【正文】 數(shù)字濾波程序 FILTER:用于濾去來自控制現(xiàn)場對采樣值的干擾。 (4)一階滯后濾波法是一種動態(tài)濾波方法，其表達式為 : 1)1( ???? nn YXY ?? (41) 式中 ： X:第 n 次采樣值 1?nY :上次濾波結(jié)果輸出值 nY :第 n次采樣后濾波結(jié)果輸出值 ? :濾波平滑系數(shù) 通常采樣周期遠小于濾波環(huán)節(jié)的時間常數(shù)，也就是輸入信號的頻率快，而濾波環(huán)節(jié)時 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于 RC 濾波器。 基于單片機的 恒溫控制系統(tǒng)的開發(fā) 30 (3)算術平均濾波法是對目標參數(shù)進行連續(xù)采樣，然后求其算術平均值作為有效采樣值。每次采樣后都 和上次的有效采樣值進行比較，如果變化幅度不超過經(jīng)驗值，本次采樣有效，否則，本次采樣值應視為干擾而放棄，以上次采樣值為準。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。其中最重要的環(huán)節(jié)是數(shù)字濾 所以這里主要討論系統(tǒng)采用的數(shù)字濾波程序。 引腳上輸出的該同步脈沖寬度由 T1 計數(shù)器的溢出中斷控制，8051 利用等待 T1 溢出中斷空隙時間完成把本次采樣數(shù)值轉(zhuǎn)換成顯示值而放入顯示緩沖區(qū)和調(diào)用溫度顯示程序， 8051 從 T1 中斷服務程序返回后便可以恢復現(xiàn)場和返回主程序，以等待下次 T0 中斷。 主程序流程圖如圖 41所示。 (3)濾波電源系統(tǒng)干擾源主要是高次諧波。 (2)接地應遵循的基本原則是數(shù)字地、模擬地、屏蔽地應該合理接地，不能混用。對于本系統(tǒng)， 硬件抗干擾設計具體措施有隔離、接地、濾波等常用方法。 (c)在對象的響應曲線上，過最大斜率處作切線，求出等效滯后時間 ? 和等效時間常數(shù) mT ，并計算出它們的比值 mT /? 。如果已知系統(tǒng)的動態(tài)特性曲線，數(shù)字控制器的參數(shù)也可以采用所謂的擴充響應曲線法進行整定。所謂控制度， 就是數(shù)字控制器和模擬調(diào)節(jié)器所對應的過渡過程的誤差平方的積分之比。 (2)擴充臨界比例度法 這是 Ziegler 和 Nichols 提出的一種 PID 參數(shù)整定方法。 (b)加入積分環(huán)節(jié) 如果只用比例控制，系統(tǒng)的靜差不能滿足要求，則需加入積分環(huán)節(jié)。但過大的比例基于單片機的 恒溫控制系統(tǒng)的開發(fā) 20 系數(shù)又會加大系統(tǒng)超調(diào)，甚至產(chǎn)生振蕩，使系統(tǒng)不穩(wěn)定。 將上式離散化得到數(shù)字 PID位置 式算法 式中 在位置式算法的基礎之上得到數(shù)字PID增量式算法： )( )2()( 1 211 ? ??? ??????? ?????? nnDnInP nnnDnInnPn eeKeKeK eeeKeKeeKU (35) 由于 PID控制器的輸出為系統(tǒng)偏差的比例、微分和積分作用后的線性組合，所以調(diào)整各個部分的線性系數(shù)就是 PID 控制器控制性能好壞的關鍵。積分作用的強弱取決基于單片機的 恒溫控制系統(tǒng)的開發(fā) 19 于積分時間常數(shù)， IT 越大，積分作用越弱，反之則越強 。 控制器的輸入信號為偏差信號 )(te : )()()( tytrte ?? （ 31） 將偏差 )(te 的比例 (Proportional)、積分 (Integral)和微分 (Derivative)通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進行控制，因此稱為 PID 控制。因此， PID 控制器在工業(yè)控制中仍然得到廣泛應用。 通常，爐溫控制采用偏差控制法。圖 35示出了可控硅管在給定周期 T 內(nèi)具有不同 接通時間的情況。 因此雙向可控硅特別適合用作無觸點開關。 圖 35 A/D 轉(zhuǎn)換電路圖 可控硅 驅(qū)動 電路 可控硅是一種功率半導體器件，簡稱 SCR，也稱晶閘管。首先輸入地址選擇信號，在 ALE 信號作用下，地址信號被鎖存，產(chǎn)生譯碼信號，選中一路模擬量輸入。傳統(tǒng)的電路設計方法是在 A/D 轉(zhuǎn)換前增加一級高精度的測量放大器，這樣就增加了成本，電路也較為復雜。不同類型的轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度相差甚遠 。但是大多數(shù)單片機本身只能識別和處理數(shù)字量，因此必須經(jīng)過模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換 (A/D 轉(zhuǎn)換 )，才能夠?qū)崿F(xiàn)單片機對被控對象的識別和處理。工作在方式 Ⅲ 或方 式 Ⅳ 時， C 口用作控制口或部分用于控制。 