基于單片機(jī)的水溫控制系統(tǒng)論文

PAGEword文檔可編輯復(fù)制word文檔可編輯復(fù)制本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：基于PID算法的水溫控制器設(shè)計(jì)

學(xué)生姓名：學(xué)號(hào)：專(zhuān)業(yè)班級(jí)：電氣工程及其自動(dòng)化08-6班指導(dǎo)教師：2012年06摘要PID控制是工業(yè)控制領(lǐng)域的一個(gè)重要方法,將PID算法應(yīng)用到以51單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)中,能產(chǎn)生良好的控制效果。基于PID算法的水溫控制器系統(tǒng)采用目前性價(jià)比及較高的數(shù)字溫度傳感器DS18B20作為檢測(cè)變送器，通過(guò)鍵盤(pán)向單片機(jī)輸入預(yù)設(shè)溫度值，單片機(jī)將溫度偏差進(jìn)行PID運(yùn)算后輸出PWM波。而PWM波通過(guò)控制固態(tài)繼電器SSR的通斷時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)電熱杯的加熱速度，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的精準(zhǔn)控制。整個(gè)系統(tǒng)的硬件電路簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)驗(yàn)，本系統(tǒng)超調(diào)小，無(wú)振蕩，基本可以實(shí)現(xiàn)自控系統(tǒng)的穩(wěn)、準(zhǔn)、快的三大目標(biāo)。關(guān)鍵詞：PID；51單片機(jī)；溫度傳感器；PWMword文檔可編輯復(fù)制AbstractPIDcontrolinthefieldofindustrialcontrolisanimportantmethod,PIDalgorithmisusedto51SCMforasthecoreofthecontrolsystem,canproduceexcellentcontroleffect.ThewatertemperaturecontrollerbasedonPIDalgorithmwithhighcostperformanceandcurrentsystemofdigitaltemperaturesensorDS18B20asthetesttransmitter,throughthekeyboardinputtothesinglechipmicrocomputerpresettemperature,singlechipmicrocomputertemperaturedeviationsPIDoperationwillbeafterPWMwaveoutput.AndbycontrollingthePWMwavesofthesolidstaterelayhightimetoadjusttheheatingspeedelectricmug,andfinallyachievetheaccuratecontrolofthetemperature.Thewholesystemhardwarecircuitissimple,thestabilityisgood.Aftertheactualtest,thissystemovershootsmall,noshock,basiccanrealizetheautomaticcontrolsystemstability,accurate,fastthreegoals.Keywords：PID;51Single-chipmicrocomputertemperaturesensor;PWMsquarewave目錄第1章前言 1第2章系統(tǒng)方案 22.1設(shè)計(jì)思想 22.2方案論證 22.3論證分析 2第3章PID原理解說(shuō) 43.1PID概念及其構(gòu)成 43.2PID算法原理 43.3PID應(yīng)用到水溫控制器中的編程思路 7第4章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 94.1控制模塊單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 94.2鍵盤(pán)模塊的設(shè)計(jì) 94.3顯示模塊的設(shè)計(jì) 104.4溫度采集模塊的設(shè)計(jì) 10第5章軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 125.1主程序模塊流程圖的搭建 125.2PID模塊流程圖的搭建 135.3定時(shí)器模塊流程圖的搭建 13第6章系統(tǒng)調(diào)試 156.1溫度時(shí)間變化曲線的繪制 156.2分析曲線并獲得相應(yīng)結(jié)論 16第7章結(jié)論 18致謝 19參考文獻(xiàn) 20附錄 21word文檔可編輯復(fù)制第1章前言在現(xiàn)代化的上業(yè)生產(chǎn)中，電流、電壓、溫度、壓力、流量、流速和開(kāi)關(guān)量都是常用的主要被控參數(shù)。