單片機(jī)恒溫箱溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

...wd......wd......wd...課程設(shè)計(jì)題目：?jiǎn)纹瑱C(jī)恒溫箱溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)本課程設(shè)計(jì)要求：本溫度控制系統(tǒng)為以單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，實(shí)現(xiàn)了控制的智能化。設(shè)計(jì)恒溫箱溫度控制系統(tǒng)，配有溫度傳感器，采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器，無需數(shù)模擬∕數(shù)字轉(zhuǎn)換，可直接與單片機(jī)進(jìn)展數(shù)字傳輸，采用了PID控制技術(shù)，可以使溫度保持在要求的一個(gè)恒定范圍內(nèi)，配有鍵盤，用于輸入設(shè)定溫度；配有數(shù)碼管LED用來顯示溫度。技術(shù)參數(shù)和設(shè)計(jì)任務(wù)：1、利用單片機(jī)AT89C2051實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制，實(shí)現(xiàn)保持恒溫箱在最高溫度為110℃。2、可預(yù)置恒溫箱溫度，烘干過程恒溫控制，溫度控制誤差小于±2℃3、預(yù)置時(shí)顯示設(shè)定溫度，恒溫時(shí)顯示實(shí)時(shí)溫度，采用PID控制算法顯示準(zhǔn)確到0.1℃。4、溫度超出預(yù)置溫度±5℃5、對(duì)升、降溫過程沒有線性要求。6、溫度檢測(cè)局部采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器，無需數(shù)模擬∕數(shù)字轉(zhuǎn)換，可直接與單片機(jī)進(jìn)展數(shù)字傳輸7、人機(jī)對(duì)話局部由鍵盤、顯示和報(bào)警三局部組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的顯示、報(bào)警。一、本課程設(shè)計(jì)系統(tǒng)概述1、系統(tǒng)原理選用AT89C2051單片機(jī)為中央處理器，通過溫度傳感器DS18B20對(duì)恒溫箱進(jìn)展溫度采集，將采集到的信號(hào)傳送給單片機(jī)，在由單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)展處理控制顯示器，并比較采集溫度與設(shè)定溫度是否一致，然后驅(qū)動(dòng)恒溫箱的加熱或制冷。2、系統(tǒng)總構(gòu)造圖總體設(shè)計(jì)應(yīng)該是全面考慮系統(tǒng)的總體目標(biāo)，進(jìn)展硬件初步選型，然后確定一個(gè)系統(tǒng)的草案，同時(shí)考慮軟硬件實(shí)現(xiàn)的可行性?？傮w方案經(jīng)過反復(fù)推敲，確定了以美國(guó)Atmel公司推出的51系列單片機(jī)為溫度智能控制系統(tǒng)的核心，并選擇低功耗和低成本的存儲(chǔ)器、數(shù)碼顯示器等元件，總體方案如以以下圖：圖1系統(tǒng)總體框圖二、硬件各單元設(shè)計(jì)1、單片機(jī)最小系統(tǒng)電路單片機(jī)選用Atmel公司的單片機(jī)芯片AT89C2051,完全可以滿足本系統(tǒng)中要求的采集、控制和數(shù)據(jù)處理的需要。單片機(jī)的選擇在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中至關(guān)重要，該單片機(jī)與MCS-51系列單片機(jī)高度兼容、低功耗、可以在接近零頻率下工作等諸多優(yōu)點(diǎn)，而廣泛應(yīng)用于各類計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、工業(yè)控制、消費(fèi)類產(chǎn)品中。AT89C2051是AT89系列單片機(jī)中的一種精簡(jiǎn)產(chǎn)品。它是將AT89C51的P0口、P2口、EA/Vpp、ALE/PROG、PSEN口線省去后，形成的一種僅20引腳的單片機(jī)，相當(dāng)于早期Intel8031的最小應(yīng)用系統(tǒng)。這對(duì)于一些不太復(fù)雜的控制場(chǎng)合，僅有一片AT89C2051就足夠了，是真正意義上的“單片機(jī)〞。AT89C2051為很多規(guī)模不太大的嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種極佳的選擇方案，使傳統(tǒng)的51系列單片機(jī)的體積、功耗大、可選模式少等諸多弱點(diǎn)不復(fù)存在。