基于單片機的自動消毒柜控制器設計-資料下載頁

【導讀】近年來，多種傳染性疾病的傳播促使一種全新的便攜式消毒設備的出現。設計選用了高溫消毒，紫外消毒，和臭氧消毒的方法，可根據不同的要求。自行設計消毒參數。高溫消毒部分采用了可控加熱和溫度檢測電路。路選用DS18B20傳感器，它不需要外部電源，因為它可以自身供電。現微處理器與DS18B20的雙向通訊，在使用中不需要任何外圍元件。臭氧濃度測量系統采用數字濾波核技術去除氣路切換造成的測量。控制方面采用了PID調解，使系統。更穩定，操作更方便。

　　

【正文】 時鐘電路 時鐘是單片機的心臟，單片機各功能部件的運行都是以時鐘頻率為基準，有條不紊地一拍一拍地工作。因此，時鐘頻率直接影響單片機的速度，時鐘電路的質量也直接影響單片機系統的穩定性 [1]。常用的時鐘電路有兩種方式，一是內部時鐘方式，另一種為外部時鐘方式。本文采用內部時鐘方式。 MCS51 單片機內部有一個用于構成振蕩器 的高增益反相放大器，該高增益反相放大器的輸入端為芯片引腳 XTAL1，輸出端為引腳 XTAL2。這兩個引腳跨接石英晶體振蕩和微調電容，就構成一個穩定的自激振蕩器，圖 MCS51 單片機內部時鐘方式的振蕩器電路。 圖 MCS51內部時鐘方式的電路 除使用晶體振蕩器外，如對時鐘頻率要求不高，還可以用陶瓷諧振器來代替。電路中的電容 C1和 C2典型值通常選擇為 30pF 左右。對外接電容的值雖然沒在嚴格的要求，但電容的大小會影響振蕩器頻率的高低、振蕩器的穩定性和起振的快速性 [6]。晶體的振蕩頻率的范圍通常是在 ~12MHz 之間。晶體的頻率越高，則系統的時鐘頻率也就越高，單片機的運行速度也就越快。但反過來運行速度快對存儲器的速度要求就高，對印刷電路板的工藝要求也高。即要求線間的寄生電容要小；晶體和電容應盡可能安裝得與單片機芯片靠近，以減少寄生電容，更好地保證振蕩器穩定、可靠地工。為了提高溫度穩定性，應采用溫度穩定性能好的 NPO 高頻電容。 MCS51 單片機常選擇振蕩頻率 6MHz 或 12MHz 的石英晶體。隨著集成電路制造工藝技術的發展，單片機的時鐘頻率也在逐步提高，現在的高速單 片機芯片的時鐘頻率已達到 40MHz。 長春工業大學畢業 論文 23 復位電路 復位是單片機的初始化操作，只要給 RESET 引腳加上 2 個機器周期以上的高電平信號，就可使 MCS51 單片機復位。復位的主要功能是把 PC 初始化為 0000H，使 MCS51 單片機從 0000H 單元開始執行程序 [9]。除了進入系統的正常初始化之外，當由于程序運行出錯或操作錯誤使系統處于死鎖狀態，為擺脫死鎖狀態，也需按復位鍵重新啟動。 除 PC 之外，復位操作還對其它一些寄存器有影響它們的復位狀態。如表 所示。由表 中可以看，復位時， SP=07； 4 個 I/O 端口 P0~P3 的引腳均為高電平，這在職某些控制應用中，要考慮到引 腳的高電平對外部控制電路的影響。 表 復位時片內各寄存器的狀態 寄存器 復位狀態 寄存器 復位狀態 PC 0000H TM0D 00H Acc 00H TCON 00H PSW 00H TH0 00H B 00H TL0 00H SP 07H TH1 00H DPTR 0000H TL1 00H P0~P3 FFH SCON 00H IP XXX00000B SBUF XXXXXXXB IE 0XXXXXXXB PCON 0XXXXXXXB 由于單片機內部的各個功能部件均受特殊功能寄存器控制，程序運行直接受程序計數器（ PC）指揮。表 中各寄存器復位時的狀態決定單片機內有關功能部件的初始狀態。 另外，在復位有效期間（即高電平）， MCS51 單片機的 ALE引腳和 PSEN 引腳均為高電平，且內部 RAM 不受復位的影響。 MSC51 的復位是由外部的復位電路來實現的 [7]。 MCS51 單片機內復位結構見圖 。復位引腳 RST 通過一個斯密特觸發器與復位電路相連，斯密特觸發器用來抑制噪聲，在每個機器周期的 S5P2，斯密特觸發器的輸出電平由復位電路采樣一次，然后才能得到內部復位操作所需要的信號。復位電路通常采用上電自動復位和按鈕復位兩種方式。 