单片机PWM温度闭环控制系统设计 - 范文中心

单片机PWM温度闭环控制系统设计

08/31

课 程 设 计 任 务 书

目录

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

5.1 PID算法………………………………………………………6

5.2 DS18B20 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。

3）分析存在的问题。

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4 kB 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

5.1 PID算法

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

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 #include #include #define uint unsigned int

#define uchar unsigned char //宏定义 #define C8255_A XBYTE[0x7F00] #define C8255_B XBYTE[0x7F01] #define C8255_C XBYTE[0x7F02] #define C8255_CON XBYTE[0x7F03] void pid(void) //PID算法子程序 void init(void) //初始化子程序 void display(void) //延时子程序 void clear() //清零子程序

int mmul(int x,int y) //16位乘法，溢出赋极值 int madd(int x,int y) //16位加法，溢出赋极值 int change32_16(int x,int t) //32——16 char change16_8(int wd) //16——8 uchar presence; uchar

code

LEDData[]

=

{0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90,0xff}; uchar data temp_data[2]= {0x00,0x00};

uchar data 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; //采样周期 int X=0x80;

char SPEC=0x28; //给定：要求达到的温度值

char IBAND=0x60; //积分分离值：PID 算法中积分分离值 int KP=12; //比例系数：PID 算法中比例项系数

char KI=20; //积分系数 char KD=32; //微分系数

int CK; //控制量：PID 算法产生用于控制的量 int TC; //采样周期变量

char FPWM; //PWM脉冲中间标识位

int CK_1; //控制量变量，用于记录上次控制的值 int AAAA; // PWM高电平脉冲时间计算 int VAA; //AAAA变量

int BBB; //PWM低电平脉冲时间计算 int VBB; //BBB变量 int TKMARK; //采样标志值 int EK; //温度误差 int EK_1; int AEK; int BEK;

unsigned char dis; //BCD码显示 bit flash=0; //显示开关标记

sbit DQ = P3^3; //定义DS18B20端口DQ sbit DIN = P0^7; //小数点 sbit P17=P1^7; //PWM的驱动

/**************延时子程序*********************/

void delay(unsigned int time) {

unsigned int i; for(i=0;i

/***********初始化函数*********************/ Init_DS18B20(void) {

DQ = 1; //DQ复位 Delay(8); //稍做延时

DQ = 0; //单片机将DQ 拉低 Delay(90); //精确延时大于480us DQ = 1; //拉高总线 Delay(8);

presence = DQ; //如果=0则初始化成功 =1则初始化失败

Delay(100); DQ = 1;

return(presence); //返回信号，0=presence,1= no presence

}

void init(void) {

YK=0x00; EK=0x00; EK_1=0x00; AEK=0x00; BEK=0x00; CK=0x00; CK_1=0x00; BBB=0x00;

VBB=0x00;

TKMARK=0x00; TC=0x00; FPWM=0x01; AAAA=0x7f; V AA=0x7f;

C8255_CON=0x81; display(); clear();

TMOD=0x11; IP=0x02; IT1=1; EX1=1; TH0=0xd8; TL0=0xef; TH1=0xd8; TL1=0xef;

ET0=ET1=1; TR0=TR1=1; EA=1; }

ReadOneChar(void) //读一个字节

//变量初始化 //采样周期变量 //T1 ，T0由外部控制中断控制信号，

16位定时器，工作在方式一下

//设定T0中断优先级最高

//外部中断请求信号方式为脉冲触发方式，

外中断1为下降沿有效

//允许INT1中断 //允许T0,T1中断 //启动T0,T1

{

uchar i = 0; uchar dat = 0; for (i = 8; i > 0; i--) {

DQ = 0; // 给脉冲信号 dat >>= 1;

DQ = 1; // 给脉冲信号 if(DQ) dat |= 0x80; Delay(4); }

return (dat); }

WriteOneChar(uchar dat) //写一个字节 {

uchar i = 0; for (i = 8; i > 0; i--) {

DQ = 0; DQ = dat&0x01; Delay(5); DQ = 1; dat>>=1; } }

Read_Temperature(void) //读取温度 {

Init_DS18B20(); if(presence==1)

{ flash=1; } else { flash=0;

WriteOneChar(0xCC); //跳过读序号列号的操作 WriteOneChar(0x44); //启动温度转换 Init_DS18B20();

WriteOneChar(0xCC); //跳过读序号列号的操作 WriteOneChar(0xBE); //读取温度寄存器 temp_data[0] = ReadOneChar();//温度低8位 temp_data[1] = ReadOneChar();//温度高8位 } }

/*****显示子程序*****/

Disp_Temperature() //显示温度 {

uchar n=0;

display[4]=temp_data[0]&0x0f;

display[0]=ditab[display[4]]; //查表得小数位的值

display[4]=((temp_data[0]&0xf0)>>4)|((temp_data[1]&0x0f)

if(!display[3]) //高位为0，不显示 {

display[3]=0x0a;

if(!display[2]) //次高位为0，不显示 display[2]=0x0a; }

P0 =LEDData[display[0]]; //显示小数位 P2 = 0xf7; Delay(250);

P0 =LEDData[display[1]]; //显示个位 DIN = 0; //小数点 P2 = 0xfb; Delay(250);

