【正文】 零同步脈沖后經(jīng)驅(qū)動(dòng)器輸送到可控硅的控制極上。顯然，可控硅在給定周期 T 的 100%時(shí)間內(nèi)接通的功率最大。在給定的周期 T 內(nèi)， 8051只要改變可控硅管的接通時(shí)間便可改變加熱絲功率，以達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的。 8051 對溫度的控制是通過可控硅調(diào)控實(shí)現(xiàn)的， 如圖 36所示 。雙向可控 硅與單向可控硅的區(qū)別是 : (1)它在觸發(fā)之后是雙向?qū)?； (2)在控制極上不管是加正的還是負(fù)的觸發(fā)信號(hào)，一般都可以使雙向可控硅 導(dǎo)通。它分為單向可控 基于單片機(jī)的 恒溫控制系統(tǒng)的開發(fā) 17 硅和雙向可控硅，在微機(jī)控制系統(tǒng)中，可作為功率驅(qū)動(dòng)器件。在允許輸入信號(hào) OE 的控制下，再將轉(zhuǎn)換結(jié)果輸入到外部數(shù)據(jù)總線。然后 輸入啟動(dòng)轉(zhuǎn)換控制信號(hào) START 啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。 ADC0809 的 IN0 和變送器輸出端相連，故 IN0 上輸入的 0V +5V 范圍的模擬電壓經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后可由 8051通過程序從 P0 口輸入到它的內(nèi)部 RAM 單元。綜合考慮，本系統(tǒng)選用 ADC0809 作為本 系統(tǒng)的 A/D 轉(zhuǎn)換器。溫度控制中 A/D 轉(zhuǎn)換是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。 基于單片機(jī)的 恒溫控制系統(tǒng)的開發(fā) 16 (3)轉(zhuǎn)換誤差 轉(zhuǎn)換誤差表示 A/D 轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上的輸出數(shù)字量之間的差別，常用最低有效位的倍數(shù)表示 ； (4)線性度 線性度指實(shí)際轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)移函數(shù)與理想直線的最大偏移。 A/D 轉(zhuǎn)換器的分辨率以輸出二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)表示 ； (2)轉(zhuǎn)換時(shí)間 轉(zhuǎn)換時(shí)間指 A/D 轉(zhuǎn)換器從轉(zhuǎn)換控制信號(hào)到來開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號(hào)所經(jīng)過的時(shí)間。完成 A/D 轉(zhuǎn)換的器件即為 A/D轉(zhuǎn)換器。相應(yīng)地址分配為 [10]： 0000H00FFH 8155 內(nèi)部 RAM 0100H 命令 /狀態(tài)口 0101H A 口 0102H B 口 0103H C 口 0104H 定時(shí)器低八位口 0105H 定時(shí)器高八位口 A/D 轉(zhuǎn)換電路 在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，控制或測量對象的有關(guān)變量，往往是一些連續(xù)變化的模擬量，如溫度、壓力、流量、位移、速度等物理量。 MCS51 單片機(jī)可以和 8155 直接連接，不需要任何外加電路，給系統(tǒng)增加了 256 個(gè)字節(jié)的 RAM、 22位 I/O 線及一個(gè)計(jì)數(shù)器。可以直接利用 MOVX A,DPTR 或 MOVX DPTR,A 指令完成這三個(gè)口的讀 /寫（輸入 /輸出）操作。使用 A,B,C 三個(gè)口時(shí)，首先向命令寄存器寫入一個(gè)控制字以確定三個(gè)口的工作方式。 A,B,C 三個(gè)口可以作為擴(kuò)展的 I/O 口使用， MCS51 單片機(jī)的 PO口與 8155 的 AD0AD7 相連。 帶有 I/O 接口和計(jì)時(shí)器的靜態(tài) RAM8155 如圖 34所示。 基于單片機(jī)的 恒溫控制系統(tǒng)的開發(fā) 14 圖 33 8155用作鍵盤 /LED 顯示器接口電路 8155 芯片內(nèi)具有 256 個(gè)字節(jié)的 RAM，兩個(gè) 8位、一個(gè) 16 位的可編程 I/O口和一個(gè) 14位計(jì)數(shù)器。為了減少硬件開銷，提高系統(tǒng)可靠性和降低成本，采用動(dòng)態(tài)掃描顯示。