單片機溫度控制器學士學位論文

畢業(yè)設(shè)計（論文）PAGE331引言1.1課題的背景及意義溫度是工業(yè)生產(chǎn)中需要控制的最常見最基本的工藝參數(shù)之一，例如：冶金、機械、電子、石油、化工、制造等行業(yè)中廣泛使用的各種加熱爐、熱處理反映爐等，對工件的處理溫度要求嚴格控制。PID溫度控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，PID控制結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)，并且具有較強的魯棒性，因而被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)過程控制中，是最廣泛的一種控制策略。從發(fā)展初期至今，PID控制器的各種參數(shù)整定方法層出不窮。但是由于PID控制器簡單的結(jié)構(gòu)使它在品質(zhì)控制上有著局限性，并且使得PID控制器對大時滯、不穩(wěn)對象等被控對象的控制性能不是很好，同時PID控制器無法同時滿足對設(shè)定值跟蹤和抑制外擾的不同性能要求[1]。因此在實際應(yīng)用中，這些先進的整定方法并沒有像預(yù)期的那樣產(chǎn)生完美的控制效果。隨著被控對象越來越復雜，如具有非線性、參數(shù)時變、數(shù)學模型無法精確獲得等特點的對象，傳統(tǒng)PID設(shè)計方法已經(jīng)很難取得良好的控制效果了。此時，用一些先進的智能算法來改進PID控制器已經(jīng)成為一種必然的趨勢了。發(fā)展至今,溫度控制技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了三個階段：1、定值開關(guān)控制；2、PID控制；3、智能控制。定值開關(guān)控制方法的原理是通過將所測溫度與設(shè)定溫度相比較,如果低于設(shè)定溫度，則啟動控制開關(guān)加熱，反之則關(guān)斷控制開關(guān)。其控溫方法比較簡單，沒有考慮溫度變化的滯后性，導致系統(tǒng)控制精度低、超調(diào)量大、震蕩明顯。PID控制溫度的效果主要取決于P、I、D三個參數(shù)。PID控制對于確定的溫度系統(tǒng)，常用于一些線性定常系統(tǒng)的控制，控制效果良好，但對于非線性系統(tǒng)，例如控制大滯后、大慣性、時變性溫度系統(tǒng)，控制品質(zhì)難以保證。智能控制為解決這問題提供了新的思路，因此成為目前工業(yè)控制質(zhì)量的重要途經(jīng)。模糊控制是智能控制研究中最為活躍而富有成果的領(lǐng)域，對于溫度控制這種復雜對象更具有良好的控制效果[2]。本文的研究對象為試驗箱，實現(xiàn)其對溫度的控制，由于其結(jié)構(gòu)相對簡單，故本文采用了改進型PID控制的方法，即分階段切換控制的思想，以下將對該研究對象做一個詳細的介紹。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀當今國內(nèi)外的自動控制技術(shù)都是基于反饋的概念。反饋理論的要素包括三個部分：測量、比較和執(zhí)行。測量關(guān)心的變量，與期望值相比較，用這個誤差糾正調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng)。這個理論和應(yīng)用自動控制的關(guān)鍵是，做出正確的測量和比較后，如何才能更好地糾正系統(tǒng)，PID控制器作為最早實用化的控制器已有50多年歷史，由于PID具有簡單、直觀、魯棒性好的特點，成為工業(yè)過程控制中最為常用的控制方式。目前，不管是國外還是國內(nèi)的溫度控制也主要采用PID控制。PID控制效果與控制參數(shù)的選擇有很大關(guān)系，而PID參數(shù)的整定是一項十分繁瑣的工作。雖然PID參數(shù)的整定和優(yōu)化的方法很多，但傳統(tǒng)的非智能整定方法如Zieger-Nichols法顯然是一種經(jīng)驗法且并非最優(yōu)解，不能獲得理想的控制效果[3]。目前智能型整定方法如模糊PID、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID雖然能較好地實現(xiàn)PID控制參數(shù)的優(yōu)化，但需要在線整定，計算量大，使得控制器的負擔很重。溫控的控制受到被控對象、環(huán)境等諸多因素的影響，難以建立精確的數(shù)學模型，采用傳統(tǒng)的控制方式控制器參數(shù)選擇將是件很困難的事。1.3一些先進理論1.3.1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與ＰＩＤ的結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種利用數(shù)理模型的方法模擬生物神經(jīng)細胞結(jié)構(gòu)及對信息的記憶和處理而構(gòu)成的信息處理方法。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以其高度的線性映射、自組織、自學習和聯(lián)想記憶等功能，可對復雜的線性系統(tǒng)建模[4]。該方法響應(yīng)速度快，抗干擾能力強、算法簡單，且易于用硬件和軟件實現(xiàn)。在溫度控制系統(tǒng)中，將溫度的影響因素作為網(wǎng)絡(luò)的輸入，將其輸出作為PID控制器的參數(shù)，以實驗數(shù)據(jù)作為樣本，在微機上反復迭代，自我完善與修止，直至系統(tǒng)收斂，得到網(wǎng)絡(luò)權(quán)值，達到自整定PID控制器參數(shù)的目的。1.3.2模糊控制與PID的結(jié)合模糊控制與PID的具體結(jié)合形式有多種，主要是Fuzzy—PID復合控制和模糊自整定PID參數(shù)的方法。Fuzzy—PID復合控制是指當系統(tǒng)偏差較大時采用模糊控制[5]，這樣響應(yīng)速度快，動態(tài)性能好：當系統(tǒng)偏差較小時采用PID控制，使其具有好的靜態(tài)性能，保證控制精度，是一種模糊控制和PID控制分階段切換控制的方法。模糊自整定PID參數(shù)的方法是根據(jù)系統(tǒng)偏差和偏差變化率，由模糊推理來調(diào)整PID參數(shù)，也就是一種以模糊規(guī)則來調(diào)節(jié)PID參數(shù)的自適應(yīng)控制方法[6]。1.3.3模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合模糊控制所依賴的專家經(jīng)驗一般不容易獲得，一成不變的控制規(guī)則也很難適應(yīng)不同被控對象的要求，所以應(yīng)該使模糊控制向著自適應(yīng)的方向發(fā)展?；谶@樣的要求，可以利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學習能力來修正系統(tǒng)偏差和偏差變化率的比例系數(shù)、修正模糊控制的隸屬函數(shù)，從而達到優(yōu)化模糊控制器的作用，進一步改進實時控制的效果[7]。綜上所述，模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及它們與傳統(tǒng)PID控制的結(jié)合，都屬于智能控制方法，都能夠適應(yīng)像溫控箱這樣具有非線性、大慣性、純滯后、時變等特點的系統(tǒng)，尤其是模糊控制，無需知道系統(tǒng)的精確信息。1.4本文的主要工作本設(shè)計任務(wù)是要設(shè)計一個實驗箱，控制對象為實驗箱的氣體，實現(xiàn)的功能是溫度測量和控溫：在測量部分，要求測量室溫～80℃的溫度范圍，測量的精度不高于0.5oC，測溫的結(jié)果要求顯示。在控制部分，要求提高溫度控制系統(tǒng)性能，縮短調(diào)節(jié)時間，提高控制精度，并在液晶顯示屏顯示溫度隨時間的實時變化。主要性能指標有：(1)測量精度：±0.5℃；(2)控制精度：±1℃；(3)溫度設(shè)定范圍：室溫～80℃。(4)顯示：液晶顯示當前溫度和設(shè)定溫度，并繪制出溫度的實時曲線。

2方案論證2.1硬件設(shè)計方案對題目進行深入的分析和思考，可將整個系統(tǒng)分為以下幾個部分：控制器電路、溫度測量電路、鍵盤與液晶顯示電路、功率驅(qū)動電路，PC上位機系統(tǒng)。2.1.1控制器電路

