智能測控系統(tǒng)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

摘要：本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)及外圍元器件組成溫度測控系統(tǒng)，運(yùn)用匯編語言進(jìn)行編程、并在WAVE6000環(huán)境下編譯、仿真。系統(tǒng)具有復(fù)位、越限報(bào)警、數(shù)碼管顯示、PID控制等功能。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；PID調(diào)節(jié)；溫度傳感器；數(shù)碼管顯示；越限報(bào)警

【中圖分類號】 TP302 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】 B【文章編號】 1671-1297（2012）09-0224-01

整個(gè)溫控系統(tǒng)是在程序的控制下工作的，控制系統(tǒng)工作由實(shí)時(shí)檢測（采樣）、實(shí)時(shí)決策（PID控制運(yùn)算）和實(shí)時(shí)控制（對加熱絲通斷的控制）三部分組成。因此，應(yīng)用程序包括數(shù)據(jù)采集、PID運(yùn)算以及輸出控制三部分主干程序，這些工作有的安排在主程序中，有的安排在中斷服務(wù)程序中完成。由LED數(shù)碼管顯示溫度值，采用動態(tài)掃描的方式在主程序和定時(shí)采樣等待時(shí)都可以插入顯示子程序。

一 PID控制算法

在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，可采用的控制算法很多，但是最常用的仍是數(shù)字PID（比例-積分-微分）算法。最優(yōu)化理論可以證明，PID控制能滿足相當(dāng)多的工業(yè)對象的控制要求。PID調(diào)節(jié)是根據(jù)實(shí)際測量值與設(shè)定值的偏差， 按比例-積分-微分的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算，其運(yùn)算結(jié)果用以輸出控制。單片機(jī)數(shù)字控制器實(shí)現(xiàn)PID運(yùn)算，是按照一定的算法編制相應(yīng)的程序來完成的。

實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的PID控制器的算法是先根據(jù)連續(xù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，得到模擬調(diào)節(jié)PID的調(diào)節(jié)規(guī)律（這個(gè)調(diào)節(jié)規(guī)律可以是微分方程表示的，也可以是用傳遞函數(shù)的形式表示），然后把它離散化，變成適合于計(jì)算機(jī)的差分方程的形式。

以溫度檢測和控制為例，用微分方程表示的PID調(diào)節(jié)規(guī)律的、實(shí)現(xiàn)模擬PID調(diào)節(jié)的理想算式為：

式（1.1）

PID控制也稱為比例-積分-微分控制。其中的比例項(xiàng)用于糾正偏差；積分項(xiàng)用于消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差；微分項(xiàng)用于減小系統(tǒng)的超調(diào)量，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。PID控制器的性能就取決于Kp、Ti和Td這三個(gè)參數(shù)。設(shè)計(jì)和調(diào)試的任務(wù)就是決定這三個(gè)參數(shù)。

對式（1.1）兩邊進(jìn)行拉氏變換可以得到PID調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為

式（1.2）

式（1.2）中U（s）和E（s）分別為u和e的拉氏變換。

式（1.1）中，e（t）=w（t）-y（t）是給定值與輸出之間的差，稱為誤差或偏差，它是PID控制器的輸入信號。u（t）為調(diào)節(jié)器的輸出信號，即傳給被控對象的操作量，因?yàn)橛?jì)算機(jī)的控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值來計(jì)算控制量，因此，在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，要想在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)PID調(diào)節(jié)規(guī)律，需要將連續(xù)系統(tǒng)的微分方程式化成離散形式，由描述離散系統(tǒng)的差分方程來代替。

增量型算法和位置型算法相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）增量型算法不需要做累加，控制量增量的確定僅與最近幾次誤差采樣值有關(guān)，計(jì)算誤差或計(jì)算精度問題對控制量的計(jì)算影響較小。而位置型算法要用到過去的誤差累加值，容易產(chǎn)生大的累加誤差。