此時 P0 輸出的低 8 位地址只有 3 位有效，用于片內(nèi)選址，其他位無用。它與 51型單片機接口簡單，是單片機應用系統(tǒng)中廣泛使用的芯片。圖中 30個按鍵分三類：一是數(shù)字鍵 09，共 10 個；二是功能鍵 18 個；三是剩余兩個鍵，可定義或設置成復位鍵等。 基于單片機的 恒溫控制系統(tǒng)的開發(fā) 13 圖 32 單片機 恒溫 控制系統(tǒng)電路原理圖 接口電路 接口電路采用 MCS51 系列單片機 8051，外圍擴展并行接口 8155， 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC0809 等芯片。 毫伏變送器用于把熱電偶輸出的 0mV 變換成 4mA 20mA 的電流；電流 /電壓變送器用于把毫伏變送器輸出的 4mA 20mA 電流變換成 05V 的電壓 [8]。 系統(tǒng)設計原理圖如圖 31所示。 2） 數(shù)據(jù)存儲器設計 由于算法的需要，在存儲器中需要存儲 24 個從 A/D 片出來的數(shù)據(jù)，即需要 24單元的存儲單元。即 A：數(shù)據(jù)總線： P0 口接 EPROM 地 O0O7(D7D0)； B：地址總線： P0 口經(jīng)鎖存器向 EPROM 提供地址低 8 位， P2 口提供高 8 位地址以及片選線。維持或編程禁止時 O0O7 呈高阻抗； CE：片選信號輸入線，“ 0”（即 TTL 低電平）有效； PGM：編程脈沖輸入線 。 單片機外總線結(jié)構(gòu) 微型計算機大多數(shù) CPU外部都有單獨的地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線，而 MCS51 單片機由于受到芯片 管腳的限制，數(shù)據(jù)線和地址線（低 8位）是復用的，而且是 I/O 口兼用。 8051 系統(tǒng)擴展設計 通常情況下，采用 MCS51 系列單片機的最小系統(tǒng)只能用于一些很 簡單的應用場合，在此情況下直接使用單片機內(nèi)部存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、定時功能、中斷功能、 I/O 端口等，組成的應用系統(tǒng)的成本較低 [5]。該端同樣可驅(qū)動 8 個 LSTTL負載。 對含有 EPROM 的單片機，片內(nèi) EPROM 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖（ PROG）。即使不訪問片外存儲器， ALE 端仍以不變的頻率周期性地出現(xiàn)脈沖信號。 RST/VPD（ 9 腳）：單片機復位 /備用電源引腳。 1） 主電源引腳 VCC 和 VSS VSS（ 40 腳）：主電源 +5V，正常操作的對 EPROM 編程及驗證時均接 +5V電源。 P3 口：雙功能口。在無片外擴展存儲器的系統(tǒng)中，這 4 個口的每一位均可作為雙向的 I/O 口使用。 圖 21 8051單片機功能方框圖 基于單片機的 恒溫 控制系統(tǒng)的開 發(fā) 8 MCS51 輸入 /輸出端口的結(jié)構(gòu)與功能 MCS51 單片機有 4 個 I/O 端口， 共 32 根 I/O 線， 4 個端口都是準雙向口。 8051 是 MCS－ 51 系列單片機的一種型號。它包括中央處理器 CPU、隨機存儲器 RAM、只讀存儲器 ROM、中斷系統(tǒng)、定時器 /計數(shù)器、串行口和 I/O 等等。 由于整個系統(tǒng)軟件比較復雜，為了便于編寫、調(diào)試、修改和增刪，系統(tǒng)程序的編制適合采用模塊化的程序結(jié)構(gòu)，故要求整個控制系統(tǒng)軟件由許多獨立的小模塊組成，它們之間通過軟件接口連接，遵循模塊內(nèi)數(shù)據(jù)關系緊湊，模塊間數(shù)據(jù)關系松散的原則，將各功能模塊組織成模塊化的軟件結(jié)構(gòu)。與匯編語言相比， C 語言具 有以下的特點 : (1)具有結(jié)構(gòu)化控制語句 結(jié)構(gòu)化控制語言的顯著特點是代碼和數(shù)據(jù)的分隔化，即程序的各個部分除了必要的信息交流外彼此獨立。它不僅能滿足復雜的系統(tǒng)性能的需要，而且還使整個系統(tǒng)的電路緊湊，硬件結(jié)構(gòu)簡化。由此可見，采用單片機設計控制系統(tǒng)，不僅可以降低開發(fā)成本，精簡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而且控制算法由軟件實現(xiàn)，還可以提高系統(tǒng)的兼容性和可移植性。 整個系統(tǒng)遵循了冗余原則及以軟代硬的原則，并盡可能選用典型、常用、易于替換的芯片和電路，為系統(tǒng)的開放性、標準化和模塊化打下良好基礎。 (2)系統(tǒng)特點 : 鑒于上述系統(tǒng)功能要求以及智能儀表應具有的體積小、成本低、功能強、抗干擾并盡可能達到更高精度的要求。 系統(tǒng)總體設計方案 單片機溫度控制系統(tǒng)是以 MCS5l單片機為控制核心，輔以采樣反饋電路，驅(qū)動電路，晶閘管主電路對電爐爐溫進行控制的微機控制系統(tǒng)。