【正文】 溫度控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于社會生活的各個 領(lǐng)域 ， 如何提高溫度控制對象的運行性能一直以來都是控制人員和現(xiàn)場技術(shù)人員努力解決的問題，開發(fā)出性能較好的溫度控制系統(tǒng)對于測控技術(shù)的發(fā)展具有很大的意義。最后 iK 值為 。在試湊時，一般可根據(jù)以上參數(shù)對控制過程的影響趨勢，對參數(shù)實行先比例、后積分的步驟進行整定。再按經(jīng)驗公式來確定 PID 數(shù)值。 參數(shù)整定 由于 PID 控制器的輸出為系統(tǒng)偏差的比例、微分和積分作用后的線性組合，所以調(diào)整各個部分的線性系數(shù)就是 PID 控制器控制性能好壞的關(guān)鍵。 （ 2）積分部分 積分部分的數(shù)學(xué)表達式是 ??dtteTK tip ?0，從它的數(shù)學(xué)表達式可以看出，要是系統(tǒng)誤差存在，控制作用就會不斷增加或減少，只有 ?? 0?te 時，它的積分才是一個不R(t) E(t) C(t) U(t) 比例 積分 微分 被控對象 _ + 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 26 變的常數(shù)，控制作用也就不會改變，積分部分的作用是消除系統(tǒng)誤差。 PID 控制不需了解被控對象的數(shù)學(xué)模型，只要根據(jù)經(jīng)驗調(diào)整控制器參數(shù)，便可獲得滿意的結(jié)果。 主 程序的主要功能是負責(zé)溫度的實時顯示，讀出并處理 DS18B20 的測量的當(dāng)前溫度值，溫 度測量每 1s 進行一次。首先根據(jù)系統(tǒng)功能和鍵盤設(shè)置選擇一種最適合的監(jiān)控程序結(jié)構(gòu)。接著將程序下載到硬件電路中，配合周邊的溫度采集電路，時鐘電路，溫度報警電路，顯示電路等，制作出符合設(shè)計要求的恒溫箱。 （ 4） 處理數(shù)據(jù) DS18B20 的高速暫存存儲器由 9 個字節(jié)組成，其分配如表 32 所示。 Convert T（溫度變換） [44H] 這條命令啟動一次溫度轉(zhuǎn)換而無需其他數(shù)據(jù)。接下來寫入的兩個字節(jié)將被存到暫存器中的地址位置 2 和 3。 Search ROM( 搜索 ROM)[F0H] 當(dāng)系統(tǒng)開始工作時，總線主機可能不知道單線總線上的器件個數(shù)或者不知道其64 位 ROM 編碼。此命令只能在總線上僅有一個 DS18B20 的情況下可以使用。測量結(jié)果存入溫度寄存器中。這樣，經(jīng)過比較后所得的溫度寄存器的值就是最終讀取的溫度值了，其最后位代表 ℃ ，四舍五入最大量化誤差為 177。當(dāng)工作于寄生電源時，此引腳必須接地。 溫度采集電路如圖 39 所示： 圖 39 溫度采集電路 圖中 U2 為溫度采集電路的核心部件，溫度傳感器 DS18B20。 主機和從機之間的通信主要分 3 個步驟：初始化單線器 件、識別單線器件和單線數(shù)據(jù)傳輸。 單線（ 1wire）技術(shù) 目前常用的微機和外設(shè)之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇锌偩€有 I2C 總線、 SPI 總線等，其中， I2C 總線采用同步串行兩線（一根時鐘線、一根數(shù)據(jù)線）方式，而 SPI 總線采用同步串行三線（一根時鐘線、一根輸入線和一根數(shù)據(jù)出線）方式。 （ 3）可用數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍： +～ + V。因此用它來組成一個測溫系統(tǒng)，具有電路簡單，在一根通信線上可以掛很多這樣的數(shù)字溫度計，十分方便。獨立式按鍵可以用單穩(wěn)態(tài)鎖存器消除抖動。 理 想 按 鍵 電 壓 波 形按 下 釋 放實 際 按 鍵 電 壓 波 形前 沿抖 動后 沿抖 動穩(wěn) 定 閉 合 圖 35 按鍵抖動電壓波形 按鍵開關(guān)輸入需要解決的兩個主要問題是判斷是否有按鍵按下和消除按鍵抖本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 動的影響。 