【正文】 the production process for the temperature control speed, high accuracy. Keywords: Temperature control, microcontroller, PID algorithm, MATLAB 目 錄 第 1 章 緒論 1 湖南工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 引言 3 方案一利用單片機實現(xiàn)恒溫控制系統(tǒng) 6 AT89S52單片機 信號引腳介紹 8 溫度傳感器 10 穩(wěn)壓 電路 12 加溫控制電路 13 與上位機通訊 14 第 3 章 恒溫控制系統(tǒng) 軟件設(shè)計 15 采樣周期的選擇 16 PID參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響 17 PID計算程序 18 第 4 章 MATLAB 仿真 29 SIMULINK簡介 35 湖南工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 參考文獻 37 附錄 例如：其升 溫 單向 性 是由于電加熱的升溫 、保溫主要是通過電阻加熱；降溫則通常是依靠自然冷卻，當(dāng)溫度一旦超調(diào)，就無法用控制手段使其降溫，因而很難用數(shù)字方法建立精確的模型，并確定參數(shù)。由于無法用精確的數(shù)學(xué)方法來建立模型并確定參數(shù)，本設(shè)計采用 PID控制。智能控制的典型實例是模糊全自動洗衣機等；而自動控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制 系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)?？刂破鞯妮敵鼋?jīng)過輸出接口、執(zhí)行機構(gòu)加在被控系統(tǒng)上，控制系統(tǒng)的被控量經(jīng)過傳感器、變送器通過輸入接口送到控制器。比如壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器，而溫度控制系統(tǒng)要采用溫度傳感器。能實現(xiàn) PID控制功能的有 PLC和一些 PC 機。針對它具有器件多、生產(chǎn)成本高、電路調(diào)試復(fù)雜的缺點，本恒溫自動控制系統(tǒng)的設(shè)計中應(yīng)用 AT89S52 的單片機進行數(shù)字 PID 運算，能充分發(fā)揮軟件系統(tǒng)的靈活性，在必要時針對 PID 算法進行修正，使其更加完善，固態(tài)繼電器的功率調(diào)節(jié)電路，極大地簡化了執(zhí)行電路，與單片機的接口也變得十分的方便，同時只需要更換不同輸出功率的固態(tài)繼電器，就可滿足不 同功率加熱系統(tǒng)的需要 由于設(shè)計的 系統(tǒng) 對溫度動、靜態(tài)指標(biāo)要求要求不高 ，且 允許有一定的溫度偏差和允許調(diào)節(jié)的時間較長時，最流行控制方法還是繼電接觸器控制系統(tǒng)。整個設(shè)計系統(tǒng)電路簡單、調(diào)試方便、實際應(yīng)用可達到理想的精度。在溫度控制系統(tǒng)中，單片機最是起到了不可替代的核心作用。PID是比例（ proportional）、積分（ intergal）和微分 (derivative)三者的縮寫。而三個 環(huán)節(jié) 在實際 控制中的作用： 比例調(diào)節(jié)作用：比例反映系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，用于減少偏差。因為有誤差，積分調(diào)節(jié)就進行，直至無差，積分調(diào)節(jié)就停止。加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動態(tài)響應(yīng)變慢，積分作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組成 PI 調(diào) 節(jié)或 PID 調(diào)節(jié)； 微分調(diào)節(jié)作用：微分作用反映系統(tǒng)偏差信號的變化率，具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化的趨勢。在偏差還沒有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除。在為時間選擇合適的情況下，可以減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時間。此外微分反映的是變化率，而當(dāng)輸入沒有變化時，微分作用的輸出為零。 大多數(shù)溫度控制系統(tǒng)均建立在模型上 ，難以滿足加工工藝要求，故引入模糊控制， 采用模糊 PID 算法，運用 AT89S52單片機對電阻爐溫度實現(xiàn)智能控制，可以解決上述種種不足，從而實現(xiàn)高精度的控制。當(dāng)被控對象的 結(jié)構(gòu) 和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的 結(jié)構(gòu) 和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定， 因此本次設(shè)計 應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為 有效 。