《基于STC89C52單片機(jī)的蒸汽加熱式水溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)12000字（論文）》

基于STC89C52單片機(jī)的蒸汽加熱式水溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)TOC\o"1-2"\h\z\u摘要 [22]。2.1系統(tǒng)的設(shè)計(jì)總體方案作為主要設(shè)計(jì)控制器，單片機(jī)主要負(fù)責(zé)處理溫度傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將處理后的數(shù)據(jù)傳送給LCD1602液晶顯示器，DS18B20溫度傳感器主要用來采集上層水杯中水的溫度，之后將采集到的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送到STC89C52單片機(jī)上。單片機(jī)的復(fù)位操作和初始溫度的設(shè)定主要由按鍵電路完成。蜂鳴器電路由三極管實(shí)現(xiàn)，用于判斷上層水杯中水的溫溫度是否超過設(shè)定峰值，顯示電路主要用于顯示水杯中的實(shí)時(shí)溫度。2.1.1系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)選擇方案一：基于STC89C52單片機(jī)的水溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)根據(jù)水溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，采用單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心。通過用戶編程，采集DS18B20溫度傳感器測(cè)到的水溫?cái)?shù)據(jù)，通過讀取按鍵判斷水溫，然后通過LCD顯示器顯示實(shí)際溫度。如果水溫超過預(yù)設(shè)的溫度范圍，通過LCD顯示器顯示實(shí)際溫度，DS18B20溫度傳感器采集相關(guān)溫度，單片機(jī)通過判斷溫度來控制加熱繼電器，然后加熱水溫。采用普通單片機(jī)，其中EPROM有8KB，STC89C52單片機(jī)片有256bRAM，編寫的程序可以直接通過串行口下載，非常方便。當(dāng)晶體頻率為12MHZ時(shí)，單指令只需1us，可以達(dá)到本畢業(yè)設(shè)計(jì)的要求。另外，該STC89C52單片機(jī)市場(chǎng)價(jià)格相比于其他高端單片機(jī)比較便宜，每片僅5.8元。如圖1所示,為基于STC89C52單片機(jī)的恒水溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖。圖1基于STC89C52單片機(jī)的水溫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖方案二：采用fastMCU，如STC12c5a32s2、ATmega16、W77E58等，以ATmega16為例，ATmega16單片機(jī)為低功耗8位微控制器鐵塔，采用AVR增強(qiáng)型RISC結(jié)構(gòu)。由于其先進(jìn)的指令集和單一的時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，數(shù)據(jù)吞吐率在ATmega16是高達(dá)1mips/MHz。在相同的晶體頻率下，速度比普通晶體快8-12倍。從性能上看，單片機(jī)是一種功能非常強(qiáng)大將上述兩種方案比較，方案二雖然性能方面比方案一更好，但其考慮到設(shè)計(jì)成本較高，另外本系統(tǒng)并不需要太快的運(yùn)行速度，故采用方案一。2.2單片機(jī)控制方式方案一：P控制是最簡(jiǎn)單的控制方法?？刂破鞯妮敵雠c輸入誤差信號(hào)成比例。當(dāng)只有比例控制時(shí)，系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。同時(shí)，由于水的溫度調(diào)節(jié)，可等效純滯后＋一階慣性，容易產(chǎn)生振蕩。