方案一：采用運放等模擬電路搭建一個控制器，用模擬方式實現(xiàn)PID控制，對于純粹的溫度控制，這是足夠的。但是附加顯示、溫度設(shè)定等功能，還要附加許多電路，稍顯麻煩。同樣，使用邏輯電路也可實現(xiàn)控制功能，但總體的電路設(shè)計和制作比較煩瑣。方案二：采用FPGA實現(xiàn)控制功能。使用FPGA時，電路設(shè)計比較簡單，通過相應(yīng)的編程設(shè)計，可以很容易地實現(xiàn)控制和顯示、鍵盤等功能，是一種可選的方案。但與單片機相比，價格較高，顯然大材小用[8]。方案三：采用單片機最小系統(tǒng)同時完成控制、顯示、鍵盤等功能，電路設(shè)計和制作比較簡單，成本也低，是一種非常好的方案。綜上所述本設(shè)計采用方案三作為控制電路。對于單片機的型號有如下兩個方案：方案一：采用凌陽公司的SPCE061A單片機作為控制器的方案。該單片機I/O資源豐富，并集成了語音功能。芯片內(nèi)置JTAG電路，但價格較高，相對性價比較低，且需要一定基礎(chǔ)。方案二：采用STC89C52單片機實現(xiàn)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集及處理，它是MCS-52系列單片機的派生產(chǎn)品，使用時容易掌握。STC89C52運行高速(最高時鐘頻率90MHz)、低功耗、價格低、穩(wěn)定可靠、應(yīng)用廣泛、通用性強，在系統(tǒng)/在應(yīng)用可編程(ISP，IAP)，不占用戶資源。本系統(tǒng)利用了STC89C52單片機，采用外部11.0592MHz晶振[9]。 將兩個方案比較便可得出一個結(jié)論，采用STC89C52單片機來實現(xiàn)本題目，電路簡單，成本較低，經(jīng)實驗運行證明工作可靠，故選用STC89C52為該控制系統(tǒng)的核心。

2.1.2溫度測量電路溫控箱控制系統(tǒng)是一個過程控制系統(tǒng)，在設(shè)計的過程中，必須明確它的組成部分。過程控制系統(tǒng)的組成部分有：控制器、執(zhí)行器、被控對象和測量變送單元。如圖所示。圖2—1控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖由圖可知，在這個系統(tǒng)的設(shè)計中，主要設(shè)計如圖幾個部分。除此之外，根據(jù)題目要求，還要選取合適的控制算法來達到系統(tǒng)參數(shù)的要求。對于執(zhí)行器件、測量變送元件將在部分電路設(shè)計中有說明。在這個部分主要是對控制器的確定和控制算法的選擇作一個詳細的介紹。因為這兩部分是實現(xiàn)本系統(tǒng)控制目的的關(guān)鍵。它們選取的好壞將直接影響著整個系統(tǒng)實現(xiàn)效果的優(yōu)劣，所以這是一項不容忽視的工作。 方案一：采用pt100或pt1000，但使用時往往有可能因為某些原因?qū)е抡w系統(tǒng)不能達到pt100或pt1000自身所能實現(xiàn)的精度，且需配套使用AD7705A/D轉(zhuǎn)換器，大大增加了復雜性和成本。況且在應(yīng)用時，調(diào)理過程相當?shù)膹碗s，價格比較貴。 方案二：采用DS18B20，該傳感器測溫范圍為-55℃-+125℃，12位可編程測量分辨率為0.0625℃,在10～70℃的絕對精度也大多滿足0.5℃。最重要的是，18B20傳輸方式為數(shù)字式，采用單總線專用技術(shù)，非常節(jié)約I/O口[10]。既可通過串行口線，也可通過其它I/O口線與微機接口，無須經(jīng)過其它變換電路，直接輸出被測溫度值（9位二進制數(shù)，含符號位），適配各種單片機或系統(tǒng)機，內(nèi)含寄生電源，這大大降低了操作和編程的難度。相對于Pt00或Pt000，DS18B20的價格低廉。 將此兩個方案作比較，最終選擇DS18B20作為溫度傳感器。2.1.3鍵盤與液晶顯示電路

鍵盤功能：選擇被標定和分析的傳感器，設(shè)置溫度范圍，選擇要查看的對象，綜合這些要求，本系統(tǒng)采用四個獨立小按鍵，分別為啟動模式、設(shè)置模式、賦值模式、換位模式。液晶顯示部分方案一：采用液晶1602顯示溫度，1602可以顯示溫度數(shù)值和ASCII碼，但無法顯示漢字且其兩行中間有間斷，不適合顯示溫度隨時間變化的曲線顯示測量溫度值。方案二：采用12864液晶顯示器。12864是一種內(nèi)置8192個16×16點漢字庫和128個字符（8×16）及64×256點陣顯示RAM(GDRAM)的圖形點陣液晶顯示器,它主要由行驅(qū)動器、列驅(qū)動器及128×64全點陣液晶顯示屏組成,含有2MBROM提供的8192個漢字和16KBROM提供的128個字符,可完成圖形顯示,也可以顯示漢字[11]。12864液晶顯示器能識別18條指令，分別實現(xiàn)光標顯示、畫面移位、自定義字符、睡眠模式等多種功能。與微處理器的連接方式有并口和串口兩種。并口相對于串口雖然用了較多的I/O口，但是數(shù)據(jù)傳輸速度快得多。綜合比較而言，我們最終選擇了12864液晶顯示器作為液晶顯示模塊。2.1.4功率驅(qū)動電路本設(shè)計采用電熱絲發(fā)熱，交流220V電壓供電。由于采用的STC89C52單片機可以直接產(chǎn)生PWM波，所以不需要再另行設(shè)計產(chǎn)生PWM波的模擬電路。為了將控制電路與驅(qū)動電路進行有效的電氣隔離，將STC89C52單片機的I/O口輸出之間接到光電耦合器上。但是光電耦合芯片輸出的電流功率太小，不足以驅(qū)動加熱體。在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，加熱系統(tǒng)需要較大功率，使用開關(guān)電源供電，大功率開關(guān)電源較難找，所以改用市電220V作為加熱體電源。其驅(qū)動電路改為過零觸發(fā)型固態(tài)繼電器。2.1.5硬件設(shè)計最終方案

最終方案的選擇經(jīng)過上述各個模塊電路的分別討論，本著簡單、實用的原則，綜合考慮硬件構(gòu)成件編程的復雜程度以及價格和題目所要求的精確度等因素，最后決定選用了一個比較典型的硬件方案：(1)采用STC89C52芯片(2)溫度傳感器選用DS18B20集成數(shù)組測溫電路(3)液晶顯示采用12864液晶(4)鍵盤采用4個獨立按鍵(5)驅(qū)動電路由固態(tài)繼電器，碳纖維加熱絲等組成(6)上位機串口通訊使用MAX232芯片2.2軟件設(shè)計方案如前文所述，溫度控制經(jīng)歷了三個階段。第一是定值開關(guān)控制，第二是基本PID控制，第三是智能控制。由于定值開關(guān)控制原理上比較簡單，所以此處我們暫且不介紹。關(guān)于基本PID控制與文中采用的改進型PID控制算法，我們將在下文予以詳細介紹。2.2.1PID控制技術(shù)簡介PID控制是在連續(xù)生產(chǎn)過程控制中，將偏差的比例(Proportional)、積分(Integral)、微分(Derivative)通過線形組合構(gòu)成控制量，對控制對象進行控制。在常規(guī)PID的應(yīng)用中P、I、D三個參數(shù)往往根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備情況或調(diào)試經(jīng)驗人工設(shè)定的，通過調(diào)試實驗改變參以改變控制性能。PID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，由于其算法簡單、易于實和可靠性高，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制，尤其適用于可建立精確數(shù)學模型的確定性控系統(tǒng)。對于PID這樣簡單的控制器，能夠適用于如此廣泛的工業(yè)與民用對象，并仍以很高的性能/價格比在市場中占據(jù)著重要地位，充分地反映了PID控制器的良好品質(zhì)。概括地講，PID控制的優(yōu)點主要體現(xiàn)在以下兩個方面：(1)實現(xiàn)方便，控制原理簡單，是一種能夠滿足大多數(shù)實際需要的基本控制器。(2)控制器適用于多種截然不同的對象，算法在結(jié)構(gòu)上具有較強的魯棒性。確切的說，在很多情況下其控制品質(zhì)對被控對象的結(jié)構(gòu)或參數(shù)變化不敏感。但從另一方面來講，控制算法的普遍適應(yīng)性也反映了PID控制器在控制品質(zhì)上的局限性。具體分析，其局限性主要來自以下幾方面：(1)算法結(jié)構(gòu)的簡單性決定了PID控制比較適用于SISO最小相位系統(tǒng)，在處理大時滯、開環(huán)不穩(wěn)定過程等難控對象時，需要通過多個PID控制器或與其它控制器的組合，才能得到較好的控制效果。(2)結(jié)構(gòu)的簡單性同時決定了PID控制只能確定閉環(huán)系統(tǒng)的少數(shù)主要零極點，閉環(huán)特性從根本上是基于動態(tài)特性的低階近似假定的。(3)出于同樣原因，決定了常規(guī)PID控制器無法同時滿足跟蹤設(shè)定值和抑制擾動的不同性能要求。2.2.2PID控制原理在模擬控制系統(tǒng)中，最常見的控制規(guī)律就是PID控制。模擬PID控制系統(tǒng)的原理框圖如圖2-1所示，系統(tǒng)由PID控制器和被控對象組成。圖2-2PID控制結(jié)構(gòu)框圖1、PID調(diào)節(jié)器的微分方程式中2、PID調(diào)節(jié)器的傳輸函數(shù)(1)比例作用對控制性能的影響比例增益KP引入是為了及時地反映控制系統(tǒng)的偏差信號，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)作用立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，使系統(tǒng)偏差快速向減小的趨勢變化。