【正文】 通過本次設(shè)計，本人在老師的指引下學(xué)到。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(jìn)一步的改進(jìn)：硬件方面，采用 DSP， ARM 或者利用系統(tǒng) SOC 對系統(tǒng)的硬件進(jìn)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。因此，本系統(tǒng)的安全性和可擴(kuò)展性都比較好。 設(shè)計中用到了 KEIL、 PROTEL99SE、 等設(shè)計與仿真軟件。 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(jī)為核心進(jìn)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(jìn)行顯示屏顯示，當(dāng)加熱到設(shè)定值后立刻報警的功能。 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。注意這時的超調(diào)量會比原來加大，應(yīng)適當(dāng)?shù)慕档鸵稽c比例系數(shù) pK 。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。最后確定 pK 值為 4。 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。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。 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。 （ 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。 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。記下此時的比例度 s? 和振蕩周期 sT 。 （ 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。這時的比例度叫臨界比例度 k? ，周期為臨界振蕩周期 kT 。以下是參數(shù)整定的幾種方法。 本設(shè)計將使用比例積分調(diào)節(jié)。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。 （ 3）微分部分 微分部分的數(shù)學(xué)表達(dá)式是 ????td tdeTKdp 。 積分時間常數(shù) iT 的選擇對積分部分的作用影響很大。因此，此比例系數(shù)應(yīng)選擇合適，才能達(dá)到使系統(tǒng)的過渡過程時間短而穩(wěn)定的效果。 pK ：比例系數(shù)； iT ：積分時間常數(shù)； dT ：微分時間常數(shù)。盡管近年來出現(xiàn)了很多先進(jìn)的控制算法，但 PID 控制仍然返回 當(dāng)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(dāng)大的比重，且控制效果相當(dāng)令人滿意。其不足之處是對被控參數(shù)的變化比較敏感。 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。 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(jìn)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(jìn)行變換可得到增量型 PID 控制算法。 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(dāng)檢測到當(dāng)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。這樣可以在一秒之內(nèi)測量一次被測溫度，其程序流程 如圖 41 所示： 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 開始 結(jié)束 圖 41 主程序流程圖 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(jìn)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。 程序流程圖 在本程序中包括了如下主要的程序。后臺程序指主程序及其調(diào)用的子程序，這類程序?qū)崟r性要求不是太高，延時幾十毫秒甚至幾百毫秒也沒關(guān)系，故通常將監(jiān)控程序（鍵盤解釋程序），顯示程序和打印程序等與操作者打交道的程序放在后臺程序中執(zhí)行；而前臺程序安排一些實時性要求較高的內(nèi)容，如定時系統(tǒng)和外部中斷。 軟件任務(wù)分析的另一個內(nèi)容是如何安排監(jiān)控軟件和執(zhí)行模塊。相對來講，執(zhí)行模塊任務(wù)明確單純，比較容易編程，而監(jiān)控程序較易出問題。 各執(zhí)行模塊規(guī)劃好后，就可以設(shè)計監(jiān)控程序了。 軟件任務(wù)分析時，應(yīng)將各執(zhí)行模塊一一列出，并為每一個執(zhí)行模塊進(jìn)行功能定義和接口定義（輸入輸出定義）。從軟件的功能來看可分為兩大類：一類是執(zhí)行軟件，它能完成各種實質(zhì)性的功能，如測量，計算，顯示，打印，輸出控制和通信等；另一類是監(jiān)控軟件，它是專門用來協(xié)調(diào)各執(zhí)行模塊和操作者的關(guān)系，使在系統(tǒng)軟件中充當(dāng)組織調(diào)度角色的軟件。 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 20 第 4 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 軟件任務(wù)分析 軟件任務(wù)分析和硬件電路設(shè)計結(jié)合進(jìn)行，哪些功能由硬件完成，哪些任務(wù)由軟件完成，在硬件電路設(shè)計基本定型后，也就基本上決定下來了。在設(shè)計過程中，實現(xiàn)溫度控制的是通過編寫程序的方法集成在 89C51 內(nèi)部。 例如當(dāng) DS18B20 采集到 55℃ 的實際溫度后，輸出為 FC90H，則應(yīng)先將 11 位數(shù)據(jù)位取反加 1 得 370H（符號位不變，也不作為計算），則： 實際溫度 =370H╳ =880╳ =℃ 。 