【正文】 ................................................ 20 167。 LED 顯示程序流程圖 ..................................................................................... 24 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） IV 第 5 章 調(diào)試與系統(tǒng)仿真 .................................. 25 結(jié) 論 .................................................. 27 參考文獻(xiàn) ................................................ 28 致 謝 .................................................. 29 附錄一：系統(tǒng)電路圖 ..................................... 30 附錄二：源程序代碼 ..................................... 31 外文資料 ................................................ 42 外文資料譯文 ........................................... 48 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 前 言 溫度控制是工業(yè)生產(chǎn)過程中經(jīng)常遇到的過程控制，有些工藝過程對其溫度的控制效果直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量，因而設(shè)計一種較為理想的溫度控制系統(tǒng)是非常有價值的。 采用單片機(jī)來對溫度進(jìn)行控制不僅具有控制方便、簡單和靈活等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標(biāo)。在計算差值方面本系統(tǒng)采用了位置式 PID 控制技術(shù)，可以使溫度更精確地保持在設(shè)定的溫度上。由DS18B20 數(shù)字溫度傳感器采集溫度數(shù)據(jù)，并可直接與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)字傳輸；配有按鍵，用于提高 /降低設(shè)定溫度值； PID 控制用于提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和精度；控制電路部分采用 PWM 控制 固態(tài)繼電器 的通斷以實(shí)行對溫度的連續(xù)控制 ；配有數(shù)碼管 LED 用來顯示測量和設(shè)定溫度。 圖 11 總體方案 選用 89C51 單片機(jī)為中央處理器， 通過按鍵增大或者減小設(shè)定 溫度值。 基于 proteus和 keil 的聯(lián)合調(diào)試仿真測試平臺，對所設(shè)計的軟、硬件進(jìn)行調(diào)試和仿真。 ④ 支持大量的存儲器和外圍芯片。 溫度傳感器選擇 溫度傳感器依據(jù)自身材料的特點(diǎn)可以將溫度信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺?目前我們常見的溫度傳感器主要有熱電偶、熱敏電阻、電阻式溫度探測器 (RTD)和集成溫度傳感器?？蓾M足 40℃ ~90℃測量范圍。這種器件以電流作為輸出量指示溫度，其典型的電流溫度靈敏度是1uA/K。 方案 3：采用數(shù)字溫度傳感器 DS18B20,與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比 , 他能夠直接讀出被測溫度并且可根據(jù)實(shí)際要求通過簡單的 編程實(shí)現(xiàn) 9～ 12 位的數(shù)字值讀數(shù)方式。理由： DS18B20 傳感器精度高、互換性好 。 數(shù)字顯示部分 通常的 LED 顯示有 7 段或 8 段和“米”字段之分。同樣，共陽極 LED 顯示器的工作原理也一樣。若要各位LED 能顯示相應(yīng)的字符，就必須采用掃描的方式，即在某一時刻，只讓某一位的為選線處于選通狀態(tài)，而其他各位的位選線處于關(guān)閉的狀態(tài)，同時，段選線上輸出相應(yīng)位要顯示字符的段碼。正因?yàn)槿绱?，靜態(tài)顯示器的亮度高。輸入只有兩個信號，它們是串行數(shù)據(jù)線 DIN 和移位信號 CLK 。這種顯示方式 幾乎不占用 CPU 資源，節(jié)約 CPU 使用率。 單元電路設(shè)計 167。 AT89C51 為很多規(guī)模不太大的嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種極佳的選擇方案。 ④兩個 16 位定時器 /計數(shù)器都可以設(shè)置成計數(shù)方式，用以對外部事件進(jìn)行計數(shù)，也可設(shè)置成定時方式，并可以根據(jù)計數(shù)或定時的結(jié)果實(shí)現(xiàn)計算機(jī)控制。河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 ⑧片內(nèi)振蕩器和時鐘產(chǎn)生電路，但石英晶體和微調(diào)電容需要外接，最高允許震蕩頻率為 12MHz。 