【正文】 的數(shù)值需要取反加 1 再乘于 即可得到實(shí)際溫度。只要電源VCC 的上升時(shí)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。P1 端口的輸出緩沖器可驅(qū)動 4 個(gè) TTL 輸入。 P2 端口 (～ )： P2是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O端口。 RST（ 9 腳）： RST 是復(fù)位信號輸入端，高電平有 效。河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 ⑧片內(nèi)振蕩器和時(shí)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。 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。這種顯示方式 幾乎不占用 CPU 資源，節(jié)約 CPU 使用率。正因?yàn)槿绱?，靜態(tài)顯示器的亮度高。同樣，共陽極 LED 顯示器的工作原理也一樣。理由： DS18B20 傳感器精度高、互換性好 。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。 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。 基于 proteus和 keil 的聯(lián)合調(diào)試仿真測試平臺，對所設(shè)計(jì)的軟、硬件進(jìn)行調(diào)試和仿真。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。 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)。 主程序流程圖及程序設(shè)計(jì) ........................................................................... 20 167。 串行口顯示電路 .................................................................................... 12 167。 系統(tǒng)方案總圖 .................................................................................................. 2 167。隨著各種行業(yè)對溫度精度的要求越來越高，對溫控系統(tǒng)穩(wěn)定性要求也越來越嚴(yán)格。 本溫度控制系統(tǒng)以 89C51 單片機(jī)為核心，用 數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 來測量溫度，并將采樣數(shù)據(jù)送至單片機(jī)進(jìn)行位置式 PID 運(yùn)算。 溫度傳感器選擇 ...................................................................................... 4 167。 自動控制概述 ................................................................................................ 16 167。 PID 控制程序設(shè)計(jì) ......................................................................................... 23 167。 本溫度控制系統(tǒng)為以 89C51 單片機(jī)為核心，使用 DS18B20 傳感器實(shí)現(xiàn)了對溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測并將采集到的數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)了控制的智能化。總體方案經(jīng)過反復(fù)推敲，確定了以美國 Atmel 公司推出的 51系列單片機(jī)為溫度智能控制系統(tǒng)的核心，并選擇集成數(shù)字傳感器、固態(tài)繼電器控制電路、數(shù)碼顯示器等元件，總體方案如圖 11。 ③ 目前支持的單片機(jī)類型有： 68000 系列、 8051 系列、 AVR 系列、 PIC12系列、 PIC16 系列、 PIC18 系列、 Z80 系列、 HC11 系列以及各種外圍芯片。其特點(diǎn)是，在工作范圍內(nèi)阻值隨溫度聲高而降低。其不足之處在于溫度范圍有限，并且需要一個(gè)外部參考源。 167。而各位的共陰極分別有相應(yīng)的 I/O 口線控制，實(shí)現(xiàn)各位的分時(shí)選通。顯示器由 5 個(gè)共陰極 LED 數(shù)碼管組成，只需占用 2 個(gè) I/O 口。 167。 ③片內(nèi) 256 字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器 RAM/SFR,用以存放可以讀 /寫的數(shù)據(jù)，如運(yùn)算的中 間結(jié)果、最終結(jié)果以及欲現(xiàn)實(shí)的數(shù)據(jù)等。在采用外部時(shí)鐘時(shí)，該引腳輸入外部時(shí)鐘脈沖。 P1 端口 (～ )： P1是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O端口。 