方案二：PI控制主要是在傳統(tǒng)的比例積分控制基礎(chǔ)上增添了一個(gè)積分功能,在對(duì)積分的控制中,控制器的輸出和對(duì)于輸入錯(cuò)誤信號(hào)的積分功能呈現(xiàn)成正比的關(guān)系,采用了傳統(tǒng)的比例積分控制的方式,只要控制器具有一個(gè)足夠長(zhǎng)的響應(yīng)時(shí)間,理論上就可以直接做到穩(wěn)態(tài)而不是靜差。方案三：PID系統(tǒng)控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)誤差,利用對(duì)通過比例、積分、微分等多種計(jì)算方式得到的系統(tǒng)控制器測(cè)量值和數(shù)值信號(hào)來對(duì)其進(jìn)行控制的,也就是在系統(tǒng)采取了對(duì)比例、積分等進(jìn)行控制的計(jì)算方式下,加入了系統(tǒng)微分控制,在這種系統(tǒng)微分控制中,控制器的插入輸出和對(duì)于所有控制輸入的系統(tǒng)誤差計(jì)算信號(hào)(這也即系統(tǒng)誤差信號(hào)變化率)之間也就形成了一個(gè)呈負(fù)正比的函數(shù)關(guān)系。通過以上三種方案的比較，由于本畢業(yè)設(shè)計(jì)不需要靜態(tài)誤差，被控對(duì)象，即產(chǎn)生的蒸汽慣性大，為了加快溫度調(diào)節(jié)速度，本課程采用了第三種方案PID算法作為控制算法。2.3傳感器的選擇方案一：采用模擬類溫度傳感器，比如LM45、AD590、鉑電阻等。增加適當(dāng)?shù)姆糯箅娐泛虯D轉(zhuǎn)換電路以后，就可以將溫度信號(hào)送入單片機(jī)。然而，這種設(shè)計(jì)需要用到A/D轉(zhuǎn)換電路，并且對(duì)溫度傳感器進(jìn)行接線時(shí)會(huì)有一些麻煩，制作成本較高。方案二：采用數(shù)字類溫度傳感器，比如DS18B20。DS18B20為數(shù)字式溫度傳感器，直接將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，可編程的分辨率為9～12位,采用獨(dú)特的單總線接口，只需要一條總線就可以實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)通信，從而簡(jiǎn)化了硬件電路的設(shè)計(jì)，降低了畢業(yè)設(shè)計(jì)的成本。將上述兩種方案比較，方案二硬件電路設(shè)計(jì)得到簡(jiǎn)化并且設(shè)計(jì)成本降低，故采用方案二。2.4本章小結(jié)在系統(tǒng)的整體方案設(shè)計(jì)方面包含很多器件的選擇，此部分對(duì)系統(tǒng)的控制核心部件進(jìn)行了選擇對(duì)比，畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)比了STC89C52與fastMCU等微控制器進(jìn)行了對(duì)比，但是由于fastMCU成本較高，故選用了STC89C52作為設(shè)計(jì)的控制核心部件，還對(duì)單片機(jī)的控制方式進(jìn)行了對(duì)比，即P控制、PI控制、PID控制方式，對(duì)這三種控制方式進(jìn)行了分析后，考慮到設(shè)計(jì)不需要靜態(tài)誤差，被控對(duì)象蒸汽的慣性比較大，為了加快水溫的調(diào)節(jié)速度，故選擇了PID控制方式。另外還對(duì)傳感器是采用采用模擬類溫度傳感器，比如LM45、AD590、鉑電阻等，還是采用數(shù)字類溫度傳感器，比如DS18B20進(jìn)行了論證，由于DS18B20設(shè)計(jì)成本低，最終選擇了DS18B20。經(jīng)過此部分的研究，認(rèn)識(shí)到對(duì)于器件的選擇要充分考慮各方面的利弊，如價(jià)格，性能，便捷等的優(yōu)劣，最終對(duì)器件進(jìn)行選擇。