該型號(hào)單片機(jī)包括:〔1〕一個(gè)8位的微處理器(CPU)。〔2〕片內(nèi)有2K字節(jié)的程序存儲(chǔ)器(ROM)和128/256字節(jié)RAM?！?〕15條可編程雙向I/O口線?！?〕兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器都可以設(shè)置成計(jì)數(shù)方式，用以對(duì)外部事件進(jìn)展計(jì)數(shù)，也可設(shè)置成定時(shí)方式，并可以根據(jù)計(jì)數(shù)或定時(shí)的結(jié)果實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制?！?〕五個(gè)中斷源的中斷控制系統(tǒng)?！?〕一個(gè)全雙工UATR(通用異步接收發(fā)送器)的串行I/0口，用于實(shí)現(xiàn)單片機(jī)之間或單片機(jī)與微機(jī)之間的串行通信。〔7〕片內(nèi)含模擬比較器?！?〕低功耗的閑置和掉電模式。圖2最小系統(tǒng)電路AT89C2051是一個(gè)20腳的雙列直插封裝(DIP)芯片。最小系統(tǒng)電路包括晶體振蕩電路和手動(dòng)復(fù)位電路，如圖2。本設(shè)計(jì)使用一片AT89C2051就代替了原來的8031、EPROM2732和地址鎖存器74LS373，因?yàn)锳T89C2051內(nèi)部的2KBEPROM和128B的RAM，對(duì)智能化溫度傳感器測(cè)試系統(tǒng)已能滿足設(shè)計(jì)要求，而且降低了成本，構(gòu)造設(shè)計(jì)也較精巧。2、溫度傳感器采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20,與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比,他能夠直接讀出被測(cè)溫度并且可根據(jù)實(shí)際要求通過簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式?？梢苑謩e在93.75ms和750ms內(nèi)完成9位和12位的數(shù)字量,并且從DS18B20讀出的信息或?qū)懭隓S18B20的信息僅需要一根口線(單線接口)讀寫,溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線,總線本身也可以向所掛接的DS18B20供電,而無需額外電源。因而使用DS18B20可使系統(tǒng)構(gòu)造更趨簡(jiǎn)單,可靠性更高，成本更低。測(cè)量溫度范圍為～55℃～+125℃。C，在一10℃～+85℃。C范圍內(nèi)，精度為±0.5℃。DS1822的精度較差為±2℃?，F(xiàn)場(chǎng)溫度直接以“一線總線〞的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。其引腳分布如圖3所示圖3DS18B20引腳圖(1)引腳功能如下:NC(1、2、6、7、8腳):空引腳,懸空不使用。VDD(3腳):可選電源腳,電源電壓范圍3～5.5V。DQ(4腳):數(shù)據(jù)輸入/輸出腳,漏極開路,常態(tài)下高電平。(2)DS18B20測(cè)溫原理DS18B20的測(cè)溫原理如圖4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(hào)送給計(jì)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(hào)作為計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入。計(jì)數(shù)器1和溫度存放器被預(yù)置在-55℃所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。計(jì)數(shù)器1對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)展減法計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減到0時(shí)，溫度存放器的值將加1，計(jì)數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，計(jì)數(shù)器1重新開場(chǎng)對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)展計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0時(shí)，停頓溫度存放器值的累加，此時(shí)溫度存放器中的數(shù)值即為所測(cè)溫度。斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測(cè)溫過程中的非線性，其輸出用于修正計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值。DS18B20在正常使用時(shí)的測(cè)溫分辨率為0.5℃，如果要更高的精度，那么在對(duì)DS18B20測(cè)溫原理進(jìn)展詳細(xì)分析的根基上，采取直接讀取DS18B20內(nèi)部暫存存放器的方法，將DS18B20的測(cè)溫分辨率提高到0.1～圖4測(cè)溫原理圖(3)DS18B20與單片機(jī)接口電路P1.3口和DSl8B20的引腳DQ連接,作為單一數(shù)據(jù)線。U2即為溫度傳感芯片DSl8B20,本設(shè)計(jì)雖然只使用了一片DSl8B20,但由于不存在遠(yuǎn)程溫度測(cè)量的考慮,所以為了簡(jiǎn)單起見,采用外部供電的方式,如圖2.6所示。測(cè)溫電纜采用屏蔽4芯雙絞線,其中一對(duì)線接地線與信號(hào)線,另一對(duì)接VCC和地線,屏蔽層在電源源端單點(diǎn)接地。圖5DS18B20與單片機(jī)接口電路3、鍵盤顯示電路LED與控制器的連接有并行和串行方式。由于串行方式占用較少接口，因此得到廣泛應(yīng)用。顯示電路中選用MAX7219作為L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)芯片。MAX7219是一個(gè)高集成化的串行輸入/輸出的共陰極LED驅(qū)動(dòng)顯示器。每片可驅(qū)動(dòng)8位7段加小數(shù)點(diǎn)的共陰極數(shù)碼管。片內(nèi)包括BCD譯碼器、多路掃描控制器、字和位驅(qū)動(dòng)器和8×8靜態(tài)RAM。外部只需要一個(gè)電阻設(shè)置所有LED顯示器字段電流。MAX7219和控制器只需要三根導(dǎo)線連接，每位顯示數(shù)字有一個(gè)地址由控制器寫入。允許使用者選擇每位是BCD譯碼或不譯碼。使用者還可以選擇停機(jī)模式、數(shù)字亮度控制、從1～8位選擇掃描位數(shù)和對(duì)所有LED顯示器的測(cè)試模式。(1)引腳功能MAX7219是24引腳芯片，它的引腳排列如圖2.7所示。各引腳功能如下：1)DIN(1腳):串行數(shù)據(jù)輸入端，當(dāng)CLK為上升沿時(shí)數(shù)據(jù)被載入16位內(nèi)部移位存放器。2)CLK〔13腳〕：串行時(shí)鐘脈沖輸入端，最大工作頻率可達(dá)10MHz。3)LOAD〔12腳〕：片選端，當(dāng)LOAD為低電平時(shí)，芯片接收來自DIN的數(shù)據(jù)，接收完畢，LOAD回到高電平，接收的數(shù)據(jù)將被鎖定。4)DIG0～DIG7〔2、3、5、6、7、8、10、11腳〕：吸收顯示器共陰極電流的位驅(qū)動(dòng)線，最大值可達(dá)500mA。圖6MAX7219引腳圖5)SEGA～SEGG、SEGDP〔14、15、16、17、20、21、22、23腳〕：驅(qū)動(dòng)顯示器7段及小數(shù)點(diǎn)的輸出電流，一般為40mA，可編程調(diào)整。6)ISET〔18腳〕：硬件亮度調(diào)節(jié)端。7)DOUT〔24腳〕：串行數(shù)據(jù)輸出端；V＋，正電源。8)GND〔9腳〕：接地。(2)MAX7219與單片機(jī)和LED及鍵盤的接口電路1〕MAX7219的3個(gè)輸入端DIN、CLK和LOAD與單片機(jī)的三個(gè)I/O口連接，DIG0～DIG7分別與八個(gè)共陰極LED的公共端連接，SEGA～SEGG、SEGDP分別與每個(gè)LED七段動(dòng)和小數(shù)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)端相連。電路圖如圖7所示。2〕鍵盤功能介紹采用獨(dú)立式按鍵設(shè)計(jì)，如圖上圖所示。由于只有四個(gè)按鍵，因此按鍵接口電路的設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，單片機(jī)P1.4～P1.7端口設(shè)定為輸入狀態(tài)，平時(shí)通過電阻上拉到Vcc，按鍵按下時(shí)，對(duì)應(yīng)的端口的電平被拉到低電平。這樣就可以通過查詢P1的高4位來判斷有門有按鍵按下按鍵各接一根輸入線，一根輸入線的按鍵工作狀態(tài)不會(huì)影響其他輸入線上的工作狀態(tài)。通過讀I/O口，判斷各I/O口的電平狀態(tài)，即可識(shí)別出按下的按鍵。4個(gè)按鍵定如下：A、P1.4:S1功能鍵，按此鍵那么開場(chǎng)鍵盤控制。