基于單片機(jī)的PID溫度控制畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院2013屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 前 言 溫度是表征物體冷熱程度的物理量。在很多生產(chǎn)過程中，特別是在冶金、化工、建材、食品、機(jī)械、石油等工業(yè)中，溫度的測量和控制都直接和安全生產(chǎn)、提高生產(chǎn)效率、保證產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約能源等重大技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相聯(lián)系。因此，溫度的測量與控制在國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域中均受到了相當(dāng)程度的重視。單片機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用給現(xiàn)代工業(yè)測控領(lǐng)域帶來了一次新的技術(shù)革命，自動(dòng)化、智能化均離不開單片機(jī)的應(yīng)用。將單片機(jī)控制方法運(yùn)用到溫度控制系統(tǒng)中，可以克服溫度控制系統(tǒng)中存在的嚴(yán)重滯后現(xiàn)象，同時(shí)在提高采樣頻率的基礎(chǔ)上可以很大程度的提高控制效果和控制精度。現(xiàn)代自動(dòng)控制越來越朝著智能化發(fā)展，在

2、很多自動(dòng)控制系統(tǒng)中都用到了工控機(jī)，小型機(jī)、甚至是巨型機(jī)處理機(jī)等，當(dāng)然這些處理機(jī)有一個(gè)很大的特點(diǎn)，那就是很高的運(yùn)行速度，很大的內(nèi)存，大量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。但隨之而來的是巨額的成本。在很多的小型系統(tǒng)中，處理機(jī)的成本占了系統(tǒng)成本的比例高達(dá)20%，而對(duì)于這些小型的系統(tǒng)來說，配置一個(gè)如此高速的處理機(jī)沒有任何必要，因?yàn)檫@些小系統(tǒng)追求經(jīng)濟(jì)效益，而不是最在乎系統(tǒng)的快速性，所以用成本低廉的單片機(jī)控制小型的，而又不是很復(fù)雜，不需要大量復(fù)雜運(yùn)算的系統(tǒng)中是非常適合的。 隨著電子技術(shù)以及應(yīng)用需求的發(fā)展，單片機(jī)技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，在高集成度，高速度，低功耗以及高性能方面取得了很大的進(jìn)展?，F(xiàn)在完全可以運(yùn)用單片機(jī)和電子溫度傳感

3、器對(duì)某處進(jìn)行溫度檢測，而且可以很容易地做到多點(diǎn)的溫度檢測，如果對(duì)此原理圖稍加改進(jìn)，還可以進(jìn)行不同地點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度檢測和控制。1緒論1.1研究的目的和意義溫度是工業(yè)生產(chǎn)中主要被控參數(shù)之一，溫度控制自然是生產(chǎn)的重要控制過程。工業(yè)生產(chǎn)中溫度很難控制，對(duì)于要求嚴(yán)格的的場合，溫度過高或過低將嚴(yán)重影響工業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)質(zhì)量及生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)效益。這就需要設(shè)計(jì)一個(gè)良好溫度控制器，隨時(shí)向用戶顯示溫度，而且能夠較好控制。單片機(jī)具有和普通計(jì)算機(jī)類似的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力，結(jié)合PID，程序控制可大大提高控制效力，提高生產(chǎn)效益9。例如鋼鐵生產(chǎn)過程中，按照工藝條件的規(guī)定保持一定的溫度才能保證產(chǎn)品質(zhì)量和設(shè)備的安全。對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行溫

4、度的監(jiān)控，例如高壓開關(guān)、變壓器的出線套管等，判斷可能存在的熱缺陷，進(jìn)而能及時(shí)發(fā)現(xiàn)、處理、預(yù)防重大事故的發(fā)生。因此研究溫度控制儀具有重要的意義10。 在單片機(jī)溫度測量系統(tǒng)中的關(guān)鍵是測量溫度、控制溫度和保持溫度，溫度測量是工業(yè)對(duì)象中主要的被控參數(shù)之一。因此，單片機(jī)溫度測量則是對(duì)溫度進(jìn)行有效的測量，并且能夠在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，尤其在電力工程、化工生產(chǎn)、機(jī)械制造、冶金工業(yè)等重要工業(yè)領(lǐng)域中，擔(dān)負(fù)著重要的測量任務(wù)。在日常生活中，也可廣泛實(shí)用于地?zé)?、空調(diào)器、電加熱器等各種家庭室溫測量及工業(yè)設(shè)備溫度測量場合16。目前市場上熱水器的控制系統(tǒng)大多存在功能單一、操作復(fù)雜、控制不方便等問題，很多控制器只具有