當比例增益KP大的時候，PID控制器可以加快調(diào)節(jié)，但是過大的比例增益會使調(diào)節(jié)過程出現(xiàn)較大的超調(diào)量，從而降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在某些嚴重的情況下，甚至可能造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。(2)積分作用對控制性能的影響積分作用的引入是為了使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的無差度，以保證實現(xiàn)對設(shè)定值的無靜差跟蹤。假設(shè)系統(tǒng)己經(jīng)處于閉環(huán)穩(wěn)定狀態(tài)，此時的系統(tǒng)輸出和誤差量保持為常值Uo和Eo，則由式(2-5)可知，只有當且僅當動態(tài)誤差e(t)=o時，控制器的輸出才是常數(shù)。因此，從原理上看，只要控制系統(tǒng)存在動態(tài)誤差，積分調(diào)節(jié)就產(chǎn)生作用，直至無PID控制器參數(shù)自整定方法的研究與實現(xiàn)差，積分作用就停止，此時積分調(diào)節(jié)輸出為一個常值。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)TI的大小，TI越小，積分作用越強，反之則積分作用弱。積分作用的引入會使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動態(tài)響應(yīng)變慢。實際中，積分作用常與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組成PI控制器或者PD控制器。(3)微分作用對控制性能的影響微分作用的引入，主要是為了改善控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。微分作用能反映系統(tǒng)偏差的變化律，預(yù)見偏差變化的趨勢，因此能產(chǎn)生超前的控制作用。直觀而言，微分作用能在偏差還沒有形成之前，就己經(jīng)消除偏差。因此，微分作用可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。微分作用的強弱取決于微分時間TD的大小，TD越大，微分作用越強，反之則越弱。在微分作用合適的情況下，系統(tǒng)的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間可以被有效的減小。從濾波器的角度看，微分作用相當于一個高通濾波器，因此它對噪聲干擾有放大作用，而這是我們在設(shè)計控制系統(tǒng)時不希望看到的。所以我們不能過強地增加微分調(diào)節(jié)，否則會對控制系統(tǒng)抗干擾產(chǎn)生不利的影響。此外，微分作用反映的是變化率，當偏差沒有變化時，微分作用的輸出為零。2.2.3PID控制器參數(shù)整定的基本方法PID參數(shù)的整定方法可以分為時域整定和頻域整定兩大類。時域方法中最基本的是Ziegler和Nichol提出的Z-N階躍響應(yīng)法[12]。在實際的應(yīng)用中傳統(tǒng)的Z-N定方法有著多種變型，最常見的有Cohen-Coon法與CHR法。其中CHR方法就是通過改變階躍響應(yīng)以得出較好的閉環(huán)特性的一種方法[13]。CHR方法有兩種控制策略，即“無超調(diào)的最快響應(yīng)”控制策略和“具有20%超調(diào)的最快響應(yīng)”控制策略。相對于時域方法，在工業(yè)實踐中頻域響應(yīng)方法的應(yīng)用更為廣泛。基本的原理就是在一個就是或更多頻率點設(shè)法獲得被控過程的某些特征從而實現(xiàn)PD控制器的參數(shù)整定。這種方法是非參數(shù)估計方法。與之對應(yīng)的基于被控過程模型參數(shù)估計的參數(shù)整定方法按控制器參數(shù)設(shè)計原理可分為:基于極點配置、基于相消原理、基于經(jīng)驗規(guī)則和基于二次型性能指標等幾類?；陬l域的參數(shù)整定方法主要有如下幾種:1)Z-N:應(yīng)用最廣的方法就是Z-N頻域響應(yīng)法又稱Z-N第二方法。通過增加比例控制器的增益使控制回路達到臨界穩(wěn)定狀態(tài)的試驗方法來確定臨界點。在頻域上就是Nyquist曲線和負實軸的交點，得到臨界增Ku，臨界周期Tu。2)一些超調(diào)規(guī)則(SO-OV):目的是為了使設(shè)定值變化響應(yīng)的超調(diào)量減少。3)無超調(diào)規(guī)則(NO-OV):使設(shè)定值變化的響應(yīng)沒有超調(diào)。4)Mantz-Tacconiz-N(MT-ZN):可獲得Z-N規(guī)則調(diào)節(jié)性能的兩自由度控制器[7]。5)改進Ziegler-Nichols法(RZN):該規(guī)則在Z-N整定規(guī)則中增加了標準化增益k和準化滯后時間，整定方法因此又叫做KT法[8]。6)平方時間加權(quán)偏差的積分(ISTE):基于傳遞函數(shù)模型的PID控制器優(yōu)化設(shè)計整定式?；趨?shù)估計的PD參數(shù)整定方法有Cohen和Coon提出的針對FOPDT模型用于抗負載干擾的基于極點配置的時域參數(shù)整定方法[14]。該方法通過配置主導極點產(chǎn)生一個25%的衰減比。以上幾個就是比較常用的PID控制器參數(shù)整定的基本方法。之后產(chǎn)生的改進算法也是基于此基礎(chǔ)上行程的。2.2.4PID控制器的優(yōu)缺點對于PID這樣簡單的控制器，能夠適用于如此廣泛的工業(yè)與民用對象，并仍以很高的性能/價格比在市場中占據(jù)著重要地位，充分地反映了PID控制器的良好品質(zhì)。概括地講，PID控制的優(yōu)點主要體現(xiàn)在以下兩個方面：1）原理簡單、實現(xiàn)方便，是一種能夠滿足大多數(shù)實際需要的基本控制器。2）控制器適用于多種截然不同的對象，算法在結(jié)構(gòu)上具有較強的魯棒性。確切的說，在很多情況下其控制品質(zhì)對被控對象的結(jié)構(gòu)或參數(shù)變化不敏感。但從另一方面來講，控制算法的普遍適應(yīng)性也反映了PID控制器在控制品質(zhì)上的局限性。具體分析，其局限性主要來自以下幾方面：3）算法結(jié)構(gòu)的簡單性決定了PID控制比較適用于SISO最小相位系統(tǒng)，在處理大時滯、開環(huán)不穩(wěn)定過程等難控對象時，需要通過多個PID控制器或與其它控制器的組合，才能得到較好的控制效果[15]。4）結(jié)構(gòu)的簡單性同時決定了PID控制只能確定閉環(huán)系統(tǒng)的少數(shù)主要零極點，閉環(huán)特性從根本上是基于動態(tài)特性的低階近似假定的。5）出于同樣原因，決定了常規(guī)PID控制器無法同時滿足跟蹤設(shè)定值和抑制擾動的不同性能要求。2.2.5軟件最終設(shè)計方案本文的研究對象為溫控試驗箱，由于控制對象空氣具有大滯后、大慣性、時變性等特征，單純的PID控制難以達到控制的目的，控制品質(zhì)難以保證。本文在研究了PID算法的優(yōu)缺點之后結(jié)合，提出了改進型PID控制算法的思想，即分階段控制的思想[16]。該控制算法具有較強的自適應(yīng)能力和魯棒性，因此，能夠滿足多干擾，變參數(shù)和非線性控制的要求。其核心是大偏差采用全功率加熱的控制思想，小偏差采用經(jīng)典PID控制算法的思想，這樣既提高了響應(yīng)速度，又增加了控制精度，從而使兩者的優(yōu)點得以充分發(fā)揮，更重要的是P，I，D的三個參數(shù)可以上位機上進行實時調(diào)整。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計部分圖3-1系統(tǒng)總體框圖本系統(tǒng)是基于單片機的應(yīng)用開發(fā)，集環(huán)境溫度的信號采集、數(shù)據(jù)的處理及溫度的保持控制等等為一體的數(shù)字控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的設(shè)計思想：本系統(tǒng)STC89C52單片機為核心，采用溫度傳感器DS18B20，MAX232芯片及PID算法實現(xiàn)了對溫度的精確控制。實現(xiàn)對范圍、溫度值的設(shè)定，執(zhí)行、顯示實時溫度。3.1溫度試驗箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計只有性能良好，結(jié)構(gòu)設(shè)計合理的試驗箱與控制電路精密配合，才能獲得高的溫度穩(wěn)定度，從而保證達到系統(tǒng)要求。對試驗箱的結(jié)構(gòu)和工藝主要要求是：密封性能好；保溫層導熱系數(shù)小，以保證保溫性能好；加熱體有足夠的熱容量。只有滿足這些要求，才能減小起始加熱功率、平衡狀態(tài)下加熱功率、穩(wěn)定加熱時間和箱內(nèi)控制溫度的波動。本溫度試驗箱用厚度為15mm木板制作，加工方便，滿足實驗所要求的溫度20～110oC，其熱導系數(shù)低，保溫效果好。