基于PID算法的水溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)報告

1、基于PID的水溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要本次設(shè)計(jì)采用proteus仿真軟件，以AT89C51單片機(jī)做為主控單元，運(yùn)用PID控制算法，仿真實(shí)現(xiàn)了一個恒溫控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)中使用溫度傳感器DS18B20采集實(shí)時溫度，不需要復(fù)雜的信號調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換電路，能直接與單片機(jī)完成數(shù)據(jù)的采集和處理，使用PID算法控制加熱爐仿真模型進(jìn)行溫度控制，總體實(shí)現(xiàn)了一個恒溫控制仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中包含硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分，硬件設(shè)計(jì)包含顯示模塊、按鍵模塊、溫度采集模塊、溫度加熱模塊。軟件設(shè)計(jì)的部分，采用分層模塊化設(shè)計(jì)，主要有：鍵盤掃描、按鍵處理程序、液晶顯示程序、繼電器控制程序、溫度信號處理程序。另外以AT89C51單片機(jī)為

2、控制核心，利用PID控制算法提高了水溫的控制精度，使用PID控制算法實(shí)施自動控制系統(tǒng)，具有控制參數(shù)精度高、反映速度快和穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：proteus仿真，PID,AT89C51,DS18B20溫度控制目錄1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案論證11.1 設(shè)計(jì)要求11.2 總體設(shè)計(jì)方案22系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)32.1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成概述32.2 各單元總體說明42.3 按鍵單元52.4 LCD液晶顯示單元62.5 溫度測試單元72.6 溫度控制器件單元83恒溫控制算法研究（PID）錯誤！未定義書簽。3.1 PID控制器的設(shè)計(jì)73.2 PID算法的流程實(shí)現(xiàn)方法與具體程序104系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)144.1 統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)概述

3、144.2 系統(tǒng)軟件程序流程及程序流程圖154.3 溫度數(shù)據(jù)顯示模塊分析164.4 測試分析185模擬仿真結(jié)果錯誤！未定義書簽。1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案論證1.1設(shè)計(jì)要求一種基于數(shù)字PID和單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。要求如下：1、超調(diào)量10%2、溫度可調(diào)，范圍；K1=50度K2=60度K3=70度K4=80度3、人一機(jī)對話方便4、溫度誤差土C1.2總體設(shè)計(jì)方案在仿真設(shè)計(jì)中，先通過按鍵設(shè)置溫度，然后通過溫度傳感器DS18B20,從環(huán)境中采集溫度，由單片機(jī)獲取采集的溫度值，經(jīng)過處理后，可得到當(dāng)前環(huán)境溫度中一個比較穩(wěn)定的溫度值，并且通過LCD液晶顯示。再去根據(jù)當(dāng)前設(shè)定的溫度值進(jìn)行比較，溫度未達(dá)到預(yù)定的下限

4、溫度時，單片機(jī)將通過P2.6口連接的RELAY輸出高電平控制信號來驅(qū)動RL1,使得加熱棒工作，為系統(tǒng)提供熱量，來升高溫度。溫度上升到預(yù)定上限溫度時，單片機(jī)將通過P2.6口連接的RELAY輸出低電平控制信號來驅(qū)動RL1,使得加熱棒停止加熱，讓溫度慢慢回落3。工作原理圖如圖1.1所示：代開阡溫在設(shè)計(jì)中使用溫度傳感器DS18B20采集實(shí)時溫度，使用PID算法控制加熱爐仿真模型進(jìn)行溫度控制。DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的經(jīng)典的數(shù)字溫度傳感器，具有低功耗、高性能、抗干擾能力、微型化、強(qiáng)易配處理器等等優(yōu)點(diǎn)，它特別適合用于多點(diǎn)溫度測控的系統(tǒng)，它可直接將溫度轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，交給單片機(jī)處理，并且在同一總

5、線上可掛接多個傳感器芯片，進(jìn)行范圍性的溫度檢測。在其內(nèi)部集成了A/D轉(zhuǎn)換器，可使電路結(jié)構(gòu)更簡單，且減少了溫度測量轉(zhuǎn)換時的精度損失。數(shù)字溫度傳感DS18B20只用一個引腳，即可與單片機(jī)進(jìn)行連接了，這樣大大的減少了設(shè)計(jì)中接線麻煩的問題，使得單片機(jī)可以節(jié)約許多端口。DS18B20芯片的體積又比較小，且還是單線與主控芯片連接，于是在實(shí)際運(yùn)用中，常常把數(shù)字溫度傳感器DS18B20做成小型的測量溫度的探頭，即使是一些狹小的位置也能很方便的檢測到，使溫控系統(tǒng)發(fā)揮最大的作用4o在本仿真設(shè)計(jì)中DS18B20與51單片機(jī)的P3.4口鏈接。DS18B20可以仿真設(shè)置環(huán)境溫度，來完成設(shè)計(jì)要求。本次設(shè)計(jì)采用proteu

