基于51單片機(jī)的鍋爐溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)說(shuō)明書

學(xué)號(hào)：9311060317河北科技師范學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目基于51單片機(jī)的鍋爐溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)院（系）名稱：機(jī)電科學(xué)與工程系專業(yè)名稱：電氣工程及其自動(dòng)化學(xué)生姓名：邢瑞勛指導(dǎo)教師：藺志鵬馬繼偉二○一○年六月目錄TOC\o"1-3"\h\z摘要圖2-1AT89C51引腳圖輸入/輸出口引腳P0、P1、P2和P3：P0口（P0.0～P0.7）：該端口為漏極開(kāi)路的8位雙向口，負(fù)載能力為8個(gè)LSTTL負(fù)載，它是8位地址線和8位數(shù)據(jù)線的復(fù)用端口。P1口（P1.0～P1.7）：它是一個(gè)內(nèi)部帶上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O口，P1口的驅(qū)動(dòng)能力為4個(gè)LSTTL負(fù)載。P2口（P2.0～P2.7）：同P1口。在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，它作存儲(chǔ)器的高8位地址線。P3口（P3.0～P3.7）：P3口同樣是內(nèi)部帶上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O口，P3口除了作為一般的I/O口使用之外，還具有其它特殊功能。2.1.1存儲(chǔ)器的選用及擴(kuò)展開(kāi)發(fā)單片機(jī)時(shí)，考慮到以后的二次開(kāi)發(fā)，為了滿足以后的更高性能的要求所以本設(shè)計(jì)對(duì)AT89C51單片機(jī)進(jìn)行了外圍存儲(chǔ)器的擴(kuò)展。根據(jù)實(shí)際的系統(tǒng)的的大小我們可以通過(guò)外圍開(kāi)關(guān)控制來(lái)進(jìn)行對(duì)片內(nèi)和片外存儲(chǔ)器的選擇。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器外加一片6216，它是典型的SRAM芯片，用單一+5V電源供電，可擴(kuò)展2K空間。程序存儲(chǔ)器外加一片2764，它是紫外線可擦除、電可編程只讀存儲(chǔ)器，單一+5V電源供電，工作電流100mA，讀出時(shí)為250ns，采用CHMOS工藝，13位地址線可尋址8K單元[2]。2.2A/D轉(zhuǎn)換模塊(ADC0809)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，簡(jiǎn)稱AD，是實(shí)現(xiàn)模擬量向數(shù)字量的轉(zhuǎn)變的設(shè)備。A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)的確定和系統(tǒng)所需測(cè)量控制的范圍、精度有關(guān)。其一：實(shí)際選取的位數(shù)與其它環(huán)節(jié)所能獲得的精度相適應(yīng)，只要不低于它們就可以，不必太高。其二：如果微處理機(jī)是MCS-51單片機(jī)，采用8位以下的A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)，接口電路最簡(jiǎn)單。其三：由于溫度變化相對(duì)于控制運(yùn)行的速度來(lái)說(shuō)是緩慢的，因此，在A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)候，也不要求有很快的轉(zhuǎn)換速率。ADC0809是逐次比較型、8通道、8位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，該AD轉(zhuǎn)換器具用高阻抗比較器，256個(gè)電阻的電阻分壓器，控制邏輯、三態(tài)輸出緩沖器、模擬開(kāi)關(guān)樹和逐次逼近寄存器。8個(gè)多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)可直接接通8個(gè)模擬通道中的任意一個(gè)通道，并提供通道擴(kuò)展功能。