【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 的其他的硬件，會(huì)增加實(shí)驗(yàn)成本，因此不選用。而Smith系統(tǒng)的穩(wěn)定性雖然高于位置式，但是其存在控制函數(shù)較為復(fù)雜，對(duì)存儲(chǔ)空間要求高的缺點(diǎn)，因此我決定選擇最為簡(jiǎn)單、也最為實(shí)用的位置式PID算法來進(jìn)行硬件的控制。六、方案、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 方案設(shè)計(jì)選擇單片機(jī)為控制核心，利用溫度傳感器，加熱棒等構(gòu)建溫度控制系統(tǒng)。控制算法采用位置式PID。 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 按照題目要求，我們用單片機(jī)作為控制器，通過編程實(shí)現(xiàn)其對(duì)溫控控制系統(tǒng)的控制。我們令溫度傳感器傳回的溫度與單片機(jī)內(nèi)部的溫度的設(shè)定至之差，通過PID相關(guān)算法運(yùn)算，轉(zhuǎn)換成PWM波最為控制信號(hào)輸出，控制繼電器的開關(guān)使執(zhí)行機(jī)構(gòu)（加熱棒）為被控對(duì)象（水杯內(nèi)的水）加熱，改變水的溫度。從而形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。與此同時(shí)，還可以通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)LCD液晶屏的控制，實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)顯示和溫度曲線的繪制。此外，我們還可以利用單片機(jī)使數(shù)據(jù)的返回電腦，從而實(shí)現(xiàn)利用電腦做出溫度變化曲線以及數(shù)據(jù)的分析。硬件結(jié)構(gòu)示意圖如61所示。單片機(jī)（STC12LE5A60S2）繼電器PWM加熱棒水杯溫度傳感器（DS18B20）LCD液晶屏~PC圖61 硬件結(jié)構(gòu)示意圖 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 我們利用軟件編程實(shí)現(xiàn)對(duì)于單片機(jī)的控制。主程序主要包括是數(shù)據(jù)定義以及一些子程序的調(diào)用。其中，子程序主要包括測(cè)溫子程序、顯示子程序、PID控制子程序、中斷子程序等等，其詳細(xì)功能在圖62中，在此不再贅述。主程序測(cè)溫子程序顯示子程序PID控制子程序中斷子程序?qū)崟r(shí)溫度測(cè)量；采樣時(shí)間50msLCD溫度顯示；刷新時(shí)間50msLCD打點(diǎn)記錄溫度曲線；打點(diǎn)時(shí)間增量式PID控制PWM波輸出；周期5s數(shù)據(jù)返回電腦；采樣時(shí)間1s圖62 軟件結(jié)構(gòu)示意圖七、硬件選型 單片機(jī)型號(hào)：STC12LE5A60S2STC12C5A60S2/AD/PWM 系列單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快812倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路,2路PWM,8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(250K/S一次，即25萬次/秒),??針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。其主要特點(diǎn)如下：1) 增強(qiáng)型 8051CPU，1T，單時(shí)鐘/機(jī)器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051；2) 工作電壓：STC12LE5A60S2 系列工作電壓： ；3) ISP（在系統(tǒng)可編程）/ IAP（在應(yīng)用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器可通過串口（）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片；4) 共4個(gè)16位定時(shí)器：兩個(gè)與傳統(tǒng)8051兼容的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,16位定時(shí)器T0和T1，沒有定時(shí)器2，但有獨(dú)立波特率發(fā)生器做串行通訊的波特率發(fā)生器,再加上2路PCA模塊可再實(shí)現(xiàn)2個(gè)16位定時(shí)器；5) PWM(2路）/ PCA（可編程計(jì)數(shù)器陣列,2路）；6) A/D轉(zhuǎn)換, 10位精度ADC，共8路，轉(zhuǎn)換速度可達(dá)250K/S(每秒鐘25萬次)；7) 通用全雙工異步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的8051，可再用定時(shí)器或PCA軟件實(shí)現(xiàn)多串口。 由上面介紹可知，該類型的單片機(jī)與普通C51相比，既有速度快、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，且片內(nèi)集成PWM及A/D轉(zhuǎn)換電路，功能強(qiáng)大，且程序下載較普通單片機(jī)更為簡(jiǎn)單，因此選用該型號(hào)的單片機(jī)。 