基于單片機(jī)的水溫控制系統(tǒng)—畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

1、本本 科科 畢畢 業(yè)業(yè) 設(shè)設(shè) 計(jì)（論文）計(jì)（論文） 題目：題目：基于 pid 算法的水溫控制器設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 專業(yè)班級(jí)： 指導(dǎo)教師： 摘 要 pid 控制是工業(yè)控制領(lǐng)域的一個(gè)重要方法,將 pid 算法應(yīng)用到以 51 單片機(jī)為核心的 控制系統(tǒng)中,能產(chǎn)生良好的控制效果?；?pid 算法的水溫控制器系統(tǒng)采用目前性價(jià)比 及較高的數(shù)字溫度傳感器 ds18b20 作為檢測(cè)變送器，通過(guò)鍵盤向單片機(jī)輸入預(yù)設(shè)溫度 值，單片機(jī)將溫度偏差進(jìn)行 pid 運(yùn)算后輸出 pwm 波。而 pwm 波通過(guò)控制固態(tài)繼電器 ssr 的通斷時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)電熱杯的加熱速度，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的精準(zhǔn)控制。整個(gè)系統(tǒng)的硬 件電路簡(jiǎn)單，

2、穩(wěn)定性好。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)驗(yàn)，本系統(tǒng)超調(diào)小，無(wú)振蕩，基本可以實(shí)現(xiàn)自控 系統(tǒng)的穩(wěn)、準(zhǔn)、快的三大目標(biāo)。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：pid；51 單片機(jī)；溫度傳感器；pwm abstract pid control in the field of industrial control is an important method, pid algorithm is used to 51 scm for as the core of the control system, can produce excellent control effect. the water temperature controller bas

3、ed on pid algorithm with high cost performance and current system of digital temperature sensor ds18b20 as the test transmitter, through the keyboard input to the single chip microcomputer preset temperature, single chip microcomputer temperature deviations pid operation will be after pwm wave outpu

4、t. and by controlling the pwm waves of the solid state relay high time to adjust the heating speed electric mug, and finally achieve the accurate control of the temperature. the whole system hardware circuit is simple, the stability is good. after the actual test, this system overshoot small, no sho

5、ck, basic can realize the automatic control system stability, accurate, fast three goals. key words： pid; 51 single-chip microcomputer temperature sensor; pwm square wave 目 錄 第 1 章 前 言.1 第 2 章 系統(tǒng)方案.2 2.1 設(shè)計(jì)思想.2 2.2 方案論證.2 2.3 論證分析.2 第 3 章 pid 原理解說(shuō).4 3.1 pid 概念及其構(gòu)成.4 3.2 pid 算法原理 .4 3.3 pid 應(yīng)用到水溫控制器中

6、的編程思路.7 第 4 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì).9 4.1 控制模塊單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì) .9 4.2 鍵盤模塊的設(shè)計(jì) .9 4.3 顯示模塊的設(shè)計(jì).10 4.4 溫度采集模塊的設(shè)計(jì) .10 第 5 章 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) .12 5.1 主程序模塊流程圖的搭建 .12 5.2 pid 模塊流程圖的搭建 .13 5.3 定時(shí)器模塊流程圖的搭建 .13 第 6 章 系統(tǒng)調(diào)試 .15 6.1 溫度時(shí)間變化曲線的繪制 .15 6.2 分析曲線并獲得相應(yīng)結(jié)論 .16 第 7 章 結(jié) 論.18 致 謝.19 參考文獻(xiàn).20 附 錄.21 第 1 章 前 言 在現(xiàn)代化的上業(yè)生產(chǎn)中，電流、電壓、溫度、壓力、流量、流速

7、和開(kāi)關(guān)量都是常 用的主要被控參數(shù)。例如：在冶金工業(yè)、化工生產(chǎn)、電力上程、造紙行業(yè)、機(jī)械制造 和食品加土等諸多領(lǐng)域中，人們都需要對(duì)各類加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐中的 溫度進(jìn)行檢測(cè)和控制。通常，電阻爐爐溫控制都采用偏差控制法。偏差控制的原理是 先求出實(shí)測(cè)爐溫對(duì)所需爐溫的偏差值，然后對(duì)偏差值處理獲得控制信號(hào)去調(diào)節(jié)電阻爐 的加熱功率，以實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫的控制。 pid 控制是比例、積分、微分控制的簡(jiǎn)稱。在生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制的發(fā)展歷程中， pid 控制是歷史最久、生命力最強(qiáng)的基本控制方式。隨著科學(xué)的發(fā)展，特別是電子計(jì)算 機(jī)的誕生和發(fā)展，涌現(xiàn)出許多先進(jìn)的控制方法，然而直到現(xiàn)在，pid 控制仍是最廣泛應(yīng) 用的控

