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溫度是工業(yè)控制中主要的被控參數之一．對典型的溫度控制系統進(jìn)行研究具有很廣泛的意義。根據不同場(chǎng)所、不同溫度范圍、精度等要求．所采用的測溫元件、測溫方法以及對溫度的控制方法也不同．本文以實(shí)驗室電烤箱為被控對象，以AT89S52單片機為控制核心，溫度傳感單元采用DS18B20．采用PID算法，實(shí)現智能的溫度控制系統。 1 系統組成 整個(gè)系統主控部分采用AT89S52構成單片機應用系統：溫度檢測部分采用DS18B20單總線(xiàn)數字溫度傳感器對溫度進(jìn)行檢測：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(pán)輸入設定溫度值，系統采用PID控制算法進(jìn)行運箅，通過(guò)單片機AT89S52的開(kāi)關(guān)量控制固態(tài)繼電器(SSR)的通斷，以調節烤箱內溫度至設定值，穩態(tài)誤差在+(-)1℃。液晶實(shí)時(shí)顯示烤箱內溫度和設定溫度值。 單片機溫度控制系統原理圖如圖1所示。 
圖1 單片機溫度控制系統原理圖 2 溫度檢測電路 溫度檢測部分采用集成溫度傳感器DS18B20，它采用獨特的單口接線(xiàn)方式傳輸，在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線(xiàn)即可實(shí)現微處理器與DS18B20的雙向通訊，不需要外圍器件，全部傳感元件及轉換電路集成在形如一只i極管的集成電路內，外加電源范圍是3．0～5．5V，測溫范圍從-55％到+125℃，在-1O℃~+85℃同有分辨率為0．5℃，測量結果以9位到12位數字量方式直接輸出數字溫度信號，以”一線(xiàn)總線(xiàn)”串行傳送給CPU，同時(shí)可傳送CRC校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力。 DS18B20測溫原理如圖2所示。圖中低溫度系數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送給計數器1。高溫度系數晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為計數器2的脈沖輸入。計數器1和溫度寄存器被預置在-55％所對應的一個(gè)基數值。計數器1對低溫度系數晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行減法計數，當計數器1的預置值減到0時(shí)。溫度寄存器的值將加1，計數器1的預置將重新被裝入，計數器1重新開(kāi)始對低溫度系數晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行計數，如此循環(huán)直到計數器2計數到0時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數值即為所測溫度。圖2中的斜率累加器用于補償和修正測溫過(guò)程中的非線(xiàn)性，其輸出用于修正計數器1的預置值。
圖2 DS18B20測溫原理圖 3 系統軟件設計 3．1溫度檢測子程序 DS18B20使用的關(guān)鍵在于清楚總線(xiàn)的讀寫(xiě)時(shí)序。 由于DS18B20外接電路極為簡(jiǎn)單，所以電路連接沒(méi)有問(wèn)題；但在軟件編程上，就要求嚴格按照它的時(shí)序進(jìn)行讀寫(xiě)操作。具體操作如下： 對DS18B20操作時(shí)，首先要將它復位。將DQ線(xiàn)拉低480至960μs，再將數據線(xiàn)拉高15至60μs，然后，DS18B20發(fā)出60至此240μs的低電平作為應答信號，這時(shí)主機才能對它進(jìn)行其它操作。 寫(xiě)操作：將數據線(xiàn)從島電平拉至低電平，產(chǎn)生寫(xiě)起始信號。從DQ線(xiàn)的下降滑起計時(shí)，在15μs到60μs這段時(shí)問(wèn)內對數據線(xiàn)進(jìn)行檢測，如數據線(xiàn)為高電平則寫(xiě)1；若為低電平，則寫(xiě)0，完成了一個(gè)寫(xiě)周期。在開(kāi)始另一個(gè)寫(xiě)周期前，必須有1μs以上的高電平恢復期。每個(gè)寫(xiě)周期必須要有60μs以上的持續期。 讀操作：主機將數據線(xiàn)從高電平拉至低電平1μs以上，再使數據線(xiàn)升為高電平，從而產(chǎn)生讀起始信號。從主機將數據線(xiàn)從高電平拉至低電平起15μs至60μs，主機讀取數據。每個(gè)讀周期最短的持續期為60μs。周期乏問(wèn)必須有1μs以上的高電平恢復期。 系統軟件采用keil c51編制。 