【正文】 脈沖后經(jīng)驅(qū)動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，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)動器件。在允許輸入信號 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 輸入啟動轉(zhuǎn)換控制信號 START 啟動轉(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)換時間 轉(zhuǎn)換時間指 A/D 轉(zhuǎn)換器從轉(zhuǎn)換控制信號到來開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號所經(jīng)過的時間。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 定時器低八位口 0105H 定時器高八位口 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 個字節(jié)的 RAM、 22位 I/O 線及一個計數(shù)器?？梢灾苯永?MOVX A,DPTR 或 MOVX DPTR,A 指令完成這三個口的讀 /寫（輸入 /輸出）操作。使用 A,B,C 三個口時，首先向命令寄存器寫入一個控制字以確定三個口的工作方式。 A,B,C 三個口可以作為擴(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 接口和計時器的靜態(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 個字節(jié)的 RAM，兩個 8位、一個 16 位的可編程 I/O口和一個 14位計數(shù)器。為了減少硬件開銷，提高系統(tǒng)可靠性和降低成本，采用動態(tài)掃描顯示。圖 33 中 鍵盤有 30個按鍵，分成六行（ L0L5）五列（ R0R4），只要某 個 鍵被按下，相應(yīng)的行線和列線才會接通。 由圖 32可見，在 =0 和 =0 時， 8155 選中它內(nèi)部的 RAM 工作；在 =1 和 =0 時， 8155 選中它內(nèi)部的三個 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)存儲區(qū)低 128字節(jié) RAM中 30H7FH共 80 個存儲單元使用戶 RAM 區(qū)，完全可以容納下 24 個數(shù)據(jù)以及其運(yùn)算過程中的臨時數(shù)據(jù)，故不需要在另外擴(kuò)展片外數(shù)據(jù)存儲器。 ALE— 接鎖存器的 G， EA 接 地。擴(kuò)展的程序存儲器究竟需要多少位地址線，應(yīng)根據(jù)程序存儲器容量和選用的 EPROM 芯片容量而定。具體方法是 CPU應(yīng)向 EPROM 提供三種信號線。其值因芯片型號和制造廠商不同而異； VPP：編程電源輸入線，其值因芯片型號和制造廠商不同而異； OE：讀選通信號輸入線，“ 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)時為數(shù)據(jù)輸出線，編程時為數(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，不論片內(nèi)是否有程序存儲器，則 CPU 只能訪問片外程序存儲器。 EA/VPP（ 31腳）：當(dāng) EA 輸入端輸入高電平時， CPU可訪問片內(nèi)程序存儲器 4KB 的地址范圍。每當(dāng)訪問片外存儲器時，這兩次有效的 PROG 信號將不會出現(xiàn)。 PROG（ 29 腳）： 輸出訪問片外程序存儲器的讀選通信號。應(yīng)注意的是：當(dāng)訪問片外數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個 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 8個 LSET 負(fù)載。其頻率為振蕩器頻率 1/6。 ALE（ 30 腳）：當(dāng)訪問片外存儲器時， ALE 的輸出用于鎖存低字節(jié)地址信號。剛接上電源時，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，它分時作為高 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，它分時作低 8位地址和 8位雙向數(shù)據(jù)總線用。 在訪問片外擴(kuò)展存儲器時，低 8 位地址和數(shù)據(jù)由 P0 口分時傳送， 高 8 位地址由 P2 口傳送。每個口都包含一個鎖存器，即專用寄存器 P0P3，一個輸出驅(qū)動器和輸入緩沖器。它 包含 CPU、震蕩器和時序電路、 4KB的 ROM、 256B 的 RAM、兩個 16定時 /計 數(shù)器 T0 和 T 4 個 8 位 I/O 端口（ P0、P P P3）、串行口等組成， 其中震蕩時序與時鐘組成定時控制部件。 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阌谑褂?、維護(hù)及調(diào)試 ； (2)適用范圍大和可移植性好 同其他高級語言一樣， 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 芯片通常含有一個微處理器核(CPU)，同時，它還含有多個外圍特殊功能模塊和一定規(guī)模的存儲器 (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)存取存儲器 RAM (Random Access Memory)、只讀存儲器 ROM (Read only Memory)、定時 /計數(shù)器以及 I/O (Input/Output)輸入輸出接口電路等主要計算機(jī)部件都集成在一塊集成電路芯片上的微型計算機(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 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，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 。