【正文】 在大學的四年時間里，伴隨著歡樂和淚水，辛酸和愉悅，我學到了很多專業(yè)知識和許多做人的道理，使我從幼稚慢慢地走向成熟，這些都是與關心和幫。比如，控制方法的不夠完美，參數的設置不夠合理，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。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)展前景的復合控制方案，具有較高的理論價值和實用價值。本設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。 PID軟件設計流程圖具體的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。控制時，首先取給定值，再對電爐的溫度進行采樣，把采樣結果和給定值進行比較而產生偏差e(n)，通過上式進行計算，求出即時控制量U(n)并存入內存中。整個差分方程都是執(zhí)行整數運算，U(n)，計算開始時U(n1)=0,e(n1)=0,e(n2)=0。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，KI是積分系數，KD為微分系數。而由于在本次的電路設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)電路相當于短路，故不需要PID控制。 PID控制及其算法采用比例、積分、微分(PID)調節(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，采用數值計算法逼近后，PID的調節(jié)規(guī)律可以通過數伯公式計算: (2)如果采樣取得足夠小，這種逼近可相當準確，被控過程與連續(xù)過程十分接近。例如，大到轉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。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。按采用PID控制進行工業(yè)生產的調節(jié)器早已產品化。其基本組成原理比較簡單，參數的物理意義也比較明確。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。在實際使用中,在滿足生產過程需要的前提下,應盡量選擇簡單的調節(jié)器,這樣,既節(jié)省投資,又便于維護。上面論述可知：在 PID 調節(jié)器中,比例調節(jié)的作用是可使調節(jié)過程趨于穩(wěn)定，但會產生穩(wěn)態(tài)誤差。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。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)。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)成正比關系。隨著時間的增加，積分項會增大。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 )。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steadystate error）。 比例控制是一種最簡單的控制方式。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。積分環(huán)節(jié)能消除被調良的偏差，但調節(jié)時間變長，積分速度 Ki 同樣要選擇適當，在同樣偏差情況下，增大積分速度 Ki值，調節(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。對一個控制系統(tǒng)而言，合理地設置這三個參數，可取得較好的控制效果。微分時間常數。PID控制器是一種線性控制器，它根據給定值r(t)與實際輸出值c(t)構成控制偏差e(t) =r(t) c(t)，從而針對控制偏差進行比例、積分、微分調節(jié)的一種方法，其連續(xù)形式為 或寫成傳遞函數形式：上式中:比例系數。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。在生產過程自動控制的發(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。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。