畢業(yè)設計（論文）基于單片機的水溫控制系統(tǒng)(軟件部分設計)

1、i 畢畢 業(yè)業(yè) 設設 計（論計（論 文）說文）說 明明 書書 題 目： 基于基于單單片機的水溫控制系片機的水溫控制系統(tǒng)統(tǒng) （ （軟軟件部分件部分設計設計） ） 系 別： 專業(yè)班級： 學生姓名： xxx 指導教師： 畢業(yè)（設計）論文 ii 教 研 室： 提交時間： 基于單片機的水溫控制系統(tǒng) i 摘 要 本系統(tǒng)以單片機spce061a為核心，采用鉑電阻溫度傳感器進行溫 度的采集，利用spy0030進行語音放大?？筛鶕?jù)提前設定的溫度，自動 使用pid算法進行溫度控制。通過鍵盤可設置一定的溫度和溫度變化范 圍，led實時顯示當前溫度以便于用戶觀測。采用eeprom使設定的溫 度控制范圍掉電存儲。如果有

2、新的控溫范圍，則可以通過鍵盤改變。 關鍵詞：關鍵詞： 自動調(diào)節(jié)；溫度控制；pid；單片機 畢業(yè)（設計）論文 ii abstrct the system considers spce061a as the core, using the platinum resistance temperature sensor.for temperature collection, and uses spy0030 for the amplification of voice. it can be set in accordance with the temperature in advance, and c

3、an be controlled automatically by using pid algorithm for temperature. keyboard can be set along with arbitrary changes of temperature and the temperature range, and the current temperature displayed by led real-time to users observation.eeprom is used to make the set of temperature control and the

4、power-off memory. if there is a new temperature control range, change the keyboard to meet its demand. keywords : automatic adjustment; temperature control; pid; singlechip 基于單片機的水溫控制系統(tǒng) iii 目 錄 摘 要 .i abstrct .ii 第 1 章 引言 .1 1.1 設計背景.1 1.2 系統(tǒng)設計的目標、內(nèi)容及意義.1 第 2 章 技術背景 .3 2.1 溫度傳感器.3 2.2 spce061a 單片機 .

5、3 2.3 pid 控制簡介 .4 第 3 章 硬件實現(xiàn) .5 3.1 系統(tǒng)總體電路框圖.5 3.2 鍵盤部分設計.5 3.3 顯示部分設計.6 3.4 溫度采集部分設計.6 3.5 數(shù)字濾波部分設計.7 3.6 溫控部分設計.7 3.7 打印部分設計.7 3.8 語音播報部分設計.8 第 4 章 軟件實現(xiàn) .9 4.1 軟件總體部分設計.9 4.2 溫度測量程序設計.11 4.3 數(shù)字濾波程序設計.12 4.4 溫度控制程序設計.13 4.5 打印控制程序設計.14 4.6 pid 算法部分設計 .15 第 5 章 軟件調(diào)試與安裝 .27 5.1 軟件調(diào)試.27 5.2 軟件安裝.28 第

6、6 章 結(jié)束語 .29 致謝 .31 參考文獻 .32 畢業(yè)（設計）論文 iv 附錄 .33 基于單片機的水溫控制系統(tǒng) 1 第 1 章 引言 1.1 設計背景 隨著社會的進步，技術的發(fā)展，越來越多地需要實現(xiàn)生產(chǎn)工具的自 動化，不再需要人力的介入，有的環(huán)境甚至是人無法介入的，或者是人 的干預對其的控制效果是不理想或者微乎其微的，種種情況促使人們對 越來越多的設備進行自動化的開發(fā)，使其脫離人的直接干預，可以獨立 工作，節(jié)省了人力，同時可以高效快捷的解決問題。在控制領域，溫度 是一個永遠被人們所關注的控制對象，它的控制不僅僅出現(xiàn)在常規(guī)的工 控領域，在生活，商業(yè)，科研，軍事的方方面面，溫度的控制簡直是

7、無 所不在，因此，對于溫度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的研究，不但有著很大的科研意 義，同時也有著現(xiàn)實的經(jīng)濟意義和社會意義。 目前在溫度的自動控制調(diào)節(jié)的研究領域，常用的算法大致有pid算 法，史密斯預估算法，模糊控制算法等，其中pid算法以其簡單易操作， 控制效果好，容易理解等特點，被廣泛的應用于溫度控制的領域。 1.2 系統(tǒng)設計的目標、內(nèi)容及意義 本次系統(tǒng)設計的目標是對單片機控制的水溫控制系統(tǒng)進行分塊的分 析與設計，對其合理性進行探究，最終設計一個實用的，功能完善的設 計方案。 本次系統(tǒng)設計的內(nèi)容是通過對硬件的合理選擇，在一定程度上實現(xiàn) 該電子裝置的方便性、實用性和低成本性。再編程對單片機及其外圍電 路進行

8、較為準確的控制，以實現(xiàn)通過鍵盤就可以方便的對水溫進行控制。 本系統(tǒng)的設計實現(xiàn)了溫度控制系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)，正常工作狀態(tài)下不 需要人為控制，只有在需要改變溫度控制范圍時才進行人工調(diào)節(jié)，方便 畢業(yè)（設計）論文 2 了用戶。采用 pid 算法進行溫度的控制，有效的將溫度控制在設定值附 近，led 的實時顯示和打印機的輸出使本系統(tǒng)更加的實用。本課題的研 究與實現(xiàn)，在工控領域有著重要的理論指導意義，同時如果將其用于實 際應用，有著廣泛的社會意義和經(jīng)濟效益。 基于單片機的水溫控制系統(tǒng) 3 第 2 章 技術背景 2.1 溫度傳感器 溫度傳感器有多種類型，常見的有：數(shù)字接口的溫度傳感器，可以 與控制器直接相連；熱

