【文章內(nèi)容簡介】 量。其動態(tài)方程為： （其中 Kp 為比例放大系數(shù)； Ki 為積分時間常數(shù)； Kd 為微分時間常數(shù)） PID 調(diào)節(jié)器的離散化表達式為； 9 其增量表達形式為（ T 為采樣周期）： 控制方式 該控制系統(tǒng)是把輸出量檢測出來，經(jīng)過物理量的轉(zhuǎn)換，再反饋到輸入端去與給定量 進行比較（綜合），并利用控制器形成的控制信號通過執(zhí)行機構(gòu) SSR 對控制對象進行控 制，抑制內(nèi)部或外部擾動對輸出量的影響，減小輸出量的誤差，達到控制目的。在此控 制系統(tǒng)中單片機就 相當于常規(guī)控制系統(tǒng)中的運算器控制器，它對過程變量的實測值和設 定位之間的誤差信號進行運算然后給出控制信息，單片機的運算規(guī)則稱為控制法則或控 制算法。 第三章 系統(tǒng)硬件設計 10 總體設計框圖及說明 本系統(tǒng)是一個簡單的單回路控制系統(tǒng)，總體框圖如圖 2 所示。 單片機系統(tǒng)是整個 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、信號放大、 A/D 轉(zhuǎn)換 等電路；由于水溫變化是一個相對緩慢的過程 ，因此前向通道中沒有使用采樣保持電路； 信號的濾波可由軟件實現(xiàn)，以簡化硬件、降低硬件成本。 鍵盤設定：用于溫度設定，共三個按鍵。 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，經(jīng) A/D 轉(zhuǎn) 換后，送入 AT89C51 相應接口中，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 進行顯示設置溫度與測量溫度。 繼電器 /加熱棒：通過三極管控制繼電器的開關(guān)來完成對加熱棒的控制。 外部電路設計 溫度采集電路 采用溫度傳感器鉑電阻 Pt1000,對于溫度的精密測量而言 ,溫度測量部分是 整個系統(tǒng)設計的第一步。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鉑電阻溫度傳感 器 Pt1000，它的金屬鉑含量達 99. 9999%，因為鉑電阻的物理和化學性能在高 溫和氧化介質(zhì)中很穩(wěn)定、價格又便宜，常用作工業(yè)測量元件，以鉑電阻溫度計 作基準器線性好，溫度系數(shù)分散性小，在 0～ 100 攝氏度時，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量和標定 。 鉑熱電阻與溫度關(guān)系式 ， 其中： 11 Rt溫度為 t 攝氏度時的電阻； R0溫度為 0 攝氏度時的電阻； A、 B溫度系數(shù) A=*102/℃ ；其中 ； T任意溫度。 溫度控制電路 此部分通過控制繼電器的通斷從而控制加熱棒，采用對加在加熱棒兩端的電壓進行 通斷的方法進行控制，以實現(xiàn)對水加熱功率的調(diào)整，從而達到對水溫控制的目的，即在 閉環(huán)控制系統(tǒng)中對被控對象實施控制。 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)動電路和輸出（負載）電路 三部分組成。固態(tài)繼電器的輸入電路是 為 輸入控制信號提 供一個回路，使之成為固態(tài)繼電器的觸發(fā)信號源。固態(tài)繼電器的輸出電路是在觸發(fā)信號 的控制下，實現(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 導體器件和電子元件的電、磁和光特性來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 只有兩個輸入端（ A 和 B）及兩個輸出端 (C 和 D)，是一種 四端器件。工作時只要 在 A、 B 上加上一定的控制信號，就可以控制 C、 D 兩端之間的 “通 ”和 “斷 ”，實現(xiàn) “開關(guān) ” 的功能。 12 由于開關(guān)電路在不加特殊控制電路時，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 “過零控制電路 ”。為使其實現(xiàn)過零控制，就是要實現(xiàn)工頻電壓的過零檢 測，并給出脈沖信號，由單片機控制可控硅過零脈沖數(shù)目。當在其輸入端加入控制信號 時，輸出端接通，從而使得加熱棒加熱以致溫度上升；當此時撤離控制信號時，輸出端 斷開，而使加熱棒停止加熱從而溫度下降。 單 片機系統(tǒng)電路設計 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，當與計算機連接時，轉(zhuǎn)換電路的輸出可以直接連接 到 CPU 的數(shù)據(jù)總線上，無需附加邏輯接口電路。 采集數(shù)據(jù)時，首先微處理器執(zhí)行一條傳送指令，在指令執(zhí)行過程中，微處理器在控 14 制總線的同時產(chǎn)生 CS WR1 低電平信號， 啟動 A/D 轉(zhuǎn)換器工作， ADC0804 經(jīng) 100μS 后將輸入模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號存于輸出鎖存器，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取數(shù)。當微處理器通過總線查詢到 INTR 為低電平時，立即 執(zhí)行輸入指令，以產(chǎn)生 CS、 RD2 低電平信號到 ADC0804 相應引腳，將數(shù)據(jù)取出并存入 存儲器中。整個數(shù)據(jù)采集過程中，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。 鍵盤設置電路 單片機上的 P25 口接 S1， P26 口接 S2， P27 口接 S3。 S1：設置溫度的十位數(shù)： 0—9 S2：設置溫度的個位數(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，的溫度進行比較，通過軟件來控制加熱棒的開關(guān)。 15 數(shù)碼顯示電路 數(shù)碼管作為單片機系統(tǒng)最為常用的輸出器件，在顯示時可以由數(shù)字和少量字母組合 完成輸出功能的系統(tǒng)中應用十分方便。圖 23 為 AT89C51 最小系統(tǒng)以及一個四位共陰數(shù) 碼管， DIG0、 DIG DIG DIG3 分別與單片機的 P2 P2 P2 P24 相連，每一個 都擁有一個共陰的位選端。從而可以通過單片機選通所需顯示的數(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 10K 的排阻來保護 LED。 16 第四章 系統(tǒng)軟件設計 程序框架結(jié)構(gòu) 一個整體的系統(tǒng)軟件設計是由各個在系統(tǒng)里起著不同作用的模塊整合在一起，從而 實現(xiàn)系統(tǒng)的所要實現(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 主程序模塊對子程序模塊的調(diào)用進行管理，它主 要負責初始化 IO 口；等待鍵盤的 鍵 被按下，并調(diào)用相應的模塊進行處理；在適當?shù)臅r候接受 A/D 采樣的數(shù)據(jù)，并與所設 定的值進行比較，然后通過調(diào)用 PID 算法處理數(shù)據(jù)，處理后來控制繼電器的通斷，從而 控制熱電管達到控制水溫的目的。 程序流程圖及部分程序 主程序模塊 由于模塊化程序的設計，通過調(diào)用程序即可實現(xiàn)所用功能，主程序流程圖如圖 14 所示。寫程序時，調(diào)用程序前即系統(tǒng)運行首要先對系統(tǒng)進行初始化。然后對按鍵進行掃 描，對按鍵事件做出相應的反應。接下來看是否有溫度數(shù)據(jù)采集到，如果 有就進行 A/D