基于PID的水溫控制系統(tǒng)論文

..單位代碼01學號100119026分類號TP273密級畢業(yè)設計說明書基于PID的水溫控制系統(tǒng)設計院〔系〕名稱信息工程學院專業(yè)名稱測控技術與儀器學生指導教師2014年4月25日..基于PID的水溫控制系統(tǒng)設計摘要本次設計采用proteus仿真軟件，以AT89C51單片機做為主控單元，運用PID控制算法，仿真實現了一個恒溫控制系統(tǒng)。設計中使用溫度傳感器DS18B20采集實時溫度，不需要復雜的信號調理電路和A/D轉換電路，能直接與單片機完成數據的采集和處理，使用PID算法控制加熱爐仿真模型進展溫度控制，總體實現了一個恒溫控制仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)設計中包含硬件設計和軟件設計兩局部，硬件設計包含顯示模塊、按鍵模塊、溫度采集模塊、溫度加熱模塊、蜂鳴器報警模塊。軟件設計的局部，采用分層模塊化設計，主要有：鍵盤掃描、按鍵處理程序、數碼管顯示程序、繼電器控制程序、溫度信號處理程序、超溫報警程序。另外以AT89C51單片機為控制核心，利用PID控制算法提高了水溫的控制精度，使用PID控制算法實施自動控制系統(tǒng)，具有控制參數精度高、反映速度快和穩(wěn)定性好的特點。關鍵詞：proteus仿真，PID，AT89C51，DS18B20溫度控制..TheDesignofWaterTemperatureControlBasedonPIDAuthor:Tutor:AbstractThisdesignusesproteussimulationsoftwareandtakesAT89C51asmasterunit,usingPIDcontrolalgorithmtosimulationatemperaturecontrolsystem.TheDesignusestemperaturesensorDS18B20acquisitionreal-timetemperature,anddoesnotrequireplexsignalconditioningcircuitryandA/DconvertercircuitwiththeMCUpletingtheacquisitionandprocessingofdatadirectly.TheuseofPIDalgorithmcontrolfurnacetemperaturecontrolsimulationmodel,theoverallimplementationofatemperaturecontrolsimulationsystem.ThesystemdesigncontainshardwaredesignandsoftwaredesigntwopartsandtheHardwaredesignincludetemperaturecontrolcircuit,temperaturedetectionandLEDdisplaycircuitandsoon.Partofthesoftwaredesignadoptsmodularstructure.ThemainmoduleisKeypadscanning.Keyprocessingprogramdigitalpipedisplayprocedures,relaycontrolprocedures,temperaturesignalprocessingprogramandsupertemperaturealarmingprogram.InadditiontoAT89C51controlcore,theuseofPIDcontrolalgorithmtoimprovetheaccuracyoftemperaturecontrolusingPIDcontrolalgorithmtoimplementautomaticcontrolsystemwithhighprecisioncontrolparameters,reflectingthespeedandstabilitycharacteristics.Keywords:proteussimulation,PID,AT89C51,DS18B20TemperatureControl..目錄TOC\o"1-3"\h\u86731緒論 130941.1背景意義1321231.2溫度控制系統(tǒng)國外開展現狀 192021.3本課題研究的主要容 2247132系統(tǒng)總體設計方案論證 4314922.1設計要求 4231052.2總體設計方案 446593系統(tǒng)的硬件設計611013.1系統(tǒng)硬件構成概述 6203143.2各單元總體說明 6318923.3按鍵單元 6129113.4LED數碼管顯示單元 7241163.5溫度超、低溫與異常情況報警單元 884683.6溫度測試單元 9151943.7溫度控制器件單元 10254824恒溫控制算法研究〔PID〕 11263364.1PID控制器的設計 1116294.2PID算法的流程實現方法與具體程序 1250815系統(tǒng)的軟件設計 16118395.1統(tǒng)軟件設計概述 16170065.2系統(tǒng)軟件程序流程及程序流程圖 1761245.3溫度數據顯示模塊分析 18278395.4測試分析 2030926模擬仿真結果 22..15262結論 253987致 262661參考文獻 276796附錄 29..1緒論1.1背景意義在現實情況中，由于環(huán)境中溫度值的滯后現象嚴重，慣性很大，且存在很多不確定的因素，所以很難建立準確的數學模型，因此常常導致控制系統(tǒng)的性能不佳，有時還會出現控制不穩(wěn)定和失控現象。本次設計采用proteus仿真軟件，以AT89C51單片機做為主控單元，運用PID控制算法，仿真實現了一個恒溫控制系統(tǒng)，可以防止一些不確定的影響因素。