【正文】 第二章 系統(tǒng)軟件設計在數(shù)字控制系統(tǒng)中PID參數(shù)值是很重要的，系統(tǒng)參數(shù)整定的好壞直接影響調(diào)節(jié)品質(zhì)。利用PID溫度控制曲線可以方便地實現(xiàn)PID參數(shù)的整定。曲線反映了系統(tǒng)對溫度控制的狀況。通過該曲線可以很方便地輸入或修改P參數(shù)、I參數(shù)、D參數(shù)和T參數(shù)。表中“上限、正常和下限”指示當前溫度范圍。當測得溫度大于上限溫度設定值理，表中上限指示燈閃爍，測得溫度小于等于溫度下限設定值時，下限指示燈閃爍；反之，溫度在上限溫度和下限溫度之間時正常指示燈亮，同時，當溫度越上限或下限時，單片機硬件部分也會發(fā)出報警信號。本軟件具備與硬件實時通訊，實時顯示系統(tǒng)狀態(tài)的特點。單片機系統(tǒng)的鍵盤對參數(shù)的任何修改，也會影響本軟件的參數(shù)。另外通過本軟件也可很方便對串行通訊波特率進行修改。系統(tǒng)的軟件由三大模塊組成：主程序模塊、功能實現(xiàn)模塊和運算控制模塊。程序結(jié)構采用中斷方式，其中，8098作為外部中斷0的中斷源，T0定時器用作采樣周期的定時中斷，每隔15秒種中斷一次。在中斷服務程序中啟動A/D，讀入采樣數(shù)據(jù)，進行數(shù)字濾波，上下限報警處理，PID計算，然后調(diào)節(jié)T1輸出控制脈沖信號，啟動定時器T1，返回主程序。脈沖的寬度由T1計數(shù)器溢出中斷決定。在等待T1中斷時，將本次采樣數(shù)值轉(zhuǎn)換成對應的溫度值放入顯示緩沖區(qū)，然后調(diào)用顯示子程序；從T1中斷返回后，再從T0中斷返回主程序并繼續(xù)顯示本次采樣溫度，等待下次T0中斷。需要說明的是，系統(tǒng)控制程序邏輯采用兩次中斷嵌套方式來設計，T1中斷嵌套在T0中斷之中。2．1 主程序模塊 在主程序中首先給定PID算法的參數(shù)值，然后通過循環(huán)顯示當前溫度，并且設定鍵盤外部中斷為最高優(yōu)先級，以便能實時響應鍵盤處理；軟件設定定時器T0為5秒定時，在無鍵盤響應時每隔5秒響應一次，以用來采集經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換的溫度信號；設定定時器T1為嵌套在T0之中的定時中斷，初值由PID算法子程序提供，以用來執(zhí)行對電爐或風扇的控制。主程序流程圖見圖4。 圖4 主程序流程圖2．2功能實現(xiàn)模塊 功能實現(xiàn)模塊主要由A／D轉(zhuǎn)換子程序、中斷處理子程序、鍵盤處理子程序、顯示子程序等部分組成。限于篇幅，只介紹中斷處理子程序。2．2．1 T0中斷子程序 該中斷是單片機內(nèi)部5s定時中斷，優(yōu)先級設為最低，但卻是最重要的子程序。在該中斷響應中，單片機要完成A／D數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、判斷是否越限、標度轉(zhuǎn)換處理、繼續(xù)顯示當前溫度、與設定值進行比較，調(diào)用PID算法子程序并輸出控制信號等功能。2．2．2 鍵盤中斷子程序作為優(yōu)先級最高的功能控制鍵，系統(tǒng)要實時響應該中斷。在該中斷的響應過程中，系統(tǒng)要顯示上一次的溫度設定值，并且可以通過ANAN4來實現(xiàn)加減1的輸入修改。鑒于系統(tǒng)要求，程序?qū)崿F(xiàn)為加1到90時再加則為40；減1到40時再減則為90。2．2．