【正文】 增量式的 PID 控制算法。 溫控電路原理圖的設(shè)計(jì)使我受益匪淺。 因?yàn)樵谟?jì)算機(jī)控制中， 0a 、 1a 、 2a 都可以事先求出，所以，實(shí)際控制時(shí)只須獲得 ()ek 、 ( 1)ek? 、 ( 2)ek? 三個(gè)有限的偏差值就可以求出控制增量。據(jù)統(tǒng)計(jì)，有 90%以上的工業(yè)控制器采用 PID 控制器。功能是產(chǎn)生 +12V 和12V 兩個(gè)電源，提供給 RS232 串口電平的需要。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為計(jì)數(shù)器 2 的脈沖輸入。 (5) 每片 DS18S20 具有唯一的 64 位序列碼，這些碼允許多片 DS18S20 在同一條1Wire 總線上工作，因而，可方便地使用單個(gè)微處理器控制分布在大范圍內(nèi)的多片 DS18S20 器件。設(shè)定的分辨率越高，所需要的溫 度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)間就越長，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。 AT89C51 在每個(gè)機(jī)器周期的 S5P2 時(shí)對 INT0、線上中斷請求信號進(jìn)行一次檢測 ， 檢測方式和中斷觸發(fā)方式的選取有關(guān)。 當(dāng)輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號時(shí)需要通過一個(gè)二分頻觸發(fā)器，而對外部時(shí)鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 C51 單片機(jī) 系列包含有兩個(gè) 16 位的可編程定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器分別稱為定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 T0 和定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 T1；在 C51 部分產(chǎn)品中，還包含有一個(gè)用做看門狗的 8位定時(shí)器。在 FLASH 編程 的時(shí)候 ，此引腳用于輸入編程脈沖。 —— TXD（串行輸出口），輸出。在程序校驗(yàn)期間，輸出指令字節(jié)（需加外部上拉電路）?？?采 用 5V 的 電壓 來 編程，而且寫入時(shí)間僅 10 毫秒 ， 僅為 8751/87C51 的擦除時(shí)間的百分之一，與 8751/87C51 的 12V 電壓擦寫相比 ， 不易損壞器件 ， 沒有兩種電源的要求，改寫時(shí)不拔下芯片，適合許多嵌入式控制領(lǐng)域。 1982 年 Mostek 公司和 Intel 公司 又 先后 推出了 更高 性能 的 16 位單片機(jī)MK68200 和 MCS96 系列， NS 公司和 NEC 公司也分別在原有 8 位單片機(jī)的基礎(chǔ)上推出了 16 位單片機(jī) HPC16040 和 μPD783系列。 方案二 （如圖 12） ： 信號采集 信號放大 固態(tài)繼電器 信號放大 負(fù)載 溫度預(yù)置 比較器 圖 11 方案 一 框圖 此方案是傳統(tǒng)的二位式模擬控制方案，其基本思想與方案一相同，但由于采用上下限比較電 路，所以控制精度有所提高。而由于競爭越來越 激烈，現(xiàn)在企業(yè)發(fā)展的趨勢是如何最有效的提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。目前正 在 開發(fā)和研制計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的多因子綜合控制系統(tǒng)。 [2] 單片機(jī)是指芯片本身，而單片機(jī)系 統(tǒng) 則 是為實(shí)現(xiàn)某一個(gè)控制應(yīng)用需要由用戶設(shè)計(jì)的，是一個(gè)圍繞單片機(jī)芯片而組建的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。 南 京 工 業(yè) 大 學(xué) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 題 目： 基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng) 2020 年 6 月 基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘要 近年來隨著計(jì)算機(jī)在社會領(lǐng)域的滲透 ， 單片機(jī)的應(yīng)用正在不斷深入， 同時(shí)帶動(dòng)傳統(tǒng)控制檢測日新月益更新。