溫度是工業(yè)控制中主要的被控參數(shù)之一．對(duì)典型的溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行研究具有很廣泛的意義。根據(jù)不同場(chǎng)所、不同溫度范圍、精度等要求．所采用的測(cè)溫元件、測(cè)溫方法以及對(duì)溫度的控制方法也不同．本文以實(shí)驗(yàn)室電烤箱為被控對(duì)象，以AT89S52單片機(jī)為控制核心，溫度傳感單元采用DS18B20．采用PID算法，實(shí)現(xiàn)智能的溫度控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成

整個(gè)系統(tǒng)主控部分采用AT89S52構(gòu)成單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)：溫度檢測(cè)部分采用DS18B20單總線數(shù)字溫度傳感器對(duì)溫度進(jìn)行檢測(cè)：控制部分由固態(tài)繼電器控制加熱管的通斷。工作時(shí)．由鍵盤輸入設(shè)定溫度值，系統(tǒng)采用PID控制算法進(jìn)行運(yùn)箅，通過單片機(jī)AT89S52的開關(guān)量控制固態(tài)繼電器（SSR）的通斷，以調(diào)節(jié)烤箱內(nèi)溫度至設(shè)定值，穩(wěn)態(tài)誤差在+（-）1℃。液晶實(shí)時(shí)顯示烤箱內(nèi)溫度和設(shè)定溫度值。

單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)原理圖

2 溫度檢測(cè)電路

溫度檢測(cè)部分采用集成溫度傳感器DS18B20，它采用獨(dú)特的單口接線方式傳輸，在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊，不需要外圍器件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只i極管的集成電路內(nèi)，外加電源范圍是3．0～5．5V，測(cè)溫范圍從-55％到+125℃，在-1O℃~+85℃同有分辨率為0．5℃，測(cè)量結(jié)果以9位到12位數(shù)字量方式直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)，以”一線總線”串行傳送給CPU，同時(shí)可傳送CRC校驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力。

DS18B20測(cè)溫原理如圖2所示。圖中低溫度系數(shù)品振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給計(jì)數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入。計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在-55％所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。計(jì)數(shù)器1對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減到0時(shí)。溫度寄存器的值將加1，計(jì)數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，計(jì)數(shù)器1重新開始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測(cè)溫度。圖2中的斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測(cè)溫過程中的非線性，其輸出用于修正計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值。

圖2 DS18B20測(cè)溫原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3．1溫度檢測(cè)子程序

DS18B20使用的關(guān)鍵在于清楚總線的讀寫時(shí)序。

由于DS18B20外接電路極為簡(jiǎn)單，所以電路連接沒有問題；但在軟件編程上，就要求嚴(yán)格按照它的時(shí)序進(jìn)行讀寫操作。具體操作如下：

對(duì)DS18B20操作時(shí)，首先要將它復(fù)位。將DQ線拉低480至960μs，再將數(shù)據(jù)線拉高15至60μs，然后，DS18B20發(fā)出60至此240μs的低電平作為應(yīng)答信號(hào)，這時(shí)主機(jī)才能對(duì)它進(jìn)行其它操作。

寫操作：將數(shù)據(jù)線從島電平拉至低電平，產(chǎn)生寫起始信號(hào)。從DQ線的下降滑起計(jì)時(shí)，在15μs到60μs這段時(shí)問內(nèi)對(duì)數(shù)據(jù)線進(jìn)行檢測(cè)，如數(shù)據(jù)線為高電平則寫1；若為低電平，則寫0，完成了一個(gè)寫周期。在開始另一個(gè)寫周期前，必須有1μs以上的高電平恢復(fù)期。每個(gè)寫周期必須要有60μs以上的持續(xù)期。

讀操作：主機(jī)將數(shù)據(jù)線從高電平拉至低電平1μs以上，再使數(shù)據(jù)線升為高電平，從而產(chǎn)生讀起始信號(hào)。從主機(jī)將數(shù)據(jù)線從高電平拉至低電平起15μs至60μs，主機(jī)讀取數(shù)據(jù)。每個(gè)讀周期最短的持續(xù)期為60μs。周期乏問必須有1μs以上的高電平恢復(fù)期。

