烟叶初烤炕房温度控制系统的设计论文-本科论文.doc

济南大学毕业设计1 前言1.1选题背景与意义目前国内外对于烤烟生产上推广的多为自然气流上升，下降式烤房，在一定程度上限制了升温，排湿的灵敏度。主动式烟叶烘烤自动控制系统在地洞进风口，天窗上安装动力通风排湿设备并应用控制理论将单片机技术引入，将不同品种和部位烟叶烘烤工艺曲线固化于单片机芯片中，在烟叶烘烤过程中实现全程温度控制。实现了小烤房烘烤过程的自动控制，为了提高烟叶烘烤质量，改善劳动条件，减轻劳动强度，烟叶烘烤系统需由人工模糊控制向系统智能控制转变，这要求系统具有抗干扰能力强，传感器精度高等特点。在烘烤烟叶的过程中系统需要实时采集烤房内的温度数据，当温度不符合用户所定指标时，系统需要对其进行自动调整以达到设定值。 1.2 选题的目的和意义目前，烟叶的生产已经从传统的零散型向集约型转变，烤房也由传统的土炕向大型烤房方向发展。烟区已经广泛推广烟叶初考的三段式工艺，并且大多数炕房已经加装热风循环装置。但是，温度测量仍然是传统的玻璃管温度计，风门的控制仍然采用人工控制，这种测量和控制方法已成为制约烟叶烘烤质量提高的瓶颈问题。在烟叶初烤中最重要的环节就是温度，温度是工业生产中主要的被控参数之一，有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品的质量。与之相关的各种温度控制系统广泛应用于冶金、化工、机械、食品等领域。烟叶初烤炕房温度智能测控系统是为了改变烟叶的初烤过程中出现的烟叶烘烤质量不高，控制不精确，温度采集不稳定等诸多方面的问题。烟叶初烤过程中，烤房开始由用户设定温度，温度设定后，烤房内温度的准确测量和有效控制是烘烤的核心和烟叶质量的根本保证。本次设计是以单片机为核心的智能温度测控系统，实现烤烟过程中温度的自动控制，解决温度测量不准、温度计使用不便及人工启闭回风门（用于排湿）、火门或鼓风机（控制火炉火势）等问题。它实际上就是一个温度智能控制系统，用来解决人为操作所带来的麻烦和不必要的失误，以此来增加对烟叶初烤的质量的保证，当然实际应用中也只能在一定程度上接近所指定的指标。本次设计的系统在工业中实现了烟叶烘烤全过程的自动控制与普通的烤房相比较，烤后烟叶色泽饱满，鲜艳，叶片颜色均匀，上等烟比例高。并且大幅度降低烟叶烘烤强度，减少用工，提高了烟叶综合效益。1.3系统概述随着科技的发展，温度控制电路在日常生活中以及工业生产中的应用越来越广泛，尤其是温度控制在工业生产中的广泛运用给社会带来极大的福利。本次设计以单片机为核心，在温度控制中，采用DS18B20作为传感器，LCD1602A作为温度显示器。温度采集经传感器DS18B20到单片机，传输到LCD1602A液晶显示器上来显示，于此同时单片机处理接受的数据，控制电机的正反转，可以实现温度的自动控制。它完成了从温度设定，键盘操作，液晶显示，和温度控制一系列的任务，测量了温度，对其进行设定和调整，设计的有效温度测控范围：2080；温度测量精度：0.5；温度控制精度：1.0；显示分辨率：0.1。于此同时还设计了报警系统，在没有达到设定的温度范围的时候进行报警。2 方案的确定2.1 温度测控系统的总体设计目标1）技术要求：有效测控范围：2080；温度测量精度：0.5；温度控制精度：1.0；显示分辨率：0.1。2）档位设置：在3543温度范围内分9档，以供选择。3）执行机构：风门由电动执行器驱动，运行时间为80s；电源：220V，50Hz。4）自动控制：当湿球温度值超过设定值0.5时，进风门自动开启5s；当湿球温度值在设定值0.5时，进风门状态保持。当湿球温度值低于设定值0.5时，进风门自动关闭5s。5）报警：当温度偏离设定值1，蜂鸣器报警。2.2 烟叶初烘烤炕房温度测试系统方案设计本次设计以单片机为核心，外加传感器，温度测量电路，自动控制等。在烟叶烘烤过程中，烤房内的温度的准确测量和有效控制是烘烤的核心和烟叶质量的根本保证，设计以单片机为核心的温度控制系统，实现烤烟过程中温度的自动控制，解决温度测量不准，温度计使用不便及人工起闭回风门难以精确控制的问题。方案1：采用热电阻CU50，作为传感器，经过AD转换传送到单片机，可以实现温度的检测控制，通过对实际烟叶炕房的温度测量，再与设定值相比较，判断是否符合设定要求，来实现对炕房的温度控制。但采用CU50作为传感器，温度测量电路过于复杂，可能会造成连接不稳定，并且温度精度不高，所设计的系统难以满足课题的要求。在实际的工业生产中很难得到使用。