單片機(jī)自問世以來，其 性能 就在 不斷提高和完善，其資源又能滿足很多應(yīng)用場合的需要，加之單片機(jī)具有集成度高、功能強(qiáng)、速度快、體積小、功耗低、使用方便、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，因此，應(yīng)用日益廣泛，并且正在逐步取代現(xiàn)有的多片微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。現(xiàn)在世界各國的溫度測控技術(shù) 都 發(fā)展很快，一些國家在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的基礎(chǔ)上正向著完全自動(dòng)化、無人化的方向發(fā)展。尋求性能可靠、價(jià)格低廉，且應(yīng)用廣泛的元器件是生產(chǎn)過程 中需 首先要考慮的問題 ， 因此像本設(shè)計(jì)這種控制簡單、精度較高、價(jià)格低廉的控制系統(tǒng)會有很好的發(fā)展前景，所以學(xué)好單片機(jī)技術(shù)也十分重要。這種方法還是模擬控制方式，因此也不能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法使控制精度做得較高，而且不能用數(shù)碼管顯示，對鍵盤進(jìn)行設(shè)定。 1987 年 Intel 公司又宣布了 比 8096 性能 高兩倍的 CMOS 型 80C196 單片機(jī) ，1988 年推出帶 EPROM 的 87C196 單片機(jī)。 AT89C51 芯片 有 三級程序存儲器鎖 定加密，提供了方便靈活而可靠的硬加密手段 ， 能完全保證程序或系統(tǒng)不被仿制。 P0 口（作為總線時(shí)）能驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) LSTTL 負(fù)載。 4．中斷 —— INT0 外部中斷 0，輸入。在平時(shí) 的時(shí)候 ， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈 沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器的核心是一個(gè)加 1 計(jì)數(shù)引腳上施加器，其基本 的 功能是加 1 功能。 4．芯片擦除 ： 整個(gè) PEROM 陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可 以 通過正確的控制信號組合，并保持 ALE 管腳處于低電平 10ms 來完成。若 設(shè)定 AT89C51 為電平觸發(fā)方式 （ IT0=0 或 IT1=0） ， 則 CPU 檢測到 INT0、 INT1 上低電平時(shí)就可認(rèn)定其上中斷請求有效 ； 若設(shè)定為邊沿觸發(fā)方式（ IT0=1 或 IT1=1） ， 則 CPU 需要兩次檢測 INT0、 INT1 線上電平方能確定其上中 斷請求是否有效 ， 即前一次檢測為高電平和 后一次檢測為低電平時(shí)中斷請求才有效。 DS18B20 采用 的是 3 腳 TO92 封裝，形如三極管，同時(shí)也有 8 腳 SOIC 封裝，還有 6 腳的 TSOC 封裝。 (6) DS18S20 的測量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號，以 “ 一線總線 ” 串行傳送給 CPU， 同時(shí)還可以傳送給 CRC 校驗(yàn)碼，它具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)的能力。計(jì)數(shù)器 1 和溫度寄存器被預(yù)置在 55℃ 所對應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道： 由 1 1 1 14 腳構(gòu)成兩個(gè)數(shù)據(jù)通道。 PID 控制器的發(fā)展經(jīng)歷了液動(dòng)式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式幾個(gè)階段，目前正由模擬控制器向著數(shù)字化、智能化控制器的方向發(fā)展。由于其控制輸出對應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置的增量，故 （ ） 式通常被稱為 PID 控制的增量式算式。 對常見的芯片有了更加廣泛的認(rèn)識，在電路設(shè)計(jì)中遇到許多問題，比如元器件的選擇（要考慮芯片的功能 、 性價(jià)比）、元器件的擺放位置等，經(jīng)過多個(gè)方案的取舍終于能夠設(shè)計(jì)出較為完整的電 路。