PID水溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析實(shí)現(xiàn)

1、 I / 29某某大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)某某大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)PIDPID 水溫控制系統(tǒng)水溫控制系統(tǒng)學(xué)生學(xué)生 所所 在在 系系專業(yè)名稱專業(yè)名稱班班 級(jí)級(jí)學(xué)學(xué) 號(hào)號(hào)指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師PIDPID 水溫控制系統(tǒng)水溫控制系統(tǒng)學(xué)生： 指導(dǎo)教師：摘要：摘要：隨著社會(huì)主義現(xiàn)代化的發(fā)展，在科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)的今天，人工智能起不不可忽視的作用。尤其是各種智能化的儀器、儀表在農(nóng)、工業(yè)的廣泛應(yīng)用給社會(huì)帶來了極大的便利。本文從溫控模型和特點(diǎn)出發(fā),采用以單片機(jī) PIC16F877 為核心，用 AD7416 數(shù)字溫度傳感器進(jìn)行測(cè)量溫度。以 PID 算法控制溫度，并對(duì)溫度進(jìn)行良好的精度控制。本系統(tǒng)的多個(gè)部件如,定時(shí)器,加熱開關(guān)，按鍵

2、設(shè)置水溫，實(shí)時(shí)顯示溫度，控制溫度和報(bào)警保溫等功能等都可利用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)。文章著重介紹核心器件的選擇、溫度控制系統(tǒng)分析、各部份電路及軟件的設(shè)計(jì)。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性好，抗干擾能力強(qiáng)、實(shí)現(xiàn)容易，成本低，具有實(shí)用價(jià)值等特點(diǎn)。它提供了一個(gè)通過溫度來控制設(shè)備的基本思想和原理，相信能在實(shí)際應(yīng)用中為我們的生活帶來更大的便利。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)數(shù)字溫度傳感器 PID 溫度控制PID-basedPID-based temperaturetemperature controlcontrol systemsystemAbstract：Along with the development of socialis

3、t modernization, rapid progress in science and technology today, not artificial intelligence from the role that can not be overlooked. II / 29Especially the variety of intelligent instruments, meters in the agricultural, industrial society to the broad application brought great convenience. In this

4、paper the characteristics of the model and temperature control, the introduction of SCM PIC16F877 at the core, with AD7416 digital temperature sensor to measure the temperature. PID algorithm to control the temperature, and temperature control for good accuracy. Many parts of the system such as, tim

5、ers, heating switches, buttons installed water temperature, real-time display of temperature, temperature control and alarm functions, such as insulation SCM can be used to achieve. The article highlights the core device of choice, temperaturecontrol system, part of the circuit and software design.

6、It has a simple structure, reliability, and strong interference capability to achieve easy, low cost, has practical value, and other characteristics. It provides a temperature controlled equipment through the basic ideas and principles, I believe in the practical application of our life more conveni

7、ent.Keywords: microputerdigital temperature PID temperature control 目錄一、前言 1（一）設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 1（二）方案的比較與選擇 2二、總體設(shè)計(jì) 2（一）系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 2（二）單元電路的功能原理分析 7（三）發(fā)揮部分設(shè)計(jì) 8三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 9（一）程序的主流程圖 9（二）各個(gè)功能模塊流程 10四、系統(tǒng)測(cè)試與調(diào)試 14（一）電路測(cè)試 14（二）儀器的使用 15（三）測(cè)試的結(jié)果 15（四）發(fā)揮部分測(cè)試 15五、結(jié)論 15致 16附錄 17附錄一設(shè)計(jì)總電路圖 17 III / 29附錄二設(shè)計(jì) PCB 圖 18附錄三設(shè)計(jì) 3D 圖

8、 19附錄四程序清單 20參考文獻(xiàn) 28 1 / 29一、前言一、前言（一）設(shè)計(jì)任務(wù)及要求本文介紹的是一個(gè)由 PIC16F877 為核心的單片機(jī)制作的一個(gè)水溫控制器。實(shí)現(xiàn)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，其中涉及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、元器件的選取和控制控制算法的選擇、和整體電路的設(shè)計(jì)以及部分電路的設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)構(gòu)建時(shí)選取了數(shù)字溫度傳感器 AD7416測(cè)量溫度，基于 PID 溫度控制方式實(shí)現(xiàn)溫度控制。系統(tǒng)設(shè)計(jì)水溫可以在一定圍由人工設(shè)定，并能在環(huán)境溫度降低時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，以保持設(shè)定的溫度基本不變；能在 40 攝氏度至 90 攝氏度圍設(shè)定控制水溫，靜態(tài)控制精度為 0.2 攝氏度；具有較好的快速性與較小的超調(diào)等功能。自

