【正文】 控制不僅具有控制方便，簡(jiǎn)單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，而且 能夠提高被控對(duì)象的控制品質(zhì) ，從而能夠大大 地 提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。因此，對(duì)溫度的控制精度要求比較高的情況下，是不允許出現(xiàn)過沖現(xiàn)象的，即不允許實(shí)際溫度超過控制的目標(biāo)溫度。本文所討論的基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)就是要實(shí)現(xiàn)對(duì)溫控箱的恒值溫度控制要求，故以下僅對(duì)恒值溫度控制進(jìn)行討論。智能控溫法以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊數(shù)學(xué)為理論基礎(chǔ)，并適當(dāng)加以專家系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)智能化。系統(tǒng)擴(kuò)展和配置在滿足功能要求的基礎(chǔ)上留有適當(dāng)裕量，以利于擴(kuò)充和修改。 溫度控制算法方面，結(jié)合本溫控系統(tǒng)的要求采用了經(jīng)典的 PID 控制算法，這主要是由于 PID 控制相對(duì)來說算法簡(jiǎn) 單、魯棒性好和可靠性高。 P0 口：可作為一般的 I/O 口用，但應(yīng)用系統(tǒng)采用外部總線結(jié)構(gòu)時(shí)，它分時(shí)作低 8位地址和 8位雙向數(shù)據(jù)總線用。其頻率為振蕩器頻率 1/6。為了將它們分離開來，以便同單片機(jī)之外的芯片正確地相連，常常在單片機(jī)外部加地址鎖存器來構(gòu)成與一般 CPU 相類似的三總線，如圖 22所示 [6]。 8 0 5 1溫 控 電 路8 1 5 5A D C 0 8 0 9設(shè) 備鍵 盤 與 顯 示傳 感 檢 測(cè) 電 路 圖 31 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖 溫度檢測(cè)和變送器 溫度檢測(cè)元件和變送器的類型選擇與被控溫度的范圍和精度等級(jí)有關(guān)。 帶有 I/O 接口和計(jì)時(shí)器的靜態(tài) RAM8155 如圖 34所示。 基于單片機(jī)的 恒溫控制系統(tǒng)的開發(fā) 16 (3)轉(zhuǎn)換誤差 轉(zhuǎn)換誤差表示 A/D 轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上的輸出數(shù)字量之間的差別，常用最低有效位的倍數(shù)表示 ； (4)線性度 線性度指實(shí)際轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)移函數(shù)與理想直線的最大偏移。 8051 對(duì)溫度的控制是通過可控硅調(diào)控實(shí)現(xiàn)的， 如圖 36所示 。 控制原理如圖37 所示。整定時(shí)，先將比例系數(shù)減小 10%20%，以補(bǔ)償因加入積分作用而引起的系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，然后由大到小調(diào)節(jié) IT ，在保持系統(tǒng)良好動(dòng)態(tài)性能的情況下消除靜差。 (d)根據(jù)所求得的 ? 、 mT 和 mT /? 的值，可求得控制器的 T 、 PK 、 IT 、 DT ，控制度的求法與擴(kuò)充臨界比例度法相同。 開 始設(shè) 定 堆 棧 指 針清 標(biāo) 志 和 暫 存 單清 顯 示 緩 沖 區(qū)T 0 初 始 化C P U 開 中 斷設(shè) 定 參 數(shù) 初 值掃 描 鍵 盤溫 度 顯 示結(jié) 束P I D 控 制 圖 41 主程序流程圖 主程序： ORG 0100H DISM0 DATA 78H DISM1 DATA 79H 基于單片機(jī)的 恒溫控制系統(tǒng)的開發(fā) 23 DISM2 DATA 7AH DISM3 DATA 7BH DISM4 DATA 7CH DISM5 DATA 7DH MOV SP, 50H； 50H 送 SP CLR 5EH ； 清本次越限標(biāo)志 CLR 5FH ； 清上次越限標(biāo)志 CLR A ； 清累加器 A MOV 2FH, A MOV 