9、電偶溫度傳感器，一般線形度較差，需要開發(fā)人 員進行線性化調(diào)節(jié)；熱電阻溫度傳感器，線形度略好于熱電偶，測溫范 圍較廣，應用場合較多。常見的數(shù)字接口的溫度傳感器如 18b20，18b20 是一線總線接口的溫度傳感器。一線總線具有獨特而且 經(jīng)濟的特點。測量溫度范圍為 -55+125，在-10+85范圍內(nèi), 精度為0.5。其硬件操作比較簡單，用戶只需對其進行軟件編程就可 以實現(xiàn)控制。因此，18b20 適合硬件資源較少，測量溫度要求不高的情 況。本設計擬采用鉑熱電阻作為溫度采集裝置，鉑熱電阻是一種精確、 靈敏、性能穩(wěn)定的溫度傳感器。在外界溫度作用下，鉑電阻絲的電阻值 將隨之變而變化，可用于測量-2008

10、00范圍內(nèi)的溫度。其優(yōu)點是：電 氣性能穩(wěn)定，溫度和電阻關系近于線性，精度高。鉑電阻元件可與顯示 儀、記錄儀、調(diào)節(jié)器、掃描儀、數(shù)據(jù)記錄儀以及電腦配套進行精確的溫 度測量和控制。因此，在溫度控制精度要求比較高的情況，一般采用鉑 熱電阻作為溫度采集裝置。 2.2 spce061a 單片機 spce061a 作為凌陽公司推出的一款較為智能的 16 位單片機，與 51 單片機相比，最主要的一個優(yōu)點就是該單片機內(nèi)置 7 通道 10 位電壓 模數(shù)轉(zhuǎn)換器和 2 個 10 位 dac 輸出通道，在外部信號傳入單片機時，不 再需要外接模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，可以簡化系統(tǒng)電路。此外該單片機還具有豐 富的外部擴展功能，在很大程

11、度上可以優(yōu)化系統(tǒng)設置，使系統(tǒng)更加完善、 更具人性化。 畢業(yè)（設計）論文 4 2.3 pid 控制簡介 目前工業(yè)自動化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個重要標 志。同時，控制理論的發(fā)展也經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智 能控制理論三個階段。一個控制系統(tǒng)包括控制器、傳感器、變送器、執(zhí) 行機構(gòu)、輸入輸出接口。控制器的輸出經(jīng)過輸出接口、執(zhí)行機構(gòu)，加到 被控系統(tǒng)上；控制系統(tǒng)的被控量，經(jīng)過傳感器，變送器，通過輸入接口 送到控制器。不同的控制系統(tǒng)，其傳感器、變送器、執(zhí)行機構(gòu)是不一樣 的。目前，pid 控制及其控制器或智能 pid 控制器已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在 工程實際中得到了廣泛的應用，各大公司均開發(fā)出

12、了具有 pid 參數(shù)自整 定功能的智能調(diào)節(jié)器，其中 pid 控制器參數(shù)的自動調(diào)整是通過智能化調(diào) 整或自校正、自適應算法來實現(xiàn)。目前產(chǎn)品有利用 pid 控制實現(xiàn)的壓力、 溫度、流量、液位控制器，能實現(xiàn) pid 控制功能的可編程控制器(plc)， 還有可實現(xiàn) pid 控制的 pc 系統(tǒng)等。 基于單片機的水溫控制系統(tǒng) 5 第 3 章 硬件實現(xiàn) 3.1 系統(tǒng)總體電路框圖 spce061a 16bit cpu 數(shù)據(jù)顯示 串口打印溫度采集 語音播報 電熱絲 繼電器 鍵盤設定 圖 3.1 系統(tǒng)總體電路框圖 鍵盤設定：用于溫度的設置、重新設置和語音播報。 溫度采集：將電壓信號轉(zhuǎn)換成溫度值。 繼電器/電熱絲：控

13、制繼電器開關來完成對電熱絲的功率控制。 數(shù)據(jù)顯示：顯示設置溫度和測量溫度。 串口打?。捍蛴☆A設溫度值、當前溫度值、超標幅度等信息。 語音播報：語音播放水溫設置溫度，并播報整數(shù)溫度變化。 3.2 鍵盤部分設計 本系統(tǒng)通過鍵盤操作實現(xiàn)對水溫的設置及控制，共有 3 個按鍵，其 中 key1 對應十進制數(shù)碼管的十位數(shù)操作，key2 對應十進制數(shù)碼管的 個位數(shù)操作，key3 按下后，系統(tǒng)開始測溫，開關電路，并對溫度變化 整數(shù)值進行語音播報。 畢業(yè)（設計）論文 6 3.3 顯示部分設計 系統(tǒng)使用數(shù)碼管作為顯示單元，通過 dis_clk 提供串行移位時鐘， dis_data 提供串行數(shù)據(jù)，可以方便的控制數(shù)碼

14、管顯示數(shù)據(jù)。且本設計 為靜態(tài)數(shù)碼管顯示，不需要實時更新，只是在需要改變顯示內(nèi)容時才刷 新一次。這有效的減少了對單片機資源的占用。 3.4 溫度采集部分設計 本系統(tǒng)采用鉑電阻作為溫度傳感器，鉑熱電阻是一種精確、靈敏、 性能穩(wěn)定的溫度傳感器。鉑熱電阻元件是用陶瓷為保護管做成的內(nèi)繞結(jié) 構(gòu)，感溫元件可制成各種微型溫度傳感器探頭。鉑熱電阻元件配上金屬 保護管和安裝固定裝置（如各種螺紋接頭、法蘭盤等） ，就構(gòu)成裝配式鉑 熱電阻。 在 0時， 阻值為 100 的白金感溫電阻， 簡稱為 pt100。白金感 溫電阻 pt100，一般被使用在做成標準件及較精密的工業(yè)量測與檢測分 析的場合。其準確度比一般民用品的規(guī)

15、格嚴謹。當待測溫度的地點和測 試系統(tǒng)之間有相當?shù)木嚯x時，必須通過長線連接。而該延長線上的引線 電阻及接觸電阻，都將造成不同程度的影響，因此必須設法消除引線電 阻所造成的誤差。 為了配合精密量測技巧的使用，目前 pt100 依接線數(shù)的不同，可分 為 3 種： 1兩線式：接線簡單，但因引線電阻的變化，將造成較大誤差； 2三線式：一般以定電壓方式處理，適合工業(yè)運用； 3四線式：一般以定電流方式處理，適合精密測量使用。 本系統(tǒng)采用的是三線式的鉑熱電阻。 基于單片機的水溫控制系統(tǒng) 7 鉑電阻獲得環(huán)境溫度后，轉(zhuǎn)化為電壓信號，同時電壓信號經(jīng)過 ht9274 放大到 spce061a 的模數(shù)轉(zhuǎn)換端口，并將模擬

