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1、 （2014 屆） 畢業(yè)設(shè)計 題目：基于 PID的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計 學(xué)院： ******** 專業(yè)：電氣工程及其自動化 班級： 電氣*** 學(xué)號： ********** 姓名： 某某某 指導(dǎo)教師： 某某某 教務(wù)處制 年月日 誠 信 聲 明 我聲明，所呈交的論文是本人在老師指導(dǎo)下進(jìn)行的研 究工作及取得的研究成果。據(jù)我查證，除了文中特別加以 標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰 寫過的研究成果，也不包含為獲得或其他教 育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。我承諾，論文中的 所有內(nèi)容均真實、可信。 論文作者簽名： 簽名日期： 年 月 日

2、I 授 權(quán) 聲 明 學(xué)校有權(quán)保留送論文交的原件，允許論文被查閱和 借閱，學(xué)校可以公布論文的全部或部分內(nèi)容，可以影印、 縮印或其他復(fù)制手段保存論文，學(xué)校必須嚴(yán)格按照授權(quán) 對論文進(jìn)行處理，不得超越授權(quán)對論文進(jìn)行任意處置。 論文作者簽名： 簽名日期： 年 月 日 II 基于 PID 的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計 摘 要 溫度是工業(yè)上最基本的參數(shù)，與人們的生活緊密相關(guān)，實時測量溫度在工 業(yè)生產(chǎn)中越來越受到重視，離不開溫度測量所帶來的好處，因此研究控制和測 量溫度具有及其重要的意義。 本設(shè)計介紹了以 AT89C52 單片機(jī)為主控器件，基于 PID 的溫度控制系統(tǒng) 的設(shè)計方

3、案和設(shè)計的基本原理。由 DS18B20 收集溫度信號，并以數(shù)字信號的方 式送給單片機(jī)進(jìn)行處理，從而達(dá)到溫度控制的目標(biāo)。主要包括硬件電路的設(shè)計 和系統(tǒng)程序的設(shè)計。硬件電路由主控器件、溫測電路、溫控電路和顯示電路等 組成。軟件設(shè)計部分包括：顯示電路、溫度信號處理，超溫警報、繼電器控制 、按鍵處理等程序。 關(guān)鍵詞：溫度檢測，溫度控制，PID 算法 III Design of Temperature Control System Based on PID Abstract Temperature is the most basic parameters of industrial and closel

4、y related with peoples lives, real-time measurement of temperature in industrial production and more attention, which is inseparable from the benefits of the temperature measurement, temperature control and measurement study therefore has its significance. This design introduces the basic principles

5、 to AT89C52 microcontroller-based controller pieces temperature control system design and design. Collected by the DS18B20 temperature signal, and digital signal sent by way of the microcontroller for processing, so as to achieve the target temperature control. Including the design of hardware circu

6、it design and system programs. Hardware circuit includes a master device, the temperature measuring circuit, temperature control circuit and display circuit. Software design, including: display electrical, temperature, signal processing, over-temperature alarm, relay control, key handling procedures

7、. Keywords: temperature detection, temperature control, PID algorithm IV 目錄 摘 要 ..........................................................................................................................III Abstract .....................................................................................

8、...................................IV 1 緒論 .............................................................................................................................1 1.1 課題的來源 .....................................................................................................1 1.2 課題的意義 .......

9、..............................................................................................1 1.3 課題研究的主要內(nèi)容 .....................................................................................1 2 硬件設(shè)計 ................................................................................................

10、.....................3 2.1 單片機(jī)控制模塊的設(shè)計 .................................................................................3 2.1.1 AT89C52 單片機(jī)簡介 ..........................................................................3 2.1.2 單片機(jī)的引腳功能 ....................................................................

11、..........4 2.1.3 單片機(jī)控制模塊的電路設(shè)計 ..............................................................5 2.1.4 電源設(shè)計 ..............................................................................................6 2.2 溫度采集模塊的設(shè)計 ....................................................................................

12、.7 2.2.1 DS18B20 芯片的簡介 ..........................................................................7 2.2.2 DS18B20 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) ..........................................................................8 2.2.3 DS18B20 的供電方式 ........................................................................10 2.2.4 DS18

13、B20 的引腳功能 ........................................................................10 2.3 溫度控制模塊的設(shè)計 ...................................................................................11 2.4 按鍵及顯示模塊的設(shè)計 ...............................................................................12 2.4.1 LCD1602 的參數(shù)和

14、引腳功能 ............................................................12 2.4.2 LCD1602 的特點 ................................................................................13 2.4.3 按鍵電路的設(shè)計 ................................................................................13 2.5 報警模塊的設(shè)計 ......................

15、.....................................................................14 3 軟件設(shè)計 ...................................................................................................................16 3.1 主程序的設(shè)計 ............................................................................................

16、...16 3.2DS18B20 讀溫度程序的設(shè)計 .......................................................................16 3.3 鍵盤掃描程序的設(shè)計 ...................................................................................17 3.4 報警處理程序的設(shè)計 ...................................................................................18

17、3.5PID 控制算法 .................................................................................................18 4 系統(tǒng)仿真 ...................................................................................................................22 參考文獻(xiàn) ..........................................................

18、............................................................27 致謝 ..............................................................................................................................28 附錄 ......................................................................................................

