【導(dǎo)讀】動(dòng)傳統(tǒng)控制檢測(cè)日新月益更新。在實(shí)時(shí)檢測(cè)和自動(dòng)控制的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，經(jīng)。構(gòu)，以及具體應(yīng)用對(duì)象特點(diǎn)的軟件結(jié)合，以作完善。采集環(huán)境溫度，以單片機(jī)為核心控制部件。軟件方面采用匯編語言來進(jìn)行程序設(shè)。計(jì)，這樣可以使指令的執(zhí)行速度快，節(jié)省存儲(chǔ)空間。為了便于擴(kuò)展和更改，軟件。而系統(tǒng)的過程則是：首先，設(shè)定恒溫運(yùn)行時(shí)的溫度值。加熱，直到能在規(guī)定的溫度下恒溫加熱。

　　

【正文】 RS232C 接收器 ? 高集成度，片外最低只需 4 個(gè)電容即可工作 第三章 硬件 電路 設(shè)計(jì) 硬件系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì) 數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 從 設(shè)備不 同的位置采集溫度，并將數(shù)字信號(hào)送入AT89C51 單片機(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)獲取采集的溫度值，經(jīng)過處理后得到當(dāng)前環(huán)境中一個(gè)比較穩(wěn)定的溫度值，根據(jù)當(dāng)前設(shè)定的溫度上下限值，再通過 PID 控制算法控制繼電器的通斷，從而控制加熱器的工作，使得水溫維持在設(shè)定的溫度。 當(dāng)采集的溫度經(jīng)處理后 沒有達(dá)到 設(shè)定的溫度 值 時(shí)，單片機(jī)控制繼電器開啟升溫設(shè)備（加熱器） [12]。 圖 31 單片機(jī) 工作原理圖 AT89C51 CPU 數(shù)字溫度傳感 器 DS18B20 啟動(dòng)開關(guān) 輸入電源 繼電器 1 繼電器 2 加熱器 加熱器 RS232 總線接口芯片 MXA232 PC 圖 32 單片機(jī)電路圖 硬件系統(tǒng)電路連接設(shè)計(jì) 溫度檢測(cè)電路 溫度 檢測(cè) 用 DS18B20 溫度傳感器 ， DS18B20 是 Dallas 公司推出的單線數(shù) 字式 測(cè)溫芯片， 它能在現(xiàn)場(chǎng)采集溫度數(shù)據(jù)，并將溫度數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量 ，并將數(shù)字信號(hào)送入 AT89C51 單片機(jī)系統(tǒng) 。 圖 33 溫度檢測(cè)電路圖 繼電器控溫電路 當(dāng) DS18B20 采集到溫度后，會(huì)將溫度值傳送到單片機(jī)。單片機(jī)獲取采集的溫度值，經(jīng)過處理后得到當(dāng)前環(huán)境中一個(gè)比較穩(wěn)定的溫度值，根據(jù)當(dāng)前設(shè)定的溫度上下限值，再通過 PID 控制算法控制繼電器的通斷，從而控制加熱器的工作，使得水溫維持在設(shè)定的溫度。 [13] 圖 34 繼電器控溫電 路圖 串口通信接口電路 PC 機(jī)的串口是 RS232 電平的，而單片機(jī)是 TTL 電平的，當(dāng)要把單片機(jī)連接 到 PC 機(jī)上時(shí)，兩者之間必須有一個(gè)電平轉(zhuǎn)換電路，我采用的是 RS232 的專用接口芯片 MAX232 進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 圖 35 串口通信接口電路圖 外部 電路 啟動(dòng)、復(fù)位電路用于系統(tǒng)的開始和重置。 圖 36 外部電路圖 第四章 PID 控制算法 PID 控制的發(fā)展 PID 控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，現(xiàn)今使用的 PID 控制器產(chǎn)生并發(fā)展于 19151940 年期間。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(jiǎn)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)。因此， PID 控制器在工業(yè)控制中仍然得到廣泛應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，有 90%以上的工業(yè)控制器采用 PID 控制器。 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。 [14] PID 控制理論 PID 控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值廠 r(t)與實(shí)際輸出值 y(t)構(gòu)成控制偏差 e(t)： ( ) ( ) ( )e t r t y t?? （ ） 將偏差 ()et 的比例 （ Proportional） 、積分 （ Integral） 和微分 （ Derivative） 通過線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，因此稱為 PID 控制。 PID 控制系統(tǒng)原理如圖 41 所示。 圖 41 PID 控制系統(tǒng)原理圖 其控制規(guī)律為： 011 ( )( ) ( ) ( )tPD d e tu t K e t e t d t TT d t??? ? ?????? （ ） 或者寫成傳遞函數(shù)的形式為： 11( ) ( 1 )PDG s K T sTs? ? ? （ ） 式中 PK ： 比例系數(shù) 1T ： 積分時(shí)間常數(shù) DT ： 微分時(shí)間常數(shù) PID 控制器各校正環(huán)節(jié)的 作用如下： (1) 比例環(huán)節(jié)即時(shí)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào) ()et ，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差； (2) 積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)， 1T 越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)； (3) 微分環(huán)節(jié)能夠反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì) (變化速率 )，并且能在偏差信號(hào)值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。 [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。因此， （ ） 式中的積分和微分項(xiàng)不能直接使用，需要進(jìn)行離散化處理?，F(xiàn)令 T 為采樣周期，以一系列的采樣時(shí)刻點(diǎn) kT 代表連續(xù)時(shí)間 t ，以累加求和近似代替積分，以一階后向差分近似代替微分，做如下的近似變換： t kT? （ ） 0 00( ) ( ) ( )kktjje t T e jT T e j??????? （ ） ? ?( ) 1( ) ( ) ( 1 )e k T e k Td e t e k e kd t T T???? ?????? （ ） 其中， T 為采樣周期， ()ek 為系統(tǒng)第 k 次采樣時(shí)刻的偏差值， e( 1k? )為系統(tǒng)第 ( 1k? )次采樣時(shí)刻的偏差值， k 為 采樣序號(hào)， k =0， 1， 2， … 。 將上面的 （ ） 式和 （ ） 式代入 （ ） 式，則可以得到離散的 PID 表達(dá)式： ? ?01( ) ( ) ( ) ( ) ( 1 )k DP j TTu k K e k e j e k e kTT???? ? ? ? ?????? （ ） 如果采樣周期 T 足夠小，該算式可以很好的逼近模擬 PID 算式，因而使被控過程與連續(xù)控制過程十分接近。通常把 (47)式稱為 PID 的位置式控制算法。 若在 （ ） 式中，令： 1 1PKTK T? （ 稱為積分系數(shù) ） PDD KTK T? （ 稱為微分系數(shù) ） 則 ? ?1 0( ) ( ) ( ) ( ) ( 1 )kPDju k K e k K e j K e k e k?? ? ? ? ?? （ ） （ ） 式即為離散化的位置式 PID 控制算法的編程表達(dá)式?？梢钥闯?，每次輸出與過去的所有狀態(tài)都有關(guān)，要想計(jì)算 ()uk ，不僅涉及 ()ek 和 ( 1)ek? ，且須將歷次 ()ej相加，計(jì)算復(fù)雜，浪費(fèi)內(nèi)存。下面，推導(dǎo)計(jì)算較為簡(jiǎn)單的遞推算式。為此，對(duì) （ ） 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(duì)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。 如果令 ( ) ( ) ( 1)u k u k u k? ? ? ? 則 0 1 2( ) ( ) ( 1 ) ( 2 )u k a e k a e k a e k? ? ? ? ? ? 式中的 0a 、 1a 、 2a 同 （ ） 式中的一樣。 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。