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摘要： 隨著微機(jī)測(cè)量和控制技術(shù)的迅速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，以單片機(jī)為核心的溫度采集與控制系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用在很大程度上提高了生產(chǎn)生活中對(duì)溫度的控制水平。溫度是工業(yè)控制中主要的被控參數(shù)之一，特別是在冶金、化工、建材、食品、機(jī)械等工業(yè)中，具有舉足重輕的作用，因此,溫度控制系統(tǒng)是典型的控制系統(tǒng)。 本文介紹了基于單片機(jī)AT89C51 的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案與軟硬件實(shí)現(xiàn)，論述了一種以STC89C52單片機(jī)為主控制單元，以DS18B20為溫度傳感器的溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)可以根據(jù)設(shè)定的溫度，通過PID算法調(diào)節(jié)和控制pwm波的輸出，控制晶閘管導(dǎo)通時(shí)間從而控制水溫的自動(dòng)調(diào)節(jié)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了相關(guān)的硬件電路和相關(guān)應(yīng)用程序。硬件電路主要包括STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)，DS18b20測(cè)溫電路、鍵盤電路.LCD液晶顯示電路，加熱功率電路等。系統(tǒng)程序主要包括主程序，溫度處理子程序、按鍵處理程序、LCD顯示程序等，pwm波輸出程序。給出了系統(tǒng)總體框架、程序流程圖和Proteus 仿真結(jié)果，并在硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了所設(shè)計(jì)的功能。關(guān) [關(guān)鍵詞] 單片機(jī)；溫度控制系統(tǒng)；溫度傳感器；PID控制算法。 目 錄 1.選題背景----------------------------------------------------------2 2.設(shè)計(jì)要求----------------------------------------------------------2 2.1設(shè)計(jì)任務(wù)-----------------------------------------------------2 2．2設(shè)計(jì)要求----------------------------------------------------2 3.方案論證比--------------------------------------------------------3 3.1 溫度檢測(cè)電路方案選擇-----------------------------------------3 3.2顯示電路方案選擇 --------------------------------------------3 3.3加熱方案選擇 ------------------------------------------------3 3.4控制方法方案選擇 --------------------------------------------3 4．總體方案及工作原理----------------------------------------------4 5.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)-----------------------------------------------------4 5.1溫度傳感器電路單元 ------------------------------------------5 5.2 輸入電壓?jiǎn)卧?------------------------------------------------6 5.3液晶顯示單元-------------------------------------------------6 5.4溫度上下限模塊單元 ------------------------------------------7 5.5主控制單元設(shè)計(jì) ----------------------------------------------7 6.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) -----------------------------------------------------9 6.1 PID控制程序算法 --------------------------------------------9 6.2 PWM脈寬調(diào)制技術(shù) --------------------------------------------12 6.3 控制系統(tǒng)程序 -----------------------------------------------13 7.設(shè)計(jì)結(jié)論及總結(jié)---------------------------------------------------19 參考文獻(xiàn)資料-------------------------------------------------------21 1.