19、........................29 嘉興學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 0 1 緒論 1.1 課題的來源 在食品加工、化工、冶煉等工業(yè)控制和生產(chǎn)中，在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中 經(jīng)常要用到溫度檢測和控制。以及各種各樣的加熱爐、熱處理器等，都對溫度 有著嚴(yán)格的要求。傳統(tǒng)的測溫元件有熱電偶和熱電阻。而熱電偶和熱電阻測出 的通常是電壓，再轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的溫度值，在硬件方面是個難點，而且從設(shè)計和 調(diào)試的角度來講都是很復(fù)雜的，以及高昂的制作成本。但采用 DS18B20 作為溫 測元件，然后用單片機(jī)對溫度進(jìn)行控制，可以大幅度提高溫度控制的技術(shù)指標(biāo)， 而且還具有控制方便、簡單、靈活等特點。單片機(jī)已經(jīng)滲透到我們生

20、活的各領(lǐng) 域，儀表儀器、家用電器、航空航天、計算機(jī)通訊網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)的傳輸，包括工 業(yè)自動化的實時控制和數(shù)據(jù)處理等，這些都離不開單片機(jī)。用單片機(jī)可構(gòu)成豐 富多樣的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。像工廠流水線智能化的管理、電梯智能化 的控制、多種報警系統(tǒng)，都可以與計算機(jī)聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成二級控制系統(tǒng)等。 1.2 課題的意義 溫度傳感器是測量溫度的關(guān)鍵，現(xiàn)在溫度傳感器正由模擬式向數(shù)字式、集 成化向智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。在測量溫度的電路中，使用熱敏電阻之類 的器件利用其感溫效應(yīng)，將隨被測溫度變化的電壓或電流采集過來，先進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，然后用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，再在顯示電路上，將被測溫度顯示 出來。這種設(shè)計需要用

21、到 A/D 轉(zhuǎn)換電路，因此電路的設(shè)計比較復(fù)雜。 繼而想到可以采用智能溫度傳感器來設(shè)計數(shù)字溫度計。本數(shù)字溫度計的設(shè) 計采用美國半導(dǎo)體公司 DALLAS 推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器 DS18B20 作為檢測元件，其溫度值可以直接被讀出來，通過單片機(jī) AT89C52 的讀寫和顯 示，然后用 LCD1602 來進(jìn)行顯示。它的測溫范圍為55125，最大分 辨率可達(dá) 0.0625。而且采用 3 線制與單片機(jī)相連，減少了外部的硬件電路， 具有低成本和易使用的特點。 1.3 課題研究的主要內(nèi)容 1、總體設(shè)計的內(nèi)容 總體設(shè)計的主要內(nèi)容有：利用單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控制器，利用 DS18B20 作為溫度傳感器，將

22、信號送入單片機(jī)進(jìn)行處理，經(jīng)過 PID 算法后，單片機(jī)的輸 出用來控制加熱棒的輸出功率，從而實現(xiàn)對溫度的控制。 基于 PID 的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計 1 2、總體設(shè)計的基本要求 總體布置的基本要求主要有： （1）溫度控制系統(tǒng)的總體設(shè)計和思路； （2）各部分原理說明； （3）溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計，有理論依據(jù)，有分析計算過程，主要元件有 原理和說明，所有元件必須要有型號和參數(shù)； （4）溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計，可以使用匯編語言或 C 語言編程。主要軟 件必須能在設(shè)計好的硬件電路上正確運行。 嘉興學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 2 2 硬件設(shè)計 硬件設(shè)計方框圖如圖 2-1 所示，它主要由五個模塊組成： 1單片機(jī)控制模塊；

23、 2溫度采集模塊； 3溫度控制模塊； 4按鍵及顯示模塊； 5報警模塊。 圖 2-1 硬件設(shè)計方框圖 2.1 單片機(jī)控制模塊的設(shè)計 方案一： 采用 8031 芯片，其內(nèi)部沒有程序存儲器，需要進(jìn)行外部擴(kuò)展，這給電路增 加了復(fù)雜度。 方案二： 采用 2051 芯片，其內(nèi)部有 2KB 單元的程序存儲器，不需外部擴(kuò)展程序存 儲器。但由于系統(tǒng)用到較多的 I/O 口，因此此芯片資源不夠用。 方案三： 采用 AT89C52 單片機(jī)，其內(nèi)部有 4KB 單元的程序存儲器，不需外部擴(kuò)展 程序存儲器，而且它的 I/O 口也足夠本次設(shè)計的要求。 方案評價： 比較這三種方案，綜合考慮單片機(jī)的各部分資源，本次設(shè)計選用方案三

24、。 2.1.1 AT89C52 單片機(jī)簡介 AT89C52 是 ATMEL 公司生產(chǎn)的 51 系列單片機(jī)。片內(nèi)含 8k bytes 的可反復(fù) 擦寫的 Flash 只讀程序存儲器和 256 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM） ，器 件采用 ATMEL 公司的高密度，兼容 51 指令系統(tǒng)， Flash 存儲單元和 8 位中央 基于 PID 的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計 3 處理器置于片內(nèi)，AT89C52 單片機(jī)功能強(qiáng)大，在許多復(fù)雜的應(yīng)用場合都可以用 到。 單片機(jī)是微型機(jī)的一個分支，單片機(jī)的最大特點就是在超大規(guī)模的集成電 路芯片上集成了定時器、存儲器、CPU、和多種輸入/ 輸出接口電路。由于單片 機(jī)的

25、這種結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的它具有很多的特點。 它的特點包括： (1)可靠性高； (2)抗干擾能力強(qiáng)； (3)控制能力強(qiáng)； (4)性價比高； (5)低電壓； (6)能擴(kuò)展了多種串行口。 2.1.2 單片機(jī)的引腳功能 AT89C52 單片機(jī)的引腳圖如圖 2-2 所示。 圖 2-2 AT89C52 引腳圖 1電源引腳 VCC 和 VSS VCC（40 引腳）：電源端，+5V。 VSS（20 引腳）：接地端。 2外接晶體引腳 XTAL 2 和 XTAL 1 XTAL 2（18 引腳）：接微調(diào)電容和外部晶體的端口。作為振蕩電路的輸 出端。 XTAL 1（19 引腳）：接微調(diào)電容和外部晶體的端口。作為振蕩電路的輸