6、s仿真軟件，以AT89C51單片機(jī)做為主控單元。51單片機(jī)上連接晶振和復(fù)位電路，保證單片機(jī)的正常運(yùn)行。P0與LCD液晶連接，顯示測量結(jié)果。P1.0,P1.4,P3.3,P3.4分別與4個控制按鍵連接。由AT89C51的端口豐富使得整個系統(tǒng)設(shè)計(jì)起來方便簡單，線路清晰，且AT89C51是一個高性能，低功耗的CMOS8位單片機(jī)，AT89C51設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為0Hz,在實(shí)際的應(yīng)用中性價比很高，是溫控系統(tǒng)的不二選擇。本設(shè)計(jì)中選擇AT89C51做為主控單位也是考慮到了實(shí)際的需求和做此設(shè)計(jì)的意義的5。2系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成概述本章主要介紹本次設(shè)計(jì)中的硬件設(shè)計(jì)部分，其中包含：顯示模塊、按

7、鍵掃描模塊、溫度采集模塊、溫度加熱模塊。2.2 各單元總體說明1、顯示模塊：本設(shè)計(jì)中采用LCD液晶顯示溫度值，其中最后一位為小數(shù)位。2、按鍵模塊：本設(shè)計(jì)中采用5按鍵設(shè)置，第一按鍵為復(fù)位按鍵，第2、3、4、5按鍵為溫度檔位按鍵，連接上拉電阻使其未按鍵時能夠保持高電平。3、溫度采集模塊：本次設(shè)計(jì)中使用溫度傳感器DS18B20采集實(shí)時溫度，使用PID算法控制加熱爐仿真模型進(jìn)行溫度控制，數(shù)字溫度傳感器DS18B20只需一個引腳，即可與單片機(jī)進(jìn)行通信，在設(shè)計(jì)中將DS18B20與51單片機(jī)的P3.4口連接，用其來完成溫度的測量6。4、溫度加熱模塊：本設(shè)計(jì)采用加熱棒來進(jìn)行溫度值的控制，具配有功率顯示表，以便

8、在仿真中與溫度傳感器DS18B20相對應(yīng)，便于統(tǒng)計(jì)。加熱棒與光電耦合器連接，光電耦合器通過RELAY與51單片機(jī)的P2.6口連接。通過51單片機(jī)發(fā)送信號來控制加熱棒的運(yùn)作。2.3 按鍵單元一般的鍵盤設(shè)計(jì)采用的是硬件設(shè)計(jì)，可是其在仿真設(shè)計(jì)中連接，線路會比較麻煩。所以在本此設(shè)置中我采用的是5按鍵軟件控制，第一個按鍵為復(fù)位按鍵，其他兩個為檔位調(diào)節(jié)按鍵，K1為50度、K2為60度、K3為70度、K4為80度，方便簡潔，線路清晰設(shè)計(jì)起來也較為方便。連接上上拉電阻，使其當(dāng)未有按鍵按下時，各各按鍵位都處于高電平。按鍵操作說明：1號按鍵為復(fù)位設(shè)置按鍵，第一次按下它時，1號按鍵位將處于低電平，LCD液晶將會顯示

9、未加熱時的溫度，此時，可通過檔位按鍵設(shè)置溫度，然后進(jìn)行其他功能模塊的操作。電路如圖3.1所示：圖3.1按鍵電路3.6 溫度測試單元在本設(shè)計(jì)中溫度測試采用溫度芯片DS18B20與51單片機(jī)的P3.4口連接。此集成芯片，可以很好的減少外界的干擾。其內(nèi)部集成A/D轉(zhuǎn)換器，使得電路結(jié)構(gòu)更簡單，且減少了溫度測量轉(zhuǎn)換時的精度損失，從而使測量的溫度值更為精確，具有實(shí)在的設(shè)計(jì)意義。且數(shù)字溫度傳感器DS18B20只用一個引腳，即可與單片機(jī)進(jìn)行通信了，大大的減少了接線麻煩的問題，使得單片機(jī)更加具擴(kuò)展性。由于DS18B20芯片的小型化，通過單條數(shù)據(jù)線，就可以和主電路連接，在實(shí)際應(yīng)用中，可把數(shù)字溫度傳感器DS18B2

