【正文】 ..................................................................................19 Keil 軟件的簡介 ...........................................................................................................................19 Proteus 軟件的簡介 .....................................................................................................................19 軟件仿真 ........................................................................................................................................20 硬件調(diào)試 ........................................................................................................................................21 調(diào)試結(jié)果 .........................................................................................................................................227 結(jié)論 ............................................................................................................................................................24致謝 ................................................................................................................................................................25參考文獻(xiàn) ........................................................................................................................................................26附錄 ................................................................................................................................................................2711 前言溫度是眾多行業(yè)生產(chǎn)中的基礎(chǔ)參數(shù)之一,也是與人們生活息息相關(guān)的一個重要物理量?溫度的測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,隨著社會的進(jìn)步?工業(yè)的發(fā)展,溫度控制技術(shù)的不斷革新,人們生活水平的大幅提高,對溫度測量控制的精度和范圍也有著更高的要求? 因此 ,溫度控制是生產(chǎn)工藝流程中極為重要的一個環(huán)節(jié),尤其在電力?航天?交通?造紙? 裝備制造 ?食品加工等行業(yè)有廣泛的應(yīng)用?利用單片機(jī)來對溫度進(jìn)行控制,不僅能夠有效地提升控制能力與生產(chǎn)的自動化,而且還有可能盡早實(shí)現(xiàn)智能化的目標(biāo)?和傳統(tǒng)的溫度控制相比,基于單片機(jī)數(shù)字 PID 算法和 PWM 控制技術(shù)的溫度控制系統(tǒng)不僅能保持系統(tǒng)穩(wěn)定精確,還可以降低能源消耗?因?yàn)閭鹘y(tǒng)的溫度控制都是通過電阻限流的方式達(dá)到的溫度控制,這類控制對象慣性大,滯后現(xiàn)象嚴(yán)重,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,而且其整體的功率并沒有根本性的改變,造成了能源的浪費(fèi)?而 PID 控制方式控制穩(wěn)定且精度高,能滿足精密溫度控制系統(tǒng)的穩(wěn)定要求?PWM 控制技術(shù)則通過占空比的改變實(shí)現(xiàn)對加熱電路發(fā)熱功率的調(diào)節(jié),不存在限流的損失,減少了能源的消耗?本設(shè)計(jì)又采用 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器,該傳感器具有微型化?封裝簡單?低能耗?高性能抗干擾能力?測量范圍廣?