基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)(編輯修改稿)
2025-07-24 19:43 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 寫數(shù)據(jù)是指要顯示什么內(nèi)容。（2） 讀/寫控制端設(shè)置為寫模式，即低電平。（3） 將數(shù)據(jù)或命令送至數(shù)據(jù)線。（4） 給E一個(gè)高脈沖將數(shù)據(jù)送入液晶控制器，完成寫操作。 DS18B20溫度采集模塊的設(shè)計(jì)DS18B20的管腳排列如圖47所示，DQ為數(shù)字信號(hào)輸入/輸出端；GND 為電源地；VDD為外接供電電源輸人端。本溫度控制系統(tǒng)采用外接供電方式，電路圖如下圖48所示圖47 DS18B20管腳圖圖48 DS18B20電路圖 DS18B20的分辨率DS18B20溫度傳感器可完成對(duì)溫度的測量，溫度分辨率的設(shè)定能夠影響到溫度傳感器的轉(zhuǎn)換時(shí)間和轉(zhuǎn)換的精確度[11]。溫度的分辨率設(shè)置如表49所示。表49：溫度分辨率設(shè)置表R1R0分辨率溫度最大轉(zhuǎn)換時(shí)間009位0110位1011位375ms1112位750ms由于本系統(tǒng)的對(duì)被控的對(duì)象的溫度采集的實(shí)時(shí)要求較高，所以選擇DS18B20的分辨率位12位，滿足溫度系統(tǒng)的控制的精度的要求，所以R1和R0的設(shè)置分別為R1=1,R0=1。 DS18B20工作時(shí)序圖（1） 初始化（時(shí)序圖見410）圖410初始化時(shí)序（2）寫數(shù)據(jù)（時(shí)序圖見圖411）圖411寫數(shù)據(jù)時(shí)序（3） 讀數(shù)據(jù)（時(shí)序圖見圖412）圖412讀數(shù)據(jù)時(shí)序STC89C52是本溫度控制系統(tǒng)的處理器。首先由DSl8B20數(shù)字溫度傳感器檢測并且采集溫度數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)將檢測的溫度值與設(shè)定的目標(biāo)溫度值進(jìn)行比較，計(jì)算出溫度的偏差，然后采用PID算法并且輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，控制固態(tài)繼電器在控制周期內(nèi)的通斷占空比(控制電阻絲的平均發(fā)熱功率的大小)，從而達(dá)到較為精確可靠的控制溫度的目的?？刂茍?zhí)行電路作為單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的執(zhí)行部分，他是將單片機(jī)處理后的數(shù)字控制信號(hào)用輸出口輸出，并將該數(shù)字信號(hào)通過電路對(duì)控制對(duì)象的控制。由于單片機(jī)的輸出信號(hào)電平很低，無法直接驅(qū)動(dòng)外圍設(shè)備進(jìn)行工作，因此在本設(shè)計(jì)中單片機(jī)的控制部分需要外圍設(shè)備的驅(qū)動(dòng)、信號(hào)電平的轉(zhuǎn)換技術(shù)。本溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要采用固態(tài)繼電器作為控制電路的器件，通過固態(tài)繼電器可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的電平信號(hào)控制高功率負(fù)載的功能?？刂颇K的電路設(shè)計(jì)如下圖413：圖413控制模塊電路圖 本次設(shè)計(jì)的溫控系統(tǒng)由100W的電阻絲給水進(jìn)行加熱，加熱的開關(guān)由固態(tài)繼電器實(shí)現(xiàn)。 PID控制算法溫度控制的PID控制原理是先求出實(shí)際的溫度值與目標(biāo)溫度值的偏差值。再對(duì)偏差值進(jìn)行比例，積分與微分的計(jì)算處理，得到的控制數(shù)字信號(hào)來控制電阻絲的加熱，使實(shí)際溫度穩(wěn)定在設(shè)定的目標(biāo)溫度范圍內(nèi)。本溫度控制系統(tǒng)采用的數(shù)字PID算法是增量式PID算法，增量式PID算法的優(yōu)點(diǎn)是編程比較簡單，數(shù)據(jù)可以遞推使用，占用存儲(chǔ)空間少，運(yùn)算快，可以用單片機(jī)的程序來實(shí)現(xiàn)。增量式PID算法是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量?u(K)，增量式PID控制系統(tǒng)的系統(tǒng)如圖414所示。