XTAL2（ 18 腳）：接外部晶體和微調(diào)電容的一端。 RST（ 9 腳）： RST 是復(fù)位信號輸入端，高電平有 效。P1 端口的輸出緩沖器可驅(qū)動 4 個 TTL 輸入。 P2 端口 (～ )： P2是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O端口。 在訪問外部程序存儲器和 16 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時， P2送出高 8位地址 。P1 端口的輸出緩沖器可驅(qū)動 4 個 TTL 輸入。如 的復(fù)用功能是： 0???（外部中斷）等。只要電源VCC 的上升時間不超過 1ms，就可以實(shí)現(xiàn)自動上電復(fù)位，即按鈕閉合瞬間就完成了系統(tǒng)的復(fù)位初始化。 VDD(3 腳 ) :可選電源腳 ,電源電壓范圍 3～ 5. 5V。 MS Byte 的低 3 位用于存放溫度值的補(bǔ)碼 ,如果測得的溫度大于 0 ,只要將測到的數(shù)值乘 即可得到實(shí)際溫度 ,如果溫度小于 0,測到的數(shù)值需要取反加 1 再乘于 即可得到實(shí)際溫度。該字節(jié)各位的定義見表 23所示。高速暫存 RAM 的第 5 字節(jié)保留未用，表現(xiàn)位邏輯 1。 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 DS18B20的測溫原理如圖 23所示，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送給計數(shù)器 1。 斜率累加器用于補(bǔ)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。 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 外部電源供電方式是 DS18B20最佳的工作方式，工作穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強(qiáng)，而且電路也比較簡單，可以開發(fā)出穩(wěn)定可靠的多點(diǎn)溫度監(jiān)控系統(tǒng)。測溫電纜采用屏蔽 4芯雙絞線 ,其中一對線接地線與信號線 ,另一對接 VCC和地線 ,屏蔽層在電源源端單點(diǎn)接地。串行口 RXD 和 TXD 為一個全雙工串行通信口，但工作在方式 0 下可作同步移位寄存器用，其數(shù)據(jù)由 RXD（ ）端串行輸入或輸出；而同步移位時鐘由顯示器由 TXD（ ）端串行輸出，在同河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 步時鐘作用下，實(shí)現(xiàn)由串行到并行的數(shù)據(jù)通信。 5個串 /并移位寄存器芯片 74LS164 首尾相連。這是最 簡單的鍵盤結(jié)構(gòu)，該電路為查詢方式電路。 2個按鍵定 功能定義 如下： : S1加，按此鍵則溫度設(shè)定加 1度 。 且 固態(tài)繼電器的輸入電壓范圍較寬，驅(qū)動功率低，可與大多數(shù)邏輯集成電路兼容不需加緩沖器或驅(qū)動器。 自動控制概述 自動控制系統(tǒng)是一個集合體，它通常由被控對象、側(cè)量裝置、控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部件組成。 167。即當(dāng)我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用 PID 控制技術(shù)。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。 (D)控制 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分 (即誤差的變化率 )成正比關(guān)系。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例 +微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。 PID 數(shù)學(xué)模型 PID 控制是一種比較成熟的控制理論， 是應(yīng)用最為廣泛的一種自動控制器。 PID 的數(shù)學(xué)模型如圖 31 表示： 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 圖 31 PID 數(shù)學(xué)模型 給定值 R(t)與 實(shí)際值 Y(t)構(gòu)成控制誤差 : E(t)=R(t)Y(t) 式 31 PID控制器根據(jù) E(t)將誤差的比例 (P)、積分 (I)、和微分 (D)通過線性組合構(gòu)成控制量，對受控對象進(jìn)行控制，其控制規(guī)律如式 32所示 : ])()(1)([KU (t ) 0P dt tdeTdtteTte dti ??? ? 式 32 KP一比例系數(shù) 。但如果用僅有比例作用的控制器構(gòu)成系統(tǒng)時，系統(tǒng)會存在靜差。為了加快控制過程，有必要在偏差出現(xiàn)和變化的瞬間，對偏差的變化率做出反應(yīng)，即按偏差變化的趨勢進(jìn)行控制，使偏差消除 在萌芽狀態(tài)。本溫度控制系統(tǒng)采用了位置河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 式 PID 控制算法。 