強(qiáng)易配處理器等優(yōu)點(diǎn),可使系統(tǒng)測量更加精確,電路更加簡單?22 設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ) 本設(shè)計(jì)系統(tǒng)以單片機(jī) STC89C52 為核心,采用溫度傳感器 DS18B20 獲取實(shí)時溫度,結(jié)合數(shù)字 PID 控制算法和 PWM 控制技術(shù),控制調(diào)節(jié)加熱電路的發(fā)熱功率,最終控制被控對象的溫度?本章將逐一介紹以上所涉及到的控制算法和控制技術(shù)? PWM 控制技術(shù)PWM 是英文“Pulse Width Modulation”的縮寫,即脈沖寬度調(diào)制,簡稱脈寬調(diào)制?它是一 種 模 擬 控 制 方 式 ,其 根 據(jù) 相 應(yīng) 載 荷 的 變 化 來 調(diào) 制 晶 體 管 柵 極 或 基 極 的 偏 置 ,來 實(shí) 現(xiàn) 開 關(guān) 穩(wěn) 壓 電 源 輸 出 晶 體 管 或 晶 體 管 導(dǎo) 通 時 間 的 改 變 ,這 種 方 式 能 使 電 源 的 輸出 電 壓 在 工 作 條 件 變 化 時 保 持 恒 定 ,是 利 用 微 處 理 器 的 數(shù) 字 輸 出 來 對 模 擬 電 路 進(jìn) 行控 制 的 一 種 非 常 有 效 的 技 術(shù) ,廣泛應(yīng)用在從測量?通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中? PWM 是開關(guān)型穩(wěn)壓電源中的術(shù)語?這是按穩(wěn)壓的控制方式分類的,除了 PWM 型,還有PFM 型和 PWM?PFM 混合型?脈寬寬度調(diào)制式(PWM)開關(guān)型穩(wěn)壓電路是在控制電路輸出頻率不變的情況下,通過電壓反饋調(diào)整其占空比,從而達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的? 其中方波高電平時間跟周期的比例叫占空比,例如 1 秒高電平 1 秒低電平的 PWM 波占空比是 50% ?PWM 的 一 個 優(yōu) 點(diǎn) 是 從 處 理 器 到 被 控 系 統(tǒng) 信 號 都 是 數(shù) 字 形 式 的 ,無 需 進(jìn) 行 數(shù) 模 轉(zhuǎn)換 ,PWM 相 對 于 模 擬 控 制 的 另 一 個 優(yōu) 點(diǎn) 是 增 強(qiáng) 對 噪 聲 抵 抗 的 能 力 ? 數(shù)字 PID 算法 PID 算法是本系統(tǒng)軟件程序中的核心部分?我們采用 PID 模糊控制技術(shù),通過Pvar?Ivar?Dvar(比例?積分 ?微分)三方面的結(jié)合調(diào)整形成一個模糊控制來解決慣性溫度誤差問題?其原理如下: 本系統(tǒng)的溫度控制器的電熱元件是發(fā)熱片?發(fā)熱片通過電流加熱時,內(nèi)部溫度都很高?當(dāng)容器內(nèi)溫度升高至設(shè)定溫度時,溫度控制器會發(fā)出信號停止加熱?但這時發(fā)熱片的溫度會高于設(shè)定溫度,發(fā)熱片還將會對被加熱的器件進(jìn)行加熱,即使溫度控制器發(fā)出信號3停止加熱,被加熱器件的溫度還往往繼續(xù)上升幾度,然后才開始下降?當(dāng)下降到設(shè)定溫度的下限時,溫度控制器又開始發(fā)出加熱的信號,開始加熱,但發(fā)熱片要把溫度傳遞到被加熱器件需要一定的時間,這就要視發(fā)熱熱與被加熱器件之間的介質(zhì)情況而定?通常開始重新加熱時,溫度繼續(xù)下降幾度?所以,傳統(tǒng)的定點(diǎn)開關(guān)控制溫度會有正負(fù)誤差幾度的現(xiàn)象,但這不是溫度控制器本身的問題,而是整個熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性問題,使溫度控制器控溫產(chǎn)生一種慣性溫度誤差? 增量式 PID 算法的輸出量為 式中,e(k)?e(k1)? e(k2)分別為第 n 次? n1 次和 n2 次的偏差值,Kp?Ki?Kd 分別為比例系數(shù)?積分系數(shù)和微分系數(shù),采樣周期為 T? 計(jì)算機(jī)每隔固定時間 T 將現(xiàn)場溫度與用戶設(shè)定目標(biāo)溫度的差值帶入增量式 PID 算法公式,由公式輸出量決定 PWM 方波的占空比,后續(xù)加熱電路根據(jù)此 PWM 方波的占空比決定加熱功率?現(xiàn)場溫度與目標(biāo)溫度的偏差大則占空比大,加熱電路的加熱功率大,使溫度的實(shí)測值與設(shè)定值的偏差迅速減少。反之,二者的偏差小則占空比減小,加熱電路加熱功率減少,直至目標(biāo)值與實(shí)測值相等,達(dá)到自動控制的目的? PID 參數(shù)的選擇是系統(tǒng)設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵,它決定了溫度控制的準(zhǔn)確度?數(shù)字 PID 調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定可以仿照模擬 PID 調(diào)節(jié)器參數(shù)整定的各種方法,根據(jù)工藝對控制性能的要求,決定調(diào)節(jié)器的參數(shù)?