5、溫度和水位顯示功能，不具有溫度控制功能即使熱水器具有輔助加熱功能。也可能由于加熱時(shí)間不能控制而產(chǎn)生過燒，從而浪費(fèi)電能。本文設(shè)計(jì)的熱水器控制系統(tǒng)以51單片機(jī)為檢測控制中心單元，具有溫度設(shè)定與控制功能。該控制器和以往顯示儀相比具有性價(jià)比高、溫度控制與顯示精度高、使用方便和性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，提高了電能的使用效率，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益18。1.2國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 溫度控制采用單片機(jī)設(shè)計(jì)的全數(shù)字儀表，是常規(guī)儀表的升級(jí)產(chǎn)品。溫度控制的發(fā)展引入單片機(jī)之后，有可能降低對(duì)某些硬件電路的要求，但這絕不是說可以忽略測試電路本身的重要性，尤其是直接獲取被測信號(hào)的傳感器部分，仍應(yīng)給予充分的重視，有時(shí)提高整臺(tái)儀器的性

6、能的關(guān)鍵仍然在于測試電路，尤其是傳感器的改進(jìn)?，F(xiàn)在傳感器也正在受著微電子技術(shù)的影響，不斷發(fā)展變化。傳感器正朝著小型、固態(tài)、多功能和集成化的方向發(fā)展。 近年來，溫度控制的發(fā)展尤為迅速。國內(nèi)外市場上已經(jīng)出現(xiàn)了多種多樣溫度控制儀表，應(yīng)用于社會(huì)的各個(gè)方面。例如能夠進(jìn)行程序控溫的智能多段溫度控制儀，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字PID和各種復(fù)雜控制規(guī)律的智能式溫度調(diào)節(jié)器等11。 水溫系統(tǒng)的傳遞函數(shù)事先難以精確獲得，因而很難判斷哪一種控制方法能夠滿足系統(tǒng)對(duì)控制品質(zhì)的要求。但從對(duì)控制方法的分析來看，PID控制方法最適合本例采用。另一方面，由于可以采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)控制過程，無論采用上述哪一種控制方法都不會(huì)增加系統(tǒng)硬件成本，而只需

7、對(duì)軟件作相應(yīng)改變即可實(shí)現(xiàn)不同的控制方案。因此本系統(tǒng)可以采用PID的控制方式，以最大限度地滿足系統(tǒng)對(duì)諸如控制精度、調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量等控制品質(zhì)的要求7。傳統(tǒng)的一位式模擬控制方案，選用模擬電路，用電位器設(shè)定值，反饋的溫度值和設(shè)定值比較后，決定加熱或不加熱。其特點(diǎn)是電路簡單，易于實(shí)現(xiàn)，但是系統(tǒng)所得結(jié)果的精度不高并且調(diào)節(jié)動(dòng)作頻繁，系統(tǒng)靜態(tài)差大、不穩(wěn)定。系統(tǒng)受環(huán)境影響大，不能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，不能用數(shù)碼管顯示，不能用鍵盤設(shè)定13。 傳統(tǒng)的二位式模擬控制方案，其基本思想與方案一相同，但由于采用上下限比較電路，所以控制精度有所提高。這種方法還是模擬控制方式，因此也不能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法使控制精度做得較高，而

8、且不能用數(shù)碼管顯示，對(duì)鍵盤進(jìn)行設(shè)定13。 現(xiàn)在國內(nèi)外一般采用經(jīng)典的溫度控制系統(tǒng)。采用模擬溫度傳感器對(duì)加熱杯的溫度進(jìn)行采樣,通過放大電路變換為 05V 的電壓信號(hào),經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換,保存在采樣值單元;利用鍵盤輸入設(shè)定溫度,經(jīng)溫度標(biāo)度轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制數(shù),保存在片內(nèi)設(shè)定值單元;然后調(diào)顯示子程序,多次顯示設(shè)定溫度和采樣溫度,再把采樣值與設(shè)定值進(jìn)行 PID 運(yùn)算得出控制量,用其去調(diào)節(jié)可控硅觸發(fā)端的通斷,實(shí)現(xiàn)對(duì)電阻絲加熱時(shí)間的控制, 以此來調(diào)節(jié)水溫使其基本保持恒定2。采用單片機(jī)AT89C52設(shè)計(jì)溫度實(shí)時(shí)測量及控制系統(tǒng)。單片機(jī)AT89C52能夠根據(jù)溫度傳感器DS18B20所采集的溫度數(shù)據(jù)來控制加熱器或致冷器

