【正文】 體現(xiàn)了作品芯片化的這個(gè)趨勢(shì)。而且，集成塊的使用，有效地避免外界的干擾，提高測(cè)量電路的精確度。這樣就能實(shí)時(shí)顯示溫度情況。 在工程實(shí) 際中 ， PID 控制器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工 6 作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。 PID 控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。 PID 控制器參數(shù)整定的方法概括起來(lái)有兩大類(lèi)：一是理論計(jì)算整定法。 這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。 7 3 器件和模塊的選用 AT89C52單片機(jī) AT89C52是一種低功耗、高性能 8 位微控制器，具有 8K 在系可編程 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 AT89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活 、有效的解決方案。另外， AT89C52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2種軟件可選擇節(jié)電模式。掉電保護(hù)方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié) ，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。 ，典型值為 5V； 1最高工作頻率為 24MHz。 8 圖 AT89C52 引腳排列 DS18B20傳感器 DS18B20 原理與特性 ： 采用了 DS18B20 單總線可編程溫度傳感器 ,來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的采集和轉(zhuǎn)換，大大簡(jiǎn)化了電路的復(fù)雜度，以及算法的要求。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。 GND 為接地線， DQ 為數(shù)據(jù)輸入輸出接口，通過(guò)一個(gè)較弱的上拉電阻與單片機(jī)相連。本文使用外部電源供電。 2. 不需要外部組件，能測(cè)量－ 55～ +125℃ 范圍內(nèi)的溫度。0 ． 5℃ 。 5. 獨(dú)特的單總線接口方式，與微處理器連接時(shí)僅需要一條線即可實(shí)現(xiàn)與微處理器雙向通訊。 7. 負(fù)壓特性：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。 10 DS18B20 內(nèi)部功能模塊 如 圖 所示， 圖 DS18B20 原理圖 DS18B20 的讀寫(xiě)時(shí)序和測(cè)溫原理與 DS1820 相同，只是得到的溫度值的位數(shù)因分辨率不同 DS18B20 為 9 位～ 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換精度， 而 DS1820 為 9 位 A/D 轉(zhuǎn)換 ,雖然我們采用了高精度的芯片 ,但在實(shí)際情況上由于技術(shù)問(wèn)題比較難實(shí)現(xiàn) ,而實(shí)際 精度此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測(cè)溫度。 如下 的測(cè)溫原理圖 不同，且溫度轉(zhuǎn)換時(shí)的延時(shí)時(shí)間由 2s減為 750ms。 圖 DS18B20 的測(cè)溫原理框圖 圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào) 11 送給計(jì)數(shù)器 1。計(jì)數(shù)器 1 和溫度寄存器被預(yù)置在－ 55℃ 所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值 時(shí) 。 在 DS18B20 測(cè)溫程序設(shè)計(jì)中，向 DS18B20 發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后，程序要等待DS18B20 的返回信號(hào)，一旦某個(gè) DS18B20 接觸不好或斷線，當(dāng)程序讀該 DS18B20 時(shí)，將沒(méi)有返回信號(hào)，程序進(jìn)入死循環(huán)。測(cè)溫電纜線采用屏蔽 4 芯雙絞線，其中 有 一對(duì)接地線與信號(hào)線，另一組接 VCC 和地線 。系統(tǒng)時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)采用內(nèi)部方式。