例如：在冶金工業(yè)、化工生產(chǎn)、電力上程、造紙行業(yè)、機(jī)械制造和食品加土等諸多領(lǐng)域中，人們都需要對(duì)各類(lèi)加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐中的溫度進(jìn)行檢測(cè)和控制。通常，電阻爐爐溫控制都采用偏差控制法。偏差控制的原理是先求出實(shí)測(cè)爐溫對(duì)所需爐溫的偏差值，然后對(duì)偏差值處理獲得控制信號(hào)去調(diào)節(jié)電阻爐的加熱功率，以實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫的控制。PID控制是比例、積分、微分控制的簡(jiǎn)稱(chēng)。在生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制的發(fā)展歷程中，PID控制是歷史最久、生命力最強(qiáng)的基本控制方式。隨著科學(xué)的發(fā)展，特別是電子計(jì)算機(jī)的誕生和發(fā)展，涌現(xiàn)出許多先進(jìn)的控制方法，然而直到現(xiàn)在，PID控制仍是最廣泛應(yīng)用的控制方式之一?，F(xiàn)代自動(dòng)控制越來(lái)越朝著智能化發(fā)展，在很多自動(dòng)控制系統(tǒng)中都用到了上控機(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。但對(duì)于這些小型的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，配置一個(gè)如此高速的處理機(jī)沒(méi)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，所以目前，PID算法一般是在順序程序結(jié)構(gòu)的處理器上實(shí)現(xiàn)的，工程上實(shí)際應(yīng)用的很多PID控制器都是用單片機(jī)（MCU）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。本設(shè)計(jì)源自工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，以鍋爐水溫水溫控制器建立模型，包括硬件和軟件兩部分，硬件部分包含溫度設(shè)定模塊、溫度采集變送模塊、溫度偏差處理模塊（即PID控制模塊）、溫度顯示模塊、電爐加熱模塊。軟件部分主要負(fù)責(zé)溫度信號(hào)采集、溫度值實(shí)時(shí)顯示驅(qū)動(dòng)、溫度偏差信號(hào)處理。系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)的指標(biāo)如下：（1）按鍵設(shè)定溫度，用五位數(shù)碼管顯示實(shí)時(shí)溫度：（2）溫度控制范圍為0~100度，測(cè)量誤差為士0.5度：（3）恒溫控制并且可以快速達(dá)到預(yù)設(shè)溫度且超調(diào)較?。坏?章系統(tǒng)方案2.1設(shè)計(jì)思想溫度的期望值可用鍵盤(pán)設(shè)定，溫度傳感器檢測(cè)實(shí)際溫度，微處理器單片機(jī)根據(jù)實(shí)測(cè)值與期望值偏差通過(guò)PID運(yùn)算，輸出相應(yīng)的控制參數(shù)給加熱驅(qū)動(dòng)模塊，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)PID控制。其中，溫度信號(hào)的準(zhǔn)確性影響著整套系統(tǒng)的成功。2.2方案論證溫度采集有多種方案，但在水溫控制的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)主要有兩種：方案用熱電偶采集溫度。熱電偶利用熱電勢(shì)原理進(jìn)行溫度測(cè)量的。其測(cè)量精度高、測(cè)量范圍廣。常用的熱電偶從-50℃到+1600℃均可正常測(cè)量，某些特殊熱電偶最低可測(cè)到-269℃（如金鐵鎳鉻），最高可達(dá)+2800度（如鎢-欽方案二：采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20，DS18B20采用獨(dú)特的單線接口方式，與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。在使用中不需要任何外圍元件，測(cè)溫范圍-55℃到+驅(qū)動(dòng)加熱模塊也有多種方案：方案一：?jiǎn)纹瑱C(jī)輸出數(shù)字量，經(jīng)DA轉(zhuǎn)換后驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的功率器件，特點(diǎn)是控制方便，電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，且存在大量的干擾。方案二：選用固態(tài)繼電器。單片機(jī)輸出脈寬變化的PWM波，從而改變固態(tài)繼電器中交流接觸點(diǎn)的通斷時(shí)間以此來(lái)改變水溫。