方案2：根据以上具体要求，本系统以AT89S51单片机作为控制单元，炕房温度由DS18B20传感器检测送给单片机AT89S51处理，传送给LCD1602A液晶显示器进行温度显示，于此同时单片机根据给定的温度与实际温度对比。来控制电机的正反转实现温度的温度，基本实现烤烟过程中温度的自动控制。总之，利用单片机可以实现对各个功能的控制，达到用户所需的要求。综上所述，用单片机可以实现对各个功能的控制，来达到用户所需的要求。目前单片机的应用已经很成熟了，用它来实现对各个电路的控制非常的简单方便，而且它的精度能够达到要求。应用单片机来研发产品，降低了成本，缩短了研发时间，与传统工艺相比较，它具有高精度，高可靠性，操作方便，价格便宜，智能化等特点。DS18B20利用单总线的原理可以方便的实现多点温度的测量，轻松的组建传感器网络，系统的抗干扰能力好，适合在恶劣的环境下也可以进行现场温度控制。根据以上的分析我们选用第二种方案来实现烟叶初烤的温度控制设计。设计了以AT89S51单片机为核心的温度自动控制系统，温度控制采用了温度积分分离PID控制算法，显示采用液晶LCD显示器，所设计的系统有以下功能；2080；温度测量精度：0.5；温度控制精度：1.0；显示分辨率：0.1；实现了可以升温，可以降温；实时显示当前温度值；按键控制；报警功能。整个系统的原理图如图2.1所示。AT89S51单片机温度设定 正转 反转执行器风门传感器恒流源温度显示 报警电路复位电路图2.1 系统框架图 温度采集电路以数字量形式将现场温度传至单片机。单片机结合现场温度和用户设定的目标温度，按照温度积分分离PID控制算法计算出实时控制量，以此来控制风门的工作状态，使烤房内温度逐步稳定与用户设定的目标值。在温度达到设定的目标温度后，由于自然冷却而使温度下降时，单片机通过采样回的温度和设置的目标温度作比较，作出相应的控制。系统运行过程中的实时温度参量均由LCD实时显示。3 硬件设计3.1 单片机最小系统3.1.1 AT89S51单片机特点介绍设计的主要任务是完成温度测量与显示的同时控制电机的正反转，以此带动执行机构来控制风门的开启与关闭，来达到温度控制的目的，而单片机的在输入输出的精度上完全可以达到这个要求，同时单片机控制操作简单，系统成本低，因此选用51系列的单片机来作为硬件的核心，并且51系列的单片机技术已经日趋完善，性能可靠。在系统中，单片机处于CPU的作用，接收传感器传来的温度信号，经过处理传送给LCD1602A液晶显示器显示当前的实时温度，同时比较用户设定的温度，决定电机的运作，达到控制风门的作用，同时控制报警电路决定蜂鸣器是否工作组成一个简单的温度控制反馈调节系统。AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，AT89S51在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。它的主要性能特点有：1、4k Bytes Flash片内程序存储器； 2、128 bytes的随机存取数据存储器（RAM）； 3、32个外部双向输入/输出（I/O）口； 4、5个中断优先级、2层中断嵌套中断； 5、6个中断源； 6、2个16位可编程定时器/计数器； 7、2个全双工串行通信口； 8、看门狗（WDT）电路； 9、片内振荡器和时钟电路； 10、与MCS-51兼容； 11、全静态工作：0Hz-33MHz； 12、三级程序存储器保密锁定； 13、可编程串行通道； 14、低功耗的闲置和掉电模式。AT89S51的管脚图如图3.1所示：图3.1 AT89S51引脚图VCC：电源电压输入端。 GND：电源地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为电阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口除了作为普通I/O口，还有第二功能： P3.0 RXD（串行输入口）； P3.1 TXD（串行输出口）； P3.2 /INT0（外部中断0）； P3.3 /INT1（外部中断1）； P3.4 T0（T0定时器的外部计数输入）； P3.5 T1（T1定时器的外部计数输入）； P3.6 /WR（外部数据存储器的写选通）； P3.7 /RD（外部数据存储器的读选通）； P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 I/O口作为输入口时有两种工作方式，即所谓的读端口与读引脚。