【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 樣周期可使控制回路性能改善，但采樣周期縮短時(shí)，頻繁的采樣必然會(huì)占用較多的計(jì)算工作時(shí)間，同時(shí)也會(huì)增加計(jì)算機(jī)的計(jì)算負(fù)擔(dān)，而對(duì)有些變化緩慢的受控對(duì)象無(wú)需很高的采樣頻率即可滿意地進(jìn)行跟蹤，過(guò)多的采樣反而沒(méi)有多少實(shí)際意義。 二、選擇采樣周期的原則――采樣定理 最大采樣周期 maxmax 21fT ? (20) 式中 maxf 為信號(hào)頻率組分中最高頻率分量。 三、選擇采樣周期應(yīng)綜合考慮的因素 加到被控對(duì)象上的給定值變化頻率越高，采樣頻率應(yīng)越高，以使給定值的改變通過(guò)采樣迅速得到反映，而不致在隨動(dòng)控制中產(chǎn)生大的時(shí)延。 (1)考慮對(duì)象變化的緩急，若對(duì)象是慢速的熱工或化工對(duì)象時(shí)， T 一般取得較大。在對(duì)象變化較快的場(chǎng)合， T 應(yīng)取得較小。 (2)考慮干擾的情況，從系統(tǒng)抗干擾的性能要求來(lái)看，要求采樣周期短，使擾動(dòng)能迅速得到校正。 式和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的類(lèi)型 (1)采樣周期太小，會(huì)使積分作用、微分作用不明顯。同時(shí)，因受微機(jī)計(jì)算精度的影響，當(dāng)采樣周期小到一定程度時(shí)，前后兩次采樣的差別反映不出來(lái)，使調(diào)節(jié)作用因此而減弱。 (2)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作慣性大，采樣周期的選擇要與之適應(yīng)，否則執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)不及反應(yīng)數(shù)字控制器輸出值的變化。 要求控制的回路較多時(shí)，相應(yīng)的采樣周期越長(zhǎng)，以使每個(gè)回路的調(diào)節(jié)算法都有足夠的時(shí)間來(lái)完成?？刂频幕芈窋?shù) n與采樣周期 T有如下關(guān)系： ??? nj jTT 1 (21) 式中， Tj 是第 j個(gè)回路控制程序的執(zhí)行時(shí)間。 基于單片機(jī)與 PC機(jī)的溫度控制 系統(tǒng)軟件 設(shè)計(jì) 10 數(shù)字 PID控制的參數(shù)選擇 一、數(shù)字 PID 參數(shù)的原則要求和整定方法 ： 被控過(guò)程是穩(wěn)定的，能迅速和準(zhǔn)確地跟蹤給定值的變化，超調(diào)量小，在不同干擾下系統(tǒng)輸出應(yīng)能保持在給定值，操作變量不宜過(guò)大，在系統(tǒng)與環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化時(shí)控制應(yīng)保持穩(wěn)定。顯然，要同時(shí)滿足上述各項(xiàng)要求是困難的，必須根據(jù)具體過(guò)程的要求，滿足主要方面，并兼顧其它方面。 參數(shù)整定方法： 理論計(jì)算法――依賴(lài)被控對(duì)象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型（一般較難做到） 工程整定法―― 不依賴(lài)被控對(duì)象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，直接在控制系統(tǒng)中進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)整定（簡(jiǎn)單易行） 二、常用的簡(jiǎn)易工程整定法 [6]――適用于有自平衡特性的被控對(duì)象 整定數(shù)字調(diào)節(jié)器參數(shù)的步驟是： (1)選擇采樣周期為被控對(duì)象純滯后時(shí)間的十分之一以下。 (2)去掉積分作用和微分作用，逐漸增大比例度系數(shù) PK 直至系統(tǒng)對(duì)階躍輸入的響應(yīng)達(dá)到臨界振蕩狀態(tài) (穩(wěn)定邊緣 )，記下此時(shí)的臨界比例系數(shù) K 及系統(tǒng)的臨界振蕩周期 KT 。 (3)選擇控制度。 模擬控制度?????????????????0202)(e)(edttdttDDC (22) 通常，當(dāng)控制度為 時(shí)。就可以認(rèn)為 DDC 與模擬控制效果相當(dāng)。 (4)根據(jù)選定的控制度，得 T、 KP、 TI、 TD的值。 ――適用于多容量自平衡系統(tǒng) 參數(shù)整定步驟如下： (1)讓系統(tǒng)處于手動(dòng)操作狀態(tài)，將被調(diào)量調(diào)節(jié)到給定值附近，并使之穩(wěn)定下來(lái)，然后突然改變給定值，給對(duì)象一個(gè)階躍輸入信號(hào)。 (2)用記錄儀表記錄被調(diào)量在階躍輸入下的整個(gè)變化過(guò)程曲線，如 圖 37 所示。 基于單片機(jī)與 PC機(jī)的溫度控制 系統(tǒng)軟件 設(shè)計(jì) 11 圖 37 被調(diào)量在階躍輸入下的整個(gè)變化過(guò)程曲線 (3)在曲線最大斜率處作切線，求得滯后時(shí)間τ，被控對(duì)象時(shí)間常數(shù) Tτ以及它們的比值 Tτ /τ。 (4)由求得的τ、 Tτ及 Tτ /τ，即可求得數(shù)字調(diào)節(jié)器的有關(guān)參數(shù) KP、 TI、 TD及采樣周期 T。 令 KTT ? ， KI TT ? ， KD TT ? 。則增量型 PID 控制的公式簡(jiǎn)化為 ? ?)2()1()()( ?????? neneneKnu P (23) 改變 KP，觀察控制效果，直到滿意為止。 基于以上的分析在本設(shè)計(jì)中 ,采用擴(kuò)充響應(yīng)曲線法對(duì)參數(shù)進(jìn)行整定。 基于單片機(jī)與 PC機(jī)的溫度控制 系統(tǒng)軟件 設(shè)計(jì) 12 4. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 軟件開(kāi)發(fā)工具簡(jiǎn)介 一 、單片機(jī)開(kāi)發(fā)工具 本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具采用 KEIL51 標(biāo)準(zhǔn) C 編譯器 KEIL C51,在 保留匯編代碼高效 、 快速 性的同時(shí) 為 8051 微控制器的軟件開(kāi)發(fā)提供 C 語(yǔ)言環(huán)境。 C51 集成到 uVision2 開(kāi)發(fā)環(huán)境 ，這個(gè)環(huán)境 包 括 ：編譯器，匯編器，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，調(diào)試器 。 SLISP 支持 串行 、 并行 兩種 通信下載線 ， 支持的 AT89S51/52 和 AVR 系列器件 。 燒錄文件格式 為 INTEL 格式的 HEX 文件、 EEP 文件，二進(jìn)制 BIN 文件。通過(guò)串口和下載線相連接，支持 USB 轉(zhuǎn)換成的串口通信 。 在使用并行下載線編程時(shí)，編程速度是可以調(diào)節(jié)的， 可以 根據(jù)自己系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率選擇 模式 。 二 、 PC 機(jī)開(kāi)發(fā)工具 VB VB是微軟公司出品的一個(gè)快速可視化程序開(kāi)發(fā)工具軟件，借助微軟在操作系統(tǒng)和辦公軟件的壟斷地位， VB 在短短的幾年內(nèi)風(fēng)靡全球。 VB 是極有和功能強(qiáng)大的軟件，主要表現(xiàn)在：所見(jiàn)即所得的界面設(shè)計(jì)，基于對(duì)象的設(shè)計(jì)方法，極短的軟件開(kāi)發(fā)周期，較易維護(hù)的生成代碼 [6]。 