圖 33 中鍵盤有 30個(gè)按鍵，分成六行（ L0L5）五列（ R0R4），只要某 個(gè) 鍵被按下，相應(yīng)的行線和列線才會(huì)接通。 由圖 32可見，在 =0 和 =0 時(shí)， 8155 選中它內(nèi)部的 RAM 工作；在 =1 和 =0 時(shí)， 8155 選中它內(nèi)部的三個(gè) I/O 端口工作。 以熱電偶為檢測元件的單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)電路原理圖如圖 32所示 。 為了提高測量精度，變送器可以進(jìn)行零點(diǎn)遷移。 變送器由毫伏變送器和電流 /電壓變送器組成。 8 0 5 1溫 控 電 路8 1 5 5A D C 0 8 0 9設(shè) 備鍵 盤 與 顯 示傳 感 檢 測 電 路 圖 31 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖 溫度檢測和變送器 溫度檢測元件和變送器的類型選擇與被控溫度的范圍和精度等級(jí)有關(guān)。 系 統(tǒng)控制主電路是由 8051及其外圍芯片 及一些輔助 部分構(gòu)成的。在 8051的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)低 128字節(jié) RAM中 30H7FH共 80 個(gè)存儲(chǔ)單元使用戶 RAM 區(qū)，完全可以容納下 24 個(gè)數(shù)據(jù)以及其運(yùn)算過程中的臨時(shí)數(shù)據(jù)，故不需要在另外擴(kuò)展片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 ALE— 接鎖存器的 G， EA 接地。擴(kuò)展的程序存儲(chǔ)器究竟需要多少位地址線，應(yīng)根據(jù)程序存儲(chǔ)器容量和選用的 EPROM 芯片容量而定。具體方法是 CPU應(yīng)向 EPROM 提供三種信號(hào)線。其值因芯片型號(hào)和制造廠商不同而異； VPP：編程電源輸入線，其值因芯片型號(hào)和制造廠商不同而異； OE：讀選通信號(hào)輸入線，“ 0”有效； VCC：主電源輸入線，一般為＋ 5V。 EPROM 外引腳功能如下： A0－ A15:地址輸入線； O0O7:三態(tài)數(shù)據(jù)總線，讀或編程校驗(yàn)時(shí)為數(shù)據(jù)輸出線，編程時(shí)為數(shù)據(jù)輸入線。為了將它們分離開來，以便同單片機(jī)之外的芯片正確地相連，常常在單片機(jī)外部加地址鎖存器來構(gòu)成與一般 CPU 相類似的三總線，如圖 22所示 [6]。但是，一般串行接口器件速度慢，在需要高速應(yīng)用的場合，還是并行擴(kuò)展法占主導(dǎo)地位。 單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展的方法有并行擴(kuò)展法和串行擴(kuò)展法兩種。當(dāng) EA 輸入低電平時(shí)，不論片內(nèi)是否有程序存儲(chǔ)器，則 CPU 只能訪問片外程序存儲(chǔ)器。 EA/VPP（ 31腳）：當(dāng) EA 輸入端輸入高電平時(shí)， CPU可訪問片內(nèi)程序存儲(chǔ)器 4KB 的地址范圍。每當(dāng)訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 PROG 信號(hào)將不會(huì)出現(xiàn)。 PROG（ 29 腳）：輸出訪問片外程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)。應(yīng)注意的是：當(dāng)訪問片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè) ALE 脈沖； ALE 端基于單片機(jī)的 恒溫 控制系統(tǒng)的開發(fā) 9 可以驅(qū)動(dòng) 8個(gè) LSET 負(fù)載。其頻率為振蕩器頻率 1/6。 ALE（ 30 腳）：當(dāng)訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)， ALE 的輸出用于鎖存低字節(jié)地址信號(hào)。剛接上電源時(shí)，其內(nèi)部寄存器處于隨機(jī)狀態(tài)，在引腳上輸入持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。 3） RST/VPD、 ALE、 PROG、 PSEN 控制信號(hào)引腳。 VSS（ 20腳）：接地。 MCS— 51 單片機(jī)的引腳及其功能 MCS51 單片機(jī)采用 40引腳的雙列直插封裝形式。作為第一功能使用時(shí)同 P1 口，每一位均可獨(dú)立作為 I/O口。 P2 口：可作為一般 I/O 口用，但應(yīng)用系統(tǒng)采用外部系統(tǒng)采用總線結(jié)構(gòu)時(shí)，它分時(shí)作為高 8位地址線。 