第3章系統(tǒng)的硬件構(gòu)成本畢業(yè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)電路主要由電源模塊為硬件供電，鍵盤設(shè)定模塊用來設(shè)置預(yù)期溫度，預(yù)期溫度即警戒溫度、溫度檢測(cè)模塊用來采集水的溫度變化、繼電器控制模塊用來控制蒸汽加熱的中斷，用加熱下層水產(chǎn)生的蒸汽加熱上一層杯中水使其溫度上升、報(bào)警模塊的工作方式為當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)到溫度達(dá)到預(yù)期值時(shí)會(huì)發(fā)出警報(bào)、液晶顯示模塊用來實(shí)時(shí)顯示傳感器檢測(cè)到的溫度信息，其他模塊有復(fù)位電路模塊、晶振模塊。硬件框圖如圖2所示。圖2硬件框圖3.1系統(tǒng)的主控模塊介紹本畢業(yè)設(shè)計(jì)的核心控制部件STC89C52單片機(jī)主要用于接收和處理溫度測(cè)量信號(hào)，控制加熱器產(chǎn)生蒸汽進(jìn)而加熱上層水杯，使控制對(duì)象符合畢業(yè)設(shè)計(jì)要求，另外還控制著顯示電路，顯示著水的實(shí)時(shí)溫度，控制鍵盤設(shè)定水溫的預(yù)設(shè)值。它可以通過軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制，具有功耗低、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)。以STC89C52單片機(jī)為控制核心器件，對(duì)水溫采集、實(shí)時(shí)顯示和加熱裝置進(jìn)行控制,讀取各個(gè)采集器和按鍵的信號(hào)，發(fā)送溫度顯示數(shù)據(jù)，控制蜂鳴器和加熱繼電器。另外，單片機(jī)的40個(gè)端口接入電源，18-20個(gè)端口接入外部電源，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。如圖3所示圖3單片機(jī)引腳排列圖3.2電源電路模塊設(shè)計(jì)單片機(jī)、電阻各種芯片和電容等器件組成了本畢業(yè)設(shè)計(jì)的整個(gè)系統(tǒng)，系統(tǒng)的工作需要的電壓為+5V，并不要負(fù)電壓。5V的輸出電壓按輸出電流可分為78m05和78L05，可以輸出的電流分別為0.5A和1.0A，若變成功率的話分別為2.5瓦和5瓦。從本畢業(yè)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)來看，需要的總功率為2W左右，為了滿足整個(gè)系統(tǒng)的功率需求，本畢業(yè)設(shè)計(jì)采用78M05作為整個(gè)系統(tǒng)的電源芯片。如圖4所示。圖4電源電路圖3.3溫度檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)DS18B20溫度傳感器作為本畢業(yè)設(shè)計(jì)的恒水溫控制的關(guān)鍵器件，是采集水溫的關(guān)鍵。通過采集水溫，再通過轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，傳輸給單片機(jī)進(jìn)行邏輯判斷。由于DS18S20溫度傳感器是一個(gè)數(shù)字傳感器，它不需要A／D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換收集到的信號(hào)。在使用DS18B20溫度傳感器的過程中，需要將其DQ輸出端口與STC89C52單片機(jī)的P34端口連接起來，以便通過串行數(shù)據(jù)通信與溫度傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行通信。系統(tǒng)硬件主要由DS18B20溫度傳感器、STC89C52型微控制器及配套系統(tǒng)控制電路組成。單片機(jī)系統(tǒng)負(fù)責(zé)各被控對(duì)象的狀態(tài)檢測(cè)和信息收發(fā)，并向被控對(duì)象發(fā)送數(shù)據(jù)和指令。DS18B20控制系統(tǒng)的溫度測(cè)量要求傳感器具有防水性，因此系統(tǒng)采用防水DS18B20溫度傳感器將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)直接輸出。在指令寫入過程中，傳感器將溫度數(shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)器。