1、 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì) 計(jì)算機(jī)課程設(shè)計(jì)（電熱杯的恒溫控制）前言1.1 溫度控制系統(tǒng)的背景溫度是工業(yè)上常見(jiàn)的被控參數(shù)之一，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(guò)熱電偶，熱電阻或PN結(jié)測(cè)溫電路經(jīng)過(guò)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(guò)采樣保持電路進(jìn)行A/D，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。本次設(shè)計(jì)的單片機(jī)控制系統(tǒng)采用溫度傳感器（DS18B20）檢測(cè)外部溫度對(duì)水溫進(jìn)行恒溫控制，精度保持在0、1攝氏度，范圍保持在0、2攝氏度，不需要復(fù)雜的信號(hào)調(diào)理電路和

2、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、高精度、適應(yīng)性強(qiáng)的控制。也經(jīng)常用到電烤箱、微波爐、電熱水器、烘干箱等需要進(jìn)行溫度控制與檢測(cè)控制的家用電器。采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度控制不僅具有溫度控制方便、簡(jiǎn)單、靈活等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅提高被控溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而大大提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。 2. 總體設(shè)計(jì)方案2.1 系統(tǒng)的總體框圖溫度測(cè)量模塊51單片機(jī)最小系統(tǒng)（添加復(fù)位電路）鍵盤(pán)模塊 LCD1602顯示模塊溫度輸出模塊串口通信 PC機(jī)2.2 總電路圖3. 硬件電路設(shè)計(jì)3.1 溫度測(cè)量與控制模塊 溫度測(cè)量模塊采用的是ASLLAS半導(dǎo)體公司的DS18B20溫度傳感器。該傳感器與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，

3、他能直接讀出被測(cè)溫度。這一部分主要完成對(duì)溫度的采集和轉(zhuǎn)換工作，有DS18B20數(shù)字溫度傳感器與其單片機(jī)接口部分組成。數(shù)字溫度傳感器把采集到的溫度通過(guò)數(shù)據(jù)引腳傳送到單片機(jī)的I/O，該模塊由溫度傳感器，雙向可控硅，光耦組成 。溫度傳感器負(fù)責(zé)溫度的采集傳送，由單片機(jī)程序判斷處理后通過(guò)P 22、0口的高低電平變換控制經(jīng)過(guò)光耦的隔離傳輸控制可控硅BAT06的開(kāi)關(guān)，可控硅導(dǎo)通則電熱杯接通220V電源進(jìn)行加熱。3.2鍵盤(pán)模塊鍵盤(pán)模塊設(shè)置有六個(gè)按鍵，接上拉電阻，分別由程序定義為控制目標(biāo)溫度的十位個(gè)位與十分位的加減1.3.3 串口通信單片機(jī)與PC機(jī)進(jìn)行通信方便程序的燒制，盡管單片機(jī)有串行通信功能，但單片機(jī)提供的

4、信號(hào)電平和RS232的標(biāo)準(zhǔn)不一樣，因此要通過(guò)MAX232這種類似的芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。MAX232是一種雙組驅(qū)動(dòng)器/接收器，片內(nèi)含有一個(gè)電容性電壓發(fā)生器以便在單5V電源供電EIA/TIA-232-E電平。3.4 液晶顯示模塊1602LCD是指顯示的內(nèi)容為16X2,即可以顯示兩行，每行16個(gè)字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）。市面上字符液晶大多數(shù)是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780寫(xiě)的控制程序可以很方便地應(yīng)用于市面上大部分的字符型液晶。1602采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口，其中：第1腳：VSS為電源地第2腳：VCC接5V電源正極第3腳：V0為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正

