河南师范大学本科毕业论文（设计）
2 温度控制设计方案
本设计采用LabVIEW和AVR单片机组成系统的主要模块。由下位机把单线式温度传感器DS18B20测量到的温度，通过串口发送到的由LabVIEW构建的上位机去。然后在上位机中进行处理和显示，通过PID或者模糊算法，计算出要输出的控制量，再由串口将数据发送到下位机，交由下位机处理。下位机根据一定的关系，输出一定的信号来控制固态继电器的通断。固态继电器的交流端就会因为通断而控制水泥电阻工作与否，以此达到控制温度的目的。
2.1 硬件及软件的选择 2.1.1硬件的选择
系统的硬件设计主要分为四个部分：主控部分、DS18B20测温部分、通信部分、程序下载部分。
在下位机控制器上，由于需要采用PWM技术对加热装置进行控制，而传统的51系列单片由于其内部并不具有专门的PWM模块，当从上位机发送控制数据时，就必须采取中断才能执行这个过程。由于AVR系列单片机内部均有现成的PWM模块，可以在进行采集温度的同时，进行PWM控制。所以，本设计选择Atmel公司生产的ATMega16八位高性能微处理器。AVR单片机是1997年由ATMEL公司研发出的增强型内置Flash的RISC(Reduced Instruction Set CPU) 精简指令集高速8位单片机。AVR的单片机可以广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器等各个领域，它与51单片机、PIC单片机相比具有一系列的优点：
(1)在相同的系统时钟下AVR运行速度最快； (2)芯片内部的Flsah、EEPROM、SRAM容量较大；
(3)所有型号的Flash、EEPROM都可以反复烧写、全部支持在线编程烧写(ISP)； (4)多种频率的内部RC振荡器、上电自动复位、看门狗、启动延时等功能，零外围电路也可以工作；
(5)每个IO口都可以以推换驱动的方式输出高、低电平，驱动能力强；
(6)内部资源丰富，一般都集成AD、DA模数器、PWM、SPI、USART、TWI、I2C通信口、丰富的中断源等。
目前支持AVR单片机编译器的语言主要有汇编语言、C语言、BASIC语言等。其中C编译器主要有CodeVisionAVR、AVRGCC、IAR、ICCAVR等，C语言编译器由于它具有功能强大、 运用灵活、代码小、运行速度快等先天性的优点，使得它在专业程序设计上具有不可代替的地位。
测温部分，本设计采用美国DALLAS公司生产的一线式温度传感器DS18B20（如图2-1）。数字式温度传感器DS18B20是美国DALLAS公司推出的一种可组网数字式温度传感器，采用1-wire总线接口，测温范围为-55℃—+125℃，精度可达0．067 5℃ ，最大转换时间为200ms 。DS18B20能够直接读取被测物体的温度值，体积小，电压适用范围宽(3V~5V)，
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用户还可以通过编程实现9--12位的温度读数，即具有可调的温度分辨率。DS18B20与单片机的接口简单，只需将信号线与单片机的一位双向端口相连即可 。
系统中DS18B20采用外接电源方式，VDD端用3V～5．5V电源供电。由于其测温分辨率较高(12位)，因此对时序及电特性参数要求较高，必须严格按照时序要求操作。其数据的读写是由主机读写特定时间片来完成的，包括初始化、读时间片和写时间片。 DS18B20的主要特征： ??全数字温度转换及输出。 ??先进的单总线数据通信。
??最高12位分辨率，精度可达土0.5摄氏度。 ??12位分辨率时的最大工作周期为750毫秒。 ??可选择寄生工作方式。
??检测温度范围为–55°C ~+125°C ??内置EEPROM，限温报警功能。 DS18B20引脚功能：
·GND 电压地 ·DQ 单数据总线 ·VDD 电源电压 图2-1 DS18B20
功率控制部分，本设计采用无锡天豪公司生产的GTJ24-2A固态继电器。电气参数为：输入控制电压3-14VDC（自动限流），关断电压1.2VDC，开启电流5mA,控制电流<25mA，工作电压24-240VAC。该固态继电器为过零型继电器，在电流过零时导通，过零时关断。相对于随机型的固态继电器，使用过零型的固态继电器可以使本设计比较方便地控制固态继电器中双向晶闸管的导通周期数，从而控制加热元件的工作时间。
通信部分，由于温度变化并不是一个很快的过程，所以并不需要很高的数据采集和发送速度。而且，计算机的各种通信方式中，尤以串口通信方式最为简单，因此本设计采用传统的RS-232串口通信。由于单片机的工作电平TTL电平，它要与计算机上的串口进行通信，就必须转换成相应的计算机串口电平，也就是RS-232电平。在本设计中采用美国MAXIM公司生产的MAX232进行电平转换。 2.1.2软件的选择
