畢業(yè)設(shè)計(jì)--基于單片機(jī)的溫度檢測(cè)與控制

1、<p><b>　　本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　基于單片機(jī)的釀酒槽的溫度檢測(cè)與控制</p><p>　　基于單片機(jī)的釀酒槽的溫度檢測(cè)與控制</p><p>　　[摘要] 課題針對(duì)溫度控制的特點(diǎn)及實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確溫度控制的意義，設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)內(nèi)容包括硬件和軟件兩個(gè)部分。硬件電路以AT89S52單片機(jī)為微處理

2、器，詳細(xì)設(shè)計(jì)了溫度信號(hào)采樣電路，鍵盤及顯示電路，溫度控制電路，報(bào)警電路，時(shí)鐘信號(hào)電路。軟件部分主要對(duì)PID算法進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模和編程。PID參數(shù)整定采用的是歸一參數(shù)整定法。本設(shè)計(jì)由鍵盤電路輸入設(shè)定溫度信號(hào)給單片機(jī)，溫度信號(hào)采集電路采集現(xiàn)場(chǎng)溫度信號(hào)給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)輸入與反饋信號(hào)的偏差進(jìn)行PID計(jì)算，輸出控制信號(hào)給溫度控制電路，實(shí)現(xiàn)降溫。顯示電路實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。</p><p>　　[關(guān)鍵詞]PID算法 溫

3、度控制 </p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　工業(yè)生產(chǎn)中溫度控制具有單向性、時(shí)滯性、大慣性和時(shí)變性的特征，要實(shí)現(xiàn)溫度控制的快速性和準(zhǔn)確性，對(duì)于提高產(chǎn)品質(zhì)量具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。</p><p>　　本課題針對(duì)溫度控制的特點(diǎn)及實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確溫度控制的意義，設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)內(nèi)容包括硬件和軟件兩個(gè)部分。硬件電路

4、以AT89S52單片機(jī)為微處理器，詳細(xì)設(shè)計(jì)了溫度信號(hào)采樣電路，鍵盤及顯示電路，溫度控制電路，報(bào)警電路，時(shí)鐘信號(hào)電路。軟件部分主要對(duì)PID算法進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模和編程。PID參數(shù)整定采用的是歸一參數(shù)整定法。本設(shè)計(jì)由鍵盤電路輸入設(shè)定溫度信號(hào)給單片機(jī)，溫度信號(hào)采集電路采集現(xiàn)場(chǎng)溫度信號(hào)給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)輸入與反饋信號(hào)的偏差進(jìn)行PID計(jì)算，輸出控制信號(hào)給溫度控制電路，實(shí)現(xiàn)降溫。顯示電路實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。</p><p>

5、;　　本系統(tǒng)PID參數(shù)整定在MATLAB軟件下SIMULINK環(huán)境中進(jìn)行了仿真，通過穩(wěn)定邊界法整定得到、、參數(shù)，最終系統(tǒng)無穩(wěn)態(tài)誤差，調(diào)節(jié)時(shí)間為30s，無超調(diào)量，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，硬件要求不高，且能對(duì)溫度進(jìn)行時(shí)實(shí)顯示，具有控制過程的特殊性，本設(shè)計(jì)提出了一種基于PID算法來實(shí)現(xiàn)恒溫控制的溫度控制系統(tǒng)，主要是為了達(dá)到生產(chǎn)過程中對(duì)溫度控制速度快，準(zhǔn)確性高等特點(diǎn)。</p><p><b>　

6、　ABSTRACT</b></p><p>　　Industrial production is a one-way temperature control, delay, the inertia and time-varying characteristics, To achieve the rapid temperature control and accuracy, improving the

7、quality of products is a very important practical significance. </p><p>　　The temperature control issues against the characteristics and achieve precise control of temperature, Based on the design of a PID t

8、emperature control system. Design elements include hardware and software in two parts. Hardware circuit to AT89S52 MCU for microprocessors, for the detailed design of the microcontroller to provide electricity supply cir

9、cuit, Temperature signal sampling circuit, keyboard and display circuits, such as heating control circuit four circuit module. Software major pa</p><p>　　The system PID tuning parameters in MATLAB soft

10、ware under SIMULINK environment for the conduct of the simulation, By stabilizing the border will be the entire law, and parameters, the end system without steady-state error and adjust to the 30's, no overshoot, a

11、ll targets were met design requirements. </p><p>　　The system is simple, and hardware, but also the real-time temperature, with the particularity of the control process, The design of a PID algorithm based o

12、n the temperature control to achieve the temperature control system, the main aim is to achieve the production process for the temperature control speed, high accuracy. </p><p><b>　　第1章 緒論</b>&l

13、t;/p><p><b>　　1.1 引言</b></p><p>　　電加熱溫度控制具有升溫單向性、大慣性、大滯后性和時(shí)變性的特點(diǎn)。例如：其升溫單向性是由于電加熱的升溫、保溫主要是通過電阻加熱；降溫則通常是依靠自然冷卻，當(dāng)溫度一旦超調(diào)，就無法用控制手段使其降溫，因而很難用數(shù)字方法建立精確的模型，并確定參數(shù)。應(yīng)用傳統(tǒng)的模擬電路控制方法，由于電路復(fù)雜，器件太多，往往很難達(dá)到

14、理想的控制效果。由于無法用精確的數(shù)學(xué)方法來建立模型并確定參數(shù)，本設(shè)計(jì)采用PID控制。</p><p>　　目前工業(yè)自動(dòng)化水平已成為衡量各行業(yè)現(xiàn)代化水平的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)控制理論的發(fā)展也經(jīng)歷了經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個(gè)階段。智能控制的典型實(shí)例是模糊全自動(dòng)洗衣機(jī)等；而自動(dòng)控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。一個(gè)控制系統(tǒng)包括控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、輸入輸出接口。控制器的輸出經(jīng)過輸出接

15、口、執(zhí)行機(jī)構(gòu)加在被控系統(tǒng)上，控制系統(tǒng)的被控量經(jīng)過傳感器、變送器通過輸入接口送到控制器。不同的控制系統(tǒng)，其傳感器、變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)都不一樣。比如壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器，而溫度控制系統(tǒng)要采用溫度傳感器。目前PID控制及其控制器或智能PID控制器已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實(shí)際中得到廣泛的應(yīng)用，各大公司均開發(fā)了具有PID參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器，其中PID調(diào)節(jié)器參數(shù)是自動(dòng)調(diào)節(jié)是通過智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來實(shí)現(xiàn)，有利用PID調(diào)節(jié)控制實(shí)