表 32 DS18B20 暫存器字節(jié)分配 溫度 /℃ 二進(jìn)制表示 十六進(jìn)制表示 符號位（ 5 位） 數(shù)據(jù)位（ 11 位） +125 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 07D0H + 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 0 1 0191H + 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 00A2H + 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0008H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0000H 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 FFF8H 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 FF5EH 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 FE6FH 55 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 FC90H 上表是 DS18B20 溫度采集轉(zhuǎn)化后得到的 12 位數(shù)據(jù)，存儲在 DS18B20 的兩個8 比特的 RAM 中，二進(jìn)制中的前面 5 位是符號位，如果測得的溫度大于或等于 0，本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 這 5 位為 0，只要將測到的數(shù)值乘于 即可得到實際溫度；如果溫度小于 0，這 5 位為 1，測到的數(shù)值需要取反加 1 再乘于 即可得到實際溫度。當(dāng)溫度轉(zhuǎn)換命令發(fā)布后，經(jīng)轉(zhuǎn)換所得的溫度值以二字節(jié)補碼形式存放在高速暫存存儲器的第 0 和第 1 個字節(jié)。 Read Power Supply（讀電源） [B4H] 對于在此命令發(fā)送至 DS18B20 之后所發(fā)出的第一讀數(shù)據(jù)的時間片，器件都會給出其電源方式的信號： “0”=寄生電源供電， “1”=外部電源供電。這種重新調(diào)出的操作在對 DS18B20 上電時也自動發(fā)生，因此只要器件一上電，暫存存儲器內(nèi)就有了有效的數(shù)據(jù)。如果使用寄生電源，總線控制器必須在發(fā)出這條命令后立即起動強上拉，并保持 500ms。溫度轉(zhuǎn)換命令被執(zhí)行，而后DS18B20 保持等待狀態(tài)。如果使用寄生電源，總線控制器必須在本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 這條命令發(fā)出后立即起動強上拉并最少保持 10ms。 Copy Scratchpad（復(fù)制暫存存儲器） [48H] 這條命令把暫存器的內(nèi)容拷貝到 DS18B20 的 E2 存儲器里，即把溫度報警觸發(fā)字節(jié)存 入非易失性存儲器里。讀取將從字節(jié) 0 開始，一直進(jìn)行下去，直到第 9（字節(jié) 8， CRC）字節(jié)讀完。可以在任何時刻發(fā)出復(fù)位命令來中止寫入。 （ 3） 存儲器操作命令 Write Scratchpad（寫暫存存儲器） [4EH] 這個命令向 DS18B20 的 暫存器中寫入數(shù)據(jù)，開始位置在地址 2。只要 DS18B20 一上電，告警條件就保持在設(shè)置狀態(tài)，直到另一次溫度測量顯示出非告警值或者改變 TH 或 TL的設(shè)置，使得測量值再一次位于允許的范圍之內(nèi)。但是，僅在最近一次溫度測量出現(xiàn)告警的情況下， DS18B20 才對此命令作出響應(yīng)。搜索 ROM 命令允許總線控制器用排除法識別總線上的所有從機(jī)的 64 位編碼 。如果在總線上存在多于一個的從屬器件而且在 Skip ROM命令之后發(fā)出讀命令，那么由于多個從片同時發(fā)送數(shù)據(jù)，會在總線上發(fā)生數(shù)據(jù)沖突（漏極開路下拉會產(chǎn)生線與的效果）。此命令在總線上有單個或多個器件的情況下均可使用。只有與 64 位 ROM 序列嚴(yán)格相符的 DS18B20 才能對后繼的存貯器操作命令作出響應(yīng)。如果總線上存在多于一個的從屬器件，那么當(dāng)所有從片企圖同時發(fā)送時將發(fā)生數(shù)據(jù)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 沖突的現(xiàn)象（漏極開路會產(chǎn)生線與的結(jié)果）。這些命令列表如下： Read ROM(讀 ROM)[33H] 此命令允許總線主機(jī)讀 DS18B20 的 8 位產(chǎn)品系列編碼，唯一的 48 位 序列號，以及 8 位的 CRC。 （ 2） ROM 操作命令 一旦總線主機(jī)檢測到從屬器件的存在，它便可以發(fā)出器件 ROM操作命令之一。初始化序列包括總線主機(jī)發(fā)出一復(fù)位脈沖，接著由從屬器件送出存在脈沖。一般情況下的溫度值應(yīng)該為 9 位，但因符號位擴(kuò)展成高 8位，所以最后以 16 位補碼形式讀出。芯片內(nèi)部還有斜率累加器，可對頻率的非線性度加以補償。 DS18B20 內(nèi)部的低溫度系數(shù)振蕩器能產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率信號；同樣的，高溫度系數(shù)振蕩器則將被測溫度轉(zhuǎn)換成頻率信號。測溫結(jié)束時，這 9 位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到暫存 存儲器的前兩個字節(jié)中，符號位占用第一字節(jié)， 8 位溫度數(shù)據(jù)占據(jù)第二字節(jié)。1/2LSB，即 ℃ 。在計數(shù)器 2 停止計數(shù)后，比較器將計數(shù)器 1 中的計數(shù)剩余值轉(zhuǎn)換為溫度值后與 ℃ 進(jìn)行比較，若低于 ℃ ，溫度寄存器的最低位就置 0；若高于 ℃ ，最低位就置 1；若高于 ℃ 時，溫度寄存器的最低位就進(jìn)位然后置 0。計數(shù)器 1 的預(yù)置數(shù)也就是在給定溫度處使溫度寄存器寄存值增加 1℃ 計數(shù)器所需要的計數(shù)個數(shù)。以后計數(shù)器 1 每一個循環(huán)的預(yù)置數(shù)都由斜率累加器提供。 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 初始時，溫度寄存器被預(yù)置成 55℃ ，每當(dāng)計數(shù)器 1 從預(yù)置數(shù)開始減計數(shù)到 0時，溫度寄存器中寄存的溫度值就增加 1℃ ，這個過程重復(fù)進(jìn)行，直到計