【正文】 LabVIEW 中文資料； 2 單片機(jī)串口通信資料； 3 DS18B20 資料以及其溫度的讀寫(xiě)規(guī)則 4 常用的控制算法資料 5 全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽組委會(huì) . 全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽獲獎(jiǎng)作品匯編 . 北京：北京理工大學(xué)出版社， 2021 6 何立民 .單片機(jī)中級(jí)教程 北京：北京航空航天大學(xué)出版社， 2021 7 潘新民 .王燕芳 微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù) . 北京：電子工業(yè)出版社， 2021 開(kāi)題報(bào)告 選題的根據(jù)： 為了達(dá)到恒溫的目的，采用產(chǎn)生 PWM 波調(diào)節(jié)功率，進(jìn)而調(diào)節(jié)水溫，采用串行總線實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與單片機(jī)之間的通信，溫度采集采用集成數(shù)字溫度傳感器。 常用的控制算法有： ① 經(jīng)典的比例積分微分控制算法。 ③ 根據(jù)模糊集合理論得到模糊控制算法。同時(shí)由于所得到的數(shù)學(xué)模型過(guò)于復(fù)雜難于實(shí)現(xiàn)。 本題目可采用分段線性的方法，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，而且控制效果優(yōu)良 V 主要內(nèi)容及其 主要的研究方法 ： 設(shè)計(jì)一水箱恒溫控制系統(tǒng)，達(dá)到溫度可設(shè)置，加熱狀態(tài)可顯示，顯示溫度曲線，小的超調(diào)與短的調(diào)節(jié)時(shí)間，為使達(dá)到最優(yōu)的控制，采用計(jì)算機(jī)與單片機(jī)共同的控制方法，上位機(jī)采用 LabVIEW,下位機(jī)為單片機(jī)，控制靈活而方便，控制算法采用分段線性的方法。 主要參考資料： 1 全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽組委會(huì) . 全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽獲獎(jiǎng)作品匯編 . 北京：北京理工大學(xué)出版社， 2021 2 何立民 .單片機(jī)中級(jí)教程 北京 :北京航空航天大學(xué)出版社， 2021 3 潘新民 .王燕芳 .微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù) . 北京：電子工業(yè)出版社， 2021 ，周 建興，矯津毅 LabVIEW 中文版入門(mén)與典型實(shí)例人民郵電出版社 2021 1 水箱恒溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制作 摘要 ：本文介紹了以 LabVIEW 為核心的溫度控制系統(tǒng)的工作原理和設(shè)計(jì)方法。 溫度信號(hào) 由 DS18B20 采集，并以數(shù)字信號(hào)的方式傳送給單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)串口將數(shù)字信號(hào)送到 PC，利用 PC 強(qiáng)大的運(yùn)算與處理能力 ,將溫度顯示，并控制繼電器工作。此系統(tǒng)適合于工業(yè)控制。 目前，國(guó)外溫度控制系統(tǒng)及儀表正朝著高精度智能化、小型化等方面快速發(fā)展。目前，我國(guó)在這方面總體技術(shù)水平處于 20 世紀(jì) 80 年代中后期水平?，F(xiàn)在，我國(guó)在溫度等控制儀表業(yè)與國(guó)外還有著一定的差距。溫度控制在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，由于其具有工況復(fù)雜、參數(shù)多變、運(yùn)行慣性大、控制滯后等特點(diǎn) ,它對(duì)控制調(diào)節(jié)器要求較高。盡管溫度控制很重要，但是要控制好溫度常常會(huì)遇到意想不到的困難。 3 1 系統(tǒng)方案 水溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)和要求 該系統(tǒng)為一實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù) ： 設(shè)計(jì)一個(gè)水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)，控制對(duì)象為容積 1L 的電熱杯，功率 400W。