图4-8降温控制模块
4.8升温电路
MOC3061系列光电双向可控硅驱动器是一种新型的光电耦合器件,它可用直流低电压、小电流来控制交流高电压、大电流。单片机引脚P3.4接与非门到红外发光二极管阴极，当P3.4为高电平时红外发光二极管导通发射红外光,光控双向可控硅触发导通，进而控制电阻丝加热。图中R16为限流电阻,使LED工作在所需电流内，R17是双向可控硅的门极电阻,当可控硅灵敏度较高时,门极阻抗也很高,并上R17可提高抗干扰能力，R19是触发功率双向可控硅的限流电阻，另外R18和C12电容组成浪涌吸收电路,防止浪涌电压损坏双向可控硅。升温控制模块如图4-9所示。
图4-9 升温控制模块
4.9 部分PCB设计及布线规则
2005年年底，Protel软件的原厂商 Altium公 司推出了Protel系列的最新高端版本Altium Designer 6.0。 Altium Designer 6.0，它是完全一体化电子产品开发系统的一个新版本，也是业界第一款也是唯一一种完整的板级设计解决方案。Altium Designer 是业界首例将设计流程、集成化 PCB 设计、可编程器件（如 FPGA）设计和基于处理器设计的嵌入式软件开发功能整合在一起的产品，一种同时进行PCB和FPGA设计以及嵌入式设计的解决方案，具有将设计方案从概念转变为最终成品所需的全部功能。
本设计采用PCB双层板对温控系统的电路设计，其布线规则如下:
（1） 按电路模块进行布局，实现同一功能的相关电路称为一个模块，电路模块中的元件应采用就近集中原则，同时数字电路和模拟电路分开。
（2）螺钉等安装孔周围3.5mm（对于M2.5）、4mm（对于M3）内不得贴装元器件。 卧装电阻、电感（插件）、电解电容等元件的下方避免布过孔，以免波峰焊后过孔与元件壳体短路。元器件的外侧距板边的距离为5mm, 贴装元件焊盘的外侧与相邻插装元件的外侧距离大于2mm,贴片焊盘上不能有通孔，以免焊膏流失造成元件虚焊。重要信号线不准从插座脚间穿过，贴片单边对齐，字符方向一致，封装方向一致。
（3）画定布线区域距PCB板边≤1mm的区域内，以及安装孔周围1mm内，禁止布线。电源线尽可能的宽，不应低于18mil,本设计采用20mil。信号线宽不应低于12mil，本设计采用15mil，信号线之间应尽可能的平行走线，顶层与底层信号线应垂直走线，以便减少信号干扰。CPU入出线不应低于10mil（或8mil）；线间距不低于10mil，正常过孔不低于30mil。
（4）注意电源线与地线应尽可能呈放射状，以及信号线不能出现回环走线。 整体PCB设计图如图4-8所示：
图4-8 整体温控系统PCB设计
4.10 数字PID算法
PID调节的一般步骤： （1）确定比例增益P：确定比例增益P时，首先去掉PID的积分项和微分项，一般是令Ti=0、Td=0（具体见PID的参数设定说明），使PID为纯比例调节。输入设定为系统允许的最大值的60%~70%，由0逐渐加大比例增益P，直至系统出现振荡；再反过来，从此时的比例增益P逐渐减小，直至系统振荡消失，记录此时的比例增益P，设定PID的比例增益P为当前值的60%~70%。比例增益P调试完成。
（2）确定积分时间常数Ti
比例增益P确定后，设定一个较大的积分时间常数Ti的初值，然后逐渐减小Ti，直至系统出现振荡，之后在反过来，逐渐加大Ti，直至系统振荡消失。记录此时的Ti，设定PID的积分时间常数Ti为当前值的150%~180%。积分时间常数Ti调试完成。
（3）确定积分时间常数Td
积分时间常数Td一般不用设定，为0即可。若要设定，与确定P和Ti的方法相同，取不振荡时的30%。
（4）系统空载、带载联调，再对PID参数进行微调，直至满足要求。
温控系统采用数字PID算法，并由软件实现，所谓PID控制就是按设定值与测量值之间偏差的比例、偏差的积累和偏差变化的趋势进行控制。它根据采样