傳統(tǒng)的繼電器溫控電路雖然運用起來比擬簡單，但由于繼電器運作頻繁，可能會因觸點不良而影響正常工作?，F今在控制領域，一般使用PID算法進展溫度控制，不過PID控制對象的數學參數也是難以建立的，并且當擾動因素不確定時，參數調整會比擬麻煩，這依然是普遍存在的技術難題。本設計中的溫度采集是用數字溫度傳感器DS18B20，在其部集成了A/D轉換器，可使電路構造更簡單，且減少了溫度測量轉換時的精度損失，從而使測量溫度更為準確。數字溫度傳感器DS18B20只用一個引腳，即可與單片機進展連接了，這樣大大的減少了設計中接線麻煩的問題，使得單片機可以節(jié)約許多端口。DS18B20芯片的體積又比擬小，且還是單線與主控芯片連接，于是在實際運用中，常常把數字溫度傳感器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[1]?，F在國外市場用單片機作為為核心的溫度控制系統(tǒng)已經越來越廣泛了，且設計方案都很靈活，應用起來相當的廣泛，應用于工業(yè)上的加熱爐、熱處理爐、反響爐，在我們日常生活中的應用也是比擬廣的，如熱水器，室溫控制，農業(yè)中的大棚溫度控制等等?，F在人們的物質生活已經轉好，隨之而來的就是對生活質量的需求了。在舒適的溫度下休息、活動，在不同的季節(jié)里都可以吃到各種蔬菜、水果，等等這些都需要對溫度的控制?？梢姴粌H在工業(yè)生產上溫度控制是重點，在人們的日常生活中溫度控制領域也潛藏這巨大的前景。如飼養(yǎng)幾條魚兒也成為一種趨勢，這也將會帶動與之相關的產業(yè)也應運開展起來。魚缸是養(yǎng)魚的必備用具，型魚缸也在市場上層出，其中水溫的控制是關鍵。1.2溫度控制系統(tǒng)國外開展現狀目前，國外溫度控制系統(tǒng)正向著高精度、高智能化開展。溫度控制系統(tǒng)在我國各個行業(yè)的應用雖然已經很普遍了，可是從國生產的溫度控制器來看，總體開展水平還是落后與先進國家，同先進國家相比，還是有著很大的差距。在高端，高精度的溫度控制方面，我國的溫度控制技術受到了很大的局限性。在這方面有待與我們這代人的努力，同時在這方面我國還潛藏著巨大的潛力，有許多我們伸展的空間[2]。由于市場的需求，國以信息化時代的到來，帶動了溫度控制產業(yè)的迅速開展。溫度已成為工業(yè)對象控制中一個最重要的參數，特別是在化工工業(yè)、冶金工業(yè)、機械工業(yè)、電力工業(yè)、食品工業(yè)等等領域，都需要對各種加熱爐的溫度進展準確的控制。隨著信息工業(yè)不斷的開展，傳統(tǒng)的控制方式已滿足不來高精度、高速度的控制要求了。必須不斷的開發(fā)研究創(chuàng)造出新型的信息花的溫度控制系統(tǒng)。近幾年，國外對溫度控制系統(tǒng)都進展了大量的研究。在各國，溫度控制系統(tǒng)技術都已經被列為未來控制領域研究的幾大方向之一，具有廣闊的應用、市場前景。1.3本課題研究的主要容溫度是工業(yè)生產過程中最常見的變量參數之一，對溫度控制的準確度，直接影響到產品的質量。及時準確地獲得溫度信息并對其進展準確的控制。不同產品和不同工藝要求下的溫度控制，所采用的控制方式和加熱方式都是不一樣的?，F今基于數字PID和單片機的溫度控制系統(tǒng)在工業(yè)生產上已經被廣泛的使用，此系統(tǒng)的任務是對溫度進展實時監(jiān)控。在控制過程中，系統(tǒng)采用的是數字PID控制算法來實現其功能的。傳統(tǒng)PID控制電路構造相當的復雜〔不適應現代工業(yè)開展的需求〕，對溫度進展控制時需要配合可控硅控制電路才能實現，此系統(tǒng)不僅器件煩多，生產本錢高，而且電路調試還很復雜。在新型的溫度控制系統(tǒng)中，運用單片機來進展數字PID運算，這樣可以充分發(fā)揮其軟件系統(tǒng)的靈活性，可以使得工業(yè)生產中控制方便，簡單和靈活性大等等優(yōu)點。而系統(tǒng)中的單片機是整個控制系統(tǒng)的核心。在溫度控制系統(tǒng)的設計中，溫度采集為很一個重要的模塊。在本次設計中，采用數字傳感器DS18B20來采集溫度。數字溫度傳感DS18B20只用一個引腳，即可與51單片機進展連接了，這樣大大的減少了設計中接線麻煩的問題，使得單片機可以節(jié)約許多端口。DS18B20芯片不僅體積比擬小，且還是單線與主控芯片連接，于是在實際運用中，常常把數字溫度傳感器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。先通過按鍵設置溫度，然后通過溫度傳感器DS18B20，從環(huán)境中采集溫度，由單片機獲取采集的溫度值，經過處理后，可得到當前環(huán)境溫度中一個比擬穩(wěn)定的溫度值，并且通過LED數碼管顯示。再去根據當前設定的溫度值的上下限，溫度未到達預定的下限溫度時，單片機向蜂鳴器發(fā)送高電平信號驅動使其發(fā)出警報生，同時輸出高電平控制信號來驅動加熱爐工作，為系統(tǒng)提供熱量，來升高溫度。溫度上升到預定上限溫度時，單片機向蜂鳴器發(fā)送高電平信號使其發(fā)出警報生，同時輸出低電平控制信號來驅動使得加熱爐停頓加熱，讓溫度慢慢回落。當因環(huán)境溫度變化劇烈或因加熱、降溫設備出現故障時，或者因溫度傳感頭出現故障，導致在一段時間不能將環(huán)境溫度調整到溫度限的時，單片機向蜂鳴器發(fā)送高電平信號使其發(fā)出警報生。..2系統(tǒng)總體設計方案論證2.1設計要求一種基于數字PID和單片機的溫度控制系統(tǒng)設計。