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)具體要求： ⑴ 溫度設(shè)定范圍為 30～ 99℃。 ⑶采用適當(dāng)?shù)目刂品椒ǎ?dāng)設(shè)定溫度突變時(shí)，減小系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量。 ⑸ 實(shí)時(shí)打印出水溫曲線。 水溫控制系統(tǒng)關(guān)鍵部分確定 水溫控制系統(tǒng)是一個(gè)過(guò)程控制系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，必須明確它的 組成部分。 圖 1 過(guò)程控制組成框圖 由圖可知，在這個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，主要設(shè)計(jì)如圖幾個(gè)部分。對(duì)于執(zhí)行器件、測(cè)量變送元件將在部分電路設(shè)計(jì)中有說(shuō)明。因?yàn)檫@兩部分是實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)控制目的的關(guān)鍵。 溫度采集部分 ⑴ 方案一：采用熱敏電阻，半導(dǎo)體溫度傳感器（如 AD590），鉑電阻等，但是這些 4 器件都是模擬器件，且輸出的都是微弱信號(hào)，需要加信號(hào)的放大與調(diào)理，要變化單片機(jī)所能接收的數(shù)字量還必須加一級(jí) AD轉(zhuǎn)換 ,得到的數(shù)字量經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換才能得到真實(shí)的物理值 ,這些器件在小范圍內(nèi)是成線性 ,在更大的范圍內(nèi)是非線性的 ,所以要測(cè)量寬范圍的溫度必須加溫度補(bǔ)償電路。 將兩個(gè)方案一比較便可得出一個(gè)結(jié)論，采用 DS18B20 來(lái)實(shí)現(xiàn)本題目，不管是從電路上結(jié)構(gòu)，溫度的準(zhǔn)確性上，都比方案一優(yōu)越，雖然數(shù)字器件的轉(zhuǎn)換時(shí)間要比模擬器件的長(zhǎng)許多，但是測(cè)量像溫度這種變化比較緩慢的信號(hào)，已經(jīng)綽綽有余了。 控制主體部分 （ 1）方案一：只采用單片機(jī)進(jìn)行控制，單片機(jī)不但要負(fù)責(zé)溫度的采集，轉(zhuǎn)換，顯示， 還要負(fù)責(zé)溫度的控制，單片機(jī)的連接和程序的編寫(xiě)將會(huì)很復(fù)雜。 通過(guò)以上比較，采用方案二，不但線路連接簡(jiǎn)單，而且顯示生動(dòng)形象，其次在微機(jī)上采用高級(jí)語(yǔ)言編程，實(shí)現(xiàn)起來(lái)就更加容易，要顯示出溫升曲線，采用單片機(jī)是不容易實(shí)現(xiàn)的。長(zhǎng)期以來(lái)國(guó)內(nèi)外科技工作者對(duì)溫度控制器進(jìn)行了廣泛深入的研究，產(chǎn)生了大批溫度控制器，如性能成熟應(yīng)用廣泛的 PID 調(diào)節(jié)器、智能控制 PID 調(diào)節(jié)器、自適應(yīng)控制等。 5 ⑴ 常規(guī) PID PID 在溫度控制中已使用數(shù)十年，是一種成熟的技術(shù)，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于理解和實(shí)現(xiàn)，且一些高級(jí)控制都是以 PID 為基礎(chǔ)改進(jìn)的。其主要構(gòu)成如圖 2 所。其動(dòng)態(tài)方程為： dt tdeKdtteKteKtu dip )()()()( ? ??? （ 1） 其中 pK 為調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù) iK 為積分時(shí)間常數(shù) dK 為微分時(shí)間常數(shù) PID 調(diào)節(jié)器的離散化表達(dá)式為 )]1()([)()()( ????? kekeTKkTeKkeKku dip （ 2） 其中 T 為采樣周期。 比例調(diào)節(jié)的作用是使調(diào)節(jié)過(guò)程趨于穩(wěn)定，但會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差 。 6 采用 PID 控制，控制效果的好壞很大程度上取決于 PID 三個(gè)控制參數(shù)的確定。 ⑵ 自動(dòng)控制方式 為了實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)控制，必須要組成一定的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在此控制系統(tǒng)中，真正的，它對(duì)過(guò)程變量的實(shí)測(cè)值和設(shè)定位之間的誤差信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算然后給出控制信息。 