基于PID算法的烤箱溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、遼遼 寧寧 工工 業(yè)業(yè) 大大 學(xué)學(xué) 計(jì)算機(jī)控制計(jì)算機(jī)控制課程設(shè)計(jì)（論文）課程設(shè)計(jì)（論文） 題目：題目： 基于基于pidpid算法的烤箱溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)算法的烤箱溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 院（系）：院（系）： 電氣工程學(xué)院電氣工程學(xué)院 專(zhuān)業(yè)班級(jí)：專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 自動(dòng)化自動(dòng)化 學(xué)學(xué) 號(hào)：號(hào)： 學(xué)生姓名：學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： （簽字） 起止時(shí)間：起止時(shí)間：2013.12.30-2014.01.10 課程設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告的內(nèi)容及其文本格式課程設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告的內(nèi)容及其文本格式 1、課程設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告要求用 a4 紙排版，單面打印，并裝訂成冊(cè)，內(nèi)容包括： 封面（包括題目、院系、專(zhuān)業(yè)班級(jí)、學(xué)生學(xué)號(hào)、學(xué)生

2、姓名、指導(dǎo)教師姓名、起止時(shí)間等） 設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)及評(píng)語(yǔ) 中文摘要 （黑體小二，居中，不少于 200 字） 目錄 正文（設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)、研究報(bào)告、研究論文等） 參考文獻(xiàn) 2、課程設(shè)計(jì)（論文）正文參考字?jǐn)?shù)：2000 字周數(shù)。 3、封面格式 4、設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評(píng)語(yǔ)格式 5、目錄格式 標(biāo)題“目錄”（ 小二號(hào)、黑體、居中） 章標(biāo)題（四號(hào)字、黑體、居左） 節(jié)標(biāo)題（小四號(hào)字、宋體） 頁(yè)碼（小四號(hào)字、宋體、居右） 6、正文格式 頁(yè)邊距：上 2.5cm，下 2.5cm，左 3cm，右 2.5cm，頁(yè)眉 1.5cm，頁(yè)腳 1.75cm，左側(cè)裝訂； 字體：一級(jí)標(biāo)題，小二號(hào)字、黑體、居中；二級(jí)標(biāo)題，黑體小三、居

3、左；三級(jí)標(biāo)題，黑體四號(hào)；正文文字，小四 號(hào)字、宋體； 行距：20 磅行距； 頁(yè)碼：底部居中，五號(hào)、黑體； 7、參考文獻(xiàn)格式 標(biāo)題：“參考文獻(xiàn)”，小二，黑體，居中。 示例：（五號(hào)宋體） 期刊類(lèi)：序號(hào)作者 1,作者 2,作者 n.文章名.期刊名（版本）.出版年,卷次（期次）:頁(yè)次. 圖書(shū)類(lèi)：序號(hào)作者 1,作者 2,作者 n.書(shū)名.版本.出版地:出版社，出版年:頁(yè)次. 課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評(píng)語(yǔ)課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評(píng)語(yǔ) 院（系）：電氣工程學(xué)院 教研室：自動(dòng) 化 注：成績(jī)：平時(shí)20% 論文質(zhì)量60% 答辯20% 以百分制計(jì)算 學(xué) 號(hào) 學(xué)生姓名專(zhuān)業(yè)班級(jí) 課程設(shè)計(jì) （論文）題 目 基于pid算法的烤箱溫

4、度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù) 課題完成的功能、設(shè)計(jì)任務(wù)及要求、技術(shù)參數(shù)課題完成的功能、設(shè)計(jì)任務(wù)及要求、技術(shù)參數(shù) 實(shí)現(xiàn)功能實(shí)現(xiàn)功能 采用單片機(jī)作為控制器，由pt100測(cè)量溫度，與設(shè)定溫度進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)pid運(yùn)算后 調(diào)整溫度控制信號(hào)的占空比，將溫度控制在規(guī)定范圍內(nèi)，并要求實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前溫度值， 用三位led顯示。被控對(duì)象為 ，仿真研究時(shí)用 近似。 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 1、確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，包括單片機(jī)的選擇，輸入輸出通道，鍵盤(pán)顯示電路和報(bào)警電路； 2、建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型； 3、推導(dǎo)控制算法，設(shè)計(jì)算法的程序流程圖或程序清單； 4、仿真研究，驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果； 5、撰寫(xiě)、打印設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一

