水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

/水溫自動(dòng)限制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要水溫自動(dòng)限制系統(tǒng)在工業(yè)及日常生活中應(yīng)用廣泛，在生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用。實(shí)現(xiàn)水溫限制的方法許多，如單片機(jī)限制、PLC限制等等。而其中用單片機(jī)限制實(shí)現(xiàn)的水溫限制系統(tǒng)，具有牢靠性高、價(jià)格低、簡(jiǎn)潔易實(shí)現(xiàn)等多種優(yōu)點(diǎn)。單片機(jī)用于工業(yè)限制是近年來發(fā)展特殊快速的領(lǐng)域，現(xiàn)在許多自動(dòng)化的生產(chǎn)車間里，都是靠單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。溫度是工業(yè)限制對(duì)象主要被控參數(shù)之一，在溫度限制中，由于受到溫度被控對(duì)象特性（如慣性大、滯后大、非線性等）的影響，使得限制性能很難提高，有些工藝過程其溫度限制的好壞干脆影響著產(chǎn)品的質(zhì)量，因此設(shè)計(jì)一種較為志向的溫度限制系統(tǒng)是特殊有價(jià)值的。為了實(shí)現(xiàn)高精度的水溫測(cè)量和限制，本文介紹了一種以Atmel公司的低功耗高性能CMOS8位單片機(jī)為核心，以PID算法限制以及PID參數(shù)整定相結(jié)合的方法來實(shí)現(xiàn)的水溫限制系統(tǒng)，其硬件電路包括溫度采集、溫度限制、溫度顯示、鍵盤輸入以及RS232接口等電路。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測(cè)量，并能依據(jù)設(shè)定值對(duì)溫度進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)控溫的目的。關(guān)鍵詞：AT89S52；溫度限制；PT1000；PIDDesignofTemperatureAutomaticControlSystemABSTRACTThetemperatureisoneofthemainlychargedparameterswhichareindustrialcontroltargets.Itisdifficulttoenhancethecontrolperformanceduetothecharacteristicsofthetemperaturechargedobject.Suchasinertia,hysteresisandnon-linear,etc…Itstemperaturecontrolprocesswillhaveadirectimpactonthequalityoftheproductinsometechnologicalprocess.Thereforeitisabsolutevaluabletodesignaidealtemperaturecontrolsystem.Inordertorealizethehighaccuracysurveyandcontrolofwatertemperature.SystematiccoreisAT89S52,whichisalow-powerloss,high-performance8-bitMCUofAtmelCompany.ThesystemunifiesPIDcontrolalgorithmandPIDparametertuningtocontrolthewatertemperature.Itshardwarecircuitalsoincludestemperaturegathering,temperaturecontrolandtemperaturedisplay,keyboardinputandRS232interfaces.Thesystemcanrealizetosurveythewatertemperature,anditcanadjustthetemperatureaccordingtothesettingvalue.Keywords：AT89S52;temperaturecontrol;PT1000;PID目錄TOC\h\z\u\t"標(biāo)題1,1,標(biāo)題2,1,標(biāo)題5,1"1引言 11.1課題背景 11.2國(guó)內(nèi)外探討現(xiàn)狀 11.3探討方法 12系統(tǒng)方案 22.1水溫限制系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)和要求 22.2水溫限制系統(tǒng) 22.2.1方案選擇 22.2.2溫度限制系統(tǒng)算法分析 43系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 93.1總體設(shè)計(jì)框圖及說明 93.2外部電路設(shè)計(jì) 93.2.1溫度采集電路 93.2.2溫度限制電路 113.3單片機(jī)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 113.3.1A/D轉(zhuǎn)換電路 113.3.2串口通訊部分電路 143.3.3數(shù)碼顯示電路 164系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 174.1程序框架結(jié)構(gòu) 174.2程序流程圖及部分程序 174.2.1主程序模塊 174.2.2系統(tǒng)初始化 194.2.3按鍵程序 194.2.4A/D采樣數(shù)據(jù)處理 214.2.5PID計(jì)算 244.2.6繼電器限制 255系統(tǒng)安裝調(diào)試和測(cè)試 275.1串口調(diào)試 275.2繼電器測(cè)試 275.3溫度采集和測(cè)試 276結(jié)論 28參考文獻(xiàn) 29致謝 301引言1.1課題背景溫度限制是無論是從工業(yè)生產(chǎn)過程中，還是在日常生活中都起著至關(guān)重要的作用，過低的溫度或者過高的溫度都會(huì)使水資源失去應(yīng)用的作用，從而造成水資源的巨大奢侈。