【正文】 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第46頁 單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)摘 要 本次設(shè)計(jì)對單片機(jī)在溫度控制系統(tǒng)中的基本理論和應(yīng)用技術(shù)作了較為全面的介紹。主要目的是用單片機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)溫度控制器，通過運(yùn)用PID控制算法，使得溫度保持在600度這一恒定溫度值上。該控制器具有本機(jī)給定和上位機(jī)給定的功能。在生產(chǎn)過程自動(dòng)的發(fā)展歷程中，PID控制是歷史最久、生命力最強(qiáng)的基本控制方式。PID控制是比例積分微分控制的簡稱。由于模擬PID調(diào)節(jié)器控制溫度的精確模型難以建立，系統(tǒng)的參數(shù)又經(jīng)常發(fā)生變化，運(yùn)用現(xiàn)代控制理論分析綜合要耗費(fèi)很大代價(jià)進(jìn)行模擬辨識(shí)，而且不能得到預(yù)期的效果，所以本次設(shè)計(jì)采用PID調(diào)節(jié)器，由于軟件系統(tǒng)的靈活性，PID算法可以得到修正而更加完善。根據(jù)不同的測溫范圍選出合適的溫度傳感器，單片機(jī)把測到的溫度進(jìn)行處理（通過內(nèi)置PID控制或與上位機(jī)通訊，由上位機(jī)實(shí)現(xiàn)PID控制）后保持恒溫輸出，來控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。單片機(jī)輸出的是數(shù)字量，需要經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換變?yōu)槟M量后，才能去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。關(guān)鍵詞　PID控制器；傳感器；8052溫度控制AbstractThis design prehensively introduced the basic theories and application technology of the MCU (Micro Controller Unit) in the control systems of temperature this time. The main purpose to design one temperature controller with MCU, through use PID control algorithms, make temperature keep on this invariable temperature value of 600 degrees. The controller has the function of given by own machine and top machine.In the development of automatic production process, PID control has the longest history, strongest vitality which is the basic control method. It is an abbreviation of the proportion, integral and derivative. It is difficult to build accurate model of analogy PID regulator to control temperature, the systematic parameter often changes, using the modern control theory to analyze and synthesize that should consume very large cost to analogy identification, and can39。t get the anticipated result, so the design adopt PID regulator, because of the flexibility of the software system, PID algorithm can be revised more perfect.To elect the suitable temperature sensor according to different examining the warm range, because the output of the temperature sensor is an analog quantity of changing, therefore, need to change A/D first, transform it into digital quantity to send into the puter. After the MCU gets the examining temperature and dealt it (control or municate with top machine through builtin PID, the top machine realize PID control) and then keep constant temperature exported to control executive body. What the MCU outputted is digital quantity, needs to change into analog quantity, to control the executive body.Key words PID controller；A/D converter；8051temperature control 目錄摘要 IAbstract II第1章 緒論 1 1 2 3第2章 系統(tǒng)方案的提出與論證 4 4 5 PID的算法 5 PID的控制 5 開環(huán)控制系統(tǒng) 5 閉環(huán)控制系統(tǒng) 6 階躍響應(yīng) 6 PID控制的原理和特點(diǎn) 6 PID控制器的參數(shù)整定 7第3章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 9 9 9 12 12 14 溫度控制電路原理 15 17 18第4章 軟件設(shè)計(jì) 20 20 21結(jié)論 25致謝 26參考文獻(xiàn) 27附錄A 28附錄B 29附錄C 38第1章 緒論 選題背景及目的在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，對溫度的測量及控制始終占據(jù)著重要地位。