26、入端。 嘉興學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 4 3控制信號引腳 RST、ALE、PSEN、EA RST（9 引腳）：復(fù)位信號輸入端，高電平有效。完成復(fù)位操作，輸入端必 須為兩機(jī)器周期（即為 24 個時鐘振蕩周期）的高電平。 ALE/PROG（30 引腳）：地址鎖存允許信號端。當(dāng)單片機(jī)上電正常工作后， ALE 引腳不斷向外輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器平率的 1/6。輸出信號作 為鎖存低 8 位地址的控制信號。如果想確認(rèn)單片機(jī)芯片的好壞，可用示波器查 看 ALE 端是否有脈沖信號輸出。若有脈沖信號輸出，則單片機(jī)基本上是好的。 PSEN（29 引腳）：程序存儲允許輸出信號端。 EA（31 引腳）：外部程序存儲

27、器地址允許輸入端/ 固化編程電壓輸入端。 4輸入/輸出端口 P0、P1、P2 和 P3 P0 端口（P0.0P0.7，3932 引腳） P1 端口（P1.0P1.7） P2 端口（P2.0P2.7） P3 端口（P3.0P3.7） P3 端口還用于一些復(fù)用功能，如表 2-1 所示。 表 2-1 P3 各口線與第 2 功能表 口線 替代的第 2 功能 P3.0 RXD(串行口輸入) P3.1 TXD(串行口輸出) P3.2 INT0(外部中斷 0 輸入) P3.3 INT1(外部中斷 1 輸入) P3.4 T0(定時器 0 的外部輸入) P3.5 T1(定時器 1 的外部輸入) P3.6 WR(

28、片外數(shù)據(jù)存儲器“寫選通控制”輸出) P3.7 RD(片外數(shù)據(jù)存儲器“讀選通控制”輸出) 2.1.3 單片機(jī)控制模塊的電路設(shè)計 單片機(jī)的最小系統(tǒng)如圖 2-3 所示，由單片機(jī)芯片、電源、時鐘振蕩電路與 復(fù)位電路組成。 時鐘振蕩電路的設(shè)計： 單片機(jī) XIAL1 和 XIAL2 分別接 30pF 的電容，中間再并個 12MHz 的晶振， 形成單片機(jī)的晶振電路。電容器 C1 和 C2 可穩(wěn)定頻率并對振蕩頻率有微調(diào)作用。 復(fù)位電路的設(shè)計： 基于 PID 的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計 5 復(fù)位操作有按鍵手動復(fù)位和上電自動復(fù)位兩種。本設(shè)計采用的是上電自動 復(fù)位：RST 引腳是復(fù)位信號的輸入端。復(fù)位信號是高電平有效，其有

29、效時間應(yīng) 持續(xù) 24 個振蕩周期（即二個機(jī)器周期）以上。電容端瞬間通電，電容 C 通過 電阻 R 充電， RST 端為正脈沖，用以復(fù)位。只要電源 VCC 的上升時間不超過 1ms，就可以實現(xiàn)自動上電復(fù)位，即接通電源就完成了系統(tǒng)的復(fù)位初始化。關(guān) 于參數(shù)的選定，在振蕩穩(wěn)定后應(yīng)保證復(fù)位高電平持續(xù)時間（即正脈沖寬度）大 于 2 個機(jī)器周期。當(dāng)采用的晶體頻率為 6MHz 時，可取 C=22F ，R=1k；當(dāng) 采用的晶體頻率為 12MHz 時，可取 C=10F，R=8.2k。 圖 2-3 單片機(jī)的最小系統(tǒng)圖 2.1.4 電源設(shè)計 220V 交流電轉(zhuǎn) 5V 直流電的電源設(shè)計如圖 2-4 所示是由 3 個部分

30、組成：變 壓器、橋式整流電路和三端穩(wěn)壓器。 圖 2-4 5V 直流電電源設(shè)計圖 （1）變壓器：將 220V 交流電變成 9V 左右，由此可知變壓器變比為 嘉興學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 6 220/9=25/1； （2）橋式整流電路：經(jīng)過濾波整流后，電壓有效值增大為 10V。如圖 2-5 所示為橋式整流電路電壓波形圖； （3）三端穩(wěn)壓器：一般用于直流電路的保護(hù)電路，起到降壓、穩(wěn)壓的作用。 圖 2-5 橋式整流電路電壓波形圖 2.2 溫度采集模塊的設(shè)計 方案一： 傳統(tǒng)的測溫元件有熱電偶和熱電阻。一般來說熱電偶和熱電阻測出的電壓， 再轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的溫度，要比較多外部硬件的支持，其缺點有：硬件電路較復(fù)雜； 軟

31、件調(diào)試較復(fù)雜；制作成本較高。 方案二： 結(jié)合單片機(jī)電路的設(shè)計，決定使用溫度傳感器 DS18B20，它是最新推出的 一種智能型溫度傳感器，它的優(yōu)點是可以直接讀出被測的溫度。主要是對溫度 信號進(jìn)行采集和轉(zhuǎn)換工作，電路由 DS18B20 溫度傳感器和單片機(jī)部分組成。溫 度傳感器 DS18B20 把收集到的溫度送到單片機(jī)的 P2.6 口，單片機(jī)接受溫度， 然后存儲下來。因為電路部分只用到了溫度傳感器和單片機(jī)，所以硬件方面比 較簡單。 方案評價： 方案一這種設(shè)計需要用到 A/D 轉(zhuǎn)換電路，感溫電路比較麻煩。但方案二電 路比較簡單，軟件設(shè)計容易實現(xiàn)，故實際設(shè)計中擬采用方案二。 2.2.1 DS18B20

32、芯片的簡介 DS18B20 是美國著名半導(dǎo)體公司推出的一種可以直接讀出被測溫度值的溫 度傳感器，而且采用寄生供電方式與單片機(jī)相連，具有成本低和易使用的特點。 基于 PID 的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計 7 輸出信號為數(shù)字信號，方便單片機(jī)控制和處理，很多外圍電路因此可以減掉。 且該芯片的線形較好，物理、化學(xué)性也相對穩(wěn)定，在工業(yè)生產(chǎn)中可以用來做測 量溫度的元件。由于 AT89C52 能夠帶多個 DSB1820，因此容易實現(xiàn)多點測量 的目的。輕松的構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)，并且單片機(jī)可以同時進(jìn)行數(shù)碼顯示與鍵盤控 制，也可以通過 RS232 串口與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，達(dá)到全方位立體監(jiān)控的效 果。 采用溫度芯片 DS18B

