【正文】 分類的，除了 PWM型，還有 PFM 型和 PWM、 PFM 混合型。 其中方波高電平時(shí)間跟周期的比例叫占空比，例如 1秒高電平 1 秒低電平的 PWM 波占空比是 50% 。 數(shù)字 PID 算法 PID 算法是本 系統(tǒng)軟件 程序中的核心部分。其原理如下： 本系統(tǒng)的溫度控制器的電熱元件 是發(fā)熱片 。當(dāng)容器內(nèi)溫度升高至設(shè)定溫度時(shí)，溫度控制器會(huì)發(fā)出信號(hào)停止加熱。當(dāng)下降到設(shè)定溫度的下限時(shí)，溫度控制器又開始發(fā)出加熱的信號(hào)，開始加熱，但發(fā)熱 片 要把溫度傳遞到被加熱器件需要一定的 時(shí)間 ，這就要視發(fā)熱 熱 與被加熱器件之間的介質(zhì)情況而定。所以，傳統(tǒng)的定點(diǎn)開關(guān)控制溫度會(huì)有正負(fù)誤差幾度的現(xiàn)象，但這不是溫度控制器本身的問題，而是整個(gè)熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性問題，使溫度控制器控溫產(chǎn)生一種慣性溫度誤差。 計(jì)算機(jī)每隔固定時(shí)間 T 將現(xiàn)場(chǎng)溫度與用戶設(shè)定目標(biāo)溫度的差值帶入增量式 PID 算法公式，由公式輸出量決定 PWM方波的占空比，后續(xù)加熱電路根據(jù)此 PWM 方波的占空比決定加熱功率。 PID 參數(shù)的選擇是系統(tǒng)設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵，它 決定了溫度控制的準(zhǔn)確度。各個(gè)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響如下： P 對(duì)系統(tǒng)性能的影響：比例系數(shù)加大，使系統(tǒng)的動(dòng)作靈敏，速度加快，穩(wěn)態(tài)誤差減??； P偏大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng)； P太大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)趨于不穩(wěn)定；P 太小，又會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)作緩慢。如果 P的符號(hào)選擇不當(dāng)對(duì)象測(cè)量值就會(huì)離控制目標(biāo)的設(shè)定值越來越遠(yuǎn)，如果出現(xiàn)這樣的情況 P的符號(hào) 就一定要取反。 D 對(duì)系統(tǒng)性能的影響：微分作用可以改善動(dòng)態(tài)特性， D偏大時(shí)，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時(shí)間較短； D偏小時(shí)，超調(diào)量也較大，調(diào)節(jié)時(shí)間也較長(zhǎng)；只有 D合適，才能使超調(diào)量較小，減短調(diào)節(jié)時(shí)間。 設(shè)計(jì)要求 ：室溫 0℃～ +100℃； ：177。 對(duì)本次設(shè)計(jì)進(jìn)行深入的分析和思考，可將整個(gè)系統(tǒng)分為控制電路、溫度測(cè)量電路、顯示電路、按鍵電路、加熱電路和報(bào)警裝置六部分。 5 圖 31 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，選擇發(fā)熱片作為加熱電路的加熱元件，所需供電電源 12V 直流電。此方案簡(jiǎn)易可行 ,器件的價(jià)格便宜 ,但其擴(kuò)展的外圍電路較多 ,增加了電路的復(fù)雜性 ,且 ADC0809 是 8 位的模數(shù)轉(zhuǎn)換 ,不能滿足本題目的精度要求。 綜上所述， 本著簡(jiǎn)單實(shí)用的原則，最后選擇第二種方案，并通過四位數(shù)碼管顯示電路和按鍵電路來完善整個(gè)系統(tǒng)的功能。 硬件電路主要由 三 大模塊構(gòu)成，分別是：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)模塊、 功能實(shí)現(xiàn)模塊、溫度 控制模塊。在發(fā)熱片的溫度到達(dá)設(shè)定的目標(biāo)溫度后，由于自然冷卻而使其溫度下降時(shí)，單片機(jī)通過采樣的實(shí)時(shí)溫度與設(shè)置的目標(biāo)溫度比較，做出相應(yīng)的控制，開啟繼電器，為發(fā)熱片通電加熱。 單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件設(shè)計(jì)仿真圖如圖 42 所示： 蜂鳴器報(bào)警 發(fā)熱片 數(shù)碼管顯示 繼電器 單片機(jī) STC89C52 DS18B20 采樣 按鍵電路 7 圖 42 仿真原理圖 模塊 單片機(jī) STC89C52 的簡(jiǎn)介 STC89C52 是 STC 公司 生產(chǎn)的一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲(chǔ)器 。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 STC89C52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 STC89C52 有 40 引腳雙列直插（ DIP）形式。 8 圖 43 STC89C52引腳圖 管腳說明： ：供電電壓。 ： P0口為一個(gè) 8位漏級(jí)開路雙向 I/O口，每腳可吸收 8TTL 門電流。 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。 ： 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 門電流。在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)， P1口作為第八位地址接收。并因 此作為輸入時(shí)， P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。 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口輸出地址的高八位。 P2口在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和 9 控制信號(hào)。當(dāng) P3口寫入“ 1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。 P3口也可作為 AT89C51的一些特殊功能口，如表 41。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持 RST 腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。另外，該引腳被略微拉高。 9./PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 /PSEN 信號(hào)將不出現(xiàn)。