單片機PWM溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)設計

1、 課 程 設 計 任 務 書分 院（系）信息學院專 業(yè)測控技術與儀器學 生 姓 名蘇德川學 號0903020326設 計 題 目單片機PWM溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)設計內(nèi)容及要求：1)利用數(shù)字溫度傳感器DS18B20采集和轉(zhuǎn)換溫度；2)利用傳感器得到的數(shù)據(jù)通過單片機編程實現(xiàn)溫度的閉環(huán)控制；3)了解和使用PID算法在閉環(huán)控制中的應用；4）完成單片機外圍電路的設計以及溫度顯示等程序工作；要求在課程設計報告中給出：1）裝置的結構和電路原理圖。2）調(diào)試過程，說明發(fā)現(xiàn)的向題及處理過程。3）分析存在的問題。4）收獲與改進方案。進度安排：2011年12月26日2011年12月30日根據(jù)設計要求和內(nèi)容查閱參考文獻或資

2、料，提出設計方案，進行原理設計。2012年1月10日2012年1月12日根據(jù)設計方案，進行調(diào)試，測試，撰寫課程設計報告，答辯。指導教師（簽字）： 年 月 日分院院長（簽字）： 年 月 日目錄1摘要 32 引言43 設計內(nèi)容與要求4 3.1設計內(nèi)容4 3.2設計要求44 系統(tǒng)總體設計方案5 4.1 方案提出5 4.2 總體框圖55 系統(tǒng)工作原理6 5.1 PID算法6 5.2 DS18B20 傳感器工作原理86 系統(tǒng)硬件設計97 系統(tǒng)軟件設計117.1程序設計組成117.2程序代碼118 系統(tǒng)調(diào)試與測試結果.219 測試結果分析.2110 結論和體會2111 參考文獻22摘要：以溫度控制系統(tǒng)為例

3、研究嵌入式系統(tǒng)，實現(xiàn)了對工業(yè)現(xiàn)場的溫度實時監(jiān)測和控制。以AT89C51單片機為控制核心，采用典型大慣性環(huán)節(jié)的PID閉環(huán)控制裝置，可自動控制惡劣環(huán)境下的溫度，使被控對象溫度保持在恒定范圍內(nèi)。本系統(tǒng)溫度信號由數(shù)字溫度傳感器DS18B20采集，送AT89C51單片機進行處理，并通過數(shù)碼管顯示。當溫度超過設定值范圍后，單片機將發(fā)出控制信號啟動升溫裝置或降溫裝置，使溫度保持在一定的范圍。實驗測試證明，設計的樣機系統(tǒng)測溫控溫精度均為01，測溫控溫的范圍可達-55+125。關鍵詞： 單片機；PID；工業(yè)控制；溫度；DS18B202 引言 溫度的測量和控制在日常生活和工業(yè)領域中具有廣泛的應用，隨著人們生活水平

4、的大幅提高，對溫度測量控制的精度和范圍也有著更高的要求。在工業(yè)企業(yè)中，如何提高溫度控制對象的運行性能一直以來都是控制人員和現(xiàn)場技術人員努力解決的問題，這類控制對象慣性大，滯后現(xiàn)象嚴重，存在很多不確定的因素，難以建立精確的數(shù)學模型，從而導致控制系統(tǒng)性能不佳，甚至出現(xiàn)控制不穩(wěn)定、失控等現(xiàn)象。PID控制方式控制穩(wěn)定且精度高，但是控制對象的模型難以建立，并且當擾動因素不明確時，參數(shù)調(diào)整較復雜。本文采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器，該傳感器具有微型化、封裝簡單、低功耗、高性能抗干擾能力、測量范圍廣、強易配處理器等優(yōu)點，可使系統(tǒng)測量更加精確，電路更加簡單。實驗測試證明，設計的樣機系統(tǒng)測溫控溫精度均為01，