5、電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地電源時(shí)對(duì)比度最高（對(duì)比度過(guò)高時(shí)會(huì) 產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過(guò)一個(gè)10K的電位器調(diào)整對(duì)比度）。第4腳：RS為寄存器選擇，高電平1時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平0時(shí)選擇指令寄存器。第5腳：RW為讀寫(xiě)信號(hào)線，高電平(1)時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平(0)時(shí)進(jìn)行寫(xiě)操作。第6腳：E(或EN)端為使能(enable)端,高電平（1）時(shí)讀取信息，負(fù)跳變時(shí)執(zhí)行指令。第714腳：D0D7為8位雙向數(shù)據(jù)端。第1516腳：空腳或背燈電15背光正極，16腳背光負(fù)極。4 PID控制4.1 PID基本公式 在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)受控對(duì)象的特性和控制的性能要求，靈活地采用不同的控制組合，構(gòu)成比例(P)控制器 比例

6、+積分(PI)控制器比例+積分+微分(PID)控制器式中 或式中4.2 控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 在單回路控制系統(tǒng)中，由于擾動(dòng)作用使被控參數(shù)偏離給定值，從而產(chǎn)生偏差。自動(dòng)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)單元將來(lái)自變送器的測(cè)量值與給定值相比較后產(chǎn)生的偏差進(jìn)行比例、積分、微分(PID)運(yùn)算，并輸出統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、壓力、流量、也為及其他工藝參數(shù)的自動(dòng)控制。比例作用P只與偏差成正比；積分作用I是偏差對(duì)時(shí)間的積累；微分作用D是偏差的變化率；4.3 PID的獨(dú)立介紹比例(P)控制 比例控制能迅速反應(yīng)誤差，從而減少穩(wěn)態(tài)誤差。除了系統(tǒng)控制輸入為0和系統(tǒng)過(guò)程值等于期望值這兩種情況，比例控制都能給出穩(wěn)態(tài)誤

7、差。當(dāng)期望值有一個(gè)變化時(shí)，系統(tǒng)過(guò)程值將產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)態(tài)誤差。但是，比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。比例放大系數(shù)的加大，會(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。 圖2比例(P)控制階躍響應(yīng)積分(I)控制在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。為了減小穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中加入積分項(xiàng)，積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即使誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減少，直到等于零。積分(I)和比例(P)通常一起使用，稱為比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。如果單獨(dú)用積分(I)的話，由于積分輸出隨時(shí)間積累而逐漸增大，故調(diào)

8、節(jié)動(dòng)作緩慢，這樣會(huì)造成調(diào)節(jié)不及時(shí)，使系統(tǒng)穩(wěn)定裕度下降。 圖3積分(I)控制和比例積分(PI)控制階躍相應(yīng)微分(D)控制在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。由于自動(dòng)控制系統(tǒng)有較大的慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后（delay）組件，在調(diào)節(jié)過(guò)程中可能出現(xiàn)過(guò)沖甚至振蕩。解決辦法是引入微分(D)控制，即在誤差很大的時(shí)候，抑制誤差的作用也很大；在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用也應(yīng)該是零。圖4微分 (D)控制和比例微分(PD)控制階躍相應(yīng) 增益常數(shù)（系數(shù)）上升時(shí)間過(guò)沖建立時(shí)間穩(wěn)態(tài)誤差Kp減少增大很小變化減小KI減少增大增加消除KD很小變化減小減少很小變化 5. 增量

9、式PID算法原理（2-4）增量式PID控制算法可以通過(guò)（2-4）推導(dǎo)得到控制器的第k-1個(gè)采樣時(shí)刻的輸出值為： (2-5)將（2-4）與（2-5）相減并整理，就可以得到增量式PID控制算法公式為：（2-6）其中  由（2-6）可以看出，如果計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期T，一旦確定A、B、C，只要使用前后三次測(cè)量的偏差值，就可以由（2-6）求出控制量。增量式PID控制算法與位置式PID算法（2-4）相比，計(jì)算量小得多，因此在實(shí)際中得到廣泛的應(yīng)用。位置式PID控制算法也可以通過(guò)增量式控制算法推出遞推計(jì)算公式：（2-7）（2-7）就是目前在計(jì)算機(jī)控制中廣泛應(yīng)用的數(shù)字遞推PID控制算法。

