【正文】 系統(tǒng)設計任務和要求設計一個溫度自動控制系統(tǒng)，并能在環(huán)境溫度降低時實現(xiàn)自動調整，以保持設定的溫度基本不變，系統(tǒng)設計具體要求：溫度設定范圍為40℃，目標溫度的177。 溫度控制系統(tǒng)部分溫度控制系統(tǒng)是一個過程控制系統(tǒng)，組成框圖如圖1所示，由控制器、執(zhí)行器、被控對象及其反饋作用的測量變送組成?？刂破魇峭ㄟ^單片機來完成。此方案簡易可行，器件價格便宜，但8031內部沒有程序存儲器需擴展，增加了電路的復雜性。進行數(shù)據(jù)轉換，控制電路部分采用SSR固態(tài)繼電器控制加熱棒的通斷，此方案電路簡單并且可以滿足題目中的各項要求的精度。根據(jù)溫度變化慢，并且控制精度不易掌握的特點，設計了水箱溫度自動控制系統(tǒng)，總體框圖如圖2所示。 圖2 控制器設計總體框圖 溫度控制系統(tǒng)算法分析系統(tǒng)算法控制采用工業(yè)上常用的位置型PID數(shù)字控制，并且結合特定的系統(tǒng)加以算法的改進，形成了變速積分PID—積分分離PID控制相結合的自動識別的控制算法。PID控制適用于負荷變化大、容量滯后較大、控制品質要求又很高的控制系統(tǒng)。比例調節(jié)的作用是使調節(jié)過程趨于穩(wěn)定，但會產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差；積分作用可消除被調量的穩(wěn)態(tài)誤差，但可能會使系統(tǒng)振蕩甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定；微分作用能有效的減小動態(tài)偏差。tTTTtY 圖3 比例積分微分控制由圖4可知PID調節(jié)器是一種線性調節(jié)器，這種調節(jié)器是將設定值w與實際輸出值y進行比較構成偏差e=wy。其動態(tài)方程為： （）其中Kp為比例放大系數(shù)；Ki為積分時間常數(shù)；Kd為微分時間常數(shù)PID調節(jié)器的離散化表達式為： （）其增量表達形式為（T為采樣周期）： （）圖4 模擬PID控制 控制方式 該控制系統(tǒng)是把輸出量檢測出來，經(jīng)過物理量的轉換，再反饋到輸入端去與給定量進行比較，并利用控制器形成的控制信號通過執(zhí)行機構SSR對控制對象進行控制的，抑制內部或外部擾動對輸出量的影響，減小輸出量的誤差，達到控制目的。3 系統(tǒng)硬件設計 總體設計框圖及說明 本系統(tǒng)是一個簡單的單回路控制系統(tǒng)，總體框圖如圖2所示。鍵盤設定：用于溫度設定，共三個按鍵。數(shù)據(jù)顯示：采用了共陰極數(shù)碼管LED進行顯示設置溫度與測量溫度。 外部電路設計 溫度采集電路 采用溫度傳感器鉑電阻Pt1000,對于溫度的精密測量而言,溫度測量部分是整個系統(tǒng)設計的第一步。這里采用的是精密級鉑電阻溫度傳感器Pt1000，它的金屬鉑含量達99. 9999%，因為鉑電阻的物理和化學性能在高溫和氧化介質中很穩(wěn)定、價格又便宜，常用作工業(yè)測量元件，以鉑電阻溫度計作基準器線性好，溫度系數(shù)分散性小，在0～100攝氏度時，性能穩(wěn)定，廣泛用于精密溫度測量和標定。 溫度控制電路 此部分通過控制繼電器的通斷從而控制加熱棒，采用對加在加熱棒兩端的電壓進行通斷的方法進行控制，從而達到對溫度控制的目的，即在閉環(huán)控制系統(tǒng)中對被控對象實施控制。 圖5 加熱棒控制電路 單片機系統(tǒng)電路設計 圖6 系統(tǒng)框圖 A/D轉換電路 ADC0804是CMOS集成工藝制成的逐次比較型A/D轉換器芯片。5V。ADC0804的引腳圖和時序圖分別如圖7,圖8所示。當微處理器通過總線查詢到INTR為低電平時，立即執(zhí)行輸入指令，以產(chǎn)生CS、RD2低電平信號到ADC0804相應引腳，將數(shù)據(jù)取出并存入存儲器中。圖9 AD0804連接圖 鍵盤設置電路。系統(tǒng)上電后，數(shù)碼管全部顯示為零，根據(jù)按S1次數(shù)，十位的數(shù)碼管順序增加。鍵盤設置電路如圖10所示。圖11為AT89C51最小系統(tǒng)以及一個四位共陰數(shù)碼管，DIG0、DIGDIGDIG3分別與單片機的P2P2P2P24相連，每一個都擁有一個共陰的位選端。SegASegDp口傳輸要顯示的數(shù)據(jù)，利用其串/并轉換功能，送入數(shù)碼管顯示。 圖11 數(shù)碼管顯示電路4 系統(tǒng)軟件設計 程序框架結構 一個整體的系統(tǒng)軟件設計是由各個在系統(tǒng)里起著不同作用的模塊整合在一起，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的所要實現(xiàn)的功能。結構框架圖如圖12所示。 程序流程圖及部分程序 由于模塊化程序的設計，通過調用程序即可實現(xiàn)所用功能，主程序流程圖如圖13所示。然后對按鍵進行掃描，對按鍵事件做出相應的反應。圖13主程序流程圖 系統(tǒng)初始化 系統(tǒng)初始化包括A/D口初始化、按鍵初始化等。 按鍵程序 按鍵掃描：由于機械觸點有彈性，在按下或彈起按鍵時會出現(xiàn)彈跳抖動過程，從最初按下到接觸穩(wěn)定要經(jīng)過數(shù)毫秒的彈跳時間，因此為了保證探險鍵識別的準確性，必須消除抖動。 A/D采樣數(shù)據(jù)處理當采樣到溫度數(shù)據(jù)時，為了防止在采樣過程中外界干擾而造成采樣數(shù)據(jù)的不準確，必須調用溫度均值處理程序，然后確定溫度系數(shù)使采樣轉換得到的電壓信號轉換成溫度值，并進行十進制轉換，用于顯示和PID計算。 圖14 鍵值處理 圖15 A/D轉換流程圖 PID計算由于單片機控制是一種采樣控制，系統(tǒng)中 PID調節(jié)規(guī)律可通過數(shù)值公式近似計算。 繼電器控制 繼電器是和AT89C51單片機的P25口相連的，它的開斷完全取決于P25口的輸出，即PID計算的結果。如果輸出值大于設定值5攝氏度時就可以開電爐對水開始加熱。 圖16數(shù)據(jù)采樣中斷服務程序的流程圖。它利用中斷定時器10ms確定加熱時間，當加熱時間未到時，繼續(xù)時間累積，若加熱時間到時，就調用關定時器子程序，停止計時。單片機最小系統(tǒng)如圖18所示。 圖18 單片機最小系統(tǒng) 系統(tǒng)安裝調試與測試 測觸點電阻 用萬能表的電阻檔，測