5、測溫控溫的范圍可達-55+125，可應用于家用電器、汽車、冷庫等領域。3內(nèi)容及要求：3.1 設計內(nèi)容1)利用數(shù)字溫度傳感器DS18B20采集和轉(zhuǎn)換溫度；2)利用傳感器得到的數(shù)據(jù)通過單片機編程實現(xiàn)溫度的閉環(huán)控制；3)了解和使用PID算法在閉環(huán)控制中的應用；4）完成單片機外圍電路的設計以及溫度顯示等程序工作；3.2設計要求1）裝置的結構和電路原理圖。2）調(diào)試過程，說明發(fā)現(xiàn)的向題及處理過程。3）分析存在的問題。4）收獲與改進方案。4總體計設計方案 4.1方案提出考慮到用溫度傳感器，在單片機電路設計中，大多都是使用傳感器，所以這是非常容易想到的，所以可以采用一只溫度傳感器DS18B20，此傳感器，可以

6、很容易直接讀取被測溫度值，進行轉(zhuǎn)換，就可以滿足設計要求。同時本系統(tǒng)采用AT89C52作為溫度控制系統(tǒng)主控單元。AT89C51是一種帶4 kB閃存可編程可擦除只讀存儲器的低電壓、高性能CMOS的8位微處理器。指令系統(tǒng)和引腳與典型的MCS-51系列完全兼容，方便軟件的編寫。系統(tǒng)整體電路包括：主控電路、數(shù)碼管顯示、控制輸出、控制對象、雙向可控硅模塊。4.2總體設計框圖溫度控制電路設計總體設計方框圖如圖所示，控制器采用單片機AT89C52，溫度傳感器采用DS18B20，用4位LED數(shù)碼管實現(xiàn)溫度顯示。數(shù)碼管顯示DS18B20溫度傳感器信號調(diào)理控制對象雙向控制控制輸出輸入電源AT89C52單片機5 系統(tǒng)

7、工作基本原理5.1 PID算法在模擬控制系統(tǒng)中，控制器最常用的控制規(guī)律是PID控制。工業(yè)控制算法常用位置型PID算法，經(jīng)離散化后的算式為 式中，U(n)為第n個采樣時刻控制器的輸出量，e(n)第n個采樣時刻的偏差值，Kp為比例系數(shù)，Ki為積分作用系數(shù)，Kd為微分作用系數(shù)。由于位置式算法每次輸出與整個過去狀態(tài)有關，算式中用到過去偏差的累加值，容易產(chǎn)生較大的累計誤差。而增量式中只需計算增量，算式中不需要累加，控制增量的確定僅與幾次偏差采樣值有關，當存在計算誤差或精度不足時，對控制量計算的影響較小，且容易通過加權處理獲得較好的控制效果。由于計算機只輸出控制增量，所以誤動作時影響較小，且必要時可用邏輯

8、判斷的方法去掉，對系統(tǒng)安全運行有利。 由于上述優(yōu)點，所以增量式PID控制算法得到廣泛的應用。其控制算法表達式為 式(3)是PID位置式的遞推形式，是編程時常用的形式之一。按增量式PID控制算法編程時，a0，a1，a2可預先算出存入固定單元。PID算法流程圖如圖5所示。 5.2 DS18B20 傳感器工作原理DS18B20溫度傳感器是美國DALLAS半導體公司最新推出的一種改進型智能溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測溫元件相比，它能直接讀出被測溫度，并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)位的數(shù)字值讀數(shù)方式。DS18B20的測溫原理是這這樣的,器件中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固

9、定頻率的脈沖信號送給減法計數(shù)器；高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為減法計數(shù)器的脈沖輸入。器件中還有一個計數(shù)門，當計數(shù)門打開時，DS18B20就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖進行計數(shù)進而完成溫度測量。計數(shù)門的開啟時間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測量前，首先將55所對應的一個基數(shù)分別置入減法計數(shù)器、溫度寄存器中，計數(shù)器和溫度寄存器被預置在55所對應的一個基數(shù)值。減法計數(shù)器對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當減法計數(shù)器的預置值減到時，溫度寄存器的值將加，減法計數(shù)器的預置將重新被裝入，減法計數(shù)器重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到減法計數(shù)

