【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 積也不大。采用 51 單片機(jī)控制，軟件編程的自由 度大，可通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)各種各樣的算術(shù)算法和邏輯控制，而且體積小，硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，安裝方便。既可以單獨(dú)對(duì)多 DS18B20 控制工作，還可以與 PC 機(jī)通信上傳數(shù)據(jù)，另外 STC89C52 在工業(yè)控制上也有著廣泛的應(yīng)用，編程技術(shù)及外圍功能電路的配合使用都很成熟。 如圖 所示，利用 STC89C52 芯片控制溫度傳感器 DS18B20 進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度檢測(cè)并用LCD1602 顯示，能夠?qū)崿F(xiàn)快速測(cè)量環(huán)境溫度，并可以根據(jù)需要設(shè)定上下限報(bào)警溫度。該系統(tǒng)擴(kuò)展性非常強(qiáng)，它可以在設(shè)計(jì)中加入時(shí)鐘芯片 DS1302 以獲取時(shí)間數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)處理同時(shí)顯示時(shí)間。 單 片 機(jī) 數(shù)碼管 報(bào)警電路 測(cè)溫電路 晶振電路 復(fù)位 電路 ADC0809 按鍵防抖動(dòng) 南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 圖 DS18B20 溫度測(cè)溫系統(tǒng)框圖 論證分析及本文設(shè)計(jì)思路簡(jiǎn)述 從以上兩種方案，容易看出方案一的測(cè)溫裝置可測(cè)溫度范圍寬、體積小，但是線性誤差較大。方案二的測(cè)溫裝置電路簡(jiǎn)單、精確度較高、實(shí)現(xiàn)方便、軟件設(shè)計(jì)也比較簡(jiǎn)單，故本次設(shè)計(jì)采用了方案二。同時(shí)改進(jìn)控制算法，采用先進(jìn)的 PID 控制算法，就可以省去建立繁瑣的數(shù)學(xué)模型，而且控制系統(tǒng)更加穩(wěn)定與精確。 根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，當(dāng)溫度傳感器 DS18B20 把所測(cè)得的溫度發(fā)送到 STC89C52 單片機(jī)上，經(jīng) STC89C52 處理，將把溫度在 LCD 顯示電路上顯示，除了顯示溫度以外還可以設(shè)置一個(gè)報(bào)警溫度，對(duì)所測(cè)溫度進(jìn)行監(jiān)控。利用外接的鍵盤(pán)設(shè)置電路，對(duì)溫度進(jìn)行上下限設(shè)置。當(dāng)溫度高于或低于設(shè)定溫度時(shí)，開(kāi)始報(bào)警并啟動(dòng)相應(yīng)程序控制溫度。同時(shí)，系統(tǒng)還會(huì)顯示溫度計(jì)工作的實(shí)時(shí)時(shí)間，方便用戶進(jìn)行簡(jiǎn)單的人機(jī)對(duì)話。同時(shí)，能夠設(shè)置報(bào)警溫度，在到達(dá)報(bào)警時(shí)間后能夠提示報(bào)警，并啟動(dòng)升溫、降溫操作。 選擇 DS18B20 作為本系統(tǒng)的溫度傳感器，選擇單片機(jī) STC89C52 為測(cè)控系統(tǒng)的核心來(lái)完成數(shù)據(jù)采集、處理、顯示、報(bào)警等功能。選用數(shù)字溫度傳感器 DS18B20，輸出信號(hào)全數(shù)字化。便于單片機(jī)處理及控制，省去傳統(tǒng)的測(cè)溫方法的很多外圍電路，省卻了采樣 /保持電路、運(yùn)放、數(shù) /模轉(zhuǎn)換電路以及進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸時(shí)的串 /并轉(zhuǎn)換電路，簡(jiǎn)化了電路，縮短了系統(tǒng)的工作時(shí)間，降低了系統(tǒng)的硬件成本。 PID 算法簡(jiǎn)介 PID 控制（即比例、積分、微分控制）是最早發(fā)展起來(lái)的控制策略之一，由于其算法簡(jiǎn)單、魯棒性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程控制。當(dāng)用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)后，數(shù)字 PID 控制器更顯示出參數(shù)調(diào)整靈活、算法變化多樣、簡(jiǎn)單方便的優(yōu)點(diǎn)。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，STC89C52 按鍵輸入電路 時(shí)鐘電路 復(fù)位電路 報(bào)警電路 LCD1602 顯示電路 DS18B20 測(cè)溫電路 擴(kuò)展接口 DS1302 南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 對(duì)控制的要求也越來(lái)越高，隨之發(fā) 展許多以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的新型控制算法，如自適應(yīng) PID控制、模糊 PID 控制、智能 PID 控制等。以經(jīng)典控制理論為基礎(chǔ)的 PID 控制過(guò)程是應(yīng)用最多的控制規(guī)律，現(xiàn)在仍然在各種過(guò)程控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用，在 DCS 以及邏輯控制為主體的大型 PLC 系統(tǒng)中，均設(shè)有 PID 控制模塊 [3]。 當(dāng)被控對(duì)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)，控制理論的其他技術(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(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用PID 控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù) 時(shí)，最適合用 PID 控制技術(shù)。 PID 控制，實(shí)際中也有 PI和 PD 控制。 PID 控制作用 PID 是比例 (P)、積分 (I)和微分 (D)3 個(gè)控制作用的組合。