8、制方式之一。 現(xiàn)代自動(dòng)控制越來(lái)越朝著智能化發(fā)展，在很多自動(dòng)控制系統(tǒng)中都用到了上控機(jī)， 小型機(jī),甚至是巨型機(jī)處理機(jī)等，當(dāng)然這些處理機(jī)有一個(gè)很大的特點(diǎn)，那就是很高的運(yùn) 行速度，很大的內(nèi)存，大量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。但對(duì)于這些小型的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，配置一個(gè)如 此高速的處理機(jī)沒(méi)有任何必要，因?yàn)檫@些小系統(tǒng)追求經(jīng)濟(jì)效益，而不是最在乎系統(tǒng)的 快速性，所以目前，pid 算法一般是在順序程序結(jié)構(gòu)的處理器上實(shí)現(xiàn)的，工程上實(shí)際應(yīng) 用的很多 pid 控制器都是用單片機(jī)（mcu）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 本設(shè)計(jì)源自工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，以鍋爐水溫水溫控制器建立模型，包括硬件和軟件兩部分， 硬件部分包含溫度設(shè)定模塊、溫度采集變送模塊、溫度偏差處理模塊（即 pi

9、d 控制模 塊） 、溫度顯示模塊、電爐加熱模塊。軟件部分主要負(fù)責(zé)溫度信號(hào)采集、溫度值實(shí)時(shí)顯 示驅(qū)動(dòng)、溫度偏差信號(hào)處理。 系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)的指標(biāo)如下： （1）按鍵設(shè)定溫度，用五位數(shù)碼管顯示實(shí)時(shí)溫度： （2） 溫度控制范圍為 0100 度，測(cè)量誤差為士 0.5 度： （3）恒溫控制并且可以快速達(dá)到預(yù)設(shè)溫度且超調(diào)較??； 第 2 章 系統(tǒng)方案 2.1 設(shè)計(jì)思想 溫度的期望值可用鍵盤設(shè)定，溫度傳感器檢測(cè)實(shí)際溫度，微處理器單片機(jī)根據(jù)實(shí) 測(cè)值與期望值偏差通過(guò) pid 運(yùn)算，輸出相應(yīng)的控制參數(shù)給加熱驅(qū)動(dòng)模塊，從而實(shí)現(xiàn)閉 環(huán) pid 控制。其中，溫度信號(hào)的準(zhǔn)確性影響著整套系統(tǒng)的成功。 2.2 方案論證 溫度采集有多

10、種方案，但在水溫控制的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)主要有兩種： 方案用熱電偶采集溫度。熱電偶利用熱電勢(shì)原理進(jìn)行溫度測(cè)量的。其測(cè)量精度高、 測(cè)量范圍廣。常用的熱電偶從-50 到+1600均可正常測(cè)量，某些特殊熱電偶最低 可測(cè)到-269（如金鐵鎳鉻） ，最高可達(dá)+2800 度（如鎢-欽） 。但熱電偶測(cè)量需要溫度 補(bǔ)償。而且輸出量為電壓，需要經(jīng)過(guò)測(cè)量放大器、ad 轉(zhuǎn)換后才能送入微處理器處理。 方案二：采用數(shù)字式溫度傳感器 ds18b20，ds18b20 采用獨(dú)特的單線接口方式，與 微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與 ds18b20 的雙向通訊。在使用中 不需要任何外圍元件，測(cè)溫范圍-55到+125，最小分辨

11、率達(dá) 0.0625 度。 驅(qū)動(dòng)加熱模塊也有多種方案： 方案一：?jiǎn)纹瑱C(jī)輸出數(shù)字量，經(jīng) da 轉(zhuǎn)換后驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的功率器件，特點(diǎn)是控制方便， 電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，且存在大量的干擾。 方案二：選用固態(tài)繼電器。單片機(jī)輸出脈寬變化的 pwm 波，從而改變固態(tài)繼電器 中交流接觸點(diǎn)的通斷時(shí)間以此來(lái)改變水溫。 2.3 論證分析 經(jīng)過(guò)比較，采用 ds18b20 測(cè)量水溫，硬件電路簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高，信號(hào)易處埋， 故溫度變送器選用 ds18b20。驅(qū)動(dòng)加熱采用固態(tài)繼電器，在實(shí)行控制的時(shí)候不像其它采 用 d/a 轉(zhuǎn)換后再控制調(diào)節(jié)閥的方法，而是直接外接一個(gè)固態(tài)繼電器，通過(guò)內(nèi)部改變定 時(shí)器的中斷時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)一個(gè)周期內(nèi)電子開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通和

