单片机PWM温度闭环控制系统设计Word文件下载.docx
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要求在课程设计报告中给出:
１）装置的结构和电路原理图。
2）调试过程，说明发现的向题及处理过程。
3）分析存在的问题。
4）收获与改进方案。
进度安排：
２011年１2月26日—2０1１年1２月30日
根据设计要求和内容查阅参考文献或资料,提出设计方案,进行原理设计。
２０12年1月10日—2０１2年1月12日
根据设计方案,进行调试，测试，撰写课程设计报告，答辩。
指导教师（签字）:
年 月 日
分院院长（签字）:
年 月 日
1摘要……………………………………………………………………3
２引言……………………………………………………………………4
3 设计内容与要求………………………………………………………４
３.1设计内容…………………………………………………………4
3.2设计要求…………………………………………………………4
4 系统总体设计方案……………………………………………………5
4.1 方案提出…………………………………………………………5
4.2 总体框图…………………………………………………………5
5系统工作原理…………………………………………………………６
5.1PIＤ算法………………………………………………………6
5．２DS1８B20传感器工作原理……………………………………8
6系统硬件设计…………………………………………………………9
7系统软件设计………………………………………………………11
7.1程序设计组成…………………………………………………11
7.2程序代码………………………………………………………1１
８系统调试与测试结果……………………………………………….21
9 测试结果分析………………………………………………………．21
１0结论和体会…………………………………………………………21
１1参考文献……………………………………………………………２2
摘要：
以温度控制系统为例研究嵌入式系统,实现了对工业现场的温度实时监测和控制。
以ＡT89C51单片机为控制核心,采用典型大惯性环节的PID闭环控制装置，可自动控制恶劣环境下的温度，使被控对象温度保持在恒定范围内。
本系统温度信号由数字温度传感器DS18B２0采集,送AT89C51单片机进行处理，并通过数码管显示。
当温度超过设定值范围后，单片机将发出控制信号启动升温装置或降温装置，使温度保持在一定的范围。
实验测试证明，设计的样机系统测温控温精度均为0.1℃，测温控温的范围可达－55~＋125℃。
关键词:
单片机；
ＰＩD;
工业控制；
温度；
DＳ18B20
2 引言
温度的测量和控制在日常生活和工业领域中具有广泛的应用,随着人们生活水平的大幅提高，对温度测量控制的精度和范围也有着更高的要求。
在工业企业中，如何提高温度控制对象的运行性能一直以来都是控制人员和现场技术人员努力解决的问题,这类控制对象惯性大，滞后现象严重,存在很多不确定的因素,难以建立精确的数学模型,从而导致控制系统性能不佳,甚至出现控制不稳定、失控等现象。
PID控制方式控制稳定且精度高，但是控制对象的模型难以建立，并且当扰动因素不明确时，参数调整较复杂。
本文采用DS１8B２０数字温度传感器,该传感器具有微型化、封装简单、低功耗、高性能抗干扰能力、测量范围广、强易配处理器等优点，可使系统测量更加精确,电路更加简单。
实验测试证明，设计的样机系统测温控温精度均为0．1℃,测温控温的范围可达-55～＋125℃,可应用于家用电器、汽车、冷库等领域。
3内容及要求:
3.1设计内容
1）利用数字温度传感器ＤS18B2０采集和转换温度;
２）利用传感器得到的数据通过单片机编程实现温度的闭环控制；
3）了解和使用PIＤ算法在闭环控制中的应用;
4）完成单片机外围电路的设计以及温度显示等程序工作；
3.2设计要求
1）装置的结构和电路原理图。
2）调试过程,说明发现的向题及处理过程。
４）收获与改进方案。
４总体计设计方案
４.１方案提出
考虑到用温度传感器，在单片机电路设计中，大多都是使用传感器,所以这是非常容易想到的，所以可以采用一只温度传感器ＤS18B20,此传感器，可以很容易直接读取被测温度值,进行转换,就可以满足设计要求。
同时本系统采用AＴ８９Ｃ52作为温度控制系统主控单元。
AT89C51是一种带4kB闪存可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能ＣMOS的8位微处理器。
指令系统和引脚与典型的MCS-51系列完全兼容，方便软件的编写。
系统整体电路包括:
主控电路、数码管显示、控制输出、控制对象、双向可控硅模块。
4.２总体设计框图
温度控制电路设计总体设计方框图如图所示，控制器采用单片机AT8９C52,温度传感器采用DS18Ｂ20,用4位ＬＥD数码管实现温度显示。
5系统工作基本原理
5.1ＰID算法
在模拟控制系统中,控制器最常用的控制规律是PID控制。
工业控制算法常用位置型PID算法,经离散化后的算式为ﻫ
ﻫ
式中，Ｕ（n）为第n个采样时刻控制器的输出量,ｅ（n）第n个采样时刻的偏差值,Kp为比例系数，Ki为积分作用系数,Kｄ为微分作用系数。
由于位置式算法每次输出与整个过去状态有关，算式中用到过去偏差的累加值,容易产生较大的累计误差。
