摘要 以溫度控制系統(tǒng)為例研究嵌入式系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。以AT89C51單片機(jī)為控制核心，采用典型大慣性環(huán)節(jié)的PID閉環(huán)控制裝置，可自動(dòng)控制惡劣環(huán)境下的溫度，使被控對(duì)象溫度保持在恒定范圍內(nèi)。該系統(tǒng)通用性強(qiáng)，可廣泛應(yīng)用予工業(yè)過程控制中。
關(guān)鍵詞 單片機(jī)；PID；工業(yè)控制；溫度

    超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了單片機(jī)的誕生，單片機(jī)具有功能強(qiáng)、性價(jià)比高、可靠性高、功耗低、體積小等特點(diǎn)。單片機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)既提高了產(chǎn)品質(zhì)量，又豐富了產(chǎn)品功能，同時(shí)還簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。單片機(jī)主要應(yīng)用在電力、化工、石油、冶金、航空航天、機(jī)械制造等生產(chǎn)實(shí)踐中，用來實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測(cè)、數(shù)據(jù)采集以及對(duì)應(yīng)用對(duì)象的控制。
    隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，需要對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。溫度是表征對(duì)象和工程狀態(tài)的重要參數(shù)之一。研究和設(shè)計(jì)高性能的溫度控制系統(tǒng)具有重要意義。所以本設(shè)計(jì)選用溫度作為被控量進(jìn)行研究。溫度控制系統(tǒng)一般具有非線性、時(shí)滯以及不確定性，為了能實(shí)現(xiàn)較高的控制精度，采用PID閉環(huán)算法進(jìn)行控制。智能溫度控制系統(tǒng)滿足產(chǎn)品對(duì)成本低、性能穩(wěn)定、可遠(yuǎn)程監(jiān)控制現(xiàn)場(chǎng)溫度的要求。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)采用AT89C51作為溫度控制系統(tǒng)主控單元。AT89C51是一種帶4 kB閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的低電壓、高性能CMOS的8位微處理器。指令系統(tǒng)和引腳與典型的MCS-51系列完全兼容，方便軟件的編寫。系統(tǒng)整體電路包括：主控電路、A／D數(shù)據(jù)采集、信號(hào)調(diào)理、LED顯示、控制輸出、控制對(duì)象、雙向可控硅模塊、設(shè)定輸入等電路，如圖1所示。

    (1)主機(jī)電路。包括核心控制器件單片機(jī)，以及由時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、電源電路構(gòu)成的最小系統(tǒng)。主要完成功能運(yùn)算，是控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的重要電路。
    (2)數(shù)據(jù)采集電路。本系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)采集溫度數(shù)據(jù)，經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，存入AT89C51的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，送LED顯示器顯示，并與設(shè)定值比較，經(jīng)過PID算法得到控制量并由單片機(jī)輸出以控制電熱絲加熱。
    (3)鍵盤處理電路。本系統(tǒng)采用獨(dú)立鍵盤，主要功能為輸入控制系統(tǒng)的設(shè)定值，以便與系統(tǒng)采樣值比較。鍵盤共有4個(gè)鍵，其中第2個(gè)選用雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)，為后續(xù)鍵盤處理子程序提供便利。第1個(gè)、第3個(gè)和第4個(gè)鍵選用按鈕開關(guān)。第1個(gè)鍵按下則轉(zhuǎn)入外部中斷處理。第2個(gè)鍵判斷是十位還是個(gè)位進(jìn)行加減操作，第2個(gè)鍵按下轉(zhuǎn)十位進(jìn)行加減操作，否則轉(zhuǎn)入個(gè)位加減操作。第3個(gè)和第4個(gè)鍵分別為加1和減1操作。
    (4)LED顯示電路。顯示電路采用兩個(gè)4位LED顯示數(shù)碼管，共陰極接法。由于LED顯示電路較多選用動(dòng)態(tài)掃描方式，為實(shí)現(xiàn)LED顯示管的動(dòng)態(tài)掃描，要給顯示器提供段和位控。
    (5)控制執(zhí)行電路。系統(tǒng)用加熱絲進(jìn)行加熱，加熱時(shí)間的長短取決于PWM波高電平時(shí)間的長短。

2 軟件部分
    系統(tǒng)采用AT89C51單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，設(shè)置相應(yīng)的溫度初始值并對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理顯示。首先由溫度的采樣值與設(shè)定值之差求出溫度誤差，通過PID閉環(huán)控制算法獲得控制量U，然后由定時(shí)子程序處理，發(fā)出可以改變占空比的PWM控制信號(hào)，控制加熱片的工作時(shí)間，從而達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的。軟件設(shè)計(jì)時(shí)采用了模塊化設(shè)計(jì)，由主程序模塊、功能實(shí)現(xiàn)模塊和運(yùn)算控制模塊組成。
2．1 主程序模塊
    在主程序中首先給定PID算法的參數(shù)值，然后通過循環(huán)顯示當(dāng)前溫度，以等待中斷，并且使鍵盤處于最高優(yōu)先級(jí)。外部中斷為高優(yōu)先級(jí)，以便使主程序能及時(shí)響應(yīng)鍵盤處理。初值由PID算法子程序提供，以用來執(zhí)行對(duì)加熱絲的控制。系統(tǒng)總體程序流程圖如圖2所示。

