【正文】 啟動(dòng)代碼，集成 FLASH 燒寫模塊。 戶外電子設(shè)備溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 22 PID 控制溫濕度 在溫室應(yīng)用中，常常將溫度濕度控制在一定的范圍內(nèi)，這樣有利于農(nóng)作物的生長(zhǎng)。 首先在系統(tǒng)初始化結(jié)束后，將脈寬設(shè)置為最大值，也就是以最大的速度使溫度上升到需要的溫度范圍內(nèi)。將 tempmax 初始化設(shè) 置為 1，在溫度快速上升的時(shí)候，不斷讀取 tempmax，同時(shí)通過 DS18B20 讀取溫度值，在溫度第一次超過設(shè)置的溫度的最大值的時(shí)候，將 tempmax 置為 0。并且會(huì)在液晶上進(jìn)行顯示。 本系統(tǒng)中，使用 PWM 調(diào)節(jié)加熱器，使用溫度傳感器來測(cè)量溫度，使用 PID 對(duì)系統(tǒng)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。 (31) 戶外電子設(shè)備溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 23 X比 例微 分積 分X 被 控 對(duì) 象)( ty溫 度 傳 感 器??)( tyd?? 圖 32 PID 控制框圖 在設(shè)置積分的時(shí)候，往往先給一個(gè)非常小的值，因?yàn)榉e分是一個(gè)不斷累加的過程，如果系統(tǒng)尚不完美，積分作用會(huì)讓這個(gè)系統(tǒng)崩潰。在很多工業(yè)系統(tǒng)中，只需要比例控制，往往就能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的要求。在一些控制系統(tǒng)中，使用比例結(jié)合微分的方 式，能夠具有一定的超前控制效果。 n sn dt t tD = (34) 其中： 戶外電子設(shè)備溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 24 n:::nsdtntntD 時(shí) 刻 采 樣 值 與 期 望 值 誤 差 。比 例 系 數(shù) 設(shè)計(jì)一個(gè)積分調(diào)節(jié)系數(shù)，將誤差累加與積分系數(shù)相乘，得到由積分產(chǎn)生的調(diào)節(jié)值。 然后設(shè)計(jì)一個(gè)微分調(diào)節(jié)系數(shù)，然后將兩次測(cè)量的溫度相減得到 溫度變化速度，由此產(chǎn)生由溫度產(chǎn)生的調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)值。 然后將三次調(diào)節(jié)值加上底值為此次調(diào)節(jié)的值。 在多 IIC 設(shè)備系統(tǒng)中， IIC 的連接如下 圖 33 所示： 圖 33 多設(shè)備 IIC 系 統(tǒng)連接圖 IIC 總線內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 34 所示， IIC 總線連接到總線輸出級(jí)必須是集電極開路或者是漏極開路。 信號(hào)有效性規(guī)定 當(dāng) IIC 總線傳送數(shù)據(jù)時(shí)候，如果時(shí)鐘信號(hào)為高電平，那么數(shù)據(jù)信號(hào)不允許變化或不允許更改。 圖 36 IIC 總線起始信號(hào)與結(jié)束信號(hào) 戶外電子設(shè)備溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 27 字節(jié)傳送與應(yīng)答 當(dāng)時(shí)鐘由高電平變?yōu)榈碗娖降臅r(shí)候，可以改變一次總線的數(shù)據(jù)，即改變 SDA 的電平狀態(tài)。如圖37 所示： 圖 37 IIC 總線讀寫信號(hào)與應(yīng)答信號(hào) 然后通過 IIC 模擬總線與 SHT15 進(jìn)行通信，轉(zhuǎn)換內(nèi)部寄存器中的數(shù)據(jù)即可。 串行是指數(shù)據(jù)按照從低位到高位或者從高位到低位的順序，依次進(jìn)行傳輸，此時(shí)只需要一條數(shù)據(jù)線，外加一條公共地線和若干控制信號(hào)線。這種連線方式，僅僅適合于短距離傳輸。 UART 就是半雙工的一個(gè)體現(xiàn)。為了使得雙方的收發(fā)協(xié)調(diào)，要求發(fā)送的數(shù) 據(jù)和接收的設(shè)備時(shí)鐘盡可能的一致。在發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候， TX 作為數(shù)據(jù)線， RX 作為時(shí)鐘線，在接收數(shù)據(jù)的時(shí)候， RX 作為數(shù)據(jù)線，TX 作為時(shí)鐘線。由低位到高位一次發(fā)送。停止位表示傳送一幀數(shù)據(jù)信息的結(jié)束，也為下一幀數(shù)據(jù)做好準(zhǔn)備。 圖 39 PWM 調(diào)速原理 使用 STC89C52 的定時(shí)器模擬，可以同時(shí)產(chǎn)生多路 PWM。