【正文】 保留現(xiàn)時刻 en 以及以前的兩個偏差量 en1 和 en2。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID 控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。 設(shè) u(k)為第 k 次采樣時刻控制器的輸出值，可得離散的 PID 算式 () ， 由于計算機的輸出 u(k)直接控制執(zhí)行機構(gòu)（如閥門）， u(k)的值與執(zhí)行機構(gòu)的位置（如閥門開度）一一對應(yīng)，所以稱式 (2)為位置式 PID 控制算法。 比例控制： Gc(s)= Kp 積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。該器件的典型動態(tài)阻抗為 。 溫度傳感器 DS18B20 采集被控對象的實時溫度 ,提供給 AT89C52的 。上電復(fù)位是利用電容充電來實現(xiàn)的，上電瞬間 RST/VPD 端的電位與 VCC 相同，隨著充電電流的減少， RST/VPD的電位逐漸下降，圖 中的 10K 的電阻是施密特觸發(fā)器輸入端的一個下拉電阻，時間常數(shù)為 10*106*10*103s=100ms,只要 Vcc 的上升時間不超過 1ms，振蕩器建立時間不超過 10ms,這個時間常數(shù)足以保證完成復(fù)位操作 [6]。本系統(tǒng)電路采用的晶體振蕩器頻率為 。系統(tǒng)時鐘電路設(shè)計采用內(nèi)部方式。 在 DS18B20 測溫程序設(shè)計中，向 DS18B20 發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后，程序要等待DS18B20 的返回信號，一旦某個 DS18B20 接觸不好或斷線，當程序讀該 DS18B20 時，將沒有返回信號，程序進入死循環(huán)。 圖 DS18B20 的測溫原理框圖 圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號 11 送給計數(shù)器 1。 10 DS18B20 內(nèi)部功能模塊 如 圖 所示， 圖 DS18B20 原理圖 DS18B20 的讀寫時序和測溫原理與 DS1820 相同，只是得到的溫度值的位數(shù)因分辨率不同 DS18B20 為 9 位～ 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換精度， 而 DS1820 為 9 位 A/D 轉(zhuǎn)換 ,雖然我們采用了高精度的芯片 ,但在實際情況上由于技術(shù)問題比較難實現(xiàn) ,而實際 精度此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。 5. 獨特的單總線接口方式，與微處理器連接時僅需要一條線即可實現(xiàn)與微處理器雙向通訊。 2. 不需要外部組件，能測量－ 55～ +125℃ 范圍內(nèi)的溫度。 GND 為接地線， DQ 為數(shù)據(jù)輸入輸出接口，通過一個較弱的上拉電阻與單片機相連。 8 圖 AT89C52 引腳排列 DS18B20傳感器 DS18B20 原理與特性 ： 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，大大簡化了電路的復(fù)雜度，以及算法的要求。掉電保護方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié) ，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使 AT89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活 、有效的解決方案。 這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調(diào)整和修改。 PID 控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容。這樣就能實時顯示溫度情況。采用溫度芯片DS18B20 測量溫度，體現(xiàn)了作品芯片化的這個趨勢。 在溫度傳感器的選擇上我們采用溫度芯片 DS18B20測量溫度。顯示電路實現(xiàn)現(xiàn)場溫度的實時監(jiān)控。 用單片機 AT89C52 控制，通過按鍵來控制水溫的設(shè)定值 ,數(shù)值采用數(shù)碼管顯示 。 技術(shù)要求： 能夠連續(xù)測量水的溫度值，用十進制數(shù)碼管來顯示實際溫度 ，最小單位為 1℃ 。軟件方面采用匯編語言來進行程序設(shè)計，使指令的執(zhí)行速度快，節(jié)省存儲空間。 DS18B20 溫度傳感器是美國達拉斯(DALLAS)半導(dǎo)體公司推出的應(yīng)用單總線技術(shù)的數(shù)字溫度傳感器。所有溫度數(shù)據(jù)均通 過液晶顯示器 LCM1602 顯示出來。