【導(dǎo)讀】近年來，多種傳染性疾病的傳播促使一種全新的便攜式消毒設(shè)備的出現(xiàn)。設(shè)計(jì)選用了高溫消毒，紫外消毒，和臭氧消毒的方法，可根據(jù)不同的要求。自行設(shè)計(jì)消毒參數(shù)。高溫消毒部分采用了可控加熱和溫度檢測電路。路選用DS18B20傳感器，它不需要外部電源，因?yàn)樗梢宰陨砉╇姟，F(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊，在使用中不需要任何外圍元件。臭氧濃度測量系統(tǒng)采用數(shù)字濾波核技術(shù)去除氣路切換造成的測量。控制方面采用了PID調(diào)解，使系統(tǒng)。更穩(wěn)定，操作更方便。

　　

【正文】 時(shí)鐘電路 時(shí)鐘是單片機(jī)的心臟，單片機(jī)各功能部件的運(yùn)行都是以時(shí)鐘頻率為基準(zhǔn)，有條不紊地一拍一拍地工作。因此，時(shí)鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度，時(shí)鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性 [1]。常用的時(shí)鐘電路有兩種方式，一是內(nèi)部時(shí)鐘方式，另一種為外部時(shí)鐘方式。本文采用內(nèi)部時(shí)鐘方式。 MCS51 單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器 的高增益反相放大器，該高增益反相放大器的輸入端為芯片引腳 XTAL1，輸出端為引腳 XTAL2。這兩個(gè)引腳跨接石英晶體振蕩和微調(diào)電容，就構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器，圖 MCS51 單片機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘方式的振蕩器電路。 圖 MCS51內(nèi)部時(shí)鐘方式的電路 除使用晶體振蕩器外，如對時(shí)鐘頻率要求不高，還可以用陶瓷諧振器來代替。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在嚴(yán)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 [6]。晶體的振蕩頻率的范圍通常是在 ~12MHz 之間。晶體的頻率越高，則系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率也就越高，單片機(jī)的運(yùn)行速度也就越快。但反過來運(yùn)行速度快對存儲器的速度要求就高，對印刷電路板的工藝要求也高。即要求線間的寄生電容要??；晶體和電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機(jī)芯片靠近，以減少寄生電容，更好地保證振蕩器穩(wěn)定、可靠地工。為了提高溫度穩(wěn)定性，應(yīng)采用溫度穩(wěn)定性能好的 NPO 高頻電容。 MCS51 單片機(jī)常選擇振蕩頻率 6MHz 或 12MHz 的石英晶體。隨著集成電路制造工藝技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)的時(shí)鐘頻率也在逐步提高，現(xiàn)在的高速單 片機(jī)芯片的時(shí)鐘頻率已達(dá)到 40MHz。 長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè) 論文 23 復(fù)位電路 復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，只要給 RESET 引腳加上 2 個(gè)機(jī)器周期以上的高電平信號，就可使 MCS51 單片機(jī)復(fù)位。復(fù)位的主要功能是把 PC 初始化為 0000H，使 MCS51 單片機(jī)從 0000H 單元開始執(zhí)行程序 [9]。除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)由于程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)，為擺脫死鎖狀態(tài)，也需按復(fù)位鍵重新啟動。 除 PC 之外，復(fù)位操作還對其它一些寄存器有影響它們的復(fù)位狀態(tài)。如表 所示。由表 中可以看，復(fù)位時(shí)， SP=07； 4 個(gè) I/O 端口 P0~P3 的引腳均為高電平，這在職某些控制應(yīng)用中，要考慮到引 腳的高電平對外部控制電路的影響。 表 復(fù)位時(shí)片內(nèi)各寄存器的狀態(tài) 寄存器 復(fù)位狀態(tài) 寄存器 復(fù)位狀態(tài) PC 0000H TM0D 00H Acc 00H TCON 00H PSW 00H TH0 00H B 00H TL0 00H SP 07H TH1 00H DPTR 0000H TL1 00H P0~P3 FFH SCON 00H IP XXX00000B SBUF XXXXXXXB IE 0XXXXXXXB PCON 0XXXXXXXB 由于單片機(jī)內(nèi)部的各個(gè)功能部件均受特殊功能寄存器控制，程序運(yùn)行直接受程序計(jì)數(shù)器（ PC）指揮。