10、0做成測溫探頭，可方便的探入到狹小的地方，從而增加了實(shí)用性9。DS18B20的開始運(yùn)作時，首先要做的是復(fù)位工作，即在開始工作前，51單片機(jī)將會給DS18B20當(dāng)總先發(fā)送一個不小于480us的低電平信號，對其進(jìn)行復(fù)位。DS18B20在接收到這個信號后的1560us內(nèi)會回發(fā)一個芯片的存在脈沖。為了接收存在脈沖，數(shù)據(jù)當(dāng)總線將會被控制器拉高，存在脈沖是一個60240us的低電平信號。接下去將進(jìn)行51單片機(jī)與DS18B20間的通信。51單片機(jī)發(fā)送控制的指令共有5指令，而每一個工作周期只可以發(fā)送一條指令。5條指令分別為：讀取數(shù)據(jù)、指定匹配的芯片、跳躍ROM、芯片搜索、報警芯片搜索。接著51單片機(jī)發(fā)送存儲器

11、操作指令（在指令發(fā)送給DS18B20后，馬上就發(fā)送存儲器操作指令了）。存儲器指令的功能就是控制DS18B20怎么樣進(jìn)行工作。DS18B20同51單片機(jī)的接線如圖3.4所示：見圖可知DS18B20只需與單片機(jī)的一個端口連接即可，不過當(dāng)總線為開漏需要外接一個上拉電阻R2,為4.7KQo3.7 溫度控制器件單元在本次設(shè)計(jì)中，是采用加熱棒通過PID算法來對溫度進(jìn)行控制的，以便在仿真中與溫度傳感器DS18B20相對應(yīng)，便于統(tǒng)計(jì)。加熱棒與光電耦合器連接，光電耦合器通過RELAY與51單片機(jī)的P2.6口連接。51單片機(jī)通過RELAY向光電耦合器發(fā)送高電平時，無電流流過，光電耦合器將不導(dǎo)通，繼電器也不能導(dǎo)通，

12、繼電器的線圈無電流通過，RL1打向電源處，加熱棒通電開始工作加熱，可以看出加熱棒提升的溫度。當(dāng)測量到的溫度值超出先前設(shè)定的預(yù)期溫度值上限時，51單片機(jī)通同過RELAY向光電耦合器發(fā)送低電平時，光電耦合器將導(dǎo)通，有電流流過，使得繼電器也導(dǎo)通，繼電器的線圈有電流通過，RL1打向繼電器線圈，加熱棒斷開連接，停止工作，使溫度慢慢的回落。溫控系統(tǒng)連接方法如圖3.5所示：4恒溫控制算法研究（PID）4.1PID控制器的設(shè)計(jì)PID控制是目前在溫度控制中應(yīng)用最廣泛的一種控制算法，其核心思想是按設(shè)定值與測量值之間的偏差比例、偏差的積累和偏差變化的趨勢來控制輸出量，即根據(jù)偏差值來計(jì)算控制量。數(shù)字PID控制律的實(shí)現(xiàn)

13、，需采用數(shù)值逼近法，當(dāng)采樣的周期相當(dāng)短時，可以用用差商代替微分，求和代替積分，可以有如下近似變換10。t=KTtkk0etdt=ejTejj=0j=0detekT-el.k-1Tek-ek-1=(4.1)dtTT式中，k為采樣的序號，k=l,2,；T為采樣的周期。在離散化的過程中，采樣時間T須足夠的短，不然難以確保精度。在運(yùn)算時，把e(kT)表示成e(k祥，省去了To則可推算出離散的PID表達(dá)式寫成：ku(k)=Kpe(k)+K1£e(j)+KdHk)e(k-1，(4.2)j=S式中，k為采樣的序號，k=1,2,；u(k)是第k次采樣時，計(jì)算機(jī)輸出的值；e(k展第k次采樣時輸入的偏差

14、值；e(k-1)是第(k-1)次采樣時輸入的偏差值；K1是積分系數(shù)，K=KpT;Kd是積分系數(shù)，KD=KpTd。TiT在實(shí)際的應(yīng)用中，通常采用增量式PID控制算法，即數(shù)字控制器輸出只是控制量的增量，該算法編程簡單，數(shù)據(jù)可以遞推使用，占用存儲空間少，運(yùn)算快。根據(jù)遞推原理可得：4恒溫控制算法研究(PID)4.1PID控制器的設(shè)計(jì)PID控制是目前在溫度控制中應(yīng)用最廣泛的一種控制算法，其核心思想是按設(shè)定值與測量值之間的偏差比例、偏差的積累和偏差變化的趨勢來控制輸出量，即根據(jù)偏差值來計(jì)算控制量。數(shù)字PID控制律的實(shí)現(xiàn)，需采用數(shù)值逼近法，當(dāng)采樣的周期相當(dāng)短時，可以用用差商代替微分，求和代替積分，可以有如下

