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溫度是工業(yè)控制中主要的被控參數(shù)之一．對典型的溫度控制系統(tǒng)進行研究具有很廣泛的意義。根據(jù)不同場所、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，實現(xiàn)智能的溫度控制系統(tǒng)。 1 系統(tǒng)組成 整個系統(tǒng)主控部分采用AT89S52構(gòu)成單片機應(yīng)用系統(tǒng)：溫度檢測部分采用DS18B20單總線數(shù)字溫度傳感器對溫度進行檢測：控制部分由固態(tài)繼電器控制加熱管的通斷。工作時．由鍵盤輸入設(shè)定溫度值，系統(tǒng)采用PID控制算法進行運箅，通過單片機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℃。液晶實時顯示烤箱內(nèi)溫度和設(shè)定溫度值。 單片機溫度控制系統(tǒng)原理圖如圖1所示。 
圖1 單片機溫度控制系統(tǒng)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方式傳輸，在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(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，測溫范圍從-55％到+125℃，在-1O℃~+85℃同有分辨率為0．5℃，測量結(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，以”一線總線”串行傳送給CPU，同時可傳送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(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送給計數(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)生的信號作為計數(shù)器2的脈沖輸入。計數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在-55％所對應(yīng)的一個基數(shù)值。計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當(dāng)計數(shù)器1的預(yù)置值減到0時。溫度寄存器的值將加1，計數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到計數(shù)器2計數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)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程中的非線性，其輸出用于修正計數(shù)器1的預(yù)置值。
圖2 DS18B20測溫原理圖 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計 3．1溫度檢測子程序 DS18B20使用的關(guān)鍵在于清楚總線的讀寫時序。 由于DS18B20外接電路極為簡單，所以電路連接沒有問題；但在軟件編程上，就要求嚴(yán)格按照它的時序進行讀寫操作。具體操作如下： 對DS18B20操作時，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，這時主機才能對它進行其它操作。 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。從DQ線的下降滑起計時，在15μs到60μs這段時問內(nèi)對數(shù)據(jù)線進行檢測，如數(shù)據(jù)線為高電平則寫1；若為低電平，則寫0，完成了一個寫周期。在開始另一個寫周期前，必須有1μs以上的高電平恢復(fù)期。每個寫周期必須要有60μs以上的持續(xù)期。 讀操作：主機將數(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。從主機將數(shù)據(jù)線從高電平拉至低電平起15μs至60μs，主機讀取數(shù)據(jù)。每個讀周期最短的持續(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75us presence=DQ； //獲取應(yīng)答信號 delay(28)； //延時以完成整個時序 return(presence)； //返回應(yīng)答信號，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)，一個時序中讀一次，并作移位處理 value!=0x01< } return(value)； } 延時子程序void delay(unsigned char time)．延時時間為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，通過實驗測試的方法獲得控制參數(shù)范圍．然后應(yīng)用試湊法進行參數(shù)整定，最終達到較為快速，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(shè)定溫度，y(k)為實際溫度，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為積分時間常數(shù)，TD為微分時問常數(shù)：T為采樣周期。 PID控制器的這些參數(shù)，分別對系統(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．積分時間常數(shù)T1越小。積分作用越強，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。微分時問常數(shù)Tn越大，微分作用越強，微分控制可以改善動態(tài)特性，如超調(diào)量減小，調(diào)節(jié)時問縮短。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也會過小，計算機將會失去調(diào)節(jié)的作用，采樣周期過長，又會引起過大的誤差，因此采樣周期必須綜合考慮。 擴充響應(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，求得滯后時間t，對象時問常數(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)驗數(shù)據(jù)不一定就合適，最后可用試湊法逐步調(diào)試進行確定。
圖3 擴充響應(yīng)曲線法 表1 擴充響應(yīng)曲線法整定參數(shù)表
為了得到最佳的控制效果，我們采用了擴允響應(yīng)曲線法和現(xiàn)場經(jīng)驗試湊法來整定各項參數(shù)。 所謂試湊法是人們在長期工作程實踐中，從各種控制規(guī)律對系統(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。在實際現(xiàn)場整定過程中，我們首先通過擴充響應(yīng)曲線法整定參數(shù)，設(shè)定初始的PID參數(shù)進行控制，為了達到理想的控制目標(biāo)，對PID參數(shù)進行了不斷的調(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進行測溫，基于單片機AT89S52進行溫度控制，具有硬件電路簡單，控溫精度高(誤差在±1℃范圍內(nèi))、功能強、體積小、價格低．簡單靈活等優(yōu)點，可以應(yīng)用于控制溫度在-55℃到+125℃之間的各種場合，可以實現(xiàn)溫度的實時采集、顯示與控制功能，是一種較理想的智能化控制系統(tǒng)。 本文作者創(chuàng)新點：文中采用數(shù)字溫度計芯片DS18B20構(gòu)成測溫單元，采用PID控制算法調(diào)節(jié)烤箱內(nèi)溫度。 作者：余瑾 來源：《微計算機信息》(嵌入式與SOC)2009年第3-2期 |