選題背景 對(duì)于不同場(chǎng)所、不同工藝、所需溫度高低 范圍不同、精度不同，則采用的測(cè)溫元件、測(cè)溫方法以及對(duì)溫度的控制方法也將不同；產(chǎn)品工藝不同、控制溫度的精度不同、時(shí)效不同，則對(duì)數(shù)據(jù)采集的精度和采用的控制算法也不同，因而，對(duì)溫度的測(cè)控方法多種多樣。 技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，微機(jī)測(cè)量和控制技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。利用微機(jī)對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)控的技術(shù)，也便隨之而生，并得到日益發(fā)展和完善，越來(lái)越顯示出其優(yōu)越性。目前, 單片微機(jī)已普遍地作用于生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制領(lǐng)域中。單片機(jī)以其體積小、價(jià)格低廉、可用其構(gòu)成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的智能控制單元和可靠性高等特點(diǎn), 受到廣大工程技術(shù)人員的重視。溫度是生產(chǎn)過程中最常見的物理量, 許多生產(chǎn)過程是以溫度作為其被控參數(shù)的。因此,溫度控制系統(tǒng)是典型的控制系統(tǒng) 2.課題設(shè)計(jì)要求： 2.1設(shè)計(jì)任務(wù) 設(shè)計(jì)并制作一個(gè)水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)，控制對(duì)象為300W或400W電阻爐，容器為薄壁不銹鋼可以加溫的器皿。 2．2設(shè)計(jì)要求 2.2.1基本要求 （1）調(diào)溫功能，水溫可以在0～100℃范圍內(nèi)由人工設(shè)定，人工設(shè)定溫度后系統(tǒng)自動(dòng)控制加熱或降溫，最小區(qū)分度為0.1℃，所測(cè)溫度和實(shí)際溫度偏差≤1℃。 （2）恒溫功能，在環(huán)境溫度變化時(shí)（例如用電風(fēng)扇降溫，電壓波動(dòng)）實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，以保持容器內(nèi)根據(jù)設(shè)定的溫度保持基本不變。 （3）用LCD或LED顯示：水的設(shè)定溫度、實(shí)際溫度、工作時(shí)間等參數(shù)信息。 2.2.2發(fā)揮部分 （1）采用適當(dāng)?shù)目刂品椒?，?dāng)設(shè)定溫度突變（由70℃提高到90℃）時(shí)，減小系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量。 （2）采用適當(dāng)?shù)目刂品椒?，?dāng)突加涼水?dāng)_動(dòng)時(shí)，減小系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量。 （3）溫度控制的靜態(tài)誤差≤0.5℃。 3.方案論證比較 3.1溫度檢測(cè)電路的方案選擇： 方案一：用普通半導(dǎo)體溫度傳感器作為敏感元件，再結(jié)合電壓放大器和AD轉(zhuǎn)換器將感應(yīng)到的溫度數(shù)值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量存儲(chǔ)在某一單元內(nèi)。但由于該方案所需元件較多，且電路較繁，調(diào)試起來(lái)較復(fù)雜，所以舍之不用。 方案二：使用數(shù)字溫度傳感器DS18B20檢測(cè)溫度，內(nèi)含AD轉(zhuǎn)換器，因此線路連接十分簡(jiǎn)單，它無(wú)需其他外加電路，直接輸出數(shù)字量，可直接與單片機(jī)通信，讀取測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，電路十分簡(jiǎn)單，它能夠達(dá)到0.5℃的固有分辨率，使用讀取溫度暫存寄存器的方法還能達(dá)到0.2℃以上精度，應(yīng)用方便，這樣的電路主要工作量就集中到了單片機(jī)軟件編程上，故我們選用該方案。 3.2顯示電路的方案選擇： 方案一：使用數(shù)碼管顯示，通過數(shù)碼管顯示被測(cè)溫度和設(shè)定溫度。該方案程序簡(jiǎn)單，但硬件占用單片機(jī)I/O口較多，對(duì)于盡量節(jié)約端口，讓線路簡(jiǎn)單來(lái)說不是好方法，而且顯示也不夠直觀靈活，只能顯示數(shù)字，不能顯示漢字顯示功能提示，故不適合本次設(shè)計(jì)應(yīng)用。 方案二：使用液晶屏lcd12864，可以顯示字母，數(shù)字及漢字，而且一次可以顯示4行，顯示很直觀，通過字幕顯示模式、溫度、曲線。該方案程序較復(fù)雜，而且lcd12864的價(jià)格昂貴，對(duì)于節(jié)約成本的角度來(lái)說，我們選擇放棄選擇方案二。 方案三：使用液晶屏1602顯示，可以顯示設(shè)定溫度及測(cè)量溫度，但顯示時(shí)1602能顯示兩行能顯示字符及數(shù)字，不能顯示漢字及曲線，完全滿足本次設(shè)計(jì)的要求，而且成本低廉，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單可靠，故選擇方案三。 3.3加熱方案的選擇： 方案一：使用電熱爐進(jìn)行加熱，控制電爐的功率即可控制加熱速度，當(dāng)水溫過高時(shí)，關(guān)掉電爐即可，但考慮到電爐成本較高，且精度不好控制，故不選用。 