這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外晶體諧振器構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器。本系統(tǒng)電路采用的晶體振蕩器頻率為 。 復(fù)位電路和時(shí)鐘電路如圖 所示。上電復(fù)位是利用電容充電來(lái)實(shí)現(xiàn)的，上電瞬間 RST/VPD 端的電位與 VCC 相同，隨著充電電流的減少， RST/VPD的電位逐漸下降，圖 中的 10K 的電阻是施密特觸發(fā)器輸入端的一個(gè)下拉電阻，時(shí)間常數(shù)為 10*106*10*103s=100ms,只要 Vcc 的上升時(shí)間不超過(guò) 1ms，振蕩器建立時(shí)間不超過(guò) 10ms,這個(gè)時(shí)間常數(shù)足以保證完成復(fù)位操作 [6]。按鈕復(fù)位采用電平復(fù)位方式，按下復(fù)位電鈕時(shí)，電源對(duì)外接電容充電，使 RST/VPD 端為高電平，復(fù)位按鈕松開(kāi)后，電容通過(guò)內(nèi)部下拉電阻放電，逐漸使 RST/VPD 端恢復(fù)低電平。 溫度傳感器 DS18B20 采集被控對(duì)象的實(shí)時(shí)溫度 ,提供給 AT89C52的 。 圖 數(shù)碼管顯示電路圖 供電部分采用 TL431 構(gòu)成的恒壓源， TL431 是一個(gè)有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源。該器件的典型動(dòng)態(tài)阻抗為 。即，控制器的輸出為： ???????? ??? ?t Dp dt tde r r orTdtte r r orTte r r orktu01)()(1)()( （ ） 或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)的形式： ???????? ???? sTsTksE sUsG Dp111)( )()( （ ） 式中， kp—— 比例系數(shù)； Ti—— 積分時(shí)間常數(shù)； Td—— 微分時(shí)間常數(shù)。 比例控制： Gc(s)= Kp 積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。 積分控制： Gc(s) = Kp/T is 微分環(huán)節(jié)：反偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)（變化速率），并能在偏差信號(hào)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。 設(shè) u(k)為第 k 次采樣時(shí)刻控制器的輸出值，可得離散的 PID 算式 () ， 由于計(jì)算機(jī)的輸出 u(k)直接控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如閥門(mén)）， u(k)的值與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置（如閥門(mén)開(kāi)度）一一對(duì)應(yīng)，所以稱(chēng)式 (2)為位置式 PID 控制算法。 增量式只需計(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)出現(xiàn)計(jì)算誤差或精度不足時(shí)，對(duì)控制量計(jì)算的影響較小，且較容易通過(guò)加權(quán)處理獲得比較好的控制效果。它是根據(jù)被控過(guò)程的特性確定PID 控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)理論 計(jì)算確定控制器參數(shù)。二是工程整定方法，它主要依賴(lài)工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。以達(dá)到控制器的特性與被控過(guò)程的特性相匹配 ,滿(mǎn)足某種反映控制系統(tǒng)質(zhì)量的性能指標(biāo)。 計(jì)算機(jī)只能處理數(shù)字信號(hào)，若采樣周期為 T第 n次采樣的輸入誤差為 ne ，且)()( nCnren ?? ，輸出為 )(nu ， PID 算法用的微分 dtde 由差分 Tee nn 1?? 代替，積分 dttet?0)(由 ?TeK 代替，于是得到 ?????? ???? ??? T eeTTTeKu nnDniInPn 101 （ ） 寫(xiě)成遞推形式為 △ 1??? nnn uuu = ?????? ?????? ? ?? ?????ni nnnDni iiInnP eeeTTeeTTeeK0 21101 )2()()( = ?????? ????? ??? )2()( 211 nnnDnInnPeeeTTeTTeeK = )2()( 211 ??? ????? nnnDnInnP eeeKeKeeK = DIP PPP ?? （ ） 18 其中： )( 1??? nnPP eeKP （ ） nInIPI eKeTTKP ?? （ ） )2()2(2121 ???? ?????? nnnDnnnDPD eeeKeeeTTKP （ ） 顯然， PID 計(jì)算△ un 只需要保留現(xiàn)時(shí)刻 en 以及以前的兩個(gè)偏差量 en1 和 en2。 