然后調(diào)顯示子程序 ,多次顯示設(shè)定溫度和采樣溫度 ,再把采樣值與設(shè)定值進行 PID 運算得出控制量 ,用其去調(diào)節(jié)可控硅觸發(fā)端的通斷 ,實現(xiàn)對電阻絲加熱時間的控制 , 以此來調(diào)節(jié)水溫使其基本保持恒定 [2]。這種方法還是模擬控制方式，因此也不能實現(xiàn)復(fù)雜的控制算法使控制精度做得較高，而且不能用數(shù)碼管顯示，對鍵盤進行設(shè)定 [13]。 傳統(tǒng)的一位式模擬控制方案，選用模擬電路，用電位器設(shè)定值，反饋的溫度值和設(shè)定值比較后，決定加熱或不加熱。 水溫系統(tǒng)的傳遞函數(shù)事先難以精確獲得，因而很難判斷哪一種控制方法能夠滿足系統(tǒng)對控制品質(zhì)的要求。傳感器正朝著小型、固態(tài)、多功能和集成化的方向發(fā)展。該控制器和以往顯示儀相比具有性價比高、溫度控制與顯示精度高、使用方便和性能穩(wěn)定等優(yōu)點，提高了電能的使用效率，具有可觀的經(jīng)濟效益和社會效益 [18]。在日常生活中，也可廣泛實用于地?zé)?、空調(diào)器、電加熱器等各種家庭室溫測量及工業(yè)設(shè)備溫度測量場合 [16]。對電氣設(shè)備進行溫度的監(jiān)控，例如高壓開關(guān)、變壓器的出線套管等，判斷可能存在的熱缺陷，進而能及時發(fā)現(xiàn)、處理、預(yù)防重大事故的發(fā)生。工業(yè)生產(chǎn)中溫度很難控制，對于要求嚴格的的場合，溫度過高或過低將嚴重影響工業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)質(zhì)量及生產(chǎn)效率，降 低生產(chǎn)效益。在很多的小型系統(tǒng)中，處理機的成本占 了 系統(tǒng)成本的比例高達 20%，而對于這些小型的系統(tǒng)來說，配置一個如此高速的處理機沒有任何必要，因為這些小系統(tǒng)追求經(jīng)濟效益，而不是最在乎系統(tǒng)的快速性，所以用成本低廉的單片機控制小型的，而又不是很復(fù)雜，不需要大量復(fù) 雜運算的系統(tǒng)中是非常適合的。 單片機系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用給現(xiàn)代工業(yè)測控領(lǐng)域帶來了一次新的技術(shù)革命，自動化、智能化均離不開單片機的應(yīng)用。 1 前 言 溫度是表征物體冷熱 程度的 物理量。將單片機控制方法運用到溫度控制系統(tǒng)中，可以克服溫度控制系統(tǒng)中存在的嚴重滯后現(xiàn)象，同時 在提高采樣頻率的基礎(chǔ)上可以很大程度的提高控制效果和控制精度。 隨著電子技術(shù)以及應(yīng)用需求的發(fā)展，單片機技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，在高集成度，高速度，低功耗以及高性能方面取得了很大的進展。這就需要設(shè)計一個良好溫度控制器，隨時向用戶顯示溫度，而且能夠較好控制。因此研究溫度控制儀具有重要的意義 [10]。 目前市場上熱水器的控制系統(tǒng)大多存在功能單一、操作復(fù)雜、控制不方便等問題，很多控制器只具有溫度和水位顯示功能，不具有溫度控制功能．即使熱水器具有輔助加熱功能。 溫度控制采用單片機設(shè)計的全數(shù)字儀表，是常規(guī)儀表的升級產(chǎn)品。 近年來，溫度控制的發(fā)展尤為迅速。但從對控制方法的分析來看， PID 控制方法最適合本例采用。其特點是電路簡單，易于實現(xiàn)，但是系統(tǒng)所得結(jié)果的精度不高并且調(diào)節(jié)動作頻繁，系統(tǒng)靜態(tài)差大、不穩(wěn)定。 現(xiàn)在國內(nèi)外一般采用經(jīng)典的溫度控制系統(tǒng)。 采用單片機 AT89C52 設(shè)計溫度實時測量及控制系統(tǒng)。為了防止單片機掉電引起的數(shù)據(jù)丟失，溫度上下限的設(shè)定值存儲在 AT24C02B 中 [8]。該器件將半導(dǎo)體溫敏器件、 A/D 轉(zhuǎn)換器、存儲器等做在一個很小的集成電路芯片上。為了便于擴展和更改，軟件的設(shè)計采用模塊化結(jié)構(gòu)，使程序設(shè)計的邏輯關(guān)系更加簡潔明了，使硬件在軟件的控制下協(xié)調(diào)運作。 能夠設(shè)定水的溫度值，設(shè)定范圍是 30℃ ～ 90℃ ,溫度誤差≤177。 該 溫度自動控制系統(tǒng) 由 溫度信號采樣電路，鍵盤及顯示電路，溫度控制電路，報警電路，時鐘信號電路 等構(gòu)成， 并運用 PID算法進行溫度控制和調(diào)整。設(shè)計人員需完成全部硬件和軟件的設(shè)計，并利 Altium Designer 仿真軟件對設(shè)計結(jié)果進行驗證。該芯片的物理化學(xué)性很穩(wěn)定，它能用 做工業(yè)測溫元件，且此元件線形較好。部分功能電路的集成，使總體電路更簡潔，搭建電路和焊接電路時更快。 