特殊是在當(dāng)前全球水資源極度匱乏的狀況下，我們就更應(yīng)當(dāng)駕馭好對(duì)水溫的限制，在環(huán)境惡劣或溫度較高等場(chǎng)合下，為了保證生產(chǎn)過程正常平安地進(jìn)行，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量，及減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、節(jié)約能源，要求對(duì)加熱爐爐溫進(jìn)行測(cè)示、顯示、限制，使之達(dá)到工藝標(biāo)準(zhǔn)，以單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)的水溫限制系統(tǒng)，可以同時(shí)采集多個(gè)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過通訊口送至上位機(jī)進(jìn)行顯示和限制。1.2國(guó)內(nèi)外探討現(xiàn)狀目前，國(guó)外溫度限制系統(tǒng)及儀表正朝著高精度智能化、小型化等方面快速發(fā)展。溫度限制系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用雖然已經(jīng)特殊廣泛，但從國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的溫度限制器來講，總體發(fā)展水平照舊不高，同國(guó)外的日本、美國(guó)、德國(guó)等先進(jìn)國(guó)家相比，照舊有著較大的差距。目前，我國(guó)在這方面總體技術(shù)水平處于20世紀(jì)80年頭中后期水平。成熟產(chǎn)品主要以“點(diǎn)位”限制及常規(guī)的PID限制器為主，它只能適應(yīng)一般溫度系統(tǒng)限制，難于限制滯后困難時(shí)變溫度系統(tǒng)限制，而且適應(yīng)于較高限制場(chǎng)合的智能化、自適應(yīng)限制儀表國(guó)內(nèi)技術(shù)還不特殊成熟，形成商品化并廣泛應(yīng)用的限制儀表較少?，F(xiàn)在，我國(guó)在溫度等限制儀表業(yè)和國(guó)外還有著確定的差距。隨著嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)的快速發(fā)展及其在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，人們對(duì)電子產(chǎn)品的小型化和智能化要求越來越高，作為高新技術(shù)之一的單片機(jī)以其體積小、價(jià)格低、牢靠性高、適用范圍大以及本身的指令系統(tǒng)等諸多優(yōu)勢(shì)，在各個(gè)領(lǐng)域、各個(gè)行業(yè)都得到了廣泛應(yīng)用。1.3探討方法本文主要介紹單片機(jī)溫度限制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，其中涉及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、元器件的選取和限制算法的選擇、程序的調(diào)試和系統(tǒng)參數(shù)的整定。以AT89S52為CPU，溫度信號(hào)由Pt1000和電壓放大電路供應(yīng)。電壓放大電路用超低溫漂移高精度運(yùn)算放大器OP07將溫度-電壓信號(hào)進(jìn)行放大，用單片機(jī)限制SSR固態(tài)繼電器的通斷時(shí)間以限制水溫，系統(tǒng)限制對(duì)象為1升凈水，容器為搪瓷器皿。水溫可以在環(huán)境溫度降低時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)限制，以保持設(shè)定的溫度基本不變，具有較好的快速性和較小的超調(diào)。2系統(tǒng)方案2.1水溫限制系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)和要求該系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)：設(shè)計(jì)一個(gè)水溫自動(dòng)限制系統(tǒng)，限制對(duì)象為1升凈水，容器為搪瓷器皿。水溫可以在確定范圍內(nèi)由人工設(shè)定，并能在環(huán)境溫度降低時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整，以保持設(shè)定的溫度基本不變。系統(tǒng)設(shè)計(jì)詳細(xì)要求為：溫度設(shè)定范圍為40～90℃；環(huán)境溫度降低時(shí)溫度限制的靜態(tài)誤差≤1℃；接受適當(dāng)?shù)南拗品椒?，?dāng)設(shè)定溫度突變（由40℃提高到60℃）時(shí)，減小系統(tǒng)的調(diào)整時(shí)間和超調(diào)量；用十進(jìn)制數(shù)碼管顯示水的實(shí)際溫度。2.2水溫限制系統(tǒng)水溫限制系統(tǒng)是一個(gè)過程限制系統(tǒng)，組成框圖如圖2-1所示，由限制器、執(zhí)行器、被控對(duì)象及反饋?zhàn)饔玫臏y(cè)量變送組成。