【導讀】近年來單片機發(fā)展十分迅速，單片機的應(yīng)用已經(jīng)滲透到各個行業(yè)。量及控制變得越來越重要，溫度的控制在各個領(lǐng)域都有積極的意義。能夠得到很好的解決。設(shè)計、控制程序設(shè)計和溫度報警程序設(shè)計。編寫程序結(jié)合硬件進行調(diào)試，能夠?qū)崿F(xiàn)。設(shè)置和調(diào)節(jié)初始溫度值，進行顯示屏顯示，當加熱到設(shè)定值后立刻報警。含了PID算法，實現(xiàn)了對溫度的實時測量與恒定控制。Keywords：microcontroller；thermostat；control；alarm；PID

　　

【正文】 溫度采集計算子程序如圖 42 所示： 初始化 設(shè)定溫度 溫度采集計算 溫度比較處理 顯示溫度 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 22 9 字 節(jié) 完 ？移 入 溫 度 暫 存 器將 溫 度 數(shù) 據(jù) 轉(zhuǎn) 化 攝氏 溫 度 并 存 儲返 回D S 1 8 B 2 0 初 始 化發(fā) 跳 過 R O M 命 令寫 D S 1 8 B 2 0發(fā) 出 溫 度 轉(zhuǎn) 換開 始 命 令持 續(xù) 1 s ， 等 待A D 轉(zhuǎn) 換讀 溫 度 前D S 1 8 B 2 0 初 始 化發(fā) 跳 過 R O M 命 令發(fā) 讀 取 溫 度 命令讀 取 溫 度 操 作YN 圖 42 溫度采集計算子程序流程圖 由以上程序可以看出，調(diào)用程序前即系統(tǒng)運行首要先對 DS18B20 進行初始化，然后寫 DS18B20，發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換開始指令，等待 A/D 轉(zhuǎn)換并再次初始化，發(fā)讀取溫度指令，最終將讀取的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為攝氏溫度并存儲。 溫度比較處理子程序流程圖如圖 43 所示： 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 圖 43 溫度比較處理子程序流程圖 在該程序中， 將讀取的實時溫度與設(shè)定好的溫度比較，當實時溫度小于設(shè)定溫度時，發(fā)出開燈信號；當實時溫度大于設(shè)定溫度時，發(fā)出關(guān)燈信號。 報警子程序流程如圖 44 所示： 讀取實時溫度值 實時溫度與設(shè)定溫度是否相等 實時溫度比設(shè)定溫度大 關(guān)燈 開燈 N 返回 N Y Y 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 24 圖 44 報警子程序流程圖 根據(jù)設(shè)計要求，當檢測到當前溫度值高于設(shè)定溫度值時報警，報警的同時關(guān)閉電燈。為了防止誤報，設(shè)置了報警允許標志，只有在允許報警的情況下，溫度值高于設(shè)定溫度值時才報警。 系統(tǒng)控制算法 PID 調(diào)節(jié)的實質(zhì)就是根據(jù)輸入的偏差值，按比例、積分、微分的函數(shù)關(guān)系，進行運算，將其運算結(jié)果用以輸出控制， 將基本 PID 算式離散化可得到位置型 PID控制算法，對位置型 PID 進行變換可得到增量型 PID 控制算法。對控制精度要求較高的系統(tǒng)一般采用位置型算法，而在以步進電機或多圈電位器做執(zhí)行器件的系統(tǒng)中 ， 則采用增量型算法。 PID 是一種工業(yè)控制過程中應(yīng)用較為廣泛的一種控制算法，它具有原理簡單，易于實現(xiàn)，穩(wěn)定性好，適用范圍廣，控制參數(shù)易于整定等優(yōu)點。 PID 控制不需了解被控對象的數(shù)學模型，只要根據(jù)經(jīng)驗調(diào)整控制器參數(shù)，便可獲得滿意的結(jié)果。其不足之處是對被控參數(shù)的變化比較敏感。但是通過軟件編程方法實現(xiàn) PID 控制，可以靈活地調(diào)整參 數(shù)。盡管近年來出現(xiàn)了很多先進的控制算法，但 PID 控制仍然返回 當前溫度 設(shè)定溫度 是否報警 報警子程序 返回 開報警器，關(guān)閉電燈 N N Y Y 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 25 以其獨有的特點在工業(yè)控制過程中具有相當大的比重，且控制效果相當令人滿意。 連續(xù) PID 控制器也稱比例－積分－微分控制器，即過程控制是按誤差的比例（ PProportion）、積分（ IIntegration）和微分（ DDifferentiation）對系統(tǒng)進行控制，其系統(tǒng)原理框圖如圖 45 所示： 圖 45 PID 的原理框圖 它的控制規(guī) 律的數(shù)學模型如下： ])()(1)([)(0 dttdeTdtteTteKtu t dip ? ??? （ 41） 或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)形式： )11()( )()( sTsTKsE sUsG dip ???? （ 42） 式中， )(te ：調(diào)節(jié)器輸入函數(shù)，即給定量與輸出量的偏差； )(tu ：調(diào)節(jié)器輸出函數(shù)。 pK ：比例系數(shù)； iT ：積分時間常數(shù)； dT ：微分時間常數(shù)。 