基于單片機的恒溫箱溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(編輯修改稿)
2025-07-17 12:37 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 行監(jiān)控，避免死機、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：1)復(fù)位輸出：系統(tǒng)上電、掉電以及供電電壓降低時，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腳輸出一個低電平信號。3)手動復(fù)位輸入：低電平有效，即第1腳輸入一個低電平，則地7腳產(chǎn)生復(fù)位輸出。4)，第5腳輸出一個低電平信號。(5) MAX813L與單片機的連接MAX813L的典型應(yīng)用電路如圖10所示，在軟件設(shè)計中。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，使單片機有效復(fù)位，擺脫死循環(huán)。另外，MAX813L也會產(chǎn)生復(fù)位輸出，使單片機處于復(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產(chǎn)生錯誤的動作。圖10 MAX232與單片機接口電路電源電路圖11 電源電路 電源電路雖然簡單，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,它通過比例、積分、微分三部分的合理組合可以用比較簡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)通過線性組合構(gòu)成控制量，對受控對象進(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——積分時間常數(shù)。Td——微分時間常數(shù)。一個最簡單的控制器可以只有比例部分，它能夠產(chǎn)生與輸入信號成比例的輸出信號，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，控制作用的強弱取決于比例系數(shù)KP。比例控制的缺點是不能在設(shè)置點和反饋點之間產(chǎn)生零誤差(靜差)，為了產(chǎn)生有限的輸出信號，必須保持這種靜差。加大KP可以減小靜差，但是KP過大會導(dǎo)致動態(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，這樣會使系統(tǒng)易于振蕩，結(jié)果往往超調(diào)，使被控變量波動很大。積分控制常用于補償高精度的控制系統(tǒng)。微分控制能對誤差進(jìn)行微分，敏感出誤差的變化趨勢，將預(yù)期的動作作用于操作部分，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。缺點是微分控制對干擾同樣敏感，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算機實現(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，才能通過編程實現(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為 式25這種算法的缺點是，由于是全量輸出，所以每次輸出均與過去的狀態(tài)有關(guān)，計算時要對E(n)進(jìn)行累加，所以計算機工作量大。而且，因為計算機輸出的U(n)對應(yīng)的是執(zhí)行機構(gòu)的實際位置，如果計算機出現(xiàn)故障，u(n)的大幅度變化會引起執(zhí)行機構(gòu)位置的大幅度變化，這種情況往往是生產(chǎn)實踐中不允許的，在某些場合，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)行機構(gòu)需要的是控制量的增量時，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改寫成： = 式28事實證明，對于PID這樣簡單的控制器，能夠適用于廣泛的工業(yè)和民用對象，并以其很高的性價比在市場中占主導(dǎo)地分反映了PID控制，但在工業(yè)控制過程中經(jīng)常會碰到大滯位，充后、時變的、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，其中有的是非線性系統(tǒng)。有的帶有延時和隨機干擾。有的無法獲得較準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型或者模型非常粗燥。對于以上這些系統(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，在實際生產(chǎn)現(xiàn)場，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，對運行工礦的適用性很差。三、軟件設(shè)計溫度傳感器DS18B20模塊軟件設(shè)計 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完成的，具有嚴(yán)格的時序要求，而AT89C2051單片機并不支持單線傳輸,必須采用軟件的方法來模擬單線的協(xié)議時序。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：主機發(fā)復(fù)位脈沖初始化DS18B20→DS18B20發(fā)響應(yīng)脈沖→主機發(fā)ROM操作指令→主機發(fā)存儲器操作指令→數(shù)據(jù)傳輸。對DS18B20操作時，首先要將它復(fù)位。復(fù)位時，D
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