【正文】 `基于單片機(jī)的水溫控制系統(tǒng) 5 第 3 章 硬件實現(xiàn) 系統(tǒng)總體電路框 圖 圖 系統(tǒng)總 體電路框圖 鍵盤設(shè)定：用于溫度 的 設(shè) 置、重新設(shè)置和語音播報。 繼電器 /電熱絲 ：控制繼電器開關(guān)來完成對 電熱絲的 功率控制 。 串口 打印 ： 打印 預(yù)設(shè)溫度值 、 當(dāng)前溫度值 、 超標(biāo)幅度等信息 。 鍵盤 部分設(shè)計 本系統(tǒng)通過鍵盤操作實現(xiàn)對水溫的 設(shè)置及 控制，共有 3 個按鍵，其中KEY1 對應(yīng)十進(jìn)制數(shù)碼管的十位數(shù)操作， KEY2 對應(yīng)十進(jìn) 制數(shù)碼管的個位數(shù)操作， KEY3 按下后，系統(tǒng)開始測溫，開關(guān)電路，并對溫度變化整數(shù)值進(jìn)行語音播報。且本設(shè)計為靜態(tài)數(shù)碼管顯示，不需要 實 時更新，只是在需要改變顯示內(nèi)容時才刷新一次。 溫度采集 部分 設(shè)計 本系統(tǒng)采用鉑電阻作為溫度傳感器，鉑熱電阻是一種精確、靈敏、性能穩(wěn)定的溫度傳感器。鉑熱電阻元件配上金屬保護(hù)管和安裝固定裝置（如各種螺紋接頭、法蘭盤等），就構(gòu)成裝配式鉑熱電阻。白金感溫電阻 Pt100，一般被使用在做成標(biāo)準(zhǔn)件及較精密的工業(yè)量測與檢測分析的場合。當(dāng)待測溫度的地點和測試系統(tǒng)之間 有相當(dāng)?shù)木嚯x 時，必須通 過長線連接。 為了配合精密量測技巧的使用，目前 Pt100 依 接線數(shù)的不同，可分為 3 種： 1．兩線式：接線簡單，但因引線電阻的變化，將造成較大誤差； 2．三線式：一般以定電壓方式處理，適合工業(yè)運(yùn)用； 3．四線式：一般以定電流方式處理，適合精密測量使用。 鉑電阻 獲得環(huán)境溫度 后 ， 轉(zhuǎn)化為電壓信號 ， 同時電壓信號 經(jīng)過 HT9274`基于單片機(jī)的水溫控制系統(tǒng) 7 放大到 SPCE061A 的模數(shù)轉(zhuǎn)換端口 ，并 將模擬的電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓信號，其中， HT9274 可以通過外接電阻實現(xiàn)放大倍數(shù)的調(diào)整。它與模擬濾波相比具有以下優(yōu)點： 1．?dāng)?shù)字濾波是用程序?qū)崿F(xiàn)的，不需要增加任何硬件設(shè)備，也不存在阻 抗匹配問題，可以多個通道共用，提高穩(wěn)定性和可靠性。數(shù)字濾波的靈活性好，可以有很多方法實現(xiàn) ， 如中值濾波、算術(shù)平均值濾波、滑動平均值濾波等。 溫 控部分設(shè)計 溫度控制系統(tǒng)是在單片機(jī)處理完測量到的溫度 值 之后，按照 PID 算法，自動地 通過控制可控硅或者繼電器的開合來實現(xiàn)的。 如果溫度偏高則通過 電路控制風(fēng)扇的工作 來 實現(xiàn) 降溫，并且還可以控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速以更快的將溫度穩(wěn)定在設(shè)定值附近。 本系統(tǒng)使用 TPuP16 微型打印機(jī) ， TPuP16 微型打印機(jī)采用與標(biāo)準(zhǔn)``畢業(yè)（設(shè)計）論文 8 Centronics 兼容的并行接口，是一種超小型的通用微型打印機(jī)。 語音播報部分 設(shè)計 語音播報功能通過 SPY0030 芯片實現(xiàn)。它可以工作在 到 的范圍內(nèi) ,輸出功率可達(dá) 700mW。 ``基于單片機(jī)的水溫控制系統(tǒng) 9 第 4 章 軟件實現(xiàn) 軟件總體部分 設(shè)計 圖 41 系統(tǒng) 主程序 流程圖 開 始 初始化 從存儲器中讀取上一次溫度設(shè) 定值 按鍵按下 重設(shè)溫度值 采集溫度 大于設(shè)定溫度范圍 打開風(fēng)扇 （降溫） 顯示當(dāng)前溫度 在設(shè)定溫度范圍內(nèi) 小于設(shè)定溫度范圍 打開電熱絲 （升溫） N N N Y Y ``畢業(yè)（設(shè)計）論文 10 主程序 源代碼： int main(void){ int iKeyValue。 