[摘要]本文以MCS-51單片機(jī)為核心，以水箱為被控對象，將水箱給定溫度與實(shí)際溫度對比，利用PID算法設(shè)計(jì)了水溫調(diào)節(jié)器實(shí)驗(yàn)裝置。該實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)有利于同學(xué)們加深對單片機(jī)控制系統(tǒng)和PID控制算法特點(diǎn)的了解。且該裝置結(jié)構(gòu)原理簡單、穩(wěn)定性好、可靠性高、參數(shù)易于整定，控制精度高，有一定的實(shí)用價值，可以向?qū)嶋H推廣。

[關(guān)鍵詞]水溫調(diào)節(jié)器 單片機(jī) PID算法

一、前言

溫度是工業(yè)生產(chǎn)中最常見和最基本的工藝生產(chǎn)參數(shù)之一，許多物理變化和化學(xué)反應(yīng)的過程均與溫度密切相關(guān)。因此，溫度控制系統(tǒng)是典型的控制系統(tǒng)。目前，單片機(jī)已普遍應(yīng)用于生產(chǎn)過程的自動控制領(lǐng)域。以其體積小、價格低廉和可靠性高等特點(diǎn)，用其構(gòu)成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的智能控制單元，受到廣大工程技術(shù)人員的重視。下面的PID自動溫度控制系統(tǒng)，采用8051單片機(jī)作為PID控制器，具有可編程、控制算法可選、體積小、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。采用單片機(jī)進(jìn)行對它控制不僅具有控制方便、簡單和靈活性等優(yōu)點(diǎn)，而且大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大提高產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量。因此，單片機(jī)的溫度的控制問題是一個工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會遇到的問題。我們之所以選擇該實(shí)驗(yàn)裝置，是因?yàn)樗粌H可以使我們把所學(xué)的理論知識加以升華，而且可以起到舉一反三和觸類旁通的效果，對單片機(jī)在其他情況下的應(yīng)用，有了一個基礎(chǔ)性的了解與掌握。

二、總體設(shè)計(jì)

本裝置的主要任務(wù)，是利用MCS-51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對電熱水箱水溫度的控制。即預(yù)先設(shè)定要達(dá)到的理想溫度值，水箱中的溫度或升或降（本裝置中限于實(shí)驗(yàn)條件，僅限于水溫的升高），最終達(dá)到預(yù)設(shè)值。此過程的實(shí)現(xiàn)可描述如下：集成傳感器AD590檢測電熱水箱中水的溫度，得到一微弱的模擬信號，此信號經(jīng)運(yùn)算放大器放大后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了由模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)變。該數(shù)字信號傳輸進(jìn)單片機(jī)后，經(jīng)數(shù)字PID算法處理后輸出一控制信號（數(shù)字量），控制固態(tài)繼電器的通斷。從而實(shí)現(xiàn)對加熱電阻絲加熱功率的控制。

本課題的設(shè)計(jì)可分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩大部分。硬件設(shè)計(jì)主要包括溫度檢測電路、前向通道(A/D轉(zhuǎn)換接口)、人機(jī)接口(單片機(jī)擴(kuò)展存儲器單片機(jī)與鍵盤顯示器的接口電路、單片機(jī)與A/D轉(zhuǎn)換器的連接)以及其他外圍電路(顯示電路、電源電路、溫度控制電路)的設(shè)計(jì)。軟件的設(shè)計(jì)主要應(yīng)用MCS-51匯編語言編程，要完成的程序設(shè)計(jì)包括A/D轉(zhuǎn)換子程序，鍵盤顯示子程序，PID算法程序。其中，重點(diǎn)和難點(diǎn)是PID算法程序的設(shè)計(jì)，它是整個課題設(shè)計(jì)的中心環(huán)節(jié)。另外，考慮到外界環(huán)境存在的干擾，如機(jī)械震動，各種電磁波和環(huán)境溫差都可能影響到系統(tǒng)的性能。為此，需進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì)。抗干擾措施可分為軟件抗干擾和硬件抗干擾，軟件抗干擾措施主要采用數(shù)字濾波和指令冗余技術(shù)，硬件抗干擾措施主要采用濾波技術(shù)和接地技術(shù)。

三、溫度檢測電路

采用美國模擬器件公司生產(chǎn)集成溫度傳感器AD590。它是單片集成兩端感溫電流源，其輸出電流與溫度成正比。使用簡便，不需外接線性補(bǔ)償和零點(diǎn)補(bǔ)償器件，精度高互換性好，線性度好，具有標(biāo)準(zhǔn)化輸出，能很好地消除電源變動和交流紋波對器件產(chǎn)生的影響，且耐用，輸出電流可用于長距離傳送，不會因線路壓降而影響測量精度。

