恒溫水箱畢業(yè)設(shè)計(jì)

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1、恒溫水箱畢業(yè)設(shè)計(jì) 恒溫水箱畢業(yè)設(shè)計(jì) 一、緒論 （一）課題研究的背景 溫度是工業(yè)上常見的被控參數(shù)之一，特別是在冶金、化工、建材、食品加工、機(jī)械制造等領(lǐng)域，恒溫控制系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐等。在一些溫控系統(tǒng)電路中，廣泛采用的是通過熱電偶、熱電阻或PN結(jié)測(cè)溫電路經(jīng)過相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路，轉(zhuǎn)換成A／D轉(zhuǎn)換器能接收的模擬量，再經(jīng)過采樣／保持電路進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，最終送入單片機(jī)及其相應(yīng)的外圍電路，完成監(jiān)控。但是由于傳統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、易受干擾、不易控制且精度不高。本文介紹單片機(jī)通過數(shù)字溫度傳感器檢測(cè)外部溫度對(duì)水箱進(jìn)行恒溫控制的設(shè)計(jì)，通過控制繼電器的通斷，進(jìn)而控制電爐的加熱來(lái)實(shí)現(xiàn)恒溫控

2、制。因此，本系統(tǒng)采用一種新型的可編程溫度傳感器（DS18B20），不需復(fù)雜的信號(hào)處理電路和A／D轉(zhuǎn)換電路就能直接與單片機(jī)完成數(shù)據(jù)采集和處理，實(shí)現(xiàn)方便、精度高，可根據(jù)不同需要用于各種場(chǎng)合。在日常生活中，也經(jīng)常用到電烤箱、微波爐、電熱水器、烘干箱等需要進(jìn)行溫度檢測(cè)與控制的家用電器。采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度控制不僅具有控制方便、簡(jiǎn)單、靈活等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度地提高被控溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量，現(xiàn)以恒溫水箱控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。 （二）國(guó)內(nèi)外恒溫控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì) 隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，恒溫控制己在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，并取得了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。在不同的領(lǐng)域內(nèi)，由于控

3、制環(huán)境、目標(biāo)、成本等因素，需要針對(duì)具體情況來(lái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能，以取得最佳的控制效果。其中，恒溫環(huán)境的自動(dòng)化控制技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)、商業(yè)運(yùn)營(yíng)中是一個(gè)重要研究。 1、國(guó)外恒溫控制的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì) 自70年代以來(lái)，由于工業(yè)過程控制的需要，特別是在微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，以及自動(dòng)控制理論和設(shè)計(jì)方法發(fā)展的推動(dòng)下，國(guó)外恒溫控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在智能化，自適應(yīng)參數(shù)的自整定等方面取得了很大的科技成果。在這方面以日本、美國(guó)、德國(guó)、瑞典等國(guó)技術(shù)領(lǐng)先，并且都生產(chǎn)出了一批商品化的性能優(yōu)異的溫度控制器及儀器儀表。 目前，國(guó)外溫度控制系統(tǒng)及儀表正朝著高精度智能化、小型化等方面快速發(fā)展。雖然溫度控制系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)各

4、行各業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，但從國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的溫度控制器及技術(shù)來(lái)講，其總體發(fā)展水平仍然不高，同國(guó)外的日本、美國(guó)、德國(guó)等先進(jìn)國(guó)家相比，仍然有著較大的差距。 2、國(guó)內(nèi)恒溫控制的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì) 我國(guó)目前在恒溫控制技術(shù)這方面總體技術(shù)水平處于20世紀(jì)80年代中后期水平，成熟產(chǎn)品主要以“點(diǎn)位”控制及常規(guī)的PID控制器為主，它只能適應(yīng)一般溫度系統(tǒng)控制，難于控制滯后、復(fù)雜、時(shí)變的溫度系統(tǒng)控制。在適應(yīng)于較高控制場(chǎng)合的智能化、自適應(yīng)控制儀表領(lǐng)域內(nèi)，國(guó)內(nèi)技術(shù)還不十分成熟，形成商品化并廣泛應(yīng)用的控制儀表較少。因此，我國(guó)在恒溫控制等控制儀表行業(yè)與國(guó)外還有著一定的差距。 從過程量的檢測(cè)角度出發(fā)，溫度是最常見的過程變量之一，