16、現(xiàn)壓力、溫度、流量、液位的控制。能實(shí)現(xiàn)PID控制功能的有PLC和一些PC機(jī)。</p><p>　　傳統(tǒng)的PID控制電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需配合相應(yīng)的可控硅控制電路來完成功率的調(diào)控。針對(duì)它具有器件多、生產(chǎn)成本高、電路調(diào)試復(fù)雜的缺點(diǎn)，本恒溫自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中應(yīng)用AT89S52的單片機(jī)進(jìn)行數(shù)字PID運(yùn)算，能充分發(fā)揮軟件系統(tǒng)的靈活性，在必要時(shí)針對(duì)PID算法進(jìn)行修正，使其更加完善，固態(tài)繼電器的功率調(diào)節(jié)電路，極大地簡(jiǎn)化了執(zhí)行電路，

17、與單片機(jī)的接口也變得十分的方便，同時(shí)只需要更換不同輸出功率的固態(tài)繼電器，就可滿足不同功率加熱系統(tǒng)的需要由于設(shè)計(jì)的系統(tǒng)對(duì)溫度動(dòng)、靜態(tài)指標(biāo)要求要求不高，且允許有一定的溫度偏差和允許調(diào)節(jié)的時(shí)間較長時(shí)，最流行控制方法還是繼電接觸器控制系統(tǒng)。因此本設(shè)計(jì)采用若繼電接觸器控制系統(tǒng)。整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)電路簡(jiǎn)單、調(diào)試方便、實(shí)際應(yīng)用可達(dá)到理想的精度。</p><p>　　隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，單片微型計(jì)算機(jī)的功能也不斷地增強(qiáng)，許多高性能

18、的新型機(jī)種不斷的涌現(xiàn)出來，單片機(jī)以其集成度高、功能強(qiáng)、體積小可靠性高、價(jià)格低和開發(fā)周期短等特點(diǎn)，成為自動(dòng)化和各個(gè)測(cè)控領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛的器件，在工業(yè)生產(chǎn)中，稱為必不可少的器件，尤其是在當(dāng)要求控制精度高，而成本低的社會(huì)里，往往都是采用單片機(jī)作為數(shù)字控制器取代模擬控制器。在溫度控制系統(tǒng)中，單片機(jī)最是起到了不可替代的核心作用。</p><p>　　而PID控制技術(shù)在現(xiàn)在最為成熟，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)容易調(diào)整，不必求出被控對(duì)象

19、的數(shù)學(xué)模型就可以調(diào)節(jié)，所以在恒溫控制系統(tǒng)中通常采用PID算法。PID是比例（proportional）、積分（intergal）和微分(derivative)三者的縮寫。PID調(diào)節(jié)器的三個(gè)基本參數(shù)kp(比例系數(shù))、ki（積分系數(shù)）、kd(微分系數(shù))是選擇非常重要，它將直接影響一個(gè)控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。而三個(gè)環(huán)節(jié)在實(shí)際控制中的作用：1、比例調(diào)節(jié)作用：比例反映系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，用于減少偏差。比例作用大，可以

20、加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但過大的比例使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定；2、積分調(diào)節(jié)作用：是使系統(tǒng)消除靜態(tài)誤差，提高無差度。因?yàn)橛姓`差，積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無差，積分調(diào)節(jié)就停止。積分調(diào)節(jié)輸出為一常值，積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù) Ti. Ti越小，積分時(shí)間就越強(qiáng)；反之Ti越大，積分時(shí)間就越弱。加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢，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)或PID調(diào)節(jié)；3、微分調(diào)節(jié)作用：微分作用反映系統(tǒng)偏差

21、信號(hào)的變化率，具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化的趨</p><p>　　大多數(shù)溫度控制系統(tǒng)均建立在模型上，難以滿足加工工藝要求，故引入模糊控制，采用模糊PID算法，運(yùn)用AT89S52單片機(jī)對(duì)電阻爐溫度實(shí)現(xiàn)智能控制，可以解決上述種種不足，從而實(shí)現(xiàn)高精度的控制。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)

22、學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來確定，因此本次設(shè)計(jì)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為有效。</p><p><b>　　1.2 方案的論證</b></p><p>　　無論是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，還是日常生活中，對(duì)溫度的檢測(cè)和控制都是必不可少的，對(duì)于溫度的檢測(cè)通常是采用熱敏電阻在通過A/D（模/數(shù)）轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號(hào)，但由于信號(hào)的采集對(duì)

23、整個(gè)系統(tǒng)的影響很大，如果采樣精度不高，會(huì)使這個(gè)系統(tǒng)準(zhǔn)確性下降。因此本次設(shè)計(jì)采用高精度的溫度傳感器：數(shù)字溫度傳感器DS18B20。這種數(shù)字溫度傳感器是DALLAS公司生產(chǎn)的單總線，。而對(duì)于溫度控制的方法也有很多：如單片機(jī)控制、PLC控制、模擬PID調(diào)節(jié)器和數(shù)字PID調(diào)節(jié)器等等。綜合各方面的意見，本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)溫度的控制。</p><p>　　1.2.1 方案一利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)釀酒槽的溫度控制系統(tǒng)</p&

24、gt;<p>　　利用單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)溫度恒定的控制，其總體結(jié)構(gòu)圖如圖1.1所示。系統(tǒng)主要包括現(xiàn)場(chǎng)溫度采集、實(shí)時(shí)溫度顯示與報(bào)警裝置和系統(tǒng)核心AT89S52單片機(jī)作為微處理器。</p><p>　　圖1.1 方案一的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　溫度采集電路以數(shù)字量形式將現(xiàn)場(chǎng)溫度傳至單片機(jī)。單片機(jī)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)溫度與用戶設(shè)定的目標(biāo)溫度，按照已經(jīng)編程固化的模糊控制算法計(jì)算出實(shí)時(shí)

25、控制量。以此控制量控制固態(tài)繼電器開通和關(guān)斷，以決定溫度控制電路的工作狀態(tài)，使溫度不超過目標(biāo)值。在溫度接近或達(dá)到目標(biāo)值時(shí)，單片機(jī)通過采樣回的溫度與設(shè)置的目標(biāo)溫度比較做出相應(yīng)的控制，使酒槽溫度下降。系統(tǒng)運(yùn)行過程中的各種狀態(tài)參量均可由液晶實(shí)時(shí)顯示。</p><p>　　1.2.2 方案二利用PLC實(shí)現(xiàn)恒溫控制系統(tǒng)</p><p>　　利用PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)酒槽溫度的控制，其控制系統(tǒng)采用PLC控制實(shí)現(xiàn)自

