【正文】 20 小 結(jié) 本作品設(shè)計(jì)主要是基于 STC89C52 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對恒溫箱的溫度等進(jìn)行檢測和控制，并實(shí)現(xiàn)恒溫箱對設(shè)定溫度的恒定。本次設(shè)計(jì)軟件的調(diào)試可以說是相當(dāng)?shù)牟ㄕ鄣模缢阈g(shù)的加減還要考慮變化量的定義類型，占幾個字節(jié)；加減的過程中有無借位問題等，否則都有可能會導(dǎo)致無法達(dá)到演示效果。調(diào)試時，仍采用去掉無關(guān)元件的方法，逐層調(diào)試下去，就會定位故障元件了。由分到合的調(diào)試 報告 完成。由分到合是指首先按邏輯功能將用戶系統(tǒng)硬件電路分為若干塊，當(dāng)調(diào)試電路時，與該元件無關(guān)的器件全部從用戶系統(tǒng)中去掉，這樣可以將故障范圍限定在某個局部的電路上。 動態(tài)調(diào)試是在系統(tǒng)工作的情況下發(fā)現(xiàn)和排除用戶系統(tǒng)硬件中存在的器件內(nèi)部故障、器件連接邏輯錯誤等的一種硬件檢查。 第三步：加電檢測。 第二步：用萬用表測試。 第一步：目測。 硬件調(diào)試可分為靜態(tài)調(diào)試與動態(tài)調(diào)試兩步進(jìn)行。說明 2： PID 算法流程圖 結(jié)合 12 頁 第） （程序見附錄 3） 。初始化時，模式 mode 的值為 1。 偏差 10 ? 輸出最大值 輸出最大有效脈沖 采 用 PID算 法 輸出 相應(yīng) PWM 計(jì) 算 e（ n） =設(shè) 定溫度 采集溫度 開始 結(jié)束 17 圖 按 鍵設(shè)定溫度子程序流程圖 switch (mode) ：按鍵功能子程序。 子程序流程圖 開始 初始化 讀取 DS18B20溫度子程序 讀取按鍵 設(shè)定溫度子程序 e（ n） 采集溫度 PWM輸出控制子程序 16 圖 PWM 輸出 PID 算法控制子程序 set_pwm()： PWM 輸出 PID 算法控制子程序。 另外設(shè)置單片機(jī)的 引腳為脈沖輸出通道，當(dāng)兩個定時 /計(jì)數(shù)器定時到后，分別改變這個通道的狀態(tài)，就可實(shí)現(xiàn)PWM脈沖的 調(diào)節(jié) 輸出。 終上所述 ， 本設(shè)計(jì)中，我們用定時器 T0作 為整個周期時間的延時 ，用定時器 T1 作為高 電平輸出的延時。定時器 T1 無 模 式 3, 可工作于方式 0、 2，但不能使用中斷方式。即 C／ T、 GATE、 TR0、 TF0 和 T0 ()引腳、 INT0 ()引腳。 TL0 可工作為定時方式或計(jì)數(shù)方式。這種工作方式可省去用戶重裝常數(shù)的程序，并可產(chǎn)生精確的定時時間，特別適用作串行口波待率發(fā)生器。用于計(jì)數(shù)工作方式 時，最大計(jì)數(shù)值為： 2^8＝ 256 個 (外部脈沖 )。 16位的計(jì)數(shù)器被拆成兩個 8位，其中 TL0 用作 8位計(jì)數(shù)器， TH0 用以保持計(jì)數(shù)初值。用于定時工作方式時，定時時間為： t＝ (216T0 初值 ) 時鐘周期 12。 工作 方式 1： 該模式是一個 16位定時／計(jì)數(shù)方式。其中TLX占低 5位， TLX 的高 3位末用。 用于定時工作時，定時時間為： t＝ (213T0 初值 )時鐘周期 12。 工作方式 0：定時器 (T0 或 T1)工作于 13位定時、計(jì)數(shù)方式。這樣工 作速度快， PWM 的動、靜態(tài)性能較好，但程序編寫好后，控制精度就不能更改。當(dāng)掃描到有信號輸入時，就進(jìn)行控制規(guī)律的比較，需要改變輸出脈沖占空比時，將計(jì)算后的兩個定時 /計(jì)數(shù)器的定時值分別重新送給這兩個定時 /計(jì)數(shù)器定時值的存儲單元即可。而定時的大 小則根據(jù)檢測信號與設(shè)定值的偏差，經(jīng)過 PID 運(yùn)算確定。