【正文】 溫度控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于社會生活的各個(gè) 領(lǐng)域 ， 如何提高溫度控制對象的運(yùn)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(shí)，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(shí)行先比例、后積分的步驟進(jìn)行整定。再按經(jīng)驗(yàn)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(gè)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(dá)式是 ??dtteTK tip ?0，從它的數(shù)學(xué)表達(dá)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(shí)，它的積分才是一個(gè)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(jì)（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(yàn)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(fù)責(zé)溫度的實(shí)時(shí)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(jìn)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(shí)鐘電路，溫度報(bào)警電路，顯示電路等，制作出符合設(shè)計(jì)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(gè)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(gè)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(shí)，總線主機(jī)可能不知道單線總線上的器件個(gè)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(gè) 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(shí)，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(jī)和從機(jī)之間的通信主要分 3 個(gè)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(jī)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(shí)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(shí)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(gè)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(jì)，十分方便。獨(dú)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(shí) 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(gè)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(jì)（論文） 12 動的影響。 第 15～ 16腳： 空腳 或背燈電源。它由若干個(gè) 5X7或者 5X11等 點(diǎn)陣 字符位組成，每個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個(gè)字符，每位之間有一個(gè)點(diǎn)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?yàn)槿绱怂运荒芎芎玫仫@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(shí)，單片機(jī)再次啟動加熱器，如此循環(huán)反復(fù)，以達(dá)到恒溫控制的目的。 I/O 端口，在樣機(jī)研制出來后進(jìn)行現(xiàn)場試用時(shí)，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(jī)的串行口 輸出數(shù)據(jù)，顯示多位數(shù)碼，多個(gè)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(shí)時(shí)溫度與 設(shè)定 溫度進(jìn)行比對，以調(diào)節(jié)溫度。 設(shè)計(jì)思路分析 設(shè)計(jì) 51 單片機(jī)的恒溫箱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮下面 4 個(gè)方面的內(nèi)容： （ 1）選擇合適的溫度傳感器芯片。 單片機(jī)的接口信號是數(shù)字電信號，要想用單片機(jī)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(jī)為核心，溫度顯示的組成。數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 只用一個(gè)引腳即可與單片機(jī)進(jìn)行通信，大大減少了接線的麻煩，使得單片機(jī)更加具有擴(kuò)展性。因此一個(gè)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(shí)設(shè)定等 )；對電加熱管的控制功能；一些功能鍵 (如定時(shí)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(hù)，限溫保護(hù)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(jìn)行調(diào)試，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)置和調(diào)節(jié)初始溫度值，進(jìn)行顯示屏顯示，當(dāng)加熱到設(shè)定值后立刻報(bào)警。傳統(tǒng)的溫度采集方法不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且精度差，單片機(jī)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(jì)。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，單片微處理器功能日益增強(qiáng)，價(jià)格低廉，在各方面得到廣泛應(yīng)用。利用微機(jī)對溫度進(jìn)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(jì)效益。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(jī)得到鞏固發(fā)展，以及 16 位單片機(jī)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(jì)。因此一個(gè)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(jì)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(jì)采用第四種方案，利用數(shù)字溫度計(jì) 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(shí)時(shí)溫度顯示。 （ 2）留有設(shè)計(jì)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(bào)警 按鍵控制 溫度顯示 微控制器 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 圖 32 時(shí)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(gè)部件及整體設(shè)計(jì)做詳細(xì)的介紹。 第 5腳： RW 為讀寫信號線，高電平 (1)時(shí)進(jìn)行讀操作，電平 (0)時(shí)進(jìn)行寫操作。 開關(guān)鍵盤設(shè)計(jì) 按鍵開關(guān)為機(jī)械彈性開關(guān)，當(dāng)按下鍵帽時(shí)，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(gè)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(gè)引腳被斷開。在控制電路中，如果按鍵數(shù)不多 時(shí) 可以使用一個(gè)按鍵對應(yīng)一條輸入位線控制，即獨(dú)立式按鍵。同時(shí)，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(shí)都設(shè)有唯一的產(chǎn)品序列號，因此多個(gè) 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(diǎn)溫度測控系統(tǒng)。 （ 7）支持多點(diǎn)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(shí)現(xiàn)單線多掛接，多個(gè) 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(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測溫。主機(jī)可以是微控制器，從機(jī)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(jī)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(jì)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(jì)數(shù)器所需要的計(jì)數(shù)個(gè)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(jī)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(gè)或多個(gè)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(bào)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(shí)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(shí)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(jì)算），則： 實(shí)際溫度 =370H╳ =880╳ =℃ 。 軟件任務(wù)分析時(shí)，應(yīng)將各執(zhí)行模塊一一列出，并為每一個(gè)執(zhí)行模塊進(jìn)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)?shí)時(shí)性要求不是太高，延時(shí)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(shí)時(shí)性要求較高的內(nèi)容，如定時(shí)系統(tǒng)和外部中斷。 系統(tǒng)控制算法 PID 調(diào)節(jié)的實(shí)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(jìn)行運(yùn)算，將其運(yùn)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(jìn)行變換可得到增量型 PID 控制算法。 pK ：比例系數(shù)； iT ：積分時(shí)間常數(shù)； dT ：微分時(shí)間常數(shù)。越大，則抑制誤差 )(te 變化的作用越強(qiáng)， 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(shí)將積分系數(shù) iK 由小逐漸增加，積分作用就逐漸增強(qiáng)，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(jì)中用到了 KEIL、 PROTEL99SE、 等設(shè)計(jì)與仿真軟件。通過本次設(shè)計(jì)，本人在老師的指引下學(xué)到。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 結(jié) 論 本設(shè)計(jì)是以 AT89C51單片機(jī)為核心進(jìn)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(shí)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(jìn)行顯示屏顯示，當(dāng)加熱到設(shè)定值后立刻報(bào)警的功能。最后確定 pK 值為 4。 （ 3）經(jīng)驗(yàn)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(yùn)行，邊修改參數(shù)，直到滿意為止。這時(shí)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(dá)式是 ????td tdeTKdp 。盡管近年來出現(xiàn)了很多先進(jìn)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(bào)警 報(bào)警子程序 返回 開報(bào)警器，關(guān)閉電燈 N N Y Y 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 以其獨(dú)有的特點(diǎn)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(bào)警子程序流程如圖 44 所示： 讀取實(shí)時(shí)溫度值 實(shí)時(shí)溫度與設(shè)定溫度是否相等 實(shí)時(shí)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(jì)（論文） 24