5、份；設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)應(yīng)在 4000 字以上。 技術(shù)參數(shù)技術(shù)參數(shù) 1、溫度設(shè)定范圍：室溫+20260 2、誤差小于：5% 進(jìn)度計(jì)劃 1、布置任務(wù)，查閱資料，確定系統(tǒng)方案（1 天） 2、被控對(duì)象建模（1 天） 3、算法推導(dǎo)，程序設(shè)計(jì)（3 天） 4、仿真研究（2 天） 5、撰寫(xiě)、打印設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（2 天） 6、答辯。 （1天） ） 指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)及成績(jī) 平時(shí)： 論文質(zhì)量： 答辯： 總成績(jī)： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日 15 . 0 2 1 1 ss s e st k 1 0 0 摘 要 近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)在社會(huì)領(lǐng)域的滲透，單片機(jī)的應(yīng)用正在不斷地走向深入，同時(shí)帶 動(dòng)傳統(tǒng)控制檢測(cè)日新月益更新。在實(shí)時(shí)檢測(cè)和自動(dòng)控制的

6、單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，單片機(jī)往 往是作為一個(gè)核心部件來(lái)使用，僅單片機(jī)方面知識(shí)是不夠的，還應(yīng)根據(jù)具體硬件結(jié)構(gòu)， 以及具體應(yīng)用對(duì)象特點(diǎn)的軟件結(jié)合，以作完善。 本設(shè)計(jì)采用單片機(jī) at89s52 來(lái)實(shí)現(xiàn)烤箱的自動(dòng)控制過(guò)程，在控制過(guò)程中主要應(yīng)用 adc0808、led 顯示器，以單片機(jī)為核心控制部件，由 pt100 測(cè)量溫度采集環(huán)境溫度， 與設(shè)定溫度進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò) pid 運(yùn)算后調(diào)整溫度控制信號(hào)的占空比，將溫度控制在規(guī)定 范圍內(nèi)，并要求實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前溫度值，并通過(guò) 3 位 led 數(shù)碼管顯示實(shí)時(shí)溫度。其中硬件 部分包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)電路、傳感器電路、以及按鍵電路和顯示電路。為了便于擴(kuò)展和更改， 軟件的設(shè)計(jì)采用模塊化

7、結(jié)構(gòu)，使程序設(shè)計(jì)的邏輯關(guān)系更加簡(jiǎn)潔明了，使硬件在軟件的控 制下協(xié)調(diào)運(yùn)作。 關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī) at89s52；adc0808；pt100 測(cè)量溫度；按鍵電路 目 錄 第 1 章 緒論.1 第 2 章 課程設(shè)計(jì)的方案.2 2.1 概述 .2 2.2 設(shè)計(jì)的要求 .2 2.3 系統(tǒng)控制方案的分析 .2 第 3 章 硬件設(shè)計(jì).4 3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng) .4 3.1.1 單片機(jī)的選擇 .4 3.1.2 單片機(jī)最小系統(tǒng) .5 3.2 溫度傳感器 .5 3.3 按鍵電路設(shè)計(jì) .6 3.4 顯示電路設(shè)計(jì) .7 3.5 輸入輸出通道設(shè)計(jì) .8 3.5.1 烤箱的功率調(diào)節(jié)方式 .8 3.5.2 固態(tài)繼電器及應(yīng)用

8、.9 3.6 報(bào)警電路設(shè)計(jì) .11 第 4 章 軟件設(shè)計(jì).12 4.1 pid 烤箱溫度控制系統(tǒng)流程圖 .12 4.2 推導(dǎo)控制算法 .13 第 5 章 pid 算法仿真.15 5.1 pid 算法的響應(yīng)曲線 .15 5.2 pid 算法的仿真 .16 第 6 章 課程設(shè)計(jì)總結(jié).17 參考文獻(xiàn).18 第 1 章 緒論 在現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)反科學(xué)實(shí)驗(yàn)中常常需要對(duì)溫度進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。在控制 精度要求不高的情況下，人們往往采用開(kāi)環(huán)控制，這種控制方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易 于實(shí)現(xiàn)。但是在控制精度要求較高時(shí)，單純地采用開(kāi)環(huán)控制往往達(dá)不到滿意的 控制效果，所以此時(shí)必須采用閉環(huán)控制方式，常規(guī)采用模擬量的 nd 調(diào)節(jié)方式。

9、 盡管這種方法已經(jīng)被人們廣泛采用，但是由于控制對(duì)象的復(fù)雜及多樣性，在有 些情況下未能獲得滿意的控制精度。 微型計(jì)算機(jī)，特別是單片微助計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，使各種工業(yè)控制都發(fā)生了巨 大的變化，由于單片機(jī)成本低、功能強(qiáng)、抗干擾性能好，從而使計(jì)算機(jī)控制應(yīng) 用于工業(yè)生產(chǎn)及各種領(lǐng)域成為可能，單片機(jī)在溫度控制中的應(yīng)用更具有其他控 制手段無(wú)法比擬的優(yōu)越性。 溫度控制是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)常遇到的過(guò)程控制，有些工藝過(guò)程對(duì)其溫度 的控制效果直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量，因而設(shè)計(jì)一種較為理想的溫度控制系統(tǒng)是 非常有價(jià)值的。根據(jù)溫度變化慢，并且控制精度不易掌握的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了 以 at89s52 單片機(jī)為檢測(cè)控制中心的烤箱自動(dòng)控制系

