單片機(jī)PWM溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

課程設(shè)計(jì)任務(wù)書分院（系）信息學(xué)院專業(yè)測(cè)控技術(shù)與儀器學(xué)生姓名蘇德川學(xué)號(hào)0903020326設(shè)計(jì)題目單片機(jī)PWM溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求：1）利用數(shù)字溫度傳感器DS18B20采集和轉(zhuǎn)換溫度；2）利用傳感器得到的數(shù)據(jù)通過單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)溫度的閉環(huán)控制；3）了解和使用PID算法在閉環(huán)控制中的應(yīng)用；4）完成單片機(jī)外圍電路的設(shè)計(jì)以及溫度顯示等程序工作；要求在課程設(shè)計(jì)報(bào)告中給出：1）裝置的結(jié)構(gòu)和電路原理圖。2）調(diào)試過程，說明發(fā)現(xiàn)的向題及處理過程。3）分析存在的問題。4）收獲與改進(jìn)方案。進(jìn)度安排：2011年12月26日一2011年12月30日根據(jù)設(shè)計(jì)要求和內(nèi)容查閱參考文獻(xiàn)或資料，提出設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行原理設(shè)計(jì)。2012年1月10日一2012年1月12日根據(jù)設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行調(diào)試，測(cè)試，撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告，答辯。指導(dǎo)教師（簽字）：年月日分院院長（簽字）：年月日目錄TOC\o"1-5"\h\z1摘要3\o"CurrentDocument"2引言43設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求43.1設(shè)計(jì)內(nèi)容43.2設(shè)計(jì)要求4\o"CurrentDocument"4系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案5\o"CurrentDocument"4.1方案提出5\o"CurrentDocument"4.2總體框圖5\o"CurrentDocument"5系統(tǒng)工作原理6\o"CurrentDocument"PID算法6\o"CurrentDocument"DS18B20傳感器工作原理86系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)9\o"CurrentDocument"7系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)11\o"CurrentDocument"7.1程序設(shè)計(jì)組成11\o"CurrentDocument"7.2程序代碼118系統(tǒng)調(diào)試與測(cè)試結(jié)果.219測(cè)試結(jié)果分析.2110結(jié)論和體會(huì)21\o"CurrentDocument"11參考文獻(xiàn)22摘要：以溫度控制系統(tǒng)為例研究嵌入式系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。以AT89C51單片機(jī)為控制核心，采用典型大慣性環(huán)節(jié)的PID閉環(huán)控制裝置，可自動(dòng)控制惡劣環(huán)境下的溫度，使被控對(duì)象溫度保持在恒定范圍內(nèi)。本系統(tǒng)溫度信號(hào)由數(shù)字溫度傳感器DS18B20采集，送AT89C51單片機(jī)進(jìn)行處理，并通過數(shù)碼管顯示。當(dāng)溫度超過設(shè)定值范圍后，單片機(jī)將發(fā)出控制信號(hào)啟動(dòng)升溫裝置或降溫裝置，使溫度保持在一定的范圍。實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明，設(shè)計(jì)的樣機(jī)系統(tǒng)測(cè)溫控溫精度均為0.1°C，測(cè)溫控溫的范圍可達(dá)-55?+125C。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；PID；工業(yè)控制；溫度；DS18B202引言溫度的測(cè)量和控制在日常生活和工業(yè)領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用，隨著人們生活水平的大幅提高，對(duì)溫度測(cè)量控制的精度和范圍也有著更高的要求。在工業(yè)企業(yè)中，如何提高溫度控制對(duì)象的運(yùn)行性能一直以來都是控制人員和現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員努力解決的問題，這類控制對(duì)象慣性大，滯后現(xiàn)象嚴(yán)重，存在很多不確定的因素，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，從而導(dǎo)致控制系統(tǒng)性能不佳，甚至出現(xiàn)控制不穩(wěn)定、失控等現(xiàn)象。