guifgSpeechPlay = 0。 turn_on_relay()。 PIDinit()。 //取鍵值 key_value_process(iKeyValue)。 //語音播放 if(status == system_temperature_control) display_speech_ADC_temperature()。 //清看門狗 System_ServiceLoop()。 } } 具體實現(xiàn)步驟如下： 系統(tǒng)上電初始化， 將存儲器中保存的溫度值讀入 。 進(jìn)行 溫度 的 實時采集并顯示。 當(dāng)有用戶按下 “打印 ”按鍵，則通過打印程序，控制打印機(jī) 將當(dāng)前系統(tǒng)信息打印出來。外部溫度信號通過傳感器送至 單片機(jī)經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換后，換算成溫度值，然后再進(jìn)行濾波處理得到平穩(wěn)的電流信號， 經(jīng)驅(qū)動電路的處理轉(zhuǎn)換后， 在十進(jìn)制數(shù)碼管上將所測溫顯示出來。 溫度控制程序 設(shè)計 圖 44 溫度控制程序的實現(xiàn) 具體實現(xiàn)步驟如下：根據(jù)溫度測量的結(jié)果，調(diào)用 PID 算法，通過 PID算法求出控制量來進(jìn)行調(diào)節(jié)。 打印控制程序 設(shè)計 圖 45 打印控制 程序的實現(xiàn) 具體實現(xiàn)步驟如下： 初始化程序，判斷打 印按鍵是否按下， 如果沒有開 始 初始化 打印按鍵是否按下 打印機(jī) 是否忙碌 讀取需打 印的信息 啟動打印 機(jī)并打印 返 回 N N Y Y `基于單片機(jī)的水溫控制系統(tǒng) 15 打印要求則直接返回； 如果按下， 繼續(xù) 判斷打印機(jī)是否處于忙碌狀態(tài)，空閑則讀取需打印的信息并 打??；若處于忙碌狀態(tài)，則繼續(xù)等待直到打印機(jī)處于空閑為止。但是如果采樣周期 T 取得足夠小，采用數(shù)值計算的方法逼近可相當(dāng)準(zhǔn)確， 使 被控過程與連續(xù)控制十分接近。 以上公式稱為 位置式 算法。式中各系數(shù)由反復(fù)實踐后確定，實驗證明，這種控制方式可以加快系統(tǒng)階躍響應(yīng)，減小超調(diào)量，并具有較高的精度。根據(jù)具體的應(yīng)用 ，不管采用哪一種算法， 基本的控制算法、原理是完全一樣的，直接計算法得到的是當(dāng)前需要的控制量，相鄰兩次控制量的差就是增量。這是面向比例項 使 用的變動數(shù)據(jù)。 4．基本偏差的相對偏差 ： ? ? ? ?1?? tete ,意即 用本 次的基本偏差減去上一次的基本偏差，用于考察當(dāng)前控制的對象的趨勢。 5． 三個基本參數(shù)： pK , iK , dK ,這是做好一個控制器的關(guān) 鍵常數(shù)，分別稱為比例常數(shù)、積分常數(shù)和微分常數(shù)，不同的控制對象 需要選擇不同的`基于單片機(jī)的水溫控制系統(tǒng) 17 數(shù)值，還需要現(xiàn)場調(diào)制才能獲得較好的結(jié)果。 三個基本參數(shù) pK , iK , dK ,在實際控制中的作用： 比例調(diào)節(jié)作用：是 按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差 ，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少偏差。 積分調(diào)節(jié)作用：使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于 積分時間常數(shù) iT , iT 越小，積分作用就越強(qiáng)。