30H, A MOV 3BH, A MOV 3CH, A MOV 3DH, A MOV 3EH, A MOV 44H, A MOV DISM0, A MOV DISM1, A MOV DISM2, A MOV DISM3, A MOV DISM4, A MOV DISM5, A MOV TMOD, 56H MOV TL0, 06H MOV TH0, 06H CLR PT0 SETB TR0 SETB ET0 SETB EA LOOP ACALL DISPLY ；調(diào)用顯示程序 ACALL SCAN ；調(diào)用掃描程序 基于單片機(jī)的 恒溫控制系統(tǒng)的開發(fā) 24 AJMP LOOP ；等待中斷 應(yīng)當(dāng)注意：由于 T0 被設(shè)定為計(jì)數(shù)器方式 2，初值為 06H，故它的溢出中斷時(shí)間為 250 個(gè)過零同步脈沖。該算法適用于變化緩慢的物理參數(shù)的采樣過程，如濕度、液位等。即對(duì)目標(biāo)參數(shù)連續(xù)采樣 6次數(shù)據(jù)，然后對(duì) 6 次采樣的數(shù)據(jù)由小到大排序，分別去掉最小值和最大值，將剩余的 4個(gè)數(shù)據(jù)求其算術(shù)平均值，即得到本次 A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。因此僅僅對(duì)模擬量采樣一次，我們是無法確定該結(jié)果是否可信的，必須經(jīng)過多次采樣，得到一個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)序列，通過某種處理后，才能得到一個(gè)可信度較高的結(jié)果。模擬電源和數(shù)字電源各自并接 ? 的陶瓷電容 (去 耦 電容 )。 (3)擴(kuò)充響應(yīng)曲線法 基于單片機(jī)的 恒溫控制系統(tǒng)的開發(fā) 21 在上述的兩種方法中，不需要預(yù)先知道對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，而是直接在閉環(huán)系統(tǒng)中進(jìn)行 PID 參數(shù)整定的。 我們知道， PID 控制器各參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響是，增大開環(huán)比例系數(shù) PK ，一般將加快系統(tǒng)的影響速度，在有靜差的情況下則有利于減小靜差 。盡管自 1940 年以來，許多先進(jìn)的控制方法不斷推出，基于單片機(jī)的 恒溫控制系統(tǒng)的開發(fā) 18 但由于 PID 控制方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、魯棒性好、可靠性高、參數(shù)易于整定 P， I，D 控制規(guī)律各自成獨(dú)立環(huán)節(jié)，可根據(jù)工業(yè)過程進(jìn)行組合，而且其應(yīng)用時(shí)期較長(zhǎng)，控制工程師們已經(jīng)積累了大量的 PID 控制器參數(shù)的調(diào)節(jié)經(jīng)驗(yàn)。在允許輸入信號(hào) OE 的控制下，再將轉(zhuǎn)換結(jié)果輸入到外部數(shù)據(jù)總線。相應(yīng)地址分配為 [10]： 0000H00FFH 8155 內(nèi)部 RAM 0100H 命令 /狀態(tài)口 0101H A 口 0102H B 口 0103H C 口 0104H 定時(shí)器低八位口 0105H 定時(shí)器高八位口 A/D 轉(zhuǎn)換電路 在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，控制或測(cè)量對(duì)象的有關(guān)變量，往往是一些連續(xù)變化的模擬量，如溫度、壓力、流量、位移、速度等物理量。圖 33 中鍵盤有 30個(gè)按鍵，分成六行（ L0L5）五列（ R0R4），只要某 個(gè) 鍵被按下，相應(yīng)的行線和列線才會(huì)接通。 ALE— 接鎖存器的 G， EA 接地。當(dāng) EA 輸入低電平時(shí)，不論片內(nèi)是否有程序存儲(chǔ)器，則 CPU 只能訪問片外程序存儲(chǔ)器。 3） RST/VPD、 ALE、 PROG、 PSEN 控制信號(hào)引腳。它 包含 CPU、震蕩器和時(shí)序電路、 4KB的 ROM、 256B 的 RAM、兩個(gè) 16定時(shí) /計(jì)數(shù)器 T0 和 T 4 個(gè) 8 位 I/O 端口（ P0、P P P3）、串行口等組成， 其中震蕩時(shí)序與時(shí)鐘組成定時(shí)控制部件。 