恒溫恒濕試驗(yàn)箱控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 電氣畢業(yè)論文

1、 2012屆畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 題 目: 恒溫恒濕試驗(yàn)箱控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 院系名稱： 電氣工程學(xué)院 專業(yè)班級： 電氣 f0802 學(xué)生姓名： 宋海華 學(xué) 號： 200848720201 指導(dǎo)教師： 王偉生 教師職稱： 講師 2012 年 5 月 30 日摘 要隨著我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展和工業(yè)產(chǎn)品研制的需要， 恒溫恒濕試驗(yàn)箱的應(yīng)用越來越廣, 生產(chǎn)、科研對它的要求也越來越高。要求它的性能價(jià)格比更高, 使用壽命更長, 使用費(fèi)用更少(省電) , 響應(yīng)速度更快。近幾年來，我國從國外引進(jìn)了大批試驗(yàn)系統(tǒng)，為我國工業(yè)產(chǎn)品的研制和定型發(fā)揮了重要作用，但由于其本身的復(fù)雜性，使得試驗(yàn)箱在運(yùn)行中出現(xiàn)了許多問題，而且出現(xiàn)了

2、問題不能及時(shí)解決，大大延長了試驗(yàn)周期，影響了產(chǎn)品的研制工作。而產(chǎn)生這些現(xiàn)象的原因是對綜合試驗(yàn)的工作原理不了解。為此，本文對試驗(yàn)箱的基本工作原理作出了一些簡要闡述。恒溫恒濕試驗(yàn)箱是利用一定的方式將箱內(nèi)的溫度和濕度調(diào)節(jié)到給定值，并在該條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，達(dá)到實(shí)驗(yàn)反應(yīng)要求。即能同時(shí)施加溫度、濕度應(yīng)力的試驗(yàn)箱。簡而言之是指溫度和濕度都能控制在指定范圍內(nèi)的試驗(yàn)箱。恒溫恒濕試驗(yàn)箱主要用于檢測材料在各種環(huán)境下的性能的設(shè)備，并可試驗(yàn)各種材料耐熱、耐寒、耐干、耐濕性能。適合電子、電器、通訊、儀表、車輛、食品、化學(xué)、建材、醫(yī)療、航天等制品檢測質(zhì)量之用。關(guān)鍵詞： 恒溫恒濕 試驗(yàn)箱 單片機(jī)控制系統(tǒng) 限溫報(bào)警系統(tǒng)title

3、 the design of constant temperature and humidity chamber control system abstractwith the development of chinas modern agriculture and the need of industrial products developed, the applications of the constant temperature and humidity box become more widely. production, scientific research and its i

4、ncreasingly high requirements. higher cost-effective,longer life,less costs (saving) and faster response are required. in recent years,our country has imported a large number of test systems from abroad, which has played an important role in the development of chinas industrial products and stereoty

5、pes,however, due to its own complexity, making the chamber a lot of problems in the operation,and problems can not be solved promptly, which greatly prolong the test cycle, affecting the product manufacture work. the reason of these phenomena is do not understand the working theory of the comprehens

6、ive test. so, we made some brief description of the basic working theory of the chamber.the constant temperature and humidity box is a box which can adjust the temperature and humidity inside to the setpoint in a certain way,the experiments and the response requirements of the experimental under thi

7、s condition,which can imposed temperature and humidity stress to the chamber at the same time. in short,it is a box which can put the temperature and humidity within a specified range.the constant temperature and humidity chamber is the device that mainly used for the detection performance of materi

8、als in various environments,which can experiment various materials performance of heat, cold, resistance to dry and moisture . useing for the testing quality of electronic, electrical, communications, instrumentation, vehicles, food, chemical, building materials, medical, aerospace and other product

9、s.keywords constant temperature and humidity single chip control system limit temperature alarm system目 次1 緒論11.1 文獻(xiàn)綜述11.2 課題的主要內(nèi)容11.3 課題的研究方案12 設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)32.1單片機(jī)的發(fā)展概況32.2 at89c51單片機(jī)系列介紹32.3 ds18b20數(shù)字溫度傳感器42.4 ksc-6v濕度傳感器42.5 rs-232總線接口芯片 max23253 硬件電路設(shè)計(jì)63.1 主控模塊設(shè)計(jì)63.2 硬件系統(tǒng)電路連接設(shè)計(jì)84 pid控制算法114.1 pid控制的發(fā)