積分作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組成 PI 調(diào)節(jié)器或 PID 調(diào)節(jié)器。 在偏差還沒有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除。在微分時間選擇合適情況下，可以減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時間。此外，微分``畢業(yè)（設(shè)計）論文 18 反應(yīng)的是變化率，而當(dāng)輸入沒有變化時，微分作用輸出為零。 數(shù)字 PID 控制算法，是以連續(xù)系統(tǒng)的 PID 控制規(guī)律為基礎(chǔ)，再將其數(shù)字化得到的。 這種算法是以連續(xù)系統(tǒng)的 PID 控制為基礎(chǔ) ，然后將其數(shù)字化，寫成差分方程 ： [6] ?????? ??? ? dt tdeTdtteTteKtu dip )()(1)()( （ 47） 上 式中 ： )(tu ： PID 調(diào)節(jié)器的輸出量； )(te ： PID 調(diào)節(jié)器的輸入量； pK ： 比例系數(shù)； iT ： 積分時間常數(shù)； dT ： 微分時間常數(shù)。將式（ 47）寫成`基于單片機(jī)的水溫控制系統(tǒng) 19 差分方程為： ?? ????? kj dip kekeTTjeTTkeKku 0 )]}1()([)()({)( )]1()([)()( 0 ????? ?? kekeTTjeKkeK dkjip （ 48） 上 式中 ： ipi TTKK ? ： 積分系數(shù) TTKK dpd ? ： 微分系數(shù) 由于 )(ku 是代替被控對象執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置，故稱為位 置式 PID。 數(shù)字 PID 的輸出跟過去的狀態(tài)有關(guān)，需要對偏差進(jìn)行積累。 由式（ 48）可以看出，位置型控制算式不夠方便，這是因為要累加偏差 )(ie ,不僅要占用較多的存儲單元，而且不便于編寫程序，對此可對式（ 48）進(jìn)行改進(jìn)。1。調(diào)壓法控制的原理是通過調(diào)節(jié)可控硅的觸發(fā)相位的相位角達(dá)到對電壓的調(diào)節(jié)，這個電壓是指有效電壓，直觀上就是對一個正弦波形的前 邊切掉一塊，用不 同的切割位置來 保留剩余的面積。 在這個兩分鐘周期內(nèi)對輸出進(jìn)行控制，也就是說在這個兩 分鐘內(nèi)加溫多少時間。根據(jù) 計算可以讓加溫時間在 02 分鐘內(nèi)變化，比如計算所得 在這一個周期內(nèi)應(yīng)該加溫 1 分 30 秒，經(jīng)過兩分鐘以后再測量被加溫物體的 溫度，通過計算 應(yīng)該加溫 1 分 28 秒，等等。 為了對應(yīng)程序處理上的方便，在程序內(nèi)部一般并 不是用時分秒來計算的，通常 使用系統(tǒng)的一個定時器用于系統(tǒng)全部時鐘，例如顯示刷新 、鍵盤``畢業(yè)（設(shè)計）論文 22 掃描等。當(dāng)需要改變定時周期時，有些不同的加熱對象，例 如對較大熱慣性的加熱對象 ， 2 分鐘周期顯得太短，這時可以通過修改基本定時常數(shù)的辦法來 保持 200 等分不變。 為了顯示 、鍵盤等的處理 ， 一般 定時在 510ms,所以就需要另外設(shè)定一個變量 templT 。例如 系統(tǒng)定時器的定時常數(shù)對應(yīng)于 10ms，則設(shè)定 templT 在達(dá)到 60 的時候 確認(rèn)是達(dá)到 600ms 了，才作為一個 基本的輸出時間單位。 例如對應(yīng)于 2 分鐘時是 60，則在 3 分鐘為周期時邊界改為 90 就行了。當(dāng)然，根據(jù) 具體對象也可以修改這個等分?jǐn)?shù)。為了達(dá)到 較好的控制效果，這三個參數(shù)一般不采用整數(shù)。 