（2）增量型算法得出的是控制量的增量，輸出誤差小，必要時(shí)通過邏輯判斷限制或禁止本次輸出，不會嚴(yán)重影響系統(tǒng)的工作。

（3）采用增量型算法，易于實(shí)現(xiàn)手動到自動的無沖擊切換。但是，當(dāng)被控對象需要的是控制變量的絕對值，而不是其增量時(shí)，可以采用增量式算法，控制量輸出采用位置式輸出形式。

二 軟件的總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的操作過程和工作過程在程序的設(shè)計(jì)過程中起著很重要的指導(dǎo)作用，因此，在軟件設(shè)計(jì)之前應(yīng)首先分析系統(tǒng)的工作流程。

系統(tǒng)的工作流程

系統(tǒng)在上電復(fù)位后先處于停止加熱狀態(tài)，這時(shí)可以用8421BCD撥碼盤設(shè)定預(yù)制溫度，顯示器顯示設(shè)定溫度；溫度設(shè)定好后就可以啟動系統(tǒng)正常工作了。溫度檢測系統(tǒng)即數(shù)字溫度傳感器DS18B20不斷定時(shí)檢測當(dāng)前溫度，并送往顯示器顯示，達(dá)到設(shè)定值后停止加熱并且顯示當(dāng)前值；當(dāng)溫度下降到下限值（比設(shè)定溫度值低5℃）時(shí)再啟動加熱。這樣不斷地重復(fù)上述過程，使溫度保持在設(shè)定的溫度范圍之內(nèi)。啟動后不能再修改預(yù)制溫度，必須按復(fù)位鍵回到停止加熱狀態(tài)再重新設(shè)定預(yù)制溫度值。

1.功能模塊

根據(jù)對上面工作流程的分析，系統(tǒng)軟件可以分為以下幾個(gè)功能模塊：

①溫度設(shè)定模塊：進(jìn)行溫度設(shè)定。

②溫度檢測模塊：利用數(shù)字溫度傳感器DS18B20完成溫度的自動檢測。

③溫度顯示模塊：顯示設(shè)定溫度值和當(dāng)前溫度值。

④溫度控制模塊：根據(jù)檢測到的溫度，利用PID控制加熱絲的工作與否。

⑤越限報(bào)警模塊：當(dāng)前溫度值越限時(shí)報(bào)警。

2.主程序

主程序完成的功能是：控制整個(gè)系統(tǒng)工作，進(jìn)行溫度值設(shè)定、溫度檢測、溫度顯示、越限報(bào)警等，啟動DS18B20測量溫度，將測量值與設(shè)定值進(jìn)行比較，然后進(jìn)行自動控制。主程序開始時(shí)，先進(jìn)行初始化（RAM及口地址分配見表1.1），然后進(jìn)行自檢，自檢時(shí)讓所有的二極管和數(shù)碼管都亮，以便檢查其是否正常。然后啟動DS18B20檢測溫度，調(diào)取讀溫度子程序，經(jīng)單片機(jī)轉(zhuǎn)換后送顯示。再調(diào)比較子程序。當(dāng)測量值大于設(shè)定值上限時(shí)，相應(yīng)的報(bào)警標(biāo)志位置“1”，并關(guān)閉加熱；當(dāng)測量值小于設(shè)定值下限時(shí)，相應(yīng)的報(bào)警標(biāo)志位置“1”，并啟動加熱；當(dāng)測量值在設(shè)定值的范圍內(nèi)時(shí)，相應(yīng)的報(bào)警標(biāo)志位置“0”，并且保持。然后，檢測報(bào)警標(biāo)志位，若有報(bào)警，就轉(zhuǎn)相應(yīng)的執(zhí)行程序；若無報(bào)警，就返回繼續(xù)讀數(shù)、顯示、控制等。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介： 王瑩，女，1983年出生，專業(yè)為電子信息工程，研究方向?yàn)殡娮与姎饪刂啤?/p>