【正文】 PID控制算法 PID控制的發(fā)展PID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，現(xiàn)今使用的PID控制器產生并發(fā)展于19151940年期間。[13]圖34繼電器控溫電路圖 串口通信接口電路PC機的串口是RS232電平的，而單片機是TTL電平的，當要把單片機連接到PC機上時，兩者之間必須有一個電平轉換電路，我采用的是RS232的專用接口芯片MAX232進行轉換。圖33溫度檢測電路圖 繼電器控溫電路當DS18B20采集到溫度后，會將溫度值傳送到單片機。當采集的溫度經處理后沒有達到設定的溫度值時，單片機控制繼電器開啟升溫設備（加熱器）[12]。[11]供電：15腳GND、16腳VCC（+5V）。8腳（R2IN）、9腳（R2OUT）、10腳（T2IN）、7腳（T2OUT）為第二數(shù)據(jù)通道。數(shù)據(jù)轉換通道：由11114腳構成兩個數(shù)據(jù)通道。30V 輸入電平l 低電源電流：典型值是8mAl 符合甚至優(yōu)于ANSI 標準EIA/TIA232E 及ITU l 雙列直插式封裝 MAX232的管腳圖及管教說明管腳定義：管腳序號名稱功能1C1+電容倍增充電泵電容正端2C1電容倍增充電泵電容負端3C2+反向充電泵電容正端4C2反向充電泵電容負端5V+充電產生的+6V7R1INRS232發(fā)送器輸入18R2INRS232發(fā)送器輸入29T1OUTRS232發(fā)送器輸出110T2OUTRS232發(fā)送器輸出211T11INTTL發(fā)送器輸入112T21INTTL發(fā)送器輸入213R1OUTTTL接收器輸出114R2OUTTTL接收器輸出215VCC電源16GND接地圖27 MAX232管腳圖 MAX232的內部功能框圖圖28 MAX232的內部功能框圖MAX232主要由三部分組成：電荷泵電路：由6腳和4只電容構成。每一個發(fā)送器將TTL/CMOS 電平轉換成TIA/EIA232F電平。該器件包含2驅動器、2接收器和一個電壓發(fā)生器電路提供TIA/EIA232F電平?，F(xiàn)在通常都把RS232接口叫做DB9，所以，在本設計中我們采用的是DB9。隨著設備的不斷改進，出現(xiàn)了代替DB25的DB9接口。它的全名是“數(shù)據(jù)終端設備（DTE）和數(shù)據(jù)通訊設備（DCE）之間串行二進制數(shù)據(jù)交換接口技術標準”。圖3中的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正計數(shù)器1的預置值。計數(shù)器1和溫度寄存器被預置在55℃所對應的一個基數(shù)值。圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產生固定頻率的脈沖信號送給計數(shù)器1。 DS18B20的工作原理DS18B20的讀寫時序和測溫原理與DS1820相同，只是得到的溫度值的位數(shù)因分辨率不同而不同，且溫度轉換時的延時時間由2s減為750ms。配置寄存器中R1，R0決定溫度轉換的精度位數(shù)：RR0＝‘00’，9位精度， ms；RR0 =‘01’，10位精度， ms；RR0 =‘10’，11位精度，最大轉換時間為375 ms；RR0 =‘11’，12位精度，最大轉換時間為750 ms；未編程時默認為12位精度。R0M中的64位序列號是出廠前被光所刻好的，它可以看作是該DSISB20的地址序列碼，每個DSI8B20的64位序列號均不相同。工作在寄生電源模式時VDD必須接地。當工作在寄生電源模式時用來提供電源。 DS18B20的引腳圖及引腳說明TO92封裝的DS18B20的引腳排列見下圖，其引腳功能描述見下：圖23 DS18B20的引腳圖引腳說明：TO92封裝符號說明1GND接地2DQ數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。 (6) DS18S20的測量結果直接輸出數(shù)字溫度信號，以“一線總線”串行傳送給CPU， 同時還可以傳送給CRC校驗碼，它具有極強的抗干擾糾錯的能力?！?。同時，在使用過程中，它不需要任何的外圍的元件，全部的傳感元件和轉換電路集成在形狀如一只三極管的集成電路內。(3) DS18S20通過1Wire174。圖22溫度芯片DS18B20主要特性：(1) DS18S20的適應電壓范圍更寬，其范圍為：，而且它能夠直接由數(shù) 據(jù)線獲取電源（寄生電源），無需外部工作電源。另外用戶還可根據(jù)實際情況設定非易失性溫度報警上下限值TH和TL。又因其可以采用寄生電源方式供電?！?。DS18B20采用的是3腳TO92封裝，形如三極管，同時也有8腳SOIC封裝，還有6腳的TSOC封裝?？梢酝ㄟ^編程而實現(xiàn)9～12位的溫度轉換精度設置。