A T 8 9 S 5 2測(cè) 量電 熱 杯計(jì) 算 機(jī)繼 電 器 圖 3 自動(dòng)控制框圖 常用的控制算法有以下幾種 ： ① 經(jīng)典的比例積分微分控制算法。 ③ 根據(jù)模糊集合理論得到模糊控制算法。同時(shí)由于所得到的數(shù)學(xué)模型過(guò)于復(fù)雜難于實(shí)現(xiàn)。 本文采用 分段線性的方 法，這種方法簡(jiǎn)單易行，且系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能良好，響應(yīng)速度快，達(dá)到了控制要求，不需要控制對(duì)象的系統(tǒng)模型，只需測(cè)出一些經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)，再擬合曲線，找 出系統(tǒng)特性。 7 總體設(shè)計(jì)框圖 本系統(tǒng)是一個(gè)簡(jiǎn)單的單回路控制系統(tǒng)。 根據(jù)系統(tǒng)程序控制，計(jì)算機(jī)進(jìn)行分段線性運(yùn)算以及輸出控制，最終由計(jì)算機(jī)發(fā)出控制量，單片機(jī)接收到后，根 據(jù)控制量控制加熱回路電磁繼電器的通斷，達(dá)到調(diào)節(jié)功率的目的。計(jì) 算 機(jī)（ L a b V I E W ）控 制 、 顯 示 、 監(jiān)控 打 印 曲 線A T 8 9 s 5 2控 制 量溫 度 量D S 1 8 b2 0 采 集溫 度繼 電 器控 制 對(duì) 象（ 4 0 0 W 電 熱杯 ） 圖 4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 2 單元硬件電路設(shè)計(jì) 由總體框圖可以看到，整個(gè)系統(tǒng)的控制中心為計(jì)算機(jī)，要完成單片機(jī)與微機(jī)之間數(shù)據(jù)的收發(fā)要借助于串行通信，而 DS18B20 為單總線結(jié)構(gòu)，控制繼電器也只需一個(gè) I/O 因此本系統(tǒng)中單片機(jī)與外界的連線只有四根，所需的 I/O 口為： TXD（ ） ：串行數(shù)據(jù)發(fā)送口 RXD（ ） ：串行數(shù)據(jù)接收口 ：控制輸出口 : DS18B20 數(shù)據(jù)收發(fā)口 測(cè)溫部分電路 這里我們用到溫度芯片 DS18B20。使用集成芯片，已經(jīng)慢慢的成為設(shè)計(jì)電路的一種趨勢(shì)。 DS18B20 是 DALLAS 公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，具有 3 引腳 TO－ 92 小體積封裝形式；測(cè)溫分辨率可達(dá) ℃，被測(cè)溫度用符號(hào)擴(kuò)展的 16 位數(shù)字量方式串行輸出；其工作電源既可在遠(yuǎn)端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生；多個(gè) DS18B20 可以并聯(lián)到 3 根或 2 根線上， CPU 只需一根端口線就能與諸多 DS18B20 通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。 C~+125176。 C范圍內(nèi) ,精度為177。 C。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè) 量，如：環(huán)境控制、設(shè)備或過(guò)程控制、測(cè)溫類消費(fèi)電子產(chǎn)品等。 對(duì)電爐絲通斷的控制采用電磁式繼電器，需要在線圈上加 12V 的電壓，還需要足夠的驅(qū)動(dòng)電流才能控制繼電器的閉合，所以還要加三極管進(jìn)行電流放大 。 9 圖 6 電熱杯控制電路 由于 4N25 需要一定的驅(qū)動(dòng)電流，需要在輸入端加反向放大 7406，圖 5 中 D2 的作用為保護(hù)電路不受強(qiáng)電流的沖擊。 串行通信電路 52 系列單片機(jī)有一個(gè)全雙工的串行通訊口，所以單片機(jī)和電腦之間可以方便地進(jìn) 行串口通訊。 我們采用了三線制連接串口，也就是說(shuō)和電腦的 9 針串口只連接其中的 3 根線：第5 腳的 GND、第 2 腳的 RXD、第 3 腳的 TXD。 圖 10 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)的程序主要由兩部分組成，分別是：下位機(jī)（ AT89S52）程序，上位機(jī)（ LabVIEW）程序。 開(kāi) 始系 統(tǒng) 初 始 化溫 度 采 集串 口 發(fā) 送 溫 度值串 口 接 收 控 制 量根 據(jù) 控 制 量 控 制繼 電 器 工 作 圖 系統(tǒng)初始化 系統(tǒng)的初始化主要包括 I/O 口的初始化、定時(shí)器的初始化、標(biāo)志位初始化、存儲(chǔ)單元初始化等。