由于能對(duì)多路轉(zhuǎn)換器進(jìn)行鎖存和譯碼，加上地址線是三態(tài)輸入，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后是以鎖存的三態(tài)形式輸出，容易與多種微控制器連接使用。且該轉(zhuǎn)換器不需要在外部進(jìn)行滿度和零點(diǎn)調(diào)節(jié)[3]。將A/D0809作為一的外擴(kuò)展的并行I/O口，直接由AT89C51的P2.0和脈沖進(jìn)行啟動(dòng)。模擬量輸入通道選擇端A、B、C分與AT89C51的P0.0、P0.1、P0.2直接相連，數(shù)據(jù)由A/D0809轉(zhuǎn)換器的2-1～2-8輸出。A/D轉(zhuǎn)換器采用詢問(wèn)的方法,ADC0809的轉(zhuǎn)換信號(hào)EOC經(jīng)反相器連接到單片機(jī)的P1.4。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束單片機(jī)詢問(wèn)響應(yīng)。即可讀出A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果數(shù)據(jù)。ADC0809的時(shí)鐘信號(hào)由單片機(jī)的ALE提供（為1MHZ）,轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)信號(hào)START和8位模擬量輸入地址鎖存允許信號(hào)ALE由單片機(jī)的WR和P2.0口來(lái)控制。轉(zhuǎn)換的輸出允許信號(hào)OE由單片機(jī)的RD和P2.0口控制。2.3數(shù)據(jù)顯示模塊和鍵盤模塊數(shù)據(jù)顯示模塊選用液晶顯示器，經(jīng)過(guò)比較最終選用精電蓬遠(yuǎn)公司生產(chǎn)的內(nèi)置KS0108B控制器圖形液晶顯示模塊，型號(hào)為：MGLS12864——LED04，其主要參數(shù)見(jiàn)表2-1。表2-1MGLS12864主要參數(shù)LED背光寬溫型—5V12*860.38*0.5566*4478*70鍵盤部分根據(jù)工藝要求以及節(jié)省空間的原則，我們?cè)O(shè)計(jì)了4×4鍵盤，原理圖見(jiàn)圖2-2。利用AT89C51擴(kuò)展8255接口芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)，用8255的PA做鍵盤的數(shù)據(jù)線，列線經(jīng)過(guò)上拉電阻與VCC相連。大體的原理是：當(dāng)S1～S16全部都打開(kāi)時(shí)，列線均為高電平，經(jīng)與門后仍為高電平，因而不會(huì)產(chǎn)生中斷；當(dāng)其中一鍵被按下時(shí)，INTO端變?yōu)榈碗娖剑駽PU申請(qǐng)中端，CPU響應(yīng)后，用掃描方法找到申請(qǐng)中斷的功能鍵，并按程序設(shè)定執(zhí)行相應(yīng)的功能。按鍵的電路中，各按鍵開(kāi)關(guān)均采用了上拉電阻，這是為了保證在按鍵斷開(kāi)時(shí)，各I/O口線有確定的高電平。S?S?SW-PBS?SW-PBS?SW-PBS?SW-PBS?SW-PBS?SW-PBS?SW-PBS?SW-PBS?SW-PBS?SW-PBS?SW-PBS?SW-PBS?SW-PBS?SW-PBS?SW-PBS?SW-PB12345678JP?8HEADER12456U?A74ALS20R?RES2R?RES2R?RES2R?RES2VCC圖2-2鍵盤電路2.4檢測(cè)模塊溫度檢測(cè)是把溫度量轉(zhuǎn)化為電壓量，經(jīng)過(guò)放大送到A/D轉(zhuǎn)換器的過(guò)程。傳感器精度的高低影響測(cè)控系統(tǒng)精度、可靠性和成本的重要因素之一。在精度、可靠性滿足系統(tǒng)要求的情況下，選擇價(jià)格適宜的傳感器。2.4.1溫度傳感器的選擇常用的溫度傳感器有熱敏電阻、熱電偶、PN結(jié)溫度傳感器、集成溫度傳感器、熱電阻等。本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)溫度控制范圍為0-67℃，溫度的變化范圍較?。徊⑶覝囟鹊淖兓俣容^慢，因而對(duì)傳感器的反應(yīng)速度要求不是太高；但由于要求的控制精度較高，需要比之更高的測(cè)量精度，因此要求傳感器在控溫范圍內(nèi)有優(yōu)良的線性度和精度。