10、展114.2 pid控制理論114.3 pid控制算法125 軟件設(shè)計(jì)145.1 軟件設(shè)計(jì)綜述145.2 軟件流程圖14結(jié)論19致謝20參考文獻(xiàn)211 緒論1.1 文獻(xiàn)綜述1.1.1 國內(nèi)恒溫恒濕試驗(yàn)箱的狀況對溫濕試驗(yàn)箱的研究主要集中于制冷和加熱方式選擇、控制精度與測試監(jiān)控、設(shè)備的結(jié)構(gòu)等方面，對溫濕箱非穩(wěn)態(tài)溫變過程傳熱特性方面的研究不多，很少研究熱力系統(tǒng)的耦合。對于濕度，現(xiàn)在多已采用溫濕度獨(dú)立調(diào)節(jié)方式，這樣可避免溫濕度調(diào)節(jié)中的互相干擾，現(xiàn)在著重對加/除濕精度控制、選擇加濕方式的研究。對不同加濕方式之加濕能力和加濕效率的比較，分析對溫濕試驗(yàn)箱的影響。1.1.2 未來的恒溫恒濕試驗(yàn)箱發(fā)展方向1、利

11、用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，與pc機(jī)結(jié)合，做仿真實(shí)驗(yàn)。提高試驗(yàn)速度，降低試驗(yàn)成本。2、多功能化、智能化，更加安全、精確。雖然現(xiàn)在溫濕箱只能模擬兩種參數(shù)，但是將來將重點(diǎn)發(fā)展復(fù)合式的多功能智能化試驗(yàn)箱。1.2 課題的主要內(nèi)容本系統(tǒng)通過ds18b20溫度傳感器、ksc-6v濕度傳感器對試驗(yàn)箱內(nèi)溫度、濕度進(jìn)行檢測，并將溫度、濕度數(shù)據(jù)送入at89c51單片機(jī)，與預(yù)設(shè)的溫度、濕度數(shù)值進(jìn)行對比，通過pid控制算法，控制繼電器的通斷，從而控制加熱器、排風(fēng)機(jī)、加濕器、除濕器的工作，從而使恒溫恒濕試驗(yàn)箱工作于預(yù)設(shè)的溫度、濕度。溫濕度控制算法精確控制加熱、加濕，以溫濕度誤差最小為優(yōu)化目標(biāo)。作為工業(yè)控制的主要被控參數(shù)的溫度、濕

12、度，已被廣泛采用，如在工業(yè)控制中的各種反應(yīng)爐、加熱器等。過去多采用常規(guī)的模擬調(diào)節(jié)器對溫濕度進(jìn)行控制，本課題采用了at89c51單片機(jī)對溫濕度實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。使用單片機(jī)對溫濕度進(jìn)行自動(dòng)控制，難就難在測量的溫濕度值和單片機(jī)輸出的溫濕度值誤差太大，導(dǎo)致無法輸出，利用atmel單片機(jī)核心程序?qū)ζ溥M(jìn)行編碼，實(shí)現(xiàn)溫濕度在一段范圍內(nèi)的變化，實(shí)驗(yàn)成功控制語言的代碼，并進(jìn)行燒片，燒片成功后，運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，若能看到實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，則實(shí)驗(yàn)完成。1.3 課題的研究方案溫度、濕度是工業(yè)生產(chǎn)過程中重要的被控參數(shù)之一，當(dāng)今計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在這方面的應(yīng)用，已使溫濕度控制系統(tǒng)達(dá)到自動(dòng)化、智能化，要比以前僅僅使用電子線路的控制效果好太多，可

13、控性更加精確。溫度是一個(gè)非線性的對象，具有大慣性的特點(diǎn)，在低溫段慣性較大，在高溫段慣性較小。該溫控對象的傳遞函數(shù)形式如下所示： （1.1）圖1.1方案框圖at89c51單片機(jī)可以通過數(shù)碼管來顯示恒溫恒濕試驗(yàn)箱內(nèi)溫度、濕度的實(shí)際數(shù)值，并可用鍵盤輸入設(shè)定值。2 設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)2.1單片機(jī)的發(fā)展概況1976年intel公司首先推出了可以稱為單片機(jī)的mcs-48系列單片微型計(jì)算機(jī)。它以體積小、功能全、價(jià)格低等特點(diǎn)，贏得了非常廣泛的應(yīng)用，同時(shí)一些與單片機(jī)有關(guān)的其他公司都爭相推出各自的單片機(jī)。1978年下半年motorola公司推出m6800系列單片機(jī)，zilog公司相繼推出z8單片機(jī)系列。1987年in