目前已出現(xiàn)一種高精度模糊控制器，可以很好的模擬人的操作經(jīng)驗來改善控制性能，從理論上講，可以完全消除穩(wěn)態(tài)誤差。并通過將智能控制與 PID 控制相結(jié)合，從而實現(xiàn)溫度的智能控制。采用這種方法實現(xiàn)的溫度控制器， 其控制品質(zhì)的好壞主要取決于三個 PID 參數(shù) (比例值、積分值、微分值 )。 由于 PID調(diào)節(jié)器模型中考慮了系統(tǒng)的誤差、誤差變化及誤差積累三個因素，因此，其控制性能大大地優(yōu)越于定值開關控溫。這種開關控溫方法比較簡單，在沒有計算機參與的情況下，用很簡單的模擬電路就能夠?qū)崿F(xiàn)。在工業(yè)生產(chǎn)中很多場合需要實現(xiàn)這一控制目標，如在發(fā)酵過程控制，化工生產(chǎn)中的化學反應溫度控制，冶金工廠中燃燒爐中的溫度控制等 ； 恒值溫度控制的目的是使被控對象的溫度恒定 保持 在某一給定數(shù)值上，且要求其波動幅度 (即穩(wěn)態(tài)誤差 )不能超過 允許值。但也存在測量誤差較大，儀表指示值一般僅代表物體表觀溫度，測溫裝置結(jié)構(gòu)復雜，價格昂貴等缺點。 溫度測控技術包括溫度測量技術和溫度控制技術兩個方面。同樣道理，對于只有冷卻沒有加熱環(huán)節(jié)的應用中，實際溫度低于控制的目標溫度，對控制效果的影響也是很大的。 另外，在大部分實際的環(huán)境中，增 溫要比降溫方便得多。因此，溫度的測量與控制在國民經(jīng)濟各個領域中 均受到了相當程度的重視。針對控制對象的特點，在系統(tǒng)辨識的基礎上對系統(tǒng)的控制算法進行了仿真研究，并在單片機系統(tǒng)中實現(xiàn)了控制算法 ， 最后針對溫控系統(tǒng)進行了實驗，通過對 實驗數(shù)據(jù)的分析表明本文所述的基于單片機的 恒溫 控制系統(tǒng)的設計的合理性和有效性。采用單片機對 其進行 控制不 僅具有控制方便，簡單和靈活性大等優(yōu)點，而且 能夠提高被控對象的控制品質(zhì) ，從而能夠大大 地 提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。 PID 溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng) 作為一種重要的控制 ，在化工、食品等諸多工業(yè)生產(chǎn)過程中得到了廣泛的應用。 關鍵詞 單片機 ； 溫度控制 ； 數(shù)字 PID控制 II Abstract Along with national economy development, the people need to each heating furnace， the temperature carry on the monitor and the control. Not only uses the monolithic integrated circuit to e to them to control has the control to be convenient, simple and flexibility big and so on merits, moreover may enhance large scale is accused the temperature technical specification, thus can big enhance the product the quality and quantity. PID temperature control, as an important control device, has been widely used in producing chemical products, foods and many other fields. The paper mainly introduces based on a temperature control system. The hardware and software of the temperature control system and the design of relevant interface circuit are described in this paper. The reliability of the system is specially considered, and a series of measures are realized. According to the difficulty to control of the system, methods of system control are analyzed based on the system Identification, and realized the control algorithm in the Microcontroller system. The experiment data shows that the design of temperature control system based on Microcontroller is availability