【文章內容簡介】 顯示溫青島理工大學畢業(yè)設計（論文） 9 度和濕度信息。 數(shù)碼顯示電路采用共陽級數(shù)碼管，由于 AT89C 51單片機每個 I/O口的拉電流只有 1～ 2mA，采用三極管驅動，通過 PC 0～ PC3進行位選，數(shù)據(jù)通過 PC4～ PC7輸出，經(jīng)過譯碼器 74LS47轉換成適合數(shù)碼管顯示的7段數(shù)據(jù)碼。顯示部分接到單片機的 J1接口上，其電路如圖 。 圖 動態(tài)顯示部分 至于鍵盤部分 采用非獨立的 4X4 矩陣鍵盤 ,接口為 89C 51 的 P1 口 ,其中 P10～ P13 為輸出口， P14～ P17 為輸入口。為減少單片機的工作量 ,采用中斷式鍵盤 ,在有鍵被按下產(chǎn)生中斷時中斷服務 程序才去掃描鍵盤 ,這樣大大減輕單片機的工作量 ，如圖 所示。 青島理工大學畢業(yè)設計（論文） 10 圖 4X4矩陣鍵盤 當 T295溫濕度傳感器采集到的溫度值和濕度值超出控制 系統(tǒng)設定的設定值時，并在規(guī)定的時間內沒有恢復時，單片機就發(fā)出超限報警，蜂鳴器發(fā)出蜂鳴聲紅色發(fā)光二極管發(fā)紅光，直到測量值 恢復 到設定值上 下 限范圍 ，報警才停止。報警信號由 ， 。 由于單片機的 I/O輸出電流只有 5mA，不足以驅動蜂鳴器，所以使用三極管驅動蜂鳴器， 如圖 。 圖 報警電路 鍵 盤部分與報警部分都接入 J1端子板，另一端接入 AT89C 51。 青島理工大學畢業(yè)設計（論文） 11 輸出部分 輸出部分如圖 ，執(zhí)行元件為電阻絲和風扇，其 輸 入 電壓為交流 220V,連接有斷路器實現(xiàn) 短路和過載保護 作用，由 PB PB3口輸出控制信號，控制過零型交流 SSR實現(xiàn)溫度和濕度的控制，在控制信號端和過零型交流 SSR之間添加自動 /手動開關，通過控制開關可實現(xiàn)系統(tǒng)的自動和手動功能互相切換的作用。 圖 輸出部分 固態(tài)繼電器，它是一種無觸點通斷型電子開關，是四端有源器件 ，其中兩個為控制輸入端，另外兩個為輸出受控端。為了實現(xiàn)輸入與輸出的隔離，器件采用高耐壓的光耦合器。當輸入信號有效時，主電路呈導通狀態(tài)，無信號時呈阻斷狀態(tài)，可以實現(xiàn)類似電磁繼電器的開關功能。 SSR是將 MOSFET、 GTR、普通晶閘管等組合在一起 與觸發(fā)電路封裝在一個模塊中，并且驅動電路與輸出電路實現(xiàn)電氣隔離，如圖 示。 過零電路吸收電路AC ~ S S R1234 青島理工大學畢業(yè)設計（論文） 12 圖 SSR內部結構圖 系統(tǒng)硬件部分的抗干擾設計 綜合以上設計中提到的抗干擾的措施和電路設計、布局、布線中需要考慮的抗 干擾原則 及各種常用抗干擾措施 [ 4 ]。 抑制干擾源的常用措施如下 : (1)繼電器線圈增加續(xù)流二極管，消除斷開線圈時產(chǎn)生的反電動勢干擾。續(xù)流 二極管會使繼電器的斷開時間滯后，增加穩(wěn)繼電器在單位時間內可動作的次數(shù)。 (2)在繼電器接點兩端并接火花抑制電路，減小電火花影響。 (3)信號輸入端加濾波電路，注意電容、電感引線要盡量短。 (4)電路板上每個 IC要并接一個 ，以減小 IC對電源的影響。注高頻電容的布線。 (5)單片機和大功率器件的地線要單獨接地，以減小相互干擾。大功率器件盡可能在電路邊緣。 (6)布線時避免 90度折線 ，減少高頻噪聲射。 