第 15～ 16腳： 空腳 或背燈電源。它由若干個 5X7或者 5X11等 點陣 字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間有一個點距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，正因為如此所以它不能很好地顯示圖形 。 C C4 的典型值為 22pF。當(dāng)自然冷卻到設(shè)定溫度以下時，單片機再次啟動加熱器，如此循環(huán)反復(fù)，以達到恒溫控制的目的。 I/O 端口，在樣機研制出來后進行現(xiàn)場試用時，往往會發(fā)現(xiàn)一些被忽視的問題，而這些問題不是靠單純的軟件措施來解決的。 （ 3）程序空間。 本章小結(jié) 本章主要講述了恒溫箱主要部件的選擇及其工作原理。 （ 3）溫度比較和溫度調(diào)節(jié)。 方案三：采用串行口驅(qū)動、動態(tài)掃描顯示，利用單片機的串行口 輸出數(shù)據(jù)，顯示多位數(shù)碼，多個數(shù)碼管可共用驅(qū)動芯片和限流電阻?！?的測量精度。 （ 4）可以將實時溫度與 設(shè)定 溫度進行比對，以調(diào)節(jié)溫度。 設(shè)計思路分析 設(shè)計 51 單片機的恒溫箱控制系統(tǒng)設(shè)計時，需要考慮下面 4 個方面的內(nèi)容： （ 1）選擇合適的溫度傳感器芯片。 單片機的接口信號是數(shù)字電信號，要想用單片機獲取溫度這類非電信號的信息，毫無疑問，必須使用溫度傳感器。簡要介紹了智能恒溫箱的發(fā)展現(xiàn)狀，說明了課題研究的內(nèi)容。因此產(chǎn)品越來越智能化多樣化。 ADC 的位數(shù)越高分辨率也越高，位數(shù)越高，精度也越高。恒溫箱最基礎(chǔ)的器件是由溫度檢測系統(tǒng)，模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，單片機為核心，溫度顯示的組成。數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 只用一個引腳即可與單片機進行通信，大大減少了接線的麻煩，使得單片機更加具有擴展性。因此一個較完善的控制器應(yīng)具有以下功能：溫度的測量與顯示；用戶設(shè)定功能 (如溫度設(shè)定，定時設(shè)定等 )；對電加熱管的控制功能；一些功能鍵 (如定時自動加熱，恒溫控制，手動加熱等 )；安全措施 (漏電檢測，安全失效保護，限溫保護等 )。 智能恒溫箱的溫度是醫(yī)療、工業(yè)生產(chǎn)和食品加工等領(lǐng)域的關(guān)鍵，因此對溫度的測量及控制始終占據(jù)著重要的地位 。編寫程序結(jié)合硬件進行調(diào)試，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)置和調(diào)節(jié)初始溫度值，進行顯示屏顯示，當(dāng)加熱到設(shè)定值后立刻報警。傳統(tǒng)的溫度采集方法不僅費時費力，而且精度差，單片機的出現(xiàn)使得溫度的采集和數(shù)據(jù)處理問題能夠得到很好的解決。智能化，既提高了產(chǎn)品的功能和質(zhì)量，又降低了成本，簡化了設(shè)計。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，單片微處理器功能日益增強，價格低廉，在各方面得到廣泛應(yīng)用。利用微機對溫度進行測控的技術(shù)，也便隨之而生，并得到日益發(fā)展和完善，越來越顯示出其優(yōu)越性。恒溫箱不管是在生活上，還是在工業(yè)上都有著巨大的經(jīng)濟效益。 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 這樣可控制的溫度范圍有所加大，溫度控制的精度也逐步提高。到了 1982 年后到 1990 年， 8 位的單片機得到鞏固發(fā)展，以及 16 位單片機推出。