【正文】 ............................................ 39 附錄 3 源代碼 ............................................................................................... 40 湖南商學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 1 頁 共 49 頁 基于 PID 的水溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 論 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的背景 隨著社會(huì)的發(fā)展、科技的進(jìn)步以及工業(yè)水平的逐步提高，各種方便于工業(yè)生產(chǎn)以及居家生活的自動(dòng)控制系統(tǒng)開始進(jìn)入了工業(yè)生產(chǎn)，以單片機(jī)為核心的帶數(shù)據(jù)采集的水溫控制系統(tǒng)就是其中之一。 AT89S52。其中 控器控制程序由主程序、溫度采 集控制程序、鍵盤控制程序、 PID 控制程序四個(gè)主要模塊組成。 軟件編程采用 C語言，并以結(jié)構(gòu)化、模塊化原則編寫。系統(tǒng)以 AT89S52 為核心，以 PID 算法控制以及 PID 參數(shù)整定相結(jié)合的控制方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫的控制，硬件電路 由單片機(jī)控制電路、 溫度采集電路、鍵盤和顯示電路、外設(shè)控制電路以及串行通信接口等電路組成。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 PID 的水溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 劉建華 學(xué) 號(hào) 060910097 學(xué) 院 計(jì)算機(jī)與電子工程學(xué)院 專 業(yè) 電子信息工程 班 級(jí) 電信 0603班 指導(dǎo)教師 周 鮮 成 職 稱 教 授 湖 南 商 學(xué) 院 2020 年 6 月 湖南商學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)誠信聲明 本人鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)設(shè)計(jì)，是本人在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果，成果不存在知識(shí)產(chǎn)權(quán)爭(zhēng)議，除文中已經(jīng) 注明引用的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體均已在文中以明確方式標(biāo)明。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 作者簽名： 年 月 日 湖南商學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 內(nèi)容摘要 課題設(shè)計(jì)的基于 PID 的水溫控制系統(tǒng)能對(duì)水溫進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)、顯示和控制，并可以設(shè)置溫度上下限，能夠和 PC 機(jī)進(jìn) 行通信，打印水溫變化曲線。溫度傳感器采用數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20 實(shí)現(xiàn)溫度的采集；人機(jī)對(duì)話采用4*4的矩陣鍵盤以及 LCD 液晶顯示器；外設(shè)控制采用固態(tài)繼電器；串行通信采用 RS232方式。整個(gè)程序包括控制器程序、串口通信控制程序兩部分。 關(guān)鍵詞 水溫 控制； AT89S52； DS18B20； PID；串行通信 湖南商學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) ABSTRACT The design is based on the subject of PID temperature control system for realtime detection to water, display and control , and the temperature can be set, which is able to municate with PC,and print temperature is the core of the system, the control method is consist of PID control algorithm and PID parameters setting to realize the control of temperature. The hardware circuit is consist of singlechip microputer control circuit, temperature acquisition circuit, the keyboard and display circuit, peripheral control circuit and serial munication interface. The digital temperature sensor DS18B20 is used as temperature sensor to realize the collection of temperature. Humanmachine conversation by 4 * 4 matrix keyboard and LCD display. Solid state relays is used as Peripheral control, serial munication using the language is used in software programming and the preparation takes structured, modular principle. The Controller program , serial munication control program are included in the the whole process. The main program, temperature gathering control program, keyboard control program,PID control program are contained in the control program. KEY WORDS Temperature control。DS18B20； PID。同時(shí)也標(biāo)志了自動(dòng)控制領(lǐng)域成為了數(shù)字化時(shí)代的一員。 溫度控制是無論是在工業(yè)生產(chǎn)過程中，還是在日常生活中都起著非常重要的作用， 在現(xiàn)代冶金、石油、化工及電力生產(chǎn)過程中，溫度是極為重要而又普遍的熱工參數(shù)之一。那么無論是哪種控制，我們都希望水溫控制系統(tǒng)能夠有很高的精確度（起碼是在滿足我們要求的范圍內(nèi)），幫助我們實(shí)現(xiàn)我們想要的控制，解決身邊的問題。而當(dāng)今，隨著電 子行業(yè)的迅猛發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)的不斷改進(jìn)，而且計(jì)算機(jī)和傳感器的價(jià)格也日益降低，可靠性逐步提高，用信息技術(shù)來實(shí)現(xiàn)水溫控制并提高控制的精確度不僅是可以達(dá)到的而且是容易實(shí)現(xiàn)的。 課題的 研究現(xiàn)狀 和發(fā)展趨勢(shì) 課題的研究現(xiàn)狀 目前，國外溫度控制系統(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 。 現(xiàn)在，我國在溫度等控制儀表業(yè)與國外還有著一定的差距。 發(fā)展趨勢(shì) 近年來，國內(nèi)外在溫度控制系統(tǒng)研發(fā)領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。國外的溫度控制系統(tǒng)發(fā)展得尤為迅速，比如像日本，美國，德國等這些技術(shù)大國掌握著領(lǐng)先技術(shù)，并且生產(chǎn)出很多優(yōu)質(zhì)的衍生產(chǎn)品，在各行各業(yè)中應(yīng)用的十分廣泛。而國內(nèi)的話，因?yàn)榧夹g(shù)上的差距，發(fā)展水平同國外技術(shù)大國相比，就比較低了，雖然，在平常生產(chǎn)和生活中已經(jīng)應(yīng)用的很廣泛了，但關(guān)鍵的技術(shù)，還是落后于其它國家的，但差距不可怕，關(guān)鍵是要認(rèn)識(shí)到差距，然后努力縮小差距，雖然這將是一個(gè)漫長(zhǎng)而艱難的過程。 