PID控制方式控制穩(wěn)定且精度高，但是控制對(duì)象的模型難以建立，并且當(dāng)擾動(dòng)因素不明確時(shí)，參數(shù)調(diào)整較復(fù)雜。本文采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器，該傳感器具有微型化、封裝簡(jiǎn)單、低功耗、高性能抗干擾能力、測(cè)量范圍廣、強(qiáng)易配處理器等優(yōu)點(diǎn)，可使系統(tǒng)測(cè)量更加精確，電路更加簡(jiǎn)單。實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明，設(shè)計(jì)的樣機(jī)系統(tǒng)測(cè)溫控溫精度均為0.1°C，測(cè)溫控溫的范圍可達(dá)-55?+125°C，可應(yīng)用于家用電器、汽車、冷庫等領(lǐng)域。3內(nèi)容及要求：3.1設(shè)計(jì)內(nèi)容1）利用數(shù)字溫度傳感器DS18B20采集和轉(zhuǎn)換溫度；2）利用傳感器得到的數(shù)據(jù)通過單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)溫度的閉環(huán)控制；3）了解和使用PID算法在閉環(huán)控制中的應(yīng)用；4）完成單片機(jī)外圍電路的設(shè)計(jì)以及溫度顯示等程序工作；3.2設(shè)計(jì)要求1）裝置的結(jié)構(gòu)和電路原理圖。2）調(diào)試過程，說明發(fā)現(xiàn)的向題及處理過程。3）分析存在的問題。4）收獲與改進(jìn)方案。4總體計(jì)設(shè)計(jì)方案4.1方案提出考慮到用溫度傳感器，在單片機(jī)電路設(shè)計(jì)中，大多都是使用傳感器，所以這是非常容易想到的，所以可以采用一只溫度傳感器DS18B20，此傳感器，可以很容易直接讀取被測(cè)溫度值，進(jìn)行轉(zhuǎn)換，就可以滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)本系統(tǒng)采用AT89C52作為溫度控制系統(tǒng)主控單元。AT89C51是一種帶4kB閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的低電壓、高性能CMOS的8位微處理器。指令系統(tǒng)和引腳與典型的MCS-51系列完全兼容，方便軟件的編寫。系統(tǒng)整體電路包括：主控電路、數(shù)碼管顯示、控制輸出、控制對(duì)象、雙向可控硅模塊。4.2總體設(shè)計(jì)框圖溫度控制電路設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)方框圖如圖所示，控制器采用單片機(jī)AT89C52，溫度傳感器采用DS18B20，用4位LED數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)溫度顯示。5系統(tǒng)工作基本原理5.1PID算法在模擬控制系統(tǒng)中，控制器最常用的控制規(guī)律是PID控制。工業(yè)控制算法常用位置型PID算法，經(jīng)離散化后的算式為〃(時(shí)-(7(r)=雄⑴十或時(shí)十Kj[心)~』花T)]￡■1式中，U(n)為第n個(gè)采樣時(shí)刻控制器的輸出量，e(n)第n個(gè)采樣時(shí)刻的偏差值，Kp為比例系數(shù)，Ki為積分作用系數(shù)，Kd為微分作用系數(shù)。由于位置式算法每次輸出與整個(gè)過去狀態(tài)有關(guān)，算式中用到過去偏差的累加值￡冬嚴(yán)七容易產(chǎn)生較大的累計(jì)誤差。而增量式中只需計(jì)算增量，算式中不需要累加，控制增量的確定僅與幾次偏差采樣值有關(guān)，當(dāng)存在計(jì)算誤差或精度不足時(shí)，對(duì)控制量計(jì)算的影響較小，且容易通過加權(quán)處理獲得較好的控制效果。由于計(jì)算機(jī)只輸出控制增量，所以誤動(dòng)作時(shí)影響較小，且必要時(shí)可用邏輯判斷的方法去掉，對(duì)系統(tǒng)安全運(yùn)行有利。由于上述優(yōu)點(diǎn)，所以增量式PID控制算法得到廣泛的應(yīng)用。其控制算法表達(dá)式為以幻=-1)^Kpl\e(k)—eO-1)]++y[e(i)-2e(k-1)4^(*^2)]]=A-1)十Y(1十;+￥卜(&)一5(1(k?*1)+Kp十砍h-2)=u(A-J)+aoe(A)-a)e(A-1)十"住-2)(3)其中，電二K』l_土成+牛卜叫+隼卜%=K孔式(3)是PID位置式的遞推形式，是編程時(shí)常用的形式之一。按增量式PID控制算法編程時(shí)，a0，ai，a2可預(yù)先算出存入固定單元。PID算法流程圖如圖5所示。圖5PIDjt-fKxsDS18B20傳感器工作原理DS18B20溫度傳感器是美國DALLAS半導(dǎo)體公司最新推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測(cè)溫元件相比，它能直接讀出被測(cè)溫度，并且可根據(jù)實(shí)際要求通過簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)9?12位的數(shù)字值讀數(shù)方式。