14、tel公司又宣布了比8096性能高兩倍的cmos型80c196單片機(jī)，1988年推出帶eprom的87c196單片機(jī)?？v觀這短短的20年，已經(jīng)經(jīng)歷了4次更新?lián)Q代，單片機(jī)正朝著集成化、多功能、多選擇、高速度、低功耗、擴(kuò)大存儲容量和加強(qiáng)i/o功能及結(jié)構(gòu)兼容的方向發(fā)展。新一代的80c51系列單片機(jī)除了上述的結(jié)構(gòu)特性外，其最主要的技特點(diǎn)是向外部接口電路擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)微控制器（microcontroller）完善的控制功能。2.2 at89c51單片機(jī)系列介紹2.2.1 at89c51系列的特性和基本組成 本系統(tǒng)采用atmel公司生產(chǎn)的at89系列單片機(jī)中的at89c51。at89c51是一個(gè)低電壓，高性能

15、cmos 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù)擦寫的flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（ram），片內(nèi)置通用8位中央處理器和flash存儲單元，功能強(qiáng)大的at89c51單片機(jī)可提供許多較復(fù)雜系統(tǒng)控制應(yīng)用場合，at89c51的主要特點(diǎn)有：(l)內(nèi)部程序存儲器為電擦除可編程只讀存儲器eeprom，容量8kb，內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器容量256字節(jié)，最大尋址空間64kb；(2)at89c51有40個(gè)引腳；三個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器；(3)可利用兩根i/o口線作為全雙工的串行口，有四種工作方式，可通過編程設(shè)定；(4)工作電壓2.56.0v；(5)at89c51有40個(gè)引腳；(6)

16、1000次擦寫周期。2.3 數(shù)字溫度傳感器 ds18b202.3.1 ds18b20簡介ds18b20溫度傳感器，具有微型化、非易失性、上下觸發(fā)門限、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。ds18b20采用的是3腳to-92封裝，形如三極管，測溫范圍為-55+125，在-1085范圍內(nèi)，精度為0.5?？勺孕性O(shè)置溫度報(bào)警上限值th、下限值tl。當(dāng)ds18b20檢測到溫度值后，自動(dòng)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，然后保存到存儲器中，與預(yù)設(shè)的th或tl比較，如果測量值超過設(shè)定的范圍時(shí)，立即發(fā)出報(bào)警信號。2.3.3 ds18b20的工作原理ds18b20的讀寫時(shí)序和測溫原理與ds1820相同，只是得到的溫度值的位數(shù)因分辨率不同而不同，且溫度轉(zhuǎn)

17、換時(shí)的延時(shí)時(shí)間由2s減為750ms。ds18b20測溫原理如圖所示。圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計(jì)數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入。計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在-55所對應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。計(jì)數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減到0時(shí)，溫度寄存器的值將加1，計(jì)數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，計(jì)數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。圖3中的斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測溫過

18、程中的非線性，其輸出用于修正計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值。2.4 濕度傳感器2.4.1 濕度和濕度的表示方法濕度指的是空氣中所含的水蒸氣的多少，經(jīng)常采用相對濕度、絕對濕度、露點(diǎn)表示。絕對濕度指的是在一定的溫度和壓力條件下，單位體積空氣中所含水蒸氣的質(zhì)量，用符號ah表示。 (2.1)式中 -絕對濕度，單位為；-空氣中水蒸氣質(zhì)量g;v-空氣的體積 相對濕度指的是被檢測氣體中的水蒸氣的氣壓（）占該氣體在相同溫度條件下飽和水蒸氣的氣壓（）的百分比。用符號rh表示。 （2.2）露點(diǎn)指的是在壓力一定的情況下，將含水蒸氣的空氣冷卻，當(dāng)降到一定溫度時(shí)，空氣中的水蒸氣達(dá)到飽和狀態(tài)，開始從氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)時(shí)稱此溫度為結(jié)露的溫度，

19、此時(shí)的溫度稱為露點(diǎn)，用表示。濕度傳感器選用ksc-6v濕度傳感器，其振蕩器采用cmos電路，具有線路簡單、工作可靠、制作成本低、抗干擾能力強(qiáng)、靜態(tài)功耗低、振蕩電路轉(zhuǎn)換特性好、雙振蕩器在同一芯片上特性相同等優(yōu)點(diǎn)。濕敏傳感器ksc-6v濕敏探頭的電容隨濕度的變化而變化，引起振蕩電路輸出方波的脈沖寬度發(fā)生相應(yīng)的變化，經(jīng)過處理之后輸出電流信號。ksc-6v的電壓濕度特性大致成線性關(guān)系，輸出靈敏度約為。2.4.2 ksc-6v的工作原理ksc-6v濕度傳感器的工作原理主要是物理吸附和化學(xué)吸附。感濕層為微型孔狀結(jié)構(gòu)，極易吸附它周圍空氣中的水分子。由于水是導(dǎo)電物質(zhì)，當(dāng)感濕層中水分子含量增多時(shí)，就會(huì)引起電極間