10、6. 軟件設(shè)計(jì)程序/* 標(biāo)題；基于單片機(jī)的溫度控制實(shí)驗(yàn) * * 描述：1.用溫度傳感器DS18B20測(cè)得溫度值； * 2.用LCD1602液晶顯示器作為人機(jī)界面，其可以顯示當(dāng)前溫度值，設(shè)定溫度值等； * 3.使用PID控制算法，控制水溫，從而達(dá)到恒溫。 * * 目的：1.學(xué)會(huì)DS18B20的驅(qū)動(dòng)； * 2.學(xué)會(huì)LCD1602的驅(qū)動(dòng)； * 3.理解PID控制原理； */#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：

11、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(pán)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 intsbit kaitong

12、 = P20; /定義電熱杯開(kāi)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=610; /初始化溫度值60度f(wàn)loat Proportion = 0.44;float Integral = 0.005; /定義積分參數(shù)float Derivative

13、=5; /定義微分參數(shù)/*名稱: 增量式PID計(jì)算函數(shù) * *描述: 增量式PID表達(dá)式如下 * datau(k) = Kc*e(k)-e(k-1)+Ki*e(k)+Kd*e(k)-2*e(k-1)+e(k-2) * 或datau(k)=Kc*e(t)-e(k-1)+Kc*T*e(k)/Ti+Kd*Td*e(t)-2*e(t-1)+e(t-2)/T * * *說(shuō)明：e(t)為設(shè)定值與實(shí)際值之差， * Kc為比例系數(shù) * Ki = Kc*T/Ti積分系數(shù) * Kd = Kc*Td/T微分系數(shù) * T為采用周期 * Ti為積分時(shí)間 * Td為微分時(shí)間 */int PIDCalc(int NextV

14、alue)/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PrevErrorLastError = Error; /將當(dāng)前偏差Error賦給上一次偏差LastErrorError = 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);el

15、se if(Error<50)&&(Error>=20)return(10);else if(Error<20)&&(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 PEr

16、ror = Proportion *(Error - LastError);IError = Integral *Error;DError = Derivative *(Error - 2 * LastError + PrevError);NowValue =PError + IError + DError + LastValue; return 0;/* 主函數(shù)*/void main()uint ccc=100;LCD_init();setPosition(1,2); /從第1行第2個(gè)字符位開(kāi)始顯示“Welcom to”prints("Welcom to");setPos

17、ition(2,5); /從第1行第2個(gè)字符位開(kāi)始顯示“SUST”prints("SUST");delayl(1000); /延時(shí)，使歡迎界面在屏幕上停留片刻write_com(0x01); /初始化LCDwhile(1) if(ccc=0) Part = PIDCalc(readtemp();ccc=100;for(;ccc>0;ccc-)Full+; /加1，相當(dāng)于dd = dd + 1if(Full > 20) /如果dd大于20，則復(fù)位為1Full = 1;if(Full <= Part) /判斷PID計(jì)算值，如果Full小于等于該值，則開(kāi)通發(fā)熱管

18、；否則關(guān)斷kaitong = 0;elsekaitong = 1;/*從第2行第2字符位開(kāi)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("S:"); /顯示"SET:"printc(buffer0); /顯示十位printc(buffer1); /顯示個(gè)位printc('.'); /顯示小數(shù)點(diǎn)printc(buffer2); /顯示十分位printc(0xDF); /顯示攝氏度符號(hào)右上角的小圓圈printc('C');

19、 /顯示攝氏度符號(hào)“C”/*從第1行第2字符位開(kāi)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("P:"); /顯示"CUR:"printc(buffer0); /顯示十位printc(buffer1); /顯示個(gè)位printc('.'); /顯示小數(shù)點(diǎn)printc(buffer2); /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(buffer0); /顯示十位printc(buffer1); /顯示個(gè)位printc(buffer2);setPosition(2,4); IntToStr(PError,buffer,3); /處理溫度值，以便顯示printc(buffer0); /顯示十位printc(buffer1); /顯示個(gè)位printc(buffer2);set