16、的電壓信號轉(zhuǎn)換 成數(shù)字電壓信號，其中，ht9274 可以通過外接電阻實現(xiàn)放大倍數(shù)的調(diào) 整。 3.5 數(shù)字濾波部分設計 傳感器采集的信息常會受到干擾，為了提高采樣的可靠性，減小虛 假信息的影響，這里采用數(shù)字濾波。它與模擬濾波相比具有以下優(yōu)點： 1數(shù)字濾波是用程序?qū)崿F(xiàn)的，不需要增加任何硬件設備，也不存在 阻抗匹配問題，可以多個通道共用，提高穩(wěn)定性和可靠性。 2數(shù)字濾波可以對頻率很低的信號實現(xiàn)濾波，而模擬濾波器由于受 電容容量的影響，頻率不能太低。數(shù)字濾波的靈活性好，可以有很多方 法實現(xiàn)，如中值濾波、算術平均值濾波、滑動平均值濾波等。本設計采 用的是去脈沖干擾滑動平均值濾波，具體做法如下： 將本次采

17、樣值和過去的若干次采樣一起去除最大值和最小值后，求 平均值，得到本次測量的有效值。 3.6 溫控部分設計 溫度控制系統(tǒng)是在單片機處理完測量到的溫度值之后，按照 pid 算 法，自動地通過控制可控硅或者繼電器的開合來實現(xiàn)的。在本系統(tǒng)具體 實現(xiàn)時，選擇通過繼電器來控制電熱絲，通過銜鐵和公共端的吸合與釋 放來控制電熱絲的加熱。如果溫度偏高則通過電路控制風扇的工作來實 現(xiàn)降溫，并且還可以控制風扇的轉(zhuǎn)速以更快的將溫度穩(wěn)定在設定值附近。 3.7 打印部分設計 雖然本溫控系統(tǒng)是自動調(diào)節(jié)的，基本擺脫了人工控制，但是控制的 畢業(yè)（設計）論文 8 效果等信息還是需要反饋，因此本系統(tǒng)擴展了打印機的接口，使其更加 實

18、用化。本系統(tǒng)使用 tpup-16 微型打印機，tpup-16 微型打印機采用與 標準 centronics 兼容的并行接口，是一種超小型的通用微型打印機。用 戶在鍵盤上按下打印按鈕后，系統(tǒng)便會調(diào)用打印機相關函數(shù)，將預設溫 度值，當前溫度值，超標幅度等信息通過微型打印機打印出來。 3.8 語音播報部分設計 語音播報功能通過 spy0030 芯片實現(xiàn)。spy0030 作為一款語音放大 芯片,可以直接接收來自于單片機輸出的模擬信號并進行放大。它可以工 作在 2.4v 到 6.0v 的范圍內(nèi),輸出功率可達 700mw。spce061a 單片機 自帶雙通道 dac 音頻輸出，spy0030 將其輸出信號

19、放大，經(jīng)過濾波電 容后，獲得比較平穩(wěn)的電流信號，最后輸出至喇叭，從而實現(xiàn)語音播報 功能。 基于單片機的水溫控制系統(tǒng) 9 第 4 章 軟件實現(xiàn) 4.1 軟件總體部分設計 開 始 初始化 從存儲器中 讀取上一次 溫度設定值 按鍵按下 重設溫度值 采集溫度 大于設定 溫度范圍 打開風扇 （降溫） 顯示當前溫度 在設定溫 度范圍內(nèi) 小于設定 溫度范圍 打開電熱絲 （升溫） n nn y y 圖 4-1 系統(tǒng)主程序流程圖 畢業(yè)（設計）論文 10 主程序源代碼： int main(void) int ikeyvalue; status = system_temperature_set; guifgspee

20、chplay = 0; system_initial(); turn_on_relay(); turn_off_relay(); pidinit(); while(1) ikeyvalue = sp_getch(); /取鍵值 key_value_process(ikeyvalue); /鍵值處理 if(guifgspeechplay) temperature_speech_play( ); /語音播放 if(status = system_temperature_control) display_speech_adc_temperature(); /測量溫度顯示、溫度播報、pid 計算 cl

21、ear_watchdog(); /清看門狗 system_serviceloop(); /鍵盤掃描 if(fout=0) turn_off_timerb(); 具體實現(xiàn)步驟如下：系統(tǒng)上電初始化，將存儲器中保存的溫度值讀 基于單片機的水溫控制系統(tǒng) 11 入。如果用戶需要設定新的溫度值則按鍵盤上的“溫度設定”按鍵，如果 不進行任何操作則以上次保存的溫度為準。進行溫度的實時采集并顯示。 如果實測溫度偏離設定溫度較多，則相應打開風扇或者電熱絲。當有用 戶按下“打印”按鍵，則通過打印程序，控制打印機將當前系統(tǒng)信息打印 出來。 4.2 溫度測量程序設計 開 始 允許轉(zhuǎn)化為 溫度 允許 濾波 允許顯 示溫度

22、 允許溫 度采集 啟動溫度采集 將溫度隊列求平 均值得到溫度值 將采集值 轉(zhuǎn)化為溫度值 led 刷新 顯示溫度值 y y y y 返 回 畢業(yè)（設計）論文 12 圖 4-2 溫度測量部分軟件流程圖 具體實現(xiàn)步驟如下：系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)測溫確認鍵 key3 按下時， 通過程序命令對單片機相應端口進行初始化，系統(tǒng)開始測溫。外部溫度 信號通過傳感器送至單片機經(jīng)過 a/d 轉(zhuǎn)換后，換算成溫度值，然后再進 行濾波處理得到平穩(wěn)的電流信號，經(jīng)驅(qū)動電路的處理轉(zhuǎn)換后，在十進制 數(shù)碼管上將所測溫顯示出來。 4.3 數(shù)字濾波程序設計 開 始 初始化濾波 上限和下限 讀取采樣值 是否大于上限 是否小于下限 求平均值 獲