因此本次設(shè)計采用高精度的溫度傳感器： 數(shù)字溫度傳感器DS18B20。而對于溫度控制的方法也有很多：如單片機控制、 PLC 控制、模擬 PID 調(diào)節(jié)器和數(shù)字 PID 調(diào)節(jié)器等等。 方案一 利用單片機實現(xiàn)恒溫控制系統(tǒng) 利用單片機系統(tǒng)實 現(xiàn)溫度恒定的控制，其總體結(jié)構(gòu)圖如圖 所示 。 圖 方案一的 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖 溫度采集電路以 數(shù)字量 形式將現(xiàn)場溫度傳至單片機。以此控制量 控制固態(tài)繼電器開通和關(guān)斷 ，決定加熱電路的工作狀態(tài)，使溫 度 逐步穩(wěn)定于用戶設(shè)定的目標(biāo)值。當(dāng)用戶需要比實時溫度低的溫度時，此電路可以利用風(fēng)扇降溫。 方案二 利用 PLC 實現(xiàn)恒溫控 制 系統(tǒng) 利用 PLC 實現(xiàn)對溫度恒定的控制，其控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示：采用 PLC 控制實現(xiàn)電熱絲加熱全通、間斷導(dǎo)通和全斷加熱的自動控制方式，來達到溫度的恒定。若溫度升的過快， PLC 也將輸出關(guān)斷電平信號轉(zhuǎn)換為可控硅電路相匹配的輸入信號。由按鍵設(shè)定某一溫度，單片機對設(shè)定溫度值進行查表計算后轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電壓數(shù)字值，通過 16位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器得到與之精確對應(yīng)的電壓信號，此電壓值于熱敏電阻實際測量的電壓值進行比較產(chǎn)生一個誤差信號，經(jīng)過 PID 電路后，獲得一個控制量給制冷元件構(gòu)成實時閉環(huán)系統(tǒng)，同時實際測量的電壓值并顯示在液晶屏上。而數(shù)字控制器能實現(xiàn)復(fù)雜控制規(guī)律的控制。 智能型熱電耦溫度表SZ4PLC輸出隔離電路可控硅爐體給定值熱電耦Vt 控制電平 電熱絲液晶顯示復(fù)位E2PROM單片機DAAD鍵盤PI D電 路熱敏電阻及反饋電路功放制冷元件湖南工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 數(shù)字控制器具有靈活性。 采用計算機除實現(xiàn) PID 數(shù)字控制外，還能實現(xiàn)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、數(shù)字顯示等其他功能。 對于 方案一，采用單片機實現(xiàn)恒溫控制，雖然該方案成本低，可靠性高，抗干擾性強，但對于系統(tǒng)的動態(tài)性能與穩(wěn)態(tài)性能要求較高的場合是不合適的；而對于方案二，采用 PLC 實現(xiàn)恒溫控制，由于 PLC 成本高，且 PLC 是外圍系統(tǒng)配置復(fù)雜，不利于我們的設(shè)計 ，由于數(shù)字 PID 調(diào)節(jié)，運算量大，只要選擇合適的參數(shù)對于溫度的控制精度往往能達到較好的效果。 鍵 盤溫 度 顯 示ＡＴ８９Ｓ５２上 位 機溫 度 傳 感 器E 2 P R O M加 熱 控 制電 路 圖 設(shè)計 總體結(jié)構(gòu)框圖 湖南工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 第 2 章 恒溫控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 考慮到盡量降低成本和避免與復(fù)雜的電路，此系統(tǒng)所用到的元器件均為常用的電子器件。 實時控制的顯示器、鍵盤通過單片機來完成鍵盤掃描與輸出動態(tài)顯示。 AT89S52 單片機 簡介 AT89S52 單片機資 源 簡介 AT89S52的結(jié)構(gòu)如圖 。 該芯片具有如下功能：①有 1個專用的鍵盤 /顯示接口；②有 1個全雙工異步串行通信接口；③有 2 個 16位定時 /計數(shù)器。 89S52有 40個引腳，有 32個輸入端口（ I/O），有 2個讀寫口線，可以反復(fù)插除。 主要功能特性： （ 1） 兼容 MCS51指令系統(tǒng) （ 2） 32個雙向 I/O 口 線 （ 3） 3個 16位可編程定時 /計數(shù)器中斷 （ 4） 2個串行中斷 口 （ 5） 2個外部中斷源 （ 6） 2個讀寫中斷口線 （ 7） 低功耗空閑和掉電模式 （ 8） 8k可反復(fù)擦寫 (1000次 )Flash ROM 湖南工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 （ 9） 256x8 bit內(nèi)部 RAM （ 10） 時鐘頻率 024MHz （ 11） 可編程 UART 串行通道 （ 12） 共 6個中斷源 （ 13） 3級加密位 （ 14） 軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能 。 此外由于 ALE 是以六分之一晶振頻率的固定頻率輸出正脈沖 ,因此可作為外部定時脈沖使用 。 EA 訪問程序 存儲趨控制信號 但 EA 信號為低電平時 ,對 ROM的讀操作限定在外部程序存儲器；而當(dāng) EA 信號為高電平時 ,則對 ROM 的讀操作是從內(nèi)部程序存儲器開始 ,并可延續(xù)至外部程序存儲器。 