兩個定時 /計(jì)數(shù)器采用中斷工作方式，另外設(shè)置單片機(jī)的某一引腳為脈沖輸出通道，當(dāng)兩個定時 /計(jì)數(shù)器定時到后，分別改變這個通道的狀態(tài)，就可實(shí)現(xiàn) PWM脈沖的輸出。 用單片機(jī)做 PWM 控制電加熱器的加熱功率 ， 加熱功率的大小由輸出脈沖的占空比決定，占空比大，則加熱功率就大。 位置式 PID 控制算法也可以通過增量式控制算法推出遞推計(jì)算公式： Δuuu k1kk ）（）（）（ ??? （ 式 54） 式 54 就是目前在計(jì)算機(jī)控制中廣泛應(yīng)用的數(shù)字遞推 PID 控制算法。 uuΔu 1kkk ）（）（）（ ??? （ 式 51） 第 k1個采樣時刻的輸出值為： ?????????? ?????????? ? 1k0j2k1kdji1kp1k TeeTeTTeku ）（）（）（）（）（ （ 式 52） 整理，可得 增 量式 PID 控制 算法公式為： 12 CeBeAeeTTkeT2T1keTTTT1kTe2eeTeTTeekuuΔu2k1kk2kdP1kdPkdiP2k1kkdki1kkP1kkk）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（???????????????????????????????????????????????????????（ 式 53） 其中 TTkCT2T1kBTTTT1kAdPdPdiP?????????????????????????? 由上面公式可以看出，如果計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期 T，一旦確定比例系數(shù) Kp、 積分時間 Ti、微分時間 Td就可以通過計(jì)算得出 A、 B、 C 的值，只要使用前后三次測量的偏差值，就可以由 式 53 求出 PID 增量。 PID算法 由于溫度控制本身有一定的滯后性和慣性，這使系統(tǒng)控制出現(xiàn)動態(tài)誤差。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時間常數(shù) Ti， Ti 越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。 比例環(huán)節(jié)：即時成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號 e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用以減小偏差。 11 5 PID 控制算法與 PWM 信號 PID控溫原理 通過輸入通道將溫度傳感器 DS18B20 采集到的恒溫箱的當(dāng)前溫度轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字 量并輸入到單片機(jī)中，單片機(jī)求出當(dāng)前的溫度值與設(shè)定值的偏差，并根據(jù)該偏差進(jìn)行 PID 運(yùn)算，最后根據(jù) PID運(yùn)算的結(jié)果控制單片機(jī)輸出 PWM信號，經(jīng)過光電隔離和二極管啟動盤驅(qū)動控制晶閘管整流電路，控制恒溫箱加熱。 報警電路模塊設(shè)計(jì) 圖 蜂鳴器報警電路 由于蜂鳴器的電流較大，一般在 100mA 左右，需要三極管驅(qū)動，本設(shè)計(jì)蜂鳴接 ，采用的是有源的直流蜂鳴器，內(nèi)部集成了振蕩器，使用時只需給 I/O 口一個低電平即可發(fā)聲。 可控硅導(dǎo)通角的控制原理 ： A 端為陽極， B 端為陰極， G 為觸發(fā)極。所以，只要控制 口輸出 PWM 信號的占空比就可以控制可控硅的導(dǎo)通角，就可以控制電熱絲兩端的平均電壓。所以，這是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)功能如下 : 溫度上調(diào)鍵：設(shè)定溫度加 1℃； 溫度 下調(diào)鍵：設(shè)定溫度減 1℃； 切換顯示鍵：對傳感器采樣溫度與設(shè)定溫度進(jìn)行切換。 