方案二：固態(tài)繼電器控制加熱器工作，固態(tài)繼電器使用非常簡(jiǎn)單，而且沒有觸點(diǎn)，無(wú)需外加光耦，自身就可以實(shí)現(xiàn)電氣隔離，還可以頻繁動(dòng)作?？梢允褂妙愃苝wm的方式，通過控制固態(tài)繼電器的開，斷時(shí)間比來(lái)達(dá)到控制加熱器功率的目的，適合功率不大精度不高，簡(jiǎn)易水溫控制系統(tǒng)。 方式三：是使用可控硅控制加熱器的工作?？煽毓枋且环N半控器件，通過控制導(dǎo)通角的方式來(lái)控制，對(duì)每個(gè)周期的交流電進(jìn)行控制，因?yàn)閷?dǎo)通角連續(xù)可調(diào)，故控制精度較高，且元件便宜，易于制作，我們選擇方案三。 3.4控制方法選擇方案： 方案一：采用普通的控制方法，即隨著水溫的變化調(diào)節(jié)溫度，但局限性太小，由于水溫變化快，且慣性大，不易控制精度，故采用普通控制方法顯得力不從心。 方案二：采用ＰＷＭ控制加PID算法，通過采用PWM可以產(chǎn)生一個(gè)ＰＷＭ波形，而PWM波形的占空比是通過PID算法調(diào)節(jié)，這樣就可以調(diào)節(jié)加熱棒的功率進(jìn)而控制溫度的變化，從而使精度提高，我們選擇方案二。 4.總體方案及工作原理 溫度傳感器 DS18B20 從設(shè)備環(huán)境的不同位置采集溫度，單片機(jī) AT89S51 獲取采集的溫度值，經(jīng)處理后得到當(dāng)前環(huán)境中一個(gè)比較穩(wěn)定的溫度值，再根據(jù)當(dāng)前設(shè)定的溫度上下限值，通過加熱和降溫對(duì)當(dāng)前溫度進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)采集的溫度經(jīng)處理后超過設(shè)定溫度的上限時(shí)，，當(dāng)采集的溫度經(jīng)處理后低于設(shè)定溫度的下時(shí) , 單片機(jī)通過控制晶閘管開啟升溫設(shè)備 (加熱器) 。 系統(tǒng)總體的原理框圖如下; PC機(jī) MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片 鍵盤電路 AT89S51 8BIT CPU 數(shù)據(jù)顯示 DS18B20 溫度芯片數(shù)據(jù)傳輸 輸入電源 加熱器 雙向可控硅 系統(tǒng)工作原理框圖 5.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 對(duì)題目進(jìn)行深入的分析和思考，可以將整個(gè)系統(tǒng)硬件總體分為以下幾個(gè)方面： 5.1 溫度傳感器電路單元 測(cè)溫電路是使用DS18b20數(shù)字式溫度傳感器，它無(wú)需其他的外加電路，直接輸出數(shù)字量，可直接與單片機(jī)通信，讀取測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，電路十分簡(jiǎn)單。它能夠達(dá)到0.5的固有分辨率，使用讀取溫度的暫存寄存器的方法還能達(dá)到0.2以上的精度。 DS18B20溫度傳感器只有三根外引線：?jiǎn)尉€數(shù)據(jù)傳輸總線端口DQ ，外供電源線VDD，共用地線GND。外部供電方式(VDD接+5V，且數(shù)據(jù)傳輸總線接4.7k的上拉電阻。 綜上，在本系統(tǒng)中我采用溫度芯片DS18B20測(cè)量溫度。該芯片的物理化學(xué)性很穩(wěn)定，它能用做工業(yè)測(cè)溫元件，且此元件線形較好。在0—100攝氏度時(shí)，最大線形偏差小于1攝氏度。該芯片直接向單片機(jī)傳輸數(shù)字信號(hào)，便于單片機(jī)處理及控制。 DS18B20接口電路 DS18B20實(shí)物圖 5.2 輸入電壓?jiǎn)卧? 控制系統(tǒng)主控制部分電源需要用5V直流電源供電，其電路所示，把頻率為50Hz、有效值為220V的單相交流電壓轉(zhuǎn)換為幅值穩(wěn)定的5V直流電壓。其主要原理是把單相交流電經(jīng) 過電源變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電壓。 由于輸入電壓為電網(wǎng)電壓，一般情況下所需直流電壓的數(shù)值和電網(wǎng)電壓的有效值相差較大，因而電源變壓器的作用顯現(xiàn)出來(lái)起到降壓作用。降壓后還是交流電壓，所以需要整流電路把交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓。由于經(jīng)整流電路整流后的電壓含有較大的交流分量，會(huì)影響到負(fù)載電路的正常工作。需通過低通濾波電路濾波，使輸出電壓平滑。穩(wěn)壓電路的功能是使輸出直流電壓基本不受電網(wǎng)電壓波動(dòng)和負(fù)載電阻變化的影響，從而獲得穩(wěn)定性足夠高的直流電壓。本電路使用集成穩(wěn)壓芯片7805解決了電源穩(wěn)壓?jiǎn)栴}。 5.3 液晶顯示單元 LCM1602 是2 行16 個(gè)字符的字符型LCD 顯示器，它由32 個(gè)字符點(diǎn)陣塊組成，每個(gè)字符點(diǎn)陣塊由57 或510 個(gè)點(diǎn)陣組成，可以顯示ASCII 碼表中的所有可視的字符。它內(nèi)置了字符產(chǎn)生器ROM (Character Generator ROM,CGROM)、 字符產(chǎn)生器RAM (CharacterGenerator RAM, CGRAM)和顯示數(shù)據(jù)RAM(Data Display RAM, DDRAM)。CGROM 中內(nèi)置了192個(gè)常用字符的字模，CGRAM 包含8 個(gè)字節(jié)的RAM，可存放用戶自定義的字符，DDRAM 就是用來(lái)寄存待顯示的字符代碼。 