23、取有效值 返 回 去除超限值 去除超限值 n n y y 圖 4-3 數(shù)字濾波程序軟件流程圖 具體實現(xiàn)步驟如下：系統(tǒng)首先初始化濾波程序的上限和下限，設定 基于單片機的水溫控制系統(tǒng) 13 濾波范圍，然后讀入系統(tǒng)采樣獲得的溫度值，通過程序分別去除超過上 限和低于下限的溫度值，然后求出濾波后獲得的有效溫度值的平均值， 并反饋到相關程序。 4.4 溫度控制程序設計 開 始 實時采集溫度 大于設定值小于設定值正常值 打開風扇 （降溫） 打開電阻絲 （升溫） 接近設定值接近設定值 全速降溫全速升溫pid 控制升溫pid 控制降溫 實時采集 當前溫度 返 回 nn nn y y y y 圖 4-4 溫度控制

24、程序的實現(xiàn) 具體實現(xiàn)步驟如下：根據(jù)溫度測量的結(jié)果，調(diào)用 pid 算法，通過 pid 算法求出控制量來進行調(diào)節(jié)。如果溫度高于設定值，則停止電熱絲 畢業(yè)（設計）論文 14 加熱并且繼續(xù)測量溫度；如果發(fā)現(xiàn)溫度高于設定值較多，則打開風扇強 制降溫；如果溫度值低于設定值，則停止風扇并且繼續(xù)測量溫度；如果 發(fā)現(xiàn)溫度低于設定值較多，則打開電熱絲強制升溫。 4.5 打印控制程序設計 開 始 初始化 打印按鍵 是否按下 打印機 是否忙碌 讀取需打 印的信息 啟動打印 機并打印 返 回 n n y y 圖 4-5 打印控制程序的實現(xiàn) 基于單片機的水溫控制系統(tǒng) 15 具體實現(xiàn)步驟如下：初始化程序，判斷打印按鍵是否按

25、下，如果沒 有打印要求則直接返回；如果按下，繼續(xù)判斷打印機是否處于忙碌狀態(tài)， 空閑則讀取需打印的信息并打印；若處于忙碌狀態(tài)，則繼續(xù)等待直到打 印機處于空閑為止。 4.6 pid 算法部分設計 模擬 pid 控制算法輸入與輸出的關系為：1e(t)u(t) （4- t dip dt de(t) kdte(tke(t)ku(t) 0 ) 1） 數(shù)字 pid 控制算法是以模擬 pid 調(diào)節(jié)器控制為基礎的，由于單片機 是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差計算控制量。但是如果采 樣周期 t 取得足夠小，采用數(shù)值計算的方法逼近可相當準確，使被控過 程與連續(xù)控制十分接近。離散化后的 pid 算式為：1 （

26、4- 0 0 1 uee t t e t t eku i i ii d i i ii 2） 上式中： ：比例系數(shù)；k ：偏差為零時的控制作用； 0 u ：積分時間； i t ：微分時間； d t ：采樣時間。t 以上公式稱為位置式算法。由它可推出增量式算法： 畢業(yè)（設計）論文 16 （4- 211 2 iii d i i iii eee t t e t t eeku 3） 在本設計中采用了增量式算法，這是由于增量式算法只需保持以前 三個時刻的偏差即可，既節(jié)省了資源又不會產(chǎn)生較大的積累誤差。式中 各系數(shù)由反復實踐后確定，實驗證明，這種控制方式可以加快系統(tǒng)階躍 響應，減小超調(diào)量，并具有較高的精度。

27、 上面對 pid 控制算法進行了一個基本的介紹，下面進一步詳細的介 紹 pid 算法： 常用名詞：2 1. 直接計算法和增量計算法：直接計算法就是計算當前需要的控制 量；增量計算法是計算相對于標準算法的相鄰兩次運算之差，得到的結(jié) 果是增量，也就是在上一次的控制量的基礎上需要增加（負值意味著減 少）的控制量，例如對于可控硅電機調(diào)速系統(tǒng)，就是可控硅的觸發(fā)相位 還需要提前（或滯后）的量，對于溫度控制就是需要增加（或減少）的 加熱比例。根據(jù)具體的應用，不管采用哪一種算法，基本的控制算法、 原理是完全一樣的，直接計算法得到的是當前需要的控制量，相鄰兩次 控制量的差就是增量。 2基本偏差：表示當前測量值與

28、設定目標值之間的差，設定目te 標值是被減數(shù)，結(jié)果可以是正或負，正數(shù)表示還沒有達到，負數(shù)表示已 經(jīng)超過了設定值。這是面向比例項使用的變動數(shù)據(jù)。 3累計偏差：,這是每一次測量121etetetee 得到的偏差值的總和，是考慮它的正負符號運算的代數(shù)和，是面向積分 項所需的一個變動數(shù)據(jù)。 基于單片機的水溫控制系統(tǒng) 17 4基本偏差的相對偏差 ：,意即用本次的基本偏差減去1tete 上一次的基本偏差，用于考察當前控制的對象的趨勢。作為快速反應的 重要依據(jù)，這是面向微分項的一個變動數(shù)據(jù)。 5 三個基本參數(shù)：,這是做好一個控制器的關鍵常數(shù)， p k i k d k 分別稱為比例常數(shù)、積分常數(shù)和微分常數(shù)，不

29、同的控制對象需要選擇不 同的數(shù)值，還需要現(xiàn)場調(diào)制才能獲得較好的結(jié)果。 6 標準的直接計算法公式：4 （4- 1 tetektektekp diptout 4） 上一次的計算值： （4- 2111 1 tetektektekp diptout 5） 兩式相減得到增量法計算公式： （4- 2121tetetektektetekp diptdlt 6） 這里對項的表示應該是對從 1 到 全部總和。tet 三個基本參數(shù),在實際控制中的作用： p k i k d k 比例調(diào)節(jié)作用：是按比例反應系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差， 比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少偏差。比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)， 減少誤差，但

