【正文】 仿真 PID 參數(shù)整定 PID 控制器由比例單元 (P)、 積分單元（ I）和微分單元（ D）組成。 (37) 因此其傳 遞函數(shù)為： 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 、 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 這三個(gè)參數(shù)的整定。常用的理論計(jì)算法有根軌跡分析法和頻域分析法。理論整定工程上本設(shè)計(jì)利用 ZN 工程整定方法對(duì) PID 參數(shù)進(jìn)行整定。 (310) MATLAB 仿真 PID 控制器和被控對(duì)象模型建立完成后，選擇 MATLAB 軟件中 的 simulink模塊對(duì)系統(tǒng)經(jīng)行仿真 [10]，搭建的模型如圖 所示。 圖 simulink 仿真圖 圖 仿真曲線 太原科技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì) 17 由圖 可知，本控制器具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。 分析圖 的曲線，系統(tǒng)曲線能在較短時(shí)間內(nèi)到預(yù)設(shè)值并且保持穩(wěn)定，也沒有明顯超調(diào) ，滿足本次設(shè)計(jì)的要求。最后通過 MATLAB 軟件建立控制模型并進(jìn)行仿真。 太原科技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì) 18 第 4 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)時(shí) ， 就每個(gè) 模塊 功能單獨(dú)編寫驗(yàn)證，然后進(jìn)行系統(tǒng)的整合。 軟件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 軟件整體設(shè)計(jì)主要分為系統(tǒng)初始化部分和主體循環(huán)部分 2 個(gè)部分。 圖 系統(tǒng)主程序流程圖 太原科技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì) 19 其中系統(tǒng)初始化部分包括 對(duì)系統(tǒng)的時(shí)鐘芯片 DS1302 初始化、 DS18B20 初始化、液晶顯示 LCD1602 初始化、定時(shí)器中斷進(jìn)行設(shè)置等，其他模塊的初始化在各模塊函數(shù)中初始化。主體循環(huán)部分首先獲取時(shí)鐘信息和溫度信息并通過液晶屏顯示；緊接著進(jìn)行鍵盤掃描，通過得到的鍵值 Keyvalue 來判斷是否進(jìn)入時(shí)間設(shè)置或溫度設(shè)置子程序；然后判斷加熱標(biāo)志位 Start 是否等于 1，若 Start 不等于 1 的話程序結(jié)束返回新一輪的循環(huán)，如果 Start 等于 1 則進(jìn)入 PID 控制算法子程序，控制 PWM 的輸出來達(dá)到控制加熱絲效率的目的；程序到此完成一次循環(huán)，結(jié)束并返回進(jìn)行新一輪的循環(huán)。 1． 按鍵消抖 鍵盤與單片機(jī)連接電路如圖 。但是實(shí)際上按鍵在閉合和斷開的時(shí)候，觸點(diǎn)會(huì)存在抖動(dòng)現(xiàn)象，如圖 所示。 圖 按鍵抖動(dòng)圖 2． 按鍵掃描 在編寫鍵盤掃描程序前先確定每個(gè)按鍵的鍵值，時(shí)間設(shè)置鍵的鍵值為 1， 溫度設(shè)置鍵的鍵值為 2， 增加鍵的鍵值為 3， 減小鍵的鍵值為 4， 開關(guān)鍵的鍵值為 5。按鍵掃描的流程圖如圖 所示。本節(jié)介紹了 DS18B20 初始化時(shí)序、寫數(shù)據(jù)時(shí)序、讀數(shù)據(jù)時(shí)序和檢測(cè)溫度的流程 [11]。 若 CPU 讀到了數(shù)據(jù)線上的電平為低電平 “0”后，還要做一定的延時(shí)，其延時(shí)的時(shí)間要從 DS18B20 發(fā)出的高電平算起（上面第 5 步的時(shí)間算起）最少需要 480微秒；將數(shù)據(jù)線再次拉到高電平。 圖 DS18B20 的初始化 DS18B20 寫數(shù)據(jù) DS18B20 的寫數(shù)據(jù)過程如下： （ 1） 數(shù)據(jù)線先置低電平； （ 2） 延時(shí)確定的時(shí)間為 15 微秒； （ 3） 從最低位到高位依次 發(fā) 送字節(jié)； （ 4） 延時(shí)時(shí) 間為 45 微秒； （ 5） 將數(shù)據(jù)線拉到高電平； （ 6） 重復(fù)上 述步驟 1 到 6 的操作過程 ， 直到字節(jié)全部發(fā)送完畢； （ 7） 最后將數(shù)據(jù)線拉高。 圖 DS18B20 的寫操作時(shí)序圖 太原科技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì) 22 DS18B20 讀數(shù)據(jù) DS18B20 的讀數(shù)據(jù)過程如下： （ 1） 將數(shù)據(jù)線拉高 “1”； （ 2） 延時(shí) 2 微秒； （ 3） 將數(shù)據(jù)線拉低 “0”； （ 4） 延時(shí) 15 微秒； （ 5） 將數(shù)據(jù)線拉高 “1”； （ 6） 一個(gè)狀態(tài)位決定讀數(shù)據(jù)線的狀態(tài)，并開始數(shù)據(jù)的處理； （ 7） 延時(shí) 30 微秒； 這里只要按以上操作將狀態(tài)位的各比特 按順序儲(chǔ)存好即可。 圖 DS18B20 的讀操作時(shí)序圖 DS18B20 溫度讀取 DS18B20 經(jīng)轉(zhuǎn)換所得的溫度值以二字節(jié)補(bǔ)碼形式存放在高速暫存存儲(chǔ)器的第 0 和第 1 個(gè)字節(jié)。