切斷干擾傳播路徑的常用措施如下 : (1)充分考慮電源對單片機的影響，電源做好，整個電路的抗干擾就解決了一 大半。許多單 片 機對電源噪聲很敏感，要給單片機電源加濾波電路或穩(wěn)壓器，以減小電源噪聲對單片機的干擾?？捎?100歐姆電阻代替。 (2)在 I/O口與噪聲源之間應加隔離。也可 100O歐姆 電阻代替。 (3)注意晶振布線。晶振與單片機引腳盡量靠近，用地線把時鐘區(qū)隔離起來， 晶振外殼接地并固定。 (4)電路板合理分區(qū)，如強、弱信號、數(shù)字、模擬信號。盡可能把干擾源 (如電機，繼電器 )與敏感元件 (如單片機 )遠離。 (5)接地問題 為了是系統(tǒng)能正常工作和提高轉換精度而不受模擬地和數(shù)字地的干擾，需要將整個系統(tǒng)的接地進行處理，先將整個系統(tǒng)的模擬地和數(shù)字地分開接，然后通過 0Ω的電阻將模擬地和數(shù)字地接在一起。這樣能青島理工大學畢業(yè)設計（論文） 13 濾除較大的帶寬頻率，如圖 所示。 G N DR 1 50 G N D G N D模擬地 數(shù)字地 圖 共地接法 青島理工大學畢業(yè)設計（論文） 14 第 四 章 系統(tǒng)軟件設計 根據(jù)系統(tǒng)所要實現(xiàn)的不同功能，軟件部分分為主程序和子程序兩部分，子程序可分為 A/D采樣、溫濕度控制、動態(tài)顯示、鍵盤管理及串行通訊五部分，最后是對本系統(tǒng)中軟件部分的抗干擾設計。 主程序 圖 主程序流程圖 青島理工大學畢業(yè)設計（論文） 15 A/D 采樣子程序 在進行控制時，給定值是溫度值和濕度值，但在數(shù)據(jù)采集程序中，計算機采集到的是經(jīng)過 A/D轉換后大小為 0～ 255的數(shù)字量，為了方便運算，必須把這些無量綱的數(shù)字轉化為實際的溫度值 與濕度值，其標度變換按 式 : XA = 0A +( mA 0A )*( XN ON )/( mN ON ) () 式中 0A 一 次測量儀表的下限 ； mA 一 次測量儀表的上限 ； xA —— 實際測量值 ； ON 一一 儀表下限對應的數(shù)字量 ； mN 一一 儀表上限對應的數(shù)字量 ； XN 測 量值所對應的數(shù)字量。這樣就可以把設定的溫度值轉換成數(shù)字量，在和采集到的實際溫度值的數(shù)字量進行比較，求出偏差，進行控制 [5]。采樣子程序流程圖如圖。 青島理工大學畢業(yè)設計（論文） 16 圖 采樣子程序流程圖 溫濕度控制子程序 PID控制規(guī)律是廣泛應用的一種控制規(guī)律， PID控制規(guī)律表示比例(p ro p ort iona l) 積分 (integral )一微分 (diferent ial)控制即調節(jié)器的輸出與輸入是比例一積分一微分的關系。這種按偏差 比例 (p ropo rt ional )、積分 (integral )、 微分 (deri vati ve)PID控制，是連續(xù)系統(tǒng)中技術成熟，應用最廣泛的控制方法，具有原理簡單，易于實現(xiàn)，結構典型，參數(shù)整定方便，魯棒性強，適用面廣和效果顯著等特點，特別適用于對象動態(tài)特性不完全掌握、得不到精確數(shù)學模型、難以用控制理論進行分析和綜合的場合。在過程計算機控制系統(tǒng)中， PID算法仍然是應用最廣泛和最成功的控制算法，利用計算機運算速度快，容量大，邏輯判斷青島理工大學畢業(yè)設計（論文） 17 功能強，軟件變化等特點，不 是簡單地把模擬控制 PID算法數(shù)字化，而是進一步發(fā)展，使其具有智能化，更適合各種生產(chǎn)過程的控制要求。 