在指令讀取過程中，DS18B20溫度傳感器采集溫度數(shù)據(jù)后向單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，在STC89C52單片機(jī)接收到來自DS18B20溫度傳感器的數(shù)據(jù)后，MCU開始下一步操作。溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)電路圖如圖5所示。圖5溫度傳感器在組網(wǎng)電路圖3.4繼電器控制模塊設(shè)計(jì)水溫加熱繼電器的控制電路通過端口P10對(duì)其進(jìn)行控制，如圖6所示。繼電器控制電路的設(shè)計(jì)。首先，繼電器與家用220V電源相連供電，繼電器控制電路通過P10口控制三極管的工作狀態(tài)。如果發(fā)出低電平，三極管將導(dǎo)通，繼電器將導(dǎo)通，加熱器開始工作產(chǎn)生大量蒸汽對(duì)上層水進(jìn)行加熱。相反，如果端口P10發(fā)送高電平，三極管將關(guān)閉，繼電器將停止工作。圖6繼電器控制電路示意圖3.5報(bào)警模塊設(shè)計(jì)本課程設(shè)計(jì)采用蜂鳴器報(bào)警電路，如圖7所示，蜂鳴器一般需要的的額定電流要≤30mA。對(duì)于STC89C52的微控制器，15毫安的電流需要灌注到P3口。能看出來，如果電流通過要P3口附近的單片機(jī)則不能驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。這時(shí)必須采用晶體管放大器電路?？梢圆捎肞NP型晶體管來降低微控制器的功率。當(dāng)水溫達(dá)到預(yù)設(shè)置的溫度時(shí)蜂鳴器開始工作。由于蜂鳴器的發(fā)音需要一定的電流來驅(qū)動(dòng)，但單片機(jī)的IO管腳只能輸出很小的電流，所以單片機(jī)的輸出電流不能驅(qū)動(dòng)蜂鳴器工作，因此電流放大電路的增加是非常必要的。本課程設(shè)計(jì)采用兩級(jí)三極管對(duì)蜂鳴器進(jìn)行放大和驅(qū)動(dòng)。蜂鳴器的正極與VCC（+5V）電源相連，負(fù)極與三極管的發(fā)射極e相連。單片機(jī)IO口輸出低電平時(shí)，三極管被切斷，線圈中不會(huì)有電流通過過，蜂鳴器不會(huì)工作。當(dāng)單片機(jī)的IO端口輸出高電平時(shí)，兩級(jí)三極管會(huì)導(dǎo)通，蜂鳴器會(huì)工作發(fā)出聲音。圖7報(bào)警模塊3.6復(fù)位電路模塊設(shè)計(jì)復(fù)位電路就像是個(gè)保護(hù)機(jī)制，當(dāng)CPU開啟時(shí)，我們一般需要使其恢復(fù)到開始狀態(tài)，或者當(dāng)處理器死機(jī)、程序出現(xiàn)死循環(huán)時(shí)，我們就要按下復(fù)位電路使其結(jié)束當(dāng)前狀態(tài)而回到初始狀態(tài)。單片機(jī)一般都會(huì)帶有上電復(fù)位，需要注意的是復(fù)位引腳上的高電平必須大于復(fù)位所要求的高電平時(shí)間；有一些情況還需要人為按鍵復(fù)位，與上電復(fù)位類似只需要在復(fù)位電容旁并聯(lián)一個(gè)按鍵即可。復(fù)位電路原理圖如圖8所示圖8復(fù)位電路3.7晶振模塊設(shè)計(jì)晶體振蕩器有一個(gè)重要參數(shù)，即負(fù)載電容值。通過選擇與負(fù)載電容相等的并聯(lián)電容，可以得到標(biāo)稱值。晶體振蕩器的負(fù)載電容一般為15pF或12.5pF。如果考慮元件的等效輸入電容，最好選擇由兩個(gè)20pF電容組成的振蕩電路。本設(shè)計(jì)采用一個(gè)12mhz晶體振蕩器和兩個(gè)20pf電容并聯(lián)構(gòu)成晶體振蕩器電路。晶振圖如圖9所示圖9晶振電路3.8鍵盤設(shè)定模塊設(shè)計(jì)鍵盤設(shè)定模塊主要用來設(shè)定要想達(dá)到的控制溫度。選擇用4個(gè)按鍵組成一個(gè)小鍵盤執(zhí)行在畢業(yè)設(shè)計(jì)中的功能，如清零、預(yù)置值、改變測(cè)量范圍等。如圖10所示。