圖2-1限制系統(tǒng)框圖除了以上的組成元件以外，還須要選擇合適的算法以實(shí)現(xiàn)所要求的限制精度，以下我會(huì)對(duì)關(guān)鍵的元件以及電路的確定進(jìn)行詳細(xì)的分析。因?yàn)榉桨高x取的好壞將干脆影響著整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果的優(yōu)劣。方案選擇方案一：接受8031作為限制器，運(yùn)用最為普遍的器件ADC0804作模數(shù)轉(zhuǎn)換，限制上運(yùn)用對(duì)電阻絲加電使其升溫順開動(dòng)風(fēng)扇使其降溫。此方案簡(jiǎn)易可行，器件的價(jià)格便宜，但8031內(nèi)部沒有程序存儲(chǔ)器，須要擴(kuò)展，增加了電路的困難性。方案二：此方案接受89S52單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，此單片機(jī)軟件編程自由度大，可用編程實(shí)現(xiàn)各種限制算法和邏輯限制。限制電路部分接受SSR固態(tài)繼電器限制電爐絲的通斷此方案電路簡(jiǎn)潔并且可以滿足題目中的各項(xiàng)要求的精度。將兩個(gè)方案相比較后可得出一個(gè)結(jié)論，接受Atmel單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)本題目，無論是從結(jié)構(gòu)上，還是從工作量上都有很大的優(yōu)勢(shì)，所以我最終選擇運(yùn)用AT89S52作為該限制系統(tǒng)的核心。依據(jù)水的溫度變更慢，并且限制精度不易駕馭的特點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了以AT89S52單片機(jī)為檢測(cè)限制中心的水箱溫度自動(dòng)限制系統(tǒng)，總體框圖如圖2-2所示。圖2-2限制器設(shè)計(jì)總體框圖溫度限制接受改進(jìn)的PID數(shù)字限制算法，數(shù)碼顯示接受3位LED靜態(tài)顯示。該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，限制算法新穎 ，限制精度高,有較強(qiáng)的通用性。圖2-3為整個(gè)水溫限制系統(tǒng)的原理圖，分別由測(cè)溫電路，繼電器限制電路，串口通訊電路，LED顯示電路等部分組成。圖2-3水溫限制電路原理圖2.2.2溫度限制系統(tǒng)算法分析系統(tǒng)算法限制接受工業(yè)上常用的位置型PID數(shù)字限制，并且結(jié)合特定的系統(tǒng)加以算法的改進(jìn)，形成了變速積分PID—積分分別PID限制相結(jié)合的自動(dòng)識(shí)別的限制算法。該方法不僅大大減小了超調(diào)量，且有效地克服了積分飽和的影響，使限制精度大為提高。長(zhǎng)期以來國(guó)內(nèi)外科技工作者對(duì)溫度限制器進(jìn)行了廣泛深化的探討，探討了大批溫度限制器，如性能成熟應(yīng)用廣泛的PID調(diào)整器、智能限制PID調(diào)整器、自適應(yīng)限制等。此處主要對(duì)一些限制器特性進(jìn)行分析以便選擇適合的限制方法應(yīng)用于改造。常用的限制算法有以下幾種：1.經(jīng)典的比例積分微分限制算法；2.依據(jù)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)化理論得到的自適應(yīng)限制和最優(yōu)限制方法；3.依據(jù)模糊集合理論得到模糊限制算法。自適應(yīng)限制、最優(yōu)限制方法以及模糊限制算法是建立在精確的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上的，在實(shí)時(shí)過程限制中，由于限制對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型難于建立，系統(tǒng)參數(shù)經(jīng)常發(fā)生變更，運(yùn)用限制理論進(jìn)行綜合分析要花很大代價(jià)。同時(shí)由于所得到的數(shù)學(xué)模型過于困難難于實(shí)現(xiàn)。在實(shí)時(shí)限制系統(tǒng)中要求信號(hào)的限制信號(hào)的給出要?jiǎng)偤?，所以在目前的過程限制系統(tǒng)中較少接受自適應(yīng)限制、最優(yōu)限制方法和模糊限制算法。目前在過程限制中應(yīng)用較多的還是PI限制算法、PD限制算法和PID限制算法。水溫限制系統(tǒng)的限制對(duì)象具有熱儲(chǔ)存實(shí)力大，慣性較大的特點(diǎn)，水在容器內(nèi)的流淌或熱量傳遞都存在確定的阻力，因此可以歸于具有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)。對(duì)于大慣性系統(tǒng)的過渡過程限制，一般可接受以下幾種限制方案：1.開關(guān)量限制這種方法通過比較給定值和被控參數(shù)的偏差來限制輸出的狀態(tài)，開通或關(guān)斷，因此限制過程特殊簡(jiǎn)潔，也簡(jiǎn)潔實(shí)現(xiàn)；但由于輸出限制量只有兩種狀態(tài)，使被控參數(shù)在兩個(gè)方向上變更的速率均為最大，因此簡(jiǎn)潔引起反饋回路振蕩，限制精度不高；這種限制方案一般在大慣性系統(tǒng)對(duì)限制精度和動(dòng)態(tài)特性要求不高的狀況下接受。如圖2-4所示。tytyty圖2-4開關(guān)量限制2.比例限制(P限制)比例限制的輸出和偏差成比例關(guān)系，當(dāng)負(fù)荷變更時(shí)，抗干擾實(shí)力強(qiáng)，過渡過程時(shí)間短，但過程終了存在余差；適用于限制通道滯后較小、負(fù)荷變更不大、允許被控量在確定范圍內(nèi)變更的系統(tǒng)。如圖2-3所示。