3.2PC上位機串口通訊單片機有一個全雙工的串行通信口，所以單片機和PC機之間可以方便地進行串口通信，用以下載程序或者在線調(diào)試。進行串行通信時要滿足一定的條件PC機的串口是RS-232電平的，而單片機的串口是TTL電平的，兩者之間必須有一個電平轉(zhuǎn)換電路，一般采用專用芯片MAX232進行轉(zhuǎn)換[17]。MAX232的引腳圖如圖2-9所示。圖3-2MAX232引腳圖MAX232內(nèi)部有電荷汞電壓轉(zhuǎn)換器，可將+5V電源變換成RS232所需的±10V電壓，以實現(xiàn)電壓的轉(zhuǎn)換，既符合RS-232的要求，又可實現(xiàn)+5V單電源供電；所以MAX232收發(fā)器電路給短距離串行通信帶來極大的方便。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-3所示。圖3-3MAX232的內(nèi)部結(jié)構(gòu)從圖3-3中可以看出，其結(jié)構(gòu)基本可分為三個部分，即：1．電荷泵電路由1、2、3、4、5、6腳和4只電容構(gòu)成。功能是產(chǎn)生+12V和-12V兩個電源，提供給RS-232串口電平的需要。2.數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道由7、8、9、10、11、12、13、14腳構(gòu)成兩個數(shù)據(jù)通道。其中13腳（R1IN）、12腳（R1OUT）、11腳（T1IN）、14腳（T1OUT）為第一數(shù)據(jù)通道。8腳（R2IN）、9腳（R2OUT）、10腳（T2IN）、7腳（T2OUT）為第二數(shù)據(jù)通道。TTL/CMOS數(shù)據(jù)從T1IN、T2IN輸入轉(zhuǎn)換成RS-232數(shù)據(jù)從T1OUT、T2OUT送到PC機的串行接口；串行口RS-232數(shù)據(jù)從R1IN、R2IN輸入轉(zhuǎn)換成TTL/CMOS數(shù)據(jù)后從R1OUT、R2OUT輸出。3.供電15腳DNG、16腳VCC（+5V）。3.312864液晶顯示模塊圖3-412864液晶框圖12864A-1漢字圖形點陣液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置8192個中文漢字（16X16點陣）、128個字符（8X16點陣）及64X256點陣顯示RAM（GDRAM）[18]。主要技術(shù)參數(shù)和顯示特性:電源：VDD3.3V~+5V(內(nèi)置升壓電路，無需負壓)；顯示內(nèi)容：128列×64行顯示顏色：黃綠顯示角度：6：00鐘直視LCD類型：STN與MCU接口：8位或4位并行/3位串行配置LED背光多種軟件功能：光標顯示、畫面移位、自定義字符、睡眠模式等3.4DS18B20溫度傳感器DS18B20數(shù)字溫度傳感器接線方便，封裝成后可應(yīng)用于多種場合，如管道式，螺紋式，磁鐵吸附式，不銹鋼封裝式，型號多種多樣，有LTM8877，LTM8874等等。主要根據(jù)應(yīng)用場合的不同而改變其外觀。封裝后的DS18B20可用于電纜溝測溫，高爐水循環(huán)測溫，鍋爐測溫，機房測溫，農(nóng)業(yè)大棚測溫，潔凈室測溫，彈藥庫測溫等各種非極限溫度場合。耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測溫和控制領(lǐng)域。（1）獨特的單線接口方式：DS18B20與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。（2）在使用中不需要任何外圍元件。（3）可用數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍：+3.0~+5.5V。（4）測溫范圍：-55~+125℃。固有測溫分辨率為0.5℃。（5）通過編程可實現(xiàn)9~12位的數(shù)字讀數(shù)方式。（6）用戶可自設(shè)定非易失性的報警上下限值。（7）支持多點組網(wǎng)功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在惟一的三線上，實現(xiàn)多點測溫。（8）負壓特性，電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。圖3-5DS18B20測溫原理圖DS18B20的讀寫時序和測溫原理與DS1820相同，只是得到的溫度值的位數(shù)因分辨率不同而不同，且溫度轉(zhuǎn)換時的延時時間由2s減為750ms。DS18B20測溫原理如圖3-5所示。圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為計數(shù)器2的脈沖輸入。計數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在－55℃所對應(yīng)的一個基數(shù)值。計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當計數(shù)器1的預(yù)置值減到0時，溫度寄存器的值將加1，計數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，計數(shù)器1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)直到計數(shù)器2計數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。圖3中的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正計數(shù)器1的預(yù)置值。3.5繼電器模塊固態(tài)繼電器(SolidStateRelays,縮寫SSR)是一種無觸點電子開關(guān)，由分立元器件、膜固定電阻網(wǎng)絡(luò)和芯片，采用混合工藝組裝來實現(xiàn)控制回路(輸入電路)與負載回路(輸出電路)的電隔離及信號耦合，由固態(tài)器件實現(xiàn)負載的通斷切換功能，內(nèi)部無任何可動部件[19]。盡管市場上的固態(tài)繼電器型號規(guī)格繁多，但它們的工作原理基本上是相似的。主要由輸入(控制)電路，驅(qū)動電路和輸出(負載)電路三部分組成。固態(tài)繼電器的輸入電路是為輸入控制信號提供一個回路，使之成為固態(tài)繼電器的觸發(fā)信號源。固態(tài)繼電器的輸入電路多為直流輸入，個別的為交流輸入。直流輸入電路又分為阻性輸入和恒流輸入。阻性輸入電路的輸入控制電流隨輸入電壓呈線性的正向變化。恒流輸入電路，在輸入電壓達到一定值時，電流不再隨電壓的升高而明顯增大，這種繼電器可適用于相當寬的輸入電壓范圍。固態(tài)繼電器的驅(qū)動電路可以包括隔離耦合電路、功能電路和觸發(fā)電路三部分。隔離耦合電路，目前多采用光電耦合器和高頻變壓器兩種電路形式。常用的光電耦合器有光－三極管、光－雙向可控硅、光－二極管陣列(光－伏)等。高頻變壓器耦合，是在一定的輸入電壓下，形成約10MHz的自激振蕩，通過變壓器磁芯將高頻信號傳遞到變壓器次級。功能電路可包括檢波整流、過零、加速、保護、顯示等各種功能電路。觸發(fā)電路的作用是給輸出器件提供觸發(fā)信號。固態(tài)繼電器的輸出電路是在觸發(fā)信號的控制下，實現(xiàn)固態(tài)繼電器的通斷切換。輸出電路主要由輸出器件(芯片)和起瞬態(tài)抑制作用的吸收回路組成，有時還包括反饋電路。目前，各種固態(tài)繼電器使用的輸出器件主要有晶體三極管(Transistor)、單向可控硅(Thyristor或SCR)、雙向可控硅(Triac)、MOS場效應(yīng)管(MOSFET)、絕緣柵型雙極晶體管(IGBT)等。固態(tài)繼電器原理固態(tài)繼電器(SolidstateRelay,SSR)是一種由固態(tài)電子組件組成的新型無觸點開關(guān)，利用電子組件（如開關(guān)三極管、雙向可控硅等半導體組件）的開關(guān)特性，達到無觸點、無火花、而能接通和斷開電路的目的，因此又被稱為“無觸點開關(guān)”。相對于以往的“線圈—簧片觸點式”繼電器(ElectromechanicalRelay,EMR)，SSR沒有任何可動的機械零件，工作中也沒有任何機械動作，具有超越EMR的優(yōu)勢，如反應(yīng)快、可靠度高、壽命長（SSR的開關(guān)次數(shù)可達108"109次，比一般EMR的106高出百倍）、無動作噪聲、耐震、耐機械沖擊、具有良好的防潮防霉防腐特性。這些特點使SSR在軍事、化工、和各種工業(yè)民用電控設(shè)備中均有廣泛應(yīng)用。固態(tài)繼電器的控制信號所需的功率極低，因此可以用弱信號控制強電流。同時交流型的SSR采用過零觸發(fā)技術(shù)，使SSR可以安全地用在計算機輸出接口，不會像EMR那樣產(chǎn)生一系列對計算機的干擾，甚至會導致嚴重當機。比較常用的是DIP封裝的型式?？刂齐妷汉拓撦d電壓按使用場合可以分成交流和直流兩大類，因此會有DC-AC、DC-DC、AC-AC、AC-DC四種型式，它們分別在交流或直流電源上做負載的開關(guān)，不能混用.