圖10按鍵電路其中SW為單片機(jī)總開關(guān)，通過配合加熱電路可實(shí)現(xiàn)蒸汽加熱的通斷；k2、k3用來設(shè)定期待溫度、最高和最低的報(bào)警溫度；k4用來確定設(shè)定的溫度，并且啟動(dòng)設(shè)定好的溫度測(cè)量程序。3.9液晶顯示模塊設(shè)計(jì)如圖11所示，是LCD1602液晶顯示模塊的圖，它的接線方法按照總線接法來連接，LCD1602數(shù)據(jù)口應(yīng)該接在單片機(jī)的P0端口。圖11液晶顯示電路3.10本章小結(jié)：本課程設(shè)計(jì)的整體硬件設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)的主控模塊設(shè)計(jì)、傳感器測(cè)溫模塊設(shè)計(jì)、LCD顯示模塊設(shè)計(jì)、報(bào)警模塊等主要模塊設(shè)計(jì)，介紹了各個(gè)模塊的工作方式及模塊的作用，這些模塊是硬件設(shè)計(jì)的重要組成部分，任何一個(gè)部分出現(xiàn)錯(cuò)誤都會(huì)對(duì)實(shí)物的實(shí)現(xiàn)造成影響或?qū)е虏荒艿玫阶约合胍慕Y(jié)果，所以硬件設(shè)計(jì)的這些模塊對(duì)設(shè)計(jì)的實(shí)物實(shí)現(xiàn)功能起著至關(guān)重要的作用。第四章系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件部分以主程序?yàn)槿肟?，初始化完成后，調(diào)用鍵盤管理器，完成對(duì)鍵盤的掃描，讀取鍵值，并根據(jù)相應(yīng)的鍵值進(jìn)行各種操作。溫度采樣頻率由軟件延時(shí)控制，每次采樣后計(jì)算控制時(shí)間并刷新顯示。軟件部分主要包括主函數(shù)、溫度采集子函數(shù)、鍵掃描子函數(shù)、PID處理子函數(shù)、PWM波生成子函數(shù)、報(bào)警顯示等功能。4.1主函數(shù)主程序作為程序的入口，控制各類程序的調(diào)用。在系統(tǒng)中其主要的任務(wù)是調(diào)用鍵盤管理程序。然后其它的功能都由DS18B20溫度轉(zhuǎn)換程序和中斷程序完成。可以說主程序起到了重啟動(dòng)后讀入E2PROM中的設(shè)計(jì)溫度和上、下限溫度；設(shè)計(jì)各類定時(shí)器和開中斷的，并調(diào)用鍵盤管理程序的功能。這樣處理主程序起到了分散功能的作用，即主程序會(huì)變得很容易編寫，而具體的功能都由功能子程序完成。流程圖如圖12所示。圖12主程序流程圖4.2按鍵設(shè)定函數(shù)系統(tǒng)的控制溫度和上下報(bào)警溫度由按鍵設(shè)定。因?yàn)殒I盤連接是最常見的，所以按鍵處理功能不會(huì)占用整個(gè)程序太多的時(shí)間序列。流程圖如圖13所示。圖13按鍵設(shè)定流程圖4.3溫度采集函數(shù)DS18B20是應(yīng)用廣泛的數(shù)字式溫度傳感器，它與單片機(jī)的硬件接口電路比較簡(jiǎn)單，其采用單總線工作方式，所以在使用DS18B20溫度傳感器時(shí)需要詳細(xì)了解其工作時(shí)序和內(nèi)部寄存器。主機(jī)通過拉低單線480微秒以上，產(chǎn)生復(fù)位脈沖，然后釋放該線，進(jìn)入RX接收模式。主機(jī)釋放總線時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)上升沿。DS18B20檢測(cè)到上升沿后，延時(shí)15至60微秒，DS18B20通過拉低總線60-240微秒來產(chǎn)生應(yīng)答信號(hào)，主機(jī)接收到有應(yīng)答信號(hào)后，說明有單線器件在線。流程圖如圖14所示。圖14DS18B20測(cè)溫流程圖4.4靜態(tài)顯示函數(shù)串行靜態(tài)顯示是將要顯示的數(shù)字以二進(jìn)制的形式串行發(fā)送到外部移位寄存器，然后移位寄存器將串行輸入的數(shù)字以并行的方式輸出到數(shù)碼管。軟件部分只需將需要顯示的數(shù)字在CLK信號(hào)的作用下串行發(fā)送出去。流程圖如圖15所示。圖15串行靜態(tài)顯示流程圖4.5PID運(yùn)算子函數(shù)常規(guī)的模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖16所示。