3.比例積分限制(PI限制)限制器的輸出和偏差的積分成比例，積分的作用使過渡過程結(jié)束時(shí)無余差，但降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性；PI限制適用于滯后較小，負(fù)荷變更不大，被控量不允許有余差的限制系統(tǒng)。如圖2-4所示。4.比例積分加微分限制(PID限制)微分的作用使限制器的輸出和偏差變更的速度成比例，它對(duì)克服對(duì)象的容量滯后有顯著的效果；在比例基礎(chǔ)上加入微分作用，使穩(wěn)定性提高，再加上積分作用，可以消退余差；PID限制適用于負(fù)荷變更大、容量滯后較大、限制品質(zhì)要求又很高的限制系統(tǒng)。如圖2-5所示。tytyty圖2-5PID限制結(jié)合本設(shè)計(jì)任務(wù)和要求，由于水溫系統(tǒng)的傳遞函數(shù)事先難以精確獲得，因而很難推斷哪一種限制方法能夠滿足系統(tǒng)對(duì)限制品質(zhì)的要求；但從以上對(duì)限制方法的分析來看，PID限制方法最適合本例接受：一方面，由于可以接受單片機(jī)實(shí)現(xiàn)限制過程，無論哪一種限制方法都不會(huì)增加系統(tǒng)硬件成本，而只需對(duì)軟件作相應(yīng)變更即可實(shí)現(xiàn)不同的限制方案；另一方面，接受PID的限制方式可以最大限度地滿足系統(tǒng)對(duì)諸如限制精度、調(diào)整時(shí)間和超調(diào)量等限制品質(zhì)的要求。由圖2-6可知PID調(diào)整器是一種線性調(diào)整器，這種調(diào)整器是將設(shè)定值w和實(shí)際輸出值y進(jìn)行比較構(gòu)成偏差(2-1)并將其比例、積分、微分通過線性組合構(gòu)成限制量。其動(dòng)態(tài)方程為：(2-2)其中為調(diào)整器的比例放大系數(shù)為積分時(shí)間常數(shù)為微分時(shí)間常數(shù)PID調(diào)整器的離散化表達(dá)式為；(2-3)其增量表達(dá)形式為：(2-4)其中T為采樣周期。圖2-6模擬PID限制溫度PID調(diào)整器有三個(gè)可設(shè)定參數(shù)，即比例放大系數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)、微分時(shí)間常數(shù)。比例調(diào)整的作用是使調(diào)整過程趨于穩(wěn)定，但會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差；積分作用可消退被調(diào)量的穩(wěn)態(tài)誤差，但可能會(huì)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(dòng)態(tài)偏差。圖2-7中，初始水溫為26℃。實(shí)現(xiàn)思想：Ui(k)為第k次采樣溫度值，Ur為設(shè)定值。e(k)≥ε運(yùn)用PD算法；e(k)＜ε運(yùn)用變速積分PID算法。圖2-7溫度限制曲線圖該限制系統(tǒng)是把輸出量檢測(cè)出來，經(jīng)過物理量的轉(zhuǎn)換，再反饋到輸入端去和給定量進(jìn)行比較（綜合），并利用限制器形成的限制信號(hào)通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)SSR對(duì)限制對(duì)象進(jìn)行限制，抑制內(nèi)部或外部擾動(dòng)對(duì)輸出量的影響，減小輸出量的誤差，達(dá)到限制目的。自動(dòng)限制框圖如圖2-8所示，在此限制系統(tǒng)中單片機(jī)就相當(dāng)于常規(guī)限制系統(tǒng)中的運(yùn)算器限制器，它對(duì)過程變量的實(shí)測(cè)值和設(shè)定位之間的誤差信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算然后給出限制信息。單片機(jī)的運(yùn)算規(guī)則稱為限制法則或限制算法。圖2-8自動(dòng)限制框圖3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1總體設(shè)計(jì)框圖及說明本系統(tǒng)是一個(gè)簡(jiǎn)潔的單回路限制系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)測(cè)量和限制，依據(jù)系統(tǒng)總體方案，系統(tǒng)由單片機(jī)基本系統(tǒng)、前向通道、后向通道和人機(jī)對(duì)話通道等4個(gè)主要功能模塊組成。單片機(jī)是整個(gè)限制系統(tǒng)的核心，AT89S52可以供應(yīng)系統(tǒng)限制所需的I/O口、中斷、定時(shí)及存放中間結(jié)果的RAM電路；前向通道是信息采集的通道，主要由傳感器、信號(hào)放大、A/D轉(zhuǎn)換等電路組成；由于水溫變更是一個(gè)相對(duì)緩慢的過程，因此前向通道中沒有運(yùn)用采樣保持電路；信號(hào)的濾波可由軟件實(shí)現(xiàn)，并可以簡(jiǎn)化硬件、降低硬件成本。鍵盤設(shè)定：用于溫度設(shè)定，共三個(gè)按鍵。數(shù)據(jù)采樣：將由傳感器及相關(guān)電路采集到的溫度轉(zhuǎn)為電壓信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，送入AT89S52相應(yīng)接口中，換算成溫度值，用于限制和顯示。數(shù)據(jù)顯示：接受了共陰極數(shù)碼管LED進(jìn)行顯示設(shè)置溫度和測(cè)量溫度。串行口傳輸：將采樣溫度值，上傳至PC機(jī)，可利用PC機(jī)的端口下載程序。繼電器/熱電管：通過三極管限制繼電器的開關(guān)來完成對(duì)熱電爐的功率限制。