【正文】 t e r d r TT d t? ? ?? () 其中 pK —— 比例放大系數(shù) ， iT —— 積分時間， DT —— 微分時間。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。 PID 控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的 [38]。 基于單片機的飲水機溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計 18 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計 系統(tǒng)的軟件由三大模塊組成：主程序模塊、功能實現(xiàn)模塊和運算控制模塊。 如圖 (b)顯示。 表 溫度轉(zhuǎn)換表 Temperature Digital Output (Binary) Digital Output (Hex) +125 C? 0000 0111 1101 0000 07D0h +85 C? 0000 0101 0101 0000 0550h + C? 0000 0001 1001 0001 0191h + C? 0000 0000 1010 0010 00A2h + C? 0000 0000 0000 1000 0008h 0 C? 0000 0000 0000 0000 0000h C? 1111 1111 1111 1000 FFF8h C? 1111 1111 0101 1110 FF5Eh C? 1111 1110 0110 1111 FE6Fh 55 C? 1111 1100 1001 0000 FC90h 低五位一直都是 “ 1” ， TM 是測試模式位，用于設(shè)置 DS18B20在工作模式還是在測試模式。 64位光刻 ROM的排列是：開始 8位（ 28H）是產(chǎn)品類型標號，接著的 48位是該 DS18B20自身的序列號，最后 8位是前面 56位的循環(huán)冗余校驗碼（ CRC = X8+X5+X4+1） 。 DS18B20工作原理 DS18B20 的讀寫時序和測溫原理與 DS1820 相同，只是得到的溫度值的位數(shù)因分辨率不同而不同，且溫度轉(zhuǎn)換時的延時時間由 2s 減為 750ms。 (4)DS18B20在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。該序號值存放在 DS18B20 內(nèi)部的 ROM(只讀存貯器 )中，低 8 位是產(chǎn)品類型編碼 (DS18 加編碼均為 10H)，中間 48 位是每個器件唯一的序號，高 8 位是前面56 位的 CRC(循環(huán)冗 余校驗 )碼。℃ )等特點 ， 可以應(yīng)用于恒溫控制、工業(yè)系統(tǒng)、消費類產(chǎn)品、溫度計以及其他熱敏感系統(tǒng)。 溫度 傳感器的工作 原理 DS18B20 是由美國 DALLAS 公司提供的一種一線總線系統(tǒng)的數(shù)字溫度傳感器，它可提供二進制 9 位溫度信息，經(jīng)過一線總線接口送入主機處理器。這些都是應(yīng)用十分廣泛的 PWM 波。如直流斬波電路及 本章主要介紹的 PWM 逆變電路，其 PWM 波都是由直流電源產(chǎn)生，由于直流電源電壓幅值基本恒定，因此 PWM 波是等幅的。這就是 PWM波形。從波形可以看出，在 i(t)的上升段，脈沖形狀不同時 i(t)的形狀也略有不同，但其下降段則幾乎完全相同。沖量即窄脈沖的面積。 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 電源電路 電源是整個系統(tǒng)的能量來源，它直接關(guān)系到系統(tǒng)能否運行。 AT89C51 可構(gòu)成真正的單片機最小應(yīng)用系統(tǒng)，縮小系統(tǒng)體積，增加系統(tǒng)的可靠性，降低系統(tǒng)的成本。 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 單片機控制部分 此部分是電路的核心部分，系統(tǒng)的控制采用了單片機 AT89C51。 R 1D Q4 . 7 K5 VD S 1 8 B 2 0G N D 圖 溫度檢測電路圖 DS18B20 管腳 GND 為電源地， DQ 為數(shù)字信號輸入 /輸出端， VDD 為外接供電電源接入端（用寄生電源方式時接地）。其工作過程及其編程在軟件設(shè)計部分介紹。本系 統(tǒng)用的是 TO92 封裝。 方案 2：本方案的 CPU 模塊采用 2051 芯片，其內(nèi)部有 2kB 單元的程序存儲器，不需外部擴展程序存儲器?！?，其各方面特性都滿足此系統(tǒng)的設(shè)計要求。采用了溫度傳感器 DS18B20 采集溫度變化信號， 該傳感器可以直接采集數(shù)字信號 并通過單片機處理后去控制溫度，使其達到穩(wěn)定。 (3) 擴展功能 ①具有通信能力，可接收其他數(shù)據(jù)設(shè)備發(fā)來的命令，或?qū)⒔Y(jié)果傳送到其他數(shù)據(jù)設(shè)備。但是利用 AT89C51 單片機為核心，配合溫度傳感器，信號處理電路，顯示電路，輸出控制電路，故障報警電路等組成，軟件選用匯編語言編程。 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 [2]。 關(guān)鍵詞 ： AT89C51； DS18B20； PID 控制 。本 系統(tǒng) 以 ATMEL 公司的 AT89C51 單片機為核心，由DS18B 信號處理電路 、 鍵盤控制電路 、 LED 顯示電路 、 輸出控制電路 等構(gòu)成。特別是其中的 C51 系列單片機的出現(xiàn)，由于它具有極好的穩(wěn)定性，更快和更準確的運算精度 [1]，它的出現(xiàn)不但推動了工業(yè)的生產(chǎn)，也影響著人們的工作和學(xué)習(xí) 。而當今，隨著電子行業(yè)的迅猛發(fā)展，計算機技術(shù)和傳感器技術(shù)的不斷改進，而且計算機和傳感器的價格也日益降低，可靠性逐步提高，用信息技術(shù)來實現(xiàn)水溫控制并提高控制的精確度不僅是 可以達到的而且是容易實現(xiàn)的。 (2) 主要性能指標 ①溫度設(shè)定范圍 ： 0~95℃ ， 最小區(qū)分度為 1℃ 。我們提出以下兩種方案： 方案 1：此方案是采用傳統(tǒng)的二位模擬控制方法 ，選用模擬電路，用電位器設(shè)定給定值，采用上下限比較電路將反饋的溫度值與給定的溫度值比較后，決定加熱或者不加熱。 方案 2： 采用溫度傳感器 DS18B20。 方案 2： 采用單片機 AT89C51 的串口對主電路進行通信，并對 LED 顯示進行控制這種方案既能很好的控制顯示，又為主單片機大大的減少了程序的復(fù)雜性，而且具有體積小，價格便宜的特點 [11]。 模擬部分和數(shù)字部分 ： 主機電路、數(shù)據(jù)采集電路、 顯示電路、控制執(zhí)行電路 [3]。 (4)溫度轉(zhuǎn)換時間 ： DS18B20 的轉(zhuǎn)換時間與設(shè)定的分辨率有關(guān) ， 當設(shè)定為 9 位時最大轉(zhuǎn)換時間為 ； 10 位時 ， 為 ms； 11 位時 ， 為 375ms； 12 位時 ， 為 750ms。且其信息傳輸只需 1 根信號線 ， 與單片機接口十分簡便 。采用脈寬調(diào)制輸出控制電爐與電源的接通和斷開比例，以通斷控制調(diào)壓法控制電爐的輸入功率。 (1)AT89C51 的特點 ① AT89C51 與 MCS51 系列的單片機在指令系統(tǒng)和引腳上完全兼容； ② 片內(nèi)有 4K 字節(jié)在線可重復(fù)編程快擦寫程序存儲器； ③ 全靜態(tài)工作 ， 工作范圍 ： 0Hz~24MHz； E A /V P31X119X218R E S E T9RD17WR16IN T 012IN T 113T014T115P 101P 112P 123P 134P 145P 156P 167P 178P 0039P 0138P 0237P 0336P 0435P 0534P 0633P 0732P 2021P 2122P 2223P 2324P 2425P 2526P 2627P 2728P S E N29A L E / P30T X D11R X D10U08 9C 5 1R6R E S 2R5R E S 2+ 7V2 20 V~U1D1A M PQ1Q2V C CR7R E S 2R8R E S 2R9R E S 2C9IC 1IG B T 圖 控制執(zhí)行部分電路 ④ 三級程序存儲器加密； ⑤ 1288 位內(nèi)部 RAM； ⑥ 32 位雙向輸入輸出線； ⑦ 兩個十六位定時器 /計數(shù)器 ； ⑧ 五個中斷源 ， 兩級中斷優(yōu)先級； ⑨ 一個全雙工的異步串行口； ⑩ 間歇和掉電兩種工作方式 。 P0 口是三態(tài)雙向口 ， 通稱數(shù)據(jù)總線口 ， 因為只有該口能直接用于對外部存儲器的讀 /寫操作。 PWM（ Pulse Width Modulation）控制就是對脈沖寬度進行調(diào)制的技術(shù) ， 通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值） 。圖中 e(t)為電壓窄脈沖，其形狀和面積分別如圖 (a)、 (b)、 (c)、 (d)所示，為電路的輸出。 下面分析如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波 如圖 。 要改變等效輸出正弦波的幅值時，只要按照同一比例系數(shù)改變上述各脈沖的寬度即可。除此之外，也還有 PWM 電流波。