畢業(yè)設(shè)計（論文）基于單片機的食品加工機溫控系統(tǒng)

1、目錄引言11 概況及現(xiàn)狀分析11.1概況11.2溫度測控技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀分析22 總體電路設(shè)計32.1系統(tǒng)性能要求及特點32.2系統(tǒng)硬件與軟件方案分析43.系統(tǒng)硬件設(shè)計53.1系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)53.2主控模塊器件選型及設(shè)計63.2.1單片機的選用及介紹63.2.2主控模塊設(shè)計73.3輸入通道設(shè)計83.3.1 ptl00溫度傳感器83.3.2a/d轉(zhuǎn)換103.4輸出通道設(shè)計123.4.1電阻爐的功率調(diào)節(jié)方式123.4.2可控硅輸出電路143.5串行通信接口電路143.6電源電路153.7硬件抗干擾系統(tǒng)164 軟件設(shè)計164.1軟件組成174.2主程序模塊174.3數(shù)據(jù)采集模塊194.4顯示處理模

2、塊195控制方案205.1pid控制的發(fā)展205.2pid控制理論215.3pid控制算法226總結(jié)24參考文獻(xiàn)：25附件126附件226基于單片機的食品加工機溫控系統(tǒng)摘要：在食品加工中，需要對溫控箱中的溫度進(jìn)行檢測和控制。本文針對食品加工機溫度控制的要求，設(shè)計了基于at89c52單片機的食品加工機溫度控制系統(tǒng)。該溫度控制系統(tǒng)采用pt100溫度傳感器采集溫度，通過led顯示器顯示溫度。硬件上充分考慮了抗干擾措施，軟件上用了pid控制算法，并給出了硬件結(jié)構(gòu)圖與軟件流程。本設(shè)計具有控制簡單、方便和靈活性大、精度高等特點。關(guān)鍵詞：溫度控制；單片機；pid引言單片機是隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展而誕

3、生的，由于它具有體積小、功能強、性價比高等特點，被廣泛應(yīng)用到食品加工機的控制中。使產(chǎn)品小型化、智能化，既提高了食品加工機的功能與質(zhì)量，又降低了成本，簡化了設(shè)計。本文介紹了單片機在食品加工機溫控系統(tǒng)中的應(yīng)用。溫度是生活及生產(chǎn)過程中最基本的物理量，它表征的是物體的冷熱程度。在生產(chǎn)過程中，溫度的測量和控制都直接和安全生產(chǎn)、提高生產(chǎn)效率、保證產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約能源等重大技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)相聯(lián)系。1所以在本文中提出了pid控制，達(dá)到對溫度的高精度控制。1 概況及現(xiàn)狀分析1.1概況民以食為天。在食品加工過程中溫度是一個非常重要的控制量。對于需要冷藏處理的食品溫度達(dá)不到要求，食品就會腐敗影響到食品安全；對于需要加熱的

4、食品，在加工初期溫度過高會引起微生物繁殖、蛋白質(zhì)變性；對于烘烤類食品溫度過低會使加熱時間過長，且達(dá)不到預(yù)期的口感，溫度過高會使食品烤焦，甚至產(chǎn)生安全問題。所以對食品加工過程中溫度的精確控制是至關(guān)重要的。 2在食品加工中要對加熱爐進(jìn)行溫度控制。然而，用常規(guī)的控制方法，潛力是有限的，難以滿足較高的性能要求。采用單片機來對它們進(jìn)行控制不僅具有控制方便、簡單和靈活性大的優(yōu)點，而且可以大幅度提高被測溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。3因此，單片機對溫度的控制是食品生產(chǎn)中經(jīng)常會遇到的控制問題。同時,溫度的測量與控制在國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域中均受到了相當(dāng)程度的重視。然而，高精度溫度控制的難度比較大

5、，而且不同的應(yīng)用環(huán)境也需要不同的控制策略。1.2溫度測控技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀分析近年來，溫度的檢測在理論上發(fā)展比較成熟，但在實際測量和控制中，如何保證快速實時地對溫度進(jìn)行采樣，確保數(shù)據(jù)的正確傳輸，并能對所測溫度場進(jìn)行較精確的控制，仍然是目前需要解決的問題。溫度測控技術(shù)包括溫度測量技術(shù)和溫度控制技術(shù)兩個方面。在溫度的測量技術(shù)中，接觸式測溫發(fā)展較早，這種測量方法的優(yōu)點是：簡單、可靠、低廉、測量精度較高，一般能夠測得真實溫度；但由于檢測元件熱慣性的影響，響應(yīng)時間較長，對熱容量小的物體難以實現(xiàn)精確的測量，并且該方法不能用于超高溫測量，難于測量運動物體的溫度。另外的非接觸式測溫方法是通過對輻射能量的檢測來實

6、現(xiàn)溫度測量的方法，其優(yōu)點是：不破壞被測溫場，可以測量熱容量小的物體，適于測量運動物體的溫度，還可以測量區(qū)域的溫度分布，響應(yīng)速度較快。但也存在測量誤差較大，儀表指示值一般僅代表物體表觀溫度，測溫裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴等缺點。因此，在實際的溫度測量中，要根據(jù)具體的測量對象選擇合適的測量方法，在滿足測量精度要求的前提下盡量減少投入。從工業(yè)溫度控制器的發(fā)展過程來看，溫度控制技術(shù)大致可分以下幾種：（1）定值開關(guān)控溫法所謂定值開關(guān)控溫法，就是通過硬件電路或軟件計算判別當(dāng)前溫度值與設(shè)定目標(biāo)溫度值之間的關(guān)系，進(jìn)而對系統(tǒng)加熱源（或冷卻裝置）進(jìn)行通斷控制。若當(dāng)前溫度值比設(shè)定溫度值高，則關(guān)斷加熱器，或者開動制冷裝置

7、；若當(dāng)前溫度值比設(shè)定溫度值低，則開啟加熱器并同時關(guān)斷制冷器。這種開關(guān)控溫方法比較簡單，在沒有計算機參與的情況下，用很簡單的模擬電路就能夠?qū)崿F(xiàn)。目前，采用這種控制方法的溫度控制器在我國許多工廠的老式工業(yè)電爐中仍被使用。由于這種控制方式是當(dāng)系統(tǒng)溫度上升至設(shè)定點時關(guān)斷電源，當(dāng)系統(tǒng)溫度下降至設(shè)定點時開通電源，因而無法克服溫度變化過程的滯后性，致使系統(tǒng)溫度波動較大，控制精度低，完全不適用于高精度的溫度控制。（2）pid線性控溫法這種控溫方法是基于經(jīng)典控制理論中的調(diào)節(jié)器控制原理，pid控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，由于其算法簡單、魯棒性好、可靠性高等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用工業(yè)過程控制中，尤其適用于可建立精確數(shù)