9、的啟停，從而把溫度控制在設(shè)定的范圍之內(nèi)。在溫控開關(guān)被激活的情況下，當(dāng)溫度低于設(shè)定的下限時(shí)，單片機(jī)啟動(dòng)加熱器加熱，同時(shí)點(diǎn)亮綠色發(fā)光二極管，當(dāng)溫度高于設(shè)定的上限時(shí)，單片機(jī)啟動(dòng)致冷器降溫，同時(shí)點(diǎn)亮紅色發(fā)光二極管。所有溫度數(shù)據(jù)均通過液晶顯示器LCM1602顯示出來。為了防止單片機(jī)掉電引起的數(shù)據(jù)丟失，溫度上下限的設(shè)定值存儲(chǔ)在AT24C02B中8。 采用一線制數(shù)字溫度傳感器DS18B20來作為溫度傳感器。傳感器輸出信號(hào)進(jìn)4.7K的上拉電阻直接接到單片機(jī)的P1.0引腳上。DS18B20溫度傳感器是美國達(dá)拉斯(DALLAS)半導(dǎo)體公司推出的應(yīng)用單總線技術(shù)的數(shù)字溫度傳感器。該器件將半導(dǎo)體溫敏器件、A/D轉(zhuǎn)換器、

10、存儲(chǔ)器等做在一個(gè)很小的集成電路芯片上。溫度傳感器之所以選擇單線數(shù)字器件DS18B20，是在經(jīng)過多方面比較和考慮后決定的12。從硬件和軟件兩方面來講述水溫自動(dòng)控制過程,在控制過程中主要應(yīng)用AT89C52、ADC0809、LED顯示器、LM324比較器，而主要是通過 DS18B20數(shù)字溫度傳感器采集環(huán)境溫度，以單片機(jī)為核心控制部件，并通過四位數(shù)碼管顯示實(shí)時(shí)溫度的一種數(shù)字溫度計(jì)。軟件方面采用匯編語言來進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，使指令的執(zhí)行速度快，節(jié)省存儲(chǔ)空間。為了便于擴(kuò)展和更改，軟件的設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，使程序設(shè)計(jì)的邏輯關(guān)系更加簡潔明了，使硬件在軟件的控制下協(xié)調(diào)運(yùn)作。 而系統(tǒng)的過程則是：首先,通過設(shè)置按鍵,設(shè)定

11、恒溫運(yùn)行時(shí)的溫度值，并且用數(shù)碼管顯示這個(gè)溫度值.然后,在運(yùn)行過程中將采樣的溫度模擬量送入A/D轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換，再將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量用數(shù)碼管進(jìn)行顯示，最后用單片機(jī)來控制加熱器,進(jìn)行加熱或停止加熱，直到能在規(guī)定的溫度下恒溫加熱5。2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)與要求該溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)采用AT89C52單片機(jī)為主控芯片，傳感器采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的檢測和控制。 技術(shù)要求： 1、能夠連續(xù)測量水的溫度值，用十進(jìn)制數(shù)碼管來顯示實(shí)際溫度，最小單位為1。 2、能夠設(shè)定水的溫度值，設(shè)定范圍是3090,溫度誤差0.5。 3、能夠?qū)崿F(xiàn)水溫的自動(dòng)控制，如果設(shè)定水溫為80，則能使水溫

12、保持恒定在80的溫度下運(yùn)行。 4、用單片機(jī)AT89C52控制，通過按鍵來控制水溫的設(shè)定值,數(shù)值采用數(shù)碼管顯示。該溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)由溫度信號(hào)采樣電路，鍵盤及顯示電路，溫度控制電路，報(bào)警電路，時(shí)鐘信號(hào)電路等構(gòu)成，并運(yùn)用PID算法進(jìn)行溫度控制和調(diào)整。 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，詳細(xì)分析溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，并進(jìn)行軟硬件的總體設(shè)計(jì)。由鍵盤電路輸入設(shè)定溫度信號(hào)給單片機(jī)，溫度信號(hào)采集電路采集現(xiàn)場溫度信號(hào)給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)輸入與反饋信號(hào)的偏差進(jìn)行PID計(jì)算，輸出反饋量給溫度控制電路，實(shí)現(xiàn)升溫。顯示電路實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。設(shè)計(jì)人員需完成全部硬件和軟件的設(shè)計(jì)，并利 Altium Designer 6.0仿真軟件

13、對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。2.2系統(tǒng)方案的選擇 在這個(gè)系統(tǒng)中我們從性能及設(shè)計(jì)成本考慮,我們選擇AT89C52芯片。AT89C52的廣泛使用，使單片機(jī)的價(jià)格大大下降。在溫度傳感器的選擇上我們采用溫度芯片DS18B20測量溫度。該芯片的物理化學(xué)性很穩(wěn)定，它能用做工業(yè)測溫元件，且此元件線形較好。該芯片直接向單片機(jī)傳輸數(shù)字信號(hào)，便于單片機(jī)處理及控制。本制作的最大特點(diǎn)之一就是直接采用溫度芯片對(duì)溫度進(jìn)行測量，使數(shù)據(jù)傳輸和處理簡單化。采用溫度芯片DS18B20測量溫度，體現(xiàn)了作品芯片化的這個(gè)趨勢。部分功能電路的集成，使總體電路更簡潔，搭建電路和焊接電路時(shí)更快。而且，集成塊的使用，有效地避免外界的干擾，提高測量電路

