（20XX届）
毕业设计
题 目： 基PID温度控制系统设计
学 院：
专 业： 电气工程动化
班 级： 电气
学 号：
姓 名：
指导教师：
教 务 处 制
年 月 日
基PID温度控制系统设计
摘
温度工业基参数生活紧密相关实时测量温度工业生产中越越受重视离开温度测量带处研究控制测量温度具重意义
设计介绍AT89C52单片机控器件基PID温度控制系统设计方案设计基原理DS18B20收集温度信号数字信号方式送单片机进行处理达温度控制目标包括硬件电路设计系统程序设计硬件电路控器件温测电路温控电路显示电路等组成软件设计部分包括：显示电路温度信号处理超温警报继电器控制键处理等程序
关键词：温度检测温度控制PID算法
Design of Temperature Control System Based on PID
Abstract
Temperature is the most basic parameters of industrial and closely related with people's lives realtime measurement of temperature in industrial
production and more attention which is inseparable from the benefits of the temperature measurement temperature control and measurement study therefore has its significance
This design introduces the basic principles to AT89C52 microcontrollerbased controller pieces temperature control system design and design Collected by the DS18B20 temperature signal and digital signal sent by way of the microcontroller for processing so as to achieve the target temperature control Including the design of hardware circuit design and system programs Hardware circuit includes a master device the temperature measuring circuit temperature control circuit and display circuit Software design including display electrical temperature signal processing overtemperature alarm relay control key handling procedures
Keywords temperature detection temperature control PID algorithm
目录
摘 III
Abstract IV
1绪 1
11课题源 1
12课题意义 1
13课题研究容 1
2硬件设计 3
21单片机控制模块设计 3
211 AT89C52单片机简介 3
212 单片机引脚功 4
213 单片机控制模块电路设计 5
214 电源设计 6
22温度采集模块设计 7
221 DS18B20芯片简介 7
222 DS18B20部结构 8
223 DS18B20供电方式 10
224 DS18B20引脚功 10
23温度控制模块设计 11
24键显示模块设计 12
241 LCD1602参数引脚功 12
242 LCD1602特点 13
243 键电路设计 13
25报警模块设计 14
3软件设计 16
31程序设计 16
32DS18B20读温度程序设计 16
33键盘扫描程序设计 17
34报警处理程序设计 18
35PID控制算法 18
4系统仿真 22
参考文献 27
致谢 28
附录 29
1绪
11课题源
食品加工化工冶炼等工业控制生产中工业生产日常生活中常温度检测控制种样加热炉热处理器等温度着严格求传统测温元件热电偶热电阻热电偶热电阻测出通常电压转换成相应温度值硬件方面难点设计调试角度讲复杂高昂制作成采DS18B20作温测元件然单片机温度进行控制幅度提高温度控制技术指标具控制方便简单灵活等特点单片机已渗透生活领域仪表仪器家电器航空航天计算机通讯网络数传输包括工业动化实时控制数处理等离开单片机单片机构成丰富样数采集系统控制系统工厂流水线智化理电梯智化控制种报警系统计算机联网构成二级控制系统等
12课题意义
温度传感器测量温度关键现温度传感器正模拟式数字式集成化智化网络化方发展测量温度电路中热敏电阻类器件利感温效应测温度变化电压电流采集先进行AD转换然单片机进行数处理显示电路测温度显示出种设计需AD转换电路电路设计较复杂
继想采智温度传感器设计数字温度计数字温度计设计采美国半导体公司DALLAS推出种改进型智温度传感器DS18B20作检测元件温度值直接读出通单片机AT89C52读写显示然LCD1602进行显示测温范围－55℃～＋125℃分辨率达00625℃采3线制单片机相连减少外部硬件电路具低成易特点
13课题研究容
1总体设计容
总体设计容：利单片机作系统控制器利DS18B20作温度传感器信号送入单片机进行处理PID算法单片机输出控制加热棒输出功率实现温度控制
2总体设计基求
总体布置基求：
（1）温度控制系统总体设计思路
（2）部分原理说明
（3）温度控制系统硬件设计理分析计算程元件原理说明元件必须型号参数
（4）温度控制系统软件设计汇编语言C语言编程软件必须设计硬件电路正确运行
2硬件设计
硬件设计方框图图21示五模块组成：
① 单片机控制模块
② 温度采集模块
③ 温度控制模块
④ 键显示模块
⑤ 报警模块
图21 硬件设计方框图
21单片机控制模块设计
方案：
采8031芯片部没程序存储器需进行外部扩展电路增加复杂度
方案二：
采2051芯片部2KB单元程序存储器需外部扩展程序存储器系统较IO口芯片资源够
方案三：
采AT89C52单片机部4KB单元程序存储器需外部扩展程序存储器
IO口足够次设计求
方案评价：
较三种方案综合考虑单片机部分资源次设计选方案三
211 AT89C52单片机简介
AT89C52ATMEL公司生产51系列单片机片含8k bytes反复擦写Flash读程序存储器256 bytes机存取数存储器（RAM）器件采ATMEL公司高密度兼容51指令系统Flash存储单元8位中央处理器置片AT89C52单片机功强许复杂应场合
单片机微型机分支单片机特点超规模集成电路芯片集成定时器存储器CPU种输入输出接口电路单片机种结构相应具特点
特点包括：
(1) 性高
(2) 抗干扰力强
(3) 控制力强
(4) 性价高
(5) 低电压
(6) 扩展种串行口
212 单片机引脚功
AT89C52单片机引脚图图22示
图22 AT89C52引脚图
① 电源引脚VCCVSS
VCC（40引脚）：电源端+5V
VSS（20引脚）：接端
② 外接晶体引脚XTAL 2XTAL 1
XTAL 2（18引脚）：接微调电容外部晶体端口作振荡电路输出端
XTAL 1（19引脚）：接微调电容外部晶体端口作振荡电路输入端
③ 控制信号引脚RSTALEPSENEA
RST（9引脚）：复位信号输入端高电效完成复位操作输入端必须两机器周期（24时钟振荡周期）高电
ALEPROG（30引脚）：址锁存允许信号端单片机电正常工作ALE引脚断外输出正脉信号频率振荡器率16输出信号作锁存低8位址控制信号果想确认单片机芯片坏示波器查ALE端否脉信号输出脉信号输出单片机基
PSEN（29引脚）：程序存储允许输出信号端
EA（31引脚）：外部程序存储器址允许输入端固化编程电压输入端
④ 输入输出端口P0P1P2P3
P0端口（P00~P0739~32引脚）
P1端口（P10~P17）
P2端口（P20~P27）
P3端口（P30~P37）
P3端口复功表21示
表21 P3口线第2功表
口线
代第2功
P30
RXD(串行口输入)
P31
TXD(串行口输出)
P32
INT0(外部中断0输入)
P33
INT1(外部中断1输入)
P34
T0(定时器0外部输入)
P35
T1(定时器1外部输入)
P36
WR(片外数存储器写选通控制输出)
P37
RD(片外数存储器读选通控制输出)
213 单片机控制模块电路设计
单片机系统图23示单片机芯片电源时钟振荡电路复位
电路组成
时钟振荡电路设计：
单片机XIAL1XIAL2分接30pF电容中间12MHz晶振形成单片机晶振电路电容器C1C2稳定频率振荡频率微调作
复位电路设计：