對管的輸出經(jīng)電阻 R1 驅(qū)動 IGBT， R3 為柵射結(jié)保護電阻， R2 與穩(wěn)壓管 VS1 構(gòu)成負偏壓產(chǎn)生電路， VS1 通常選用 1W/ 的穩(wěn)壓管。 為了適應(yīng)不同場合的測溫要求 ，DS18B20 采用 3 種封裝形式 ， 即 TO29 8 腳 SO、 8 腳 可用于遠距離測溫 ， 后兩種可安裝于儀器設(shè)備的內(nèi)部 ， 用于環(huán)境溫度監(jiān)測或室內(nèi)溫度監(jiān)測等 。 當 DS18B20 采用外部供電方式時 ， 主機可以在發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換指令后發(fā)起一次讀時隙 .若此時該 DS18B20 已經(jīng)完成溫度轉(zhuǎn)換 ， 它將會返回 “ 1” ， 否則返回 “ 0” 。 其主要特性有： (1)適應(yīng)電壓范圍更寬，電壓范圍： ～ ，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電。 (8)測量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號，傳送給 彈片機 可傳送 CRC校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力 [28]。計數(shù)器 1 對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當計數(shù)器1 的預(yù)置值減到 0 時，溫度寄存器的值將加 1，計數(shù)器 1 的預(yù)置將重新被裝入，計數(shù)器 1 新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到計數(shù)器 2 計數(shù)到 0 時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。 圖 DS18B20 測溫原理 (3)DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲器包括一個高速暫存 RAM和一個非易失性低溫度系數(shù)晶振高溫度系數(shù)晶振斜率累加器預(yù)置計數(shù)器 1計數(shù)器 2溫度寄存器比較減到0減到0預(yù)置停止加 1LSB置位 / 清除 6 4 位ROM和單線接口存儲器與控制邏輯高速緩存溫度傳感器高溫觸發(fā)器 TH低溫觸發(fā)器 TL配置寄存器8 位 CRC 發(fā)生器GNDDQVCC基于單片機的飲水機溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計 16 的可電擦除的 EEPRAM， 后者存放高溫度和低溫度觸發(fā)器 TH、 TL和結(jié)構(gòu)寄存器。 LED 數(shù)碼管是由發(fā)光二極管作為顯示字段的數(shù)碼型顯示器件。 LED 數(shù)碼管的使用與發(fā)光二極管相同，根據(jù)其材料不同，正向降壓一般為~2V， 額定電流為 10mA，最大電流為 40mA。當被控對象的結(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，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用PID 控制技術(shù)最為方便。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)。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，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這些復(fù)雜的控制技術(shù)有純滯后控制技術(shù) ： 施密斯預(yù)估控制、達林算法 、 串級控制技術(shù) 、 前饋一后饋控制技術(shù) 、 解禍控制技術(shù)和模糊控制技術(shù)等。 PID 控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。雙機串口通訊流程圖如圖 所示。 該軟件的特點： ① 全部滿足我們提出的單片機軟件仿真系統(tǒng)的標準，并在同類產(chǎn)品中具有明顯的優(yōu)勢。 自動可調(diào)寬度邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 脈沖 控制程序如下： OUT： EQU OUTBIT： EQU 7FH ORG 0000H AJMP MAIN ORG 000BH AJMP CTC_INT ORG 0030H MAIN： MOV TMOD,01H MOV TH0,3CH MOV TL0,0B0H SETB TR0 SETB EA SETB ET0 WAIT： SJMP WAI CTC_INT：