2.3論證分析經(jīng)過(guò)比較，采用DS18B20測(cè)量水溫，硬件電路簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高，信號(hào)易處埋，故溫度變送器選用DS18B20。驅(qū)動(dòng)加熱采用固態(tài)繼電器，在實(shí)行控制的時(shí)候不像其它采用D/A轉(zhuǎn)換后再控制調(diào)節(jié)閥的方法，而是直接外接一個(gè)固態(tài)繼電器，通過(guò)內(nèi)部改變定時(shí)器的中斷時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)一個(gè)周期內(nèi)電子開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通和斷開(kāi)時(shí)間。這樣既節(jié)省了材料也可以很大程度上減少硬件電路的結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)原理2-l所示。圖2-1：系統(tǒng)原理框圖綜上所述方案有如下的特點(diǎn)：（1）在完成所要求的任務(wù)的基礎(chǔ)之上還有著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單明了的特點(diǎn)，很容易實(shí)現(xiàn)，而且在一定的程度上節(jié)約成本。（2）由于采用了離線的方法，很大程度上的減少了編程的麻煩，實(shí)現(xiàn)起來(lái)較容易。（3）采用了無(wú)污染能源，保護(hù)環(huán)境。同時(shí)也省去了為建造燃料供應(yīng)子系統(tǒng)的費(fèi)用，節(jié)約了成本。采用了模擬的PWM變換，和固態(tài)繼電器?？梢詫⒉蓸宇l率提高到很多的水平，使控制結(jié)果更準(zhǔn)確，實(shí)時(shí)性、控制效果更好。第3章PID原理解說(shuō)3.1PID概念及其構(gòu)成在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱(chēng)PID控制，又稱(chēng)PID調(diào)節(jié)。PID控制器問(wèn)世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。具體由比例模塊，積分模塊和微分模塊構(gòu)成。3.2PID算法原理常規(guī)的模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖1-2所示。該系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對(duì)象組成[1]。其中r(t)是給定值，y(t)是系統(tǒng)的實(shí)際輸出值，給定值與實(shí)際輸出值構(gòu)成控制偏差e(t)：（3-1）圖3-1PID原理示意圖其中e（t）作為PID控制的輸入，u（t）作為PID控制器的愉出和被控對(duì)象的輸入，所以模擬PID控制器的控制規(guī)律為（3-2）其中Kp：控制器的比例系數(shù)Ti：控制器的積分系數(shù)Td：控制器的微分系數(shù)1、比例部分在模擬PID控制器中，比例環(huán)節(jié)的作用是對(duì)偏差瞬間做出反應(yīng)。偏差一旦產(chǎn)生控制器立即產(chǎn)生控制作用，使控制量向減少偏差的方向變化?？刂谱饔玫膹?qiáng)弱取決于比例系數(shù)Kp，比例系數(shù)Kp越大控制作用越強(qiáng)，則過(guò)渡過(guò)程越快，控制過(guò)程的靜態(tài)偏差也就越?。旱窃酱?，也越容易產(chǎn)生振蕩，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。故而，比例系數(shù)如選擇必須恰當(dāng)，才能過(guò)渡時(shí)間少，靜差小而又穩(wěn)定的效果。2、積分部分積分部分的數(shù)學(xué)表達(dá)式是：(3-3)從積分部分的數(shù)學(xué)表達(dá)式可以知道，只要存在偏差，則它的控作用就不斷的增加：只有在偏差為0時(shí)，它的積分才能是一個(gè)常數(shù)，控制作用才是一個(gè)不會(huì)增加的常數(shù)?？梢?jiàn)，積分部分可以消除系統(tǒng)的偏差。積分環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)作用雖然會(huì)消除靜態(tài)誤差，但也會(huì)降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度，增加系統(tǒng)的超調(diào)量。積分常數(shù)Ti越大，積分的積累作用越弱，這時(shí)系統(tǒng)在過(guò)渡時(shí)不會(huì)產(chǎn)生振蕩：但是增大積分常數(shù)Ti會(huì)減慢靜態(tài)誤差的消除過(guò)程，消除偏差所需的時(shí)間也較長(zhǎng)，但可以減少超調(diào)量，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng)Ti較小時(shí)，則積分的作用較強(qiáng)，這時(shí)系統(tǒng)過(guò)渡時(shí)間中有可能產(chǎn)生振蕩，不過(guò)消除偏差所需的時(shí)間較短。