DS18B20的測(cè)溫原理是這這樣的，器件中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給減法計(jì)數(shù)器1;高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為減法計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入。器件中還有一個(gè)計(jì)數(shù)門，當(dāng)計(jì)數(shù)門打開時(shí)，DS18B20就對(duì)低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)進(jìn)而完成溫度測(cè)量。計(jì)數(shù)門的開啟時(shí)間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測(cè)量前，首先將一55°C所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)分別置入減法計(jì)數(shù)器1、溫度寄存器中，計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在一55C所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。減法計(jì)數(shù)器1對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)減法計(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，減法計(jì)數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，減法計(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)直到減法計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到0時(shí)，停止溫度寄存器的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值就是所測(cè)溫度值。其輸出用于修正減法計(jì)數(shù)器的預(yù)置值，只要計(jì)數(shù)器門仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過程，直到溫度寄存器值大致被測(cè)溫度值。表2一部分溫度對(duì)應(yīng)值表溫度/°c一進(jìn)制表示十六進(jìn)制表示+125000001111101000007D0H+8500000101010100000550H+25.062500000001100100000191H+10.125000000001010000100A2H+0.500000000000000100008H000000000000010000000H-0.51111111111110000FFF8H-10.1251111111101011110FF5EH-25.06251111111001101111FE6FH-551111110010010000FC90H另外，由于DS18B20單線通信功能是分時(shí)完成的，它有嚴(yán)格的時(shí)隙概念，因此讀寫時(shí)序很重要。系統(tǒng)對(duì)DS18B20的各種操作按協(xié)議進(jìn)行。操作協(xié)議為：初使化DS18B20（發(fā)復(fù)位脈沖）一發(fā)ROM功能命令一發(fā)存儲(chǔ)器操作命令一處理數(shù)據(jù)6系統(tǒng)整體硬件電路（原理圖）系統(tǒng)整體硬件電路包括：傳感器數(shù)據(jù)采集電路，溫度顯示電路，單片機(jī)主板電路，外圍溫度控制電路等，如圖所示。Pl'1YCCHIPliilH.'palPC2N.-1呻Jri^Mosip(a業(yè)5Fl您CEFM監(jiān)TI'Dh"1心：DILlTPPr.<i?PSEIko.imiP2.7P；4T0P頊MvTl招iI1以亟I'J4eu市iPH■mi.?F2.7mu?1LP2.018W■TgZT頊也11抒”JJT2I21史寸"I21?隗塞140J"TEISThIJ頑；TthW?.13IM3H-廠II~iijII沛舟栽址二RihIKL>KRIIIKQll855'JRIAJ1EKQ2Tr-l「■LEtjJkMWVCCP\、DSIKt7系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)7.1程序設(shè)計(jì)組成：系統(tǒng)程序主要包括主程序，讀出溫度子程序，溫度轉(zhuǎn)換命令子程序，計(jì)算溫度子程序，顯示數(shù)據(jù)刷新子程序，PID閉環(huán)控制算法程序，PWM波產(chǎn)生程序等。