33、20 測量溫度，可以更方便的實現(xiàn)多點測溫，也體現(xiàn)了 數(shù)據(jù)數(shù)字化的好處，便于測溫數(shù)據(jù)集成顯示，也方便了后期對數(shù)據(jù)的處理及其 記錄。 2.2.2 DS18B20 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) DS18B20 芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 2-6 所示。 DS18B20 主要包括上下限觸發(fā)器、儲存器與控制邏輯、CRC 發(fā)生器電源、 溫度傳感器、64 位 ROM 單線借口暫存器。 圖 2-6 DS18B20 芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 DS18B20 溫度數(shù)字對應(yīng)關(guān)系表如表 2-2 所示。 表 2-2 DS18B20 溫度數(shù)字對應(yīng)關(guān)系表 溫度/ 二進(jìn)制表示 十六進(jìn)制表示 +125 0000 0111 1101 0000 07D0H +85

34、 0000 0101 0101 0000 0550H +25.0625 0000 0001 1001 0000 0191H +10.125 0000 0000 1010 0001 00A2H +0.5 0000 0000 0000 0010 0008H 0 0000 0000 0000 1000 0000H -0.5 1111 1111 1111 0000 FFF8H 嘉興學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 8 DS18B20 溫度值格式表如表 2-3 所示。 表 2-3 DS18B20 溫度值格式表 15 14 13 12 11 10 9 8 S S S S S 2 6 2 5 2 4高字節(jié) 1/0 1/0

35、 1/0 1/0 1/0 64 32 16 7 6 5 4 3 2 1 0 2 3 2 2 2 1 2 0 2_1 2_2 2_3 2_4低字節(jié) 8 4 2 1 0.5 0.25 0.125 0.0625 DS18B20 的工作過程： （1）發(fā)復(fù)位 DS18B20 的負(fù)脈沖； （2）收 DS18B20 的回應(yīng)脈沖； （3）發(fā) ROM 命令（33H） ； （4）發(fā)儲存和控制命令。 DS18B20 儲存控制命令共有 6 種，如表 2-4 所示。 表 2-4 DS18B20 存儲器控制指令 指令 約定代碼 復(fù)制 48H 讀數(shù)據(jù) BEH 讀電源供電方式 B4H 溫度轉(zhuǎn)換 44H 讀 EERAM B8H

36、 寫數(shù)據(jù) 4EH 主機(jī)操作 ROM 的命令有 5 種，如表 2-5 所示。 表 2-5 DS18B20 的 ROM 指令 指令 約定代碼 讀 ROM 33H 匹配 ROM 55H 跳過 ROM CCH 搜索 ROM 0F0H 報警搜索 ECH DS18B20 的執(zhí)行序列： 1初始化； 2執(zhí)行 ROM 命令，用于定位； 3執(zhí)行 DS18B20 的儲存控制命令，用于轉(zhuǎn)換和讀數(shù)據(jù)； 基于 PID 的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計 9 4DS18B20 的 I/O 信號有回應(yīng)脈沖、復(fù)位脈沖、寫 0，讀 0，寫 1，讀 1 等幾種。 2.2.3 DS18B20 的供電方式 在硬件上，DS18B20 與單片機(jī)的連接有兩

37、種方法，一種是用寄生電源供電， 此時，VCC、 GND 接地，I/O 接單片機(jī) I/O；另外一種是 VCC 接外部電源， GND 接地，I/O 與單片機(jī)的 I/O 線相連。無論是內(nèi)部寄生電源還是外部供電， I/O 口線要接 5k 左右的上拉電阻。如圖 2-7 所示，本設(shè)計采用的是外部電源 供電的方式，且選用的上拉電阻為 4.7k。 圖 2-7 DS18B20 外部電源供電方式圖 2.2.4 DS18B20 的引腳功能 引腳功能說明： （1）GND 為地； （2）I/O 是數(shù)據(jù)輸入/輸出腳(單線接口,可作寄生供電)； （3）UDD 為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時接地） 。 DS28B

38、20 的引腳如圖 2-8 所示。 圖 2-8 DS18B20 引腳圖 DS18B20 的特點說明: （1）采用單總線技術(shù)，與單片機(jī)通信只需要一根 I/O 線，在一根線上可以 嘉興學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 10 掛接多個 DS18B20。 （2）每只 DS18B20 具有一個獨有的，不可修改的 64 位序列號，根據(jù)序列 號訪問相應(yīng)的器件。 （3）低壓供電，電源范圍從 3.05.5V，可以本地供電，也可以直接從數(shù) 據(jù)線竊取電源（寄生電源方式）。 （4）測溫范圍為-55+125，在-10 +85范圍內(nèi)誤差為0.5。 （5）可編輯數(shù)據(jù)為 912 位，轉(zhuǎn)換 12 位溫度時間為 750ms（最大）。 （6）用戶

39、可自設(shè)定報警上下限溫度。 （7）報警搜索命令可識別和尋址超過程序限定溫度（溫度報警條件）的器 件。 （8）DS18B20 的分辨率由用戶通過 EEPROM 設(shè)置為 912 位。 （9）DS18B20 可將檢測到溫度值直接轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，并通過串行通信的 方式與主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。 （10）負(fù)電壓特性，電源極性接反時，溫度計不會因為發(fā)熱而燒毀，只是 不能正常工作。 2.3 溫度控制模塊的設(shè)計 方案一： 繼電器由于是機(jī)械動作，響應(yīng)速度慢，不能滿足本設(shè)計的需要。而用可控 硅可以在電路中能夠?qū)崿F(xiàn)以小電流控制大電流、交流電的無觸點控制的目的， 而且它的壽命長、可靠性高、動作快。 方案二： 利用單片機(jī)控制