連續(xù)系統(tǒng) PID 控制器的微分方程為式 21： ]/)(/1)([)( )(? ??? dtdTdtteTteKtY teDip （ 式 21） 式中 Y(t)為控制器的輸出； e(t)為控制器的輸入； pK 比例放大系數(shù)； iT 為控制器的積分時(shí)間常數(shù)； DT 為控制器的微分時(shí)間常數(shù) [4]。 顯然， pK 越大，控制器的控制作用越強(qiáng)；只要 e(t)不為 0，積分項(xiàng)會(huì)因積分而使控制器的輸出變化；只要 e(t)有變化的趨勢(shì)，控制器就會(huì)在微分作用下，在偏差出現(xiàn)且偏差不大時(shí)提前給輸出一個(gè)較強(qiáng)的控制作用。 控制系統(tǒng)圖如圖 所示： 1． 比例 (P)控制： 比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例 控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差 (Steadystate error)。 2． 積分 (I)控制： 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系pK STK ip/ STK Dp 對(duì)象 R(S) E(S) U(S) + —— Y(s) 圖 控制系統(tǒng)圖 南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 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(jiǎn)稱有差系統(tǒng)(System with Steadystate Error)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入 “ 積分項(xiàng) ” 。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小 ，直到等于零。因此，比例 +積分 (PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。 3． 微分 (D)控制： 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后 (delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化 “ 超前 ” ，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說(shuō)，在控制器中僅引入 “ 比例 項(xiàng) ” 往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤 差的幅值，而目前需要增加的是 “ 微分項(xiàng) ” ，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例 +微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例 +微分 (PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。 PID 控制器的參數(shù)整定 PID 參數(shù)整定是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，一般需要根據(jù)被控對(duì)象慢慢進(jìn)行。常用的方法有擴(kuò)充臨界比例度整定法和擴(kuò)充響應(yīng)曲線法兩種。但是這兩種方法在實(shí)際應(yīng)用中比較麻煩。因此在實(shí)際應(yīng)用中常用經(jīng)驗(yàn)法確定 PID 的參數(shù)。即根據(jù)調(diào)節(jié)規(guī)律 ，及不同調(diào)節(jié)對(duì)象的特征，通過(guò)閉環(huán)試驗(yàn)，反復(fù)湊試，找出最佳調(diào)節(jié)參數(shù)。 本次設(shè)計(jì)的 PID 控制參數(shù)選用經(jīng)驗(yàn)法的一種 — 優(yōu)選法進(jìn)行確定，具體做法為：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，先把其他參數(shù)固定，然后用 法對(duì)其中某一參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選，待選出最佳參數(shù)后，再換另一個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選，直到把所有的參數(shù)優(yōu)選完畢為止。最后根據(jù) T， PK ， IT ， DT 諸參數(shù)優(yōu)選的結(jié)果選一組最佳值即可。 PID 的微機(jī)實(shí)現(xiàn) 由于微機(jī)控制系統(tǒng)是一種時(shí)間離散控制系統(tǒng)，故必須把微分方程離散化為差分方程，最終寫(xiě)出遞推公式才能直接應(yīng)用。下面給出增量型和位置型的具體公式： ΔY(n)=Y(n)Y(n1) =KP[e(n)e(n1)]+KIe(n)+KD[e(n)2e(n1)+e(n2)] （ 式 22） Y(n)=Y(n1)+ KP[e(n)e(n1)]+ KI e(n)+KD[e(n)2e(n1)+e(n2)] （ 式 23） 南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 式 22 和 式 23 中 KI=KP TiT ，稱為積分常數(shù)； KD=KP TTd ，稱為微分常數(shù) ； e(t)為第 n次采樣的偏差值； e(n1)為第 (n1)次采樣時(shí)的偏差值； n 為采樣序列， n=0， 1， 2， ? [4]。 南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 第三章 器件選擇 本論文的系統(tǒng)以 STC89C52RC 為核心 CPU，以 DS18B20 作為檢測(cè)輸入設(shè)備，通過(guò)DS18B20 直接讀取被測(cè)溫度值，進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，按鍵作為調(diào)節(jié)溫度按鈕，能夠設(shè)置溫度上下限來(lái)設(shè)置報(bào)警溫度。并且在到達(dá)報(bào)警溫度后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警。以 1602 液晶屏作為顯示輸出設(shè)備，用電磁閥及電加熱器控制溫度。 CPU：?jiǎn)纹瑱C(jī) 對(duì)于單片機(jī)的選擇，可以考慮使用 8031 與 8051 系列，由于 8031 沒(méi)有內(nèi)部 RAM，系統(tǒng)又需要大量?jī)?nèi)存存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，因而不適用。 