圖3-1系統(tǒng)框圖3.2外部電路設(shè)計(jì)3.2.1溫度采集電路本系統(tǒng)運(yùn)放接受高精度單片運(yùn)算放大器OP07，此運(yùn)放具有很低的輸入失調(diào)電壓和漂移。OP07的優(yōu)良特性使它特殊適合作前級(jí)放大器，放大微弱信號(hào)。運(yùn)用OP07一般不用考慮調(diào)零和頻率問題就可以滿足要求。主要特點(diǎn)：低輸入失調(diào)電壓：75uV(最大)低失調(diào)電壓溫漂：1.3uV/℃(最大)低失調(diào)電壓時(shí)漂：1.5uV/月(最大)低噪聲：0.6uVP-P(最大)寬輸入電壓范圍：±14V寬電源電壓范圍：3V～18V溫度采集接受的溫度傳感器鉑電阻Pt1000,對(duì)于溫度的精密測(cè)量而言,溫度測(cè)量部分是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一步。溫度傳感器的選擇是這塊電路的關(guān)鍵，它是干脆影響整個(gè)系統(tǒng)的性能和效果的關(guān)鍵因素。這里接受的是精密級(jí)鉑電阻溫度傳感器Pt1000，它的金屬鉑含量達(dá)99.9999%，因?yàn)殂K電阻的物理和化學(xué)性能在高溫順氧化介質(zhì)中都很穩(wěn)定、價(jià)格又便宜，常作為工業(yè)測(cè)量元件，以鉑電阻溫度計(jì)作基準(zhǔn)器線性好，溫度系數(shù)分散性小，在0～100攝氏度時(shí)，最大非線性偏差小于0.5攝氏度，性能穩(wěn)定，廣泛應(yīng)用于精密溫度測(cè)量和標(biāo)定。鉑熱電阻和溫度關(guān)系式：(3-1)其中：--溫度為t攝氏度時(shí)的電阻；--溫度為0攝氏度時(shí)的電阻；A、B--溫度系數(shù)A=3.94*102/℃；其中B=-/℃；T--隨意溫度。圖3-2測(cè)溫電路3.2.2溫度限制電路此部分時(shí)通過限制繼電器的通斷從而限制電加熱管（俗稱“熱得快”），接受對(duì)加在電熱管兩端的電壓進(jìn)行通斷的方式進(jìn)行限制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)水加熱功率的調(diào)整，從而達(dá)到對(duì)水溫限制的目的，即在閉環(huán)限制系統(tǒng)中對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行限制。此部分的繼電器接受的是SSR繼電器，即固態(tài)繼電器。其工作原理為：固態(tài)繼電器是一種無觸點(diǎn)電子開關(guān)，主要由輸入（限制）電路，驅(qū)動(dòng)電路和輸出（負(fù)載）電路三部分組成。固態(tài)繼電器的輸入電路是為輸入限制信號(hào)供應(yīng)一個(gè)回路，使之成為固態(tài)繼電器的觸發(fā)信號(hào)源。固態(tài)繼電器的輸入電路多數(shù)為直流輸入，個(gè)別的為溝通輸入。固態(tài)繼電器的輸出電路是在觸發(fā)信號(hào)的限制下，實(shí)現(xiàn)對(duì)固態(tài)繼電器的通斷切換。輸出電路主要由輸出器件（芯片）和起瞬態(tài)抑制作用的吸取回路組成，固態(tài)繼電器是一種全電子電路組合元件，它依靠半導(dǎo)體器件和電子元件的電、磁和光特性來完成隔離和繼電切換功能。固態(tài)繼電器和傳統(tǒng)的電磁繼電器相比，是一種沒有機(jī)械、不含運(yùn)動(dòng)零部件的繼電器，但具有和電磁繼電器本質(zhì)上相同的功能。圖3-3加熱棒限制電路3.3單片機(jī)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)3.3.1A/D轉(zhuǎn)換電路ADC0804引腳及運(yùn)用說明：ADC0804是CMOS集成工藝制成的逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器芯片。ADC0804辨別率為8位，轉(zhuǎn)換時(shí)間為100μs，輸出電壓范圍為0～5V，在增加某些外部電路后，輸入模擬電壓可為±5V。該芯片內(nèi)有輸出數(shù)據(jù)鎖存器，當(dāng)和計(jì)算機(jī)連接時(shí)，轉(zhuǎn)換電路的輸出可以干脆連接到CPU的數(shù)據(jù)總線上，而不再須要附加邏輯接口電路。圖3-4ADC0804引腳圖圖3-5ADC0804限制信號(hào)的時(shí)序圖ADC0804引腳名稱及意義如下：VIN+、VIN－：ADC0804的兩模擬信號(hào)輸入端，用以接收單極性、雙極性和差模輸入信號(hào)。D7～D0：A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)輸出端，該輸出端具有三態(tài)特性，能和微機(jī)總線相連接。AGND：模擬信號(hào)地。DGND：數(shù)字信號(hào)地。CLKIN：外電路供應(yīng)時(shí)鐘脈沖輸入端。CLKR：內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器外接電阻端，和CLKIN端協(xié)作，可由芯片自身產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖，其頻率為1/1.1RC。CS：片選信號(hào)輸入端，低電平有效，一旦CS有效，就表明A/D轉(zhuǎn)換器被選中，可啟動(dòng)工作。WR：寫信號(hào)輸入，接受微機(jī)系統(tǒng)或其他數(shù)字系統(tǒng)限制芯片的啟動(dòng)輸入端，低電平有效，當(dāng)CS、WR同時(shí)為低電平常，啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。