14、的精確度。在這個(gè)過程中，我們通過單片機(jī)將傳感器所測量出來的溫度通過LCD1602可以顯示出來。這樣就能實(shí)時(shí)顯示溫度情況。 本設(shè)計(jì)采用了PID控制。在工程實(shí)際中，PID控制器以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型，控制理論的其他技術(shù)也難以采用，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定時(shí)，應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。 PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)問和微分時(shí)間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法概括起來有兩大類：一是理論計(jì)算整定法

15、。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接且方法簡單、易于掌握,在實(shí)際中被廣泛應(yīng)用。3器件和模塊的選用3.1 AT89C52單片機(jī) AT89C52是一種低功耗、高性能8位微控制器，具有8K 在系可編程Flash 存儲(chǔ)器。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使AT89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、有效的解決方案。 AT89C52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash，25

16、6字節(jié)RAM，32 位I/O 口線，看門狗定時(shí)器，2個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外，AT89C52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。 其主要工作特性為：1、內(nèi)含8KB的Flash存儲(chǔ)器，擦寫次數(shù)達(dá)1000次；2、內(nèi)含128字節(jié)的RAM；3、具有32根可編程I/O線；4、具有2個(gè)16位可編程定時(shí)器；5、具有6個(gè)中斷源、5個(gè)中斷矢量、

17、2級(jí)優(yōu)先權(quán)的中斷結(jié)構(gòu)；6、具有1個(gè)全雙工的可編程串行通信接口；7、具有1個(gè)數(shù)據(jù)指針DPTR；8、兩種低功耗工作模式，即空閑模式和掉電模式；9、具有可編程的3級(jí)程序鎖定位；10、工作電源電壓為51.2V，典型值為5V；11、最高工作頻率為24MHz。引腳排列如圖3.1所示。 圖3.1 AT89C52引腳排列3.2 DS18B20傳感器 DS18B20原理與特性：采用了DS18B20單總線可編程溫度傳感器,來實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的采集和轉(zhuǎn)換，大大簡化了電路的復(fù)雜度，以及算法的要求。首先來介紹一下DS18B20這塊傳感器的特性及其功能: DSl8B20的管腳及特點(diǎn) DS18B20可編程溫度傳感器有3個(gè)管腳。內(nèi)

18、部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的外形及管腳排列如圖3.2所示。 GND為接地線，DQ為數(shù)據(jù)輸入輸出接口，通過一個(gè)較弱的上拉電阻與單片機(jī)相連。VDD為電源接口，既可由數(shù)據(jù)線提供電源，又可由外部提供電源，范圍3.05.5 V。本文使用外部電源供電。主要特點(diǎn)有： 1. 用戶可自設(shè)定報(bào)警上下限溫度值。 2. 不需要外部組件，能測量55+125 范圍內(nèi)的溫度。3. 10 +85 范圍內(nèi)的測溫準(zhǔn)確度為05 。 圖3.2 DS18B20的外形及管腳圖4. 通過編程可實(shí)現(xiàn)9l2位的數(shù)字讀數(shù)方式，可在至多750 ms內(nèi)將溫度轉(zhuǎn)換

19、成12 位的數(shù)字，測溫分辨率可達(dá)0.0625 。 5. 獨(dú)特的單總線接口方式，與微處理器連接時(shí)僅需要一條線即可實(shí)現(xiàn)與微處理器雙向通訊。6. 測量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)，以“一線總線”串行傳送給CPU，同時(shí)可傳送CRC校驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力。7. 負(fù)壓特性：電源極性接反時(shí)，芯片不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。DS18B20支持多點(diǎn)組網(wǎng)的功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測溫。DS18B20內(nèi)部功能模塊如圖3.3所示， 圖3.3 DS18B20原理圖 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DS18B20 為9

20、位12位A/D轉(zhuǎn)換精度，而DS1820為9位A/D轉(zhuǎn)換,雖然我們采用了高精度的芯片,但在實(shí)際情況上由于技術(shù)問題比較難實(shí)現(xiàn),而實(shí)際精度此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值。如下3.4的測溫原理圖不同，且溫度轉(zhuǎn)換時(shí)的延時(shí)時(shí)間由2s減為750ms。 DS18B20測溫原理如圖3.4所示。 圖3.4 DS18B20的測溫原理框圖 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(hào)送給計(jì)數(shù)器1。則高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)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(duì)應(yīng)