26、動(dòng)控制方式，來達(dá)到控制溫度的恒定。智能型電偶溫度表將置于被測(cè)對(duì)象中，熱電偶的傳感器信號(hào)與恒定溫度的給定電壓進(jìn)行比較，構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，生成溫差電壓Vt，PLC自適應(yīng)恒溫控制電路，根據(jù)Vt的大小計(jì)算出全通、間接導(dǎo)通和全斷的自適應(yīng)恒溫控制電路，并將占空比可調(diào)的控制電平經(jīng)輸出隔離電路去控制可控硅門極的通斷，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的恒溫控制。若溫度升的過快，PLC也將輸出關(guān)斷電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為可控硅電路相匹配的輸入信號(hào)。</p><p>　

27、　1.2.3 方案三利用模擬PID調(diào)節(jié)的恒溫控制系統(tǒng)</p><p>　　基于模擬PID調(diào)節(jié)的恒溫控制系統(tǒng)由數(shù)字電路部分和模擬電路兩部分組成，其控制系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)框圖如圖1.2所示。由按鍵設(shè)定某一溫度，單片機(jī)對(duì)設(shè)定溫度值進(jìn)行查表計(jì)算后轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電壓數(shù)字值，通過16位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器得到與之精確對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，此電壓值于熱敏電阻實(shí)際測(cè)量的電壓值進(jìn)行比較產(chǎn)生一個(gè)誤差信號(hào)，經(jīng)過PID電路后，獲得一個(gè)控制量給制冷元件構(gòu)成實(shí)時(shí)閉

28、環(huán)系統(tǒng)，同時(shí)實(shí)際測(cè)量的電壓值并顯示在液晶屏上。</p><p>　　圖1.3 方案三的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p><b>　　1.3 設(shè)計(jì)方案</b></p><p>　　控制模塊的選擇，數(shù)字比較器與模擬控制器相比較，數(shù)字比較器具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　　1、模擬調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)能力有限，當(dāng)控制規(guī)律較為復(fù)雜時(shí)，就

29、難以甚至無法實(shí)現(xiàn)。而數(shù)字控制器能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制規(guī)律的控制。</p><p>　　2、計(jì)算機(jī)具有分時(shí)控制能力，可實(shí)現(xiàn)多回路控制。</p><p>　　3、數(shù)字控制器具有靈活性。起控制規(guī)律可靈活多樣，可用一臺(tái)計(jì)算機(jī)對(duì)不同的回路實(shí)現(xiàn)不同的控制方式，并且修改控制參數(shù)或控制方式一般只可改變控制程序即可，使用起來簡(jiǎn)單方便，可改善調(diào)節(jié)品質(zhì)，提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。</p><p>　

30、　4、采用計(jì)算機(jī)除實(shí)現(xiàn)PID數(shù)字控制外，還能實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、數(shù)字顯示等其他功能。綜合考慮，本設(shè)計(jì)控制模塊采用數(shù)字PID調(diào)節(jié)器。</p><p>　　對(duì)于方案一，采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)恒溫控制，雖然該方案成本低，可靠性高，抗干擾性強(qiáng)，但對(duì)于系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能與穩(wěn)態(tài)性能要求較高的場(chǎng)合是不合適的；而對(duì)于方案二，采用PLC實(shí)現(xiàn)恒溫控制，由于PLC成本高，且PLC是外圍系統(tǒng)配置復(fù)雜，不利于我們的設(shè)計(jì)，由于數(shù)字PID調(diào)節(jié)，運(yùn)算量大，

31、只要選擇合適的參數(shù)對(duì)于溫度的控制精度往往能達(dá)到較好的效果。為了使設(shè)計(jì)的成本低、抗干擾強(qiáng)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能與穩(wěn)態(tài)性能好的前提下，設(shè)計(jì)方案的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1.3所示：通過單片機(jī)對(duì)偏差進(jìn)行PID運(yùn)算，輸出控制D/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成0—8V電壓信號(hào)來控制可控硅觸發(fā)電路，從而控制可控硅通斷率，通過調(diào)節(jié)加熱功率即可達(dá)到控制溫度恒定的目的。</p><p>　　圖1.3 設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)框圖</p><p>

32、　　第2章 釀酒槽溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　考慮到盡量降低成本和避免與復(fù)雜的電路，此系統(tǒng)所用到的元器件均為常用的電子器件。而主控器采用低功耗、高性能、片內(nèi)含8k byte可反復(fù)檫寫的Flash 、只讀程序器CMOS8位單片機(jī)AT89S52；溫度傳感器采用DALLAS公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20；采用控制端TTL電平，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器的開關(guān)，使用時(shí)完全可以用 NPN型三極管接成電壓

33、跟隨器的形式驅(qū)動(dòng)；單片機(jī)所需要的+5V工作電源是通過220V交流電壓通過變壓、整流、穩(wěn)壓、濾波得到。實(shí)時(shí)控制的顯示器、鍵盤通過單片機(jī)來完成鍵盤掃描與輸出動(dòng)態(tài)顯示。采用具有微功耗、外圍接口簡(jiǎn)單、精度高、工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)的ds12887實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片。</p><p>　　考慮到系統(tǒng)對(duì)傳輸速度的要求不高，在PCA機(jī)上設(shè)定和實(shí)時(shí)顯示溫度，系統(tǒng)配有RS232串行通訊端口，下面對(duì)硬件電路作具體的設(shè)計(jì)。</p>

34、<p>　　2.1 AT89S52單片機(jī)簡(jiǎn)介</p><p>　　2.1.1 AT89S52單片機(jī)資源簡(jiǎn)介</p><p>　　AT89S52的結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。由于它的廣泛使用使得市面價(jià)格較8155、8255、8279要低，所以說用它是很經(jīng)濟(jì)的。該芯片具有如下功能：①有1個(gè)專用的鍵盤/顯示接口；②有1個(gè)全雙工異步串行通信接口；③有2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。這樣，1個(gè)89S5

35、2，承擔(dān)了3個(gè)專用接口芯片的工作；不僅使成本大大下降，而且優(yōu)化了硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)，給用戶帶來許多方便。</p><p>　　89S52有40個(gè)引腳，有32個(gè)輸入端口（I/O），有2個(gè)讀寫口線，可以反復(fù)插除。所以可以降低成本。</p><p><b>　　主要功能特性： </b></p><p>　　（1）兼容MCS51指令系統(tǒng)</p&g

36、t;<p>　?。?）32個(gè)雙向I/O口線</p><p>　?。?）3個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷</p><p>　　（4）2個(gè)串行中斷口 </p><p>　?。?）2個(gè)外部中斷源</p><p>　　（6）2個(gè)讀寫中斷口線</p><p&

37、gt;　?。?）低功耗空閑和掉電模式</p><p>　　（8）8k可反復(fù)擦寫(>1000次)Flash ROM</p><p>　?。?）256x8 bit內(nèi)部RAM</p><p>　　（10）時(shí)鐘頻率0-24MHz</p><p>　?。?1）可編程UART串行通道</p><p>　　（12）共6個(gè)中斷源