~ V，可以采用外部供電方式，也可以采用寄生電源方式，即當總線DQ為高電平時，竊取信號能量給DS18B20供電。它具有獨特的單總線接口方式，僅需使用1個端口就能實現(xiàn)與單片機的雙向通訊。 （4） 中斷標志AT89C51在S5P2時檢測（或接收）外部（內部）中斷源發(fā)來的中斷請求信號后先使相應中斷標志位置位，然后便在下個機器周期檢測這些中斷標志位狀態(tài)，以決定是否響應該中斷。因此，只需要在串行口中斷服務程序中安排一段對SCON中RI和TI中斷標志位狀態(tài)的判斷程序，便可區(qū)分串行口發(fā)生了接收中斷請求還是發(fā)送中斷請求。串行口中斷分為串行口發(fā)送中斷和串行口接收中斷兩種中端。AT89C51內部具有兩個16位定時器/計數(shù)器，受內部定時脈沖（主脈沖經12分頻后）或T0/T1引腳上輸入的外部定時脈沖計數(shù)。AT89C51在每個機器周期的S5P2時對INT0、線上中斷請求信號進行一次檢測，檢測方式和中斷觸發(fā)方式的選取有關。 （1） 外部中斷源AT89C51具有INT0和INT1兩條外部中斷請求輸入線，用于輸入兩個外部中斷源的中斷請求信號，并允許外部中斷源以低電平或負邊沿兩種中斷觸發(fā)方式來輸入中斷請求信號。簡單介紹一下本次設計所需的單片機芯片AT89C51的中斷系統(tǒng)中要用到的中斷類型。5個中斷源的排列順序由中斷優(yōu)先級控制寄存器IP和順序查詢邏輯電路共同決定，5個中斷源分別對應5個固定的中斷入口地址。中斷系統(tǒng)大大的提高了系統(tǒng)的效率。5．中斷系統(tǒng)：中斷系統(tǒng)是單片機的重要組成部分之一。但RAM、定時器、計數(shù)器、串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。AT89C51設有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以使其在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。4．芯片擦除：整個PEROM陣列和三個鎖定位的電擦除可以通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms 來完成。如果采用外部時鐘源驅動器件，XTAL2應不接。該反向放大器可被配置為片內振蕩器。計數(shù)器對外部輸入信號的占空比沒有什么特別的限制，但必須保證輸入信號的高電平與低電平的持續(xù)時間在一個機器周期以上。在每個機器周期的S5P2期間采樣引腳輸入電平，若前一個機器的周期采樣值為1，后一個機器的周期采樣值為0，則計數(shù)器加1。如果單片機系統(tǒng)采用12MHz晶振，則計數(shù)周期為： （）這是最短的定時周期，適當選擇定時器的初值可獲取各種定時時間。當定時器/計數(shù)器設置為定時工作方式時，計數(shù)器會對內部機器周期計數(shù)，每過一個機器周期，計數(shù)器加1，直至計滿溢出。在單片機中，定時功能和計數(shù)功能的設定和控制都是需要通過軟件來進行的。定時器/計數(shù)器的核心是一個加1計數(shù)引腳上施加器，其基本的功能是加1功能。2．定時器/計數(shù)器：定時器/計數(shù)器（timer/counter）是單片機中的重要部件，其工作方式靈活、編程簡單，使用它對減輕CPU的負擔和簡化外圍電路都大有好處。實際上，它們已經被歸為專用寄存器之列，并且具有字節(jié)尋址和位尋址功能。 AT89C51系列單片機的功能單元1．并行I/O接口：單片機芯片內具有一項主要功能就是并行I/O口。在從片外程序存儲器取址的時候，在每個機器周期中，當PSEN有效的時候，程序存儲器的內容被送上P0口（數(shù)據(jù)總線）。如果微處理器處于外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。此時，ALE只有在執(zhí)行MOVX指令，而MOVC指令是ALE才起作用。注意：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器的時候，將跳過一個ALE脈沖。在平時的時候，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。當訪問外部存儲器的時候，地址鎖存所允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)。在EPROM編程的時候，作輸入，輸入編程脈沖（PROG）。 輸入、輸出：ALE/PROG——地址鎖存允許信號，輸出。在FLASH編程期間，此引腳也可以用于施加12V編程電源（VPP）。在編程時，其上需要施加21V的編程電壓。 輸入： ——RD低電平有效，輸出，片外存儲器讀選通。 ——WR低電平有效，輸出，片外存儲器寫選通。 ——T1定時器/計數(shù)器1的外部輸入，輸入。 ——T0定時器/計數(shù)器0的外部輸入，輸入。 ——INT1外部中斷1，輸入。 ——INT0外部中斷0，輸入。 ——TXD（串行輸出口），輸出。 ——RXD（串行輸入口），輸入。P3口可以輸入/輸出4個LSTTL負載。P3口可以提供各種替代功能。P2口可以驅動4個LSTTL負載。當使用片外存儲器（ROM及RAM）時，輸出高8位地址。這時候，讀兩個特殊輸入引腳的輸出鎖存器應由程序置1。P1口可驅動4個LSTTL負載。P1口——8位、準雙向I/O口。P0口（作為總線時）能驅動8個LSTTL負載。當使用片外存儲器（ROM、RAM）時，作地址和數(shù)據(jù)分時復用。2．I/O（4個口，32根） （當使用外部振蕩器時，XTAL1接地，XTAL2接收振蕩器信號）1．RST：復位輸入。 XTAL1——輸入到振蕩器的反向放大器 VCC——運行和程序校驗時加+5V其結構與80C51引腳結構基本相同，其邏輯引腳圖如圖21。只有在VCC電壓恢復到正常工作范圍內并且在振蕩器穩(wěn)定振蕩后，通過硬件復位、掉電模式才可被終止。掉電模式是指VCC電壓低于電源下限，當振蕩器停止振動時，CPU停止執(zhí)行指令。間歇模式是由軟件來設置的，當外圍器件仍然處于工作狀態(tài)時，CPU可根據(jù)工作情況適時地進入睡眠狀態(tài)，內部RAM和所有特殊的寄存器值將保持不變。1288位內部RAM，32位雙向輸入輸出線，兩個十六位定時器/計時器，5個中斷源，兩級中斷優(yōu)先級，一個全雙工異步串行口及時鐘發(fā)生器等。AT89C51 芯片有三級程序存儲器鎖定加密，提供了方便靈活而可靠的硬加密手段，能完全保證程序或系統(tǒng)不被仿制。只要程序長度小于4k，四個I/O口就會全部提供給用戶。它與MCS51系列單片機在指令系統(tǒng)和引腳上完全兼容，不僅可完全代替MCS51系列單片機，而且能使系統(tǒng)具有許多MCS51系列產品沒有的功能。而這種單片機對開發(fā)設備的要求非常低，開發(fā)時間也能大大縮短。 AT89C51系列單片機介紹 AT89C51系列基本組成及特性AT89C51是一種帶4k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。由于80C51系列單片機所具有的一系列優(yōu)越的特點，獲得廣泛使用是指日可待的[7]。新一代的80C51系列單片機除了上述的結構特性外，其最主要的技特點是向外部接口電路擴展，以實現(xiàn)微控制器（microcontroller）完善的控制功能為己任。而8位單片機已經可以滿足大部分應用的需要，因此，在推出16位單片機的同時，高性能的新型8位單片機也不斷問世。1987年Intel公司又宣布了比8096性能高兩倍的CMOS型80C196單片機，1988年推出帶EPROM的87C196單片機。這類單片機均帶有串行I/O口，定時器/計數(shù)器為16位，片內存儲容量（RAM，ROM）都相應增大，并有優(yōu)先級中斷處理功能，單片機的功能、尋址范圍都比早期的擴大了，它們是當時單片機應用的主流產品。1978年下半年Motorola公司推出M6800系列單片機，Zilog公司相繼推出Z8單片機系列。1976年Intel公司首先推出了可以稱為單片機的MCS48系列單片微型計算機。所以，經過對三種方案的對比，本次畢業(yè)設計采用了方案三。而方案三則是采用以單片機為控制核心的控制系統(tǒng)，尤其對溫度控制，可達到模擬控制所達不到的效果，并且實現(xiàn)顯示和鍵盤設定功能，大大提高了系統(tǒng)的智能化。本方案選用了AT89C51芯片，不需要外擴展存儲器，可使系統(tǒng)整體結構更為簡單。單片機軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程來實現(xiàn)各種控制算法和邏輯控制。這種方法還是模擬控制方式，因此也不能實現(xiàn)復雜的控制算法使控制精度做得較高，而且不能用數(shù)碼管顯示，對鍵盤進行設定。系統(tǒng)受環(huán)境影響較大，不能實現(xiàn)復雜的控制算法，不能用數(shù)碼管顯示，不能用鍵盤設定。對于這種溫控對象，一般認為它具有以下的傳遞函數(shù)形式： （）方案一（如圖11）：信號采集信號放大固態(tài)繼電器信號放大負載溫度預置比較器圖11方案一框圖此方案是傳統(tǒng)的一位式模擬控制方案，選用模擬電路，用電位器設定值，反饋的溫度值和設定值比較后，決定加熱或不加熱。溫度是工業(yè)生產過程中重要的被控參數(shù)之一，當今計算機控制技術在這方面的應用，已使溫度控制系統(tǒng)達到自動化、智能化，比過去單純采用電子線路進行PID調節(jié)的控制效果要好得多，可控性方面也有了很大的提高。[6]使用單片機對其進行溫度自動控制，難度就在于測量溫度和單片機輸出的溫度誤差是不是太大，導致無法輸出，利用ATMEL單片機核心程序對其進行編碼，實現(xiàn)溫度