复位操作键手动复位电动复位两种设计采电动复位：RST引脚复位信号输入端复位信号高电效效时间应持续24振荡周期（二机器周期）电容端瞬间通电电容C通电阻R充电RST端正脉复位电源VCC升时间超1ms实现动电复位接通电源完成系统复位初始化关参数选定振荡稳定应保证复位高电持续时间（正脉宽度）2机器周期采晶体频率6MHz时取C22μFR1kΩ采晶体频率12MHz时取C10μFR82kΩ
图23 单片机系统图
214 电源设计
220V交流电转5V直流电电源设计图24示3部分组成：变压器桥式整流电路三端稳压器
图24 5V直流电电源设计图
（1） 变压器：220V交流电变成9V左右知变压器变2209251
（2） 桥式整流电路：滤波整流电压效值增10V图25示桥式整流电路电压波形图
（3） 三端稳压器：般直流电路保护电路起降压稳压作
图25 桥式整流电路电压波形图
22温度采集模块设计
方案：
传统测温元件热电偶热电阻般说热电偶热电阻测出电压转换成相应温度较外部硬件支持缺点：硬件电路较复杂软件调试较复杂制作成较高
方案二：
结合单片机电路设计决定温度传感器DS18B20新推出种智型温度传感器优点直接读出测温度温度信号进行采集转换工作电路DS18B20温度传感器单片机部分组成温度传感器DS18B20收集温度送单片机P26口单片机接受温度然存储电路部分温度传感器单片机硬件方面较简单
方案评价：
方案种设计需AD转换电路感温电路较麻烦方案二电路较简单软件设计容易实现实际设计中拟采方案二
221 DS18B20芯片简介
DS18B20美国著名半导体公司推出种直接读出测温度值温度传感器采寄生供电方式单片机相连具成低易特点输出信号数字信号方便单片机控制处理外围电路减掉该芯片线形较物理化学性相稳定工业生产中做测量温度元件AT89C52够带DSB1820容易实现点测量目轻松构建传感器网络单片机时进行数码显示键盘控制通RS232串口位机进行数通讯达全方位立体监控效果
采温度芯片DS18B20测量温度更方便实现点测温体现数数字化处便测温数集成显示方便期数处理记录
222 DS18B20部结构
DS18B20芯片部结构图26示
DS18B20包括限触发器储存器控制逻辑CRC发生器电源温度传感器64位ROM单线口暂存器
图26 DS18B20芯片部结构图
DS18B20温度数字应关系表表22示
表22 DS18B20温度数字应关系表
温度℃
二进制表示
十六进制表示
+125
0000 0111 1101 0000
07D0H
+85
0000 0101 0101 0000
0550H
+250625
0000 0001 1001 0000
0191H
+10125
0000 0000 1010 0001
00A2H
+05
0000 0000 0000 0010
0008H
0
0000 0000 0000 1000
0000H
05
1111 1111 1111 0000
FFF8H
DS18B20温度值格式表表23示
表23 DS18B20温度值格式表
高字节
15
14
13
12
11
10
9
8
S
S
S
S
S
2 6
2 5
2 4
10
10
10
10
10
64
32
16
低字节
7
6
5
4
3
2
1
0
2 3
2 2
2 1
2 0
2_1
2_2
2_3
2_4
8
4
2
1
05
025
0125
00625
DS18B20工作程：
（1） 发复位DS18B20负脉
（2） 收DS18B20回应脉
（3） 发ROM命令（33H）
（4） 发储存控制命令
DS18B20储存控制命令6种表24示
表24 DS18B20 存储器控制指令
指令
约定代码
复制
48H
读数
BEH
读电源供电方式
B4H
温度转换
44H
读EERAM
B8H
写数
4EH
机操作ROM命令5种表25示
表25 DS18B20ROM指令
指令
约定代码
读ROM
33H
匹配ROM
55H
跳ROM
CCH
搜索ROM
0F0H
报警搜索
ECH
DS18B20执行序列：
① 初始化
② 执行ROM命令定位
③ 执行DS18B20储存控制命令转换读数
④ DS18B20IO信号回应脉复位脉写0读0写1读1等种
223 DS18B20供电方式
硬件DS18B20单片机连接两种方法种寄生电源供电时VCCGND接IO接单片机IO外种VCC接外部电源GND接IO单片机IO线相连部寄生电源外部供电IO口线接5kΩ左右拉电阻图27示设计采外部电源供电方式选拉电阻47kΩ
图27 DS18B20外部电源供电方式图
224 DS18B20引脚功
引脚功说明：
（1） GND
（2） IO数输入输出脚(单线接口作寄生供电)
（3） UDD外接供电电源输入端（寄生电源接线方式时接）
DS28B20引脚图28示
图28 DS18B20引脚图
DS18B20特点说明
（1） 采单总线技术单片机通信需根IO线根线挂接DS18B20
（2） DS18B20具独修改64位序列号根序列号访问相应器件
（3） 低压供电电源范围30～55V供电直接数线窃取电源（寄生电源方式）
（4） 测温范围55℃～+125℃10℃～+85℃范围误差±05℃
（5） 编辑数9～12位转换12位温度时间750ms（）
（6） 户设定报警限温度
（7） 报警搜索命令识寻址超程序限定温度（温度报警条件）器件
（8） DS18B20分辨率户通EEPROM设置9～12位
（9） DS18B20检测温度值直接转化数字量通串行通信方式控制器进行数通信
（10） 负电压特性电源极性接反时温度计会发热烧毁正常工作
23温度控制模块设计
方案：
继电器机械动作响应速度慢满足设计需控硅电路中够实现电流控制电流交流电触点控制目寿命长性高动作快
方案二：
利单片机控制双控硅导通角时刻利单片机双控硅控制端发出触发信号导通关断实现负载电压效值达调压控制目具体：
（1）硬件完成零触发环节工频电压10ms进行次零触发信号信号达单片机步
（2）零检测信号接单片机输入口单片机口进行循环检测然进行延时触发
通单片机控制双控硅导通控制加热丝加热功率双控硅接通加热丝加热双控硅断开加热丝停止加热
方案评价：
综合考虑选择方案二
弱电控制强电弱电容易强电干扰影响系统实时性效率必须需抗干扰措施强电弱电隔离光耦合器切断部件间联系强电弱电实施隔离效抑制干扰信号电路干扰光耦合器容易触发脉体积特点带零检测光电隔离器MOC3061驱动双控硅隔离控制回路回路
MOC3061参数：
输出端额定电压400V
重复浪涌电流12A
电压升率dvdt1000vus
输入输出隔离电压7500V
输入控制电流15mA
MOC3061引脚排列部电路图图29示
图29 MOC3061引脚排列部电路图
单片机输出口发出高电三极放驱动光耦合器放光二极MOC3061输入端导通输入电流约15mAMOC306输出端6脚4脚尖电压稍稍零时光耦部双控硅导通外部晶闸触发信号导通单片机输出口发出低电MOC3061截止双控硅处截止状态
MOC3061优点：
（1）控制简单
（2）MOC3061采零触发电路简化双控硅触发电路
（3）MOC3061双控硅实际组成固态继电器实现触电控制
（4）输出通道实现光电隔离防止射电干扰
（5）单片机输出口直接控制双控硅省DA转换电路简化接口电路
双控硅介绍：
双控硅具双导通功交流电正负半周导通
双控硅通断情况栅极决定栅极信号时MT1MT2成高阻态截止MT1MT2间加阈值电压时利控制极栅极电压控硅导通需注意双控硅接感性负载时电流电压间定相位差电流零时反电压零超转换电压子反导通子承受种反电压回路中加入RC网络加吸收
双控硅触发方式：
控制双控硅高阻态转换导通区方式实现相应分四种方式
MT1相MT2正控制脉电压Ug相MT1正
MT1相MT2负控制脉电压Ug相MT1负
MT1相MT2正控制脉电压Ug相MT1负
MT1相MT2负控制脉电压Ug相MT1正
双控硅控制极触发便失作双控硅长期维持低阻态直低维持电流I H然转换高阻态控制交流电压时次电源电压零双控硅会动截止双控硅半周期需重新触发
图210示温度控制模块原理图
图210 温度控制模块原理图
24键显示模块设计
方案：
八段数码显示数码八发光组成八字形段分abcdefgdp表示
方案二：
LCD1602液晶显示器显示
方案评价：
设计采LCD1602液晶显示器显示功耗较低显示质量较高重量轻体积特点
LCD1602电路图图211示
图211 LCD1602电路图
241 LCD1602参数引脚功
LCD1602参数：
字符尺寸：295×435(W×H)mm
显示总容量：16×2字符
佳工作电压：50V
芯片工作电压区间：45V—55V
工作电流：20mA(50V)
LCD1602引脚功表26示
表26 LCD1602引脚功表
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源
9
D2
数
2
VDD
电源正极
10
D3
数
3
VL
显示偏压
11
D4
数
4
RS
数命令选择
12
D5
数
5
RW
读写选择
13
D6
