可實(shí)現(xiàn)的基于MCS-51的單片機(jī)的恒溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、可實(shí)現(xiàn)的基于 MCS-51 單片機(jī)的恒溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘要:本設(shè)計(jì)以MCS-51單片機(jī)為控制內(nèi)核,運(yùn)用典型的偏差控制方法-PID算法,實(shí)現(xiàn)設(shè)定值與采樣值間的PID運(yùn)算,來(lái)控制可控硅的通斷時(shí)間,完成溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。此系統(tǒng)基本上達(dá)到恒溫的設(shè)計(jì)要求,具有偏差小,系統(tǒng)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞:單片機(jī);溫控;A/D轉(zhuǎn)換;PID算法An Embedded Fault Arc Protecting and MonitoringSystemAbstract: This paper presents the design of a temperature control system based on MCS-51.

2、 The SCR is controlled by a PID algorithm. The hardware of the system is also presented. Keywords: SCM; temprature control; A / D converter; PID algorithm一.引言在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,對(duì)各類(lèi)加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐中的溫度都需監(jiān)測(cè)和控制,從而保證生產(chǎn)過(guò)程的順利進(jìn)行4。選擇單片機(jī)來(lái)控制溫度不僅具有控制方便、簡(jiǎn)單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn),而且可以大幅度提高被控對(duì)象的技術(shù)指標(biāo),從而大大提高產(chǎn)品的品質(zhì)和數(shù)量。以單片機(jī)為控制核心的溫控系統(tǒng),具有非常理想的控制

3、效果,在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中得到了廣泛應(yīng)用。而采用PID算法進(jìn)行溫度控制,它具有控制精度高,能夠克服容量滯后的特點(diǎn),特別適用于負(fù)荷變化大、容量滯后較大、控制品質(zhì)要求又很高的控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)思想是:采用模擬溫度傳感器對(duì)加熱杯的溫度進(jìn)行采樣,通過(guò)放大電路變換為05V 的電壓信號(hào),經(jīng)過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換,保存在采樣值單元;利用鍵盤(pán)輸入設(shè)定溫度,經(jīng)溫度標(biāo)度轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制數(shù),保存在片內(nèi)設(shè)定值單元;然后調(diào)顯示子程序,多次顯示設(shè)定溫度和采樣溫度,再把采樣值與設(shè)定值進(jìn)行PID 運(yùn)算得出控制量,用其去調(diào)節(jié)可控硅觸發(fā)端的通斷,實(shí)現(xiàn)對(duì)電阻絲加熱時(shí)間的控制,以此來(lái)調(diào)節(jié)水溫使其基本保持恒定。主要性能指標(biāo)如下:(1溫度設(shè)

4、定范圍:3585o C,最小區(qū)分度為1o C;(2控制精度:溫度控制的靜態(tài)誤差1o C;(3用鍵盤(pán)對(duì)設(shè)定值進(jìn)行修改,并送數(shù)碼管顯示,顯示范圍099o C(4數(shù)碼顯示實(shí)際水溫,顯示范圍099o C。二.PID控制的原理和特點(diǎn)在工程實(shí)際中,應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制,簡(jiǎn)稱(chēng)PID控制,又稱(chēng)PID調(diào)節(jié)。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,這時(shí)應(yīng)用PID 控制技術(shù)

5、最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象,或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí),最適合用PID 控制技術(shù)。PID 控制,實(shí)際中也有PI 和PD 控制。PID 控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差,利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。比例(P 控制比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差(Steady-state error 。積分(I 控制在積分控制中,控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng),如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差,則稱(chēng)這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱(chēng)有差系統(tǒng)(System with Ste

6、ady-state Error 。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差,在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分,隨著時(shí)間的增加,積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣,即便誤差很小,積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大,它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小,直到等于零。因此,比例+積分(PI控制器,可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。微分(D 控制在微分控制中,控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分(即誤差的變化率成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件(環(huán)節(jié)或有滯后(delay組件,具有抑制誤差的作用,其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的