所以經(jīng)過(guò)選擇，本設(shè)計(jì)中采用了精度較高，應(yīng)用廣泛的溫度傳感器鉑電阻Pt100做為溫度檢測(cè)的核心。鉑電阻是利用溫度變化時(shí)鉑絲的阻值變化原理制成的溫度傳感器。Pt100空載和負(fù)載的具體溫度如下：空載時(shí)：RT0=100.00Ω（0oC時(shí)的鉑電阻值）U出≈0伏RT=197.76Ω（256oC時(shí)的鉑電阻值）U出≈5伏帶負(fù)載時(shí)：R/Ω100110120130140150160170180190200U/V0.02-0.46-0.96-1.47-1.96-2.46-2.96-3.45-3.93-4.41-4.89鉑熱電阻是電阻體采用鉑金屬、具有正的溫度系數(shù)的一種電阻，廣泛用作穩(wěn)定溫度系數(shù)的電阻以及溫度傳感器。鉑熱電阻的端子有不同的聯(lián)結(jié)方式，如圖2-3既2線式，3線式和4線式。它雖是一種阻值隨溫度改變的溫度傳感器，但實(shí)際上使用時(shí)要把引線電阻記算在內(nèi)。因此2線式適用于傳感器在印制板上。圖2-3鉑電阻接線（a）2接線（b）3接線（c）4接線測(cè)量鉑熱電阻的阻值大致有二種方法即恒壓法和恒流法[4]。恒壓法就是加在鉑熱電阻兩端電壓保持恒定，測(cè)量電流變化的方法。若有恒壓源（標(biāo)準(zhǔn)電池），恒壓法的電路就非常簡(jiǎn)單，另外，組成橋就可進(jìn)行溫漂補(bǔ)償，因此，這種方法被廣泛使用。但電流與鉑熱電阻的阻值變化成反比，用于很寬的溫測(cè)范圍，進(jìn)行線性時(shí)要特別注意。恒流法就是流經(jīng)鉑熱電阻的電流保持恒定，測(cè)量其兩端電壓的方法。對(duì)于恒流法，電流與鉑熱電阻的阻值變化成正比，因此，線性化簡(jiǎn)便，但要獲得準(zhǔn)確的恒流源電路比較復(fù)雜，經(jīng)過(guò)反復(fù)比較本次設(shè)計(jì)采用恒壓法。2.5控制電路設(shè)計(jì)控制部分設(shè)計(jì)是本文介紹的重點(diǎn)。在設(shè)計(jì)中我們采用了雙向可控硅代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繼電器控制，采用可控硅的好處是：（1）與傳統(tǒng)繼電器調(diào)溫方法相比可控硅調(diào)溫更適合通斷頻繁的情況。（2）不存在觸點(diǎn)不良問(wèn)題，可以保證通斷質(zhì)量，從而保證控制調(diào)節(jié)質(zhì)量。（3）與數(shù)字控制技術(shù)相結(jié)合可以進(jìn)一步提高控制精度和穩(wěn)定性。（4）通斷速度快，適用于控制精度高的場(chǎng)合。利用交流電整流后每周期存在兩次零點(diǎn)電壓在半波零點(diǎn)關(guān)斷雙向可控硅，并且產(chǎn)生同步脈沖信號(hào)觸發(fā)單片機(jī)中斷，單片機(jī)一此脈沖為計(jì)時(shí)基準(zhǔn)輸出可控硅觸發(fā)脈沖從而控制可控硅在每半個(gè)周期的導(dǎo)通角，進(jìn)而調(diào)節(jié)加熱制冷器的平均電壓，達(dá)到調(diào)節(jié)加熱制冷功率控制溫度的目的。采用這種控制方法由于控制的是可控硅在電網(wǎng)電壓每半個(gè)周期的導(dǎo)通角，對(duì)當(dāng)前我國(guó)電網(wǎng)來(lái)說(shuō)即每0.01秒中導(dǎo)通時(shí)間，輸出加穩(wěn)壓電容后加給負(fù)載的電壓比較穩(wěn)定，從而控制輸出穩(wěn)定時(shí)，負(fù)載的功率便可以很好的穩(wěn)定在輸出值左右。2.5.1導(dǎo)通角控制采集同步輸入和相位信號(hào),由單片機(jī)捕捉同步信號(hào)的上升沿,軟件濾波,消除干擾以及同步正弦信號(hào)的畸變,得到正弦信號(hào)的真實(shí)過(guò)零點(diǎn),作為控制可控硅的同步信號(hào),同時(shí)單片機(jī)檢測(cè)各反饋量,計(jì)算各反饋值,由不同的控制算法求取控制角，同步脈沖產(chǎn)生電路如圖2-4所示，同步脈沖產(chǎn)生原理如圖2-5所示，當(dāng)交流電半波到零點(diǎn)時(shí)可控硅關(guān)斷，當(dāng)電源電壓在零點(diǎn)附近電壓低于三極管觸發(fā)電壓時(shí)三極管關(guān)斷，此時(shí)由于/INT1電壓等于VCC，當(dāng)電源電壓高于三極管的觸發(fā)電壓時(shí)，三極管導(dǎo)通，/INT1管腳電壓為地端電壓，/INT1管腳得到下降沿脈沖，從而觸發(fā)中斷，開(kāi)始延時(shí)，延時(shí)時(shí)間到，單片機(jī)輸出信號(hào)令可控硅導(dǎo)通，通過(guò)改變延時(shí)時(shí)間可以改變可控硅導(dǎo)通角度，從而達(dá)到控制負(fù)載輸出功率的目的[5]。