9、70 年代以來，由于工業(yè)過程控制的需要，特別是在微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，以及自動(dòng)控制理論和設(shè)計(jì)方法發(fā)展的推動(dòng)下，國外溫度控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在智能化自適應(yīng)參數(shù)自整定等方面取得成果。在這方面以日本、美國、德國、瑞典等國技術(shù)領(lǐng)先，并且都生產(chǎn)出了一批商品化的性能優(yōu)異的溫度控制器及儀器儀表，目前，國外溫度控制系統(tǒng)及儀表正朝著高精度智能化、小型化等方面快速發(fā)展。溫度控制是無論是在工業(yè)生產(chǎn)過程中，還是在日常生活中都起著非常重要的作用，過低的溫度或過高的溫度都會(huì)使水資源失去應(yīng)有的作用，從而造成水資源的巨大浪費(fèi)。特別是在當(dāng)前全球水資源極度缺乏的情況下，我們更應(yīng)該掌握好對(duì)水溫的控制，把身邊的水資源好好

10、地利用起來。在現(xiàn)代冶金、石油、化工及電力生產(chǎn)過程中，溫度是極為重要而又普遍的熱工參數(shù)之一。在環(huán)境惡劣或溫度較高等場(chǎng)合下，為了保證生產(chǎn)過程正常安全地進(jìn)行，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量，以及減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、節(jié)約能源，要求對(duì)加熱爐爐溫進(jìn)行測(cè)、顯示、控制，使之達(dá)到工藝標(biāo)準(zhǔn)，以單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)的爐溫控制系統(tǒng)，可以同時(shí)采集多個(gè)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過通訊口送至上位機(jī)進(jìn)行顯示和控制。那么無論是哪種控制，我們都希望水溫控制系統(tǒng)能夠有很高的精確度（起碼是在滿足我們要求的圍） ，幫助我們實(shí)現(xiàn)我們想要的控制，解決身邊的問題提高人民的生活水平。通過本方案的設(shè)計(jì)，使本系統(tǒng)具有設(shè)置水溫、實(shí)時(shí)顯示溫度，控制溫度和報(bào)警保溫等功能，它具

11、有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)容易，成本低，具有實(shí)用價(jià)值等特點(diǎn)。而且還可以根據(jù)自己的需要來進(jìn)行擴(kuò)展，具有靈活使用的優(yōu)點(diǎn)。1.基本要求具備測(cè)量與控制兩種工作方式； 2 / 29測(cè)量誤差0.5度；溫控圍 20100度；2. 擴(kuò)展部分 測(cè)量誤差0.1度； 控制誤差0.5度；（二）方案的比較與選擇方案一：采用以單片機(jī) PIC16F877 為核心，數(shù)字溫度傳感器 AD7416 測(cè)量溫度，基于 PID 溫度控制方式實(shí)現(xiàn)溫度控制。單片機(jī)資源豐富，使用方便靈活，易于進(jìn)行功能擴(kuò)展。系統(tǒng)的多個(gè)部件如,定時(shí)器,加熱開關(guān)，按鍵設(shè)定溫度，顯示溫度等都可利用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)，可靠性好，抗干擾能力強(qiáng)。方案二：數(shù)字溫度傳感器測(cè)量溫度，用數(shù)字系

12、統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)溫度控制。該電路利用上，下限溫度控制，3（1/2）為 LED 數(shù)字表頭及電源電路組成。這種方案實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但是這種設(shè)計(jì)電路器件很多，調(diào)試起來很困難，并且對(duì)模擬電路的知識(shí)要求非常高，只有在特別適合精度要求較高的場(chǎng)合使用，不靈活。方案三：采用溫度傳感器鉑電阻 Pt1000。鉑熱電阻的物理化學(xué)性能在高溫和氧化性介質(zhì)中很穩(wěn)定，它能用作工業(yè)測(cè)溫元件，且此元件線性較好。在 0100 攝氏度時(shí)，最大非線性偏差小于 0.5 攝氏度。鉑熱電阻與溫度關(guān)系是，Rt = R0(1+At+Bt*t);其中 Rt 是溫度為t 攝氏度時(shí)的電阻；R0 是溫度為 0 攝氏度時(shí)的電阻；t 為任意溫度值，A,B 為溫度系數(shù)。

