【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 量。其動(dòng)態(tài)方程為： （其中 Kp 為比例放大系數(shù)； Ki 為積分時(shí)間常數(shù)； Kd 為微分時(shí)間常數(shù)） PID 調(diào)節(jié)器的離散化表達(dá)式為； 9 其增量表達(dá)形式為（ T 為采樣周期）： 控制方式 該控制系統(tǒng)是把輸出量檢測(cè)出來(lái)，經(jīng)過(guò)物理量的轉(zhuǎn)換，再反饋到輸入端去與給定量 進(jìn)行比較（綜合），并利用控制器形成的控制信號(hào)通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu) SSR 對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控 制，抑制內(nèi)部或外部擾動(dòng)對(duì)輸出量的影響，減小輸出量的誤差，達(dá)到控制目的。在此控 制系統(tǒng)中單片機(jī)就 相當(dāng)于常規(guī)控制系統(tǒng)中的運(yùn)算器控制器，它對(duì)過(guò)程變量的實(shí)測(cè)值和設(shè) 定位之間的誤差信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算然后給出控制信息，單片機(jī)的運(yùn)算規(guī)則稱為控制法則或控 制算法。 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 10 總體設(shè)計(jì)框圖及說(shuō)明 本系統(tǒng)是一個(gè)簡(jiǎn)單的單回路控制系統(tǒng)，總體框圖如圖 2 所示。 單片機(jī)系統(tǒng)是整個(gè) 控制系統(tǒng)的核心， AT89C51 可以提供系統(tǒng)控制所需的 I/O 口、中斷、定時(shí)及存放中間結(jié) 果的 RAM 電路；前向通道是信息采集的通道，主要包括傳感器、信號(hào)放大、 A/D 轉(zhuǎn)換 等電路；由于水溫變化是一個(gè)相對(duì)緩慢的過(guò)程 ，因此前向通道中沒(méi)有使用采樣保持電路； 信號(hào)的濾波可由軟件實(shí)現(xiàn)，以簡(jiǎn)化硬件、降低硬件成本。 鍵盤(pán)設(shè)定：用于溫度設(shè)定，共三個(gè)按鍵。 數(shù)據(jù)采樣：將由傳感器及相關(guān)電路采集到的溫度轉(zhuǎn)為電壓信號(hào)，經(jīng) A/D 轉(zhuǎn) 換后，送入 AT89C51 相應(yīng)接口中，換算成溫度值，用于控制和顯示。 數(shù)據(jù)顯示：采用了共陰極數(shù)碼管 LED 進(jìn)行顯示設(shè)置溫度與測(cè)量溫度。 繼電器 /加熱棒：通過(guò)三極管控制繼電器的開(kāi)關(guān)來(lái)完成對(duì)加熱棒的控制。 外部電路設(shè)計(jì) 溫度采集電路 采用溫度傳感器鉑電阻 Pt1000,對(duì)于溫度的精密測(cè)量而言 ,溫度測(cè)量部分是 整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一步。溫度傳感器的選擇是這塊電路的關(guān)鍵，它是直接影響 整個(gè)系統(tǒng)的性能與效果的關(guān)鍵因素之一。這里采用的是精密級(jí)鉑電阻溫度傳感 器 Pt1000，它的金屬鉑含量達(dá) 99. 9999%，因?yàn)殂K電阻的物理和化學(xué)性能在高 溫和氧化介質(zhì)中很穩(wěn)定、價(jià)格又便宜，常用作工業(yè)測(cè)量元件，以鉑電阻溫度計(jì) 作基準(zhǔn)器線性好，溫度系數(shù)分散性小，在 0～ 100 攝氏度時(shí)，最大非線性偏差小 于 攝氏度，性能穩(wěn)定，廣泛用于精密溫度測(cè)量和標(biāo)定 。 