2.5.2調(diào)壓原理把雙向晶閘管串聯(lián)在交流電路中通過(guò)對(duì)晶閘管的控制就可以控制交流電力。這種電路不改變交流電的頻率，稱為交流電力控制電路。在每半個(gè)周波內(nèi)通過(guò)對(duì)晶閘管開(kāi)通相位的控制，可以方便的調(diào)節(jié)輸出電壓的有效值，這種電路稱為交流調(diào)壓電路。本系統(tǒng)采用同步脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生電網(wǎng)過(guò)零同步脈沖，單片機(jī)采集接收脈沖信號(hào)做為可控硅觸發(fā)信號(hào)基準(zhǔn)，通過(guò)計(jì)算確定可控硅觸發(fā)時(shí)間，從而調(diào)節(jié)加在元器件上的平均電壓[6]。采樣控制理論中有這樣一個(gè)重要理論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。本系統(tǒng)中利用控制可控硅導(dǎo)通角的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制，既是基于此理論。圖2-4中用全波整流得到電網(wǎng)過(guò)零同步信號(hào)，其周期為10ms。在t1時(shí)刻單片機(jī)收到同步信號(hào)之后，對(duì)T1計(jì)數(shù)器賦初值并啟動(dòng)T1計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)，T1計(jì)時(shí)器初值的確定是根據(jù)采集溫度值設(shè)置溫度值經(jīng)PID運(yùn)算之后查表得出。具體方法是根據(jù)加熱器、制冷器的功率以及系統(tǒng)控制精度和采樣控制理論計(jì)算出在控制誤差允許范圍內(nèi)，加熱器制冷器的功率細(xì)分?jǐn)?shù)目，然后用正弦波半波面積除以細(xì)分?jǐn)?shù)，以得到細(xì)分功率后每份對(duì)應(yīng)的面積。然后計(jì)算出對(duì)應(yīng)的角度。由于雙向可控硅最終要由單片機(jī)來(lái)控制,這就要求單片機(jī)計(jì)算出每控制1度角所對(duì)應(yīng)的時(shí)間常數(shù),即當(dāng)量值。簡(jiǎn)便方法是利用單片機(jī)內(nèi)部資源,外部中斷INT1和定時(shí)器T1來(lái)接收同步脈沖信號(hào),T1則進(jìn)行內(nèi)部計(jì)數(shù)即定時(shí)方式。首先選擇晶振,交流電每半波占用的時(shí)間為0.01s,而定時(shí)器的最大計(jì)數(shù)2-16=65536,則計(jì)數(shù)脈沖頻率fmax=2160.01s=6.55MHz.由于計(jì)數(shù)脈沖由晶振通過(guò)內(nèi)部分頻電路獲得,所以理論上晶振fose=12×6.55=78.6MHz。從實(shí)際應(yīng)用考慮,本系統(tǒng)晶振選用6M,這樣計(jì)數(shù)脈沖頻率為0.5M,定時(shí)器T1模式選擇方式1。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)同步脈沖下降沿到來(lái)時(shí),令TR1=1,啟動(dòng)定時(shí)器T1,三極管觸發(fā)電壓約為0.5V，同步脈沖發(fā)生器的電源電壓為12V，根據(jù)沖量與電壓與時(shí)間乘積成正比的原理可知從0V到0.5V之間沖量與半波沖量比約為：0.0001/2，我們根據(jù)需要把電壓半波按面積相等分為100份，每份面積與半波面積比為0.01/2遠(yuǎn)大于0V到0.5V間的0.0001/2，故后者可以忽略不計(jì)，這樣根據(jù)公式：（5）即可算出各份對(duì)應(yīng)的度數(shù)X,又T1計(jì)數(shù)器每2微秒計(jì)數(shù)加一，電源正弦波每度對(duì)應(yīng)時(shí)間為：0.01S/180=55.5×10-6S（6）這樣可計(jì)算n份對(duì)應(yīng)的時(shí)間初值為：TC=216-55.5×10-6×xn（7）將計(jì)算結(jié)果按從小到大是順序制成表以被程序中查取T1計(jì)時(shí)器初值。