读端口时实际上并不从外部读入数据，而是把端口锁存器的内容读入到内部总线，经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器。只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线。89C51的P0、P1、P2、P3口作为输入时都是准双向口。除了P1口外P0、P2、P3口都还有其他的功能。 RST：复位输入端，高电平有效。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：地址锁存允许/编程脉冲信号端。当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 PSEN：外部程序存储器的选通信号，低电平有效。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 EA/VPP：外部程序存储器访问允许。当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时， EA将内部锁定为RESET；当EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：片内振荡器反相放大器和时钟发生器的输入端。 XTAL2：片内振荡器反相放大器的输出端。3.1.2 AT89S51最小系统电路使用AT89S51构成的最小系统电路如图3.2所示，它由电容C1，C2和晶振Y1构成以内部方式工作的时钟振荡电路，电容C1,C2和晶振Y1构成12MHZ的晶振频率。若直接从外部引入振荡信号连接到内部振荡器，则时钟电路工作于外部方式，由电阻R2和电容C3构成上电位复位电路，即单片机一旦接通电源，便自动进入复位电路处理，随着电容两端电位的提高，RST端的电位变为低电平，进入正常工作模式。图3.2 最小电路系统3.2 温度采集路设计刚开始采用CU50作为温度传感器，但是CU50的温度灵敏度不够，并且所构成的温度采集电路复杂，所达到的温度控制精度低，后续温度程序处理繁琐，不利于工业生产。经比较选择后，温度采集电路选用DS18B20作为温度传感器。温度传感器的种类众多，在应用与高精度、高可靠性的场合时DALLAS（达拉斯）公司生产的DS18B20温度传感器当仁不让。超小的体积，超低的硬件开消，抗干扰能力强，精度高，附加功能强，使得DS18B20更受欢迎。对于我们普通的电子爱好者来说，DS18B20的优势更是我们学习单片机技术和开发温度相关的小产品的不二选择。DS18B20具有3引脚T0-92小体积封装系统，温度测量范围是55C +125C,可编程9到12位A/D转换精度，测温分辨率可达到0.0625C。被测温度符号扩展的16位数字量方式串行输出，其工作电源既可以远端输入，也可以采用寄生方式电源产生，多个DS18B20可以并联到2到3个线上，CPU只需用一根端口线就能与多个DS18B20通信，占有微处理器的端口少，可节省大量的引线和逻辑电路，以上特点使DS18B20适合于远距离多点测温度。DS18B20适应的电压范围比较宽，电压范围：3.05.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电的独特单线接口方式，DS18B20与单片机连接时只需1条接口线即可实现单片机与DS18B20的双向通信。DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在一个三极管的电路内。温度测量范围为55C +125C，在10C +85C时精度为土0.5C，可编程的分辨率为9到12位，可实现高精度测温在9位分辨率的时候最多在93.75ms内把温度转换成数字，以一线总线的方式串行传送到单片机，具有较强的抗干扰纠错能力，电源极性接反时不会因发热而烧坏，但是不能正常工作。DS18B20的读写时序和DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度延时由2s减少到750ms。DS18B20外形尺寸如图3.3所示。