系統(tǒng)軟件采用keil c51編制。

復(fù)位子程序：

sbit DQ=P3^3：定義數(shù)據(jù)線口地址

unsigned char reset（）

{

unsigned char presence；

DQ=O； //拉低DQ總線開始復(fù)位

delay（30）； //保持低電平480us

DQ=1； //釋放總線

delay（3）； //等待芯片應(yīng)答信號(hào)75us

presence=DQ； //獲取應(yīng)答信號(hào)

delay（28）； //延時(shí)以完成整個(gè)時(shí)序

return（presence）； //返回應(yīng)答信號(hào)，有芯片應(yīng)答返同0，無芯片則返回1

}

讀一位數(shù)據(jù)子程序

unsigned char read_bit（）

{

unsigned char i，value_bit；

DQ=0； //拉低DQ，開始讀時(shí)序

DQ=1； //釋放總線

for（i=0；i《2；i++）{} //8us delay

value_bit=DQ；

return（value_bit）；

}

讀一字節(jié)數(shù)據(jù)子程序：

unsigned char read__byte（）

{

unsigned char i，value=0；

for（i=0；i《8；i++）

{

if（read_bit（）） //讀一字節(jié)數(shù)據(jù)，一個(gè)時(shí)序中讀一次，并作移位處理

value！=0x01《 delay（4）； //延時(shí)80us以完成此次都時(shí)序，之后再讀下一數(shù)據(jù)

}

return（value）；

}

延時(shí)子程序void delay（unsigned char time）．延時(shí)時(shí)間為25usx time

3．2 控制算法子程序

目前數(shù)字PID控制器被廣泛應(yīng)用十溫度控制系統(tǒng)之中，本系統(tǒng)即以PID控制算法為核心，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法獲得控制參數(shù)范圍．然后應(yīng)用試湊法進(jìn)行參數(shù)整定，最終達(dá)到較為快速，精確的控制。通過PID算法得到SSR固態(tài)繼電器“通”在總通斷時(shí)間的百分比。

PID算法的增量表達(dá)式為：

其中，k表示第k次采樣，s（k）為設(shè)定溫度，y（k）為實(shí)際溫度，u（k）為電爐功率控制，KP為比例系數(shù)，e（t）為誤差，e（k）=y（k）一s（k）。T1為積分時(shí)間常數(shù)，TD為微分時(shí)問常數(shù)：T為采樣周期。

PID控制器的這些參數(shù)，分別對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生不同的影響。Kp加大，響應(yīng)速度加快，可以減小穩(wěn)態(tài)誤差．積分時(shí)間常數(shù)T1越小。積分作用越強(qiáng)，積分控制能消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制系統(tǒng)的控制精度。微分時(shí)問常數(shù)Tn越大，微分作用越強(qiáng)，微分控制可以改善動(dòng)態(tài)特性，如超調(diào)量減小，調(diào)節(jié)時(shí)問縮短。采樣周期T直接影響到系統(tǒng)的控制性能。采樣周期太小偏差信號(hào)也會(huì)過小，計(jì)算機(jī)將會(huì)失去調(diào)節(jié)的作用，采樣周期過長(zhǎng)，又會(huì)引起過大的誤差，因此采樣周期必須綜合考慮。

擴(kuò)充響應(yīng)曲線法是當(dāng)系統(tǒng)在給定值處于平衡后，加一階躍輸入（如圖3a所示）。用儀表記錄下被調(diào)參數(shù)在階躍作用下的變化過程曲線，如圖3b所示。在曲線最大斜率k處做切線，求得滯后時(shí)間t，對(duì)象時(shí)問常數(shù)Tm，以及它們的比值Tm/t。根據(jù)所求得的Tm、t和Tm/t的值，查表1即可求得控制器的T、Kp、Ti和Td。由于溫度控制過程千差萬別，經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)不一定就合適，最后可用試湊法逐步調(diào)試進(jìn)行確定。

圖3 擴(kuò)充響應(yīng)曲線法

表1 擴(kuò)充響應(yīng)曲線法整定參數(shù)表

為了得到最佳的控制效果，我們采用了擴(kuò)允響應(yīng)曲線法和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)試湊法來整定各項(xiàng)參數(shù)。

所謂試湊法是人們?cè)陂L(zhǎng)期工作程實(shí)踐中，從各種控制規(guī)律對(duì)系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響的定性分析總結(jié)出來的一種行之有效、并得到廣泛應(yīng)用的工程整定方法。在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)整定過程中，我們首先通過擴(kuò)充響應(yīng)曲線法整定參數(shù)，設(shè)定初始的PID參數(shù)進(jìn)行控制，為了達(dá)到理想的控制目標(biāo)，對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行了不斷的調(diào)整，原則是要保持PID參數(shù)按先比例，后積分，最后微分的順序進(jìn)行反復(fù)試湊至獲得滿意的控制效果和PID控制參數(shù)。

4 結(jié)束語

該系統(tǒng)利用DS18B20進(jìn)行測(cè)溫，基于單片機(jī)AT89S52進(jìn)行溫度控制，具有硬件電路簡(jiǎn)單，控溫精度高（誤差在±1℃范圍內(nèi)）、功能強(qiáng)、體積小、價(jià)格低．簡(jiǎn)單靈活等優(yōu)點(diǎn)，可以應(yīng)用于控制溫度在-55℃到+125℃之間的各種場(chǎng)合，可以實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)采集、顯示與控制功能，是一種較理想的智能化控制系統(tǒng)。

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