模擬PID控制器和被控對(duì)象共同組成了該系統(tǒng)。其中r(t)是已知的給定值，y(t)是當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)實(shí)際輸出值，兩個(gè)值之間構(gòu)成控制偏差e(t)：(4-1)圖16模擬PID控制系統(tǒng)原理圖PID控制的輸入為e(t)，PID控制器的輸出被控對(duì)象的輸入和PID控制器的輸出為u(t),所以模擬PID控制器的控制規(guī)律為(4-2)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、比例部分在仿真中，比例的作用是當(dāng)控制量出現(xiàn)偏差時(shí)，對(duì)偏差產(chǎn)生的瞬時(shí)響應(yīng)。當(dāng)偏差產(chǎn)生時(shí)，控制器會(huì)立馬產(chǎn)生作用，并起到一定的控制效果，控制量會(huì)朝著減小偏差的方向發(fā)生變化。控制效果的強(qiáng)弱主要還是有Kp的比例系數(shù)決定。當(dāng)比例系數(shù)Kp變得越來越大時(shí)，控制效果就會(huì)變得更加強(qiáng)，相對(duì)而言過渡過程也會(huì)越快，從而使控制過程的靜態(tài)偏差變得更小。然而，當(dāng)Kp的比例系數(shù)變得越來越大時(shí)，系統(tǒng)越容易產(chǎn)生振蕩，從而使系統(tǒng)的穩(wěn)定性遭到破壞。因此，當(dāng)選擇Kp對(duì)比例系數(shù)時(shí)一定要選擇適當(dāng)，因?yàn)橹挥羞@樣才能用比較小的靜態(tài)誤差和比較少的過渡時(shí)間達(dá)到想要的穩(wěn)定效果。2、積分部分積分部分的數(shù)學(xué)表達(dá)式是：KpTi從積分部分的數(shù)學(xué)表達(dá)式可以看出，如果有偏差的存在，該系統(tǒng)的控制效果就會(huì)變得越來越好。只有當(dāng)偏差消失變?yōu)榱銜r(shí)，她的積分才會(huì)變成常數(shù)，其控制效果不會(huì)增加。由此可以反映出，積分部分是可以在一定程度上消除系統(tǒng)偏差的0。3、微分部分微分部分的數(shù)學(xué)表達(dá)式是：Kp*Tdde（t）dt實(shí)際控制系統(tǒng)不僅希望消除問題，還需要加快調(diào)整過程。當(dāng)偏差出現(xiàn)或發(fā)生變化時(shí)，不僅要立即對(duì)偏差作出反應(yīng)（比例環(huán)節(jié)的作用），還要根據(jù)偏差的變化趨勢(shì)提前給予適當(dāng)?shù)男拚榱藢?shí)現(xiàn)這一功能，可以在PI控制器上增加差動(dòng)連接，形成PID控制器。該系統(tǒng)以實(shí)際測(cè)試的溫度與設(shè)定的峰值溫度偏差為輸入，以PWM波的脈沖寬度為輸出。由于產(chǎn)生的蒸汽溫度具有熱慣性的特性，在整個(gè)溫度控制過程中不應(yīng)使溫度超過設(shè)定溫度峰值，所以在選擇比例系數(shù)時(shí)不能過大，而是為了配合相應(yīng)的時(shí)間，當(dāng)溫差大于10時(shí)，不能進(jìn)行PID計(jì)算，只有當(dāng)溫度偏差在10以內(nèi)時(shí)，才能啟動(dòng)PID控制。一般該系統(tǒng)可以把忽略微分項(xiàng)忽略不計(jì)，只進(jìn)行比例和積分運(yùn)算，最終達(dá)到穩(wěn)定、準(zhǔn)確、快速的指標(biāo)。流程圖如圖17所示。圖17PID運(yùn)算流程圖4.6PWM產(chǎn)生函數(shù)脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制模式，它根據(jù)相應(yīng)負(fù)載的變化調(diào)節(jié)晶體管柵極或基極的偏置，實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源輸出晶體管或晶體管導(dǎo)通時(shí)間的變化。PWM的優(yōu)點(diǎn)之一是，從處理器到控制系統(tǒng)的信號(hào)是數(shù)字形式的，沒有數(shù)模轉(zhuǎn)換。