40、雙向可控硅的導(dǎo)通角。在不同時刻利用單片機(jī)給雙向可控 硅的控制端發(fā)出觸發(fā)信號，使其導(dǎo)通或關(guān)斷，實現(xiàn)負(fù)載電壓有效值的不同，以 達(dá)到調(diào)壓控制的目的。具體如下： （1）由硬件完成過零觸發(fā)環(huán)節(jié)，即在工頻電壓下，每 10ms 進(jìn)行一次過零 觸發(fā)信號，由此信號來達(dá)到與單片機(jī)的同步。 （2）過零檢測信號接至單片機(jī)輸入口，由單片機(jī)對此口進(jìn)行循環(huán)檢測，然 后進(jìn)行延時觸發(fā)。 通過單片機(jī)控制雙向可控硅的導(dǎo)通，從而可以控制加熱絲的加熱功率。雙 向可控硅接通，則加熱絲加熱；雙向可控硅斷開，則加熱絲停止加熱。 方案評價： 綜合考慮，選擇方案二。 由于是弱電控制強(qiáng)電，因而弱電很容易被強(qiáng)電干擾，影響系統(tǒng)的實時性和 效率。因此必

41、須需要有抗干擾的措施，將強(qiáng)電與弱電隔離。光耦合器切斷了各 基于 PID 的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計 11 部件之間的聯(lián)系，對強(qiáng)電和弱電實施隔離，有效地抑制了干擾信號對電路的干 擾。光耦合器很容易得到觸發(fā)脈沖，且有可靠、體積小的特點。所以可以用帶 過零檢測的光電隔離器 MOC3061 來驅(qū)動雙向可控硅并隔離控制回路和主回路。 MOC3061 參數(shù)： 輸出端的額定電壓是 400V。 最大重復(fù)浪涌電流為 1.2A。 最大電壓上升率 dv/dt 為 1000v/us。 輸入輸出隔離電壓為 7500V。 輸入控制電流為 15mA。 MOC3061 引腳排列及內(nèi)部電路圖如圖 2-9 所示。 圖 2-9 MOC30

42、61 引腳排列及內(nèi)部電路圖 當(dāng)單片機(jī)的輸出口發(fā)出高電平，經(jīng)過三極管放大后驅(qū)動光耦合器的放光二 極管，MOC3061 的輸入端導(dǎo)通，輸入電流約為 15mA。當(dāng) MOC306 的輸出端 6 腳和 4 腳尖電壓稍稍過零時，光耦內(nèi)部雙向可控硅即可導(dǎo)通，它可以給外部晶 閘管一個觸發(fā)信號，并使其導(dǎo)通；當(dāng)單片機(jī)輸出口發(fā)出低電平，MOC3061 截止， 雙向可控硅處于截止?fàn)顟B(tài)。 MOC3061 的優(yōu)點： （1）控制簡單。 （2）MOC3061 由于采用了過零觸發(fā)電路大大簡化了雙向可控硅的觸發(fā)電 路。 （3）MOC3061 與雙向可控硅實際組成了一個固態(tài)繼電器，實現(xiàn)了無觸電 控制。 （4）輸出通道實現(xiàn)了光電隔離

43、，防止了射電干擾。 （5）單片機(jī)輸出口直接控制雙向可控硅，省去了的 D/A 轉(zhuǎn)換電路，簡化 了接口電路。 雙向可控硅介紹： 雙向可控硅具有雙向?qū)üδ?，在交流電的正?fù)半周都可以導(dǎo)通。 雙向可控硅的通斷情況由柵極決定，當(dāng)柵極無信號時 MT1 和 MT2 成高阻 嘉興學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 12 態(tài)，管截止；當(dāng)在 MT1 與 MT2 之間加一個閾值電壓時，就可以利用控制極柵 極電壓來使可控硅導(dǎo)通。但需要注意的是，當(dāng)雙向可控硅接感性負(fù)載時，電流 和電壓之間有一定的相位差。在電流為零時，反向電壓可能不為零，且超過轉(zhuǎn) 換電壓，使管子反向?qū)ǎ室茏幽艹惺苓@種反向電壓，并在回路中加入 RC 網(wǎng)絡(luò)加以吸收。

44、雙向可控硅的觸發(fā)方式： 控制雙向可控硅從高阻態(tài)轉(zhuǎn)換到導(dǎo)通區(qū)可以用不同的方式實現(xiàn)，相應(yīng)的分 為四種方式。 MT1 相對于 MT2 為正，控制脈沖電壓 Ug 相對于 MT1 為正。 MT1 相對于 MT2 為負(fù)，控制脈沖電壓 Ug 相對于 MT1 為負(fù)。 MT1 相對于 MT2 為正，控制脈沖電壓 Ug 相對于 MT1 為負(fù)。 MT1 相對于 MT2 為負(fù)，控制脈沖電壓 Ug 相對于 MT1 為正。 雙向可控硅的控制極在觸發(fā)后便失去了作用。雙向可控硅長期維持低阻態(tài)， 直到低于維持電流 I H，然后在轉(zhuǎn)換到高阻態(tài)。在控制交流電壓時，每次電源電 壓過零雙向可控硅都會自動截止，所以雙向可控硅每半個周期都

45、需要重新觸發(fā)。 如圖 2-10 所示為溫度控制模塊原理圖。 圖 2-10 溫度控制模塊原理圖 2.4 按鍵及顯示模塊的設(shè)計 方案一： 八段數(shù)碼管顯示，數(shù)碼管是由八個發(fā)光管組成一個八字形，這些段分別由 a，b，c，d，e ，f，g，dp 來表示。 方案二： LCD1602 液晶顯示器顯示。 基于 PID 的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計 13 方案評價： 本設(shè)計采用 LCD1602 液晶顯示器顯示，因為它有功耗較低、顯示質(zhì)量較高、 重量輕、體積小的特點。 LCD1602 的電路圖如圖 2-11 所示。 圖 2-11 LCD1602 電路圖 2.4.1 LCD1602 的參數(shù)和引腳功能 LCD1602 的參數(shù)：