12、斷開(kāi)時(shí)間。這樣既節(jié)省了材料也 可以很大程度上減少硬件電路的結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)原理 2-l 所示。 圖 2-1：系統(tǒng)原理框圖 綜上所述方案有如下的特點(diǎn)： （1）在完成所要求的任務(wù)的基礎(chǔ)之上還有著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單明了的特點(diǎn)，很容易實(shí)現(xiàn)，而且 在一定的程度上節(jié)約成本。 （2）由于采用了離線的方法，很大程度上的減少了編程的麻煩，實(shí)現(xiàn)起來(lái)較容易。 （3）采用了無(wú)污染能源，保護(hù)環(huán)境。同時(shí)也省去了為建造燃料供應(yīng)子系統(tǒng)的費(fèi)用，節(jié) 約了成本。采用了模擬的 pwm 變換，和固態(tài)繼電器?？梢詫⒉蓸宇l率提高到很多的水 平，使控制結(jié)果更準(zhǔn)確，實(shí)時(shí)性、控制效果更好。 第 3 章 pid 原理解說(shuō) 3.1 pid 概念及其構(gòu)成 在工程實(shí)際

13、中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn) 稱 pid 控制，又稱 pid 調(diào)節(jié)。pid 控制器問(wèn)世至今已有近 70 年歷史，它 以其結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。pid 控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、 積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。 具體由比例模塊，積分模塊和微分模塊構(gòu)成。 3.2 pid 算法原理 常規(guī)的模擬 pid 控制系統(tǒng)原理框圖如圖 1-2 所示。該系統(tǒng)由模擬 pid 控制器和被 控對(duì)象組成1。其中 r(t)是給定值，y(t)是系統(tǒng)的實(shí)際輸出值，給定值與實(shí)際輸出值 構(gòu)成控制偏差 e(t)： （3- ( )( )( )e

14、 tr ty t 1） 圖 3-1 pid 原理示意圖 其中 e（t）作為 pid 控制的輸入，u（t）作為 pid 控制器的愉出和被控對(duì)象的輸 入，所以模擬 pid 控制器的控制規(guī)律為 （3- 0 1( ) ( ) ( )( t de t u tkp e te tdttd tidt ） 2） 其中 kp：控制器的比例系數(shù) ti：控制器的積分系數(shù) td：控制器的微分系數(shù) 1、比例部分 在模擬 pid 控制器中，比例環(huán)節(jié)的作用是對(duì)偏差瞬間做出反應(yīng)。偏差一旦產(chǎn)生控 制器立即產(chǎn)生控制作用，使控制量向 減少偏差的方向變化?？刂谱饔玫膹?qiáng)弱取決于比 例系數(shù) kp，比例系數(shù) kp 越大控制作用越強(qiáng)，則過(guò)渡過(guò)

15、程越快，控制過(guò)程的靜態(tài)偏差也 就越?。旱窃酱螅苍饺菀桩a(chǎn)生振蕩，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。故而，比例系數(shù)如選擇 必須恰當(dāng)，才能過(guò)渡時(shí)間少，靜差小而又穩(wěn)定的效果。 2、積分部分 積分部分的數(shù)學(xué)表達(dá)式是： (3-3) 0 ( ) t k e t dt ti 從積分部分的數(shù)學(xué)表達(dá)式可以知道，只要存在偏差，則它的控作用就不斷的增加： 只有在偏差為 0 時(shí)，它的積分才能是一個(gè)常數(shù)，控制作用才是一個(gè)不會(huì)增加的常數(shù)。 可見(jiàn)，積分部分可以消除系統(tǒng)的偏差。 積分環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)作用雖然會(huì)消除靜態(tài)誤差，但也會(huì)降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度，增加系 統(tǒng)的超調(diào)量。積分常數(shù) ti 越大，積分的積累作用越弱，這時(shí)系統(tǒng)在過(guò)渡時(shí)不會(huì)產(chǎn)生振 蕩：但是

16、增大積分常數(shù) ti 會(huì)減慢靜態(tài)誤差的消除過(guò)程，消除偏差所需的時(shí)間也較長(zhǎng)， 但可以減少超調(diào)量，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng) ti 較小時(shí)，則積分的作用較強(qiáng)，這時(shí)系統(tǒng) 過(guò)渡時(shí)間中有可能產(chǎn)生振蕩，不過(guò)消除偏差所需的時(shí)間較短。所以必須根據(jù)實(shí)際控制 的具體要求來(lái)確定 ti。 3、微分部分 微分部分的數(shù)學(xué)表達(dá)式為： (3-4) ( ) ( ) de t kptd d t 實(shí)際的控制系統(tǒng)除了希望消除靜態(tài)誤差外，還要求加快調(diào)節(jié)過(guò)程。在偏差出現(xiàn)的 瞬間，或在偏差變化的瞬間，不但要對(duì)偏差量做出立即響應(yīng)（比例環(huán)節(jié)的作用） ，而且 要根據(jù)偏差的變化趨勢(shì)預(yù)先給出適當(dāng)?shù)募m正。為了實(shí)現(xiàn)這一作用，可在 pi 控制器的基 礎(chǔ)上加入微分

