畢業(yè)論文基于51單片機(jī)和PID的恒溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、摘 要工業(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。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PID的恒溫控制系統(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)為微處理器，詳細(xì)設(shè)計(jì)了為單片機(jī)提供電的電源電路，溫度信號(hào)采樣電路，鍵盤(pán)及顯示電路，加溫控制電路等四大電路模塊。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(pán)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PI

2、D計(jì)算，輸出控制信號(hào)給加溫控制電路，實(shí)現(xiàn)加溫和停止。顯示電路實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。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(guò)穩(wěn)定邊界法整定得到、參數(shù)，最終系統(tǒng)無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差，調(diào)節(jié)時(shí)間為30s，無(wú)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(guò)程的特殊性，本設(shè)計(jì)提出了一種基于PID算法來(lái)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(guò)程中對(duì)溫度控制速度快，準(zhǔn)確性高等特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：恒溫控制，單片機(jī)，PID算法，MATLAB仿真ABSTRACTIndustrial production is a one-way tem

3、perature control, delay, the inertia and time-varying characteristics, To achieve the rapid temperature control and accuracy, improving the quality of products is a very important practical significance. The temperature control issues against the characteristics and achieve precise control of temper

4、ature, Based on the design of a PID temperature 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 circuit, Temperature signal sampling circuit,

5、keyboard and display circuits, such as heating control circuit four circuit module. Software major part of the PID algorithm is a mathematical modeling and programming. PID tuning parameters are used to a fixed parameter. The circuit design of the keyboard input from the set temperature signal to th

6、e microcontroller, Temperature Signal Acquisition Circuit collect temperature signal to the microcontroller, According to SCM input and feedback signal, the error for PID, the output control signals to the heating control circuit, Heating and achieve stop. Show circuit scene of the real-time monitor

7、ing of temperature. The system PID tuning parameters in MATLAB software 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, all targets were

8、 met design requirements. 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 on the temperature control to achieve the temperature control system, the main aim is to achieve the production process

9、 for the temperature control speed, high accuracy. Keywords:Temperature control, microcontroller, PID algorithm, MATLAB 目 錄第1章緒論11.1 引言11.2方案論證31.2.1 方案一利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)恒溫控制系統(tǒng)31.2.2方案二利用PLC實(shí)現(xiàn)恒溫控制系統(tǒng)41.2.3方案三利用模擬PID調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)恒溫控制系統(tǒng)41.3設(shè)計(jì)方案5第2章恒溫控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)62.1AT89S52單片機(jī)簡(jiǎn)介62.1.1AT89S52單片機(jī)資源簡(jiǎn)介62.1.2AT89S52單片機(jī)信號(hào)引腳介紹72.1.3

10、AT89S52單片機(jī)的時(shí)鐘電路和復(fù)位電路82.2 溫度傳感器92.3 電源電路102.3.1電源變壓器102.3.2 整流濾波電路102.3.3 穩(wěn)壓電路102.4 鍵盤(pán)和顯示電路122.5 加溫控制電路132.6 與上位機(jī)通訊14第3章 恒溫控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)143.1PID調(diào)節(jié)器控制原理143.2 位置式PID算法153.3數(shù)字PID參數(shù)整定153.3.1 采樣周期的選擇163.3.2PID參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響173.4PID計(jì)算程序18第4章 MATLAB仿真294.1 SIMULINK簡(jiǎn)介294.2 系統(tǒng)仿真方框圖304.3穩(wěn)定邊界法整定PID參數(shù)30結(jié)論35參考文獻(xiàn)36致謝37附錄38

11、第1章 緒論1.1 引言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(guò)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(wú)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)到理想的控制效果。由于無(wú)法用精確的數(shù)學(xué)方法來(lái)建立模型并確定參數(shù)，本設(shè)計(jì)采用PID控制。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)

12、可分為開(kāi)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?？刂破鞯妮敵鼋?jīng)過(guò)輸出接口、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(guò)傳感器、變送器通過(guò)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(kāi)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(guò)智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)，有利用PID調(diào)節(jié)控制實(shí)現(xiàn)壓力、溫度、流量、液位的控制。能實(shí)現(xiàn)P

13、ID控制功能的有PLC和一些PC機(jī)。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(lái)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，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(zhǎng)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

14、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。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)，許多高性能的新型機(jī)種不斷的涌現(xiàn)出來(lái)，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(kāi)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。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

