以单片机为核心的监控系统设计方案

　　本方案利用位置式PID算法，将温度传感器采样输入作为当前输入，接着与设定值进行相减得偏差，再进行PID运算产生输出结果，然后控制定时器的时间进而控制加热器。由中断定时器提供溢出频率为64 Hz的中断信号，配合主程序的PID运算结果来确定加热时间，实现加热器功率调节，该部分子程序流程图如图3所示。 

图2　主程序流程图　　　　　　　　图3　PID控制子程序流程图

　　上位机软件使用Delphi，由于Delphi不提供串口通信的ActiveX控件，仅有API函数可以使用，但API函数编程较为复杂，因此可将微软公司提供的Ac-tiveX控件Microsoft Communication Control 6.0(简称MSComm控件)引入到Delphi开发环境中，这样用户便可以像使用Delphi控件一样方便地利用MSComm控件进行计算机串口的通信编程。下面给出上位机命令的发送与数据接收的部分源程序：

　　3 系统调试

　　本系统的关键之处在于PID控制。对于PID系统来说，系统性能的好坏主要取决于PID控制参数的设定。由PID控制原理知;比例(P)控制能迅速反应误差，减小稳态误差;比例作用的加大，会引起系统的不稳定。积分(I)控制的作用，只要系统有偏差存在，积分作用不断地积累，输出控制量以消除误差;积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡。微分(D)控制可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。本系统要达到的目标就是：反应速度尽可能快，超调量尽可能小，稳态误差趋近于0。

　　为能在上位机上实时显示温度的变化曲线，调节PID系统关键参数KP，KD使系统处于最佳运行状态就显得尤为重要。图4给出了在4种情况下温度随时间变化的调试曲线。由图可知：在KP=1.5，KD=1.0(温升：20～40℃)时，超调量过大;在KP=1.2，KD=1.0(温升：40～60℃)时，由于参数过小，系统的快速性不好，反应比较迟钝;在KP=-1.3，KD=1.0(温升：30～50℃)时，由于参数过小，系统的超调量比较大，而且预测性不好，造成温度长时间超调;在KP=1.3，KD=2.0(温升：50～70℃)时，选择适中，系统的超调量很小，而且超调维持时间很短就会恢复平衡点。此时温度控制指标如下：静态误差：T≤0.5℃;分辨率：0.1℃;超调量：T≤0.5℃。这样的情况下，系统运行情况可以达到最好。 

图4 　PID参数调节曲线图

　　4 结 语

　　以单片机AT89C51为中心，设计了一种温度监控功能系统。该系统简洁，温度数据采集和运算处理十分方便简单，扩展为多路温度监控系统容易。利用单片机的串行中断，采用Delphi编制上下位机通信程序，在上位机直接实时显示温度的变化曲线，便于直接观察控制的性能。通过调试找到了使控制最优的PID参数，在此情况下，系统运行良好，表明了本系统设计的可行性和有效性。