17、環(huán)節(jié)，形成 pid 控制器。 微分環(huán)節(jié)的作用使阻止偏差的變化。它是根據(jù)偏差的變化趨勢(shì)（變化速度）進(jìn)行 控制。偏差變化的越快，微分控制器的輸出就越大，并能在偏差值變大之前進(jìn)行修正。 微分作用的引入，將有助于減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，特別對(duì)高階系 統(tǒng)非常有利，它加快了系統(tǒng)的跟蹤速度。但微分的作用對(duì)輸入信號(hào)的噪聲很敏感，對(duì) 那些噪聲較大的系統(tǒng)一般不用微分，或在微分起作用之前先對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波。 微分部分的作用由微分時(shí)間常數(shù) td 決定。td 越大時(shí)，則它抑制偏差變化的作用越 強(qiáng)：td 越小時(shí)，則它反抗偏差變化的作用越弱。微分部分顯然對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定有很大的作 用。 適當(dāng)?shù)剡x擇微分常數(shù) td，

18、可以使微分作用達(dá)到最優(yōu)。 由于計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，計(jì)算機(jī)進(jìn)入了控制領(lǐng)域。人們將模擬 pid 控制規(guī)律引入到計(jì) 算機(jī)中來(lái)。對(duì)公式（2-2）的 pid 控制規(guī)律進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖儞Q，就可以用軟件實(shí)現(xiàn) pid 控 制，即數(shù)字 pid 控制。 數(shù)字式 pid 控制算法可以分為位置式 pid 和增量式 pid 控制算法。 由于計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差計(jì)算控制量，而不 能像模擬控制那樣連續(xù)輸出控制量量，進(jìn)行連續(xù)控制。由于這一特點(diǎn)，公式（2-2 ） 中的積分項(xiàng)和微分項(xiàng)不能直接使用，必須進(jìn)行離散化處理。離散化處理的方法為：以 t 作為采樣周期，作為采樣序號(hào)，則離散采樣時(shí)間對(duì)應(yīng)著連續(xù)時(shí)間，用矩形法

19、數(shù)值積分 近似代 替積分，用一階后向差分近似代替微分，可作如下近似變換： ( =0,1,2,3.tkt k） (3-5) 0 =0=0 ( )()= kk t j jj e t dtte jtt e -1 - ( )()( -1)t ( ) kk de te kte k d ttt e e 上式中，為了表示的方便，將類似于 e(kt)簡(jiǎn)化成 ek。將公式（3-5）代入公式 （3-2）就可以得到離散的 pid 表達(dá)式： （3- -1 =0 - =kp+ k kk kkj j i t td t e e uee t 6） 或者 （3- -1 =0 =*+kd(-) k kkjkk j kpki ue

20、ee e 7） 公式（3-6）或公式（3-7）表示的控制算法是直接按照公式（3-1）說(shuō)給出的 pid 控制規(guī)律定義進(jìn)行運(yùn)算的，所以它給出了全部控制量的大小，因此稱為全量式或位置 式 pid 控制算法。位置式的特點(diǎn)是每次輸出均與過(guò)去的狀態(tài)有關(guān)，將過(guò)去的偏差進(jìn)行 累加，對(duì)于溫度控制系統(tǒng)，比較適合采用位置式控制。 香農(nóng)采樣定律：為不失真地復(fù)現(xiàn)信號(hào)的變化，采樣頻率至少應(yīng)大于或等于連續(xù)信 號(hào)最高頻率分量的二倍。根據(jù)采樣定律可以確定采樣周期的上限值。實(shí)際采樣周期的 選擇還要受到多方而因素的影響，不同的系統(tǒng)采樣周期應(yīng)根據(jù)具體情況來(lái)選擇。 采樣周期的選擇，通常按照過(guò)程特性與干擾大小適當(dāng)來(lái)選取采樣周期：即對(duì)于響