7、變化“超前”,即在誤差接近零時(shí),抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說(shuō),在控制器中僅引入 “比例”項(xiàng)往往是不夠的,比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值,而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”,它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì),這樣,具有比例+微分的控制器,就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零,甚至為負(fù)值,從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象,比例+微分(PD控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。PID 一般算式及模擬控制規(guī)律如式(1所示:011(u (1t c D d e t t K e t e t d t T T d t =+式中:u(t為控制器的輸出;e(t為偏差,即設(shè)定值與反饋值之差;KC

8、為控制器的放大系數(shù),即比例增益;TI 為控制器的積分常數(shù);TD 為控制器的微分時(shí)間常數(shù)6。PID 算法的原理即調(diào)節(jié)KC ,TI ,TD 三個(gè)參數(shù)使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。由于計(jì)算機(jī)控制7是一種采樣控制,它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量。因此在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中,必須首先對(duì)式(1進(jìn)行離散化處理,用數(shù)字形式的差分方程代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程,此時(shí)積分項(xiàng)和微分項(xiàng)可用求和及增量式表示: (1(1(2d e t E K E K E K E K d t tT -=n000(3n n j j e t d t E j t T E j =將式(2和式(3代入式(1,則可得到離散的PID 表達(dá)式8: 01(1(4k D P

9、 j T T P K K E K E j E K E K T T =+- 式中:t=T 為采樣周期,必須使T 足夠小,才能保證系統(tǒng)有一定的精度(采樣定理;E(K為第K 次采樣時(shí)的偏差值;E(K-1為第K-1次采樣時(shí)的偏差值;P(K為第K 次采樣是調(diào)節(jié)器的輸出。三.硬件開(kāi)發(fā)本設(shè)計(jì)是一個(gè)典型的檢測(cè)、控制型應(yīng)用系統(tǒng),完成從水溫檢測(cè)、信號(hào)處理、輸入、運(yùn)算到輸出控制電阻絲加熱功率以實(shí)現(xiàn)水溫控制的全過(guò)程。單片機(jī)的使用為實(shí)現(xiàn)水溫的智能化控制以及提供完善的人機(jī)交互界面提供了可能。所以本設(shè)計(jì)將采用以單片機(jī)為核心的直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DDC 1。系統(tǒng)由4個(gè)主要的功能模塊組成。它們分別是:傳感與放大,A/D 轉(zhuǎn)換,鍵

10、盤(pán)與顯示和功率驅(qū)動(dòng)。這四個(gè)模塊相互協(xié)調(diào)工作,完成預(yù)設(shè)的系統(tǒng)功能。系統(tǒng)的總體框圖如圖1 所示。 圖1 單片機(jī)恒溫控制系統(tǒng)總體框圖3.1 單片機(jī)基本系統(tǒng)單片機(jī)系統(tǒng)是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心,它完成整個(gè)系統(tǒng)的信息處理及協(xié)調(diào)控制功能。由于系統(tǒng)對(duì)控制速度、精度及功能要求都無(wú)特別之處,因此可以選用目前廣泛使用的MCS-51系列單片機(jī)89C52。 圖2 單片機(jī)基本系統(tǒng)3.2前向通道前向通道是信息采集的通道,主要包括傳感器、信號(hào)放大、A/D 轉(zhuǎn)換等電路。按設(shè)計(jì)要求,水溫控制靜態(tài)誤差應(yīng)1o C,水溫給定范圍3585o C,而水溫的檢測(cè)范圍應(yīng)適當(dāng)大于此范圍,3090o C,則系統(tǒng)的控制總誤差應(yīng)不大于-=。分配到前向通道