PID控制器中的比例作用起糾正偏差的作用，其反應迅速，積分作用能清除靜差，改善系統(tǒng)靜態(tài)特性，微分作用有利于減小超調，克服震蕩，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，加快系統(tǒng)過渡過程的作用，但對過程或測量噪聲很敏感。微分作用的引進改善了系統(tǒng)動態(tài)特性。但也容易引進高頻干擾，在控制算法中，采用實際微分或加上低通濾波，將使控制性能顯著改善 。 PID控制器的數(shù)學模型可以用下式表示 : u(t )= PK [ e(t )+ ? ?TIdtteT0)(1 DT dttde)( ] () 式中 u(t )控制器的輸出 。 PK 比例系數(shù) 。 IT 積分時間常數(shù) 。 DT 微分時間常數(shù) 。e(t) — 偏差， e(t)=SPPV,S P和 PV分別為被控參數(shù)的設定值和實際值。 在以微處理機為硬件核心的控制系統(tǒng)當中，由于以采樣周期對輸入和輸出狀態(tài)進行實時采樣，故它是離散時間控制系統(tǒng)。在離散控制系統(tǒng)中， PID控制器采用差分方程表示。若選采樣周期為 T，將式 離散化處理，可得差分方程為 u (n )= PK {e(n)+ITT ??nk ke0 )(+ TTD [e(n)e(n 1)]} = PK e(n )+ IK ??nk ke0 )(+ DK [e(n)e(n1)] 式中 u (n )為本次 PID算法的控制輸出 ； e(n)為本次采樣所得的偏差信號 。e(n 1)為上次采樣所得的偏差信號 ； IK 為積分常數(shù) ； IK = PKITT DK 為微分常數(shù)； DK = PK TTD 式 PID算式。從式 以看到，每次的控制輸出都與系統(tǒng)過去的所有狀態(tài)有關，它需要對偏差 e進行不斷的累加，從而增大了計算機的計算量和存儲量，而且當給定值變更時，容易產(chǎn)生積分失控，發(fā)生閥門沖擊和超調。為了彌補這一缺陷，目前計算機控制系統(tǒng)中的 PID控制常用增量式算法 ， PID控制常用增量式算法 如下 ： 青島理工大學畢業(yè)設計（論文） 18 其中 0b = PK + IK + DK 1b = PK 2 DK 2b = DK 在計算機控制 系統(tǒng)中，采樣周期 T一般是恒定的，所以在確定了PK、IK和DK之后，僅需在內存中依次存放三個采樣周期的偏差值，即可求出控制增量。采用增量式算法不僅簡化了運算過程，而且還具有如下優(yōu)點 : (1)算式中沒有累加項，不會發(fā)生積分失控，也不易產(chǎn)生超調。 (2)由于控制輸出是控制值的增量，所以當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時影響范圍就小，也較容易實現(xiàn)自動 /手動切換。 (3)可以在程序中設置條件判斷，當 PID算式輸 出的控制增量超過允許范圍時，限制輸出的變化幅度，從而減小對被控系統(tǒng)的沖擊。 由于增量式算式給出的是每個采樣周期中控制輸出的變化量，所以必須通過一個積分環(huán)節(jié)才能得到實際位置的控制給定。在應用中，可采用步進電機作為閥門的驅動元件，計算機將增值轉換成向正方向或負方向的步進脈沖給出。如果執(zhí)行器是位置型的，計算機應采用式 給出控 制輸出值 ： u (n )=u (n