【正文】 流電源和加熱絲中，只要在給定周期內(nèi)改變晶閘管的接通時(shí)間，就能達(dá)到加熱功率改變的目的，從而實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié) 。單片機(jī) 口輸出能控制晶閘管通斷時(shí)間的脈沖信號。 1 時(shí)關(guān)斷晶閘管， 0 時(shí)開啟晶閘管。 圖 39 溫控電路圖 報(bào)警電路的設(shè)計(jì) 本文中所設(shè)計(jì)的報(bào)警電路較為簡單 ,蜂鳴器報(bào)警電路由晶體管和蜂鳴器組成。只要在蜂鳴器兩端加上超過 5V 的電壓，在我們所要求的溫度達(dá)到一定的上界或者下界時(shí)， 蜂鳴器就會叫個(gè)不停，由單片機(jī) I/O 口輸出信號控制晶體管的導(dǎo)通或截止 , 晶體管導(dǎo)通 , 則蜂鳴器報(bào)警。通過單片機(jī)來控制蜂鳴器產(chǎn)生報(bào)警聲音。如圖 310。 圖 310 報(bào)警電路 措施的設(shè)計(jì) 所謂抗干擾，就是針對干擾的產(chǎn)生 、性質(zhì)、傳播途徑、入侵的位置和入侵的形式，采用適當(dāng)消除干擾源抑制耦合通道，減弱電路對干擾的敏感性。應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況抓住主要干擾，采取抑制措施。 交流電源干擾的抑制 實(shí)踐表明，交流電源干擾往往是單片機(jī)微機(jī)應(yīng)用的嚴(yán)重問題。使用不間斷電源不僅有穩(wěn)壓的作用，干擾較少，還能解除停電之憂。但造價(jià)高，體積大，是小型單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)難以接受的。而采用電源凈化技術(shù)，則切實(shí)可行。 輸入輸出通道干擾的抑制 通常測控對象上的傳感器、執(zhí)行器遠(yuǎn)離控制臺，來往的輸入、輸出線長，容易竄入干擾，必須采用隔離、濾波、屏蔽等技術(shù)，抑制干擾耦合通道。一般采用光電隔離。 PCB 圖的繪制 設(shè)計(jì)中 PCB 圖是使用 Altium Designer 完成。 Altium Designer 是Altium 公司開發(fā)的一套完整的板卡級設(shè)計(jì)系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)在單個(gè)應(yīng)用程序中的集成。 Altium Designer ?PCB 線路圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)完全利用了 Windows?XP 和Windows?2020 平臺的優(yōu)勢，具有改進(jìn)的穩(wěn)定性、增強(qiáng)的圖形功能和 超強(qiáng)的用戶界面。 Altium Designer 6 是一個(gè)單個(gè)的應(yīng)用程序，能夠提供從概念到完成板卡設(shè)計(jì)項(xiàng)目的所有功能要求。 在完成了原理圖的設(shè)計(jì)后，開始進(jìn)行 PCB 圖的繪制。首先是制作元件封裝，其中 Protel DXP 庫里沒有或無法通過向?qū)傻钠骷庋b就必需手繪，使用卡尺測量每個(gè)器件的引腳直徑、腳間距等，然后錄入到 Protel 的自定義封裝庫中，并與相應(yīng)器件進(jìn)行綁定。完成以上工作后就可以更新 PCB 圖，使用軟件自身的自動(dòng)布局和自動(dòng)布線功能后發(fā)現(xiàn)器件混亂、使用不便，整體效果不好，所以重新全部使用手工布局和布線。由于 Altium Designer 是制圖軟件中版本比較高的，把 PCB 轉(zhuǎn)為 版本的使之能夠在低版本的軟件中打開，就是因?yàn)榘姹镜募嫒輪栴}，所以在以后的設(shè)計(jì)當(dāng)中要注意。隨著“信息時(shí)代”的到來，作為獲取信息的手段――傳感器技術(shù)得到了顯著的進(jìn)步，其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，對其要求越來越高，需求越來越迫切。傳感器技術(shù)已成為衡量一個(gè)國家科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。因此，了解并掌握各類傳感器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及特性是非常重要的。 由于傳感器能將各種物理量、化學(xué)量和生物量等信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，使得人們可以利用?jì)算機(jī)實(shí) 現(xiàn)自動(dòng)測量、信息處理和自動(dòng)控制，但是它們都不同程度地存在溫漂和非線性等影響因素。 