数字PID温度控制电热器 C51程序 机电工程系毕业设计 毕业论文.doc

机电工程系 课程设计机 电 工 程 系毕 业 论 文 设 计 题 目:数字PID温度控制电热器_共 19 页 第 19 页题目： 环境温度控制系统硬件电路部分摘要：本系统是基于和单片机的AT89C51单片机控制系统，能够实现一定质量的水在一定温度范围内的温度维持，并可通过液晶设置、显示温度，实现人机互动。同时本系统配备有经过精心设计的基于VB及VF的计算机辅助分析软件，分别用于数据的实时读取记录，和水温数据的数据库管理。关键词（主题词）：AT89C51、PWM控制、PID算法、DS18B20传感器、数据实时采集、补码，双向可控硅。一、 设计目的（1）温度设定范围为4090，最小区分度为1，标定温度1。（2）采用PID的控制方法，当设定温度突变（由40提高到60）时，减小系统的调节时间和超调量。（3）温度控制的静态误差0.2。（4）实时采集温度值，计算当时实际温度与所给目标温度的差值，进行PID计算后得出加热通电时间。通过定时器控制双向可控硅的通电时间来保证保持预期的温度。二、 对毕业设计课题实现方案：2.1硬件实现总体框图预设水温LED显示主控制器单片机AT89S51实际环境温LED显示双向可控硅加热器温度传感器DS18B20时钟振荡及复位电路调节预设水温按键系统框图2.1.1 主控制器单片机AT89S51具有低电压供电（+5V）和体积小和工作性能稳定等特点，四个端口只需要两个口就能满足电路系统的设计需要，很适合便携手持式产品的设计使用系统可用蓄电池供电。2.1.2 显示电路显示电路采用4位共阳LED数码管。2.1.3温度传感器DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现912位的数字值读数方式。DS18B20的性能特点如下： 独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信； 多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能； 无须外部器件； 可通过数据线供电，电压范围为3.05.5V； 零待机功耗； 温度以9或12位数字； 报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件； 负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。三、 主要电路模块的实现方案比较及选择3.1 单片机最小应用系统单片机最小系统3.1.1单片机本身就是一个最小应用系统，由于晶振，开关等器件无法集成到芯片内部，这些器件又是单片机工作所必须的器件，因此单片机与晶振电路及由开关，电阻，电容等构成复位电路就是单片机的最小应用系统。 3.1.2加热控制加热控制部分采用开关控制有效功率，如图所示： 加热控制原理图该部分电路主要有两个作用：弱电(HT46R24系统)和强电 (Ac220v)的隔离；对强电的控制。图中Moc3061是带过零检测的光电耦合器，Kl是功率双向可控硅BTA12，RL是加热丝，J1为单片机控制口，J2接AC220V。当J1为“1”时，Moc3061工作，其过零电路使内部的双向可控硅在过零后马上导通，从而使功率双向可控硅Kl导通，此时电热丝对水加热；当J1为“0”时，MOC3061不工作， 从而使功率双向可控硅KI截止，电热丝停止对水加热。BTA12的主要参数如下：通态电流IT(RMS)=12A浪涌电流ITSM=120A正向耐压VDRM600V反向耐压VRRM600V触发电流IGT(/)25/25/25/50mA(C)，50/50/50/100mA(B)通态压降VTM1.55V(17A)PCB图如图所示：图6 加热控制PCB图3.2 数字温度传感器DS18B20应用3.2.1数字温度传感器DS18B20简介数字温度传感器DS18B20 是支持“一线总线”接口的数字温度传感器。一总线独特且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。DS18B20的测量温度范围为55125，现场温度直接与“一线总线”的数字方式传输，明显提高了系统的抗干扰性，适合于恶劣环境的现场温度测量，如环境控制，设备或过程控制，测温类消费电子产品等，与前一代产品不同，新的产品支持3-5.5V的电压范围，使系统设计更加灵活，方便，而且新一代产品更便宜，体积更小，DS18b20可由程序设定9-12位的分辨率，精度为0.5，可选更小的封装方式，更宽的电压适应范围。分辨率设定及用户设定的报警温度存储在内部EEPROM中，掉电后依然保存，ds18b20的性能是新一代产品中最好的，性价比也非常出色。