【文章內(nèi)容簡介】 15 q2=KPTD/T=5 控制的實現(xiàn) 根據(jù)上式可以編程實現(xiàn)對熱水器溫度的控制，對加溫的溫度控制可以采用調(diào)節(jié)供電電壓或在一定的時間循環(huán)周期內(nèi)的供電時間比例來調(diào)節(jié)加溫控制溫度，本系統(tǒng)采用雙向晶閘管來實現(xiàn)，所以這里采用調(diào)節(jié)加溫時間比例的辦法來實現(xiàn)控制。所以系 統(tǒng)經(jīng)PID 計算出的數(shù)據(jù)要轉化為晶閘管導通時間占單位周期時間的比例。 我們設定一個標準的加溫周期，以 30S 為標準，本系統(tǒng)就在這個 30S 內(nèi)對輸出進行控制，也就是說在這個 30S 內(nèi)加溫多少時間，全速加溫就是連續(xù)整個周期都加溫，停止加溫就是完全不輸出。設定當設定溫度減實際溫度大于十時全速加溫，當設定溫度減實際溫度小于等于 10 時運行 PID 算法。所以本系統(tǒng)的控制范圍為 10℃。根據(jù)計算可以讓加溫時間在 0— 30S 內(nèi)變化，比如計算所得我們在這一個周期內(nèi)應加溫 10S，經(jīng)過 30S 以后再檢測水的溫度，通過計算應加溫 8S 等。這里除了加 溫以外就是不加溫，等待下一個周期到來。在下一個周期再進行計算下一周期系統(tǒng)的輸出量，周而復始，不斷修正系統(tǒng)的輸出量，以實現(xiàn)對溫度的有效控制。為了使程序處理的方便，我們在程序內(nèi)部使用單片機的兩個個定時器。因為定時時間超出了定時器直接定時時間，所以使兩個定時器都工作在自動重裝狀態(tài)。設定 T0 定時時間為 30S， 30S 時間到檢測是否運行 PID 算法，得出 T1 的溢出次數(shù)，設置定時器 T1 溢出次數(shù)，當溢出次數(shù)到預定值時，即定時到了規(guī)定單位時間。系統(tǒng)執(zhí)行 PID 運算并設置定時器 T1 溢出次數(shù)。定時器 T1 溢出次數(shù)用于實現(xiàn)晶閘管在單位時 間內(nèi)的導通時間。通過溢出次東華理工大學畢業(yè)設計（論文） PID控制策略 9 數(shù)的設定，我們可以對 30S 進行細分，我們把 30S 進行 100 等分，單位為 300MS，這樣的輸出單位對本系統(tǒng)的水溫度控制來說已經(jīng)足夠細了。因為控制范圍為 10℃對應的溢出次數(shù)為 0100，所以得到的溫度誤差乘以 10 即為定時器 T1 不加 PID 運算的溢出次數(shù)。將溫度誤差乘以 10 后得到的數(shù)值代入 PID 的到的即為 T1 的溢出次數(shù)。 東華理工大學畢業(yè)設計（論文） PID控制策略 10 3. 硬件電路 硬件合理選擇和優(yōu)化配置直接決定了熱水器溫度控制系統(tǒng)的可靠性，以及控制效果的優(yōu)劣，根據(jù)認真仔細的比較本文選用如下的硬件來實現(xiàn)系統(tǒng)要求的功能。 AT89C51 單片機簡介 AT89C51 是一個低電壓，高性能 CMOS 8 位單片機 ， 帶有 4K 字節(jié)的可反復擦寫的程序存儲器（ PENROM）。和 128 字節(jié)的存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM），這種器件采用ATMEL 公司的高密度、不容易丟失存儲技術生產(chǎn)，并且能夠與 MCS51 系列的單片機兼容。片內(nèi)含有 8 位中央處理器和閃爍存儲單元， 所以功能較強 的 AT89C51 單片機能夠 提供一種安全可靠的控制方案，而 被應用到控制領域中。 AT89C51 單片機的引腳如圖 31 所示： 圖 31 AT89C51 AT89C51 單片機主要功能部 件包括中央處理器、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器、片內(nèi)程序東華理工大學畢業(yè)設計（論文） 軟件結構和程序框圖 11 存儲器、震蕩電路、電源與復位電路并行 I/O 接口、定時器 /計數(shù)器、中斷系統(tǒng)組成。簡要介紹一下本文用到的一些部件 中央處理器 中央處理器（ CPU）是 AT89C51 單片機的核心部件，其字長為 8 位，主要由運算器和控制器等部件組成。運算器用于實現(xiàn)對操作數(shù)的算術邏輯運算和位操作?？刂破魇菃纹瑱C的智慧控制部件，控制器的主要任務是識別指令，并根據(jù)指令的性質控制單片機各功能部件，從而保證單片機各部分能自動而協(xié)調(diào)地工作。 