本設(shè)計采用了 PID 控制。它是根據(jù)被控過程的特性確定 PID 控制器的比例系數(shù)、積分時問和微分時間的大小。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗，直接且方法簡單、易于掌握 ,在實際中被廣泛應(yīng)用。 AT89C52具有以下標準功能： 8k字節(jié) Flash， 256字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線，看門狗定時器， 2個數(shù)據(jù)指針，三個 16 位定時器 /計數(shù)器，一個 6 向量 2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。 其主要工作特性為： 內(nèi)含 8KB 的 Flash 存儲器，擦寫次數(shù)達 1000 次； 內(nèi)含 128 字節(jié)的 RAM； 具有 32 根可編程 I/O 線； 具有 2 個 16 位可編程定時器； 具有 6 個中斷源、 5 個中斷矢量、 2級優(yōu)先權(quán)的中斷結(jié)構(gòu)； 具有 1 個全雙工的可編程串行通信接口； 具有 1 個數(shù)據(jù)指針 DPTR； 兩種低功耗工作模式，即空閑模式和掉電模式； 具有可編程的 3 級程序鎖定位； 工作電源電壓為 5177。首先來介紹一下 DS18B20這塊傳感器的特性及其功能 : DSl8B20 的管腳及特點 DS18B20 可編程溫度傳感器有 3個管腳。VDD 為電源接口，既可由數(shù)據(jù)線提供電源，又可由外部提供電源，范圍 ～ V。 3. － 10℃ ～ +85℃ 范圍內(nèi)的測溫準確度為 177。 6. 測量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號，以 “ 一線總線 ” 串行傳送給 CPU，同時可傳送CRC校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力 。斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正計數(shù)器 1 的預(yù)置值。 則 高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為計數(shù)器 2 的脈沖輸入。這一點在進行 DS1820 硬件連接和軟件設(shè)計時也要給予一定的重視。AT89C52 內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器。采用這種頻率的晶體振蕩器的原因是可以方便的獲得標準的波特率 。上電復(fù)位所需最短時間是震蕩周期建立時間加上 2 個機器周期時間。 圖 數(shù)據(jù)采集電路 13 數(shù)碼管顯示部分，采用與單片機相連接，將溫度傳感器采集到的信息迅速轉(zhuǎn)化為可視溫度，增加了可讀性。其穩(wěn)壓電路圖如圖 ： 14 R1A2K3U4TL431100R3Res SemiR4Res Semi1KR5Res TapVCCGND電源穩(wěn)壓部分S5SWPB9VR6Res SemiD1LED0100uFC4Cap Pol1 圖 供電電路 15 4 PID 控制和參數(shù)整定 PID 調(diào)節(jié)器控制原理 PID 控制器是一種線性控制器 ,一種它根據(jù)給定值 rin(t)與實際輸出值 yout(t)構(gòu)成控制偏差： Error(t)=rin(t)yout(t) PID 控制就是對偏差信號進行比例、積分、微分運算后，形 成一種控制規(guī)律。積分作用的強盡弱取決于積分 時間常數(shù) Ti， Ti 越大，積分作用越弱，反之則越強。 位置式 PID 控制算法的缺點：當前采樣時刻的輸出與過去的各個狀態(tài)有關(guān)，計算時要對e(k)進行累加，運算量大；而且控制器的輸出 u(k)對應(yīng)的是執(zhí)行機構(gòu)的實際位置，如果計算機出現(xiàn) 故障， u(k)的大幅度變化會引起執(zhí)行機構(gòu)位置的大幅度變化。 PID 控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。本設(shè)計采用 PID 歸一整定法把對控制臺三個參數(shù)（ Kc、 Ti、 Td,）轉(zhuǎn)換為一個參數(shù) KP， 從而使問題明顯簡化。初始化程序初值 en1= en2 =0 通過采樣并根據(jù)參數(shù) KP、 KD、 KI 以及 en、 en1 和 en2計算△ un。 節(jié) 16 位進行計算，最后將運算結(jié)果取成高 8 位有效值輸出。主模塊的功能是為其余幾個模塊構(gòu)建整體框架及初始化工作；數(shù)據(jù)采集模塊的作用是將數(shù)字量采集并儲存到存儲器中；數(shù)據(jù)處理模塊是將采集到的數(shù)據(jù)進行一系列的處理，其中最重要的是數(shù)字濾波程序：控制算法模塊完成控制系統(tǒng)的 PID 運算并且輸出控制量。