4 數(shù)字 PID 及其算法 PID 調(diào)節(jié)是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最為廣泛的一種調(diào)節(jié)方式。 PID 調(diào)節(jié)的實(shí)質(zhì)就是根據(jù)輸入的偏差值，按比例、積分、微分的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算，其運(yùn)算結(jié)果用以輸出控制。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)被控對象的特性和控制要求，可靈活地改變 PID 的結(jié)構(gòu)，取其中的一部分環(huán)節(jié)構(gòu)成控制規(guī)律，如比例（ P）調(diào)節(jié)、比例積分（ PI）調(diào)節(jié)、比例積分微分（ PID）調(diào)節(jié)等。 .1 PID 算法的數(shù)字化 在模擬系統(tǒng)中， PID 算法的表達(dá)式為 （ 41） 式中 ―調(diào)節(jié)器的輸出信號； ―調(diào)節(jié)器的偏差信號，它等于測量值與給定值之差； ―調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； ―調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間； ―調(diào)節(jié)器的微分時(shí)間。 由于計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差來計(jì)算控制量。因此，在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，必須首先對式（ 1）進(jìn)行離散化處理，用數(shù)字形式的差分方程式代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程，此時(shí)積分項(xiàng)可用求和及增量式表示： （ 2） （ 3） 將式（ 2）和式（ 3）代入（ 1），則可得到離散的 PID 表達(dá)式： （ 4） 式中 ―采樣周期，必須使足夠小，才能保證系統(tǒng)有一定的精度； ―第次采樣時(shí)的偏差值； ―第次采樣時(shí)的偏差值； ―采樣序號， 0， 1， 2，?； ―第次采樣時(shí)調(diào)節(jié)器的輸出。 由式（ 4）可以看出，要想計(jì)算，不僅需要本次與上次的偏差信號和，而且還要在積分項(xiàng)中把歷次的偏差信號進(jìn)行相加，即 這樣，不僅計(jì)算煩瑣，而且為保存還要占用很多的內(nèi)存。因此，用式（ 4）直接進(jìn)行控制很不方便可以做如下改動(dòng)。 根據(jù)遞推原理，可寫出次的 PID 輸出表達(dá)式： （ 5） 用式（ 4）減去式（ 5），可得： （ 6） 式中 ― 積分系數(shù)； ― 微分系數(shù)。 由式（ 6）可知，要計(jì)算第次輸出值，只需知道，，即可，比用式（ 4）計(jì)算要簡單得多。 在很多控制系統(tǒng)中，由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)是采用進(jìn)行控制的，所以，只要給一個(gè)增量信號即可。因此，把式（ 4）和式（ 5）相減，得到： （ 7） 式中，同式（ 6）。 式（ 7）表示第次輸出的增量，它等于第次與第次調(diào)節(jié)器的輸出和差值，即在第次的基礎(chǔ)上增加（或減少）的量，所以式（ 7）叫做增量型 PID 控制算式。 此外，除了 上述兩種控制算法外，還有一種稱為速度控制的 PID 算法，即 （ 8） .2 PID 算法的程序設(shè)計(jì) 用語言進(jìn)行 PID 程序設(shè)計(jì)有兩種運(yùn)算方法，一種用定點(diǎn)運(yùn)算，一種為浮點(diǎn)運(yùn)算。定點(diǎn)運(yùn)算速度比較快，但精度低一點(diǎn)；浮點(diǎn)運(yùn)算精度高，但運(yùn)算速度比較慢。一般情況下，當(dāng)速度變化比較慢時(shí)，可采用浮點(diǎn)運(yùn)算。如果系統(tǒng)要求速度比較快，則需采用定點(diǎn)運(yùn)算的方法。 . 位置型 PID 算法程序的設(shè)計(jì) 由式（ 7）可寫出第次采樣時(shí) PID 的輸出表達(dá)式為 （ 9） （ 10） 式（ 10） 即為離散化的位置型 PID 編程公式，其流程如圖 1。 圖 41 位置型 PID 運(yùn)算程序流程圖 . 增量型 PID 算法的程序設(shè)計(jì) 由式（ 7）可知，增量型 PID 算式為 設(shè) 所以，有 （ 11）式（ 11）為離散化的增量型 PID編程表達(dá)式。增量型 PID 運(yùn)算程序流程如圖 2。 