30、是過大的比例，將使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的 不穩(wěn)定。 積分調(diào)節(jié)作用：使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。如果有誤差， 積分調(diào)節(jié)就進行，直至無差，積分調(diào)節(jié)停止，積分調(diào)節(jié)輸出一常值。積 畢業(yè)（設計）論文 18 分作用的強弱取決于積分時間常數(shù),越小，積分作用就越強。反之 i t i t 大則積分作用弱，加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動態(tài)響應變慢。 i t 積分作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組成 pi 調(diào)節(jié)器或 pid 調(diào)節(jié)器。 微分調(diào)節(jié)作用：微分作用反映系統(tǒng)偏差信號的變化率，具有預見性， 能預見偏差變化的趨勢，因此能產(chǎn)生超前的控制作用。在偏差還沒有形 成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此，可以改善

31、系統(tǒng)的動態(tài)性能。在 微分時間選擇合適情況下，可以減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時間。微分作用對 噪聲干擾有放大作用，因此過強的加微分調(diào)節(jié)，對系統(tǒng)抗干擾不利。此 外，微分反應的是變化率，而當輸入沒有變化時，微分作用輸出為零。 微分作用不能單獨使用，需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相結(jié)合，組成 pd 或 pid 控制器。 數(shù)字 pid 控制算法，是以連續(xù)系統(tǒng)的 pid 控制規(guī)律為基礎，再將其 數(shù)字化得到的。下面討論 pid 控制的兩種算法： 第一種是位置式 pid 算法。這種算法是以連續(xù)系統(tǒng)的 pid 控制為基 礎，然后將其數(shù)字化，寫成差分方程：6 （4- dt tde tdtte t tektu d i p )( )

32、( 1 )()( 7） 上式中： ：pid 調(diào)節(jié)器的輸出量；)(tu ：pid 調(diào)節(jié)器的輸入量；)(te ：比例系數(shù)； p k ：積分時間常數(shù)； i t ：微分時間常數(shù)。 d t 在計算機控制系統(tǒng)中，一般使用數(shù)字 pid，因此將式（4-7）離散化， 基于單片機的水溫控制系統(tǒng) 19 令： )()(kutu )()(kete 0 0 )()( k j jetdtte t keke dt tde) 1()()( 其中為采樣周期，必須足夠短才能保證其精度。將式（4-7）寫成t 差分方程為： k j d i p keke t t je t t kekku 0 )1()()()()( （4-)1()()(

33、)( 0 keke t t jekkek d k j ip 8） 上式中： ：積分系數(shù) i pi t t kk ：微分系數(shù) t t kk d pd 由于是代替被控對象執(zhí)行機構(gòu)的位置，故稱為位置式 pid?？?(ku 以看出是全量輸出，是執(zhí)行機構(gòu)所應達到的位置。數(shù)字 pid 的輸出)(ku 跟過去的狀態(tài)有關，需要對偏差進行積累。 第二種是增量式 pid 算法。由式（4-8）可以看出，位置型控制算式 不夠方便，這是因為要累加偏差,不僅要占用較多的存儲單元，而且)(ie 不便于編寫程序，對此可對式（4-8）進行改進。 畢業(yè)（設計）論文 20 由式（4-8）不難寫出的表達式，即：8) 1( ku （4

34、- t keke tie t t kekku d k j i p )2() 1( )() 1() 1( 1 0 9） 將式（4-8）和式（4-9）相減，即得數(shù)字 pid 增量型控制算法為： ) 1()()(kukuku （4- )2() 1(2)( )()1()( kekekek kekkekek d ip 10） 基于單片機的水溫控制系統(tǒng) 21 開 始 讀取給定 kx 將給定賦給 ky0 ky 求偏差 kykxke 212 1 1 kekekek kek kekek kuku d i p 1 ;1 ;12 kuku keke keke 111 1 0 taku attaykky 采樣時間到

35、返 回 n y 圖 4-6 增量式 pid 算法流程圖 畢業(yè)（設計）論文 22 采用增量式實現(xiàn)一般 pid 控制，其表達式如下： ) 1()()(kukuku （4- )2() 1(2)( )() 1()( kekekek kekkekek d ip 11） 通過上面的介紹對 pid 算法有了一定的理解，在這里使用增量法進 行溫度調(diào)節(jié)： （4- 2121tetetektektetekp diptdlt 12） 上面只是控制算法的數(shù)學方法，稍顯抽象，在具體的控制項目中的 量化問題闡述如下：9 對于加溫的溫度控制，可以采用調(diào)節(jié)供電電壓或在一定的時間循環(huán) 周期內(nèi)的供電時間比例來調(diào)節(jié)加溫控制溫度，一般

36、以調(diào)節(jié)加溫時間比例 比較簡單，這也是控制上比較常用的方法。調(diào)壓法控制的原理是通過調(diào) 節(jié)可控硅的觸發(fā)相位的相位角達到對電壓的調(diào)節(jié)，這個電壓是指有效電 壓，直觀上就是對一個正弦波形的前邊切掉一塊，用不同的切割位置來 保留剩余的面積。為了敘述方便，采用控制時間比例的方法：設定一個 標準的加溫周期，例如兩分鐘。在這個兩分鐘周期內(nèi)對輸出進行控制， 也就是說在這個兩分鐘內(nèi)加溫多少時間。全速加溫就是連續(xù)整個周期 （兩分鐘）都加溫，當然停止加溫就是完全不輸出。根據(jù)計算可以讓加 溫時間在 0-2 分鐘內(nèi)變化，比如計算所得在這一個周期內(nèi)應該加溫 1 分 30 秒，經(jīng)過兩分鐘以后再測量被加溫物體的溫度，通過計算應該

37、加溫 1 分 28 秒，等等。這里除了加溫以外的時間就用來等待下一個周期到來， 再進行實際測量，計算下一周期的輸出量，周而復始，不斷地修正輸出 量，以達到對溫度的有效控制。 基于單片機的水溫控制系統(tǒng) 23 為了對應程序處理上的方便，在程序內(nèi)部一般并不是用時分秒來計 算的，通常使用系統(tǒng)的一個定時器用于系統(tǒng)全部時鐘，例如顯示刷新、 鍵盤掃描等。相對于計算來說，控制周期比較長，所以可對兩分鐘進行 細分，例如可將每分鐘進行 100 等分，則兩分鐘就是 200 等分，這樣的 輸出比例變化有 200 個輸出等級，用于溫度控制已經(jīng)足夠細了，取 200 的另一個好處是，對應于 8 位單片機剛好可以在一個字節(jié)內(nèi)