15、近似變換10。t=KTtkk0etdt=ejTejj=0j=0detekT-el.k-1Tek-ek-1=(4.1)dtTT式中，k為采樣的序號，k=l,2,；T為采樣的周期。在離散化的過程中，采樣時間T須足夠的短，不然難以確保精度。在運(yùn)算時，把e(kT)表示成e(k祥，省去了To則可推算出離散的PID表達(dá)式寫成：ku(k)=Kpe(k)+K1£e(j)+KdHk)e(k-1，(4.2)j=S式中，k為采樣的序號，k=1,2,；u(k)是第k次采樣時，計(jì)算機(jī)輸出的值；e(k展第k次采樣時輸入的偏差值；e(k-1)是第(k-1)次采樣時輸入的偏差值；K1是積分系數(shù)，K=KpT;Kd是積

16、分系數(shù)，KD=KpTd。TiT在實(shí)際的應(yīng)用中，通常采用增量式PID控制算法，即數(shù)字控制器輸出只是控制量的增量，該算法編程簡單，數(shù)據(jù)可以遞推使用，占用存儲空間少，運(yùn)算快。根據(jù)遞推原理可得：ku(k1)=Kpdk1)+K|Ze(j)+Kd&K1)e(k2y(4.3)j=0公式(4.2)與公式(4.3)相減，即得到增量式PID控制算法(4.4):u(k)=KPIlk)-e(k-1KIe(k)+KDWk)-2e(k-1)+e(k-2X(4.4)本次設(shè)計(jì)中，控制器的設(shè)計(jì)采用增量數(shù)字PID控制算法的功能，可以比較靈活的調(diào)節(jié)控制信號的導(dǎo)通時間來控制溫度值控制的工作。能夠基本滿足溫度控制的要求。4.2

17、PID算法的流程實(shí)現(xiàn)方法與具體程序本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)是與光電耦合器連接的加熱爐。傳統(tǒng)的方法是：當(dāng)測量的環(huán)境溫度達(dá)到設(shè)定值時，加熱爐不在加熱狀態(tài)，可是此時加熱爐的溫度仍然會高與設(shè)定的溫度值，加熱爐還是會起到加熱的作用，使得系統(tǒng)的溫度經(jīng)常繼續(xù)要升高一會后才能開始下降。當(dāng)下降到設(shè)定的下限溫度值時，溫控系統(tǒng)會促使加熱爐開始工作，對系統(tǒng)進(jìn)行加熱，此過程需要一定的時間，所以往往又會下降一定溫度，才能開始上升溫度。所以傳統(tǒng)的方法往往會出現(xiàn)一定的誤差，此誤差就是溫度的慣性引起的110PID算法是PID模糊控制技術(shù)的核心部分，通過比例、積分、微分三方面的結(jié)合與調(diào)整構(gòu)成一個反饋控制，可解由于溫度的慣性而產(chǎn)生

18、的誤差。e(t)=n0(t)-n(t蟒過PID控制器處理后可輸出電壓的控制信號u(t),從而反饋調(diào)節(jié)溫度。數(shù)字PID的控制示意圖如圖4.1所示：圖4.1數(shù)字PID的控制實(shí)驗(yàn)中最主要的就是PID參數(shù)的選擇，它決定著整個溫度控制的精確度。我們可以根據(jù)具體情況的要求，來調(diào)節(jié)合適的參數(shù)。P為比例系數(shù)，當(dāng)在一定范圍內(nèi)若是調(diào)節(jié)增加P時，系統(tǒng)的反映將會變的靈敏，穩(wěn)態(tài)的誤差值將會變小，可要是P值過大時的話，同樣會時系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。P值過于小了，系統(tǒng)的反映又會變的很慢?？梢姷?，P值要是選取不恰當(dāng)，測量值就會和設(shè)定值的偏差越來越大，要是出現(xiàn)了這樣的問題時，可將P值的符號取反也I為積分系數(shù)，I的值越小積分的作用就會

19、越強(qiáng)，積分作用強(qiáng)了就會導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，不過T值小了，穩(wěn)態(tài)所產(chǎn)生的誤差將會減小。D為微分控制，微分控制可以改善動態(tài)的特性，當(dāng)D偏大時，超調(diào)量隨之變大，調(diào)節(jié)時間會減短；D偏小時，超調(diào)量同樣變大，不過調(diào)節(jié)時間就會比較長,只有D合適時，才能使超調(diào)量較小，調(diào)節(jié)時間也較短。調(diào)試時，只能參考參數(shù)對系統(tǒng)控制過程的變化趨勢，來對參數(shù)調(diào)整來先比例,后積分，再微分的步驟慢慢調(diào)試，一直湊到滿意的結(jié)果為止。數(shù)字PID的差分方程：.Tn.Tn,u(n)=Kpe(n計(jì)一工e(i計(jì)一b(n)-e(n-1J+u0=up(n)+uI(n)+uD(n)+u0Ti-T(4.5)Tn在上式中，up(n)=Kpe(n)稱為比例項(xiàng)；