系統(tǒng)軟件方案分析 目前， MCS51 單片機(jī)的開發(fā)主要用到兩種語言 :匯編 語言和 C 語 言。 8 0 5 1 單 片 機(jī)晶 閘 管 驅(qū)動(dòng) 電 路被 控 對(duì) 象 輸 出 值測(cè) 量 變 送 器A / D 轉(zhuǎn) 換給 定 值 圖 11 系統(tǒng)工作原理圖 系統(tǒng)性能要求及特點(diǎn) (1)系統(tǒng)性能要求 : (a)可以人為方便地通過控制面板或 PC 機(jī)設(shè)定控制期望的溫度值，系統(tǒng)應(yīng)能自動(dòng)將設(shè)備 加熱至此設(shè)定溫度值并能保持，直至重新設(shè)定為另一溫度值，即能實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)控制 ； (b)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì) 設(shè)備 溫度的測(cè)量并 且通過控制面板上的液晶 屏實(shí)時(shí)地 顯示溫度 ； (c)具有加熱保護(hù)功能的安全性要求 ； (d)模塊化設(shè)計(jì)，安裝拆卸簡(jiǎn)單，維修方便 ； (e)系統(tǒng)可靠性高，不易出故障 ； (f)盡量采用典型、通用的器件，一旦損壞，易于在市場(chǎng)上買到同樣零部件進(jìn)行替換。其中數(shù)字 PID控制器的參數(shù)可以在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)在線整定，因此具有較大的靈活性，可以得到較好的控制效果。非接觸式測(cè)溫方法是通過對(duì)輻射能量的檢測(cè)來實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量的方 法，其優(yōu)點(diǎn)是不破壞被測(cè)溫場(chǎng)，可以測(cè)量熱容量小的物體，適于測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的溫度，還可以測(cè)量區(qū)域的溫度分布，響應(yīng)速度較快。在很多生產(chǎn)過程中，溫度的測(cè)量和控制都直接和安全生產(chǎn)、提高生產(chǎn)效率、保證產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約能源等重大技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相聯(lián)系。自然界中任何物理、化學(xué)過程都緊密的與溫度相聯(lián)系。但由于檢測(cè)元件熱慣性的影響，響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)熱容量小的物體難以實(shí)現(xiàn)精確的測(cè)量，并且該方 法不適宜于對(duì)腐蝕性介質(zhì)測(cè)溫，不能用于超高溫測(cè)量，難于測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的溫度。前者稱為 模擬 PID 控制器，后者稱為數(shù)字 PID 控制器。 該 系統(tǒng)采用單閉環(huán)形式，其基本控制原理為 :將溫度設(shè)定值 (即基于單片機(jī)的 恒溫 控制系統(tǒng)的開發(fā) 4 輸入控制量 )和溫度反饋值同時(shí)送入控制電路部分，然后經(jīng)過調(diào)節(jié)器運(yùn)算得到輸出控制量，輸出控制量控制驅(qū)動(dòng)電路得到控制電壓施加到被控對(duì)象上，設(shè)備因此達(dá)到一定的溫度。從降低成本，器件供貨渠道充足的角度看，應(yīng)用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度控制系統(tǒng)是比較經(jīng)濟(jì)實(shí)用的。 MCS51 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu) 8051 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu) 如 圖 21所示。 2） XTAL1（ 19 腳）和 XTAL2（ 18腳）：接外部晶振的兩個(gè)引腳。若 PC 值超出 4KB 地址時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向片外程序存儲(chǔ)器。 