而增量式中只須計(jì)算增量，算式中不需 要累加，控制增量的確定僅與最近幾次偏差采樣值有關(guān)，當(dāng)存在計(jì)算誤差或者精度不足時(shí)，對控制量的影響較小，且較容易通過加權(quán)處理獲得比較好的控制效果； (2) 由于計(jì)算機(jī)只輸出控制增量，所以誤動(dòng)作影響小，而且必要時(shí)可以用邏輯判斷的方法去掉，對系統(tǒng)安全運(yùn)行有利； (3) 手動(dòng)一自動(dòng)切換時(shí)沖擊比較小 。 PID 控制系統(tǒng)原理如圖 41 所示。 8 腳（ R2IN）、 9 腳（ R2OUT）、 10 腳（ T2IN）、 7 腳（ T2OUT）為第二數(shù)據(jù)通道。圖 3 中的斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正計(jì)數(shù)器 1 的預(yù)置值。 DS18B20 的引腳 圖 及引腳說明 TO92 封裝的 DS18B20 的引腳排列見下圖，其引腳功能描述見下： 圖 23 DS18B20 的引腳圖 引腳說明： TO92 封裝 符號 說明 1 GND 接地 2 DQ 數(shù)據(jù)輸入 /輸出引腳?！妗?AT89C51 內(nèi)部 具 有兩個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 ， 受內(nèi)部定時(shí)脈沖 （ 主脈沖經(jīng)12 分頻后 ） 或 T0/T1 引腳上輸入的外部定時(shí)脈沖計(jì)數(shù)。 AT89C51 設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以 使其 在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在單片機(jī)中，定時(shí)功能和計(jì)數(shù)功能的設(shè)定 和控制都是 需要 通過軟件來進(jìn)行的。 注意：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器 的時(shí)候 ，將跳過一個(gè) ALE 脈沖。 5．定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 —— T0 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 0 的外部輸入，輸入。在編程 /校驗(yàn) 的時(shí)候 ，用于輸入低位字節(jié)地址。 1288 位內(nèi)部 RAM， 32 位雙向輸入輸出線 ， 兩個(gè)十六位定時(shí)器 /計(jì)時(shí)器 ， 5 個(gè)中斷源 ， 兩級中斷優(yōu)先級 ， 一個(gè)全雙工異步串行口及時(shí)鐘發(fā)生器等。而 8 位單片機(jī)已經(jīng)可以 滿足大部分應(yīng)用的需要，因此，在推出 16 位單片機(jī)的同時(shí)，高性能的新型 8 位單片機(jī)也不斷問世。單片機(jī)軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程 來 實(shí)現(xiàn)各種控制算法和邏輯控制。以后的醫(yī)療服務(wù)會急速的向現(xiàn)代化，智能化 等 方向發(fā)展，從而增加了安全性，減少了操作的繁瑣性。我國工程技 術(shù)人員在吸收發(fā)達(dá)國家溫度測控技術(shù)的基礎(chǔ)上，才掌握了溫度室內(nèi)微機(jī)控制技術(shù)，該技術(shù)僅限于對溫度的單項(xiàng)環(huán)境因子的控制。溫度一詞在生產(chǎn)生活中 所 出現(xiàn)的 頻率日益增多，與之相對應(yīng)的，溫度控制和測量也成為了生活生產(chǎn)中頻繁使用的詞語，同時(shí)它們在各行各業(yè)中也發(fā)揮著重要的作用。 本文從硬件和軟件兩方面來講述水溫 的 自動(dòng)控制過程 ， 在控制過程中主要應(yīng)用 AT89C5 DS18B MAX232 等 ，而主要是通過 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器采集環(huán)境溫度，以單片機(jī)為核心控制部件。其中溫度控制在生產(chǎn)過程中占據(jù)了 相當(dāng)大的比例 [1]。先是采用模擬式的組合儀表，采集現(xiàn)場信息并進(jìn)行指示、記錄和控制。 目前，測溫控溫系統(tǒng)得到快速的發(fā)展，國外的測量控制系統(tǒng)已經(jīng)成熟，產(chǎn)品也較多。