常用的是 8 倍或 16 倍放大， 同時，需要特別 注意 的是， 這三個參數(shù) 應(yīng) 采用相同的放大比例， 編程的過程中 要 對運(yùn)算結(jié)果還原。 假定 控制范圍是在 200℃ ，則設(shè)定溫度與實際溫度的差的最大值就是 200℃ ，這時的 輸出 參數(shù) 為 1?pK 。比 如目標(biāo)溫度設(shè)定為 230℃ ，控制 范圍 可設(shè)置 在 180－ 230℃ 范圍內(nèi)，這時的差值不夠 200， 把計算得到的數(shù)字乘以 4 就得到 0－ 200 的數(shù)據(jù)了。當(dāng)然這里還沒有考慮超溫的情況，計算產(chǎn)生了負(fù)數(shù)。 pK 在這里基本確定了 起始控制點到目標(biāo)值之間的控制范圍，微分和積分項在這里 只是作為附加部分，基本不影響控制范圍。 比例 常數(shù)決定 參與在目標(biāo)點以前真正控制的范圍， pK ＝基本時間總周期 /控制范圍。 最后，在計算結(jié)果交付于輸出之前，還需要進(jìn)行一些修正 。 處理上的一些常用方法 ： 為了提高測溫的準(zhǔn)確性，往往需要進(jìn)行多次測溫，然后剔除測得結(jié)果中 超過程序所設(shè)定的上限和下限的值 ，把剩余的數(shù)值相加 再 計算平均值，這樣 比較有利于抗干擾，或者由于其他原因引起的測量值波動，所以初期的處理是 很必要的。只要系統(tǒng)的時間允許，盡可能的 多測 幾次，``畢業(yè)（設(shè)計）論文 24 所得到的結(jié)果也 將 相對精確 。 一個系統(tǒng)定時周期內(nèi) 系統(tǒng)還要處理很多的事情，例如顯示的刷新 、 鍵盤的掃描 、 鍵盤碼的處理執(zhí)行等等 。所以如果此系統(tǒng)僅僅是一臺測溫儀的話，就可以將運(yùn)算部分放到主程序中進(jìn)行 ， 而 常規(guī)的刷新掃描之類的 工作 才放在定時和中斷 程序 里處理 。如果溫度控制僅僅作為系統(tǒng)中的一部分 ，那就需要認(rèn)真考慮程序的布局了 。假定 定時周期是 10ms,顯示刷新部分 需 要 1ms,鍵盤掃描處理 需 要 1ms,PID 運(yùn)算 需 要2ms（假定），留給主程序的時間 就 可能不夠 。 這是面對一個較大系統(tǒng)的一般處 理方法，對其他任務(wù)也可以采用分割的辦法進(jìn)行細(xì)化，例如對顯示 結(jié)果的 刷新。 也可以采用分片刷新的辦法處理， 盡量 把每次刷新所占用的時間減到最短。 前面 講到將時間作 200 等分記作 setT ,也 就是將一個約定時間作 200 級不同的輸出時間比例，通過 計算得到一個介于 0－ 200 之間的數(shù) outT ，然后每次在 PID 基本定時時間中對 setT 減 1，當(dāng)?shù)确钟嫈?shù)器 setT 也達(dá)到 0 時 再進(jìn)行下一輪控制循環(huán)，重新計算 outT 。 `基于單片機(jī)的水溫控制系統(tǒng) 25 運(yùn)算中往往會出現(xiàn)數(shù)據(jù)溢出的情況 ，所以一般在運(yùn)算中都要求對數(shù)據(jù)強(qiáng)制轉(zhuǎn)換成 int 型， 這里 需要考慮符號。 加溫的整個過程沒有必要全程 PID 控制，一般可以 設(shè)定 到達(dá) 目標(biāo)值前一個溫度區(qū)域才進(jìn)行 PID 控制。在不產(chǎn)生過大的過沖的情況下，盡可能 提高起控點 ，有利于后面 控制部分的進(jìn)一步細(xì)化。 參數(shù)的設(shè)定與調(diào)整 ： 編程時只 能預(yù)先 設(shè)定參數(shù) 的大概數(shù)值，然后通過反復(fù)的調(diào)試才能找到相對 理想的參數(shù)值。 選擇一個合適的時間常數(shù) ，需 要根據(jù)輸出單元采用什么器件來確定，如果采用可控硅，則 可設(shè)定時間常數(shù)的范圍就很自由； 如果采用繼電器 ，則過于頻繁的開關(guān)會影響繼電器的使用壽命，不 適合采用較短周期 。 `基于單片機(jī)的水溫控制系統(tǒng) 27 第 5 章 軟件調(diào)試 與安裝 軟