20、電導(dǎo)率的上升。濕度傳感器的感濕層還具有電解質(zhì)特性，其正離子吸附空氣中水分子的羥基（），在外加電壓的作用下，產(chǎn)生載流子移動(dòng)。這種現(xiàn)象的變化是可逆的，即當(dāng)空氣中水蒸氣含量減少時(shí)，感濕層又會(huì)釋放羥基，引起電導(dǎo)率降低。為了不使感濕層因極化而降低感濕靈敏度，使用時(shí)應(yīng)采取交流驅(qū)動(dòng)或脈沖驅(qū)動(dòng)。2.5 rs-232總線接口芯片 max2322.5.1 rs-232接口rs-232接口是個(gè)人計(jì)算機(jī)上的通訊接口之一，主要作用是實(shí)現(xiàn)電平間的轉(zhuǎn)換，現(xiàn)在rs-232接口也經(jīng)常叫做db9，所以，在本設(shè)計(jì)中我們采用的是db9。3 硬件電路設(shè)計(jì)恒溫恒濕試驗(yàn)箱控制系統(tǒng)硬件部分大致可分為：at89c51單片機(jī)、ds18b20溫度

21、傳感器、ksc-6v濕度傳感器、數(shù)碼管溫度、濕度顯示電路、限溫報(bào)警系統(tǒng)、繼電器控溫系統(tǒng)、繼電器控濕系統(tǒng)等。硬件總體結(jié)構(gòu)如圖3.1所示：繼電器1繼電器2at89c51cpu濕度傳感器通信接口rs-232加熱器限溫報(bào)警系統(tǒng)溫度傳感器排風(fēng)機(jī)除濕器繼電器4加濕器繼電器3pc機(jī)溫度顯示器濕度顯示器圖3.1控制系統(tǒng)原理圖由上述結(jié)構(gòu)框圖可知，以at89c51單片機(jī)為核心的溫濕度控制系統(tǒng)，恒溫恒濕試驗(yàn)箱的溫濕度由ds18b20溫度傳感器和ksc-6v濕度傳感器檢測。其一，可將恒溫恒濕試驗(yàn)箱的溫濕度通過顯示器顯示出來。其二，可將設(shè)定的溫濕度值與該溫濕度值比較，若實(shí)測溫度低于設(shè)定溫度，繼電器1動(dòng)作，加熱器開始工作

22、；當(dāng)溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，繼電器2動(dòng)作，排風(fēng)機(jī)工作；若實(shí)測濕度低于設(shè)定濕度，繼電器3動(dòng)作，加濕器工作；當(dāng)濕度高于設(shè)定濕度時(shí)，繼電器4動(dòng)作，除濕器工作。并按照它的偏差大小，使用pid控制算法計(jì)算，達(dá)到對恒溫恒濕試驗(yàn)箱的溫濕度進(jìn)行控制的目的。若實(shí)測溫度值大于系統(tǒng)預(yù)設(shè)的極限安全溫度，保護(hù)電路將會(huì)動(dòng)作，從而保護(hù)恒溫恒濕試驗(yàn)箱。3.1 主控模塊設(shè)計(jì)主控模塊電路由單片機(jī)、外部時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、控制系統(tǒng)總電路圖組成。單片機(jī)的復(fù)位是由外部復(fù)位電路來實(shí)現(xiàn)的。在單片機(jī)的復(fù)位引腳rst(9腳)上保持兩個(gè)機(jī)器周期的高電平就能使at89c51完全復(fù)位。系統(tǒng)時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)采用內(nèi)部方式，at89c51內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器

23、的高增益反相放大器，引腳xtal1(19腳)和xtal2(18腳)分別是此放大器的輸入端和輸出端，這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外晶體諧振器一起構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器，外接晶體諧振器以及電容構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。本系統(tǒng)電路采用的晶體振蕩器頻率為11.0592mhz。復(fù)位電路和時(shí)鐘電路如圖3.2所示。圖3.2 復(fù)位電路和時(shí)鐘電路3.2 硬件系統(tǒng)電路連接設(shè)計(jì)3.2.1 溫度、濕度檢測、顯示電路圖3.3溫度、濕度檢測、顯示電路圖溫度、濕度檢測分別用ds18b20溫度傳感器、ksc-6v濕度傳感器檢測，ds18b20、ksc-6v都能在現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，并可將溫度、濕度數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，