8、學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)。由于pid調(diào)節(jié)器模型中考慮了系統(tǒng)的誤差，誤差變化及誤差積累三個因素，因此，其控制性能大大地優(yōu)越于定值開關(guān)控溫法。其具體電路可以采用模擬電路或計算機軟件方法來實現(xiàn)pid調(diào)節(jié)功能。前者稱為模擬pid調(diào)節(jié)器，后者稱為數(shù)字pid調(diào)節(jié)器。其中數(shù)字pid調(diào)節(jié)器的參數(shù)可以在現(xiàn)場實現(xiàn)在線整定，因此具有較大的靈活性，可以得到較好的控制效果。采用這種方法實現(xiàn)的溫度控制器，其控制品質(zhì)的好壞主要取決于三個pid參數(shù)（即比例值、積分值、微分值）。只要pid參數(shù)選取的正確，對于一個確定的受控系統(tǒng)來說，其控制精度是比較令人滿意的。但是，它的不足也恰恰在于此，當(dāng)對象特性一旦發(fā)生改變，三個控制參數(shù)也必須

9、相應(yīng)地跟著改變，否則其控制品質(zhì)就難以得到保證。4（3）智能溫度控制法為了克服pid線性控溫法的弱點，人們相繼提出了一系列自動調(diào)整pi參數(shù)的方法，如pid參數(shù)的自學(xué)習(xí)，自整定等等。并通過將智能控制與pid控制相結(jié)合，從而實現(xiàn)溫度的智能控制。智能控溫法采用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)和模糊數(shù)學(xué)為理論基礎(chǔ)，并適當(dāng)加以專家系統(tǒng)來實現(xiàn)智能化。其中應(yīng)用較多的有模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制以及專家系統(tǒng)等。尤其是模糊控溫法在實際工程技術(shù)中得到了極為廣泛的應(yīng)用。目前已出現(xiàn)一種高精度模糊控制器，可以更好的模擬人的操作經(jīng)驗來改善控制性能，從理論上講，可以完全消除穩(wěn)態(tài)誤差。5所謂第三代智能溫控儀表，就是指基于智能控溫技術(shù)而研制的具有自適應(yīng)p

10、id算法的溫度控制儀表。目前國內(nèi)溫控儀表的發(fā)展，相對國外而言在性能方面還存在一定的差距，它們之間最大的差別主要還是在控制算法方面，具體表現(xiàn)為國內(nèi)溫控儀在全量程范圍內(nèi)溫度控制精度低，自適應(yīng)性較差。這種不足的原因是多方面造成的，如針對不同的溫控對象，由于控制算法的不足而導(dǎo)致控制精度不穩(wěn)定等。針對上述不足，本文以探索新的pid自整定方法為目的，設(shè)計和開發(fā)一種新型電阻爐智能溫度控制儀，以簡化控制電路，提高系統(tǒng)運行的可靠性。2 總體電路設(shè)計2.1系統(tǒng)性能要求及特點 在食品加工過程中，對于不同的原料不同的生產(chǎn)需求，需要采取不同的加工工藝。有的食品原料需要進(jìn)行冷凍處理，有的食品原料需要進(jìn)行加熱處理。同時食品

11、加工中的溫度控制有動態(tài)溫度跟蹤與恒值溫度控制。動態(tài)溫度跟蹤實現(xiàn)的控制目標(biāo)是使被控對象的溫度值按預(yù)先設(shè)定好的曲線進(jìn)行變化；恒值溫度控制的目的是使被控對象的溫度恒定在某一給定數(shù)值上，且要求其波動幅度(即穩(wěn)態(tài)誤差)不能超過某允許值。6本文所討論的基于單片機的食品加工機溫度控制系統(tǒng)就是要實現(xiàn)對溫控箱的恒值溫度控制要求，故以下僅對恒值溫度控制進(jìn)行討論。所以該系統(tǒng)的性能要求及特點如下：(1)系統(tǒng)性能要求：(a)可以人為方便地通過控制面板或pc機設(shè)定控制期望的溫度值，系統(tǒng)應(yīng)能自動將溫控箱加熱至此設(shè)定溫度值并能保持，直至重新設(shè)定為另一溫度值，即能實現(xiàn)溫度的自動控制；(b)能夠?qū)崿F(xiàn)對溫控箱溫度的測量并且通過控制

12、面板上的顯示器顯示出來；(c)具有自動加熱保護(hù)功能的安全性要求。如果實際測得的溫度值超過了系統(tǒng)要求的溫度范圍，就停止加熱。(d)系統(tǒng)可靠性高，不易出故障；(e)盡量采用典型、通用的器件，一旦損壞，易于在市場上買到同樣零部件進(jìn)行替換。(f)模塊化設(shè)計，安裝拆卸簡單，維修方便；(2)系統(tǒng)特點：鑒于上述系統(tǒng)功能要求以及智能儀表應(yīng)具有的體積小、成本低、功能強、抗干擾并盡可能達(dá)到更高精度的要求。本系統(tǒng)在硬件設(shè)計方面具有如下特點：控制主板采用at89c52作為核心芯片。作為與mcs-51系列兼容的單片機，無論在運算速度，還是在內(nèi)部資源上均可勝任本系統(tǒng)的性能要求。7根據(jù)溫控箱測溫范圍的要求，本系統(tǒng)適合采用p

13、tl00鉑電阻作為溫度傳感器，而ptl00鉑電在大溫度范圍內(nèi)測溫時表現(xiàn)出的不可忽視的非線性不容忽視，因此在溫度測量的過程中必須對鉑電阻溫度傳感器的非線性進(jìn)行優(yōu)化，從而提高系統(tǒng)溫度測量的精確度。本文采用最小二乘法擬合的方法對鉑電阻的非線性進(jìn)行優(yōu)化。8為了簡化系統(tǒng)硬件，控制量采用雙向可控硅輸出，這樣就省去了d/a轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。整個系統(tǒng)遵循了冗余原則及以軟代硬的原則，并盡可能選用典型、常用、易替換的芯片和電路，為系統(tǒng)的開放性、標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化打下良好基礎(chǔ)。2.2系統(tǒng)硬件與軟件方案分析食品加工機溫度控制系統(tǒng)的硬件電路一般采用模擬電路(analog circuit)和單片機(microcontroller)兩