10、統(tǒng)。溫度控制采用改進(jìn)的 pid 數(shù)字控制算法，顯示采用 3 位 led 靜態(tài)顯示。該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制算法 新穎，控制精度高，有較強(qiáng)的通用性。所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)有以下功能：(1)溫度 控制設(shè)定范圍為+20260，最小區(qū)分度為 0.05，標(biāo)定溫差0.6，靜態(tài)誤差 0.4；（2）實(shí)現(xiàn)控制可以升溫也可以降溫；（3）實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前溫度值； （4）按鍵控制：設(shè)置復(fù)位鍵、功能轉(zhuǎn)換鍵、加一鍵、減一鍵；（4）越限報(bào)警。 該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制算法新穎，控制精度高，有較強(qiáng)的通用性。 第 2 章 課程設(shè)計(jì)的方案 2.1 概述 二十一世紀(jì)是科技高速發(fā)展的信息時(shí)代，電子技術(shù)、微型單片機(jī)技術(shù)的應(yīng) 用更是空前廣泛，伴隨著科學(xué)技

11、術(shù)和生產(chǎn)的不斷發(fā)展，需要對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行溫 度測(cè)量。因此溫度一詞在生產(chǎn)生活之中出現(xiàn)的頻率日益增多，與之相對(duì)應(yīng)的， 溫度控制和測(cè)量也成為了生活生產(chǎn)中頻繁使用的詞語(yǔ)，同時(shí)它們?cè)诟餍懈鳂I(yè)中 也發(fā)揮著重要的作用。如在日趨發(fā)達(dá)的工業(yè)之中，利用測(cè)量與控制溫度來(lái)保證 生產(chǎn)的正常運(yùn)行。在農(nóng)業(yè)中，用于保證蔬菜大棚的恒溫保產(chǎn)等。 溫度是表征物體冷熱程度的物理量，溫度測(cè)量則是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中一個(gè) 很重要而普遍的參數(shù)。溫度的測(cè)量及控制對(duì)保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、節(jié) 約能源、生產(chǎn)安全、促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到非常重要的作用。由于溫度測(cè)量 的普遍性，溫度傳感器的數(shù)量在各種傳感器中居首位。而且隨著科學(xué)技術(shù)和生 產(chǎn)的不斷發(fā)展，

12、溫度傳感器的種類(lèi)還是在不斷增加豐富來(lái)滿足生產(chǎn)生活中的需 要。 在單片機(jī)溫度測(cè)量系統(tǒng)中的關(guān)鍵是測(cè)量溫度、控制溫度和保持溫度，溫度 測(cè)量是工業(yè)對(duì)象中主要的被控參數(shù)之一。因此，單片機(jī)溫度測(cè)量則是對(duì)溫度進(jìn) 行有效的測(cè)量，并且能夠在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，尤其在電力工程、 化工生產(chǎn)、機(jī)械制造、冶金工業(yè)等重要工業(yè)領(lǐng)域中，擔(dān)負(fù)著重要的測(cè)量任務(wù)。 在日常生活中，也可廣泛實(shí)用于地?zé)?、空調(diào)器、電加熱器，烤箱等各種家庭室 溫測(cè)量及工業(yè)設(shè)備溫度測(cè)量場(chǎng)合。但溫度是一個(gè)模擬量，如果采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù) 和元件，將模擬的溫度量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量雖不困難，但電路較復(fù)雜，成本較高。 2.2 設(shè)計(jì)的要求 采用單片機(jī)作為控制器，由 pt1

13、00 測(cè)量溫度，與設(shè)定溫度進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò) pid 運(yùn)算后調(diào)整溫度控制信號(hào)的占空比，將溫度控制在規(guī)定范圍內(nèi)，并要求實(shí) 時(shí)顯示當(dāng)前溫度值，用三位 led 燈顯示。溫度控制范圍：室溫+20260，誤 差小于：5%。 2.3 系統(tǒng)控制方案的分析 本文所要設(shè)計(jì)的課題是基于單片機(jī)控制的烤箱溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要 是介紹了對(duì)烤箱溫度的顯示、控制及報(bào)警，實(shí)現(xiàn)了溫度的實(shí)時(shí)顯示及控制。 溫度控制系統(tǒng)是比較常見(jiàn)和典型的過(guò)程控制系統(tǒng)。溫度是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中 重要的被控參數(shù)之一，當(dāng)今計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在這方面的應(yīng)用，已使溫度控制系 統(tǒng)達(dá)到自動(dòng)化、智能化，比過(guò)去單純采用電子線路進(jìn)行 pid 調(diào)節(jié)的控制效果要 好得多，可控性方