溫度傳感器 常用的溫度傳感器有PT1000、AD590以及DS18B20?？紤]到前兩種傳感器均需A/D轉(zhuǎn)換電路才可完成測(cè)溫，因此選用電路更為簡(jiǎn)單、不需外接A/D就可測(cè)溫的DS18B20溫度傳感器。本次試驗(yàn)選用DS18B20傳感器，DS18B20是美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司繼DS1820之后最新推出的一種數(shù)字化單總線器件，屬于新一代適配微處理器的改進(jìn)型智能溫度傳感器。使用DS1SB20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡(jiǎn)單，可靠性更高。其測(cè)量溫度范圍為55℃～+125℃，在10℃~85℃范圍內(nèi)，℃?，F(xiàn)場(chǎng)溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，用符號(hào)擴(kuò)展的16位數(shù)字量方式串行輸出，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。因此，數(shù)字化單總線器件DS18B20適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量，如：環(huán)境控制、設(shè)備或過程控制、測(cè)溫類消費(fèi)電子產(chǎn)品等。它在測(cè)溫精度、轉(zhuǎn)換時(shí)間、傳輸距離、分辨率等方面較DS18B20都有了很大的改進(jìn)，給用戶帶來了更方便和更令人滿意的效果。DS18B20的性能特點(diǎn)如下：1) 采用DALLAS公司獨(dú)特的單線接口方式：DS18B20與微處理器連僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DSI8B20的雙向通訊；2) 在使用中不需要任何外圍元件。可用數(shù)據(jù)線供電，供電電壓范圍+~；3) 可用數(shù)據(jù)線供電，供電電壓范圍+~；4) 測(cè)溫范圍:55℃~125℃?！?。當(dāng)在10℃~+85℃范圍內(nèi)，℃，在55℃~+125℃范圍內(nèi)，測(cè)量誤差也不超過2℃；5) 通過編程可實(shí)現(xiàn)9~12位的數(shù)字讀數(shù)方式；6) 用戶可自設(shè)定非易失性的報(bào)警上下限值；7) 支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫；8) 負(fù)壓特性，即具有電源反接保護(hù)電路。當(dāng)電源電壓的極性反接時(shí)，能保護(hù)DS18B20不會(huì)因發(fā)熱而燒毀。但此時(shí)芯片無法正常工作；9) DS18B20的轉(zhuǎn)換速率比較高，；10) 適配各種單片機(jī)或系統(tǒng)； 加熱裝置 考慮到給水加熱的應(yīng)用環(huán)境及成本等因素，選用220V/150W加熱棒為溫度控制系統(tǒng)加熱。 顯示裝置為了能夠?qū)崟r(shí)顯示溫度，還需要顯示裝置。目前常用的顯示裝置有兩種——LED和LCD，考慮到LED電路較為復(fù)雜，且無法直接繪出溫度曲線，故選用銘正同創(chuàng)12864顯示模塊。其主要特點(diǎn)如下：1) 128 64 點(diǎn)陣；2) 串行SPI接口方式（僅寫入）；3) 自帶1212點(diǎn)和1616點(diǎn)漢字庫(kù)（包含一級(jí)和二級(jí)漢字庫(kù)）；4) 自帶6816點(diǎn)ASCII碼西文字庫(kù)（96個(gè)字符）；5) 自帶基本繪圖GUI功能（繪點(diǎn)、直線、矩形、矩形框、實(shí)心圓形、圓形框）；，直接輸入整型數(shù)顯示，而無需作變換；6) 帶有背光控制指令，只需一條指令便可控制背光亮度等級(jí)（0~127）。7) 控制環(huán)節(jié)本實(shí)驗(yàn)采用PWM波控制加熱棒的加熱。PWM波為高低電平，而加熱棒則需要220V交流供電，因此中間需要一個(gè)利用小電壓控制大電壓的控制環(huán)節(jié)。目前常用的有繼電器和光耦元件。光耦元件隔離效應(yīng)好，無聲音，但是成本也較高。而繼電器控制簡(jiǎn)單，電路簡(jiǎn)單，同時(shí)成本很低，基本可以完成PID的控制需要，因此在本實(shí)驗(yàn)中選用繼電器進(jìn)行控制。八、硬件電路及軟件設(shè)計(jì) 硬件電路 測(cè)溫電路圖81 測(cè)溫電路DS18B20外圍電路較為簡(jiǎn)單，只需在數(shù)據(jù)線和電源之間連接一個(gè)電阻。 繼電器電路圖82 繼電器電路，經(jīng)三極管8550放大電流后，與繼電器線圈端相連，與此同時(shí)，在線圈端，并上一個(gè)發(fā)光二極管，當(dāng)電路正在加熱時(shí)，二極管發(fā)光，這樣更加易于監(jiān)測(cè)電路。，三極管不能導(dǎo)通，繼電器處于常閉端。當(dāng)P1。2為低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，對(duì)電流放大，繼電器由常閉端吸合至常開端。 加熱電路圖83 加熱電路圖中R5即為加熱棒，三極管導(dǎo)通，繼電器吸合至常閉端，電路開始加熱。反之，電路斷開，不加熱。 顯示電路 由于選用的是銘正同創(chuàng)12864顯示模塊，在仿真軟件Proteus 7 Professional的元件庫(kù)中沒有該模型，因此該部分沒有進(jìn)行仿真。其管腳圖如下：圖84 銘正同創(chuàng)12864管腳圖 將電源與地與單片機(jī)分別連好。 