將式（ 41）展開，調(diào)節(jié)器輸出函數(shù)可分成比例部分、積分部分和微分部分，它們分別是： （ 1）比例部分 比例部分的數(shù)學表達式是 )(teKp ， pK 是比例系數(shù)， pK 越大，可以使系統(tǒng)的過渡過程越快，迅速反應(yīng)誤差，但 不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，過大容易引起不穩(wěn)定。因此，此比例系數(shù)應(yīng)選擇合適，才能達到使系統(tǒng)的過渡過程時間短而穩(wěn)定的效果。 （ 2）積分部分 積分部分的數(shù)學表達式是 ??dtteTK tip ?0，從它的數(shù)學表達式可以看出，要是系統(tǒng)誤差存在，控制作用就會不斷增加或減少，只有 ?? 0?te 時，它的積分才是一個不R(t) E(t) C(t) U(t) 比例 積分 微分 被控對象 _ + 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 26 變的常數(shù)，控制作用也就不會改變，積分部分的作用是消除系統(tǒng)誤差。 積分時間常數(shù) iT 的選擇對積分部分的作用影響很大。 iT 較大，積分作用較弱，這時，系統(tǒng)消除誤差所需的時間會加長，調(diào)節(jié)過程慢； iT 較小，積分作用增強，這時可能使系統(tǒng)過渡過程產(chǎn)生振蕩，但可以較快地消除誤差。 （ 3）微分部分 微分部分的數(shù)學表達式是 ????td tdeTKdp 。 微分部分的作用主要是抵消誤差的變化，作用強弱由微分時間常數(shù)確定 dT 。越大，則抑制誤差 )(te 變化的作用越強， 但易于使系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩； dT 越小，抵消誤差的作用越弱。因而，微分時間常數(shù)要選擇合適，使系統(tǒng)盡快穩(wěn)定。 本設(shè)計將使用比例積分調(diào)節(jié)。 參數(shù)整定 由于 PID 控制器的輸出為系統(tǒng)偏差的比例、微分和積分作用后的線性組合，所以調(diào)整各個部分的線性系數(shù)就是 PID 控制器控制性能好壞的關(guān)鍵。以下是參數(shù)整定的幾種方法。 （ 1）臨界比例度法 先在純比例作用下，在閉合的調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，從大到小地逐漸地改變調(diào)節(jié)器的比例度，就 會得到一個臨界振蕩過程。這時的比例度叫臨界比例度 k? ，周期為臨界振蕩周期 kT 。記下 k? 和 kT ，然后按經(jīng)驗公式來確定調(diào)節(jié)器的各參數(shù)值。 （ 2）衰減曲線法 臨界比例度法是要系統(tǒng)等幅 振蕩，還要多次試湊，而用衰減曲線法較簡單，一般又有兩種方法。 ① 4： 1 衰減曲線法 使系統(tǒng)處于純比例作用下，在達到穩(wěn)定時，用改變給定值的辦法加入階躍干擾，觀察記錄曲線的衰減比，然后逐漸從大到小改變比例度，使出現(xiàn) 4： 1 的衰減比為止。記下此時的比例度 s? 和振蕩周期 sT 。再按經(jīng)驗公式來確定 PID 數(shù)值。 ② 10： 1 衰減曲線法 有的過程， 4： 1 衰減仍嫌振蕩過強，可采用 10： 1 衰減曲線法。方法同上，本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 27 得到 10： 1 衰減曲線，記下此時的比例度 s? 和上升時間 sT ，再按經(jīng)驗公式來確定PID 的數(shù)值。 （ 3）經(jīng)驗試湊法 試湊法就是根據(jù)控制器各參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響程度，邊觀察系統(tǒng)的運行，邊修改參數(shù)，直到滿意為止。 本文采用經(jīng)驗試湊法進行參數(shù)整定。 一般情況 下，增大比例系數(shù) pK 會加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，有利于減少靜差。但過大的比例系數(shù)會使系統(tǒng)有較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩使穩(wěn)定性變差。減小積分系數(shù) iT 將減少積分作用，有利于減少超調(diào)使系統(tǒng)穩(wěn)定，但系統(tǒng)消除靜差的速度慢。在試湊時，一般可根據(jù)以上參數(shù)對控制過程的影響趨勢，對參數(shù)實行先比例、后積分的步驟進行整定。 ① 比例部分整定 首先將積分系數(shù) iK 和微分系數(shù) dK 取零，即取消微分和積分作用，采用純比例控制。將比例系數(shù) pK 由小到大變化，觀察系統(tǒng)的響應(yīng)，直至速度快，且有一定范圍的超調(diào)為止。最后確定 pK 值為 4。 ② 積分部分整定 如果比例控制系統(tǒng)的靜差達不 到設(shè)計要求，這時可以加入積分作用。在整定時將積分系數(shù) iK 由小逐漸增加，積分作用就逐漸增強，觀察輸出會發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的靜差會逐漸減少直至消除。反復(fù)試驗幾次，直到消除靜差的速度滿意為止。注意這時的超調(diào)量會比原來加大，應(yīng)適當?shù)慕档鸵稽c比例系數(shù) pK 。最后 iK 值為 。 