20、Ui=Kp一工e(i)稱為積分項(xiàng)；Tii.0uDn=KpTDen-en-1標(biāo)為微分項(xiàng)。得到增量式公式為:(4.6)un)=a0enaen-1a2en-2在此式中，a°=Kp號+號)，a2=-KPPID的具體算法程序如下13EnumY,U,R,Ts,KdKp;/Y采集量、U控制量、R設(shè)定量、Ts采樣時間、Kd微分、Kp比例pintpara6,ptr,out;/out是從PID()得到的控制量intr,Kp,Kd,Ts,e2,e1,e0,u;/*/VoidinitPID()/初始化PID函數(shù)paraR=20;paraKp=2;paraKd=2;paraTs=1)VoidPID()para

21、Y=(int)(ad_data);r=paraR;e0=e1;e1=e2;e2=r-paraY/10;Kp=paraKp;Kd=paraKd;ts=paraTs;u=r+Kp*e2+Kd*(e2-e1);,if(u<0)u=0;/控制量限制if(u>200)u=200;parau=u/10;out=parau;)VoidTem_timer0()interrupt1/采樣時間THO=tim0>>8;TL0=tim0;If(tm+>out)TEM=1;elseTEM=0;if(m>200)tm=0;if(out<10)TEM=1;if(timecnt+=1

22、00)timecnt=0;)Voidtimer1()interrupt3TH1=timer1()>>8;TLI=tim1;If(dealCS=0)wdCtrl=paraR;if(wdCtrl-(int)(ad_data)/10)>10)out=200;elseif(int)(ad_data)/10-wdCtrl)>2)out=0;elseout=CtrltabwdCtrl+2-(int)(ad_data)/10;Elseif(tx+>=ts)PID()；t=0;)5系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)5.1統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)概述在恒溫PID控制系統(tǒng)中軟件是整個系統(tǒng)的核心，在軟件設(shè)計(jì)中采用分層模

23、塊化設(shè)計(jì)，其中主要的模塊包含：人機(jī)交互模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、PID控制器模塊、信號采集模塊、超、低溫報警模塊幾部分14o1、人機(jī)交互模塊，是通過3位按鍵來實(shí)現(xiàn)的。第一個按鍵為復(fù)位按鍵，其他兩個為調(diào)節(jié)按鍵，當(dāng)有鍵按下時該鍵位將會處于低電平狀態(tài)，按鍵連接上了電阻，使其當(dāng)未有按鍵按下時，各各按鍵位都處于高電平150本設(shè)計(jì)中的按鍵具體原理與操作方法，在第三章的按鍵單元中已經(jīng)做了詳細(xì)的說明。2、數(shù)據(jù)顯示模塊，是通過LCD液晶實(shí)現(xiàn)的。采用的是通過動態(tài)顯示法，分時分別控制LCD液晶的COM端，使每個位輪流顯示，每位點(diǎn)亮的時間問隔大概為1ms左右。3、PID控制器模塊，本設(shè)計(jì)是運(yùn)用PID控制算法，仿真實(shí)現(xiàn)一個恒

24、溫控制系統(tǒng)。在上一章中我們已經(jīng)描述了e(t)=n/t)-n(t),電壓的才S制信號u(t),從而反饋調(diào)節(jié)溫度。設(shè)計(jì)中最主要的就是PID參數(shù)的選擇，它決定著整個溫度控制的精確度。我們可以根據(jù)具體情況的要求，來調(diào)節(jié)合適的參數(shù)。對PID函數(shù)進(jìn)行初始化時，需設(shè)置函數(shù)參數(shù)，這些參數(shù)都是根據(jù)實(shí)驗(yàn)測定獲得的，具體參數(shù)在上一章PID算法研究中有詳細(xì)說明。4、信號采集模塊，本設(shè)計(jì)中是運(yùn)用DS18B20進(jìn)行溫度采集的，在DS18B20開始運(yùn)作時，首先要做的是復(fù)位工作，DS18B20在接收到這個信號后的1560us內(nèi)會回發(fā)一個芯片的存在脈沖。為了接收存在脈沖，數(shù)據(jù)當(dāng)總線將會被控制器拉高，存在脈沖是一個60240us

