【正文】 的片內(nèi)含有4種頻率(1/2/4/8M)的RC振蕩源，可直接作為系統(tǒng)的工作時鐘使用。同時片內(nèi)還設(shè)有一個由反向放大器所構(gòu)成的OSC (Oscillator)振蕩電路，外圍引腳XTAL1和XTAL2分別為OSC振蕩電路的輸入端和輸出端，用于外接石英品體等，構(gòu)成高精度的或其它標稱頻率的系統(tǒng)時鐘系統(tǒng)。系統(tǒng)時鐘為控制器提供時鐘脈沖，是控制器的心臟。系統(tǒng)時鐘的頻率是單片機的重要性能指標之一。系統(tǒng)時鐘頻率越高，單片機的執(zhí)行節(jié)拍就越快，處理速度也越快。Atmega8最高的工作頻率為16M (16MIPS)，在8位單片機中算是佼佼者。但并不是系統(tǒng)時鐘頻率越快就越好，因為當(dāng)時鐘頻率越高時，其耗電量也越大，也容易受到十?dāng)_(或十?dāng)_別人)。因此，在具體設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)實際產(chǎn)品的需要，盡量采用較低的系統(tǒng)時鐘頻率，這樣不僅能降低了功耗，同時也提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。圖317 時鐘電路本設(shè)計采用了外接石英品體作為振蕩的諧振回路，因此可以提供比較靈活的頻率和穩(wěn)定精確的振蕩。如圖317，在XTAL1和XTAL2引腳上加上由石英晶體和電容組成的諧振回路，與內(nèi)部振蕩電路配合就能產(chǎn)生系統(tǒng)需要時鐘信號。 復(fù)位電路在單片機的實際應(yīng)用系統(tǒng)中，除單片機本身需要復(fù)位外，外部擴展的I/O接口電路也要復(fù)位，因此需要一個系統(tǒng)的同步復(fù)位信號，即單片機復(fù)位后，CPU開始工作時，外部的電路一定也要復(fù)位好，以保證CPU有效的對外部電路進行初始化編程。復(fù)位操作有上電自動復(fù)位和按鍵手動復(fù)位兩種方式。上電自動復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的電容充電來實現(xiàn)的。按鍵手動復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。其中，按鍵脈沖復(fù)位是利用RC微分電路產(chǎn)生的正脈沖來實現(xiàn)的；按鍵電平復(fù)位是通過使復(fù)位端經(jīng)電阻與Vcc電源接通而實現(xiàn)的。本系統(tǒng)使用按鍵電平復(fù)位，其電路如圖318,所示。圖318 復(fù)位電路 過限報警電路在控制系統(tǒng)中，溫度超出警戒值或設(shè)定值時，由單片機PD6端口輸出通過三極管驅(qū)動蜂鳴器，發(fā)出聲音信號用于報警，引起注意，如圖319所示為它的電路原理圖。圖319 過限報警電路本系統(tǒng)是一種控制電阻爐溫的系統(tǒng)，在系統(tǒng)對電阻爐進行溫度檢測和控制之前，必須先對系統(tǒng)進行初始化，并進行一些初步的操作，這部分工作就是在主程序里面完成的。下圖41是其流程圖上電復(fù)位初始化清數(shù)據(jù)區(qū)等待中斷開中斷置初值有鍵按下？YN送顯示圖41 初始化流程框圖系統(tǒng)的測溫，調(diào)溫，顯示，PID控制都在中斷中設(shè)計，當(dāng)檢測到溫度有變化時或有按鍵按下時，打開中斷，進行溫度控制，同時送顯示。 按鍵程序流程圖鍵盤處理子程序完成功能：當(dāng)有滿足中斷條件時進入中斷服務(wù)狀態(tài)，即鍵盤處理。此中斷主要完成鍵盤掃描，按鍵判斷及4個按鍵各個功能的處理子程序：分別為1號鍵為溫度設(shè)定/確定設(shè)定鍵；2號為顯示設(shè)定溫度；3號鍵為設(shè)定溫度上升；4號鍵為設(shè)定溫度下降的功能實現(xiàn)。流程圖如下初始化調(diào)鍵盤掃描消抖再調(diào)掃描有鍵按下嗎？建立無效標志判斷鍵值確定鍵處理返回NY圖42 按鍵流程框圖若1鍵被按下，則KEY_PIN將為0x01，若2鍵被按下，則KEY_PIN將為0x02，若3鍵被按下，則KEY_PIN將為0x04，若4鍵被按下，則KEY_PIN將為0x08。若有按鍵被按下，KEY_PIN將不為0，可利用“if(key_flag!=0)”來判斷是否有按鍵被按下。 PID控制算法 PID控制原理 PID控制是比例、積分、微分控制的簡稱。