21、 應(yīng)快波動(dòng)大、易受干擾的過(guò)程，應(yīng)選取較短的采樣周期：反之，當(dāng)系統(tǒng)響應(yīng)慢、滯后 大時(shí)，可選取較長(zhǎng)的采樣周期。 采樣周期的選取應(yīng)與 pid 參數(shù)的整定進(jìn)行綜合考慮，采樣周期應(yīng)遠(yuǎn)小于過(guò)程的擾 動(dòng)信號(hào)的周期，在執(zhí)行器的響應(yīng)速度比較慢時(shí)，過(guò)小的采樣周期將失去意義，因此可 適當(dāng)選大一點(diǎn)：在計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度允許的條件下，采樣周期短，則控制品質(zhì)好：當(dāng)過(guò) 程的純滯后時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，一般選取采樣周期為純滯后時(shí)間的四分之一到八分之一。 由于自動(dòng)控制系統(tǒng)被控對(duì)象的千差萬(wàn)別，pid 的參數(shù)也必須隨之變化，以滿足系統(tǒng) 的性能要求。這就給使用者帶來(lái)相當(dāng)?shù)穆闊?，特別是對(duì)初學(xué)者。下面簡(jiǎn)單介紹一下調(diào) 試 pid 參數(shù)的一般步驟： （1

22、）確定比例增益 p 確定比例增益 p 時(shí)，首先去掉 pid 的積分項(xiàng)和微分項(xiàng)，一般是 td=0,ti=0，使 pid 為純比例調(diào)節(jié)。輸入設(shè)定為系統(tǒng)允許的最大值的 60%-70%，由 0 逐漸加大比例增益 p， 直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩：再反過(guò)來(lái)，從此時(shí)的比例增益 p 逐漸減小，直至系統(tǒng)振蕩消失， 記錄此時(shí)的比例增益 p，設(shè)定 pid 的比例增益 p 為當(dāng)前值的 60%-70%。比例增益 p 調(diào)試 完成。 （2）確定積分時(shí)間常數(shù) ti 比例增益 p 確定后，設(shè)定一個(gè)較大的積分時(shí)間常數(shù) ti 的初值，然后逐漸減小 ti, 直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，之后在反過(guò)來(lái)，逐漸加大 ti，直至系統(tǒng)振蕩消失。記錄此時(shí)的 ti

23、設(shè)定 pid 的積分時(shí)間常數(shù) ti 為當(dāng)前值的 150%-180%。積分時(shí)間常數(shù) ti 調(diào)試完成。 （3）確定積分時(shí)間常數(shù) td 積分時(shí)間常數(shù) td 一般不用設(shè)定，為 0 即可。若要設(shè)定，與確定 p 和 ti 的方法相 同，取不振蕩時(shí)的 30%。 （4）系統(tǒng)空載、帶載聯(lián)調(diào)，再對(duì) pid 參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，直至滿足要求。 3.3 pid 應(yīng)用到水溫控制器中的編程思路 本設(shè)計(jì)要求使用 pid 算法來(lái)實(shí)現(xiàn)水的恒溫控制，所以在程序中，以實(shí)測(cè)溫度與設(shè) 定溫度的差值作為偏差即 ek，通過(guò) pid 運(yùn)算求出 uk，用 uk 來(lái)調(diào)節(jié)輸出 pwm 波的占空 比，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫的精確調(diào)節(jié)控制，最終實(shí)現(xiàn)穩(wěn)準(zhǔn)快的控制目標(biāo)

24、。 第 4 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 4.1 控制模塊單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 因?yàn)?8051 單片機(jī)內(nèi)部自帶 8k 字節(jié)的 rom 和 256 字節(jié)的 ram,因此不必構(gòu)建單片機(jī) 系統(tǒng)的擴(kuò)展電路。如圖 單片機(jī)最小系統(tǒng)有復(fù)位電路和振蕩器電路。值得注意的一點(diǎn)是 單片機(jī)的 31腳必須接高電平，否則系統(tǒng)將不能運(yùn)行。因?yàn)樵撃_不接時(shí)為低電平， eavp 單片機(jī)將直接讀取外部程序存儲(chǔ)器而系統(tǒng)沒(méi)有外部程序存儲(chǔ)器，所以必須接高 eavp 電平。在按鍵兩端并聯(lián)一個(gè)電解電容，濾除交流干擾，增加系統(tǒng)抗干擾能力。如下圖 4-1 所示5： 圖 4-1 單片機(jī)最小系統(tǒng) 4.2 鍵盤模塊的設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)需要用鍵盤來(lái)設(shè)定閾值溫度，而不是

25、用電位器以及 ad 的模擬輸入，所 以設(shè)置了四個(gè)按鍵，加一按鍵（inc1） ，加十按鍵（inc10）,確定按鍵（queding） ，返 回按鍵（fuwei） 。通過(guò)加一和加十來(lái)設(shè)置好閾值溫度，并按下確定鍵進(jìn)入加熱環(huán)節(jié)。 當(dāng)想從加熱環(huán)節(jié)中退出時(shí)候，按下返回鍵，進(jìn)入重新設(shè)置閾值溫度模塊，直到設(shè)置好 在重新進(jìn)入加熱模式。若是想退出系統(tǒng)，按下復(fù)位鍵即可。鍵盤模塊如圖 4-2 所示： 圖 4-2 鍵盤模塊 4.3 顯示模塊的設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)由于用的是實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)板，上面帶有八位數(shù)碼管，所以顯示模塊就選 用數(shù)碼管顯示即可，顯示應(yīng)用動(dòng)態(tài)顯示原理，通過(guò)循環(huán)輸出，由于人眼誤差，從而來(lái) 實(shí)現(xiàn)顯示的溫度值可以讀出的目