其特點(diǎn)是電路簡單，易于實(shí)現(xiàn)，但是系統(tǒng)所得 到的 結(jié)果的精度不高并且調(diào)節(jié)動(dòng)作頻繁，系統(tǒng)靜態(tài)差大、不穩(wěn)定。 1980 年 Intel 公司在 MCS48 系列 的 基礎(chǔ) 之 上又推出高性能的MCS51 系列單片機(jī)。 AT89C51 可 以 構(gòu)成真正的單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)，縮小系統(tǒng)體積 ， 增加系統(tǒng)的可靠性，降低了系統(tǒng)成本。 2． I/O（ 4 個(gè)口， 32 根） P0 口 —— 8 位、漏極開路的雙向 I/O 口。 P3 口可以輸入 /輸出4 個(gè) LSTTL 負(fù)載。 ALE 可以驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) LSTTL 負(fù)載。在訪問片外擴(kuò)展存儲器 的時(shí)候 ，低八位地址和數(shù)據(jù)由 P0口分時(shí)傳送，高八位地址由 P2 口傳送。石晶振蕩和陶 瓷振蕩均可 以 采用。 （ 1） 外部中斷源 AT89C51 具 有 INT0 和 INT1 兩條外部中斷請求輸入線 ， 用于輸入兩個(gè)外部中斷源的中斷請求信號 ， 并允許外部中斷源以低電平或負(fù)邊沿兩種中斷觸發(fā)方式來輸入中斷請 求信號。它還有負(fù)壓特性，電源極性接反時(shí)， DS18B20 不會因接錯(cuò)線而燒毀，但不能正常工作。 (4) DS18S20 具有 55℃ 至 +125℃ 的工作溫度范 圍，在 10℃ 至 +85℃ 溫度范圍內(nèi)精 度為 177。 DS18B20 測溫原理如圖所示。 主要性能： ? 單 5V 電源工作 ? 先進(jìn)的 CMOS 制造工藝制造 ? 兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器及兩個(gè)接收器 ? 177。盡管自 1940 年以來，許多先進(jìn) 的控制方法不斷推出，但由于 PID 控制方法具有結(jié)構(gòu)簡單、魯棒性好、可靠性高、參數(shù)易于整定， P、 I、D 控制規(guī)律各自成獨(dú)立環(huán)節(jié)，可根據(jù)工業(yè)過程進(jìn)行組合，而且其應(yīng)用時(shí)期較長，控制工程師們已經(jīng)積累了大量的 PID 控制器參數(shù)的調(diào)節(jié)經(jīng)驗(yàn)。為此，對 （ ） 式作如下的變動(dòng)： 考慮到第 ( 1)k? 次采樣時(shí)有 ? ?101( 1 ) ( 1 ) ( ) ( 1 ) ( 2 )k DP j TTu k K e k e j e k e kTT????? ? ? ? ? ? ? ?????? （ ） 使 （ ） 式兩邊對應(yīng)減去 （ ） 式，得 ? ?1( ) ( 1 ) ( ) ( 1 ) ( ) ( ) 2 ( 1 ) ( 2 )DP TTu k u k K e k e k e k e k e k e kTT??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ????? 整理后得 ? ?110 1 2( ) ( 1 ) ( ) ( 1 ) ( ) ( ) 2 ( 1 ) ( 2 )2( 1 ) ( 1 ) ( ) ( 1 ) ( 1 ) ( 2 )( 1 ) ( ) ( 1 ) ( 2 )DPD D DP P PTTu k u k K e k e k e k e k e k e kTTT T TTu k K e k K e k K e kT T T Tu k a e k a e k a e k? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ?（ ） 其中，0 1(1 )DP TTaK TT? ? ?，1 2(1 )DP TaK T??，2 DP TaKT?， （ ） 式就是 PID位置式得遞推形式。 本文 簡單分析了單片機(jī)溫度控制系統(tǒng) ，并按照有關(guān)要求完成了單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中以溫度傳感器、 PID 控制、主體電路原理圖為核心內(nèi)容。 附錄中給出了本系統(tǒng)的 PID 控制算法源程序。 [14] PID 控制算法 由于計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制系統(tǒng)，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量。 主要特點(diǎn)： ? 符合所有的 RS232C 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) ? 只需要單一