【正文】 在確定。 通過離散化過程，可得離散的 PID 表達式為： u(k)=kc{e(k)+Ts/Ti*[e(0)+e(1)+e(2)+? +e(k)]+Td/Ts*[e(k)e(k1)]} (41) 式中： k 為采樣序號， k=O、 ??； u(k)為第 k次采樣時刻的計算機輸出值； e(k)為第 k次采樣時刻輸入的偏差值； e(k1)為第 k1 次采樣時刻輸入的偏差值；Ki=Ts/Ti； Kd=Td/Ts。溫控系統(tǒng)采用的數(shù)字 PID 算法，具體算法采用的是增量式 PID 算法，增量 PID 算法的優(yōu)點是編程簡單，數(shù)據(jù)可以遞推使用，占用存儲空間少，運算快，可 用軟 件來實現(xiàn)。 PID 控制算法 溫度 PID 控制原理是先求出實測溫度與設定溫度的偏差值。溫控過程中功率電路輸出的脈沖電流方波寬度始終受溫度 差信號的調(diào)節(jié)控制原理如圖 48所示： 河南理工大學畢業(yè)設計（論文）說明書 28 圖 48 PWM控制原理圖 該 控制執(zhí)行程序設計主要包括： PWM 波的設計、 PID 控制算法設計等。 當環(huán)境溫度下降時 , 輸出信號增大 ,輸出脈寬增大 , 電熱絲加熱時間增長，環(huán)境溫度上升。微機系統(tǒng)輸出高電平時，使雙向可控硅道通，電熱絲通電，輸出低電平時，雙向可控硅截止，電熱絲斷電。 測量的溫度由 DSl8B20數(shù)字溫度傳感器檢測并直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，單片機將該溫度值與被控制值 (設定溫度值 )進行比較，計算出溫度偏差，根據(jù)其偏差值的大小，然后采用 PID控制算法并計算出相應的控制輸出量，最后通過 D／ A轉(zhuǎn)換電路 (這里采用 PWM調(diào)功方式，相當于 D／ A轉(zhuǎn)換器 )控制固態(tài)繼電器在控制周期內(nèi)的通斷占空比 (即控制電阻爐平均功率的大小 )，將控制輸出量輸出，控制加熱器工作，進而達到對溫度進行控制的目的。 河南理工大學畢業(yè)設計（論文）說明書 26 圖 45 DS18B20寫時間隙 圖 顯示和鍵盤掃描 程序 顯示掃描程序流程圖 顯示掃描子程序的流程圖如圖 46所示： 開 始賦 位 選 初 值清 除 位 選送 顯 示 段 碼選 通 并 延 時 2 m s改 變 位 選 字消 影完 成 8 位 掃 描結(jié) 束NY 圖 46 顯示掃描子程序的流程圖 鍵盤掃描程序 流程圖 本設計設置有四個按鍵， S1 為返回鍵， S2 為溫度加鍵， S3 為溫度減鍵， 即 當按 S2鍵時，設置溫度加 度； 當按 S3 鍵時，設置溫度減 度 ， S4用來切換顯示通道，以便觀察數(shù)碼管顯示的各個通道的溫度值 。若待寫位wbit 為 1，則主機拉低總線并在 1～ 15μs 內(nèi)釋放，然后等待 60μs ，寫 1 操作完成。向 1Wire 總線寫 1bit 至少需要 60μs ，同時還要保證兩次連續(xù)的寫操作有 1μs 以上的間隔。如程序 所示 ，當 MCS51 單片機的時鐘頻率為 12MHz 時，程序中的語句 _nop_()。 從總線讀數(shù)據(jù)時，主機首先拉低總線 1μs 以上然后釋放，在釋放總線后的 1～ 15μs 內(nèi)主機對總線的采樣值即為讀取到的數(shù)據(jù) ， 具體程序見附錄 B。 河南理工大學畢業(yè)設計（論文）說明書 25 圖 43 DS18B20復位及應答關系示意圖 讀 子 程序 與寫操作類似，主機對 1Wire 總線的讀操作也只能逐位進行，連續(xù)讀 8 次，即可讀入主機一個字節(jié)。 溫 度 控 制 子 程 序初 始 化進 入 測 溫 程 序查 詢 接 收 指 令發(fā) 送 溫 度 數(shù) 據(jù)是 0 5 H 指 令 ？是 0 8 H 指 令 ？接 收 上 位 機 溫 度 命 令NYYN開 始 圖 41 系統(tǒng)操作的總體流程圖 本系統(tǒng)中下位機 為 單片機，其相關軟件設計主要包括 DS18B20 的測溫程序設計、 LED顯示和鍵盤掃描程序設計、控制執(zhí)行模塊程序及串口通訊程序設計等。下位機的程序采用串口查詢的方式，從而能夠?qū)崿F(xiàn)上位機指令對單片機的實時控制，節(jié)省 CPU的資源。研制一個復雜的測控系統(tǒng)，軟件研制的工作量往往大于硬件 。這是最簡單的連接方法，但是對我們來說已經(jīng)足夠使用了，電路如下圖所示， MAX232 的第 10 腳和單片機的 11 腳連接，第 9 腳和單片機的 10腳連接，第 15 腳和單片機的 20腳連接。 