基于單片機(jī)的恒溫箱溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(編輯修改稿)
2025-07-17 12:37 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 行監(jiān)控，避免死機(jī)、程序跑飛或進(jìn)入死循環(huán)。采用看門狗電路則可以大大提高整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾能力態(tài)。本系統(tǒng)選用MAX813L，該芯片能夠監(jiān)控電源電壓、電池故障和微控制器的工作狀態(tài)。MAX813L引腳功能如下：1)MR(1腳)：手動(dòng)復(fù)位輸入，低電平有效。2)PRI(4腳) 、PFO(5腳)：分別為電源故障輸入和電源故障輸出。3)WDI(6腳)、WDO(8腳)：分別為看門狗輸入和看門狗輸出。4)RESET(7腳)：復(fù)位輸出。 MAX813L芯片主要特點(diǎn)：1)復(fù)位輸出：系統(tǒng)上電、掉電以及供電電壓降低時(shí)，第7腳產(chǎn)生復(fù)位脈沖，復(fù)位脈沖寬度的典型值為200ms，高電平有效。2)看門狗電路輸出：，則第8腳輸出一個(gè)低電平信號(hào)。3)手動(dòng)復(fù)位輸入：低電平有效，即第1腳輸入一個(gè)低電平，則地7腳產(chǎn)生復(fù)位輸出。4)，第5腳輸出一個(gè)低電平信號(hào)。(5) MAX813L與單片機(jī)的連接MAX813L的典型應(yīng)用電路如圖10所示，在軟件設(shè)計(jì)中。如果因某種原因進(jìn)入死循環(huán)。該低電平加到1腳，使MAX813L產(chǎn)生復(fù)位輸出，使單片機(jī)有效復(fù)位，擺脫死循環(huán)。另外，MAX813L也會(huì)產(chǎn)生復(fù)位輸出，使單片機(jī)處于復(fù)位狀態(tài)，不執(zhí)行任何指令，知道電壓電壓恢復(fù)正常，以有效防止因電源電壓較低使單片機(jī)產(chǎn)生錯(cuò)誤的動(dòng)作。圖10 MAX232與單片機(jī)接口電路電源電路圖11 電源電路 電源電路雖然簡(jiǎn)單，但需要功能可靠，要有CBB電容和高品質(zhì)的ELNA電容做退藕，設(shè)計(jì)所用的電源都是直流電源+5V，所用采用三端集成穩(wěn)壓器7805，可以方便的實(shí)現(xiàn)此功能，電路如圖11所示PID控制算法(1) PID的數(shù)學(xué)模型PID控制是一種比較成熟的控制理論,它通過(guò)比例、積分、微分三部分的合理組合可以用比較簡(jiǎn)單的方法獲得令人滿意的控制效果。PID的數(shù)學(xué)模型如圖12表示：圖12 PID數(shù)學(xué)模型給定值R(t)與實(shí)際值Y(t)構(gòu)成控制誤差: E（t）=R（t）Y（t） 式21PID控制器根據(jù)E(t)將誤差的比例(P)、積分(I)、和微分(D)通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)受控對(duì)象進(jìn)行控制，其控制規(guī)律如式2所示:U(t)=KP[e(t)+] 式22U(t)——控制器輸出函數(shù)。E(t)——控制器誤差函數(shù)。KP——比例系數(shù)。Ti——積分時(shí)間常數(shù)。Td——微分時(shí)間常數(shù)。一個(gè)最簡(jiǎn)單的控制器可以只有比例部分，它能夠產(chǎn)生與輸入信號(hào)成比例的輸出信號(hào)，所以誤差一旦產(chǎn)生，控制器立即就有控制作用，使被控制量朝著減小誤差的方向變化，控制作用的強(qiáng)弱取決于比例系數(shù)KP。比例控制的缺點(diǎn)是不能在設(shè)置點(diǎn)和反饋點(diǎn)之間產(chǎn)生零誤差(靜差)，為了產(chǎn)生有限的輸出信號(hào)，必須保持這種靜差。加大KP可以減小靜差，但是KP過(guò)大會(huì)導(dǎo)致動(dòng)態(tài)性能變壞，甚至?xí)归]環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。為了消除這種靜差，可以引入積分控制環(huán)節(jié)，積分環(huán)節(jié)能對(duì)誤差進(jìn)行記憶并積分，即使只存在很小的偏差，也可以將其積分后作用于操作部分，有利于消除靜差。但是積分作用具有滯后特性，它總是滯后于偏差的存在，這樣會(huì)使系統(tǒng)易于振蕩，結(jié)果往往超調(diào)，使被控變量波動(dòng)很大。積分控制常用于補(bǔ)償高精度的控制系統(tǒng)。