P0 口：可作為一般的 I/O 口用，但應(yīng)用系統(tǒng)采用外部總線結(jié)構(gòu)時(shí)，它分時(shí)作低 8位地址和 8位雙向數(shù)據(jù)總線用。 在訪問片外擴(kuò)展存儲(chǔ)器 時(shí)，低 8 位地址和數(shù)據(jù)由 P0 口分時(shí)傳送，高 8 位地址由 P2 口傳送。每個(gè)口都包含一個(gè)鎖存器，即專用寄存器 P0P3，一個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器和輸入緩沖器。它 包含 CPU、震蕩器和時(shí)序電路、 4KB的 ROM、 256B 的 RAM、兩個(gè) 16定時(shí) /計(jì)數(shù)器 T0 和 T 4 個(gè) 8 位 I/O 端口（ P0、P P P3）、串行口等組成， 其中震蕩時(shí)序與時(shí)鐘組成定時(shí)控制部件。 MCS51 單片機(jī)的類型有： 805 803 8751 等。 單片機(jī)內(nèi)部模塊 在本設(shè)計(jì)中 ,從經(jīng)濟(jì)上以及性能上考慮，選用 8051作為 CPU。 單片機(jī)主要應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，用來實(shí)現(xiàn)對信號(hào)的檢測、數(shù)據(jù)的采集以及對應(yīng)用 對象的控制。 基于單片機(jī)的 恒溫 控制系統(tǒng)的開發(fā) 7 第二章 單片機(jī) 單片機(jī)是單片微型計(jì)算機(jī) SCM(single chip microputer)的譯名簡稱，在國內(nèi)簡稱為“單片機(jī)”。 溫度控制算法方面，結(jié)合本溫控系統(tǒng)的要求采用了經(jīng)典的 PID 控制算法，這主要是由于 PID 控制相對來說算法簡 單、魯棒性好和可靠性高。加之集成開發(fā)基于單片機(jī)的 恒溫 控制系統(tǒng)的開發(fā) 6 環(huán)境 KEIL 編譯生成的代碼效率很高 (僅比匯編語言生成的代碼效率低 10%—15%) 所以 ，本系統(tǒng)的軟件選擇使用 C 語言開發(fā)。這種結(jié)構(gòu)化方式可使程序?qū)哟吻逦?，便于使用、維護(hù)及調(diào)試 ； (2)適用范圍大和可移植性好 同其他高級(jí)語言一樣， C 語言不依賴于特定的 CPU，其源程序具有良好的可移植性。 系統(tǒng)軟件方案分析 目前， MCS51 單片機(jī)的開發(fā)主要用到兩種語言 :匯編 語言和 C 語 言。 從實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)功能和簡化硬件結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)， SOC 是實(shí)現(xiàn)溫度控制系統(tǒng)的最佳選擇，但目前市場上 SOC 的價(jià)格還比較昂貴，并且 SOC 的封裝形式幾乎都采用貼片式封裝，不利于實(shí)驗(yàn)電路板的搭建。 SOC 芯片通常含有一個(gè)微處理器核(CPU)，同時(shí)，它還含有多個(gè)外圍特殊功能模塊和一定規(guī)模的存儲(chǔ)器 (RAM 和ROM)，并且這種片上系 統(tǒng)一般具有用戶自定義接口模塊，使得其功能非常強(qiáng)大，適用領(lǐng)域也非常廣。 另外，隨著微電子技術(shù)和半導(dǎo)體工業(yè)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，片上系統(tǒng) SOC (System On Chip)得到了十足的發(fā)展。它是把中央處理單元 CPU (Central Processing Unit)、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 RAM (Random Access Memory)、只讀存儲(chǔ)器 ROM (Read only Memory)、定時(shí) /計(jì)數(shù)器以及 I/O (Input/Output)輸入輸出接口電路等主要計(jì)算機(jī)部件都集成在一塊集成電路芯片上的微型計(jì)算機(jī)，它的特點(diǎn)是 :功能強(qiáng) 大、運(yùn)算速度快、體積小巧、價(jià)格低廉、穩(wěn)定可靠、應(yīng)用廣泛。系統(tǒng)擴(kuò)展和配置在滿足功能要求的基礎(chǔ)上留有適當(dāng)裕量，以利于擴(kuò)充和修改。 為了簡化系統(tǒng)硬件，控制量采用可控硅輸出 [4]。本系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)方面具有如下特點(diǎn) : 作為與 MCS51 系列兼容的單片機(jī)，無論在運(yùn)算速度，還是在內(nèi)部資源上均可勝 任本系統(tǒng)的性能要求。 