21、的一個(gè)基數(shù)值時(shí)。計(jì)數(shù)器1對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生脈沖信號(hào)，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(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)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。 在DS18B20測溫程序設(shè)計(jì)中，向DS18B20發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后，程序要等待DS18B20的返回信號(hào)，一旦某個(gè)DS18B20接觸不好或斷線，當(dāng)程序讀該DS18B20時(shí)，將沒有返回信號(hào)，程序進(jìn)入死循環(huán)。這一點(diǎn)在進(jìn)行DS1820硬件連接和軟件設(shè)計(jì)時(shí)也要給予一定的重視。測溫電纜線采用屏蔽4芯雙絞線，其中有一對(duì)接地線與信號(hào)線，另一組接VCC和地線。3

22、.3復(fù)位和時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)中采用手動(dòng)復(fù)位鍵復(fù)位相的方式。系統(tǒng)時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)采用內(nèi)部方式。AT89C52內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器。這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外晶體諧振器構(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。采用這種頻率的晶體振蕩器的原因是可以方便的獲得標(biāo)準(zhǔn)的波特率。復(fù)位電路和時(shí)鐘電路如圖3.5所示。復(fù)位電路有上電自動(dòng)復(fù)位和按鈕手動(dòng)復(fù)位兩種。上電復(fù)位是利用電容充電來實(shí)現(xiàn)的，上電瞬間RST/VPD端的電位與VCC相同，隨著充電電流的減少，RST/VPD的電位逐漸下降，圖3.5中

23、的10K的電阻是施密特觸發(fā)器輸入端的一個(gè)下拉電阻，時(shí)間常數(shù)為10*10-6*10*103s=100ms,只要Vcc的上升時(shí)間不超過1ms，振蕩器建立時(shí)間不超過10ms,這個(gè)時(shí)間常數(shù)足以保證完成復(fù)位操作6。上電復(fù)位所需最短時(shí)間是震蕩周期建立時(shí)間加上2個(gè)機(jī)器周期時(shí)間。按鈕復(fù)位采用電平復(fù)位方式，按下復(fù)位電鈕時(shí)，電源對(duì)外接電容充電，使RST/VPD端為高電平，復(fù)位按鈕松開后，電容通過內(nèi)部下拉電阻放電，逐漸使RST/VPD端恢復(fù)低電平。圖3.5 復(fù)位電路和時(shí)鐘電路3.4 溫度采集電路數(shù)據(jù)采集電路如圖3.6所示,1腳接地，2腳即為單總線數(shù)據(jù)口，3腳接電源。溫度傳感器DS18B20采集被控對(duì)象的實(shí)時(shí)溫度,提

24、供給AT89C52的P3.5口作為數(shù)據(jù)輸入。 圖3.6 數(shù)據(jù)采集電路3.5顯示電路的設(shè)計(jì) 數(shù)碼管顯示部分，采用與單片機(jī)相連接，將溫度傳感器采集到的信息迅速轉(zhuǎn)化為可視溫度，增加了可讀性。 圖3.7數(shù)碼管顯示電路圖3.6供電系統(tǒng) 供電部分采用TL431構(gòu)成的恒壓源，TL431是一個(gè)有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源。他的輸出電壓用兩個(gè)電阻就可以任意的設(shè)置到從Verf（2.5V）到36V范圍內(nèi)的任何值。該器件的典型動(dòng)態(tài)阻抗為0.2。其穩(wěn)壓電路圖如圖3.8： 圖3.8供電電路 4 PID控制和參數(shù)整定4.1 PID調(diào)節(jié)器控制原理 PID控制器是一種線性控制器,一種它根據(jù)給定值rin(t)與實(shí)際輸出

25、值yout(t)構(gòu)成控制偏差： Error(t)=rin(t)-yout(t) PID控制就是對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行比例、積分、微分運(yùn)算后，形成一種控制規(guī)律。即，控制器的輸出為： （4.1） 或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)的形式： （4.2） 式中， kp比例系數(shù)；Ti積分時(shí)間常數(shù)；Td微分時(shí)間常數(shù)。簡單說來，PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下： 比例環(huán)節(jié)：成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)error(t),偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減小偏差10。 比例控制： Gc(s)= Kp 積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)盡弱取決于積分 時(shí)間常數(shù)Ti，Ti越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。 積分