5、它是一個(gè)非常重要的過程變量，因?yàn)樗苯佑绊懭紵?、化學(xué)反應(yīng)、發(fā)酵、烘烤、煅燒、蒸餾、濃度、擠壓成形，結(jié)晶以及空氣流動(dòng)等物理和化學(xué)過程。而恒溫控制技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，由于其具有工況復(fù)雜、參數(shù)多變、運(yùn)行慣性大、控制滯后等特點(diǎn),它對(duì)控制調(diào)節(jié)器要求較高。其溫度控制不好就可能引起生產(chǎn)安全，產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量等一系列問題。盡管恒溫控制很重要，但是要控制好溫度常常會(huì)遇到意想不到的困難。 隨著嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)的快速發(fā)展及其在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，人們對(duì)電子產(chǎn)品的小型化和智能化要求越來(lái)越高，作為高新技術(shù)之一的單片機(jī)以其體積小、價(jià)格低、可靠性高、適用范圍大以及本身的指令系統(tǒng)等諸多優(yōu)勢(shì)，在各個(gè)領(lǐng)域、各個(gè)行業(yè)都得

6、到了廣泛應(yīng)用。 （三）設(shè)計(jì)任務(wù) 1、設(shè)計(jì)目的 設(shè)計(jì)一個(gè)恒溫水箱自動(dòng)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，水箱內(nèi)的水溫可以在一定范圍內(nèi)由人工設(shè)定，并能在環(huán)境溫度降低時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，以保持與設(shè)定的溫度基本不變。 利用單片機(jī)STC89C52RC實(shí)現(xiàn)水溫的智能控制，使水溫能夠在60℃左右實(shí)現(xiàn)恒定溫度調(diào)節(jié)，利用數(shù)字溫度傳感器讀出水溫，并在此基礎(chǔ)上將水溫調(diào)節(jié)到通過鍵盤設(shè)定的溫度，并通過LCD液晶顯示實(shí)現(xiàn)時(shí)實(shí)當(dāng)前溫度。 2、系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo) 設(shè)計(jì)一個(gè)恒溫水箱控制系統(tǒng)，主要包括主電路和控制電路。以下為該恒溫水箱控制系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)：（1）預(yù)置時(shí)顯示設(shè)定溫度，達(dá)到定溫度時(shí)顯示實(shí)時(shí)溫度，精確到0.5℃。 （2）恒溫箱溫度可預(yù)置，在

7、誤差范圍內(nèi)恒溫控制，溫度控制誤差≤1℃。 （3）恒溫水箱由1KW加熱棒加熱。 （4）升降溫度可以通過鍵盤控制，其10以內(nèi)要求控制時(shí)間小于5分鐘 （5）啟動(dòng)后有運(yùn)行指示，溫度低于預(yù)置溫度5℃時(shí)進(jìn)行220V全加熱。 （6）有較強(qiáng)的抗干擾性能，對(duì)升降溫過程的線性沒有要求。 （7）具有斷電保存功能及相應(yīng)的保護(hù)功能。 3、系統(tǒng)功能 （1）可以對(duì)溫度進(jìn)行自由設(shè)定，但必須在0～100℃內(nèi)，設(shè)定時(shí)可以實(shí)時(shí)顯示出設(shè)定的溫度值。 （2）加熱由1臺(tái)1KW電爐來(lái)實(shí)現(xiàn)，如果溫度不在60℃時(shí)，根據(jù)設(shè)定的溫度值與實(shí)際檢測(cè)的溫度值之差來(lái)采取不同的加熱方式。 （3）能夠保持實(shí)時(shí)顯示水溫，顯示位數(shù)4位，分別為百位

8、、十位、個(gè)位和小數(shù)位（但由于規(guī)定不超過90度，所以百位也就沒有實(shí)現(xiàn)，默認(rèn)的百位是不顯示的。）。 二、恒溫水箱控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) （一）系統(tǒng)方案選擇與論證 1、一位式的模擬控制方案 此方案是傳統(tǒng)的一位式模擬控制方案，選用模擬電路，用電位器設(shè)定給定值，反饋的溫度值和設(shè)定值比較后，決定加熱或不加熱。其特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，但是系統(tǒng)所地結(jié)果的精度不高并且調(diào)節(jié)動(dòng)作頻繁，系統(tǒng)靜差大，不穩(wěn)定，受 環(huán)境影響大，不能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，難以用數(shù)碼管顯示或者LCD液晶顯示，難以用鍵盤設(shè)定，其方案一框圖如圖2-1-1所示。 比 較 器 溫度預(yù)置 信 號(hào) 放大 繼 電 器 加熱裝置 數(shù) 據(jù) 采 集 信號(hào)