10、器計數(shù)到時，停止溫度寄存器的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值就是所測溫度值。其輸出用于修正減法計數(shù)器的預置值，只要計數(shù)器門仍未關閉就重復上述過程，直到溫度寄存器值大致被測溫度值。表2一部分溫度對應值表溫度/二進制表示十六進制表示+1250000 0111 1101 000007D0H+850000 0101 0101 00000550H+25.06250000 0001 1001 00000191H+10.1250000 0000 1010 000100A2H+0.50000 0000 0000 00100008H00000 0000 0000 10000000H-0.51111 1111 111

11、1 0000FFF8H-10.1251111 1111 0101 1110FF5EH-25.06251111 1110 0110 1111FE6FH-551111 1100 1001 0000FC90H 另外，由于DS18B20單線通信功能是分時完成的，它有嚴格的時隙概念，因此讀寫時序很重要。系統(tǒng)對DS18B20的各種操作按協(xié)議進行。操作協(xié)議為：初使化DS18B20（發(fā)復位脈沖）發(fā)ROM功能命令發(fā)存儲器操作命令處理數(shù)據(jù)6系統(tǒng)整體硬件電路(原理圖)系統(tǒng)整體硬件電路包括：傳感器數(shù)據(jù)采集電路，溫度顯示電路，單片機主板電路，外圍溫度控制電路等，如圖所示。7系統(tǒng)軟件設計7.1程序設計組成:系統(tǒng)程序主要包

12、括主程序，讀出溫度子程序，溫度轉(zhuǎn)換命令子程序，計算溫度子程序，顯示數(shù)據(jù)刷新子程序，PID閉環(huán)控制算法程序，PWM波產(chǎn)生程序等。7.2程序代碼:#include #include #include #define uint unsigned int#define uchar unsigned char /宏定義#define C8255_A XBYTE0x7F00#define C8255_B XBYTE0x7F01#define C8255_C XBYTE0x7F02#define C8255_CON XBYTE0x7F03void pid(void)/PID算法子程序void init(vo

13、id)/初始化子程序void display(void)/延時子程序void clear()/清零子程序int mmul(int x,int y) /16位乘法，溢出賦極值int madd(int x,int y) /16位加法，溢出賦極值int change32_16(int x,int t) /3216char change16_8(int wd) /168 uchar presence;uchar code LEDData = 0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90,0xff;uchar data temp_data2= 0x0

14、0,0x00;uchar data display5 = 0x00,0x00,0x00,0x00,0x00;uchar code ditab16 = 0x00,0x01,0x01,0x02,0x03,0x03,0x04,0x04,0x05,0x06,0x06,0x07,0x08,0x08,0x09,0x09;char TS=0x64;/采樣周期int X=0x80;char SPEC=0x28; /給定：要求達到的溫度值char IBAND=0x60; /積分分離值：PID算法中積分分離值int KP=12; /比例系數(shù)：PID算法中比例項系數(shù)char KI=20; /積分系數(shù)char KD=

15、32; /微分系數(shù)int CK; /控制量：PID算法產(chǎn)生用于控制的量int TC; /采樣周期變量char FPWM; /PWM脈沖中間標識位int CK_1; /控制量變量，用于記錄上次控制的值int AAAA; / PWM高電平脈沖時間計算int VAA; /AAAA變量int BBB; /PWM低電平脈沖時間計算int VBB; /BBB變量int TKMARK; /采樣標志值int EK;/溫度誤差int EK_1;int AEK;int BEK;unsigned char dis; /BCD碼顯示bit flash=0; /顯示開關標記sbit DQ = P33; /定義DS18B