11、的信號(hào)采集總誤差應(yīng)不大于系統(tǒng)總1/(9030100%1.6誤差的1/2,即精度應(yīng)為0.83%,可以采用12位A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)1。采用美國(guó)Analog Device公司生產(chǎn)的二端式集成溫度電流傳感器AD590 搭建測(cè)溫電橋,將環(huán)境溫度轉(zhuǎn)化成了與攝氏溫度值成正比的電壓值。 圖3 差動(dòng)放大電路由于水溫變化相對(duì)緩慢,因此信號(hào)轉(zhuǎn)換與放大電路對(duì)運(yùn)算放大器的帶寬沒(méi)有要求。另一方面,AD590在35o C和95o C時(shí)輸出電流分別為308.2uA和358.2uA,而運(yùn)算放大器的輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電流及零點(diǎn)漂移相對(duì)較小,可忽略不計(jì)。因此,可采用通用型的運(yùn)算放大器,如OP-07。具體電路如圖3所示.A/D 轉(zhuǎn)

12、換部分選用12 位的由內(nèi)置雙極性電路構(gòu)成的混合集成轉(zhuǎn)換芯片AD574,外接少量的阻容元件即可構(gòu)成一個(gè)完整的A/D 轉(zhuǎn)換器圖4為AD574與89C52 單片機(jī)的接口電路。其中還使用了三態(tài)鎖存器74LS373和74LS00與非門(mén)電路,邏輯控制信號(hào)由(C S、R/ 和A89C52 的數(shù)據(jù)口P0發(fā)出,并由三態(tài)鎖存器74LS373鎖存輸出端Q0,Q1和Q2上,用于控制AD574A 的工作過(guò)程。AD轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)輸出也通過(guò)P0數(shù)據(jù)總線(xiàn)連至89C52,AD574可以視為89C52 的一個(gè)外部RAM單元,地址為4000H,因此89C52執(zhí)行如下程序可以啟動(dòng)AD574工作。MOV DPTR, #4000HMOVX

13、 DPTR, A 圖4 89C52 單片機(jī)與AD574 接口電路3.3后向通道 圖5 MOC3061 和雙向可控硅所構(gòu)成的后向通道后向通道是實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)輸出的通道。 單片機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生的控制信號(hào)控制電阻 絲的輸入功率,以實(shí)現(xiàn)控制水溫的目的。 根據(jù)系統(tǒng)總誤差要求,其控制精度也應(yīng)控 制在 0.83%之內(nèi)。 后向通道電路原理如圖 5 所示。 MOC3061 是耐壓為 400V 的光電耦合器,它的 輸出級(jí)由過(guò)零觸發(fā)的雙向可控硅 BAT12 構(gòu)成,它控制著主電路雙向可控硅的導(dǎo) 通與關(guān)斷。470 與 0.01uF 電容組成雙向可控硅保護(hù)電路2。 3.4 人機(jī)對(duì)話(huà)通道 人機(jī)對(duì)話(huà)通道主要由鍵盤(pán)、LED 顯示組成。

14、為了完成水溫設(shè)定,并滿(mǎn)足溫度 設(shè)定范圍為 3585 oC 、最小區(qū)分度為 1 oC 的功能要求,鍵盤(pán)可由 4 個(gè)功能鍵組 成（1 號(hào)加鍵、2 號(hào)加鍵、1 號(hào)減鍵、2 號(hào)減鍵）。LED 顯示由 4 位數(shù)碼管組成, 分別顯示給定溫度和實(shí)測(cè)溫度,顯示范圍為 099 oC 3。 為了克服動(dòng)態(tài)顯示節(jié)省硬件開(kāi)銷(xiāo),但編程困難,靜態(tài)顯示編程方便但硬件電 路十分復(fù)雜的缺點(diǎn),本系統(tǒng)選用 MAX7219 芯片來(lái)作 LED 顯示驅(qū)動(dòng)4。 MAX7219 與 89C52 單片機(jī)的硬件連接如圖 6 所示 5,P1.2 作串行數(shù)據(jù)輸 出,P1.1 模擬 MAX7219 時(shí)鐘脈沖 CLK ,而 P1.0 則模擬其 LOAD