要求如下：1、超調量≤10%2、溫度連續(xù)可調，圍為20℃~40℃3、人—機對話方便4、溫度誤差≤±0.5℃2.2總體設計方案在仿真設計中，先通過按鍵設置溫度，然后通過溫度傳感器DS18B20，從環(huán)境中采集溫度，由單片機獲取采集的溫度值，經過處理后，可得到當前環(huán)境溫度中一個比擬穩(wěn)定的溫度值，并且通過LED數碼管顯示。再去根據當前設定的溫度值的上下限，溫度未到達預定的下限溫度時，單片機將通過P1.5口向蜂鳴器發(fā)送高電平信號使其發(fā)出警報聲，同時通過P2.6口連接的RELAY輸出高電平控制信號來驅動RL1，使得加熱爐工作，為系統(tǒng)提供熱量，來升高溫度。溫度上升到預定上限溫度時，單片機將通過P1.5口向蜂鳴器發(fā)送高電平信號使其發(fā)出警報生，同時通過P2.6口連接的RELAY輸出低電平控制信號來驅動RL1，使得加熱爐停頓加熱，讓溫度慢慢回落[3]。當因環(huán)境溫度變化劇烈或因加熱、降溫設備出現故障時，或者因溫度傳感頭出現故障，導致在一段時間不能將環(huán)境溫度調整到溫度限的時，單片機將通過P1.5口向蜂鳴器發(fā)送高電平信號使其發(fā)出警報聲。工作原理圖如圖2.1所示：圖2.1工作原理圖在設計中使用溫度傳感器DS18B20采集實時溫度，使用PID算法控制加熱爐仿真模型進展溫度控制。DS18B20是DALLAS公司生產的經典的數字溫度傳感器，具有低功耗、高性能、抗干擾能力、微型化、強易配處理器等等優(yōu)點，它特別適合用于多點溫度測控的系統(tǒng)，它可直接將溫度轉化成數字信號，交給單片機處理，并且在同一總線上可掛接多個傳感器芯片，進展圍性的溫度檢測。在其部集成了A/D轉換器，可使電路構造更簡單，且減少了溫度測量轉換時的精度損失。數字溫度傳感DS18B20只用一個引腳，即可與單片機進展連接了，這樣大大的減少了設計中接線麻煩的問題，使得單片機可以節(jié)約許多端口。DS18B20芯片的體積又比擬小，且還是單線與主控芯片連接，于是在實際運用中，常常把數字溫度傳感器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[4]。在本仿真設計中DS18B20與51單片機的P3.4口。DS18B20可以仿真設置環(huán)境溫度，來完成設計要求，設置到20和40攝氏度時蜂鳴器就會發(fā)起警報。本次設計采用proteus仿真軟件，以AT89C51單片機做為主控單元。51單片機上連接晶振和復位電路，保證單片機的正常運行。P0口與LED數碼管連接，顯示測量結果。P1.0，P1.4，P3.3分別與3個控制按鍵連接，P1.5口與報警系統(tǒng)蜂鳴器連接。由AT89C51的端口豐富使得整個系統(tǒng)設計起來方便簡單，線路清晰，且AT89C51是一個高性能，低功耗的CMOS8位單片機，AT89C51設計和配置了振蕩頻率可為0Hz，在實際的應用中性價比很高，是溫控系統(tǒng)的不二選擇。本設計中選擇AT89C51做為主控單位也是考慮到了實際的需求和做此設計的意義的[5]。..3系統(tǒng)的硬件設計3.1系統(tǒng)硬件構成概述本章主要介紹本次設計中的硬件設計局部，其中包含：顯示模塊、按鍵掃描模塊、溫度采集模塊、溫度加熱模塊、蜂鳴器報警模塊。3.2各單元總體說明顯示模塊：本設計中采用4位LED數碼管顯示溫度值，其中最后一位為小數位。按鍵模塊：本設計中采用3按鍵設置，第一按鍵為復位按鍵，第2、3按鍵為溫度調節(jié)按鍵，連接上拉電阻使其未按鍵時能夠保持高電平。溫度采集模塊：本次設計中使用溫度傳感器DS18B20采集實時溫度，使用PID算法控制加熱爐仿真模型進展溫度控制，數字溫度傳感器DS18B20只需一個引腳，即可與單片機進展通信，在設計中將DS18B20與51單片機的P3.4口連接，用其來完成溫度的測量[6]。溫度加熱模塊：本設計采用加熱爐來進展溫度值的控制，其配有功率顯示表，以便在仿真中與溫度傳感器DS18B20相對應，便于統(tǒng)計。加熱爐與光電耦合器連接，光電耦合器通過RELAY與51單片機的P2.6口連接。通過51單片機發(fā)送信號來控制加熱爐的運作。蜂鳴器報警模塊：本設計中采用蜂鳴器做為報警系統(tǒng)，當采集到的溫度經過處理后，超過規(guī)定溫度上、下限時，單片機將通過P1.5口向蜂鳴器發(fā)送高電平信號使其發(fā)出警報生。3.3按鍵單元一般的鍵盤設計采用的是硬件設計，可是其在仿真設計中連接，線路會比擬麻煩。所以在本此設置中我采用的是3按鍵軟件控制，第一個按鍵為復位按鍵，其他兩個為調節(jié)按鍵，3按鍵即可完成設計中起始溫度設置與復位要求，方便簡潔，線路清晰設計起來也較為方便。連接上上拉電阻，使其當未有按鍵按下時，各各按鍵位都處于高電平。按鍵操作說明：1號按鍵為復位設置按鍵，第一次按下它時，1號按鍵位將處于低電平，LED數碼管將會顯示HT〔上限溫度值〕，此時，可通過2號鍵和3好鍵來調整預設的上限溫度值，每次按一下2號按鍵預設的溫度上限值就上升一度，每次按一下3號鍵時預設的溫度上限值就下降一度，此過程都會同過LED數碼管顯示。設置好上限溫度后，再次按下1號按鍵，同樣1號按鍵位處于了低電平，LED數碼管將會顯示LT〔下限溫度值〕，此時同樣此時，可通過2號鍵和3好鍵來調整預設的下限溫度值，每次按一下2號按鍵預設的溫度下限值就上升一度，每次按一下3號鍵時預設的溫度下限值就下降一度，此過程都會同過LED數碼管顯示。在設置好預設溫度的上、下限時，我們再次按下1號鍵，此時LED數碼管顯示的將是溫度傳感器DS18B20傳送的溫度值，51單片機將會把此測量值與先前預設的溫度上、下限值進展比擬處理，然后進展其他功能模塊的操作。復位具體如下：復位，按一下為設置上限，按兩下為設置下限，再按一下進入顯示狀態(tài)。上限上限按下復位進入上下限設置時，每按一下為上限升高一度。下限下限按下復位進入上下限設置時，每按一下為下限降低一度。