【正文】 ，積分環(huán)節(jié)能對(duì)誤差進(jìn)行記憶并積分，即使只存在很小的偏差，也可以將其積分后作用于操作部分，有利于消除靜差。積分控制作用的加入，雖然可以消除靜差，但是以降低響應(yīng)速度作為代價(jià)的。為了加快控制過(guò)程，有必要在偏差出現(xiàn)和變化的瞬間，對(duì)偏差的變化率做出反應(yīng)，即按偏差變化的趨勢(shì)進(jìn)行控制，使偏差消除 在萌芽狀態(tài)。具有這一功效的是微分作用，因?yàn)槲⒎志哂谐疤匦?。將微分作用與比例、積分作用結(jié)合起來(lái)， 便得到了比例、積分、微分（ PID）控制規(guī)律。采用 PID控制器，無(wú)論從靜態(tài)，還是從動(dòng)態(tài)的角度來(lái)說(shuō)，控制品質(zhì)都得到了改善，因而 PID 控制器成為了一種應(yīng)用最廣泛的控制器。本溫度控制系統(tǒng)采用了位置河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 式 PID 控制算法。 167。 位置式 PID 控制規(guī)律的離散化 為了用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn) PID控制，必須將式表示 PID 控制規(guī)律的連續(xù)形式變成離散形式，才能通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)。若設(shè)溫度采樣周期為 T,第 n 次采樣得到的輸入偏差為 ne ,輸出為 nU 。 微分用差分代替 1() nneede tdt T ??? 式 33 積分用求和代替 ????nk kTedtte 0t0 )( 式 34 這樣 PID 控制器控制算法的離散形式改寫(xiě)為式 35: ]1[01??????? nknndkinpn TeeTTeTeKU 式 35 nU —— 第 k 個(gè)采樣時(shí)刻的控制； KP —— 比例放大系數(shù)； Ki —— 積分放大系數(shù)； Kd—— 微分放大系數(shù)； T—— 采樣周期。 如果采樣周期足夠小，則（ 32）的近似計(jì)算可以獲得足夠精確的結(jié)果，離散控制過(guò)程與連續(xù)過(guò)程十分接近。它給出了全部控制量的大小，因此被稱(chēng)為全量式或位置式 PID 控制算法。 由于位置式輸出的是 PWM 的占空比，根據(jù)已確定的加熱周期 T，可以計(jì)算出在每一個(gè)加熱周期中，高低電平輸出的時(shí)間，通過(guò) 定時(shí)器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)固態(tài)繼電器通斷時(shí)間的控制，即控制了系統(tǒng)在每一個(gè)采樣周期內(nèi)的加熱時(shí)間。 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 第 4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 本章將介紹軟件的設(shè)計(jì)。有了各個(gè)功能塊的軟件實(shí)現(xiàn)方法，軟件的總體設(shè)計(jì)就變得簡(jiǎn)單了，軟件設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的思想就是采用模塊化設(shè)計(jì)，把一個(gè)大的任務(wù)分解成若干個(gè)小任務(wù)，分別編制實(shí)現(xiàn)這些小任務(wù)的子程序，然后將子程序按照總體要求組裝起來(lái)，就可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)大任務(wù)了。這種思路對(duì)于可重復(fù)使用的子程序顯得尤為優(yōu)越，因?yàn)椴粌H程序結(jié)構(gòu)清晰，而節(jié)約程序存儲(chǔ)空間。 167。 主程序流程圖及程序設(shè)計(jì) 圖 41 主程序流程圖 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 167。 按鍵 控制 流程圖 通過(guò)讀 I/O口，判斷各 I/O口的電平狀態(tài)，即可識(shí)別出按下的按鍵。 若為鍵 1，先判斷當(dāng)前設(shè)定溫度值是否已達(dá)到最大，然后決定是否加 1；若為鍵 2，先判斷當(dāng)前設(shè)定溫度值是否已是最小，然后決定是否減 1。 按鍵控制流程圖如圖 42所示。開(kāi) 始鍵 1 ？鍵 2 ？最 大 ？ 返 回加 1返 回最 小 ？返 回減 1是是否是否否 圖 42 按鍵控制流程圖 167。 溫度傳感器 DS18B20 模塊軟件設(shè)計(jì) DS18B20 上電后處于空閑狀態(tài) ,需要控制器發(fā)能完成溫度轉(zhuǎn)換。