由于其控制輸出對(duì)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。 增量式 PID 控制算法與位置式控制算法比較，有如下的一些優(yōu)點(diǎn)： (1) 位置式算法每次輸出與整個(gè)過去狀態(tài)有關(guān)，算式中要用到過去偏差的累加值()ej? ，容易產(chǎn)生較大的累計(jì)誤差。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(duì)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(duì)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 。 [16] 圖 42 增量式 PID 控制算法程序流程圖 鑒于以上優(yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)的控制算法即采用增量式的 PID 控制算法。其程序流程 圖如圖 42 所示 。 附錄中給出了本系統(tǒng)的 PID 控制算法源程序。 第五章 軟件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)綜述 本系統(tǒng)的軟件部分由主程序流程圖、終端子程序流程圖、 DS18B20 實(shí)現(xiàn)溫度轉(zhuǎn)換和 溫度 數(shù)值 讀取流程圖 和顯示流程圖四部分組成。 軟件流程圖 主程序流程圖 系統(tǒng)的主程序流程圖如圖 51 所示，當(dāng)有信號(hào)輸入時(shí)，主程序啟動(dòng)，根據(jù)內(nèi)部設(shè)定的條件逐步運(yùn)行，達(dá)到設(shè)計(jì)目的。 開始 初始化 DS18B20 溫度讀取模塊 溫度值傳送 溫度值處理 比較設(shè)定溫度值與實(shí)際溫度值 是否小 于 ? PID 控制運(yùn)算模塊 繼電器控制模塊 Y N 圖 51 主程序流程圖 DS18B20 實(shí)現(xiàn)溫度轉(zhuǎn)換和 溫度 數(shù)值 讀取流程圖 圖 52 為 DS18B20 實(shí)現(xiàn)溫度轉(zhuǎn)換和 溫度 數(shù)值 讀取流程圖，用于系統(tǒng)的溫度 轉(zhuǎn)換和 溫度數(shù)值的 讀取 。 [17] 開始 初始化 DS18B20 應(yīng)答脈沖 發(fā)起 Skip Rom 命令 發(fā)起 Convert T 命令 延時(shí) 1 秒 等待溫度轉(zhuǎn)換完成 應(yīng)答脈沖 發(fā)起 Read Scratchpad 命令 讀取 第 字節(jié)即溫度數(shù)據(jù) Y Y N N 圖 52 DS18B20 實(shí)現(xiàn) 溫度轉(zhuǎn)換和 溫度 數(shù)值 讀取流程圖 顯示流程圖 圖 54 為系統(tǒng)的顯示流程圖。主要是通過對(duì)傳輸信號(hào)進(jìn)行顯示后，給操作者提供提示。以到達(dá)為本系統(tǒng)提供對(duì)溫度的顯示和監(jiān)控的目的。 [18] 串行口初始化 向緩沖區(qū)送數(shù)據(jù) 查段碼 圖 53 顯示流程圖 開始 送顯示 結(jié)束 結(jié)語 在 工業(yè) 生產(chǎn)和日常生活中，對(duì)溫度控制系統(tǒng)的要求，主要是保證溫度在一定溫度范圍內(nèi)變化，穩(wěn)定性好，不振蕩，對(duì)系統(tǒng)的快速性要求不高。 本文 簡(jiǎn)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。其中，溫度傳感器選用的是 DS18B20，它可以直接將采集的溫度值以數(shù)字量傳送到單片機(jī)中，方便、簡(jiǎn)單； PID 控制 以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。 溫控電路原理圖的設(shè)計(jì)使我受益匪淺。 對(duì)常見的芯片有了更加廣泛的認(rèn)識(shí)，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。 畢業(yè) 設(shè) 計(jì)是本科學(xué)習(xí)階段一次非常難得的理論與實(shí)際相結(jié)合的機(jī)會(huì)，通過本次設(shè)計(jì)，鍛煉了我的綜合運(yùn)用所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí) （ 數(shù)字模擬電路， C 語言 ， 自動(dòng)控制原理等 ） ，解決實(shí)際問題的能力，同時(shí)也提高我查閱文獻(xiàn)資料、設(shè)計(jì)手冊(cè)、設(shè)計(jì)規(guī)范以及電腦制圖等其他專業(yè)能力水平，而且通過對(duì)整體