14、面也有了很大的提高。 溫度是一個(gè)非線性的對(duì)象，具有大慣性的特點(diǎn)，在低溫段慣性較大，在高 溫段慣性較小。對(duì)于這種溫控對(duì)象，一般認(rèn)為其具有以下的傳遞函數(shù)形式： 本系統(tǒng)是一個(gè)典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)。從技術(shù)指標(biāo)可以看出，系統(tǒng)對(duì)控制精 度的要求不高，對(duì)升降溫過(guò)程的線性也沒(méi)有要求，因此，系統(tǒng)采用最簡(jiǎn)單的通 斷控制方式，當(dāng)烘干箱溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)斷開(kāi)加熱電爐，當(dāng)溫度降到低于某值 時(shí)接通電爐開(kāi)始加熱，從而保持恒溫的控制。 采用 at89s52 單片機(jī)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)軟件編程靈活、自由度大，可用 軟件編程實(shí)現(xiàn)各種控制算法和邏輯控制。單片機(jī)系統(tǒng)可以用數(shù)碼管來(lái)顯示烤箱 溫度的實(shí)際值，能用鍵盤(pán)輸入設(shè)定值?？傮w結(jié)構(gòu)框圖如圖

15、 2.1 所示： 圖2.1 總體結(jié)構(gòu)框圖 烤箱溫度控制實(shí)現(xiàn)過(guò)程是：首先溫度傳感器將烤箱的溫度傳回單片機(jī)，然 后單片機(jī)將給定的溫度值和反饋回來(lái)的溫度值進(jìn)行比較并且經(jīng)過(guò)運(yùn)算處理后， 傳給溫度控制系統(tǒng)，判斷加熱器材輸出端導(dǎo)通與否從而使加熱爐開(kāi)始加熱或停 止加熱。 s e st k 1 0 0 第 3 章 硬件設(shè)計(jì) 在溫度控制中，經(jīng)常采用是硬件電路主要有兩大部分組成：模擬部分和數(shù) 字部分，對(duì)這兩部分調(diào)節(jié)儀表進(jìn)行調(diào)節(jié)，但都存在著許多缺點(diǎn)，用單片機(jī)進(jìn)行 溫度控制使構(gòu)成的系統(tǒng)靈活，可靠性高，并可用軟件對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行抗干攏 濾波和非線性補(bǔ)償處理，可大大提高控制質(zhì)量和自動(dòng)化水平；總的來(lái)說(shuō)本系統(tǒng) 由四大模塊組成

16、，它們是輸入模塊、單片機(jī)系統(tǒng)模塊、顯示與控制模塊和輸出 控制模塊。輸入模塊主要完成對(duì)溫度信號(hào)的采集和轉(zhuǎn)換工作，由溫度傳感器及 其與單片機(jī)的接口部分組成。輸出模塊由可控硅和可控硅驅(qū)動(dòng)器組成。moc304x 芯片是一種集成的帶有光耦合的雙向可控硅驅(qū)動(dòng)電路。它內(nèi)部集成了發(fā)光二極 管、雙向可控和過(guò)零觸發(fā)電路等器件。 3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng) 3.1.1 單片機(jī)的選擇 隨著社會(huì)發(fā)展，單片機(jī)以其體積小、可靠性高、使用方便的特點(diǎn)在社會(huì)生 活中達(dá)到廣泛應(yīng)用。根據(jù)溫度控制特點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)采用at89s52。at89s52是 一種低功耗、高性能cmos8位微控制器，具有8k 在系統(tǒng)可編程flash 存儲(chǔ)器。 使用at

17、mel 公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80c51 產(chǎn)品指令和引 腳完全兼容。片上flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在 單芯片上，擁有靈巧的8 位cpu 和在系統(tǒng)可編程flash，使得at89s52為眾多嵌 入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 at89s52 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k 字節(jié) flash，256 字節(jié) ram，at89s52 有 40 個(gè)引腳，32 位 i/o 口線，看門(mén)狗定時(shí)器，2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，一個(gè) 6 向量 2 級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另 外，at89s52 可降至 0hz 靜態(tài)邏輯

18、操作，支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式?？?閑模式下，cpu 停止工作，允許 ram、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。 掉電保護(hù)方式下，ram 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直 到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。器件采用 atmel 公司的高密度、非易失性存 儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) mcs-51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器和 flash 存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的 at89s52 單片機(jī)可為您提供許多較復(fù)雜系統(tǒng)控制應(yīng)用場(chǎng) 合。 3.1.2 單片機(jī)最小系統(tǒng) 單片機(jī)最小系統(tǒng)由 at89s52 單片機(jī)、復(fù)位電路，晶振時(shí)鐘電路組成，如圖 3.1 所示： 圖 3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng) 說(shuō)明

