摘要：隨著微機(jī)測(cè)量和控制技術(shù)的迅速開展與廣泛應(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----------------------------------------------------------22.設(shè)計(jì)要求----------------------------------------------------------22.1設(shè)計(jì)任務(wù)-----------------------------------------------------22．2設(shè)計(jì)要求----------------------------------------------------23.方案論證比--------------------------------------------------------33.1溫度檢測(cè)電路方案選擇-----------------------------------------33.2顯示電路方案選擇--------------------------------------------33.3加熱方案選擇------------------------------------------------33.4控制方法方案選擇--------------------------------------------34．總體方案及工作原理----------------------------------------------45.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)-----------------------------------------------------45.1溫度傳感器電路單元------------------------------------------55.2輸入電壓?jiǎn)卧?-----------------------------------------------65.3液晶顯示單元-------------------------------------------------65.4溫度上下限模塊單元------------------------------------------75.5主控制單元設(shè)計(jì)----------------------------------------------76.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)-----------------------------------------------------96.1PID控制程序算法--------------------------------------------96.2PWM脈寬調(diào)制技術(shù)--------------------------------------------126.3控制系統(tǒng)程序-----------------------------------------------137.設(shè)計(jì)結(jié)論及總結(jié)---------------------------------------------------19參考文獻(xiàn)資料-------------------------------------------------------211.選題背景對(duì)于不同場(chǎng)所、不同工藝、所需溫度上下范圍不同、精度不同，那么采用的測(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，那么對(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)的迅速開展，微機(jī)測(cè)量和控制技術(shù)也得到了迅速的開展和廣泛的應(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，并得到日益開展和完善，越來越顯示出其優(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),受到廣闊工程技術(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)要求根本要求〔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℃?！?〕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)定的溫度保持根本不變?！?〕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)揮局部〔1〕采用適當(dāng)?shù)目刂品椒ǎ?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?！?〕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.方案論證比擬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，它能夠到達(dá)0.5℃的固有分辨率，使用讀取溫度暫存存放器的方法還能到達(dá)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)約本錢的角度來說，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，而且本錢低廉，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單可靠，應(yīng)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，但考慮到電爐本錢較高，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。可以使用類似pwm的方式，通過控制固態(tài)繼電器的開，斷時(shí)間比來到達(dá)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，且元件廉價(jià)，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)比擬穩(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)PC機(jī)MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片鍵盤電路鍵盤電路AT89S518BITCPU數(shù)據(jù)顯示AT89S518BITCPU數(shù)據(jù)顯示DS18B20溫度芯片數(shù)據(jù)傳輸DS18B20溫度芯片數(shù)據(jù)傳輸輸入電源輸入電源加熱器雙向可控硅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。它能夠到達(dá)0.5的固有分辨率，使用讀取溫度的暫存存放器的方法還能到達(dá)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刂葡到y(tǒng)主控制局部電源需要用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根本不受電網(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5×7或5×10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(CharacterGeneratorROM,CGROM)、字符產(chǎn)生器RAM(CharacterGeneratorRAM,CGRAM)和顯示數(shù)據(jù)RAM(DataDisplayRAM,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就是用來存放待顯示的字符代碼。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?！?〕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?！?〕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CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含8kBytesISP(In-systemprogrammable)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ISPFlash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，4kBytesFlash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，128bytes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)單和本錢等因素,因此在本設(shè)計(jì)中選用ATMEL公司的AT89S51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AT89S51芯片內(nèi)含有4kB的E2PROM,無需外擴(kuò)存儲(chǔ)器,電路簡(jiǎn)單可靠,其時(shí)鐘頻率為0～24MHz,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〕ISPFlashROM32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128x8bit內(nèi)部RAM2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)存放器指針可以看出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)6.1PID控制程序算法6.1.1PID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)來說，PID算法從某種意義來說具有通用性，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，可以到達(dá)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)，可以到達(dá)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。