数
6
E
信号
14
D7
数
7
D0
数
15
BLA
正极背光源
8
D1
数
16
BLK
负极背光源
242 LCD1602特点
单片机系统中应晶液显示器作输出器件特点
（1）功耗较低
LCD1602功耗驱动IC部电极功耗较低
（2）显示质量较高
LCD1602显示器收信号需断刷新新亮点显示器点直保持样亮度色彩发光持续稳定显示器会闪烁质量较高
（3）重量轻体积
控制原理LCD1602显示器通电极控制液晶分子状态达控制目相较显示器说等面积显示器LCD1602轻许
（4）数字式接口
液晶显示器数字式单片机系统接口更加简单操作更加方便
243 键电路设计
方案：
独立连接式独立式键指键相互独立接通条输入数线
方案二：
行列式（矩阵式）减少键盘单片机口时占IO线数目键数较时通常键盘排列成行列矩阵形式判断键盘中键通行线逐行置低电检查列输入状态实现
方案评价：
两种方案知方案然实现电路求考虑电路设计成电路整体性采方案
图212示独立式键电路图
图212 独立式键电路图
独立式键指键相互独立接通条输入数线
设计采2独立式键分连接单片机IO实现键功解决单片机IO口占问题减少硬件复杂程度通软件配合2键实现功系统程序中通扫描P12P132端口否低电0判断键否
25报警模块设计
方案：
7406作驱动单音频报警电路
方案二：
三极作驱动单音频报警电路
方案评价：
方案二
蜂鸣器电路图图213示
图213 蜂鸣器电路图
蜂鸣器直流电压作电源广泛应电话机电子玩具报警器定时器等电子产品中作电子发声器蜂鸣器压电式电磁式两种设计报警模块采蜂鸣器发光二级蜂鸣发光实现超出温度限时报警
压电式蜂鸣器约需10mA驱动电流单片机P25接晶体基极输入端P25输出高电1时三极导通压电蜂鸣器两端获约+5V电压鸣P25口输出低电0时三极截止蜂鸣器停止发声
三极放作必须保证发射结正偏集电极反偏
电流放系数：βICIB
9013三极介绍：
9013 结构：NPN
集电极发射极电压：25V
集电极基电压：45V
射极基极电压：5V
集电极电流：05A
耗散功率：0625W
结温：150℃
特征频率：150MHz
放倍数：91
3软件设计
系统设计功求确定系统程序包括DS18B20读温度程序LCD1602显示程序键盘扫描程序报警处理程序继电器加热程序
31程序设计
图31示程序流程图
图31 程序流程图
32DS18B20读温度程序设计
（1）DS18B20读时序：
① 读时序包括读0读1时序
② 读时序拉低单总线15us释放单总线DS18B20数传送单总线读时序程少需60us
（2）DS18B20写时序：
① 写时序包括写0写1时序
② 写0写1时序略写0时序时单总线少拉低60us保证DS18B20够采数线0电15us45us间写1时序时拉低单总线15us释放单总线
图32示DS18B20读温度程序流程图
图32 DS18B20读温度程序流程图
33键盘扫描程序设计
该电路查询方式电路键时相连输入数线清0时该线1通检测数线状态(01)判断键否闭合键已闭合
图33示键盘扫描程序流程图
图33 键盘扫描程序流程图
34报警处理程序设计
设定目标温度限实际温度目标温度限时候执行声光报警程序
图34示声光报警程序流程图
图34 声光报警程序流程图
35PID控制算法
设计采PID控制技术工程实际运中PID控制器稳定性工作调整方便结构简单成工业控制技术控象参数结构掌握精确数学模型时控制理技术难采系统控制器结构参数必须验确定时PID控制技术实方便
PID调节器种线性调节器定值r(t)实际输出值c(t)偏差例(P)积分(I)微分(D)组合组成控制量达控制象控制目控制偏差
（31）
（1）连续控制系统PID调节器微分方程：
（32）
式中
Kp——例常数
Ti——积分时间常数
Td——微分时间常数
e(t)——系统偏差信号
u(t)——控制器输出信号
（2）PID调节器函数形式方程：
（33）
（3）数字PID控制器
表31示模拟PID控制规律离散化表
表31 模拟PID控制规律离散化
模拟形式
离散化形式
数字PID控制器差分方程：
（34）
积分系数
微分系数
式中 称例项
称积分项
称微分项
常控制方式：
1P控制
2PI控制
3PD控制
4PID控制
模拟PID控制系统原理图35示
图35 模拟PID控制系统原理框图
（4）PID调节器例积分微分环节
① 例环节：调节器输入偏差系数作调节器输出例环节作放误差幅值仅例控制环节时系统输出存稳态误差
② 积分环节：调节器加入积分环节达消稳态误差目积分项着时间增加增积分项稳态误差消取决时间积分PI调节器系统进入稳态稳态误差
③ 微分环节：调节器输入输出误差信号微分成正关系微分环节反应偏差信号变化趋势实现超前调节 控制器中仅例环节行需增加微分项预测误差变化趋势
（5） PID控制算法两种类型
1 位置型控制
（35）
2 增量型控制
（36）
PID参数整定方法：
① 理计算法――赖控象准确数学模型
② 工程整定法――赖控象准确数学模型直接控制系统中进行现场整定
面PID运算加说明：
数变成定点纯数进行处理
算式中项正负高位作符号位高位0表示正数1表示负数正负数补码表示计算原码输出
节16位进行计算运算结果取成高8位效值输出输出控制量u(n)限幅处理便实现晶闸通断处理PID输出0～250间2500控制量u(n)没意义算法u(n)进行限幅
：
（37）
增量式PID控制算法图36示
图36 增量式PID控制算法程序框图
4系统仿真
单片机程序编写种：汇编语言C语言等设计采C语言编写
（1） 汇编语言
汇编语言助记符表示程序汇编语言种语言机器语言更容易方便容易记忆机器应着汇编语言种语言具定限制
（2） C语言
① 微控制器指令系统需解初步解单片机存储结构
② 具规范程序通函数程序变结构化
③ 寄存器分配存址数类型细节编译器理
④ 缩短编程调试时间提高编程效率
AT89C52控制设计编程Keil软件仿真proteus软件Keil支持C语言汇编二者混合编程
编程软件Keil介绍：
KeiluVision2美国软件公司C语言软件开发系统兼容单片机系统汇编相C语言易学易特点仅提高工作效率关键位置嵌入汇编程序工作效率接汇编标准C编译器保留汇编代码搞笑快速特点时未控制器软件开发提供C环境uVision2集成开发环境已完全包括C52包括：项目理器编译器汇编器实时操作系统调试器Keil软件界面图41示
仿真软件Protues介绍：
Protues软件英国公司出版工具软件仅具仿真功仿真单片机外围器件目前仿真单片机外围器件工具国已受学单片机爱者参加单片机开发应工作者感Proteus世界著名仿真软件代码调试原理图布图等仿真概念产品整流程功劳目前世界唯PCB设计软件电路仿真软件虚拟模型仿真软件合软件处理器模型支持MSP430AVR8051HC11ARM8086PIC101216182430DsPIC33等编译方面支持KeilIARMPLAB等种编译器
Proteus ISIS运行界面标准Windows界面图43示Proteus ISIS软件：标题栏菜单状态栏标准工具栏绘图工具栏象选择钮仿真进程控制钮预览窗口图形编辑窗口象选择器等窗口
图41 Keil软件界面
生成Hex文件图42示
图42 生成Hex文件图
图43 Proteus软件界面
温度未达设置温度限默认50℃时图44示单片机P25口输出低电蜂鸣器响单片机P27口输出低电二极亮继电器继续加热
图44 温度低限时仿真图
温度达设置温度限默认50℃时图45示单片机P25口输出高电蜂鸣器响单片机P27口输出高电二极亮继电器停止加热
图45 温度低限时仿真图结
通次设计加深单片机认识温度传感器DS18B20更深刻解然DS18B20测量温度时出现灵敏度高法温度变化快速显示温度等问题易制作价格低廉硬件结构简单测量值精确易操作等许优点DS18B20测温方面独特优势
参考文献
［1］陈焕生．温度测试技术仪表［M］．北京：水利电力出版社1987．9．
［2］秦海．数字PID控制原理应[J]．西南民族学院学报1997：4954．
［3］徐科军．传感器检测技术［M］．北京：电子工业出版社2004．9．
［4］张宝芬．动检测技术仪表控制系统［M］．北京：化学工业出版社2000．
［5］先锋工作室．单片机程序设计实例［M］．北京：清华学出版社2003．
［6］王孝武．现代控制理基础［M］．北京：机械工业出版社1998．
［7］袁希光．传感器技术手册［M］．北京：国防工业出版社1986．
［8］刘剑．种数字PID控制算法分析[J]．承德石油高等专科学校学报2007：1122．
［9］历风满．数字PID控制算法研究[J]．辽宁学学报2005：367370．
［10］丁元杰．单片微机原理应［M］．北京：机械工业出版社1996：256276．
［11］赵鸿图基单片机温度控制系统设计实现Ⅱ[J]．微计算机信息2008(26)
［12］杨万超S1单片机温度控制系统设计Ⅱ[J]．黑龙江科技信息2009(29)
［13］赖寿宏．微型计算机控制技术［M］．北京：机械工业出版社2003：130145．