19、: 復(fù)位電路：由電容，電阻構(gòu)成，若要復(fù)位只需按“s1”鍵，此電源 vcc 經(jīng)電阻 分壓，在 reset 端產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位高電平； 振蕩電路：典型的晶振頻率為 11.0592mhz/12mhz。 3.2 溫度傳感器 pt100 是鉑熱電阻，它的阻值跟溫度的變化成正比。pt100 的阻值與溫度變 化關(guān)系為：當(dāng) pt100 溫度為 0時(shí)它的阻值為 100 歐姆，在 100時(shí)它的阻值 約為 138.5 歐姆。它的工業(yè)原理：當(dāng) pt100 在 0 攝氏度的時(shí)候他的阻值為 100 歐姆，它的阻值會(huì)隨著溫度上升而成勻速增長(zhǎng)的。由于 pt100 熱電阻的溫度與 阻值變化關(guān)系，人們便利用它的這一特性，發(fā)明并生產(chǎn)了

20、 pt100 熱電阻溫度傳 感器。它是集溫度濕度采集于一體的智能傳感器。pt100 溫度傳感器的主要技術(shù) 參數(shù)如下：測(cè)量范圍：-200+850；允許偏差值：a 級(jí)（0.150.002 t） ， b 級(jí)（0.300.005t） ；熱響應(yīng)時(shí)間30s；最小置入深度：熱電阻的最 小置入深度200mm；允通電流5ma。另外，pt100 溫度傳感器還具有抗振動(dòng)、 穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、耐高壓等優(yōu)點(diǎn)。 pt100 鉑熱電阻采集溫度后將溫度轉(zhuǎn)化為電量的溫度電壓轉(zhuǎn)換由溫度傳感器 -熱敏電阻實(shí)現(xiàn)，a/d 轉(zhuǎn)換選擇模數(shù)轉(zhuǎn)換器 adc0808，將采集到的溫度模擬信 號(hào)轉(zhuǎn)換為 at89s52 能夠處理的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)。如

21、圖 3.2 所示： 圖 3.2 溫度轉(zhuǎn)換電路圖 3.3 按鍵電路設(shè)計(jì) 按鍵控制電路設(shè)置了：“設(shè)置” 、 “加 1” 、 “減 1” 、 “確定”四個(gè)按鍵，來(lái)實(shí) 現(xiàn)人機(jī)對(duì)話。人為地設(shè)定溫度門(mén)限值，使電路在人為設(shè)定的某一溫度值相對(duì)穩(wěn) 定的工作。電路如圖 3.3 所示： 圖 3.3 按鍵電路 3.4 顯示電路設(shè)計(jì) 因?yàn)轱@示部分只是用于顯示數(shù)字，所以可以選用 led 數(shù)碼管，在顯示數(shù)字 方面完全可以滿足本設(shè)計(jì)的要求。因?yàn)榭鞠涞臏囟确秶?20260，需要 3 個(gè) 8 段 led 數(shù)碼管顯示。根據(jù)對(duì)顯示內(nèi)容的分析，顯示驅(qū)動(dòng)芯片要驅(qū)動(dòng) 3 個(gè) 共陰的 8 段 led 數(shù)碼管，且為節(jié)省 i/o 口線，優(yōu)先考

22、慮串行的顯示驅(qū)動(dòng)芯片。 根據(jù)上述分析，本設(shè)計(jì)選用 maxim 公司的 max7219 顯示驅(qū)動(dòng)芯片。 max7219 顯示驅(qū)動(dòng)芯片有八條位控線，八條段控線，位控線低電平有效， 段控線高電平有效，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)八個(gè)共陰極 led。同時(shí) max7219 還可以進(jìn)行 解碼/不解碼兩種模式的選擇，當(dāng)選擇解碼模式時(shí)，只需向 max7219 輸入十進(jìn) 制的 bcd 碼它就可自動(dòng)翻譯成 led 顯示所需要的字形代碼，大大減輕了編程 的工作量。max7219 和單片計(jì)算機(jī)連接有三條引線（din、clk、load） ，采用 16 位數(shù)據(jù)串行移位接收方式。 max7219 通過(guò)加在 v+和 iset 之間的一個(gè)電阻來(lái)

23、控制顯示亮度。段驅(qū)動(dòng) 電流一般是流入 iset 端電流的 100 倍，其最小值為 9.53k，它設(shè)定段電流為 40ma。 max7219 各引腳的功能為： din：串行數(shù)據(jù)輸入端 dout：串行數(shù)據(jù)輸出端，用于級(jí)連擴(kuò)展 load：裝載數(shù)據(jù)輸入 clk：串行時(shí)鐘輸入 dig0dig7：8 位 led 位選線，從共陰極 led 中吸入電流 seg aseg g dp ：7 段驅(qū)動(dòng)和小數(shù)點(diǎn)驅(qū)動(dòng) iset： 通過(guò)一個(gè) 10k 電阻和 vcc 相連，設(shè)置段電流 三位 led 顯示電路結(jié)構(gòu)圖如圖 3.4 所示： 圖 3.4 三位 led 顯示電路圖 3.5 輸入輸出通道設(shè)計(jì) 3.5.1 烤箱的功率調(diào)節(jié)方式