近年來，溫度控制器正朝著高精度、多功能、總線標(biāo)準(zhǔn)化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬溫度控制器和網(wǎng)絡(luò)溫度控制器、研制 單片測溫控溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展。 第四章 ：恒溫箱的軟件設(shè)計。因此一個較完善的控制器應(yīng)具有以下功能： 溫度的測量與顯示；溫度設(shè)定功能；對燈泡的控制功能；安全措施等。 系統(tǒng)需求分析 （ 1）在使用中可以將采集來的溫度數(shù)據(jù)計算轉(zhuǎn)換為我們熟悉的攝氏溫度。鉑熱電阻與溫度關(guān)系是， Rt = R0(1+At+Bt*t) 。 綜合以上四種方案，本設(shè)計采用第四種方案，利用數(shù)字溫度計 DS18B20 作為溫度傳感器。調(diào)節(jié)預(yù)期的溫度，如果想加一攝氏度就按下 “加 ”鍵，如果想減一攝氏度就按一下 “減 ”鍵，溫度 LCD 顯示屏上會顯示改變后的溫度，調(diào)整范圍為 0~125℃ 。 （ 5）實時溫度顯示。 （ 2）留有設(shè)計余地。如果有大批數(shù)據(jù)需要處理，則應(yīng)配置足夠的 RAM，如 626 62256 等。恒溫箱控制器的總體布局如圖 31 所示。 溫度采集 輸出控制 聲光報警 按鍵控制 溫度顯示 微控制器 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 圖 32 時鐘電路 一般選用石英晶體振蕩器。以下將對顯示電路的各個部件及整體設(shè)計做詳細的介紹。 第 5腳： RW 為讀寫信號線，高電平 (1)時進行讀操作，電平 (0)時進行寫操作。 開關(guān)鍵盤設(shè)計 按鍵開關(guān)為機械彈性開關(guān)，當(dāng)按下鍵帽時，按鍵內(nèi)的復(fù)位彈簧片被壓縮，動片觸電與靜片觸電相連，鍵盤的兩個引腳被接通；松手后，復(fù)位彈簧將動片彈開，使動片與靜片脫離接觸，鍵盤的兩個引腳被斷開。在控制電路中，如果按鍵數(shù)不多 時 可以使用一個按鍵對應(yīng)一條輸入位線控制，即獨立式按鍵。同時，電路中的發(fā)光二極管指示出電路的工作狀態(tài)。 每片 DS18B20 在出廠時都設(shè)有唯一的產(chǎn)品序列號，因此多個 DS18B20 可以掛接于同一條單線總線上，這允許在許多不同的地方放置溫度傳感器，特別適合于構(gòu)成多點溫度測控系統(tǒng)。 （ 7）支持多點組網(wǎng)功能，通過識別芯片各自唯一的產(chǎn)品序列號從而實現(xiàn)單線多掛接，多個 DS18B20 可以并聯(lián)在唯一的線上，簡化了分布式溫度檢測的應(yīng)用，實現(xiàn)多點測溫。主機可以是微控制器，從機可以是單線器件，它們之間的數(shù)據(jù)交換、控制都由這根線完成。這些信號中，除了應(yīng)答脈沖，其他均由主機發(fā)起，并且所有命令和數(shù)據(jù)都是字節(jié)的地位在前。開漏單總線接口引腳。計數(shù)器 1 的預(yù)置數(shù)也就是在給定溫度處使溫度寄存器寄存值增加 1℃ 計數(shù)器所需要的計數(shù)個數(shù)。 DS18B20 內(nèi)部的低溫度系數(shù)振蕩器能產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率信號；同樣的，高溫度系數(shù)振蕩器則將被測溫度轉(zhuǎn)換成頻率信號。 （ 2） ROM 操作命令 一旦總線主機檢測到從屬器件的存在，它便可以發(fā)出器件 ROM操作命令之一。此命令在總線上有單個或多個器件的情況下均可使用。只要 DS18B20 一上電，告警條件就保持在設(shè)置狀態(tài)，直到另一次溫度測量顯示出非告警值或者改變 TH 或 TL的設(shè)置，使得測量值再一次位于允許的范圍之內(nèi)。 Copy Scratchpad（復(fù)制暫存存儲器） [48H] 這條命令把暫存器的內(nèi)容拷貝到 DS18B20 的 E2 存儲器里，即把溫度報警觸發(fā)字節(jié)存 入非易失性存儲器里。這種重新調(diào)出的操作在對 DS18B20 上電時也自動發(fā)生，因此只要器件一上電，暫存存儲器內(nèi)就有了有效的數(shù)據(jù)。 