［14］马淑兰．单片机技术应实例分析［M］．西安：西安电子科技学出版社2009：2040
［15］Zhang et al．Digital PID controller design for multivariable analogue systems with computational[J]．IMA J Math Control Info2004：21433
［16］L Dubois．Temperature control by microwave radiometry with narrow band width [J]．EurPhysJApplPhys2000：6368
［17］Shiqian wuMeng Joo Er and Yang GaoA Fast Appoach for Automatic Generation of Fuzzy Rules by Generalized DynamicFuzzy Neural Networks[J] IEEE Transaction on Fuzzy Systems2001(4)：578593
致谢
设计***老师严格求悉心指导完成课题选择总体方案设计硬件软件设计系统仿真凝聚着程老师汗水心血导师私关怀悉心指导令受益匪浅特程老师表示深深感谢崇高敬意
附录
附录1
附录2
程序代码：
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include LCD1602h 液晶显示头文件
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
sbit Key1P1^0
sbit Key2P1^1
sbit Up P1^2
sbit DownP1^3
uchar t[2]*pt 存放温度值测温程序通数组函数通信
uchar TempBuffer1[9]{0x2b0x310x320x320x2e0x300x300x43'\0'}
显示实时温度电时显示+12500C
uchar TempBuffer0[17]{0x540x480x3a0x2b0x310x320x350x20
0x540x4c0x3a0x2b0x310x320x340x43'\0'}
显示温度限电时显示TH+125 TL+124C
uchar code dotcode[4]{0255075}
uchar set温度初始值
uchar counthigh_time0 调节占空参数
uint rout PID输出
查表法*******
表值分离出十位位送十分位百分位********************
struct PID
{
uint SetPoint 设定目标 Desired Value
uint Proportion 例常数 Proportional Const
uint Integral 积分常数 Integral Const
uint Derivative 微分常数 Derivative Const
signed int LastError 错误Error[1]
signed int PrevError 错误Error[2]
signed int SumError Sums of Errors
}
struct PID spid PID控制结构体
void init_pid()
PID初始化
{
high_time50
spidProportion 23 Set PID Coefficients
spidIntegral 2
spidDerivative 6
spidSetPoint set Set PID Setpoint
}
unsigned int PIDCalc( struct PID *pp unsigned int NextPoint )
PID算法
{
signed int dErrorError
Error pp>SetPoint NextPoint 偏差
pp>SumError + Error 积分
dError pp>LastError pp>PrevError 前微分
pp>PrevError pp>LastError
pp>LastError Error
return (pp>Proportion * Error+ pp>Integral * pp>SumError + pp>Derivative * dError)
}
void duty_cycle(uint t)
占空
{
uchar s
tt10
sset
if(s>t)
{
if(st>2)
high_time100
else
{
rout PIDCalc ( &spidt ) Perform PID Interation
if(high_time<100)
high_time(uchar)(rout600)
else
high_time100
}
}
else
high_time0
}
void covert0( unsigned char TH unsigned char TL) 温度限转换LCD显示数
{
if(TH>0x7F) 判断正负果负温转化绝值
{
TempBuffer0[3]0x2d 0x2dASCII码
TH~TH
TH++
}
else TempBuffer0[3]0x2b 0x2B+ASCII码
if(TL>0x7f)
{
TempBuffer0[11]0x2d 0x2dASCII码
TL~TL+1
}
else
TempBuffer0[11]0x2b 0x2B+ASCII码
TempBuffer0[4]TH100+0x30 分离出TH百十位
if( TempBuffer0[4]0x30)
TempBuffer0[4]0xfe 百位数消隐
TempBuffer0[5](TH100)10+0x30 分离出十位
TempBuffer0[6](TH100)10+0x30 分离出位
TempBuffer0[12]TL100+0x30 分离出TL百十位
if( TempBuffer0[12]0x30)
TempBuffer0[12]0xfe 百位数消隐
TempBuffer0[13](TL100)10+0x30 分离出十位
TempBuffer0[14](TL100)10+0x30 分离出位
}
void covert1(void) 温度转换LCD显示数
{
unsigned char x0x00y0x00
t[0]*pt
pt++
t[1]*pt
if(t[1]>0x07) 判断正负温度
{
TempBuffer1[0]0x2d 0x2dASCII码
t[1]~t[1] *面句负数补码*
t[0]~t[0] * 换算成绝值*********
xt[0]+1 ***********************
t[0]x ***********************
if(x>255) **********************
t[1]++ *********************
}
else
TempBuffer1[0]0x2b 0xfe变+ASCII码
t[1]<<4 高字节左移4位
t[1]t[1]&0x70 取出高字节3效数字位
xt[0] t[0]暂存X取数部分
x>>4 右移4位
xx&0x0f 前面两句取出t[0]高四位
t[1]t[1]|x 高低字节效值整数部分拼成字节
TempBuffer1[1]t[1]100+0x30 +0x30 变 0~9 ASCII码
if( TempBuffer1[1]0x30)
TempBuffer1[1]0xfe 百位数消隐
TempBuffer1[2](t[1]100)10+0x30 分离出十位
TempBuffer1[3](t[1]100)10+0x30 分离出位
t[0]t[0]&0x0c 取效两位数
t[0]>>2 左移两位便查表
xt[0]
ydotcode[x] 查表换算成实际数
TempBuffer1[5]y10+0x30 分离出十分位
TempBuffer1[6]y10+0x30 分离出百分位
}
void delay(unsigned int i)
{
while(i)
}
void t0_int(void) interrupt 1 PWM波输出
{
if(++count<(high_time))
Relay0
else if(count<100)
Relay1
else
count0
TH00X20
TL00X00
}
main()
{
unsigned char TH50TL10temp0 步扩展时通两变量调节限
测温函数返回数组头址
TMOD0X01
TH00X20
TL00X00
EA1
ET01
TR01
set60目标温度
Beep0Relay0
init_pid()
while(1)
{
if(Up0)
{
while(Up)
TH++
}
if(Down0)
{
while(Down)
TL
}
ptReadTemperature(THTL0x3f) 限温度22限24分辨率10位025C