按負載電源的類型不同可將SSR分為交流固態(tài)繼電器(AC—SSR)和直流固態(tài)繼電器(DC—SSR)。AC—SSR是以雙向晶閘管作為開關(guān)器件，用來接通或斷開交流負載電源的固態(tài)繼電器。AC—SSR的控制觸發(fā)方式不同，又可分為過零觸發(fā)型和隨機導通型兩種。過零觸發(fā)型AC—SSR是當控制信號輸入后，在交流電源經(jīng)過零電壓附近時導通，故干擾很小。隨機導通型AC—SSR則是在交流電源的任一相位上導通或關(guān)斷，因此在導通瞬間可能產(chǎn)生較大的干擾。工作原理過零觸發(fā)型AC—SSR為四端器件，其內(nèi)部電路如圖1所示。1、2為輸入端，3、4為輸出端。R0為限流電阻，光耦合器將輸入與輸出電路在電氣上隔離開，V1構(gòu)成反相器，R4、R5、V2和晶閘管V3組成過零檢測電路，UR為雙向整流橋，由V3和UR用以獲得使雙向晶閘管V4開啟的雙向觸發(fā)脈沖，R3、R7為分流電阻，分別用來保護V3和V4，R8和C組成浪涌吸收網(wǎng)絡(luò)，以吸收電源中帶有的尖峰電壓或浪涌電流，防止對開關(guān)電路產(chǎn)生沖擊或干擾。圖3-6固態(tài)繼電器典型應(yīng)用圖要指出的是所謂“過零”并非真的必須是電源電壓波形的零處，而一般是指在10～25V或-(10～25)V區(qū)域內(nèi)進行觸發(fā)，如圖2所示。圖中交流電壓分三個區(qū)域，Ⅰ區(qū)為-10V～+10V范圍，稱為死區(qū)，在此區(qū)域中加入輸入信號時不能使SSR導通。Ⅱ區(qū)為10～25V和-(10～25)V范圍，稱為響應(yīng)區(qū)，在此區(qū)域內(nèi)只要加入輸入信號，SSR立即導通。Ⅲ區(qū)為幅值大于25V的范圍，稱為抑制區(qū)在此區(qū)域內(nèi)加入輸入信號，SSR的導通被抑制。圖3-7SSR導通特性圖當輸入端未加電壓信號時，光耦合器的光敏晶體管因未接收光而截止，V1飽和，V3和V4因無觸發(fā)電壓而截止，此時SSR關(guān)閉。當加入輸入信號時，光耦合器中的發(fā)光二極管發(fā)光，光敏晶體管飽和，使V1截止。此時若V3兩端電壓在-(10～25)V或10～25V范圍內(nèi)時，只要適當選擇分壓電阻R4和R5，就可使V2截止，這樣使V3觸發(fā)導通，從而使V4的控制極上得到從R6→UR→V3→UR→R7或反方向的觸發(fā)脈沖，而使V4導通，使負載接通交流電源。而若交流電壓波形在圖2中的Ⅲ區(qū)內(nèi)時，則因V2飽和而抑制V3和V4的導通，而使SSR被抑制，從而實現(xiàn)了過零觸發(fā)控制。由于10～25V幅值與電源電壓幅值相比可近似看作“零”。因此，一般就將過零電壓粗略地定義為0～±25V，即認為在此區(qū)域內(nèi)，只要加入輸入信號，過零觸發(fā)型AC—SSR都能導通。當輸入端電壓信號撤除后，光耦合器中的光敏晶體管截止，V1飽和，V3截止，但此時V4仍保持導通，直到負載電流隨電源電壓減小到小于雙向晶閘管的維持電流時，SSR才轉(zhuǎn)為截止。SSR的輸出端器件可分為雙向晶閘管和兩只單向晶閘管反并聯(lián)形式。若負載為電動機一類的感性負載，則其靜態(tài)電壓上升率dv/dt是一個重要參數(shù)。由于單向晶閘管靜態(tài)電壓上升率(200V/μs)大大高于雙向晶閘管的換向指標(10V/μs)，因此若采用兩只大功率單向晶閘管反并聯(lián)代替雙向晶閘管，一方面可提高輸出功率；另一方面也可提高耐浪涌電流的沖擊能力，這種SSR稱為增強型SSR。3.6碳纖維加熱絲使用大功率水泥電阻充當發(fā)熱體，在水泥電阻外加裝散熱片提高散熱速率。強制試驗箱箱內(nèi)空氣流動，減小整個溫度控制系統(tǒng)滯后系數(shù)。經(jīng)過論證，選擇電熱絲充當發(fā)熱體，采用220v安全電壓供電，PWM控制，由于電熱絲熱容量小，通電后升溫快，加熱絲本身熱容量小，溫度控制精度高。3.7鍵盤輸入電路本系統(tǒng)中，鍵盤輸入電路采用獨立式的鍵盤，本鍵盤完成的功能為輸入控制系統(tǒng)的設(shè)定值。通過設(shè)定值和系統(tǒng)的采樣值進行比較，求出系統(tǒng)的誤差及誤差變化率，供PID控制子程序使用。系統(tǒng)中的4個鍵均選用按鈕開關(guān)。為此，采用4個鍵來搭配鍵盤電路，4位鍵盤輸入分別連接到單片機的P1.0到P1.3。鍵盤電路如圖3-8所示：圖3-8鍵盤電路第1個鍵用來判斷是否轉(zhuǎn)入鍵盤處理子程序運行。若未按下，則在系統(tǒng)程序中運行，若按下則轉(zhuǎn)入鍵盤處理子程序運行，并且在設(shè)置完成后，通過按該鍵確認設(shè)定值，返回主程序中。若設(shè)置鍵按下，則后面2個鍵開始起作用。設(shè)置鍵是讓程序進入設(shè)置狀態(tài)，設(shè)置升溫溫度上限。換位鍵改變當前設(shè)置位，百位、十位、個位依次循環(huán)。當換到哪個位時，按下賦值鍵，當前位數(shù)字從0到9循環(huán)改變。設(shè)置完按啟動鍵，系統(tǒng)確認輸入值并啟動系統(tǒng)。系統(tǒng)中編寫的鍵盤處理子程序，主要注重以下3個問題：l、如何減少開關(guān)的使用次數(shù)，提高開關(guān)的使用壽命。2、如何更快捷、更方便的給出設(shè)定值。3、如何更有利于程序的整體調(diào)度。本設(shè)計盡量減少了鍵盤數(shù)，減少了對單片機I/O占用。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計部分圖4-1主程序流程圖溫度控制系統(tǒng)的程序設(shè)計有著豐富的先例，本設(shè)計主程序調(diào)用了5個子程序，分別是LCD顯示程序，按鍵掃描及處理程序，溫度采集程序，溫度判決程序，驅(qū)動程序。LCD顯示程序，用于溫度等數(shù)據(jù)的實時顯示；按鍵掃描及處理程序，實現(xiàn)按鍵識別、按鍵輸入及相關(guān)處理；溫度采集程序負責把DS18B20所采集的現(xiàn)場溫度讀入到指定的數(shù)組中；溫度判決程序，對現(xiàn)場溫度與設(shè)定的溫度上下限進行比較，并得出需要輸出的控制量。主程序流程圖如圖4-1所示。4.1數(shù)字PID控制的實現(xiàn)在連續(xù)-時間控制系統(tǒng)（模擬PID控制系統(tǒng)）中，PID控制器應(yīng)用得非常廣泛。其設(shè)計技術(shù)成熟，長期以來形成了典型的結(jié)構(gòu)，參數(shù)整定方便，結(jié)構(gòu)更改靈活，能滿足一般的控制要求。隨著計算機的快速發(fā)展，人們將計算機引入到PID控制領(lǐng)域，也就出現(xiàn)了數(shù)字式PID控制[20]。由于計算機基于采樣控制理論，計算方法也不能沿襲傳統(tǒng)的模擬PID控制算法，所以必須將控制模型離散化，離散化的方法：以T為采樣周期，k為采樣序號，用求和的形式代替積分，用增量的形式（求差）代替微分，這樣可以將連續(xù)的PID計算公式離散：這樣就可以讓計算機或者單片機通過采樣的方式實現(xiàn)PID控制，具體的PID控制又分為位置式PID控制和增量式PID控制，公式6.4給出了控制量的全部大小，所以稱之為全量式或者位置式控制；如果計算機只對相鄰的兩次作計算，只考慮在前一次基礎(chǔ)上，計算機輸出量的大小變化，而不是全部輸出信息的計算，這種控制叫做增量式PID控制算法，其實質(zhì)就是求Δμ的大小，而Δk=μk-μ(k-1)；4.2溫度控制PID算法設(shè)計圖4-2增量式PID控制算法程序流程圖本設(shè)計利用了上面所介紹的位置式PID算法，將溫度傳感器采樣輸入作為當前輸入，然后與設(shè)定值進行相減得偏差，然后再對之進行PID運算產(chǎn)生輸出結(jié)果，然后讓控制定時器的時間進而控制加熱器。為了方便PID運算，首先建立一個PID的結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)類型，該數(shù)據(jù)類型用于保存PID運算所需要的P、I、D系數(shù)，以及設(shè)在實際運算時，由于空氣具有很大的熱慣性，而且PID運算中的I（積分項）具有非常明顯的延遲效應(yīng)所以不能保留，我們必須把積分項去掉，相反微分項則有很強的預(yù)見性，能夠加快反應(yīng)速度，抑制超調(diào)量，系統(tǒng)最終選擇PD控制方案[21]。4.3程序流程圖改進型PID算法模型溫度調(diào)節(jié)曲線如下：圖2-6PID算法溫度調(diào)節(jié)曲線圖中T為系統(tǒng)溫度，Ｔa為設(shè)定溫度?？販剡^程分三個階段進行：快速加熱、溫度調(diào)節(jié)和恒溫保持。其中第一階段只有快速升溫過程，后兩階段均由升溫和降溫過程即溫度調(diào)節(jié)過程組成。根據(jù)設(shè)計需要對各階段如下：在快速加熱階段即在溫度達到Tr之前，加熱速度要快，使系統(tǒng)溫度在盡量短的時間內(nèi)達到溫度Ｔa。在達到Ｔa使就停止加熱，之后由于熱慣性，系統(tǒng)溫度繼續(xù)升高，使得系統(tǒng)溫度超過Ｔa達到最高點A點。在溫度調(diào)節(jié)階段，以T1、T2為分界點，降溫與升溫過程重復出現(xiàn)。