8 0 5 1 單 片 機(jī)晶 閘 管 驅(qū)動(dòng) 電 路被 控 對 象 輸 出 值測 量 變 送 器A / D 轉(zhuǎn) 換給 定 值 圖 11 系統(tǒng)工作原理圖 系統(tǒng)性能要求及特點(diǎn) (1)系統(tǒng)性能要求 : (a)可以人為方便地通過控制面板或 PC 機(jī)設(shè)定控制期望的溫度值，系統(tǒng)應(yīng)能自動(dòng)將設(shè)備 加熱至此設(shè)定溫度值并能保持，直至重新設(shè)定為另一溫度值，即能實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)控制 ； (b)能夠?qū)崿F(xiàn)對 設(shè)備 溫度的測量并 且通過控制面板上的液晶 屏實(shí)時(shí)地 顯示溫度 ； (c)具有加熱保護(hù)功能的安全性要求 ； (d)模塊化設(shè)計(jì)，安裝拆卸簡單，維修方便 ； (e)系統(tǒng)可靠性高，不易出故障 ； (f)盡量采用典型、通用的器件，一旦損壞，易于在市場上買到同樣零部件進(jìn)行替換。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 如圖 11所示 。這種不足的原因是多方面造成的，如針對不同的被控對象，由于控制算法的不足而導(dǎo)致控制精度不穩(wěn)定 [3]。所謂第三代智能溫控儀表，就是指基于智能控溫技術(shù)而研制的具有自適應(yīng) PID算法的溫度控制儀表。尤其是模糊控溫法在實(shí)際工程技術(shù)中得到了極為廣泛的應(yīng)用。智能控溫法以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊數(shù)學(xué)為理論基礎(chǔ)，并適當(dāng)加以專家系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)智能化。 智能溫度控制法 為了克服 PID 線性控溫法的弱點(diǎn)，人們相繼提出了一 系列自動(dòng)調(diào)整 PID 參數(shù)的方法，如 PID 參數(shù)的自學(xué)習(xí)，自整定等等。只要 PID 參數(shù)選取的正確，對于一個(gè)確定的受控系統(tǒng)來說，其控制精度是比較令人滿意的。其中數(shù)字 PID控制器的參數(shù)可以在現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)在線整定，因此具有較大的靈活性，可以得到較好的控制效果。其具體控制電路可以采用模擬電路或計(jì)算機(jī)軟件方法來實(shí)現(xiàn) PID 調(diào)節(jié)功能。 PID 線性控溫法 這種控溫方法是基于經(jīng)典控制理論中的 PID 調(diào)節(jié)器控制原理， PID 控制是基于單片機(jī)的 恒溫 控制系統(tǒng)的開發(fā) 3 最早發(fā)展起來的控制策略之一，由于其算法簡單、魯棒性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用工業(yè)過程控制中，尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng) [2]。目前，這種控制方法的溫度控制器在我國許多工廠的老式工業(yè)電爐中仍被使用。若當(dāng)前溫度值比設(shè)定溫度值高，則關(guān)斷加熱器，或者開動(dòng)制冷裝置 ； 若當(dāng)前溫度值比設(shè)定溫度值低，則開啟加熱器并同時(shí)關(guān)斷制冷器。本文所討論的基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)就是要實(shí)現(xiàn)對溫控箱的恒值溫度控制要求，故以下僅對恒值溫度控制進(jìn)行討論。動(dòng)態(tài)溫度跟蹤實(shí)現(xiàn)的控制目標(biāo)是使被控對象的溫度值按預(yù)先設(shè)定好的曲線進(jìn)行變化。因此，在實(shí)際的溫度測量中，要根據(jù)具體的測量對象選擇合適的測量方法，在滿足測量精度要求的前提下盡量減少投入。非接觸式測溫方法是通過對輻射能量的檢測來實(shí)現(xiàn)溫度測量的方 法，其優(yōu)點(diǎn)是不破壞被測溫場，可以測量熱容量小的物體，適于測量運(yùn)動(dòng)物體的溫度，還可以測量區(qū)域的溫度分布，響應(yīng)速度較快。在溫度的測量技術(shù)中， 分為接觸式測溫和非接觸式測溫， 接觸式測溫發(fā)展較早，這種測量方基于單片機(jī)的 恒溫 控制系統(tǒng)的開發(fā) 2 法的優(yōu)點(diǎn)是簡單、可靠、低廉、測量精度較高，一般能夠測得真實(shí)溫度 。 溫度測