图3.3 DS18B20的外形尺寸DS18B20的测温原理图如图3.4所示：加一LSB移位清除停止斜率累加器计数器1温度寄存器计数器2=0比较=0预置低温度系数晶振高温度系数晶振预置图3.4 DS18B20测温原理框图图中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，可用于产生固定频率的脉冲信号送到计数器1。高温度系数晶振随温度的变化其振荡率明显会改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入计数器1和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加上1，计数器1的预置将会被重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即 为所测温度。图3中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。DS18B20有4个主要的数据部件：（1）光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。64位光刻ROM的排列是：开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用 是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。 （2）DS18B20中的温度传感器可完成对温度测量，以12位转化为例：用16位符号扩展的二进制补码读数形式来提供，以 0.0625/LSB的形式表达，其中S为符号位。表1: DS18B20温度值格式表LS ByteBit 7Bit 6Bit 5Bit4Bit 3Bit 2Bit 1Bit 0MS ByteLS ByteBit 15Bit 14Bit 13Bit 12Bit 11Bit 10Bit 9Bit 8MS ByteSSSSS这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。例如+125的数字输出为07D0H，+25.0625的数字输出为0191H，-25.0625的数字输出为FE6FH，-55的数字输出为FC90H。（3）DS18B20温度传感器的检测电路在外部电源供电方式下，DS18B20工作电源由VDD引脚接入，此时I/O线不需要强上拉，不存在电源电流不足的问题，可以保证转换精度，同时在总线上理论可以挂接任意多个DS18B20传感器，组成多点测温系统。注意：在外部供电的方式下，DS18B20的GND引脚不能悬空，否则不能转换温度，读取的温度总是85。温度采集电路如图3.4所示。图3.4 DS18B20的温度采集电路3.3 温度控制电路在烟叶初烤过程中温度会发生变化，从一开始烤房加热到恒温到自然冷却，温度都是一直变化着，显然采用人工控制既费时间，又没有效率，采用单片机控制步进电机无疑会给烟叶烘烤过程提供极大的便利，在得到精确的温度控制同时，节省了大量的劳动力。FT5754是步进电动机专用集成驱动芯片，内含4组NPN达林顿晶体管能够保证步进电动机有足够的驱动电流，图3.5是FT5754的外观引脚和内部结构，各输入引脚B要保证有3mA的输入电流，才能使C-E导通。每个输出能承受最大为3A的电流，非常适合来驱动步进电动机。图3.5 FT5754的外观引脚和内部结构图3.6为FT5754驱动步进电动机电路。由于FT5754需要3mA以上的输入电流，因而在FT5754与单片机之间需要用缓冲器来推动，可选用的器件有4050、74LS244。图3.6 FT5754驱动步进电机电路利用步进电机的高精确控制度，采用单片机软件控制，当温度不在设定的温度范围之内的时候，单片机控制电机的正反转，带动风门执行机构来改变风门的开启与关闭，当湿球温度值超过设定值0.5时，进风门自动开启5s；当湿球温度值在设定值0.5时，进风门状态保持。当湿球温度值低于设定值0.5时，进风门自动关闭5s。3.4 键盘与显示电路3.4.1 键盘电路由若干个按键组成的键盘，其电路可分为独立式键盘和矩阵式键盘两种。独立式按键是直接用I/O口线构成的单个按键电路，其特点是每个按键单独占用一根I/O口线，每个按键的工作不会影响其它I/O口线的状态。独立式按键电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根I/O口线，因此，在按键较多时，I/O口线浪费较大，不宜采用。矩阵式键盘中，行、列线分别连接到按键开关的两端，行线通过上拉电阻接到5V上。