B、P1.5:S2加，按此鍵那么溫度設(shè)定加1度。C、P1.6:S3減，按此鍵那么溫度設(shè)定減1度。D、P1.7:S4發(fā)送，按此鍵將傳感器的溫度傳送到上位機(jī)。圖7MAX7219與單片機(jī)和LED及鍵盤的接口電路4、驅(qū)動(dòng)控制電路(1)熱電制冷介紹熱電制冷原理：半導(dǎo)體熱電偶由N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體組成。當(dāng)電流的極性如圖8所示時(shí)，電子從電源負(fù)極出發(fā)，經(jīng)連接片、P型半導(dǎo)體、連接片、N型半導(dǎo)體，最后回到電源正極。N型材料有多余的電子，有負(fù)溫差電勢(shì)。P型材料電子缺乏，有溫差電勢(shì);當(dāng)電子從P型穿過結(jié)點(diǎn)至N型時(shí)，其能量必然增加，而且增加的能量相當(dāng)于結(jié)點(diǎn)所消耗的能量。這一點(diǎn)可用溫差降低來證明。相反，當(dāng)電子從N型流至P型材料時(shí)，結(jié)點(diǎn)的溫度就會(huì)升高。直接接觸的熱電偶電路在實(shí)際的引用中不可用，所以用圖8的連接方式來代替，實(shí)驗(yàn)證明，在溫差電路中引入銅連接片和導(dǎo)線，不會(huì)改變電路的特性。簡(jiǎn)單地說當(dāng)一塊N型半導(dǎo)體材料和一塊P型半導(dǎo)體材料聯(lián)結(jié)成電偶對(duì)時(shí)，在這個(gè)電路中接通直流電流后，就能產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)移，電流由N型元件流向P型元件的接頭吸收能量，成為冷端;由P型元件流向N型元件的接頭釋放熱量，成為熱端。吸收和放熱的大小是通過電流的大小以及半導(dǎo)體材料N、P的元件對(duì)數(shù)來決定。圖8半導(dǎo)體制冷原理圖(2)驅(qū)動(dòng)控制電路光耦合雙向可控硅驅(qū)動(dòng)器是一種單片機(jī)輸出與雙向可控硅之間較理想的接口器件，它由入和輸出兩局部組成，輸入局部為砷化鎵發(fā)光二極管，該二極管在5mA～15mA正向電流作用下發(fā)出足夠強(qiáng)度的紅外光，觸發(fā)輸出局部。連接電路如圖9所示。輸出局部為硅光敏雙向可控硅，在紅外線作用下可雙向?qū)?。光電耦合器是以光為媒介傳輸電信?hào)的一種“電-光-電〞轉(zhuǎn)換器件。它由發(fā)光源和受光器兩局部組成。把發(fā)光源和受光器組裝在同一殼體內(nèi)，彼此間用透明絕緣體隔離。發(fā)光源的引腳為輸入局部，受光器的引腳為輸出端，常見的發(fā)光源為發(fā)光二極管，受光器為光敏二極管、光敏三極管等。在光電耦合器輸入端加電信號(hào)使發(fā)光源發(fā)光，光的強(qiáng)度取決于鼓勵(lì)電流的大小，此光照射到封裝在一起的受光器上后，因光電效應(yīng)而產(chǎn)生了光電流，由受光器輸出端引出，這樣就實(shí)現(xiàn)了“電-光-電〞轉(zhuǎn)換。在光電耦合器的內(nèi)部，由于發(fā)光管和受光器之間的耦合電容很小，使用共模輸入電壓通過極間耦合電容對(duì)輸出電流的影響很小，因而共模抑制比很高。在發(fā)光二極管上提供一個(gè)偏置電流，再把信號(hào)電壓通過電阻耦合到發(fā)光二極管上，這樣光電晶體管接收到的是在偏置電流上增、減變化的光信號(hào)，其輸出電流將隨輸入的信號(hào)電壓作線性變化。光電耦合器也可工作在開關(guān)狀態(tài)，傳輸脈沖信號(hào)。在傳輸脈沖信號(hào)是，輸入信號(hào)和輸出信號(hào)之間存在一定的延時(shí)，不同構(gòu)造的光電耦合器輸入、輸出延時(shí)時(shí)間相差很大。圖9加熱降溫驅(qū)動(dòng)控制電路5、看門狗和上位機(jī)通信電路(1)串口通信功能實(shí)現(xiàn)在實(shí)際的工作中，計(jì)算機(jī)的CPU與外部設(shè)備之間常常要進(jìn)展信息交換，一臺(tái)計(jì)算機(jī)與其他計(jì)算機(jī)之間也往往要交換信息，所有這些信息交換均可稱為通信。串行通信是指:數(shù)據(jù)是一位一位按順序傳送的通信方式。它的突出優(yōu)點(diǎn)是只需一對(duì)傳輸線(利用線就可以作為傳輸線)，這樣就大大降低了成本，特別適用與遠(yuǎn)距離通信;其缺點(diǎn)是傳送速度低。(2)MAX232與單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì)圖10為MAX232與單片機(jī)接口電路；通過它可以把單片機(jī)和計(jì)算機(jī)連接起來，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊功能。