26、的。由于數(shù)碼管的輝光效應(yīng)，即使溫度更新較快，也 可以準(zhǔn)確的讀出溫度值，不會(huì)出現(xiàn)亂碼的情況。顯示部分的電路如下圖 4-3 所示6： 圖 4-3 數(shù)碼管顯示模塊 4.4 溫度采集模塊的設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)采用的是溫度傳感器 ds18b20 來(lái)采集溫度 ，由于 ds18b20 直接輸 出的就是數(shù)字信號(hào)，所以非常方便，直接避開(kāi)了應(yīng)用其他采集溫度方法的繁瑣，并 且 ds18b20 的誤差相對(duì)來(lái)說(shuō)非常小，從而可以精確的采集到溫度，對(duì)于pid 控制 來(lái)說(shuō)，幫助非常大，準(zhǔn)確的采集溫度才可以精確地進(jìn)行pid 運(yùn)算來(lái)調(diào)節(jié)溫度。溫 度采集模塊的電路圖 4-4 示： 圖 4-4 溫度傳感器部分 第 5 章 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

27、軟件系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心 ,相當(dāng)于人體的大腦 ,完成溫度的采集 ,pid 運(yùn)算, 以及 pwm 波的輸出等重要環(huán)節(jié) ,軟件系統(tǒng)是否能夠設(shè)計(jì)的完美 ,決定了整個(gè)系統(tǒng)能 否正常工作,甚至達(dá)到自己預(yù)設(shè)的那些目標(biāo)。所以，有一個(gè)細(xì)致邏輯精確的軟件系 統(tǒng)是本次設(shè)計(jì)能否成功的關(guān)鍵，下面便按照編程思路來(lái)逐一介紹比較重要的幾個(gè)設(shè) 計(jì)模塊。 5.1 主程序模塊流程圖的搭建 主程序就是真正工作時(shí)候 執(zhí)行的程序，相當(dāng)于軟件系統(tǒng)中的中樞，在本次設(shè)計(jì) 中，按照我的編程思路，主程序主要完成初始化，鍵盤設(shè)定閾值溫度，設(shè)好后進(jìn)入 溫度采集模塊，并顯示實(shí)時(shí)溫度，再進(jìn)入pid 環(huán)節(jié)進(jìn)行運(yùn)算，來(lái)控制 pwm 波的輸 出對(duì)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)

28、，每執(zhí)行一次都要判斷是否需要返回重新設(shè)置閾值溫度，若是需 要，則返回到設(shè)置溫度環(huán)節(jié)，否則 則是重復(fù)執(zhí)行上述過(guò)程 8。 如下圖 5-1 則是主程序的流程圖，也就是我的編程邏輯順序。 圖 5-1 主程序流程圖 5.2 pid 模塊流程圖的搭建 pid 模塊是本次設(shè)計(jì)的一個(gè)亮點(diǎn)和重點(diǎn)模塊，因?yàn)楸敬萎厴I(yè)設(shè)計(jì)重在要求用 pid 算法來(lái)控制溫度變化達(dá)到恒溫的目的，所以pid 模塊的編寫成為了本次設(shè)計(jì)的 重中之重，根據(jù)之前所學(xué)自動(dòng)控制原理，搭建系統(tǒng)閉環(huán)流程圖，并且根據(jù)其算法來(lái) 進(jìn)行編程。在本程序中，以閾值溫度與實(shí)時(shí)檢測(cè)溫度的差值作為偏差給定ek，根 據(jù) pid 算法求出控制量 uk，本次設(shè)計(jì)中在根據(jù) uk