38、</p><p><b>　　（13）3級(jí)加密位</b></p><p>　?。?4）軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能。</p><p>　　2.1.2 AT89S52單片機(jī)信號(hào)引腳介紹[9]</p><p><b>　　輸入輸出口線</b></p><p>　　～ 口8位雙向口線

39、</p><p>　　～ 口8位雙向口線</p><p>　　～ 口8位雙向口線</p><p>　　～ 口8位雙向口線</p><p>　　ALE 地址鎖存控制信號(hào)</p><p>　　在系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí),ALE用于控制把口輸出的低8位地址送入鎖存器鎖存起來,以實(shí)現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的分時(shí)傳送。此外由于A

40、LE是以六分之一晶振頻率的固定頻率輸出正脈沖,因此可作為外部定時(shí)脈沖使用。</p><p>　　外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)</p><p>　　在讀外部ROM時(shí), 有效(低電平),以實(shí)現(xiàn)外部ROM單元的讀操作。</p><p>　　訪問程序存儲(chǔ)趨控制信號(hào)</p><p>　　但信號(hào)為低電平時(shí),對(duì)ROM的讀操作限定在外部程序存儲(chǔ)器；而當(dāng)信號(hào)為高電

41、平時(shí),則對(duì)ROM的讀操作是從內(nèi)部程序存儲(chǔ)器開始,并可延續(xù)至外部程序存儲(chǔ)器。</p><p>　　RST 復(fù)位信號(hào)</p><p>　　當(dāng)輸入的復(fù)位信號(hào)延續(xù)2個(gè)機(jī)器周期以上高電平時(shí)即為有效，用以完成單片機(jī)的復(fù)位操作。</p><p>　　和 外接晶體引線端</p><p>　　當(dāng)使用芯片內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)，此二引線端用語外接石英晶體和微調(diào)電容

42、；當(dāng)使用外部時(shí)鐘時(shí)，用于接外部時(shí)鐘脈沖信號(hào)。</p><p><b>　　地線</b></p><p><b>　　+5V電源</b></p><p>　　2.1.3 AT89S52單片機(jī)時(shí)鐘和復(fù)位電路</p><p><b>　　時(shí)鐘電路</b></p><

43、;p>　　單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增益反向放大器，輸入端為芯片引腳，輸出端為引腳。而在芯片外部和 之間跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容，從而構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。晶體震蕩頻率高，則系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率也高，單片機(jī)運(yùn)行速度也就快，但反過來運(yùn)行速度快對(duì)存儲(chǔ)器的速度要求就高，對(duì)印制電路板的工藝要求也高，所以，這里使用震蕩頻率為6MHz的石英晶體。震蕩電路產(chǎn)生的震蕩脈沖并不直接是使用，而是經(jīng)分頻后再為系統(tǒng)所用，震蕩脈沖經(jīng)過二分頻后才作為系統(tǒng)的時(shí)鐘信號(hào)。在

44、設(shè)計(jì)電路板時(shí)，振蕩器和電容應(yīng)盡量靠近單片機(jī)，以避免干擾。需要注意的是：電路板時(shí)，振蕩器和電容應(yīng)盡量安裝得與單片機(jī)靠近，以減小寄生電容的存在更好的保障振蕩器穩(wěn)定、可靠的工作電路圖如圖2.2所示</p><p><b>　　復(fù)位電路</b></p><p>　　單片機(jī)的復(fù)位電路分上電復(fù)位和按鍵復(fù)位兩種方式。</p><p><b>　?。?/p>

45、a）上電復(fù)位：</b></p><p>　　在加電之后通過外部復(fù)位電路的電容充電來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)?shù)纳仙龝r(shí)間不超過1ms，就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上電復(fù)位，即接通電源就完成了系統(tǒng)的初始化電路原理圖。RST上的電壓必須保證在斯密特觸發(fā)器的閥值電壓以上足夠長時(shí)間，滿足復(fù)位操作的要求。</p><p><b>　　(b) 按鍵復(fù)位：</b></p><p&g

46、t;　　程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為了擺脫困境，也需按復(fù)位鍵以重新啟動(dòng)。RST引腳是復(fù)位信號(hào)的輸入端，復(fù)位信號(hào)是高電平有效。按鍵復(fù)位又分按鍵脈沖復(fù)位（圖2.3）和按鍵電平復(fù)位。電平復(fù)位將復(fù)位端通過電阻與相連，按鍵脈沖復(fù)位是利用RC分電路產(chǎn)生正脈沖來達(dá)到復(fù)位的。</p><p><b>　　(c) 注意：</b></p><p>　　因?yàn)榘存I脈沖復(fù)位是

47、利用RC微分電路產(chǎn)生正脈沖來達(dá)到復(fù)位的。所以電平復(fù)位要將復(fù)位端通過電阻與相連.如復(fù)位電路中R、C的值選擇不當(dāng)，使復(fù)位時(shí)間過長，單片機(jī)將處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。故本設(shè)計(jì)采用按鍵復(fù)位。</p><p><b>　　溫度傳感器</b></p><p>　　溫度測(cè)量轉(zhuǎn)換部分是整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源，直接影響系統(tǒng)的可靠性。傳統(tǒng)的溫度測(cè)量方法是：溫度傳感器例如AD590，將測(cè)量的溫度轉(zhuǎn)換成

48、模擬電信號(hào)，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，單片機(jī)再對(duì)采集的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理[3]。這種模擬數(shù)字混合電路實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜，濾波消噪難度大系統(tǒng)穩(wěn)定性不高，鑒于這些考慮，本設(shè)計(jì)采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20。</p><p>　　DS18B20支持“一線總線”接口，測(cè)量溫度的范圍為-55°C～+125°C，現(xiàn)場(chǎng)溫度直接以“一線總線”的數(shù)字式傳輸，大大的提高了系統(tǒng)的抗干擾性。DS18

49、B20為3引腳， DQ為數(shù)字信號(hào)輸入/輸出端；GND為電源地；VDD為外接供電電源輸入端。</p><p>　　溫度采集電路模塊如圖2.4所示。DSB8B20的3腳接系統(tǒng)中單片機(jī)的P1.4口線，用于將采集到的溫度送入單片機(jī)中處理，2腳和3腳之間接一個(gè)4.7K上拉電阻，即可完成溫度采集部分硬件電路。DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。&

50、lt;/p><p>　　圖2.4 溫度采樣電路</p><p>　　DS18B20中的溫度傳感器可完成對(duì)溫度的測(cè)量，以12位轉(zhuǎn)化為例:用16位符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供，以0.0625℃/LSB形式表達(dá)，其中S為符號(hào)位。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換如下表2.1。</p><p>　　表2.1 DS18B20溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換表</p><p>　　這是12位轉(zhuǎn)化