進入恒溫維持階段，要求系統(tǒng)溫度T能穩(wěn)定在設(shè)定溫度Ta附近并保持足夠的時間。曲線上A、B、C為極大值點，D、E、F為極小值點，他們的絕對值隨時間增加都在減小，進入恒溫維持階段階段后在誤差允許的范圍內(nèi)趨于穩(wěn)定。模型曲線中控制參量的確定：模型曲線中的控制參量值是在反復多次試驗的基礎(chǔ)上確定的。在模型曲線中，Ｔa是預(yù)設(shè)的溫度值，Tr和T2是系統(tǒng)停止加熱的起始點，T1是系統(tǒng)開始加熱的起始點.T1=Ｔa-T1=5℃,△T2=T2-Ｔa=-5℃是系統(tǒng)加熱和調(diào)節(jié)過程中的兩個門限值。在快速加熱的過程中，當系統(tǒng)的溫度第一次達到預(yù)置的某個階段的設(shè)定溫度即達到Tr時，系統(tǒng)就立刻停止加熱。之后系統(tǒng)由于熱慣性會繼續(xù)升溫到最大值A(chǔ)點，爾后開始降溫；在降溫過程中，T達到T1點即T-Ｔa=5℃時，系統(tǒng)開始預(yù)加熱，即緩沖緩沖系統(tǒng)的溫度下降的幅度；在升溫過程中，當達到T2時即T-Ｔa=-5℃時，停止加熱，防止由于熱慣性導致的溫度極大值過大。由此可見，Tr、T1和T2點的溫度值是軟件設(shè)計過程中需要考慮的重要參量。4.3.1主程序流程圖圖4-3主程序流程圖如圖4-3，當按下溫度設(shè)定鍵時，比較設(shè)定值與實際溫度的值，若當前溫度差小于5度，則運用PID控制算法進行運算，調(diào)整單位時間的占空比驅(qū)動加熱模塊對其進行加熱；若此時溫度差值大于5度，運用模糊控制規(guī)則對其進行運算，并驅(qū)動繼電器對其加熱。4.3.212864液晶子程序流程圖圖4-4液晶子程序流程圖當液晶顯示屏初始化化后，顯示的效果圖如下：圖4-5液晶顯示屏初始化效果4.3.2DS18B20子程序流程圖圖4-6DS18B20子程序流程圖數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以STC89C52芯片為核心，它控制溫度傳感器DS18B20復位和讀寫操作。對溫度進行采集，按時序直接從溫度傳感器讀入溫度值的數(shù)字信號（這就是所測的溫度值，因為DS18B20是最新單線數(shù)字溫度傳感器，最后存入內(nèi)存。由于精度準確、分辨率高、抗干擾性好、無需校驗。由于所讀出的數(shù)據(jù)格式為二進制數(shù)的補碼，所以求出溫度值的原碼（當然正數(shù)是不必轉(zhuǎn)換）。在顯示溫度值時，還需要進行十進制的轉(zhuǎn)換，字符代碼的轉(zhuǎn)換。

5系統(tǒng)的調(diào)試系統(tǒng)的調(diào)試是以程序為主，硬件調(diào)試比較簡單，首先檢查電路的焊接是否正確，然后用萬用表檢測或通電檢測，軟件調(diào)試可以先編寫顯示程序并進行硬件的正確性檢驗。然后分別進行主函數(shù)、溫度的采集與識別函數(shù)、LED顯示函數(shù)、鍵盤掃描函數(shù)、加熱控制函數(shù)等程序的編程與調(diào)試。由于DS18B20與單片機采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此，對DS18B20進行讀/寫編程時必須嚴格地保證讀/寫時序，否則將無法讀取測量結(jié)果。本程序采用單片機C言編寫，用KEIL集成開發(fā)環(huán)境進行編程調(diào)試。軟件調(diào)試目標為：能顯示當前溫度值和設(shè)定溫度，按鍵動作能夠被反映到顯示器上以及被執(zhí)行。5.1溫度測量電路的調(diào)試關(guān)鍵是DS18B20的測量精度、單片機的采樣時間以及顯示溫度和實際溫度的校準。DS18B20的精度：DS18B20的準確度為0.5℃，最小分辨率為0.0625℃。5.1.1測量誤差的測試在加熱的過程中，在某個時刻溫度計的示數(shù)與液晶顯示器的示數(shù)之間的誤差，其測量結(jié)果如下表所示：表5-1某時刻的溫度計與液晶顯示器的示數(shù)對比溫度計示數(shù)/℃液晶示數(shù)/℃動態(tài)誤差/34.042.10.847.449.11.755.256.21.0分析：溫度計的擺放位置和溫度傳感器的擺放位置不同，當溫度趨于設(shè)定值時，液晶顯示的溫度與設(shè)定的溫度之間的誤差，以及溫度測量有滯后性的特點，導致它們的誤差大[22]。在設(shè)定的溫度32.0℃時，測得的溫度值為下表所示：31.131.932.232.7.2DS18B20溫度傳感器校準顯示溫度和實際溫度的校準：水銀溫度的最小刻度為0.1℃，我們可以利用水銀溫度計的讀書來校準液晶顯示器12864所顯示的溫度值。我們分別測量了十組數(shù)據(jù)，實驗測量數(shù)據(jù)結(jié)果如下表：由下表可以發(fā)現(xiàn)顯示溫度始終比實際溫度相差不大，符合題目要求表5-2實際與測量溫度數(shù)據(jù)對比實際溫度/℃顯示溫度/℃偏差/℃24.324.50.832.434.80.555.456.10.763.573.10.482.482.20.2由上表可以發(fā)現(xiàn)顯示溫度始終與實際溫度相差不大，符合題目要求。5.2PID參數(shù)整定本控制系統(tǒng)采用改進型PID調(diào)節(jié)，由于溫度控制系統(tǒng)是一個大滯后的系統(tǒng)，所以必須加入微分（D）控制，微分控制的作用是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。所以對于有較大慣性或滯后的被控對象，微分控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)性能。參數(shù)整定時先整定比例（P）系數(shù)，從小到大增大比例系數(shù)，并觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)趨勢，直到得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。這時系統(tǒng)往往存在靜差，為了消除靜差，需要加入積分環(huán)節(jié)（I），整定時一般先置一個較大的積分時間系數(shù)，因為積分時間系數(shù)越大，積分作用越弱。同時將上一步整定得到的比例系數(shù)減小一些（比如取原來的80%），反復調(diào)節(jié)這兩個參數(shù)，直到得到滿意的控制過程和整定參數(shù)。如果動態(tài)過程仍不盡滿意，則可以加入微分環(huán)節(jié)(D)。在整定時先把微分時間系數(shù)為零，在第二步的基礎(chǔ)上，增大微分時間系數(shù)，同時相應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分時間系數(shù)，逐步試湊，以獲得滿意的調(diào)節(jié)效果。控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量與被控制對象的特性、干擾信號的形式和幅值、控制方案及控制器的參數(shù)等因素有著密切的關(guān)系。對象的特性和干擾情況是受工藝操作和設(shè)備的特性限制的，不可能隨意改變，這樣，一旦控制方案確定了，對象各個通道的特性就成定局，這時控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量就只取決于控制器的參數(shù)。因此，參數(shù)的整定是過程控制系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容。所謂控制器的參數(shù)整定，就是通過一定的方法和步驟，確定系統(tǒng)處于最佳過渡過程時控制器的比例度、積分時間和微分時間的具體數(shù)值。所謂最佳過渡過程，就是在某質(zhì)量指標下，系統(tǒng)達到最佳調(diào)整狀態(tài)，此時的控制器參數(shù)就是所謂的最佳整定參數(shù)。在簡單過程控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器參數(shù)整定通常以系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)的衰減率=0.75～0.9(對應(yīng)衰減比為4：1～10：1)為主要指標，以保證系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定裕量（對于大多數(shù)過程控制系統(tǒng)來說，系統(tǒng)過渡過程的瞬態(tài)響應(yīng)曲線達到4：1的衰減比狀態(tài)時，則為最佳的過程曲線）。此外，在滿足主要指標的條件下，還應(yīng)盡量滿足系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差（又稱靜差、余差）、最大動態(tài)偏差（超調(diào)）和過渡過程時間等其它指標。由于不同的過程控制系統(tǒng)對控制品質(zhì)的要求有不同的側(cè)重點，也有用系統(tǒng)響應(yīng)的平方誤差積分（ISE）、絕對誤差積分（IAE）、時間乘以絕對誤差的積分（ITAE）分別取極小作為指標來整定調(diào)節(jié)器參數(shù)的[23]。