25、的低電平信號。接下去將進(jìn)行51單片機(jī)與DS18B20間的通信。接著51單片機(jī)發(fā)送存儲器操作指令(在指令發(fā)送給DS18B20后，馬上就發(fā)送存儲器操作指令了)?？刂艱S18B20怎么樣進(jìn)行工作1605.2 系統(tǒng)軟件程序流程及程序流程圖系統(tǒng)軟件流程如圖5.2所小:圖5.2系統(tǒng)軟件流程圖程序流程為：在程序開始的時，先設(shè)置初始化，通過按鍵設(shè)置預(yù)定溫度值，然后通過數(shù)碼管來顯示當(dāng)前的溫度，再比較設(shè)定的預(yù)期溫度與測量溫度值的大小，將比較的信息通過繼電器，去根據(jù)當(dāng)前設(shè)定的溫度值的上下限，當(dāng)測量到的溫度值未達(dá)到先前設(shè)定的預(yù)期溫度值下限時，使單片機(jī)向蜂鳴器發(fā)送高電平信號使其發(fā)出警報生，再通過RELAY向光電耦合器發(fā)

26、送高電平時，無電流流過，光電耦合器將不導(dǎo)通，繼電器也不能導(dǎo)通，繼電器的線圈無電流通過，RL1打向電源處，加熱棒通電開始工作加熱，可以根據(jù)功率表的數(shù)據(jù)顯示看出加熱棒提升的溫度。當(dāng)測量到的溫度值超出先前設(shè)定的預(yù)期溫度值上限時，使單片機(jī)將向蜂鳴器發(fā)送高電平信號使其發(fā)出警報生，再通過過RELAY向光電耦合器發(fā)送低電平時，光電耦合器將導(dǎo)通，有電流流過，使得繼電器也導(dǎo)通，繼電器的線圈有電流通過，RL1打向繼電器線圈，加熱棒斷開連接，停止工作，使溫度慢慢的回落。5.3 溫度數(shù)據(jù)顯示模塊分析在本次軟件設(shè)計(jì)中，核心的部分就是PID算法的控制與DS18B20溫度采集的實(shí)現(xiàn)，PID算法在上文中已經(jīng)做了詳細(xì)的介紹，在

27、此再具體的分析下DS18B20。在本次設(shè)計(jì)我選擇了DS18B20來繼續(xù)溫度檢測，因?yàn)閿?shù)字溫度傳感器DS18B20只需一個引腳，即可與單片機(jī)進(jìn)行通信了，大大的減少了接線麻煩的問題，使得單片機(jī)更加具擴(kuò)展性。由于DS18B20芯片的小型化，通過單條數(shù)據(jù)線，就可以和主電路連接，可把數(shù)字溫度傳感器DS18B20做成測溫探頭，可方便的探入到狹小的地方，從而增加了實(shí)用性。且本次設(shè)計(jì)采用proteus仿真軟件，在proteus仿真軟件里DS18B20可以隨意設(shè)定溫度，模仿實(shí)際環(huán)境溫度值，便于實(shí)驗(yàn)17。DS18B20數(shù)字溫度傳感器的內(nèi)部包含了高速暫存RAM與用來存儲TH、TL的E2ARM。接受到的數(shù)據(jù)先是存入R

28、AM,經(jīng)檢驗(yàn)后傳送至E2ARM。RAM中的第5個字節(jié)用與控制溫度的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率，此分辨率決定DS18B20工作時溫度轉(zhuǎn)換的先對應(yīng)的數(shù)值。其中要注意的是設(shè)定的分辨率越高，就需要消耗越多的轉(zhuǎn)換時間。所以在設(shè)置分辨率時我們需要有所考慮18oDS18B20在接收到溫度轉(zhuǎn)換的命令后，將溫度值數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成以二進(jìn)制補(bǔ)碼的形式存儲在RAM中，然后51單片機(jī)再通過單總線接收此數(shù)據(jù)，以地位在前高位在后的方式來讀取數(shù)據(jù)。接收數(shù)據(jù)后通過溫度計(jì)算，將得出的溫度值與設(shè)定的TH、TL進(jìn)行比較，51單片機(jī)再根據(jù)比較的結(jié)果做出相應(yīng)的運(yùn)行工作。為此我們在程序設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)了下面主要幾個子程序。首先對DS18B20進(jìn)行初始化處理voi

29、dInit_DS18B20(void)unsignedcharx=0;DQ=0;/單片機(jī)將DQ拉低delay_18B20(80);/席確延時大于480usDQ=1;拉高總線delay_18B20(14);x=DQ;/稍做延時后，如果x=0則初始化成功x=1則初始化失敗delay_18B20(20);)在初始化后，先讓DS18B20讀一個字節(jié)unsignedcharReadOneChar(void)(unsignedchari=0;unsignedchardat=0;for(i=8;i>0;i-)(DQ=0;/給脈沖信號dat>>=1;DQ=1;/給脈沖信號if(DQ)dat|