24、 烤箱的溫度控制是通過(guò)調(diào)節(jié)電阻爐的輸入電功率來(lái)實(shí)現(xiàn)的。目前多數(shù)溫控 儀采用晶閘管來(lái)實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)。由晶閘管實(shí)現(xiàn)交流功率調(diào)節(jié)的途徑有兩條：一 種是通過(guò)改變交流電壓每周期內(nèi)電壓波形的導(dǎo)通角，使得負(fù)載端電壓有效值得 以調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電功率調(diào)節(jié)。由于這種調(diào)節(jié)方式下觸發(fā)脈沖的觸發(fā)時(shí)刻與電 壓波形的相位有關(guān)，因此稱為相位控制調(diào)功；另一種調(diào)節(jié)方式是電壓波形不變 而只改變電壓周波在控制周期內(nèi)出現(xiàn)的次數(shù)，這種調(diào)節(jié)方式稱為通斷控制調(diào)功。 就觸發(fā)方式而言，前者為移相觸發(fā)，后者為過(guò)零觸發(fā)。兩者的電壓波形比較如 圖 3.5 所示: (a)位控制的電壓波形 (b)通斷控制的輸出波形 圖 3.5 兩者的電壓波形比較 通過(guò)比較

25、發(fā)現(xiàn)：相位控制的電壓波形不“規(guī)整” ，但正負(fù)半周對(duì)稱，無(wú)直流 成分，可直接用于電感負(fù)載。其最大的缺點(diǎn)是：大電流的切入造成對(duì)電網(wǎng)的沖 擊，不規(guī)整的脈沖負(fù)載電流引起電網(wǎng)波形的畸變及對(duì)其它電設(shè)備的中頻干擾。 輸出線性范圍窄而線性度又不好，只能靠反饋來(lái)改善。通斷控制的輸出波形仍 為正弦波，其優(yōu)點(diǎn)是，不會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成嚴(yán)重污染和干擾其它用電設(shè)備，而且電 爐的功率愈大，優(yōu)點(diǎn)愈突出。但通斷控制也存在抗電源干擾能力弱等缺點(diǎn)。對(duì) 于純阻性負(fù)載的電阻爐來(lái)說(shuō)，溫控儀采用過(guò)零觸發(fā)方式可使電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，軟 件計(jì)算方便。因此，在本系統(tǒng)中采用通斷控制的方式來(lái)進(jìn)行功率調(diào)節(jié)。 3.5.2 固態(tài)繼電器及應(yīng)用 固態(tài)繼電器7(solid

26、 state relays)，簡(jiǎn)寫(xiě)成“ssr” ，是一種全部由固態(tài) 電子元件（如光電耦合器、晶體管、可控硅、電阻、電容等）組成的新型無(wú)觸 點(diǎn)開(kāi)關(guān)器件。與普通繼電器一樣，它的輸入側(cè)與輸出側(cè)之間是電絕緣的。但是 與普通電磁繼電器比，ssr 體積小，開(kāi)關(guān)速度快，無(wú)機(jī)械觸點(diǎn)，因而沒(méi)有機(jī)械 磨損，不怕有害氣體腐蝕，沒(méi)有機(jī)械噪聲，耐振動(dòng)、耐沖擊，使用壽命長(zhǎng)。它 在通、斷時(shí)沒(méi)有火花和電弧，有利于防爆，干擾?。ㄌ貏e對(duì)微弱信號(hào)回路） 。另 外，ssr 的驅(qū)動(dòng)電壓低，電流小，易于與計(jì)算機(jī)接口。因此 ssr 作為自動(dòng)控制 的執(zhí)行部件得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。ssr 按使用場(chǎng)合可以分成交流型和直流型 兩大類(lèi)。交流 ssr

27、 工作原理框圖如圖 3.6 所示： 圖 3.6 交流 ssr 工作原理框圖 圖中的部件構(gòu)成交流 ssr 的主體。從整體上看，ssr 只有兩個(gè)輸入 端(a 和 b)及兩個(gè)輸出端(c 和 d)，是一種四端器件。工作時(shí)只要在 a、b 上加 上一定的控制信號(hào)，就可以控制 c、d 兩端之間的“通”和“斷” ，實(shí)現(xiàn)“開(kāi)關(guān)” 的功能，其中耦合電路的功能是為 a、b 端輸入的控制信號(hào)提供一個(gè)輸入/輸出 端之間的通道，但又在電氣上斷開(kāi) ssr 中輸入端和輸出端之間的(電)聯(lián)系，以 防止輸出端對(duì)輸入端的影響，耦合電路用的元件是“光耦合器” ，它動(dòng)作靈敏、 響應(yīng)速度高、輸入/輸出端間的絕緣(耐壓)等級(jí)高；由于輸入端