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器 89C51 單片機內(nèi)部數(shù) 據(jù)存儲器容量僅為 256B，與片外數(shù)據(jù)存儲器空間（ 64K）相獨立，采用 8 位地址碼尋址。其中低地址空間的 128B（ 00— 7FH）供用戶使用，可按規(guī)定規(guī)劃為工作寄存區(qū)、堆棧區(qū)、位尋址數(shù)據(jù)存儲器區(qū)和通用數(shù)據(jù)存儲器區(qū)；高地址空間的 128B（ 80— FFH）為特殊功能寄存器（ FSR），實際中只用到 26B，其地址分布并不連續(xù)。 片內(nèi)程序存儲區(qū) 89C51 單片機內(nèi)部程序存儲器容量為 4KB，分布在整個 64K 程序存儲器空間的低地址空間 . 振蕩器和時序電路 89C51 單片機內(nèi)部有震蕩電路，只需外接石英晶 體振蕩器和頻率微調(diào)電容即可產(chǎn)生 0— 24MHz 震蕩脈沖信號（震蕩周期為單片機工作的最小時間單位），震蕩脈沖經(jīng)定時電路處理，產(chǎn)生 CPU 工作的各種時序信號。 電源與復位 89C51 單片機采用 DC5V 供電工作電流為 30mA 左右，在掉電方式下，電流消耗可大大降低。 89C51 單片機需要外部電路提供上電或手動復位信號（高電平脈沖），使單片機內(nèi)各部件回到初始狀態(tài)。 并行 I/O 端口 89C51 單片機有四個 8 位并行 I/O（輸入 /輸出）端口，每個端口均是準雙向口，助記符分別為 P0、 P P P3，通 過 32 個引腳將各 I/O 端口線全部引出，與外部建立聯(lián)絡。外圍電路的連接就主要通過這些 I/O 口實現(xiàn)與單片機的數(shù)據(jù)傳輸。 東華理工大學畢業(yè)設計（論文） 軟件結構和程序框圖 12 定時 /計數(shù)器 在單片機實際應用中，往往需要精確的定時或對外部事件進行計數(shù)。 89C51 單片機內(nèi)部設置的兩個定時 /計時器為此提供了便利。兩個定時 /計數(shù)器的助記符分別為T0、 T1，可以設置為計數(shù)方式，實現(xiàn)對外部事件的計數(shù)；也可以設置為定時方式，實現(xiàn)精確定時。 中斷系統(tǒng) 89C51 單片機采用向量中斷邏輯，可以處理 5 個中斷源的中斷請求，并依據(jù)中斷優(yōu)先級安排進入相應的中斷服務程 序。 5 個中斷源的中斷向量為固定值，采用高低兩級優(yōu)先權隊列和固定優(yōu)先級相結合的管理模式。由于堆棧區(qū)容量限制，僅允許兩級中斷嵌套，即高優(yōu)先權隊列的中斷請求可中斷低優(yōu)先權隊列的中斷服務，但同等優(yōu)先權隊列的高級別中斷不能中斷該隊列中的低優(yōu)先級中斷服務。 時鐘電路 時鐘電路用于產(chǎn)生單片機工作時所必須的時鐘控制信號。 89C51 單片機的內(nèi)部電路在時鐘信號控制下，嚴格地按照時序執(zhí)行指令進行工作。單片機各功能部件的運行都是以時鐘控制信號為基準工作的。因此，時鐘頻率直接影響單片機的速度，時鐘電路的質量也直接影響單片機系 統(tǒng)的穩(wěn)定運行。常用的時鐘電路設計有兩種方式，一種是內(nèi)部時鐘方式，另一種為外部時鐘方式。內(nèi)部時鐘方式受到的影響較少，能夠提供更加穩(wěn)定的信號，所以本文采用內(nèi)部時鐘方式。 內(nèi)部時鐘方式的電路連接圖 32 所示： 圖 32 晶振硬件連接 電路中的電容 C1 和 C2 典型值通常選擇為 30pF 左右。對外接電容的值雖然沒有嚴格的要求，但電容的大小會影響振蕩器頻率的高低、振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快速性。晶振的震蕩頻率的范圍通常是在 — 12MHz 之間。但時鐘頻率越高單片機的運行速度越快，但對電子器件的要求越高?？紤]到所需的定時時間以及擴展和 PC東華理工大學畢業(yè)設計（論文） 軟件結構和程序框圖 13 機的通信，本文選用 的頻率。 看門狗電路 看門狗 ,又叫 watchdog timer,是一個定時器電路 , 一般有一個輸入 ,叫喂狗 ,一個輸出到 89C51 的 RST 端 ,89C51 正常工作的時 候 ,每隔一端時間 輸出一個信號到喂狗端 ,給 WDT 清零 ,如果超過規(guī)定的時間不喂狗 ,(一般在程序跑飛時 ),WDT 定時超過 ,就回給出一個復位信號到 89C51 使 89C51 復位 . 