9、放大 圖2-1-1 一位式模擬控制方案框圖 2、二位式的模擬控制方案 此方案采用單片機(jī)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種控制算法和邏輯控制。單片機(jī)系統(tǒng)通過溫度傳感器（ADC590）對(duì)水箱內(nèi)水溫進(jìn)行檢測(cè)，得到模擬的溫度信號(hào)，在經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)之后，則可用數(shù)碼管來(lái)顯示或者用LCD液晶顯示水溫的實(shí)際值，還能用鍵盤輸入設(shè)定值，也可實(shí)現(xiàn)打印功能。本方案還可選用51單片機(jī)（內(nèi)部含有4KB的EEPROM），不需要外擴(kuò)展存儲(chǔ)器可使系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單。但是它是一種傳統(tǒng)的模擬控制方式，而模擬控制系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制規(guī)律，控制方案的修改也比較麻煩，其方案二框圖如圖2-1-

10、2所示。 數(shù) 據(jù) 采 集 信號(hào)放大 溫度預(yù)置 上限比較 下限比較 信號(hào)處理 繼電器 加熱裝置 圖2-1-2 二位式模擬控制方案框圖 3、PID算法控制方案 此方案采用單片機(jī)為控制核心的控制系統(tǒng)，尤其對(duì)溫度控制，它可達(dá)到核心的控制作用，并且可方便實(shí)現(xiàn)液晶顯示、鍵盤設(shè)定及利用PID算法來(lái)控制PWM波形的產(chǎn)生，進(jìn)而控制電爐的加熱來(lái)實(shí)現(xiàn)恒溫控制，其所測(cè)結(jié)果精度也大大的得到了提高，在利用PID算法來(lái)控制PWM波形的產(chǎn)生，是有效的控制數(shù)字脈沖的輸出寬度，使繼電器得到有效和有序的邏輯控制，不會(huì)使繼電器產(chǎn)生誤動(dòng)作。 再加上單片機(jī)的軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種控制算法和

11、邏輯控制。它可以通過用數(shù)字溫度傳感器采集到的實(shí)際水溫溫度直接進(jìn)行LCD液晶顯示，還能用鍵盤輸入設(shè)定值，并且內(nèi)部含有4KB的EEPROM,不需要外擴(kuò)展存儲(chǔ)器，可使系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，其方案三框圖如圖2-1-3所示。 鍵盤設(shè)定 數(shù)據(jù)采集 單片機(jī) STC89C52RC 電源電路 LCD液晶顯示 繼電器 加熱裝置 圖2-1-3 方案三基于單片機(jī)控制的方框圖 數(shù)字PID調(diào)整 復(fù)位電路 光指示電路 由于方案一和方案二是傳統(tǒng)的模擬控制方式，而模擬控制系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制規(guī)律，控制方案的修改比較麻煩，而方案三是采用單片機(jī)為控制核心的控制系統(tǒng)，利用PID控制原理和PWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱內(nèi)水溫控制

12、?；谶@樣的控制原理和PWM技術(shù)的優(yōu)越性，在對(duì)溫度控制的系統(tǒng)中，它可達(dá)到采用其他控制系統(tǒng)所達(dá)不到的控制效果，并且可方便實(shí) 現(xiàn)LCD液晶實(shí)時(shí)顯示、鍵盤設(shè)定、直接可以驅(qū)動(dòng)繼電器，其測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和精度是非常高的，故經(jīng)過對(duì)三種方案的比較論證，本設(shè)計(jì)采用方案三，利用單片機(jī)按增量式的PID控制算法對(duì)采集的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到控制量，利用增量式的PID控制算法來(lái)控制PWM波形的產(chǎn)生進(jìn)行控制繼電器，從而控制加熱棒的進(jìn)行加熱，實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱內(nèi)水溫的恒溫控制。 （二）恒溫水箱控制系統(tǒng)工作原理 根據(jù)恒溫水箱控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)和要求，確定了系統(tǒng)總體方案之后，現(xiàn)對(duì)該方案的具體原理進(jìn)行詳細(xì)介紹，它是采用閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)進(jìn)