由 于串口用的是 TTL 電平，和 RS232 電平不同，因此，單片機和 PC 通信時需要進行電平轉(zhuǎn)換，常用的 IC是 MAX232,連接圖如圖 311所示，其中 MAX232 供電腳為＋ 5V，中間連接的電解電容取 50V 1UF。在進行異步通信時，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收分別在各自的時鐘（ TCLK 和 RCLK）控制下進行的，但都必須與字符位數(shù)的波特率保持一致。 MCS51 內(nèi)部含有一個可編程全雙工串行通信接口，具有 UART 的全部功能。 RS232是為點對點（即只用一對收、發(fā) 設備）通訊而設計的，其驅(qū)動器負載為 3～ 7k217。接收器典型的工作電平在 +3～ +12V與 3～ 12V。典型的 RS232信號在正負電平之間擺動，在發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送端驅(qū)動器輸出正電平在 +5～ +15V，負電平在 5～ 15V電平。 RS232采取不平衡傳輸方式，即所謂單端通訊。 LS1SpeakerQ3PNPGND1KR8+5V 圖 310 報警 電路 河南理工大學畢業(yè)設計（論文）說明書 22 串口通訊電路 目前 RS232是 PC機與通信工業(yè)中應用最廣泛的一種串行接口。 D2Diode 1N4002F1Fuse 1200WR6501R4D1IC5K1+5V2KR5Q1TriacQ2PNPR7+5V+5VIn PowerOut Power 圖 39 執(zhí)行 信號輸出通 道的 原理圖 報警 電路 報警電路如圖 310 所示，其中 報警輸出三極管的集電極接蜂鳴器，蜂鳴器的另一端接正 5伏電源。當溫度超過120176。 此外， 系統(tǒng) 還設有 過熱保護電路 ，如圖 39。 光電耦合器的光敏三極管所能通過的電流足以觸發(fā) 5A 的雙向可控硅，其間不必功放環(huán)節(jié)。這樣使輸出通道省去了D/A 轉(zhuǎn)換器和可控硅移相觸發(fā)電路，大大的簡化了硬件。這是基本原理，在具體實現(xiàn)時還要考慮鍵盤的延時去抖，去抖的原理是，當檢測到有鍵按下時，單片機先不動作，延時 10 毫秒以后，單片機再次檢測按鍵是否按下，如果還是按下，就說明此鍵確實是按下狀態(tài)，單片機執(zhí)行相應操作。因為鍵盤較少所以用簡單的獨立式鍵盤，獨立式鍵盤的優(yōu)點是編程簡單，缺點是占用 I/O 口多，適用于鍵盤較少的電路。共陽極七段 LED顯示器的管腳如圖 38所示： 河南理工大學畢業(yè)設計（論文）說明書 20 1 2 3 4 567891 0g f a be d c D PabdefgD P(a )++++abcdefgD P 圖 38 共陽極七段 LED顯示器的管腳 共陽極 LED顯示器七段碼如下表： 表 31 共陽極 LED顯示器七段碼 顯示字符 共陽極七段碼 顯示字符 共陽極七段碼 0 C0 5 92 1 F9 6 83 2 A4 7 F8 3 B0 8 80 4 99 9 98 鍵盤電路設計 為使用戶使用界面盡量簡單，本文采用 四 個按鍵，通過按鍵來實現(xiàn)溫度設置，即分別調(diào)整溫度的上升和下降 、表示設定返回及顯示通道選擇等 。 LED 顯示器是由發(fā)光二極管顯示子段組成的顯示器件。另外 74LS373 的輸出接上拉電阻，幫助驅(qū)動顯示器。 測溫電纜線建議 采用屏蔽 4 芯雙絞線，其中一對線接地線與信號線，另一組接 VCC和地線，屏蔽層在源端單點接地。 (4) 在 DS18B20 測溫程序設計中，向 DS18B20 發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后，程序總要等待DS18B20 的返回信號，一旦某個 DS18B20 接觸不好或斷線，當程序讀該 DS18B20 時，將沒有返回信號，程序進入死循環(huán)。這種情況主要是由總線分布電容使信號波形產(chǎn)生畸變造成的。試驗中，當采用普通信號電纜傳輸長度超過 50m 時，讀取的測溫數(shù)據(jù)將發(fā)生錯誤。當單總線上所掛 DS18B20 超過 8個時，就需要解決微處理器的總線驅(qū)動問題，這一點在進行多點測溫系統(tǒng)設計時要加以注意。在使用 PL/M、 C 等高級語 言進行系統(tǒng)程序設計時，對 DS18B20操作部分最好采用 C語言實現(xiàn)。