防止 89C51 死機 . 看門狗的作用就是防止程序發(fā)生死循環(huán)，或者說程序跑飛。 系統(tǒng)運行以后也就啟動了看門狗的計數(shù)器，看門狗就開始自動計數(shù)，如果到了一定的時間還不去清看門狗，那么看門狗計數(shù)器就會溢出從而引起看門狗中斷，造成系統(tǒng)復位。 MAX813 片內(nèi)看門狗定時器用于 監(jiān)測單片機 的活動。如果在 內(nèi) WDI 端沒有收到來自 89C51 的觸 發(fā)信號，并且 WDI 處于非高阻態(tài)，則 WDO 輸出變低。只要復位信號有效或 WDI 輸入高阻，則看門狗定時器功能就被禁止，且保持清零和不計時狀態(tài)。復位信號的產(chǎn)生會被禁止定時器，可一旦復位信號撤消并且 WDI 輸入端檢測到短至 50ns 的低電平或高電平跳變，定時器將開始 的計時。即 WDI 端的跳變會清零定時器并啟動一次新的計時周期。 看門狗電路連接及資源分配如圖 33所示。 圖 33 看門狗電路 溫度檢測及變送單元 當將單片機用作測控系統(tǒng)時，系統(tǒng)要有被測信號得輸入，由控制器拾取必要的輸入信息。對于控制系統(tǒng)而言， 如何準確獲得被測信號是其核心任務；而對測控系統(tǒng)來講，對被控對象狀態(tài)的測試和對控制條件的監(jiān)察也是不可缺少的環(huán)節(jié)。 東華理工大學畢業(yè)設計（論文） 軟件結構和程序框圖 14 傳感器是實現(xiàn)測量與控制的首要環(huán)節(jié)，是測控系統(tǒng)的關鍵部件，如果沒有傳感器對原始被測信號進行準確可靠的捕捉和轉換，一切準確的測量和控制都將無法實現(xiàn)。家用電器的自動化測量和控制，幾乎主要依靠各種傳感器來檢測和控制生產(chǎn)過程中的各種參量，使設備和系統(tǒng)正常運行在最佳狀態(tài)，從而保證控制的高效率和高質量。 熱電偶 溫度控制過程中，首先要取得外界的溫度。然后與預訂定溫度相比較來判斷執(zhí)行什么樣的操作。熱電 偶作為一種主要的測溫元件，具有結構簡單、制造容易、使用方便、測溫范圍寬、測溫精度高等特點，被廣泛應用于水溫度控制過程中。但熱電偶輸出電勢及其微弱，而且存在冷端溫度誤差和輸出電勢與被測溫度的非線性問題，易引起較大測量誤差，尤其在以單片機為核心器件的智能裝置中，需進行復雜的信號放大、A/D 轉換、查表線性、溫度補償及數(shù)字化輸出接口等軟硬件設計，硬件芯片使用過多，軟件編寫任務重，不能適應現(xiàn)階段產(chǎn)品集成化、模塊化的需要。 MAX6675 是 MAXIM 公司推出的 K 型熱電偶串行模數(shù)轉換器，它能獨立完成信號放大、冷端補償、線 性化、 A/D 轉換及 SPI 串口數(shù)字化輸出功能，大大簡化了熱電偶測量智能裝置的軟硬件設計。所以本文采用 MAX6675 作為溫度傳感器。 MAX6675 的介紹 MAX6675 封裝在 SO8 腳的芯片中，推薦工作電壓為一單 +5V 直流電壓，連續(xù)工作時的功耗僅為 ，電流為 50mA，適用于在體積不大，不利散熱的裝置條件下使用，其引腳圖如圖 34 所示。 圖 34 MAX6675 引腳圖 其中 SO 為 SPI 串行輸出端口引腳； CS 為片選信號； SCK 為串行時鐘輸入； T+、T分別接熱電偶的測量端和冷端。 東華理工大學畢業(yè)設計（論文） 軟件結構和程序框圖 15 MAX6675 的工作原理與功能 根據(jù)熱電偶測溫原理，熱電偶的輸出熱電勢不僅與測量端的溫度有關，而且與冷端的溫度有關，使用硬件電路進行冷端補償時 ，雖能部分改善測量精度，但由于熱電偶使用環(huán)境的不同及硬件電路本身的局限性，效果并不明顯；而使用軟件補償，通常是使用微處理機表格法或線性電路等方法來減小熱電偶本身非線性帶來的測量誤差，但同時也增加了程序編制及調(diào)試電路的難度。 MAX6675 對其內(nèi)部元器件參數(shù)進行了激光修正，從而對熱電偶的非線性進行了內(nèi)部修正。同時， MAX6675 內(nèi)部集成的冷端補償電路、非線性校正電路、斷偶檢測電路都給 K 型熱電偶的使用帶來了極大方便 . MAX6675 內(nèi)部集成有冷端補償電路；帶有簡單的 3 位串行 SPI 接口；可將溫度信號轉換成 12 位數(shù)字 量，溫度分辨率達 ℃；內(nèi)含熱電偶斷線檢測電路。冷端補償?shù)臏囟确秶?20℃～ 80℃，可以測量 0℃～ ℃的溫度，基本符合溫度上溫度測量的需要，其串行接口時序如圖 35 所