15、法。PID是比例（proportional）、積分（intergal）和微分(derivative)三者的縮寫(xiě)。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，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但過(guò)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(wú)差度。因?yàn)橛姓`差，積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無(wú)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

16、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)偏差信號(hào)的變化率，具有預(yù)見(jiàn)性，能預(yù)見(jiàn)偏差變化的趨勢(shì)。因此能產(chǎn)生超前的控制作用。在偏差還沒(méi)有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此微分調(diào)節(jié)可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。在為時(shí)間選擇合適的情況下，可以減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。微分作用對(duì)噪音干擾有放大作用，因此過(guò)強(qiáng)的加微分環(huán)節(jié)，對(duì)系統(tǒng)抗干擾不利。此外微分反映的是變化率，而當(dāng)輸入沒(méi)有變化時(shí)，微分作用的輸出為零。微分作用不能單獨(dú)使用，需要與另外兩種調(diào)

17、節(jié)規(guī)律相結(jié)合，組成PI調(diào)節(jié)器或PID調(diào)節(jié)器。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(wèn)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)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(lái)確定，因此本次設(shè)計(jì)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為有效。1.2 方案的論證無(wú)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

18、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(guò)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)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(jiàn)，本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度的控制。1.2.1 方案一利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)恒溫控制系統(tǒng)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、加熱控制參數(shù)設(shè)置、加熱

19、電路控制輸出、與報(bào)警裝置和系統(tǒng)核心AT89S52單片機(jī)作為微處理器。圖1.1 方案一的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖溫度采集電路以數(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)控制量。以此控制量控制固態(tài)繼電器開(kāi)通和關(guān)斷，決定加熱電路的工作狀態(tài)，使溫度逐步穩(wěn)定于用戶設(shè)定的目標(biāo)值。在溫度到達(dá)設(shè)定的目標(biāo)溫度后，由于自然冷卻而使其溫度下降時(shí)，單片機(jī)通過(guò)采樣回的溫度與設(shè)置的目標(biāo)溫度比較，作出相應(yīng)的控制，開(kāi)啟加熱器。當(dāng)用戶需要比實(shí)時(shí)溫度低的溫度時(shí)，此電路可以利用風(fēng)扇降溫。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的各種狀態(tài)參量均可由數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示。1.2.2方案二利用PLC實(shí)現(xiàn)恒溫

20、控制系統(tǒng)利用PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度恒定的控制，其控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1.2所示：采用PLC控制實(shí)現(xiàn)電熱絲加熱全通、間斷導(dǎo)通和全斷加熱的自動(dòng)控制方式，來(lái)達(dá)到溫度的恒定。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(mén)極的通斷，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的恒溫控制。若溫度升的過(guò)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)。圖1.2 方案二的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖1.2.3方案三利用模擬PID調(diào)節(jié)的恒溫控制系

21、統(tǒng)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1.3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(guò)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(guò)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。圖1.3 方案三的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖1.3設(shè)計(jì)方案控制模塊的選擇，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)： 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)，就難以甚至無(wú)法實(shí)現(xiàn)。而數(shù)字控制器能實(shí)現(xiàn)復(fù)

22、雜控制規(guī)律的控制。 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。 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(lái)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。 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。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

23、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，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1.4所示：通過(guò)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08V電壓信號(hào)來(lái)控制可控硅觸發(fā)電路，從而控制可控硅通斷率，通過(guò)調(diào)節(jié)加熱功率即可達(dá)到控制溫度恒定的目的。圖1.4 設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)框圖第2章 恒溫控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)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(xiě)的Flash 、只讀程序

24、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(kāi)關(guān)，使用時(shí)完全可以用 NPN型三極管接成電壓跟隨器的形式驅(qū)動(dòng)；單片機(jī)所需要的+5V工作電源是通過(guò)220V交流電壓通過(guò)變壓、整流、穩(wěn)壓、濾波得到。實(shí)時(shí)控制的顯示器、鍵盤(pán)通過(guò)單片機(jī)來(lái)完成鍵盤(pán)掃描與輸出動(dòng)態(tài)顯示?？紤]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)。2.1 AT89S52單片機(jī)簡(jiǎn)介2.1.1AT89S52單片機(jī)資源簡(jiǎn)介AT89S52的結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。由于它的廣泛使