記錄的數(shù)據(jù)如表 41中所示。 當(dāng)比例系數(shù)較小，加溫比例不夠，積分系數(shù)過小，對(duì)靜態(tài)誤差的補(bǔ)償不足，會(huì)使得系統(tǒng)加溫經(jīng)常小于目標(biāo)值。所以需要在實(shí)驗(yàn)的過程根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，反復(fù)修改 PID 的參數(shù)。并對(duì)方案的可行性分析。 為了使得系統(tǒng)更加人性化，使用 DS12C887 作為時(shí)鐘模塊， AT24C02 作為存儲(chǔ)模塊，選擇 LCD12864 作為液晶顯示模塊。 參考文獻(xiàn) [1] 孫超， 李海濤 .20212021 年中國地震數(shù)據(jù)采集器市場(chǎng)深度調(diào)查及價(jià)格預(yù)測(cè)報(bào)告 [J]，中國經(jīng)濟(jì)報(bào)告， 2021:1518. 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[11] 李元哲，吳德讓，于竹。 為了防止程序跑飛，加入了看門狗電路。使用 STC89C52 作為微控制器，通過 TTLUSB 轉(zhuǎn)換模塊 PL2303 為處理器串行方式下載程序。本文主要討論了十字路口相位設(shè)置，配時(shí)設(shè)置，根據(jù)相應(yīng)的配時(shí)進(jìn)行了編程仿真。上下的偏差往往比較大。 表 41 測(cè)量數(shù)據(jù) 項(xiàng)目 日期 測(cè)量值 參考值 溫度（度） 濕度（ %） 溫度（度） 濕度（ %） 43 42 34 37 38 38 45 44 43 42 39 37 45 43 53 52 39 35 55 50 34 30 43 43 在 PID 調(diào)試過程中，需要認(rèn)為設(shè)定 PID 的參數(shù)。其軟件流程圖如下圖 310 所示。當(dāng)半導(dǎo)體開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，直流電壓為高電平；當(dāng)半導(dǎo)體開關(guān)斷開時(shí)，直流電壓降為低電平；這時(shí)就直流電壓變成了脈沖信號(hào)，這樣通過改變半導(dǎo)體開關(guān)的通斷就可以改變 PWM 信號(hào)的頻率或者脈沖寬度，即改變了直流電壓的平均值，從而實(shí)現(xiàn)了直流電機(jī)調(diào)速的目的。以偶校驗(yàn)為例，當(dāng)數(shù)據(jù)上 0 的個(gè)數(shù)為奇數(shù)時(shí)，校驗(yàn)位為 0，數(shù)據(jù)上的 0 的個(gè)數(shù)為偶數(shù)時(shí)候，校驗(yàn)位為 1，這樣保證數(shù)據(jù)是正確的，否則戶外電子設(shè)備溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 29 接收端會(huì)認(rèn)為數(shù)據(jù)發(fā)送有誤，并扔掉這一幀數(shù)據(jù)。當(dāng)接收端檢測(cè)到這個(gè)起始信號(hào)后，就開始切換到 接收狀態(tài)。 UART 屬于異步通信方式。在這種方式下，可以將通信分為異步通信和同步通信。 串行通信按照工作狀態(tài)又可以分為單工，雙工和半雙工。便于長(zhǎng)距離傳輸。 在本系統(tǒng)中， 51 單片 機(jī)會(huì)通過 USB 轉(zhuǎn)串口和電腦進(jìn)行通信， 51 和 PC 之間需要經(jīng)過RS232 串口通信。當(dāng)進(jìn)行一個(gè)字節(jié)的傳送時(shí)，字節(jié)的最高位 MSB 在前，字節(jié) 的最低位 MLB 在最低位。 如圖 35 所示： 圖 35 IIC 數(shù)據(jù)有效性規(guī)定 起始信號(hào)與終止信號(hào) 如圖 36 所示，當(dāng)時(shí)鐘線處于高電平期間，數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)線一個(gè)下降沿，代表總線從空閑狀態(tài)轉(zhuǎn)換到工作狀態(tài)，即為開始信號(hào)。 圖 34 IIC 總線設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu) 戶外電子設(shè)備溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 26 在 IIC 總線控制中，主要涉及了信號(hào)的有效性，信號(hào)的開始、讀寫與結(jié)束。 IIC 總線是在微電子領(lǐng)域常用的通信總線，他是同步通信的一種方式，通信速率高，接口線少，器件的封裝形式小，且控制簡(jiǎn)單。次 測(cè) 量 的 溫 度 變 化 值 。 由于積分的作用是累加的效果，所以在使用的時(shí)候，最好設(shè)計(jì)一個(gè)上限值。期 望 值 。在軟件實(shí)現(xiàn)過程中，偏差的加速度就是本次的偏差量減去上次的偏差量。