读取温度温度值存放两字节数组
if((t[1]>TH)|(t[1] {
Beep1
Relay1
}
else
{
Beep0
Relay0
}
delay(10000)
covert1()
covert0(THTL)
LCD_Initial() 第参数列号第二行号0表示第行
1表示第二行第三参数显示数首址
LCD_Print(00TempBuffer0)
LCD_Print(01TempBuffer1)
}
}
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（20XX届）
毕业设计
题 目： 基PID温度控制系统设计
学 院：
专 业： 电气工程动化
班 级： 电气
学 号：
姓 名：
指导教师：
教 务 处 制
年 月 日
基PID温度控制系统设计
摘
温度工业基参数生活紧密相关实时测量温度工业生产中越越受重视离开温度测量带处研究控制测量温度具重意义
设计介绍AT89C52单片机控器件基PID温度控制系统设计方案设计基原理DS18B20收集温度信号数字信号方式送单片机进行处理达温度控制目标包括硬件电路设计系统程序设计硬件电路控器件温测电路温控电路显示电路等组成软件设计部分包括：显示电路温度信号处理超温警报继电器控制键处理等程序
关键词：温度检测温度控制PID算法
Design of Temperature Control System Based on PID
Abstract
Temperature is the most basic parameters of industrial and closely related with people's lives realtime measurement of temperature in industrial
production and more attention which is inseparable from the benefits of the temperature measurement temperature control and measurement study therefore has its significance
This design introduces the basic principles to AT89C52 microcontrollerbased controller pieces temperature control system design and design Collected by the DS18B20 temperature signal and digital signal sent by way of the microcontroller for processing so as to achieve the target temperature control Including the design of hardware circuit design and system programs Hardware circuit includes a master device the temperature measuring circuit temperature control circuit and display circuit Software design including display electrical temperature signal processing overtemperature alarm relay control key handling procedures
Keywords temperature detection temperature control PID algorithm
目录
摘 III
Abstract IV
1绪 1
11课题源 1
12课题意义 1
13课题研究容 1
2硬件设计 3
21单片机控制模块设计 3
211 AT89C52单片机简介 3
212 单片机引脚功 4
213 单片机控制模块电路设计 5
214 电源设计 6
22温度采集模块设计 7
221 DS18B20芯片简介 7
222 DS18B20部结构 8
223 DS18B20供电方式 10
224 DS18B20引脚功 10
23温度控制模块设计 11
24键显示模块设计 12
241 LCD1602参数引脚功 12
242 LCD1602特点 13
243 键电路设计 13
25报警模块设计 14
3软件设计 16
31程序设计 16
32DS18B20读温度程序设计 16
33键盘扫描程序设计 17
34报警处理程序设计 18
35PID控制算法 18
4系统仿真 22
参考文献 27
致谢 28
附录 29
1绪
11课题源
食品加工化工冶炼等工业控制生产中工业生产日常生活中常温度检测控制种样加热炉热处理器等温度着严格求传统测温元件热电偶热电阻热电偶热电阻测出通常电压转换成相应温度值硬件方面难点设计调试角度讲复杂高昂制作成采DS18B20作温测元件然单片机温度进行控制幅度提高温度控制技术指标具控制方便简单灵活等特点单片机已渗透生活领域仪表仪器家电器航空航天计算机通讯网络数传输包括工业动化实时控制数处理等离开单片机单片机构成丰富样数采集系统控制系统工厂流水线智化理电梯智化控制种报警系统计算机联网构成二级控制系统等
12课题意义
温度传感器测量温度关键现温度传感器正模拟式数字式集成化智化网络化方发展测量温度电路中热敏电阻类器件利感温效应测温度变化电压电流采集先进行AD转换然单片机进行数处理显示电路测温度显示出种设计需AD转换电路电路设计较复杂
继想采智温度传感器设计数字温度计数字温度计设计采美国半导体公司DALLAS推出种改进型智温度传感器DS18B20作检测元件温度值直接读出通单片机AT89C52读写显示然LCD1602进行显示测温范围－55℃～＋125℃分辨率达00625℃采3线制单片机相连减少外部硬件电路具低成易特点
13课题研究容
1总体设计容
总体设计容：利单片机作系统控制器利DS18B20作温度传感器信号送入单片机进行处理PID算法单片机输出控制加热棒输出功率实现温度控制
2总体设计基求
总体布置基求：
（1）温度控制系统总体设计思路
（2）部分原理说明
（3）温度控制系统硬件设计理分析计算程元件原理说明元件必须型号参数
（4）温度控制系统软件设计汇编语言C语言编程软件必须设计硬件电路正确运行
2硬件设计
硬件设计方框图图21示五模块组成：
① 单片机控制模块
② 温度采集模块
③ 温度控制模块
④ 键显示模块
⑤ 报警模块
图21 硬件设计方框图
21单片机控制模块设计
方案：
采8031芯片部没程序存储器需进行外部扩展电路增加复杂度
方案二：
采2051芯片部2KB单元程序存储器需外部扩展程序存储器系统较IO口芯片资源够
方案三：
采AT89C52单片机部4KB单元程序存储器需外部扩展程序存储器
IO口足够次设计求
方案评价：
较三种方案综合考虑单片机部分资源次设计选方案三
211 AT89C52单片机简介
AT89C52ATMEL公司生产51系列单片机片含8k bytes反复擦写Flash读程序存储器256 bytes机存取数存储器（RAM）器件采ATMEL公司高密度兼容51指令系统Flash存储单元8位中央处理器置片AT89C52单片机功强许复杂应场合
单片机微型机分支单片机特点超规模集成电路芯片集成定时器存储器CPU种输入输出接口电路单片机种结构相应具特点
特点包括：
(1) 性高
(2) 抗干扰力强
(3) 控制力强
(4) 性价高
(5) 低电压
(6) 扩展种串行口
212 单片机引脚功
AT89C52单片机引脚图图22示
图22 AT89C52引脚图
① 电源引脚VCCVSS
VCC（40引脚）：电源端+5V
VSS（20引脚）：接端
② 外接晶体引脚XTAL 2XTAL 1
XTAL 2（18引脚）：接微调电容外部晶体端口作振荡电路输出端
XTAL 1（19引脚）：接微调电容外部晶体端口作振荡电路输入端
③ 控制信号引脚RSTALEPSENEA
RST（9引脚）：复位信号输入端高电效完成复位操作输入端必须两机器周期（24时钟振荡周期）高电
ALEPROG（30引脚）：址锁存允许信号端单片机电正常工作ALE引脚断外输出正脉信号频率振荡器率16输出信号作锁存低8位址控制信号果想确认单片机芯片坏示波器查ALE端否脉信号输出脉信号输出单片机基
PSEN（29引脚）：程序存储允许输出信号端
EA（31引脚）：外部程序存储器址允许输入端固化编程电压输入端
④ 输入输出端口P0P1P2P3
P0端口（P00~P0739~32引脚）
P1端口（P10~P17）
P2端口（P20~P27）
P3端口（P30~P37）
P3端口复功表21示
表21 P3口线第2功表
口线
代第2功
P30