13、行控制的，其具體控制圖如圖2-2-1所示。 單片機(jī) STC89C52RC 電源 鍵盤輸入 驅(qū)動(dòng)電路 LCD液晶顯示 繼電器控制電路 加熱捧 水箱 溫度傳感器DS18B20 圖2-2-1 恒溫控制原理圖 本系統(tǒng)是采用閉環(huán)負(fù)反饋的控制方式進(jìn)行控制的，它通過數(shù)字溫度傳感器檢測(cè)水箱內(nèi)的水溫溫度，把采集到的數(shù)據(jù)直接送到單片機(jī)進(jìn)行處理，由于數(shù)字式溫度傳感器能在極短時(shí)間內(nèi)把采集到的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，這樣被它處理的數(shù)據(jù)直接送到數(shù)字PID模塊進(jìn)行調(diào)整和控制PWM波形的產(chǎn)生。然后，把檢測(cè)到的數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)定的溫度值進(jìn)行比較，根據(jù)不同的差值去控制控制繼電器的通斷，以采取不同的加熱方式進(jìn)行加熱升溫。另外，

14、還設(shè)置了溫度實(shí)時(shí)顯示的裝置，可以同時(shí)顯示預(yù)先設(shè)定的溫度值和實(shí)際檢測(cè)到的溫度值。 三、恒溫水箱控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) （一）CPU主控模塊設(shè)計(jì) 1、STC89C52RC單片機(jī)簡(jiǎn)介 STC89C52RC是一種帶4K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。STC89C52RC是一種帶4K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃速存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的STC89C52RC是一種高效微

15、控制器，STC89C52RC單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。 2、晶振電路與復(fù)位電路的設(shè)計(jì) 單片機(jī)內(nèi)部帶有時(shí)鐘電路，只需要在片外通過XTAL1、XTAL2引腳接入定時(shí)控制單元（晶體振蕩和電容），即可構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。復(fù)位電路采用按鍵電平復(fù)位，它通過復(fù)位端經(jīng)電阻與+5V電源實(shí)現(xiàn)，只要能保證復(fù)位信號(hào)高電平持續(xù)時(shí)間大于2個(gè)機(jī)器周期就可實(shí)現(xiàn)復(fù)位，其電路如圖3-1-1所示。 圖3-1-1 晶振電路和復(fù)位電路圖 裝圖 （二）主電源電路設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)采用雙電源輸出，分別是+5V、+12V輸出。+5V是系統(tǒng)供電電源，12V是繼電器工作供電電源。本裝置的直流穩(wěn)壓電源采用

16、通常的橋式全波整流、電容濾波、三端固定輸出的集成穩(wěn)壓器件進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且所有的集成穩(wěn)壓芯片均裝有充分裕量的散熱片。系統(tǒng)的供電電源電路如圖3-2-1所示。 圖3-2-1 主電源電路 （三）溫度采集模塊設(shè)計(jì) 1、DS18B20的特點(diǎn) （1）單線接口方式，與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)雙向通訊。 （2）在使用中不需要任何外圍元件。 （3）可用數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍：+3.0～+5.5 V。 （4）測(cè)溫范圍：-55 ～+125℃。固有測(cè)溫分辨率為0.5℃。 （5）通過編程可實(shí)現(xiàn)9～12位的數(shù)字讀數(shù)方式。 （6）用戶可自設(shè)定非易失性的報(bào)警上下限值。 （7）

17、支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可并聯(lián)在惟一的三線上，多點(diǎn)測(cè)溫。 （8）負(fù)壓特性，電源極性接反時(shí)，溫度計(jì)不會(huì)因發(fā)熱燒毀，不能正常工作。 2、DS18B20與單片機(jī)的接口電路 DS18B20的引腳圖及單片機(jī)的接口電路如圖3-3-1所示。 圖3-3-1 DS18B20電路 （四）繼電器模塊及工作指示模塊設(shè)計(jì) 1、繼電器模塊 繼電器是一種電控制器件。它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路）之間的互動(dòng)關(guān)系。通常應(yīng)用于自動(dòng)化的控制電路中，它實(shí)際上是用小電流去控制大電流運(yùn)作的一種“自動(dòng)開關(guān)”。故在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電

18、路等作用。繼電器電路如圖3-4-1所示。 圖3-4-2 工作指示電路 圖3-4-1 繼電器電路 2、工作指示模塊 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)四路恒溫水箱控制系統(tǒng)，可一路或多路同時(shí)使用，為了更明顯知道工作狀態(tài)，設(shè)計(jì)了工作指示燈。設(shè)計(jì)電路如圖3-4-2所示。 （五）鍵盤掃描模塊設(shè)計(jì) 圖3-5-1 鍵盤功能分布 鍵盤模塊設(shè)計(jì)了4*4鍵盤，使用了9個(gè)按鍵，K1是設(shè)置，K2是左移，K3右移，K4是上移，K5是下移，K6是加1，K7是減1，K8是確認(rèn)，K9是開/關(guān)。鍵盤功能分布如圖3-5-1所示，硬件設(shè)計(jì)電路如圖3-5-2所示。 設(shè)置 開/關(guān) 確認(rèn) + - 圖3-5