13、因此從實(shí)際情況考慮出發(fā)，綜合比較各方面因素最終采用方案一來進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。二、總體設(shè)計(jì)二、總體設(shè)計(jì)（一）系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)1設(shè)計(jì)思想根據(jù)溫度控制器的功能要求，并結(jié)合對(duì) PIC16F87X 系列單片機(jī)的資源分析，采用此系列中的主流型號(hào) PIC16F877 作為電路系統(tǒng)的控制核心，數(shù)字溫度傳感器測(cè)溫,LED 顯示溫度,按鍵設(shè)定目標(biāo)溫度，PID 溫度控制，保溫報(bào)警等幾個(gè)主要模塊組成.首先選擇相應(yīng)具體的工作實(shí)現(xiàn)元器件及方案。如下：（1）常用溫度控制系統(tǒng)分析溫度是一個(gè)普通而又重要的物理量，在許多領(lǐng)域里人們需對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量和控制。長期以來國外科技工作者對(duì)溫度控制器進(jìn)行了廣泛深入的研究，產(chǎn)生了大批溫度控制器，如性能

14、成熟應(yīng)用廣泛的 PID 調(diào)節(jié)器、智能控制 PID 調(diào)節(jié)器、自適應(yīng)控制等。此處主要對(duì) 3 / 29一些控制器特性進(jìn)行分析以便選擇適合的控制方法應(yīng)用于改造。PID 在溫度控制中已使用數(shù)十年，是一種成熟的技術(shù)，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于理解和實(shí)現(xiàn)，且一些高級(jí)控制都是以 PID 為基礎(chǔ)改進(jìn)的。在工業(yè)過程控制中 90%以上的控制系統(tǒng)回路具有 PID 結(jié)構(gòu)，在目前的溫度控制領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，即使在科技發(fā)達(dá)的日本，PID 在其溫度控制應(yīng)用中仍然占 80%的比例。其主要構(gòu)成如圖 1 所。由圖可知 PID 調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，這種調(diào)節(jié)器是將設(shè)定值 w 與實(shí)際輸出值 y進(jìn)行比較構(gòu)成偏差圖 1 模擬 PID 控制并將

15、其比例、積分、微分通過線性組合構(gòu)成控制量。其動(dòng)態(tài)方程為：（1）dttdeKdtteKteKtudip)()()()(其中-為調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)pK-為積分時(shí)間常數(shù)iK-為微分時(shí)間常數(shù)dKPID 調(diào)節(jié)器的離散化表達(dá)式為)1()()()()(kekeTKkTeKkeKkudip其增量表達(dá)形式為：) 1()()(kukuku)2() 1(2)()()1()(kekekeTKkTeKkekeKdip其中 T 為采樣周期?？梢姕囟?PID 調(diào)節(jié)器有三個(gè)可設(shè)定參數(shù)，即比例放大系數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)、微pKiK分時(shí)間常數(shù)。比例調(diào)節(jié)的作用是使調(diào)節(jié)過程趨于穩(wěn)定，但會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差；積分作用dK可消除被調(diào)量的穩(wěn)態(tài)誤差

16、，但可能會(huì)使系統(tǒng)振蕩甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定；微分作用能有效的 4 / 29減小動(dòng)態(tài)偏差。在實(shí)際使用中,在滿足生產(chǎn)過程需要的前提下,應(yīng)盡量選擇簡(jiǎn)單的調(diào)節(jié)器,這樣既節(jié)省投資,又便于維護(hù)。常規(guī) PID 控制調(diào)節(jié)器是一種應(yīng)用廣泛技術(shù)成熟的控制方法，它能滿足一般工業(yè)控制的要求，其優(yōu)點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單、使用方便、適應(yīng)性廣。采用 PID 控制，控制效果的好壞很大程度上取決于 PID 三個(gè)控制參數(shù)的確定。對(duì)一個(gè)控制系統(tǒng)而言，只要參數(shù)選擇適當(dāng),都能取得較好的控制效果。（2）自動(dòng)控制方式為了實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)控制，必須要組成一定的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該控制系統(tǒng)是把輸出量檢測(cè)出來，經(jīng)過物理量的轉(zhuǎn)換，再反饋到輸入端去與給定量進(jìn)行比較（綜合）