表 中各寄存器復(fù)位時(shí)的狀態(tài)決定單片機(jī)內(nèi)有關(guān)功能部件的初始狀態(tài)。 另外，在復(fù)位有效期間（即高電平）， MCS51 單片機(jī)的 ALE引腳和 PSEN 引腳均為高電平，且內(nèi)部 RAM 不受復(fù)位的影響。 MSC51 的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來實(shí)現(xiàn)的 [7]。 MCS51 單片機(jī)內(nèi)復(fù)位結(jié)構(gòu)見圖 。復(fù)位引腳 RST 通過一個(gè)斯密特觸發(fā)器與復(fù)位電路相連，斯密特觸發(fā)器用來抑制噪聲，在每個(gè)機(jī)器周期的 S5P2，斯密特觸發(fā)器的輸出電平由復(fù)位電路采樣一次，然后才能得到內(nèi)部復(fù)位操作所需要的信號。復(fù)位電路通常采用上電自動復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。 長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè) 論文 24 RET 片內(nèi)復(fù)位電阻 斯密特觸發(fā)器 圖 MCS51的片內(nèi)復(fù)位結(jié)構(gòu) 最簡單的上電自動復(fù)位電路如圖 所示。上電自動復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的電容充電來實(shí)現(xiàn)的。只要 Vcc 的上升時(shí)間不超過 1ms，就可以實(shí)現(xiàn)自動上電復(fù)位。當(dāng)時(shí)鐘頻率選用 12MHz 時(shí)， C取 22μ F， R 取 1K?。 除了上電復(fù)位外，有時(shí)還需要按鍵手動復(fù)位。 按鍵手動復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。其中電平復(fù)位是通過 RST 端經(jīng)電阻與電源 Vcc 接通而實(shí)現(xiàn)的，按鍵手動電平復(fù)位電路見圖 所示。當(dāng)時(shí)鐘頻率選用 12MHz 時(shí)， C 取 22μF ， R1 取200?， R2 取 1K?。 C 22μF +5V R 1K? 圖 上電復(fù)位電路 +5V RESET C 22μF R 1K? R1 200? 圖 按鍵電平電路 復(fù)位電路 RST 89C51 RST 89C51 長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè) 論文 25 總體電路實(shí)現(xiàn) 綜合時(shí)鐘電路（見圖 ）、復(fù)位電路（見圖 ）、 LED 顯示器與 89C51 的接口電路（見圖 ）、 DS18B20 與 89C51 的接口電路（見圖 ）， .等等，電路總圖見附錄。 長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè) 論文 26 第四章 控制算法 PID 調(diào)節(jié)的簡介 1. 技術(shù)成熟，結(jié)構(gòu)靈活，可以根據(jù)系統(tǒng)的要求，采用 多種 PID 的變種。 2. 容易被人們熟悉和掌握 3. 不許要求出數(shù)學(xué)模型 4. 控制效果好，用數(shù)字 PID完全可以代替模擬調(diào)節(jié)器 PID 調(diào)節(jié)的原理 按偏差的比例（ Proportional），積分（ Integral），微分（ Differential）進(jìn)行控制的調(diào)節(jié)器，簡稱為 PID 調(diào)節(jié)器。 PID 調(diào)節(jié)是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)最成熟，應(yīng)用最廣泛的一種控制算法它結(jié)構(gòu)靈活，不僅可以用常規(guī)的 PID調(diào)節(jié)，而且還可以根據(jù)系統(tǒng)的要求，采用各種 PID 的變型，如 PI， PD控制及改進(jìn)的 PID 控制等。它具有許多特點(diǎn)，如不需要求出數(shù)學(xué)模型，控制效 果好等， 特別是調(diào)節(jié)器，應(yīng)用更加靈活，適用性更強(qiáng)。 1. 比例調(diào)節(jié)器（ P） 它是一種簡單的調(diào)節(jié)器，控制規(guī)律為： u=K * e + u0 (41) 式中， K為比例系數(shù)， u0為偏差 e=ry=0 是的控制作用（如原始閥們開度，基準(zhǔn)電壓等）。