当无键按下时，行线处于高电平状态；当有键按下时，行、列线将导通，此时，行线电平将由与此行线相连的列线电平决定。这是识别按键是否按下的关键。然而，矩阵键盘中的行线、列线和多个键相连，各按键按下与否均影响该键所在行线和列线的电平，各按键间将相互影响，因此，必须将行线、列线信号配合起来作适当处理，才能确定闭合键的位置。对于独立式按键键盘，因按键数量少，可根据实际需要灵活编码。对于矩阵式键盘，按键的位置由行号和列号惟一确定，因此可分别对行号和列号进行二进制编码，然后将两值合成一个字节，高4位是行号，低4位是列号。在实际的温度控制时候需要的按键比较的多，显然选用独立式的按键键盘占用了大量的接口资源，不利于系统的工作。因此选择了44的矩阵式键盘来设置按键，这样只需要占用8个接口资源就可以来满足。键盘按键与按钮如图3.7所示：图3.7 键盘电路3.4.2 显示电路单片机应用系统最常用的显示器是LED(发光二极管显示器)，LCD(液晶显示器)。这两种显示器可以显示系统指令，数字和字符。它们的驱动电路简单，易于实现且价格低廉，性价比较高，因此得到了广泛的使用。本次设计采用了LCD1602A。LCD1602A属于字符型显示器，可显示2行共16个字符，字符显示尺寸为57个像素点。在显示模块的ROM中存放ASCII码字符字模等，输出时只需要提供字符编码和显示位置即可。LCD1602器件引脚排列如图3.8所示。其中，D0D7为数据口，E为使能信号，RW为读写信号，RS为寄存器选择信号，VL为亮度调节引脚.，VCC,VCC1，GED,GND1均为电源引脚。图3.8 LCD1602A的管脚排列图3.9 LCD1602显示接口电路LCD1602与AT89S51构成的显示接口电路如图3.9所示。AT89S51的P0.0P0.7与LCD1602的D0D7相连，以交换数据。P1.0接RS进行寄存器选择，当RS=1时，指向数据寄存器，当RS=0时，若执行写操作，则指向指令寄存器，若执行读操作，则指向地址寄存器。P1.1接RW控制读写，当RW=0时，进行写操作，当RW=1时，进行读操作。P1.2接E使能控制，读操作时，高电平有效，写操作时，下降沿有效。3.5 报警电路报警电路及指示灯电路如下图3.10所示，当温度未达到用户设置的目标温度时需要时，设计了越限报警，温度低于用户设置的目标温度1度或者高于一度时，蜂鸣暴击器为连续的滴答滴答叫声，当单片机P1.7输出高电平时，三极管导通，蜂鸣报警器工作发出警报声。P1.7输出低电平时，三极管不导通，蜂鸣报警器不工作。图3.10 报警电路的设计4 系统程序设计4.1 系统程序概述为了适应烟叶初烘烤工艺要求和烟叶的具体情况，根据系统设计的要求，将设定的温度设计为九档，以供选择。每档温度如表4.1所示。表4.1 温度控制档位档位123456789温度/353637383940414243根据设定的要求，程序主程序采用循环方式，主程序进行系统初始化，包括定时器，I/O接口和中断程序的初始化，电动机方向由定时器中断启动或者停止。系统的循环程序将进行一下操作：键盘设定温度值检测、实时的温度检测、LCD的温度显示和控制、这些操作将在各自的字程序中实现。其中主程序系统流程如图4.1所示。定时器，中断系统初始化，开中断调用温度检测子程序调用温度显示子程序主程序图4.1 主程序系统流程图4.2 T0中断处理控制子程序的设计温度的高低受风门打开的影响，因此程序是将检测到得温度实际值与用户设定的温度值相比较，控制风门打开和和温度升降的速率，上、下限设定值分别是档位设定温度的0.5。每隔5min检测风门的运行状态，每次风门动作5s。利用单片机AT89S51的可编程定时器/计数器、中断系统来计数。计数器的工作方式为1，定时时间为20ms，则计数器溢出50次既得风门开启最小单位秒，利用中断方式进行溢出次数累加，记满250次为秒计时(5s)，图4.2Y定时中断子程序满250次保护现场设定温度档位测量值下限值？测量值大于上限值风门保持状态中断返回开风门并报警调用升温系统NYN图4.2 T0中断程序系统中断图4.3 温度检测及子程序的设定温度检测时用DS18B20进行温度检测采样，DS18B20温度检测程序流程图如图4.3所示DS18B20初始化跳过RAM指令发送匹配指令温度转换指令发出DS18B20序列号读出温度值并处理返回图4.3 DS18B20温度检测流程图4.4温度的积分分离PID控制由于温度测量系统的惯性大、滞后性强，一般采用PID控制方法来控制实现，并且控制效果理想。