圖 2 增量型 PID 運(yùn)算程序流程圖 5 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件功能分析 設(shè)定溫度控制值，控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)入相應(yīng)的加熱階段 檢測恒溫箱溫度經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換進(jìn)行 PID 運(yùn)算按照運(yùn)算結(jié)果，驅(qū)動(dòng)，以 調(diào)節(jié)溫度 實(shí)現(xiàn)定時(shí)功能，時(shí)間到提示。 .2 主程序主程序主要進(jìn)行初始化，分配內(nèi)存單元及設(shè)置定時(shí)器參數(shù)，以便為系統(tǒng)正常工作創(chuàng)造條件。由于本系統(tǒng)采樣數(shù)據(jù)為12 位（雙字節(jié)），加上一些給定值，如溫度上限報(bào)警值，所以內(nèi)存單元比較多，故本系統(tǒng)將同時(shí)使用內(nèi)部 RAM 及外部 RAM。主程序流程如圖 1 所示，本系統(tǒng)的采樣周期為 5s，采用兩個(gè)定時(shí)器串聯(lián)的方法，即設(shè) T0 為定時(shí)方式，設(shè) T1 為計(jì)數(shù)方式。設(shè) T0 為定時(shí)方式 1，定時(shí)的時(shí)間間隔為 100ms，時(shí)鐘頻率選 6MHz。代入公式，可得出 T0 應(yīng)裝入的時(shí)間常數(shù) X 3CB0H，可分別裝 TH0 和 TL0。設(shè) T1 為計(jì)數(shù)方式 2，計(jì)數(shù)值為 50。 圖 51 主程序流程圖 當(dāng)按下了啟動(dòng) /停止鍵后，系統(tǒng)進(jìn)入加熱狀態(tài)，每次的循環(huán)，系統(tǒng)除了執(zhí)行鍵掃描、顯示程序外，還會執(zhí)行溫度采集、溫度控制以及定時(shí)程序。系統(tǒng)會根據(jù)采集到的實(shí)際溫度值，再與設(shè)定溫度值，上次偏差值一起進(jìn)行 PID 計(jì)算，計(jì)算出加熱時(shí)間，通過加熱時(shí)間的大小來控制繼電器的通斷。定時(shí)程序則會計(jì)算出剩余的定時(shí)時(shí)間，并在定時(shí)時(shí)間到時(shí)，通知系統(tǒng)發(fā)出蜂鳴聲。 若是在加熱狀態(tài)下，按下了啟動(dòng) /停止鍵，系統(tǒng)將進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)，程序跳到系統(tǒng)初始化處，重新初始化，同時(shí)蜂鳴、加熱都會停止 ，重新回到設(shè)定狀態(tài)。 子程序 圖 2 系統(tǒng)初始化程序流程圖表 51 共陽極接法字型表 顯示數(shù)字 h g f e d c b a 端口輸出 圖 53 顯示程序流程圖 由于數(shù)碼管的數(shù)據(jù)位同時(shí)接到 P2 口，所以選通某一個(gè)數(shù)碼管后一定要禁止顯示。在選通下一位數(shù)碼管時(shí) P2 口上的電平發(fā)生變化，如果不禁止上一位則發(fā)生兩位同時(shí)顯示當(dāng)前 P2 端口數(shù)據(jù)的情況。在選通一個(gè)數(shù)碼管，并把數(shù)據(jù)送給 P2口后，要經(jīng)過一段時(shí)間延時(shí)后，才能禁止其顯示。因?yàn)?，人眼睛視神?jīng)的反應(yīng)速度是有限的，如果不加延時(shí)，人眼可能還沒感知到數(shù)碼管顯示就已經(jīng)關(guān) 掉了。 集模塊的設(shè)計(jì) 一般在使用 P100 采集方案中，都會對放大器采集來的模擬信號 AV 進(jìn)行溫度采集，即進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。 單片機(jī)讀取 ADC0809 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)可以有中斷和查詢兩種方式， ADC0809 開始轉(zhuǎn)換后 EOC 引腳為低電平，當(dāng) EOC 重新變成高電平時(shí)表示轉(zhuǎn)換結(jié)束，此時(shí)可以申請中斷或者由程序查詢該位并讀取結(jié)果。包括方面內(nèi)容 圖 54 溫度采集流程圖由于干擾和實(shí)際噪聲的存在，在采樣過程當(dāng)中會出現(xiàn)采樣信號與實(shí)際信號存在偏差的現(xiàn)象，甚至?xí)霈F(xiàn)信號的高低波動(dòng)，為了減小這方面原因造成的測量誤差，在實(shí)際采樣然后再除去其中偏差 較大的兩個(gè)點(diǎn)，即一個(gè)最大值和一個(gè)最小值，再對剩余的個(gè)點(diǎn)取平均值，這樣得到的 AD 轉(zhuǎn)換結(jié)果比較接近實(shí)際值。對進(jìn)行濾波操作之后，還要將 AD 值轉(zhuǎn)換為溫度，常用的兩種方法為查表法和公式法：查表法比較麻煩，而且精度也不高，適應(yīng)于線性化較差的NTC 傳感器。