【正文】 PID 控制是在連續(xù)的生產(chǎn)過程中，將偏差的比例（Proportional）、積分（Integral）、微分（Derivative ）通過線性組合構(gòu)成控制量，對控制對象進(jìn)行控制。根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場的運(yùn)行情況，這種控溫方法，精度比較高，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，滿足生產(chǎn)的實(shí)際需要。比例積分微分（PID）調(diào)節(jié)——比例積分調(diào)節(jié)會(huì)使調(diào)節(jié)過程增長，溫度的波動(dòng)幅值增大，為此再引入微分（D）調(diào)節(jié)。比例調(diào)節(jié)器的輸入、輸出量之間任何時(shí)刻都存在一一對應(yīng)的比例關(guān)系，因此爐溫變化經(jīng)比例調(diào)節(jié)達(dá)到平衡時(shí)，爐溫不能復(fù)加到給定值時(shí)的偏差稱“靜差”。比例調(diào)節(jié)（P 調(diào)節(jié)）—— 調(diào)節(jié)器的輸出信號（M）和偏差輸入（ e）成比例。湖南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)33三位式調(diào)節(jié)——它有上下限兩個(gè)給定值，當(dāng)爐溫低于下限給定值時(shí)招待器全開；當(dāng)爐溫在上、下限給定值之間時(shí)執(zhí)行器部分開啟；當(dāng)爐溫超過上限給定值時(shí)執(zhí)行器全閉。按照偏差的比例、積分和微分產(chǎn)生控制作用（PID 控制），是過程控制中應(yīng)用最廣泛的一種控制形式。溫度自動(dòng)控制常用調(diào)節(jié)規(guī)律有二位式、三位式、比例、比例積分和比例積分微分等幾種。本系統(tǒng)采用查詢方式。如果10ms 之后I/O口不為低電平，則說明是干擾信號，而不是按鍵被按下。軟件消抖的常用方法是軟件延時(shí)。如果按鍵較多，硬件消抖無法達(dá)到預(yù)期效果。按鍵的消抖，通常有軟件，硬件兩種消除方法。抖動(dòng)過程引起電平信號的波動(dòng)，有可能令CPU 誤解為多次按鍵操作，從而引起誤處理。按鍵掃描程序通過讀取I/O口的電平即可知道對應(yīng)按鍵的狀態(tài)。湖南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)30采樣初始值送 R 0啟動(dòng) A / D延時(shí)A / D 完成 ？所有采樣結(jié)果 ？YYNN開始返回圖 43 采樣程序流程圖 顯 示 子 程 序共陰極數(shù)碼管是用高電平（“1” ）點(diǎn)亮的，要求驅(qū)動(dòng)功率較大。在等待 T1 中斷時(shí)，將本次采樣值轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的溫度值放入顯示緩沖區(qū)，然后調(diào)用顯示子程序。在中斷服務(wù)程序中啟動(dòng) A/D，讀入采樣數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)字濾波、上下限報(bào)警處理，PID 計(jì)算，然后輸出控制脈沖信號。湖南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)28系統(tǒng)各模塊初始化調(diào)測量溫度子程序顯示當(dāng)前溫度開始調(diào)鍵盤處理子程序輸入設(shè)定值計(jì)算溫度的偏差值測量值超過設(shè)定值調(diào)用執(zhí)行 P I D 子程序報(bào)警子程序進(jìn)行加熱停止加熱測量值低于設(shè)定值YYNN報(bào)警子程序圖41 控制系統(tǒng)程序流程圖 程序設(shè)計(jì)主程序流程圖如圖 42 所示：湖南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)29請標(biāo)志和暫存單元清顯示緩沖區(qū)T 0 初始化溫度標(biāo)度轉(zhuǎn)換開始鍵盤高優(yōu)先級開 C P U 中斷溫度顯示圖 42 主程序流程圖 采 樣 程 序系統(tǒng)控制程序采用兩重中斷嵌套方式設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)軟件中，主程序完成系統(tǒng)初始化和電爐絲的導(dǎo)通和關(guān)斷；爐溫測定、鍵盤輸入、時(shí)間確定和顯示、控制算法等都由子程序來完成；中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)測溫。溫度信號采集子程序主要包括傳感器初始化、單片機(jī)給傳感器寫命令、單片機(jī)給傳感器寫數(shù)據(jù)、單片機(jī)從傳感器讀數(shù)據(jù)等部分。