根據(jù)輸出控制增量△ un，可求出本次控制輸出為 1?? nn uu +△ nu = DIPn PPPu ????1 （ ） 下面對(duì) PID 運(yùn)算加以說(shuō)明： 所有的數(shù)都變成定點(diǎn)純小數(shù)進(jìn)行處理。正負(fù)數(shù)都是補(bǔ)碼表示，最后的計(jì)算以原碼輸出。輸出控制量 un 的限幅處理。大于 250 或小于 0 的控制量 nu 都是沒(méi)有意義的，因在算法上對(duì) nu 進(jìn)行限幅，即 nu =?????????m a xm a xm a xm inm inm inuuuuuuuuuunnnn （ ） 19 圖 PID計(jì)算程序的流程圖 PID 的計(jì)算公式采用位置式算法，計(jì)算公式為 1?? nn uu + )2()( 211 ??? ????? nnnDnInnP eeeKeKeeK = DIPn PPPu ????1 （ ） 輸入 Cn5rn 計(jì)算 PD=KD(en2en1+en2) 計(jì)算 en=rnCn 計(jì)算 un=un1+PP+P1+PD P1=K1*en un un1,e n1 en2,en e n1 計(jì)算 Pp=Kp(enen1) un 輸出限幅處理 計(jì)算 P1+Pp 返回 開(kāi)始 20 5 軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的軟件主要由主程序模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、控制算法模塊等組成。 主程序模塊要做的主要工作是上電后對(duì)系統(tǒng)初始化和構(gòu)建系統(tǒng)整體軟件框架，其中初始化包括對(duì)單片機(jī)的初始化、串口初始化等。 設(shè)計(jì)模塊圖如下圖 。 和顯示 模塊 數(shù)據(jù)采集模塊的任務(wù)是負(fù)責(zé)溫度信號(hào)的采集以及將采集到的數(shù)字量提供給單片機(jī)。顯示程序設(shè)計(jì)框圖 如圖 。 Altium Designer ，它是完全一體化電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的一個(gè)新版本，也是業(yè)界第一款也是 唯一一種完整的板級(jí)設(shè)計(jì)解決方案。 通過(guò)對(duì)電路的硬件設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì) ,我們使用了 PROTEUS 對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。通過(guò) KEIL 軟件降我們的源程序轉(zhuǎn)換成目標(biāo)程序來(lái)進(jìn)行仿真 ,生成 *.hex 文件。 PCB電路圖如圖 所示： 圖 整體設(shè)計(jì) PCB 圖 24 通過(guò) PCB 圖做出的實(shí)物圖如圖 所示： 圖 實(shí)物圖 25 致 謝 畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)接近了尾聲，這也意味著我的大學(xué)生活就要結(jié)束了，學(xué)生活一晃而過(guò)，回首走過(guò)的歲月，心中倍感充實(shí)，當(dāng)我寫(xiě)完這篇畢業(yè)論文的時(shí)候，有一種如釋重負(fù)的感覺(jué)，感慨良多。做設(shè)計(jì) 的過(guò)程是艱辛的，但是在我的努力之下還是完成了。陳老師平日里工作繁多，但我做畢業(yè)設(shè)計(jì)的每個(gè)階段，從選題到查閱資料，論文提綱的確定，中期論文的修改，后期論文格式調(diào)整等各個(gè)環(huán)節(jié)中都給予了我悉心的指導(dǎo)。其次，還要感謝這四年來(lái)教我知識(shí)的美味老師們，畢業(yè)論文能夠順利完成，你們也都有很大的功勞。訓(xùn)練綜合運(yùn)用有關(guān)課程的理論 ,結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際反系和解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力 。 寫(xiě)作畢業(yè)論文是一次再系統(tǒng)學(xué)習(xí)的過(guò)程，畢業(yè)論文的完成，同樣也意味著新、生活的開(kāi)始。 在此，我還要特別感謝我的同學(xué)們， 由于你們的幫助和支持，我才能克服一個(gè)一個(gè)的困難和疑惑 ，你們 對(duì)本課題做了不少工作 ， 直至本文的順利完成，給予我不少的 幫助，謝謝你們 ！ 26