17、，并利用控制器形成的控制信號(hào)通過執(zhí)行機(jī)構(gòu) SSR 對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制，抑制部或外部擾動(dòng)對(duì)輸出量的影響，減小輸出量的誤差，達(dá)到控制目的。在此控制系統(tǒng)中單片機(jī)就相當(dāng)于常規(guī)控制系統(tǒng)中的運(yùn)算器控制器，它對(duì)過程變量的實(shí)測(cè)值和設(shè)定位之間的誤差信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算然后給出控制信息。單片機(jī)的運(yùn)算規(guī)則稱為控制法則或控制算法。常用的控制算法有以下幾種 經(jīng)典的比例積分微分控制算法。 根據(jù)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)化理論得到的自適應(yīng)控制和最優(yōu)控制方法。根據(jù)模糊集合理論得到模糊控制算法。自適應(yīng)控制、最優(yōu)控制方法以及模糊控制算法是建立在精確的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上的，在實(shí)時(shí)過程控制中，由于控制對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型難于建立，系統(tǒng)參數(shù)經(jīng)常發(fā)生變化，運(yùn)用控制

18、理論進(jìn)行綜合分析要花很大代價(jià)，主要是時(shí)間。同時(shí)由于所得到的數(shù)學(xué)模型過于復(fù)雜難于實(shí)現(xiàn)。在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中要求信號(hào)的控制信號(hào)的給出要及時(shí)，所以在目前的過程控制系統(tǒng)中較少采用自適應(yīng)控制、最優(yōu)控制方法和模糊控制算法。目前在過程控制中應(yīng)用較多的還是 PI 控制算法、PD 控制算法和 PID 控制算法。2器件選型（1）傳感器的選擇由于本設(shè)計(jì)是精確控制系統(tǒng),并且有控制圍上的要求,所以在選擇傳感器上要著重考慮其精度和測(cè)試圍。AD 公司的 AD590 和 AD7416 都包含一個(gè)可以精確測(cè)量環(huán)境溫度的片溫度傳感器,但AD590 是模擬傳感器,需對(duì)溫度模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理,在調(diào)理和放大信號(hào)時(shí),又會(huì)帶來新的誤差,影

19、響精度,而 AD7416 包含一個(gè) 10 位 AD 轉(zhuǎn)換器，是一個(gè)以 0.25 的分辨力將溫度數(shù)字化的數(shù)字式溫度傳感器，并且其測(cè)溫理論圍為-55 度到 125 度,因其精確度高，圍 5 / 29可選這兩大特點(diǎn)，故本設(shè)計(jì)的傳感器選為 AD7416?？蓮V泛應(yīng)用于個(gè)人計(jì)算機(jī)、電子測(cè)試設(shè)備、辦公設(shè)備、家用電器、過程控制等場(chǎng)合。該系列有：AD7414、AD7415、AD7416、AD7814 等四種型號(hào)，它們的工作原理相同，主要參數(shù)見表，引腳排列如圖所示。表 1 主要參數(shù)型號(hào)AD7414AD7415AD7416AD7814接口方式I2C /SM BUS SPI / DSP溫度測(cè)量圍55125408540

20、855512555125超溫指示有無有無省電工作方式無有最大并聯(lián)數(shù)3 81工作電壓2.75.5V轉(zhuǎn)換時(shí)間400s封裝SOT-23SOT-23SO-8/RM-8SOT-23/uSOIC圖 2 AD 系列引腳分布（2）單片機(jī)的選擇現(xiàn)在，市場(chǎng)上的單片機(jī)種類繁多，例如 51、PIC 等。而 51 系列單片機(jī)不具有 IIC 端口，要對(duì)其進(jìn)行模擬設(shè)置；并且相對(duì) PIC 來說，其指令也較復(fù)雜。本設(shè)計(jì)選用了指令精簡(jiǎn)、集成度高，并具有 IC 接口的 PIC 單片機(jī)，而 PIC16F877 這一型號(hào)的 PIC 單片機(jī)已能夠滿足系統(tǒng)的需要（圖 3） 。 6 / 29圖 3 PIC16F877 單片機(jī)美國微芯公司推出