30、=0x80;delay_18B20(4);)return(dat);)再讓其寫一個字節(jié)，運(yùn)行子程序如下：voidWriteOneChar(unsignedchardat)(unsignedchari=0;for(i=8;i>0;i-)(DQ=0;DQ=dat&0x01;delay_18B20(5);DQ=1;dat>>=1;)TH和接下來設(shè)計(jì)DS18B20的工作狀態(tài)，設(shè)置其上、下限報警溫度分別為TL,且設(shè)置顯示的分辨率為RS,執(zhí)行的子程序如下18：voidsetds18b20(unsignedcharTH,unsignedcharTL,unsignedcharRS)(

31、Init_DS18B20();WriteOneChar(0xCC);/跳過讀序號列號的操作WriteOneChar(0x4E);/寫入寫暫存器”命令，修改TH和TL和分辯率配置寄存器/先寫TH,再寫TL,最后寫配置寄存器WriteOneChar(TH);寫入想設(shè)定的溫度報警上限WriteOneChar(TL);/寫入想設(shè)定的溫度報警下限WriteOneChar(RS);寫配置寄存器，格式為0R1R01,1111/R1R0=00分辨率婁9位，R1R0=11分辨率為12位最后就是讀取DS18B20的溫度值了，執(zhí)行子程序如下：unsignedchar*ReadTemperature(void)uns

32、ignedchartt2;Init_DS18B20();WriteOneChar(0xCC);/跳過讀序號列號的操作WriteOneChar(0x44);/啟動溫度轉(zhuǎn)換delay_18B20(70);/溫度轉(zhuǎn)化要一段時間Init_DS18B20();WriteOneChar(0xCC);/跳過讀序號列號的操作WriteOneChar(0xBE);/讀取溫度寄存器等(共可讀9個寄存器)前兩個就是溫度/delay_18B20(70);tt0=ReadOneChar();/讀取溫度值低位tt1=ReadOneChar();/讀取溫度值高位return(tt);5.4 測試分析1、測試環(huán)境仿真環(huán)境溫度

33、2090攝氏度。2、測試方法用調(diào)節(jié)DS18B20,來模擬環(huán)境溫度，通過按鍵來設(shè)置溫度的上、下限與復(fù)位，根據(jù)LCD液晶顯示來觀察結(jié)果。3、測試結(jié)果(1)設(shè)定溫度由20攝氏度到90攝氏度。(2)標(biāo)定溫差三1攝氏度調(diào)節(jié)時間15s(具體情況隨實(shí)際情況)。(3)靜態(tài)誤差三0.5攝氏度最大超調(diào)量1攝氏度。4、通過仿真測試分析，對于實(shí)際的室內(nèi)的溫度控制，可以再得出以下2點(diǎn)方法：(1)我們可以通過增加傳感器的個數(shù)，然后算出平均值，這樣可以獲得較為精確的溫度值。(2)在對環(huán)境溫度的控制環(huán)節(jié)中，我們可采用功率較大的加熱電阻，實(shí)現(xiàn)對環(huán)境溫度的提升，用風(fēng)扇來對環(huán)境溫度進(jìn)行降溫處理。51單片機(jī)通過RELAY口向光電耦合

34、器發(fā)送高電平時，無電流流過，光電耦合器將不導(dǎo)通，繼電器也不能導(dǎo)通，繼電器的線圈無電流通過，RL1打向電源處，如圖6.2所示：圖6.217c時系統(tǒng)電流流向圖此時加熱棒通電開始工作加熱，可以根據(jù)功率表的數(shù)據(jù)顯示得出加熱棒提升的溫度，如圖6.3所示:51單片機(jī)通同過RELAY口向光電耦合器發(fā)送低電平時，光電耦合器將導(dǎo)通有電流流過，使得繼電器也導(dǎo)通，繼電器的線圈有電流通過，RL1打向繼電器線圈，如圖6.5所示：圖6.541c時的系統(tǒng)電流流向圖此時加熱棒斷開連接，停止工作，但是加熱棒還是會有一定的延遲性，只能結(jié)論本次設(shè)計(jì)采用proteus仿真軟件，以AT89C51單片機(jī)做為主控單元，運(yùn)用PID控制算法，

35、仿真實(shí)現(xiàn)了一個恒溫控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)中使用溫度傳感器DS18B20采集實(shí)時溫度，使用PID算法控制加熱棒仿真模型進(jìn)行溫度控制，總體實(shí)現(xiàn)了一個恒溫控制仿真系統(tǒng)。仿真中先通過按鍵設(shè)置溫度，然后通過溫度傳感器DS18B20,從環(huán)境中采集溫度，由單片機(jī)獲取采集的溫度值，經(jīng)過處理后，可得到當(dāng)前環(huán)境溫度中一個比較穩(wěn)定的溫度值，并且通過LCD液晶顯示。再去根據(jù)當(dāng)前設(shè)定的溫度值的上下限，溫度未達(dá)到預(yù)定的下限溫度時，同時通過P2.6口連接的RELAY輸出高電平控制信號來驅(qū)動RL1,使得加熱棒工作，為系統(tǒng)提供熱量，來升高溫度。溫度上升到預(yù)定上限溫度時，同時通過P2.6口連接的RELAY輸出低電平控制信號來驅(qū)動RL1,