被控對(duì)象PID算法執(zhí)行機(jī)構(gòu)Σ 圖414 增量式PID控制系統(tǒng)框圖通過離散化過程，可得離散的PID表達(dá)式為： 41式中：k為采樣序號(hào)，k=0、……；u(k)為第k次采樣時(shí)刻的計(jì)算輸出值；e(k)為第k次采樣時(shí)刻輸入的偏差值；e(k1)為第k1次采樣時(shí)刻輸入的偏差值?？捎墒?1)導(dǎo)出提供增量的PID控制算式，根據(jù)遞推原理可得： 42用式41減去式42，可得： 43由上面的公式可得：控制系統(tǒng)的輸出僅僅是與最近的3次的偏差有關(guān)。在確定了各個(gè)常量之后，根據(jù)最近的3次偏差即可求出PID控制的增量。 增量式PID算法的參數(shù)確定PID參數(shù)的設(shè)定決定了溫度控制系統(tǒng)升溫速度和溫度控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。面對(duì)不同的控制對(duì)象的PID參數(shù)都是不相同。根據(jù)這些參數(shù)在整個(gè)PID控制過程中的作用，在系統(tǒng)最終調(diào)試中具體來確定。PID參數(shù)的設(shè)置對(duì)系統(tǒng)的可能的影響如下：1)溫度很迅速就能達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)值，但是超調(diào)量很大。出現(xiàn)這種情況的可能的原因是：比例系數(shù)KP太大，使得溫度達(dá)到目標(biāo)值之前的上升比例過高；微分系數(shù)KD太小，致使對(duì)溫度系統(tǒng)的控制反應(yīng)不夠靈敏。2)溫度達(dá)不到目標(biāo)值，長時(shí)間小于目標(biāo)值。出現(xiàn)這種情況的可能原因是：比例系數(shù)KP過小，升溫的比例不夠；積分系數(shù)KI太小，對(duì)恒定的溫度偏差補(bǔ)償不足。3)基本上能穩(wěn)定在目標(biāo)溫度值上，但上下偏差很大而且經(jīng)常波動(dòng)。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的可能原因是：微分系數(shù)KD太小，對(duì)溫度的即時(shí)變化反應(yīng)不夠迅速；積分系數(shù)I太大，使得微分的反應(yīng)被淹沒從而鈍化；基本的控制周期太短，加熱溫度還沒有傳到測溫點(diǎn)上。PID參數(shù)的調(diào)整步驟為先比例，后積分，再微分的步驟。編寫程序的時(shí)先設(shè)定它們的大概的數(shù)值。然后通過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)調(diào)試，根據(jù)實(shí)驗(yàn)調(diào)試的結(jié)果最終確定比較理想的PID參數(shù)值。5 軟件設(shè)計(jì) 主程序流程圖主程序流程圖如下圖51開始定時(shí)設(shè)定溫度溫度采集PID算法控溫加熱控制LCD顯示LCD初始化圖51主程序流程圖子程序包括了LCD顯示模塊程序，溫度控制模塊程序，DS18B20溫度采集模塊程序等。根據(jù)DS18B20的相關(guān)資料編寫了溫度采集程序，程序流程圖如下圖52讀取1，2節(jié)溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換溫度數(shù)據(jù)初始化DS18B20發(fā)送讀暫存存儲(chǔ)器命令延時(shí)等待溫度轉(zhuǎn)換完成發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換指令發(fā)送跳過ROM指令收到應(yīng)答脈沖？初始化DS18B20收到應(yīng)答脈沖？ No No 52 溫度采集模塊程序流程圖 LCD顯示程序根據(jù)1602的資料編寫了溫控系統(tǒng)顯示模塊的程序，流程圖如下圖53子程序開始LCD初始化向LCD寫命令向LCD寫數(shù)據(jù)LCD顯示檢測忙 Yes圖53 顯示模塊程序流程圖6 實(shí)測結(jié)果下面是PID參數(shù)實(shí)驗(yàn)調(diào)試數(shù)據(jù)如表61表62及圖63至圖48所示。表61 PID參數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 項(xiàng)目序號(hào)KPKIKD穩(wěn)定值℃上升時(shí)間min1400177。82800177。8330177。7430177。65210177。66110177。6 表62 試驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)序號(hào)時(shí)間（）0min123456789123456圖63序號(hào)1圖64 序號(hào)2圖65 序
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