調(diào)節(jié)器參數(shù)整定的方法很多，概括起來可以分為兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學模型，采用控制理論中的根軌跡法，頻率特性法等，經(jīng)過理論計算確定調(diào)節(jié)器參數(shù)的數(shù)值。二是工程整定方法，它主要依靠工程經(jīng)驗，直接在過程控制系統(tǒng)的實驗中進行，且方法簡單、易于掌握。由于本系統(tǒng)有別于工業(yè)實際系統(tǒng)因此對于參數(shù)整定來說，使用工程參數(shù)整定法效果不是很好，該系統(tǒng)參數(shù)整定采用經(jīng)驗湊試法。經(jīng)驗湊試法是通過模擬或閉環(huán)運行觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，然后根據(jù)各調(diào)節(jié)參數(shù)對系統(tǒng)響應(yīng)的大致辭影響，反復湊試參數(shù)，以達到滿意的響應(yīng)，從而確定PID調(diào)節(jié)參數(shù)[24]。在湊試時，可參考以上參數(shù)對控制過程的影響趨勢，對參數(shù)實行下述比例、后積分、再微分的整定步驟：⑴整定比例部分將比例系數(shù)由小變大，并觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。如果系統(tǒng)沒有靜差或靜差已小到允許范圍內(nèi)，并且響應(yīng)曲線已屬滿意，那么只需用比例調(diào)節(jié)器即可，比例系數(shù)可由此確定。⑵加入積分環(huán)節(jié)如果在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上系統(tǒng)的靜差不能滿足設(shè)計要求，則須加入積分環(huán)節(jié)。整定時首先置積分時間為一較大值，并將經(jīng)第一步整定得到的比例系數(shù)略微縮?。ㄈ缈s小為原來的0.8倍），然后減小積分時間，使在保持系統(tǒng)良好動態(tài)性能的情況下，靜差得到消除。在此過程中，可根據(jù)響應(yīng)曲線的好壞反復改變比例系數(shù)與保持時間，以期得到滿意的控制過程與整定參數(shù)。⑶加入微分環(huán)節(jié)若使用比例積分調(diào)節(jié)器消除了靜差，但動態(tài)過程經(jīng)反復調(diào)整仍不能滿意，則可加入微分環(huán)節(jié)，構(gòu)成比例積分微分調(diào)節(jié)器。在整定時，可先置微分時間為零。在第二步整定的基礎(chǔ)上，增大，同時相應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分時間，逐步湊試，以獲得滿意的調(diào)節(jié)效果和控制參數(shù)。 所謂“滿意”的調(diào)節(jié)效果，是隨不同的對象和控制要求而異的。此外PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)對控制質(zhì)量的影響不十分敏感，因而在整定中參數(shù)的先定并不是唯一的。事實上，在比例、積分、微分三部分產(chǎn)生的控制作用中，某部分的減小往往可由其它部分的增大來補償。因此，用不同的整定參數(shù)完全有可能得到同樣的控制效果。從應(yīng)用的角度看，中要被控過程主要指標已達到設(shè)計要求，那么即可選定相應(yīng)的調(diào)節(jié)器參為有效的控制參數(shù)。對于該溫度控制系統(tǒng)，最終整定的P，I，D參數(shù)分別為8，0,10.5.3加熱效果測試題目要求在規(guī)定的時間內(nèi)將溫控箱中的空氣加熱到一定的溫度。如果在所要求的時間內(nèi)不能完成加熱任務(wù)，就應(yīng)該考慮用加熱功率更大的加熱器。實驗測得的數(shù)據(jù)如下：表5-3加熱溫度的對比測試起始溫度/℃終末溫度/℃所用時間/S23.130.06830.035.04335.040.05540.045.05745.050.04450.055.04755.060.04360.075.05575.080.04680.085.042由上表可以看出，碳纖維加熱絲工作正常，加熱溫度變化均勻，時間間隔不大，能有效達到加熱控溫的目的。加熱模塊為均勻排布在保溫箱內(nèi)壁上的碳纖維電熱絲構(gòu)成，直接接220V市電，電流約2A電路總功率約300W。對其進行全功率加熱測試，每30秒記錄一次，環(huán)境溫度約24度，室內(nèi)。測試曲線如下圖5-1，X軸為分鐘，Y軸為攝氏度。圖5-1加熱速率曲線圖在5.5分鐘時刻，切斷加熱電源，繼續(xù)記錄數(shù)據(jù)，得到如圖5-2曲線圖5-2停止加熱后保溫箱溫度升降曲線由以上兩曲線可得，本設(shè)計最大升溫速率約為8℃/min，系統(tǒng)滯后時間約為兩分鐘，系統(tǒng)自然冷卻速率約為1.4℃/min。在實際使用時，為防止溫度過高導致電熱絲起火燃燒，在電路中加熱溫控開關(guān)。但在一次測試加熱時，電熱絲與電線接頭處發(fā)生高溫燒焦現(xiàn)象。經(jīng)檢查后發(fā)現(xiàn)，由于此接頭沒有固定，經(jīng)常搬動箱體導致接頭搖晃松動，接觸電阻增大導致局部溫度過高，由于采用的線纜，接頭均為阻燃材質(zhì)，才沒有發(fā)生起火事故。改進方法是固定箱內(nèi)所有接頭，防止類似事故發(fā)生。5.4PC上位機界面5.4.1MAX232芯片串口調(diào)試將單片機通過USB轉(zhuǎn)RS-232口與PC相連[25]，實際測試環(huán)境溫度，在PC機和LCD12864上顯示的溫度分別如圖5-3、圖5-4圖5-3LCD12864顯示圖5-4VB程序顯示其中圖5-3顯示的第三行數(shù)據(jù)中，前一組數(shù)據(jù)為PWM波占空比，后一組數(shù)據(jù)為溫差（設(shè)置溫度減去當前溫度），當當前溫度大于設(shè)置溫度，即溫差為負值時，后一組數(shù)據(jù)顯示為無意義數(shù)字，這是由于在單片機中負數(shù)以補碼形式存儲，在調(diào)用相同的顯示子程序時就無法正確顯示，但不影響系統(tǒng)運行。5.4.2PC端監(jiān)控軟件PC端程序采用VB編寫，軟件界面如圖5-5圖5-5溫度監(jiān)控軟件界面此軟件功能包括顯示當前溫度，設(shè)置升溫溫度，設(shè)置PID參數(shù)，實時顯示溫度曲線，保存曲線，顯示歷史文件，啟動/停止這個控制系統(tǒng)。軟件操作說明將單片機通過USB轉(zhuǎn)RS-232口與PC相連后，啟動溫度監(jiān)控軟件，在軟件界面下半部分單擊鼠標右鍵，彈出如圖5-6菜單，選擇設(shè)置，彈出如圖5-7的串口設(shè)置對話框，設(shè)置好串口參數(shù)后，單擊確定圖5-6右鍵菜單圖5-7串口設(shè)置菜單然后仍然單擊右鍵，選擇打開端口，此時程序和單片機通訊，顯示當前溫度。選擇PID參數(shù)，并在設(shè)置溫度框內(nèi)輸入所要設(shè)置的溫度，單擊設(shè)置，設(shè)置信息發(fā)送到單片機，單擊“啟/?！辨I，系統(tǒng)開始運行。當設(shè)置溫度超過80℃時，軟件會彈出錯誤對話框，提示重新設(shè)置，如圖5-8圖5-8錯誤對話框在軟件運行時，在界面左下角選擇“實時顯示”并單擊“開始”按鈕，此時上方區(qū)域開始繪制溫度曲線，單擊保存，彈出保存對話框，設(shè)置保存路徑和文件名稱，默認文件名為當前時間。如圖5-9圖5-9波形數(shù)據(jù)保存對話框繪制曲線圖形是可以選擇使用點繪圖（用Pset繪圖）或使用線繪圖（用Line繪圖），在繪圖區(qū)域單擊右鍵，可以選擇背景色和前景色，以達到最好的顯示效果。5.5.3上位機界面實時溫度變化分析圖5-10VB上位機顯示界面由VB上位機顯示界面所示，溫度變化的實時溫度曲線穩(wěn)定性好，能有效達到控溫的目的。

6結(jié)論溫度是工業(yè)生產(chǎn)過程中需要控制的最常見最基本的工藝參數(shù)之一，在冶金、機械、電子、石油、化工、制造等行業(yè)中，溫度控制起著非常重要的作用。對于一些較簡單的控制對象，一般的PID控制基本就能滿足對溫度控制性能指標的要求。本文完成了基于STC89C52單片機的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計，包括系統(tǒng)的硬件設(shè)計，軟件的編程與調(diào)試等。在完成過程中，主要做的工作有：(1)以ATMEL公司的STC89C52單片機為核心進行系統(tǒng)硬件設(shè)計，輸入通道包含DS18B20溫度傳感器和四個獨立按鍵；輸出通道包括鍵盤與液晶顯示電路和驅(qū)動電路，其中顯示電路為12864液晶顯示屏，驅(qū)動模塊通過對占空比的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)對實驗箱的溫度控制。(2)本文對傳統(tǒng)PID控制算法的特點進行了理論探討，溫度控制系統(tǒng)中采用改進型PID控制的方法[26]。此外，PID的三個參數(shù)可以進行調(diào)節(jié)，具有較強的自適應(yīng)能力和魯棒性，因此，能夠滿足多干擾，變參數(shù)和非線性控制過程的要求。而且，程序比較容易實現(xiàn)，在知道控制系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)之上，根據(jù)測量數(shù)據(jù)反映的溫度變化規(guī)律對其采取相應(yīng)的控制策略。(3)采用C語言對系統(tǒng)軟件進行編程，這樣大大縮短了軟件的開發(fā)周期。為了便于編寫，調(diào)試，修改和刪除，系統(tǒng)軟件的編制采用了模塊化的設(shè)計方法[27]。(4)為了解溫度的實時變化情況，采用PC機與上位機通信，實時顯示系統(tǒng)運行情況，并可對運行參數(shù)進行修改。本設(shè)計用VB開發(fā)了人機接口界面，由溫度變化曲線可反映其動態(tài)響應(yīng)速度，穩(wěn)定性等相關(guān)性能指標[28]。在本設(shè)計中，由上位機界面溫度實時變化曲線可以看出，該溫度控制系統(tǒng)不僅具有良好的穩(wěn)態(tài)性能，其控制精度也達到了相關(guān)要求。