電路如圖3.1所示：圖3.1按鍵電路3.4LED數碼管顯示單元為使溫度顯示的更為準確，本次設計中我選擇的是8段的供陽的4位LED數碼管〔其中一段為小數點〕，LED數碼管的8段位分別連接51單片機的P0.0~P0.7端口，數碼管的4位選位分別通過P2.0~P2.3端口連接。LED數碼管在工作時，由于其為供陽的，每個段位只有當輸入低電平時此段位被點亮，以顯示數字"0〞為例，共陽的gfedcba相應的為1000000，字型碼為C0H。在本設計中將所以LED數碼管的8個顯示筆劃"a，b，c，d，e，f，g，dp〞的同名端連接在一起，另外為每個數碼管的公共極增加位元選通的控制電路，位元選通由它們自己的I/O端口控制。當51單片機運作時，所有的數碼管都會接收到同樣的字符碼，我們可以通過51單片機對端電路進展控制，來決定那個數碼管顯示字符，所以只要將需要顯示的數碼管的選通控制翻開，該單元就會顯示字形，沒選通的就不會點亮。這樣通過分時分別控制LED數碼管的端，可以使每個位輪流顯示，每位點亮的時間間隔大概為1ms左右[7]。LED數碼管如圖3.2所示：圖3.2LED數碼管電路3.5溫度超、低溫與異常情況報警單元采集到的溫度經過處理后，超過規(guī)定溫度上限時，單片機將通過P1.5口向蜂鳴器發(fā)送高電平信號使其發(fā)出警報聲，同時通過P2.6口連接的RELAY輸出低電平控制信號來驅動RL1，使得加熱爐停頓加熱，讓溫度慢慢回落；當采集到的溫度經過處理后，低于設定溫度下限時，單片機將通過P1.5口向蜂鳴器發(fā)送高電平信號使其發(fā)出警報生，同時通過P2.6口連接的RELAY輸出高電平控制信號來驅動RL1，使得加熱爐工作，為系統(tǒng)提供熱量，來升高溫度。要是由于環(huán)境溫度變化太劇烈或加熱、降溫設備出現故障，或溫度傳感頭出現故障，而在一定時間，不能將溫度控制到規(guī)定的溫度限，單片機也將會通過P1.5口向蜂鳴器發(fā)送高電平信號使其發(fā)出警報聲[8]。在實驗中設置的下限溫度是20攝氏度，當溫度到達20攝氏度時，蜂鳴器就會發(fā)出報警。實驗中設置的上限溫度為40攝氏度，當溫度到達所示的40攝氏度時，蜂鳴器就會開場報警。仿真電路如圖3.3所示：圖3.3蜂鳴器電路3.6溫度測試單元在本設計中溫度測試采用溫度芯片DS18B20與51單片機的P3.4口連接。此集成芯片，可以很好的減少外界的干擾。其部集成A/D轉換器，使得電路構造更簡單，且減少了溫度測量轉換時的精度損失，從而使測量的溫度值更為準確，具有實在的設計意義。且數字溫度傳感器DS18B20只用一個引腳，即可與單片機進展通信了，大大的減少了接線麻煩的問題，使得單片機更加具擴展性。由于DS18B20芯片的小型化，通過單條數據線，就可以和主電路連接，在實際應用中，可把數字溫度傳感器DS18B20做成測溫探頭，可方便的探入到狹小的地方，從而增加了實用性[9]。DS18B20的開場運作時，首先要做的是復位工作，即在開場工作前，51單片機將會給DS18B20當總先發(fā)送一個不小于480us的低電平信號，對其進展復位。DS18B20在接收到這個信號后的15~60us會回發(fā)一個芯片的存在脈沖。為了接收存在脈沖，數據當總線將會被控制器拉高，存在脈沖是一個60~240us的低電平信號。接下去將進展51單片機與DS18B20間的通信。51單片機發(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：讀取數據、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〕。存儲器指令的功能就是控制DS18B20怎么樣進展工作。DS18B20同51單片機的接線如圖3.4所示：圖3.4DS18B20電路見圖可知DS18B20只需與單片機的一個端口連接即可，不過當總線為開漏需要外接一個上拉電阻，為4.7KΩ。3.7溫度控制器件單元在本次設計中，是采用加熱爐通過PID算法來對溫度進展控制的，其配有功率顯示表，以便在仿真中與溫度傳感器DS18B20相對應，便于統(tǒng)計。加熱爐與光電耦合器連接，光電耦合器通過RELAY與51單片機的P2.6口連接。當測量到的溫度值未到達先前設定的預期溫度值下限時，51單片機通過RELAY口向光電耦合器發(fā)送高電平時，無電流流過，光電耦合器將不導通，繼電器也不能導通，繼電器的線圈無電流通過，RL1打向電源處，加熱爐通電開場工作加熱，可以根據功率表的數據顯示看出加熱爐提升的溫度。當測量到的溫度值超出先前設定的預期溫度值上限時，51單片機通同過RELAY口向光電耦合器發(fā)送低電平時，光電耦合器將導通，有電流流過，使得繼電器也導通，繼電器的線圈有電流通過，RL1打向繼電器線圈，加熱爐斷開連接，停頓工作，使溫度慢慢的回落。溫控系統(tǒng)連接方法如圖3.5所示：圖3.5溫控系統(tǒng)電路4恒溫控制算法研究〔PID〕4.1PID控制器的設計PID控制是目前在溫度控制中應用最廣泛的一種控制算法，其核心思想是按設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，即根據偏差值來計算控制量。數字PID控制律的實現，需采用數值逼近法，當采樣的周期相當短時，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]?！?.1〕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。在運算時，把表示成等，省去了T。那么可推算出離散的PID表達式寫成：〔4.2〕式中，k為采樣的序號，k=1，2，…；是第k次采樣時，計算機輸出的值；是第k次采樣時輸入的偏差值；是第次采樣時輸入的偏差值；是積分系數，；是積分系數，。在實際的應用中，通常采用增量式PID控制算法，即數字控制器輸出只是控制量的增量，該算法編程簡單，數據可以遞推使用，占用存儲空間少，運算快。