29、的變化去調(diào)節(jié)輸出 pwm 波的占 空比，從而來(lái)實(shí)現(xiàn)加熱快慢，達(dá)到控制溫度的目的。如下圖5-2 為 pid 環(huán)節(jié)。 圖 5-2 pid 模塊流程圖 5.3 定時(shí)器模塊流程圖的搭建 定時(shí)器中斷作為本次設(shè)計(jì)中必不可少的一部分， 用來(lái)通過(guò)中斷 來(lái)產(chǎn)生 pwm 波。 本次設(shè)計(jì)中， 設(shè)計(jì)為每 50 毫秒進(jìn)一次定時(shí)器中斷，調(diào)節(jié)周期為5 秒，同時(shí)僅當(dāng)進(jìn) 入 pid 調(diào)節(jié)時(shí)候（即檢測(cè)溫度與閾值溫度之差為 15 攝氏度以內(nèi)的時(shí)候） 才會(huì)開(kāi)啟 定時(shí)器中斷， 來(lái)進(jìn)行 pwm 波的占空比調(diào)節(jié)。 作為關(guān)鍵部分， 本人通過(guò)仔細(xì)的查閱 資料，和分析作用過(guò)程編寫出此模塊詳細(xì)的運(yùn)行流程，進(jìn)一步為編寫程序提供幫助。 如下圖 5-3

30、 是定時(shí)器中斷的流程 9： 圖 5-3 時(shí)器中斷流程圖 軟件模塊的設(shè)計(jì)中心就是圍繞以上三個(gè)大部分，如其他的溫度采集模塊，鍵盤 模塊以及顯示模塊都是作為一種不可少 ，但是不作為核心來(lái)出現(xiàn) 的，在此處 就不 一一論述，總之，軟件是一個(gè)系統(tǒng)的大腦，只有大腦好，整個(gè)系統(tǒng)工作才會(huì)完美， 對(duì)于一個(gè)合格的系統(tǒng)設(shè)計(jì)者來(lái)講，只有有著嫻熟的編程能力才能勝任系統(tǒng)的完美開(kāi) 發(fā)。 第 6 章 系統(tǒng)調(diào)試 硬件和軟件系統(tǒng)都做好之后，就要進(jìn)行硬軟結(jié)合，系統(tǒng)聯(lián)調(diào)了，經(jīng)過(guò)多日努 力，終于可以進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)試，并根據(jù)之前的設(shè)計(jì)目標(biāo)來(lái)記錄相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并 做出對(duì)應(yīng)的波形，進(jìn)一步的來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)的功能是否完備 10。 6.1 溫度時(shí)間變化

31、曲線的繪制 系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，由于本系統(tǒng)主要是看水溫的變化與時(shí)間的關(guān)系，所以記錄實(shí)驗(yàn) 現(xiàn)象時(shí)候，分別選取了閾值溫度為55 度以及 60 度時(shí)候記錄了相應(yīng)的數(shù)據(jù)，來(lái)繪 制溫度時(shí)間變化曲線，如下 ： 表 6-1 閾值溫度為 55 度時(shí)候的溫度時(shí)間關(guān)系 時(shí)間 （min） 00.511.522.533.544.555.56 溫度值 （度） 25262933374245485051525354 時(shí)間 （min） 6.577.588.599.51010.51111.5 溫度值 （度） 5555555555 下圖 6-1 根據(jù)上表所繪制的溫度時(shí)間變化曲線： 溫度變化曲線 0 10 20 30 40 50 60

32、024681012 時(shí)間(分鐘） 溫度值(攝氏度） 系列1 圖 6-1 閾值溫度為 55 度時(shí)的溫度時(shí)間變化曲線 表 6-2 閾值溫度為 60 度時(shí)候的溫度時(shí)間關(guān)系 時(shí)間 （min） 00.511.522.533.544.555.56 溫度值 （度） 26283034384347505354566758 時(shí)間 （min） 6.577.588.599.51010.51111.5 溫度值 （度） 5960606060605959606060 下圖 6-2 為根據(jù)上表所繪制的溫度時(shí)間變化曲線 ： 溫度變化曲線 0 10 20 30 40 50 60 70 024681012 時(shí)間（分鐘） 溫度（攝氏

33、度) 系列1 圖 6-2 閾值溫度為 60 度時(shí)的溫度時(shí)間變化曲線 6.2 分析曲線并獲得相應(yīng)結(jié)論 通過(guò)上面兩條溫度時(shí)間變化曲線的繪制，不難發(fā)現(xiàn)，本次設(shè)計(jì)的恒溫控制系統(tǒng)很 完美的實(shí)現(xiàn)了所預(yù)定的目標(biāo)。 （1）首先可以實(shí)現(xiàn)按鍵設(shè)定溫度，用五位數(shù)碼管顯示實(shí)時(shí)溫度； （2）溫度控制范圍為 0100 度，測(cè)量誤差為士 0.5 度； （3）恒溫控制并且可以快速達(dá)到預(yù)設(shè)溫度且?guī)缀鯚o(wú)超調(diào)； 綜上三點(diǎn)，本系統(tǒng)都完美的實(shí)現(xiàn)了，本次設(shè)計(jì)可以說(shuō)是比較成功的，但相對(duì)也有 不足之處，如調(diào)節(jié)時(shí)間還有些偏慢，過(guò)渡時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，pid 參數(shù)還可以進(jìn)一步的優(yōu)化，來(lái) 更加快速準(zhǔn)確的達(dá)到閾值溫度，并且仍然無(wú)超調(diào)，所以，作為本系統(tǒng)仍有很大