所以必須根據(jù)實(shí)際控制的具體要求來(lái)確定Ti。3、微分部分微分部分的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：(3-4)實(shí)際的控制系統(tǒng)除了希望消除靜態(tài)誤差外，還要求加快調(diào)節(jié)過(guò)程。在偏差出現(xiàn)的瞬間，或在偏差變化的瞬間，不但要對(duì)偏差量做出立即響應(yīng)（比例環(huán)節(jié)的作用），而且要根據(jù)偏差的變化趨勢(shì)預(yù)先給出適當(dāng)?shù)募m正。為了實(shí)現(xiàn)這一作用，可在PI控制器的基礎(chǔ)上加入微分環(huán)節(jié)，形成PID控制器。微分環(huán)節(jié)的作用使阻止偏差的變化。它是根據(jù)偏差的變化趨勢(shì)（變化速度）進(jìn)行控制。偏差變化的越快，微分控制器的輸出就越大，并能在偏差值變大之前進(jìn)行修正。微分作用的引入，將有助于減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，特別對(duì)高階系統(tǒng)非常有利，它加快了系統(tǒng)的跟蹤速度。但微分的作用對(duì)輸入信號(hào)的噪聲很敏感，對(duì)那些噪聲較大的系統(tǒng)一般不用微分，或在微分起作用之前先對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波。微分部分的作用由微分時(shí)間常數(shù)Td決定。Td越大時(shí)，則它抑制偏差變化的作用越強(qiáng)：Td越小時(shí)，則它反抗偏差變化的作用越弱。微分部分顯然對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定有很大的作用。適當(dāng)?shù)剡x擇微分常數(shù)Td，可以使微分作用達(dá)到最優(yōu)。由于計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，計(jì)算機(jī)進(jìn)入了控制領(lǐng)域。人們將模擬PID控制規(guī)律引入到計(jì)算機(jī)中來(lái)。對(duì)公式（2-2）的PID控制規(guī)律進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖儞Q，就可以用軟件實(shí)現(xiàn)PID控制，即數(shù)字PID控制。數(shù)字式PID控制算法可以分為位置式PID和增量式PID控制算法。由于計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差計(jì)算控制量，而不能像模擬控制那樣連續(xù)輸出控制量量，進(jìn)行連續(xù)控制。由于這一特點(diǎn)，公式（2-2）中的積分項(xiàng)和微分項(xiàng)不能直接使用，必須進(jìn)行離散化處理。離散化處理的方法為：以T作為采樣周期，作為采樣序號(hào)，則離散采樣時(shí)間對(duì)應(yīng)著連續(xù)時(shí)間，用矩形法數(shù)值積分近似代替積分，用一階后向差分近似代替微分，可作如下近似變換：(3-5)上式中，為了表示的方便，將類(lèi)似于e(Kt)簡(jiǎn)化成ek。將公式（3-5）代入公式（3-2）就可以得到離散的PID表達(dá)式：（3-6）或者（3-7）公式（3-6）或公式（3-7）表示的控制算法是直接按照公式（3-1）說(shuō)給出的PID控制規(guī)律定義進(jìn)行運(yùn)算的，所以它給出了全部控制量的大小，因此稱(chēng)為全量式或位置式PID控制算法。位置式的特點(diǎn)是每次輸出均與過(guò)去的狀態(tài)有關(guān)，將過(guò)去的偏差進(jìn)行累加，對(duì)于溫度控制系統(tǒng)，比較適合采用位置式控制。香農(nóng)采樣定律：為不失真地復(fù)現(xiàn)信號(hào)的變化，采樣頻率至少應(yīng)大于或等于連續(xù)信號(hào)最高頻率分量的二倍。根據(jù)采樣定律可以確定采樣周期的上限值。實(shí)際采樣周期的選擇還要受到多方而因素的影響，不同的系統(tǒng)采樣周期應(yīng)根據(jù)具體情況來(lái)選擇。采樣周期的選擇，通常按照過(guò)程特性與干擾大小適當(dāng)來(lái)選取采樣周期：即對(duì)于響應(yīng)快波動(dòng)大、易受干擾的過(guò)程，應(yīng)選取較短的采樣周期：反之，當(dāng)系統(tǒng)響應(yīng)慢、滯后大時(shí)，可選取較長(zhǎng)的采樣周期。采樣周期的選取應(yīng)與PID參數(shù)的整定進(jìn)行綜合考慮，采樣周期應(yīng)遠(yuǎn)小于過(guò)程的擾動(dòng)信號(hào)的周期，在執(zhí)行器的響應(yīng)速度比較慢時(shí)，過(guò)小的采樣周期將失去意義，因此可適當(dāng)選大一點(diǎn)：在計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度允許的條件下，采樣周期短，則控制品質(zhì)好：當(dāng)過(guò)程的純滯后時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，一般選取采樣周期為純滯后時(shí)間的四分之一到八分之一。