根據遞推原理可得：〔4.3〕公式〔4.2〕與公式〔4.3〕相減，即得到增量式PID控制算法(4.4)：〔4.4〕本次設計中，控制器的設計采用增量數字PID控制算法的功能，可以比擬靈活的調節(jié)控制信號的導通時間來控制溫度值控制的工作。能夠根本滿足溫度控制的要求。4.2PID算法的流程實現方法與具體程序本系統(tǒng)設計的溫度控制系統(tǒng)是與光電耦合器連接的加熱爐。傳統(tǒng)的方法是：當測量的環(huán)境溫度到達設定值時，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)的溫度經常繼續(xù)要升高一會后才能開場下降。當下降到設定的下限溫度值時，溫控系統(tǒng)會促使加熱爐開場工作，對系統(tǒng)進展加熱，此過程需要一定的時間，所以往往又會下降一定溫度，才能開場上升溫度。所以傳統(tǒng)的方法往往會出現一定的誤差，此誤差就是溫度的慣性引起的[11]。PID算法是PID模糊控制技術的核心局部，通過比例、積分、微分三方面的結合與調整構成一個反響控制，可解由于溫度的慣性而產生的誤差。經過PID控制器處理后可輸出電壓的控制信號，從而反響調節(jié)溫度。數字PID的控制示意圖如圖4.1所示：圖4.1數字PID的控制實驗中最主要的就是PID參數的選擇，它決定著整個溫度控制的準確度。我們可以根據具體情況的要求，來調節(jié)適宜的參數。P為比例系數，當在一定圍假設是調節(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，測量值就會和設定值的偏差越來越大，要是出現了這樣的問題時，可將P值的符號取反[12]。I為積分系數，I的值越小積分的作用就會越強，積分作用強了就會導致系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，不過T值小了，穩(wěn)態(tài)所產生的誤差將會減小。D為微分控制，微分控制可以改善動態(tài)的特性，當D偏大時，超調量隨之變大，調節(jié)時間會減短；D偏小時，超調量同樣變大，不過調節(jié)時間就會比擬長，只有D適宜時，才能使超調量較小，調節(jié)時間也較短。調試時，只能參考參數對系統(tǒng)控制過程的變化趨勢，來對參數調整來先比例，后積分，再微分的步驟慢慢調試，一直湊到滿意的結果為止。數字PID的差分方程：(4.5)在上式中，稱為比例項；稱為積分項；稱為微分項。得到增量式公式為：(4.6)在此式中，，，。PID的具體算法程序如下[13]：Enum{Y,U,R,,};//Y采集量、U控制量、R設定量、采樣時間、微分、比例intpara[6],ptr,out;//out是從PID()得到的控制量intr,,,Ts,e2,e1,e0,u;/************************************************************************/VoidinitPID()//初始化PID函數{para[R]=20;para[]=2;para[]=2;para[]=1}VoidPID(){para[Y]=(int)(ad_data);r=para[R];e0=e1;e1=e2;e2=r-para[Y]/10;=para[];Kd=para[];ts=para[];u=r+*[e2+*(e2-e1)];,if(u<0)u=0;//控制量限制if(u>200)u=200;para[u[=u/10;out=para[u];}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(timet++==100)timet=0;}Voidtimer1()interrupt3{TH1=timer1()>>8;TLI=tim1;If(dealCS==0){wdCtrl=para[R];if((wdCtrl-(int)(ad_data)/10)>10)out=200;elseif(((int)(ad_data)/10-wdCtrl)>2)out=0;elseout=Ctrltab[wdCtrl+2-(int)(ad_data)/10];}Elseif(tx++>=ts){PID();t=0;}}5系統(tǒng)的軟件設計5.1統(tǒng)軟件設計概述在恒溫PID控制系統(tǒng)中軟件是整個系統(tǒng)的核心，在軟件設計中采用分層模塊化設計，其中主要的模塊包含：人機交互模塊、數據顯示模塊、PID控制器模塊、信號采集模塊、超、低溫報警模塊幾局部[14]。1、人機交互模塊，是通過3位按鍵來實現的。第一個按鍵為復位按鍵，其他兩個為調節(jié)按鍵，當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，使其當未有按鍵按下時，各各按鍵位都處于高電平[15]。本設計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做了詳細的說明。2、數據顯示模塊，是通過8段的供陽的4位LED數碼管〔其中一段為小數點〕實現的。采用的是通過動態(tài)顯示法，分時分別控制LED數碼管的端，使每個位輪流顯示，每位點亮的時間間隔大概為1ms左右。3、PID控制器模塊，本設計是運用PID控制算法，仿真實現一個恒溫控制系統(tǒng)。在上一章中我們已經描述了，電壓的控制信號，從而反響調節(jié)溫度。設計中最主要的就是PID參數的選擇，它決定著整個溫度控制的準確度。我們可以根據具體情況的要求，來調節(jié)適宜的參數。對PID函數進展初始化時，需設置函數參數，這些參數都是根據實驗測定獲得的，具體參數在上一章PID算法研究中有詳細說明。4、信號采集模塊，本設計中是運用DS18B20進展溫度采集的，在DS18B20開場運作時，首先要做的是復位工作，DS18B20在接收到這個信號后的15~60us會回發(fā)一個芯片的存在脈沖。