51、后得到的12位數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在18B20的兩個(gè)8比特的RAM中，二進(jìn)制中的前面5位是符號(hào)位，如果測(cè)得的溫度大于0，這5位為0，只要將測(cè)到的數(shù)值乘于0.0625即可得到實(shí)際溫度；如果溫度小于0，這5位為1，測(cè)到的數(shù)值需要取反加1再乘于0.0625即可得到實(shí)際溫度。</p><p>　　2.3 鍵盤和顯示電路</p><p>　　鍵盤采用4×4的行列式鍵盤，又叫矩陣式鍵盤。用I/O口線組

52、成行、列結(jié)構(gòu)，按鍵設(shè)置在行列的交點(diǎn)上。4×4的行列結(jié)構(gòu)可組成16個(gè)鍵的鍵盤。因此，在按鍵數(shù)量較多時(shí)，可以節(jié)省I/O口線。</p><p>　　2.3．1 行列式鍵盤的接口</p><p>　　行列式鍵盤的接口方法，直接接口于單片機(jī)的I/O口上，如圖2.5所示。</p><p>　　圖2.5 行列式鍵盤與單片機(jī)連接 </p><p>

53、　　2.3．2行列式鍵盤的工作原理</p><p>　　鍵盤設(shè)置在行、列線的交點(diǎn)上，行、列線分別連接到按鍵開關(guān)的兩端。行線通過上拉電阻接＋5V，被拉在高電平狀態(tài)。</p><p>　　對(duì)鍵盤的工作過程可分兩步：第一步時(shí)CPU首先檢查鍵盤上是否歐鍵按下；第二步是再識(shí)別是哪一個(gè)鍵按下。</p><p>　　檢測(cè)鍵盤上有無鍵按下可采用查詢工作方式、定時(shí)掃描工作方式和中斷三

54、種工作方式。</p><p>　　2.3．3液晶顯示的接口 </p><p>　　液晶顯示的接口方法，直接接口于單片機(jī)的I/O口上，如圖2.6所示。</p><p>　　圖2.5液晶顯示與單片機(jī)連接</p><p>　　2.3．4液晶顯示的工作原理</p><p>　　顯示采用DMC1602A LCM，采用標(biāo)準(zhǔn)的14

55、腳接口，其中：</p><p>　　第1腳：VSS為地電源</p><p>　　第2教：VDD接5V正電源</p><p>　　第3腳：V0為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地電源時(shí)對(duì)比度最高，對(duì)比度過高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過一個(gè)10K的電位器調(diào)整對(duì)比度</p><p>　　第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)

56、寄存器，低電平時(shí)選擇指令寄存器</p><p>　　第5腳：RW為讀寫信號(hào)線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作。當(dāng)RS和RW共同為低電平時(shí)可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng)RS為低電平RW為高電平時(shí)可以讀忙信號(hào)，當(dāng)RS為高電平RW為低電平時(shí)可以寫入數(shù)據(jù)。</p><p>　　第6腳：E端為始能端，當(dāng)E端由高電平變成低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令</p><p>　　第7

57、～14腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)線</p><p><b>　　第5～16腳：空腳</b></p><p>　　1602液晶模塊內(nèi)部的控制器共有11條控制指令，如表2所示，</p><p><b>　　表2.1 指令表</b></p><p>　　它的讀寫操作、屏幕和光標(biāo)的操作都是通過指令編程來

58、實(shí)現(xiàn)的。</p><p>　　指令1：清顯示，指令碼01H，光標(biāo)復(fù)位到地址00H位置</p><p>　　指令2：光標(biāo)復(fù)位，光標(biāo)返回到地址00H</p><p>　　指令3：光標(biāo)和現(xiàn)實(shí)模式設(shè)置I/D：光標(biāo)移動(dòng)方向，高電平右移，低電平左移 S：屏幕上所有文字是否左移或右移。高電平有效，低電平則無效</p><p>　　指令4：顯示開關(guān)控制。D：

59、控制整體顯示的開與關(guān)，高電平表示開顯示，低電平表示關(guān)顯示C：控制光標(biāo)的開與關(guān)，高電平表示有光標(biāo)，低電平表示無光標(biāo) B:控制光標(biāo)是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍</p><p>　　指令5：光標(biāo)或顯示以為S/C：高電平時(shí)移動(dòng)顯示的文字，低電平時(shí)移動(dòng)光標(biāo)</p><p>　　指令6：功能設(shè)置命令 DL：高電平時(shí)為4位總線，低電平時(shí)為8位總線 N：低電平時(shí)為單行顯示，高電平雙行顯示 </

60、p><p>　　指令7：字符發(fā)生器RAM地址設(shè)置</p><p>　　指令8：DDRAM地址設(shè)置</p><p>　　指令9：讀忙信號(hào)和光標(biāo)地址 BF：為忙標(biāo)志，高電平表示忙，此時(shí)模塊不能接受命令或者數(shù)據(jù)，如果為低電平表示不忙。</p><p><b>　　指令10：寫數(shù)據(jù)</b></p><p>&

61、lt;b>　　指令11：讀數(shù)據(jù)</b></p><p><b>　　2.4溫度控制電路</b></p><p>　　在控制系統(tǒng)中通過測(cè)定溫度控制電磁閥進(jìn)行灑水降溫。</p><p><b>　　直動(dòng)式電磁閥： </b></p><p>　　原理：通電時(shí)，電磁線圈產(chǎn)生電磁力把關(guān)閉件從

62、閥座上提起，閥門打開；斷電時(shí)，電磁力消失，彈簧把關(guān)閉件壓在閥座上，閥門關(guān)閉。</p><p>　　特點(diǎn)：在真空、負(fù)壓、零壓時(shí)能正常工作，但通徑一般不超過25mm。</p><p>　　分布直動(dòng)式電磁閥： </p><p>　　原理： 它是一種直動(dòng)和先導(dǎo)式相結(jié)合的原理，當(dāng)入口與出口沒有壓差時(shí)，通電后，電磁力直接把先導(dǎo)小閥和主閥關(guān)閉件依次向上提起，閥門打開。當(dāng)入口與出口

63、達(dá)到啟動(dòng)壓差時(shí)，通電后，電磁力先導(dǎo)小閥，主閥下腔壓力上升，上腔壓力下降，從而利用壓差把主閥向上推開；斷電時(shí)，先導(dǎo)閥利用彈簧力或介質(zhì)壓力推動(dòng)關(guān)閉件，向下移動(dòng)，使閥門關(guān)閉。　　特點(diǎn)： 在零壓差或真空、高壓時(shí)亦能可靠動(dòng)作，但功率較大，要求必須水平安裝。</p><p><b>　　先導(dǎo)式電磁閥： </b></p><p>　　原理：通電時(shí)，電磁力把先導(dǎo)孔打開，上腔室壓力迅