14、種形式。模擬控制電路的各控制環(huán)節(jié)一般由運算放大器、電壓比較器、模擬集成電路以及電容、電阻等外圍元器件組成。它的最大優(yōu)點是系統(tǒng)響應(yīng)速度快，能實現(xiàn)對系統(tǒng)的實時控制。根據(jù)計算機控制理論可知，數(shù)字控制系統(tǒng)的采樣速率并非越快越好，它還取決于被控系統(tǒng)的響應(yīng)特性。在系統(tǒng)中，由于溫度的變化是一個相對緩慢的過程，對溫控系統(tǒng)的實時性要求不是很高，所以模擬電路的優(yōu)勢得不到體現(xiàn)。9另外，模擬電路依靠元器件之間的電氣關(guān)系來實現(xiàn)控制算法，很難實現(xiàn)復(fù)雜的控制算法。單片機是大規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，屬于第四代電子計算機。它是把中央處理單元cpu(central processing unit)、隨機存取存儲器ram(ra

15、ndomaccess memory)、只讀存儲rom(readonly memory)、定時/計數(shù)器以及i/o(input/output)輸入輸出接口電路等主要計算機部件都集成在一塊集成電路芯片上的微型計算機，它的特點是：功能強大、運算速度快、體積小巧、價格低廉、穩(wěn)定可靠、應(yīng)用廣泛。由此可見，采用單片機設(shè)計控制系統(tǒng)，不僅可以降低開發(fā)成本，精簡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而且控制算法由軟件實現(xiàn)，還可以提高系統(tǒng)的兼容性和可移植性。10另外，隨著微電子技術(shù)和半導(dǎo)體工業(yè)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，片上系統(tǒng)soc(system on chip)得到了十足的發(fā)展。一些廠家根據(jù)系統(tǒng)功能的復(fù)雜程度，將這種soc芯片應(yīng)用到先進(jìn)的控制儀表中

16、。soc芯片通常含有一個微處理器核(cpu)，同時，它還含有多個外圍特殊功能模塊和一定規(guī)模的存儲器(ramrom)，并且這種片上系統(tǒng)一般具有用戶自定義接口模塊，使得其功能非常強大，適用領(lǐng)域也非常廣。它不僅能滿足復(fù)雜的系統(tǒng)性能的需要，而且還使整個系統(tǒng)的電路緊湊，硬件結(jié)構(gòu)簡化。從實現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)功能和簡化硬件結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，soc是實現(xiàn)溫度控制統(tǒng)的最佳選擇，但目前市場上soc的價格還比較昂貴，并且soc的封裝形式幾乎都采用貼片式封裝，不利于實驗電路板的搭建。從降低成本，器件供貨渠道充足的角度看，應(yīng)用單片機實現(xiàn)溫度控制系統(tǒng)是比較經(jīng)濟實用的。目前，市面上單片機不僅種類繁多，而且在性能方面也各有所長。at8

17、9c52單片機是atmel公司出品的與mcs-51系列兼容的低電壓、高性能cmos 8位單片機。目前，mcs51單片機的開發(fā)主要用到兩種語言：匯編語言和c語言。與匯編語言相比，c語言具有以下的特點：(1)具有結(jié)構(gòu)化控制語句結(jié)構(gòu)化控制語言的顯著特點是代碼和數(shù)據(jù)的分隔化，即程序的各個部分除了必要的信息交流外彼此獨立。這種結(jié)構(gòu)化方式可使程序?qū)哟吻逦?，便于使用、維護(hù)及調(diào)試；(2)適用范圍大和可移植性好同其他高級語言一樣，c語言不依賴于特定的cpu，其源程序具有良好的可移植性。目前，主流的cpu和常見的mcu都有c編譯器。加之集成開發(fā)環(huán)境keil編譯生成的代碼效率很高(僅比匯編語言生成的代碼效率低10-

18、15)。所以，本系統(tǒng)的軟件選擇使用c語言開發(fā)。11由于整個系統(tǒng)軟件比較復(fù)雜，為了便于編寫、調(diào)試、修改和增刪，系統(tǒng)程序的編制適合采用模塊化的程序結(jié)構(gòu)，故要整個控制系統(tǒng)軟件由許多獨立的小模塊組成，它們之間通過軟件接口連件結(jié)構(gòu)。接，遵循模塊內(nèi)數(shù)據(jù)關(guān)系湊，模塊間數(shù)據(jù)關(guān)系松散的原則，將各功能模塊組織成模塊化的軟3.系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)本文所研究的溫度控制系統(tǒng)硬件部分按功能大致可以分為以下幾個部分：單片機主控模塊、輸入通道、輸出通道等。硬件總體結(jié)構(gòu)框圖如圖3-1所示。由結(jié)構(gòu)框圖可見，溫度控制系統(tǒng)以at89c52單片機為核心。溫控箱的溫度由ptl00鉑電阻溫度傳感器檢測并轉(zhuǎn)換成微弱的電壓信號，

19、再通過8位的a/d轉(zhuǎn)換adc0809轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。此數(shù)字量經(jīng)過數(shù)字濾波之后，一方面將溫控箱的溫度通過控制面板上的顯示器顯示出來；另一方面將該溫度值與設(shè)定的溫度值進(jìn)行比較，根據(jù)其偏差值的大小，采用pid控制算法進(jìn)行運算，最后通過控制雙向可控硅控制周期內(nèi)的通斷占空比(即控制溫控箱加熱平均功率的大小)，進(jìn)而達(dá)到對溫控箱溫度進(jìn)行控制的目的。時鐘電路a/d轉(zhuǎn)換溫度傳感器溫控箱加熱部件可控硅at89c52串行通信顯示電路鍵盤電路 圖3-1 硬件總體框圖3.2主控模塊器件選型及設(shè)計3.2.1單片機的選用及介紹針對一定的用途，恰當(dāng)?shù)倪x擇所使用的單片機是十分重要的。對于明確的應(yīng)用對象，選擇功能過少的單片機無法完

20、成控制任務(wù)；選擇功能過強的單片機，則會造成資源浪費，使產(chǎn)品的性能價格比下降。目前，市面上的單片機不僅種類繁多，而且在性能方面也各有不同。實際應(yīng)用中，針對不同的需求要選擇合適的單片機，選擇單片機時要注意下幾點：(1)單片機的基本性能參數(shù)，例如指令執(zhí)行速度，程序存儲器容量，中斷能力及i/o口引腳數(shù)量等；(3)單片機的存儲介質(zhì)，對于程序存儲器來說，flash存儲器和otp(一次性可編程)存儲器相比較，最好是選擇flash存儲器；(4)芯片的封裝形式，如dip封裝，plcc封裝及表面貼附封裝等。選擇dip封裝在搭建實驗電路時會更加方便一些； (2)單片機的增強功能，例如看門狗，雙串口，rtc(實時時鐘