7.2程序代碼：#include<reg52.h>#include<absacc.h>#include<math.h>#defineuintunsignedint#defineucharunsignedchar//宏定義#defineC8255_AXBYTE[0x7F00]#defineC8255_BXBYTE[0x7F01]#defineC8255_CXBYTE[0x7F02]#defineC8255_CONXBYTE[0x7F03]//PID算法子程序//初始化子程序〃延時(shí)子程序〃清零子程序//16位乘法，溢出賦極值//16位加法，溢出賦極值//32——16//16——8LEDData[]voidpid(void)voidinit(void)voiddisplay(void)voidclear()intmmul(intx,inty)intmadd(intx,inty)intchange32_16(intx,intt)charchange16_8(intwd)ucharpresence;ucharcode{0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90,0xff};uchar//PID算法子程序//初始化子程序〃延時(shí)子程序〃清零子程序//16位乘法，溢出賦極值//16位加法，溢出賦極值//32——16//16——8LEDData[]charTS=0x64;intX=0x80;charSPEC=0x28;charIBAND=0x60;intKP=12;//采樣周期〃給定：要求達(dá)到的溫度值〃積分分離值：PID算法中積分分離值〃比例系數(shù)：PID算法中比例項(xiàng)系數(shù)charKI=20;charKD=32;intCK;intTC;charFPWM;intCK1;intAAAA;intVAA;intBBB;intVBB;intTKMARK;intEK;intEK1;intAEK;intBEK;unsignedchardis;bitflash=0;sbitDQ=P3A3;sbitDIN=P0A7;sbitP17=P1A7;〃積分系數(shù)〃微分系數(shù)//控制量：PID算法產(chǎn)生用于控制的量//采樣周期變量//PWM脈沖中間標(biāo)識(shí)位〃控制量變量，用于記錄上次控制的值//PWM高電平脈沖時(shí)間計(jì)算//AAAA變量//PWM低電平脈沖時(shí)間計(jì)算//BBB變量//采樣標(biāo)志值〃溫度誤差//BCD碼顯示〃顯示開關(guān)標(biāo)記〃定義DS18B20端口DQ〃小數(shù)點(diǎn)Z/PWM的驅(qū)動(dòng)/**************延時(shí)子程序*********************/voiddelay(unsignedinttime)unsignedinti;for(i=0;i<time;i++)/***********初始化函數(shù)*********************/Init_DS18B20(void)DQ=1;Delay(8);DQ=0;Delay(90);DQ=1;Delay(8);presence=DQ;//DQ復(fù)位//稍做延時(shí)〃單片機(jī)將DQ拉低〃精確延時(shí)大于480us//拉高總線〃如果=0則初始化成功=1則初始化失敗〃變量初始化〃采樣周期變量C8255CON=0x81;display();clear();TMOD=0x11;IP=0x02;IT1=1;EX1=1;TH0=0xd8;TL0=0xef;TH1=0xd8;TL1=0xef;〃變量初始化〃采樣周期變量C8255CON=0x81;display();clear();TMOD=0x11;IP=0x02;IT1=1;EX1=1;TH0=0xd8;TL0=0xef;TH1=0xd8;TL1=0xef;ET0=ET1=1;TR0=TR1=1;EA=1;//T1，T0由外部控制中斷控制信號(hào)，16位定時(shí)器，工作在方式一下〃設(shè)定T0中斷優(yōu)先級(jí)最高〃外部中斷請(qǐng)求信號(hào)方式為脈沖觸發(fā)方式，外中斷1為下降沿有效//允許INT1中斷//允許T0,T1中斷〃啟動(dòng)T0,T1ReadOneChar(void)〃讀一個(gè)字節(jié)return(presence);〃返回信號(hào)，0=presence,1=nopresencevoidinit(void)YK=0x00;EK=0x00;EK1=0x00;AEK=0x00;BEK=0x00;CK=0x00;CK1=0x00;BBB=0x00;VBB=0x00;TKMARK=0x00;TC=0x00;FPWM=0x01;AAAA=0x7f;VAA=0x7f;uchari=0;uchardat=0;for(i=8;i>0;i--){DQ=0;〃給脈沖信號(hào)dat>>=1;DQ=1;〃給脈沖信號(hào)if(DQ)dat|=0x80;Delay(4);}return(dat);}WriteOneChar(uchardat)〃寫一個(gè)字節(jié){uchari=0;for(i=8;i>0;i--){DQ=0;DQ=dat&0x01;Delay(5);DQ=1;dat>>=1;}}Read_Temperature(void)〃讀取溫度{Init_DS18B20();if(presence==1)flash=1;}else{flash=0;WriteOneChar(0xCC);〃跳過讀序號(hào)列號(hào)的操作WriteOneChar(0x44);〃啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換Init_DS18B