P2 端口做輸入口使用時(shí)，因?yàn)橛袃?nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個(gè)電流。 在 89C51 中， P3 端口還用于一些復(fù)用功能。 圖 22 DS18B20 引腳圖 : NC(1 、 2 、 6 、 7 、 8 腳 ) :空引腳 ,懸空不使用 。 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 第 4 字節(jié)為配置寄存器，其內(nèi)容用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率， DS18B20工作時(shí)按此寄存器中的分辨率將溫度轉(zhuǎn)換為相應(yīng)精度的數(shù)值。轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就以 16 位帶符合擴(kuò)展的二 進(jìn)制補(bǔ) 碼形式存儲在寄存器中。另一種是寄生電源供電方式，單片機(jī)端口接單線總線，為保證在有效的 DS18B20時(shí)鐘周期內(nèi)提供足夠的電流， 需用一個(gè) MOSFET管來完成對總線的上拉。 靜態(tài)顯示電路如圖 26 所示。 按鍵控制電路 采用獨(dú)立式按鍵設(shè)計(jì)，即各按鍵相互獨(dú)立地接通一條輸入數(shù)據(jù)線，如圖27所示。 驅(qū)動控制電路 圖 28 驅(qū)動控制電路 固態(tài)繼電器 由于沒有運(yùn)動的零部件，因此能在高沖擊，振動的環(huán)境下工作，由于組成固態(tài)繼電器的元器件的固有特性，決定了固態(tài)繼電器的壽命長，可靠性高 。經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論幾十年的發(fā)展和應(yīng)用，在空間技術(shù)、軍事科學(xué)和工業(yè)控制等各個(gè)領(lǐng)域都獲得了較為顯著的成效。 (P)控制 比例控制是一種最簡單的控制方式。因此，比例 +積分控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 PID 控制算法 167。 比例控制器能夠產(chǎn)生與輸入信號成比例的輸出信號，所以誤差一旦產(chǎn)生，控制器立即就有控制作用，使被控制量朝 著減小誤差的方向變化，控制作用的強(qiáng)弱取決于比例系數(shù) KP。采用 PID控制器，無論從靜態(tài)，還是從動態(tài)的角度來說，控制品質(zhì)都得到了改善，因而 PID 控制器成為了一種應(yīng)用最廣泛的控制器。 由于位置式輸出的是 PWM 的占空比，根據(jù)已確定的加熱周期 T，可以計(jì)算出在每一個(gè)加熱周期中，高低電平輸出的時(shí)間，通過 定時(shí)器可以實(shí)現(xiàn)對固態(tài)繼電器通斷時(shí)間的控制，即控制了系統(tǒng)在每一個(gè)采樣周期內(nèi)的加熱時(shí)間。 按鍵控制流程圖如圖 42所示。 E(K)+KD[E(K)2E(K1)+E(K2)] =P(K1)+PP+PI+PD 式 41 根據(jù)式 41編程，相應(yīng)的程序框圖如圖 44所示： 開 始采 入 測 量 值 和 設(shè) 定 值初 始 化 參 數(shù)計(jì) 算 偏 差控 制 器 輸 出更 新 參 數(shù)返 回 圖 44 PID 控制流程圖 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 167。調(diào)試成功后，會生成目標(biāo)文件 ，將該文件添加至 89C51芯片中進(jìn)行仿真。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn) 單片機(jī) 與外部數(shù)字器件硬件連接以及它們之間的接口通信，功能模塊化設(shè)計(jì)提高了控制系統(tǒng)的可靠性。在本次設(shè)計(jì)中，無論 從選題、構(gòu)思、資料收集還是開題、研究撰寫、直至定稿的整個(gè)期間，高 老師花費(fèi)了寶貴的時(shí)間，傾 注了大量的心血，給我以細(xì)心的指引和孜孜不倦的教導(dǎo)，當(dāng)中提供了許多寶貴建議，使我最終完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。 // 比例常數(shù) Proportional Const double Integral。 // 偏差 ppSumError += Error。 // PID Control Structure int rOut。 // Set PID Setpoint for (。 } if(++tick==50000) { P32 = 1。6,7,8,9,a,b db 58h,5eh,7bh,71h,0,40h。 } else{。 // Perform PID Interation actuator ( rOut )。 // Initialize Structure = 。 return (ppProportion * Error // 比例項(xiàng) + ppIntegral * ppSumError // 積分項(xiàng) + ppDerivative * dError // 微分項(xiàng) )。 // Error[2] double SumError。在此，謹(jǐn)向他們表示由衷的感謝 ! 需要特別指出的是，感謝四年來所有那些在學(xué)習(xí)和生活中曾經(jīng)幫助過我的老師！他們的傳道、授業(yè)、解惑給了我寶貴的專業(yè)知識和技能，對待學(xué)習(xí)、生活的態(tài)度以及做人的道理。