智能PID温控器、二次仪表的优化设计

仪表组成
系统由电源供电、单片机*小系统、LED 显示及驱动、键盘、AD 转换电路、控制输出电路、串行通信电路组成。此系统基本上已是通用设计应用，已比较广泛不再赘述，系统设计中在保证系统的可靠性和精度的前提下尽量缩减本，同时通过优化设计提高仪表各个方面的性能。下面简述一下优化部分的硬件组成。
2.1 单片机选用宏晶科技51 内核STC 系
列单片机，在国产低成本的优势之外STC 单片机应用ISP/IAP（在系统/在应用编程）技术使片内程序存储器可作为EEPROM 使用，设计中外部无须再连接片外数据存储器；同时无需专用编程器可通过串口直接下载用户程序，同时芯
片封装可选用体积较小的QFP 贴片，降低了线路板体积，提高抗干扰能力。其内部集成了MAX810 专用复位电路也简化了外围电路。此外此系列单片机超低功耗、超强抗干扰、高抗静电的特性也是设计中选择的重要原因。
2.2 AD 转换电路使用555 定时器组成多
些谐振荡器以实现电压到频率的转换。其特点同样是简单实用，结合单片机程序设计可以达到较高精度。同传统AD 转换电路相比具有低成本和抗干扰性强的优点。VF 电路频率输出端直接接入单片机计数器外部输入端P3.4。计数
器T0 可工作在中断方式，在16 位计数器溢出的情况下在中断中增加内部存储器作为计数器的高位，可大范围提高测量部分的频率范围*终提高AD 部分的测量分辨率。
2.3 为了提高系统测量稳定性及精度在电
路设计中我们应用了一片模拟开关电路CD4051。CD4051 相当于一个数字控制的单刀八掷开关，其应用于AD 转化电路前相当于将AD 转化扩展到了八路。在此处扩展的主要作用有两个：其一，在扩展出的输入上接入零点（模拟
地）和一路标准电压。其作用是每次测量温控器时同时测量零点和量程作为参照，这样就可以完全杜绝VF 转换电路的时飘和温飘等不稳定因素，在提高测量的稳定性的同时也降低了对555定时器及其周边器件的要求，在低成本的前提
下实现较高精度及稳定性。其二，一般温控器的传感器有多种类型如热电偶、热电组、mv 信号、4-20ma 信号等，如将这些信号接入同一个点可能导致信号调理电路互相影响或者说增加了信号调理电路的复杂程度，而目前的模拟开关电路可以使不同的信号独立接入相互独立的开关上，测量时由单片机选择相应传感器即可。具体电路见图1。

3 软件设计
软件设计部分包含显示驱动扫描、键盘扫描、中断处理、计数器处理（AD 转换）、串行通讯、温度计算、温度控制（数字PID 算法）、自检、自动标定等一系列程序模块。文中着重介绍和硬件优化设计有关的部分。
3.1 AD 转换部分：每次的AD 转换分时转换三次，*次单片机IO 输出选中模拟开关中地线对应的接入点，此时通过测量VF 转换得到零点计数值X0；第二次单片机IO 输出选中模拟开关中标准电压对应的接入点，此时得到标准电压计数值X1；第三次单片机IO 输出选中模拟开关中模拟输入对应的接入点，此时通过测量VF 转换得到计数值X；对应的AD 转换结果应为y=(x-x0)/(x1-x0)* 标准电压。此电压值通过查表可得到对应的温度值。温度电压表通过
自动标定程序获得。通过查表方式从根本上解决了温度测量调理电路和VF 转换电路带来的非线性，软件中无需再增加非线性调整部分的设计，但传感器及其电路的线性越差标定时需要的标定点就会越多。由于模拟开关的引入使系统测量部分AD 转换的时间增加了三倍是本设计的一个缺点。
3.2 自动标定部分：生产过程中通过特殊操
作使仪器进入自动标定流程，仪表首先运行自检程序，自检结束进入自动标定流程。以传感器为热电阻PT100 的自动标定为例：温控仪自检结束LED 显示100 提示接入标准电阻箱的阻值调至100 欧姆（或者温控表和工装通过串口连接，工装接受串行口传送数据自动接入标准电阻100 欧姆）。待显示屏温度显示稳定后按下确认键此时温控仪记录此时的AD 值和对应温度生成表中的一个点。依此类推可得到完整的电压温度表供实际使用时查询。标定结果可以直接显示在LED 屏，上也可通过串口连接管理微机实现生产管理自动化