毕业论文设计-基于CAN总线的温度测控系统的设计.doc

烟台南山学院毕业设计(论文) 第 44 页 烟 台 南 山 学 院毕 业 论 文题目 基于CAN总线的温度测控系统的设计 姓 名： 霍雅慧 所在学院：计算机与电气自动化学院 所学专业： 电气工程及其自动化 班 级： 09电气工程01班 学 号： 200902100143 指导教师： 鞠晓君 完成时间： 2013年5月 基于CAN总线的温度测控系统的设计摘 要温度控制系统是通过各种仪器设备，保证所控制的环境温度保持在规定的范围内，以满足所需要求的调控设备。传统的多点温控系统虽然相较于单点温控系统，误差小、速度快、精度高、工作强度低、效率高、节省了人力物力，但由于集散式控制系统大多采用RS485总线来连接多个节点，虽然能够一对多通信，但挂载的节点少且节点越多、通信效率越低。另外，随着计算机和微处理器的飞速发展，人们对温度控制要求更高、所需要的单片机也在不停的更新换代中，传统控制系统中所用的8位或16位单片机的容量、效率、速度已经不能满足高质量控制温度的要求。利用CAN总线，我们可以实现多节点、高精度、高效率的温度控制。本论文利用所学单片机、自动控制原理、以及现代检测技术及其相关知识并结合CAN总线通讯相关资料，设计了基于CAN总线的温度控制系统。论文的主要工作如下：第一，以ARM处理器作为控制的主体，实现了温度测量、数据采集和传输、调节温度的下位机；第二，利用CAN总线的通信模块实现了PC机与下位机的传输；第三，利用PC机的各种软件实现了温度的动态曲线显示功能；第四，通过PID控制即比例微分控制，实现温度的控制与调整。通过CAN总线的温度控制，实现温控的智能化。关键词：温度控制系统,CAN总线,ARM处理器,PID控制ABSTRACTThe temperature control system is through a variety of instruments and equipment, to ensure that the control of the environment temperature is kept within specified limits, to meet the needs of control equipment requirements. Multi-point temperature control system of traditional although compared with a single point temperature control system, the error is small, fast speed, high precision, low work intensity, high efficiency, save manpower and material resources, but because of the distributed control system mostly adopts RS485 bus to connect to multiple nodes, although the one-to-many communication, but the node less and more nodes, communication efficiency is low. In addition, along with the rapid development of computer and microprocessor, the higher the temperature control requirements, the SCM are constantly updated, capacity, efficiency, speed of 8 or 16 bits MCU used in traditional control system has been unable to meet the high quality control temperature requirements. Using CAN bus, we can realize multiple nodes, high precision, high temperature control.In this paper, using the single-chip microcomputer, automatic control theory, and modern testing technology and the related knowledge and the combination of CAN bus communication related information, design a temperature control system based on CAN bus. The main work is as follows: first, using ARM processor as the control subjects, the lower temperature measurement, data acquisition and transmission, temperature regulation; second, the transmission of PC machine and the lower position machine by communication module based on CAN bus; third, to achieve the dynamic curve of temperature display function using a variety of software PC machine; fourth, through the PID control that proportional differential control and MATLAB simulation, control and adjustment of temperature. The temperature