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2．2 功能實(shí)現(xiàn)模塊
    功能實(shí)現(xiàn)模塊主要由A／D轉(zhuǎn)換子程序、中斷處理子程序、鍵盤處理子程序和顯示子程序等組成。
    (1)A／D轉(zhuǎn)換子程序。
    先送地址鎖存允許ALE一上跳沿，使A、B、C地址狀態(tài)送入地址鎖存器中，然后發(fā)送給START一個(gè)上跳沿使內(nèi)部寄存器清0，再給其發(fā)送一個(gè)下跳沿，開始進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，然后判斷轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)信號(hào)EOC是否為1，為0則繼續(xù)等待轉(zhuǎn)換，為1則將轉(zhuǎn)換好的數(shù)字量經(jīng)ADC0808的8個(gè)數(shù)據(jù)輸出端送到AT89C51的P0.0～P0.7口，A／D轉(zhuǎn)換流程圖如圖3所示。

    (2)T0中斷子程序。
    該中斷是單片機(jī)內(nèi)部5 s定時(shí)中斷，為低優(yōu)先級(jí)，但卻是最重要的處理子程序。在該中斷響應(yīng)中，單片機(jī)要完成的工作有：A／D數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、標(biāo)度變換處理、顯示設(shè)定值、調(diào)用PID算法及PWM處理子程序。產(chǎn)生控制信號(hào)PWM波是單片機(jī)上常用的模擬量輸出方法，通過外接轉(zhuǎn)換電路，可以將脈沖的占空比變成電壓。程序中通過調(diào)整占空比調(diào)節(jié)輸出模擬電壓，PWM的占空比由定時(shí)器通過定時(shí)來實(shí)現(xiàn)，定時(shí)長短取決于PID運(yùn)算的結(jié)果。
    (3)T1中斷子程序。
    T1中斷子程序嵌套在T0中斷子程序中，為高優(yōu)先級(jí)的中斷。T0的定時(shí)初值由PID算法子程序提供，T0中斷的響應(yīng)時(shí)間用于對(duì)電熱絲的控制，也就是產(chǎn)生PWM波。
    (4)鍵盤處理子程序。
    作為高優(yōu)先級(jí)的功能鍵，系統(tǒng)要實(shí)時(shí)準(zhǔn)備響應(yīng)實(shí)時(shí)中斷。在中斷的響應(yīng)過程中，應(yīng)能顯示設(shè)定值和控制處理后的值，其流程圖如圖4所示。

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2．3 運(yùn)算控制模塊
    運(yùn)算控制模塊涉及標(biāo)度變換、PID算法及該算法調(diào)用的乘法子程序等。
    (1)溫度標(biāo)度轉(zhuǎn)換模塊。
    控制系統(tǒng)讀人被測(cè)量模擬信號(hào)，并轉(zhuǎn)換成操作人員的物理量，這種轉(zhuǎn)換就是標(biāo)度轉(zhuǎn)換。線性標(biāo)度變換的公式為
   
    式中，Y為參數(shù)測(cè)量值；Ymax為測(cè)量范最大值，Ymin為測(cè)量范最小值；Ymax為對(duì)應(yīng)的A／D轉(zhuǎn)換值；Nmin為Ymin對(duì)應(yīng)的A／D轉(zhuǎn)換值；X為測(cè)量值Y對(duì)應(yīng)的A／D轉(zhuǎn)換值。在本系統(tǒng)中Ymin=0，Ymax=100，Nmin=0。
    (2)PID算法。
    在模擬控制系統(tǒng)中，控制器最常用的控制規(guī)律是PID控制。工業(yè)控制算法常用位置型PID算法，經(jīng)離散化后的算式為
   
    式中，U(n)為第n個(gè)采樣時(shí)刻控制器的輸出量，e(n)第n個(gè)采樣時(shí)刻的偏差值，Kp為比例系數(shù)，Ki為積分作用系數(shù)，Kd為微分作用系數(shù)。由于位置式算法每次輸出與整個(gè)過去狀態(tài)有關(guān)，算式中用到過去偏差的累加值，容易產(chǎn)生較大的累計(jì)誤差。而增量式中只需計(jì)算增量，算式中不需要累加，控制增量的確定僅與幾次偏差采樣值有關(guān)，當(dāng)存在計(jì)算誤差或精度不足時(shí)，對(duì)控制量計(jì)算的影響較小，且容易通過加權(quán)處理獲得較好的控制效果。由于計(jì)算機(jī)只輸出控制增量，所以誤動(dòng)作時(shí)影響較小，且必要時(shí)可用邏輯判斷的方法去掉，對(duì)系統(tǒng)安全運(yùn)行有利。
    由于上述優(yōu)點(diǎn)，所以增量式PID控制算法得到廣泛的應(yīng)用。其控制算法表達(dá)式為

    式(3)是PID位置式的遞推形式，是編程時(shí)常用的形式之一。按增量式PID控制算法編程時(shí)，a0，a1，a2可預(yù)先算出存入固定單元。PID算法流程圖如圖5所示。

3 結(jié)束語
    本嵌入式智能溫度控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)處理采集到的數(shù)據(jù)、通過鍵盤實(shí)現(xiàn)設(shè)定初始值并實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的溫度值，采用PID閉環(huán)控制算法增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力，提高了智能系統(tǒng)的精確度，達(dá)到了較高的設(shè)計(jì)水平，是一種成本低且效果好的嵌入式系統(tǒng)。