21、的 CMOS 8 位 PIC 系列單片機(jī)，采用精簡(jiǎn)指令集（RISC） 、哈佛總線結(jié)構(gòu)、2 級(jí)流水線取指令方式，具有實(shí)用、低價(jià)、指令集小、簡(jiǎn)單易學(xué)、低功耗、高速度、體積小、功能強(qiáng)等特點(diǎn),體現(xiàn)了單片機(jī)發(fā)展的一種新趨勢(shì)，深受廣大用戶的歡迎，已逐漸成為單片機(jī)發(fā)展的新潮流。PIC16F87X 是微芯公司的中檔產(chǎn)品。它采用 14 位的類 RISC 指令系統(tǒng)，在保持低價(jià)格的前提下，增加了 A/D 轉(zhuǎn)換器、部 E2PROM 存儲(chǔ)器、比較輸出、捕捉輸入、PWM 輸出（加上簡(jiǎn)單的濾波電路后還可以作為 D/A 輸出） 、I2C 總線和 SPI 總線接口電路、異步串行通信（USART）接口電路、模擬電壓比較器、LCD

22、 驅(qū)動(dòng)、FLASH 程序存儲(chǔ)器等許多功能，可以方便地在線多次編程和調(diào)試，特別適用于初學(xué)者學(xué)習(xí)和在產(chǎn)品的開發(fā)階段使用；它也可以作為產(chǎn)品開發(fā)的終極產(chǎn)品。微芯公司還將 FLASH 芯片做成與 OTP 芯片價(jià)格相近，以致可用 FLASH 芯片代替 OTP 芯片。微芯公司的單片機(jī)是品種最豐富的單片機(jī)系列之一，被廣泛地應(yīng)用于各種儀器和設(shè)備中。這種單片機(jī)具有如下顯著的特點(diǎn)：開發(fā)容易，周期短：由于 PIC 采用類 RISC 指令集，指令數(shù)目少（PIC16F87X 僅 35 條指令） ，且全部為單字長指令，易學(xué)易用；相對(duì)于采用CISC（復(fù)雜指令集）結(jié)構(gòu)的單片機(jī)可節(jié)省 30 %以上的開發(fā)時(shí)間、2 倍以上的程序空間

23、。高速：PIC 采用哈佛總線和類精簡(jiǎn)指令集，逐步建立了一種新的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，指令的執(zhí)行速度比一般的單片機(jī)要快 45 倍。低功耗：PIC 采用 CMOS 電路設(shè)計(jì)，結(jié)合了諸多的節(jié)電特性，使其功耗很低；100 %的靜態(tài)設(shè)計(jì)可進(jìn)入休眠（Sleep）省電狀態(tài)，而不會(huì)影響激活后的正常運(yùn)行。微芯公司的單片機(jī)是各類單片機(jī)中低功耗設(shè)計(jì)最好的產(chǎn)品之一。低價(jià)實(shí)用：PIC 配備有 OTP（One Time Programmable）型、EPROM 型及 FLASH型等多種形式的芯片，其 OTP 型芯片的價(jià)格很低。PIC 還提供程序監(jiān)視器（WDT）和程 7 / 29序可分區(qū)的位（Security Fuse）等功能；提供了

24、基于 Windows98/NT/2000 的、方便易用的、全系列產(chǎn)品開發(fā)工具及大量子程序庫和應(yīng)用實(shí)例，使產(chǎn)品開發(fā)更容易、快捷。3設(shè)計(jì)步驟系統(tǒng)的工作原理如圖 4 所示，數(shù)字溫度傳感器將溫度測(cè)量出來，送給單片機(jī)通過軟件控制并用 LED 數(shù)碼管顯示出來，人工設(shè)置目標(biāo)溫度通過加熱水溫，使水溫達(dá)到目標(biāo)溫度。圖 4 整體系統(tǒng)框圖4系統(tǒng)計(jì)算傳感器將溫度轉(zhuǎn)換成電壓，再由 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成 10 位數(shù)字量送溫度值寄存器。A/D轉(zhuǎn)換器的一次轉(zhuǎn)換時(shí)間約 400s，其數(shù)字溫度傳感器的精度為 0.25，所以溫度測(cè)量精度為 0.3，通過實(shí)驗(yàn)我們的控制精度為 0.4。（二）單元電路的功能原理分析基本硬件電路圖如圖所示。

