【正文】 圖10 前后臺系統(tǒng) 軟件組成由于整個(gè)系統(tǒng)軟件相對比較龐大，為了便于編寫、調(diào)試、修改和增刪，系統(tǒng)軟件的編制采用了模塊化的設(shè)計(jì)。即整個(gè)控制軟件由許多獨(dú)立的小模塊組成，它們之間通過軟件接口連接，遵循模塊內(nèi)部數(shù)據(jù)關(guān)系緊湊，模塊之間數(shù)據(jù)關(guān)系松散的原則，按功能形成模塊化結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的軟件主要由主程序模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、控制算法模塊等組成。主模塊的功能是為其余幾個(gè)模塊構(gòu)建整體框架及初始化工作；數(shù)據(jù)采集模塊的作用是將A／D轉(zhuǎn)換的數(shù)字量采集并儲存到存儲器中；數(shù)據(jù)處理模塊是將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的處理，其中最重要的是數(shù)字濾波程序：控制算法模塊完成控制系統(tǒng)的PID運(yùn)算并且輸出控制量。下面就介紹本系統(tǒng)幾個(gè)主要的程序模塊。 主程序模塊主程序模塊要做的主要工作是上電后對系統(tǒng)初始化和構(gòu)建系統(tǒng)整體軟件框架，其中初始化包括對單片機(jī)的初始化、A／D芯片初始化和串口初始化等。然后等待溫度設(shè)定，若溫度已經(jīng)設(shè)定好了，判斷系統(tǒng)運(yùn)行鍵是否按下，若系統(tǒng)運(yùn)行，則依次調(diào)用各個(gè)相關(guān)模塊，循環(huán)控制直到系統(tǒng)停止運(yùn)行。主程序模塊的程序流程圖如圖11所示。在附錄中給出了系統(tǒng)初始化源程序。圖11 主程序流程圖 數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)采集模塊的任務(wù)是負(fù)責(zé)溫度信號的采集以及將采集到的模擬量通過A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)字量提供給單片機(jī)。數(shù)據(jù)采集模塊的程序流程圖如圖12和圖13所示。圖12 數(shù)據(jù)采集模塊程序流程圖 圖13 A／D轉(zhuǎn)換程序流程圖 數(shù)據(jù)處理模塊數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)處理A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。其中最重要的環(huán)節(jié)是數(shù)字濾波，所以這里主要討論系統(tǒng)采用的數(shù)字濾波程序。 數(shù)字濾波模擬信號都必須經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換后才能為單片機(jī)接受，如果模擬信號受到擾動影響，將使A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果偏離真實(shí)值。因此僅僅對模擬量采樣一次，我們是無法確定該結(jié)果是否可信的，必須經(jīng)過多次采樣，得到一個(gè)A／D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)序列，通過某種處理后，才能得到一個(gè)可信度較高的結(jié)果。這種從數(shù)據(jù)序列中提取逼近真值數(shù)據(jù)的軟件算法，通常稱為數(shù)字濾波算法。數(shù)字濾波克服了模擬濾波器的不足，它與模擬濾波器相比具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：(1)由于數(shù)字濾波是用程序?qū)崿F(xiàn)的，因而不需要增加硬件設(shè)備，而且可以多個(gè)輸入通道共用一個(gè)濾波程序；(2)由于數(shù)字濾波不需要硬件設(shè)備，因而可靠性高、穩(wěn)定性好，各回路之間不存在阻抗匹配等問題；(3)數(shù)字濾波可以對頻率很低(如O．01HZ)的信號實(shí)現(xiàn)濾波，克服了模擬濾波器的缺陷，而且通過改變數(shù)字濾波程序，可以實(shí)現(xiàn)不同的濾波方法或改變?yōu)V波參數(shù)，這比改變模擬濾波器的硬件要更靈活方便。常用的數(shù)字濾波方法有程序判斷濾波法、中值濾波法、算術(shù)平均濾波法、一階滯后濾波法、去極值平均濾波法等等，下面簡要介紹這幾種數(shù)字濾波方法。(1)程序判斷濾波法首先要從經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，定出一個(gè)目標(biāo)參數(shù)最大可能的變化范圍。每次采樣后都和上次的有效采樣值進(jìn)行比較，如果變化幅度不超過經(jīng)驗(yàn)值，本次采樣有效，否則，本次采樣值應(yīng)視為干擾而放棄，以上次采樣值為準(zhǔn)。該算法適用于變化緩慢的物理參數(shù)的采樣過程，如濕度、液位等。(2)中值濾波法對目標(biāo)參數(shù)連續(xù)進(jìn)行若干次采樣，然后將這些采樣進(jìn)行排序，選取中間位置的采樣值為有效值。對于變化較為劇烈的參數(shù)，此濾波方法不宜采用。(3)算術(shù)平均濾波法是對目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行連續(xù)采樣，然后求其算術(shù)平均值作為有效采樣值。該算法適用于抑制隨機(jī)干擾。采樣次數(shù)越大，平滑效果越好，但系統(tǒng)的靈敏度要下降。算術(shù)平均濾波不能將明顯的脈沖干擾消除，只是將其影響削弱。(4)一階滯后濾波法是一種動態(tài)濾波方法，其表達(dá)式為： (4)式中 Xn:第n次采樣值 ：上次濾波結(jié)果輸出值 ：第n次采樣后濾波結(jié)果輸出值 a：濾波平滑系數(shù)： τ:濾波環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù) T：采樣周期通常采樣周期遠(yuǎn)小于濾波環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)，也就是輸入信號的頻率快，而濾波環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)相對地小，這是一般濾波器的概念，所以這種濾波方法相當(dāng)于RC濾波器。(5)去極值平均濾波法既采用去極值法去掉明顯的脈沖干擾，又可對采樣值進(jìn)行平滑處理，在高、低速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，它都能削弱干擾，提高數(shù)據(jù)處理能力。