美國(guó)微軟公司在 1991 年推出 至今 ，版本已經(jīng)演變到 Visual Basic 2020(也被稱(chēng)為 VB8)[7]， 本系統(tǒng)采用各方面均較為成熟的 運(yùn)行在 win2020， winxp， windowsNT等操作系統(tǒng)下，是一個(gè) 32 位的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)工具。它主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)： 。它在 windows 平臺(tái)上提供了圖形用戶界面（ GUI）的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（ IDE）。 Basic 語(yǔ)言。它既適用于沒(méi)有任何編程經(jīng)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)者學(xué)習(xí)，也適合于開(kāi)發(fā)各種復(fù)雜的底層應(yīng)用 程序。 。 Visual Basic 提供了許多現(xiàn)成的字符串處理函數(shù)。 。除了簡(jiǎn)單易學(xué)的特點(diǎn)以外， Visual Basic 還是一種易于擴(kuò)充功能的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。 IntelliSense 技術(shù)。當(dāng)你在 Visual Basic 的代碼窗口敲進(jìn)對(duì)象名稱(chēng)的時(shí)候IntelliSense 技術(shù)會(huì)自動(dòng)向你顯示一些相關(guān)的信息，例如對(duì)象的屬性和方法等。 。利用這些向?qū)?，你可以快速地完成一般性的任?wù)，例如生成其控件不綁定到數(shù)據(jù)控件上的純代碼窗體，建立查詢(xún)，添加工 具，制作圖表，以及發(fā)布創(chuàng)建的應(yīng)用程序等。 C51 單片機(jī)軟件開(kāi)發(fā)語(yǔ)言 C語(yǔ)言是一種通用的計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。由于匯編程序的可讀性和可移植性都較差，基于單片機(jī)與 PC機(jī)的溫度控制 系統(tǒng)軟件 設(shè)計(jì) 13 而 C語(yǔ)言既是一種高級(jí)語(yǔ)言，又兼有一些匯編語(yǔ)言才具有的特點(diǎn)，其表達(dá)能力和運(yùn)算能力和運(yùn)算能力都很強(qiáng)，并且具有很好的可移植性的硬件控制能力，編寫(xiě)代碼效率高，軟件調(diào)試直觀，維護(hù)升級(jí)方便。同時(shí)， C 語(yǔ)言具有完善的模塊程序結(jié)構(gòu)和功能豐富的庫(kù)函數(shù)，在軟件開(kāi)發(fā)中可以采用模塊化程序設(shè)計(jì)方法，并可以方便地調(diào)用庫(kù)函數(shù)一些常用的功能。再說(shuō)現(xiàn)在的單片機(jī)程序存儲(chǔ)器容量越來(lái)越大，因此 不用像過(guò)去那樣對(duì)程序規(guī)模大小斤斤計(jì)較，這也有利于 C 語(yǔ)言程序在單片機(jī)上的推廣應(yīng)用。此外，使用 C 語(yǔ)言進(jìn)行 MCS51 系列單片機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，編程者可以專(zhuān)注于應(yīng)用軟件部分的設(shè)計(jì)，不必將大量的精力花在內(nèi)存分配等底層工作上，從而大大地加快了軟件的開(kāi)發(fā)速度， C 語(yǔ)言程序的可讀性比匯編語(yǔ)言好得多，對(duì)于程序的改進(jìn)和擴(kuò)充也方便得多，因此越來(lái)越多的設(shè)計(jì)人員選用 C語(yǔ)言來(lái)開(kāi)發(fā)單片機(jī)控制程序 [8]。 