T1計(jì)滿產(chǎn)生中斷在T1中斷程序中根據(jù)加熱或制冷要求給相應(yīng)的控制加熱制冷電路光耦觸發(fā)的P1.2或P1.1置位，以觸發(fā)可控硅導(dǎo)通；在下次同步脈沖負(fù)邊沿引起/INT1中斷時(shí)，在/INT1中斷程序中將P1.2和P1.1復(fù)位，以關(guān)斷可控硅，從而實(shí)現(xiàn)可控硅導(dǎo)通角的控制，進(jìn)而控制加熱制冷的功率以實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)。要求更高的控制精度時(shí)可以將電壓半波細(xì)分，需相應(yīng)提高檢測(cè)電路的檢測(cè)精度才能實(shí)現(xiàn)更精密的控制。圖2-4同步脈沖產(chǎn)生電路圖2-5可控硅導(dǎo)通角控制圖2-6控制輸出電路2.5.3可控硅雙向可控硅（TRIAC）相當(dāng)于兩只單向可控硅反向并聯(lián)組成的，但是它與單向可控硅有兩點(diǎn)明顯的區(qū)別：一是控制極所加的觸發(fā)信號(hào)不管是正是負(fù)都可使雙向晶閘管導(dǎo)通，二是雙向可控硅在觸發(fā)之后是雙向?qū)ǖ?。雙向可控硅觸發(fā)后電流可以在T1、T2極間雙向流動(dòng),所以一般用在交流控制電路。跟單向可控硅一樣,雙向可控硅觸發(fā)導(dǎo)通后,控制極G上的電壓失去作用。只有當(dāng)T1、T2間電壓(電流)降低到不足以維持導(dǎo)通,或T1、T2間電壓改變方向時(shí),又恰好沒(méi)有觸發(fā)電壓,可控硅才阻斷[7]。雙向可控硅的觸發(fā)電路多種多樣,圖2-6中利用一片光耦MOC3041構(gòu)成可控硅觸發(fā)電路是應(yīng)用最為典型的觸發(fā)電路之一，當(dāng)P1.2輸出高電平時(shí)MOC3041內(nèi)部雙向可控硅導(dǎo)通主電路中可控硅觸發(fā)，控制級(jí)G失去控制作用，只有當(dāng)主電路電壓過(guò)零點(diǎn)時(shí)可控硅關(guān)斷。根據(jù)控制系統(tǒng)通斷頻繁、加熱制冷器件用交流電網(wǎng)電源，以及簡(jiǎn)化控制電路的要求選用雙向可控硅，且要求較高的耐壓性，經(jīng)過(guò)比較最終決定選用PHILIPS公司生產(chǎn)的Z0409MFA336，適用于交流電源，有較高的耐壓性基本參數(shù)見(jiàn)表2-2。表2-2Z0409MF基本參數(shù)斷態(tài)重復(fù)峰值電壓（UDRM）反向重復(fù)峰值電壓（URRM）通態(tài)電壓（UTM）通態(tài)平均電流（IT）維持電流（IH）擎住電流（IL）浪涌電流（ITSM）600V600V2.0V（ITM=5.5AtP=380S）4A10mA15mA20A（20Ms）2.5.4光電耦合器模擬信號(hào)在轉(zhuǎn)化成數(shù)字量的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生干擾信號(hào)，為了消除干擾采用光電隔離技術(shù)。因此在本系統(tǒng)中采用光電耦合器。光電耦合器是以光為媒介傳輸電信號(hào)的一種電-光-電轉(zhuǎn)換器件。它由發(fā)光源和受光器兩部分組成。把發(fā)光源和受光器組裝在同一密閉的殼體內(nèi)，彼此間用透明絕緣體隔離。發(fā)光源的引腳為輸入端，受光器的引腳為輸出端，由于采用電光電的信號(hào)傳送方式，光電隔離器具有很高的絕緣電阻，一般可達(dá)到1010歐姆以上，并能承受1500伏以上的高壓，被隔離的兩端可自成系統(tǒng)，不需要共地，因此能避免輸出端對(duì)輸入端的反饋和干擾，另外以發(fā)光二極管作為發(fā)光源，其動(dòng)態(tài)電阻很小，因而可以抑制系統(tǒng)內(nèi)外的噪音干擾。其工作原理為：在光電耦合器輸入端加電信號(hào)使發(fā)光源發(fā)光，光的強(qiáng)度取決于激勵(lì)電流的大小，此光照射到封裝在一起的受光器上后，因光電效應(yīng)而產(chǎn)生了光電流，由受光器輸出端引出，這樣就實(shí)現(xiàn)了電-光-電的轉(zhuǎn)換[8]。由于雙向可控硅的廣泛應(yīng)用，市場(chǎng)上有多種與之配套的光電隔離器。