為了接收存在脈沖，數據當總線將會被控制器拉高，存在脈沖是一個60~240us的低電平信號。接下去將進展51單片機與DS18B20間的通信。接著51單片機發(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怎么樣進展工作[16]。5、超、低溫報警模塊，本設計中采用蜂鳴器，對異常情況進展報警。當出現異常情況，溫度過高或是過低時，控制芯片將會向蜂鳴器發(fā)送高電平，蜂鳴器在接收高電平時就會發(fā)出鳴叫聲報警。5.2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所示：圖5.2系統(tǒng)軟件流程圖程序流程為：在程序開場的時，先設置初始化，通過按鍵設置預定溫度值，然后通過數碼管來顯示當前的溫度，再比擬設定的預期溫度與測量溫度值的大小，將比擬的信息通過繼電器，去根據當前設定的溫度值的上下限，當測量到的溫度值未到達先前設定的預期溫度值下限時，使單片機向蜂鳴器發(fā)送高電平信號使其發(fā)出警報生，再通過RELAY口向光電耦合器發(fā)送高電平時，無電流流過，光電耦合器將不導通，繼電器也不能導通，繼電器的線圈無電流通過，RL1打向電源處，加熱爐通電開場工作加熱，可以根據功率表的數據顯示看出加熱爐提升的溫度。當測量到的溫度值超出先前設定的預期溫度值上限時，使單片機將向蜂鳴器發(fā)送高電平信號使其發(fā)出警報生，再通過過RELAY口向光電耦合器發(fā)送低電平時，光電耦合器將導通，有電流流過，使得繼電器也導通，繼電器的線圈有電流通過，RL1打向繼電器線圈，加熱爐斷開連接，停頓工作，使溫度慢慢的回落。5.3溫度數據顯示模塊分析在本次軟件設計中，核心的局部就是PID算法的控制與DS18B20溫度采集的實現，PID算法在上文中已經做了詳細的介紹，在此再具體的分析下DS18B20。在本次設計我選擇了DS18B20來繼續(xù)溫度檢測，因為數字溫度傳感器DS18B20只需一個引腳，即可與單片機進展通信了，大大的減少了接線麻煩的問題，使得單片機更加具擴展性。由于DS18B20芯片的小型化，通過單條數據線，就可以和主電路連接，可把數字溫度傳感器DS18B20做成測溫探頭，可方便的探入到狹小的地方，從而增加了實用性。且本次設計采用proteus仿真軟件，在proteus仿真軟件里DS18B20可以隨意設定溫度，模仿實際環(huán)境溫度值，便于實驗[17]。DS18B20數字溫度傳感器的部包含了高速暫存RAM與用來存儲TH、TL的E2ARM。承受到的數據先是存入RAM，經檢驗后傳送至E2ARM。RAM中的第5個字節(jié)用與控制溫度的數字轉換分辨率，此分辨率決定DS18B20工作時溫度轉換的先對應的數值。其中要注意的是設定的分辨率越高，就需要消耗越多的轉換時間。所以在設置分辨率時我們需要有所考慮[18]。DS18B20在接收到溫度轉換的命令后，將溫度值數據轉換成以二進制補碼的形式存儲在RAM中，然后51單片機再通過單總線接收此數據，以地位在前高位在后的方式來讀取數據。接收數據后通過溫度計算，將得出的溫度值與設定的TH、TL進展比擬，51單片機再根據比擬的結果做出相應的運行工作。為此我們在程序設計中設計了下面主要幾個子程序。首先對DS18B20進展初始化處理voidInit_DS18B20(void){ unsignedcharx=0; DQ=0;//單片機將DQ拉低 delay_18B20(80);//準確延時大于480us DQ=1;//拉高總線 delay_18B20(14); x=DQ;//稍做延時后，如果x=0那么初始化成功x=1那么初始化失敗 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|=0x80; delay_18B20(4); } return(dat);}再讓其寫一個字節(jié)，運行子程序如下：voidWriteOneChar(unsignedchardat){ unsignedchari=0; for(i=8;i>0;i--) { DQ=0; DQ=dat&0x01; delay_18B20(5); DQ=1; dat>>=1;}}接下來設計DS18B20的工作狀態(tài)，設置其上、下限報警溫度分別為TH和TL，且設置顯示的分辨率為RS，執(zhí)行的子程序如下[18]：voidsetds18b20(unsignedcharTH,unsignedcharTL,unsignedcharRS){ 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和分辯率配置存放器 //先寫TH，再寫TL，最后寫配置存放器 WriteOneChar(TH); //寫入想設定的溫度報警上限 WriteOneChar(TL); //寫入想設定的溫度報警下限 WriteOneChar(RS); //寫配置存放器，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){ unsignedchartt[2]; Init_DS18B20(); WriteOneChar(0xCC); //跳過讀序號列號的操作 WriteOneChar(0x44); //啟動溫度轉換 delay_18B20(70);//溫度轉化要一段時間 Init_DS18B20(); WriteOneChar(0xCC); //跳過讀序號列號的操作 WriteOneChar(0xBE); //讀取溫度存放器等〔共可讀9個存放器〕前兩個就是溫度 //delay_18B20(70); tt[0]=ReadOneChar(); //讀取溫度值低位 tt[1]=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20—40攝氏度。