25、用使得市面價(jià)格較8155、8255、8279要低，所以說(shuō)用它是很經(jīng)濟(jì)的。該芯片具有如下功能：有1個(gè)專用的鍵盤(pán)/顯示接口；有1個(gè)全雙工異步串行通信接口；有2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。這樣，1個(gè)89S52，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(lái)許多方便。89S52有40個(gè)引腳，有32個(gè)輸入端口（I/O），有2個(gè)讀寫(xiě)口線，可以反復(fù)插除。所以可以降低成本。主要功能特性：（1）兼容MCS51指令系統(tǒng)（2）32個(gè)雙向I/O口線（3）3個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷（4）2個(gè)串行中斷口 （5）2個(gè)外部中斷源（6）2個(gè)讀寫(xiě)中斷口線（7）低功耗空閑和掉電模式（8）

26、8k可反復(fù)擦寫(xiě)(>1000次)Flash ROM（9）256x8bit內(nèi)部RAM（10）時(shí)鐘頻率0-24MHz（11）可編程UART串行通道（12）共6個(gè)中斷源（13）3級(jí)加密位（14）軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能。AT89S52單片機(jī)信號(hào)引腳介紹9輸入輸出口線口8位雙向口線 口8位雙向口線口8位雙向口線 口8位雙向口線ALE 地址鎖存控制信號(hào)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(lái),以實(shí)現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的分時(shí)傳送。此外由于ALE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。 外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)在讀外部ROM時(shí),有效(低電平),以實(shí)現(xiàn)外部

27、ROM單元的讀操作。 訪問(wèn)程序存儲(chǔ)趨控制信號(hào)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)為高電平時(shí),則對(duì)ROM的讀操作是從內(nèi)部程序存儲(chǔ)器開(kāi)始,并可延續(xù)至外部程序存儲(chǔ)器。RST 復(fù)位信號(hào)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。和 外接晶體引線端當(dāng)使用芯片內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)，此二引線端用語(yǔ)外接石英晶體和微調(diào)電容；當(dāng)使用外部時(shí)鐘時(shí)，用于接外部時(shí)鐘脈沖信號(hào)。 地線 +5V電源T89S52單片機(jī)時(shí)鐘和復(fù)位電路時(shí)鐘電路單片機(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

28、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(guò)來(lái)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(guò)二分頻后才作為系統(tǒng)的時(shí)鐘信號(hào)。在設(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所示復(fù)位電路單片機(jī)的復(fù)位電路分上電復(fù)位和按鍵復(fù)位兩種方式。（a）上電復(fù)位：在加電之后通過(guò)外部復(fù)位電路的電容充電來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)?shù)纳仙?/p>

29、時(shí)間不超過(guò)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(zhǎng)時(shí)間，滿足復(fù)位操作的要求。 (b) 按鍵復(fù)位：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(guò)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(lái)達(dá)到復(fù)位的。(c) 注意：因?yàn)榘存I脈沖復(fù)位是利用RC微分電路產(chǎn)生正脈沖來(lái)達(dá)到復(fù)位的。所以電平復(fù)位要將復(fù)位端通過(guò)電阻與相連.如復(fù)位電路中R、C的值選擇不當(dāng)，使

30、復(fù)位時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，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。2.2 溫度傳感器溫度測(cè)量轉(zhuǎn)換部分是整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來(lái)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)換成模擬電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)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(lái)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。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。DS18B20

31、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。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。圖2.4 溫度采樣電路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。表2.1 DS

32、18B20溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換表LS ByteBit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0232221202-12-22-32-4MS ByteBit15Bit14Bit13Bit12Bit11Bit10Bit9Bit8SSSSS262524這是12位轉(zhuǎn)化后得到的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。2.3電源電路電源電路可分為三大塊：變壓部分、整流濾波部分、穩(wěn)壓部分1。電

33、源電路如圖2.5所示。圖2.5 電源電路2.3.1 電源變壓器變壓部分其實(shí)就是一個(gè)變壓器，變壓器作用是將220V的交流電壓變換成我們所需的電壓9V。然后再送去整流和濾波。整流濾波電路整流電路將交流電壓變成單向脈動(dòng)的直流電壓；濾波電路用來(lái)濾除整流后單向脈動(dòng)電壓中的交流成份，合之成為平滑的直流電壓。濾波電路常見(jiàn)的有電容濾波電路、電感濾波電路。一般的整流有全波整流、單相半流整流、橋式整流、及變壓整流。穩(wěn)壓電路在這的穩(wěn)壓電路中我使用的是“三端固定輸出集成穩(wěn)壓器”，穩(wěn)壓電路的作用是當(dāng)輸入交流電源電壓波動(dòng)、負(fù)載和溫度變化時(shí)，維持輸出直流電壓的穩(wěn)定。集成穩(wěn)壓器、使用方便、性能穩(wěn)定、更重要的是考慮到它的價(jià)格低