復位子程序： sbit DQ=P3^3：定義數據線(xiàn)口地址 unsigned char reset() { unsigned char presence； DQ=O； //拉低DQ總線(xiàn)開(kāi)始復位 delay(30)； //保持低電平480us DQ=1； //釋放總線(xiàn) delay(3)； //等待芯片應答信號75us presence=DQ； //獲取應答信號 delay(28)； //延時(shí)以完成整個(gè)時(shí)序 return(presence)； //返回應答信號，有芯片應答返同0，無(wú)芯片則返回1 } 讀一位數據子程序 unsigned char read_bit() { unsigned char i,value_bit； DQ=0； //拉低DQ，開(kāi)始讀時(shí)序 DQ=1； //釋放總線(xiàn) for(i=0；i<2；i++){} //8us delay value_bit=DQ； return(value_bit)； } 讀一字節數據子程序： unsigned char read__byte() { unsigned char i,value=0； for(i=0；i<8；i++) { if(read_bit()) //讀一字節數據，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，之后再讀下一數據 } 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 目前數字PID控制器被廣泛應用十溫度控制系統之中，本系統即以PID控制算法為核心，通過(guò)實(shí)驗測試的方法獲得控制參數范圍．然后應用試湊法進(jìn)行參數整定，最終達到較為快速，精確的控制。通過(guò)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算法的增量表達式為：
其中，k表示第k次采樣，s(k)為設定溫度，y(k)為實(shí)際溫度，u(k)為電爐功率控制，KP為比例系數，e(t)為誤差，e(k)=y(k)一s(k)。T1為積分時(shí)間常數，TD為微分時(shí)問(wèn)常數：T為采樣周期。 PID控制器的這些參數，分別對系統性能產(chǎn)生不同的影響。Kp加大，響應速度加快，可以減小穩態(tài)誤差．積分時(shí)間常數T1越小。積分作用越強，積分控制能消除系統的穩態(tài)誤差，提高控制系統的控制精度。微分時(shí)問(wèn)常數Tn越大，微分作用越強，微分控制可以改善動(dòng)態(tài)特性，如超調量減小，調節時(shí)問(wèn)縮短。采樣周期T直接影響到系統的控制性能。采樣周期太小偏差信號也會(huì )過(guò)小，計算機將會(huì )失去調節的作用，采樣周期過(guò)長(cháng)，又會(huì )引起過(guò)大的誤差，因此采樣周期必須綜合考慮。 擴充響應曲線(xiàn)法是當系統在給定值處于平衡后，加一階躍輸入(如圖3a所示)。用儀表記錄下被調參數在階躍作用下的變化過(guò)程曲線(xiàn)，如圖3b所示。在曲線(xiàn)最大斜率k處做切線(xiàn)，求得滯后時(shí)間t，對象時(shí)問(wèn)常數Tm，以及它們的比值Tm/t。根據所求得的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(guò)程千差萬(wàn)別，經(jīng)驗數據不一定就合適，最后可用試湊法逐步調試進(jìn)行確定。
圖3 擴充響應曲線(xiàn)法 表1 擴充響應曲線(xiàn)法整定參數表
為了得到最佳的控制效果，我們采用了擴允響應曲線(xiàn)法和現場(chǎng)經(jīng)驗試湊法來(lái)整定各項參數。 所謂試湊法是人們在長(cháng)期工作程實(shí)踐中，從各種控制規律對系統控制質(zhì)量的影響的定性分析總結出來(lái)的一種行之有效、并得到廣泛應用的工程整定方法。在實(shí)際現場(chǎng)整定過(guò)程中，我們首先通過(guò)擴充響應曲線(xiàn)法整定參數，設定初始的PID參數進(jìn)行控制，為了達到理想的控制目標，對PID參數進(jìn)行了不斷的調整，原則是要保持PID參數按先比例，后積分，最后微分的順序進(jìn)行反復試湊至獲得滿(mǎn)意的控制效果和PID控制參數。 4 結束語(yǔ) 該系統利用DS18B20進(jìn)行測溫，基于單片機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)、功能強、體積小、價(jià)格低．簡(jiǎn)單靈活等優(yōu)點(diǎn)，可以應用于控制溫度在-55℃到+125℃之間的各種場(chǎng)合，可以實(shí)現溫度的實(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。 本文作者創(chuàng )新點(diǎn)：文中采用數字溫度計芯片DS18B20構成測溫單元，采用PID控制算法調節烤箱內溫度。 作者：余瑾 來(lái)源：《微計算機信息》(嵌入式與SOC)2009年第3-2期 |
