【文章內(nèi)容簡介】 7所示。 圖 37 光電隔離及放大電路 過零檢測電路 過零檢測電路在每一個電源周期開始時產(chǎn)生一個脈沖，作為觸發(fā)器的同步信號 , 計數(shù)器 T0對其進行計數(shù)。其電路如圖 35所示。 220V交流電壓經(jīng)電阻限流后直接加到 2個反相并聯(lián)的光電偶器的輸入端。在交流電源的正負半周 , 分別導通 , 輸出低電平 , 在交流電源正弦波過零的瞬間 ,兩個光電耦合器均不導通 , 輸出高電平。該脈沖信號經(jīng)非門整形后作為單片機的中斷請求信號和可控硅的過零同步信號。 圖 38 過零檢測電路 12 4 軟件設計 本系統(tǒng)的控制軟件可設計為一個主程序和一個 T0通道中斷服務程序。主程序的功能是完成系統(tǒng)初始化及溫度和設定參數(shù)的顯示，由于只有 4位 LED，而溫度 BCD碼設定值正常工作時應在 85左右，不可能太小，故可以用它設定為小值時來選擇顯示參數(shù)； T0通道可定時 100ms，其中，定時 1s完成數(shù)據(jù)的采集、報警和顯示處理，定時 Tc秒完成控制算法的運算和控制輸出。源程序清單參考附錄 A。 設計步驟 系統(tǒng)的程序框圖 如圖 51所示，為主程序框圖，為 T0通道中斷服務程序框圖 。 T0中斷服務程序是溫度控制系統(tǒng)的主體程序，用于啟動 A/D轉(zhuǎn)換，讀入采樣數(shù)據(jù)，數(shù)字濾波，越限溫度報警和越限處理， PID計算和輸出可控硅的同步觸發(fā)脈沖等。 引腳上輸出的該同步觸發(fā)脈沖寬度由 T1計數(shù)器的溢出中斷控制， 89C51利用等待 T1溢出中斷空隙時間完成把本次采樣值轉(zhuǎn)換成顯示值而放入顯示緩沖區(qū)和調(diào)用溫度顯示程序。89C51從 T1中斷服務程序返回后便可恢復現(xiàn)場和返回主程序，以等待下次 T0中斷。主電路圖參考附錄 B。 13 圖 41 溫度控制系統(tǒng)程序框圖 14 PID 控制算法 前面提到，大多數(shù)的溫度控制系統(tǒng)可以看作一階純滯后環(huán)節(jié)，由于本系統(tǒng)純滯后時間較小，故可采用 PID（比例、積分、微分）控制算法實施控制。 PID 控制作用 PID是比例（ P）、積分（ I）和微分（ D） 3個控制作用的組合。連續(xù)系統(tǒng) PID控制器的微分方程為： y(t)= KPP[e(t)+ ? ? dttdeTddtteTi )()(1 ] （ 41） 式中 y(t)為控制器的輸出； e(t)為控制器的輸入； KP比例放大系數(shù)； TI為控制器的積分時間常數(shù)； TD為控制器的微分時間常數(shù)。 顯然， KP越大， 控制器的控制作用越強；只要 e(t)不為 0，積分項會因積分而使控制器的輸出變化；只要 e(t)有變化的趨勢，控制器就會在微分作用下，在偏差出現(xiàn)且偏差不大時提前給輸出一個較強的控制作用。 PID 算法的微機實現(xiàn) 由于微機控制系統(tǒng)是一種時間離散控制系統(tǒng)，故必須把微分方程離散化為差分方程，最終寫出遞推公式才能直接應用。 顯然： ? ?dtte )( ????njTtje0)( ??njje0)( （ 42） ?dttde )( ?? ?? t nene )1()( T nene )1()( ?? （ 43） 于是， ?)(nY KP{e(n)+TiT ??njje0)( +TTd [e(n)e(n1)]} （ 44） 式中Δ t=T，為采樣周期； e(t)為第 n次采樣的偏差 值； e(n1)為第 (n1)次采樣時的偏差值； n為采樣序列， n=0,1,2,?。 由式（ 44）可以看出：計算一次 Y（ n），不僅需要的存儲器空間大，而且計算量也很大，于是進一步寫出遞推公式： 15 由 Y（ n1） = KP {e(n1)+ TiT ???10)(njje +TTd [e(n1)e(n2)]} （ 45） 由式（ 4）減去式（ 5）得： Δ Y（ n） =Y(n)Y(n1) =KP {[e(n)e(n1)]+ ?)(neTiT TTd[e(n)2e(n1)+e(n2)]} = KP[e(n)e(n1)]+ KI e(n)+KD[e(n)2e(n1)+e(n2)] （ 46） 或 Y(n)=Y(n1)+ KP[e(n)e(n1)]+ KI e(n)+KD[e(n)2e(n1)+e(n2)]（ 47） 式中 KI=KPTiT ，稱為積分常數(shù)； KD=KP TTd ，稱為微分常數(shù)。 PID 算法的程序設計 在本控制系統(tǒng)中，烘箱溫度與給定值的偏差經(jīng)過單片機 PI算法運算后從 DAC0832輸出 0～ 10mA控制電流去控制電動閥的開度，所以應采用式（ 7）的位置式算法（且 KD=0即為 PI），即： YPI（ n） =Y(n1)+ KP[e(n)e(n1)]+ KI e(n)（ 48） 如果設 KP， KI為純小數(shù)， KP， KI， e(n),e(n1)分別放在 8031片內(nèi) RAM的 25H， 26H,29H,2AH中， PI結(jié)果 YPI（ n）放在 R3R4中，則 PI控制程序如下 : PI： MOV A， 29H ； e(n) CLR C SUBB A， 2AH ； e(n)e(n1) MOV B， 25H ； KP LCALL MULTS ； KP [e(n)e(n1)] MOV R4， A MOV R3， B ；暫存于 R3R4 MOV A， 29H ； e(n) MOV A， 26H ； KI LCALL MULTS ； KI e(n) ADD A， R4 MOV R4， A 16 MOV A， B ADDC A， R3 MOV R3， A ； R3R4= KP [e(n)e(n1)]+ KI e(n) RET MULTS： CLR F0 ；置 e(n)符號標志位為正 JNB ， MUL1 SETB F0 ； 置 e(n)符號標志位為負 CPL A INC A ；取絕對值 MUL1： MUL AB JNB F0， MUL2 CPL A ADD A， 1 MOV R2， A MOV A， B CPL A ADDC A， 0 MOV B， A MOV A， R2 ；還原為補碼 MUL2： RET 內(nèi)存分配 為了編程方便，可以把 89C51的內(nèi)部 128B RAM先進行分配；也可在程序中用標號代替，最后用 EQU或 DATA定義。如果先對內(nèi)存進行分配，本系統(tǒng)可分配為： 00H～ 07H， R0～ R7 供主程序使用 08H～ 0FH， R′ 0～ R′ 7 供 T0中斷服務程序使用 20H 定時 1s時間常 數(shù)（初值為 10） 21H 8255A口數(shù)據(jù)暫存（顯示器段碼） 22H 8255B口數(shù)據(jù)暫存（ D/A數(shù)據(jù)） 17 23H 8255C口數(shù)據(jù)暫存 24H 8031 P1 口的 T給定 BCD值暫存。當 T給定 =01H時，顯示的數(shù)據(jù)為 KP參數(shù)，格式為 P；當 T給定 =02H，顯示器顯示的數(shù)據(jù)為 KI參數(shù)，格式為 I；當 T給定 =03H，顯示器顯示的數(shù)據(jù)為 Tc參數(shù)，格式為 T； T給定 為其他值（ 85℃左右），顯示器顯示的數(shù)據(jù)為溫度測量值 25H KP參數(shù)暫存 26H KI參數(shù)暫存 27H Tc參數(shù)暫存 28H T測量值 （ A/D）暫存 29H e(n)參數(shù)暫存 2AH e(n1)參數(shù)暫存 2BH～ 2EH 4次 A/D值暫存 2FH 定時 Tc秒調(diào)節(jié)工作單元 30H～ 31H T測量 BCD碼值暫存、格式為 . 32H T測量值 實際溫度暫存 50H～ 7BH SP指針工作區(qū) 7CH～ 7FH 顯示緩沖區(qū)（從左到右） 注釋 ① A/D轉(zhuǎn)換 程序─ — ADC 它的功能為對 4路 A/D進行 4次采樣，取平均值后存于內(nèi)存相應單元。 ②標度變換子程序─ — BDBH 它的功能是把溫度 A/D值變換為供顯示的 BCD碼值（含 1 位小數(shù)），格式為 .，存放于 30H 和 31H 中（ 31H 為低位），并把整數(shù)部分存放在 32H（十六進制數(shù)）。標度變換原理為：若 A/D滿量程（ 5V 電壓， A/D值為 FFH）對應的溫度為 TM，則任意溫度A/D 值 NA/D對應的實際溫度 TX為： TX=255Tm NA/D如果把溫度變送器校準為 A/D 滿量程（ 5V電壓 ）對應的溫度為 ℃，則任意 A/D 值下的實際溫度只需把該 A/D 值乘 即可，由于保留 1位小數(shù)，可把該值乘 5，顯示時在第三位 LED 顯示出小數(shù)點即可。 ③顯示子程序─ — DISUP 18 它的功能是把顯示緩沖區(qū)（ 7CH～ 7FH）的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為 7段代碼送 4 位 LED 顯示。設計時應注意送位選信號時不能破壞 PC 口的其他位，還應注意顯示溫值時第三位 LED 有小數(shù)點。 19 5 結(jié)論 本設計介紹的單片機溫度控制系統(tǒng)，可了解微機系統(tǒng)硬、軟件的構(gòu)成及各種控制參數(shù)變化對系統(tǒng)動、靜態(tài)特性的影響。 系統(tǒng)用 PID控制算法實現(xiàn)溫度控制，可以使系統(tǒng)的精度達到 177?！?，準確度和穩(wěn)定性都可以令人滿意。系統(tǒng)還以單回路控制為例，極易擴展成多回路控制。 采集電路調(diào)試： 為使溫度采集電路輸出的電壓與溫度的關(guān)系符合理論設計數(shù)值，可用一點測試法。在室溫 27℃ 時，調(diào)節(jié)電位器 Rw1，使 AD590對地電阻為 1KΩ ，運放正端輸入電壓 V+=300mV時， V0=。也可采用兩點測試法，當溫度在 0～ 50℃ 之間變化時，運放正端輸入電壓 V+約為 273～ 323mV，調(diào)試時用可調(diào)電壓信號模擬溫度信號輸入到運放正端，調(diào)節(jié)電位器 Rw2使 V+=273mV時， V0=0V。調(diào)節(jié) Rt2使 V+=323mV時， Vo=5V，則 5V/5O℃=100mV/℃ 即為輸出精度。因軟件還要校正測溫值，故基本符合上述數(shù)值即可。采用兩點測試法較精確，故用兩點法。 數(shù)碼顯示調(diào)試： 調(diào)試中發(fā)現(xiàn)發(fā)光二極管的亮度一直很微弱，用萬用表測量可知，其輸入電壓只有 ，勉強能夠發(fā)光，而 89C51輸出的電壓依然為 5V左右，分析知 89C51在串行口工作方式下，負載很重，發(fā)光二極管分得的電流較小，使其不能正常發(fā)光。在