從功能上可將其分為溫度信號采集及A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、人機(jī)交互、執(zhí)行四大部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。本章從設(shè)計(jì)思路、軟件系統(tǒng)框圖出發(fā)，先介紹整體的思路，再逐一分析各模塊程序算法的實(shí)現(xiàn)，最終編寫出滿足任務(wù)需求的程序。根據(jù)系統(tǒng)功能，可以將系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為若干個(gè)子程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，如溫度采集子程序，數(shù)據(jù)處理子程序、顯示子程序、PID控制子程序。固態(tài)繼電器內(nèi)部采用電壓過零時(shí)開啟，負(fù)載過零時(shí)關(guān)斷的特性，在負(fù)載上可以得到一個(gè)完整的正弦波形。固態(tài)繼電器的簡介：固態(tài)繼電器（SOLID STATE RELAYS ），簡寫成”SSR”，是一種全部由固態(tài)電子元件組成的新型無觸點(diǎn)開關(guān)元件，它利用電子元件（如開關(guān)三極管、雙向可控硅等半導(dǎo)體器件）的開關(guān)特性，可達(dá)到無觸點(diǎn)無火花地接通和斷開電路的目的，因此又被稱為“無觸點(diǎn)開關(guān) ”。\ Drawn By:U3BELLQ18550R3100KVCC圖318 報(bào)警電路圖 輸 出 控 制 單 元電阻爐溫度控制是通過控制電阻爐輸入功率的大小實(shí)現(xiàn)對溫度的控制，其控制方法有兩種：一種是可控硅移相觸發(fā)調(diào)節(jié)方式，實(shí)質(zhì)就是通過改變交流電壓每周期內(nèi)電壓波形的導(dǎo)通角從而控制輸出功率；另一種是通斷控制調(diào)節(jié)方式，其觸發(fā)方式是過零觸發(fā)，實(shí)質(zhì)是通過改變交流電壓每周期內(nèi)電壓波頭出現(xiàn)的次數(shù)從而控制輸出功率。205。192。198。232。串行口通信原理圖如圖317所示：1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 14Jun2022 Sheet of File: F:\三三 \三三三三\三三 \99三三三\ Drawn By:C1+1V+2C13C2+4C25V6T2OUT7R2IN8 R2OUT 9T2IN 10T1IN 11R1OUT 12R1IN 13T1OUT 14GND 15VCC 16U3RS232162738495J6DB9C3 C4C5C2VCCGNDC1GND圖317 串行口通信湖南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)25 輸出電路設(shè)計(jì) 報(bào) 警 單 元報(bào)警電路實(shí)現(xiàn)的是當(dāng)環(huán)境溫度值超過系統(tǒng)設(shè)置的上限值或者小于系統(tǒng)設(shè)置的下限值時(shí)，都將通過I/O 口驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，進(jìn)行蜂鳴器報(bào)警 [2]。這樣可以大大提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理速度，還可以方便的對單片機(jī)進(jìn)行控制。湖南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)241 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 16Jun2022 Sheet of File: F:\三三\三三三三\三三\99三三三\ Drawn By:abfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdpGND9WE10LED4圖 316 數(shù)碼管管腳圖 串口通信串口通信的主要功能是完成單片機(jī)與上位機(jī)的通信，便于進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，為將來系統(tǒng)功能的擴(kuò)展做好基礎(chǔ)工作。本設(shè)計(jì)采用的是共陰極數(shù)碼管。在串聯(lián)方式中，確定電源電壓 VCC 時(shí)，每只 LED 工作電壓通常以 計(jì)算，例如 4 英寸 7 段 LED 數(shù)碼顯示器 LC4141 的每一筆段由四只 LED 發(fā)光二極管按串聯(lián)方式連接而成，因此導(dǎo)通電壓應(yīng)在 78V 之間，電源電壓 VCC 必須取 9V 以上。