而增量式中只需计算增量,算式中不需要累加,控制增量的确定仅与几次偏差采样值有关,当存在计算误差或精度不足时,对控制量计算的影响较小，且容易通过加权处理获得较好的控制效果。
由于计算机只输出控制增量，所以误动作时影响较小,且必要时可用逻辑判断的方法去掉，对系统安全运行有利。
由于上述优点，所以增量式PＩD控制算法得到广泛的应用。
其控制算法表达式为
ﻫ
式（3）是ＰID位置式的递推形式,是编程时常用的形式之一。
按增量式PIＤ控制算法编程时,a0，a1,ａ2可预先算出存入固定单元。
PＩD算法流程图如图5所示。
5.2 DS１８B20传感器工作原理
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9～１２位的数字值读数方式。
DＳ1８Ｂ20的测温原理是这这样的,器件中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1；
高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入。
器件中还有一个计数门,当计数门打开时,DS１8B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数进而完成温度测量。
计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将－５５℃所对应的一个基数分别置入减法计数器１、温度寄存器中,计数器１和温度寄存器被预置在-５５℃所对应的一个基数值。
减法计数器１对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数,当减法计数器１的预置值减到0时，温度寄存器的值将加１，减法计数器１的预置将重新被装入,减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数,如此循环直到减法计数器计数到０时,停止温度寄存器的累加,此时温度寄存器中的数值就是所测温度值。
其输出用于修正减法计数器的预置值,只要计数器门仍未关闭就重复上述过程,直到温度寄存器值大致被测温度值。
表２ 一部分温度对应值表
温度/℃
二进制表示
十六进制表示
+１2５
00000111 １１010000
07D0Ｈ
+8５
00000101 01０10000
0５50Ｈ
＋25.06２５
０00０0001 1
H
+10.１２5
00０00000１0100001
00A2H
＋0.５
0000 00０0 0
Ｈ
000０0000０
-0．5
11111１11 1１１10000
FFF8Ｈ
-10．125
111１1111010１１１10
ＦF5EH
-25.062５
1１1111１0 01１01111
FE6FH
-５5
1１1１110010０1０000
ＦC90Ｈ
另外，由于DＳ１8B2０单线通信功能是分时完成的,它有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。
系统对ＤＳ1８B20的各种操作按协议进行。
操作协议为:
初使化DＳ１8B2０（发复位脉冲）→发RＯM功能命令→发存储器操作命令→处理数据
6系统整体硬件电路（原理图）
系统整体硬件电路包括:
传感器数据采集电路,温度显示电路,单片机主板电路,外围温度控制电路等，如图所示。
7系统软件设计
7.1程序设计组成:
系统程序主要包括主程序，读出温度子程序,温度转换命令子程序，计算温度子程序,显示数据刷新子程序,PID闭环控制算法程序，PＷM波产生程序等。
7.2程序代码:
#ｉｎclude＜reg52.h>
#ｉnclude <
absaｃc．h＞
#inclｕdｅ＜math.h>
#defｉneuintuｎsignedｉnｔ
#definｅｕchａr ｕnsignedchaｒ //宏定义
#dｅfｉneC8２55_A XBYTE［0x７F00]
＃dｅfineC８25５_ＢXBＹTＥ[0x7F0１]
#ｄefineＣ8２55＿Ｃ ＸBYTE[0ｘ7F02］
＃defｉne Ｃ825５＿ＣONXBYTE［0x7F03]
voiｄpｉd（void）ﻩﻩﻩﻩ//PＩＤ算法子程序
voｉdinｉt（ｖoiｄ）ﻩﻩﻩﻩ//初始化子程序
ｖoid dｉsｐｌay（voiｄ）ﻩﻩ//延时子程序
voidｃleａr（）ﻩﻩ//清零子程序
ｉntmｍul（ｉnｔｘ,inｔy） /／1６位乘法，溢出赋极值
iｎｔｍａｄｄ（intｘ，inｔ y） ／/1６位加法，溢出赋极值
int chaｎge32＿16（iｎtx,int t） ﻩ//32——16
ｃｈar cｈaｎge1６＿8（iｎtwd） /／16——8
ucharprｅsence;
ucharｃode LEDData［］ = {０xＣ0,0xF9,0ｘA4,0xＢ０,０x9９,0x92，０x８2,0xＦ8，０x80,０x90,０xfｆ｝;
uchaｒdａtatemp_ｄaｔa［２］=｛0x00,０x00};
uｃhardatａ dｉｓｐlay[5]={0x00,0x0０，0x00,０x00,0x00};
ucｈar coｄe dｉtaｂ［16]={0x00,0ｘ0１,0ｘ01，0x０2，0x０3,0ｘ0３,0ｘ04,0x04,0x0５,0x06,0x06,0x07,0x08,0x０8，0x0９,0x０9}；
char TS＝０x6４;
ﻩﻩﻩﻩﻩﻩ//采样周期
ｉnt X=0ｘ８0;
ﻩﻩﻩﻩ
char
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