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號鍵為溫度設定/確定設定鍵；2號為顯示設定溫度；3號鍵為設定溫度上升；4號鍵為設定溫度下降的功能實現(xiàn)。下圖41是其流程圖上電復位初始化清數據區(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，調溫，顯示，PID控制都在中斷中設計，當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。圖318 復位電路 過限報警電路在控制系統(tǒng)中，溫度超出警戒值或設定值時，由單片機PD6端口輸出通過三極管驅動蜂鳴器，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。其中，按鍵脈沖復位是利用RC微分電路產生的正脈沖來實現(xiàn)的；按鍵電平復位是通過使復位端經電阻與Vcc電源接通而實現(xiàn)的。上電自動復位是通過外部復位電路的電容充電來實現(xiàn)的。 復位電路在單片機的實際應用系統(tǒng)中，除單片機本身需要復位外，外部擴展的I/O接口電路也要復位，因此需要一個系統(tǒng)的同步復位信號，即單片機復位后，CPU開始工作時，外部的電路一定也要復位好，以保證CPU有效的對外部電路進行初始化編程。圖317 時鐘電路本設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。但并不是系統(tǒng)時鐘頻率越快就越好，因為當時鐘頻率越高時，其耗電量也越大，也容易受到十擾(或十擾別人)。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。系統(tǒng)時鐘為控制器提供時鐘脈沖，是控制器的心臟。 時鐘電路 Atmega8的片內含有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。只有當第一陽極A第二陽極A2電流減小，小于維持電流或AA2間當電壓極性改變且沒有觸發(fā)電壓時，雙向可控硅才截斷，此時只有重新加觸發(fā)電壓方可導通。此時AA2間壓降也約1V。由于主電極的構造是對稱的（都從N層引出），所以它的電極不像單向可控硅那樣分別叫陽極和陰極，而是把與控制極相近的叫做第一電極A1，另一個叫做第二電極A2。經驗公式如下：R4是晶閘管的門極電阻，防止誤觸發(fā)，提高抗干擾能力，一般取值雙向可控硅TLC3361如圖316所示圖316 雙向可控硅雙向可控硅具有兩個方向輪流導通、關斷的特性。因為負載若為感性，并接在功率可控硅的陽極和陰極之間，起保護作，可控硅通、斷時會產生較大的反電動勢，可能引起可控硅的損壞從而保護可控硅，在相關電路上并聯(lián)吸收電路后，就能削弱高的瞬時電壓。 單片機控制口輸出觸發(fā)信號使晶閘管導通，此時，流經晶閘管的電流是完整的正弦電流，避免電網波形的畸變。而每中斷一次，即每經過一個周波N減1，直減到N為0，則將PB1置0，此時CON為“0”，發(fā)光二極管LED熄滅，從而使晶閘管截止。圖315 可控硅觸發(fā)電路本設計中采用固定周期控制方式，設定控制周期T為1秒（100個電網周波）。光隔離/光耦合過零雙向可控硅驅動器MOC3041新型器件MOC3041的使用使調功器電路變得非常簡練，它集光電隔離、過零檢測功能于一身，具有體積小、功耗低、抗干擾能力強、無噪聲等優(yōu)點。（2）將控制算法得到的控制量變?yōu)榭煽毓柙谥芷趦鹊膶〞r間。然而，傳統(tǒng)的可控硅過零觸發(fā)調功器由同步脈沖產生電路、檢零電路、隔離電路組成，結構復雜，降低了可靠性，而且采用分立元件，器件的離散性和溫漂嚴重影響調功器控制精度及使用壽命。這些諧波分量引起電網電壓波形畸變，功率因數下降，給其它用電設備和通訊系統(tǒng)的工作帶來不良影響。據文獻專門介紹：:采用移相觸發(fā)的可控硅交流調功裝置，往往在可控硅導通的瞬間使電網電壓出現(xiàn)畸變，當控制角為90176。設采取(控制)周期為T,在T周期內工頻交流電的半周波數為N，如全導通時額定加熱功率為P,則實際的平均加熱功率與T周期內實際導通的半周波數n成正比，即 過零觸發(fā)調功器的組成：目前，采用可控硅進行功率調節(jié)的觸發(fā)方式有兩種:過零觸發(fā)、移相觸發(fā)。 可控硅觸發(fā)電路調功控溫可控硅調功控溫具有不沖擊電網，對用電設備不產生干擾等優(yōu)點，是一種應用廣泛的控溫方式。 