3 T1中斷子程序 T1定時中斷嵌套在Tφ中斷之中，優(yōu)先級高于Tφ中斷，其定時初值由PID算法子程序提供，T1中斷響應的時間用于輸出電爐或風扇的控制信號。2．2．4 采樣子程序 流程圖如圖5所示。2．2．5 數(shù)字濾波子程序用于濾去控制過程中外部對采樣值的干擾，采用三次采樣值進行比較，取中間值存放在溫度查表程序的參數(shù)入口。2．2．6 溫度查表程序 為解決鉑熱電阻溫度/電壓變換電路中的非線性，采用模擬數(shù)據(jù)擬合法，利用已調(diào)好的硬件電路，用電壓表產(chǎn)生模擬的熱電勢信號。該信號經(jīng)放大及A/D轉(zhuǎn)換后，由單片單板機讀出對應該熱電勢的數(shù)字量，這個數(shù)字量與模擬的溫度標準值構成一個數(shù)據(jù)對，在使用的溫度范圍內(nèi)逐點獲得全部數(shù)據(jù)對后再采用曲線擬合法的方法建立A/D值與溫度之間的函數(shù)關系式，由此得到A/D轉(zhuǎn)換值與溫度值的對應關系，由這些一一對應關系制成表格存貯在ROM中，供實際測試與程序運行過程中查表用。2．3運算控制模塊運算控制模塊涉及標度轉(zhuǎn)換、PID算法、以及該算法調(diào)用到的乘法子程序等。2．3．1 標度轉(zhuǎn)換子程序 該子程序作用是將溫度信號(00H~FFH)轉(zhuǎn)換為對應的溫度值，以便送顯示或與設定值在相同量綱下進行比較。所用線形標度變換公式為： 式中，Ax：實際測量的溫度值；Nx：經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換的溫度量； Am＝90；Ao=40；Nm＝FEH；No＝01H 單片機運算采用定點數(shù)運算，并且在高溫區(qū)和低溫區(qū)分別用程序作矯正處理，測量值與LED顯示見圖5。2．3．2 PID算法子程序 系統(tǒng)算法控制采用工業(yè)上常用的位置型PID數(shù)字控制，并且結(jié)合特定的系統(tǒng)加以算法的改進，形成了變速積分PID—積分分離PID控制相結(jié)合的自動識別的控制算法。該方法不僅大大減小了超調(diào)量(見圖6)，而且有效地克服了積分飽和的影響，使控制精度大大提高。 圖6中，初始水溫為26C。 實現(xiàn)思想：ui(k)為第k次采樣溫度值，Ur為設定值。ui(k)ur=e(k)|e(k)|≥ε，使用PD算法；|e(k)|ε，使用PID算法；給出本算法的控制結(jié)果曲線(見圖6)結(jié)束語： 本文針對水溫控制系統(tǒng)模型，提出了一種基于單片機89C5l的設計方案。設計結(jié)果由圖5和圖6可以看出：本設計的控制器工作穩(wěn)定，控制精度高，改進的PID算法超調(diào)量大大降低；軟件采用模塊化結(jié)構，提高了通用性。本設計的目的不僅僅是水溫控制本身，主要提供了單片機外圍電路及軟件包括控制算法設計的思想，應該說，這種思想比控制系統(tǒng)本身更為重要?？梢苑奖愕貙崿F(xiàn)現(xiàn)場溫度的實時測量、顯示與控制；實時地利用鍵盤或PID曲線整定溫度控制的參數(shù)如比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)和采樣時間等，從而真正實現(xiàn)了交互式溫度控制的目的，大大提高了控制的效果。參考文獻譚運光、陳安源等．單片機開發(fā)手冊．華齡出版社．1994年12月李華編．MCS—51系列單片機實用接口技術．北京航空航天大學出版社．1993年8月實用電子電路手冊LJ3．高等教育出版社．1992年10月 1987年 1993年