由于自動(dòng)控制系統(tǒng)被控對(duì)象的千差萬(wàn)別，PID的參數(shù)也必須隨之變化，以滿足系統(tǒng)的性能要求。這就給使用者帶來(lái)相當(dāng)?shù)穆闊?，特別是對(duì)初學(xué)者。下面簡(jiǎn)單介紹一下調(diào)試PID參數(shù)的一般步驟：（1）確定比例增益P確定比例增益P時(shí)，首先去掉PID的積分項(xiàng)和微分項(xiàng)，一般是Td=0,Ti=0，使PID為純比例調(diào)節(jié)。輸入設(shè)定為系統(tǒng)允許的最大值的60%-70%，由0逐漸加大比例增益P，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩：再反過(guò)來(lái)，從此時(shí)的比例增益P逐漸減小，直至系統(tǒng)振蕩消失，記錄此時(shí)的比例增益P，設(shè)定PID的比例增益P為當(dāng)前值的60%-70%。比例增益P調(diào)試完成。（2）確定積分時(shí)間常數(shù)Ti比例增益P確定后，設(shè)定一個(gè)較大的積分時(shí)間常數(shù)Ti的初值，然后逐漸減小Ti,直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，之后在反過(guò)來(lái)，逐漸加大Ti，直至系統(tǒng)振蕩消失。記錄此時(shí)的Ti設(shè)定PID的積分時(shí)間常數(shù)Ti為當(dāng)前值的150%-180%。積分時(shí)間常數(shù)Ti調(diào)試完成。（3）確定積分時(shí)間常數(shù)Td積分時(shí)間常數(shù)Td一般不用設(shè)定，為0即可。若要設(shè)定，與確定P和Ti的方法相同，取不振蕩時(shí)的30%。（4）系統(tǒng)空載、帶載聯(lián)調(diào)，再對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，直至滿足要求。3.3PID應(yīng)用到水溫控制器中的編程思路本設(shè)計(jì)要求使用PID算法來(lái)實(shí)現(xiàn)水的恒溫控制，所以在程序中，以實(shí)測(cè)溫度與設(shè)定溫度的差值作為偏差即ek，通過(guò)PID運(yùn)算求出uk，用uk來(lái)調(diào)節(jié)輸出PWM波的占空比，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫的精確調(diào)節(jié)控制，最終實(shí)現(xiàn)穩(wěn)準(zhǔn)快的控制目標(biāo)。第4章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4.1控制模塊單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)因?yàn)?051單片機(jī)內(nèi)部自帶8k字節(jié)的ROM和256字節(jié)的RAM,因此不必構(gòu)建單片機(jī)系統(tǒng)的擴(kuò)展電路。如圖單片機(jī)最小系統(tǒng)有復(fù)位電路和振蕩器電路。值得注意的一點(diǎn)是單片機(jī)的31腳必須接高電平，否則系統(tǒng)將不能運(yùn)行。因?yàn)樵撃_不接時(shí)為低電平，單片機(jī)將直接讀取外部程序存儲(chǔ)器而系統(tǒng)沒(méi)有外部程序存儲(chǔ)器，所以必須接高電平。在按鍵兩端并聯(lián)一個(gè)電解電容，濾除交流干擾，增加系統(tǒng)抗干擾能力。如下圖4-1所示[5]：圖4-1單片機(jī)最小系統(tǒng)4.2鍵盤(pán)模塊的設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)需要用鍵盤(pán)來(lái)設(shè)定閾值溫度，而不是用電位器以及AD的模擬輸入，所以設(shè)置了四個(gè)按鍵，加一按鍵（INC1），加十按鍵（INC10）,確定按鍵（QUEDING），返回按鍵（FUWEI）。通過(guò)加一和加十來(lái)設(shè)置好閾值溫度，并按下確定鍵進(jìn)入加熱環(huán)節(jié)。當(dāng)想從加熱環(huán)節(jié)中退出時(shí)候，按下返回鍵，進(jìn)入重新設(shè)置閾值溫度模塊，直到設(shè)置好在重新進(jìn)入加熱模式。若是想退出系統(tǒng)，按下復(fù)位鍵即可。鍵盤(pán)模塊如圖4-2所示：圖4-2鍵盤(pán)模塊4.3顯示模塊的設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)由于用的是實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)板，上面帶有八位數(shù)碼管，所以顯示模塊就選用數(shù)碼管顯示即可，顯示應(yīng)用動(dòng)態(tài)顯示原理，通過(guò)循環(huán)輸出，由于人眼誤差，從而來(lái)實(shí)現(xiàn)顯示的溫度值可以讀出的目的。