，積分作用太強(qiáng)會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)加大，甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。由于位置型算法控制算式不夠方便，需要累加偏差，不僅要占用較多的存儲(chǔ)單元，而且不便于編寫(xiě)程序，為此，我們選用增量型算法。 SETB 。相應(yīng)的程序見(jiàn)附錄的程序清單。 PID參數(shù)整定方法 對(duì)本系統(tǒng)的仿真，就是對(duì) PID控制的三個(gè)參數(shù)（即 Kp、 Ki、 Kd）進(jìn)行整定，從而達(dá)到改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)指標(biāo)，取得最佳的控制效果。 表 按擴(kuò)充臨界比例度法整定參數(shù) 控制度 控制規(guī)律 T Kp Ti Td PI k PID k PI k PID k PI k PID k 0． 20Tk PI k PID k 系統(tǒng)仿真結(jié)果 采用 MATLAB中的 SIMLINK對(duì)本系統(tǒng) 進(jìn)行仿真。 34 致謝 本文是在導(dǎo)師魯照權(quán)老師悉心 指導(dǎo)下完成的。 （ 4） 在程序的編寫(xiě)過(guò)程中特別注意了人機(jī)的交互性及各種功能的實(shí)現(xiàn)，使系統(tǒng)的操作界面更容易讓人理解。然后逐漸減小比例度δ（δ =1/Kp），直到系統(tǒng)發(fā)生持續(xù)等幅振蕩。具體程序見(jiàn)附錄 2。所有時(shí)序都是將主機(jī)作為主設(shè)備，單總線器件作為從設(shè)備。取值 MOV 24H,A。所以，用數(shù)字方式模擬 PID調(diào)節(jié)器仍是目前應(yīng) 用比較廣泛的方法之一。當(dāng)用模型辨識(shí)代替系統(tǒng)辨識(shí)，往往不能得到預(yù)期的效果，所以人們常采用 PID調(diào)節(jié)器，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行在線整定。 JNB ,KEY_UP。 T0中斷服務(wù)程序的編寫(xiě) 圖 T0中斷子程序流程圖 T 0 中斷入口保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)賦 T 0 初值從 DS 18 B 20 中讀取數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換溫度顯示PI D 運(yùn)算賦 T 1 初值T 1 運(yùn)行恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)返回24 定時(shí)器 0的中斷子程序主要用來(lái)完成數(shù)據(jù)采集及顯示、數(shù)據(jù)處理、 PID運(yùn)算和輸出控制。 ET0： T0中斷允許位。 5個(gè)中斷源的符號(hào)、名稱及產(chǎn)生的條件 如下： 22 INT0：外部中斷 0，由 ，低電平或下跳沿引起。 SETB 。 MAIN: 。 XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端 。 WDT 溢出 將使該引腳輸出高電平，設(shè)置 SFR AUXR 的 DISRTO 位（地址 8EH）可打開(kāi)或關(guān)閉該功能。對(duì)端口寫(xiě)“ 1”，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可做輸入口。需通過(guò)低通濾波電路濾波，使輸出電壓平滑。根據(jù)這個(gè)原理，我們選用五個(gè)水位電極，其中四個(gè)作為水位檢測(cè)點(diǎn)，即高水位、低水位、超高水位報(bào)警、超低水位報(bào)警，另外一個(gè)接地 作為公共電極。有13 些輸入控制電路還具有與 TTL/CMOS 兼容，正負(fù)邏輯控制和反相等功能。 3) 中斷掃描工作方式： 11 為了進(jìn)一步提高 CPU 的工作效率，可以采用中斷掃描工作方式，即只有在鍵盤(pán)上有鍵按下時(shí)，發(fā)出中斷請(qǐng)求， CPU 響應(yīng)中斷請(qǐng)求后，轉(zhuǎn)中斷服務(wù)程序，進(jìn)行鍵盤(pán)掃描，識(shí)別鍵碼。列線電平如果為低，則行線電平為低；列線電平如果為高，則行線電平亦為高。 時(shí)鐘 (CP) 每次由低變高時(shí)，數(shù)據(jù)右移一位，輸入到 Q0， Q0 是兩個(gè)數(shù)據(jù)輸入端（ DSA 和 DSB）的邏輯與，它將上升時(shí)鐘沿之前保持一個(gè)建立時(shí)間的長(zhǎng)度。 DS18B20 工作時(shí)寄存器中的分辨率轉(zhuǎn)換為相應(yīng)精度的溫度數(shù)值。在實(shí)現(xiàn)溫度控制時(shí)不像其它采用 D/A 轉(zhuǎn)換后再控制調(diào)節(jié)閥的方法，而是直接外接一個(gè)固態(tài)繼電器，通過(guò)內(nèi)部改變定時(shí)器的中斷時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)一個(gè)周期內(nèi)電子開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通和斷開(kāi)時(shí)間。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用 PID 控制技術(shù) 。電加熱鍋爐具有許多優(yōu)點(diǎn)，使其比其他形式的鍋爐更具吸引力，其具體優(yōu)點(diǎn)如下 [1]： （ 1） 無(wú)污染。因此對(duì)電熱鍋爐控制 系統(tǒng) 的研究就顯得十分有必要。