【正文】 AS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的，是一種單總線溫度傳感器，屬于新一代適配微處理器的智能溫度傳感器，有兩種封裝形式分別為3腳PR35封裝和16腳SSOP封裝。本文采用的是3腳PR35封裝，其具有以下特點：（1）采用了單總線技術(shù)，傳感器直接以二進制輸出被測溫度，可通過串行口線，也可與單片機通過I/O口連接；（2）測量溫度范圍為：55℃～+125℃，測量精度高達+℃；（3）內(nèi)含寄生電源，在兩線方式下可通過數(shù)據(jù)線提供寄生電源，而不需要再單獨供電（4）轉(zhuǎn)換時間在分辨率為12位（℃）時最大為750ms；（5）用戶可分別對每個器件設(shè)定溫度上下限；（6）DS18B20在使用時不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)；（7）電源極性接反時，芯片不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作；（8）每個DSl8B20器件對應(yīng)一個唯一的64位長的序號，該序號值存放ROM中，可通過序號匹配實現(xiàn)多點測溫。如圖1所示，DQ是數(shù)據(jù)線，用于和CPU連接傳送串行數(shù)據(jù)，不需要外部件，不需要備份電源、可用數(shù)據(jù)線供電；GND是地線；Voo是3．0～5．5V電源。由于DSl8820具有寄生電源的特性，所以在實際應(yīng)用中，Vno常接地。圖 1 DS18B20外形及引腳 系統(tǒng)方案選擇方案1：此方案是采用傳統(tǒng)的二位模擬控制方法，選用模擬電路，用電位器設(shè)定給定值，采用上下限比較電路將反饋的溫度值與給定的溫度值比較后，決定加熱或者不加熱。由于采用模擬控制方式，系統(tǒng)受環(huán)境的影響大，不能實現(xiàn)復(fù)雜的控制算法使控制精度做得較高，而且不能用液晶顯示和鍵盤設(shè)定，如圖2。數(shù)據(jù)采集信號放大溫度預(yù)置比較器信號放大控制開關(guān) 圖2 模擬控制框圖 方案2：采用單片機AT89C52為核心。使用溫度傳感器DS18B20采集溫度變化信號，通過單片機處理后去控制溫度，使其達到穩(wěn)定。使用單片機具有編程靈活，控制簡單的優(yōu)點，使系統(tǒng)能簡單的實現(xiàn)溫度的控制及顯示，并且通過軟件編程能實現(xiàn)各種控制算法使系統(tǒng)還具有控制精度高的特點，如圖3，因此選擇方案2。電源單片機AT89C52數(shù)碼管顯示繼電器溫度傳感器DS18B20報警按鍵指示燈 圖3 單片機控制框圖第2 章 PID控制算法 PID控制的發(fā)展PID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，現(xiàn)今使用的PID控制器產(chǎn)生并發(fā)展于19151940年期間。盡管自1940年以來，許多先進的控制方法不斷推出，但由于PID控制方法具有結(jié)構(gòu)簡單、魯棒性好、可靠性高、參數(shù)易于整定，P、I、D控制規(guī)律各自成獨立環(huán)節(jié)，可根據(jù)工業(yè)過程進行組合，而且其應(yīng)用時期較長，控制工程師們已經(jīng)積累了大量的PID控制器參數(shù)的調(diào)節(jié)經(jīng)驗。因此，PID控制器在工業(yè)控制中仍然得到廣泛應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計，有90%以上的工業(yè)控制器采用PID控制器。PID控制器的發(fā)展經(jīng)歷了液動式、氣動式、電動式幾個階段，目前正由模擬控制器向著數(shù)字化、智能化控制器的方向發(fā)展。 PID控制理論PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值廠r(t)與實際輸出值y(t)構(gòu)成控制偏差e(t)： （）將偏差的比例（Proportional）、積分（Integral）和微分（Derivative）通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進行控制，因此稱為PID控制。