長春工業大學畢業 論文 24 RET 片內復位電阻 斯密特觸發器 圖 MCS51的片內復位結構 最簡單的上電自動復位電路如圖 所示。上電自動復位是通過外部復位電路的電容充電來實現的。只要 Vcc 的上升時間不超過 1ms，就可以實現自動上電復位。當時鐘頻率選用 12MHz 時， C取 22μ F， R 取 1K?。 除了上電復位外，有時還需要按鍵手動復位。 按鍵手動復位有電平方式和脈沖方式兩種。其中電平復位是通過 RST 端經電阻與電源 Vcc 接通而實現的，按鍵手動電平復位電路見圖 所示。當時鐘頻率選用 12MHz 時， C 取 22μF ， R1 取200?， R2 取 1K?。 C 22μF +5V R 1K? 圖 上電復位電路 +5V RESET C 22μF R 1K? R1 200? 圖 按鍵電平電路 復位電路 RST 89C51 RST 89C51 長春工業大學畢業 論文 25 總體電路實現 綜合時鐘電路（見圖 ）、復位電路（見圖 ）、 LED 顯示器與 89C51 的接口電路（見圖 ）、 DS18B20 與 89C51 的接口電路（見圖 ）， .等等，電路總圖見附錄。 長春工業大學畢業 論文 26 第四章 控制算法 PID 調節的簡介 1. 技術成熟，結構靈活，可以根據系統的要求，采用 多種 PID 的變種。 2. 容易被人們熟悉和掌握 3. 不許要求出數學模型 4. 控制效果好，用數字 PID完全可以代替模擬調節器 PID 調節的原理 按偏差的比例（ Proportional），積分（ Integral），微分（ Differential）進行控制的調節器，簡稱為 PID 調節器。 PID 調節是連續系統中技術最成熟，應用最廣泛的一種控制算法它結構靈活，不僅可以用常規的 PID調節，而且還可以根據系統的要求，采用各種 PID 的變型，如 PI， PD控制及改進的 PID 控制等。它具有許多特點，如不需要求出數學模型，控制效 果好等， 特別是調節器，應用更加靈活，適用性更強。 1. 比例調節器（ P） 它是一種簡單的調節器，控制規律為： u=K * e + u0 (41) 式中， K為比例系數， u0為偏差 e=ry=0 是的控制作用（如原始閥們開度，基準電壓等）。比例調節器與偏差成比例調節，調節及時，誤差一旦產生，調節器立即產生控制作用，使被控量 y 向減小偏差的方向變化，但是這種調節使被控制量 y 存在靜態誤差，因為調節作用是以偏差的存在為前提的。只有在控制作用為 u0 時才會出現零靜差。提高放大系數 KP 雖然可以減小靜差，但是永遠不會使靜差減小到零，而且無止境的提高放大系數最終將導致系統的不穩定。 2. 比例積分調節器（ PI） 采用比例條器的系統存在靜差，為了消除靜差，在比例調節器的基礎上加入了積分調節器組車比例積分調節器，其控制規律為： u= K*（ e + du0/dt） + U (42) 式中 T為積分常數， T越大積分作用越弱 。積分調節器的突出優點是，只要被調量存在偏差，起輸出的調節作用便隨時間不斷加強，直到偏差為零為止。但是單純的積分也有弱點，其動作太慢，動作過于遲緩，因而在改善靜態品質的同時，往往使調節的動態品質變壞，過度過程時間加長。因此在實際生產中往往在積分的基礎上加入比例調節，把比例作用的及時性與積分作用消除靜差的優點結長春工業大學畢業 論文 27 合起來，構成比例積分調節器。 3. 比例積分微分調節器（ PID） 比例積分調節消除系統誤差需要經過較長時間，為了進一步改進控制器，可以通過檢測誤差的變化率來預報誤差，根據誤差變化趨勢，產生強烈的調節作用 ，使偏差盡快的消除在萌芽狀態，數學上描述這個概念就是微分，因此在 PI 調節器的基礎上加入微分調節，就構成了比例積分微分調節器，其控制規律為： u=K *（ e + du0/dt + Td） (43) 式中 Td為微分常數， Td越大微分作用越強。在 PID 三作用調節器中，微分調節主要用來加快系統的響應速度，減小超調量，克服振蕩。將 P， I， D三種調節規律結合在一起，即快速敏捷又平穩準確，只要三者強度配合適當，便可獲得滿意的調節效果。 