RD：讀信號(hào)輸入，低電平有效，當(dāng)CS、RD同為低電平常，可讀取轉(zhuǎn)換輸出數(shù)據(jù)。INTR：轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出信號(hào)，低電平有效。輸出低電平表示本次轉(zhuǎn)換已經(jīng)完成。該信號(hào)經(jīng)常作為向微機(jī)系統(tǒng)發(fā)出的中斷請(qǐng)求信號(hào)。在運(yùn)用時(shí)我們應(yīng)留意以下幾點(diǎn)：（1）轉(zhuǎn)換時(shí)序ADC0804限制信號(hào)的時(shí)序圖如圖3-5所示，由圖所示，各限制信號(hào)時(shí)序關(guān)系為：當(dāng)CS和WR同為低電平常，A/D轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)，且在WR上升沿后100μS模數(shù)轉(zhuǎn)換完成，轉(zhuǎn)換結(jié)果存入數(shù)據(jù)鎖存器，同時(shí)INTR自動(dòng)變?yōu)榈碗娖?，表示本次轉(zhuǎn)換結(jié)束。假如CS、RD同時(shí)為低電平，則數(shù)據(jù)鎖存器三態(tài)門打開，數(shù)據(jù)信號(hào)送出，而RD高電平到來后三態(tài)門處于高阻狀態(tài)。（2）參考電壓的調(diào)整在運(yùn)用A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)，為保證轉(zhuǎn)換精度，要求輸入電壓滿量程運(yùn)用。如輸入電壓動(dòng)態(tài)范圍較小，則可調(diào)整參考電壓VREF，以確保小信號(hào)輸入時(shí)ADC0804芯片8位的轉(zhuǎn)換精度。（3）接地模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路中要特殊留意到地線的正確連接，否則將會(huì)產(chǎn)生干擾，以致影響轉(zhuǎn)換結(jié)果精確性。A/D、D/A及取樣－保持芯片上都供應(yīng)了獨(dú)立的模擬地（AGND）和數(shù)字地（DGND）。在線路設(shè)計(jì)中，確定要將全部器件的模擬地和數(shù)字地分別進(jìn)行相連，然后將模擬地和數(shù)字地僅在一點(diǎn)上相連接。地線的正確連接方法如圖3-6所示。圖3-6正確的地線連接系統(tǒng)由微處理器、存儲(chǔ)器和A/D轉(zhuǎn)換器組成，它們之間通過數(shù)據(jù)總線（DBUS）和限制總線（CBUS）連接，系統(tǒng)信號(hào)接受總線傳送方式。采集數(shù)據(jù)時(shí)，首先微處理器執(zhí)行一條傳送指令，在指令執(zhí)行過程中，微處理器在限制總線的同時(shí)產(chǎn)生CS1、WR1低電平信號(hào)，A/D轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)起先工作，ADC0804經(jīng)100μS后將輸入模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并存于輸出鎖存器，在INTR端產(chǎn)生低電平表示轉(zhuǎn)換結(jié)束，并通知微處理器可來取數(shù)。當(dāng)微處理器通過總線查詢到INTR為低電平常，立刻執(zhí)行輸入指令，以產(chǎn)生CS、RD2低電平信號(hào)到ADC0804相應(yīng)引腳，將數(shù)據(jù)取出并存入存儲(chǔ)器中。整個(gè)數(shù)據(jù)采集過程中，微處理器有序地將執(zhí)行若干指令完成。AD0804的連接圖如圖3-7所示圖3-7AD0804連接圖3.3.2串口通訊部分電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求限制系統(tǒng)能同PC聯(lián)機(jī)通信，以利用PC圖形處理實(shí)力打印顯示溫度曲線以及下載程序。由于AT89S52串行口電平和PC不一樣，AT89S52的I/O為TTL電平，PC串行口為RS232電平利用單片機(jī)片內(nèi)串行口外加邏輯電平轉(zhuǎn)換電路組成RS-232C標(biāo)準(zhǔn)接口以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)相互通道的擴(kuò)展，邏輯電平轉(zhuǎn)換電路接受了一片專用芯片MAX232，外加少量電容即可完成TTL到RS-232或RS-232到TTL的邏輯電平轉(zhuǎn)換。表3-1RS-232C引腳型號(hào)定義名稱信號(hào)方功能25芯腳9芯腳FRD愛惜地1TXD輸出發(fā)送數(shù)據(jù)23RXD輸入接收數(shù)據(jù)32RTS輸出請(qǐng)求對(duì)方發(fā)送數(shù)據(jù)47CTS輸入可向?qū)Ψ桨l(fā)送數(shù)據(jù)58DSR輸入對(duì)方已經(jīng)準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)66GND信號(hào)地75DCD輸入對(duì)方已收到載波81DTR輸出通知對(duì)方，本方可以接受數(shù)據(jù)204RJ輸出對(duì)方送來的振鈴指示信號(hào)229圖3-8串口通訊電路UART模塊供應(yīng)了一個(gè)全雙工標(biāo)準(zhǔn)通信口，用于完成AT89S52和外設(shè)之間的串行通信。依據(jù)RS-232的標(biāo)準(zhǔn)，AT89S52單片機(jī)是依據(jù)字節(jié)傳輸數(shù)據(jù)的。圖3-9單片機(jī)連接電路單片機(jī)上的P25口接S1，P26口接S2，P27口接S3。