28、的負(fù)載是發(fā)光二 極管，這使 ssr 的輸入端很容易做到與輸入信號(hào)電平相匹配，在使用時(shí)可直接 與計(jì)算機(jī)輸出接口相接，即受“1”與“0”的邏輯電平控制。觸發(fā)電路的功能 是產(chǎn)生合乎要求的觸發(fā)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)電路工作，但由于開(kāi)關(guān)電路在不加特 殊控制電路時(shí)，將產(chǎn)生射頻干擾并以高次諧波或尖峰等污染電網(wǎng)，為此特設(shè) “過(guò)零控制電路” 。所謂“過(guò)零”是指，當(dāng)加入控制信號(hào)，交流電壓過(guò)零時(shí)， ssr 即為通態(tài)；而當(dāng)斷開(kāi)控制信號(hào)后，ssr 要等待交流電的正半周與負(fù)半周的 交界點(diǎn)(零電位)時(shí)，ssr 才為斷態(tài)。這種設(shè)計(jì)能防止高次諧波的干擾和對(duì)電網(wǎng) 的污染。吸收電路是為防止從電源中傳來(lái)的尖峰、浪涌(電壓)對(duì)開(kāi)關(guān)器件雙向 可

29、控硅管的沖擊和干擾(甚至誤動(dòng)作)而設(shè)計(jì)的，一般是用“r-c”串聯(lián)吸收電路 或非線性電阻(壓敏電阻器)。 3.6 報(bào)警電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)采用峰鳴音報(bào)警電路。蜂鳴器的正極性的一端聯(lián)接到 5v 電源上面， 另一端接到三極管的集電極，三極管的基極由單片機(jī)的 p2.7 管腳來(lái)控制，當(dāng) p2.7 管腳為高時(shí)，三極管導(dǎo)通，這樣蜂鳴器的電流形成回路，發(fā)出聲音。當(dāng) p2.7 管腳為低時(shí)，三極管截至，蜂鳴器不發(fā)出聲音。其電路圖如 3.7 所示： 3.7 報(bào)警電路 第 4 章 軟件設(shè)計(jì) 4.1 pid 烤箱溫度控制系統(tǒng)流程圖 烤箱溫度控制系統(tǒng)流程圖如圖 4.1 所示： 圖 4.1 程序流程圖 4.2 推導(dǎo)控制算法 模

30、擬 pid 控制圖如圖 4.2 所示： 圖 4.2 模擬 pid 控制圖 1. pid 控制規(guī)律的離散化 pid 控制器是一種線性調(diào)節(jié)器，這種調(diào)節(jié)器是將系統(tǒng)的給定值 r 與實(shí) 際輸出值 y 構(gòu)成的控制偏差的比例（p） 、積分（i） 、微分（d） ，通過(guò)yrc 線性組合構(gòu)成控制量，所以簡(jiǎn)稱 pid 控制器。 連續(xù)控制系統(tǒng)中的模擬 pid 控 制規(guī)律為： （1） 上面式中是控制器的輸出，是系統(tǒng)給定量與輸出量的偏差，是)(tu)(te p k 比例系數(shù)，是積分時(shí)間常數(shù)，是微分時(shí)間常數(shù)。其相應(yīng)傳遞函數(shù)為： i t d t （2） 2.比例調(diào)節(jié)器、積分調(diào)節(jié)器和微分調(diào)節(jié)器的作用 （1）比例調(diào)節(jié)器：比例調(diào)節(jié)

31、器對(duì)偏差是即時(shí)反應(yīng)的，偏差一旦出現(xiàn)，調(diào)節(jié) 器立即產(chǎn)生控制作用，使輸出量朝著減小偏差的方向變化，控制作用的強(qiáng)弱取 決于比例系數(shù)。比例調(diào)節(jié)器雖然簡(jiǎn)單快速，但對(duì)于系統(tǒng)響應(yīng)為有限值的控制 p k 對(duì)象存在靜差。加大比例系數(shù)可以減小靜差，但是，過(guò)大時(shí)，會(huì)使系統(tǒng) p k p k 的動(dòng)態(tài)質(zhì)量變壞，引起輸出量振蕩，甚至導(dǎo)致閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。 （2）比例積分調(diào)節(jié)器：為了消除在比例調(diào)節(jié)中的殘余靜差，可在比例調(diào)節(jié) 的基礎(chǔ)上加入積分調(diào)節(jié)。積分調(diào)節(jié)具有累積成分，只要偏差 不為零，它將通e 過(guò)累積作用影響控制量，從而減小偏差，直到偏差為零。如果積分時(shí)間常數(shù)u 大，積分作用弱，反之為強(qiáng)。增大將減慢消除靜差的過(guò)程，但可減小超調(diào)