微分控制能對(duì)誤差進(jìn)行微分，敏感出誤差的變化趨勢(shì)，將預(yù)期的動(dòng)作作用于操作部分，增大微分控制作用可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)，使超調(diào)量減小，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。缺點(diǎn)是微分控制對(duì)干擾同樣敏感，使系統(tǒng)抑制干擾的能力降低。微分控制可用于補(bǔ)償快速變化的控制系統(tǒng)。(2) PID控制規(guī)律的離散化為了用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)PID控制，必須將式表示PID控制規(guī)律的連續(xù)形式變成離散形式，才能通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)。若設(shè)溫度采樣周期為T,第n次采樣得到的輸入偏差為en,輸出為Un。微分用差分代替 式23積分用求和代替 式24 這樣PID控制器控制算法的離散形式改寫(xiě)為 式25這種算法的缺點(diǎn)是，由于是全量輸出，所以每次輸出均與過(guò)去的狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算時(shí)要對(duì)E(n)進(jìn)行累加，所以計(jì)算機(jī)工作量大。而且，因?yàn)橛?jì)算機(jī)輸出的U(n)對(duì)應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，如果計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，u(n)的大幅度變化會(huì)引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的大幅度變化，這種情況往往是生產(chǎn)實(shí)踐中不允許的，在某些場(chǎng)合，可能造成重大的生產(chǎn)事故，因此產(chǎn)生了增量式PID控制的控制算法。所謂增量式PID控制算法是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量U(n)。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的是控制量的增量時(shí)，可由式導(dǎo)出提供增量的PID控制算法。根據(jù)遞推規(guī)律得: 式26用式25減去式26可得： 式27改寫(xiě)成： = 式28事實(shí)證明，對(duì)于PID這樣簡(jiǎn)單的控制器，能夠適用于廣泛的工業(yè)和民用對(duì)象，并以其很高的性價(jià)比在市場(chǎng)中占主導(dǎo)地分反映了PID控制，但在工業(yè)控制過(guò)程中經(jīng)常會(huì)碰到大滯位，充后、時(shí)變的、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，其中有的是非線性系統(tǒng)。有的帶有延時(shí)和隨機(jī)干擾。有的無(wú)法獲得較準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型或者模型非常粗燥。對(duì)于以上這些系統(tǒng)，如果采用常規(guī)的PID控制器，則難以整定PID參數(shù)，因此比較難以達(dá)到預(yù)期的控制效果。同時(shí)，在實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，由于受到參數(shù)整定方法繁雜的困擾，常規(guī)PID控制器參數(shù)往往整定不良、性能欠佳，對(duì)運(yùn)行工礦的適用性很差。三、軟件設(shè)計(jì)溫度傳感器DS18B20模塊軟件設(shè)計(jì) DS18B20上電后處于空閑狀態(tài),需要控制器發(fā)能完成溫度轉(zhuǎn)換。DS18B20的單線通訊功能是分時(shí)完成的，具有嚴(yán)格的時(shí)序要求，而AT89C2051單片機(jī)并不支持單線傳輸,必須采用軟件的方法來(lái)模擬單線的協(xié)議時(shí)序。DS18B20的操作必須嚴(yán)格按照協(xié)議進(jìn)行。工作協(xié)議流程為：主機(jī)發(fā)復(fù)位脈沖初始化DS18B20→DS18B20發(fā)響應(yīng)脈沖→主機(jī)發(fā)ROM操作指令→主機(jī)發(fā)存儲(chǔ)器操作指令→數(shù)據(jù)傳輸。對(duì)DS18B20操作時(shí)，首先要將它復(fù)位。復(fù)位時(shí)，D
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