鉑熱電阻與溫度關(guān)系式 ， 其中： 11 Rt溫度為 t 攝氏度時(shí)的電阻； R0溫度為 0 攝氏度時(shí)的電阻； A、 B溫度系數(shù) A=*102/℃ ；其中 ； T任意溫度。 溫度控制電路 此部分通過(guò)控制繼電器的通斷從而控制加熱棒，采用對(duì)加在加熱棒兩端的電壓進(jìn)行 通斷的方法進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)水加熱功率的調(diào)整，從而達(dá)到對(duì)水溫控制的目的，即在 閉環(huán)控制系統(tǒng)中對(duì)被控對(duì)象實(shí)施控制。 此部分的繼電器采用的是 SSR 繼電器，即固態(tài)繼電器，主要由輸入（控制）電路， 驅(qū)動(dòng)電路和輸出（負(fù)載）電路 三部分組成。固態(tài)繼電器的輸入電路是 為 輸入控制信號(hào)提 供一個(gè)回路，使之成為固態(tài)繼電器的觸發(fā)信號(hào)源。固態(tài)繼電器的輸出電路是在觸發(fā)信號(hào) 的控制下，實(shí)現(xiàn)固態(tài)繼電器的通斷切換。輸出電路主要由輸出器件（芯片）和起瞬態(tài)抑 制作用的吸收回路組成，固態(tài)繼電器（ SSR）是一種全電子電路組合的元件，它依靠半 導(dǎo)體器件和電子元件的電、磁和光特性來(lái)完成其隔離和繼電切換功能。 圖 5 是它的工作原理框圖，圖 11 中的部件 ① ④ 構(gòu)成交流 SSR 的主體，從整體上看， SSR 只有兩個(gè)輸入端（ A 和 B）及兩個(gè)輸出端 (C 和 D)，是一種 四端器件。工作時(shí)只要 在 A、 B 上加上一定的控制信號(hào)，就可以控制 C、 D 兩端之間的 “通 ”和 “斷 ”，實(shí)現(xiàn) “開(kāi)關(guān) ” 的功能。 12 由于開(kāi)關(guān)電路在不加特殊控制電路時(shí)，將產(chǎn)生射頻干擾并以高次諧波或尖峰等污染 電網(wǎng)，為此特設(shè) “過(guò)零控制電路 ”。為使其實(shí)現(xiàn)過(guò)零控制，就是要實(shí)現(xiàn)工頻電壓的過(guò)零檢 測(cè)，并給出脈沖信號(hào)，由單片機(jī)控制可控硅過(guò)零脈沖數(shù)目。當(dāng)在其輸入端加入控制信號(hào) 時(shí)，輸出端接通，從而使得加熱棒加熱以致溫度上升；當(dāng)此時(shí)撤離控制信號(hào)時(shí)，輸出端 斷開(kāi)，而使加熱棒停止加熱從而溫度下降。 單 片機(jī)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 13 系統(tǒng)框圖 A/D 轉(zhuǎn)換電路 ADC0804 是 CMOS 集成工藝制成的逐次比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器芯片。分辨率為 8 位， 轉(zhuǎn)換時(shí)間為 100μs，輸出電壓范圍為 0～ 5V，增加某些外部電路后，輸入模擬電壓可為 177。5V。該芯片內(nèi)有輸出數(shù)據(jù)鎖存器，當(dāng)與計(jì)算機(jī)連接時(shí)，轉(zhuǎn)換電路的輸出可以直接連接 到 CPU 的數(shù)據(jù)總線上，無(wú)需附加邏輯接口電路。 采集數(shù)據(jù)時(shí)，首先微處理器執(zhí)行一條傳送指令，在指令執(zhí)行過(guò)程中，微處理器在控 14 制總線的同時(shí)產(chǎn)生 CS WR1 低電平信號(hào)， 啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換器工作， ADC0804 經(jīng) 100μS 后將輸入模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)存于輸出鎖存器，并在 INTR 端產(chǎn)生低電平表示轉(zhuǎn)換 結(jié)束，并通知微處理器可來(lái)取數(shù)。