在外接電源方式下，也可以充分發(fā) 揮 DS18B20 的寬電源、電壓范圍的優(yōu)點，即使電源電壓 VCC 降到 3V 時，它依然能夠保證溫度量精度。注意只要外部電源處于工作狀態(tài) ， GND（地）引腳不可懸空。這就允許在變換時間內(nèi)其它數(shù)據(jù)在單線上傳送。這種方式 的優(yōu)點是在 I/O 線上不要求強的上拉。 河南理工大學畢業(yè)設計（論文）說明書 17 單片機+ 5 VD S 1 8 B 2 0V D D4 .7 K G N DD Q+ 5 V 圖 35 DS18B20寄生電源供電方式 （ 2）外接電源 供電時 在兩種供電方式中，外接電源 供電 使用得 較 為 普遍，它是將外部電源直接接到DS18B20 的 引腳 VDD 上，以便 在 單片機 的 一個 I/O口上就可同時掛接 多個 DS18B20 芯片。 （ 1）寄生電源 供電時 在 DS18B20 內(nèi)部溫度轉(zhuǎn)換時，為 DQ 線上提供很強的上拉，采用電力 MOSFET 直 接給 DS18B20 供電，這種供電方式有兩種好處： ① 進行遠距離測溫時，無需本地電 源； ② 可以在沒有常規(guī)電源的條件下讀 ROM。讀序列號的電路示意圖如圖 34所示。從 DS18B20 讀出的信息或?qū)懭?DS18B20 的信息，僅需要一根口 線（單線接口）。 河南理工大學畢業(yè)設計（論文）說明書 16 D3D6Bridge1Vin VoutGNDVR178051000ufC9C8C10D7GND+5VIn PowerOut PowerT1Trans Eq 圖 33 電源部分連 線圖 多點測量電路設計 本部分的設計主要有兩個方面：讀序列號電路部分的設計和掛接三個 DS18B20 進行溫度測量時的電路設計。穩(wěn)壓電路的功能是使輸出直流電壓基本不受電網(wǎng)電壓 波動和負載電阻變化的影響，從而獲得穩(wěn)定性足夠高的直流電壓。由于經(jīng)整流電路整流后的電壓含有較大的交流分量，會影響到負載電路的正常工作。 由于輸入電壓為電網(wǎng)電壓，一般情況下所需直流電壓的數(shù)值和電網(wǎng)電壓的有效值相差較大，因而電源變壓器的作用顯現(xiàn)出來起到降壓作用。 （ 3）輸入電源電路： 控制系統(tǒng)主控制部分電源需要用 5V直流電源供電，其電路如下圖所示，把 頻率為50Hz、有效值為 220V的單相交流電壓轉(zhuǎn)換為幅值穩(wěn)定的 5V直流電壓。按下按鈕，則直接把 +5V 加到了 RET/VPD 端從而復位稱為手動復位。若通過按 動按鈕產(chǎn)生高電平復 河南理工大學畢業(yè)設計（論文）說明書 15 12Y1XTALS0SWPB30pfC230pfC11KR1GND22ufC3200R2+5VXTAL119XTAL218RST9PSEN29ALE/PROG30EA/VPP31123456873233343536373839212223242526272810111213141516171AT89S52 圖 32 單片機最小系統(tǒng)電路圖 位稱手動復位。當 AT89S51 單片機的 ALE及 PSEN 兩引腳輸出高電平， RET 引腳高電平到時，單片機復位。 本系統(tǒng)振蕩電路中采用的是 MHz 的 晶振 ，電容 C1 和 C2 的值為 30pf 它們構成并聯(lián)諧振電路， 并 接在反饋回路中。外接電 C C2的 大小會影響振蕩器頻率的穩(wěn)定度、起振時間及溫度穩(wěn)定性。 10uf。當外接石英晶振時，電容 C C2 選 30pf177。 本系統(tǒng)中最小系統(tǒng)電路圖如圖 32。 系統(tǒng)總體設計框圖 綜上所述，本次設計將以 DS18B20 為傳感器，單片機 AT89S52 為主控器件， PC 機為上位機，并以組態(tài)王 KingView 為組態(tài)軟件，完成對小型電烤箱的三點溫度控制系統(tǒng)的實時 監(jiān)控，系統(tǒng)總體框圖如圖 213。因此，本設計就采用該版本。 而且組態(tài)王 有組態(tài)王新增加的很多功能 ,并且內(nèi)設有溫控曲線和 PID控件 ,讓 我們使用起來更方便。組態(tài)軟件的功能有工業(yè)生產(chǎn)過程的動態(tài)可視化控制；生產(chǎn)過程中生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集和管理；生產(chǎn)過程監(jiān)控報警；報表功能；基于網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的上傳和相應控制