比例調(diào)節(jié)器與偏差成比例調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)及時(shí)，誤差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用，使被控量 y 向減小偏差的方向變化，但是這種調(diào)節(jié)使被控制量 y 存在靜態(tài)誤差，因?yàn)檎{(diào)節(jié)作用是以偏差的存在為前提的。只有在控制作用為 u0 時(shí)才會出現(xiàn)零靜差。提高放大系數(shù) KP 雖然可以減小靜差，但是永遠(yuǎn)不會使靜差減小到零，而且無止境的提高放大系數(shù)最終將導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。 2. 比例積分調(diào)節(jié)器（ PI） 采用比例條器的系統(tǒng)存在靜差，為了消除靜差，在比例調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上加入了積分調(diào)節(jié)器組車比例積分調(diào)節(jié)器，其控制規(guī)律為： u= K*（ e + du0/dt） + U (42) 式中 T為積分常數(shù)， T越大積分作用越弱 。積分調(diào)節(jié)器的突出優(yōu)點(diǎn)是，只要被調(diào)量存在偏差，起輸出的調(diào)節(jié)作用便隨時(shí)間不斷加強(qiáng)，直到偏差為零為止。但是單純的積分也有弱點(diǎn)，其動作太慢，動作過于遲緩，因而在改善靜態(tài)品質(zhì)的同時(shí)，往往使調(diào)節(jié)的動態(tài)品質(zhì)變壞，過度過程時(shí)間加長。因此在實(shí)際生產(chǎn)中往往在積分的基礎(chǔ)上加入比例調(diào)節(jié)，把比例作用的及時(shí)性與積分作用消除靜差的優(yōu)點(diǎn)結(jié)長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè) 論文 27 合起來，構(gòu)成比例積分調(diào)節(jié)器。 3. 比例積分微分調(diào)節(jié)器（ PID） 比例積分調(diào)節(jié)消除系統(tǒng)誤差需要經(jīng)過較長時(shí)間，為了進(jìn)一步改進(jìn)控制器，可以通過檢測誤差的變化率來預(yù)報(bào)誤差，根據(jù)誤差變化趨勢，產(chǎn)生強(qiáng)烈的調(diào)節(jié)作用 ，使偏差盡快的消除在萌芽狀態(tài)，數(shù)學(xué)上描述這個(gè)概念就是微分，因此在 PI 調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上加入微分調(diào)節(jié)，就構(gòu)成了比例積分微分調(diào)節(jié)器，其控制規(guī)律為： u=K *（ e + du0/dt + Td） (43) 式中 Td為微分常數(shù)， Td越大微分作用越強(qiáng)。在 PID 三作用調(diào)節(jié)器中，微分調(diào)節(jié)主要用來加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減小超調(diào)量，克服振蕩。將 P， I， D三種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合在一起，即快速敏捷又平穩(wěn)準(zhǔn)確，只要三者強(qiáng)度配合適當(dāng)，便可獲得滿意的調(diào)節(jié)效果。 數(shù)字 PID 的調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定 方法 由于連續(xù)生產(chǎn)過程一般都有較大的時(shí)間常數(shù)，而微機(jī)控制系統(tǒng)的采樣周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于過程對象的時(shí)間常數(shù)，因此數(shù)字 PID 調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定，完全可以參照模擬調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定方法進(jìn)行，最后在實(shí)踐中加以整定，得到比較理想的參數(shù)。 在控制系統(tǒng)中產(chǎn)生誤差的擾動有以下集中類型： 。 變化。 。如何正確的選擇 PID調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，使系統(tǒng)受到擾動后仍然保持穩(wěn)定將誤差保持在最小值，這是 PID 控制設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要問題。主要參數(shù)有：比例系數(shù) Kp，積分系數(shù) Ti，微分時(shí)間 Td以及采樣周期 T0 。 