20();WriteOneChar(0xCC);〃跳過讀序號(hào)列號(hào)的操作WriteOneChar(0xBE);〃讀取溫度寄存器temp_data[0]=ReadOneChar();//溫度低8位temp_data[1]=ReadOneChar();//溫度高8位}}/*****顯示子程序*****/Disp_Temperature()〃顯示溫度{ucharn=0;display[4]=temp_data[0]&0x0f;display[0]=ditab[display[4]];〃查表得小數(shù)位的值display[4]=((temp_data[0]&0xf0)>>4)|((temp_data[1]&0x0f)<<4);display[3]=display[4]/100;display[1]=display[4]%100;display⑵=display[1]/10;display[1]=display[1]%10;if(!display[3])〃高位為0，不顯示{display[3]=0x0a;

if(!display[2])〃次高位為0，不顯示display[2]=Ox0a;}P0=LEDData[display[0]];〃顯示小數(shù)位P2=0xf7;Delay(250);P0=LEDData[display[1]];〃顯示個(gè)位DIN=0;〃小數(shù)點(diǎn)P2=0xfb;Delay(250);P0=LEDData[display[2]];〃顯示十位P2=0xfd;Delay(250);P0=LEDData[display[3]];〃顯示百位P2=0xfe;Delay(250);P2=0xff;〃關(guān)閉顯示}voidmyint2(void)interrupt1{TH0=0xd8;TL0=0xef;〃啟動(dòng)定時(shí)器0〃啟動(dòng)定時(shí)器0//采樣周期變量儼生PWM，0x01表示加熱模塊if(TC<TS)TC++;else{TKMARK=0x01;TC=0x00;}if(FPWM==0x01){if(VA!=0x00)

VAA=VAA-1;P17=0;〃輸出為低加熱elseFPWM=0x02;VBB=BBB/2;}if(FPWM==0x02)〃0x02表示停止加熱模塊if(VBB!=0x00)VBB=VBB-1;P17=1;〃輸出為高停止加熱elseFPWM=0x01;VAA=AAAA/2;VAA=VAA-1;P17=0;〃輸出為低加熱elseFPWM=0x02;VBB=BBB/2;}if(FPWM==0x02)〃0x02表示停止加熱模塊if(VBB!=0x00)VBB=VBB-1;P17=1;〃輸出為高停止加熱elseFPWM=0x01;VAA=AAAA/2;}return;/*****************PID子程序***********/voidpid(void)intK,P,I,D;K=P=I=D=0;EK=SPEC-YK;〃得到偏差BEK=EK-EK1-AEK;〃12EKAEK=EK-EK_1;〃偏差變化量/*********UK=Kp*AEK+Ki*EK+Kd*BEK****/if(abs(EK)>abs(IBAND))I=0;elseI=(EK*TS)/KI;P=AEK;D=((KD/TS)*BEK)/10000;//判積分分離〃計(jì)算積分項(xiàng)〃計(jì)算微分項(xiàng)〃與書上對(duì)照，忽略KPK=madd(I,P)；K=madd(D,K);K=mmul(K,KP);

K=K/10;CK=K+CK1;CK=change16_8(CK);CK_1=CK;EK1=EK;CK=CK+X;intmmul(intx,inty)intt,z;longs;s=x*y;z=(int)(s&0x0fff￥);t=(int)((s>>16)&0x0ffff);s=change32_16(z,t);return(s);}intchange32_16(intz,intt){ints;if(t==0){if((z&0x8000)==0)s=z;elses=0x7fff;}elseif((t&0xffff)==0xffff){if((z&0x8000)==0)s=0x8000;elses=z;}elseif((t&0x8000)==0)s=0x7fff;elses=0x8000;return(s);}intmmad(intx,inty){intt;t=x+y;if(x>=0&&y>=0){〃扯高字節(jié),z=低字節(jié)〃扯高字節(jié),z=低字節(jié)〃同號(hào)相乘，符號(hào)位變反說明溢出elseif(x<=0&&y<=0){if((t&0x8000)==0)t=0x8000;}return(t);}charchange16_8(intwd)〃t=高字節(jié)，z=低字節(jié)charz,t,s;z=(wd>>8)&0x0ff;if(t==0x00){if((z&0x80)==0)s=z;elses=0x7f;}elseif((t&0xff)==0xff){if((z&0x80)==0)s=0x80;elses=z;elseif((t&0x80)==0)s=0x7f;elses=0x80;return(s);voidclear()C8255B=0x00;fatealealealealealealealealealealealeale44-1業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)//*?*