公式法比較簡單，只需要確定比例系數(shù) K 和基準(zhǔn)偏差 B 即可，適合于線性化較好的傳感器，溫度的 C 語言實(shí)現(xiàn)過程為： fT ADC_data * K － B換算成溫度值本系統(tǒng)的測溫范圍，電阻的非線性造成的誤差超出了要求，所以公式法無法實(shí)現(xiàn) AD 值到溫度值的轉(zhuǎn)換，本設(shè)計(jì)查表法。鍵盤與 單片機(jī)的接口有查詢方式和中斷方式，查詢方式比較簡單、可靠性比較高但是效率低；而中斷方式則效率比較高、系統(tǒng)資源占用較少、同時(shí)可以保證實(shí)時(shí)性的要求。本軟件由于按鍵較少，所以采用查詢方式。復(fù)位或停止后，系統(tǒng)處于狀態(tài)，其功能是監(jiān)測鍵盤輸入，接收溫度，定時(shí)和啟動(dòng)鍵。每一個(gè)鍵都具有第二功能，根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)，按鍵實(shí)現(xiàn)不同的功能。設(shè)定溫度或時(shí)間時(shí)，程序會根據(jù)情況，使溫度和時(shí)間要求的范圍之內(nèi)圖 55 鍵掃描程序流程圖 溫度控制模塊的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)利用位置式 PID 算法，將溫度傳感器采樣輸入作為當(dāng)前輸入，然后與設(shè)定值相減得到偏差 ek，再對之進(jìn)行 PID 運(yùn)算產(chǎn)生輸出結(jié)果 fout，再讓 fout控制繼電器的通斷時(shí)間，進(jìn)而控制加熱器的平均功率。其溫度控制程序流程圖如圖 56 所示。 首先，定義了一些變量，用于存放 PID 運(yùn)算所需要的 P、 I、 D 系數(shù)，以及溫度設(shè)定值，歷史誤差的累加和等信息。 加熱時(shí)間通過 PID 算法計(jì)算出來后，由定時(shí)器 0 中斷控制。在溫度控制程序中，計(jì)算出 fout 后，如果該參數(shù)大于 0，則開啟加熱器，每進(jìn)入一次定時(shí)器 0中斷， fout 參數(shù)減 1，直到 fout 等于 0，停止加熱。如果 PID 算法計(jì)算結(jié)果比較大，說明離設(shè)定溫度相差較大，則加熱時(shí)間比較 長，如果計(jì)算結(jié)果比較小，說明離設(shè)定溫度相差較小，加熱時(shí)間相對較短。 圖 56 溫度控制程序流程圖 塊的設(shè)計(jì) 當(dāng)高于時(shí)，將影響質(zhì)量。因此，將溫度上限。檢測到溫度超限，應(yīng)進(jìn)行報(bào)警處理。報(bào)警子程序流程如圖 圖 57 報(bào)警程序流程圖 .4 軟件設(shè)計(jì)小結(jié) 在軟件程序的設(shè)計(jì)中，特別是程序，接觸不多，更沒好好去探討，所以一開始讓人摸不著頭腦，陷入了僵持狀態(tài)。主要是自己的專業(yè)知識面不廣泛，所以設(shè)計(jì)起來很費(fèi)勁。無法從任何地方去著手，真后悔以前沒有把基礎(chǔ)打扎實(shí)，所以在上面花了很多的時(shí)間，只有重頭開始學(xué)起。 雖然在這次設(shè)計(jì)中遇到了種 種困難和問題，但在老師和同學(xué)的悉心指導(dǎo)下，最終把所有問題都迎刃而解，最終圓滿的完成了設(shè)計(jì)。程序清單參見附錄 1。 6結(jié)束語 本系統(tǒng)針對以往常用的模擬儀表，測量精度較低、集成度較低、適應(yīng)性能較差和單路測溫系統(tǒng)的不足，如分立元件多、體積大、可靠性差且日常維護(hù)量大，以及針對延時(shí)性和維修量大、維修不方便等缺點(diǎn)，采用系統(tǒng)。本系統(tǒng)的硬件簡單、軟件豐富、調(diào)試、修改方便，可以方便地實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化測溫和多種功能，可靠性高，測溫簡單，可以作為一種先進(jìn)的一路或多路溫度測量方法來取代以往常用的單路測溫方法。由于本人理論水平的有限和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn) 的缺乏，在系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行中必然存在一定的缺點(diǎn)和不足，不一定能像預(yù)期般實(shí)現(xiàn)以下指定要求： 對檢測，并按工藝要求控制最高加熱溫度； 在階段，； 采用恒值控制； 顯示檢測溫度值。 相信在今后的學(xué)習(xí)和交流中，通過對系統(tǒng)的深入了解，必然能有所新的體會，能對本系統(tǒng)做進(jìn)一步的改善，使其更加完善。參考文獻(xiàn) [1] 曹琳琳，曹巧嬡 .單片機(jī)原理及接口技術(shù) [M].長沙 :國防科技大學(xué)出版