21、)，eeprom，can接口等；(5)芯片工作溫度范圍符合工業(yè)級、軍品級還是商業(yè)級，如果設(shè)計戶外產(chǎn)品，必須選用工業(yè)級芯片；(6)單片機的工作電壓范圍，例如設(shè)計電視機遙控器時，使用2節(jié)干電池供電，至少選擇的單片機能夠在1.8v-3.6v電壓范圍內(nèi)工作；(7)單片機的抗干擾性能好；(8)編程器以及仿真器的價格，單片機開發(fā)是否支持高級語言以及編程環(huán)易學(xué)；(9)供貨渠道是否暢通，價格是否低廉，是否具有良好的技術(shù)服務(wù)支持。12根據(jù)上面所述的原則，結(jié)合本系統(tǒng)實際情況綜合考慮，本文討論的溫度控制系統(tǒng)選atmel公司生產(chǎn)的at89c52單片機作為主控模塊的核心芯片。本系統(tǒng)選用atmel公司生產(chǎn)的at89系列單

22、片機中的at89c52，at89c52單片機是新型的低功耗、高性能的8位cmos微控制器，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)mcs-51指令系列和引腳全兼容。具有超強的三級加密功能，其片內(nèi)閃電存儲器(flashmemory)的編程與擦除完全用電實現(xiàn)，數(shù)據(jù)不易揮發(fā)，編程/擦除速度快。at89c52單片機dip封裝的引腳如圖3-2所示。at89c52的主要特點有：(1)內(nèi)部程序存儲器為電擦除可編程只讀存儲器eeprom，容量8kb，內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器容量256字節(jié)，最大尋址空間64kb；(2)三個16位定時/計數(shù)器；(3)可利用兩根i/o口線作為全雙工的串行口，有四種工作方式，可通過編程設(shè)定；(4)內(nèi)部rom中開辟了四個通用

23、工作寄存器區(qū)，共32個通用寄存器，以適應(yīng)多種中斷或子程序嵌套的情況；(5)6個中斷源，分為兩個中斷優(yōu)先級，每個中斷源優(yōu)先級都是可編程的；(6)內(nèi)部有一個由直接可位尋址組成的布爾處理機，在指令系統(tǒng)中包含了一個指令子集，專門用于對布爾處理機的各位進(jìn)行各種布爾處理，特別適用于控制目的和解決邏輯問題；(7)at89c52的狀態(tài)周期由晶體振蕩器2分頻后獲得，作為芯片工作的基本時間單位，在采用12mhz晶振時，at89c52的狀態(tài)周期為(2/12)*10-6=167ns。13at89c52引腳如圖3-2所示：圖3-2 at89c52引腳圖3.2.2主控模塊設(shè)計主控模塊電路由at89c52單片機、復(fù)位電路、

24、外部時鐘電路組成。（1） 復(fù)位電路：單片機上電時，當(dāng)振蕩器正在運行時，只要持續(xù)給出rst引腳兩個機器周期的高電平，便可完成系統(tǒng)復(fù)位。外部復(fù)位電路是為內(nèi)部復(fù)位電路提供兩個機器周期以上的電平而設(shè)計的。系統(tǒng)采用上電自動復(fù)位，上電瞬間電容器上的電壓不能突變，rst上的電壓是vcc上的電壓與電容器上的電壓之差，因而rst上的電壓與vcc上的電壓相同。隨著充電的進(jìn)行，電容器上的電壓不斷上升，rst上的電壓就隨著下降，rst腳上只要保持10ms以上高電平，系統(tǒng)就會有效復(fù)位。電容c可取10-33uf，電阻r可取1.2-10k。在本系統(tǒng)設(shè)計中，c取22uf,r取4.7k，充電時間常數(shù)為22*10-6 *4.7*

25、103=104ms。（2）振蕩電路：xtal1腳和xtal2腳分別構(gòu)成片內(nèi)振蕩器的反相放大器的輸入和輸出端，外接石英晶振或陶瓷晶振以及補償電容c1、c2選47uf構(gòu)成并聯(lián)諧振電路。當(dāng)外接石英晶振時，電容c1、c2選30pf10pf；當(dāng)外接陶瓷振蕩器時，電容c1、c2選47uf10uf。at89s52系統(tǒng)中晶振可在024mhz選擇。外接電c1、c2的大小會影響振蕩器頻率的穩(wěn)定度、起振時間及溫度穩(wěn)定性。在設(shè)計電路板時，晶振和電容應(yīng)靠近單片機芯片，以便減少寄生電容，保證振蕩器穩(wěn)定可靠工作。在本硬件系統(tǒng)設(shè)計中，為保證串行通行波特率的誤差，選擇了11.0592mhz的標(biāo)準(zhǔn)石英晶振，電容c1、c2為47u

26、f。復(fù)位與時鐘電路如圖3-3所示：圖3-3 復(fù)位與時鐘電路3.3輸入通道設(shè)計系統(tǒng)輸入通道的作用是將溫控箱的溫度(非電量)通過傳感器電路轉(zhuǎn)化為電量(電壓或電流)輸出，本系統(tǒng)就是將溫度轉(zhuǎn)化為電壓的輸出。由于此時的電量(電壓)還是單片機所不能識別的模擬量，所以還需要進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換，即將模擬的電量轉(zhuǎn)化成與之對應(yīng)的數(shù)字量，提供給單片機判斷和控制。輸入通道由傳感器、a/d轉(zhuǎn)換等電路組成。3.3.1 ptl00溫度傳感器溫度傳感器的種類比較繁雜，各種不同的溫度傳感器由于其構(gòu)成材料、構(gòu)成方式及測溫原理的不同，使得其測量溫度的范圍、測量精度也各不相同。因此，在不同的應(yīng)用場合，應(yīng)選擇不同的溫度傳感器。ptl00型

27、鉑電阻，在-200到850范圍內(nèi)是精度最高的溫度傳感器之一。與熱電偶、熱敏電阻相比較，鉑的物理、化學(xué)性能都非常穩(wěn)定，尤其是耐氧化能力很強，離散性很小，精度最高，靈敏度也較好。這些特點使得鉑電阻溫度傳感器具有信號強、精度高、穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性好的特點。14由于在本系統(tǒng)中，測溫范圍較大(在室溫到600之間)，且要求檢測精度高、穩(wěn)定性好，因此選用ptl00鉑電阻作為本溫度控制系統(tǒng)的溫度傳感器。鉑電阻溫度傳感器主要有兩種類型：標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度傳感器和工業(yè)鉑電阻溫度傳感器。在測量精度方面，工業(yè)鉑電阻的測量穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性一般不如標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻，這主要有兩個方面的原因，其一是高溫下金屬鉑與周圍材料之間的擴散使其純度受