34、發(fā)揮之 處，但是就目前來(lái)看，用這款打片機(jī)只有達(dá)到這樣的目標(biāo)，也是很好的完成了設(shè)計(jì)之 初的目的，可以達(dá)到要求的控制效果。 第 7 章 結(jié) 論 通過(guò)本次的設(shè)計(jì)，使我們不僅對(duì)單片機(jī)這門課程有了更深刻的認(rèn)一識(shí)，懂得了如 何運(yùn)用課本知識(shí)結(jié)合實(shí)際來(lái)完成定時(shí)器的顯示和編程方法以及數(shù)碼顯示電路的驅(qū)動(dòng)力 一法，使我們能夠很快的適應(yīng)現(xiàn)代控制技術(shù)發(fā)展的需求，同時(shí)也提高了我們的思維能 力和實(shí)際操作能力，為以后更好的走上工作崗位奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 基于 89c51 單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)，利用溫度傳感變送器 ds18b20，將采樣到的溫度 信號(hào)輸入到單片機(jī)中，再由單片機(jī)作為整個(gè)溫控系統(tǒng)的控制器，根據(jù)測(cè)量溫度與設(shè)定 溫度的差

35、值和 89c51 單片機(jī)的算法生成控制信號(hào)，控制電熱杯的通電與斷電。整個(gè)系 統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、所用芯片少、控制精度高。同時(shí)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單明了，對(duì)于工業(yè)控制領(lǐng)域 來(lái)講，有很大的實(shí)用性，控制簡(jiǎn)單但是準(zhǔn)確，并且故障點(diǎn)少，不易出現(xiàn)問(wèn)題，故而本 系統(tǒng)可以很好地應(yīng)用到一些工業(yè)領(lǐng)域中去。 在軟件上，基于 89c51 單片機(jī)的算法的溫度控制系統(tǒng)采用了經(jīng)典的 89c51 單片機(jī) 的算法，從某個(gè)角度上說(shuō)這種算法優(yōu)于傳統(tǒng)的控制算法，有更穩(wěn)定、控制精度更高等 優(yōu)點(diǎn)，而控制量的輸出上采用了模擬的 pwm 變換，免去了一級(jí) d/a 轉(zhuǎn)換器，減小了成 本，且簡(jiǎn)單易行。在程序的編寫過(guò)程中特別注意了人機(jī)的交互性及各種功能的實(shí)現(xiàn)， 如鍵

36、盤控制管理程序和 89c51 單片機(jī)的運(yùn)算程序都是經(jīng)過(guò)深思熟慮而精心設(shè)計(jì)，使系 統(tǒng)的操作界而更容易讓人理解，同時(shí)使用鍵盤輸入控制溫度，雖然一定程度上增加了 程序的復(fù)雜性，但同時(shí)也使系統(tǒng)的溫度更容易設(shè)定。 當(dāng)然，系統(tǒng)同時(shí)也存在幾點(diǎn)缺點(diǎn)。在選擇 stc89c51 單片機(jī)的控制器時(shí)用了速度相 對(duì)較慢的單片機(jī)，若采用速度更快的單時(shí)鐘周期系列的單片機(jī)，提高采樣頻率，控制 精度將會(huì)更高。同時(shí)本系統(tǒng)沒(méi)有采用與上位機(jī)通信的方式，這樣在實(shí)際的應(yīng)用中會(huì)有 些不便。另外此設(shè)計(jì)雖然能夠完成溫度的顯示和控制，但是功能和精度有待于進(jìn)一步 提高。 以后可以通過(guò)加入 pid 算法優(yōu)化控制功能，并通過(guò)液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示溫度。 致致 謝謝 經(jīng)過(guò)三個(gè)月的努力，我從一個(gè)對(duì)軟件設(shè)計(jì)不太了解的新手成長(zhǎng)為一個(gè)可以很輕松 的編出一套相對(duì)比較綜合的程序，并且如期完成了我的畢業(yè)設(shè)計(jì)，我感覺(jué)自己的成長(zhǎng) 真的好大，在這里我不得不說(shuō)一下我的設(shè)計(jì)艱辛與在這個(gè)過(guò)程中那些不離不棄的支持 我的可愛(ài)的人們。 首先，在本次設(shè)計(jì)中，特別感謝郭老師對(duì)我的幫助，為我提供了硬件上的幫助， 同時(shí)對(duì)我在思路的拓展方面都有點(diǎn)播，并且不時(shí)的問(wèn)我遇到了什么困難，需要那