在普通的PID数字控制器中引入积分环节的目的主要是用来消除静态误差，提高精度。但是在启动的开始，结束或者大幅度的变动温度值的时候，短时间内，系统输出将会出现很大的误差，会造成PID运算误差的积累，导致控制量超过执行机构的设置的温度范围，最终引起系统的较大超调，甚至引起系统的震荡，这些在工业生产中都是不允许的。引进积分分离PID控制方法，将使系统得到明显的改善，既保持了积分作用，又适当的减少了超调量，使得控制系统性能得到改善。在设计的温度智能控制系统中，通过单片机对电机的正反转时间来控制烟叶初烘烤炕房的温度，炕房的温度通过DS18B20来进行检测传送到单片机，由单片机来计算系统的误差e，然后根据PID控制规律，发送脉冲信号来决定电机的正反转。温度控制系统结构框图如图4.4所示：温度给定电机驱动电路PID控制温度检测与控制图4.4 温度控制系统结构框图增量式PID算法的输出量得增量如下式（4.1）： （4.1）式中，为第n次，第n-1次，第n-2次的偏差值，分别是比例系数，微分系数，积分系数，T为采样周期。单片机每隔一个固定的时间T将现场温度与用户设定的目标温度的差值带入公式，由公式输出量决定电机转动角度。现场温度与目标温度如果相差很大，电机转动的角度将大大增加，使得现场温度与目标温度偏差迅速减少；反之，两者的温度偏差小，电机转动的角度也将减小，直到实际温度达到目标温度，从而达到了自动控制的目的。PID参数的选择是温度系统成败的关键，它决定了温度控制的精度与反应的灵敏度。数字PID调节器的参数可以参照模拟PID调节器的参数设定的各种方法，根据工艺的要求，决定PID调节器的参数，各个参数对系统的性能影响如下;比例系数P对系统性能的影响：比例系数的加大，将会使系统的灵敏度加大，速度加快，稳态误差减小；但是当P偏大的时候，振荡次数将明显增加，调节时间增加，系统会出现不稳定的状态。P也可以取负数，这主要由执行机构的性能、传感器、以及控制对象的特性所决定。如果P的符号选择不对，那么实际测量值会离控制温度越来越远，如果出现这样的情况，P的符号一定要取反。积分控制I对系统的影响：积分作用使得系统的稳定性下降，I小，积分作用将得到加强，系统将会不稳定，但是能够有效的消除系统误差，提高系统的控制精度。微分控制D对系统的影响：微分作用可以有效的改善系统的动态特性，D偏大的时候，超调量将会变大，调节时间变长：D偏小的时候，超调量也会变大：所以只有取合适的的D值，采用使超调量变小，从而达到减少调节时间的目的。5 系统调试本设计中包含了硬件设计和软件设计两部分。测量功能的实现需要两部分的共同作用。实际上，电子产品的调整和测试是同时进行的，要经过反复的调整和测试，产品的性能才能达到预期的目标。调试的过程主要是对电路的连接，电阻，电容的，以及各个芯片之间的连接检查，是否连接正确以及连接是否可靠。使电路达到预定的功能和性能要求。此外，测量精度作为一个相对综合的复杂因素体，反映了设计产品的测试能力，是设计的重要指标之一，也是衡量测量结果是否有效的重要依据。因此，为使测量结果准确和可靠，应尽量减少误差，提高测量精度。我们必须充分认识测量可能出现的误差，以便采取必要的措施来加以克服。系统所设计的温度控制系统是基于AT89S51单片机所设计的方案，它能够实时显示当前的温度，并能根据用户所要求达到的温度做出实时调节。温度控制系统为一个闭环系统，工作稳定性高，控制精度高。所编写的软件采用了模块化结构，提高了可通用性。本次设计的温度控制系统，提供了单片机以及外围电路，软件还有控制算法的设计，较完整的完成了一个工业系统的温度控制系统。5.1硬件调试硬件调试的主要目的是排除硬件故障，因为外围电路是由面膜板连接的，可能存在连接上的短路，逐步检查各个引脚接线是否存在问题，以及电源，接地的连线是否正确。检查开关是否连接正确，是否能够正常工作，各个电阻，电容是否连接正确，特别是二极管，三级管是否连接正确，避免不必要的损失。接线前，要对设计中所涉及到的元气件有相当的了解，用万用表检测电子元器件是否能够正常工作，从而避免因接线、元器件损坏问题造成短路、短路等事故；接线时要合理安排元气件的位置，避免连接导线冗余（导线过长影响测量精度）；接线完成后，不要急着通电，先万用表检测导线是否接通，电源的正负极有没有接反，以防烧毁电子元器件。确定一切都正确后，接通电源，通电进行软件调试。5.2软件调试软件调试是在仿真软件上进行在线仿真调试，发现和纠正程序错误，同时也能发现你硬件故障。