24、將數(shù)字信號送入at89c51單片機(jī)系統(tǒng)，然后通過顯示電路將數(shù)據(jù)顯示出來。3.2.2 繼電器控溫、控濕電路圖3.4繼電器控溫、控濕電路圖當(dāng)ds18b20、ksc-6v分別采集到溫度、濕度信號后，會(huì)將溫度、濕度值傳送給at89c51單片機(jī)。at89c51單片機(jī)獲取采集到的溫度、濕度值，經(jīng)過處理后得到當(dāng)前環(huán)境中一個(gè)比較穩(wěn)定的溫度、濕度值，按照已經(jīng)設(shè)定的溫度上限值、下限值，濕度上限值、下限值，然后通過pid控制繼電器的通斷，從而控制加熱器、排風(fēng)機(jī)、加濕器、除濕器的工作，使得恒溫恒濕試驗(yàn)箱維持在設(shè)定的溫濕度。3.2.3 串口通信接口電路at8951單片機(jī)是ttl電平的，而pc機(jī)的串口是rs-232電平的

25、，如果要把51單片機(jī)連接到pc機(jī)上時(shí)，必須在兩者之間加一個(gè)電平轉(zhuǎn)換電路，本系統(tǒng)采用的是rs-232的專用接口芯片max232進(jìn)行轉(zhuǎn)換。圖3.5串口通信接口電路圖3.2.4 保護(hù)電路保護(hù)電路是指對恒溫恒濕試驗(yàn)箱進(jìn)行過溫保護(hù)的電路，其電路如圖3.6所示：圖3.6 保護(hù)電路 通過電壓比較器lm339對ds18b20測得的溫度數(shù)值與預(yù)設(shè)的極限溫度數(shù)值進(jìn)行比較，若恒溫恒濕試驗(yàn)箱的溫度大于預(yù)設(shè)的極限溫度，因?yàn)閘m339電壓比較器特別靈敏(當(dāng)lm339電壓比較器的兩個(gè)輸入端電壓差超過10mv時(shí)，輸出狀態(tài)就從一種狀態(tài)穩(wěn)定地轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài))，當(dāng)lm339電壓比較器的輸出端的輸出為低電平時(shí)，該低電平會(huì)促使6n3

26、15光電隔離器的3號引腳變成低電平，從而使信號relay_dry也變?yōu)榈碗娖?，由于relay_dry信號控制繼電器1，使加熱電阻絲的電源斷開，從而保護(hù)恒溫恒濕試驗(yàn)箱。4 pid控制算法4.1 pid控制的發(fā)展pid控制技術(shù)經(jīng)歷了氣動(dòng)式、電動(dòng)式、液動(dòng)式三個(gè)階段，現(xiàn)今正向著智能化、數(shù)字化方向發(fā)展。pid控制技術(shù)適用于高精度的測量控制系統(tǒng)，它可根據(jù)被控對象自動(dòng)計(jì)算出最優(yōu)pid控制參數(shù)。pid參數(shù)自整定控制儀可選擇外給定控制功能。可取代伺服放大器直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。pid外給定控制儀可自動(dòng)跟隨外部給定值進(jìn)行控制輸出。實(shí)現(xiàn)手動(dòng)/自動(dòng)無擾動(dòng)切換。手動(dòng)切換至自動(dòng)時(shí)，采用逼近法演算，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)/自動(dòng)的可靠切換。p

27、id外給定控制儀可同時(shí)顯示測量信號及閥位反饋信號。另外pid顯示控制儀包含數(shù)字儀表和模擬儀表，可實(shí)現(xiàn)對被控制數(shù)值和測量數(shù)值進(jìn)行數(shù)字量顯示，并同時(shí)對被控制數(shù)值和測量數(shù)值進(jìn)行相對模擬量顯示，從而使測量數(shù)值更加清晰直觀。因?yàn)閜id控制技術(shù)構(gòu)造簡單、魯棒性穩(wěn)定性高、參數(shù)容易整定，所以，在工業(yè)控制中pid控制技術(shù)受到大多數(shù)的親賴。統(tǒng)計(jì)顯示，采用pid控制技術(shù)的工業(yè)控制器有90%以上。4.2 pid控制理論線性控制pid控制器根據(jù)實(shí)際輸出數(shù)值y(t)與給定數(shù)值r(t)構(gòu)成的控制偏差e(t)： （4.1）將積分、偏差的比例和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象實(shí)行控制，所以稱為pid控制。pid控制技術(shù)原