(3)看門狗與電源監(jiān)控芯片介紹由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)控制系統(tǒng)可能造成很強(qiáng)的干擾，為保證控制器在任何干擾條件下都能正常工作，就必須對(duì)單片機(jī)的運(yùn)行進(jìn)展監(jiān)控，防止死機(jī)、程序跑飛或進(jìn)入死循環(huán)。采用看門狗電路那么可以大大提高整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾能力態(tài)。本系統(tǒng)選用MAX813L，該芯片能夠監(jiān)控電源電壓、電池故障和微控制器的工作狀態(tài)。MAX813L引腳功能如下：1)MR(1腳)：手動(dòng)復(fù)位輸入，低電平有效。2)PRI(4腳)、PFO(5腳)：分別為電源故障輸入和電源故障輸出。3)WDI(6腳)、WDO(8腳)：分別為看門狗輸入和看門狗輸出。4)RESET(7腳)：復(fù)位輸出。MAX813L芯片主要特點(diǎn)：1)復(fù)位輸出：系統(tǒng)上電、掉電以及供電電壓降低時(shí)，第7腳產(chǎn)生復(fù)位脈沖，復(fù)位脈沖寬度的典型值為200ms，高電平有效，復(fù)位門限值為4.65V。2)看門狗電路輸出：如果在1.6s內(nèi)沒有觸發(fā)該電路，那么第8腳輸出一個(gè)低電平信號(hào)。3)手動(dòng)復(fù)位輸入：低電平有效，即第1腳輸入一個(gè)低電平，那么地7腳產(chǎn)生復(fù)位輸出。4)第4腳輸入電壓為1.25V時(shí)，第5腳輸出一個(gè)低電平信號(hào)。(5)MAX813L與單片機(jī)的連接MAX813L的典型應(yīng)用電路如圖10所示，在軟件設(shè)計(jì)中，P3.7不斷的輸出脈沖信號(hào)。如果因某種原因進(jìn)入死循環(huán)，那么P3.7無脈沖輸出，于是1.6s后在MAX813L的第8腳輸出低電平。該低電平加到1腳，使MAX813L產(chǎn)生復(fù)位輸出，使單片機(jī)有效復(fù)位，擺脫死循環(huán)。另外，當(dāng)電源電壓低于限制值4.65V時(shí)，MAX813L也會(huì)產(chǎn)生復(fù)位輸出，使單片機(jī)處于復(fù)位狀態(tài)，不執(zhí)行任何指令，知道電壓電壓恢復(fù)正常，以有效防止因電源電壓較低使單片機(jī)產(chǎn)生錯(cuò)誤的動(dòng)作。圖10MAX232與單片機(jī)接口電路6、電源電路圖11電源電路電源電路雖然簡(jiǎn)單，但需要功能可靠，要有CBB電容和高品質(zhì)的ELNA電容做退藕，，設(shè)計(jì)所用的電源都是直流電源+5V，所用采用三端集成穩(wěn)壓器7805，可以方便的實(shí)現(xiàn)此功能，電路如圖11所示7、PID控制算法(1)PID的數(shù)學(xué)模型PID控制是一種比較成熟的控制理論,它通過比例、積分、微分三局部的合理組合可以用比較簡(jiǎn)單的方法獲得令人滿意的控制效果。PID的數(shù)學(xué)模型如圖12表示：圖12PID數(shù)學(xué)模型給定值R(t)與實(shí)際值Y(t)構(gòu)成控制誤差:E〔t〕=R〔t〕-Y〔t〕式2-1PID控制器根據(jù)E(t)將誤差的比例(P)、積分(I)、和微分(D)通過線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)受控對(duì)象進(jìn)展控制，其控制規(guī)律如式2所示:U(t)=KP[e(t)+]式2-2U(t)——控制器輸出函數(shù);E(t)——控制器誤差函數(shù);KP——比例系數(shù);Ti——積分時(shí)間常數(shù);Td——微分時(shí)間常數(shù)。一個(gè)最簡(jiǎn)單的控制器可以只有比例局部，它能夠產(chǎn)生與輸入信號(hào)成比例的輸出信號(hào)，所以誤差一旦產(chǎn)生，控制器立即就有控制作用，使被控制量朝著減小誤差的方向變化，控制作用的強(qiáng)弱取決于比例系數(shù)KP。比例控制的缺點(diǎn)是不能在設(shè)置點(diǎn)和反響點(diǎn)之間產(chǎn)生零誤差(靜差)，為了產(chǎn)生有限的輸出信號(hào)，必須保持這種靜差。加大KP可以減小靜差，但是KP過大會(huì)導(dǎo)致動(dòng)態(tài)性能變壞，甚至?xí)归]環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。為了消除這種靜差，可以引入積分控制環(huán)節(jié)，積分環(huán)節(jié)能對(duì)誤差進(jìn)展記憶并積分，即使只存在很小的偏差，也可以將其積分后作用于操作局部，有利于消除靜差。