34、廉，因而我在此使用。2.4 鍵盤(pán)和顯示電路模塊電路如下圖2.6。鍵盤(pán)采用行列式和外部中斷相結(jié)合的方法，各按鍵的功能定義如下表2.2。其中設(shè)置鍵與單片機(jī)的腳相連，、YES、NO用四行三列接單片機(jī)P0口，REST鍵為硬件復(fù)位鍵，與R、C構(gòu)成復(fù)位電路。表2.2按鍵功能按鍵鍵名功能REST復(fù)位鍵使系統(tǒng)復(fù)位SET設(shè)置鍵使系統(tǒng)產(chǎn)生中斷，進(jìn)入設(shè)置狀態(tài)數(shù)字鍵設(shè)置用戶需要的溫度YES確認(rèn)鍵用戶設(shè)定目標(biāo)溫度后進(jìn)行確認(rèn)NO清除鍵用戶設(shè)定溫度錯(cuò)誤或誤按了YES鍵后使用圖2.6 鍵盤(pán)接口電路顯示采用3位共陽(yáng)LED動(dòng)態(tài)顯示方式,顯示內(nèi)容有溫度值的十位、個(gè)位及小數(shù)點(diǎn)后一位。用P2口作為段控碼輸出，并用74HC244作驅(qū)動(dòng)。

35、P1.0P1.2作為位控碼輸出，用PNP型三極管做驅(qū)動(dòng)4。模塊電路如下圖2.7所示：圖2.7 顯示接口電路2.5 加熱控制電路控制電路圖如下圖2.8。用于在閉環(huán)控制系統(tǒng)中對(duì)被控對(duì)象實(shí)施控制，被控對(duì)象為電熱杯，采用對(duì)加在電熱杯兩端的電壓進(jìn)行通斷的方法進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)水加熱功率的調(diào)整，從而達(dá)到對(duì)水溫控制的目的。對(duì)電爐絲通斷的控制采用SSR-40DA固態(tài)繼電器。它的使用非常簡(jiǎn)單，只要在控制端TTL電平，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器的開(kāi)關(guān)，使用時(shí)完全可以用 NPN型三極管接成電壓跟隨器的形式驅(qū)動(dòng)。當(dāng)單片機(jī)的P1.3為高點(diǎn)平時(shí)，三極管驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器工作接通加熱器工作，當(dāng)單片機(jī)的P1.3為低電平時(shí)固態(tài)繼電器關(guān)斷，加

36、熱器不工作。圖2.8 加熱控制電路2.6與上位機(jī)通訊 由于系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控和顯示。所以要進(jìn)行通信電路的設(shè)計(jì)。PC機(jī)內(nèi)裝有異步通信適配器板，其主要的器件為8250UART芯片，它使PC機(jī)有能力與其他具有標(biāo)準(zhǔn)RS-232串行口通信接口的計(jì)算機(jī)或儀器設(shè)備通信，而MCS-51單片機(jī)本身具有全雙工的串行口。因此只需要配一些驅(qū)動(dòng)、隔離電路就可以構(gòu)成了洋分布式系統(tǒng)，其連接圖如圖2.9所示，由于MCS-51單片機(jī)串行口是標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平，為使其與RS-232電平接口，在MCS-51單片機(jī)串行口聯(lián)有1488和1489，以實(shí)現(xiàn)電平匹配。由于1448的輸出端不能相互并聯(lián)，故加上一個(gè)二極管進(jìn)行隔離 2

37、。圖2.9 PC機(jī)與單片機(jī)的接口電路在主機(jī)通信軟件中，首先根據(jù)擁護(hù)的要求和通信協(xié)議規(guī)定，對(duì)8250進(jìn)行初始化。設(shè)置的8250的初始化數(shù)據(jù)是：波特率為9000b/s；8位數(shù)據(jù)位；1位奇偶校正位；1位停止位。由于從機(jī)MCS-51的格式固定為四種方式，本設(shè)計(jì)采用方式3。因此這里的奇偶校正位用做發(fā)送地址/數(shù)據(jù)特征位（1表示地址），而數(shù)據(jù)通訊的校正采用累加和校驗(yàn)法。數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收采用查詢方式，其程序框圖如圖2.10所示，在發(fā)送時(shí)，先用輸入指令檢查發(fā)送器的保持寄存器是否為空。若為空，則輸出指令將一個(gè)數(shù)據(jù)輸出給8250，8250會(huì)自動(dòng)將數(shù)據(jù)一位一位地發(fā)送到串行口通信線上。在接收時(shí)，8250把串行口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