軟件設(shè)計(jì) 主程序 在主程序中，先定義變量、并對(duì)中斷、顯示模塊、測(cè)溫DS18BPWM等模塊進(jìn)行初始化設(shè)置。設(shè)while（）循環(huán)。定時(shí)器1的定時(shí)時(shí)間為50ms。對(duì)于水溫加熱來說，溫度的變化不會(huì)很快，因此該采樣時(shí)間對(duì)于實(shí)際情況而言太小了。因此，我設(shè)了一個(gè)計(jì)數(shù)器cycle。只有定時(shí)器工作十次，也就是cycle9時(shí)，才開始溫度的測(cè)量和溫度顯示。然后根據(jù)實(shí)時(shí)溫度，計(jì)算PWM中低電平的時(shí)間，即以5s為一個(gè)周期，加熱的時(shí)間。在程序的最后，是畫圖部分。由于采用12864LCD，因此每一屏只能打128個(gè)點(diǎn)。，只需64秒即可將屏幕打滿。根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)，每一次實(shí)驗(yàn)時(shí)間大約5min左右。這樣算下來。因此在設(shè)一個(gè)計(jì)數(shù)器。如此循環(huán)。圖85為主程序流程圖。開始系統(tǒng)初始化cycle99NOYES溫度測(cè)量溫度顯示關(guān)中斷cycle=0開中斷計(jì)算PWM低電平時(shí)間子程序圖85 主程序流程圖 計(jì)算低電平數(shù)子程序 由于水溫控制系統(tǒng)為一階慣性遲滯環(huán)節(jié)，為使其控制更加穩(wěn)定，當(dāng)溫度與設(shè)定溫度之差小于2℃時(shí)，才執(zhí)行PID子程序。若大于2℃，直接令low_time=100。開始s=set，t=t/10stst2low_time=100PID子程序計(jì)算low_time返回low_timeNOYES PID子程序 采用位置式PID的控制方法。利用公式： 。返回算得的值。利用該值計(jì)算低電平數(shù)，即加熱的時(shí)間。開始Error=SetTemmSumError=SumError+ErrordError=ErrorLastErrorPrevError =LastErrorLastError = ErrorReturn Proportion * Error+ Integral * SumError+ Derivative * dError返回圖87 PID流程圖 中斷程序中斷程序中要完成兩方面的任務(wù)：其一是將溫度數(shù)據(jù)傳回電腦，其二是發(fā)出脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)發(fā)送出來。將溫度數(shù)據(jù)傳回電腦利用串口實(shí)現(xiàn)，波特率為9600。返回?cái)?shù)據(jù)的形式為16進(jìn)制數(shù)，難以讀數(shù)，我的方法是通過數(shù)學(xué)上的變換使十六進(jìn)制數(shù)看起來為十進(jìn)制數(shù)，是讀數(shù)更為簡(jiǎn)單。這些數(shù)據(jù)再經(jīng)matlab處理，即可以畫出溫度變化曲線。發(fā)出PWM信號(hào)的周期是5s，中斷的周期是50ms。因此我將PWM的信號(hào)周期分為100份，設(shè)計(jì)數(shù)器counter，當(dāng)counter=low_time時(shí)發(fā)低電平信號(hào)，為水加熱；其余部分為高電平，不加熱。開始++counter=lowtimeCounter=100PWM=0PWM=1counter=0定時(shí)器0賦初值cycle++返回YESYESNONO串口返回整數(shù)部分串口返回小數(shù)部分圖88 中斷子程序流程圖 其他 除此之外還有一些延時(shí)、顯示、溫度讀取等子程序，在此不再一一贅述。在本報(bào)告的最后附有整完整的KEIL程序。九、系統(tǒng)調(diào)試 硬件調(diào)試 在本次計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，我所設(shè)計(jì)的水溫控制系統(tǒng)外圍電路較為簡(jiǎn)單，所以在焊接方面也比較容易。但是，在電路焊好之后，我發(fā)現(xiàn)了一個(gè)問題——繼電器無法打開，但是與繼電器并聯(lián)的發(fā)光二極管卻可以正常工作。經(jīng)分析后我發(fā)現(xiàn)，由于電壓較小，導(dǎo)致經(jīng)三極管放大后的電流較小，不足以打開繼電器。為解決此問題，我首先想到的是換一個(gè)比我用的三極管8550放大倍數(shù)更大的管子，但是查閱了一些手冊(cè)后發(fā)現(xiàn)，8550在同等價(jià)格的三級(jí)管里放大倍數(shù)已經(jīng)不小了。因此，我考慮在只在繼電器這一邊利用5V供電。我先將繼電器相關(guān)電路與單片機(jī)斷開，利用5V電源給繼電器供電，繼電器成功打開了。此時(shí)，我檢查了一下與單片機(jī)相連的三極管基極的電流。隨后,我又查閱了一下單片機(jī)的手冊(cè)，單片機(jī)I/O口可以承受的電流為20mA左右，因此這種方案在理論上是可行的。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果也證實(shí)了我這一想法。 軟件調(diào)試 在軟件的編程上，我還是遇到了一些困難。主要是由于我以前沒有用過Keil，平時(shí)接觸單片機(jī)也不太多，好在Keil的界面很友好，又有C語言的基礎(chǔ)，雖然是費(fèi)了一番功夫，但最終還是完成了程序的編寫。在程序調(diào)試方面，我