各個參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響如下: P 對系統(tǒng)性能的影響:比例系數(shù)加大,使系統(tǒng)的動作靈敏,速度加快,穩(wěn)態(tài)誤差減小。P 偏大,振蕩次數(shù)加多,調(diào)節(jié)時間加長。P 太大時,系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定。P 太小,又會使系統(tǒng)的動作緩慢?P 可以選負(fù)數(shù),這主要是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)?傳感器以及控制對象的特性決定的?如果 P 的符號選擇不當(dāng)對象測量值就會離控制目標(biāo)的設(shè)定值越來越遠(yuǎn),如果出現(xiàn)這樣的情況 P 的符號就一定要取反? I 對系統(tǒng)性能的影響:積分作用使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降,I 小(積分作用強(qiáng))會使系統(tǒng)不穩(wěn)定,但能消除穩(wěn)態(tài)誤差,提高系統(tǒng)的控制精度? D 對系統(tǒng)性能的影響:微分作用可以改善動態(tài)特性,D 偏大時,超調(diào)量較大,調(diào)節(jié)時間較短。D 偏小時,超調(diào)量也較大,調(diào)節(jié)時間也較長。只有 D 合適,才能使超調(diào)量較小,減短調(diào)節(jié)時間?43 系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求 設(shè)計(jì)內(nèi)容 。 算法的設(shè)計(jì)。 占空比的改變。 ?硬件的聯(lián)調(diào)及測試? 設(shè)計(jì)要求 :室溫 0℃~+100℃。:177?！妗?由按鍵設(shè)置控制溫度。:四位有效值顯示。:實(shí)時溫度超過設(shè)置溫度時蜂鳴器提示報(bào)警? 方案設(shè)計(jì)的比較與論證對本次設(shè)計(jì)進(jìn)行深入的分析和思考,可將整個系統(tǒng)分為控制電路?溫度測量電路?顯示電路?按鍵電路? 加熱電路和報(bào)警裝置六部分? 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖 31 所示?5圖 31 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求,選擇發(fā)熱片作為加熱電路的加熱元件,所需供電電源 12V 直流電? 這具體的方案有二: 采用 AT89C51 作為控制核心,使用熱敏電阻作為測溫元件,配合使用最為普遍的器件 ADC0809 作模數(shù)轉(zhuǎn)換,在控制上使用對電阻絲加電使其升溫?此方案簡易可行,器件的價(jià)格便宜,但其擴(kuò)展的外圍電路較多,增加了電路的復(fù)雜性,且 ADC0809 是 8 位的模數(shù)轉(zhuǎn)換,不能滿足本題目的精度要求?采用比較流行的 STC89C52 作為電路的控制核心,使用自帶模數(shù)轉(zhuǎn)換的溫度傳感器DS18B20,結(jié)合數(shù)字 PID 算法,實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制,并通過 PWM 控制技術(shù)控制繼電器的通斷以實(shí)行對發(fā)熱片溫度的連續(xù)調(diào)節(jié),此方案電路簡單并且可以滿足題目中的各項(xiàng)要求的精度? 綜上所述,本著簡單實(shí)用的原則,最后選擇第二種方案,并通過四位數(shù)碼管顯示電路和按鍵電路來完善整個系統(tǒng)的功能?單片機(jī)按鍵電路溫度測量電路加熱電路顯示電路報(bào)警裝置64 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)硬件的功能由總體設(shè)計(jì)所規(guī)定,硬件設(shè)計(jì)的任務(wù)是根據(jù)總體設(shè)計(jì)要求,在選擇的機(jī)型的基礎(chǔ)上,具體確定系統(tǒng)中所要使用的元器件,設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的電路原理圖,以此同時用軟件對電路原理圖進(jìn)行仿真,以確定電路圖的正確性,以及電路板的焊接等? 硬件電路主要由三大模塊構(gòu)成,分別是:單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊?功能實(shí)現(xiàn)模塊?溫度控制模塊?其硬件原理框圖如圖 41 所示: 圖 41 硬件原理框圖溫度傳感器 DS18B20 將獲取到的溫度值以數(shù)字量形式傳至單片機(jī),并在 LED 數(shù)碼管上實(shí)時顯示出來,單片機(jī)結(jié)合現(xiàn)場實(shí)時溫度與通過按鍵設(shè)定的目標(biāo)溫度,按照已經(jīng)編程好的數(shù)字 PID 控制算法計(jì)算出實(shí)時控制量,并轉(zhuǎn)化為輸出 PWM 波所需的占空比值,以此控制繼電器的開通和關(guān)斷,決定加熱電路的工作狀態(tài),使發(fā)