38、成并行數(shù)據(jù)，并送入到接收數(shù)據(jù)寄存器中，同時(shí)把“接收數(shù)據(jù)就緒”信號(hào)置于狀態(tài)寄存器中，CPU讀到這個(gè)信號(hào)后，就用輸入指令從接收器中讀入一個(gè)數(shù)據(jù)。圖2.10 PC機(jī)通信軟件框圖第3章 恒溫控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3.1 PID調(diào)節(jié)器控制原理在控制系統(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。圖3.1 PID控制系統(tǒng)原理框圖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：Error(t)=rin(t)-yout(t)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

39、制器的輸出為：（3.1）或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)的形式：（3.2）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)。簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)，PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下5：（1） 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。比例控制：Gc(s)= Kp（2） 積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)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)。積分控制： Gc(s) = Kp/T is（3） 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

40、系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。微分控制：Gc(s) =KpT ds3.2 位置式PID算法基本PID控制器的理想算式為(3.3)式中u(t)控制器(也稱調(diào)節(jié)器)的輸出；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)）；Kp控制器的比例放大系數(shù)；Ti控制器的積分時(shí)間；Td控制器的微分時(shí)間。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(3.4)式中，。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(mén)），u(k)的值與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置（如閥門(mén)開(kāi)度）一一對(duì)應(yīng)，所以通常稱式(2)為位置式PID控制算法。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(guò)去的

41、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。3.3 數(shù)字PID參數(shù)的整定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(guò)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(lái)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(guò)理論計(jì)算確定控制器參數(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(guò)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

42、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(wèn)題明顯簡(jiǎn)化。以達(dá)到控制器的特性與被控過(guò)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)。3.3.1 采樣周期選擇的原則（1）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(lái)的連續(xù)信號(hào)。 （2）從執(zhí)行機(jī)構(gòu)的特性要求來(lái)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。（3）從控制系統(tǒng)的隨動(dòng)和抗干擾的性能來(lái)看，要求采樣周期短些。 （4）從微機(jī)的工作量和每個(gè)調(diào)節(jié)回路的計(jì)算來(lái)看，一般要求采樣周期大些。 （5）從計(jì)算機(jī)的精度看，過(guò)

43、短的采樣周期是不合適的。 （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)倍下表3.1列出了幾種常見(jiàn)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(guò)程千差萬(wàn)別，經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)不一定就合適，可用試探法逐步調(diào)試確定。表3.1采樣周期的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表10被測(cè)參數(shù)采用周期T（s）備注流量15s優(yōu)先選用1s壓力310s優(yōu)先選用5s液位68s溫度1520s或純滯后時(shí)間成分1520s3.3.2 PID參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響表3.2 PID參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響參數(shù)圖作用缺點(diǎn)P加快調(diào)節(jié)，減少穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定I因?yàn)橛姓`差，積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無(wú)差.消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無(wú)差度。

44、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)器或PID調(diào)節(jié)器。D反映系統(tǒng)偏差信號(hào)變化率，具有預(yù)見(jiàn)性，能預(yù)見(jiàn)偏差變化的趨勢(shì)，因此能產(chǎn)生超前的控制作用?？梢詼p少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。微分作用對(duì)噪聲干擾有放大作用，因此過(guò)強(qiáng)的加微分調(diào)節(jié)，對(duì)系統(tǒng)抗干擾不利。微分作用不能單獨(dú)使用，需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)蓄料目結(jié)合，組成PD或PID控制. 綜上所述，（Kp、Ti、Td,）對(duì)系統(tǒng)的性能影響如表3.3所示：表3.3 Kp、Ti和Td對(duì)系統(tǒng)的影響影響KpTiTd穩(wěn)態(tài)性能可以減少靜差，但不能消除消除靜差，但不能太大配合比例控制，可以減少靜差動(dòng)態(tài)性能加快系統(tǒng)速度，但會(huì)引起震蕩