本章小結(jié) 本章是恒溫箱的軟件設(shè)計，包括主程序、溫度采集計算子程序、溫度比較處理子程序、報警子程序等，實現(xiàn)恒溫箱的主要功能是通過編寫程序的方法集成在89C51 內(nèi)部。程序設(shè)計中包含了一些 PID 算法，將程序下載到硬件電路中，實現(xiàn)溫控功能。 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 28 結(jié) 論 本設(shè)計是以 AT89C51單片機為核心進行的，數(shù)據(jù)采樣模塊采用可直接輸出數(shù)字量的數(shù)字溫度傳感器 DS18B20，采用繼電器驅(qū)動模塊，通過對電燈的控制可實現(xiàn)溫度的自動控制，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)置和調(diào)節(jié)初始溫度值，進行顯示屏顯示，當加熱到設(shè)定值后立刻報警的功能。 在研究恒 溫控制的基礎(chǔ)上，針對溫度的控制，制定了溫度檢測、控制系統(tǒng)總體方案，說明了恒溫系統(tǒng)的工作原理，為恒溫系統(tǒng)搭建了硬件平臺 ： 包括溫度采集系統(tǒng)、溫度顯示系統(tǒng)、溫度比較系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)。 設(shè)計中用到了 KEIL、 PROTEL99SE、 等設(shè)計與仿真軟件。本著安全性、可靠性、穩(wěn)定性和易擴展性等設(shè)計原則，對各方案進行了細心的比較，并對設(shè)計中使用的芯片進行了仔細的分析， 力求設(shè)計出一個安全、穩(wěn)定、可靠的溫度控制系統(tǒng)。因此，本系統(tǒng)的安全性和可擴展性都比較好。 溫度控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于社會生活的各個 領(lǐng)域 ， 如何提高溫度控制對象的運行性能一直以來都是控制人員和現(xiàn)場技術(shù)人員努力解決的問題，開發(fā)出性能較好的溫度控制系統(tǒng)對于測控技術(shù)的發(fā)展具有很大的意義。鑒于溫度控制的發(fā)展趨勢，在以后的實踐中對系統(tǒng)還要做進一步的改進：硬件方面，采用 DSP， ARM 或者利用系統(tǒng) SOC 對系統(tǒng)的硬件進行重新設(shè)計，軟件方面，摒棄傳統(tǒng)的前后臺系統(tǒng)軟件編程模式，改用基于實時操作系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件開發(fā)；控制算法方面，嘗試采用現(xiàn)在得到快速發(fā)展的智能控制方法，如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等等。 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 29 參考文獻 [1] 康華光 . 電子技術(shù)基 礎(chǔ)數(shù)字部分 (第四版 )[M]. 高等教育出版社 , 2020. [2] 戴佳等 . 51 單片機應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)典型實例 [M]. 中國電力出版社 , 2020. [3] 高衛(wèi)東等 . 51 單片機原理與實踐 [M]. 北京航空航天大學 , 2020. [4] Jhn Potter Shields. How to Build Proximity Detectors and Metal Locators[M]. Merrill Co,1972. [5] 何立民 . 單片機高級教程應(yīng)用與設(shè)計 [M]. 北京航空航天大學出版社 , . [6] 胡漢才 . 單片機原理及接口技術(shù) [M]. 清華大學出版社 ,1999. [7] 歐陽文 . ATMEL89 系列單片機的原理與開發(fā)實踐 [M]. 中國電力出版社 , . [8] 郝迎吉 ,劉紅兵 . 由 89C51 實現(xiàn)的恒溫控制系統(tǒng) [J]. 自動化與儀器儀表 ,1999. [9] 吳琳 ,楊林 ,趙桂豐 . 基于單片機的溫度數(shù)據(jù)采集器 [J]. 現(xiàn)代電子技 術(shù) , 2020(19). [10] Charles Garrett. Successful Coin Hunting[M]. Ram . [11] 潘永雄 . 新編單片機原理與應(yīng)用 [M]. 西安電子科技大學出版社 , 2020. [12] 徐鳳霞 , 趙成安 . AT89C51 單片機溫度控制系統(tǒng) [J]. 齊齊哈爾大學學報 , 2020,3. [13] 樓然苗 . 51 系列單片機設(shè)計實例 [M]. 北京航空航天大學出版社 , . [14] . The Electronic Metal Detector Handbook[M]. Western Heritage Press, 1998. [15] HU Hongbin. Measuring for temperature characteristic of temperature relay[M]. Electro Mechanical element,2020,9. 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 30 致 謝 本課題是在老師的悉心指導下完成的，從論文的選題、系統(tǒng)設(shè)計、到修改定稿都沒有離開老師的幫助。通過本次設(shè)計，本人在老師的指引下學到