46、 字符尺寸：2.954.35(W H)mm。 顯示總?cè)萘浚?62 個字符。 最佳工作電壓：5.0V。 芯片工作電壓區(qū)間：4.5V5.5V。 工作電流：2.0mA(5.0V)。 LCD1602 的引腳功能如表 2-6 所示。 表 2-6 LCD1602 引腳功能表 編號 符號 引腳說明 編號 符號 引腳說明 1 VSS 電源地 9 D2 數(shù)據(jù) 2 VDD 電源正極 10 D3 數(shù)據(jù) 3 VL 顯示偏壓 11 D4 數(shù)據(jù) 4 RS 數(shù)據(jù)/命令選擇 12 D5 數(shù)據(jù) 5 R/W 讀/寫選擇 13 D6 數(shù)據(jù) 嘉興學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 14 6 E 使能信號 14 D7 數(shù)據(jù) 7 D0 數(shù)據(jù) 15 BL

47、A 正極背光源 8 D1 數(shù)據(jù) 16 BLK 負(fù)極背光源 2.4.2 LCD1602 的特點 在單片機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用晶液顯示器作為輸出器件有以下幾個特點。 （1）功耗較低 LCD1602 的功耗主要在驅(qū)動 IC 和內(nèi)部的電極上，因此功耗較低。 （2）顯示質(zhì)量較高 LCD1602 顯示器在收到信號后，不需要不斷刷新新的亮點，它的顯示器上 的每一個點可以一直保持同樣的亮度和色彩，發(fā)光持續(xù)穩(wěn)定。因此，顯示器不 會閃爍，且質(zhì)量較高。 （3）重量輕、體積小 因為控制原理不同，LCD1602 顯示器通過電極來控制液晶分子狀態(tài)來達(dá)到 控制的目的，相較于其他的顯示器來說，同等面積的顯示器，LCD1602 要輕許

48、多。 （4）數(shù)字式接口 液晶顯示器都是數(shù)字式的，和單片機(jī)系統(tǒng)的接口更加簡單可靠，操作更加 方便。 2.4.3 按鍵電路的設(shè)計 方案一： 獨立連接式。獨立式按鍵是指各按鍵相互獨立地接通一條輸入數(shù)據(jù)線。 方案二： 行列式（矩陣式）為了減少鍵盤與單片機(jī)借口時所占用 I/O 線的數(shù)目，在 鍵數(shù)較多時，通常都將鍵盤排列成行列矩陣形式。判斷鍵盤中哪一個鍵被按下 是通過將行線逐行置低電平后，檢查列輸入狀態(tài)實現(xiàn)的。 方案評價： 對比兩種方案可知，方案一雖然也能很好的實現(xiàn)電路的要求，但考慮到電 路設(shè)計的成本和電路整體的性能，我們采用方案一。 如圖 2-12 所示為獨立式按鍵電路圖。 基于 PID 的溫度控制系統(tǒng)

49、設(shè)計 15 圖 2-12 獨立式按鍵電路圖 獨立式按鍵是指各按鍵相互獨立地接通一條輸入數(shù)據(jù)線。 本設(shè)計采用 2 個獨立式按鍵分別連接單片機(jī) I/O 來實現(xiàn)按鍵的功能。從而 解決了單片機(jī) I/O 口被占用的問題和減少了硬件的復(fù)雜程度，通過軟件來配合 2 個按鍵實現(xiàn)功能。系統(tǒng)程序中通過掃描 P1.2、P1.3 這 2 個端口是否為低電平 0 來判斷按鍵是否被按下。 2.5 報警模塊的設(shè)計 方案一： 使用 7406 作驅(qū)動的單音頻報警電路。 方案二： 使用三極管作驅(qū)動的單音頻報警電路。 方案評價： 使用方案二。 蜂鳴器電路圖如圖 2-13 所示。 圖 2-13 蜂鳴器電路圖 蜂鳴器以直流電壓作為電源

50、，被廣泛地應(yīng)用于電話機(jī)、電子玩具、報警器、 定時器等電子產(chǎn)品中，被用來當(dāng)作電子發(fā)聲器。蜂鳴器主要有壓電式和電磁式 兩種。本設(shè)計的報警模塊主要采用蜂鳴器及發(fā)光二級管的蜂鳴和發(fā)光來實現(xiàn)超 嘉興學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 16 出溫度上限時的報警。 壓電式蜂鳴器約需 10mA 的驅(qū)動電流。單片機(jī)的 P2.5 接晶體管基極輸入端。 當(dāng) P2.5 輸出高電平 1 時，三極管導(dǎo)通，壓電蜂鳴器兩端獲得約+5V 電壓而鳴叫； 當(dāng) P2.5 口輸出低電平 0 時，三極管截止，蜂鳴器停止發(fā)聲。 要使三極管有放大作用，必須保證發(fā)射結(jié)正偏、集電極反偏。 電流放大系數(shù)：=I C/IB。 9013 三極管介紹： 9013 結(jié)構(gòu)

51、：NPN。 集電極-發(fā)射極電壓：25V。 集電極-基電壓：45V。 射極-基極電壓：5V。 集電極電流：0.5A。 耗散功率：0.625W 。 結(jié)溫：150。 特征頻率最?。?50MHz。 放大倍數(shù)：91。 基于 PID 的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計 17 3 軟件設(shè)計 按照系統(tǒng)設(shè)計功能的要求，來確定本系統(tǒng)程序包括 DS18B20 讀溫度程序、 LCD1602 的顯示程序、鍵盤掃描程序、報警處理程序以及繼電器加熱程序。 3.1 主程序的設(shè)計 如圖 3-1 所示為主程序流程圖。 圖 3-1 主程序流程圖 3.2DS18B20 讀溫度程序的設(shè)計 （1）DS18B20讀時序： 1讀時序包括讀0和讀1的時序。