只要測(cè)到的數(shù)值乘以 即可得到實(shí)際溫度。 表 正溫度對(duì)應(yīng)的數(shù)值表 溫度 二進(jìn)制 十六進(jìn)制 125176。C 0000 0101 0101 0000 0660H 25176。C 0000 0000 1010 0000 00A0H 0176。 讀取溫度流程如圖 所示。 1602 液晶用來顯示字符和數(shù)字時(shí)用到的基本操作有：寫指令和寫數(shù)據(jù)。 寫數(shù)據(jù)的操作時(shí)序： RS=H， RW=L， D0~D7=數(shù)據(jù)， E=高脈沖。 LCD1602 有 2行每行 16 個(gè)有效地址，第 1 行有效地址從 00h 到 0Fh；第 2 行有效地址從 40h 到太原科技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì) 24 4Fh。 LCD1602 初始化 LCD1602 指令說明表如表 所示。 由此可得到 LCD1602 的初始化過程： （ 1）寫指令 38h； （ 2）寫指令 0Ch； （ 3）寫指令 06h； （ 4）寫指令 01h。它具有原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，魯棒性強(qiáng)和適用面廣等優(yōu)點(diǎn)。 ] (41) 式中， Ti為積分時(shí)間常數(shù)； Td為微分時(shí)間常數(shù)； Kp為比例系數(shù)； Ki=錯(cuò)誤 !未找到引用源。 當(dāng)采樣周期足夠小時(shí)，對(duì)式（ ）近似離散化可得位置式 PID算法： u(k)=錯(cuò)誤 !未找到引用源。位置式 PID 算法控制算法流程圖如圖 所示 。 可以在定時(shí)器 T1 中斷中完成對(duì)數(shù)據(jù)的采集和處理以及 PID控制算法，在定時(shí)器 T0 中斷中產(chǎn)生 PWM 波的基本周期信號(hào)。通過控制 10ms內(nèi) PWM輸出口的高低電平時(shí)間即相當(dāng)于控制 PWM輸出的占空比。用修改定時(shí)器中斷初值的方法調(diào)整時(shí)間寬度可以實(shí)現(xiàn)脈寬改變。 本章小結(jié) 本章對(duì)整個(gè)系統(tǒng) 的軟件 系統(tǒng) 部分進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)， 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分一定要巧妙的使用模塊化的編程思想，如果都放在整體來設(shè)計(jì)，會(huì)顯得程序繁重，看太原科技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì) 26 的又不清晰。下章將對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。 本章選擇 Protues 軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，經(jīng)過多次調(diào)試后，系統(tǒng)終于實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能。其中圖 所示是正常工作時(shí)液晶屏的顯示狀態(tài)。此時(shí)預(yù)設(shè)溫度顯示光標(biāo)閃爍，可通過加減鍵來調(diào) 節(jié)水溫。如圖 所示，未通水時(shí)三極管Q2 基極接收到的控制信號(hào)是低電平，三極管截止。 圖 斷水停止加熱 如圖 所示，通水后三極管 Q2 基極接收到的控制信號(hào)是高電平，三極管導(dǎo)通。 圖 通水加熱 結(jié)果分析 通過以上仿真結(jié)果可以看出，本次設(shè)計(jì)能正確顯示時(shí)間、溫度 信息，并可通過按鍵調(diào)節(jié)校正。綜上，本設(shè)計(jì)結(jié)果基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)需要檢測(cè)并顯示溫度、時(shí)間信息 ；通過 PID 算法控制加熱絲功率，保證出水溫度穩(wěn)定；并且通過水流檢測(cè)裝置控制加熱電路，防止出現(xiàn)熱水器干燒的情況。 本設(shè)計(jì)還有一些不足之處，由于電熱絲加熱是一個(gè)非線性的大時(shí)滯系統(tǒng)，簡(jiǎn)單的 PID 控制難以做到精確控制，使得控制精度變低，需要改進(jìn)。 太原科技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì) 30 致謝 從剛剛 確定 論文題目 的一臉茫然，到現(xiàn)在談及 電熱水器 可以說出自己的一些看法，三個(gè)月的時(shí)間不長(zhǎng)不短，但是對(duì)于我來說卻是從無到有的一種升華。通過查閱英文資料，參考別人的文獻(xiàn)，對(duì)題目有了一定的了解之下，以及在 金 老師一遍又一遍 指導(dǎo) 和一次又一次的修改之下我的論文終于完成。 太原科技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì) 31 參考文獻(xiàn) [1] 何 秋生 . 單片機(jī)原理與應(yīng)用（第二版） [M]，電子工業(yè)出版社 ,2021. [2] 曹文祥 . AT89C51 單片機(jī)數(shù)字體溫計(jì)的設(shè)計(jì) [J]. 武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào) ,2021(3):3638. [3] 趙海蘭 . 智能溫度傳感器 DS18B20[J]. 