软件选择包括下位机程序的编译软件和上位机的编程软件。
下位机的编译软件，通常有ICC AVR、WinAVR（也就是通常所说的GCC）、IAR AVR、CodeVision AVR、ATman AVR，在这里使用ICC AVR和AVR Studio的组合。这是因为市面上(大陆)的教科书使用ICC AVR作为例程的较多，集成代码生成向导，虽然它的各方面性能均不是特别突出，但使用较为方便；而AVR Studio集软硬件仿真、调试、下载编程于一体，有效弥补了ICC AVR仿真能力的不足，同时还可以有效地对程序进行调试。
上位机方面，本设计采用目前NI最新的LabVIEW 8.6进行编程。结合上NI为工业控制而开发的PID和模糊逻辑控制包，可以轻松地实现PID或模糊控制。
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2.2 硬件及软件设计方案 2.2.1硬件设计方案
下图给出系统硬件组成框图，由计算机、单片机、测温电路及温度控制电路组成。该系统集计算机、强大的图形化编程软件和模块化硬件于一体，建立灵活且以计算机为基础的测量及控制方案，构建出满足需要的系统。利用传感器获取温度信号，再由单片机组成的小系统对温度信号进行采集、处理和转换，然后通过RS-232串口将数据送给计算机．并通过计算机运行的LabVIEW程序来分析处理输入数据．最终由计算机显示结果。
同时，通过计算机串口采样输入信号，利用LabVIEW中的PID控制算法，求出系统输出信号的大小，再由串口将输出信号传输至外部温度控制电路，以实现温度控制。（如图2-2）
温度测控对象 温度测量电路 温度控制电路 单片机 计算机
图2-2 系统组成框图
2.2.2软件设计方案 (1)PID控制
PID(Proportional Integral Derivative比例微分积分)控制是控制工程中技术成熟，应用广泛的一种控制策略，它经过长期工程实践，已形成了一套完整的控制方法和典型的结构。
PID控制器结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便（如图2-3）。当被控对象的结构和参数不能完全被掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。因此当不能完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，就是PID的用武之地。
期望值 反馈 测量装置 PID控制器 执行机构 被控对象 输出
图2-3 PID控制系统
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PID顾名思义，就是根据系统误差利用比例，微分，积分计算出控制量进行控制。比例，积分，微分这三个环节又相互独立，有各自不同的作用，在现场也可以根据实际情况来选择使用。 P控制（比例控制）
如果控制器的输出仅仅与误差成正比关系，即u(t)= Kpε(t)，便构成了一个比例控制器（如图2-4），可见比例控制器实际上是一个增益可调的放大器。比例控制器通过改变比例放大系数Kp调节输出，对误差的反应很快，但是其输出与期望值之间总是存在一个稳态误差，必须使用手动复位来消除，在实际运用中很不方便。提高Kp值可以增加系统的开环增益，使稳态误差减小，还能够增加系统的快速性；但容易使系统的稳定程度变差，振荡变多。而当Kp值小时，又会使系统动作变得缓慢，所以校正系统很少单独使用P控制。
ε(t)
误差 u(t)Kp
图2-4 比例控制
I控制（积分控制）
由于P控制存在稳态误差需要手动复位，人们发现可以通过引入一个积分项来消除稳
1t?(t)d(t)态误差。积分控制器的输出与误差信号的积分成正比，即 ，所以PI控制Ti?01t??器的输出有： u(t)?Kp??(t)???(t)d(t)?Ti0?? tKpt?Kp?(t)??(t)dt?Kp?(t)?Ki?(t)dt??00 Ti积分项对误差进行积分，随着时间的增加积分项增大，只要误差还存在，就会不断输出。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零，以达到消除稳态误差的目的。因此，PI控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。但是对时间的积分必将影响系统的快速动态性能，对于一些系统会出现超调过大的现象，严重的甚至引起系统崩溃。 D控制（微分控制）
积分控制的动态性能不好，而微分项恰好可以弥补这点。微分控制器的输出和误差信号的微分成正比，即，所以PD控制器的输出有：
dd??u(t)?Kp??(t)?Td?(t)??Kp?(t)?KpTd?(t)dtdt??