64、速下降，在關(guān)閉件周圍形成上低下高的壓差，流體壓力推動(dòng)關(guān)閉件向上移動(dòng)，閥門打開；斷電時(shí)，彈簧力把先導(dǎo)孔關(guān)閉，入口壓力通過旁通孔迅速腔室在關(guān)閥件周圍形成下低上高的壓差，流體壓力推動(dòng)關(guān)閉件向下移動(dòng)，關(guān)閉閥門?！　√攸c(diǎn)： 流體壓力范圍上限較高，可任意安裝(需定制)但必須滿足流體壓差條件。</p><p><b>　　2.5語言報(bào)警電路</b></p><p>　　語音報(bào)警電

65、路采用ISD2560語音芯片，ISD2560語音芯片在語音錄放系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用效果非常好，而且編程也比較簡(jiǎn)單，與其它一些數(shù)字語音芯片相比，ISD2560的突出特點(diǎn)是放音效果極佳，能夠非常真實(shí)、自然地再現(xiàn)語音、音樂、音調(diào)和效果聲，另外，使用該芯片也可自己設(shè)計(jì)電路實(shí)現(xiàn)錄音操作，使用十分方便。 </p><p>　　2.5．1 ISD2560工作模式</p><p>　　由于ISD2560內(nèi)置了

66、若干種操作模式，因而可用最少的外圍器件實(shí)現(xiàn)最多的功能。操作模式也由地址端控制；當(dāng)最高兩位都為１時(shí)，其它地址端置高可選擇某個(gè)（或某幾個(gè)）特定模式。因此操作模式和直接尋址相互排斥。具體操作模式見表１所列。操作模式可由微控制器也可由硬件實(shí)現(xiàn)。使用操作模式要注意兩點(diǎn)：(1)所有操作最初都是從０地址即存儲(chǔ)空間的起始端開始。后續(xù)的操作根據(jù)選用的模式可從其它地址開始。但是，電路由錄轉(zhuǎn)放或由放轉(zhuǎn)錄（Ｍ６模式除外），或都執(zhí)行了掉電周期后，地址計(jì)數(shù)器將

67、復(fù)位為０。(2)當(dāng)ＣＥ變低且最高兩地址位同為高時(shí)，執(zhí)行操作模式。這種操作模式將一直有效，直到ＣＥ再次由高變低，芯片重新鎖存當(dāng)前的地址／模式端電平并執(zhí)行相應(yīng)的操作為止。如表2.2所示：</p><p>　　表2.2 操作模式簡(jiǎn)表</p><p>　　2.5．1 ISD2560的連接圖</p><p>　　ISD2560語音芯片的硬件接法，如圖2.6：</p>

68、;<p>　　圖2.6語音報(bào)警電路圖</p><p>　　第3章 釀酒槽溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　在控制系統(tǒng)中,控制器最常用的控制規(guī)律是PID控制。PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖3.1所示。系統(tǒng)由PID控制器和被控對(duì)象組成。</p><p>　　3.1 PID調(diào)節(jié)器控制原理</p><p>　　圖3.1 PID控

69、制系統(tǒng)原理框圖</p><p>　　PID控制器是一種線性控制器,一種它根據(jù)給定值rin(t)與實(shí)際輸出值yout(t)構(gòu)成控制偏差：</p><p>　　Error(t)=rin(t)-yout(t)</p><p>　　PID控制就是對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行比例、積分、微分運(yùn)算后，形成一種控制規(guī)律。即，控制器的輸出為：</p><p><b

70、>　?。?.1）</b></p><p>　　或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)的形式：</p><p><b>　?。?.2）</b></p><p>　　左中， kp——比例系數(shù)；Ti——積分時(shí)間常數(shù)；T d——微分時(shí)間常數(shù)。</p><p>　　簡(jiǎn)單說來，PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下[5]：</p>

71、<p>　　比例環(huán)節(jié)：成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)error(t),偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減小偏差。</p><p>　　比例控制： Gc(s)= Kp </p><p>　　積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)盡弱取決于積分時(shí)間常數(shù)Ti，Ti越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。</p><p>　　積分控制： Gc

72、(s) = Kp/T is</p><p>　　微分環(huán)節(jié)：反偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)（變化速率），并能在偏差信號(hào)變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。</p><p>　　微分控制： Gc(s) =KpT ds</p><p>　　3.2 位置式PID算法 </p><p>　　基本PID控制器的理

73、想算式為</p><p><b>　　(3.3)</b></p><p><b>　　式中</b></p><p>　　u(t)——控制器(也稱調(diào)節(jié)器)的輸出；</p><p>　　e(t)——控制器的輸入（常常是設(shè)定值與被控量之差，即e(t)=r(t)-c(t)）；</p><

74、p>　　Kp——控制器的比例放大系數(shù)；</p><p>　　Ti ——控制器的積分時(shí)間；</p><p>　　Td——控制器的微分時(shí)間。</p><p>　　設(shè)u(k)為第k次采樣時(shí)刻控制器的輸出值，可得離散的PID算式</p><p><b>　　(3.4)</b></p><p><

75、;b>　　式中 ， 。</b></p><p>　　由于計(jì)算機(jī)的輸出u(k)直接控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如閥門），u(k)的值與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置（如閥門開度）一一對(duì)應(yīng)，所以通常稱式(2)為位置式PID控制算法。</p><p>　　位置式PID控制算法的缺點(diǎn)：當(dāng)前采樣時(shí)刻的輸出與過去的各個(gè)狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算時(shí)要對(duì)e(k)進(jìn)行累加，運(yùn)算量大；而且控制器的輸出u(k)對(duì)應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際

76、位置，如果計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，u(k)的大幅度變化會(huì)引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的大幅度變化。</p><p>　　3.3 數(shù)字PID參數(shù)的整定 </p><p>　　PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)算確定控

77、制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。本設(shè)計(jì)采用PID歸一整定法把對(duì)控制臺(tái)三個(gè)參數(shù)（Kc、Ti、Td,）轉(zhuǎn)換為一個(gè)參數(shù)， 從而使問題明顯簡(jiǎn)化。以達(dá)到控制器的特性與被控過程的特性相匹配,滿足某種反映控制系統(tǒng)質(zhì)量的性能指標(biāo)。</p><p>　　3.3.1 采樣