注意加密方式 1時(shí)， /EA 將內(nèi)部鎖定為 RESET；當(dāng) /EA 端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。 ：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 振蕩器特性： XTAL1和 XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“ 1”且在任何非空存儲(chǔ)字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。在閑置模式下， CPU 停止工作。在掉電模式下，保存 RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止。其中， P0口為一個(gè) 8 位漏級(jí)開路雙向 I/O口，其驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)于其他三個(gè) I/O 口。一般 51單片機(jī)的 P0 口在作為地址 /數(shù)據(jù)復(fù)用時(shí)不接上拉電阻。 單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路原理圖如圖 44所示， 18 引腳和 19 引腳接時(shí)鐘電路， XTAL1接外部晶振和微調(diào)電容的一端，在片內(nèi)它是振蕩器倒相放大器的輸入， XTAL2 接外部晶振 和微調(diào)電容的另一端，在片內(nèi)它是振蕩器倒相放大器的輸出。 11 圖 44 最小系統(tǒng)電路原理圖 功能實(shí)現(xiàn)模塊 功能實(shí)現(xiàn)模塊主要包括采樣模塊、 按鍵和顯示模塊 及報(bào)警和指示燈模塊，一起構(gòu)成了溫度控制系統(tǒng)的功能 采樣模塊 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器接線方便，封裝成后可應(yīng)用于多種場(chǎng)合，如管道式，螺紋式，磁鐵吸附式，不銹鋼封裝式，型號(hào)多種多樣，有 LTM8877， LTM8874 等等。封裝后 的 DS18B20 可用于電纜溝測(cè)溫，高爐水循環(huán)測(cè)溫，鍋爐測(cè)溫，機(jī)房測(cè)溫，農(nóng)業(yè)大棚測(cè)溫，潔凈室測(cè)溫，彈藥庫測(cè)溫等各種非極限溫度場(chǎng)合。 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成： 64位光刻 ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器 TH 和 TL、配置寄存器。 ℃ ； 9～ 12位，對(duì)應(yīng)的可分辨溫度分為 ℃、 ℃、 ℃和℃，可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)溫 ； 9位分辨率時(shí)最多在 ， 12位分辨率時(shí)最多在 750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快 ； ，以 一線總線 串行傳送給 CPU，同時(shí)可傳送 CRC校驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力 ； ：電源極性接反時(shí)，芯片不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。溫度采樣電路如圖 45所示。 圖 45 采樣電路 按鍵模塊 按鍵電路采用按鍵與外部中斷相結(jié)合的方法，各按鍵功能定義如表 42所示。 按鍵 KEY3 與單片機(jī)的 INT0（ ）腳相連，采用外部中斷方式，且優(yōu)先級(jí)定位高優(yōu)先級(jí)。按鍵模塊電路如圖 46所示。用 P2 口的 ~ 作為位控碼輸出，用 P0 口作為段控碼輸出，都采用 74LS04 做為驅(qū)動(dòng)電路。 14 圖 47 顯示接口 電路原理圖 溫度 控制模塊 加熱控制電路采用 PWM 控制技術(shù)在閉環(huán)控制系統(tǒng)中控制繼電器的通斷，以實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)熱片加熱功率的調(diào)整，從而達(dá)到對(duì)水溫控制的目的。當(dāng)單片機(jī)的 為低電平時(shí)繼電器關(guān)斷，加熱電路不工作；當(dāng)單片機(jī)水溫 為高電平時(shí)，三極管驅(qū)動(dòng)繼電器工作，接通加熱電路工作。 圖 48 加熱控制電路原理圖 15 5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 軟件編寫的語言一般情況下，有匯編語言和Ｃ語言兩種，兩種語言各有優(yōu) 劣。 而用匯編語言編寫則相對(duì)要求高一些，它要求對(duì)硬件有足夠的了解和認(rèn)識(shí)，在此基礎(chǔ)上，嚴(yán)格地對(duì)照各部件的時(shí)序圖，進(jìn)行程序的編寫，而且讀起來相對(duì)繁瑣。 本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，由主程序模塊、功能實(shí)現(xiàn)模塊和運(yùn)算控制模塊三大模塊組成。把 KEY3 鍵作為最高優(yōu)先級(jí)的外部中斷 0，以便使主程序能實(shí)時(shí)響應(yīng) KEY3 鍵按下的處理。主程序流程圖如圖 51所示。 16 Y N Y N N N Y 圖 51 主程序流程圖 開始 初始化所有參數(shù) 按鍵按下？ 外部中斷 INT0 初始化 定時(shí)器 T0 初始化 按鍵掃描子程序 設(shè)定值大于溫度值？ 采樣子程序 PWM 輸出子程序 PID 控制子程序 定時(shí) 3s？ 越限報(bào)警 顯示子程序 17 功能實(shí)現(xiàn)模塊 功能實(shí)現(xiàn)模塊主要由溫度采樣子程序、中斷處理子程序、按鍵處理子程序、顯示子程序等部分組成。通過溫度采樣子程序的運(yùn)用，系統(tǒng)才能實(shí)時(shí)獲取溫度值，并為接下來的運(yùn)算控制子程序提供很重要的溫度參數(shù)值。 具體源程序見附錄。顯示子程序流程圖如圖 53所示。 開始 初始化 跳過序列號(hào)命令 發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換命令 讀取溫度 返回 溫度轉(zhuǎn)換完畢？畢？ 18 N Y 圖 53 顯示子程序流程圖 運(yùn)算控制模塊 運(yùn)算控制模塊涉及到 PWM 控制技術(shù)和 PID算法， 在結(jié)合溫度傳感器 DS18B20 形成 閉環(huán)式的控制系統(tǒng)對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行調(diào)控。 占空比以及所對(duì)應(yīng)的周期，是由溫度傳感器所測(cè)的實(shí)際溫度與目標(biāo)溫度的差來決定的。具體源程序見附錄。隨著單片機(jī)開發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展，從匯編語言的普遍使用到高級(jí)語言開發(fā)的逐漸使用，單片機(jī)的開發(fā)軟件也隨之在發(fā)展著，與匯編語言相比， C 語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、