16、20端口DQsbit DIN = P07; /小數(shù)點sbit P17=P17;/PWM的驅(qū)動 /*延時子程序*/void delay(unsigned int time) unsigned int i; for(i=0;i 0; i-) DQ = 0; / 給脈沖信號 dat = 1; DQ = 1; / 給脈沖信號 if(DQ) dat |= 0x80; Delay(4); return (dat);WriteOneChar(uchar dat) /寫一個字節(jié)uchar i = 0;for (i = 8; i 0; i-) DQ = 0; DQ = dat&0x01; Delay(5); D

17、Q = 1; dat=1; Read_Temperature(void) /讀取溫度 Init_DS18B20(); if(presence=1) flash=1; else flash=0; WriteOneChar(0xCC); /跳過讀序號列號的操作 WriteOneChar(0x44); /啟動溫度轉(zhuǎn)換 Init_DS18B20(); WriteOneChar(0xCC); /跳過讀序號列號的操作 WriteOneChar(0xBE); /讀取溫度寄存器 temp_data0 = ReadOneChar();/溫度低8位 temp_data1 = ReadOneChar();/溫度高8

18、位 /*顯示子程序*/Disp_Temperature() /顯示溫度 uchar n=0; display4=temp_data0&0x0f; display0=ditabdisplay4; /查表得小數(shù)位的值 display4=(temp_data0&0xf0)4)|(temp_data1&0x0f)4); display3=display4/100; display1=display4%100; display2=display1/10; display1=display1%10; if(!display3) /高位為0，不顯示 display3=0x0a; if(!display2)

19、/次高位為0，不顯示 display2=0x0a; P0 =LEDDatadisplay0; /顯示小數(shù)位P2 = 0xf7;Delay(250);P0 =LEDDatadisplay1; /顯示個位DIN = 0; /小數(shù)點P2 = 0xfb;Delay(250);P0 =LEDDatadisplay2; /顯示十位P2 = 0xfd;Delay(250);P0 =LEDDatadisplay3; /顯示百位P2 = 0xfe;Delay(250);P2 = 0xff; /關閉顯示void myint2(void) interrupt 1 TH0=0xd8; TL0=0xef; ET0=1;

20、 /啟動定時器0 if(TCabs(IBAND) I=0; /判積分分離 else I=(EK*TS)/KI; /計算積分項 P=AEK; D=(KD/TS)*BEK)/10000; /計算微分項 /與書上對照，忽略KP K=madd(I,P); K=madd(D,K); K=mmul(K,KP); K=K/10; CK=K+CK_1; CK=change16_8(CK); CK_1=CK; EK_1=EK; CK=CK+X; int mmul(int x,int y) int t,z; long s; s=x*y; z=(int)(s&0x0ffff); t=(int)(s16)&0x0ff

21、ff); s=change32_16(z,t); return(s);int change32_16(int z,int t) /t=高字節(jié),z=低字節(jié) int s; if(t=0) if(z&0x8000)=0) s=z; else s=0x7fff; else if(t&0xffff)=0xffff) if(z&0x8000)=0) s=0x8000; else s=z; else if(t&0x8000)=0) s=0x7fff; else s=0x8000; return(s);int mmad(int x,int y) int t; t=x+y; if(x=0&y=0) /同號相乘，

22、符號位變反說明溢出 if(t&0x8000)!=0) t=0x7fff; else if(x=0&y8)&0x0ff; if(t=0x00) if(z&0x80)=0) s=z; else s=0x7f; else if(t&0xff)=0xff) if(z&0x80)=0) s=0x80; else s=z; else if(t&0x80)=0) s=0x7f; else s=0x80; return(s);void clear() C8255_B=0x00; /*主程序*/void main() init();while(1) Read_Temperature(); if(flash=0) Disp_Temperature(); else P2 = 0xff ; /DS18B20不正常，關閉顯示 while(1); while(1) if(TRMARK=0x01) break; /采樣周期到否 TRMARK=0x00;pid(); /PID算法 if(