28、理如圖所示：比例微分積分被控對象r(t)ye(t)+圖4.1 pid 控制技術(shù)工作原理其控制規(guī)律為： （4.2）或者寫成傳遞函數(shù)的形式為： （4.3）式中 ：比例系數(shù)：積分時(shí)間常數(shù)：微分時(shí)間常數(shù)4.3 pid控制算法作為采樣控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制，由于其只能按照采樣時(shí)刻偏差數(shù)值演算控制量。因此（4.2）式不可直接使用，必須進(jìn)行離散化處理。設(shè)為采樣周期，令眾多采樣時(shí)刻點(diǎn)代表不同的時(shí)間，用累加求和的方式近似替代積分，用一階后向差分的方式近似替代微分，方程做如下變換： （4.4） （4.5） （4.6）本系統(tǒng)采用的是增量式的pid控制算法，其程序流程圖如下圖所示。輸入并采樣r(k)，y(k)入口計(jì)算偏

29、差e(k)= r(k)-y(k)計(jì)算u(k)= 存 u(k) 以備輸出參數(shù)序號調(diào)整 e(k-1) e(k-2) e(k) e(k-1)返回圖 4.2 增量式pid控制算法程序流程圖5 軟件設(shè)計(jì)5.1軟件設(shè)計(jì)綜述本系統(tǒng)的軟件部分由主程序流程圖、ds18b20、ksc-6v實(shí)現(xiàn)溫度、濕度轉(zhuǎn)換和溫度、濕度數(shù)值讀取流程圖和顯示流程圖三部分組成。5.2 軟件流程圖5.2.1 主程序流程圖系統(tǒng)的主程序流程圖如下圖所示，當(dāng)有信號輸入時(shí)，主程序啟動(dòng)，進(jìn)行初始化操作，之后進(jìn)行溫濕度數(shù)據(jù)采集、傳送，并將采集到的溫濕度數(shù)值與預(yù)設(shè)的溫濕度數(shù)值進(jìn)行比較，若溫度低于設(shè)定溫度，則繼電器1動(dòng)作，控制加熱絲工作；若溫度高于設(shè)定

30、溫度，繼電器2動(dòng)作，限溫報(bào)警系統(tǒng)發(fā)出警告，同時(shí)排風(fēng)扇啟動(dòng)；若濕度低于設(shè)定濕度，則繼電器3動(dòng)作，加濕器工作；若濕度高于設(shè)定濕度，繼電器4動(dòng)作，除濕器工作。ds18b20溫度傳感器數(shù)據(jù)讀取模塊初始化開始溫度值傳送比較設(shè)定溫度值與實(shí)際溫度值pid控制運(yùn)算模是否小于？繼電器1ny繼電器2排風(fēng)機(jī)加熱電阻圖 5.1 主程序流程圖先對ds18b20溫度傳感器進(jìn)行初始化處理，然后采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)，經(jīng)pid控制運(yùn)算，與設(shè)定的溫度值進(jìn)行比較，若實(shí)際溫度小于設(shè)定溫度，繼電器1動(dòng)作，加熱電阻工作，再次采集溫度，如此不斷循環(huán)，當(dāng)實(shí)際溫度大于設(shè)定溫度時(shí)，繼電器2動(dòng)作，排風(fēng)機(jī)工作，溫度傳感器再次采集溫度，傳送

31、、比較，直至達(dá)到設(shè)定的溫度范圍。溫度傳感器ds18820、at89c51單片機(jī)、8位數(shù)碼管間數(shù)據(jù)傳輸如圖5.2所示：ds18820檢測移位讀入單片機(jī)單片機(jī)送數(shù)據(jù)到p2數(shù)據(jù)鎖存到74ls138動(dòng)態(tài)顯示圖5.2 數(shù)據(jù)傳輸流程圖ds18820先進(jìn)行檢測，并將數(shù)據(jù)移位讀入單片機(jī)，單片機(jī)將數(shù)據(jù)傳送給p2，數(shù)據(jù)鎖存到74ls138中，通過74ls138動(dòng)態(tài)顯示。ksc-6v濕度傳感器數(shù)據(jù)讀取模塊初始化開始濕度值傳送比較設(shè)定濕度值與實(shí)際濕度值pid控制運(yùn)算模是否小于？繼電器3ny繼電器4除濕器加濕器圖 5.3 主程序流程圖先對ksc-6v濕度傳感器進(jìn)行初始化處理，然后采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)，經(jīng)pid