電加熱鍋爐本體結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，不需要布置管路，沒(méi)有燃燒室，沒(méi)有煙道，故而不會(huì)出現(xiàn)燃煤、燃?xì)?、燃油鍋爐存在的爆炸和泄漏的危險(xiǎn)。 本文需要完成以下工作： 詳細(xì)分析課題任務(wù)， 設(shè)計(jì)電源電路，鍵盤(pán)電路，單片機(jī)系統(tǒng)，顯示電路，執(zhí)行器電路，報(bào)警電路等系統(tǒng)。 圖 DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 正因?yàn)?DS18B20 有如上的優(yōu)點(diǎn)，在本系統(tǒng)中 采用溫度芯片 DS18B20 測(cè)量溫度。 DS18B20 的測(cè)溫原理描述如下。 采用 51 單片機(jī)的串行方式 0，只要兩根線 （數(shù)據(jù)與時(shí)鐘）就能完成顯示功能，而且串行口還可以跟其它芯片共用。 鍵盤(pán)識(shí)別方法 按鍵設(shè)置在行、列交點(diǎn)上，行列線分別連接到按鍵開(kāi)關(guān)的兩端。當(dāng)水位達(dá)到超高報(bào)警水位時(shí)，蜂鳴器報(bào)警， 且紅燈點(diǎn)亮， 告訴工作人員應(yīng)斷開(kāi)電磁 閥 ，避免了 水位溢出 引起的危險(xiǎn) ；當(dāng)水位達(dá)到超低報(bào)警水位時(shí)，蜂鳴器報(bào)警，且綠燈點(diǎn)亮，告訴工作人員應(yīng) 打開(kāi) 電磁閥，避免干燒的危險(xiǎn) 。 固態(tài)繼電器控溫電路如圖 所示。 水位控制電路 圖 水位控制電路 15 本系統(tǒng)使用直流電磁閥控制水位，這里選用 ZCW2 型電磁閥，其額定電壓為DC12V，功率小于 15W，介質(zhì)溫度最高為 125℃ ，為常閉型 。 AT89S51是美國(guó) ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗，高性能 CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含 4k byte的可系統(tǒng)編程的 Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用 ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) 8051指令系統(tǒng)及引腳。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低 時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流（ IIL） 。如有必要，可通過(guò)對(duì)特殊功能寄存器（ SFR）區(qū)中的 8EH 單元的 D0 位置位，可禁止 ALE 操作。主程序主要對(duì)內(nèi)存單元進(jìn)行分配，將一些量值賦初值，對(duì)中斷系統(tǒng)進(jìn)行初始化操作；同時(shí)由于水位控制程序相對(duì)簡(jiǎn)單，因此將其放入主程序中循環(huán)執(zhí)行。 MOV ERR0,00H。 JNB 。 中斷系統(tǒng)有兩個(gè)控制寄存器 IE和 IP，它們分別用來(lái)設(shè)定各個(gè)中斷源的打開(kāi) /關(guān)閉和中斷優(yōu)先級(jí)。 PS=1，設(shè)定串行口為高優(yōu)先級(jí)中斷； PS=0，為低優(yōu)先級(jí)。 鍵盤(pán)中斷服務(wù)子程序 當(dāng) ENTER被按下時(shí)，進(jìn)入鍵盤(pán)輸入狀態(tài)， 然后進(jìn)行鍵盤(pán)掃描，當(dāng)有鍵位按下時(shí)，轉(zhuǎn)入響應(yīng)的鍵位子程序，當(dāng) ENTER再被按下時(shí)，退出中斷服務(wù)子程序，鍵盤(pán)輸入完成。 25 LCALL DISPLAY。 3） 微分控制可以減小超調(diào)量，克服振 蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高，同時(shí)加快系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，減小調(diào)整時(shí)間，從而改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。增量型算法的算式如下 [9]： )2()1()()( 210 ?????? kekekeku qqq （ ） )()1()( kukuku ???? （ ） 其中 ?????????????KqKKqKKKqDDPIDP2102 （ ） 根據(jù)式 ()和式 ()編寫(xiě) 的 程序 見(jiàn)附錄 2。判斷是否為個(gè)位 ,如是則點(diǎn)亮小數(shù)點(diǎn) AJMP DD。 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。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(guò)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)。首先在 SIMLINK中搭建系統(tǒng)的 模型圖 ，如圖 。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。 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(guò)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 。這時(shí)，去掉積分作用和微分作用，只保留比31 例作用。通過(guò)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 ???