19、-2 4*4鍵盤電路 四、恒溫水箱控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) （一）工作流程 此次設(shè)計(jì)的恒溫水箱主要用于醫(yī)療衛(wèi)生、科研、大專院校、實(shí)驗(yàn)室等領(lǐng)域，它可用于蒸餾、干燥、濃縮及恒溫加熱化學(xué)藥品、生物制品檢查血漬和生物實(shí)驗(yàn)恒溫培養(yǎng)進(jìn)行消毒之用。因此，系統(tǒng)默認(rèn)預(yù)定溫度為60℃，設(shè)置這個(gè)溫度值既可以起到殺菌消毒的作用又可以有效減少能源的消耗。 當(dāng)上電復(fù)位后電阻絲先處于停止加熱狀態(tài)，但也可以直接啟動(dòng)運(yùn)行。運(yùn)行過程中，系統(tǒng)不斷檢測(cè)當(dāng)前溫度，并送往顯示器顯示，達(dá)到預(yù)定值后停止加熱；當(dāng)溫度下降到下限（比預(yù)定值低5℃）時(shí)再啟動(dòng)加熱。這樣不斷地重復(fù)上述過程，使溫度保持在預(yù)定溫度范圍之內(nèi)。運(yùn)行過程中也可以隨時(shí)改變?cè)O(shè)定溫度

20、，溫度設(shè)定好后隨即生效，系統(tǒng)按新的設(shè)定溫度運(yùn)行。 （二）建立數(shù)學(xué)模型 控制算法即控制器的操作方式，是控制器對(duì)過程變量的實(shí)測(cè)值與設(shè)定值之間的誤差信號(hào)的響應(yīng)。溫度控制在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，由于其具有工況復(fù)雜、參數(shù)多變、運(yùn)行慣性大、控制滯后等特點(diǎn),它對(duì)控制調(diào)節(jié)器要求較高。溫度控制不好就可能引起生產(chǎn)安全，產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量等一系列問題。因此長(zhǎng)期以來(lái)國(guó)內(nèi)外科技工作者對(duì)溫度控制器進(jìn)行了廣泛深入的研究，產(chǎn)生了大批溫度控制器，如性能成熟應(yīng)用廣泛的PID調(diào)節(jié)器、智能控制PID調(diào)節(jié)器、自適應(yīng)控制等。此處主要對(duì)一些控制器特性進(jìn)行分析以便選擇適合的控制方法應(yīng)用于改造。再加上PID控制具有原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，適用面廣，

21、控制參數(shù)相互獨(dú)立，參數(shù)的選定比較簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)；而且在理論上可以證明，對(duì)于過程控制的典型對(duì)象──“一階滯后＋純滯后”與“二階滯后＋純滯后”的控制對(duì)象，PID控制器是一種最優(yōu)控制。其調(diào)節(jié)規(guī)律是連續(xù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)校正的一種有效方法，它的參數(shù)整定方式簡(jiǎn)便，結(jié)構(gòu)改變靈活（PI、PD、…）。它的控制框圖如圖4-2-1所示。 圖4-2-1 PID控制框圖 （三）程序模塊 1、主程序 主程序完成系統(tǒng)的初始化，調(diào)用溫度模塊程序,對(duì)其預(yù)置值及其合法性進(jìn)行檢查，預(yù)置溫度的顯示,調(diào)用鍵盤掃描模塊等。若正常執(zhí)行完三個(gè)子程序，則返回初始化進(jìn)入到其它的狀態(tài)，主程序的流程圖見圖4.-3-1所示。 開 中 斷

22、調(diào)用溫度傳感器數(shù)據(jù)采集子程序 調(diào)用鍵盤掃描處理子程序 調(diào)用顯示子程序 關(guān) 中 斷 開 始 初 始 化 圖4-3-1 主程序流程圖 2、溫度傳感器驅(qū)動(dòng)子程序 根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議，單片機(jī)控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個(gè)步驟：每次讀寫之前都要對(duì)DS18B20進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位成功后再發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對(duì)DS18B20進(jìn)行預(yù)定的操作。復(fù)位要求單片機(jī)將數(shù)據(jù)線下拉500us，然后釋放，DS18B20收到信號(hào)后等待16～60us左右，再發(fā)出60～240us的存在低脈沖，CPU收到此信號(hào)表示復(fù)位成功。 本系統(tǒng)對(duì)DS18B20進(jìn)