在生產(chǎn)過程自動控制的發(fā)展歷程中，PID控制是歷史最久、生命力最強的基本控制方式。隨著科學(xué)的發(fā)展，特別是電子計算機的誕生和發(fā)展，涌現(xiàn)出許多先進的控制方法，然而直到現(xiàn)在，PID控制仍是最廣泛應(yīng)用的控制方式之一。圖43 PID控制系統(tǒng)原理框圖常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖43所示。系統(tǒng)由PID控制器和被控對象組成。PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值r(t)與實際輸出值c(t)構(gòu)成控制偏差e(t) =r(t) c(t)，從而針對控制偏差進行比例、積分、微分調(diào)節(jié)的一種方法，其連續(xù)形式為 或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)形式：上式中:比例系數(shù)。 積分時間常數(shù)。微分時間常數(shù)?？梢?，溫度 PID 調(diào)節(jié)器有三個可設(shè)定參數(shù)，即比例放大系數(shù)、積分時間常數(shù)、微分時間常數(shù)。對一個控制系統(tǒng)而言，合理地設(shè)置這三個參數(shù)，可取得較好的控制效果。在使用 PID 控制器中，放大比例系數(shù)可改變系統(tǒng)的響應(yīng)速度，比例系數(shù)選擇必須適當(dāng)，增大比例系數(shù) Kp，可減少系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差和動態(tài)偏差，但調(diào)節(jié)過程會趨于振蕩，減小比例系數(shù) Kp，可減少系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程的振蕩，但又增加了穩(wěn)態(tài)誤差和動態(tài)偏差。積分環(huán)節(jié)能消除被調(diào)良的偏差，但調(diào)節(jié)時間變長，積分速度 Ki 同樣要選擇適當(dāng)，在同樣偏差情況下，增大積分速度 Ki值，調(diào)節(jié)器動作速度加快，減小動態(tài)偏差，相反，減小積分速度 Ki 值，會增加系統(tǒng)的動態(tài)誤差，減少振蕩。因此，由于積分作用易造成系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程的振蕩，只有在控制對象和系統(tǒng)的慣性和滯后都很小時才能使用積分調(diào)節(jié)器。在實際工業(yè)控制中，積分環(huán)節(jié)一般和其他環(huán)節(jié)配合使用，才能取得較好的效果。在 PID 中，微分環(huán)節(jié)的作用是對系統(tǒng)輸出和偏差的變化有一定的預(yù)見作用，微分調(diào)節(jié)器的輸出與被調(diào)量偏差變化速度成正比，在調(diào)節(jié)過程開始階段，被調(diào)量離給定值小，但變化速度較大，如果采用比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)作用都很弱，而采用微分作用，其效果卻很強，它使調(diào)節(jié)器產(chǎn)生一個很大的位移，微分作用具有超前特性，能限制控制偏差的進一步增大，可有效地減小動態(tài)偏差。 比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steadystate error）。在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比。對于一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的，簡稱有差系統(tǒng)(System with Steadystate Error )。 為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入積分項。隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，在一定范圍內(nèi)，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分(即誤差的變化率)成正比關(guān)系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩。其原因是由于存在有較大的慣性環(huán)節(jié)或有滯后環(huán)節(jié)。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”,即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入比例項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是微分項，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例和微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調(diào)。所以對于有較大慣性或滯后的被控對象，比例微分控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。上面論述可知：在 PID 調(diào)節(jié)器中,比例調(diào)節(jié)的作用是可使調(diào)節(jié)過程趨于穩(wěn)定，但會產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差。積分作用可消除被調(diào)量的穩(wěn)態(tài)誤差，但可能會使系統(tǒng)振蕩甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定；微分作用能有效的減小動態(tài)偏差。在實際使用中,在滿足生產(chǎn)過程需要的前提下,應(yīng)盡量選擇簡單的調(diào)節(jié)器,這樣,既節(jié)省投資,又便于維護。雖然 PID 調(diào)節(jié)器在大多數(shù)的場合,只要參數(shù)選擇適當(dāng),都能取得較好的控制效果。由于比例、積分、微分組成的PID控制器算法簡單、魯棒性強，因而被廣泛應(yīng)用十化工、冶金、機械、熱工和輕工等工業(yè)過程控制系統(tǒng)中。PID控制具有以下優(yōu)點:原理簡單，使用方便 PID控制是由P, I, D三個環(huán)節(jié)的不同組合而成。其基本組成原理比較簡單，參數(shù)的物理意義也比較明確。適應(yīng)性強 可以廣泛用十化工、熱工、冶金、煉油以及造紙、建材等各生產(chǎn)部門。按采用PID控制進行工業(yè)生產(chǎn)的調(diào)節(jié)器早已產(chǎn)品化。在具體實現(xiàn)上它們經(jīng)歷了機械式、液動式、氣動式、電子式等發(fā)展階段，但始終沒有脫離PID控制的范疇。即使目前最新式的過程控制計算機，其基本控制功能也仍然是PID控制。魯棒性強由十這些優(yōu)點，在控制理論和技術(shù)飛速發(fā)展的今天，工業(yè)過程控制領(lǐng)域仍有近90%的回路在應(yīng)用PID控制策略。例如，大到轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中諸如氧氣流量、氧氣壓力、氧槍冷卻水流量的控制。小到家用空調(diào)機、電冰箱溫度的自動調(diào)節(jié)等等都離不開PID的身影。 PID控制及其算法采用比例、積分、微分(PID)調(diào)節(jié)器，可有效改善系統(tǒng)的動態(tài)性能，其控制規(guī)律為: （1）單片機是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的誤差值計算控制變量，不能自接計算公式中的積分項和微分項，采用數(shù)值計算法逼近后，PID的調(diào)節(jié)規(guī)律可以通過數(shù)伯公式計算: (2)如果采樣取得足夠小，這種逼近可相當(dāng)準確，被控過程與連續(xù)過程十分接近。我們變換式(2)得:把，代入上式得:在自由升溫段，希望升溫越快越好，因此，自由升溫段控制方程為： U(n)=1 (T ≤ T0 )(在實際程序中，U(n)=1表示全導(dǎo)通時的數(shù))。而由于在本次的電路設(shè)計中在一開始的自由升溫過程中采取的是交流接觸器全功率加熱，晶閘管觸發(fā)電路相當(dāng)于短路，故不需要PID控制。在溫度恒定階段，交流接觸器斷開，由晶閘管觸發(fā)電路來進行PID控制電路以此穩(wěn)定溫度到達設(shè)定值。