該器件一般由光電耦合雙向可控硅驅(qū)動(dòng)器，與一般光隔不同在與其輸出部分是一硅光敏雙向可控硅，一般還帶有過(guò)零觸發(fā)檢測(cè)器以保證電壓在零點(diǎn)附近觸發(fā)可控硅。常用的有MOC3000系列等，運(yùn)用于不同負(fù)載電壓使用。根據(jù)系統(tǒng)需要我們選用了MOC3041，基本參數(shù)見(jiàn)表2-3。表2-3MOC3041基本參數(shù)輸入輸出反向電壓正向連續(xù)電流正向峰值電流總功率截止時(shí)端電壓峰值重復(fù)浪涌電流總功率6V50mA1A70mW400V1A300mW2.5.5制冷加熱器件制冷加熱器件是本系統(tǒng)主要執(zhí)行元件和功耗元件，制冷加熱元件的合理選擇利用對(duì)系統(tǒng)控制精度范圍十分重要。（1）加熱器可以根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)要求選擇，在試驗(yàn)系統(tǒng)中我們選用了功率為100W的電阻絲。（2）同加熱器一樣制冷器也可以根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)需要選擇，在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中為方便起見(jiàn)我們選用了滄龍液冷生產(chǎn)的半導(dǎo)體制冷片TEC1—12706，輸出功率為50W，電壓12V，電流直流5A，最高耐壓15.4V，半導(dǎo)體制冷片的工作原理是：當(dāng)一塊N型半導(dǎo)體材料和一塊P型半導(dǎo)體材料聯(lián)結(jié)成電偶對(duì)時(shí)，在這個(gè)電路中接通直流電流后，就能產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)移，電流由N型元件流向P型元件的接頭吸收熱量，成為冷端由P型元件流向N型元件的接頭釋放熱量，成為熱端。吸熱和放熱的大小是通過(guò)電流的大小以及半導(dǎo)體材料N、P的元件對(duì)數(shù)來(lái)決定，以下三點(diǎn)是熱電制冷的溫差電效應(yīng)[9]。這就是著名的珀?duì)柼?yīng)（PELTIEREFFECT）。第3章軟件設(shè)計(jì)3.1部分軟件程序設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)際需要，單片機(jī)軟件主程序由若干模塊組成:初始化模塊、顯示模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、控制模塊。其中有些模塊還包含有子模塊，使用時(shí)下一級(jí)模塊被高一級(jí)模塊調(diào)用，各部分既相互獨(dú)立又相互聯(lián)系。本系統(tǒng)的程序按其功能可以分為五部分：主程序，采集程序，鍵盤程序，顯示程序，控制程序。MIAN程序進(jìn)行必須的初始化操作；/INT1響應(yīng)中斷后，會(huì)進(jìn)行模擬量的采集，并進(jìn)行一系列的處理操作，包括：采集，轉(zhuǎn)換，執(zhí)行相應(yīng)的操作等；/INT0中斷為按鍵程序，以中斷的方式對(duì)按鍵作出反映。/INT1中斷為接同步脈沖觸發(fā)為T1計(jì)時(shí)器提供觸發(fā)信號(hào)基準(zhǔn)。AT89C51片內(nèi)RAM資源地址分配:00H～07H:主程序中工作寄存器R0～R7。08H～0FH：外部中斷0服務(wù)程序中工作寄存器R0～R7。10H～1FH：數(shù)據(jù)處理調(diào)用資源區(qū)。20H～27H：位尋址區(qū)。28H～2AH：存放設(shè)定溫度值。2BH～2DH：存放溫度允許偏差。2EH～30H：存放溫度轉(zhuǎn)化為浮點(diǎn)制后結(jié)果。31H：存放溫度A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。32H～40H：PID計(jì)算緩沖區(qū)。41H～4FH：顯示緩沖區(qū)。50H～7FH：堆棧區(qū)。