25、在本系統(tǒng)中單片機(jī)的引腳分布：RA0 用于報(bào)警，RA1 用于控制繼電器，RA3 用于啟動(dòng)加熱開關(guān)，MCLR 用于復(fù)位，RA2 是步進(jìn)按紐，RD2RD7 用于控制 LED 的掃描，RC3RC4 分別是時(shí)鐘線信號(hào)和數(shù)據(jù)線信號(hào)。1溫度測(cè)量測(cè)溫元件采用 AD 公司的單線數(shù)字溫度傳感器 AD7416。AD7416 提供十位溫度讀數(shù)，測(cè)量圍-55+125，采用獨(dú) IC 總線協(xié)議，只需一根口線即實(shí)現(xiàn)與 MCU 的雙向通訊，具有連接簡(jiǎn)單，高精度，高可靠性等特點(diǎn)。在工作時(shí)，通過總線向其提供電源，單片機(jī)發(fā)出指令碼讀取溫度值。每 400 微秒取樣一次，取 4 次溫度值的平均值。每 0.5 秒刷新一次。 8 / 292

26、顯示電路我們通過實(shí)際觀察當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐臏囟鹊弥?，溫度不?huì)達(dá)到 100度。溫度采用三位七段碼顯示 099。9。對(duì)溫度進(jìn)行循環(huán)掃描顯示，二個(gè) LED 用于當(dāng)前按鍵功能設(shè)定。3加熱控制電路單片機(jī)通過光電耦合對(duì)繼電器進(jìn)行控制，用來切斷或接通加熱管電源，從而達(dá)到對(duì)水溫的控制。4按鍵設(shè)定溫度本次是采用軟件來實(shí)現(xiàn)的，每 5 毫秒檢測(cè)一次按鍵，如果連續(xù)兩次均為按下狀態(tài)，則置按鍵狀態(tài)位有效。此后一直等到按鍵狀態(tài)位清零再重新開始檢測(cè)。5系統(tǒng)總電路圖系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖如圖 5 所示：各個(gè)功能模塊都在上面。圖 5 總電路圖（三）發(fā)揮部分設(shè)計(jì)PIC16F877 本身具有看門狗定時(shí)器，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)，能自動(dòng)進(jìn)行掉電保護(hù)和系統(tǒng)復(fù)

27、位。系統(tǒng)采用硬件計(jì)數(shù)器來計(jì)數(shù)，提高 CPU 的工作效率。 9 / 29三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)（一）程序的主流程圖圖 6 主流程圖在設(shè)計(jì)程序編寫過程中，首先還有一系列的準(zhǔn)備工作。在這個(gè)程序中涉及到了許多的庫和組成文件，主要有：main.c 、isr.asm、 key.asm、hardware.asm、 led.asm、system.asm 、sacm_user_a2000.h。/=/函數(shù): 主程序/語法：main(void)/描述：、鍵盤掃描、溫度控制/參數(shù)：無/返回：無/=main(void) int iKeyValue; status = system_temperature_se

28、t; guifgSpeechPlay = 0;System_Initial();PIDinit(); 10 / 29while(1)System_ServiceLoop(); /鍵盤掃描、去抖動(dòng)處理iKeyValue = SP_GetCh(); /取鍵值key_value_process(iKeyValue); /鍵值處理if(status = system_temperature_control) display_speech_ADC_temperature();/測(cè)量溫度顯示、溫度播報(bào)、PID 計(jì)算 Clear_WatchDog(); /清看門狗 System_ServiceLoop();

29、 /鍵盤掃描 if(fOutSetPoint*10 - NextPoint; / 偏差 pp-SumError += Error; / 積分 dError = pp-LastError - pp-PrevError; / 當(dāng)前微分 pp-PrevError = pp-LastError; pp-LastError = Error; return (pp-Proportion * Error / 比例項(xiàng) + pp-Integral * pp-SumError / 積分項(xiàng) + pp-Derivative * dError / 微分項(xiàng) ); 14 / 29N初始化開始結(jié)束結(jié)束計(jì)算 E一次啟動(dòng)？C=0

30、計(jì)算 C記錄當(dāng)溫計(jì)算 U返回 U圖 11 溫度控制框圖5其他功能模塊數(shù)據(jù)處理、保溫、定時(shí)計(jì)數(shù)等其他功能程序都根據(jù)程運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行了統(tǒng)籌設(shè)計(jì)，在此不再進(jìn)行詳述。四、系統(tǒng)測(cè)試與調(diào)試四、系統(tǒng)測(cè)試與調(diào)試（一）電路測(cè)試電路焊接無誤后，先將數(shù)字溫度傳感器放到水里，LED 會(huì)顯示出當(dāng)前水的溫度，再放一支標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)與之比較，若幾乎相等，則說明電路無誤；再設(shè)定目標(biāo)溫度，若可以自動(dòng)加熱，使達(dá)到目標(biāo)溫度，則說明電路測(cè)試無誤，實(shí)驗(yàn)可以正常進(jìn)行。（二）儀器的使用 首先連接好相應(yīng)的電源線，將溫度計(jì)和傳感器放在水里，此時(shí)數(shù)碼管會(huì)顯示出當(dāng)前溫 15 / 29度值，用戶可以根據(jù)需要設(shè)定目標(biāo)溫度值，按下加熱開關(guān)可開始加熱。當(dāng)溫度達(dá)