6．1.2PID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。6.1.3PID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)+EQ+[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)]+KIe(n)+KD[e(n)-2e(n-1)+e(n-2)]〔4-6〕或Y(n)=Y(n-1)+KP[e(n)-e(n-1)]+KIe(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)。數(shù)字PID控制的參數(shù)選擇一、數(shù)字PID參數(shù)的原那么要求和整定方法1、原那么要求：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)到達(dá)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，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，如下圖。(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，，。那么增量型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)6.2PWM脈寬調(diào)制技術(shù)脈寬調(diào)制〔PWM〕根本原理：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)那么對(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)正弦局部面積〔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。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)程序系統(tǒng)主函數(shù)：#include<reg52.h> //包含51單片機(jī)頭文件#include<math.h> //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#defineucharunsignedchar //用uchar代替unsignedchar#defineuintunsignedint //用uint代替unsignedintsbitkaitong=P2^0; //定義電熱杯開通關(guān)斷引腳intPrevError=0; //定義上上一次偏差值intLastError=0; //定義上一次偏差值intError=0; //定義當(dāng)前偏差值intPError,IError,DError; //中間變量intLastValue; //上一次的輸出值intNowValue; //本次的輸出值intFull,Part; //加熱占空比調(diào)節(jié)參數(shù)intSetValue=600; //初始化溫度值60度floatProportion=0.5; //定義比例參數(shù)floatIntegral=0.1; //定義積分參數(shù)floatDerivative=1; //定義微分參數(shù)intPIDCalc(intNextValue) //增量式PID計(jì)算局部{PrevError=LastError; //將上一次偏差LastError賦給上上一次偏差PrevErrorLastError=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); }elseif((Error<100)&&(Error>=50)) {return(14); }elseif((Error<50)&&(Error>=0)) {PError=Proportion*(Error-LastError);IError=Integral*Error;DError=Derivative*(Error-2*LastError+PrevError);NowValue=PError+IError+DError+LastValue; returnNowValue;//計(jì)算PID控制值 }elsereturn0;}voidmain(){//uintccc=100;LCD_init(); //初始化LCDsetPosition(1,2); //從第1行第2個(gè)字符位開始顯示“Welcomto〞prints("Welcomto");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)，使歡送界面在屏幕上停留片刻LCD_init(); //初始化LCDwhile(1) { Part=PIDCalc(readtemp()); Full++; //加1， if(Full>20) //如果full大于20，那么復(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，那么開通發(fā)熱管；否那么關(guān)斷kaitong=0;elsekaitong=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]); }}延時(shí)程序#ifndefDelay#defineDelay#defineuintunsignedint#defineucharunsignedcharvoiddelayl(uintn) //長(zhǎng)延時(shí)n毫秒{uinti,j;for(i=n;i>0;i--)for(j=114;j>0;j--);}voiddelays(uchari)//短延時(shí){while(i--);}#endif6.3.3LCD1602驅(qū)動(dòng)程序#ifndefLCD1602#defineLCD1602#include"Delay.h"/*********端口定義*****************/sbitledrs=P2^3; //讀寫控制字,數(shù)據(jù)/命令,H/Lsbitleden=P2^5; //使能端控制字，高有效sbitledrw=P2^4; //讀/寫，H/L，1=讀，0=寫，ucharbuffer[3];voidwrite_com(ucharcom){ledrw=0;ledrs=0; P0=com;delays(200);leden=1;delays(200);leden=0;}voidwrite_data(uchardate){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;}voidLCD_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}voidsetPosition(ucharx,uchary){ucharpos;switch(x%2) { case1:pos=0x80+y;break;//第一行 case0:pos=0xc0+y;break;//第二行 }write_com(pos); //寫入定位命令}voidprintc(uchara) //寫入一個(gè)字符{write_data(a);}voidprints(uchar*str) //寫入字符串{uchari=0;while(str[i]!='\0'){write_data(str[i++]); //寫一個(gè)字符，指向下一個(gè)}}voidIntToStr(uintt,uchar*str,ucharn){uchara[5];chari,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;j<i;j++)//填充空格 { *str='';str++; }for(;i<3;i++) { *str=a[i];str++; }//參加有效的數(shù)字 *str='\0';}#endif6.3.4DS18B20驅(qū)動(dòng)程序#ifndefDS18B20#defineDS18B20#include"Delay.h"sbitDQ=P2^2;//定義通信端口ucharInit_DS18B20(void){ucharx=0; DQ=1;//DQ復(fù)位 delays(2);//稍做延時(shí) DQ=0;//將DQ拉低 delays(80);//精確延時(shí)大于480us DQ=1;//將DQ拉高delays(3); x=DQ;//稍做延時(shí)后如果x=0那么初始化成功,如果x=1那么初始化失敗delays(50);return(x);}intReadOneChar(void){uchari=0;uchardat=0; DQ=1; for(i=8;i>0;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;