时刻的偏差值计算控制量。因此PID控制律的实现，必须用数值逼近法。当采样周期相当短时，可以用求和代替积分，用差商代替微分，即做如下近似变换：
t?kT?e(t)dt?T?e(jT)?T?e(j)0j?0j?0tkk （4-1）
de(t)e(kT)?e[(k?1)T]e(k)?e(k?1)??dtTT式中，k为采样序号，k=l，2，3，??；T为采样周期。显然，上述离散化过程中，采样时间T必须足够短，才能保证有足够的精度。为了书写方便，将e(kT)简化表示成e(k)等，即省去T。可以得到离散的PID表达式为：
u(k)?Kpe(k)?KI?e(j)?KD[e(k)?e(k?1)] （4-2）
j?0k式中，k为采样序号，k=1，2，3，??；u(k)为第k次采样时刻的计算机输出值；e(k)为第k次采样时刻输入的偏差值；e(k-1)为第(k-1)次采样时刻输入的偏差值；KI为积分系数；KD为积分系数。 本系统采用增量式PID控制算法，是指数字控制器输出只是控制量的增量，该算法编程简单，数据可以递推使用，占用存储空间少，运算快。根据递推原理可得：
u(k?1)?Kpe(k?1)?kI?e(j)?KD[e(k?1)?e(k?2)] （4-3）
j?0k用式（4-2）减去式（4-3），可得增量式PID控制算法如下：
?u(k)?Kp[e(k)?e(k?1)]?KIe(k)?KD[e(k)?2e(k?1)?e(k?2)] （4-5）
第 5 章 系统软件设计
5.1 设计思路
本部分详细介绍基于STC89C52单片机的恒温箱温度控制系统的软件设计。根据系统功能，可以将系统设计分为若干个子程序进行设计，如温度采集子程序，数据处理子程序、显示子程序、PID控制子程序。采用Keil uVision3集成编译环境和C语言来进行系统软件的设计。本章从设计思路、软件系统框图出发，先介绍整体的思路，再逐一分析各模块程序算法的实现，最终编写出满足任务需求的程序，流程图如图5-1所示。
开 始 系统各模块初始化 调取温度子程序 显示当前温度 调取键盘子程序
图5-1 控制系统程序流程图
5．2 子程序流程图及程序内容
5.2.1 DS18B20初始化子程序流程图
DS18B20在初始化序列期间，总线控制器拉低总线并保持480us以发出（TX）一个复位脉冲，然后释放总线，进入接收状态（RX）。单总线由5K上拉电阻拉到高电平。当DS18B20探测到I/O引脚上的上升沿后，等待15～60us,然后发出一个由60～240us低电平信号构成的存在脉冲。完成对DS18B20的初始化操作，在每次测温前必须对其进行初始化，否则系统无法正常运行。所以这个步骤很重要，DS18B20初始化子程序流程如图5-2所示。
拉低总线 低电平复位脉冲持续480～960us 释放总线 DS18B20响应? N
图5-2 DS18B20初始化子程序流程图
5.2.2 DS18B20写字节子程序
DS18B20写字节由两种写时序组成：写1时序和写0时序。总线控制器通过写1时序写逻辑1到DS18B20，写0时序写逻辑0到DS18B20。所有写时序必须最少持续60us，包括两个写周期之间至少1us的恢复时间。当总线控制器把数据线从逻辑高电平拉到低电平的时候，写时序开始总线控制器要生产一个写时序，必须把数据线拉到低电平然后释放，在写时序开始后的15us释放总线。当总线被释放的时候，5K的上拉电阻将拉高总线。总控制器要生成一个写0时序，必须把数据线拉到低电平并持续保持（至少60us）。总线控制器初始化写时序后，DS18B20在一个15us到60us的时间内对I/O线采样。如果线上是高电平，就是写1。如果线上是低电平，就是写0，DS18B20写字节程序流程图如图5-3所示。
拉低总线 延时15~60us 写入数据 释放总线 1字节? 写完N Y 返回