78、周期選擇的原則</p><p>　?。?）根據(jù)香農(nóng)采樣定理，系統(tǒng)采樣頻率的下限為fs=2fmax，此時(shí)系統(tǒng)可真實(shí)地恢復(fù)到原來的連續(xù)信號(hào)。 </p><p>　?。?）從執(zhí)行機(jī)構(gòu)的特性要求來看，有時(shí)需要輸出信號(hào)保持一定的寬度。采樣周期必須大于這一時(shí)間。</p><p>　　（3）從控制系統(tǒng)的隨動(dòng)和抗干擾的性能來看，要求采樣周期短些。 </p><p

79、>　?。?）從微機(jī)的工作量和每個(gè)調(diào)節(jié)回路的計(jì)算來看，一般要求采樣周期大些。 </p><p>　　（5）從計(jì)算機(jī)的精度看，過短的采樣周期是不合適的。 </p><p>　　（6）當(dāng)系統(tǒng)滯后占主導(dǎo)地位時(shí)，應(yīng)使滯后時(shí)間為采樣周期的整數(shù)倍</p><p>　　下表3.1列出了幾種常見的被測(cè)參數(shù)的采樣周期T的經(jīng)驗(yàn)選擇數(shù)據(jù)?？晒┰O(shè)計(jì)時(shí)參考。實(shí)際上生產(chǎn)過程千差萬別，經(jīng)驗(yàn)數(shù)

80、據(jù)不一定就合適，可用試探法逐步調(diào)試確定。</p><p>　　表3.1 采樣周期的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表[10]</p><p>　　3.3.2 PID參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響</p><p>　　表3.2 PID參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響</p><p>　　綜上所述，（Kp、Ti、Td,）對(duì)系統(tǒng)的性能影響如表3.3所示：</p><p&

81、gt;　　表3.3 Kp、Ti和Td對(duì)系統(tǒng)的影響</p><p>　　3.4 PID計(jì)算程序 </p><p>　　PID調(diào)節(jié)規(guī)律的基本輸入輸出關(guān)系可用微分方程表示為：</p><p><b>　?。?.5）</b></p><p>　　式中為調(diào)節(jié)器的輸入誤差信號(hào)，且</p><p><

82、b>　?。?.6）</b></p><p>　　其中：為給定值，為被控變量；</p><p>　　為調(diào)節(jié)器的輸出控制信號(hào)；</p><p><b>　　為比例系數(shù)；</b></p><p><b>　　為積分時(shí)間常數(shù)；</b></p><p><b&g

83、t;　　微分時(shí)間常數(shù)。</b></p><p>　　計(jì)算機(jī)只能處理數(shù)字信號(hào)，若采樣周期為T第n次采樣的輸入誤差為，且，輸出為，PID算法用的微分由差分代替，積分由代替，于是得到</p><p><b>　?。?.7）</b></p><p><b>　　寫成遞推形式為</b></p><p&

84、gt;<b>　　△</b></p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　=</b></p><p>　　

85、= （3.8）</p><p>　　其中： （3.9）</p><p><b>　?。?.10）</b></p><p><b>　?。?.11）</b></p&

86、gt;<p>　　顯然，PID計(jì)算△只需要保留現(xiàn)時(shí)刻以及以前的兩個(gè)偏差量和。初始化程序初值通過采樣并根據(jù)參數(shù)、、以及、和計(jì)算△。</p><p>　　根據(jù)輸出控制增量△，可求出本次控制輸出為</p><p>　　+△= （3.12）</p><p>　　由于電阻爐一般是屬于一階對(duì)象和滯后的一階對(duì)象

87、，所以式中、、的選擇取決于電阻爐的階躍響應(yīng)曲線和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，工程上已經(jīng)積累了不少行之的參數(shù)整定方法。本設(shè)計(jì)采用Ziegler-Nichols提出的 PID歸一調(diào)整法，調(diào)整參數(shù)，主要是為了減少在線整定參數(shù)的數(shù)目，常常人為假定約束條件，以減少獨(dú)立變量的個(gè)數(shù)，令：</p><p><b>　?。?.13）</b></p><p><b>　　（3.14）</b

88、></p><p><b>　　（3.15）</b></p><p>　　式中稱為臨界周期。在單純比例作用下（比例增益由小到大），是系統(tǒng)產(chǎn)生等幅振蕩的比例增益，這時(shí)的工作周期為臨界周期，則可以得到</p><p><b>　　△ =</b></p><p><b>　　=</b

89、></p><p>　　= （3.16）</p><p>　　式中=0.2，=1.25[8] （3.17）</p><p>　　從而可以調(diào)節(jié)的參數(shù)只有一個(gè)?？稍O(shè)計(jì)一個(gè)調(diào)整子程序，通過鍵盤輸入改變值，改變運(yùn)行參數(shù)，使系統(tǒng)滿足要求。</p><p>

90、;　　下面對(duì)PID運(yùn)算加以說明：</p><p>　　所有的數(shù)都變成定點(diǎn)純小數(shù)進(jìn)行處理。</p><p>　　算式中的各項(xiàng)有正有負(fù)，以最高位作為符號(hào)位，最高位為0表示為正數(shù)，為1表示</p><p>　　負(fù)數(shù)。正負(fù)數(shù)都是補(bǔ)碼表示，最后的計(jì)算以原碼輸出。</p><p>　　雙精度運(yùn)算，為了保證運(yùn)算精度，把單字節(jié)8位輸入采樣值和給定值都變成雙字

91、節(jié)16位進(jìn)行計(jì)算，最后將運(yùn)算結(jié)果取成高8位有效值輸出。</p><p>　　輸出控制量的限幅處理。為了便于實(shí)現(xiàn)對(duì)晶閘管的通斷處理，PID的輸出現(xiàn)在在0～250之間。大于250或小于0的控制量都是沒有意義的，因在算法上對(duì)進(jìn)行限幅，即</p><p>　　= （3.18）</p><p>　　PID的計(jì)算公式采用位置式算法，計(jì)算公式為</p>

92、<p><b>　　+</b></p><p>　　= （3.19）</p><p>　　PID計(jì)算的程序流程圖圖3.2所指示；而參數(shù)內(nèi)存分配表如表3.4所列。</p><p>　　表3.4 參數(shù)內(nèi)存分配表</p><p>

93、;　　圖3.2 PID計(jì)算程序的流程圖</p><p>　　參照流程圖3.2編寫程序，程序如下：</p><p>　　/*********************************************************/ /* 名稱: float PIDprocess1 */ /* 功能: PID adjust */ /* 說明: */ /* 調(diào)用: */ /*

94、 輸入: float xdata *Yn, float xdata *Rn */ /* 返回值: deltaPn */ /*********************************************************/ float PIDprocess1() { int data E_0; float data deltaPn,deltaPi,deltaPp,deltaPd,PsumCopy; E_0