利用PWM波輸入固態(tài)繼電器的輸入端，改變加熱裝置加熱時(shí)間進(jìn)而改變蒸汽的產(chǎn)生，來減弱蒸汽對(duì)水的加熱。在本畢業(yè)設(shè)計(jì)中，PWM是由單片機(jī)的定時(shí)器中斷產(chǎn)生的，不影響主程序和其他功能。脈沖寬度由PID控制器的輸出控制，流程圖如圖18所示。圖18PWM產(chǎn)生流程圖4.7本章小結(jié)：通過對(duì)本課程設(shè)計(jì)軟件部分方面知識(shí)的學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)到各個(gè)程序的調(diào)用及工作方式，讓我對(duì)本畢業(yè)設(shè)計(jì)的實(shí)物功能的實(shí)現(xiàn)有了更深一步的理解，通過繪制流程圖也讓我進(jìn)一步掌握了流程圖的繪制方法與竅門，這方面的學(xué)習(xí)讓我受益良多。第5章系統(tǒng)的性能分析5.1測(cè)試方案：本畢業(yè)設(shè)計(jì)采用繼電器模塊來控制220W“加熱器”在A水杯中放入加熱器使其加熱A水杯中的水，使其產(chǎn)生蒸汽，產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)而對(duì)上端的B水杯中的水進(jìn)行加熱，在此之前應(yīng)先用鍵盤設(shè)定預(yù)期加熱峰值，然后在B水杯中放入DS18B20溫度傳感器，用來檢測(cè)水溫變化，然后檢測(cè)的溫度值將顯示到1602顯示器上，當(dāng)溫度達(dá)到時(shí)蜂鳴器會(huì)報(bào)警，繼電器斷開停止加熱。之后再經(jīng)過多次調(diào)試并和設(shè)定PID參數(shù)來完善該系統(tǒng)。5.2仿真分析：仿真圖如圖18所示。對(duì)于系統(tǒng)的性能分析方面，當(dāng)時(shí)遇到了一些困難，首先是剛開始時(shí)由于操作失誤，發(fā)現(xiàn)單片機(jī)沒有反應(yīng)，之后發(fā)現(xiàn)為USB供電口松動(dòng)，造成接觸不良，其次對(duì)于性能的分析多次完成的，由于拿實(shí)物不小心造成脫焊現(xiàn)象，造成設(shè)計(jì)產(chǎn)品無法工作，后期在焊接后恢復(fù)了正常運(yùn)行，最后的問題是由于加熱功率太大，又是在寢室進(jìn)行的測(cè)試，因?qū)嬍矣邢薰β恃b置，造成寢室斷電，后期測(cè)試均在教學(xué)樓進(jìn)行了測(cè)試分析，最終經(jīng)過不斷的嘗試得到了滿意的結(jié)果。如圖18整體仿真圖5.3測(cè)試結(jié)果：經(jīng)過反復(fù)的測(cè)試，最終得到以下結(jié)果，如表1所示。設(shè)置水溫實(shí)際水溫3029.164039.355048.896059.167069.228079.069089.19表1測(cè)試結(jié)果對(duì)比表由測(cè)試結(jié)果和表1所示，數(shù)據(jù)得出：（1）測(cè)試階段將溫度初步設(shè)定范圍為20～90℃（在30~90范圍內(nèi)），最小區(qū)分度達(dá)到0.1℃（小于1℃）以上，標(biāo)定溫度值也基本符合設(shè)計(jì)要求。（2）由于本畢業(yè)設(shè)計(jì)采用PID控制算法，當(dāng)環(huán)境溫度降低時(shí)，靜態(tài)誤差的溫度控制小于0.9（精度高于設(shè)計(jì)要求）。（3）用液晶顯示屏來顯示水的實(shí)際溫度和設(shè)定溫度值，顯示很穩(wěn)定。（4）采用PID控制。當(dāng)設(shè)定溫度突然變化（從40到60）時(shí)，經(jīng)過多次調(diào)試，知道當(dāng)p=20時(shí)。I=15。D=6，系統(tǒng)具有最小的調(diào)整時(shí)間和超調(diào)量。（5）在加熱到設(shè)定溫度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，溫度控制的靜態(tài)誤差≤0.5℃。