例如當(dāng) DS18B20 采集到 55℃ 的實際溫度后，輸出為 FC90H，則應(yīng)先將 11 位數(shù)據(jù)位取反加 1 得 370H（符號位不變，也不作為計算），則： 實際溫度 =370H╳ =880╳ =℃ 。 軟件任務(wù)分析時，應(yīng)將各執(zhí)行模塊一一列出，并為每一個執(zhí)行模塊進行功能定義和接口定義（輸入輸出定義）。后臺程序指主程序及其調(diào)用的子程序，這類程序?qū)崟r性要求不是太高，延時幾十毫秒甚至幾百毫秒也沒關(guān)系，故通常將監(jiān)控程序（鍵盤解釋程序），顯示程序和打印程序等與操作者打交道的程序放在后臺程序中執(zhí)行；而前臺程序安排一些實時性要求較高的內(nèi)容，如定時系統(tǒng)和外部中斷。 系統(tǒng)控制算法 PID 調(diào)節(jié)的實質(zhì)就是根據(jù)輸入的偏差值，按比例、積分、微分的函數(shù)關(guān)系，進行運算，將其運算結(jié)果用以輸出控制， 將基本 PID 算式離散化可得到位置型 PID控制算法，對位置型 PID 進行變換可得到增量型 PID 控制算法。 pK ：比例系數(shù)； iT ：積分時間常數(shù)； dT ：微分時間常數(shù)。越大，則抑制誤差 )(te 變化的作用越強， 但易于使系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩； dT 越小，抵消誤差的作用越弱。 （ 2）衰減曲線法 臨界比例度法是要系統(tǒng)等幅 振蕩，還要多次試湊，而用衰減曲線法較簡單，一般又有兩種方法。 一般情況 下，增大比例系數(shù) pK 會加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，有利于減少靜差。在整定時將積分系數(shù) iK 由小逐漸增加，積分作用就逐漸增強，觀察輸出會發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的靜差會逐漸減少直至消除。 設(shè)計中用到了 KEIL、 PROTEL99SE、 等設(shè)計與仿真軟件。通過本次設(shè)計，本人在老師的指引下學(xué)到。 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 28 結(jié) 論 本設(shè)計是以 AT89C51單片機為核心進行的，數(shù)據(jù)采樣模塊采用可直接輸出數(shù)字量的數(shù)字溫度傳感器 DS18B20，采用繼電器驅(qū)動模塊，通過對電燈的控制可實現(xiàn)溫度的自動控制，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)置和調(diào)節(jié)初始溫度值，進行顯示屏顯示，當(dāng)加熱到設(shè)定值后立刻報警的功能。最后確定 pK 值為 4。 （ 3）經(jīng)驗試湊法 試湊法就是根據(jù)控制器各參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響程度，邊觀察系統(tǒng)的運行，邊修改參數(shù)，直到滿意為止。這時的比例度叫臨界比例度 k? ，周期為臨界振蕩周期 kT 。 （ 3）微分部分 微分部分的數(shù)學(xué)表達式是 ????td tdeTKdp 。盡管近年來出現(xiàn)了很多先進的控制算法，但 PID 控制仍然返回 當(dāng)前溫度 設(shè)定溫度 是否報警 報警子程序 返回 開報警器，關(guān)閉電燈 N N Y Y 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 25 以其獨有的特點在工業(yè)控制過程中具有相當(dāng)大的比重，且控制效果相當(dāng)令人滿意。 報警子程序流程如圖 44 所示： 讀取實時溫度值 實時溫度與設(shè)定溫度是否相等 實時溫度比設(shè)定溫度大 關(guān)燈 開燈 N 返回 N Y Y 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 24