由于數(shù)碼管的輝光效應(yīng)，即使溫度更新較快，也可以準(zhǔn)確的讀出溫度值，不會(huì)出現(xiàn)亂碼的情況。顯示部分的電路如下圖4-3所示[6]：圖4-3數(shù)碼管顯示模塊4.4溫度采集模塊的設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)采用的是溫度傳感器DS18B20來(lái)采集溫度，由于DS18B20直接輸出的就是數(shù)字信號(hào)，所以非常方便，直接避開(kāi)了應(yīng)用其他采集溫度方法的繁瑣，并且DS18B20的誤差相對(duì)來(lái)說(shuō)非常小，從而可以精確的采集到溫度，對(duì)于PID控制來(lái)說(shuō)，幫助非常大，準(zhǔn)確的采集溫度才可以精確地進(jìn)行PID運(yùn)算來(lái)調(diào)節(jié)溫度。溫度采集模塊的電路圖4-4示：圖4-4溫度傳感器部分第5章軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心,相當(dāng)于人體的大腦,完成溫度的采集,PID運(yùn)算,以及PWM波的輸出等重要環(huán)節(jié),軟件系統(tǒng)是否能夠設(shè)計(jì)的完美,決定了整個(gè)系統(tǒng)能否正常工作,甚至達(dá)到自己預(yù)設(shè)的那些目標(biāo)。所以，有一個(gè)細(xì)致邏輯精確的軟件系統(tǒng)是本次設(shè)計(jì)能否成功的關(guān)鍵，下面便按照編程思路來(lái)逐一介紹比較重要的幾個(gè)設(shè)計(jì)模塊。5.1主程序模塊流程圖的搭建主程序就是真正工作時(shí)候執(zhí)行的程序，相當(dāng)于軟件系統(tǒng)中的中樞，在本次設(shè)計(jì)中，按照我的編程思路，主程序主要完成初始化，鍵盤(pán)設(shè)定閾值溫度，設(shè)好后進(jìn)入溫度采集模塊，并顯示實(shí)時(shí)溫度，再進(jìn)入PID環(huán)節(jié)進(jìn)行運(yùn)算，來(lái)控制PWM波的輸出對(duì)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，每執(zhí)行一次都要判斷是否需要返回重新設(shè)置閾值溫度，若是需要，則返回到設(shè)置溫度環(huán)節(jié)，否則則是重復(fù)執(zhí)行上述過(guò)程[8]。如下圖5-1則是主程序的流程圖，也就是我的編程邏輯順序。圖5-1主程序流程圖5.2PID模塊流程圖的搭建PID模塊是本次設(shè)計(jì)的一個(gè)亮點(diǎn)和重點(diǎn)模塊，因?yàn)楸敬萎厴I(yè)設(shè)計(jì)重在要求用PID算法來(lái)控制溫度變化達(dá)到恒溫的目的，所以PID模塊的編寫(xiě)成為了本次設(shè)計(jì)的重中之重，根據(jù)之前所學(xué)自動(dòng)控制原理，搭建系統(tǒng)閉環(huán)流程圖，并且根據(jù)其算法來(lái)進(jìn)行編程。在本程序中，以閾值溫度與實(shí)時(shí)檢測(cè)溫度的差值作為偏差給定ek，根據(jù)PID算法求出控制量uk，本次設(shè)計(jì)中在根據(jù)uk的變化去調(diào)節(jié)輸出PWM波的占空比，從而來(lái)實(shí)現(xiàn)加熱快慢，達(dá)到控制溫度的目的。如下圖5-2為PID環(huán)節(jié)。圖5-2PID模塊流程圖5.3定時(shí)器模塊流程圖的搭建定時(shí)器中斷作為本次設(shè)計(jì)中必不可少的一部分，用來(lái)通過(guò)中斷來(lái)產(chǎn)生PWM波。本次設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)為每50毫秒進(jìn)一次定時(shí)器中斷，調(diào)節(jié)周期為5秒，同時(shí)僅當(dāng)進(jìn)入PID調(diào)節(jié)時(shí)候（即檢測(cè)溫度與閾值溫度之差為15攝氏度以內(nèi)的時(shí)候）才會(huì)開(kāi)啟定時(shí)器中斷，來(lái)進(jìn)行PWM波的占空比調(diào)節(jié)。作為關(guān)鍵部分，本人通過(guò)仔細(xì)的查閱資料，和分析作用過(guò)程編寫(xiě)出此模塊詳細(xì)的運(yùn)行流程，進(jìn)一步為編寫(xiě)程序提供幫助。如下圖5-3是定時(shí)器中斷的流程[9]：圖5-3時(shí)器中斷流程圖軟件模塊的設(shè)計(jì)中心就是圍繞以上三個(gè)大部分，如其他的溫度采集模塊，鍵盤(pán)模塊以及顯示模塊都是作為一種不可少，但是不作為核心來(lái)出現(xiàn)的，在此處就不一一論述，總之，軟件是一個(gè)系統(tǒng)的大腦，只有大腦好，整個(gè)系統(tǒng)工作才會(huì)完美，對(duì)于一個(gè)合格的系統(tǒng)設(shè)計(jì)者來(lái)講，只有有著嫻熟的編程能力才能勝任系統(tǒng)的完美開(kāi)發(fā)。