【正文】 在需 要的 范圍內(nèi)關系到整個 工作 的成敗。由于控制對象的多樣性和復雜性 , 導致采用的溫控手段 也具有 多樣性。采用 PID 控制原理研制成適合用于小 型電加熱器 的溫度控制器。該控制器能夠達到很好的控制效果 , 若精心選擇 PID 的各種參數(shù) , 溫度控制的精度可以達到 177。℃ 。 溫度控制的目的就是將 電加熱器 的工作溫度以一定的精度穩(wěn)定在 一定的范圍內(nèi) , 這就要求根據(jù) 電加熱器 工作時的實際情況 (如產(chǎn)熱量大小等 ) 采取一定的措施 ,來控制電加熱器的加熱程度。 在 溫 控系統(tǒng)中 , 首先將需要控制的被測參數(shù)溫度由傳感器轉(zhuǎn)換成一定的信號后再與預先設定的值進行比較 , 把比較得到的差值信號經(jīng)過一定規(guī)律的計算后得到相應的控制值 , 將控制量送給控制系統(tǒng)進行相應的控制 , 不停地進行上述工作 , 從而達到自動調(diào)節(jié)的目的。當控制對象的精確數(shù)學模型難以建立時 , 比較成熟且廣泛使用的控制方法是采用按差值信號的比例（ Proportionality） ， 積分 (Integration)和微分 (Differentiation)進行計算控制量的方法 , 即 PID 算 法。 王阿東：電加熱器溫度的數(shù)字 PID控制 2 1 硬件系統(tǒng)設計 系統(tǒng)總體框圖 系統(tǒng)總體設計思路為： 當系統(tǒng)上電后，數(shù)碼管會顯示當前的溫度，然后等待按鍵輸入設定值，設定完畢后，系統(tǒng)開始溫度自動控制過程，如果當前溫度高于設定溫度，系統(tǒng)會斷開光耦器件及可控硅使水溫冷卻，如果當前溫度低于設定溫度，若低于 2度以上，系統(tǒng)會采取全加熱的方式，如果溫差小于 2 度，則采用 PID 算法進行控制加熱。定時器 0 每半秒鐘會進行一次溫度采樣然后與設定值進行比較，比較出來的值將會決定定時器 1控制的可控硅器件的通斷時間長短，從而實現(xiàn)對溫度的精確控制。系統(tǒng)的總體框圖如圖 所示，具體連接電路如圖 所示。 圖 系統(tǒng)框圖 主控制器 單片機 STC89C52 溫度顯示 溫度傳感器DS18B20 時鐘振蕩及復位電路 雙向可控硅加熱器 水溫設置 西安外事學院本科畢業(yè)設計（論文） 3 圖 總體電路 單片機系統(tǒng) 隨著集成電路技術的發(fā)展，單片微型計算機（單片機）的功能也不斷增強，許多高性能的新型機種不斷涌現(xiàn)出來。單片機以其功能強、體積小、可靠性高、造價低和開發(fā)周期短等優(yōu)點，成為自動化和各個測控領域中廣泛應用的器件，在工業(yè)生產(chǎn)中成為必不可少的器件，尤其是在日常生活中發(fā)揮的作用也越來越 大。 單片機 STC89C52 STC89C52是 一種 高性能 CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器 。 STC89C52使用經(jīng)典的 MCS51內(nèi)核，但做了很多的改進使得芯片具有傳統(tǒng) 51單片機不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 具有以下標準功能： 8k字節(jié) Flash， 512字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線， 看門狗定時器 ，內(nèi)置 4KB EEPROM， MAX810復位電路， 3個 16 位 定時器 /計數(shù)器， 4個外部中斷，一個 7向量 4級中斷結構（兼容傳統(tǒng) 51的 5向量 2級中斷結構），全雙工 串行口 。另外 STC89C52 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、 定時器 /計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下， RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結， 單片機 一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。最高運作頻率 35MHz， 6T/12T 可選 。 王阿東：電加熱器溫度的數(shù)字 PID控制 4 STC89C52的主要特性如下： 1. 增強型 8051 單片機， 6 時鐘 /機器周期和 12 時鐘 /機器周期可以任意 選擇，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051； 2. 工作電壓： ～ （ 5V 單片機） /～ （ 3V 單片機） ； 3. 工作頻率范圍： 0～ 40MHz，相當于普通 8051 的 0～ 80MHz，實際工作 頻率可達48MHz； 4. 用戶應用程序空間為 8K 字節(jié) ； 5. 片上集成 512 字節(jié) RAM； 6. 通用 I/O 口（ 32 個），復位后為： P1/P2/P3/P4 是準雙向口 /弱上拉， P0 口是漏極開路輸出，作為總線擴展用時，不用加上拉電阻，作為 I/O 口用時，需加上拉電阻 ； 7. ISP（在系統(tǒng)可編程） /IAP（在應用可編程），無需專用編程器，無 需專用仿真器，可通過串口（ RxD/,TxD/）直接下載用戶程 序，數(shù)秒即可完成一片 ； 8. 具有 EEPROM 功能 ； 9. 具有看門狗功能 ； 10. 共 3 個 16 位定時器 /計數(shù)器。即定時 器 T0、 T T2； 11. 外部中斷 4 路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)電路， Power Down 模式可 由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒 ； 12. 通用異步串行口（ UART），還可用定時器軟件實現(xiàn)多個 UART； 13. 工作溫度范圍： 40～ +85℃ （工業(yè)級） /0～ 75℃ （商業(yè)級） 。 數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 單線數(shù)字溫度計 DSl8B20 介紹 DS18B20 數(shù)字溫度計提供 9 位 (二進制 )溫度讀數(shù)指示器件的溫度信息經(jīng)過單線接口送 入 DSl8B20 或從 DSl8B20 送 出 因此從主機 CPU 到 DSl8B20 僅需一條線 (和地線 ) DSl8B20 的電源可以由數(shù)據(jù)線本身提供而不需要外部電源因為每一個 DSl820 在出廠時已經(jīng)給定了唯一的序號因此任意多個 DSl8B20 可以存放在同一條單線總線上這允許在許多不同的地方放置溫度敏感器件 DSl8B20 的測量范圍從 55 到 +125 增量值為 0. 5 可在 l s(典型值 )內(nèi)把溫度變換成數(shù)字每一個 DSl8B20 包括一個唯一的 64 位長的序號該序號值存放在 DSl8B20 內(nèi)部的 ROM(只讀存貯器 )中開始 8 位是產(chǎn)品類型編碼 (DS l 8B20 編碼均為 10H ) 接著的 48 位是每個器件唯一的序號 最后 8 位是前面 56 位的 CRC(循環(huán)冗余校驗 )碼 DSl8B20 中還有用于貯 存測得的溫度值的兩個 8 位存貯器 RAM 編號為 0 號和 1 號存貯器存放溫度值的符號 如果溫度為負 ( )則 1 號存貯器 8 位全為 1 否則 全為西安外事學院本科畢業(yè)設計（論文） 5 0 0 號存貯器用于存放溫度值的補碼 LSB(最低位 ) 的 1 表示 將存貯器中的二進制數(shù)求補再轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)并除以 2 就得到被測溫度值 (55~ 125 度 ) 。 DSl8B20 工作過程及時序 DSl8B20 工作過程中的協(xié)議如下 : 初始化 RoM操作命令存儲器操作命令處理數(shù)據(jù) （ 1） 初始化 單總線上的所有處理均從初始化開始 （ 2） ROM操作 指 令 總線主機檢測到 DSl820 的存在便可以發(fā)出 ROM操作命令之一 指令 代碼 Read ROM (讀 R OM ) [ 33H] Match ROM (匹配 ROM) [55H] Skip ROM (跳過 ROM] [CCH] Search ROM( 搜索 R OM ) [ F0 H] Alarm search( 告警搜索 ) [ ECH] （ 3） 存儲器操作命令 指令 代碼 Write Scratchpad( 寫暫存存儲器 ) [ 4EH] Read Scratchpad( 讀暫存存儲器 ) [ BEH] Copy Scratchpad( 復制暫存存儲器 ) [ 48H] Convert Temp erature(溫度變換 ) [ 44H] Recall EPROM (重新調(diào)出 ) [ B8H] Read Power supply (讀電源 ) [ B4H] （ 4） 時序 主機使用時間隙 (tim e slots) 來讀寫 DSl820 的數(shù)據(jù)位和寫命令字的位 。 初始化 主機總線 在開始 時刻發(fā)送一復位脈沖 (最短為 480μS 的低電平信號 ) 接著在 下一 時刻釋放總線并進入接收狀態(tài) DSl820 在檢測到總線的上升沿之后等待 15 6 0u s 接著DS18B20 在 t2 時刻發(fā)出存在脈沖 (低電平持續(xù) 60240 μS) . DS18B20 連接圖 DS18B20 的連接電路如圖 所示 。 王阿東：電加熱器溫度的數(shù)字 PID控制 6 圖 DS18B20 連接圖 溫度顯示部分 溫度顯示部分采用 4 位共陽數(shù)碼管來顯示，位選端采用 4 個 PNP 型三極管 9012 來驅(qū)動。數(shù) 碼管前兩位顯示溫度，后兩位顯示攝氏度符號。具體連接電路如 圖 所示 ： 圖 溫度顯示部分 溫度設定部分 溫度設定部分采用四個獨立按鍵來完成，按鍵 S0 負責進入設定部分， S1 和 S2 分別為溫度加和溫度減，按鍵 S3 為切換到顯示當前溫度。獨立按鍵的工作原理比較簡單，其具體連接圖如圖 所示。 西安外事學院本科畢業(yè)設計（論文） 7 圖 按鍵連接圖 光 電 耦 合 器件 光電耦合器件簡介 光電 耦 合器件（簡稱光耦）是把發(fā)光器件（如發(fā)光二極 管 ）和光敏器件（如光敏三極管）組裝在一起，通過光線實現(xiàn)耦合構成電 —光和光 —電的轉(zhuǎn)換器 件。光電耦合器分為很多種類，常用的有三極管型光電耦合器。光電耦合器之所以在傳輸信號的同時能有效地抑制尖脈沖和各種雜訊干擾，使通道上的信號雜訊比大為提高，主要有以下幾方面的原因： （ 1）光電耦合器的輸入阻抗很小，只有幾百歐姆，而干擾源的阻抗較大，通常為105～ 106Ω。據(jù)分壓原理可知，即使干擾電壓的幅度較大，但饋送到光電耦合器輸入端的雜訊電壓會很小，只能形成很微弱的電流，由于沒有足夠的能量而不能使二極體發(fā)光，從而被抑制掉了。 光電耦合器的輸入回路與輸出回路之間沒有電氣聯(lián)系，也沒有共地；之間的分布電容極小，而絕緣電阻又很大，因此回路一邊的各種干擾雜訊都很難通過光電耦合器饋送到另一邊去，避免了共阻抗耦合的干擾信號的產(chǎn)生。 (2)光電耦合器可起到很好的安全保障作用，即使當外部設備出現(xiàn)故障，甚至輸入信號線短接時，也不會損壞儀表。因為光耦合器件的輸入回路和輸出回路之間可以承受幾千伏的高壓。