23、行的操作主要包括兩個(gè)子過程：（1）讀取DS18B20的序列號(hào)。主機(jī)首先發(fā)一復(fù)位脈沖，等收到返回的存在脈沖后，發(fā)出搜索器件的序列號(hào)命令，讀取DS18B20的序列號(hào)；（2）啟動(dòng)DS18B20作溫度轉(zhuǎn)換并讀取溫度值。主機(jī)在收到返回的存在脈沖后，發(fā)出跳過器件的序列號(hào)命令，跟著發(fā)出溫度 轉(zhuǎn)換命令，再次復(fù)位并收到返回的存在脈沖后，發(fā)送DS18B20的序列號(hào)，讀出數(shù)據(jù)，程序流程如圖4-3-2所示。 發(fā)送讀暫存器命令讀取溫度值 讀取48位ID號(hào) 啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換 開 始 返 回 初 始 化 圖4-3-2 溫度傳感器驅(qū)動(dòng)子程序流程圖 3、鍵盤掃描處理程序 鍵盤模塊的處理是通過對(duì)按鍵進(jìn)

24、行操作的。具體流程圖4-3-3所示。 按鍵掃描 開始 有相關(guān)功能按鍵按下？ 設(shè)置相關(guān)標(biāo)志位 返回主程序 否 是 圖4-3-3鍵盤掃描處理流程圖 4、溫度檢測(cè)與控制子程序 讀取18B20的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與設(shè)定值的比較，開始進(jìn)行加熱，在加熱的過程中需要進(jìn)行每2秒一次的跟蹤檢測(cè)，并把檢測(cè)到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與設(shè)定值比較，根據(jù)比較結(jié)果進(jìn)行不同方式的加熱，其具體流程如圖4-3-4所示。 調(diào)用按鍵設(shè)定溫度值并進(jìn)行開始加熱 檢測(cè)實(shí)際溫度與設(shè)定溫度相等否？ 全加熱 Y PID調(diào)整加熱 N 每隔2秒檢測(cè)1次 相差5℃否？ N Y 圖4-3-4 溫度檢測(cè)與控制流程圖 讀18B20,調(diào)顯示子程

25、序 初始化 開始 五、系統(tǒng)調(diào)試 （一）硬件調(diào)試 1、系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境 （1）環(huán)境溫度28攝氏度；（2）測(cè)試儀器: 數(shù)字萬(wàn)用表；（3）數(shù)字溫度計(jì)0-100℃；2、測(cè)試方法 （1）在水箱中存放2L凈水，放置1KW的加熱棒，打開控制電源，系統(tǒng)工程進(jìn)入準(zhǔn)備工作狀態(tài)。 （2）用溫度計(jì)標(biāo)定測(cè)溫系統(tǒng)，分別使水溫穩(wěn)定在40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃，觀察系統(tǒng)測(cè)量溫度值與實(shí)際溫度值，校準(zhǔn)系統(tǒng)使測(cè)量誤差在1℃以內(nèi)。 （3）動(dòng)態(tài)測(cè)試：設(shè)定溫度為60℃，系統(tǒng)由低溫開始進(jìn)入升溫狀態(tài)。開始記錄數(shù)據(jù)，觀察超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間和穩(wěn)態(tài)誤差；系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，用電風(fēng)扇吹涼，觀察系

26、統(tǒng)的抗擾能力。設(shè)定溫度為90℃系統(tǒng)由低溫開始進(jìn)入升溫狀態(tài)。開始記錄數(shù)據(jù)，觀察超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間和穩(wěn)態(tài)誤差；系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，用電風(fēng)扇吹涼，觀察系統(tǒng)的抗擾動(dòng)能力。 （4）檢驗(yàn)系統(tǒng)的顯示、恒溫控制、設(shè)定等功能。 3、繼電器測(cè)試 （1）測(cè)觸點(diǎn)電阻 用萬(wàn)能表的電阻檔，測(cè)量常閉觸點(diǎn)與動(dòng)點(diǎn)電阻，其阻值應(yīng)為“0”；而常開觸點(diǎn)與動(dòng)點(diǎn)的阻值就為無(wú)窮大。由此可以區(qū)別出那個(gè)是常閉觸點(diǎn)，那個(gè)是常開觸點(diǎn)。 （2）測(cè)線圈電阻 可用萬(wàn)能表R10Ω檔測(cè)量繼電器線圈的阻值，從而判斷該線圈是否存在著開路現(xiàn)象。 （3）測(cè)量吸合電壓和吸合電流 找來(lái)可調(diào)穩(wěn)壓電源和電流表，給繼電器輸入一組電壓，且在供電回路中串入電流表進(jìn)行監(jiān)測(cè)。慢慢