DS18B20 的單線(xiàn)通訊功能是分時(shí)完成的，具有嚴(yán)格的時(shí)序要求，而AT89C2051 單片機(jī)并不支持單線(xiàn) 傳輸 ,必須采用軟件的方法來(lái)模擬單線(xiàn)的協(xié)議時(shí)序。 DS18B20 的操作必須嚴(yán)格按照協(xié)議進(jìn)行。工作協(xié)議流程為：主機(jī)發(fā)復(fù)位脈沖初始化 DS18B20→ DS18B20發(fā)響應(yīng)脈沖→主機(jī)發(fā) ROM操作指令→主機(jī)發(fā)存儲(chǔ)器操作指令→數(shù)據(jù)傳輸。 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 溫度轉(zhuǎn)換讀取溫度數(shù)值程序流程如圖 43 所示 是否發(fā) 起 S k i p R O M 命 令發(fā) 起 C o n v e r t T 命 令延 時(shí) 1 s , 等 待溫 度 轉(zhuǎn) 換 完 成初 始 化 D S 1 8 B 2 0應(yīng) 答 脈 沖 ？應(yīng) 答 脈 沖 ？發(fā) 起 R e a d S c r a t c h e d命 令讀 取 第 1 、 2 字 節(jié)即 為 溫 度 值是開(kāi) 始初 始 化 D S 1 8 B 2 0否返 回 圖 43 溫度轉(zhuǎn)換讀取溫度數(shù)值程序流程 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 167。 PID 控制程序設(shè)計(jì) 由式 35可以改寫(xiě)成 ： P(K)=P(K1)+KP[E(K)E(K1)]+KI178。 E(K)+KD[E(K)2E(K1)+E(K2)] =P(K1)+PP+PI+PD 式 41 根據(jù)式 41編程，相應(yīng)的程序框圖如圖 44所示： 開(kāi) 始采 入 測(cè) 量 值 和 設(shè) 定 值初 始 化 參 數(shù)計(jì) 算 偏 差控 制 器 輸 出更 新 參 數(shù)返 回 圖 44 PID 控制流程圖 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 167。 LED 顯示程序流程圖 串行口擴(kuò)展顯示方式。顯示器由 5 個(gè)共陰極 LED 數(shù)碼管組成，輸入只有兩個(gè)信號(hào)，它們是串行數(shù)據(jù)線(xiàn) DIN 和移位信號(hào) CLK 。 5 個(gè)串 /并移位寄存器芯片 74LS164 首尾相連。每片的并行輸出作為 LED 數(shù)碼管的 段碼。 LED 顯示流程如圖 45 所示。 開(kāi) 始地 址 指 針 設(shè) 置取 相 應(yīng) 位 段 碼取 段 碼 結(jié) 束 ？段 碼 左 移 一 位輸 出 一 位 段 碼輸 出 一 個(gè) 移 位 脈 沖取 位 碼 結(jié) 束 ？否是否返 回是 圖 45 LED 顯示程序流程圖 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 第 5 章 調(diào)試與系統(tǒng)仿真 系 統(tǒng)調(diào)試以程序調(diào)試為主。 偉幅軟件調(diào)試先編寫(xiě)顯示測(cè)序并進(jìn)行硬件的正檢驗(yàn) ,然后分別進(jìn)行主程序、讀出溫度子程序、測(cè)溫轉(zhuǎn)換命令子程序等的編程和調(diào)試。調(diào)試成功后，會(huì)生成目標(biāo)文件 ，將該文件添加至 89C51芯片中進(jìn)行仿真。并在 ，使該端口一周期內(nèi)的高低電平的時(shí)間，在圖表中顯示試驗(yàn)方案對(duì)加熱控制端口的輸出進(jìn)行仿真 ，結(jié)果如圖 51和 52所示。 當(dāng)設(shè)定溫度為 28℃、實(shí)際溫度為 15℃時(shí)，系統(tǒng)輸出的信號(hào) 圖 仿真圖（一） 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 當(dāng)設(shè)定溫度為 28℃、實(shí)際溫度為 4℃時(shí)，系統(tǒng)輸出的信號(hào) 圖 52 仿真圖（二） 在 圖 51 中，當(dāng)設(shè)定溫度為 28℃ 而 實(shí)際溫度為 15℃時(shí) ， 口輸出的波形可以看出，加熱時(shí)間占整個(gè)溫度控制周期的 37%；在 圖 52 中，當(dāng)設(shè)定溫度為 28℃ 而 實(shí)際溫度為 4℃時(shí) ，加熱時(shí)間占整個(gè)溫度控制周期的 75%。 從仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，通過(guò) PID 算法，輸出口調(diào)整占空比，從而實(shí)現(xiàn)再不同溫差情況下系統(tǒng)調(diào)整輸出功率達(dá)到最佳 的控制效果，滿(mǎn)足 溫控系統(tǒng)在控制精度、控制溫度范圍、響應(yīng)速度方面的要求。河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 結(jié) 論 本文緊密?chē)@溫度控制展開(kāi)課題研究，確定了以 單片機(jī)為核心控制器，配合使用集成 數(shù)字 傳感 器件并進(jìn)行 PID控制的溫控方案，為溫度控制提供了一個(gè)新的思路。設(shè)計(jì)的數(shù)字溫控系統(tǒng)具有控制精度高、控制溫度范圍大、響應(yīng)速度快、 成本低、集成度高等特點(diǎn)。完成的工作和 特點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： Atmel公司基于控制領(lǐng)域應(yīng)用 單片機(jī) 作為核心控制器件，同時(shí)采用新型數(shù)字溫度傳感器 DS18B20以及 靜態(tài) LED顯示 ，設(shè)計(jì)了達(dá)到 任務(wù) 要求 ， 其測(cè)溫精度可達(dá) 176。 C,甚至更高 。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn) 單片機(jī) 與外部數(shù)字器件硬件連接以及它們之間的接口通信，功能模塊化設(shè)計(jì)提高了控制系統(tǒng)的可靠性。 —— 數(shù)字 PID控制器的設(shè)計(jì)原理和方法進(jìn)行了周密的分析，并將控制理論和仿真實(shí)踐有機(jī)的結(jié)合在一起，進(jìn)行了數(shù)字 PID控制器的設(shè)計(jì)，完成了 PID控制算法的程序化及控制系統(tǒng)軟件的編寫(xiě)，根據(jù)實(shí)際控溫特點(diǎn)，軟件設(shè)計(jì)了 位置 式數(shù)字 PID溫度控制方法，對(duì) PID控制程序稍加修改，則可以應(yīng)用到更廣泛的溫控領(lǐng)域中。 3．運(yùn)用 Keil 軟件對(duì)程序進(jìn)行軟件調(diào)試，并采用 proteus軟件 對(duì)該系統(tǒng) 輸出口進(jìn)行了 仿真，性能 基本 滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)要求。 本文設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)通用性較高，可用于育種試驗(yàn)、微生物培養(yǎng)、無(wú)土栽培以及化學(xué)藥品穩(wěn)定性測(cè)試，電子元件、藥品、疫苗等的冷卻、加熱和恒溫絕緣性試驗(yàn)等場(chǎng)合，為數(shù)字溫控領(lǐng)域提供了一個(gè)可供借鑒的方案。為了提高該控制系統(tǒng)的實(shí)用化，可以從以下方面改進(jìn)完善：采用智能 PID 自整定控制算法，應(yīng)用于不同控制對(duì)象時(shí)，程序可以根據(jù)受控對(duì)象的階躍響應(yīng)特性自動(dòng)整定得出 PID 控制參數(shù)，再根據(jù)這組參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到最佳控制參數(shù)。 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 參考文獻(xiàn) [1] .丁元杰 . 單片微機(jī)原理及應(yīng)用 . 北京：機(jī)械工業(yè) 出版社 ,1999 [2] .趙長(zhǎng)德 . 單片機(jī)原理與應(yīng)用 . 北京：機(jī)械工業(yè)出版社 ,1996 [3] .毅剛等 . 單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì) . 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社 ,1997 [4] .周景潤(rùn)等 . proteus 在 MCS51amp。ARM7 系統(tǒng)中的應(yīng)用百例 . 北京： 電子工業(yè)出版社， 2021 [5] .陳小忠等 . 單片機(jī)接口技術(shù)實(shí)用子程序 . 北京：人民郵電出版社， 2021 [6] .李朝青 . 單片機(jī) amp。DSP 外圍數(shù)字 IC 技術(shù)手冊(cè) . 北京：北京航空航天大學(xué)出版社， 2021 [7] .朱蘊(yùn)璞等 . 傳感器原理及應(yīng)用 . 北京：國(guó)防工業(yè)出版社， 2021 [8] 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