5.4本章小結(jié)：對(duì)于調(diào)試階段，在調(diào)試時(shí)有很多問題，如：USB松動(dòng)造成硬件部分沒有通電，由于多次測(cè)試，不小心造成焊接部分脫焊，沒有考慮到寢室電路限功率問題，使用大功率加熱造成斷電現(xiàn)象，這三個(gè)部分的問題造成了性能分析的中斷，之后經(jīng)過檢查，補(bǔ)焊，轉(zhuǎn)換測(cè)試地點(diǎn)，最終完成了對(duì)性能的分析，實(shí)驗(yàn)的各個(gè)方面都達(dá)到了預(yù)期值。第6章總結(jié)與展望6.1總結(jié)：首先，通過學(xué)習(xí)及動(dòng)手制作本畢業(yè)設(shè)計(jì)，首先了解的基于PID的蒸汽加熱式恒水溫控制設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的研究背景，國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，其次明確了自己的研究目的及意義進(jìn)而確定了自己的研究方向和研究方法，經(jīng)過對(duì)于P、PI、PID算法控制的對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)PID算法控制能夠更大程度提高控制精度，因此為最優(yōu)控制算法，最終確定了采用PID為控制算法，對(duì)于本畢業(yè)設(shè)計(jì)的核心控制部件，在確定型號(hào)之前，用STC89C52與其他型號(hào)的單片機(jī)作了充分的對(duì)比，從性能及便捷方面，價(jià)格方面等方面綜合考慮，最終確定使用了STC89C52單片機(jī)為本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的核心控制部件，另外對(duì)于傳感器是采用模擬類溫度傳感器，比如LM45、AD590、鉑電阻等，還是采用數(shù)字類溫度傳感器，比如DS18B20進(jìn)行了對(duì)比選擇，考慮到DS18B20價(jià)格便宜，所以選擇DS18B20傳感器為本畢業(yè)設(shè)計(jì)的溫度傳感器。對(duì)于硬件及軟件方面的設(shè)計(jì)經(jīng)過多方面查找書本及網(wǎng)上下載參考文獻(xiàn)，對(duì)此部分在很大程度上有了掌握。另外通過本畢業(yè)設(shè)計(jì)的研究和學(xué)習(xí)，進(jìn)一步提高了我對(duì)于畢業(yè)設(shè)計(jì)獨(dú)立思考能力，詳細(xì)理解了對(duì)于單片機(jī)的選型、控制方法的選擇及在眾多傳感器型號(hào)中選擇最優(yōu)的傳感器，同時(shí)也對(duì)軟件部分及編程部分有了更深層次的學(xué)習(xí)。6.2展望：通過本次設(shè)計(jì)的思路，我們對(duì)單片機(jī)有了更深的了解，精通單片機(jī)的控制，b對(duì)DS18B20溫度傳感器有了更深的了解。關(guān)于本畢業(yè)設(shè)計(jì)的硬件選擇主要還是在低端，價(jià)格便宜的硬件中進(jìn)行對(duì)比選擇，在低端的硬件選擇能實(shí)現(xiàn)畢業(yè)設(shè)計(jì)功能的硬件，在以后的學(xué)習(xí)中想要接觸一些高端的單片機(jī)如：STM32系列和多核的ARM類型的單片機(jī)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更高要求的設(shè)計(jì)內(nèi)容及功能。另外由于本畢業(yè)設(shè)計(jì)依賴于溫度傳感器，對(duì)于傳感器的穩(wěn)定性、線性度等諸多方面有著嚴(yán)格的要求，但是傳感器的性能越好，相對(duì)來說，價(jià)格也就越高，所以在本設(shè)計(jì)中，溫度傳感器仍有一些遺憾。對(duì)于本畢業(yè)設(shè)計(jì)在蒸汽加熱方面也有一些缺點(diǎn)，由于設(shè)計(jì)太簡(jiǎn)單僅僅是通過一個(gè)小口排出蒸汽對(duì)水進(jìn)行加熱，沒有設(shè)置蒸汽排除量控制閥，所以蒸汽加熱方面由于慣性會(huì)造成誤差較大，所以在今后的學(xué)習(xí)中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)于蒸汽控制閥的研究，以此來達(dá)到更精確蒸汽加熱式恒水溫控制?？偟膩碚f本畢業(yè)設(shè)計(jì)還有很多地方