27、調(diào)高電源電壓，當(dāng)繼電器一閉合導(dǎo)通時(shí)，立即記下該吸合電壓和吸合電流。為求準(zhǔn)確，可以試多幾次而求平均值。 （4）測(cè)量釋放電壓和釋放電流 也是像上述那樣連接測(cè)試，當(dāng)繼電器發(fā)生吸合后，再逐漸降低供電電壓，當(dāng)繼電器一進(jìn)入斷開狀態(tài)時(shí)，記下此時(shí)的電壓和電流，亦可嘗試多幾次而取得平均的釋放電壓和釋放電流。一般情況下，繼電器的釋放電壓約在吸合電壓的10～50％，如果釋放電壓太小（小于1/10的吸合電壓），則不能正常使用了，這樣會(huì)對(duì)電路的穩(wěn)定性造成威脅，工作不可靠。 （二）軟硬調(diào)試 通過對(duì)系統(tǒng)的硬件、軟件調(diào)試，基本上達(dá)到了該控制系統(tǒng)原設(shè)定的要求，數(shù)字溫度傳感器讀溫度并進(jìn)行LCD液晶5110顯示。能夠在10分

28、鐘之內(nèi)通過控制繼電器的通斷進(jìn)行加熱達(dá)到預(yù)定溫度值。當(dāng)溫度差大于5℃時(shí)，通過PID調(diào)整控制數(shù)字脈沖的寬度使繼電器產(chǎn)生有效的動(dòng)作，進(jìn)行220V交流電加熱以達(dá)到預(yù)定溫度，如果溫度差小于5℃時(shí)，則進(jìn)行PID調(diào)整加熱達(dá)到原預(yù)定溫度。實(shí)驗(yàn)數(shù)字如表5-1-1所示、如表5-1-2所示。 表5-1-1實(shí)驗(yàn)數(shù)字 水量/L 設(shè)置溫度/℃ 實(shí)際溫度/℃ 誤差/℃ 使用時(shí)間/S 2 30 30.4 0.4 53 2 40 40.5 0.5 126 2 50 50.4 0.4 188 2 60 60.3 0.3 255 2 70 70.4 0.4 337 2 80 80.2 0.2 386 2 90 90.5 0.5

29、445 表5-1-2實(shí)驗(yàn)數(shù)字 水量/L 設(shè)置溫度/℃ 實(shí)際溫度/℃ 誤差/℃ 使用時(shí)間/S 3 30 30.5 0.5 75 3 40 40.4 0.4 148 3 50 50.4 0.4 207 3 60 60.5 0.5 273 3 70 70.3 0.3 346 3 80 80.3 0.3 405 3 90 90.4 0.4 473 總結(jié) 本次設(shè)計(jì)的新型PID調(diào)節(jié)恒溫水箱，是基于單片機(jī)為控制中心的恒溫系統(tǒng)，利用溫度傳感變送器，將采樣到的溫度信號(hào)輸入到單片機(jī)中，再由單片機(jī)作為核心控制器，根據(jù)測(cè)量溫度與設(shè)定溫度的差值和增量式的PID算法生成控制信號(hào)，控制繼電器的通電與斷電。整個(gè)

30、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、所用芯片少、控制精度高、響應(yīng)速度快，體積小，成本低。系統(tǒng)在硬件上采用以單片機(jī)為中心的結(jié)構(gòu)，充分利用單片機(jī)片上及擴(kuò)展的硬件資源，在滿足技術(shù)要求的前提下最大限度地減小硬件系統(tǒng)的體積，并具備一定的擴(kuò)展升級(jí)能力。在鍵盤、顯示電路上都采用了串行方式，從而減小了單片機(jī)口線的使用，也使使用口線小的單片機(jī)成為可能，減小了成本開支。主電源電路采用流行的開關(guān)穩(wěn)壓電源，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，性能穩(wěn)定。 在軟件上，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了傳感器自動(dòng)識(shí)別、故障自動(dòng)診斷、PID控制參數(shù)自整定以及自動(dòng)調(diào)整等高級(jí)功能，極大地方便了用戶使用，為了全面達(dá)到技術(shù)要求，設(shè)計(jì)過程中對(duì)軟硬件作了大量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)。實(shí)際應(yīng)用表明，經(jīng)過標(biāo)定的新型PID恒