數字 PID 的調節器參數的整定 方法 由于連續生產過程一般都有較大的時間常數，而微機控制系統的采樣周期遠遠小于過程對象的時間常數，因此數字 PID 調節器參數的整定，完全可以參照模擬調節器的參數整定方法進行，最后在實踐中加以整定，得到比較理想的參數。 在控制系統中產生誤差的擾動有以下集中類型： 。 變化。 。如何正確的選擇 PID調節器的結構和參數，使系統受到擾動后仍然保持穩定將誤差保持在最小值，這是 PID 控制設計中的一個重要問題。主要參數有：比例系數 Kp，積分系數 Ti，微分時間 Td以及采樣周期 T0 。 在本設計應用系統中， PID 參數整定如下： 采樣周期的確定 根據香農采樣定理：采樣頻率 f﹥ 2fmax。即采樣周期 T＜ 1/2fmax，但是由于被控制對象的物理過程及參數的選擇變化比較復雜，致使模擬信號的最高頻率 fmax很難確定。所以采樣周期的選擇還要根據系統的實際情況，綜合考慮多方面因素來確定。 1. 從品質要求來看希望采樣周期小些。 2. 從執行元件的要求看，對于執行速度較慢的執行器，要求采樣周期不能過小，否則，上一輸出值還未實現，馬上又轉為新的輸出值， 執行元件就不能按預期的控制規律動作。 3. 從對控制系統的響應快速性和抗干擾性要求來看，則要求采樣周期短些。 4. 當系統的純滯后時間Г與被控對象的時間常數 Tc 相比有Г = Tc 時，通常認為是大滯后系統，這時，選采樣周期 T等于或接近。 5. 從計算精度考慮，采樣周期 T不能過小。 長春工業大學畢業 論文 28 6. 從微型機的工作量考慮，采樣周期應大些。 試湊法確定 PID 調節參數 試湊法是從一組初始數據出發，通過閉環運行觀察系統的運行效果，根 據各參數對系統品質的定性影響，反復試湊修改參數，直到結果滿意為止。 先分析 PID 各品質參數對系統品質的定性影響： 1. 增益 Kp與系統響應的快速性成正比，與系統的靜差成反比。但是 Kp過大將使系統超調量過大，振蕩加劇，穩定性破壞。 2. 增大積分時間 Ti有利于減小超調和振蕩，有利于穩定系統，但消除靜差的過程將增大。 3. 微分時間 Td與系統快速性成正比，并能是超調減小，穩定性增加，但抗干擾性將下降。 在試湊上，可參考以上參數時控制過程的影響趨勢，對參數進行先比例，后積分再微分的整定步驟 . PID 的控制可采用位 置型 PID 算法和增量性 PID算法。 位置型 PID 算法 u（ k）是全量值輸出，每次的輸出值都與執行機構的位置（如控制閥門的開度）一一對應，所以稱之為位置型 PID 算法。 本設計中采用增量性 PID 算法。與位置型 PID 算法相比增量型 PID 算法有如下優點：位置型算法每次的輸出與整個過去的狀態有關，容易產生較大的累積計算誤差；增量性算法易于實現從手動到自動的無擾動切換；采用增量型算法時所用的執行器本身都具有寄存作用，所以即使計算機發生故障，執行器仍能保持在原位，不會對生造成嚴重影響。 所以本設計采用增量性 PID 控制算法。 長春工業大學畢業 論文 29 第五章 軟件設計 ROM 命令和存儲器命令 系統對 DS18B20 的操作以 ROM 命令和存儲器命令形式出現。 一、 ROM 命令代碼及其含義 READROM 命令代碼 [33H]；如果只有一片 DS18B20，可由此命令讀出其序列號，若在線 DS18B20 多于一個，將發生沖突。 MATCHROM 命令代碼 [55H]；多個 DS18B20 在線時，可用此命令匹配一個給定序列號的 DS18B20，此后的命令就針對該 DS18B20。 SDIPROM 命令碼 [CCH]；此命令執行后的存儲器操作將針對在線 的所有DS18B20。 SEARCHROM 命令代碼 [F0H]；用以讀出在線的 DS18B20 的序列號。 ALARMSEARCH 命令代碼 [ECH]；當溫度值高于 TH 或低于 TL 中的數值時，此命令可以讀出報警的 DS18B20。 二、存儲器操作命令代碼及其含義 WRITESCRATCHPAD 命令代碼 [4EH]；寫兩個字節的數據到溫度寄存器。 READSCRATCHPAD 命令代碼 [BEH]；讀取溫度寄存器的溫度值。 COPYSCRA