32、控制運(yùn)算，與設(shè)定的濕度值進(jìn)行比較，若實(shí)際濕度小于設(shè)定濕度，繼電器3動(dòng)作，加濕器工作，再次采集濕度，如此不斷循環(huán)，當(dāng)實(shí)際濕度大于設(shè)定濕度時(shí)，繼電器4動(dòng)作，除濕器工作，濕度傳感器再次采集濕度，傳送、比較，直至達(dá)到設(shè)定的濕度范圍。ksc-6v濕度傳感器、at89c51單片機(jī)、8位數(shù)碼管間數(shù)據(jù)傳輸如圖5.4所示：ksc-6v檢測移位讀入單片機(jī)單片機(jī)送數(shù)據(jù)到p2數(shù)據(jù)鎖存到74ls138動(dòng)態(tài)顯示圖5.4 單片機(jī)數(shù)碼管數(shù)據(jù)傳輸流程圖ksc-6v濕度傳感器先進(jìn)行檢測，并將數(shù)據(jù)移位讀入單片機(jī)，單片機(jī)將數(shù)據(jù)傳送給p2，數(shù)據(jù)鎖存到74ls138中，通過74ls138動(dòng)態(tài)顯示。令數(shù)據(jù)傳輸位dq=0延時(shí)600us拉高d

33、q=1延時(shí)30usdq=flag, 返回flag拉低dq=0移位讀出數(shù)據(jù)結(jié)束圖5.5 單片機(jī)74ls138數(shù)據(jù)流程圖5.2.2 顯示流程圖 主要是通過對傳輸信號進(jìn)行顯示后，給操控人員提供提示，以到達(dá)為本系統(tǒng)提供對溫度、濕度數(shù)據(jù)的顯示和監(jiān)控的目的。串行口初始化向緩沖區(qū)送數(shù)據(jù)查斷碼送顯示結(jié)束開始圖5.6系統(tǒng)的顯示流程圖5.2.3 ds18b20、ksc-6v實(shí)現(xiàn)溫度、濕度轉(zhuǎn)換和溫度、濕度數(shù)值讀取流程圖ds18b20、ksc-6v實(shí)現(xiàn)溫度、濕度轉(zhuǎn)換和溫度、濕度數(shù)值讀取流程圖如圖5.7所示，用于系統(tǒng)的溫度、濕度轉(zhuǎn)換和溫度、濕度數(shù)值的讀取。初始化 ds18b20、ksc-6v傳感器開始應(yīng)答脈沖發(fā)起 sk

34、ip rom命令發(fā)起 convert t命令延時(shí)1秒等待溫度、濕度轉(zhuǎn)換完成應(yīng)答脈沖發(fā)起read scratchpad命令讀取溫濕度數(shù)值nnyy圖5.7 ds18b20、ksc-6v實(shí)現(xiàn)溫度、濕度轉(zhuǎn)換和溫度、濕度數(shù)值讀取流程圖結(jié) 論在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，對溫度、濕度控制系統(tǒng)的要求，主要是保證溫度、濕度在一定范圍內(nèi)變化，穩(wěn)定性好，不振蕩，對系統(tǒng)的快速性要求不高。本文簡單分析了單片機(jī)溫度、濕度控制系統(tǒng)，并按照有關(guān)要求完成了單片機(jī)溫濕度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中以ds18b20溫度傳感器、ksc-6v濕度傳感器、at80c51單片機(jī)、pid控制為核心內(nèi)容。其中，ds1820溫度傳感器、ksc-6v濕度傳

35、感器可以直接將采集的溫度數(shù)值、濕度數(shù)值以數(shù)字量傳送到51單片機(jī)中，方便、簡單。恒溫恒濕試驗(yàn)箱控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)令我受益匪淺。對常見的芯片有了更加深刻的認(rèn)識，雖然在電路設(shè)計(jì)中遇到許多問題，比如元器件的選擇（要考慮芯片的功能、性價(jià)比）、元器件的擺放位置等，但是經(jīng)過多個(gè)方案的取舍終于能夠設(shè)計(jì)出較為完整的電路。在設(shè)計(jì)過程中，我也學(xué)會(huì)了很多新的東西，protel軟件繪制電路原理圖和pcb圖，以及一些仿真軟件的應(yīng)用。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，鍛煉了我以前所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)知識（數(shù)字模擬電路，c語言，自動(dòng)控制原理等），當(dāng)然最重要的是學(xué)到了關(guān)于基本電子設(shè)計(jì)的一些基本方法，同時(shí)也加深了對一些常用的電子元件的理解及其基本用法的掌握。