3.2主要程序初始化及程序流程圖3.2.1主程序初始化及程序流程圖主程序流程圖見(jiàn)圖3-1，主程序初始化如下：ORG0100HMAIN：MOVSP，#50H；設(shè)置堆棧指針；CLRAMOVR0，#40HMOVR1，#10HQXS：MOV@R0，A；清顯示緩沖區(qū)；INCR0DJNZR1，QXS；MOVR0，#32HMOVR1，#10HQPID：MOV@R0，A；清PID計(jì)算中間數(shù)據(jù)；INCR0DJNZR1，QPID；SETBEA；開(kāi)總中斷；SETBIT0；INT0設(shè)為負(fù)邊沿觸發(fā)；SETBEX0；開(kāi)INT0中斷；開(kāi)始開(kāi)始設(shè)置堆棧指針清顯示緩沖區(qū)清PID計(jì)算中間數(shù)據(jù)開(kāi)總中斷圖3-1主程序流程圖3.2.2控制程序初始化及程序流程圖見(jiàn)圖3-2控制程序初始化如下：KOGNZHI：PUSHACC；A入棧；PUSHPSW；PSW入棧；MOVPSW，#08H；R0—R7物理地址改為08—0F；MOV3EH，#08H；3EH—40H存放P（K）浮點(diǎn)制極限數(shù)據(jù)；MOV3FH，#64H；MOV40H，#00H；SETBEA；開(kāi)總中斷；SETBIT0；INT1設(shè)為負(fù)邊沿觸發(fā)；SETBEX1；開(kāi)INT1中斷；圖3-2控制程序流程圖本系統(tǒng)采用兩路溫度采集，一路采集環(huán)境溫度，另外一路采集系統(tǒng)內(nèi)溫度，做溫度控制時(shí)先比較環(huán)境溫度和設(shè)定溫度，當(dāng)設(shè)定溫度高于環(huán)境溫度時(shí)加熱器工作，制冷器不工作；當(dāng)設(shè)定溫度低于環(huán)境溫度時(shí)，制冷器工作，加熱器不工作；受制冷片能夠承受的溫度限制，設(shè)定溫度不能高于67℃（半導(dǎo)體制冷片，最高耐溫67℃，長(zhǎng)時(shí)間高于此溫度可能被燒壞）。采集值、設(shè)定值通過(guò)PID算法計(jì)算后，首先判斷P（K）值是否越限，如果越限則T1初值不必查表直接取表中極限值，如果不越限則對(duì)計(jì)算值根據(jù)控制精度要求進(jìn)行處理，處理原則是根據(jù)控制設(shè)計(jì)偏差將PID算法結(jié)果乘以適當(dāng)?shù)臄?shù)值，然后取整用以查表查T1計(jì)時(shí)器初值。查出T1定時(shí)器初值送存儲(chǔ)后即可從控制程序中返回，當(dāng)電網(wǎng)電壓在零點(diǎn)附近觸發(fā)INT1中斷后INT1中斷程序完成開(kāi)給T1定時(shí)器賦初值和開(kāi)中斷，并且完成關(guān)斷光耦的操作，啟動(dòng)T1計(jì)時(shí)器開(kāi)始記時(shí)以便可控硅在電網(wǎng)電壓過(guò)零點(diǎn)時(shí)關(guān)斷過(guò)零點(diǎn)后在定時(shí)器計(jì)時(shí)未滿時(shí)都保證可控硅的關(guān)斷，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)可控硅導(dǎo)通角的控制。T0中斷程序中主要根據(jù)制冷加熱要求輸出信號(hào)實(shí)現(xiàn)觸發(fā)相應(yīng)光耦，并且關(guān)閉T1中斷，以防止在電源兩次零點(diǎn)間再次進(jìn)T1中斷，防止誤操作，保證控制精度[10]。3.3PID調(diào)節(jié)算法程序和程序流程圖PID控制即比例、積分、微分控制。自19世紀(jì)40年代開(kāi)始以來(lái)，廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中，長(zhǎng)期以來(lái)，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用、價(jià)格低，在廣泛的過(guò)程領(lǐng)域內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)滿意的控制。溫控系統(tǒng)將熱電偶實(shí)時(shí)采集的溫度值與設(shè)定值比較，差值作為PID功能塊的輸入。PID算法根據(jù)比例、積分、微分系數(shù)計(jì)算出合適的輸出控制參數(shù)，利用修改控制變量誤差的方法實(shí)現(xiàn)閉控制，使控制過(guò)程連續(xù)，是很普通的調(diào)節(jié)方法。其優(yōu)點(diǎn)是算法簡(jiǎn)單、魯棒性好。其缺點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)PID參數(shù)整定麻煩，被控對(duì)象模型參數(shù)難以確定，外界干擾會(huì)使控制漂離最佳狀態(tài)[11]。