31、到你所想要的溫度時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)斷電，接著系統(tǒng)它又會(huì)進(jìn)入保溫系統(tǒng)，進(jìn)行保溫。（三）測(cè)試的結(jié)果根據(jù)測(cè)試得到的部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表 5-1：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證說明，測(cè)量誤差為 0.3控制誤差為 0.4，因此本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不管是在采樣控制顯示溫度，還是在實(shí)時(shí)處理顯示精度上，都取得了理想的效果。表 2 數(shù)據(jù)測(cè)量表當(dāng)前溫度值20.520.53040506050.5131180目標(biāo)溫度值60304050708060402090精確溫度值60.330.240.250.070.580.160.34020.389.9實(shí)測(cè)溫度值60.430.340.249.870.480.260.240.220.290.2測(cè)量精度0.10.1

32、00.20.10.10.10.20.10.3控制精度0.40.30.20.20.40.20.20.20.20.2（四）發(fā)揮部分測(cè)試當(dāng)溫度達(dá)到目標(biāo)溫度后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警提醒用戶。這時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入保溫狀態(tài)。溫度時(shí)溫度達(dá)到的最高溫度與目標(biāo)溫度的差值只有 0.3 的誤差。五、結(jié)論五、結(jié)論本次實(shí)驗(yàn)采用了 PICC 編程方式，實(shí)現(xiàn)了溫度的測(cè)量與控制，完全達(dá)到了本次實(shí)驗(yàn)的要求，更重要的是該實(shí)驗(yàn)的測(cè)量誤差小于 0.3度，控制誤差小于 0.4度，已基本實(shí)現(xiàn)本實(shí)驗(yàn)擴(kuò)展部分的要求。它可以廣泛用于溫度測(cè)量精度要求比較高的場(chǎng)面，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，成本低。綜上所示，本系統(tǒng)的方案具有實(shí)用推廣價(jià)值。本系統(tǒng)通過添加一個(gè)傳感器，將其貼

33、放在電熱杯的壁上，系統(tǒng)開始加熱，若溫度迅速上升，則說明杯中水不足，很有可能為干燒，為不安全加熱，用戶請(qǐng)注意，這屬于該系統(tǒng)需要改進(jìn)的地方。致致通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，論文基本上掌握了開發(fā)一個(gè)電子監(jiān)控控制系統(tǒng)的基本思路和實(shí)施步驟。在設(shè)計(jì)和論文寫作的整個(gè)過程中，指導(dǎo)汪光宅教授和強(qiáng)老師在各方面都給予了全面的指導(dǎo)和幫助。導(dǎo)師的精深淵博知識(shí)、創(chuàng)新、勤奮嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)風(fēng)、忘我的工作作風(fēng)時(shí)刻熏著我；導(dǎo)師的因材施教、誨人不倦的授業(yè)精神給學(xué)生留下了深刻的印象，這將使我受益終身。在校期間，得到輔導(dǎo)老師的親切關(guān)懷和無私的培養(yǎng)，使我在學(xué)習(xí)的過程學(xué)到了許多 16 / 29做人的道理。在此我向他們道聲：您們辛苦了！感師大學(xué)學(xué)院的老師

34、們多年來在工作、學(xué)習(xí)上給予的熱情關(guān)懷、指導(dǎo)與幫助。另外，互聯(lián)網(wǎng)上一些朋友也給我完成設(shè)計(jì)提出了很多寶貴的意見和無私的幫助。這對(duì)于我以后的學(xué)習(xí)和工作都有很大的幫助，在此對(duì)他們表示由衷的感。特別感我的姐姐對(duì)我的默默奉獻(xiàn)，在學(xué)習(xí)上的理解和大力支持！感父母及家人多年來的在生活和學(xué)習(xí)上的鼓勵(lì)和支持！附錄附錄附錄一設(shè)計(jì)總電路圖 17 / 29附錄二 設(shè)計(jì) PCB 圖 18 / 29附錄三 設(shè)計(jì) 3D 圖附錄四 程序清單#include /頭文件unsigned char s14，s24;/采集溫度數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)到兩個(gè)數(shù)組中，高字節(jié)存到 S1 中，低字節(jié)存到 S2 中unsigned int counter1，c