38、進行計算， 程序簡單，運算速度快。當需要改變定時周期時，有些不同的加熱對象， 例如對較大熱慣性的加熱對象，2 分鐘周期顯得太短，這時可以通過修 改基本定時常數(shù)的辦法來保持 200 等分不變。對 2 分鐘進行 200 等分， 每一個基本單位的具體時間如下： mssto6006 . 0200260 這對于單片機來說定時周期太長。為了顯示、鍵盤等的處理，一般 定時在 5-10ms,所以就需要另外設定一個變量。在每一個定時中斷 templ t 發(fā)生時對計數(shù)。例如系統(tǒng)定時器的定時常數(shù)對應于 10ms，則設定 templ t 在達到 60 的時候確認是達到 600ms 了，才作為一個基本的輸出時 temp

39、l t 間單位。對應于總周期的修改，200 等分可以不用修改，而只要修改變 量的判斷邊界就可以了。例如對應于 2 分鐘時是 60，則在 3 分鐘為 templ t 周期時邊界改為 90 就行了。定下了基本控制時間分辨率以后，計算就可 以不用改變了。當然，根據(jù)具體對象也可以修改這個等分數(shù)。 pid 的三個基本參數(shù),一般由試驗確定：根據(jù)實際工作對 p k i k d k 象去初步確定，然后在實際運行過程中進行調(diào)節(jié)，以達到相對理想的效 果。為了達到較好的控制效果，這三個參數(shù)一般不采用整數(shù)。但同時為 了減輕單片機的運算量，通常采用 2 的整數(shù)倍放大的辦法確定這些參數(shù)， 在運算結(jié)果中再除以 2 的整數(shù)倍

40、，因為單片機運算中可以用移位來完成， 速度比較快。常用的是 8 倍或 16 倍放大，同時，需要特別注意的是，這 畢業(yè)（設計）論文 24 三個參數(shù)應采用相同的放大比例，編程的過程中要對運算結(jié)果還原。 獲得 0200加溫比例數(shù)據(jù)的計算方法：為了說明這個問題，先假 定只考慮最簡單的比例控制算法。假定控制范圍是在 200，則設定溫 度與實際溫度的差的最大值就是 200，這時的輸出參數(shù)為。為1 p k 了提高加熱速度，可使受控制的區(qū)域適當縮小，例如只控制 50范圍。 比如目標溫度設定為 230，控制范圍可設置在 180230范圍內(nèi)，這 時的差值不夠 200，把計算得到的數(shù)字乘以 4 就得到 0200 的

41、數(shù)據(jù)了。 假定當前實測溫度為 222，則 2302228 再乘以 4 算得 32，這就作 為輸出比例數(shù)據(jù)。當然這里還沒有考慮超溫的情況，計算產(chǎn)生了負數(shù)。 這一部分將作為控制輸出的基本量，上面的計算是對應于的，再4 p k 加入微分和積分項，這時可以基本保持不變。在這里基本確定了 p k p k 起始控制點到目標值之間的控制范圍，微分和積分項在這里只是作為附 加部分，基本不影響控制范圍。當溫度突然下降 1時，希望用多少比 例去進行下一輪的加熱，這就是微分系數(shù)；經(jīng)過這么久的控制，目標溫 度還是低了一點，希望用多少的比例去彌補這個長期欠溫，這就是積分 常數(shù)。比例常數(shù)決定參與在目標點以前真正控制的范圍

42、，基本時間 p k 總周期/控制范圍。,是反應對策速度，需要耐心去逐步達到穩(wěn)定點， i k d k 過激了會起反作用。 最后，在計算結(jié)果交付于輸出之前，還需要進行一些修正。例如當 計算結(jié)果大于 200 時按 200 輸出，計算結(jié)果小于零時按零輸出。 處理上的一些常用方法： 為了提高測溫的準確性，往往需要進行多次測溫，然后剔除測得結(jié) 果中超過程序所設定的上限和下限的值，把剩余的數(shù)值相加再計算平均 值，這樣比較有利于抗干擾，或者由于其他原因引起的測量值波動，所 以初期的處理是很必要的。測溫工作和 pid 計算一般安排在上一個輸出 基于單片機的水溫控制系統(tǒng) 25 周期的最后階段就提前進行，測溫次數(shù)一

43、般在 713 次，去掉超過上限 和下限的值以后進行運算，均值運算的累加部分將安排在每一次測溫以 后逐步進行，不會過多占用系統(tǒng)時間。只要系統(tǒng)的時間允許，盡可能的 多測幾次，所得到的結(jié)果也將相對精確。 運算將會占用很長的時間，這是相對于一個基本定時周期來講的。 一個系統(tǒng)定時周期內(nèi)系統(tǒng)還要處理很多的事情，例如顯示的刷新、鍵盤 的掃描、鍵盤碼的處理執(zhí)行等等。如果運算占用很多時間的話，就會出 現(xiàn)一個系統(tǒng)定時周期內(nèi)完不成的情況。所以如果此系統(tǒng)僅僅是一臺測溫 儀的話，就可以將運算部分放到主程序中進行，而常規(guī)的刷新掃描之類 的工作才放在定時和中斷程序里處理。這樣編制的主程序就非常清晰明 了，這是比較理想的情況

44、。如果溫度控制僅僅作為系統(tǒng)中的一部分，那 就需要認真考慮程序的布局了。主程序有更重要的任務要處理，溫度控 制運算部分就只能委托系統(tǒng)定時器來承擔，這時有可能出現(xiàn)時間不夠用 的情況。假定定時周期是 10ms,顯示刷新部分需要 1ms,鍵盤掃描處理需 要 1ms,pid 運算需要 2ms（假定） ，留給主程序的時間就可能不夠。此時 就需要對 pid 運算任務進行分割，把運算分成幾個部分進行，每一次進 入運算程序只計算其中的一小部分，經(jīng)過 n 次的調(diào)用才完成一個完整的 pid 運算，這樣就不會影響整個系統(tǒng)的運作。這是面對一個較大系統(tǒng)的 一般處理方法，對其他任務也可以采用分割的辦法進行細化，例如對顯 示