31、溫控制器的控溫準(zhǔn)確性、重復(fù)性以及可靠性均達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)。并且在此次設(shè)計(jì)中基于PID算法的溫度控制系統(tǒng)采用了經(jīng)典的增量式PID算法，從某個(gè)角度上說(shuō)這種算法優(yōu)于傳統(tǒng)的控制算法，具有更穩(wěn)定、控制精度更高等優(yōu)點(diǎn)，而在控制量的輸出上采用了數(shù)字式的PWM變換，免去了D/A轉(zhuǎn)換器，減小了成本，且簡(jiǎn)單易行。在程序的編寫過程中特別注意了人機(jī)的交互性及各種功能的實(shí)現(xiàn)，如鍵盤控制管理程序和增量式PID運(yùn)算程序都是經(jīng)過深思熟慮而精心設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)的操作界面更容易讓人理解，同時(shí)使用鍵盤輸入控制溫度，雖然一定程度上增加了程序的復(fù)雜性，但同時(shí)也使系統(tǒng)的溫度更容易設(shè)定。另外，加了EPROM使系統(tǒng)能夠在掉電重啟動(dòng)后繼續(xù)完成加熱。

32、 當(dāng)然,系統(tǒng)同時(shí)也存在幾處缺點(diǎn)，在選擇增量式PID算法時(shí)用了速度相對(duì)較慢的單片機(jī)，而沒有采用速度更快的工控機(jī)，一定程度上降低了采樣頻率。采用了STC89C52RC，一方面系統(tǒng)更緊湊但同時(shí)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性有所降低。另外采用了經(jīng)典的增量式PID控制算法，雖然算法簡(jiǎn)單，但如果采用更先進(jìn)的算法，如模糊PID，則控制精度會(huì)更高。 致 謝 經(jīng)過幾個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)終于可以畫上一個(gè)句號(hào)了，但是現(xiàn)在回想起來(lái)做畢業(yè)設(shè)計(jì)的整個(gè)過程，頗有心得，其中有苦也有甜，不過樂趣盡在其中。通過自己動(dòng)手實(shí)現(xiàn)了恒溫水箱的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其功能基本符合設(shè)計(jì)要求。雖然已經(jīng)完成了此次畢業(yè)設(shè)計(jì)，但是我要感謝在整個(gè)畢

33、業(yè)設(shè)計(jì)過程中幫助過我的老師，同學(xué)。 首先我要衷心地感謝我的指導(dǎo)老師朱浩亮，他治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，學(xué)識(shí)淵博，品德高尚，平易近人，在我學(xué)習(xí)與設(shè)計(jì)期間不僅傳授我做學(xué)問的正確態(tài)度，還傳授我做人的準(zhǔn)則，這些都將使我終生受益。無(wú)論是在理論學(xué)習(xí)階段，還是在論文的選題、資料查詢、開題、研究和撰寫的每一個(gè)環(huán)節(jié)，我無(wú)不得到她的悉心指導(dǎo)和幫助，在她的幫助下我的畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)展順利。我想借此機(jī)會(huì)向朱浩亮老師和其他幫助過我的老師表示衷心的感謝，同時(shí)也向這三年來(lái)幫助過、關(guān)心過我的老師、同學(xué)們表示衷心感謝！ 回顧畢業(yè)設(shè)計(jì)期間的日日夜夜，自己為有機(jī)會(huì)擺脫生活的煩惱與浮躁，靜心鉆研，潛心研究，并取得初步研究成果而感到欣慰。欣慰之余，我要向

34、關(guān)心和支持我學(xué)習(xí)的所有領(lǐng)導(dǎo)、同學(xué)和朋友們表示真摯的謝意！感謝他們對(duì)我的關(guān)心和支持！同窗之誼和手足之情，我將終生難忘。師生之情，血濃于水的感情將陪伴我度過一生，這將是我前進(jìn)、成長(zhǎng)的階梯。 今天的努力必定換來(lái)明天的豐收，在未來(lái)的學(xué)習(xí)和研究過程中，我將以更加豐厚的成果來(lái)答謝曾經(jīng)關(guān)心、幫助和支持過我的所有領(lǐng)導(dǎo)、老師、同學(xué)和朋友。 再一次向所有幫助過我的人們表示最誠(chéng)摯的謝意，謝謝你們！ 參考文獻(xiàn) [1]．李全利.單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)（第3版）.北京：高等教育出版社， x年；[2]．候玉寶.51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)與仿真.北京：電子工業(yè)出版社，x年；[3]．李群芳.單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)與接口

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