但是積分作用具有滯后特性，它總是滯后于偏差的存在，這樣會(huì)使系統(tǒng)易于振蕩，結(jié)果往往超調(diào)，使被控變量波動(dòng)很大。積分控制常用于補(bǔ)償高精度的控制系統(tǒng)。微分控制能對(duì)誤差進(jìn)展微分，敏感出誤差的變化趨勢(shì)，將預(yù)期的動(dòng)作作用于操作局部，增大微分控制作用可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)，使超調(diào)量減小，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。缺點(diǎn)是微分控制對(duì)干擾同樣敏感，使系統(tǒng)抑制干擾的能力降低。微分控制可用于補(bǔ)償快速變化的控制系統(tǒng)。(2)PID控制規(guī)律的離散化為了用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)PID控制，必須將式表示PID控制規(guī)律的連續(xù)形式變成離散形式，才能通過編程實(shí)現(xiàn)。假設(shè)設(shè)溫度采樣周期為T,第n次采樣得到的輸入偏差為en,輸出為Un。微分用差分代替式2-3積分用求和代替式2-4這樣PID控制器控制算法的離散形式改寫為式2-5這種算法的缺點(diǎn)是，由于是全量輸出，所以每次輸出均與過去的狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算時(shí)要對(duì)E(n)進(jìn)展累加，所以計(jì)算機(jī)工作量大。而且，因?yàn)橛?jì)算機(jī)輸出的U(n)對(duì)應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，如果計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，u(n)的大幅度變化會(huì)引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的大幅度變化，這種情況往往是生產(chǎn)實(shí)踐中不允許的，在某些場(chǎng)合，可能造成重大的生產(chǎn)事故，因此產(chǎn)生了增量式PID控制的控制算法。所謂增量式PID控制算法是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量U(n)。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的是控制量的增量時(shí)，可由式導(dǎo)出提供增量的PID控制算法。根據(jù)遞推規(guī)律得:式2-6用式2-5減去式2-6可得：式2-7改寫成：=式2-8事實(shí)證明，對(duì)于PID這樣簡(jiǎn)單的控制器，能夠適用于廣泛的工業(yè)和民用對(duì)象，并以其很高的性價(jià)比在市場(chǎng)中占主導(dǎo)地分反映了PID控制，但在工業(yè)控制過程中經(jīng)常會(huì)碰到大滯位，充后、時(shí)變的、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，其中有的是非線性系統(tǒng);有的帶有延時(shí)和隨機(jī)干擾;有的無法獲得較準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型或者模型非常粗燥。對(duì)于以上這些系統(tǒng)，如果采用常規(guī)的PID控制器，那么難以整定PID參數(shù)，因此比較難以到達(dá)預(yù)期的控制效果。同時(shí)，在實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，由于受到參數(shù)整定方法繁雜的困擾，常規(guī)PID控制器參數(shù)往往整定不良、性能欠佳，對(duì)運(yùn)行工礦的適用性很差。三、軟件設(shè)計(jì)1、溫度傳感器DS18B20模塊軟件設(shè)計(jì)DS18B20上電后處于空閑狀態(tài),需要控制器發(fā)能完成溫度轉(zhuǎn)換。DS18B20的單線通訊功能是分時(shí)完成的，具有嚴(yán)格的時(shí)序要求，而AT89C2051單片機(jī)并不支持單線傳輸,必須采用軟件的方法來模擬單線的協(xié)議時(shí)序。DS18B20的操作必須嚴(yán)格按照協(xié)議進(jìn)展。工作協(xié)議流程為：主機(jī)發(fā)復(fù)位脈沖初始化DS18B20→DS18B20發(fā)響應(yīng)脈沖→主機(jī)發(fā)ROM操作指令→主機(jī)發(fā)存儲(chǔ)器操作指令→數(shù)據(jù)傳輸。對(duì)DS18B20操作時(shí)，首先要將它復(fù)位。