1XTAL 和 2XTAL 外接晶體引線端 當(dāng)使用芯片內(nèi)部時鐘時，此二引線端用語外接石英晶體和微調(diào)電容；當(dāng)使用外部時鐘時，用于接外部時鐘脈沖信號。而在芯片外部 1XTAL 和 2XTAL 之間跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容，從而構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。震蕩電路產(chǎn)生的震蕩脈沖并不直接是使用，而是經(jīng)分頻后再為系統(tǒng)所用，震蕩脈沖經(jīng)過二分頻后才作為系統(tǒng)的時鐘信號。需要注意的是：電路板時，振蕩器和電容應(yīng)盡量安裝得與單片機靠近，以減小寄生電容的存在更好的保障振蕩器穩(wěn)定、可靠的工作電路圖 如圖 復(fù)位電路 單片機的復(fù)位電路分上電復(fù)位和按鍵復(fù)位兩種方式。當(dāng) CCV 的上升時間不超過 1ms，就可以實現(xiàn)自動上電復(fù)位，即接通電源就完成了系統(tǒng)的初始化電路原理圖。 (b) 按鍵復(fù)位： 程序運行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為了擺脫困境，也需按復(fù)位鍵以重新啟動。按鍵復(fù)位又分按鍵脈沖復(fù)位 （ 圖 ） 和按鍵電平復(fù)位。 (c) 注意： 因為按鍵脈沖復(fù)位是利用 RC微分電路產(chǎn)生正脈沖來達到復(fù)位的。故本設(shè)計采用按鍵復(fù)位。傳統(tǒng)的溫度測量方法是：溫度傳感器例如 AD590，將測量的溫度轉(zhuǎn)換成模擬電信號，再經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換器把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，單 片機再對采集的數(shù)字信號進行處理 [3]。 DS18B20支持“一線總線”接口，測量溫度的范圍為 55176。 C，現(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字式傳輸，大大的提高了系統(tǒng)的抗干擾性。 溫度采集電路模塊如圖 所示。 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)的溫度報警觸發(fā)器 TH 和 TL、配置寄存器。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換如下表 。 電源電路 電源電路可分為三大塊：變壓部分、整流濾波部分、穩(wěn)壓部分 [1]。 圖 電源電路 電源變壓器 變壓部分其實就是一個變壓器，變壓器作用是將 220V的交流電壓變換成我們所需的電壓 9V。 整流濾波電路 整流電路將交流電壓變成單向脈動的直流電壓；濾波電路用來濾除整流后單向脈動電壓中的交流成份，合之成為平滑的直流電壓。一般的整流有全波整流、單相半流整流、橋 式整流、及 變 壓整流。集成穩(wěn)壓器、使用方便、性能穩(wěn)定、更重要的是考慮到它的價格低廉，因而我湖南工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 在此使用。 鍵盤采用行列式和外部中斷相結(jié)合的方法，各按鍵的功能定義如下表 。 表 按鍵功能 按鍵 鍵名 功能 REST 復(fù)位鍵 使系統(tǒng)復(fù)位 SET 設(shè)置鍵 使系統(tǒng)產(chǎn)生中斷，進入設(shè)置狀態(tài) 90 SS ?? 數(shù)字鍵 設(shè)置用戶需要的溫度 YES 確認鍵 用戶設(shè)定目標(biāo)溫度后進行確認 NO 清除鍵 用戶設(shè)定溫度錯誤或誤按了 YES鍵后使用 圖 鍵盤接口電路 顯示采用 3位共陽 LED動態(tài)顯示方式 ,顯示內(nèi)容有溫度值的十位、個位及小數(shù)點后一位。 — 作為位控碼輸出，用 PNP型三極管做驅(qū)動 [4]。用于在閉環(huán)控制系統(tǒng)中對被控對象實施控制，被控對象為電熱杯，采用對加 在電熱杯兩端的電壓進行通斷的方 法進行控制，以實現(xiàn)對水加熱功率的調(diào)整，從而達到對水溫控制的目的。它的使用非常簡單，只要在控制端 TTL 電平，即可實現(xiàn)對繼電器的開關(guān)，使用時完全可以用 NPN 型三極管接成電 壓跟隨器的形式驅(qū)動。 圖 加熱控制電路 與上位機通訊 由于系統(tǒng)采用計算機對系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)監(jiān)控和顯示。 PC 機內(nèi)裝有異步通信適配器板，其主要的器件為 8250UART 芯片，它使PC機有能力與其他具有標(biāo)準(zhǔn) RS232串行口通信接口的計算機或儀器設(shè)備通信，而 MCS51單片機本身具有全雙工的串行口。由于 1448 的輸出端不能相互并聯(lián)，故加上一個二極管進行隔離 [2]。設(shè)置的 8250 的初始化數(shù)據(jù)是：波特率為 9000b/s； 8 位數(shù)據(jù)位； 1位奇偶校正位； 1位停止位。因此這里的奇偶校正位用做發(fā)送地址 /數(shù)據(jù)特征位（ 1表示地址），而數(shù)據(jù)通訊的校正采用累加和校驗法。若為空，則輸出指令將一個數(shù)據(jù)輸出給 8250， 825