36、解決實(shí)際問題的能力，同時(shí)也提高我查閱文獻(xiàn)資料、設(shè)計(jì)手冊、設(shè)計(jì)規(guī)范以及電腦制圖等其他專業(yè)能力水平，豐富了經(jīng)驗(yàn)。盡管畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容繁多，但我的收獲卻更加豐富，各種專業(yè)軟件（protel 99 se，microsoft office visio 2007）等都是隨著設(shè)計(jì)的不斷深入而不斷熟悉并學(xué)會(huì)應(yīng)用的。和老師的溝通交流更使我對設(shè)計(jì)有了新的認(rèn)識，同時(shí)也對自己提出了更高的要求。致 謝歷時(shí)三個(gè)多月的畢業(yè)設(shè)計(jì)終于結(jié)束了，在畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我查閱了與本課題相關(guān)的大量資料，并認(rèn)真分析，積極思考，終于完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)在王偉生老師、鄭曉真老師的悉心指導(dǎo)和嚴(yán)格要求下業(yè)已完成，他們嚴(yán)肅的治學(xué)態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹笇?dǎo)精神深深地感

37、染和影響著我，在此次設(shè)計(jì)中我耳濡目染、受益匪淺，在此向王老師、鄭老師表示深深的感謝！知識的積累是一點(diǎn)一點(diǎn)來的，能夠完成本次課題設(shè)計(jì)任務(wù)，也得益于其他老師平時(shí)的講授，是他們教我學(xué)會(huì)了一些專業(yè)知識和運(yùn)用這些知識的能力，在此向電氣工程及自動(dòng)化專業(yè)的全體老師表示由衷的謝意。感謝你們四年來的辛勤栽培！同時(shí)，我對身邊的同學(xué)也表示深深的感謝，他們對我的設(shè)計(jì)及論文中某些觀點(diǎn)提出的修改建議對我而言具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。 通過這次的設(shè)計(jì)使我認(rèn)識到還有很多我們需要掌握的知識在等著我去學(xué)習(xí)，活到老學(xué)到老，大學(xué)生涯的終結(jié)并不意味著我對知識的向往與追求的終結(jié)，在以后的工作和學(xué)習(xí)中要保持一種活到老學(xué)到老的精神狀態(tài)。此外，我從

38、本次設(shè)計(jì)中也學(xué)到了一些很重要的東西，那就是如何從理論到實(shí)踐的轉(zhuǎn)化，怎樣將我所學(xué)到的知識運(yùn)用到我以后的工作中去。在大學(xué)的課堂的學(xué)習(xí)只是基本的專業(yè)及理論知識，而我們應(yīng)把所學(xué)的用到我們的現(xiàn)實(shí)生活中去，學(xué)以致用，這才是我們學(xué)習(xí)的根本目的。最后，衷心地感謝在百忙之中參加評閱設(shè)計(jì)和指導(dǎo)答辯的各位老師！參 考 文 獻(xiàn)1 余永權(quán).atmel89 系列單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)m.北京:北京航天航空大學(xué)出版社,2008：31-36.2 劉士光,包長春.溫室大棚多功能測控儀的智能化自校方法j .農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2009,16(3):135-137.3 劉士光.基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的農(nóng)業(yè)設(shè)施遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)j.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2006

39、,37(1):101-103.4姚天任數(shù)字信號處理m.武漢：華中理工大學(xué)出版社，1987 。5閻石數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)m.北京：高等教育出版社，1998 6黃俊，王兆安電力電子變流技術(shù)m.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000 7 尤小鋒. 濕熱環(huán)境試驗(yàn)室加濕方式的選擇j. 環(huán)境技術(shù)，2006，（1）：1315.8 王京暉. 超低溫試驗(yàn)箱的設(shè)計(jì)研制及實(shí)驗(yàn)分析j. 制冷學(xué)報(bào)，2007，（4）：711.9 郭慶堂，吳進(jìn)發(fā). 實(shí)用制冷工程設(shè)計(jì)手冊k. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004，4.10 駱新豐. -100170超高低溫試驗(yàn)箱的性能及設(shè)計(jì)特點(diǎn)j. 制冷學(xué)報(bào)，2000，（4）：4548.11 沈榮林. 恒溫恒濕箱的溫濕度調(diào)節(jié)方法j. 環(huán)境技術(shù)，1994，（1）：4244.12 劉乙木. 提高氣候試驗(yàn)設(shè)備溫濕度控制精度的方法j環(huán)境技術(shù)，1994，（1）：2224.13 劉士光，包長春. 新型恒溫恒濕箱測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究j. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，20