8 表 41 DS18B20的數(shù)字溫度對照表 Temperature Digital output（ Binary） Digital output（ Hex） +125 0000 0111 1101 0000 07D0h +85 0000 0101 0101 0000 0550h + 0000 0001 1001 0001 0191h + 0000 0000 1010 0010 00A2h + 0000 0000 0000 1000 0008h 0 0000 0000 0000 0000 0000h 1111 1111 1111 1000 FFF8h 1111 1111 0101 1110 FF5Eh 1111 1110 0110 1111 FE6Fh 55 1111 1100 1001 0000 FC90h 顯示模塊設(shè)計(jì) 圖 顯示模塊電路 如圖 ， 采用的是 4位共陽數(shù)碼管 ， 單片機(jī)對采集溫度信號進(jìn)行處理后，通過 4位共陽數(shù)碼管，由單片機(jī) P0 口輸出段選信號， ~ 輸出位選信號，通過程序控制單片機(jī)管腳輸出，對溫度進(jìn)行顯示。 ℃ 溫度范圍 55℃ ~125℃ 測溫速率 750ms 圖 DS18B20 引腳接法 DS18B20 的數(shù)字 溫度對照表 DS18B20 采用 2 個字節(jié)的溫度數(shù)據(jù)存儲部分，低字節(jié)的低 4位為小數(shù)部分，高字節(jié)的低 4位與低字節(jié)的高 4位組成溫度的整數(shù)部分，高字節(jié)的高 4位為符號位，實(shí)現(xiàn)采樣溫度精度為 ℃。 DS18B20 引腳功能、接法 DS18B20 只有 3 個 引腳， 分別是 電源端，接地端和一 個數(shù)字信號輸入 /輸出端。 溫度采集模塊設(shè)計(jì) 數(shù)字溫控芯片 DS18B20 介紹（圖 ） 模擬溫度信號容易受到干擾而產(chǎn)生測量誤差 ,影響測量精度。 P0口作為數(shù)碼管顯示模塊數(shù)據(jù)傳輸總線， 作為溫度采集模塊數(shù)據(jù)線， 作為 PWM 信號輸出口控制加熱電路， 控制蜂鳴器報警電路，對系統(tǒng)的控制通過分別接在 ~ 的獨(dú)立鍵盤實(shí)現(xiàn)。主要是通過對數(shù)字溫度傳感器對溫度進(jìn)行采集后，與鍵盤電路輸入的溫度值進(jìn)行比較，通過程序 控制輸出PWM 信號，控制加熱設(shè)備進(jìn)行加熱，由數(shù)碼管顯示電路進(jìn)行溫度顯示，如果發(fā)生異常的時候發(fā)出警報。所以本次設(shè)計(jì)我們將啟用方案二進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。 5 方案二中，采用 PID 算法控制輸出 PWM 信號，使加熱設(shè)備以不同的功率進(jìn)行加熱，當(dāng)溫度達(dá)到我們要設(shè)定的溫度時，加熱電路以小功率進(jìn)行加熱，此時加熱量平衡于消耗的熱量，從而到達(dá)保溫的效果。本設(shè)計(jì)中我們選用了美國達(dá)拉斯（ Dallas） 公司的單線數(shù)字溫度傳感器芯片 DS18B20 作 為溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻不同， DS18B20 可直接將溫度轉(zhuǎn)換為串行數(shù)字信號，供單片機(jī)處理， 它 具有微型化、低功耗、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，且 DS18B20 采用單總線技術(shù)，信息經(jīng)過單線接口送入 DS18B20 或送出，從微處理器到 DS18B20 僅需連接一條信號線和地線。 由 4 位共陽 LED 數(shù)碼管對溫度進(jìn)行顯示。 方案二： 通過按鍵設(shè)定溫度，按鍵功能分別實(shí)現(xiàn)溫度加一和溫度減一，再設(shè) 按鍵 3 用于切換數(shù)碼管顯示采樣溫度 T與設(shè)定的溫度 S。 