定時(shí)器初始化，就是設(shè)定將要使用的定時(shí)器的工作方式、定時(shí)器的 初值，開(kāi)中斷。 DS18B20 的編程主要分為以下幾部分： （ 1） 芯片初始化 11 時(shí)序見(jiàn)圖 9， 主機(jī)總線 t0 時(shí)刻發(fā)送一復(fù)位脈沖 (最短為 480us 的低電平信號(hào) )。若低電平，寫(xiě)入的位是 0， 見(jiàn)圖 9； 若高電平，寫(xiě)入的位是 1， 見(jiàn)圖 11。 圖 0 時(shí)序 圖 1 時(shí)序 （ 3）讀時(shí)間隙 見(jiàn)圖 12,主機(jī)總線 t0時(shí)刻 ,從高拉至低電平時(shí)總線只須保持低電平 l7us。 t2距 t0為 15us， 也就是說(shuō)， t2時(shí)刻前主機(jī)必須完成讀位，并在 t0后的 60 us ~120 us 內(nèi)釋放總線。采用查詢方式收發(fā)數(shù)據(jù)。要與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的是 ASCII 碼，所以在發(fā)送之前必須將數(shù)據(jù)量轉(zhuǎn)化成其 ASCII 碼；同樣在接收數(shù)據(jù)時(shí)，計(jì)算機(jī)發(fā)過(guò)來(lái)的也是 ASCII碼必須將 ASCII 碼轉(zhuǎn)化為單片機(jī)可以識(shí)別的十六進(jìn)制數(shù)。采用定時(shí)計(jì)數(shù)器 0，產(chǎn)生 10ms 的定時(shí)中斷，定時(shí)中斷計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)為 200，即 2s，計(jì)算機(jī)輸出值即為輸出高電平定時(shí)中斷個(gè)數(shù)。上位機(jī)的主要部分為：串口初始化，接收下位機(jī)上傳的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理、顯示與監(jiān)控，向下位機(jī)發(fā)送控制數(shù)據(jù)這四部分。 LabVIEW 集成了與滿足 GPIB、 VXI、 RS232 和 RS485 協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能。這是一個(gè)功能強(qiáng)大且靈活的軟件。 圖形化的程序語(yǔ)言，又稱為“ G”語(yǔ)言。它盡可能利用了 技術(shù)人員、科學(xué)家、工程師所熟悉的術(shù)語(yǔ)、圖標(biāo)和概念，因此， LabVIEW 是一 個(gè)面向最終用戶 的工具。使用它進(jìn)行原理研究、原理、測(cè)試實(shí)驗(yàn)研究 時(shí)，可以大大提高工作效率。用可以用一個(gè) API控制包括 VXI、 GPIB及串口儀器在內(nèi)的不同種類的儀器。 14 總之，使用 VISA方便用戶在不同的平臺(tái)，對(duì)不同類型的設(shè)備進(jìn)行開(kāi)發(fā)、移植及升級(jí)測(cè)控系統(tǒng)。 前面板設(shè)計(jì) LabVIEW是一個(gè)面向?qū)ο蟮拈_(kāi)發(fā)系統(tǒng)，本系統(tǒng)要顯示溫度的值、溫度變化曲線，還有系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)都要顯示在前面板上，好的前面板有利于系統(tǒng)的觀察與監(jiān)控。本設(shè)計(jì)的前面板比較全面的顯示出系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)流程圖見(jiàn)圖 15， LabVIEW的強(qiáng)大功能在于它對(duì)硬件的控制 ，利用 VISA I/O模塊，很容易就實(shí)現(xiàn)與外部硬件通信。 15 如果初始化沒(méi)有問(wèn)題，就可以使用這個(gè)串口進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。在接收數(shù)據(jù)之前需要使用 VISA Bytes at Serial Port查詢當(dāng)前串口接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，如果 VISA Read 要讀取的字節(jié)數(shù) 大于緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)， VISA Read 操作將一直等待，直至 Timeout 或者緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)達(dá)到要求的字節(jié)數(shù)。 在某些特殊情況下，需要設(shè)置串口接收 /發(fā)送緩沖區(qū)的大小，此時(shí)可以使用 VISA Se