當(dāng)比例達(dá)到一定效果的時(shí)候，才能繼續(xù)調(diào)節(jié)積分和微分參數(shù)。 比例環(huán)節(jié)是成比例的控制誤差。其系統(tǒng)框圖如圖 32 所示。把按動(dòng)次數(shù)除以 3 取余數(shù)，當(dāng)余數(shù)為 0 的時(shí)候，修改溫度的上限 值，當(dāng)余數(shù)為 1 的時(shí)候，修改溫度的下限值，當(dāng)余數(shù)為 2 的時(shí)候，修改溫度的期望值。 在 PID 調(diào)節(jié)的過程中，首先要設(shè)計(jì) P、 I、 D 對(duì)應(yīng)的參數(shù)，然后對(duì)溫度差值的當(dāng)前值、積分值和變換速度進(jìn)行分別控制。設(shè)計(jì)一個(gè) bit 位，來標(biāo)志溫度在最大上升速度工程中達(dá)到設(shè)定值?？梢匀萑躺舷碌母?dòng)為 1 度。 Keil uVision4 的編譯界面窗口如圖 31 所示： 圖 31 軟件編程界面 所有的軟件內(nèi)容，均使用 C51 語言進(jìn)行編寫。 編譯環(huán)境介紹 Keil uVision4 源自德國 KEIL 公司。由于管腳夠用，為了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，這些總線并不串聯(lián)使用。定時(shí)器的配置與定時(shí)器中斷服務(wù)程序。當(dāng)需要 LED 亮的時(shí)候，只需要將相應(yīng)管腳拉低即可。以免產(chǎn)生更大的損失。 圖 211 按鍵電路 按鍵總共有三個(gè)，分別連接在 P P2 P22 三個(gè)引腳。這兩種均使用 PWM 來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，其原理圖如下圖所示： 戶外電子設(shè)備溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 19 圖 210 濕度控制電路 聲光報(bào)警電路 聲光報(bào)警電路主要包括三部分， 分別是 LED、蜂鳴器和按鍵。 戶外電子設(shè)備溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 18 溫濕度控制電路 溫度調(diào)節(jié)電路 溫度調(diào)節(jié)電路如圖 29 所示。 在一些非低功耗的系統(tǒng)中，可以用 uP 監(jiān)視器設(shè)計(jì)硬件看門狗電路，本系統(tǒng)中選擇MAX706P 做為看門狗， 其原理圖如 28 所示。他有一個(gè)不變的定時(shí)時(shí)間，一旦定時(shí)時(shí)間到了，就會(huì)給 CPU 產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位的信號(hào)，或者中斷信號(hào)，以防止系統(tǒng)出現(xiàn)毀滅性的事故。當(dāng)這個(gè)腳是低電平的時(shí)候，可 以對(duì)整個(gè)存儲(chǔ)器進(jìn)行正常的讀寫操作。其中的數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ) 100 年，可以擦寫 10 萬次，本系統(tǒng)中，使用 AT24C02 電路如圖 27 所示： 圖 27 AT24C02 電路原理圖 AT24C02 有常見的兩種封裝，一種是直插 DIP8，一種是貼片 SO8 兩種，但無論是哪種，他的管腳順序和功能都是一樣的。 ） 戶外電子設(shè)備溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 16 圖 38 DS18B20 的 測(cè)溫原理 掉電存儲(chǔ)電路 AT24C02 本系統(tǒng)使用 AT24C02 作為掉電存儲(chǔ)設(shè)備。溫度系數(shù)振蕩器是指一種振蕩器，它的振蕩頻率與溫度之間有一個(gè)特定的關(guān)系，即不同的溫度對(duì)應(yīng)不同的振蕩頻率。 TM R1 R0 1 1 1 1 1 MSB LSB 配置 分辨率關(guān)系表 格： R0 位 R1 位 溫度分辨率（單位： bit） 最大轉(zhuǎn)換時(shí)間（單位： ms） 0 0 9bit 0 1 10bit 1 0 11bit 375ms 1 1 12bit 750ms 戶外電子設(shè)備溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 15 圖 37 DS18B20 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 測(cè)溫原理：用一個(gè)高溫度系數(shù)的振蕩器確定一個(gè)門周期，內(nèi)部計(jì)數(shù)器在這個(gè)門周期內(nèi)對(duì)一個(gè)低溫度系數(shù)的振蕩器的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)來得到溫度值。 其四， 配置寄存器。 其引腳和封裝方式見 下圖所示： 圖 36 ds18b20 管腳封裝 DS18B20 溫度傳感器內(nèi)含四個(gè)主要部件，詳見圖 37： 其一， 64 位激光光刻 ROM。 DS18B20 的特性有：