實(shí)際應(yīng)用電路設(shè)計(jì)：盡管AD590比其他溫度傳感器有較好的特性，但在使用范圍內(nèi)，仍然存在著一定的非線性。另外，各器件間也存在著離散性，所以在實(shí)際中，欲獲得測量精度，尚需采用兩點(diǎn)校正（零點(diǎn)校正和滿刻度校正）。由基準(zhǔn)電壓源AD590輸出一個標(biāo)準(zhǔn)的+10.000伏電壓通過輸入端加到AD590上。AD590的輸出電流在輸入端上產(chǎn)生壓降，從而使運(yùn)算放大器的輸入端的電壓歲溫度而變化，該電壓經(jīng)過運(yùn)算放大后輸出。這樣，該測量電路可大大改善由傳感器本身非線性誤差而引起的誤差。

四、信號輸入通道(前向通道A/D)

本裝置采用逐次逼近型的ADC0809是 8位A/D轉(zhuǎn)換芯片，它由單一的+5V電源供電，片內(nèi)帶有鎖存功能的8路模擬多路開關(guān)，可對8路0-5V的輸入模擬電壓信號分時進(jìn)行轉(zhuǎn)換，完成一次轉(zhuǎn)換約100us。片內(nèi)具有多路開關(guān)的地址譯碼器和鎖存電路、高阻抗斬波器、穩(wěn)定的比較器，256歐電阻T型網(wǎng)絡(luò)和樹狀電子開關(guān)以及逐次逼近寄存器。輸出具有TTL三態(tài)鎖存緩沖器，可直接接到單片機(jī)數(shù)據(jù)總線上。通過適當(dāng)?shù)耐饨与娐罚珹DC0809可對0-5V的雙極性模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在本實(shí)驗(yàn)中，見于簡單起見，只選取了一個溫度控制信號，故A/D0809只接一路輸入信號IN0。

五、人機(jī)接口

1.鍵盤、顯示器接口電路

鍵盤顯示電路中，采用的是8031單片機(jī)擴(kuò)展I/O接口芯片8255A實(shí)現(xiàn)的四位LED顯示和16鍵的鍵盤顯示器接口電路。8255A的PA口地址為7CH，PB口地址為7DH，PC口的地址為7EH，控制字寄存器地址為7FH。這里8031單片機(jī)對8255A采用了線性選址法。8255A的RAM的地址為7E00H～7EFFH，I/O口地址為7F00H～7F05H，8255A的PB口為輸出口，控制鍵盤的列線的電位，PB口作為鍵掃描口，同時又是4位共陰極顯示器的位掃描口。PC口作為顯示器的段碼輸出口，8255A的PA口作為輸入口，PC0～3接行線X0～X3，稱為鍵輸入口。鍵盤需輸入?yún)?shù)Kp、Ti、Td、T及PID算法的給定值，顯示器顯示溫度值。

在8051單片機(jī)上擴(kuò)展一片8255A芯片，無需外加任何邏輯電路，74LS373時地址鎖存器，8255A的地址線A1、A0經(jīng)74LS373接于P0.1、P0.0；片選端CS經(jīng)74LS373與P0.7接通，其它地址線懸空；8255A的控制線/RD、/WR直接接于8031的RD、/WR端；數(shù)據(jù)線D0～D7接于P0.0～P0.7。

8255A的B口作為顯示器接口，采用靜態(tài)顯示，74LS373為鎖存器。74LS48為共陰極譯碼／驅(qū)動器，LED數(shù)碼管采用8 HEADER，鍵盤處理為中斷方式。由此可見，8255A的B口工作在兩種方式下：在顯示狀態(tài)下R。鍵盤為4×4矩陣鍵盤，8255A口的PA3 －PA0為行掃描接口，從B口的PB3－PB0讀入列值，該系統(tǒng)鍵為輸出方式；在鍵盤中斷服務(wù)程序處理過程中為輸入方式。為此，只需在相應(yīng)操作前重新設(shè)置8255A的工作方式即可。