第6章系統(tǒng)調(diào)試硬件和軟件系統(tǒng)都做好之后，就要進(jìn)行硬軟結(jié)合，系統(tǒng)聯(lián)調(diào)了，經(jīng)過(guò)多日努力，終于可以進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)試，并根據(jù)之前的設(shè)計(jì)目標(biāo)來(lái)記錄相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并做出對(duì)應(yīng)的波形，進(jìn)一步的來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)的功能是否完備[10]。6.1溫度時(shí)間變化曲線的繪制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，由于本系統(tǒng)主要是看水溫的變化與時(shí)間的關(guān)系，所以記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象時(shí)候，分別選取了閾值溫度為55度以及60度時(shí)候記錄了相應(yīng)的數(shù)據(jù)，來(lái)繪制溫度時(shí)間變化曲線，如下：表6-1閾值溫度為55度時(shí)候的溫度時(shí)間關(guān)系時(shí)間（min）00.511.522.533.544.555.56溫度值（度）25262933374245485051525354時(shí)間（min）6.577.588.599.51010.51111.5溫度值（度）5555555555下圖6-1根據(jù)上表所繪制的溫度時(shí)間變化曲線：圖6-1閾值溫度為55度時(shí)的溫度時(shí)間變化曲線表6-2閾值溫度為60度時(shí)候的溫度時(shí)間關(guān)系時(shí)間（min）00.511.522.533.544.555.56溫度值（度）26283034384347505354566758時(shí)間（min）6.577.588.599.51010.51111.5溫度值（度）5960606060605959606060下圖6-2為根據(jù)上表所繪制的溫度時(shí)間變化曲線：圖6-2閾值溫度為60度時(shí)的溫度時(shí)間變化曲線6.2分析曲線并獲得相應(yīng)結(jié)論通過(guò)上面兩條溫度時(shí)間變化曲線的繪制，不難發(fā)現(xiàn)，本次設(shè)計(jì)的恒溫控制系統(tǒng)很完美的實(shí)現(xiàn)了所預(yù)定的目標(biāo)。（1）首先可以實(shí)現(xiàn)按鍵設(shè)定溫度，用五位數(shù)碼管顯示實(shí)時(shí)溫度；（2）溫度控制范圍為0~100度，測(cè)量誤差為士0.5度；（3）恒溫控制并且可以快速達(dá)到預(yù)設(shè)溫度且?guī)缀鯚o(wú)超調(diào)；綜上三點(diǎn)，本系統(tǒng)都完美的實(shí)現(xiàn)了，本次設(shè)計(jì)可以說(shuō)是比較成功的，但相對(duì)也有不足之處，如調(diào)節(jié)時(shí)間還有些偏慢，過(guò)渡時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，PID參數(shù)還可以進(jìn)一步的優(yōu)化，來(lái)更加快速準(zhǔn)確的達(dá)到閾值溫度，并且仍然無(wú)超調(diào)，所以，作為本系統(tǒng)仍有很大發(fā)揮之處，但是就目前來(lái)看，用這款打片機(jī)只有達(dá)到這樣的目標(biāo)，也是很好的完成了設(shè)計(jì)之初的目的，可以達(dá)到要求的控制效果。第7章結(jié)論通過(guò)本次的設(shè)計(jì)，使我們不僅對(duì)單片機(jī)這門(mén)課程有了更深刻的認(rèn)一識(shí)，懂得了如何運(yùn)用課本知識(shí)結(jié)合實(shí)際來(lái)完成定時(shí)器的顯示和編程方法以及數(shù)碼顯示電路的驅(qū)動(dòng)力一法，使我們能夠很快的適應(yīng)現(xiàn)代控制技術(shù)發(fā)展的需求，同時(shí)也提高了我們的思維能力和實(shí)際操作能力，為以后更好的走上工作崗位奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)?；?9C51單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)，利用溫度傳感變送器DS18B20，將采樣到的溫度信號(hào)輸入到單片機(jī)中，再由單片機(jī)作為整個(gè)溫控系統(tǒng)的控制器，根據(jù)測(cè)量溫度與設(shè)定溫度的差值和89C51單片機(jī)的算法生成控制信號(hào)，控制電熱杯的通電與斷電。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、所用芯片少、控制精度高。在軟件上，基于89C51單片機(jī)的算法的溫度控制系統(tǒng)采用了經(jīng)典的89C51單片機(jī)的算法，從某個(gè)角度上說(shuō)這種算法優(yōu)于傳統(tǒng)的控制算法，有更穩(wěn)定、控制精度更高等優(yōu)點(diǎn)，而控制量的輸出上采用了模擬的PWM變換，免去了一級(jí)D/A轉(zhuǎn)換器，減小了成本，且簡(jiǎn)單易行。