52、2讀時序是在拉低單總線之后，在15us之內(nèi)釋放單總線 ,讓DS18B20把數(shù) 據(jù)傳送到單總線上。讀時序的過程至少需要60us。 （2）DS18B20寫時序： 1寫時序包括寫0和寫1的時序。 2寫 0 和寫 1 時序略有不同。當(dāng)寫 0 時序時，單總線至少要被拉低 60us。 保證 DS18B20 能夠采到數(shù)據(jù)線上的“0”電平，在 15us 到 45us 之間；當(dāng)寫 1 時序時，拉低單總線，并在 15us 之內(nèi)釋放單總線。 如圖 3-2 所示為 DS18B20 讀溫度程序流程圖。 嘉興學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 18 圖 3-2 DS18B20 讀溫度程序流程圖 3.3 鍵盤掃描程序的設(shè)計 該電路為查詢方

53、式電路，當(dāng)任何一個鍵按下時，與之相連的輸入數(shù)據(jù)線即 被清 0，而平時該線為 1。因此可以通過檢測各數(shù)據(jù)線的狀態(tài)(0 或 1)來判斷按 鍵是否閉合，以及哪個按鍵已閉合。 如圖 3-3 所示為鍵盤掃描程序流程圖。 圖 3-3 鍵盤掃描程序流程圖 基于 PID 的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計 19 3.4 報警處理程序的設(shè)計 設(shè)定目標(biāo)溫度上限，當(dāng)實際溫度大于目標(biāo)溫度上限的時候，執(zhí)行聲光報警 程序。 如圖 3-4 所示為聲光報警程序流程圖。 圖 3-4 聲光報警程序流程圖 3.5PID 控制算法 本設(shè)計采用了 PID 控制技術(shù)。在工程實際運用中，PID 控制器以其穩(wěn)定性 好、工作可靠、調(diào)整方便、結(jié)構(gòu)簡單而成為

54、主要的工業(yè)控制技術(shù)之一。當(dāng)被控 對象的參數(shù)和結(jié)構(gòu)不能被很好的掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論 的技術(shù)很難被采用，所以當(dāng)系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗來確定時， PID 控制技術(shù)最為實用和方便。 PID 調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，它將給定值 r(t)與實際輸出值 c(t)的偏差的 比例(P)、積分(I)、微分(D)的組合組成控制量，從而達(dá)到對控制對象的控制目的。 控制偏差 （3-1）)()(tcrte （1）連續(xù)控制系統(tǒng) PID 調(diào)節(jié)器的微分方程為： （3-2）)()(1)(p)t(dteTtitKu 式中 Kp比例常數(shù)； Ti積分時間常數(shù)； 嘉興學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 20 Td微

55、分時間常數(shù)； e(t)系統(tǒng)偏差信號； u(t)控制器的輸出信號。 （2）PID 調(diào)節(jié)器的函數(shù)形式方程為： （3-3）STKSEUDDIP1)( （3）數(shù)字 PID 控制器 如表 3-1 所示為模擬 PID 控制規(guī)律的離散化表。 表 3-1 模擬 PID 控制規(guī)律的離散化 模擬形式 離散化形式)()(tcrte)()(ncrnedTT1te0)( nini ee00)()( 數(shù)字 PID 控制器的差分方程： （3-4）0 0)()( )1()unun uneTieeKDIP niDI 為積分系數(shù)。iTKp 為微分系數(shù)。d 式中 稱為比例項。)()(neuP

56、稱為積分項。iIITK0 稱為微分項。)1())(nenuDPD 常用的控制方式： 1、P 控制 0)(uuP 2、PI 控制 0nnI 基于 PID 的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計 21 3、PD 控制 0)()(ununDP 4、PID 控制 0I 模擬 PID 控制系統(tǒng)原理如圖 3-5 所示。 圖 3-5 模擬 PID 控制系統(tǒng)原理框圖 （4）PID 調(diào)節(jié)器比例、積分、微分的環(huán)節(jié) 1比例環(huán)節(jié)：把調(diào)節(jié)器的輸入偏差乘以一個系數(shù)，作為調(diào)節(jié)器的輸出，比 例環(huán)節(jié)的作用是放大誤差的幅值。當(dāng)僅有比例控制環(huán)節(jié)時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤 差。 2積分環(huán)節(jié)：調(diào)節(jié)器加入積分環(huán)節(jié)后達(dá)到消除

57、穩(wěn)態(tài)誤差的目的。積分項隨 著時間的增加而增大，積分項對穩(wěn)態(tài)誤差的消除取決于時間的積分。PI 調(diào)節(jié)器 可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 3微分環(huán)節(jié)：調(diào)節(jié)器的輸入、輸出誤差信號的微分成正比關(guān)系。微分環(huán)節(jié) 能反應(yīng)偏差信號的變化趨勢，從而可以實現(xiàn)超前調(diào)節(jié)。 控制器中僅有比例環(huán)節(jié) 是不行的，還需要增加微分項，因為它能預(yù)測誤差變化的趨勢。 （5）PID 控制算法的兩種類型 1、位置型控制 （3-5）00 )1())()()( uneTieneKu niDIP 2、增量型控制 （3-6）)2()1(2))()1() ( neneTKneneDPIPP PID 參數(shù)整定方法： 1理論計算法依賴被控對象準(zhǔn)