RXD(串行口输入)
P31
TXD(串行口输出)
P32
INT0(外部中断0输入)
P33
INT1(外部中断1输入)
P34
T0(定时器0外部输入)
P35
T1(定时器1外部输入)
P36
WR(片外数存储器写选通控制输出)
P37
RD(片外数存储器读选通控制输出)
213 单片机控制模块电路设计
单片机系统图23示单片机芯片电源时钟振荡电路复位
电路组成
时钟振荡电路设计：
单片机XIAL1XIAL2分接30pF电容中间12MHz晶振形成单片机晶振电路电容器C1C2稳定频率振荡频率微调作
复位电路设计：
复位操作键手动复位电动复位两种设计采电动复位：RST引脚复位信号输入端复位信号高电效效时间应持续24振荡周期（二机器周期）电容端瞬间通电电容C通电阻R充电RST端正脉复位电源VCC升时间超1ms实现动电复位接通电源完成系统复位初始化关参数选定振荡稳定应保证复位高电持续时间（正脉宽度）2机器周期采晶体频率6MHz时取C22μFR1kΩ采晶体频率12MHz时取C10μFR82kΩ
图23 单片机系统图
214 电源设计
220V交流电转5V直流电电源设计图24示3部分组成：变压器桥式整流电路三端稳压器
图24 5V直流电电源设计图
（1） 变压器：220V交流电变成9V左右知变压器变2209251
（2） 桥式整流电路：滤波整流电压效值增10V图25示桥式整流电路电压波形图
（3） 三端稳压器：般直流电路保护电路起降压稳压作
图25 桥式整流电路电压波形图
22温度采集模块设计
方案：
传统测温元件热电偶热电阻般说热电偶热电阻测出电压转换成相应温度较外部硬件支持缺点：硬件电路较复杂软件调试较复杂制作成较高
方案二：
结合单片机电路设计决定温度传感器DS18B20新推出种智型温度传感器优点直接读出测温度温度信号进行采集转换工作电路DS18B20温度传感器单片机部分组成温度传感器DS18B20收集温度送单片机P26口单片机接受温度然存储电路部分温度传感器单片机硬件方面较简单
方案评价：
方案种设计需AD转换电路感温电路较麻烦方案二电路较简单软件设计容易实现实际设计中拟采方案二
221 DS18B20芯片简介
DS18B20美国著名半导体公司推出种直接读出测温度值温度传感器采寄生供电方式单片机相连具成低易特点输出信号数字信号方便单片机控制处理外围电路减掉该芯片线形较物理化学性相稳定工业生产中做测量温度元件AT89C52够带DSB1820容易实现点测量目轻松构建传感器网络单片机时进行数码显示键盘控制通RS232串口位机进行数通讯达全方位立体监控效果
采温度芯片DS18B20测量温度更方便实现点测温体现数数字化处便测温数集成显示方便期数处理记录
222 DS18B20部结构
DS18B20芯片部结构图26示
DS18B20包括限触发器储存器控制逻辑CRC发生器电源温度传感器64位ROM单线口暂存器
图26 DS18B20芯片部结构图
DS18B20温度数字应关系表表22示
表22 DS18B20温度数字应关系表
温度℃
二进制表示
十六进制表示
+125
0000 0111 1101 0000
07D0H
+85
0000 0101 0101 0000
0550H
+250625
0000 0001 1001 0000
0191H
+10125
0000 0000 1010 0001
00A2H
+05
0000 0000 0000 0010
0008H
0
0000 0000 0000 1000
0000H
05
1111 1111 1111 0000
FFF8H
DS18B20温度值格式表表23示
表23 DS18B20温度值格式表
高字节
15
14
13
12
11
10
9
8
S
S
S
S
S
2 6
2 5
2 4
10
10
10
10
10
64
32
16
低字节
7
6
5
4
3
2
1
0
2 3
2 2
2 1
2 0
2_1
2_2
2_3
2_4
8
4
2
1
05
025
0125
00625
DS18B20工作程：
（1） 发复位DS18B20负脉
（2） 收DS18B20回应脉
（3） 发ROM命令（33H）
（4） 发储存控制命令
DS18B20储存控制命令6种表24示
表24 DS18B20 存储器控制指令
指令
约定代码
复制
48H
读数
BEH
读电源供电方式
B4H
温度转换
44H
读EERAM
B8H
写数
4EH
机操作ROM命令5种表25示
表25 DS18B20ROM指令
指令
约定代码
读ROM
33H
匹配ROM
55H
跳ROM
CCH
搜索ROM
0F0H
报警搜索
ECH
DS18B20执行序列：
① 初始化
② 执行ROM命令定位
③ 执行DS18B20储存控制命令转换读数
④ DS18B20IO信号回应脉复位脉写0读0写1读1等种
223 DS18B20供电方式
硬件DS18B20单片机连接两种方法种寄生电源供电时VCCGND接IO接单片机IO外种VCC接外部电源GND接IO单片机IO线相连部寄生电源外部供电IO口线接5kΩ左右拉电阻图27示设计采外部电源供电方式选拉电阻47kΩ
图27 DS18B20外部电源供电方式图
224 DS18B20引脚功
引脚功说明：
（1） GND
（2） IO数输入输出脚(单线接口作寄生供电)
（3） UDD外接供电电源输入端（寄生电源接线方式时接）
DS28B20引脚图28示
图28 DS18B20引脚图
DS18B20特点说明
（1） 采单总线技术单片机通信需根IO线根线挂接DS18B20
（2） DS18B20具独修改64位序列号根序列号访问相应器件
（3） 低压供电电源范围30～55V供电直接数线窃取电源（寄生电源方式）
（4） 测温范围55℃～+125℃10℃～+85℃范围误差±05℃
（5） 编辑数9～12位转换12位温度时间750ms（）
（6） 户设定报警限温度
（7） 报警搜索命令识寻址超程序限定温度（温度报警条件）器件
（8） DS18B20分辨率户通EEPROM设置9～12位
（9） DS18B20检测温度值直接转化数字量通串行通信方式控制器进行数通信
（10） 负电压特性电源极性接反时温度计会发热烧毁正常工作
23温度控制模块设计
方案：
继电器机械动作响应速度慢满足设计需控硅电路中够实现电流控制电流交流电触点控制目寿命长性高动作快
方案二：
利单片机控制双控硅导通角时刻利单片机双控硅控制端发出触发信号导通关断实现负载电压效值达调压控制目具体：
（1）硬件完成零触发环节工频电压10ms进行次零触发信号信号达单片机步
（2）零检测信号接单片机输入口单片机口进行循环检测然进行延时触发
通单片机控制双控硅导通控制加热丝加热功率双控硅接通加热丝加热双控硅断开加热丝停止加热
方案评价：
综合考虑选择方案二
弱电控制强电弱电容易强电干扰影响系统实时性效率必须需抗干扰措施强电弱电隔离光耦合器切断部件间联系强电弱电实施隔离效抑制干扰信号电路干扰光耦合器容易触发脉体积特点带零检测光电隔离器MOC3061驱动双控硅隔离控制回路回路
MOC3061参数：
输出端额定电压400V
重复浪涌电流12A
电压升率dvdt1000vus
输入输出隔离电压7500V
输入控制电流15mA
MOC3061引脚排列部电路图图29示
图29 MOC3061引脚排列部电路图
单片机输出口发出高电三极放驱动光耦合器放光二极MOC3061输入端导通输入电流约15mAMOC306输出端6脚4脚尖电压稍稍零时光耦部双控硅导通外部晶闸触发信号导通单片机输出口发出低电MOC3061截止双控硅处截止状态
MOC3061优点：
（1）控制简单
（2）MOC3061采零触发电路简化双控硅触发电路
（3）MOC3061双控硅实际组成固态继电器实现触电控制
（4）输出通道实现光电隔离防止射电干扰
（5）单片机输出口直接控制双控硅省DA转换电路简化接口电路
双控硅介绍：
双控硅具双导通功交流电正负半周导通
双控硅通断情况栅极决定栅极信号时MT1MT2成高阻态截止MT1MT2间加阈值电压时利控制极栅极电压控硅导通需注意双控硅接感性负载时电流电压间定相位差电流零时反电压零超转换电压子反导通子承受种反电压回路中加入RC网络加吸收
双控硅触发方式：
控制双控硅高阻态转换导通区方式实现相应分四种方式
MT1相MT2正控制脉电压Ug相MT1正
MT1相MT2负控制脉电压Ug相MT1负
MT1相MT2正控制脉电压Ug相MT1负
MT1相MT2负控制脉电压Ug相MT1正
双控硅控制极触发便失作双控硅长期维持低阻态直低维持电流I H然转换高阻态控制交流电压时次电源电压零双控硅会动截止双控硅半周期需重新触发
图210示温度控制模块原理图
图210 温度控制模块原理图
24键显示模块设计
方案：
八段数码显示数码八发光组成八字形段分abcdefgdp表示
方案二：
LCD1602液晶显示器显示
方案评价：
设计采LCD1602液晶显示器显示功耗较低显示质量较高重量轻体积特点
LCD1602电路图图211示
图211 LCD1602电路图