PID控制系統(tǒng)原理如圖4所示。 其控制規(guī)律： （）或者寫成傳遞函數(shù)的形式為： （） 式中： ：比例系數(shù)：積分時間常數(shù)：微分時間常數(shù)比例微分積分被控對象y(t)r(t) e(t) _++圖4 PID 控制系統(tǒng)原理圖PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：1）比例環(huán)節(jié)即時成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差；2）積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)，越大，積分作用越弱，反之則越強；3）微分環(huán)節(jié)能夠反映偏差信號的變化趨勢(變化速率)，并且能在偏差信號值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。 PID控制算法由于計算機控制是一種采樣控制系統(tǒng)，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量。因此，（）式中的積分和微分項不能直接使用，需要進行離散化處理?，F(xiàn)令為采樣周期，以一系列的采樣時刻點代表連續(xù)時間，以累加求和近似代替積分，以一階后向差分近似代替微分，做如下的近似變換： （） （） （）其中，為采樣周期，為系統(tǒng)第次采樣時刻的偏差值，e()為系統(tǒng)第()次采樣時刻的偏差值，為采樣序號，=0，1，2，…。將上面的（）式和（）式代入（）式，則可以得到離散的PID表達式： （）如果采樣周期足夠小，該算式可以很好的逼近模擬PID算式，因而使被控過程與連續(xù)控制過程十分接近。通常把式（）稱為PID的位置式控制算法。若在（）式中，令： （稱為積分系數(shù)） （稱為微分系數(shù)）則 （）式（）即為離散化的位置式PID控制算法的編程表達式?？梢钥闯觯看屋敵雠c過去的所有狀態(tài)都有關(guān)，要想計算，不僅涉及和，且須將歷次相加，計算復(fù)雜，浪費內(nèi)存。下面，推導(dǎo)計算較為簡單的遞推算式。為此，對（）式作如下的變動：考慮到第次采樣時有 （）使（）式兩邊對應(yīng)減去（）式，得 整理后得 （）其中，，（）式就是PID位置式得遞推形式。如果令 則 式中的、同（）式中的一樣。在計算機控制中，、都可以事先求出，實際控制時只須獲得、三個有限的偏差值就可以求出控制增量。由于其控制輸出對應(yīng)執(zhí)行機構(gòu)的位置的增量，故（）式通常被稱為PID控制的增量式算式。增量式PID控制算法與位置式控制算法比較，有如下的一些優(yōu)點： 1）位置式算法每次輸出與整個過去狀態(tài)有關(guān)，算式中要用到過去偏差的累加值，容易產(chǎn)生較大的累計誤差。而增量式中只須計算增量，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)存在計算誤差或者精度不足時，對控制量的影響小，容易通過加權(quán)處理獲得較好的控制效果；2）由于計算機只輸出控制增量，所以誤動作影響小，而且必要時可以用邏輯判斷的方法去掉，對系統(tǒng)安全運行有利；3）容易實現(xiàn)手動一自動無擾動切換。入口輸入并采樣r(k),y(k)計算偏差e(k)=r(k) — y(k)計算存Δ以備輸出參數(shù)序號調(diào)整 e(k1) e(k2) e(k) e(k1)返回 圖 5 增量式PID控制算法程序流程圖鑒于以上優(yōu)點，本系統(tǒng)的控制算法即采用增量式的PID控制算法。第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 系統(tǒng)模塊關(guān)系本系統(tǒng)通過循環(huán)查詢執(zhí)行，按鍵掃描也是用循環(huán)查詢執(zhí)行，由于本系統(tǒng)對實時性要求不是很高，所以沒有用中斷方式來處理。各模塊關(guān)系圖如圖6所示?！≈饕獑卧娐返脑O(shè)計　溫度采集部分設(shè)計本系統(tǒng)采用半導(dǎo)體溫度傳感器作為敏感元件。傳感器我們采用了DS18B20單總線可編程溫度傳感器,來實現(xiàn)對溫度的采集和轉(zhuǎn)換，直接輸出數(shù)字量