P3.0、P3.1、P3.2接LCD1602的三個(gè)控制引腳，P4口作為L(zhǎng)CD1602的數(shù)據(jù)接口。通過對(duì)控制引腳的控制，從而實(shí)現(xiàn)溫度顯示的功能。 5.4 溫度上下限鍵盤設(shè)置模塊 溫度上下限設(shè)置模塊包括四個(gè)按鍵：（1）模式切換鍵：進(jìn)行模式之間的切換，模式包括設(shè)置溫度上限模式、設(shè)置溫度下限模式，每次按下該鍵就在這兩種模式之間切換。（2）溫度上下限增加鍵：增加溫度上下限的值。（3）溫度上下限減少鍵：減少溫度上下限的值。（4）溫控開關(guān)鍵：是溫控與非溫控之間的切換鍵。它用于設(shè)置是否進(jìn)行溫度控制即是否讓越界的溫度值觸發(fā)加熱器的啟動(dòng) 5.5 主控制單元設(shè)計(jì)： AT89S51 是一個(gè)低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT89S51可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。AT89S51具有如下特點(diǎn)：40個(gè)引腳，4k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)2層中斷嵌套中斷，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。 此外，AT89S51設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設(shè)置省電模式?？臻e模式下，CPU暫停工作，而RAM定時(shí)計(jì)數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。同時(shí)該芯片還具有PDIP、TQFP和PLCC等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。 由于系統(tǒng)控制方案簡(jiǎn)單 ,數(shù)據(jù)量也不大 ,考慮到電路的簡(jiǎn)單和成本等因素 ,因此在本設(shè)計(jì)中選用 A TMEL 公司的 A T89S51單片機(jī)作為主控芯片。主控模塊采用單片機(jī)最小系統(tǒng)是由于 A T89S51芯片內(nèi)含有4 kB的 E2PROM ,無(wú)需外擴(kuò)存儲(chǔ)器 ,電路簡(jiǎn)單可靠 ,其時(shí)鐘頻率為 0～24 MHz ,并且價(jià)格低廉 ,批量?jī)r(jià)在 10元以內(nèi)。 其主要功能特性： 兼容MCS-51指令系統(tǒng) 4k可反復(fù)擦寫(>1000次）ISP Flash ROM 32個(gè)雙向I/O口 4.5-5.5V工作電壓 2個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器 時(shí)鐘頻率0-33MHz 全雙工UART串行中斷口線 128x8 bit內(nèi)部RAM 2個(gè)外部中斷源 低功耗空閑和省電模式 中斷喚醒省電模式 3級(jí)加密位 看門狗（WDT）電路 軟件設(shè)置空閑和省電功能 靈活的ISP字節(jié)和分頁(yè)編程 雙數(shù)據(jù)寄存器指針 可以看出AT89S51提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4K字節(jié)Flash閃速存儲(chǔ)器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個(gè)I/O口線，看門狗（WDT），兩個(gè)數(shù)據(jù)指針，兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘。同時(shí), AT89S51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式何在RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直接到一個(gè)硬件復(fù)位。 AT89S51單片機(jī)引腳圖 6.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 6.1 PID控制程序算法 6.1.1 PID算法簡(jiǎn)介 PID控制算法是控制理論中應(yīng)用很廣泛的一種算法，對(duì)于一般控制系統(tǒng)來(lái)說，PID算法從某種意義來(lái)說具有通用性，對(duì)各種系統(tǒng)具有廣泛的適用性，通過現(xiàn)場(chǎng)的參數(shù)調(diào)試，可以達(dá)到很好的控制效果。 對(duì)于我們這次水溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，我們同樣也可以使用PID控制算法，具體算法如下： e(i)=t測(cè)-t設(shè) E= （2） 算法中，u（i）為當(dāng)時(shí)的功率輸出。T為采樣時(shí)間，E為誤差積累，KP為比例常數(shù)，Ti為積分常數(shù)，Td為微分常數(shù)。根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)，調(diào)節(jié)這三個(gè)常數(shù)，可以達(dá)到很好的效果。 大多數(shù)的溫度控制系統(tǒng)可以看作一階純滯后環(huán)節(jié)，由于本系統(tǒng)純滯后時(shí)間較小，故可采用PID（比例、積分、微分）控制算法實(shí)施控制。 6．1.2 PID控制作用 PID是比例（P）、積分（I）和微分（D）3個(gè)控制作用的組合。