PID控制算法的差分方程形式由上算得為：其中，KP是比例系數(shù)，KI是積分系數(shù)，KD為微分系數(shù)。 PID參數(shù)的整定表8 PID整定參數(shù)表性能指標參數(shù)階躍響應(yīng)曲線δ%Tp（秒）Ts（秒）KpKiKd2004060圖4447012510004060圖45811315020040300圖46325030020020060圖47060100圖44圖45圖46圖47通過仿真多組數(shù)據(jù)，最終得出值為：KP=200，KI=200，KD=60。整個差分方程都是執(zhí)行整數(shù)運算，U(n)，計算開始時U(n1)=0,e(n1)=0,e(n2)=0。每次采樣計算一次e(n)、U(n)，并將e(n)、U(n)保存起來，變成e(n－1)、e(n2)、U(n－1)，供下一次采樣時刻使用?？刂茣r，首先取給定值，再對電爐的溫度進行采樣，把采樣結(jié)果和給定值進行比較而產(chǎn)生偏差e(n)，通過上式進行計算，求出即時控制量U(n)并存入內(nèi)存中。在INT0 中斷服務(wù)程序中對U(n)進行操作，以控制晶閘管的導(dǎo)通時間，達到控制輸出功率的目的。 PID軟件設(shè)計流程圖具體的PID軟件流程圖如圖44所示，其中ek為誤差，ek1為上一次的誤差，ek2為誤差的積累和，uk是控制量。初始化控制步數(shù)、采樣點數(shù)Point初始化ek，ek1，ek2，uk初始化系統(tǒng)輸出希望值start使硬件被控對象初始值輸出等于0采集硬件被控對象的輸出inputf inputf浮點化求ek＝start－inputfuk=pek+kiek2+kd(ekek1)判斷uk是否超上下限輸出ukek1＝ek ek2＝ek2＋ek畫被控對象第J點輸出inputfJ+1++Jpoint結(jié)束判斷積分分離項Uk=kpek+kd(ekek1)圖44 PID軟件流程圖5. 結(jié)論畢業(yè)設(shè)計是對大學(xué)階段所學(xué)知識的一個總結(jié)，可以提高自己的綜合解決問題以及應(yīng)用知識的能力。本設(shè)計以電加熱爐為被控對象，通過對電加熱爐對象特性的分析來確定爐溫控制系統(tǒng)的構(gòu)成及控制方案（策略），以單片機為核心，運用PID控制實現(xiàn)了對電加熱爐爐溫的控制。本設(shè)計詳細的介紹了電加熱爐溫度智能控制系統(tǒng)硬件電路構(gòu)成，將被測溫度信號由模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，利用單片機系統(tǒng)達到高精度控制要求。該系統(tǒng)有非線性校正、越限報警、LCD顯示和鍵盤輸入等功能，具有操作簡便、控制算法簡單,運行可靠和較高的性價比等優(yōu)點，是一種新型有發(fā)展前景的復(fù)合控制方案，具有較高的理論價值和實用價值。由于本身知識水平以及時間有限，在本次設(shè)計中的某些問題難免存在錯誤和設(shè)想不夠周全。比如，控制方法的不夠完美，參數(shù)的設(shè)置不夠合理，或許還有很多問題還沒有發(fā)現(xiàn)，存在很多盲區(qū)，希望老師和同仁們給予指出及提出寶貴的修改意見。參考文獻[1] :北京航空航天大學(xué)出版社[M].2008[2] :北京航空航天大學(xué)出版社[M].2008 [3] 李紅欣，薛亮，[J].電工技術(shù)，2006,(9): 032[4] 江世明，[J].邵陽學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)，2004,1(4)[5] [J].工業(yè)爐,2007,29(3):3033[6] 張志強,王順晃,[J].自動化學(xué)報,1994,20(5):622626[7] [J].電氣控制,2009,28(30):5052[8] [J].電子測量與儀器學(xué)報,1995,9(2):5054[9] [J].上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2007,7(2):106109[10] 蘇小紅,陳惠鵬,[M],北京:電子工業(yè)出版社,2004年[11] 高鋒主編,單片微型計算機原理與接口技術(shù)[M],北京:科學(xué)出版社,2008年[12] 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