26、控制： Gc(s) = Kp/T is 微分環(huán)節(jié)：反偏差信號(hào)的變化趨勢（變化速率），并能在偏差信號(hào)變得太大之前， 在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。 微分控制： Gc(s) =KpT ds4.2 PID控制的分類 基本PID控制器的理想算式為 (4.3) 式中 u(t)控制器(也稱調(diào)節(jié)器)的輸出； e(t)控制器的輸入（常常是設(shè)定值與被控量之差，即e(t)=r(t)-c(t)）； Kp控制器的比例放大系數(shù)； Ti 控制器的積分時(shí)間； Td控制器的微分時(shí)間。 設(shè)u(k)為第k次采樣時(shí)刻控制器的輸出值，可得離散的PID算式 (4.4)， 由于計(jì)算機(jī)的輸出u(

27、k)直接控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如閥門），u(k)的值與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置（如閥門開度）一一對(duì)應(yīng)，所以稱式(2)為位置式PID控制算法。位置式PID控制算法的缺點(diǎn)：當(dāng)前采樣時(shí)刻的輸出與過去的各個(gè)狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算時(shí)要對(duì)e(k)進(jìn)行累加，運(yùn)算量大；而且控制器的輸出u(k)對(duì)應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，如果計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，u(k)的大幅度變化會(huì)引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的大幅度變化。 增量式只需計(jì)算增量，算式中不需要累加，控制增量的確定僅與最近幾次偏差采樣值有關(guān)，當(dāng)出現(xiàn)計(jì)算誤差或精度不足時(shí)，對(duì)控制量計(jì)算的影響較小，且較容易通過加權(quán)處理獲得比較好的控制效果。4.3 數(shù)字PID參數(shù)的整定 PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心

28、內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。本設(shè)計(jì)采用PID歸一整定法把對(duì)控制臺(tái)三個(gè)參數(shù)（Kc、Ti、Td,）轉(zhuǎn)換為一個(gè)參數(shù)KP， 從而使問題明顯簡化。以達(dá)到控制器的特性與被控過程的特性相匹配,滿足某種反映控制系統(tǒng)質(zhì)量的性能指標(biāo)。4.4 PID計(jì)算程

29、序 PID調(diào)節(jié)規(guī)律的基本輸入輸出關(guān)系可用微分方程表示為： （4.5）式中為調(diào)節(jié)器的輸入誤差信號(hào)，且 （4.6）其中：為給定值，為被控變量； 為調(diào)節(jié)器的輸出控制信號(hào)； 為比例系數(shù)；為積分時(shí)間常數(shù)；微分時(shí)間常數(shù)。計(jì)算機(jī)只能處理數(shù)字信號(hào)，若采樣周期為T第n次采樣的輸入誤差為，且，輸出為，PID算法用的微分由差分代替，積分由代替，于是得到 （4.7）寫成遞推形式為= = = = （4.8）其中： （4.9） （4.10） （4.11） 顯然，PID計(jì)算un只需要保留現(xiàn)時(shí)刻en以及以前的兩個(gè)偏差量en-1和en-2。初始化程序初值en-1= en-2 =0 通過采樣并根據(jù)參數(shù)KP、KD、KI以及en、e

30、n-1和en-2計(jì)算un。 根據(jù)輸出控制增量un，可求出本次控制輸出為 += （4.12） 下面對(duì)PID運(yùn)算加以說明： 所有的數(shù)都變成定點(diǎn)純小數(shù)進(jìn)行處理。 算式中的各項(xiàng)有正有負(fù)，以最高位作為符號(hào)位，最高位為0表示為正數(shù)，為1表示負(fù)數(shù)。正負(fù)數(shù)都是補(bǔ)碼表示，最后的計(jì)算以原碼輸出。 節(jié)16位進(jìn)行計(jì)算，最后將運(yùn)算結(jié)果取成高8位有效值輸出。輸出控制量un的限幅處理。為了便于實(shí)現(xiàn)對(duì)晶閘管的通斷處理，PID的輸出在0250之間。大于250或小于0的控制量都是沒有意義的，因在算法上對(duì)進(jìn)行限幅，即 = （4.13）開始計(jì)算PD=KD(en-2en-1+en-2)輸入Cn5rn 計(jì)算en=rn-Cn計(jì)算un=un

31、-1+PP+P1+PDun un-1,e n-1 en-2,en e n-1P1=K1*en計(jì)算Pp=Kp(en-en-1)un 輸出限幅處理計(jì)算P1+Pp返回圖4.1 PID計(jì)算程序的流程圖 PID的計(jì)算公式采用位置式算法，計(jì)算公式為 + = （4.14）5軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件主要由主程序模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、控制算法模塊等組成。主模塊的功能是為其余幾個(gè)模塊構(gòu)建整體框架及初始化工作；數(shù)據(jù)采集模塊的作用是將數(shù)字量采集并儲(chǔ)存到存儲(chǔ)器中；數(shù)據(jù)處理模塊是將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的處理，其中最重要的是數(shù)字濾波程序：控制算法模塊完成控制系統(tǒng)的PID運(yùn)算并且輸出控制量。5.1主程序模塊主程序模塊