表 74LS164 功能表輸 入 輸 出清除 時(shí)鐘 A B QA QB QHL L L LH L QA0 QB0 QH0H ↑ H H H QAn QGnH ↑ L L QAn QGnH ↑ L L QAn QGnLED164 的管腳如圖 316 所示，其中 ag 段用來顯示數(shù)字或字符的筆畫， dp 顯示小數(shù)點(diǎn)，9 和 10 引腳作為公共地。1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 16Jun2022 Sheet of File: F:\三三 \三三三三\三三 \99三三三\ Drawn By:A1B2QA 3QB 4QC 5QD 6CLK8CLR9QE 10QF 11QG 12QH 13U474LS164圖 315 74LS164 管腳圖湖南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)23A 和 B 為 74LS64 的串行輸入端； QAQH 為 74LS64 的串行輸出端；CLK 是串行時(shí)鐘輸入端；CLR 是串行輸出清零端；VCC：+5V； GND：接地端。圖中的 和 分別連接到單片機(jī)的 和 引腳，作為時(shí)鐘輸入端和數(shù)據(jù)端口。顯示內(nèi)容有溫度值的千位、百位、十位、個(gè)位。由于本設(shè)計(jì)所需要顯示的內(nèi)容比較簡單，只包括現(xiàn)場溫度值、溫度限定值以及 PID系數(shù)的顯示，所以本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示設(shè)備采用 LED 數(shù)碼管。字符型液晶顯示屏已經(jīng)成為了單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)中最常用的信息顯示器件之一。當(dāng)需要顯示的數(shù)據(jù)比較復(fù)雜的時(shí)候，它的優(yōu)點(diǎn)就突現(xiàn)出來了，并且當(dāng)硬件設(shè)計(jì)完成時(shí)，可以通過軟件的修改來不斷擴(kuò)展系統(tǒng)顯示能力。數(shù)碼管顯示的數(shù)據(jù)內(nèi)容比較直觀，通常顯示從0到9中的任意一個(gè)數(shù)字，一個(gè)數(shù)碼管可以顯示一位，多個(gè)數(shù)碼管就可以顯示多位，在顯示位數(shù)比較少的電路中，程序編寫，外圍電路設(shè)計(jì)都十分簡單，但是當(dāng)要顯示的位數(shù)相對多的時(shí)候，數(shù)碼管操作起來十分煩瑣，顯示的速度受到限制。湖南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)21 顯示電路電子設(shè)計(jì)中常用的輸出顯示設(shè)備有兩種：數(shù)碼管和LCD。3 鍵增加鍵，按下一次在原基礎(chǔ)之上加 1，這個(gè)值在 09 之間變化。當(dāng)用于 PID 參數(shù)調(diào)節(jié)時(shí)，設(shè)定 1 鍵為確認(rèn)鍵，按下第五次后，顯示設(shè)置 PID 系數(shù)狀態(tài)。3 鍵增加鍵，按下一次在原基礎(chǔ)之上加 1，這個(gè)值在 09 之間變化。另外，設(shè)定 1 鍵用于顯示采集的溫度，第二次按下則進(jìn)行溫度的上限調(diào)整，第三次按下進(jìn)行溫度的下限調(diào)整，第四次按下則進(jìn)行采集溫度的顯示構(gòu)成循環(huán)。它由 4 個(gè)按鍵構(gòu)成，直接與單片機(jī) I/O 口相連。用軟件方法可以很容易地解決抖動(dòng)問題，這就是通過延遲 10ms 來等待抖動(dòng)消失，再讀入鍵盤碼。抖動(dòng)的持續(xù)時(shí)間隨鍵盤材料和操作員而異，不過通?？偸遣淮笥?10ms。在本設(shè)計(jì)當(dāng)中，由于只需要四個(gè)按鍵，所以采用獨(dú)立式鍵盤結(jié)構(gòu)，電路連接圖如圖313所示：1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 16Jun2022 Sheet of File: F:\三三 \三三 三三\三三 \99三三 三\ Drawn By:K4SW4K3SW4K2SW4K1SW4GND 圖313 獨(dú)立式鍵盤當(dāng)用手按下一個(gè)鍵時(shí)，往往按鍵在閉合位置和斷開位置之間跳幾下才穩(wěn)定到閉合狀態(tài)的情況；在釋放一個(gè)鍵時(shí)，也回會(huì)出現(xiàn)類似的情況。缺點(diǎn)：每個(gè)按鍵需占用一根I/O口線，在按鍵數(shù)量較多時(shí)，I/O口浪費(fèi)大，電路結(jié)構(gòu)顯得復(fù)雜。因此，通過檢測輸入線的電平狀態(tài)就可以很容易判斷是哪個(gè)按鍵被按下了。各按鍵開關(guān)均需要采用了上拉電阻，是為了保證在按鍵斷開時(shí)，各I/O有確定的高電平。