32、， i t i t p k stk ip stk dp 對(duì)象 re yu - )( )( 1 )()( 0 dt tde tdtte t tektu d t i p ) 1 1 ()(st st ksg d i p 提高穩(wěn)定性。引入積分詞節(jié)的代價(jià)是降低系統(tǒng)的快速性。 （3）比例積分微分調(diào)節(jié)器：為了加快控制過(guò)程，有必要在偏差出現(xiàn)或變化 的瞬間，按偏差變化的趨向進(jìn)行控制，使偏差消滅在萌芽狀態(tài)，這就是微分調(diào) 節(jié)的原理。微分作用的加入將有助于減小超調(diào)，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。 由于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是一種采樣控制系統(tǒng)，只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控 制量，因此，利用外接矩形法進(jìn)行數(shù)值積分，一階后向差分進(jìn)行數(shù)

33、值微分，當(dāng) 采樣周期為 t 時(shí)， （3） 如果采樣周期足夠小，這種離散逼近相當(dāng)準(zhǔn)確。上式中為全量輸出，它 i u 對(duì)應(yīng)于被控對(duì)象的執(zhí)行機(jī)構(gòu)第 i 次采樣時(shí)刻應(yīng)達(dá)到的位置，因此，上式稱為 pid 位置型控制算式。 可以看出，按上式計(jì)算時(shí)，輸出值與過(guò)去所有狀態(tài)有關(guān)。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需 i u 要的不是控制量的絕對(duì)數(shù)值，而是其增量時(shí)，可導(dǎo)出下面的公式： （4） 上式（4）稱為增量型 pid 控制算式。 增量型控制算式具有以下優(yōu)點(diǎn)： (1) 計(jì)算機(jī)只輸出控制增量，即執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的變化部分，因而誤動(dòng)作影 響小。 (2) 在 i 時(shí)刻的輸出，只需用到此時(shí)刻的偏差，以及前一時(shí)刻，前兩時(shí)刻 i u 的偏差、，和前一

34、次的輸出值，這大大節(jié)約了內(nèi)存和計(jì)算時(shí)間。 1i e 2i e 1i u (3) 在進(jìn)行手動(dòng)自動(dòng)切換時(shí)，控制量沖擊小，能夠較平滑地過(guò)渡；控制 過(guò)程的計(jì)算機(jī)要求有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，用微型計(jì)算機(jī)作為數(shù)字控制器時(shí)，由于字 長(zhǎng)和運(yùn)算速度的限制，必須采用必要的方法來(lái)加快計(jì)算速度。下面介紹簡(jiǎn)化算 式的方法。 )( 1 0 ii d i j j i ipi ee t t e t t eku )2( 2111 iii d i i iipiii eee t t e t t eekuuu 第 5 章 pid 算法仿真 5.1 pid 算法的響應(yīng)曲線 根據(jù)式子 知道放大系數(shù) ，經(jīng)分析后硬件連接及響應(yīng)曲線圖 如圖 5.1

35、所示： 圖 5.1 硬件連接及響應(yīng)曲線圖 根據(jù)響應(yīng)曲線得時(shí)間： ， 15 . 0 2 1 1 ss 2 0 k st790 . 0 1 st840 . 1 2 所以根據(jù) ， ，得 ， 。 因?yàn)?，所以由 ， ， 得，。325 . 0 p k869 . 0 i t122 . 0 d t 5.2 pid 算法的仿真 根據(jù) pid 算法的響應(yīng)曲線得出，則pid325 . 0 p k869 . 0 i t122 . 0 d t 算法的仿真硬件連接及仿真圖如圖 5.2 所示： 圖 5.2 仿真硬件連接及仿真圖 8473 . 0 / 120 ttt 8473 . 0 /3567 . 0 204 . 1 21 tt 348 . 0 239 . 1 0 t 2 0 k 00 /27 . 0 /35 . 1 ktkp 0 2 000 /1/5 . 0/5 . 2ttttti 000 /2 . 01/37 . 0 ttttd 第 6 章 課程設(shè)計(jì)總結(jié) 本設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)目前烤箱控制的發(fā)展趨勢(shì)和控制管理需求的分析，設(shè)計(jì)了基 于 pid 算法的烤箱溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)從而達(dá)到控制烤箱的開(kāi)啟和關(guān)閉的軟硬件組成， 儀烤箱溫度采集實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，比單純的人員控制烤箱溫度更合理，更有效的 降低烤