在本設(shè)計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)中， PID 參數(shù)整定如下： 采樣周期的確定 根據(jù)香農(nóng)采樣定理：采樣頻率 f﹥ 2fmax。即采樣周期 T＜ 1/2fmax，但是由于被控制對象的物理過程及參數(shù)的選擇變化比較復(fù)雜，致使模擬信號的最高頻率 fmax很難確定。所以采樣周期的選擇還要根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況，綜合考慮多方面因素來確定。 1. 從品質(zhì)要求來看希望采樣周期小些。 2. 從執(zhí)行元件的要求看，對于執(zhí)行速度較慢的執(zhí)行器，要求采樣周期不能過小，否則，上一輸出值還未實(shí)現(xiàn)，馬上又轉(zhuǎn)為新的輸出值， 執(zhí)行元件就不能按預(yù)期的控制規(guī)律動作。 3. 從對控制系統(tǒng)的響應(yīng)快速性和抗干擾性要求來看，則要求采樣周期短些。 4. 當(dāng)系統(tǒng)的純滯后時(shí)間Г與被控對象的時(shí)間常數(shù) Tc 相比有Г = Tc 時(shí)，通常認(rèn)為是大滯后系統(tǒng)，這時(shí)，選采樣周期 T等于或接近。 5. 從計(jì)算精度考慮，采樣周期 T不能過小。 長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè) 論文 28 6. 從微型機(jī)的工作量考慮，采樣周期應(yīng)大些。 試湊法確定 PID 調(diào)節(jié)參數(shù) 試湊法是從一組初始數(shù)據(jù)出發(fā)，通過閉環(huán)運(yùn)行觀察系統(tǒng)的運(yùn)行效果，根 據(jù)各參數(shù)對系統(tǒng)品質(zhì)的定性影響，反復(fù)試湊修改參數(shù)，直到結(jié)果滿意為止。 先分析 PID 各品質(zhì)參數(shù)對系統(tǒng)品質(zhì)的定性影響： 1. 增益 Kp與系統(tǒng)響應(yīng)的快速性成正比，與系統(tǒng)的靜差成反比。但是 Kp過大將使系統(tǒng)超調(diào)量過大，振蕩加劇，穩(wěn)定性破壞。 2. 增大積分時(shí)間 Ti有利于減小超調(diào)和振蕩，有利于穩(wěn)定系統(tǒng)，但消除靜差的過程將增大。 3. 微分時(shí)間 Td與系統(tǒng)快速性成正比，并能是超調(diào)減小，穩(wěn)定性增加，但抗干擾性將下降。 在試湊上，可參考以上參數(shù)時(shí)控制過程的影響趨勢，對參數(shù)進(jìn)行先比例，后積分再微分的整定步驟 . PID 的控制可采用位 置型 PID 算法和增量性 PID算法。 位置型 PID 算法 u（ k）是全量值輸出，每次的輸出值都與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置（如控制閥門的開度）一一對應(yīng)，所以稱之為位置型 PID 算法。 本設(shè)計(jì)中采用增量性 PID 算法。與位置型 PID 算法相比增量型 PID 算法有如下優(yōu)點(diǎn)：位置型算法每次的輸出與整個(gè)過去的狀態(tài)有關(guān)，容易產(chǎn)生較大的累積計(jì)算誤差；增量性算法易于實(shí)現(xiàn)從手動到自動的無擾動切換；采用增量型算法時(shí)所用的執(zhí)行器本身都具有寄存作用，所以即使計(jì)算機(jī)發(fā)生故障，執(zhí)行器仍能保持在原位，不會對生造成嚴(yán)重影響。 所以本設(shè)計(jì)采用增量性 PID 控制算法。 長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè) 論文 29 第五章 軟件設(shè)計(jì) ROM 命令和存儲器命令 系統(tǒng)對 DS18B20 的操作以 ROM 命令和存儲器命令形式出現(xiàn)。 一、 ROM 命令代碼及其含義 READROM 命令代碼 [33H]；如果只有一片 DS18B20，可由此命令讀出其序列號，若在線 DS18B20 多于一個(gè)，將發(fā)生沖突。 MATCHROM 命令代碼 [55H]；多個(gè) DS18B20 在線時(shí)，可用此命令匹配一個(gè)給定序列號的 DS18B20，此后的命令就針對該 DS18B20。 SDIPROM 命令碼 [CCH]；此命令執(zhí)行后的存儲器操作將針對在線 的所有DS18B20。 SEARCHROM 命令代碼 [F0H]；用以讀出在線的 DS18B20 的序列號。 ALARMSEARCH 命令代碼 [ECH]；當(dāng)溫度值高于 TH 或低于 TL 中的數(shù)值時(shí)，此命令可以讀出報(bào)警的 DS18B20。 二、存儲器操作命令代碼及其含義 WRITESCRATCHPAD 命令代碼 [4EH]；寫兩個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)到溫度寄存器。 READSCRATCHPAD 命令代碼 [BEH]；讀取溫度寄存器的溫度值。 COPYSCRA