電子世界 ,2021(7):4546. [4] 劉亦萍 . 即熱式電熱水器控制電路的設(shè)計(jì)與應(yīng)用 [J].機(jī)電一體化 ,2021,(03):5859. [5] 馬苗玲 ,任作新 . 基于模糊控制的即熱式熱水器溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) [J].長(zhǎng)治學(xué)院學(xué)報(bào) ,2021,(05):5355. [6] 俞紅杰 . 即熱式電熱水器模糊溫度控制器的研制 [D].浙江工業(yè)大學(xué) ,2021. [7] 包文娟 . 基于 Fuzzycontrol 的工業(yè)溫度控制器的研究 [D].蘇州大學(xué) ,2021. [8] Astom K J. Expert Control Automatical[J].1986,22(3):227286. [9] 楊貞富 . 基于 Matlab Simulink 的 變 論 域 模 糊 控 制 算 法 仿 真 方 法 [J]. 科 技 展望 ,2021,(12):155. [10] 劉革輝 ,單杰峰 ,鄭楚光 . Matlab 軟件中的 Fuzzy Logic 工具箱在模糊控制系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用 [J].計(jì)算機(jī)仿真 ,2021,(05):6972. [11] 郭天祥 . 新概念 51 單片機(jī) C 語言教程 [M]，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社 , 2021.太原科技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì) 32 附錄 附錄 A 系統(tǒng)整體電路圖 太原科技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì) 33 附錄 B 部分源程序 include include define uchar unsigned char define uint unsigned int define GPIO_KEY P1 sbit key1=P1^0。 //溫度設(shè)置鍵 sbit key3=P1^2。 //減小鍵 sbit key5=P1^4。 sbit RST=P3^5。 //DS1302 寫入和讀取時(shí)分秒的地址命令 // //秒分時(shí)日月周年 最低位讀寫 位 。 uchar code WRITE_RTC_ADDR[7] = {0x80, 0x82, 0x84, 0x86, 0x88, 0x8a, 0x8c}。 // //存儲(chǔ)順序是秒分時(shí)日月周年 ,存儲(chǔ)格式是用 BCD 碼 // uchar Time_1[7] = {0, 0, 0x12, 0x01, 0x01, 0x02, 0x13}。 uchar ds_data = 0。 //溫度標(biāo)量 uchar TempData=0。 uchar YearData=0,MonthData=0,DayData=0,WeekData=0,HourData=0, 太原科技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì) 34 MinuteData=0,SecondData=0。 sbit LCD1602_RW=P2^6。 define LCD1602_DATAPINS P0 sbit DS18B20 = P3^4。 uchar KeyValue。 //使能 LCD1602_RS = 0。 //選擇寫入 LCD1602_DATAPINS = 。 //等待數(shù)據(jù)穩(wěn)定 LCD1602_E = 1。 //保持時(shí)間 LCD1602_E = 0。 //使能清零 LCD1602_RS = 1。 //選擇寫入 LCD1602_DATAPINS = dat。 LCD1602_E = 1。 //保持時(shí)間 LCD1602_E = 0。 //將 8 位總線轉(zhuǎn)為 4 位總線 LcdWriteCom(0x28)。 //開顯示不顯示光標(biāo) LcdWriteCom(0x06)。 //清屏 LcdWriteCom(0x80)。 if (GPIO_KEY != 0xFF) //檢測(cè)按鍵是否按下 { delay10ms(1)。break。break。break。break。break。amp。 i++。 //將讀取到鍵值的值返回 } void Ds1302Write(uchar addr, uchar dat) //向 DS1302 命令（地址 +數(shù)據(jù)） { uchar n。 _nop_()。//先將 SCLK 置低電平。 RST = 1。 _nop_()。 n8。 0x01。 SCLK = 1。 SCLK = 0。 } for (n=0。 n++)//寫入 8 位數(shù)據(jù) 太原科技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì) 37 { DSIO = dat amp。 dat = 1。//數(shù)據(jù)在上升沿時(shí)， DS1302 讀取數(shù)據(jù) _nop_()。 _nop_()。//傳送數(shù)據(jù)結(jié)束 _nop_()。 RST = 0。 SCLK = 0。 _nop_()。//然后將 RST(CE)置高電平。 for(n=0。 n++)//開始傳送八位地址命令 { DSIO = addr amp。//數(shù)據(jù)從低位開始傳送 addr = 1。//數(shù)據(jù)在上升沿時(shí)， DS1302 讀取數(shù)據(jù) _nop_()。//DS1302 下降沿時(shí)，放置數(shù)據(jù) _nop_()。 for(n=0。 n++)//讀取 8 位數(shù)據(jù) { dat1 = DSIO。 SCLK