連續(xù)系統(tǒng)PID控制器的微分方程為：y(t)= KPP[e(t)+] （4-1） 式中 y(t)為控制器的輸出；e(t)為控制器的輸入；KP比例放大系數(shù)；TI為控制器的積分時(shí)間常數(shù)；TD為控制器的微分時(shí)間常數(shù)。 顯然，KP越大，控制器的控制作用越強(qiáng)；只要e(t)不為0，積分項(xiàng)會(huì)因積分而使控制器的輸出變化；只要e(t)有變化的趨勢(shì)，控制器就會(huì)在微分作用下，在偏差出現(xiàn)且偏差不大時(shí)提前給輸出一個(gè)較強(qiáng)的控制作用。 6.1.3 PID算法的微機(jī)實(shí)現(xiàn) 由于微機(jī)控制系統(tǒng)是一種時(shí)間離散控制系統(tǒng)，故必須把微分方程離散化為差分方程，最終寫出遞推公式才能直接應(yīng)用。 顯然： （4-2） （4-3） 于是， KP{e(n)++[e(n)-e(n-1)]} （4-4） 式中Δt=T，為采樣周期；e(t)為第n次采樣的偏差值；e(n-1)為第(n-1)次采樣時(shí)的偏差值；n為采樣序列，n=0,1,2,…。 由式（4-4）可以看出：計(jì)算一次Y（n），不僅需要的存儲(chǔ)器空間大，而且計(jì)算量也很大，于是進(jìn)一步寫出遞推公式： 由 Y（n-1）= KP {e(n-1)+ +[e(n-1)-e(n-2)]} （4-5） 由式（4）減去式（5）得： ΔY（n）=Y(n)-Y(n-1) =KP {[e(n)-e(n-1)]+[e(n)-2e(n-1)+e(n-2)]} = KP[e(n)-e(n-1)]+ KI e(n)+KD[e(n)-2e(n-1)+e(n-2)] （4-6） 或 Y(n)=Y(n-1)+ KP[e(n)-e(n-1)]+ KI e(n)+KD[e(n)-2e(n-1)+e(n-2)]（4-7） 式中 KI=KP，稱為積分常數(shù)；KD=KP，稱為微分常數(shù)。 6.1.4數(shù)字PID控制的參數(shù)選擇 一、數(shù)字PID參數(shù)的原則要求和整定方法 1、原則要求： 被控過程是穩(wěn)定的，能迅速和準(zhǔn)確地跟蹤給定值的變化，超調(diào)量小，在不同干下系統(tǒng)輸出應(yīng)能保持在給定值，操作變量不宜過大，在系統(tǒng)與環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化控制應(yīng)保持穩(wěn)定。顯然，要同時(shí)滿足上述各項(xiàng)要求是困難的，必須根據(jù)具體過程的要求，滿足主要方面，并兼顧其它方面。 2、PID參數(shù)整定方法： 理論計(jì)算法――依賴被控對(duì)象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型（一般較難做到） 工程整定法――不依賴被控對(duì)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(chǎng)整定（簡(jiǎn)單易行） 二、常用的簡(jiǎn)易工程整定法 1、擴(kuò)充臨界比例度法――適用于有自平衡特性的被控對(duì)象 整定數(shù)字調(diào)節(jié)器參數(shù)的步驟是： (1)選擇采樣周期為被控對(duì)象純滯后時(shí)間的十分之一以下。 (2)去掉積分作用和微分作用，逐漸增大比例度系數(shù)直至系統(tǒng)對(duì)階躍輸入的響 應(yīng)達(dá)到臨界振蕩狀態(tài)(穩(wěn)定邊緣)，記下此時(shí)的臨界比例系數(shù)及系統(tǒng)的臨界振蕩 周期。 (3)選擇控制度。 通常，當(dāng)控制度為1.05時(shí)。就可以認(rèn)為DDC與模擬控制效果相當(dāng)。 (4)根據(jù)選定的控制度，查表5-3-2求得T、KP、TI、TD的值。 2、擴(kuò)充響應(yīng)曲線法――適用于多容量自平衡系統(tǒng) 參數(shù)整定步驟如下： (1)讓系統(tǒng)處于手動(dòng)操作狀態(tài)，將被調(diào)量調(diào)節(jié)到給定值附近，并使之穩(wěn)定下來(lái)，然后突然改變給定值，給對(duì)象一個(gè)階躍輸入信號(hào)。 (2)用記錄儀表記錄被調(diào)量在階躍輸入下的整個(gè)變化過程曲線，如圖所示。 (3)在曲線最大斜率處作切線，求得滯后時(shí)間τ，被控對(duì)象時(shí)間常數(shù)Tτ以及它們的比值Tτ/τ。 (4)由求得的τ、Tτ及Tτ/τ查表5-3-3，即可求得數(shù)字調(diào)節(jié)器的有關(guān)參數(shù)KP、TI、TD及采樣周期T。 3、歸一參數(shù)整定法 令，，。則增量型PID控制的公式簡(jiǎn)化為 改變KP，觀察控制效果，直到滿意為止。 5．4數(shù)字PID控制的工程實(shí)現(xiàn) 6.2 PWM脈寬調(diào)制技術(shù) 脈寬調(diào)制（PWM）基本原理：控制方式就是對(duì)逆變電路開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，用這些脈沖來(lái)代替正弦波或所需要的波形。也就是在輸出波形的半個(gè)周期中產(chǎn)生多個(gè)脈沖，使各脈沖的等值電壓為正弦波形，所獲得的輸出平滑且低次諧波少。按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，即可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。 　 例如，把正弦半波波形分成N等份，就可把正弦半波看成由N個(gè)彼此相連的脈沖所組成的波形。