2、測試方法用調節(jié)DS18B20，來模擬環(huán)境溫度，通過按鍵來設置溫度的上、下限與復位，根據LED數碼管顯示來觀察結果。3、測試結果(1)設定溫度由20攝氏度到40攝氏度。(2)標定溫差≦1攝氏度調節(jié)時間15s〔具體情況隨實際情況〕。(3)靜態(tài)誤差≦0.5攝氏度最大超調量1攝氏度。4、通過仿真測試分析，對于實際的室的溫度控制，可以再得出以下2點方法：(1)我們可以通過增加傳感器的個數，然后算出平均值，這樣可以獲得較為準確的溫度值。(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，實現對環(huán)境溫度的提升，用風扇來對環(huán)境溫度進展降溫處理。6模擬仿真結果在模擬仿真中，當將DS18B20的溫度設置為17攝氏度時，如圖6.1所示：圖6.117℃的溫度顯示51單片機通過RELAY口向光電耦合器發(fā)送高電平時，無電流流過，光電耦合器將不導通，繼電器也不能導通，繼電器的線圈無電流通過，RL1打向電源處，如圖6.2所示：圖6.217℃時系統(tǒng)電流流向圖此時加熱爐通電開場工作加熱，可以根據功率表的數據顯示得出加熱爐提升的溫度，如圖6.3所示：圖6.317℃時加熱爐顯示當將DS18B20的溫度設置為41攝氏度時，如圖6.4所示：圖6.441℃的溫度顯示51單片機通同過RELAY口向光電耦合器發(fā)送低電平時，光電耦合器將導通,有電流流過，使得繼電器也導通，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6.541℃時的系統(tǒng)電流流向圖此時加熱爐斷開連接，停頓工作，但是加熱爐還是會有一定的延遲性，只能讓溫度慢慢的回落，如圖6.6所示：圖6.641℃時加熱爐顯示結論本次設計采用proteus仿真軟件，以AT89C51單片機做為主控單元,運用PID控制算法，仿真實現了一個恒溫控制系統(tǒng)。設計中使用溫度傳感器DS18B20采集實時溫度，使用PID算法控制加熱爐仿真模型進展溫度控制，總體實現了一個恒溫控制仿真系統(tǒng)。仿真中先通過按鍵設置溫度，然后通過溫度傳感器DS18B20，從環(huán)境中采集溫度，由單片機獲取采集的溫度值，經過處理后，可得到當前環(huán)境溫度中一個比擬穩(wěn)定的溫度值，并且通過LED數碼管顯示。再去根據當前設定的溫度值的上下限，溫度未到達預定的下限溫度時，單片機將通過P1.5口向蜂鳴器發(fā)送高電平信號使其發(fā)出警報生，同時通過P2.6口連接的RELAY輸出高電平控制信號來驅動RL1，使得加熱爐工作，為系統(tǒng)提供熱量，來升高溫度。溫度上升到預定上限溫度時，單片機將通過P1.5口向蜂鳴器發(fā)送高電平信號使其發(fā)出警報生，同時通過P2.6口連接的RELAY輸出低電平控制信號來驅動RL1，使得加熱爐停頓加熱，讓溫度慢慢回落。致首先，我要感黃河科技學院，感信院電子系對我四年的培養(yǎng)，讓我學到了許許多多的知識，感電子系各位教師在這四年里對我的關心與照顧，在此致以我深深的意。本論文從選題到最后定稿成文，本校付瑞玲教師一直給予了悉心指導，付教師那種嚴謹的作風，廣博深邃的洞察力，孜孜不倦的開拓精神和敬業(yè)精神令我深受啟迪和教益，謹向我的指導教師付瑞玲教師致以深深的意。最后，我還要向所有幫助過我的同學和朋友們致敬，你們的鼓勵和幫助永遠是我前進的動力。參考文獻[1]昭斌.單片機控制的溫度控制系統(tǒng)[J].石化職業(yè)技術學院學報,1999,12(02A):43-46.[2]於丹.春風化雨芽將萌——談我國單片機的開展[J].微電腦世界,1998,06(17A):22-23.[3]黃天戍,羅璠,徐長寶,任清珍.一種可靈活使用的溫度控制系統(tǒng)設計方法研究[J].中國儀器儀表,2003,22(07):55-58.[4]毅剛.單片機原理及應用[M].:高等教育,2001:10-15,31.[5]健云,振輝,訾壯輝.一種新型恒溫控制系統(tǒng)[J].大學自然科學學報,1998,37(01A):78-79.[6]豐隆.新型二線AT24C系列串行E~2PROM及其在單片機系統(tǒng)中的應用[J].微電腦世界,1995,29(01A):89-91.[7]元紅妍,鑫.電子綜合設計實驗教程[M].:大學,1999:19-21.[8]鳳山,穎宏,正熙.混PID的設計及仿真研究[J].北方工業(yè)大學學報,2003,19(03):67-68.[9]岱,永海,馬源.智能化PID控制實驗系統(tǒng)[J].實驗技術與管理,1995,29(03):89-99.[10]StefaniRT,SavantCJJr,ShahianB.HostetterGH.Designoffeedbackcontrolsystems[M].Boston:SaundersCollege,1994:222-234.[11]CannellMB.LedererWJnovelexperimentalchamberforsingle-cellvoltage-clampandpath-clampapplicationswithlowelectricalnoiseandexcellenttemperatureandflowcontrol[J].PflugersArch,1986:V15536-539.[12]VelichkovIVSimpletemperaturecontrollerusing723integratedvoltageregulator[J].PhysESciInstrum,1984:1098-1099.[13]何小艇.電子系統(tǒng)設計[M].:大學,2004:111-121.[14]譚克俊.電爐爐溫微機群控系統(tǒng)的設計[J].微型機與應用,1993,21(11):33-35.[15]馬云峰.數字溫度傳感器DS18B20的原理與應用[J].電子原器件應用,2002,31(13):66-69.[16]宋非.基于DS18B20傳感器的溫度檢測系統(tǒng)[J].光電技術應用,2009,11(11):93-94.[17]黃燦勝.基于DS18B20數字溫度計溫度補償和測量系統(tǒng)設計[J].XX民族師學院學報,2010,29(12A):11-12.[18]金以慧.過程控制[M].:清華大學,1993:45-48.