35、ounter2，figure1=2，figure2，flag2;/定時(shí)器，目標(biāo)溫度，標(biāo)志位申明unsigned int num1，num2，flag1=0，i，j，m;/采集溫度數(shù)據(jù) num1：整數(shù)位，num2：小數(shù)位，啟動(dòng)標(biāo)志位 flag1 及延時(shí)變量申明double y，temp，e，c，t，u，k;/模糊控制參數(shù)申明const char table10=0 x3f，0 x06，0 x5b，0 x4f，0 x66，0 x6d，0 x7d，0 x07，0 x7f，0 x6f;/不帶小數(shù)點(diǎn)筆段碼 19 / 29const char table010=0 xbf，0 x86，0 xdb，0 xc

36、f，0 xe6，0 xed，0 xfd，0 x87，0 xff，0 xef;/帶小數(shù)點(diǎn)筆段碼/*系統(tǒng) I/O 端口初始化子程序*/void INITIAL()OPTION=0X0F;ADCON1=0X07;/設(shè)定 RA 口為變通數(shù)字端口TRISD=0;TRISB=0;PORTD=0;PORTB=0;TRISA2=1;TRISA3=1;TRISC0=0;TRISA0=0;TRISA1=0;TRISC1=0;RC0=0;RC1=0;RA0=0;RA1=0;/tmr1 初始化子程序void tmr1int()TMR1IF=0;PEIE=1;TMR1IE=1;T1CON=0X30;/tmr2 初始化子

37、程序void tmr2int()TMR2IF=0;PEIE=1;TMR2IE=1;T2CON=0X7B;PR2=255;/i2c 初始化子程序void i2cint()SSPCON=0X08;/初始化 sspcon 寄存器TRISC3=1;/設(shè)置 scl 為輸入口TRISC4=1; /設(shè)置 sda 為輸入口 20 / 29SSPSTAT=0X80;/初始化 sspstat 寄存器SSPADD=19;/設(shè)定 i2c 波特率 50khz 頻率SSPCON2=0X00;/初始化 sspcon2 寄存器di();/關(guān)閉總中斷SSPIF=0;/清 ssp 中斷標(biāo)志SSPEN=1; /ssp 模塊使能/5

38、ms 延時(shí)子程序void delay()for(j=300;-j;)continue;/用戶目標(biāo)溫度輸出子程序void ledout()PORTB=tablefigure1;RD7=1;delay();RD7=0;PORTB=tablefigure2;RD6=1;delay();RD6=0;PORTB=0X40;RD5=1;delay();RD5=0;/鍵盤服務(wù)子程序int keyserve()RC0=0;RC1=1;if(RA2=0)figure1+=1;RC0=1;RC1=0;if(RA2=0)figure2+=1;if(figure1=10)figure1=2;if(figure2=10

39、)figure2=0;RC0=0;RC1=1;if(RA3=0)flag1=1;RC0=0;RC1=0; 21 / 29i2cin();display();while(1)if(RA2=1)&(RA3=1) /等待鍵盤松開break;i2cin();/模糊控制算法float control( ) if(flag2=1) /判斷是否第一次啟動(dòng)控制c=0; /是，則 C 設(shè)定為 0；else c=(float)(num1*100+num2)/100-temp;/否，則 C 為當(dāng)前溫度與上一采樣溫度之差u=k*e+(1-k)*c; /模糊控制公式temp=(float)(num1*100+n

40、um2)/100;/記錄上一時(shí)刻溫度值return u; /返回控制參數(shù) /冒泡從小到大排序算法void bubblesort(char a，int num)int m，n，flag=1，temp;for(m=1;mnum&flag=1;m+)flag=0;for(n=0;nan+1)flag=1;temp=an;an=an+1;an+1=temp;/led 顯示部分int display()CLRWDT();bubblesort(s1，4);/S1 從小到大排序bubblesort(s2，4);/S2 從小到大排序num1=(s11+s12)/2; /濾去最大，最小數(shù)再求平均值PORTB=tablenum1/10;/送顯 22 / 29RD4=1;delay();RD4=0;PORTB=table0(num1-(num1/