復(fù)位時(shí)，DQ線被拉為低電平，時(shí)間為480～960us；接著將數(shù)據(jù)線拉為高電平，時(shí)間為15～60us；最后DS18B20發(fā)出60～240us的低電平作為應(yīng)答信號(hào)，這時(shí)主機(jī)才能進(jìn)展讀寫操作。進(jìn)展寫操作時(shí)，將數(shù)據(jù)線從高電平拉至低電平，產(chǎn)生寫起始信號(hào)。從DQ線的下降沿起計(jì)時(shí)，在15us到60us這段時(shí)間內(nèi)對(duì)數(shù)據(jù)線進(jìn)展檢測(cè)，如數(shù)據(jù)線為高電平那么寫1；假設(shè)為低電平，那么寫0，完成了一個(gè)寫周期。在開場(chǎng)另一個(gè)寫周期前，必須有1us以上的高電平恢復(fù)期。每個(gè)寫周期必須要進(jìn)展寫操作時(shí)，將數(shù)據(jù)線從高電平拉至低電平，產(chǎn)生寫起始信號(hào)。從DQ線的下降沿起計(jì)時(shí)，在15us到60us這段時(shí)間內(nèi)對(duì)數(shù)據(jù)線進(jìn)展檢測(cè)，如數(shù)據(jù)線為高電平那么寫1；假設(shè)為低電平，那么寫0，完成了一個(gè)寫周期。在開場(chǎng)另一個(gè)寫周期前，必須有1us以上的高電平恢復(fù)期。每個(gè)寫周期必須要有60us以上的持續(xù)期。讀操作時(shí)，主機(jī)將數(shù)據(jù)線從高電平拉至低電平1us以上，再使數(shù)據(jù)線升為高電平，從而產(chǎn)生讀起始信號(hào)。從主機(jī)將數(shù)據(jù)線從高電平拉至低電平起15us至60us，主機(jī)讀取數(shù)據(jù)。每個(gè)讀周期最短的持續(xù)期為60us，周期之間必須有1us以上的高電平恢復(fù)期。溫度轉(zhuǎn)換讀取溫度數(shù)值程序流程如圖13所示圖13溫度轉(zhuǎn)換讀取溫度數(shù)值程序流程2、顯示程序設(shè)計(jì)MAX7219上電時(shí)，譯碼方式、亮度調(diào)節(jié)、掃描位數(shù)、待機(jī)開關(guān)和顯示檢測(cè)5個(gè)控制存放器全部清零。對(duì)于MAX7219，串行數(shù)據(jù)以16位數(shù)據(jù)包的形式從DIN腳串行輸入，在CLK的每一個(gè)上升沿一位一位的送入芯片內(nèi)部16位移位存放器，而不管LOAD腳的狀態(tài)如何。LOAD腳必須在第16個(gè)上升沿出現(xiàn)的同時(shí)或之后，但在下一個(gè)CLK上升沿之前變?yōu)楦唠娖剑衲敲匆迫氲臄?shù)據(jù)將喪失。3、鍵盤程序設(shè)計(jì)在按鍵的軟件設(shè)計(jì)時(shí)考慮了按鍵去抖動(dòng)技術(shù)問題。因?yàn)榘存I的無操作抖動(dòng)很可能影響單片機(jī)對(duì)按鍵的判斷，因此必須考慮去抖動(dòng)問題。鍵盤的程序流程圖如圖14圖14鍵盤的程序流程4、PID控制程序設(shè)計(jì)由式2-8可以改寫成：P(K)=P(K-1)+KP[E(K)-E(K-1)]+KI·E(K)+KD[E(K)-2E(K-1)+E(K-2)]=P(K-1)+PP+PI+PD式3-1根據(jù)式3-1編程，相應(yīng)的程序框圖如圖15所示：圖15PID算法程序流程圖5、主程序流程圖及程序設(shè)計(jì)(1)系統(tǒng)主程序流程圖如圖16所示。有了各個(gè)功能塊的軟件實(shí)現(xiàn)方法，軟件的總體設(shè)計(jì)就變得簡(jiǎn)單了，軟件設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的思想就是采用模塊化設(shè)計(jì)，把一個(gè)大的任務(wù)分解成假設(shè)干個(gè)小任務(wù)，分別編制實(shí)現(xiàn)這些小任務(wù)的子程序，然后將子程序按照總體要求組裝起來，就可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)大任務(wù)了。這種思路對(duì)于可重復(fù)使用的子程序顯得尤為優(yōu)越，因?yàn)椴粌H程序構(gòu)造清晰，而節(jié)約程序存儲(chǔ)空間。