這些脈沖寬度相等，都等于 ∏/n ，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦等分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)正弦部分面積（即沖量）相等，就得到一組脈沖序列，這就是PWM波形?？梢钥闯?，各脈沖寬度是按正弦規(guī)律變化的。根據(jù)沖量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。對(duì)于正弦的負(fù)半周，也可以用同樣的方法得到PWM波形。 在PWM波形中，各脈沖的幅值是相等的，要改變等效輸出正弦波的幅值時(shí)，只要按同一比例系數(shù)改變各脈沖的寬度即可，因此在交－直－交變頻器中，整流電路采用不可控的二極管電路即可，PWM逆變電路輸出的脈沖電壓就是直流側(cè)電壓的幅值。 根據(jù)上述原理，在給出了正弦波頻率，幅值和半個(gè)周期內(nèi)的脈沖數(shù)后，PWM波形各脈沖的寬度和間隔就可以準(zhǔn)確計(jì)算出來(lái)。按照計(jì)算結(jié)果控制電路中各開關(guān)器件的通斷，就可以得到所需要的PWM波形。 6.3控制系統(tǒng)程序 6.3.1系統(tǒng)主函數(shù)： #include //包含51單片機(jī)頭文件 #include //包含數(shù)學(xué)計(jì)算頭文件 #include"Delay.h" //包含用戶頭文件delay.h，作用：延時(shí) #include"LCD1602.h" //包含用戶頭文件LCD_1602.h，作用：驅(qū)動(dòng)1602液晶顯示器顯示 #include"DS18B20.h" //包含用戶頭文件ds18b20.h，作用：驅(qū)動(dòng)溫度傳感器測(cè)量當(dāng)前溫度 #include"KeyScan.h" //包含用戶頭文件Keyscan.h，作用：鍵盤掃描，獲取按鍵值 #define uchar unsigned char //用uchar代替unsigned char #define uint unsigned int //用uint代替unsigned int sbit kaitong = P2^0; //定義電熱杯開通關(guān)斷引腳 int PrevError = 0; //定義上上一次偏差值 int LastError = 0; //定義上一次偏差值 int Error = 0; //定義當(dāng)前偏差值 int PError,IError,DError; //中間變量 int LastValue; //上一次的輸出值 int NowValue; //本次的輸出值 int Full,Part; //加熱占空比調(diào)節(jié)參數(shù) int SetValue=600; //初始化溫度值60度 float Proportion = 0.5; //定義比例參數(shù) float Integral = 0.1; //定義積分參數(shù) float Derivative = 1; //定義微分參數(shù) int PIDCalc(int NextValue) //增量式PID計(jì)算部分 { PrevError = LastError; //將上一次偏差LastError賦給上上一次偏差PrevError LastError = Error; //將當(dāng)前偏差Error賦給上一次偏差LastError Error = keyscan() - NextValue; //將新的偏差賦給當(dāng)前偏差Error 偏差是絕對(duì)值，有錯(cuò) LastValue = NowValue; //將本次輸出值賦給上一次輸出值 if(Error >=100) { return(20); } else if((Error<100)&&(Error>=50)) { return(14); } else if((Error<50)&&(Error>=0)) { PError = Proportion *(Error - LastError); IError = Integral *Error; DError = Derivative *(Error - 2 * LastError + PrevError); NowValue =PError + IError + DError + LastValue; return NowValue; //計(jì)算PID控制值 } else return 0; } void main() { // uint ccc=100; LCD_init(); //初始化LCD setPosition(1,2); //從第1行第2個(gè)字符位開始顯示“Welcom to” prints("Welcom to"); setPosition(2,5); //從第1行第2個(gè)字符位開始顯示“SUST” prints("SUST"); delayl(1000); //延時(shí)，使歡迎界面在屏幕上停留片刻 LCD_init(); //初始化LCD while(1) { Part = PIDCalc(readtemp()); Full++; //加1， if(Full > 20) //如果full大于20，則復(fù)位為1 { Full = 1; } if(Full <= Part) //判斷PID計(jì)算值，如果Full小于等于該值，則開通發(fā)熱管；否則關(guān)斷 kaitong = 0; else kaitong = 1; /*從第2行第2字符位開始顯示設(shè)定溫度值*/ setPosition(1,0); IntToStr(keyscan(),buffer,3); //處理溫度值，以便顯示 // prints("SV:"); //顯示"SET:" printc(buffer[0]); //顯示十位 printc(buffer[1]); //顯示個(gè)位 