系統(tǒng)方案的選擇與論證 方案一： 按鍵控制設(shè)定恒溫箱溫度，熱電偶對溫度進(jìn)行采樣，采樣溫度經(jīng) AD 轉(zhuǎn)換與設(shè)定溫度進(jìn)行對比，當(dāng)采樣溫度小于設(shè)定溫度時啟動加熱電路，溫差的數(shù)字量經(jīng) DA 轉(zhuǎn)換控制加熱電路以不同功率進(jìn)行加熱，當(dāng)采樣溫度大于設(shè)定溫度時，關(guān)閉加熱電路。5℃ 時發(fā)出聲音報警。 （ 3） 預(yù)置時顯示設(shè)定溫度，恒溫時顯示實(shí)時溫度，采用 PID 控制算法顯示 精確到 ℃ 。 （ 2） 可預(yù)置恒溫箱溫度，溫度控制誤差小于 177。設(shè)計(jì)后的系統(tǒng)具有操作方便，控制靈活等優(yōu)點(diǎn)。 本設(shè) 計(jì)應(yīng)用性比較強(qiáng)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以作為生物培養(yǎng)液溫度監(jiān)控系統(tǒng)，如果稍微改裝可以做熱水器溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)室溫度監(jiān)控系統(tǒng)等等。從 DS18S20 讀出或?qū)懭?， DS18S20 信息僅需要一根口線，其讀寫及溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線，該總線本身也可以向所掛接的 DS18S20 供電，而無需額 外 電源?？刂破魇怯?AT89C51 單片機(jī)，用 PID 算法對檢測信號和設(shè)定值的差值進(jìn)行調(diào)節(jié)后輸出 PWN 脈沖 信號給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，去調(diào)節(jié) 電熱絲 的加熱功率，從而控制 箱 內(nèi)溫度。 箱 溫控制部分，提出了用 DS18SAT89C51 單片機(jī)及 LED 的硬件電路完成對 箱 溫的實(shí)時檢測及顯示，利用 DS18S20 與單片機(jī)連接由軟件與硬件電路配合來實(shí)現(xiàn)對加熱電阻絲的實(shí)時控制及超出設(shè)定的上下限溫度的報警系統(tǒng) 。在冶金、鋼鐵、石化、水泥、玻璃、醫(yī)藥等等行業(yè)，可以說幾乎 80%的工業(yè)部門都不得不考慮著溫度的因素。無論你生活在哪里，從事什么工作，無時無刻不在與溫度打著交道。溫度是工業(yè)生產(chǎn)中常見的工 藝參數(shù)之一，任何物理變化和化學(xué)反應(yīng) 過程都與溫度密切相關(guān)，因此溫度控制是生產(chǎn)自動化的重要任務(wù)。因此，單片機(jī)對溫度的控制問題是一個工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會遇到的問題。例如：在冶金工業(yè)、化工生產(chǎn)、電力工程、造紙行業(yè)、機(jī)械制造和食品加工等諸多領(lǐng)域中，人們都需要對各類加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐中的溫度進(jìn)行檢測和控制。本文主要介紹單片機(jī)在溫度控制中的應(yīng)用。恒溫箱有著廣泛的用途 ,其關(guān)鍵技術(shù)為控制溫度的恒定 ,本文用 51系列單片機(jī)和數(shù)字溫度傳感器 DS18B20來實(shí)現(xiàn)恒溫箱的溫度測量控制功能。恒溫箱供科研機(jī)關(guān)及醫(yī)院作細(xì)菌培養(yǎng)之用 。 傳感器主要用于測量和控制系統(tǒng)，它的性能好壞直接影響系統(tǒng)的性能 。傳感器技術(shù)已成為衡量一個國家科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。單片機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用給現(xiàn)代工業(yè)測控領(lǐng)域帶來了一次新的