為了提高該控制系統(tǒng)的實(shí)用化，可以從以下方面改進(jìn)完善：采用智能 PID 自整定控制算法，應(yīng)用于不同控制對象時(shí)，程序可以根據(jù)受控對象的階躍響應(yīng)特性自動整定得出 PID 控制參數(shù)，再根據(jù)這組參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到最佳控制參數(shù)。河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 結(jié) 論 本文緊密圍繞溫度控制展開課題研究，確定了以 單片機(jī)為核心控制器，配合使用集成 數(shù)字 傳感 器件并進(jìn)行 PID控制的溫控方案，為溫度控制提供了一個(gè)新的思路。每片的并行輸出作為 LED 數(shù)碼管的 段碼。 DS18B20 的操作必須嚴(yán)格按照協(xié)議進(jìn)行。 167。若設(shè)溫度采樣周期為 T,第 n 次采樣得到的輸入偏差為 ne ,輸出為 nU 。積分控制作用的加入，雖然可以消除靜差，但是以降低響應(yīng)速度作為代價(jià)的。 所以自 PID 控制 器出現(xiàn)以來，無論在控制理論方面，還是在控制儀表、設(shè)備方面都有很大的發(fā)展和應(yīng)用。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前方，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。對一河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 個(gè) 自動控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制 器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為方便。河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 第 3章 控制理論 167。通過讀 I/O口，判斷各 I/O口的電平狀態(tài)，即可識別出按下的按鍵。輸入只用兩個(gè)信號，它們是串行口 RXD和移位信號口 TXD。 U3即為溫度傳感芯DSl8B20,本設(shè)計(jì)雖然只使用了一片 DSl8B20,但由于不存在遠(yuǎn)程溫度測量的考慮 ,所以為了簡單起見 ,采用外部 電源 供電 的方式 ,如圖 24所示。計(jì)數(shù)器 1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器 1的預(yù)置值減到 0時(shí) ，溫度寄存器的值將加 1，計(jì)數(shù)器 1的預(yù)置將重新被裝入，計(jì)數(shù)器 1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到計(jì)數(shù)器 2 計(jì)數(shù)到 0時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。因此，在實(shí)際應(yīng)用中要將分辨率和轉(zhuǎn)換時(shí)間權(quán)衡考慮。 DS18B20 中有用于存儲測得溫度值的 2 個(gè) 8 位寄存器 ,它們存儲的溫度數(shù)據(jù)由 2 個(gè)字節(jié)組成 ,分別為 LS Byte(低字節(jié) ) 和 MS Byte(高字節(jié) ) ,MS Byte 的高 5 位存放溫度值的符號 ,如果溫度為負(fù) ( ℃ ),則 MS Byte 的高 5 位全為 1,否則全為 0。在通電瞬間，電容 C 通過電阻 R 充電 ,RST 端出現(xiàn)正脈沖，用以復(fù)位。 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 P3 端口 (～ )： P2是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O端口。在對Flash ROM 編程和程序校驗(yàn)時(shí)， P1 接受低 8 位地址。要檢查 89C51 的震蕩電路是否正常工作，可以用示波器查看 XTAL2 端是否有脈沖信號輸出。 ⑦一個(gè)全雙工 UATR(通用異步接收發(fā)送器 )的串行 I/0口，用于實(shí)現(xiàn)單片機(jī)之間或單片機(jī)與微機(jī)之間的串行通信。 AT89C51 是 AT89 系列單片機(jī)中的一種精簡產(chǎn)品，具有比 80C31 更豐富的硬件資源，特別是其內(nèi)部增加的閃速可電改寫的存儲器 Flash ROM 給單片機(jī)的開發(fā)及應(yīng)用帶來了很大的方便。 74LS164 為 8 位串入并出移位寄存器， 2 為串行輸入端， Q0～ Q7 為并行輸出端， CLK 為移位時(shí)鐘脈沖，上升沿移入一位；MR 為清零端，低 電平時(shí)并 行輸出為零。 LED 顯示器工作于靜態(tài)顯示方式時(shí)，各位的共陰極接地；每位的段選線分別與一個(gè) 8 位鎖存器的輸出口相連，顯示器中的各位相互獨(dú)立，而且各位的顯示字符一經(jīng)確定，相應(yīng)所 存的輸出將維持不變。當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陽極為高電平時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮，相應(yīng)的段被顯示。 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 方案選擇：選擇方案 3。 AD590 型溫度傳感器 。 硬件單元方案設(shè)計(jì)與選擇 167。 實(shí)驗(yàn)方案