在冶金、化工、機(jī)械、食品等各類工業(yè)中，廣泛使用各種加熱爐、烘箱、恒溫箱等，它們均需要對溫度進(jìn)行控制。在實(shí)驗(yàn)室中，電阻爐溫度控制系統(tǒng)，是常見的自動(dòng)控制系統(tǒng)。目前工業(yè)自動(dòng)化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個(gè)重要標(biāo)志。同時(shí)，控制理論的發(fā)展也經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個(gè)階段。智能控制的典型實(shí)例是模糊全自動(dòng)洗衣機(jī)等。自動(dòng)控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。一個(gè)控控制系統(tǒng)包括控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、輸入輸出接口?？刂破鞯妮敵鼋?jīng)過輸出接口、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，加到被控系統(tǒng)上；控制系統(tǒng)的被控量，經(jīng)過傳感器，變送器，通過輸入接口送到控制器。不同的控制系統(tǒng)，其傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)是不一樣的。比如壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器。電加熱控制系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器。目前,PID控制及其控制器或智能PID控制器（儀表）已經(jīng)有很多產(chǎn)品已在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用,出現(xiàn)了各種各樣的PID控制器產(chǎn)品。各大公司均開發(fā)了具有PID參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器(intelligentregulator),其中PID控制器參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整是通過智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來實(shí)現(xiàn)。有利用PID控制實(shí)現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器,能實(shí)現(xiàn)PID控制功能的可編程控制器(PLC),還有可實(shí)現(xiàn)PID控制的PC系統(tǒng)等等?？删幊炭刂破?PLC)是利用其閉環(huán)控制模塊來實(shí)現(xiàn)PID控制,而可編程控制器(PLC)可以直接與ControlNet相連,如Rockwell的PLC5等。還有可以實(shí)現(xiàn)PID控制功能的控制器,如Rockwell的Logix產(chǎn)品系列,它可以直接與ControlNet相連,利用網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)其遠(yuǎn)程控制功能。 控制算法是微機(jī)化控制軟件系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，整個(gè)系統(tǒng)的控制功能主要由控制算法來實(shí)現(xiàn)。目前提出的控制算法有很多種。在生產(chǎn)過程自動(dòng)的發(fā)展歷程中，PID控制是歷史最久、生命力最強(qiáng)的基本控制方式。它是最早發(fā)展起來的控制策略之一，由于其算法簡單、魯棒性好和可靠性高，實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和理論分析都表明，PID控制能滿足相當(dāng)多的工業(yè)對象的控制要求，尤其適用于可建立精確模型的確定性控制系統(tǒng)。雖然隨著工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展和其它各種先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化技術(shù)將會(huì)有更新的發(fā)展，但是，PID控制技術(shù)仍然不會(huì)過時(shí)，它還將在今后很長一段時(shí)間內(nèi)占據(jù)主導(dǎo)地位。由于數(shù)字PID控制系統(tǒng)中，引入了計(jì)算機(jī)，可以充分利用計(jì)算機(jī)在對采集數(shù)據(jù)加以分析并根據(jù)所的結(jié)果做出邏輯判斷等方面的能力，編制出符合某種技術(shù)要求的控制程序、管理程序，實(shí)現(xiàn)對被控參數(shù)的控制與管理。而且PID控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)，是通過軟件來完成的。改變控制規(guī)律，只要改變相應(yīng)的程序即可，因此，數(shù)字PID控制系統(tǒng)在生產(chǎn)過程中經(jīng)常使用。 由于單片機(jī)和傳感器的多樣化，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)溫度控制系統(tǒng)要應(yīng)用的領(lǐng)域來決定選擇什么樣的單片機(jī)做主控制器，傳感器的選擇也因其使用的環(huán)境而不同。所以溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是多樣的。本文研究的系統(tǒng)采用的是北京集成電路設(shè)計(jì)中心與愛特梅爾公司聯(lián)合設(shè)計(jì)的AT89C52單片機(jī)。由于單片機(jī)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域正得到越來越廣泛的應(yīng)用，世界上許多集成電路生廠家相繼推出了各種類型的單片機(jī)。近十幾年來，單片機(jī)在生產(chǎn)過程控制、自動(dòng)檢測、數(shù)據(jù)采集與處理、科技計(jì)算、商業(yè)管理和辦公室自動(dòng)化等方面獲得了廣泛的應(yīng)用。近幾年來，單片機(jī)的發(fā)展更為迅速，它已滲透到諸多學(xué)科和領(lǐng)域，以及人們生活的各個(gè)方面。在單片機(jī)家族的眾多成員中，MCS51系列單片機(jī)以其優(yōu)越的性能、成熟的技術(shù)及高可靠性和高性能價(jià)格比，迅速占領(lǐng)了工業(yè)測控和自動(dòng)化工程應(yīng)用的主要市場，成為國內(nèi)單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中的主流。