P0 =LEDData[display[2]]; //显示十位 P2 = 0xfd; Delay(250);

P0 =LEDData[display[3]]; //显示百位 P2 = 0xfe; Delay(250);

P2 = 0xff; //关闭显示

}

void myint2(void) interrupt 1 { TH0=0xd8; TL0=0xef; ET0=1; if(TC

TKMARK=0x01; TC=0x00; }

if(FPWM==0x01) {

if(VA!=0x00) {

//启动定时器0 //采样周期变量 //产生PWM ，0x01表示加热模块

V AA=VAA-1;

P17=0; //输出为低 加热 } else {

FPWM=0x02; VBB=BBB/2; } }

if(FPWM==0x02) //0x02表示停止加热模块 {

if(VBB!=0x00) {

VBB=VBB-1;

P17=1; //输出为高 停止加热 } else {

FPWM=0x01; V AA=AAAA/2; } } return; }

/*****************PID子程序***********/ void pid(void) {

int K,P,I,D; K=P=I=D=0;

EK=SPEC-YK; //得到偏差 BEK=EK-EK_1-AEK; //12ＥＫ AEK=EK-EK_1; //偏差变化量 /*********UK=Kp*AEK+Ki*EK+Kd*BEK****/ if(abs(EK)>abs(IBAND))

I=0; //判积分分离 else

I=(EK*TS)/KI; //计算积分项 P=AEK;

D=((KD/TS)*BEK)/10000; //计算微分项

//与书上对照，忽略KP K=madd(I,P); K=madd(D,K); K=mmul(K,KP);

K=K/10;

CK=K+CK_1;

CK=change16_8(CK); CK_1=CK; EK_1=EK; CK=CK+X; }

int mmul(int x,int y) {

int t,z; long s; s=x*y;

z=(int)(s&0x0ffff);

t=(int)((s>>16)&0x0ffff); s=change32_16(z,t); return(s); }

int change32_16(int z,int t) {

int s; if(t==0) {

if((z&0x8000)==0) s=z; else s=0x7fff; }

else if((t&0xffff)==0xffff) {

if((z&0x8000)==0) s=0x8000; else s=z; }

else if((t&0x8000)==0) s=0x7fff; else s=0x8000; return(s); }

int mmad(int x,int y) {

int t; t=x+y;

if(x>=0&&y>=0) {

if((t&0x8000)!=0) t=0x7fff; }

//t=高字节,z=低字节 //同号相乘，符号位变反说明溢出

else if(x

if((t&0x8000)==0) t=0x8000; }

return(t); }

char change16_8(int wd) //t=高字节，z=低字节 {

char z,t,s;

z=(wd>>8)&0x0ff; if(t==0x00) {

if((z&0x80)==0) s=z; else s=0x7f; }

else if((t&0xff)==0xff) {

if((z&0x80)==0) s=0x80; else s=z; }

else if((t&0x80)==0) s=0x7f; else s=0x80; return(s); }

void clear() {

C8255_B=0x00; }

/*************主程序*************************/ void main() {

init(); while(1) {

Read_Temperature(); if(flash==0) {

Disp_Temperature(); }

else P2 = 0xff ; //DS18B20不正常，关闭显示

}

while(1); {

while(1) {

if(TRMARK==0x01)

break; //采样周期到否 }

TRMARK==0x00;

pid();

if(CK

AAAA=CK-0x80;

BBB=0x7f-AAAA; } }

//PID算法 //根据CK 产生PWM

8系统调试与测试结果

温度显示是正常的，但是温度显示值是与实际温度值是有差异的。对受热体的加热与预想仍然是有一定差异的。

9测试结果分析

显示值与实际的差异是不可避免的，因为传感器件的特性是变化的，不是完全按照预想的那样，所以在采集温度和转换温度值的时候会有相应的变化。同时在单片机实现PID 闭环控制时的程序编写上时有不足的，对某些变量的定义和使用时不恰当的，当然在输出了PWM 波后应用在硬件上时也会产生误差。所以系统调试的结果是部分成功的。

10总结和体会

通过本次课设, 大致了解了单片机与传感器的基本应用, 初步掌握一些专业知识. 在设计过程中, 通过查阅大量资料达到学习的目的. 虽然实验不十分成功, 但是我想在以后的学习中会明确学习重点，把理论知识和实践工程相结合，广泛运用于现实生活中.

同时感谢沈阳理工大学给我提供这次的实践机会，感谢所有在我做毕业设计中给予我帮助的所有老师和同学，特别是指导我课程设计的刘军老师，刘老师治学严谨、务实求新、平易近人、对教学言传身教，再次感谢老师给我的毕业设计给予的帮助和意见，感谢老师和同学给我毕业设计提供的资料，是你们帮助我更好的完成设计，让我感到的老师和同学的热情关心。

11参考文献

[1] 杨兴瑶 .实用电子电路500例[M] .化学工业出版社 ，1996

[2] 阎石 .数字电子技术基础 .高等教育出版社 ，1997

[3] 庞振泰、王采斐、屈宗明 （译）. 光电接口器件手册 .清华大学出版社 ，1998

[4] 何希才 .常用集成电路简明速查手册 .国防工业出版社 ，2000

[5]潘永湘，杨延西，赵跃，过程控制和自动化仪表[M]。北京机械工业出版社，2007.


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