交流接觸器的工作原理：當線圈通電時，靜鐵芯產生電磁吸力，將動鐵芯吸合，由于觸頭系統(tǒng)是與動鐵芯聯(lián)動的,因此動鐵芯帶動三條動觸片同時運行,觸點閉合,從而接通電源。 交流接觸器的接點，由銀鎢合金制成，具有良好的導電性和耐高溫燒蝕性。它利用主接點來開閉電路，用輔助接點來執(zhí)行控制指令。在初始加熱階段，交流接觸器閉合，全功率加熱，在中期的溫度調整過程中，交流接觸器斷開，由可控硅觸發(fā)電路控制一路加熱器低功率加熱。按鍵必須加上正上拉電阻來確保按鍵的可靠性，當沒有按鍵按下時確保PD0PD3為高電平。 鍵盤設置電路鍵盤的作用是對單片機輸入數據，設計中要求能是溫度進行“+”，“”，及溫度值的設定，按鍵的接口是與單片機的PD口的PD0PD3相接，每個按鍵完成不同的功能，功能的實現(xiàn)由軟件來控制實現(xiàn)，分別為1號鍵為溫度設定/確定設定鍵；2號為顯示設定溫度；3號鍵為設定溫度上升；4號鍵為設定溫度下降的功能實現(xiàn)。表7 數據指針設置指令碼功能80H+地址碼（027H，40H67H）設置數據地址指針01H顯示清屏：02H顯示回車：（3）初始化過程（復位過程）延時15ms寫指令38H(不檢測忙信號)延時5ms寫指令38H(不檢測忙信號)延時5ms寫指令38H(不檢測忙信號)(以后每次寫指令、讀/寫數據操作之前均需檢測忙信號)寫指令38H：顯示模式設置寫指令08H：顯示關閉寫指令01H：顯示清屏寫指令06H：顯示光標移動設置寫指令0CH：顯示開及光標設置 SMC1602A和單片機接口電路具體的電路圖如圖312所示圖312 液晶顯示電路圖SMC1602A的D3—D7管腳和單片機的PC0—PC3相連，采用4位數據傳送方式。（1）初始化設置表6 顯示模式指令表指令碼功能00111000設置16*2顯示，5*7點陣，8位數據接口00001DCBD=1 開顯示；D=0 關顯示C=1 顯示光標；C=0 不顯示光標B=1 光標閃爍；B=0 光標不閃爍000001NSN=1 當讀或寫一個字符后地址指針加一，且光標加一N=0 當讀或寫一個字符后地址指針減一，且光標減一S=1 當寫一個字符，整屏顯示左移（N=1）或右移（N=0），以得到光標不移動而屏幕移動的效果。表3 SMC1602A主要技術參數：顯示容量：16*2個字符（TN型）模塊最佳工作電壓工作電壓：~字符尺寸：*（WXH）mm工作電流：()工作溫度：0~+50℃背光源顏色：黃綠存儲溫度：20~+70℃背光源電流：100mA SMC1602A總線方式驅動接口及讀/寫時序SMC1602A采用標準16引腳接口，引腳功能如表4所列，其中8位數據總線D0—D7以及RS、R/W、E 3個控制端口，各分解時序操作速度可達1MHz，并且?guī)в凶址麑Ρ榷日{節(jié)和背光。內有顯示92個ASCII字符和92個特殊字符的字庫。該顯示模塊可直接與ATmega8單片機相接，所有的顯示功能由控制器用指令實現(xiàn)。LCD技術和半導體技術的結合使該顯示模塊具有高可靠性和低功耗的特點。液晶顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內容豐富等特點，現(xiàn)在點陣型液晶顯示模塊已經是單片機應用設計中常用的信息顯示器件了。整流原理圖如圖310所示：圖310 橋式整流電路 顯示電路的設計設計要求能顯示當前溫度值，因此可采用液晶顯示或者數碼管顯示兩種方法。其主要與單片機引腳的接口如圖39所示圖39 DS18B20與單片機接線圖DS18B20是與單片機的PB0端口相接，單片機通過對單總線DQ的操作來發(fā)送命令，讀取數據等實現(xiàn)單片機對DS18B20模式的控制，溫度值讀取等操作。如用于華氏溫度，必須要用一個轉換因子查找表。數據通過單線接口以串行方式傳輸。DS18B20 ℃的分辨力。這是通過改變計數器對溫度每增加一度所需計數的值來實現(xiàn)的。然后計數器又開始計數直到0，如果門周期仍未結束，將重復這一過程。如果計數器在門周期結束前到達0，則溫度寄存器（同樣被預置到55℃）的值增加，表明所測溫度大于55℃。斜坡累加器計數器低溫度系數振蕩器比較預置門周期高溫度系數振蕩器門周期溫度寄存器預置計數器LSB置位/清0停止增加圖38 溫度測量電路方框圖表2 溫度與數據的關系溫度℃數據輸出（二進制）數據輸出（十六進制）+12500000000 1111101000FA+2500000000 001100100032+1/200000000 000000010001000000000 0000000000001/2111111111 11111111FFFF25111111111 11001110FFCE55111111111 10010010FF92DS18B20是這樣測溫的：用一個高溫度