目前可用于MCS51系列單片機(jī)開發(fā)的硬件越來越多，與其配套的各類開發(fā)系統(tǒng)、各種軟件也日趨完善，因此，可以極方便的利用現(xiàn)有資源，開發(fā)出用于不同目的的各類應(yīng)用系統(tǒng)。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，單片微型計(jì)算機(jī)的功能也不斷增強(qiáng)，許多高性能的新型機(jī)種不斷涌現(xiàn)出來。單片機(jī)以其功能強(qiáng)、體積小、重量輕、可靠性高、造價(jià)低、通用靈活和開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，成為自動(dòng)化和各個(gè)測控領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的器件，也廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星定向、汽車火花控制、交通管理和微波爐等專用控制上在工業(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。在溫度控制系統(tǒng)中，單片機(jī)更是起到了不可替代的核心作用。在工業(yè)生產(chǎn)如：用于熱處理的加熱爐、用于融化金屬的坩鍋電阻爐等，在日常生活中如：熱水器、電熱毯等等，都用到了電阻加熱的原理。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，在工業(yè)中，上述設(shè)備對溫度的控制要求越來越高，隨著人們生活水平的提高，對日常用品的自動(dòng)化也提出了更高的要求，單片機(jī)的不斷更新?lián)Q代，滿足了上述的要求，達(dá)到自動(dòng)控制品質(zhì)的目的。 本論文共分成四章： 第1章主要是選題背景和發(fā)展?fàn)顩r；第2章提出了系統(tǒng)的方案與論證，形成一個(gè)大體輪廓；第3章對系統(tǒng)硬件電路部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要是接口連接和硬件傳感器的設(shè)計(jì)；第4章系統(tǒng)的軟件部分設(shè)計(jì)，包括各個(gè)子程序和對應(yīng)的流程圖。第2章 系統(tǒng)方案的提出與論證 在日常生活和生產(chǎn)中經(jīng)常遇到需要對溫度進(jìn)行檢測和控制的問題。在溫度檢測系統(tǒng)中就需要用到溫度傳感器。人們在很久以前就開始了解溫度的測量，所以溫度傳感器種類繁多，有熱敏電阻、紅外溫度傳感器、熱電偶等等。熱電偶和熱電阻測量的是電壓值，需要轉(zhuǎn)換成溫度，外部硬件電路很復(fù)雜，也不便于調(diào)試。另外使用熱電偶時(shí)，通常要求冷端T0保持0度，但實(shí)際上很難做到。除此之外還有模擬集成溫度傳感器，其特點(diǎn)是測溫誤差小、響應(yīng)速度快、傳輸距離遠(yuǎn)、體積小。但是仍然在測量到溫度值后要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，電路復(fù)雜，使用不方便。有些集成溫度傳感器可以配微處理器和單片機(jī)，構(gòu)成智能化的溫度檢測系統(tǒng)。這其中一個(gè)很大的變化就是傳感器由以前的模擬輸出轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訑?shù)字輸出，省去了傳統(tǒng)溫度測量電路中的調(diào)理、變送、補(bǔ)償、轉(zhuǎn)換、修正等環(huán)節(jié)。這樣整個(gè)測量電路不會(huì)引入附加誤差，測溫系統(tǒng)的精度與分辨力完全由數(shù)字化的傳感器所決定。用這種先進(jìn)的傳感器芯片構(gòu)成測控溫度系統(tǒng)，具有電路簡單，測控溫度精度高等顯著優(yōu)點(diǎn)。并且抗干擾能力強(qiáng)，能夠遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)，用戶可設(shè)定溫度上、下限，有越限自動(dòng)報(bào)警的功能，自帶串行總線接口等優(yōu)點(diǎn)，適配各種微控制器，含微處理器和單片機(jī)，是研制和開發(fā)具有高性價(jià)比的新一代溫度控制系統(tǒng)所必不可少的核心器件。智能溫度傳感器的典型產(chǎn)品有DS18DS18SDS18BDS182DS182DS162DS1629等型號(hào)。本文所選用的是美國DSLLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的DS18B20，它是該公司在研制出DS1820后最新推出的一種改進(jìn)型產(chǎn)品。所以它具有DS1820的全部優(yōu)點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，它有獨(dú)特的性能特點(diǎn)：(1) 獨(dú)特的單線接口僅需要一個(gè)端口引腳進(jìn)行通信。(2) 不需要外部器件。(3) 可通過數(shù)據(jù)線供電，～。(4) 零待機(jī)功耗。(5) 溫度以9或12位數(shù)字量讀出。(6) 用戶可定義的非易失性溫度報(bào)警設(shè)置。(7) 報(bào)警搜索命令識(shí)別并標(biāo)志超過程序限定溫度的器件。 方案一:此方案采用SPCE061A單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，此單片機(jī)內(nèi)置8路ADC,2路DAC,且集成開發(fā)環(huán)境中，配有很多語音播放函數(shù)，用SPCE061A實(shí)現(xiàn)語音播放極為方便。另外，比較方便的是該芯片內(nèi)置在線仿真、編程接口，可以方便實(shí)現(xiàn)在線調(diào)試，這大大加快了系統(tǒng)的開發(fā)與調(diào)試。但是，他的成本太高我們不便采用。 方案二：此方案采用89C52單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，AT89C52是低功耗、高性能的CMOS8位單片機(jī)，片上帶有8KFlash存儲(chǔ)器，且允許在系統(tǒng)改寫或用編程器編程。另外，AT89C51的指令系統(tǒng)和引腳80C52完全兼容。所以，AT89C52單片機(jī)應(yīng)用極為廣泛。 PID的算法基本偏差:e(t) 表示當(dāng)前測量值與設(shè)定目標(biāo)之差，設(shè)定目標(biāo)是被減數(shù)，結(jié)可以是正或負(fù)。正數(shù)表示還沒有達(dá)到，負(fù)數(shù)表示已經(jīng)超過了設(shè)定值