本系統(tǒng)就采用了去極值平均濾波法。即對目標(biāo)參數(shù)連續(xù)采樣6次數(shù)據(jù)，然后對6次采樣的數(shù)據(jù)由小到大排序，分別去掉最小值和最大值，將剩余的4個(gè)數(shù)據(jù)求其算術(shù)平均值，即得到本次A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。 顯示處理顯示處理模塊主要完成人機(jī)交互作用，具體實(shí)現(xiàn)將采樣溫度值、設(shè)定溫度值以字符的形式通過液晶顯示出來。本系統(tǒng)使用HTl621作為顯示驅(qū)動器。HTl621是128點(diǎn)內(nèi)存映象和多功能驅(qū)動器。附錄中給出了顯示處理模塊的源程序。 軟件抗干擾措施本系統(tǒng)中，在軟件方面的抗干擾措施主要從以下兩個(gè)個(gè)方面來考慮：(1)按鍵的軟件消抖措施按鍵是一個(gè)機(jī)械開關(guān)，當(dāng)鍵按下時(shí)，開關(guān)閉合；當(dāng)鍵松開時(shí)，開關(guān)斷開。其特點(diǎn)之一就是它的抖動性，這是由按鍵的機(jī)械特性所決定的，抖動的時(shí)間一般約為10ms20ms。對于按鍵消抖的具體措施目前有兩種：一是用硬件電路來實(shí)現(xiàn)，即用RC濾波電路濾除抖動。另一種是用軟件延時(shí)的方法來解決，即利用軟件的延時(shí)避開按鍵的按下與抬起時(shí)都有的抖動期，從而避免檢測到干擾信號。本文采用的就是軟件延時(shí)消抖的方法。附錄中給出了延時(shí)程序的源程序，同時(shí)延時(shí)程序還作為通用功能模塊被其他模塊調(diào)用；(2)數(shù)字濾波數(shù)字濾波是將一組輸入數(shù)字序列進(jìn)行一定的運(yùn)算而轉(zhuǎn)換成另一組輸出數(shù)字序列的方法，采用軟件濾波算法不需要增加硬件設(shè)備，可靠性高，功能多樣，使用靈活，但是要占用一定的處理器運(yùn)行時(shí)間。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用了數(shù)字濾波的軟件抗干擾措施，所采用的數(shù)字濾波算法是去極值平均濾波法。5 結(jié)論隨著工業(yè)的發(fā)展，對象的復(fù)雜程度不斷加深，尤其對于大滯后、時(shí)變的、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)：其中有的參數(shù)未知或緩慢變化；有的帶有延時(shí)或隨機(jī)干擾；有的無法獲得較精確的數(shù)學(xué)模型或模型非常粗糙。加之人們對控制品質(zhì)的要求日益提高，常規(guī)PID控制的缺陷也逐漸暴露出來。因此人們在應(yīng)用PID控制的同時(shí)，也不斷地對其進(jìn)行了各種改進(jìn)。主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是對常規(guī)PID控制器本身結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，即變結(jié)構(gòu)PID控制；另一方面隨著智能控制如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和專家系統(tǒng)等先進(jìn)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，它們與常規(guī)PID控制相結(jié)合，揚(yáng)長避短，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，形成所謂的智能PID控制。這種新型智能PID控制器已引起人們的普遍關(guān)注和極大的興趣，也已得到較為廣泛的應(yīng)用。結(jié)合上面的論述，今后還需要做進(jìn)一步的研究和解決的問題有：(1)硬件方面，采用DSP、ARM或者利用第一章提到的片上系統(tǒng)SOC對系統(tǒng)的硬件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)；(2)軟件方面，摒棄傳統(tǒng)的前后臺系統(tǒng)軟件編程模式，改用基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件開發(fā)；(3)控制算法方面，嘗試采用現(xiàn)在得到快速發(fā)展的智能控制方法，如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和模糊PID控制等等。參考文獻(xiàn)[1]陳國將．基于模糊PID控制的玻璃纖維機(jī)械溫度控制系統(tǒng)研究[D]．西安建筑科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006[2]張文娜．電控空氣懸架PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究[D]．江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006[3]張宇．高精度恒溫箱溫度控制理論研究與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]．合肥工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005[4]薛定宇．控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(第二版)[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2006[5]李朝青．單片機(jī)amp。DSP外圍數(shù)字IC技術(shù)手冊(第二版)[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005[6]求是科技．8051系列單片機(jī)c程序設(shè)計(jì)完全手冊[M]．北京：人民郵電出版社，2006[7]孫廣清．便攜式溫度傳感標(biāo)定裝置[D]．西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007[8]馮博琴主編．微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2006[9]沈懷洋．高精度鉑電阻溫度調(diào)節(jié)器[D]．沈陽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2004[10]鄭善鋒，鄭華杰等．利用微機(jī)數(shù)據(jù)處理提高溫度測量精度[J]．電路與系統(tǒng)學(xué)報(bào)，2005年第10卷第123