36、使得加熱棒停止加熱，讓溫度慢慢回落。附錄主程序#include<reg51.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitDQ=P3A4;/ds18b20與單片機(jī)連接口unsignedcharcodeIed=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0xff;uchardatadisdata5;ucharVref=5;uchara6;sbitPIN=P0A7;unsignedinttvalue;/服度值signedinttemp=0;uchartflag;/溫度正負(fù)標(biāo)

37、志signedcharth=40;/上限溫度signedchartl=20;/下限溫度sbitSPEAKER=P1A5;sbitSET=P1A0;sbitADD=P1A4;sbitSUB=P3A3;unsignedcharnum;程序*/sbitRELAY=P2A6;/*m*LCD1602voiddelay1ms(unsignedintms)/延時1毫秒(不夠精確的)unsignedinti,j;for(i=0;i<ms;i+)for(j=0;j<100;j+);)voidkeyscan()if(SET=0)delay1ms(10);if(SET=0)num+;if(num=3)n

38、um=0;while(!SET);)if(num!=0)if(ADD=0)delay1ms(10);if(ADD=0)if(num=1)th+;if(th=125)th=tl+1;)if(num=2)(tl+;)while(!ADD);)if(SUB=0)(delay1ms(10);if(SUB=0)(if(num=1)(th-;if(th=(tl+1)th=125;)if(num=2)(tl-;if(tl=-25)tl=th-1;)while(!SUB);)/*DS18B20程序*/voiddelay_18B20(unsignedinti)/施時1微秒(.while(i-);)voidds1

39、820rst()/*ds1820復(fù)位*/unsignedcharx=0;DQ=1;/DQ復(fù)位delay_18B20(4);/延時DQ=0;/DQ拉低delay_18B20(100);/精確延時大于480usDQ=1;拉高delay_18B20(40);)uchards1820rd()/*讀數(shù)據(jù)*/unsignedchari=0;unsignedchardat=0;for(i=8;i>0;i-)DQ=0;/給脈沖信號dat>>=1;DQ=1;/給脈沖信號if(DQ)dat|=0x80;delay_18B20(10);return(dat);voidds1820wr(ucharw

40、data)/*W數(shù)據(jù)*/unsignedchari=0;for(i=8;i>0;i-)DQ=0;DQ=wdata&0x01;delay_18B20(10);DQ=1;wdata>>=1;read_temp()/*讀取溫度值并轉(zhuǎn)換*/uchara,b;ds1820rst();ds1820wr(0xcc);/*跳過讀序列號*/ds1820wr(0x44);/*啟動溫度轉(zhuǎn)換*/ds1820rst();ds1820wr(0xcc);/*跳過讀序列號*/ds1820wr(0xbe);/*讀取溫度*/a=ds1820rd();b=ds1820rd();tvalue=b;tvalu

41、e<<=8;tvalue=tvalue|a;if(tvalue<0x0fff)tflag=0;elsetvalue=tvalue+1;/彳氐于零度tflag=1;tvalue=tvalue*(0.625);/溫度值擴(kuò)大10倍，精確到1位小數(shù)return(tvalue);)/*/voidds1820disp()/M度值顯示(disdata0=tvalue/1000;disdata1=tvalue%1000/100;disdata2=tvalue%100/10;disdata3=tvalue%10;/小數(shù)位/disdata=0;/)if(tflag=0)(P2=0x01;P0=l

42、eddisdata0;delay1ms(10);P2=0x02;P0=leddisdata1;delay1ms(10);P2=0x04;P0=leddisdata2;PIN=0;delay1ms(10);P2=0x08;P0=leddisdata3;delay1ms(10);)else(P2=0x01;P0=0xbf;delay1ms(10);P2=0x02;P0=ledtvalue%1000/100;delay1ms(10);P2=0x04;P0=ledtvalue%100/10;PIN=0;delay1ms(10);P2=0x08;P0=ledtvalue%10;delay1ms(10);)voiddisplayth(void)(P2=0x01;P0=0x89;delay1ms(10);if(th>0)(P2=0x02;P0=ledth/100;delay1ms(10);P2=0x04;P0=ledth%100/10;delay1ms(10);P2=0x08;P0=ledth%100%10;delay1ms(10);)else(P2=0x02;P0=0xbf;delay1ms(10);P2=0x04