當(dāng)微處理器通過(guò)總線查詢到 INTR 為低電平時(shí)，立即 執(zhí)行輸入指令，以產(chǎn)生 CS、 RD2 低電平信號(hào)到 ADC0804 相應(yīng)引腳，將數(shù)據(jù)取出并存入 存儲(chǔ)器中。整個(gè)數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，由微處理器有序地執(zhí)行若干指令完成， AD0804 的連 接圖如圖 10。 鍵盤(pán)設(shè)置電路 單片機(jī)上的 P25 口接 S1， P26 口接 S2， P27 口接 S3。 S1：設(shè)置溫度的十位數(shù)： 0—9 S2：設(shè)置溫度的個(gè)位數(shù)： 0—9 S3：工作模式選擇鍵，共有兩種工作模式正常工作狀態(tài)、溫度重新設(shè)置。 系統(tǒng)上電后，數(shù)碼管全部顯示為零，根據(jù)按 S1 次數(shù)，十位的數(shù)碼管順序增加。同 樣 S2，的溫度進(jìn)行比較，通過(guò)軟件來(lái)控制加熱棒的開(kāi)關(guān)。 15 數(shù)碼顯示電路 數(shù)碼管作為單片機(jī)系統(tǒng)最為常用的輸出器件，在顯示時(shí)可以由數(shù)字和少量字母組合 完成輸出功能的系統(tǒng)中應(yīng)用十分方便。圖 23 為 AT89C51 最小系統(tǒng)以及一個(gè)四位共陰數(shù) 碼管， DIG0、 DIG DIG DIG3 分別與單片機(jī)的 P2 P2 P2 P24 相連，每一個(gè) 都擁有一個(gè)共陰的位選端。從而可以通過(guò)單片機(jī)選通所需顯示的數(shù)碼管。 SegASegDp 口傳輸要顯示的數(shù)據(jù)，利用其串 /并轉(zhuǎn)換功能，送入數(shù)碼管顯示。在此外接了一個(gè) 10K 的排阻來(lái)保護(hù) LED。 16 第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 程序框架結(jié)構(gòu) 一個(gè)整體的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是由各個(gè)在系統(tǒng)里起著不同作用的模塊整合在一起，從而 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的所要實(shí)現(xiàn)的功能。本系統(tǒng)硬件接口如下： P1AD； P00～ P07LEDa～ LEDdp.； P25～ P27S1～ S3； P20～ P23COM1～ COM3； 此系統(tǒng)包括主控制程序， A/D 采樣數(shù)據(jù)處理程序， PID 算法程序， LED 顯示及按鍵處理 程序。結(jié)構(gòu)框架圖如圖 13 所示。 17 主程序模塊對(duì)子程序模塊的調(diào)用進(jìn)行管理，它主 要負(fù)責(zé)初始化 IO 口；等待鍵盤(pán)的 鍵 被按下，并調(diào)用相應(yīng)的模塊進(jìn)行處理；在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候接受 A/D 采樣的數(shù)據(jù)，并與所設(shè) 定的值進(jìn)行比較，然后通過(guò)調(diào)用 PID 算法處理數(shù)據(jù)，處理后來(lái)控制繼電器的通斷，從而 控制熱電管達(dá)到控制水溫的目的。 程序流程圖及部分程序 主程序模塊 由于模塊化程序的設(shè)計(jì)，通過(guò)調(diào)用程序即可實(shí)現(xiàn)所用功能，主程序流程圖如圖 14 所示。寫(xiě)程序時(shí)，調(diào)用程序前即系統(tǒng)運(yùn)行首要先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化。然后對(duì)按鍵進(jìn)行掃 描，對(duì)按鍵事件做出相應(yīng)的反應(yīng)。接下來(lái)看是否有溫度數(shù)據(jù)采集到，如果 有就進(jìn)行 A/D