28、到污染，從而降低了鉑電阻測溫的復(fù)現(xiàn)性能，其二是因為高溫條件下的應(yīng)力退火影響了其復(fù)現(xiàn)性能。但是標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度傳感器也存在價格昂貴，維護(hù)起來較為困難等缺點?？紤]到成本，故在本系統(tǒng)中采用工業(yè)級ptl00鉑電阻作為溫度傳感器。鉑電阻測溫電路的工作方式一般分為恒壓方式和恒流方式兩種。按照接線方式的不同又可以分為二線制、三線制和四線制幾種。本系統(tǒng)采用的是恒流四線制接法對ptl00鉑電阻進(jìn)行采樣。鉑電阻溫度傳感器采樣電路將溫控箱的溫度轉(zhuǎn)化為電壓輸出。采用恒流四線制接法的測溫電路中需要用到一個穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓源。15本系統(tǒng)采用精密基準(zhǔn)電壓源lm399h產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓，圖中參考電壓ep即來自lm399h?；鶞?zhǔn)電壓源

29、電路如圖3-4所示。lm399h是內(nèi)置恒溫槽高精度基準(zhǔn)電壓源，輸出電壓6.9999v。它是迄今為止同類產(chǎn)品中溫度系數(shù)最低的器件，內(nèi)部有恒溫電路，保證了器件的長期穩(wěn)定性。本系統(tǒng)中基準(zhǔn)電壓源產(chǎn)生的電壓不僅提供給鉑電阻采樣電路而且還提供給a/d轉(zhuǎn)換電路使用。圖3-4 基準(zhǔn)電壓源電路鉑電阻溫度傳感器是利用其電阻值隨溫度的變化而變化這一特性進(jìn)行溫度測量的，根據(jù)iec(international electrician committee)標(biāo)準(zhǔn)751-1983： （-200t0） （3-1） （0t850） （3-2）其中，為t時的電阻值，為o時的電阻值。3.3.2a/d轉(zhuǎn)換在單片機控制系統(tǒng)中，控制或測量

30、對象的有關(guān)變量，往往是一些連續(xù)變化的模擬量，如溫度、壓力、流量、位移、速度等物理量。但是大多數(shù)單片機本身只能識別和處理數(shù)字量，因此必須經(jīng)過模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換(a/d轉(zhuǎn)換)，才能夠?qū)崿F(xiàn)單片機對被控對象的識別和處理。完成a/d轉(zhuǎn)換的器件即為a/d轉(zhuǎn)換器。a/d轉(zhuǎn)換器的主要性能參數(shù)有：(1)分辨率 分辨率表示a/d轉(zhuǎn)換器對輸入信號的分辨能力。a/d轉(zhuǎn)換器的分辨率以輸出二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)表示；(2)轉(zhuǎn)換時間 轉(zhuǎn)換時間指a/d轉(zhuǎn)換器從轉(zhuǎn)換控制信號到來開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號所經(jīng)過的時間。不同類型的轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度相差甚遠(yuǎn)：(3)轉(zhuǎn)換誤差 轉(zhuǎn)換誤差表示a/d轉(zhuǎn)換器實際輸出的數(shù)字量和理論上的輸出數(shù)字量之

31、間的差別，常用最低有效位的倍數(shù)表示；(4)線性度 線性度指實際轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)移函數(shù)與理想直線的最大偏移。目前有很多類型的a/d轉(zhuǎn)換芯片，它們在轉(zhuǎn)換速度、轉(zhuǎn)換精度、分辨率以及使用價值上都各具特色，其中大多數(shù)積分型或逐次比較型的a/d轉(zhuǎn)換器對于高精度測量，其轉(zhuǎn)換效果不夠理想。溫度控制中a/d轉(zhuǎn)換是非常重要的一個環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的電路設(shè)計方法是在a/d轉(zhuǎn)換前增加一級高精度的測量放大器，這樣就增加了成本，電路也較為復(fù)雜。綜合考慮，本系統(tǒng)選用美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的cmos工藝8通道adc0809作為本溫控系統(tǒng)的a/d轉(zhuǎn)換器。其引腳圖如圖3-5所示： 圖3-5 adc0809引腳圖adc0809是美國國家半導(dǎo)體公

32、司生產(chǎn)的cmos工藝8通道，8位逐次逼近式a/d轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部有一個8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換。是目前國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的8位通用a/d芯片adc0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，主要引腳功能介紹如下：in0in7：8路模擬量輸入端。 2-12-8：8位數(shù)字量輸出端。 adda、addb、addc：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路 ale：地址鎖存允許信號，輸入，高電平有效。 start： a/d轉(zhuǎn)換啟動脈沖輸入端，輸入一個正脈沖（至少100ns寬）使其啟動（脈沖上升沿使0809復(fù)位，下降沿啟動a/d轉(zhuǎn)換）

33、。 eoc： a/d轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出，當(dāng)a/d轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸出一個高電（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）。 oe：數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入，高電平有效。當(dāng)a/d轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸入一個高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。 clk：時鐘脈沖輸入端。要求時鐘頻率不高于640khz。 ref（+）、ref（-）：基準(zhǔn)電壓。 vcc：電源，單一+5v。 gnd：地。 adc0809的工作過程是首先輸入3位地址，并使ale=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。start上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。下降沿啟動 a/d轉(zhuǎn)換，之后eoc輸出信號變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。直到a/d轉(zhuǎn)

34、換完成，eoc變?yōu)楦唠娖?，指示a/d轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。當(dāng)oe輸入高電平時，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送 a/d轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)應(yīng)及時傳送給單片機進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)傳送的關(guān)鍵問題是如何確認(rèn)a/d轉(zhuǎn)換的完成，因為只有確認(rèn)完成后，才能進(jìn)行傳送。16為此可采用下述三種方式。 （1）定時傳送方式 對于一種a/d轉(zhuǎn)換其來說，轉(zhuǎn)換時間作為一項技術(shù)指標(biāo)是已知的和固定的。例如adc0809轉(zhuǎn)換時間為128us，相當(dāng)于6mhz的mcs-51單片機共64個機器周期?？蓳?jù)此設(shè)計一個延時子程序，a/d轉(zhuǎn)換啟動后即調(diào)用此子程序，延遲時間一到，轉(zhuǎn)換肯定