在程序的編寫(xiě)過(guò)程中特別注意了人機(jī)的交互性及各種功能的實(shí)現(xiàn)，如鍵盤(pán)控制管理程序和89C51單片機(jī)的運(yùn)算程序都是經(jīng)過(guò)深思熟慮而精心設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)的操作界而更容易讓人理解，同時(shí)使用鍵盤(pán)輸入控制溫度，雖然一定程度上增加了程序的復(fù)雜性，但同時(shí)也使系統(tǒng)的溫度更容易設(shè)定。當(dāng)然，系統(tǒng)同時(shí)也存在幾點(diǎn)缺點(diǎn)。在選擇STC89C51單片機(jī)的控制器時(shí)用了速度相對(duì)較慢的單片機(jī)，若采用速度更快的單時(shí)鐘周期系列的單片機(jī)，提高采樣頻率，控制精度將會(huì)更高。同時(shí)本系統(tǒng)沒(méi)有采用與上位機(jī)通信的方式，這樣在實(shí)際的應(yīng)用中會(huì)有些不便。另外此設(shè)計(jì)雖然能夠完成溫度的顯示和控制，但是以后可以通過(guò)加入PID算法優(yōu)化控制功能，并通過(guò)液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示溫度。致謝經(jīng)過(guò)三個(gè)月的努力，我從一個(gè)對(duì)軟件設(shè)計(jì)不太了解的新手成長(zhǎng)為一個(gè)可以很輕松的編出一套相對(duì)比較綜合的程序，并且如期完成了我的畢業(yè)設(shè)計(jì)，我感覺(jué)自己的成長(zhǎng)真的好大，在這里我不得不說(shuō)一下我的設(shè)計(jì)艱辛與在這個(gè)過(guò)程中那些不離不棄的支持我的可愛(ài)的人們。首先，在本次設(shè)計(jì)中，特別感謝郭老師對(duì)我的幫助，為我提供了硬件上的幫助，同時(shí)對(duì)我在思路的拓展方面都有點(diǎn)播，并且不時(shí)的問(wèn)我遇到了什么困難，需要那些幫助，對(duì)于我能夠順利的做好畢業(yè)設(shè)計(jì)有很大的作用；其次感謝在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間曾經(jīng)在精神上和物質(zhì)上支持的同學(xué)們，是你們，讓我在最后的大學(xué)生活中感到了溫暖不孤單，真心感謝大家。最后感謝教過(guò)我的各位老師，是您們讓我從一個(gè)青澀的什么不太懂得學(xué)生成長(zhǎng)為一個(gè)對(duì)電氣專(zhuān)業(yè)有相當(dāng)了解的合格大學(xué)生，在畢業(yè)之際，真心感謝老師們的教導(dǎo)!參考文獻(xiàn)[1]胡壽松編著《自動(dòng)控制原理》．第五版.北京：科學(xué)出版社.2007[2]劉建清編著《輕松玩轉(zhuǎn)51單片機(jī)C語(yǔ)言》.北京：北京航空航天大學(xué)出版社．第一版．2011.03．[3]陸斌編著《21天學(xué)通51單片機(jī)開(kāi)發(fā)》．北京：電子工業(yè)出版社2010.05．[4]夏世英編著《關(guān)于電熱水器模糊PID水溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)》.隴東學(xué)院學(xué)報(bào).文章編號(hào)：1674-1730（2011）04-0031-03.[5]《電子制作》2004.10[6]（美）BjarneStroustrup《THEC++PROGRAMMINGLANGUAGE，SPECIALEDITION》AddisonWesley1997[7]趙麗娟，邵欣編著《基于單片機(jī)的溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》機(jī)械制造[8]武慶生仇梅編著《單片機(jī)原理與應(yīng)用》電子科技大學(xué)出版社1988.02[9]譚浩強(qiáng)編著《C語(yǔ)言設(shè)計(jì)》.北京：清華大學(xué)出版社1999年[10]王彬任艷穎編著《DigitalICSystemDesign》西安電子科技大學(xué)出版社2005.09附錄系統(tǒng)源程序//求取這個(gè)溫度數(shù)值的每一位voidbcd（uintm）{dubf[3]=m/100：dubf[2]=m/10%10：dubf[1]=m%10：dubf[0]=m*10%10：}//將溫度數(shù)值用動(dòng)態(tài)顯示的方法顯示在五位數(shù)碼管上voiddisplay（void）{uintg,i：g=20：while（g--）{for（i=0：i<5：i++）{if（i==4）{P0=0xbf：P2=0xbf：}else {P0=table[dubf[i]]：//選擇相應(yīng)的七段碼值并送入段選P2=table2[i]：} //選相應(yīng)的位并送入delayms（5）：}}}//關(guān)掉顯示器voidguan（void）{P0=0xff：P2=0xff：}//設(shè)置目標(biāo)溫