附錄主程序#include<reg51.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitDQ=P3^4;//ds18b20與單片機連接口unsignedcharcodeled[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0xff};uchardatadisdata[5];ucharVref=5;uchara[6];sbitPIN=P0^7;unsignedinttvalue;//溫度值signedinttemp=0;uchartflag;//溫度正負標志signedcharth=40;//上線溫度signedchartl=20;//下線溫度sbitSPEAKER=P1^5;sbitSET=P1^0;sbit ADD=P1^4;sbit SUB=P3^3;unsignedcharnum;sbitRELAY=P2^6;/*************************LCD1602程序**************************/voiddelay1ms(unsignedintms)//延時1毫秒〔不夠準確的〕{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) num=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) {if(tl<(th-1)) 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)//延時1微秒{ while(i--);}voidds1820rst()/*ds1820復位*/{unsignedcharx=0; DQ=1;//DQ復位 delay_18B20(4);//延時 DQ=0;//DQ拉低 delay_18B20(100);//準確延時大于480us DQ=1;//拉高 delay_18B20(40); }uchards1820rd()/*讀數據*/{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(ucharwdata)/*寫數據*/{unsignedchari=0;for(i=8;i>0;i--){DQ=0;DQ=wdata&0x01;delay_18B20(10);DQ=1;wdata>>=1;}}read_temp()/*讀取溫度值并轉換*/{uchara,b;ds1820rst();ds1820wr(0xcc);//*跳過讀序列號*/ds1820wr(0x44);//*啟動溫度轉換*/ds1820rst();ds1820wr(0xcc);//*跳過讀序列號*/ds1820wr(0xbe);//*讀取溫度*/a=ds1820rd();b=ds1820rd();tvalue=b;tvalue<<=8;tvalue=tvalue|a;if(tvalue<0x0fff) { tflag=0;}else{tvalue=~tvalue+1;//低于零度 tflag=1;}tvalue=tvalue*(0.625);//溫度值擴大10倍，準確到1位小數 return(tvalue);}/*******************************************************************/voidds1820disp()//溫度值顯示 { disdata[0]=tvalue/1000; disdata[1]=tvalue%1000/100; disdata[2]=tvalue%100/10; disdata[3]=tvalue%10;//小數位 //disdata[]=0; //} if(tflag==0) { P2=0x01; P0=led[disdata[0]]; delay1ms(10); P2=0x02; P0=led[disdata[1]]; delay1ms(10); P2=0x04; P0=led[disdata[2]]; PIN=0; delay1ms(10); P2=0x08; P0=led[disdata[3]]; delay1ms(10); } else { P2=0x01; P0=0xbf; delay1ms(10); P2=0x02; P0=led[tvalue%1000/100]; delay1ms(10); P2=0x04; P0=led[tvalue%100/10]; PIN=0; delay1ms(10); P2=0x08; P0=led[tvalue%10]; delay1ms(10); }}voiddisplayth(void){ P2=0x01; P0=0x89; delay1ms(10); if(th>0) { P2=0x02; P0=led[th/100]; delay1ms(10); P2=0x04;P0=led[th%100/10]; delay1ms(10); P2=0x08; P0=led[th%100%10]; delay1ms(10); } else { P2=0x02; P0=0xbf; delay1ms(10); P2=0x