35、已經(jīng)完成了，接著就可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。 （2）查詢方式 a/d轉(zhuǎn)換芯片由表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號，例如adc0809的eoc端。因此可以用查詢方式，測試eoc的狀態(tài)，即可確認(rèn)轉(zhuǎn)換是否完成，并接著進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。 （3）中斷方式 把表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號（eoc）作為中斷請求信號，以中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。 不管使用上述哪種方式，只要一旦確定轉(zhuǎn)換完成，即可通過指令進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。首先送出口地址并以信號有效時，oe信號即有效，把轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)送上數(shù)據(jù)總線，供單片機接受。為了實現(xiàn)對不同的溫控箱進(jìn)行溫度采集和a/d轉(zhuǎn)換，選擇了8選1電子開關(guān)4051。405l的輸入端分別接ptl00溫度傳感器，控制端和地址鎖存器74hc

36、373相連，從而受到單片機的控制。通道選擇電路如圖3-6所示:圖3-6 通道選擇電路3.4輸出通道設(shè)計3.4.1電阻爐的功率調(diào)節(jié)方式電阻爐的溫度控制是通過調(diào)節(jié)電阻爐的輸入電功率來實現(xiàn)的。目前多數(shù)溫控儀采用晶閘管來實現(xiàn)功率調(diào)節(jié)。由晶閘管實現(xiàn)交流功率調(diào)節(jié)的途徑有兩條：一種是通過改變交流電壓每周期內(nèi)電壓波形的導(dǎo)通角，使得負(fù)載端電壓有效值得以調(diào)節(jié)，進(jìn)而實現(xiàn)電功率調(diào)節(jié)。由于這種調(diào)節(jié)方式下觸發(fā)脈沖的觸發(fā)時刻與電壓波形的相位有關(guān)，因此稱為相位控制調(diào)功；另一種調(diào)節(jié)方式是電壓波形不變而只改變電壓周波在控制周期內(nèi)出現(xiàn)的次數(shù)，這種調(diào)節(jié)方式稱為通斷控制調(diào)功。就觸發(fā)方式而言，前者為移相觸發(fā)，后者為過零觸發(fā)。兩者的電壓波

37、形比較如圖3-7所示:（a）相位控制調(diào)功的電壓波形（b）通斷控制調(diào)功的電壓波形圖3-7功率調(diào)節(jié)方式比較相位控制的電壓波形不“規(guī)整”，但正負(fù)半周對稱，無直流成分，可直接用于電感負(fù)載。其最大的缺點是：大電流的切入造成對電網(wǎng)的沖擊，不規(guī)整的脈沖負(fù)載電流引起電網(wǎng)波形的畸變及對其它電設(shè)備的中頻干擾。輸出的線性范圍窄而線性度又不好，只能靠反饋來改善。通斷控制的輸出波形仍為正弦波，其優(yōu)點是，不會對電網(wǎng)造成嚴(yán)重污染和干擾其它用電設(shè)備，而且電爐的功率愈大，優(yōu)點愈突出。但通斷控制也存在抗電源干擾能力弱等缺點。對于純阻性負(fù)載的電阻爐來說，溫控儀采用過零觸發(fā)方式可使電路結(jié)構(gòu)簡單，軟件計算方便。因此，在本系統(tǒng)中采用通斷

38、控制的方式來進(jìn)行功率調(diào)節(jié)。3.4.2可控硅輸出電路可控硅是一種功率半導(dǎo)體器件，簡稱scr，也稱晶閘管。它分為單向可控硅和雙向可控硅，在微機控制系統(tǒng)中，可作為功率驅(qū)動器件?？煽毓杈哂锌刂乒β市?、無觸點、長壽命等優(yōu)點，在交流電機調(diào)速、調(diào)功、隨動等系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用。雙向可控硅相當(dāng)于兩個單向可控硅反向并聯(lián)。雙向可控硅與單向可控硅的區(qū)別是：(1)它在觸發(fā)之后是雙向?qū)ǎ?2)在控制極上不管是加正的還是負(fù)的觸發(fā)信號，一般都可以使雙向可控硅導(dǎo)通。17因此雙向可控硅特別適合用作交流無觸點開關(guān)。本系統(tǒng)中與可控硅配套使用的是moc3041光電耦合雙向可控硅驅(qū)動器，與一般的光耦器件不同之處是moc3041輸出部分

39、是硅光敏雙向可控硅，還帶有過零觸發(fā)檢測器，以保證電壓接近零時觸發(fā)可控硅?？煽毓栎敵鲭娐啡鐖D3-8所示。圖3-8 可控硅輸出電路3.5串行通信接口電路目前，廣泛使用的串行數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)有rs-232，rs-422與rs-485三種。其中rs-232是美國電子工業(yè)協(xié)會正式公布的串口總線標(biāo)準(zhǔn)，也是目前最為常用的串行接口標(biāo)準(zhǔn)，用來實現(xiàn)計算機與計算機之間，計算機與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)通訊。串行通信接口的基本任務(wù)是實現(xiàn)數(shù)據(jù)格式化。來自cpu的是普通的并行數(shù)據(jù)，接口電路應(yīng)具有實現(xiàn)不同串行通信方式下的數(shù)據(jù)格式化的任務(wù)。具體任務(wù)是：(1)進(jìn)行串一并轉(zhuǎn)換；(2)控制數(shù)據(jù)傳輸速率；(3)進(jìn)行錯誤檢測；(4)進(jìn)行ttl與ei

40、a電平轉(zhuǎn)換；(5)提供eia-rs-232接口標(biāo)準(zhǔn)所要求的信號線。由于cmos電平和rs-232電平不匹配，因此要實現(xiàn)單片機和pc機之間的通信，必須在它們之間加接電平轉(zhuǎn)換器。系統(tǒng)設(shè)計采用maxim公司的rs-232接口芯max232，這是一種標(biāo)準(zhǔn)的rs-232接口芯片。max232只需+5v電源供電，其內(nèi)部的電源變化成10v電源用于rs-232通信。該芯片集成有兩路收發(fā)器，可將單片機輸入的ttl/cmos電平轉(zhuǎn)換為rs232電平發(fā)送給pc機，或?qū)膒c機接收的rs232電平轉(zhuǎn)換為ttl/cmos電平發(fā)送給單片機。max232為雙列直插16腳封裝。系統(tǒng)串口通信電路如圖3-9所示。圖3-9 串口通

41、信電路其中t20ut連接上位機串口的rx端，r2in連接上位機串口的tx端，r20ut和t2in是ttl/cmos發(fā)送器的輸出和輸入端，分別連接單片機的rx(p3.0)和tx(p3.1)端。3.6電源電路本設(shè)計的供電電路主要由變壓器、整流橋、濾波電路和78l05芯片組成。電源供電電路如圖3-10所示圖3-10 電源電路3.7硬件抗干擾系統(tǒng)硬件抗干擾是應(yīng)用系統(tǒng)最基本和最主要的抗干擾手段，一般從防和抗兩方面入手來抑制干擾。其總的原則是：抑制或消除干擾源，切斷干擾對系統(tǒng)的耦合通道，降低系統(tǒng)對干擾信號的敏感性。對于本系統(tǒng)，硬件抗干擾設(shè)計具體措施有：隔離、接地、濾波等常用方法。(1)隔離主要用于過程通道