95、=SetTemperature1-CurrentTemperature1; if(abs(E_0)>Emax) { deltaPp=(float)Kp*(E_0-E_11); deltaPd=(float)Kd*(E_0-2*E_11+E_21); // if(deltaPd</p><p>　　3.5系統(tǒng)相關(guān)軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　3.5.1系統(tǒng)其它部件的軟件設(shè)計(jì)

96、方案</p><p>　　1）每個(gè)模塊的程序結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，任務(wù)明確，易于編寫、調(diào)試和修改。</p><p>　　2）程序可讀行好，對(duì)程序的修改可局部進(jìn)行，其它部分可以保持不變，便于功能擴(kuò)充。</p><p>　　3）對(duì)于使用頻繁的子程序可以建立子程序庫，便于多個(gè)模塊調(diào)用。</p><p>　　3.5.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖</p>&l

97、t;p><b>　　如圖3.3所示：</b></p><p>　　圖3.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖</p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)要求，首先要確定軟件設(shè)計(jì)方案，即確定該軟件應(yīng)該完成那些功能；其次是規(guī)劃為了完成這些功能需要分成多少個(gè)功能模塊，以及每一個(gè)程序模塊的具體任務(wù)是什嫫。一般劃分模塊應(yīng)遵循下述原則：</p><p>　　1）每個(gè)模塊應(yīng)具有獨(dú)立的

98、功能，能產(chǎn)生一個(gè)明確的結(jié)果 。</p><p>　　2）模塊之間的控制參數(shù)應(yīng)盡量簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)參數(shù)應(yīng)盡量少?？刂茀?shù)是指模塊進(jìn)入和退出的條件及方式，數(shù)據(jù)參數(shù)是指模塊間的信息交換方式、交換量的多少及交換的頻繁程度。</p><p>　　3）模塊長度要適中。模塊太長時(shí)，分析和調(diào)試比較困難，失去了模塊化程序結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性；模塊太短則信息交換太頻繁，也不合適。</p><p>　

99、　3.5.3主程序的設(shè)計(jì)</p><p>　　主程序的設(shè)計(jì)內(nèi)容一般包括：主程序的起始地址，中斷服務(wù)程序的起始地址，有關(guān)存儲(chǔ)單元及相關(guān)部件的初始化和一些子程序調(diào)用等等。</p><p>　　3.5.4 主程序的起始地址及初始化</p><p>　　MCS-51系列單片機(jī)復(fù)位后，（PC）=0000H，而0003H～002BH分別為各中斷源的入口地址.所以編程時(shí)應(yīng)在000

100、0H處寫一條跳轉(zhuǎn)指令. </p><p>　　3.5.5 lcd1602的顯示控制</p><p>　　顯示屏的具體工作原理，見流程圖3.5所示。</p><p>　　圖3.3顯示程序設(shè)計(jì)框圖</p><p>　　3.5.6 DS18B20和lcd1602的子程序設(shè)計(jì)</p><p>　　DS18B20和lcd1602

101、一起的c程序設(shè)計(jì)如下：</p><p>　　#include<reg51.h></p><p>　　#define uchar unsigned char#define uint unsigned int</p><p>　　sbit DQ=P3^7;//ds18b20與單片機(jī)連接口sbit RS=P3^0;sbit RW=P3^1;sbit E

102、N=P3^2;</p><p>　　unsigned char code str1[]={"temperature: "};unsigned char code str2[]={"              "};</p><

103、;p>　　uchar data disdata[5];uint tvalue;//溫度值uchar tflag;//溫度正負(fù)標(biāo)志</p><p>　　/*************************lcd1602程序**************************/void delay1ms(unsigned int ms)//延時(shí)1毫秒（不夠精確的）{unsigned int i,j;&

104、#160;  for(i=0;i<ms;i++)    for(j=0;j<100;j++);}</p><p>　　void wr_com(unsigned char com)//寫指令//{ delay1ms(1);   RS=0;   RW=0;   EN=0;  

105、; P2=com;   delay1ms(1);   EN=1;   delay1ms(1);   EN=0;}</p><p>　　void wr_dat(unsigned char dat)//寫數(shù)據(jù)//{ delay1ms(1);;   RS=1;   RW=0;

106、0;  EN=0;   P2=dat;   delay1ms(1);   EN=1;   delay1ms(1);   EN=0;}</p><p>　　void lcd_init()//初始化設(shè)置//{delay1ms(15);wr_com(0x38);delay1ms(5);

107、0;  wr_com(0x08);delay1ms(5);    wr_com(0x01);delay1ms(5);     wr_com(0x06);delay1ms(5);      wr_com(0x0c);delay1ms(5);}</p><p>　　void dis

108、play(unsigned char *p)//顯示//{while(*p!='\0'){wr_dat(*p);p++;delay1ms(1);}}</p><p>　　init_play()//初始化顯示{ lcd_init();    wr_com(0x80);display(str1);wr_com(0xc0);display(str2

109、);   }</p><p>　　/******************************ds1820程序***************************************/void delay_18B20(unsigned int i)//延時(shí)1微秒{   while(i--);}</p><p>　　void ds18

110、20rst()/*ds1820復(fù)位*/{ unsigned char x=0;DQ = 1;          //DQ復(fù)位delay_18B20(4); //延時(shí)DQ = 0;          //DQ拉低delay_18B20(100); //

111、精確延時(shí)大于480usDQ = 1;          //拉高delay_18B20(40);    }    uchar ds1820rd()/*讀數(shù)據(jù)*/{ unsigned char i=0;unsigned char dat = 0;for (i=8;i>0;i--){

112、60;  DQ = 0; //給脈沖信號(hào)    dat>>=1;    DQ = 1; //給脈沖信號(hào)    if(DQ)    dat|=0x80;    delay_18B20(10);}   return(dat);}<

113、/p><p>　　void ds1820wr(uchar wdata)/*寫數(shù)據(jù)*/{unsigned char i=0;    for (i=8; i>0; i--)   { DQ = 0;     DQ = wdata&0x01;     delay_18B20

114、(10);     DQ = 1;     wdata>>=1;   }}</p><p>　　read_temp()/*讀取溫度值并轉(zhuǎn)換*/{uchar a,b;ds1820rst();    ds1820wr(0xcc);//*跳過讀序列號(hào)*/ds182

115、0wr(0x44);//*啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換*/ds1820rst();    ds1820wr(0xcc);//*跳過讀序列號(hào)*/ ds1820wr(0xbe);//*讀取溫度*/ a=ds1820rd();b=ds1820rd();tvalue=b;tvalue<<=8;tvalue=tvalue|a;    if(tvalue<0x0fff)