C：控制總線： PSEN— 片外程序存儲(chǔ)器取指令控制信號(hào)，接 EPROM 的“ OE”。 8155 用作 鍵盤 /LED 顯示器接口電路。當(dāng) ＝ 0且 =0 時(shí)，選中 8155 的 RAM 工作；在 =1 和 =0 時(shí)， 8155 選中片內(nèi)三個(gè) I/O 端口。轉(zhuǎn)換結(jié)束，數(shù)據(jù)送三態(tài)緩沖鎖存器，同時(shí)發(fā)出 EOC 信號(hào)。 PID 控制 PID 控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，現(xiàn)今使用的 PID 控制器產(chǎn)生并發(fā)展于 19151940年期間。 PID 參數(shù)的整定有以下常用的方法 : (1)試湊法 這種方法是通過仿真或?qū)嶋H運(yùn)行，觀察系統(tǒng)對(duì)典型輸入作用的響應(yīng)曲線，根據(jù)各控制參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響，反復(fù)調(diào)節(jié)試湊，直到滿意為止，從而確 定 PID參數(shù)。 (d)根據(jù)控制度，即可以求出 T , PK ,IT 和 DT 的值。合理布置地線使電流局限在盡可能小的范圍內(nèi)，并根據(jù)地電流的大小和頻率設(shè)計(jì)相應(yīng)寬度的印刷電路和接地方式。 數(shù)字濾波 模擬信號(hào)都必須經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換后才能為單片機(jī)接受，如果模擬信號(hào)受到擾動(dòng)影響，將使 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果偏離真實(shí)值。本系統(tǒng)就采用了去極值平均濾波法。 (2)中值濾波法對(duì)目標(biāo)參數(shù)連續(xù)進(jìn)行若干次采樣，然后將這些采樣進(jìn)行排序，選取中間位置的采樣值為有效值。為了系統(tǒng)正常工作， T1 中斷服務(wù)程序的 執(zhí)行時(shí)間必須滿足 T0 的制一時(shí)間要求，因?yàn)?T1 的中斷是嵌套在 T0 中斷之中的。 硬件抗干擾措施 硬件抗干擾是應(yīng)用系統(tǒng)最基本和最主要的抗干擾手段，一般從防和抗兩方面入手來抑制干擾。這一步可以反復(fù)進(jìn)行，以期得到滿意的效果 。 其控制規(guī)律為 )11()( sTsTKsG DIP ??? （ 32） 式中 PK :比例系數(shù) IT :積分時(shí)間常數(shù) DT :微分時(shí)間常數(shù) 比 例微 分積 分y ( t )e ( t )u ( t ) 圖 37 PID 控制原理圖 PID 控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下 : (1)比例環(huán)節(jié)即時(shí)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào) )(te ，偏差一旦 產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差 。 1 2 . 5 %2 5 %5 0 %1 0 0 %ttttu ( t )u ( t )u ( t )u ( t )圖 36 可控硅功輸出與通斷時(shí)間關(guān)系 雙向可控硅管和加熱絲串聯(lián)接在交流 220V， 50Hz 交流試點(diǎn)回路。 目前有很多類型的 A/D 轉(zhuǎn)換芯片，它們?cè)谵D(zhuǎn) 換速度、轉(zhuǎn)換精度、分辨率以及使用價(jià)值上都各具特色，其中大多數(shù)積分型或逐次比較型的 A/D 轉(zhuǎn)換器對(duì)于高精度測(cè)量，其轉(zhuǎn)換效果不夠理想。 圖 34 帶有 I/O 接口和計(jì)時(shí)器的靜態(tài) RAM8155 8155 用作鍵盤 LED 顯示器接口電路，當(dāng) IO/M 為高電平時(shí)， 8155 選通片基于單片機(jī)的 恒溫控制系統(tǒng)的開發(fā) 15 內(nèi)的 I/O 端口。鎳鉻 /鎳鋁熱電偶適用于 0 Co 1000 Co 的溫度檢測(cè)范圍，相應(yīng)輸出電壓為0mV 。 基于單片機(jī)的 恒溫 控制系統(tǒng)的開發(fā) 10 圖 22