多年以來(lái),在過(guò)程控制中,PID調(diào)節(jié)器是應(yīng)用最為廣泛的一種自動(dòng)控制器。在計(jì)算機(jī)用于生產(chǎn)過(guò)程以前,連續(xù)過(guò)程控制系統(tǒng)中采用的氣動(dòng)、液動(dòng)和電動(dòng)的PID調(diào)節(jié)器幾乎一直占?jí)艛嗟匚?。由最?yōu)控制理論可以證明,它能適應(yīng)不少工業(yè)對(duì)象的控制要求,故至今仍然是一種最基本的控制方式。計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和它在過(guò)程控制中的應(yīng)用使這種情況開(kāi)始有所改變。然而在目前,即使在過(guò)程計(jì)算機(jī)控制中,PID控制仍然是應(yīng)用最廣泛的控制方法[12]。本系統(tǒng)的控制算法即采用了數(shù)字PID算法。在連續(xù)控制系統(tǒng)中,PID調(diào)節(jié)器是一種應(yīng)用最廣泛的控制器,如圖3-4所示,其中比例控制P為比例系數(shù)Kp乘誤差信息e(t)；積分控制I即用積分系數(shù)Ki乘誤差信號(hào)的積分值；微分控制D是用微分系數(shù)乘以de(t)/dt即：U(t)=Kp×e(t)+Ki×∫e(t)dt+Kd×de(t)/dt（8）其中,kp=1/,ki=1/Ti,kd=Td,為比例帶,Ti為積分時(shí)間,Td為微分時(shí)間,U(t)為控制量,e(t)為被控量y(t)與給定值r(t)的偏差[13]。圖3-3PID控制系統(tǒng)原理圖數(shù)字PID調(diào)節(jié)器中的比例控制作用可減小誤差,積分作用可消除偏差,使穩(wěn)態(tài)誤差為零,而微分控制作用可減少輸出響應(yīng)超調(diào)量。為了便于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)PID控制算法,必然把公式改寫成差分方程:（9）其中,u(n)為第n時(shí)刻的控制量,T為采樣周期,n為采樣序號(hào),n=0,1,2,…；e(n-1)和e(n)分別為第(n-1)和第n次采樣所得的偏差。式（9）稱為理想微分PID數(shù)字調(diào)節(jié)器,由此式可知,數(shù)字PID調(diào)節(jié)器的輸出u(n)也和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置對(duì)應(yīng),故稱此式為位置型算式。為了編制程序方便,也可將公式2改寫為：u(n)=u(n-1)+Kp[E(n)-E(n-1)]+KiE(n)+Kd[E(n)-2E(n-1)+E(n-2)](10)其中,u(n-1)為第(n-1)時(shí)刻的控制量。稱公式（10）為增量型算式。采用增量型算式計(jì)算u(n)的優(yōu)點(diǎn)是,編制程序簡(jiǎn)單,歷史數(shù)據(jù)可以遞推使用,且占用存儲(chǔ)單元少,運(yùn)算速度快[14]。本系統(tǒng)控制算法既用的公式（10）。3.3.1PID參數(shù)整定PID參數(shù)的整定對(duì)控制效果至關(guān)重要，參數(shù)整定方法很多，在系統(tǒng)研制過(guò)程中我們采用了比較經(jīng)典的高橋參數(shù)整定公式[15]。在已知連續(xù)對(duì)象單位階躍響應(yīng)y(t)或y(k)情況下，如圖11所示，找到相鄰兩個(gè)采樣點(diǎn)之間的最大差值：hmax=y(k0)-y(k0-1)（11）及對(duì)應(yīng)采樣點(diǎn)k0,則高橋參數(shù)整定經(jīng)驗(yàn)公式為：L0=k0-y(k0)/hmax（12）Ki=0.6/hmax(L0+0.5)2Kp=1.2/hmax(L0+1)-Ki/2Kd=0.5/hmax～0.3/hmax式中L0見(jiàn)圖11。L0T相應(yīng)于對(duì)象的滯后。圖3-4單位階躍響應(yīng)特性3.3.2算法程序和程序流程圖PID算法程序是根據(jù)設(shè)定溫度與實(shí)際測(cè)量溫度的偏差以及偏差的變化趨勢(shì)和過(guò)程計(jì)算輸出，然后控制溫度根據(jù)其計(jì)算結(jié)果查定時(shí)器時(shí)間初值，PID算法程序流程見(jiàn)圖3-5。圖3-5PID算法流程圖結(jié)論溫度控制系統(tǒng)是比較成熟的系統(tǒng)，由于時(shí)間和