58、確的數(shù)學(xué)模型。 2工程整定法不依賴被控對象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，直接在控制系統(tǒng)中進(jìn) 行現(xiàn)場整定。 下面對 PID 運算加以說明： 所有的數(shù)都變成定點純小數(shù)進(jìn)行處理。 算式中的各項有正有負(fù)，以最高位作為符號位，最高位為 0 表示為正數(shù)， 嘉興學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 22 為 1 表示負(fù)數(shù)。正負(fù)數(shù)都是補碼表示，最后的計算以原碼輸出。 節(jié) 16 位進(jìn)行計算，最后將運算結(jié)果取成高 8 位有效值輸出。輸出控制量 u(n)的限幅處理。為了便于實現(xiàn)對晶閘管的通斷處理，PID 的輸出在 0250 之 間。大于 250 或小于 0 的控制量 u(n)都是沒有意義的，因在算法上對 u(n)進(jìn)行 限幅，即：

59、 = （3-7）nu maxmaxinii u 增量式 PID 控制算法如圖 3-6 所示。 圖 3-6 增量式 PID 控制算法程序框圖 基于 PID 的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計 23 4 系統(tǒng)仿真 單片機(jī)程序編寫可以有多種：匯編語言、C 語言等。本設(shè)計采用 C 語言來 編寫。 （1）匯編語言 用匯編語言助記符來表示的程序就是匯編語言。這種語言比機(jī)器語言更容 易，使用方便，容易記憶。但是由于不同的機(jī)器對應(yīng)著不同的匯編語言，這種 語言具有一定限制。 （2）C 語言 1對微控制器的指令系統(tǒng)不需要了解，只是有一個初步的了解單片機(jī)的存 儲結(jié)構(gòu)。 2具有規(guī)范的程序，通過不同的函數(shù)，是程

60、序變得結(jié)構(gòu)化。 3寄存器分配，不同的內(nèi)存地址和數(shù)據(jù)類型和其他細(xì)節(jié)可以由編譯器管理。 4大大縮短了編程和調(diào)試的時間，提高了編程的效率。 對于 AT89C52 的控制設(shè)計，編程用 Keil 軟件，仿真用 proteus 軟件。Keil 支持 C 語言、匯編及二者的混合編程。 編程軟件 Keil 介紹： KeiluVision2 是美國軟件公司的 C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，它兼容單片機(jī)系統(tǒng)。 與匯編相比，C 語言有易學(xué)易用的特點。不僅提高了工作效率，而且在關(guān)鍵的 位置嵌入?yún)R編，可以使程序的工作效率接近匯編。標(biāo)準(zhǔn) C 編譯器在保留匯編代 碼搞笑、快速特點的同時，還未控制器的軟件開發(fā)提供了 C 環(huán)境。uVi

61、sion2 的 集成開發(fā)環(huán)境已經(jīng)完全包括了 C52。它包括：項目管理器、編譯器，匯編器， 實時操作系統(tǒng)和調(diào)試器。Keil 軟件界面如圖 4-1 所示。 仿真軟件 Protues 介紹： Protues 軟件是英國公司出版的工具軟件。它不僅具有仿真功能，還能仿真 單片機(jī)及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。在國內(nèi)它 已受到學(xué)單片機(jī)的愛好者和參加單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用工作者的好感。Proteus 是世界 上最著名的仿真軟件之一，從代碼調(diào)試到原理圖布圖等仿真，從概念到產(chǎn)品的 整個流程都是它的功勞。目前它是世界上唯一可以將 PCB 設(shè)計軟件、電路仿真 軟件和虛擬模型仿真軟件合為一的軟件之一，它

62、的處理器模型支持 MSP430、AVR 、8051、HC11、ARM 和 8086PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33 等， 在編譯方面，它也支持 Keil、IAR 和 MPLAB 等多種編譯器。 Proteus ISIS 的運行界面是標(biāo)準(zhǔn)的 Windows 界面，如圖 4-3 所示，Proteus ISIS 軟件有：標(biāo)題欄、主菜單、狀態(tài)欄、標(biāo)準(zhǔn)工具欄、繪圖工具欄、對象選擇 嘉興學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 24 按鈕、仿真進(jìn)程控制按鈕、預(yù)覽窗口、圖形編輯窗口、對象選擇器等窗口。 圖 4-1 Keil 軟件界面 生成 Hex 文件，如圖 4-2 所示。 圖 4-2 生成 Hex 文件

63、圖 基于 PID 的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計 25 圖 4-3 Proteus 軟件界面 當(dāng)溫度還未達(dá)到設(shè)置溫度上限默認(rèn)的 50時，如圖 4-4 所示單片機(jī) P2.5 口 輸出低電平，蜂鳴器不響。單片機(jī) P2.7 口也輸出低電平，二極管不亮，繼電器 繼續(xù)加熱。 圖 4-4 溫度低于上限時仿真圖 嘉興學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 26 當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)置溫度上限默認(rèn)的 50時，如圖 4-5 所示單片機(jī) P2.5 口輸 出高電平，蜂鳴器響。單片機(jī) P2.7 口也輸出高電平，二極管亮，繼電器停止加 熱。 圖 4-5 溫度低于上限時仿真圖 基于 PID 的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計 27 結(jié)論 通過本次設(shè)計，加深了我對單片機(jī)的認(rèn)識，

64、對溫度傳感器 DS18B20 也有了 更深刻的了解。雖然 DS18B20 在測量溫度時，出現(xiàn)了靈敏度不高，無法跟隨溫 度變化快速顯示溫度等問題，但是易于制作、價格低廉、硬件結(jié)構(gòu)簡單、測量 值精確和易于操作等許多優(yōu)點讓 DS18B20 在測溫方面有獨特的優(yōu)勢。 嘉興學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 28 參考文獻(xiàn) 1陳煥生溫度測試技術(shù)及儀表M 北京：水利電力出版社， 19879 2秦沿海數(shù)字 PID 控制原理及其應(yīng)用J西南民族學(xué)院學(xué)報，1997：49- 54 3徐科軍傳感器與檢測技術(shù)M 北京：電子工業(yè)出版社， 20049 4張寶芬自動檢測技術(shù)及儀表控制系統(tǒng)M 北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 2000 5先鋒工作室單片

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