15、信號(hào)。MAX7219 的 SEGASEGF, SEG DP 分別通過(guò)串接 200 電阻并接至 7 段 LED 顯示器對(duì)應(yīng)的 a f 以及 dp 端,DIG0DIG3 分別接 4 個(gè)共陰極 7 段 LED 顯示器的陰極。4 個(gè) LED 兩 位顯示設(shè)定值,兩位顯示采樣值。 圖6 MAX7219 與 89C52 的硬件連接圖 四軟件設(shè)計(jì) 主程序主要完成以下幾項(xiàng)任務(wù): 1） （ 設(shè)定可編程芯片的工作方式,對(duì)內(nèi)存中的工作參數(shù)區(qū) 進(jìn)行初始化,顯示系統(tǒng)初始狀態(tài)。 當(dāng)有鍵入操作時(shí)讀取鍵值,并跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)功能的子程序中 2） 去,顯示設(shè)定值。 （3）調(diào)采樣、濾波、數(shù)值處理子程序,顯示實(shí)測(cè)值。 （4）子程序執(zhí)行完畢

16、返 回主循環(huán),繼續(xù)執(zhí)行6。 ORG 00H START：ANL P1，#00H；顯示 00 JB P3.4 ，$ ；T0=0？有鍵按下？ CALL DELAY1 ；消除抖動(dòng) JNB P3.4 ，$；T0=1？放下？ MOV R0 ，#00；計(jì)溫指針初值 L1： MOV A ， R0 ；計(jì)溫指針載入 ACC MOV P1 ， A ；輸出至 P1 顯示 MOV R5 ， #10 ；延時(shí) 1 秒 A1：MOV R6 ， #200 D1：MOV R7 ， #248 ；0.5 毫秒 JNB P3.4 ，L2 ；第 2 次按下 T0？ DJNZ R7，$ DJNZ R6，D1 DJNZ R5，A1 INC

17、 A DA A MOV R0 , A JMP L1 L2：CALL DELAY1 ；第 2 次按消除抖 動(dòng) JB P3.4 ，L3 ；放開(kāi)了沒(méi)？是則 ；跳至 L3 停止 JMP L2 L3: MOV A ，R0 CALL CHANGE MOV 31H , A ；下限溫度存入 31H JB P3.5 ，$ ；T1=0？有鍵按下？ CALL DELAY1 ；消除抖動(dòng) JNB P3.5 ，$ ；T1=1？放開(kāi)？ MOV R0 ，#00 ；計(jì)溫指針初值 L4： MOV A ， RO ； 計(jì)溫指針載入 ACC MOV P1 ， A ；顯示 00 MOV R5 ，#10 ；延時(shí) 1 秒 A2：MOV R6

18、 ，#200 D2：MOV R7 ，#248 ；0.5 毫秒 JNB P3.5 ，L5 ；第二次按下 T1 DJNZ R7 ，$ DJNZ R6 ，D2 DJNZ R5 , A2 ADD A , #01H DA A MOV R0 , A JMP L4 L5:CALL DELAY1 ；第 2 次按消除抖動(dòng) JB P3.5 ，L6 ；放開(kāi)了？是則跳至 L6 JMP L5 L6：MOV A， RO ； CALL CHANGE MOV 30H ，A ；上限溫度存入 30H DELAY1：MOV R6 ，#60 ；30 毫秒 D3：MOV R7 ， #248 DJNZ R7 ， $ DJNZ R6 ， D3 RET CHANGE：MOV B ，#5 MUL AB JNO D4 SETB C D4：RRC A RET MOV 32H ，#0FFH ；32H 舊溫度寄存 ；器初值 AAA：MOVX R0 ， A；使 BUS 為高阻 抗 ；并令 ADC0804 開(kāi)始轉(zhuǎn)換 WAIT：JB P2.0 ，ADC ；檢測(cè)轉(zhuǎn)換完成 否 JMP WAIT ADC：MOVX A ，RO ；將轉(zhuǎn)換好的值 送入 ；累加器 MOV 33H ，A ；將現(xiàn)在溫度值存入 33H CLR C ；C=0 SUBB A ，32H JC TDOWN ；C=0 取入值較大，表示 ；溫度上升，C=1