DS18B20的引脚图及测温实验原理图（图3）3.2.2. DSl820工作过程及时序 初始化 RoM 操作命令存储器操作命令处理数据 1初始化 单总线上的所有处理均从初始化开始 2 ROM 操作命令 总线主机检测到 DSl820 的存在 便可以发出 ROM 操作命令之一 这些命令如 指令 代码 Read ROM(读 ROM) 33H Match ROM(匹配 ROM) 55H Skip ROM(跳过 ROM CCH Search ROM(搜索 ROM) F0H Alarm search(告警搜索) ECH 3 存储器操作命令 指令 代码 Write Scratchpad(写暂存存储器) 4EH Read Scratchpad(读暂存存储器) BEH Copy Scratchpad(复制暂存存储器) 48H Convert Temperature(温度变换) 44H Recall EPROM(重新调出) B8H Read Power supply(读电源) B4H 4 时序 （1）初始化时序初始化时序（图4）主机总线 to 时刻发送一复位脉冲(最短为 480us 的低电平信号) 接着，在 tl 时刻释放总线并进入接收状态DSl820 在检测到总线的上升沿之后，等待 15-60us 接着DS1820在t2时刻发出存在脉冲(低电平持续 60-240 us)。（2）写时间隙主机使用时间隙(times lots)来读写 DSl8B20 的数据位和写命令字的位 写“1”和写“0”的波形写0和写1时序（图5）(3)读时间隙 图（6）主机总线to时刻从高拉至低电平时总线只须保持低电平l 7us 之后在 t1 时刻将总线拉高产生读时间隙，在t1时刻后 t 2 时刻前有效ts距 to为15us 也就是说 ts时刻前，主机必须完成读位并在 t o 后的60us 120 us内释放总线 。 读时序（图6）读位子程序(读得的位到 C 中) （5）温度的字节转化温度的字节转（图7）DSl8B20 中还有用于贮存测得的温度值的两个8位存贮器RAM编号为0 号和1号。 1 号存贮器存放温度值的符号 ，如果温度为负( )，则 1 号存贮器 8 位全为1 ，否则全为 0 。0 号存贮器用于存放温度值的补码， MSB(最低位)的 1 表示 0.5 将存贮器中的二进制数，求补再转换成十进制数并除以 2 就得到被测温度值(-550 +125 )。3.2.3四段共阳数码管的内部结构及工作原理（1）4段共阳数码管 4段共阳数码管内部结构图（图8）四段共阳数码管6，8，9，12脚为公共端接高电平，3，5，10，1，2，4，7，11为段选码引脚，低电平有效。（2）DS18B20的使用流程图DS18B20的使用流程是上电后先初始化检测DS18B20是否存在，如果否就返回继续检测。如果检测到则运行内部读写温度命令，并将DQ线置位，送温度数据到单片机。DS18B20的使用流程图（图9）四、 系统电路图系统仿真图（图10）系统整体硬件电路包括，传感器数据采集电路，数码管显示电路，发光二极管模拟加热电路，单片机主板电路等五、 系统的软件设计5.1程序流程图开始初始化获取键值？按键判断设定温度模块输入温度处理模块LED亮表示模拟加热Y开始控制？判断高于实际温度？YN调用LED显示模块显示设定值终止N通过单片机最小系统AT89S51来整体控制，由数字温度传感器DS18B20来采集数据送入单片机通过单片机的综合处理，采用4段共阳数码管来显示。当实际水温低于预设水温是P3.6口置“1”使发光二极管点亮表示通电加热。当实际水温高于预设水温是二极管灭表示断电不加热。调节预设水温按键可以预设水温，是水温保持在人们预想的范围内。按健复位电路是手动复 位，使用比较方便，在程序运行时，可以手动复位，这样就不用在重起单片机电源，就可以实现复位。5.1主程序主程序的主要功能是负责温度的实时显示、读出并处理DS18B20的测量的当前温度值，温度测量每1s进行一次。这样可以在一秒之内测量一次被测温度，并将实际温度和预设温度作比较，并控制是否通电加热。5.2温度采集子程序5.2.1 ds18b20初始化子程序PUSH B ;保存 B 寄存器 PUSH A ；保存 A寄存器 MOV A,#4 ;设置循环次数 CLR P1.0 ;发出复位脉冲 MOV B,#250 ;计数 250 次 DJNZ B,$ ;保持低电平 500us SETB Pl.0 ;释放总线 MOV B,#6 ;设置时间常数 CLR C ;清存在信号标志 WAITL: JB Pl.0,WH ;若总线释放，跳出循环 DJNZ B,WAITL ;总线低 等待 DJNZ ACC,WAITL;释放总线等待一段时间 SJMP SHORT WH: MOV B,#111 WH1: ORL C,P1.0 DJNZ B,WH1 ;存在时间等待 SHORT: POP A POP B RET 5.2.2写温度子程序WRBIT: PUSH B ;保存 B MOV B,#28 ;设置时间常数 CLR P1.0 ;写开始 NOP ;1us NOP ;1us NOP ;1us NOP ;1us N0P ;1us MOVPl.0,C ;C 内容到总线 WDLT: DJNZ B,WDLT;等待 56Us POP BSETB Pl.0 ;释放总线 RET ;返回 PUSH B :保存 B MOV B #8H ;设置写位个数 WLOP: RRC A ;把写的位放到 C ACALL WRBIT ;调写 1 位子程序 DJNZ B WLOP ;8 位全写完? POP B RET5.3.3读温度子程序RDBIT: PUSH B ;保存 B PUSH A ;保存 A MOV B,#23 ;设置时间常数 CLR P1.0 ;读开始 图5的 t0 时刻 NOP ;1us NOP ;1us NOP ;1us NOP ;1us SETB Pl.0 ;释放总线 MOV A,P1 ;P1 口读到 A MOV C,EOH ;P1.0 内容 C NOP ;1us NOP ;1us NOP ;1us NOP ;1us RDDLT: DJNZ B,RDDLT ;等待 46us SETB P1.0 POP APOP B RET 读字节子程序(读到内容放到 A中) RDBYTE: PUSH B ;保存 B RLOP MOV B,#8H ;设置读位数 ACALL RDBIT ;调读 1 位子程序 RRC A ;把读到位在 C 中并依次送给 A DJNZ B,RLOP ;8 位读完? POP B ;恢复 B RET六、 数字PID控制的基本原理（1）、PID温度控制子程序比例积分微分被控对象+r(t)e(t)u(t)c(t)PID算法原理框图PID算法的输出形式为一PWM波形，使电炉在一周期内开通的时间可调，使水温稳定在设定值。P1D算法的表达式为:其中，k表示第k次采样，r(k)为设定温度，c(k)为实际水温，M(k)为电炉功率控制量，误差为e(k)r(k)一c(k)。然而普通PID算法中引入积分环节的目的是消除静态误差，提高控制精度，但在过程的启动，结束和大幅度的增减时，短时间系统输出会有很大的偏差，会造成PID运算的积分积累，引起系统较大的超调和震荡，温度对象变化比较缓慢且带有纯滞后环节，如果采用单纯PID控制，当由较大扰动或大幅改变定值时，会产生较大的偏差，因此，本系统在PID环节的设计上采用可根据测量值与设定值偏差的变化，设置不同的积分系数项。实验结果和随机误差分析1、 测试范围：40902、 测试方法：从40开始测，每隔10测一组数据，数据通过串口发送到计算机上（1s发送3.5个数据），用matlab进行数据处理。3、 ，其中为起始温度。4、 ，其中N表示第N个数时，系统进稳态。5、 三个指标（超调量、调节时间、稳态误差）的测量数据如表2：6、 随机误差分析： 误差来源：传感器的精度影响;环境温度的影响;其它元器件的精度。 误差计算：系统的误差主要取决于传感器的精度，本系统所选的传感器精度为0.09，所以不确定度为起始温度设定温度指标第n次测量平均值123454050（）2.11.82.01.71.81.9（min）5.65.25.45.05.35.3（）0.080.070.080.060.070.075060（）2.52.32.62.62.52.5（min）6.16.06.36.26.16.1（）0.070.050.060.050.040.066070（）3.43.23.53.43.33.4（min）6.26.36.26.16.26.2（）0.050.040.040.040.030.047080（）3.83.53.73.93.63.7（min）6.56.56.66.86.56.6（）0.050.060.060.070.060.068090（）3.53.53.63.53.43.5（min）6.46.36.46.56.56.4（）0.070.070.060.080.070.071、 当温度设定值为50时，实际测试温度变化曲线如下： 附图1 40 50 环境温变化曲线串口发送数据时序七、 结论1.测量水温，精度为1，范围为0-99。2.二个三段数码管实时分别显示实际水温和预设水温。3.仿真运行后，上方的LED数码管显示可预设水温的控制点，下方LED显示实际水温，当实际水温低于预设水温时发光二极管亮表示通电电加热，当实际水温高于预设水温时发光二极管灭表示断电停止加热。八、 说明与体会本系统中，我主要负责硬件电路的设计与制作。在设计与制作的过程中难免遇到问题，出现问题后，我首先是找到问题的所在，用自己有限的知识去试着分析问题，尽可能地先通过自己来解决问题，实在解决不了的，再通过请教老师、同学或查阅资料等途径来解决，在这分析问题、解决问题的过程中我不仅很大程度上弥补了遗忘的知识，而且还学到了很多新的知识，这让我的专业知识水平有了很大的提高。通过这次课程设计，我深刻地认识到要设计完成一个完整的系统并不是一件容易的事情。首先要对系统要求进行分析，制