241 LCD1602参数引脚功
LCD1602参数：
字符尺寸：295×435(W×H)mm
显示总容量：16×2字符
佳工作电压：50V
芯片工作电压区间：45V—55V
工作电流：20mA(50V)
LCD1602引脚功表26示
表26 LCD1602引脚功表
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源
9
D2
数
2
VDD
电源正极
10
D3
数
3
VL
显示偏压
11
D4
数
4
RS
数命令选择
12
D5
数
5
RW
读写选择
13
D6
数
6
E
信号
14
D7
数
7
D0
数
15
BLA
正极背光源
8
D1
数
16
BLK
负极背光源
242 LCD1602特点
单片机系统中应晶液显示器作输出器件特点
（1）功耗较低
LCD1602功耗驱动IC部电极功耗较低
（2）显示质量较高
LCD1602显示器收信号需断刷新新亮点显示器点直保持样亮度色彩发光持续稳定显示器会闪烁质量较高
（3）重量轻体积
控制原理LCD1602显示器通电极控制液晶分子状态达控制目相较显示器说等面积显示器LCD1602轻许
（4）数字式接口
液晶显示器数字式单片机系统接口更加简单操作更加方便
243 键电路设计
方案：
独立连接式独立式键指键相互独立接通条输入数线
方案二：
行列式（矩阵式）减少键盘单片机口时占IO线数目键数较时通常键盘排列成行列矩阵形式判断键盘中键通行线逐行置低电检查列输入状态实现
方案评价：
两种方案知方案然实现电路求考虑电路设计成电路整体性采方案
图212示独立式键电路图
图212 独立式键电路图
独立式键指键相互独立接通条输入数线
设计采2独立式键分连接单片机IO实现键功解决单片机IO口占问题减少硬件复杂程度通软件配合2键实现功系统程序中通扫描P12P132端口否低电0判断键否
25报警模块设计
方案：
7406作驱动单音频报警电路
方案二：
三极作驱动单音频报警电路
方案评价：
方案二
蜂鸣器电路图图213示
图213 蜂鸣器电路图
蜂鸣器直流电压作电源广泛应电话机电子玩具报警器定时器等电子产品中作电子发声器蜂鸣器压电式电磁式两种设计报警模块采蜂鸣器发光二级蜂鸣发光实现超出温度限时报警
压电式蜂鸣器约需10mA驱动电流单片机P25接晶体基极输入端P25输出高电1时三极导通压电蜂鸣器两端获约+5V电压鸣P25口输出低电0时三极截止蜂鸣器停止发声
三极放作必须保证发射结正偏集电极反偏
电流放系数：βICIB
9013三极介绍：
9013 结构：NPN
集电极发射极电压：25V
集电极基电压：45V
射极基极电压：5V
集电极电流：05A
耗散功率：0625W
结温：150℃
特征频率：150MHz
放倍数：91
3软件设计
系统设计功求确定系统程序包括DS18B20读温度程序LCD1602显示程序键盘扫描程序报警处理程序继电器加热程序
31程序设计
图31示程序流程图
图31 程序流程图
32DS18B20读温度程序设计
（1）DS18B20读时序：
① 读时序包括读0读1时序
② 读时序拉低单总线15us释放单总线DS18B20数传送单总线读时序程少需60us
（2）DS18B20写时序：
① 写时序包括写0写1时序
② 写0写1时序略写0时序时单总线少拉低60us保证DS18B20够采数线0电15us45us间写1时序时拉低单总线15us释放单总线
图32示DS18B20读温度程序流程图
图32 DS18B20读温度程序流程图
33键盘扫描程序设计
该电路查询方式电路键时相连输入数线清0时该线1通检测数线状态(01)判断键否闭合键已闭合
图33示键盘扫描程序流程图
图33 键盘扫描程序流程图
34报警处理程序设计
设定目标温度限实际温度目标温度限时候执行声光报警程序
图34示声光报警程序流程图
图34 声光报警程序流程图
35PID控制算法
设计采PID控制技术工程实际运中PID控制器稳定性工作调整方便结构简单成工业控制技术控象参数结构掌握精确数学模型时控制理技术难采系统控制器结构参数必须验确定时PID控制技术实方便
PID调节器种线性调节器定值r(t)实际输出值c(t)偏差例(P)积分(I)微分(D)组合组成控制量达控制象控制目控制偏差
（31）
（1）连续控制系统PID调节器微分方程：
（32）
式中
Kp——例常数
Ti——积分时间常数
Td——微分时间常数
e(t)——系统偏差信号
u(t)——控制器输出信号
（2）PID调节器函数形式方程：
（33）
（3）数字PID控制器
表31示模拟PID控制规律离散化表
表31 模拟PID控制规律离散化
模拟形式
离散化形式
数字PID控制器差分方程：
（34）
积分系数
微分系数
式中 称例项
称积分项
称微分项
常控制方式：
1P控制
2PI控制
3PD控制
4PID控制
模拟PID控制系统原理图35示
图35 模拟PID控制系统原理框图
（4）PID调节器例积分微分环节
① 例环节：调节器输入偏差系数作调节器输出例环节作放误差幅值仅例控制环节时系统输出存稳态误差
② 积分环节：调节器加入积分环节达消稳态误差目积分项着时间增加增积分项稳态误差消取决时间积分PI调节器系统进入稳态稳态误差
③ 微分环节：调节器输入输出误差信号微分成正关系微分环节反应偏差信号变化趋势实现超前调节 控制器中仅例环节行需增加微分项预测误差变化趋势
（5） PID控制算法两种类型
1 位置型控制
（35）
2 增量型控制
（36）
PID参数整定方法：
① 理计算法――赖控象准确数学模型
② 工程整定法――赖控象准确数学模型直接控制系统中进行现场整定
面PID运算加说明：
数变成定点纯数进行处理
算式中项正负高位作符号位高位0表示正数1表示负数正负数补码表示计算原码输出
节16位进行计算运算结果取成高8位效值输出输出控制量u(n)限幅处理便实现晶闸通断处理PID输出0～250间2500控制量u(n)没意义算法u(n)进行限幅
：
（37）
增量式PID控制算法图36示
图36 增量式PID控制算法程序框图
4系统仿真
单片机程序编写种：汇编语言C语言等设计采C语言编写
（1） 汇编语言
汇编语言助记符表示程序汇编语言种语言机器语言更容易方便容易记忆机器应着汇编语言种语言具定限制
（2） C语言
① 微控制器指令系统需解初步解单片机存储结构
② 具规范程序通函数程序变结构化
③ 寄存器分配存址数类型细节编译器理
④ 缩短编程调试时间提高编程效率
AT89C52控制设计编程Keil软件仿真proteus软件Keil支持C语言汇编二者混合编程
编程软件Keil介绍：
KeiluVision2美国软件公司C语言软件开发系统兼容单片机系统汇编相C语言易学易特点仅提高工作效率关键位置嵌入汇编程序工作效率接汇编标准C编译器保留汇编代码搞笑快速特点时未控制器软件开发提供C环境uVision2集成开发环境已完全包括C52包括：项目理器编译器汇编器实时操作系统调试器Keil软件界面图41示
仿真软件Protues介绍：
Protues软件英国公司出版工具软件仅具仿真功仿真单片机外围器件目前仿真单片机外围器件工具国已受学单片机爱者参加单片机开发应工作者感Proteus世界著名仿真软件代码调试原理图布图等仿真概念产品整流程功劳目前世界唯PCB设计软件电路仿真软件虚拟模型仿真软件合软件处理器模型支持MSP430AVR8051HC11ARM8086PIC101216182430DsPIC33等编译方面支持KeilIARMPLAB等种编译器
Proteus ISIS运行界面标准Windows界面图43示Proteus ISIS软件：标题栏菜单状态栏标准工具栏绘图工具栏象选择钮仿真进程控制钮预览窗口图形编辑窗口象选择器等窗口
图41 Keil软件界面
生成Hex文件图42示
图42 生成Hex文件图
图43 Proteus软件界面
温度未达设置温度限默认50℃时图44示单片机P25口输出低电蜂鸣器响单片机P27口输出低电二极亮继电器继续加热
图44 温度低限时仿真图
温度达设置温度限默认50℃时图45示单片机P25口输出高电蜂鸣器响单片机P27口输出高电二极亮继电器停止加热
图45 温度低限时仿真图结
通次设计加深单片机认识温度传感器DS18B20更深刻解然DS18B20测量温度时出现灵敏度高法温度变化快速显示温度等问题易制作价格低廉硬件结构简单测量值精确易操作等许优点DS18B20测温方面独特优势
参考文献
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［6］王孝武．现代控制理基础［M］．北京：机械工业出版社1998．
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［16］L Dubois．Temperature control by microwave radiometry with narrow band width [J]．EurPhysJApplPhys2000：6368