鍵盤在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的作用是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入、命令輸入，是人工干預(yù)的主要手段。缺點(diǎn)：機(jī)械抖動(dòng)比較嚴(yán)重、外型不夠美觀。 按 鍵按鍵是現(xiàn)階段電子設(shè)計(jì)中最常用、最實(shí)用的輸入設(shè)備。一般而言，人機(jī)交互是由系統(tǒng)配置的外部設(shè)備來完成，其實(shí)現(xiàn)方式有兩種：一種是由MCU的I/O口驅(qū)動(dòng)專用芯片實(shí)現(xiàn)，如鍵盤顯示控制芯片，串行數(shù)據(jù)傳輸數(shù)碼顯示驅(qū)動(dòng)芯片等，來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。主要包括按鍵輸入、輸出顯示。該系統(tǒng)采用增量式PID控制算法，是指數(shù)字控制器輸出只是控制量的增量，該算法編程簡單，數(shù)據(jù)可以遞推使用，占用存儲空間少，運(yùn)算快。為了書寫方便，將 e(kT)簡化表示成 e(k)等，即省去 T。當(dāng)采樣周期相當(dāng)短時(shí)，可以用求和代替積分，用差商代替微分，即做如下近似變換： （31）000()()()[1]1)kktjjTedeTet k??????式中，k 為采樣序號，k=l，2，3，……；T 為采樣周期。它根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量。、帶載聯(lián)調(diào)，再對 PID 參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，直至滿足要求。 Td積分時(shí)間常數(shù) Td 一般不用設(shè)定，為 0 即可。記錄此時(shí)的 Ti，設(shè)定 PID 的積分時(shí)間常數(shù) Ti 為當(dāng)前值的 150%~180%。比例增益 P 調(diào)試完成。 數(shù) 字 PID 算 法湖南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)18PID 調(diào)節(jié)的一般步驟： P：確定比例增益 P 時(shí)，首先去掉 PID 的積分項(xiàng)和微分項(xiàng)，一般是令Ti=0、Td=0（具體見 PID 的參數(shù)設(shè)定說明），使 PID 為純比例調(diào)節(jié)。此時(shí)芯片開始轉(zhuǎn)換工作，同時(shí)由處理器向芯片時(shí)鐘輸入端CLK輸入時(shí)鐘脈沖，DO/DI端則使用DI端輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號。當(dāng)ADC0832未工作時(shí)其CS 輸入端應(yīng)為高電平，此時(shí)芯片禁用，CLK和DO/DI的電平可任意。但由于DO端與DI端在通信時(shí)并未同時(shí)有效并與單片機(jī)的接口是雙向的，所以電路設(shè)計(jì)時(shí)可以將DO和DI并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。通過DI數(shù)據(jù)輸入端，可以輕易的實(shí)現(xiàn)通道功能的選擇。芯片轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為32μS，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗(yàn)，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強(qiáng)。三．單片機(jī)與ADC0832的接口ADC0832為8位分辨率A/D轉(zhuǎn)換芯片，其最高分辨可達(dá)256級，可以適應(yīng)一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。VREF——參考電源參考電壓用來與輸入的模擬信號進(jìn)行比較，作為逐次逼近的基準(zhǔn)。ADC0832的內(nèi)部沒有時(shí)鐘電路，所需時(shí)鐘信號由外界提供，因此有時(shí)鐘信號引腳。DO 數(shù)據(jù)信號輸出，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出。GND 芯片參考0電位（地）。CH0 模擬輸入通道0，或作為IN+/使用。C；圖311 《ADC0832引腳圖》二．信號引腳ADC0832引腳如圖311所示。C，工業(yè)級芯片溫寬為 40176。ADC0832具有以下特點(diǎn)：8位分辨率；雙通道A/D轉(zhuǎn)換；輸入輸出電平與TTL/CMOS