8051 內(nèi)核的單片機(jī)是常用的控制芯片，在智能儀器儀、工業(yè)檢測(cè)控制、機(jī)電一體化等方面取得了令人矚目的成 果，用其作為溫度采集控制系統(tǒng)的實(shí)例也很多。使用 8051 內(nèi)核的單片機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)溫度全程的自動(dòng)控制，而且 8051內(nèi)核的單片機(jī)易于學(xué)習(xí)、掌握，性能價(jià)格比高。使用 8051 內(nèi)核的單片機(jī)設(shè)計(jì)溫度采集控制系統(tǒng)，可以即時(shí)、精確的反映溫度變化。完成諸如升溫到特定溫度、降溫到特定溫度、在溫度點(diǎn)保持恒溫等多種控制方式。 STC89C52RC 的特點(diǎn)及選擇原因 STC89C52RC 是低功耗，高性能 8 位 CMOS 單片機(jī)，片內(nèi)含 8kbytes 的可編程的 Flash只讀程序存儲(chǔ)器，兼容標(biāo)準(zhǔn) 8051 指令系統(tǒng)及引腳。它集 Flash 程序存 儲(chǔ)器既可在線編程(ISP)，也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程，所以低價(jià)位單片機(jī)可為提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場(chǎng)合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域，對(duì)于簡(jiǎn)單的測(cè)溫系統(tǒng)已經(jīng)足夠。單片機(jī) STC89C52RC 具有超低功耗、超強(qiáng)抗干擾等特點(diǎn)，很適合便攜手持式產(chǎn)品的設(shè)計(jì)使用系統(tǒng)可用二節(jié)電池供電。主要特性 [5]如下： 1． 與 MCS51 產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容 ； 2． 8K 字節(jié)可重擦寫(xiě) Flash 閃爍存儲(chǔ)器， 512*8 位內(nèi)部 RAM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，內(nèi)帶 2K字節(jié) EEPROM 存儲(chǔ)空間 ； 3． 工作頻率范圍： 040MHz，相當(dāng)于普通 8051 的 080MHz。 實(shí)際功過(guò)頻率可達(dá) 48MHz； 4． 32 可編程 I/O 線 ； 5． 三個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 ； 6． 2 個(gè)外部中斷源，共 6 個(gè)中斷源 ； 7． 通用異步串行口 (UART)，還可用定時(shí)器軟件實(shí)現(xiàn)多個(gè) UART； 8． 工作溫度范圍： 40℃ ~+85℃ ； 9． 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。 南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 圖 STC89C52RC 的引腳 另外， STC89C52RC 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止 。 由于此設(shè)計(jì)需要編寫(xiě)程序，需要將程序 寫(xiě) 入單片機(jī)中，因此單片機(jī)必須具有足夠多的存儲(chǔ)空間，其具有 8K 字節(jié)的 Flash 完全滿足要求。 32 位的 I/O 口線能夠使得單片機(jī)與溫度顯示器、溫度傳感器、鍵盤(pán)、報(bào)警電路、按鍵電路和溫度控制電路等等連接變得可能。16 位的定時(shí)計(jì)數(shù)器使得讀取數(shù)據(jù)變得更加簡(jiǎn)單，同時(shí)其結(jié)構(gòu)有利于晶振電路和復(fù)位電路的連接。最重要的是，能夠在掉電狀態(tài)下保存 RAM 內(nèi)的數(shù)據(jù)。同時(shí)，與同類 51 單片機(jī)相比，STC89C52RC 具有更強(qiáng)的可操作性及方便的下載方式，避免了購(gòu)買(mǎi)燒錄器的麻煩。因此，對(duì)于本設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，選擇 STC89C52RC 是最有利的。 STC89C52RC 的引腳功能及連接 51 單片機(jī)為 40 引腳雙列直插式封裝，其引腳排列和邏輯符號(hào) [6]如圖 所示。 VCC(40)：供電電壓，接 +5V 電源。 GND(20)：接地。 P0 口 (39~32)： P0 口為一個(gè) 8 位漏 極 開(kāi)路雙向 I/O 口，每個(gè)管腳可吸收 8TTL 門(mén)電流。當(dāng) P1 口的管腳寫(xiě) “ 1” 時(shí)，被定義為高阻輸入。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FLASH 編程時(shí)， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FLASH 進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)， P0 輸出原碼，此 時(shí) P0 外部電位必須被拉高。 P1 口 (1~8)： P1 口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O口， P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門(mén)電流。 P1 口管腳寫(xiě)入 “ 1”后，電位被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1 口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)， P1 口作為第八位地址接收。 P2 口 (21~28)： P2 口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出 4 個(gè) TTL 門(mén)電流，當(dāng) P2 口被寫(xiě) “ 1” 時(shí)，其管腳電位被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。作為輸入時(shí)， P2 口的管腳電位被外 部拉低，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)， P2 口輸出地