45、結(jié)果的刷新?，F(xiàn)在液晶屏用的比較多，環(huán)境的干擾、數(shù)據(jù)的變化都會 引起花屏或反應遲鈍，而刷新需要占用很長的時間。也可以采用分片刷 新的辦法處理，盡量把每次刷新所占用的時間減到最短。 pid 的輸出部分可以放到系統(tǒng)定時中斷程序里處理，這部分占用的 時間不長，可以附帶完成。 前面講到將時間作 200 等分記作,也就是將一個約定時間作 200 set t 級不同的輸出時間比例，通過計算得到一個介于 0200 之間的數(shù)， out t 畢業(yè)（設計）論文 26 然后每次在 pid 基本定時時間中對減 1，當?shù)确钟嫈?shù)器也達到 0 set t set t 時再進行下一輪控制循環(huán)，重新計算。這樣就完成了一個控制比例

46、 out t /200,這個是計算獲得的原始數(shù)據(jù)。 out t out t 運算中往往會出現(xiàn)數(shù)據(jù)溢出的情況，所以一般在運算中都要求對數(shù) 據(jù)強制轉(zhuǎn)換成 int 型，這里需要考慮符號。另外，對有些參數(shù)如積分項 的累加數(shù)過大時會起反作用，或者調(diào)節(jié)失靈，或者引起大幅振蕩，為此 對此項引入一個數(shù)值最大界限，當結(jié)果超出規(guī)定界限時，不再增加（或 減少） 。 加溫的整個過程沒有必要全程 pid 控制，一般可以設定到達目標值 前一個溫度區(qū)域才進行 pid 控制。例如，如果設定目標溫度為 80，則 在 60以前全速加溫，當達到 70以后才開始計算 pid 并予以控制， 這樣可以加快加溫速度又不影響溫度控制。在不產(chǎn)

47、生過大的過沖的情況 下，盡可能提高起控點，有利于后面控制部分的進一步細化。在進入控 制之前積分項記錄數(shù)據(jù)為 0。 參數(shù)的設定與調(diào)整：編程時只能預先設定參數(shù)的大概數(shù)值，然后通 過反復的調(diào)試才能找到相對理想的參數(shù)值。面向不同的控制對象參數(shù)都 不一樣，所以無法提供參考數(shù)值，但是可以根據(jù)這些參數(shù)在整個 pid 過 程中的作用原理來討論對策： 1.加溫很迅速就達到目標值，但是溫度過沖很大： (1) 比例系數(shù)太大，致使在未達到設定溫度前加溫比例過高； (2) 微分系數(shù)過小，致使對對象反應不敏感； 2.加溫經(jīng)常達不到目標值，小于目標值的時間較多： (1) 比例系數(shù)過小，加溫比例不夠； (2) 積分系數(shù)過小，

48、對恒偏差補償不足； 基于單片機的水溫控制系統(tǒng) 27 3.基本上能夠在控制目標上，但上下偏差偏大，經(jīng)常波動： (1) 微分系數(shù)過小，對即時變化反應不夠快，反映措施不力； (2) 積分系數(shù)過大，使微分反應被淹沒鈍化； (3) 設定的基本定時周期過短，加熱沒有來得及傳到測溫點； 4.受工作環(huán)境影響較大，在稍有變動時就會引起溫度的波動： (1) 微分系數(shù)過小，對即時變化反應不夠快，不能及時反映； (2) 設定的基本定時周期過長，不能及時得到修正。 選擇一個合適的時間常數(shù)，需要根據(jù)輸出單元采用什么器件來確定， 如果采用可控硅，則可設定時間常數(shù)的范圍就很自由；如果采用繼電器， 則過于頻繁的開關會影響繼電器

49、的使用壽命，不適合采用較短周期。本 設計采用繼電器，因此周期設定范圍在 110 分鐘內(nèi)較為合適。 畢業(yè)（設計）論文 28 第 5 章 軟件調(diào)試與安裝 5.1 軟件調(diào)試 軟件調(diào)試的目的是檢驗程序編寫是否正確，能否驅(qū)動整個系統(tǒng)完成 所設定的功能。其具體的步驟是： 在 keil 調(diào)試軟件中對 c 語言代碼和匯編語言代碼模塊分別進行調(diào) 試.。若出現(xiàn)錯誤，則檢查或者修改程序內(nèi)容，直到無誤。 下圖為主程序調(diào)試結(jié)果： 基于單片機的水溫控制系統(tǒng) 29 圖 5-1 主程序調(diào)試結(jié)果 5.2 軟件安裝 全部源代碼調(diào)試無誤后，對其進行編譯，生成可執(zhí)行代碼，然后導 出可執(zhí)行代碼的.hex 文件。將可執(zhí)行代碼的.hex

50、文件導入到對單片機進 行程序燒寫的應用程序中，執(zhí)行應用程序的程序燒寫功能，將可執(zhí)行代 碼的.hex 文件寫入單片機中。對單片機燒寫成功后，將單片機放入系統(tǒng) 版中，對系統(tǒng)上電后單片機就可以實現(xiàn)用戶想要實現(xiàn)的功能。 畢業(yè)（設計）論文 30 第 6 章 結(jié)束語 在現(xiàn)在的生產(chǎn)和實驗過程中，溫度的測定、控制是一項經(jīng)常要進行 的工作。以往的方法都是人工測定、手工操作、肉眼觀察，既費時費力、 準確度低、實時性差，又不利于工人的操作安全。 最終實現(xiàn)的設計可以實現(xiàn)在無人介入被測控的環(huán)境下，通過 led 顯 示直接看到被測控對象的實時溫度，并可隨時通過鍵盤輸入被測控對象 應控制的溫度范圍及誤差值。本系統(tǒng)具有實時性