45、太小會(huì)不穩(wěn)定，太大會(huì)影響性能太大和太小都會(huì)引起超調(diào)量大，過(guò)渡時(shí)間長(zhǎng)。3.4 PID計(jì)算程序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：（3.5）式中為調(diào)節(jié)器的輸入誤差信號(hào)，且（3.6）其中：為給定值，為被控變量；為調(diào)節(jié)器的輸出控制信號(hào)；為比例系數(shù)；為積分時(shí)間常數(shù)；微分時(shí)間常數(shù)。計(jì)算機(jī)只能處理數(shù)字信號(hào)，若采樣周期為T(mén)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（3.7）寫(xiě)成遞推形式為= = = = =（3.8）其中：（3.9）（3.10）（3.11） 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(guò)采樣并根據(jù)參數(shù)、以及、

46、和計(jì)算。 根據(jù)輸出控制增量，可求出本次控制輸出為+=（3.12）由于電阻爐一般是屬于一階對(duì)象和滯后的一階對(duì)象，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：（3.13）（3.14）（3.15）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 = =（3.16）式中=0.2，=1.258（3.17）從而可以調(diào)節(jié)的參數(shù)只有

47、一個(gè)。可設(shè)計(jì)一個(gè)調(diào)整子程序，通過(guò)鍵盤(pán)輸入改變值，改變運(yùn)行參數(shù)，使系統(tǒng)滿足要求。下面對(duì)PID運(yùn)算加以說(shuō)明：1、 所有的數(shù)都變成定點(diǎn)純小數(shù)進(jìn)行處理。2、 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。3、 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。4、 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0250之間。大于250或小于0的控制量都是沒(méi)有意義的，因在算法上對(duì)進(jìn)行限幅，即=（3.18）PID的計(jì)算公式采用位置式算

48、法，計(jì)算公式為+=（3.19）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。表3.4 參數(shù)內(nèi)存分配表存儲(chǔ)單元符號(hào)說(shuō)明存儲(chǔ)單元符號(hào)說(shuō)明3FH高8位38H低8位30H低8位39H高8位31H給定值高8位3AH低8位32H給定值低8位3BH高8位33H高8位3CH低8位34H低8位3DH高8位35H高8位32EH低8位36H低8位3FH高8位37H高8位40H低8位圖3.2 PID計(jì)算程序的流程圖參照流程圖3.2編寫(xiě)程序，程序如下：MOVR5，31HMOVR4， 32HMOVR3， 2AH MOVR2， #00HLACALLCPL1 LCALLDSUMMOV39H， R7 M

49、OV3AH， R6MOVR5， 35HMOVR4， 36HMOVR0， #4AHLCALLMULT1MOVR5，39H MOVR4，3AHMOVR3，3BHMOVR2，3CHLCALLDSUMMOVR5，33HMOVR4，34HMOVR0， #46HLCALLMULT1MOVR5，49HMOVR4，48HMOVR3，4DHMOVR2，4CHLCALLDSUMMOV4AH，R7MOV4BHR6MOVR5，39HMOVR4，3AHMOVR3，3DHMOVR2，3EHLCALLDSUMMOVA，R7MOVR5，AMOVA，R6MOVR4，AMOVR3，3BHMOVR2，3CHLCALLDSUMMOV

50、A，R7MOVR5，AMOVA，R6MOVR4，AMOVR3，3BHMOVR2，3CHLCALLDSUMMOVR5，37HMOVR4，38HMOVR0， #46HLCALLMULT1MOVR5，49HMOVR4，48HMOVR3，4AHMOVR2，4BHLCALLDSUMMOVA，R7MOVR3，AMOVA，R6MOVR2，AMOVR5，2FHMOVR4，30HLCALLDSUMMOV2FH，R7MOV30H，R6MOV3DH，3BHMOV3EH，3CHMOV3BH，39HMOV3CH，3AHMOVA，2FHJNBACC.7CONt1MOV45H,#00HRETCONt1:MOVA,30HRLCAMOVA,2FHRLCAMOVR2,ASUBBA,#OFAHJNCCONt2MOV45H,R2RETCONt2：MOV45H,#0FAHRET負(fù)數(shù)雙字節(jié)-（R3R2）求補(bǔ)，結(jié)果仍存放于R3R2中，其子程序如下：CPL1： MOVA,R2CPLAADDA，#01HMOVR2，AMOVA，R3CPLAADDCA，#00HMOVR3，ARET雙字節(jié)加法（