32、要做的主要工作是上電后對(duì)系統(tǒng)初始化和構(gòu)建系統(tǒng)整體軟件框架，其中初始化包括對(duì)單片機(jī)的初始化、串口初始化等。然后等待溫度設(shè)定，若溫度已經(jīng)設(shè)定好了，判斷系統(tǒng)運(yùn)行鍵是否按下，若系統(tǒng)運(yùn)行，則依次調(diào)用各個(gè)相關(guān)模塊，循環(huán)控制直到系統(tǒng)停止運(yùn)行。設(shè)計(jì)模塊圖如下圖5.1所示。供電系統(tǒng)單片機(jī)STC89C52數(shù)碼管顯示溫度溫度傳感器按鍵設(shè)置蜂鳴器報(bào)警 圖5.1設(shè)計(jì)模塊圖主程序模塊的程序流程圖如圖5.2所示。YNYNNY NY圖5.2 主程序流程圖開始讀溫度設(shè)定值等待數(shù)據(jù)采集溫度顯示PID運(yùn)算控制輸出系統(tǒng)初始化 溫度設(shè)定否運(yùn)行/停止鍵按下否運(yùn)行/停止鍵按下否等待5.2數(shù)據(jù)采集和顯示模塊數(shù)據(jù)采集模塊的任務(wù)是負(fù)責(zé)溫度信號(hào)的

33、采集以及將采集到的數(shù)字量提供給單片機(jī)。AT89C52通過控制DS18B20讀取實(shí)時(shí)溫度，然后，通過P0口送到LCD1602進(jìn)行顯示。顯示程序設(shè)計(jì)框圖如圖5.3所示。測試顯示屏幕是否忙狀態(tài)返回開始清除屏幕 N送顯示地址 送顯示數(shù)據(jù) Y 圖5.3顯示程序設(shè)計(jì)框圖6 仿真與實(shí)物展示6.1 Altium Designer 6.0軟件簡介2005年年底，Protel軟件的原廠商 Altium公 司推出了Protel系列的最新高端版本Altium Designer 6.0。 Altium Designer 6.0，它是完全一體化電子產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)的一個(gè)新版本，也是業(yè)界第一款也是唯一一種完整的板級(jí)設(shè)計(jì)解決方案

34、。Altium Designer 是業(yè)界首例將設(shè)計(jì)流程、集成化 PCB 設(shè)計(jì)、可編程器件（如 FPGA）設(shè)計(jì)和基于處理器設(shè)計(jì)的嵌入式軟件開發(fā)功能整合在一起的產(chǎn)品，一種同時(shí)進(jìn)行PCB和FPGA設(shè)計(jì)以及嵌入式設(shè)計(jì)的解決方案，具有將設(shè)計(jì)方案從概念轉(zhuǎn)變?yōu)樽罱K成品所需的全部功能。 6.2仿真通過對(duì)電路的硬件設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì),我們使用了PROTEUS對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。首先，我們將硬件電路在PROTEUS中連接好，按照設(shè)計(jì)總電路圖連接各個(gè)硬件，通過單片機(jī)C語言來進(jìn)行編程，程序如附錄所示。通過KEIL軟件降我們的源程序轉(zhuǎn)換成目標(biāo)程序來進(jìn)行仿真,生成*.hex文件。最后從PROTEUS中，將我們的程序?qū)?/p>

35、單片機(jī)中，便能進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真。PCB電路圖如圖6.1所示： 圖6.1整體設(shè)計(jì)PCB圖通過PCB圖做出的實(shí)物圖如圖6.2所示： 圖6.2 實(shí)物圖 致 謝 畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)接近了尾聲，這也意味著我的大學(xué)生活就要結(jié)束了，學(xué)生活一晃而過，回首走過的歲月，心中倍感充實(shí)，當(dāng)我寫完這篇畢業(yè)論文的時(shí)候，有一種如釋重負(fù)的感覺，感慨良多。 首先，我要特別感謝我的指導(dǎo)老師陳媛媛老師。做設(shè)計(jì)的過程是艱辛的，但是在我的努力之下還是完成了。在這個(gè)過程中陳媛媛老師給了我很大的的幫助，沒有她的盡心指導(dǎo)和嚴(yán)格的要求，我也不會(huì)順利完成這次設(shè)計(jì)。陳老師平日里工作繁多，但我做畢業(yè)設(shè)計(jì)的每個(gè)階段，從選題到查閱資料，論文提綱的確定，中期論文的