51、好、清晰度和精度高、 非人工介入以及自動調(diào)溫等特點。 由于時間的限制，目前的系統(tǒng)還存在以下不足： （1）對于加溫的溫度控制可以采用調(diào)節(jié)供電電壓或在一定的時間循 環(huán)周期內(nèi)的供電時間比例來調(diào)節(jié)加溫控制溫度。調(diào)節(jié)加溫時間方法原理 在論文中已做了詳細介紹，這里不再多說。調(diào)壓法控制的原理是通過調(diào) 節(jié)可控硅的觸發(fā)相位的相位角達到對電壓的調(diào)節(jié)，這個電壓是指有效電 壓，直觀上就是對一個正弦波形的前邊切掉一塊，用不同的切割位置以 保留剩余的面積。本應把兩種方法都嘗試做一下，通過響應時間，穩(wěn)定 度等等方面考慮，選擇一個更貼近實際生產(chǎn)生活需要的方法，這里為了 實現(xiàn)方便，只采用了調(diào)節(jié)加溫時間的方法。 （2）pid 算

52、法超調(diào)量大，上升時間短，穩(wěn)態(tài)誤差?。籹imth 預估算 法超調(diào)量很小或沒有、上升時間很長、穩(wěn)態(tài)誤差很小。所以如果要提高 系統(tǒng)穩(wěn)定性，應采用 simth 預估算法。但是 pid 算法響應速度比較快， 優(yōu)缺點權衡之下，本系統(tǒng)中溫控算法采用了 pid 算法。 （3）led 顯示效果單一，有待改進為更加友好的 lcd 顯示。 經(jīng)過本次設計，作者在方案選擇、算法分析、電路原理圖設計、以 基于單片機的水溫控制系統(tǒng) 31 及軟件調(diào)試等多方面積累了寶貴的經(jīng)驗和教訓。這些經(jīng)驗和教訓皆來之 不易，必將為日后的工作和學習打下夯實的基礎。 由于水平有限，在此次設計中存在不完善的地方，懇請各位老師批 評指正。 基于單片

53、機的水溫控制系統(tǒng) 32 致謝 首先要衷心感謝的是我的導師老師。本文是在老師精心指導 和大力支持下完成的。老師以其嚴謹求實的治學態(tài)度、高度的敬業(yè)精 神、兢兢業(yè)業(yè)、孜孜以求的工作作風和大膽創(chuàng)新的進取精神對我產(chǎn)生了 重要影響。她淵博的知識、開闊的視野和敏銳的思維給了我深深的啟迪。 感謝老師對我的支持和幫助！ 在這里要特別感謝同學對我論文寫作的指導。我能完成這篇論文， 他提供了巨大的幫助。還要感謝、和同學對我編程方面的無私幫助， 使我得以順利完成論文。 最后，再次對關心、幫助我的老師和同學表示衷心地感謝！ 基于單片機的水溫控制系統(tǒng) 33 參考文獻 1 郝鴻安. 常用模擬集成電路應用手冊. 北京：人民郵

54、電出版社，1991. 2 何立民. 單片機應用技術選編. 北京：北京航空航天大學出版社，2001. 3 湯山俊夫. 數(shù)字電路設計與制作m. 北京: 科學出版社,2005. 4 蔡美琴. mcs- 51系列單片機系統(tǒng)及其應用m. 北京: 高等教育出版社，2000. 5 肖廣潤. 電子技術m. 武漢: 華中理工大學出版社，2001. 6 李廣弟、王秀山等. 單片機基礎m. 北京：北京航空航天大學出版社，2001. 7 王幸之. 單片機應用系統(tǒng)抗干擾技術m. 北京:北京航空航天大學出版社, 2001. 8 楊文龍. 單片機原理及應用. 西安：西安電子科技大學出版社，1999. 9 余永權，李小青.

55、單片機應用系統(tǒng)的功率接口技術. 北京：北京航空航天大學 出版社，1992. 10 譚浩強， c程序設計（第二版）. 北京：清華大學出版社，2002. 11 王楚，余道衡. 電子線路原理. 北京：北京大學出版社，1995. 12 楊世成. 信號放大電路. 北京：電子工業(yè)出版社，1995. 13 paul m.brown,jr:a guide to analog asics,academic press,inc,san diego,1992. 14 thomas l.floyd:electronic devices,5th ed,prentice-hall inc,new jersey,1999.

56、 15 robert b.northrop:analog electronic circuits,addison-weseldy publishing company,new york,1990. 畢業(yè)（設計）論文 34 附錄 軟件主程序代碼： /= / 工程名稱： temperature_ctrl.scs / 功能描述: 水溫控制系統(tǒng)，利用溫度傳感器（pt100）測量溫度。 / 組成文件: / main.c / isr.asm / key.asm / hardware.asm / led.asm / system.asm / sacm_user_a2000.h / 日期: 2007/5/8

57、/= /*/ / 文件名稱： main.c/ / 實現(xiàn)功能： 溫度設置、溫度顯示、溫度控制。 / 日期： 2007/5/9 /*/ #include key.h #include a2000.h #include hardware.h #include sacm_user_a2000.h #define time5s 8; #define time1s 2; #define set_adc_time time5s typedef struct pid int setpoint; / 設定目標 desired value float proportion; / 比例常數(shù) proportional

58、 const float integral; / 積分常數(shù) integral const float derivative; / 微分常數(shù) derivative const int lasterror; / error1 int preverror; / error2 int sumerror; / 誤差累計值 pid; pid stpid; int fout=0; extern g_adc_flag; enum system_status system_temperature_set,system_temperature_control; enum system_status status;

59、 基于單片機的水溫控制系統(tǒng) 35 float pidcalc( pid *pp, int nextpoint ); /pid 計算函數(shù) void display_speech_adc_temperature(void); /ad 轉(zhuǎn)換值的處理函數(shù) void active(); void pidinit(void); int adc_data_cmp(); void key_value_process(int key); void temperature_speech_index(unsigned int * p_speech); void temperature_speech_play(voi

60、d); unsigned int giadc_datasave11 ; /adc 轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù) unsigned int guiled_value3 =0,0,0; /保存顯示的 led 數(shù)字 int iaddrspeech; /= /函數(shù): 主程序 /語法：int main(void) /描述：語音播報、鍵盤掃描、溫度控制 /參數(shù)：無 /返回：無 /= int main(void) int ikeyvalue; status = system_temperature_set; guifgspeechplay = 0; system_initial(); /turn_on_relay(); /t