［17］Shiqian wuMeng Joo Er and Yang GaoA Fast Appoach for Automatic Generation of Fuzzy Rules by Generalized DynamicFuzzy Neural Networks[J] IEEE Transaction on Fuzzy Systems2001(4)：578593
致谢
设计***老师严格求悉心指导完成课题选择总体方案设计硬件软件设计系统仿真凝聚着程老师汗水心血导师私关怀悉心指导令受益匪浅特程老师表示深深感谢崇高敬意
附录
附录1
附录2
程序代码：
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include LCD1602h 液晶显示头文件
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
sbit Key1P1^0
sbit Key2P1^1
sbit Up P1^2
sbit DownP1^3
uchar t[2]*pt 存放温度值测温程序通数组函数通信
uchar TempBuffer1[9]{0x2b0x310x320x320x2e0x300x300x43'\0'}
显示实时温度电时显示+12500C
uchar TempBuffer0[17]{0x540x480x3a0x2b0x310x320x350x20
0x540x4c0x3a0x2b0x310x320x340x43'\0'}
显示温度限电时显示TH+125 TL+124C
uchar code dotcode[4]{0255075}
uchar set温度初始值
uchar counthigh_time0 调节占空参数
uint rout PID输出
查表法*******
表值分离出十位位送十分位百分位********************
struct PID
{
uint SetPoint 设定目标 Desired Value
uint Proportion 例常数 Proportional Const
uint Integral 积分常数 Integral Const
uint Derivative 微分常数 Derivative Const
signed int LastError 错误Error[1]
signed int PrevError 错误Error[2]
signed int SumError Sums of Errors
}
struct PID spid PID控制结构体
void init_pid()
PID初始化
{
high_time50
spidProportion 23 Set PID Coefficients
spidIntegral 2
spidDerivative 6
spidSetPoint set Set PID Setpoint
}
unsigned int PIDCalc( struct PID *pp unsigned int NextPoint )
PID算法
{
signed int dErrorError
Error pp>SetPoint NextPoint 偏差
pp>SumError + Error 积分
dError pp>LastError pp>PrevError 前微分
pp>PrevError pp>LastError
pp>LastError Error
return (pp>Proportion * Error+ pp>Integral * pp>SumError + pp>Derivative * dError)
}
void duty_cycle(uint t)
占空
{
uchar s
tt10
sset
if(s>t)
{
if(st>2)
high_time100
else
{
rout PIDCalc ( &spidt ) Perform PID Interation
if(high_time<100)
high_time(uchar)(rout600)
else
high_time100
}
}
else
high_time0
}
void covert0( unsigned char TH unsigned char TL) 温度限转换LCD显示数
{
if(TH>0x7F) 判断正负果负温转化绝值
{
TempBuffer0[3]0x2d 0x2dASCII码
TH~TH
TH++
}
else TempBuffer0[3]0x2b 0x2B+ASCII码
if(TL>0x7f)
{
TempBuffer0[11]0x2d 0x2dASCII码
TL~TL+1
}
else
TempBuffer0[11]0x2b 0x2B+ASCII码
TempBuffer0[4]TH100+0x30 分离出TH百十位
if( TempBuffer0[4]0x30)
TempBuffer0[4]0xfe 百位数消隐
TempBuffer0[5](TH100)10+0x30 分离出十位
TempBuffer0[6](TH100)10+0x30 分离出位
TempBuffer0[12]TL100+0x30 分离出TL百十位
if( TempBuffer0[12]0x30)
TempBuffer0[12]0xfe 百位数消隐
TempBuffer0[13](TL100)10+0x30 分离出十位
TempBuffer0[14](TL100)10+0x30 分离出位
}
void covert1(void) 温度转换LCD显示数
{
unsigned char x0x00y0x00
t[0]*pt
pt++
t[1]*pt
if(t[1]>0x07) 判断正负温度
{
TempBuffer1[0]0x2d 0x2dASCII码
t[1]~t[1] *面句负数补码*
t[0]~t[0] * 换算成绝值*********
xt[0]+1 ***********************
t[0]x ***********************
if(x>255) **********************
t[1]++ *********************
}
else
TempBuffer1[0]0x2b 0xfe变+ASCII码
t[1]<<4 高字节左移4位
t[1]t[1]&0x70 取出高字节3效数字位
xt[0] t[0]暂存X取数部分
x>>4 右移4位
xx&0x0f 前面两句取出t[0]高四位
t[1]t[1]|x 高低字节效值整数部分拼成字节
TempBuffer1[1]t[1]100+0x30 +0x30 变 0~9 ASCII码
if( TempBuffer1[1]0x30)
TempBuffer1[1]0xfe 百位数消隐
TempBuffer1[2](t[1]100)10+0x30 分离出十位
TempBuffer1[3](t[1]100)10+0x30 分离出位
t[0]t[0]&0x0c 取效两位数
t[0]>>2 左移两位便查表
xt[0]
ydotcode[x] 查表换算成实际数
TempBuffer1[5]y10+0x30 分离出十分位
TempBuffer1[6]y10+0x30 分离出百分位
}
void delay(unsigned int i)
{
while(i)
}
void t0_int(void) interrupt 1 PWM波输出
{
if(++count<(high_time))
Relay0
else if(count<100)
Relay1
else
count0
TH00X20
TL00X00
}
main()
{
unsigned char TH50TL10temp0 步扩展时通两变量调节限
测温函数返回数组头址
TMOD0X01
TH00X20
TL00X00
EA1
ET01
TR01
set60目标温度
Beep0Relay0
init_pid()
while(1)
{
if(Up0)
{
while(Up)
TH++
}
if(Down0)
{
while(Down)
TL
}
ptReadTemperature(THTL0x3f) 限温度22限24分辨率10位025C
读取温度温度值存放两字节数组
if((t[1]>TH)|(t[1]
Beep1
Relay1
}
else
{
Beep0
Relay0
}
delay(10000)
covert1()
covert0(THTL)
LCD_Initial() 第参数列号第二行号0表示第行
1表示第二行第三参数显示数首址
LCD_Print(00TempBuffer0)
LCD_Print(01TempBuffer1)
}
}
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