36、修改，后期論文格式調(diào)整等各個(gè)環(huán)節(jié)中都給予了我悉心的指導(dǎo)。這幾個(gè)月以來，陳老師不僅在學(xué)業(yè)上給我以精心指導(dǎo)，同時(shí)還在思想給我以無微不至的關(guān)懷，在此謹(jǐn)向陳媛媛老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。其次，還要感謝這四年來教我知識(shí)的美味老師們，畢業(yè)論文能夠順利完成，你們也都有很大的功勞。 這次的畢業(yè)設(shè)計(jì),對(duì)于培養(yǎng)我們理論聯(lián)系實(shí)際的設(shè)計(jì)思想;訓(xùn)練綜合運(yùn)用有關(guān)課程的理論,結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際反系和解決工程實(shí)際問題的能力;鞏固、加深和擴(kuò)展有關(guān)方面的知識(shí)等方面有重要的作用。 寫作畢業(yè)論文是一次再系統(tǒng)學(xué)習(xí)的過程，畢業(yè)論文的完成，同樣也意味著新、生活的開始。希望大家在將來的生活中繼續(xù)追逐最初的夢(mèng)想，永不放棄。 在此，我還要特別感

37、謝我的同學(xué)們，由于你們的幫助和支持，我才能克服一個(gè)一個(gè)的困難和疑惑，你們對(duì)本課題做了不少工作，直至本文的順利完成，給予我不少的幫助，謝謝你們！ 參考文獻(xiàn)1陳妙芳,胡曉東.基于AT89C51單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)J.機(jī)械工程師，2009, (01): 151-152.2趙鴻圖.基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J.微計(jì)機(jī)信息，2008, (26): 96-98.3葉景.基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)J.中國新通信，2009, (13): 1-2.4紀(jì)綱.HD7279A鍵盤顯示驅(qū)動(dòng)芯片及應(yīng)用J.儀表技術(shù)，2001, (30): 15-16.5羅云松.基于單片機(jī)AT89C51的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)J

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42、52+DS1820+數(shù)碼管+蜂鳴器/ *DS1820設(shè)置為12位精度/ *環(huán)境溫度超過Alarm值 蜂鳴器報(bào)警 / *Alarm值可通過按鍵自由設(shè)定/*該溫度可設(shè)定范圍1-100度，測量范圍-55-125度 /*/*可調(diào)溫度報(bào)警器*#include #include #include #define uchar unsigned charunsigned char code dis_code= 0xC0,/*0*/ 0xF9,/*1*/ 0xA4,/*2*/ 0xB0,/*3*/ 0x99,/*4*/ 0x92,/*5*/ 0x82,/*6*/ 0xF8,/*7*/ 0x80,/*8*/ 0x

43、90,/*9*/ 0xF7,/*負(fù)號(hào)*/ 0xB6,/*溫度設(shè)定狀態(tài)*/ ;uchar data dis_buf8,i;uchar data dis_index ; /數(shù)碼管顯示標(biāo)簽uchar dis_digit=0xfe; /數(shù)碼管位選通控制端sbit Spk=P37; /驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警sbit Key_UP = P33; /上調(diào)溫度sbit Key_DOWN = P34; /下調(diào)溫度sbit Key_SET = P32; /設(shè)定鍵（溫度設(shè)定）/*18B20驅(qū)動(dòng)程序，DQ為數(shù)據(jù)口，接于P1.4*11.0592M晶振，上拉4.7k電阻*/#define uchar unsigned char#

44、define uint unsigned intsbit dq = P10; /定義18B20的數(shù)據(jù)端bit flag;uint Temperature;uchar gechar,shichar,baichar,Alarm;uchar temp_buff9; /存儲(chǔ)讀取的字節(jié)，read scratchpad為9字節(jié)，read rom ID為8字節(jié)uchar id_buff8;uchar *p;uchar crc_data;uchar code CrcTable 256=0, 94, 188, 226, 97, 63, 221, 131, 194, 156, 126, 32, 163, 253,

45、 31, 65,157, 195, 33, 127, 252, 162, 64, 30, 95, 1, 227, 189, 62, 96, 130, 220,35, 125, 159, 193, 66, 28, 254, 160, 225, 191, 93, 3, 128, 222, 60, 98,190, 224, 2, 92, 223, 129, 99, 61, 124, 34, 192, 158, 29, 67, 161, 255,70, 24, 250, 164, 39, 121, 155, 197, 132, 218, 56, 102, 229, 187, 89, 7,219, 133, 103, 57, 186, 228, 6, 88, 25, 71, 165, 251, 120, 38, 196, 154,101, 59, 217, 135, 4, 9