S1：設(shè)置溫度的十位數(shù)：0—9S2：設(shè)置溫度的個(gè)位數(shù)：0—9S3：工作模式選擇鍵，兩種工作模式為：正常工作狀態(tài)、溫度重新設(shè)置。系統(tǒng)上電后，數(shù)碼管全部顯示為零，依據(jù)按S1次數(shù)，十位的數(shù)碼管依次增加。同樣S2，也如此。按S3后，系統(tǒng)起先測(cè)溫，并和采集的溫度進(jìn)行比較，通過軟件來限制電爐的開關(guān)。3.3.3數(shù)碼顯示電路數(shù)碼管作為單片機(jī)系統(tǒng)中最常用的輸出器件，在顯示時(shí)可以由數(shù)字和少量字母組合完成輸出功能的系統(tǒng)中應(yīng)用特殊便利。圖3-10為一個(gè)四位共陰數(shù)碼管，DIG0、DIG1、DIG2、DIG3分別和單片機(jī)的P21、P22、P23、P24相連，每一個(gè)都擁有一個(gè)共陰級(jí)的位選端。從而可以通過單片機(jī)選通所需顯示的數(shù)碼管。SegA--SegDp口傳輸要顯示的數(shù)據(jù)，利用其串/并轉(zhuǎn)換功能，送入數(shù)碼管顯示。在此外接了一個(gè)10K的電阻來愛惜LED。圖3-10數(shù)碼管顯示電路4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1程序框架結(jié)構(gòu)整體的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是由各個(gè)在系統(tǒng)里起著不同作用的模塊整合在一起，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能。本系統(tǒng)硬件接口如下：P1--AD；P00～P07--LEDa～LEDdp.；P25～P27--S1～S3；P20～P23--COM1～COM3；系統(tǒng)包括主限制程序，A/D采樣數(shù)據(jù)處理程序，PID算法程序，LED顯示及按鍵處理程序。結(jié)構(gòu)框架圖如圖4-1所示。圖4-1程序結(jié)構(gòu)圖主程序模塊負(fù)責(zé)對(duì)子程序模塊的調(diào)用進(jìn)行管理，它主要負(fù)責(zé)初始化IO口；等待鍵盤的被按下，并調(diào)用相應(yīng)的模塊進(jìn)行處理；在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候接受A/D采樣的數(shù)據(jù)，并和所設(shè)定的值進(jìn)行比較，然后通過調(diào)用PID算法處理數(shù)據(jù)，處理后而限制繼電器的通斷，從而限制熱電管達(dá)到水溫限制的目的。4.2程序流程圖及部分程序4.2.1主程序模塊由于模塊化程序的設(shè)計(jì)，通過調(diào)用程序即可實(shí)現(xiàn)所用功能，主程序流程圖如圖4-2所示。圖4-2主程序流程圖主程序如下：intmain(void){intKeyValue;status=temperature_set;System_Initial(); PID_Initial(); //PID初始化 while(1){ KeyValue=GetCh(); //鍵盤掃描、去抖動(dòng)處理、取鍵值 key_value_process(KeyValue); //鍵值處理 if(status=temperature_control) display_AD_temperature();//測(cè)量溫度顯示、PID計(jì)算 if(Out<=0)turn_off_timer();}}由以上程序我們可以看出，調(diào)用程序前首要先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化。然后對(duì)按鍵進(jìn)行掃描，對(duì)按鍵事務(wù)做出相應(yīng)的反應(yīng)。接下來看是否采集到溫度數(shù)據(jù)，假如有就進(jìn)行A/D采樣及PID處理數(shù)據(jù)，最終所得結(jié)果和設(shè)定值比較從而限制繼電器通斷。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。端口的初始化就是對(duì)端口相應(yīng)位進(jìn)行設(shè)置。這些初始化程序都嵌入在各個(gè)子程序里面，在下面介紹的各個(gè)子程序里會(huì)有所標(biāo)注。A/D口初始化程序：voidSystem_Initial(void){ CS=1; WR=1; RD=1;}按鍵程序（1）按鍵掃描：由于機(jī)械觸點(diǎn)富有彈性，在按下或彈起時(shí)會(huì)出現(xiàn)彈跳抖動(dòng)過程，從而從最初按下到接觸穩(wěn)定要經(jīng)過數(shù)毫秒的彈跳時(shí)間，實(shí)際效果好像是反復(fù)按了幾下，這一狀況肉眼是不易看清的，但是計(jì)算機(jī)卻能識(shí)別，于是出錯(cuò)的信號(hào)將導(dǎo)致完全錯(cuò)誤、甚至更為嚴(yán)峻的后果，如圖4-3所描述的。因此為了保證探險(xiǎn)鍵識(shí)別的精確性，必需消退抖動(dòng)。消抖處理有硬件和軟件兩種方法：硬件消抖是利用加抖動(dòng)電路濾避開產(chǎn)生抖動(dòng)信號(hào)；軟件消抖是利用數(shù)字濾波技術(shù)來消退抖動(dòng)。我們接受的是軟件消抖，利用主程序循環(huán)掃描，主程序每循環(huán)一次掃描到的鍵值相同時(shí)，則說明是某鍵按下。