7展望本系統(tǒng)采用STC89C52單片機為控制核心，這種單片機本身資源較少，不利于系統(tǒng)的擴展，目前日益普及的是基于ARM或DSP結(jié)構(gòu)的微處理器，在系統(tǒng)的擴展能力方面，處理數(shù)據(jù)的能力各個方面都遠遠超過了8位單片機[29]。傳統(tǒng)的單片機編程采用時間片輪轉(zhuǎn)的方式，即將實時性要求不高的工作放在主函數(shù)之中，依次輪流執(zhí)行；實時性要求高的，使用中斷技術(shù)及時處理，這樣構(gòu)成前后臺處理程序，程序中間通過軟件標志，全局變量等完成通信與聯(lián)絡(luò)。本系統(tǒng)的軟件就是基于這種方式開放的。隨著微處理器芯片性能的提高和價格的下降及對軟件的可重復性和可維護性的提高，采用實時操作系統(tǒng)已經(jīng)成為大勢所趨[30]。隨著工業(yè)的發(fā)展，對象的復雜程度不斷加深，尤其是對大滯后，時變的，非線性的復雜系統(tǒng)：其中有的參數(shù)未知或緩慢變化；有的帶有延時或隨機干擾；有的無法獲得較精確的數(shù)學模型或模型非常粗糙。加之人們對控制品質(zhì)的要求日益提高，常規(guī)PID控制的缺陷也逐漸暴露出來。因此人們在應(yīng)用PID控制的同時，也不斷的對其進行了各種改進。主要體現(xiàn)在兩個方面：一是對常規(guī)PID控制器本身結(jié)構(gòu)的改進，即變結(jié)構(gòu)PID控制[31]；另一方面隨著智能控制如模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家控制等先進控制技術(shù)的迅速發(fā)展，它們與常規(guī)PID控制相結(jié)合，揚長避短，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，形成所謂的智能PID控制[32]。這種新型智能PID控制器已引起人們的普遍關(guān)注和極大的興趣，也已得到較為廣泛的應(yīng)用。結(jié)合上面的論述，今后還需要做進一步的研究和解決的問題有：硬件方面,采用DSP，ARM或者利用片上系統(tǒng)的SOC對系統(tǒng)的硬件進行重新設(shè)計。軟件方面，摒棄傳統(tǒng)的前后臺系統(tǒng)軟件編程模式，改用基于實時操作的系統(tǒng)軟件開發(fā)[33]。控制算法方面，嘗試采用現(xiàn)在得到快速發(fā)展的智能控制方法，如模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)路控制和模糊PID控制等等。本設(shè)計其更深遠意義在于了解更為廣泛的溫度控制系統(tǒng)的共性，為了便于用戶方便使用，對于一些諸如高溫，輻射的控制應(yīng)用場合，可在原基礎(chǔ)之上加入紅外遙感裝置，對其進行遠距離控制。

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致謝大學四年生活即將畫上一個句號，在這四年中認識了許多人，經(jīng)歷了許多事，也有許多的感受。大學時光是我一生中非常重要的一段經(jīng)歷，我要感謝所有帶給我經(jīng)歷的朋友，感謝所有老師，是你們教會了我許多的知識，是你們使我懂得了如何做人，是你們使我學會了如何面對人生。我還要感謝母校中原工學院給了我一次健康成長的機會，使我更好的面對人生。特別的，我要感謝我的畢業(yè)設(shè)計指導教師張海峰老師，從最初的資料的選取，張老師就給了我很大的幫助。對于我們工作中遇到的困難，張老師一定會給我們指導直到我們弄懂為止。從最初資料的選取開始，一直到最后論文的反復修改、潤色，張老師始終認真負責地給予我深刻而細致地指導，幫助我們開拓研究思路，精心點撥、熱忱鼓勵。正是張老師的無私幫助與熱忱鼓勵，我的畢業(yè)論文才能夠得以順利完成，謝謝張老師。同時我要感謝答辯組的答辯老師，在開題和中期時給我提出許多寶貴的意見，讓我在畢業(yè)設(shè)計中一步步得以完善。最后，再次對關(guān)心、幫助我的老師和同學表示衷心地感謝！

附錄A原理圖附錄B部分程序/*名稱：LCD12864字庫液晶芯片組st7920日期：2009.5修改：無內(nèi)容：*/#include<stdio.h>#include<math.h>#include<reg52.h>#include<string.h>#include"subfuncs.h"sbitRUN=P1^0;//啟動sbitSET=P1^1;//設(shè)置sbitSETNUM=P1^2;//賦值sbitSWITCH=P1^3;//換位sbitLEDRUN=P3^4;//運行指示燈sbitLEDSET=P3^5;//設(shè)置標志燈sbitLEDALERT=P3^6;//警報燈sbitCAT=P3^7;//板上資源控制sbitRLYCTL=P2^6;/******************************************************************//*外部函數(shù)與變量聲明*//******************************************************************/externunsignedintReadTemperature(void);externvoidUART_Init(void);externvoidDisTimer0(void);externvoidTimer0Init(void);externunsignedchardataPWMCycle,PWMDuty;/*PWM周期與占空比的調(diào)節(jié)，單位10ms*/externunsignedintdataPIDtimer;unsignedchardatapram=92;//用于調(diào)節(jié)PID曲線整定參數(shù)intdataerr=0,err1=0,serr=0;unsignedchardatarunctl=0;//為串口控制而添加,為1相當于按下一次RUN鍵unsignedchardataPIDP=8,PIDI=0,PIDD=10;/******************************************************************//*定義變量/數(shù)組*//******************************************************************/unsignedintdataguiSetTemp=0;//設(shè)置溫度*10unsignedintdataguiNowTemp=0;//當前溫度*10unsignedcharcodepic2[];//unsignedcharcodepic3[];/******************************************************************函數(shù)功能：顯示4位數(shù)字的溫度，將1234顯示為123.4。add為要顯示在的地址******************************************************************/voiddisplayTemp(unsignedcharadd,unsignedintdatatemp_buff){ unsignedchardatasled_data[6]; sled_data[0]=temp_buff/1000+'0'; sled_data[1]=temp_buff%1000/100+'0'; sled_data[2]=temp_buff%100/10+'0'; sled_data[3]='.'; sled_data[4]=temp_buff%10+'0'; sled_data[5]=''; Disp_HZ(add,sled_data,6); }voidSetTemp(void){ unsignedchardatasetdata[4],i; LEDSET=0; setdata[0]=guiSetTemp/1000; setdata[1]=guiSetTemp%1000/100; setdata[2]=guiSetT