printc(.); //顯示小數(shù)點(diǎn) printc(buffer[2]); //顯示十分位 printc(0xDF); //顯示攝氏度符號(hào)右上角的小圓圈 printc(C); //顯示攝氏度符號(hào)“C” /*從第1行第2字符位開始顯示當(dāng)前溫度值*/ setPosition(1,8); IntToStr(readtemp(),buffer,3); //處理溫度值，以便顯示 // prints("PV:"); //顯示"CUR:" printc(buffer[0]); //顯示十位 printc(buffer[1]); //顯示個(gè)位 printc(.); //顯示小數(shù)點(diǎn) printc(buffer[2]); //顯示十分位 printc(0xDF); //顯示攝氏度符號(hào)右上角的小圓圈 printc(C); //顯示攝氏度符號(hào)“C” setPosition(2,0); IntToStr(NowValue,buffer,3); //處理溫度值，以便顯示 printc(buffer[0]); //顯示十位 printc(buffer[1]); //顯示個(gè)位 printc(buffer[2]); setPosition(2,4); IntToStr(PError,buffer,3); //處理溫度值，以便顯示 printc(buffer[0]); //顯示十位 printc(buffer[1]); //顯示個(gè)位 printc(buffer[2]); setPosition(2,8); IntToStr(IError,buffer,3); //處理溫度值，以便顯示 printc(buffer[0]); //顯示十位 printc(buffer[1]); //顯示個(gè)位 printc(buffer[2]); setPosition(2,12); IntToStr(DError,buffer,3); //處理溫度值，以便顯示 printc(buffer[0]); //顯示十位 printc(buffer[1]); //顯示個(gè)位 printc(buffer[2]); } } 6.3.2 延時(shí)程序 #ifndef Delay #define Delay #define uint unsigned int #define uchar unsigned char void delayl(uint n) //長(zhǎng)延時(shí)n毫秒 { uint i,j; for(i=n;i>0;i--) for(j=114;j>0;j--); } void delays(uchar i)//短延時(shí) { while(i--); } #endif 6.3.3 LCD1602驅(qū)動(dòng)程序 #ifndef LCD1602 #define LCD1602 #include"Delay.h" /*********端口定義*****************/ sbit ledrs=P2^3; //讀寫控制字,數(shù)據(jù)/命令,H/L sbit leden=P2^5; //使能端控制字，高有效 sbit ledrw=P2^4; //讀/寫，H/L，1=讀，0=寫， uchar buffer[3]; void write_com(uchar com) { ledrw=0; ledrs=0; P0=com; delays(200); leden=1; delays(200); leden=0; } void write_data(uchar date) { ledrw=0; ledrs=1; P0=date; //準(zhǔn)備數(shù)據(jù) delays(200); leden=1; //激活LCD（Enabled） delays(200); leden=0; } void LCD_init() //初始化LCD { leden=0; write_com(0x38); //8位數(shù)據(jù)接口，兩行顯示 write_com(0x0c); //顯示開關(guān)控制 write_com(0x06); //輸入方式設(shè)置 write_com(0x01); //清屏 } void setPosition(uchar x,uchar y) { uchar pos; switch(x%2) { case 1:pos=0x80+y;break; //第一行 case 0:pos=0xc0+y;break; //第二行 } write_com(pos); //寫入定位命令 } void printc(uchar a) //寫入一個(gè)字符 { write_data(a); } void prints(uchar * str) //寫入字符串 { uchar i = 0; while(str[i] != \0) { write_data(str[i++]); //寫一個(gè)字符，指向下一個(gè) } } void IntToStr(uint t, uchar *str, uchar n) { uchar a[5]; char i, j; //取得整數(shù)值到數(shù)組 a[0]=t/100; //百位 a[1]=(t/10)%10; //十位 a[2]=t%10; //個(gè)位 for(i=0; i<3; i++) //轉(zhuǎn)成ASCII碼 +32 { a[i]=a[i]+0; } for(i=0; a[i]==0 && i<=3; i++); for(j=3-n; j0;i--) //一個(gè)字節(jié)共8位，讀8次 { DQ = 0; // 給脈沖信號(hào)，開始讀 dat>>=1; // DAT右移一位 DQ = 1; // 給脈沖信號(hào) if(DQ) dat|=0x80; // 若DQ=1，DAT或立即數(shù)#80h,若DQ=0，DAT只右移 delays(40); } return(dat); } void WriteOneChar(uchar