基于單片機(jī)的恒溫控制系統(tǒng).doc

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摘要： 隨著微機(jī)測量和控制技術(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)通時間從而控制水溫的自動調(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 輸入電壓單元 ------------------------------------------------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 對于不同場所、不同工藝、所需溫度高低 范圍不同、精度不同，則采用的測溫元件、測溫方法以及對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、時效不同，則對數(shù)據(jù)采集的精度和采用的控制算法也不同，因而，對溫度的測控方法多種多樣。 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)對溫度進(jìn)行測控的技術(shù)，也便隨之而生，并得到日益發(fā)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)過程的自動控制領(lǐng)域中。單片機(jī)以其體積小、價格低廉、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)并制作一個水溫自動控制系統(tǒng)，控制對象為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)自動控制加熱或降溫，最小區(qū)分度為0.1℃，所測溫度和實(shí)際溫度偏差≤1℃。 （2）恒溫功能，在環(huán)境溫度變化時（例如用電風(fēng)扇降溫，電壓波動）實(shí)現(xiàn)自動控制，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，減小系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間和超調(diào)量。 （2）采用適當(dāng)?shù)目刂品椒?，?dāng)突加涼水?dāng)_動時，減小系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間和超調(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檢測溫度，內(nèi)含AD轉(zhuǎn)換器，因此線路連接十分簡單，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，讀取測溫?cái)?shù)據(jù)，電路十分簡單，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)碼管顯示被測溫度和設(shè)定溫度。該方案程序簡單，但硬件占用單片機(jī)I/O口較多，對于盡量節(jié)約端口，讓線路簡單來說不是好方法，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的價格昂貴，對于節(jié)約成本的角度來說，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)定溫度及測量溫度，但顯示時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，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，斷時間比來達(dá)到控制加熱器功率的目的，適合功率不大精度不高，簡易水溫控制系統(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，對每個周期的交流電進(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，，當(dāng)采集的溫度經(jīng)處理后低于設(shè)定溫度的下時 , 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) 對題目進(jìn)行深入的分析和思考，可以將整個系統(tǒng)硬件總體分為以下幾個方面： 5.1 溫度傳感器電路單元 測溫電路是使用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，讀取測溫?cái)?shù)據(jù)，電路十分簡單。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：單線數(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)測溫元件，且此元件線形較好。在0—100攝氏度時，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，便于單片機(jī)處理及控制。 DS18B20接口電路 DS18B20實(shí)物圖 5.2 輸入電壓單元 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)壓問題。 5.3 液晶顯示單元 LCM1602 是2 行16 個字符的字符型LCD 顯示器，它由32 個字符點(diǎn)陣塊組成，每個字符點(diǎn)陣塊由57 或510 個點(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個常用字符的字模，CGRAM 包含8 個字節(jié)的RAM，可存放用戶自定義的字符，DDRAM 就是用來寄存待顯示的字符代碼。 P3.0、P3.1、P3.2接LCD1602的三個控制引腳，P4口作為LCD1602的數(shù)據(jù)接口。通過對控制引腳的控制，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 5.5 主控制單元設(shè)計(jì)： AT89S51 是一個低功耗，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只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(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)提供高性價比的解決方案。AT89S51具有如下特點(diǎn)：40個引腳，4k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲器，128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計(jì)數(shù)器,2個全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時鐘振蕩器。 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。空閑模式下，CPU暫停工作，而RAM定時計(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)控制方案簡單 ,數(shù)據(jù)量也不大 ,考慮到電路的簡單和成本等因素 ,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 ,無需外擴(kuò)存儲器 ,電路簡單可靠 ,其時鐘頻率為 0～24 MHz ,并且價格低廉 ,批量價在 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個雙向I/O口 4.5-5.5V工作電壓 2個16位可編程定時/計(jì)數(shù)器 時鐘頻率0-33MHz 全雙工UART串行中斷口線 128x8 bit內(nèi)部RAM 2個外部中斷源 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閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個I/O口線，看門狗（WDT），兩個數(shù)據(jù)指針，兩個16位定時器/計(jì)數(shù)器，一個5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘。同時, 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。空閑方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時/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算法簡介 PID控制算法是控制理論中應(yīng)用很廣泛的一種算法，對于一般控制系統(tǒng)來說，PID算法從某種意義來說具有通用性，對各種系統(tǒng)具有廣泛的適用性，通過現(xiàn)場的參數(shù)調(diào)試，可以達(dá)到很好的控制效果。 對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-t設(shè) E= （2） 算法中，u（i）為當(dāng)時的功率輸出。T為采樣時間，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為控制器的積分時間常數(shù)；TD為控制器的微分時間常數(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)會因積分而使控制器的輸出變化；只要e(t)有變化的趨勢，控制器就會在微分作用下，在偏差出現(xiàn)且偏差不大時提前給輸出一個較強(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（簡單易行） 二、常用的簡易工程整定法 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象純滯后時間的十分之一以下。 (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。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，給對象一個階躍輸入信號。 (2)用記錄儀表記錄被調(diào)量在階躍輸入下的整個變化過程曲線，如圖所示。 (3)在曲線最大斜率處作切線，求得滯后時間τ，被控對象時間常數(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周期中產(chǎn)生多個脈沖，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?？梢钥闯觯髅}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，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 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 #include"LCD1602.h" //包含用戶頭文件LCD_1602.h，作用：驅(qū)動1602液晶顯示器顯示 #include"DS18B20.h" //包含用戶頭文件ds18b20.h，作用：驅(qū)動溫度傳感器測量當(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 偏差是絕對值，有錯 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個字符位開始顯示“Welcom to” prints("Welcom to"); setPosition(2,5); //從第1行第2個字符位開始顯示“SUST” prints("SUST"); delayl(1000); //延時，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); //顯示攝氏度符號右上角的小圓圈 printc(C); //顯示攝氏度符號“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); //顯示攝氏度符號右上角的小圓圈 printc(C); //顯示攝氏度符號“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]); //顯示個位 printc(buffer[2]); } } 6.3.2 延時程序 #ifndef Delay #define Delay #define uint unsigned int #define uchar unsigned char void delayl(uint n) //長延時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 { while(i--); } #endif 6.3.3 LCD1602驅(qū)動程序 #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++]); //寫一個字符，指向下一個 } } 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--) //一個字節(jié)共8位，讀8次 { DQ = 0; // 給脈沖信號，開始讀 dat>>=1; // DAT右移一位 DQ = 1; // 給脈沖信號 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); // 跳過讀序號列號的操作 WriteOneChar(0x44); // 啟動溫度轉(zhuǎn)換 delays(40); Init_DS18B20(); WriteOneChar(0xCC); //跳過讀序號列號的操作 WriteOneChar(0xBE); //讀取溫度寄存器等（共可讀9個寄存器） 前兩個就是溫度 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 本次的計(jì)算機(jī)控制課程設(shè)計(jì)雖然看上去很簡單就是我們平時生活中大家都會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、成型等幾個階段，每個階段都付出了很多的努力。剛開始起步時真的是寸步難行，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)在社會的科技發(fā)展的過程中，必然有越來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€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)自己完成的時候有無比的喜悅。我感覺設(shè)計(jì)是對學(xué)習(xí)知識的運(yùn)用和個人自己的能力的全面體現(xiàn)，體現(xiàn)了一個人學(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，這樣的學(xué)習(xí)才會有效率，才能長久的記憶。 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)，并向老師請教。通過對多種方案的分析討論讓我們明白在對于不同的環(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。在整個設(shè)計(jì)中我懂得了許多東西，對自我水平有了進(jìn)一步的了解，相信會對今后的學(xué)習(xí)工作生活有非常重要的影響。雖然這個設(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