2.存儲器的擴(kuò)展

在MCS-51單片機(jī)的16位地址，分為高8位和低8位，高位由P2輸出，低位由P0輸出。但P0同時又是數(shù)據(jù)輸入輸出接口，故在傳送時采用分時方式，先輸出低8位地址，然后，在傳送數(shù)據(jù)。但是，在對外部存儲器進(jìn)行讀寫操作時，地址必須保持不變，這就需要選擇適當(dāng)?shù)募拇嫫鞔娣诺?位地址，這個外界的寄存器就是地址鎖存器。在進(jìn)行外部存儲器擴(kuò)展時，凡具有輸入輸出控制的8位寄存器均可作為地址鎖存器。這里選用的是27128。

3.輸出執(zhí)行電路（反饋部分）

這一部分主要完成經(jīng)單片機(jī)控制系統(tǒng)后的控制信號如何反作用于被控對象，在MCS-51單片機(jī)控制各種各樣的高壓、大電流負(fù)載，這些大功率負(fù)載如電動機(jī)、電磁鐵、繼電器、燈泡等，顯然不能用單片機(jī)的I/O線來直接驅(qū)動，而必須通過各種驅(qū)動電路和開關(guān)電路來驅(qū)動。此外，為了隔離和抗干擾，有時需加光電耦合器。

本裝置主要完成電熱負(fù)載的調(diào)功輸出控制。此處選用的核心元件為SSR(Solid State Relay)，即固態(tài)繼電器。它是一種新穎的四端以弱控強(qiáng)的無觸點(diǎn)功率控制元件。

其特點(diǎn)是輸入控制電壓低（3V-14V），驅(qū)動電流?。?mA-15mA），輸出與輸入采用光電隔離，使強(qiáng)電與弱電完全分離，輸出無觸點(diǎn)、無噪聲，開關(guān)速度快。它事實(shí)上將光電隔離器、驅(qū)動器、可控硅、阻容吸收等器件做在一起，用環(huán)氧樹脂全灌封裝，具有防塵、耐濕、耐振、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。

這里采用的固態(tài)繼電器是非過零觸發(fā)的SSR。當(dāng)中斷服務(wù)程序?qū)1.5置“1”時，BG 導(dǎo)通，SSR 導(dǎo)通，電阻絲上得到完整周波，當(dāng)P1.5置“0”時，SSR被關(guān)斷，電阻絲上得不到完整的周波。單片機(jī)通過控制P1.5的高低電平的占空比來控制電阻絲的功率輸出。

六、硬件抗干擾措施

為了防止外界交流電路產(chǎn)生的工頻干擾對模擬信號的影響，在電路設(shè)計(jì)中（放大器和比較器）采用低通濾波器和有源濾波器。為了防止由于外時鐘是高頻噪聲源引起的硬件電路產(chǎn)生的干擾，選用低頻率的單片機(jī)來提高提高抗干擾性，本裝置中采用8051的時鐘頻率為6MHz。為了切斷干擾信道，避免強(qiáng)電流對回路的沖擊，常用光電隔離方法，本裝置中采用的SSR集成了光電耦合器，應(yīng)用于輸出通道。為了防止電磁波干擾，在開關(guān)電源內(nèi)部把高頻電壓器和扼流圈進(jìn)行屏蔽，對整個開關(guān)電源進(jìn)行屏蔽保護(hù)。

七、軟件設(shè)計(jì)部分

軟件的主要任務(wù)是完成初始化工作，如參數(shù)顯示、鍵盤命令識別、信號的采集、濾波和工程量轉(zhuǎn)換控制算法處理、中斷處理等。

主程序包括：鍵盤置數(shù)程序、鍵盤數(shù)值處理程序、系統(tǒng)初始化。

中斷服務(wù)程序：A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷、系統(tǒng)時鐘溢出中斷、8255A讀鍵盤中斷。

子程序：數(shù)據(jù)采集子程序、數(shù)字濾波子程序、顯示子程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、控制算法子程序。

本裝置中重點(diǎn)完成A/D轉(zhuǎn)換子程序和PID控制算法子程序的設(shè)計(jì)。

八、結(jié)語

本裝置給出了一個基于MCS51系統(tǒng)的PID溫度控制系統(tǒng)較完整的解決方案和實(shí)現(xiàn)方法，該實(shí)驗(yàn)裝置在教學(xué)中極具典型性，可以使同學(xué)們把所學(xué)的理論知識加以升華，而且可以起到舉一反三和觸類旁通的效果，對單片機(jī)在其他情況下的應(yīng)用，有了一個基礎(chǔ)性的了解與掌握。在裝置實(shí)現(xiàn)的過程中采用的一些芯片也許不能很好地滿足工業(yè)現(xiàn)場的要求，可作一些更換。

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（作者單位：浙江理工大學(xué)信息與電子學(xué)院）