dat) { uchar i=0; DQ=1; for (i=8; i>0; i--) //一個(gè)字節(jié)共8位，寫8次 { DQ = 0; DQ = dat&0x01; //取出數(shù)據(jù)的最低位（即最右邊的一位） delays(5); DQ = 1; dat>>=1; //寫完了一位 ，右移一次 } } int readtemp() { uchar a=0; uchar b=0; uint t=0; float tt=0; delays(40); Init_DS18B20(); WriteOneChar(0xCC); // 跳過讀序號(hào)列號(hào)的操作 WriteOneChar(0x44); // 啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換 delays(40); Init_DS18B20(); WriteOneChar(0xCC); //跳過讀序號(hào)列號(hào)的操作 WriteOneChar(0xBE); //讀取溫度寄存器等（共可讀9個(gè)寄存器） 前兩個(gè)就是溫度 delays(40); a=ReadOneChar(); //讀取溫度寄存器低字節(jié) b=ReadOneChar(); //讀取溫度寄存器高字節(jié) t=b; //T為16位，將B左移8位，和A或之后，得12位溫度值，每一個(gè)數(shù)據(jù)代表0.0625度 t<<=8; t=t|a; tt=t*0.0625; t= tt*10+0.5; //放大10倍輸出并四舍五入---此行沒用 return t; //返回溫度值 } #endif 7 設(shè)計(jì)總結(jié)及心得體會(huì) 本次的計(jì)算機(jī)控制課程設(shè)計(jì)雖然看上去很簡(jiǎn)單就是我們平時(shí)生活中大家都會(huì)使用到的燒水溫度控制，但是在設(shè)計(jì)和制作的過程卻不是那么的簡(jiǎn)單，本次課程設(shè)計(jì)中我學(xué)到了很多的東西，主要是學(xué)會(huì)自主的進(jìn)行學(xué)習(xí)，像圖書館、網(wǎng)絡(luò)等查資料，一點(diǎn)一點(diǎn)分析題目，理清設(shè)計(jì)的總體思路。再慢慢剖析，確定具體的分部設(shè)計(jì)，最后得出總的設(shè)計(jì)圖。當(dāng)然也訓(xùn)練了我的綜合思維能力，一種設(shè)計(jì)要求想出不同的設(shè)計(jì)方案，經(jīng)過許多次的調(diào)試和修改，最終確定最好、最簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)。 本次課設(shè)的完成過程經(jīng)歷了原理設(shè)計(jì)、電路仿真、實(shí)物焊接、調(diào)試、成型等幾個(gè)階段，每個(gè)階段都付出了很多的努力。剛開始起步時(shí)真的是寸步難行，真的不知從何做起，感覺學(xué)過的東西不知道怎么用。通過看資料討論，確定了思路后，還要將思路落實(shí)到原理圖上是很難得，尤其是將各部分子電路之間的連接存在很多問題，要一步步進(jìn)行解決而在現(xiàn)在社會(huì)的科技發(fā)展的過程中，必然有越來(lái)越多的地方要用到這樣的多功能穩(wěn)壓直流電源，而在這次的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的過程中，由于自己以前所有的作品中所使用的電壓都是低電壓，而在這第一次的接觸到市電220V，所以做的手機(jī)充電器在調(diào)試的過程中就遇到了很大麻煩。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)我用了仿真軟件進(jìn)行了仿真，然而由于電壓是在是太高，所以在仿真的過程中，雖然沒有問題，但是在真正的實(shí)驗(yàn)過程中卻不是這樣的，因?yàn)橐坏┒搪返脑捑褪钦麄€(gè)設(shè)計(jì)電路板一起毀掉，所以要十分細(xì)心， 在這次的設(shè)計(jì)中雖然遇到了很多的問題，認(rèn)識(shí)了一些以前不了解或者不知道的元件，有些雖然沒有用到，但是學(xué)習(xí)是無(wú)限的，雖然做課程設(shè)計(jì)有很多困難，但是，當(dāng)自己完成的時(shí)候有無(wú)比的喜悅。我感覺設(shè)計(jì)是對(duì)學(xué)習(xí)知識(shí)的運(yùn)用和個(gè)人自己的能力的全面體現(xiàn)，體現(xiàn)了一個(gè)人學(xué)以致用的能力。只有在真正的運(yùn)用中才能更好的掌握知識(shí)，這樣的學(xué)習(xí)才會(huì)有效率，才能長(zhǎng)久的記憶。 在設(shè)計(jì)過程中，我通過查閱大量有關(guān)資料，同學(xué)之間交流經(jīng)驗(yàn)，并向老師請(qǐng)教。通過對(duì)多種方案的分析討論讓我們明白在對(duì)于不同的環(huán)境和要求相應(yīng)的要作出最合適的選擇的合理性和重要性。在整個(gè)設(shè)計(jì)中我懂得了許多東西，對(duì)自我水平有了進(jìn)一步的了解，相信會(huì)對(duì)今后的學(xué)習(xí)工作生活有非常重要的影響。雖然這個(gè)設(shè)計(jì)做的也不太好，但是在設(shè)計(jì)過程中所學(xué)到的東西是這次課程設(shè)計(jì)的最大收獲和財(cái)富，使我終身受益。 參考文獻(xiàn) 【1】 林敏.《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)及工程應(yīng)用》. 國(guó)防工業(yè)出版社.第二版 【2】 王兆安 劉進(jìn)軍.《電力電子技術(shù)》 機(jī)械工業(yè)出版社 第五版