42、的隔離。光電耦合器能有效地抑制尖峰脈沖及各種噪聲干擾，提高信噪比。在輸入、輸出通道采用光電耦合器將控制系統(tǒng)與外圍接口隔離；(2)接地接地應(yīng)遵循的基本原則是：數(shù)字地、模擬地、屏蔽地應(yīng)該合理接地，不能混用。要盡可能地使接地電路各自形成回路，減少電路與地線之間的電流耦合。合理布置地線使電流局限在盡可能小的范圍內(nèi)，并根據(jù)地電流的大小和頻率設(shè)計相應(yīng)寬度的印刷電路和接地方式。模擬電源和數(shù)字電源各自并接01uf的陶瓷電容(去耦電容)：(3)濾波電源系統(tǒng)干擾源主要是高次諧波。無源濾波器是一個簡單的、有效的低通濾波器，它只讓電網(wǎng)中基波通過，而對高次諧波有急劇的衰減作用，對串模干擾和共模干擾信號具有很強的雙向抑制

43、作用。184 軟件設(shè)計在微機測控系統(tǒng)中，軟件與硬件同樣重要。硬件是系統(tǒng)的軀體，軟件則是靈魂，當(dāng)系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計好之后，系統(tǒng)的主要功能還是要靠軟件來實現(xiàn)，而且軟件的設(shè)計在很大程度上決定了測控系統(tǒng)的性能。為了滿足系統(tǒng)的要求，編制軟件時一般要符合以下基本要求：(1)易理解性、易維護(hù)性要達(dá)到易理解和易維護(hù)等指標(biāo)，在軟件的設(shè)計方法中，結(jié)構(gòu)化設(shè)計是最好的一種設(shè)計方法，這種設(shè)計方法是由整體到局部，然后再由局部到細(xì)節(jié)，先考慮整個系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能，確定整體目標(biāo)，然后把這個目標(biāo)分成一個個的任務(wù)，任務(wù)中可以分成若干個子任務(wù)，這樣逐層細(xì)分，逐個實現(xiàn)；(2)實時性 實時性是電子測量系統(tǒng)的普遍要求，即要求系統(tǒng)及時響應(yīng)

44、外部事件的發(fā)生，并及時給出處理結(jié)果。近年來，由于硬件的集成度與運算速度的提高，配合相應(yīng)的軟件，實時性比較容易滿足設(shè)計要求；(3)準(zhǔn)確性 準(zhǔn)確性對整個系統(tǒng)具有重要意義，尤其是測量系統(tǒng)，系統(tǒng)要進(jìn)行一定量的運算，算法的正確性和準(zhǔn)確性對結(jié)果有著直接的影響，因此在算法的選擇、計算的精度等方面都要符合設(shè)計的要求；(4)可靠性 可靠性是系統(tǒng)軟件最重要的指標(biāo)之一，作為能夠穩(wěn)定運行的系統(tǒng)，抗干擾技術(shù)的應(yīng)用是必不可少的，最起碼的要求是在軟件受到干擾出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)還能恢復(fù)正常工作。194.1軟件組成由于整個系統(tǒng)軟件相對比較龐大，為了便于編寫、調(diào)試、修改和增刪，系統(tǒng)軟件的編制采用了模塊化的設(shè)計。即整個控制軟件由許多

45、獨立的小模塊組成，它們之間通過軟件接口連接，遵循模塊內(nèi)部數(shù)據(jù)關(guān)系緊湊，模塊之間數(shù)據(jù)關(guān)系松散的原則，按功能形成模塊化結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的軟件主要由主程序模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、控制算法模塊等組成。主模塊的功能是為其余幾個模塊構(gòu)建整體框架及初始化工作；數(shù)據(jù)采集模塊的作用是將a/d轉(zhuǎn)換的數(shù)字量采集并儲存到存儲器中；數(shù)據(jù)處理模塊是將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的處理，其中最重要的是數(shù)字濾波程序：控制算法模塊完成控制系統(tǒng)的pid運算并且輸出控制量。下面就介紹本系統(tǒng)幾個主要的程序模塊。4.2主程序模塊主程序模塊要做的主要工作是上電后對系統(tǒng)初始化和構(gòu)建系統(tǒng)整體軟件框架，其中初始化包括對單片機的初始化、a/d芯片

46、初始化和串口初始化等。然后等待溫度設(shè)定，若溫度已經(jīng)設(shè)定好了，判斷系統(tǒng)運行鍵是否按下，若系統(tǒng)運行，則依次調(diào)用各個相關(guān)模塊，循環(huán)控制直到系統(tǒng)停止運行。主程序模塊的程序流程圖如圖4-1所示。在附錄中給出了系統(tǒng)初始化源程序。開始系統(tǒng)初始化等待控制輸出 pid運算數(shù)據(jù)采集等待溫度顯示讀溫度設(shè)定值運行/停止鍵按下否運行/停止鍵按下否溫度設(shè)定否yynnny圖4-1 主程序流程圖4.3數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)采集模塊的任務(wù)是負(fù)責(zé)溫度信號的采集以及將采集到的模擬量通過a/d轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)字量提供給單片機。數(shù)據(jù)采集模塊的程序流程圖如圖4-2和圖4-3所示。開始置連續(xù)采樣個數(shù)a/d轉(zhuǎn)換啟動a/d數(shù)字濾波結(jié)果保存等待轉(zhuǎn)

47、換結(jié)束連續(xù)采樣個數(shù)到否返回返回開始yn圖4-2 數(shù)據(jù)采集模塊流程圖 圖4-3 a/d轉(zhuǎn)換程序流程圖 4.4顯示處理模塊顯示處理模塊主要完成人機交互作用，具體實現(xiàn)將采樣溫度值、設(shè)定溫度值以字符的形式顯示出來。主要的顯示方式有l(wèi)ed顯示與lcd顯示。但由于led顯示簡單、價格低廉。因此，本文選擇led顯示。其電路圖如圖4-5所示：圖4-5顯示電路 為了節(jié)省i/o端口選擇led動態(tài)顯示。led數(shù)碼管動態(tài)顯示就是一位一位地輪流點亮各位數(shù)碼管，對于每一位led數(shù)碼管來說，每隔一段時間點亮一次，利用人眼的“視覺暫留效應(yīng)，采用循環(huán)掃描的方式，分時輪流選通各數(shù)碼管的公共端，使數(shù)碼管輪流導(dǎo)通顯示。當(dāng)掃描速度達(dá)到