鑒于 C 語(yǔ)言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性和可維護(hù)性上比匯編有明顯的優(yōu)勢(shì)， 編程有眾 多優(yōu)點(diǎn)，在本設(shè)計(jì)中，采用的是 C 語(yǔ)言編寫(xiě)程序。 一、 C語(yǔ)言的關(guān)鍵字共有 32 個(gè)，根據(jù)關(guān)鍵字的作用，可分其為數(shù)據(jù)類(lèi)型關(guān)鍵字、控制語(yǔ)句關(guān)鍵字、存儲(chǔ)類(lèi)型關(guān)鍵字和其它關(guān)鍵字四類(lèi)。 （ 12 個(gè)）： ? char ：聲明字符型變量或函數(shù) ? double ：聲明雙精度變量或函數(shù) ? enum ：聲明枚舉類(lèi)型 ? float：聲明浮點(diǎn)型變量或函數(shù) ? int： 聲明整型變量或函數(shù) ? long ：聲明長(zhǎng)整型變量或函數(shù) ? short ：聲明短整型變量或函數(shù) ? signed：聲明有符號(hào)類(lèi)型變量或函數(shù) ? struct：聲明結(jié)構(gòu)體變量或函數(shù) ? union：聲明共用體（聯(lián)合）數(shù)據(jù)類(lèi)型 ? unsigned：聲明無(wú)符號(hào)類(lèi)型變量或函數(shù) ? void ：聲明函數(shù)無(wú)返回值或無(wú)參數(shù)，聲明無(wú)類(lèi)型指針（基本上就這三個(gè)作用） （ 12 個(gè)）： (1)循環(huán)語(yǔ)句 ? for：一種循環(huán)語(yǔ)句 (可意會(huì)不可言傳） ? do ：循環(huán)語(yǔ)句的循環(huán)體 ? while ：循環(huán)語(yǔ)句的循環(huán)條件 ? break：跳出當(dāng)前循環(huán) ? continue：結(jié)束當(dāng)前循環(huán)，開(kāi)始下一輪循環(huán) (2)條件語(yǔ)句 ? if: 條件語(yǔ)句 ? else ：條件語(yǔ)句否定分支（與 if 連用） 基于單片機(jī)與 PC機(jī)的溫度控制 系統(tǒng)軟件 設(shè)計(jì) 14 ? goto：無(wú)條件跳轉(zhuǎn)語(yǔ)句 (3)開(kāi)關(guān)語(yǔ)句 ? switch :用于開(kāi)關(guān)語(yǔ)句 ? case：開(kāi)關(guān) 語(yǔ)句分支 ? default：開(kāi)關(guān)語(yǔ)句中的 “ 其他 ” 分支 (4)返回語(yǔ)句 ? return ：子程序返回語(yǔ)句（可以帶參數(shù)，也看不帶參數(shù)） （ 4 個(gè)） ? auto ：聲明自動(dòng)變量 一般不使用 ? extern：聲明變量是在其他文件正聲明（也可以看做是引用變量） ? register：聲明積存器變量 ? static ：聲明靜態(tài)變量 （ 4 個(gè)）： ? const ：聲明只讀變量 ? sizeof：計(jì)算數(shù)據(jù)類(lèi)型長(zhǎng)度 ? typedef：用以給數(shù)據(jù)類(lèi)型取別名（當(dāng)然還有其他作用 ? volatile：說(shuō)明變量在程序執(zhí) 行中可被隱含地改變 二、 C 語(yǔ)言中的 9 中控制語(yǔ)句 ? goto 語(yǔ)句 :無(wú)條件轉(zhuǎn)向 。 ? if語(yǔ)句 :判斷語(yǔ)句 。 ? while 循環(huán)語(yǔ)句 。 ? dowhile 語(yǔ)句 :先執(zhí)行循環(huán)體 ,然后判斷循環(huán)條件是否成立 . 之后繼續(xù)循環(huán) 。 ? for 語(yǔ)句 :循環(huán) ,可替代 while 語(yǔ)句 。 只是用法不同 。 ? break 語(yǔ)句跳出本層的循環(huán) 。(只跳出包含此語(yǔ)句的循環(huán) ) ? continue語(yǔ)句 :繼續(xù) (一般放到循環(huán)語(yǔ)句里 ,不在執(zhí)行它下面的語(yǔ)句 ,直接跳到判斷語(yǔ)句例 :for 語(yǔ)句 ,就直接跳到第二個(gè)分號(hào)處 ,while 語(yǔ)句 ,就直接跳到 while()的括號(hào)里 。 ? switch 語(yǔ)句 :多相選擇 。 ? return 語(yǔ)句 :返回 。 單片機(jī)主程序的軟件 設(shè)計(jì) 由于系統(tǒng)程序比較復(fù)雜，為了便于編寫(xiě)、調(diào)試、修改，統(tǒng)程序的編寫(xiě)采用了模塊化的結(jié)構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)包括主模塊、初始化模塊、溫度檢測(cè)模塊、中斷服務(wù)模塊、控制算法模塊、輸出控制模塊等幾個(gè)部分，其軟件總體結(jié)構(gòu)如圖 41所示。 基于單片機(jī)與 PC機(jī)的溫度控制 系統(tǒng)軟件 設(shè)計(jì) 15 圖 41單片機(jī) 軟件總體結(jié)構(gòu) 圖 42單片機(jī) 程序結(jié)構(gòu)框圖 圖 43單片機(jī) 程序初始化結(jié)構(gòu) 單片機(jī) 中斷服務(wù)子程序的實(shí)現(xiàn) 中斷是指當(dāng)計(jì)算機(jī)執(zhí)行正常程序時(shí)，由于系統(tǒng)中出現(xiàn)某些需要緊急處理的情況或特殊請(qǐng)求時(shí)，計(jì)算機(jī)打斷當(dāng)前正在運(yùn)行的程序，轉(zhuǎn)而對(duì)這些緊急情況進(jìn)行處理，處理完畢后，再返回繼續(xù)執(zhí)行原來(lái)被打斷的程序。 中斷控制方式使單片機(jī)在平時(shí)可以有充分的時(shí)間去處理主要事件，而當(dāng)外界有特殊情況需要處理時(shí)單片機(jī)也不會(huì)錯(cuò)過(guò)。充分地利用單片機(jī)的中斷功能，可以提高單片機(jī)的工作效率，尤其是在編制實(shí)時(shí)性要求較高的控制程序時(shí)。 8051 系列單 片機(jī)的中斷共分 2個(gè)優(yōu)先級(jí)， 5個(gè)中斷源。每個(gè)中斷源的優(yōu)先級(jí)都是可以編程的。 8051 單片機(jī)的 5 個(gè)中斷源分別是： ? 外部中斷請(qǐng)求 0，由 INT0 輸入。 ? 外部中斷請(qǐng)求 1，由 INT1 輸入。 ? 片內(nèi)定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 0溢出中斷請(qǐng)求。 ? 片內(nèi)定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 1溢出中斷請(qǐng)求。 ? 片內(nèi)串行口發(fā)送 /接收中斷請(qǐng)求。 除了以上 5個(gè)中斷外，對(duì)于 8052 系列單片機(jī)來(lái)說(shuō)，還增加了一個(gè)片內(nèi)定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器主模塊 初始化 溫度檢測(cè)模塊 控制算法模塊 中斷服務(wù)模塊 控制輸出模塊 串口通信模塊 初始化 讀溫度 處理溫 度數(shù)據(jù) 顯示溫度 傳送溫度至 PC 機(jī) 初始化端口 開(kāi)機(jī)顯示 8888 開(kāi)機(jī)先轉(zhuǎn)換一次溫度 初始化定時(shí)器 開(kāi)啟定時(shí)器 基于單片機(jī)與 PC機(jī)的溫度控制 系統(tǒng)軟件 設(shè)計(jì) 16 2溢出中斷請(qǐng)求。 一、定時(shí)中斷服務(wù)程序 通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器 T0 進(jìn)行 10ms 定時(shí)，再通過(guò)寄存器進(jìn)行計(jì)數(shù)，以實(shí)現(xiàn) 2s 定時(shí)中斷的要求。進(jìn)入中斷服務(wù)程序后， 可進(jìn)行當(dāng)前溫度的檢測(cè)及顯示，根據(jù)所測(cè)值與設(shè)定值比較進(jìn)行溫度控制等。圖 44 為定時(shí)器 T0