圖4-3按鍵掃描鍵按下的過程sbitS1=P2^5;sbitS2=P2^6;sbitS3=P2^7;unsignedGetCh(void){unsignedchars=0,k=0;if(!S1)s=1;\\對(duì)于不同按鍵按下賜予不同的數(shù)值，以供后if(!S2)s=2;面程序推斷if(!S3)s=3;k=s;if(s){while(s){delay(1000);s=0;if(!S1)s=1;if(!S2)s=2;if(!S3)s=3;}}returnk;}（2）鍵值處理：圖4-4A/D轉(zhuǎn)換流程圖4.2.4A/D采樣數(shù)據(jù)處理當(dāng)采樣到溫度數(shù)據(jù)時(shí)，為了防止采樣過程中外界干擾而造成采樣數(shù)據(jù)的不精確，必需調(diào)用溫度均值處理程序，然后確定溫度系數(shù)使采樣轉(zhuǎn)換得到的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成溫度值，并進(jìn)行十進(jìn)制轉(zhuǎn)換，用于顯示和PID計(jì)算。其中均值處理是一個(gè)較為重要的環(huán)節(jié)，是A/D轉(zhuǎn)換前必不行少的工具，流程圖如圖4-4所示，以下是子程序。voidAD(void){ CS=0; nop(); \\空操作 WR1=0; Delay(100); WR1=1; nop(); CS=1; while(!INTR);nop(); CS=0; nop(); RD1=0; nop(); dat=P2; RD1=1; nop(); CS=1;ch=dat;\\ch是全局變量}intadc_data; if(G_ADC_flag){//推斷是否有溫度采樣1，有0，無 G_ADC_flag=0; adc_data=adc_data_cmp(); adc_data/=SET_ADC_TIME;//計(jì)算溫度平均值 if(adc_data>0x0255)K=0.079;//確定溫度系數(shù) elseK=0.076; fT=adc_data*K;//換算成溫度值//將溫度值轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制用于LED顯示guiLED_Value[0]=(int)fT/10;guiLED_Value[1]=(int)fT%10;guiLED_Value[2]=(int)(fT*10)%10;stPID.Proportion=1;//設(shè)置PID比例值stPID.Integral=0.5;//設(shè)置PID積分值stPID.Derivative=0.0;//設(shè)置PID微分值Out=100*PIDCalc(&stPID,(int)(fT*10));//PID計(jì)算}}圖4-5是數(shù)據(jù)采樣中斷服務(wù)程序的流程圖，此中斷程序接受的是2Hz中斷定時(shí)0.5秒鐘采樣一次。圖4-5數(shù)據(jù)采樣的中斷程序流程圖intadc_data_cmp(){intmax;intmin;intSum;inti;max=ADC_DataSave[0];for(i=0;i<10;i++){ if(ADC_DataSave[i]>max) max=ADC_DataSave[i];//取出最大值}min=ADC_DataSave[i];for(i=0;i<10;i++){ if(ADC_DataSave[i]<min) min=ADC_DataSave[i];//取出最小值}for(i=0;i<10;i++)Sum+=ADC_DataSave[i];//計(jì)算累計(jì)值Sum=Sum-max-min;//解除最大最小值return(Sum);}PID計(jì)算由于單片機(jī)限制是一種采樣限制，它只能依據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算限制量，因此式2-1中的積分和微分項(xiàng)不能干脆精確計(jì)算，只能用數(shù)值計(jì)算的方法靠近。在采樣時(shí)刻t=iT（T為采樣周期）。式2-1所示的PID調(diào)整規(guī)律可通過數(shù)值公式4-1近似計(jì)算。(4-1)由式4-1可以得到：(4-2)由式4-1,式4-2可得增量式算法公式：(4-3)這個(gè)計(jì)算的過程可用一個(gè)簡(jiǎn)潔的程序來實(shí)現(xiàn)。voidPID_Initial(void){ stPID.LastError=0; stPID.PrevError=0; stPID.SumError=0;}floatPIDCalc(PID*pp,intNextPoint){intdError,Error;Error=pp->SetPoint*10-NextPoint;//偏差pp->SumError+=Error;//積分dError=pp->LastError-pp->PrevError;//當(dāng)前微分pp->PrevError=pp->LastError;pp->LastError=Error;return(pp->Proportion*Error//比例項(xiàng)+pp->Integral*pp->SumError//積分項(xiàng)+pp->Derivative*dError//微分項(xiàng));}4.2.6繼電器限制繼電器是和AT89S52單片機(jī)的P25口相連，它的開斷完全取決于P25口的輸出，即PID計(jì)算的結(jié)果。當(dāng)輸出小于零說明設(shè)定值小于實(shí)際輸出值，這就是要關(guān)閉電爐，同時(shí)關(guān)閉定時(shí)器的計(jì)時(shí)。當(dāng)輸出值大于設(shè)定值2攝氏度時(shí)，我們就可以開電爐對(duì)水起先加熱。假如設(shè)定值和實(shí)際輸出值差值在2攝氏度以內(nèi)時(shí)，我們就調(diào)用中斷程序定時(shí)加熱。圖4-6是限制程序的中斷服務(wù)程序，用來對(duì)繼電器定時(shí)加熱。它利用中斷定時(shí)器10ms確定加熱時(shí)間，當(dāng)加熱時(shí)間未到時(shí)，接著時(shí)間累積，若加熱時(shí)間到時(shí)，就調(diào)用關(guān)定時(shí)器子程序，從而停止計(jì)時(shí)。圖4-6限制程序中斷程序流程圖voidactive