48、一定程度時，人眼就分辨不出來了。盡管實際上各位數(shù)碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，認(rèn)為各數(shù)碼管是同時發(fā)光的。因為led數(shù)碼管動態(tài)顯示是一位一位地輪流點亮各位數(shù)碼管的，因此要考慮每一位點亮的保持時間和間隔時間。保持時間太短，則發(fā)光太弱而人眼無法看清；時間太長，則間隔時間也將太長（假設(shè)n位，則間隔時間=保持時間x（n-1），使人眼看到的數(shù)字閃爍。在程序中要合理的選擇合適的保持時間和間隔時間。而循環(huán)次數(shù)則正比于顯示的變化速度。附錄中給出了led顯示源程序。5控制方案5.1pid控制的發(fā)展pid控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，現(xiàn)今使用的pid控制器產(chǎn)生并發(fā)展

49、于1915-1940年期間。盡管自1940年以來，許多先進(jìn)的控制方法不斷推出，但由于pid控制方法具有結(jié)構(gòu)簡單、魯棒性好、可靠性高、參數(shù)易于整定，p、i、d控制規(guī)律各自成獨立環(huán)節(jié)，可根據(jù)工業(yè)過程進(jìn)行組合，而且其應(yīng)用時期較長，控制工程師們已經(jīng)積累了大量的pid控制器參數(shù)的調(diào)節(jié)經(jīng)驗。因此，pid控制器在工業(yè)控制中仍然得到廣泛應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計，有90以上的工業(yè)控制器采用pid控制器。pid控制器的發(fā)展經(jīng)歷了液動式、氣動式、電動式幾個階段，目前正由模擬控制器向著數(shù)字化、智能化控制器的方向發(fā)展。5.2pid控制理論pid控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值r(t)與實際輸出值y(t)構(gòu)成控制偏差e(t):e

50、(t)=r(t)-y(t) (5-1）將偏差e(t)的比例(proportional)、積分(integral)和微分(derivative)通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制，因此稱為pid控制。pid控制系統(tǒng)原理如圖5-1所示。比例微分積分被控對象r(t)+e(t)+y(t)_+圖5-1 pid控制系統(tǒng)原理框圖其控制規(guī)律為： （5-2）或者寫成傳遞函數(shù)的形式為： （5-3）式中 ：比例系數(shù) :積分時間常數(shù) :微分時間常數(shù)pid控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：(1)比例環(huán)節(jié)即時成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差；(2)積分環(huán)節(jié)主要用于

51、消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)，z越大，積分作用越弱，反之則越強；(3)微分環(huán)節(jié)能夠反映偏差信號的變化趨勢(變化速率)，并且能在偏差信號值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。205.3pid控制算法由于計算機控制是一種采樣控制系統(tǒng)，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量。因此，（5-2）式中的積分和微分項不能直接使用，需要進(jìn)行離散化處理?，F(xiàn)令t為采樣周期，以一系列的采樣時刻點kt代表連續(xù)時間t，以累加求和近似代替積分，以一階后向差分近似代替微分，做如下的近似變換： t=kt （5-4） （5-5） （5-6） 其中

52、，t為采樣周期，e（k）為系統(tǒng)第k次采樣時刻的偏差值，e(k-1)為系統(tǒng)第（k-1）次采樣時刻的偏差值，k為采樣序號，k=0,1,2,3.將上面的(5-5)式和(5-6)式代入(5-2)式，則可以得到離散的pid表達(dá)式 （5-7） 如果采樣周期t足夠小，該算式可以很好的逼近模擬pid算式，因而使被控過程與連續(xù)控制過程十分接近。通常把(5-7)式稱為pid的位置式控制算法。若在（5-7）式中，令： 則 （5-8 ） (5-8)式即為離散化的位置式pid控制算法的編程表達(dá)式?？梢钥闯?，每次輸出與過去的所有狀態(tài)都有關(guān)，要想計算u(k)，不僅涉及e(k)和e(k-1)，且須將歷次e(j)相加，計算復(fù)雜

53、，浪費內(nèi)存。下面，推導(dǎo)計算較為簡單的遞推算式。為此，對(5-8)式作如下的變動：考慮到第(k-1)次采樣時有 (5-9) 使（5-8)式兩邊對應(yīng)減去（5-9）式，得 整理后得 （5-10）其中， ，（5-10）式就是pid位置式的遞推形式。 如果令則 （5-11） 式中的、同（5-10）一樣。 因為在計算機控制中、都可以事先求出，所以，實際控制時只須獲得e(k)、e(k-1)、e(k-2)三個有限的偏差值就可以求出控制增量。由于其控制輸出對應(yīng)執(zhí)行機構(gòu)的位置的增量，故(5-11)式通常被稱為pid控制的增量式算式。增量式pid控制算法與位置式控制算法比較，有如下的一些優(yōu)點：(1)位置式算法每次輸

54、出與整個過去狀態(tài)有關(guān)，算式中要用到過去偏差的累加值e(j)，容易產(chǎn)生較大的累計誤差。而增量式中只須計算增量，算式中不需要累加，控制增量的確定僅與最近幾次偏差采樣值有關(guān)，當(dāng)存在計算誤差或者精度不足時，對控制量的影響較小，且較容易通過加權(quán)處理獲得比較好的控制效果；(2)由于計算機只輸出控制增量，所以誤動作影響小，而且必要時可以用邏輯判斷的方法去掉，對系統(tǒng)安全運行有利；(3)手動-自動切換時沖擊比較??；21鑒于以上優(yōu)點，本系統(tǒng)的控制算法即采用增量式的pid控制算法。其程序流程圖如圖5-2所示:入口輸入并采樣y(k),r(k)計算u(k)=e(k)+e(k-1)+e(k-2)計算偏差e(k)=r(k)-y(k)存u(k)以備輸出參數(shù)序號調(diào)整e(k-1)e(k-2) e(k)e(k-1)返回圖5-2 增量式pid控制算法程序流程圖附錄中給出了本系統(tǒng)的pid控制算法源程序。6總結(jié)溫度控制在食品加工中的作用非常重要。本論文完成了基于單片機的溫度控制，包括系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計。能夠滿足實際的生產(chǎn)需要。本論文的核心控制模塊是at89c52單片機。硬件系統(tǒng)的輸入通道采用pt100傳感器將溫度轉(zhuǎn)化為電壓，通過a/d轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量傳給單片機。輸出通道通過雙向可控硅控制加熱器加熱。使系統(tǒng)得到簡化，軟件方面使用