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 設(shè)計(jì)并制作一個(gè)水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)，控制對(duì)象為 1 升凈水，容器為搪瓷或塑料器皿。 本設(shè)計(jì)主要內(nèi)容如下： （ 1）溫度設(shè)定范圍為 40~90℃，最小區(qū)分度為 1℃，標(biāo)定溫差≤ 1℃； 湖南商學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 3 頁 共 49 頁 （ 2）在環(huán)境溫度降低時(shí)，溫度控制的靜態(tài)誤差≤ 1℃； （ 3）用十進(jìn)制數(shù)碼管顯示水的實(shí)際溫度； （ 4）在設(shè)定溫度發(fā)生突變時(shí)，自動(dòng) 打印水溫隨時(shí)間變化而變化的曲線； （ 5）采用適當(dāng)?shù)目刂品椒?，?dāng)設(shè)定溫度發(fā)生突變時(shí)（由 40℃提高到 60℃）時(shí)，減小系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間和調(diào)節(jié)量 。 模擬控制系統(tǒng) 被控量的值由傳感器或變送器來檢測(cè)，這個(gè)值與給定值進(jìn)行比較，得到偏差，模擬調(diào)節(jié)器依一定控制規(guī)律使操作變量變化，以使偏差趨近于零，其輸出通過執(zhí)行器作用于過程。 模擬控制系統(tǒng)的基本框圖如圖 所示?？刂埔?guī)律的實(shí)現(xiàn)，是通過軟件來完成的。 微機(jī)過程控制系統(tǒng)基本框圖如圖 所示。微型計(jì)算機(jī)通過過程輸入通道對(duì)一個(gè)或多個(gè)物理量進(jìn)行檢測(cè)，并根據(jù)確定的控制規(guī)律(算法 )進(jìn)行計(jì)算，通過輸出通道直接去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使各被控量達(dá)到預(yù)定的要求。 控制規(guī)律 執(zhí)行器 過程傳感器變送器偏差 操作變量 被控制量給 定 值 + 湖南商學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 5 頁 共 49 頁 DDC 系統(tǒng)也是計(jì)算機(jī)在工業(yè)應(yīng)用中最普遍的一種形式，其基本框圖如圖 所示。 PID控制器問世至今已有近 70 年歷史，它 以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或 不能通過有效的測(cè)量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí) ，最適合用 PID 控制技術(shù)。 PID 控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、 積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。 圖 PID 控制系統(tǒng)原理框圖 比例積分 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 對(duì)象微分 +U ( t ) C ( t )E ( t )+R ( t ) + 湖南商學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 6 頁 共 49 頁 PID 控制 的工作原理 PID 控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、 積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。 （ 1） PID 調(diào)節(jié)器的微分方程 如式（ 21）所示。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。 如圖。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的 或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)（ System with Steadystate Error）。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。因此，比例 +積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn) 態(tài)誤差。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化 “ 超前 ” ，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例 +微分 (PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性。 如圖 。如圖 所示。 （ 2） 積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。 （ 3） 微分環(huán)節(jié)：能反應(yīng)偏差信號(hào)的變化趨勢(shì) (變化速率 )，并能在偏差信號(hào)的值變得太大之前，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，減小調(diào)節(jié)時(shí)間。它是根據(jù)被控過程的特性確定 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。三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。 在實(shí)際調(diào)試中，只能先大致設(shè)定 一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，然后根據(jù)調(diào)節(jié)效果修改。 湖南商學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 9 頁 共 49 頁 3. 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 方案選擇與論證 水溫控制系統(tǒng)是一個(gè)過程控制系統(tǒng)，組成框圖如圖 ，由控制器、執(zhí)行器、被控對(duì)象其反饋?zhàn)饔玫臏y(cè)量變送組成。因?yàn)樗鼈冞x取的好壞將直接影響著整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果的優(yōu)劣。此類溫度傳感器線性度、穩(wěn)定性等方面性能都很好 ,但其成本較高。選用此類元器 件有價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)，也 可滿足 40℃ 90℃的測(cè)量范圍，但熱敏電阻精度、重復(fù)性和可靠性都比較差，對(duì)于檢測(cè)精度小于 1℃的溫度信號(hào)是不適用的。 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；溫度測(cè)量范圍為－ 55℃～＋ 125℃ ,可編程為 9 位～ 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換精度，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)字量方式串行輸出遠(yuǎn)端引入。 比較以上三種方案，方案三具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，因此選用方案三。故在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會(huì)流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會(huì)在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動(dòng)銜鐵的動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)（常開觸點(diǎn)）吸合。 方案二：采用熱敏干簧繼電器， 熱敏干簧繼電器是一種利用熱敏磁性材料檢測(cè)和控制溫度的新型熱敏開關(guān)。 熱敏干簧 繼電器不用線圈勵(lì)磁，而由恒磁環(huán)產(chǎn)生的磁力驅(qū)動(dòng)開關(guān)動(dòng)作。 方案三：采用固態(tài)繼電器