圖16主程序流程圖(2)主程序設(shè)計(jì)#include“AT89C2051.h〞#include<intrins.h>sbitTSOR=P1^7;//溫度測(cè)試端sbitDIN=P1^2;//MAX7219串行數(shù)據(jù)輸入sbitLOAD=P1^1;//MAX7219裝載數(shù)據(jù)輸入sbitLCK=P1^0;//MAX7219時(shí)鐘輸入sbitSCL=P3^2;//AT24C32信號(hào)線sbitSDA=P3^3;//AT24C32數(shù)據(jù)線sbitOUT0=P3^4;//控制制冷光耦sbitOUT1=P3^5;//控制加熱光耦sbitweidog=P3^7;//看門狗/*************************全局變量********************************/#defineucharunsignedchau;#defineuintunsigneduint;uchartemp1,temp2;//溫度的整數(shù)和小數(shù)ucharsetb,sets,setg,setx;//預(yù)設(shè)定溫度的百、十、個(gè)位和小數(shù)位ucharxianb,xians,xiang,xianx;//顯示溫度的百、十、個(gè)位和小數(shù)位ucharadd_1,add_10;//ucharcount;//T0中斷計(jì)數(shù)ucharpid;//PID數(shù)值bitoutflag;//升溫降溫標(biāo)志位bitalert;/*************************函數(shù)聲明*********************************/voidInitInterupt();/**************************鍵盤掃描*********************************/ucharkey();/*********************MAX7219子程序*********************************/voidsend(ucharadd,dat)/*******************溫度傳感器子程序********************************/voidDelay15();//延時(shí)15usvoidDelay60();//延時(shí)60usvoidDelay100ms();//延時(shí)100msvoidWrite0TS();//寫DS18B20數(shù)據(jù)位0voidWrite1TS();//寫DS18B20數(shù)據(jù)位1voidReadTS();//讀DS18B20數(shù)據(jù)位voidResetTS();//復(fù)位DS18B20voidWriteBTS();//寫1字節(jié)voidReadBTS();//讀1字節(jié)voidInitTS();//初始化DS18B20voidGetTempTS();//讀取測(cè)得的溫度/************************比較程序********************************/Voidcompare();/************************主程序************************************/voidmain(){uchari,j;ucharaa;//PID值sp=0x50;TSOR=1;//1—wire總線釋放Delay(500);//延時(shí)500msInitInterupt();//初始化中斷設(shè)置setb=Ox00;sets=Ox02;setg=Ox03setx=Ox05;//預(yù)設(shè)值23.5count=0;P1=0xff;InitTS();//初始化DS18B20send(Ox0c;Ox01);//設(shè)定停機(jī)方式send(Ox0b;Ox07);//掃描7位send(Ox0a;Oxf5);//亮度等級(jí)send(Ox09;Oxff);//譯碼方式while(1){GetTempTS();//讀取測(cè)得的溫度i=temp1;if(i>=0‖i<=100){xianb=i/100;j=i%100;xians=j/10;xiang=j%10︱Ox80;xinx=temp2;send(Ox01;xianb);//send(Ox02;xians);//send(Ox03;xiang);//send(Ox04;xianx);//顯示測(cè)得的溫度send(Ox05;setb);//send(Ox06;sets);//Send(Ox07;setg);//send(Ox08;setx);//顯示預(yù)設(shè)定的溫度}elsealert=1;警告voidkey();//調(diào)按鍵掃描voidcompare();//調(diào)比較程序if(outflag==1){pid=_a_func();//調(diào)PID算法for(i=0;i<8,i++)//將PID算法值送到輸出口{j=aa&Ox01;OUT0=j;//啟動(dòng)壓縮機(jī)工作aa=aa>>1;i++;}}elseif(outflag==-1){pid=_a_func();for(i=0;i<8,i++){j=aa&Ox01;OUT01=j;//啟動(dòng)電加熱aa=aa>>1;i++;}}else{OUT0=0;//停頓壓縮機(jī)OUT1=0；//