d?Kp?(t)?Kd?(t) dt微分作用反映的是误差信号的变化率，所以对系统控制具有预见性，能预见误差的变
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化趋势，因此能产生超前的控制作用。甚至在误差形成之前，可能已被微分调节作用消除。所以如果微分时间选择合适，可以减少超调和系统调节时间，使系统的动态性能大大提高。微分控制在实际运用中经常用来抵消积分控制产生的不稳定趋势，但因其反应的是误差的变化率，所以仅对动态过程作用，通常不单独使用。而且微分控制对噪声干扰有放大作用，过强地调节微分项对系统抗干扰能力不利。 PID控制
PID控制即比例控制、积分控制、微分控制的组合，综合了3种控制器的优点。 实际运用中，有时也不需要用到全部的三个部分，只有比例控制单元是必不可少的。对于PID控制器，输出为：
1tdKptd?? u(t)?Kp??(t)???(t)dt?Td?(t)??Kp?(t)??(t)dt?KpTd?(t)?00TidtTidt?? td?Kp?(t)?Ki??(t)dt?Kd?(t) 0dtPID控制实际就是根据经验，对Kp，Ti，Td这3个参数进行整定，以得到合适的输出值对系统进行控制。具体如何整定，根据不同的现场有所不同。
目前PID不仅应用广泛，发展也很快，已研究出很多对这3个参数进行自整定的智能控制器。在和计算机这样的数字控制器结合后，还出现了数字PID的设计方法，不过具体原理还是遵循于传统。 (2)模糊控制
模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制。通常是一类缺乏精确数学模型的被控过程，采用模糊集合的理论，总结人们对系统的操作和控制经验。
用模糊条件语句写出控制规律，再用算法语言来编写程序，按此程序对生产过程进行自动控制。模糊控制同常规的控制方案相比，主要特点有：
①模糊控制只要求掌握现场操作人员或有关专家的经验、知识或操作数据， 不需要建立过程的数学模型，所以适用于不易获得精确数学模型的被控过程，或其结构参数不很清楚等场合。
②模糊控制是一种语言变量控制器，其控制规律只用语言变量的形式定性地表达，不用传递函数与状态方程，只要对人们的控制经验加以总结，进而从中提炼出规则，直接给出语言变量，再应用推理方程进行观察与控制。
③系统的鲁棒性强，尤其适用于时变、非线性、时延系统的控制。
④从不同的观点出发，可以设计不同的目标函数，其语言控制规则分别是独立的，但是整个系统的设计可得到总体的协调控制。
模糊控制的理论基础是模糊集合理论，模糊集合是一种介于严格变量与定性间的数学表达形式，例如变量的数值分为正大（PL）、正中（PM）、正小（PS）、零（O）、负小（NS）、负中（NM）、负大（NB）等。其中P=Posive，B=Big，M=Medium，S=Small，O=Zero，N=Negative。模糊集合理论的核心是对复杂的系统或过程建立一种语言分析的数学模式，提供一个严格
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