程序的调试首先一个个的子程序进行调试。首先单独调试子程序，检验子程序是否能够实现预期的目的，最后逐渐将子程序连接起来进行总调，看是否能够正常工作，达到预期目的。总调的时候需要特别注意各个程序之间是否能够正确的传递各个参数，特别要注意子程序的现场保护和恢复。5.3 脱机调试软硬件调试成功后，可以将程序下载到AT89S51单片机中，接上电源脱机工作，既然软硬件都已调试成功，脱机运行似乎一定会成功，然而事实往往并不是如此，仍然出现很多故障：（1）连线时采用的是面包板进行组装，液晶芯片1602A与面包板的连接不稳定 。（2）系统工作不稳定。这主要是由于干扰引起的，在温度控制系统中，所设计的输入输出通道比较多，相对的干扰源也会比较多，因此在电源，总线处接对地滤波电容一般可以解决问题。(3) 连线正常，用万用表测量所有的导线都接通，所有的元器件没有烧毁。但是液晶芯片只有背景光，屏幕上无数据显示。5.4 结果分析论述本次设计的温度控制系统可以基本达到设计要求，在读数正确方面与标准温度计的读数误差约为3%左右，对于一般的工业生产基本可以达到要求。理论上，本次设计完成可以达到所要求的温度控制精度，但是在实际过程中，不可避免的会出现各种干扰源，使得数据不够精确，因此，合理的设计思路与方法也是很重要的。此外，本次设计的温度系统具有高可靠性，一定的精度控制，低成本的特点。6 结 论本次设计采用AT89S51单片机，51系列的单片机具有成本较低，功能较强的优点，属于性价比很高的单片机。温度传感器方面采用单总线型数字式的温度传感器DS18B20，提高了采集精度，节约了借口资源。方案还控制了步进电机的正反转，通过风门控制烤箱的温度，使得设计简单可行。在控制精度方面，采用了温度积分分离PID控制，来提高温度精度。在软件方面采用模块化设计编程，使得程序简单，可移植性强。设计方案采用的电子元器件都是市场上比较普遍，但是性能又是比较好的，使得所设计的电路简单，方案造价也比较低。但是设计的系统不能够精确的达到控制温度的调节，调节时间也不够稳定，同时程序也比较简单，实际生产中需要进一步的完善。同时系统也可以考虑控制加热系统，使得温度控制更加精确，同时采用多点测温的方法，使得温度控制更加的精确。在温度调节方面，可以在加热快到设定温度时开启风门的方式减少热惯量对系统温度影响的措施，当温度达到设定要求时，设计一个简单的风门控制程序，每隔一定时间开启风门自动开启一段时间来降低烤箱温度，这样可以更好的做到温度控制精度，使得烟叶的烘烤质量得到充分保证。在温度显示方面可以将单片机连接到PC机上，利用PC机得图形处理能力将温度曲线显示出来，这样可以通过曲线处理，设计更加合理的温度控制程序，来实现温度控制精度。参 考 文 献1 胡汉才. 单片机原理及其接口技术M. 北京: 清华大学出版社, 1995:44-452 何希才. .传感器及其应用电路M. 北京: 电子工业出版社, 2003:19-233 赵负图. 现代传感器集成电路M. 北京: 人民邮电出版社, 200:24-244 李广弟. 单片机基础M. 北京: 航空航天大学出版社, 200128-315 唐光荣. 微型计算机应用技术M. 北京: 清华大学出版社, 2000:66-756 潘良贵. 机械设计M. 北京: 高等教育出版社, 2001:56-757 菜自兴. 智能控制M. 北京: 电子工业出版社, 1990:12-138 贺允东. 数字控制系统M. 北京: 人民邮电出版社, 1986:35-369 林述温. 机电装备设计M. 北京: 机械工业出版社, 1997:77-8510 蒋心怡. 计算机控制工程M. 长沙: 国防科技出版社, 2002:134-17911 王田苗. 计算机控制基础理论及应用M. 北京: 清华大学出版社, 2003:14-1912 陈隆昌. 控制电机M. 西安: 西安电子科技科技大学出版社, 2000:86-9513 徐时亮. 单片机软件设计技术M. 重庆: 科技技术文献出版社重庆分社, 1988:56-7514 Bradley DA. Mechatronics. Electronics in products and processes M. London: Chapman and Hall, 1991: 12-3415 Dinsdale Hunt V. Mechatronics. Mechatronices-Japans M. New York: Chapman and Hall, 1991: 133-139