微分用差分代替 1() nneede tdt T ??? 式 33 積分用求和代替 ????nk kTedtte 0t0 )( 式 34 這樣 PID 控制器控制算法的離散形式改寫為式 35: ]1[01??????? nknndkinpn TeeTTeTeKU 式 35 nU —— 第 k 個采樣時刻的控制； KP —— 比例放大系數(shù)； Ki —— 積分放大系數(shù)； Kd—— 微分放大系數(shù)； T—— 采樣周期。 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 20 第 4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 本章將介紹軟件的設(shè)計。 主程序流程圖及程序設(shè)計 圖 41 主程序流程圖 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 167。開 始鍵 1 ？鍵 2 ？最 大 ？ 返 回加 1返 回最 小 ？返 回減 1是是否是否否 圖 42 按鍵控制流程圖 167。工作協(xié)議流程為：主機(jī)發(fā)復(fù)位脈沖初始化 DS18B20→ DS18B20發(fā)響應(yīng)脈沖→主機(jī)發(fā) ROM操作指令→主機(jī)發(fā)存儲器操作指令→數(shù)據(jù)傳輸。 LED 顯示程序流程圖 串行口擴(kuò)展顯示方式。 LED 顯示流程如圖 45 所示。并在 ，使該端口一周期內(nèi)的高低電平的時間，在圖表中顯示試驗(yàn)方案對加熱控制端口的輸出進(jìn)行仿真 ，結(jié)果如圖 51和 52所示。設(shè)計的數(shù)字溫控系統(tǒng)具有控制精度高、控制溫度范圍大、響應(yīng)速度快、 成本低、集成度高等特點(diǎn)。 —— 數(shù)字 PID控制器的設(shè)計原理和方法進(jìn)行了周密的分析，并將控制理論和仿真實(shí)踐有機(jī)的結(jié)合在一起，進(jìn)行了數(shù)字 PID控制器的設(shè)計，完成了 PID控制算法的程序化及控制系統(tǒng)軟件的編寫，根據(jù)實(shí)際控溫特點(diǎn)，軟件設(shè)計了 位置 式數(shù)字 PID溫度控制方法，對 PID控制程序稍加修改，則可以應(yīng)用到更廣泛的溫控領(lǐng)域中。 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 28 參考文獻(xiàn) [1] .丁元杰 . 單片微機(jī)原理及應(yīng)用 . 北京：機(jī)械工業(yè) 出版社 ,1999 [2] .趙長德 . 單片機(jī)原理與應(yīng)用 . 北京：機(jī)械工業(yè)出版社 ,1996 [3] .毅剛等 . 單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計 . 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社 ,1997 [4] .周景潤等 . proteus 在 MCS51amp。通過與 高 老師的溝通，我充分認(rèn)識到淵博的專業(yè)知識、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、精益求精的工作作風(fēng)、積極進(jìn)取的科 研精神對學(xué)術(shù)研究、科技創(chuàng)新是多么的重要。有幸遇到這么多學(xué)識淵博；治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)；誨人不倦；和藹可親；品德高尚；充滿魅力的老師，將是我明天最大的榮耀和不懈奮斗的動力！在此，謹(jǐn)向老師們致以衷心的感謝和崇高的敬意 !明天，將是我人生新的開始，感謝那些有著同窗之誼和手足之情的同學(xué)和朋友們！感謝我美好的大學(xué)！感謝所有領(lǐng)導(dǎo)、老師、同學(xué)、和朋友們！ 由于水平有限，難免 有不足之處，望能得到批評和指正。 // 積分常數(shù) Integral Const double Derivative。 // Sums of Errors } PID。 // 積分 dError = Error ppLastError。 } /*==================================================================================================== 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 33 Initialize PID Structure PID 參數(shù)初始化 =====================================================================================================*/ void PIDInit (PID *pp) { memset ( pp,0,sizeof(PID))。 // PID Response (Output) double rIn。 // Set PID Coefficients = 。) { // Mock Up of PID Processing rIn = sensor ()。 // Effect Needed Changes } } 定時程序代碼 include include sbit P32=P3^2。 get_temper。}