is controlled via the CAN bus, realize the intelligent temperature control.Keywords:temperature control system,CAN bus,ARM processor,PID control目 录1 绪论11.1 课题背景及意义11.1.1 课题背景11.1.2 课题意义11.2 温度控制系统的发展趋势11.3 课题研究内容22 总体方案32.1 温度控制系统的结构32.2 现场总线控制系统42.3 智能节点设计42.4 温度控制算法52.5 小结53 相关技术简介63.1 CAN总线简介63.1.1 CAN总线的工作原理63.1.2 CAN总线的特点和优点63.1.3 CAN总线协议73.2 ARM处理器简介83.2.1 ARM处理器的特点83.2.2 STM32F103处理器93.2.3 STM32F103的主要构成93.3 PID控制简介103.3.1 模拟PID控制103.3.2 比例（P）、积分(I)、微分(D)控制113.3.3 数字PID控制123.3.4 积分分离的PID控制算法133.4 温度传感器DS18B20简介153.4.1 DS18B20的连接设计163.4.2 DS18B20的测温原理163.5 小结184 系统硬件设计194.1 下位机的硬件设计194.1.1 CAN接口的连接设计194.1.2 LCD显示接口204.1.3 协议转换器设计204.2 上位机的硬件设计224.2.1 串口通信224.3 小结235 系统软件设计245.1 下位机的软件设计245.1.1 CAN接口的软件设计245.1.2 转换器的软件设计255.2 上位机的软件设计275.2.1 串口通信275.2.2 界面通信软件实现295.2.3 PC界面305.2.4 实验的调试方法315.3 小结31结论32致谢33参考文献34附录351 绪论1.1 课题背景及意义1.1.1 课题背景温度控制器属于信息技术的前沿尖端产品，在各个领域都有积极的意义，在日常生活中、工业生产中起到了重要的作用。温度控制系统根据用户所需温度与测量温度只差值来控制加热器运作，从而达到改变用户所需温度的目的。很多行业有大量的温控加热设备，用于合成各种所需物品；化工厂需要控制温度，防止化学物质在一定温度下反应爆炸；现代智能楼宇为了迎合人们的需求，需要保持在适宜的温度以内等等。随着经济的高速发展和现代化管理水平的提高，传统的温度控制不仅效率低、误差高，而且安全性能小、占用人力资源多。因此需要一种安全可靠、高效率高精度的温度控制系统。1.1.2 课题意义计算机控制系统广泛应用于工业、农业甚至家庭领域当中，其地位越来越高。而计算机的发展离不开微处理的不断改进和创造，通过提高微处理器的性能，使得计算机在处理数据时的速度、精度有了很大的改进，实现了类似非线性、时变的、参数分布的、最优控制等的各种复杂系统的处理。CAN(Controller Area Network)总线是国际上应用最广泛的现场总线之一，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，其高性能和高可靠性已被认同，并被广泛的应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。ARM（Advanced RISC Machines）处理器是一个精简指令集处理器架构，因其体积小、低功耗、低成本、高性能而广泛地使用在许多嵌入式系统设计中。PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有70多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。结合它们的优点，本课题设计了基于ARM的CAN总线扩展电路，通过PID控制器实现对温度的智能控制。1.2 温度控制系统的发展趋势温度控制系统的发展经历了从模拟、集成机械式到智能电子式，温度控制器从模拟式向数字式、电子式由集成化向智能化、网络化的方向发展。随着计算机微电子技术的发展，计算机与仪器设备之间的界限越来越模糊1。以往的单片机控制，虽然成本低，但已不能满足人们对性能、容量的需求，加之低成本的处理芯片出现，控制的复杂程度增大，因此在温度控制方面，我们放弃单片机，选择处理芯片为开发核心。ARM处理器，具有高精度、高速度、低成本、低功耗、体积小等优势。CAN总线网络各节点之间的数据通信实时性强、开发周期短、已形成国际标准，是最有前途的现场总线之一。因此把CAN总线应用于温度控制系统中，可以提高温控的效率和通信性能。目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志，在控制方法上，因PID控制应用范围广、参数易整定，加之在实践中不断得到改进，由数字PID控制弥补了传统的模拟PID控制的误差缺陷，使得数字PID控制广泛应用于各行各业中。1.3 课题研究内容1、研究如何测量温度；2、研究如何将所得温度信号送入单片机；3、研究如何将温度信号由单片机送入PC机并显示；4、研究如何实现将所得温度与所需温度对比并调节。2 总体方案2.1 温度控制系统的结构温度控制系统一般由PC界面显示控制端、PC与CAN网络连接的转换器、下位机智能节点构成，其系统框图如图2.1所示。图2.1 系统结构框图各级的说明如下：1、 PC机可以反映系统中各个节点的温度曲线并发送控制命令，具有监控的功能。2、 协议转换器通过协议转换器，达到了转换协议、连接上位机和下位机的目的。3、 智能节点智能节点有显示（LCD显示）、温度采集（温度传感器）、控制（驱动电路）、CAN通信的作用。4、 执行机构通过和所需温度比较进而修正环境温度。2.2 现场总线控制系统控制系统自诞生开始，经历了由简单到复杂、由机械到智能的发展。第一代控制系统是气动信号控制系统（PCS）；第二代控制系统是电动系统模拟信号控制；第三代是数字化计算机集中控制系统；第四代是集散控制系统（DCS）；而今我们广泛应用的是第五代现场总线控制系统（FCS）2。现场总线是连接智能现场设备和控制室系统、全数字化、双向传输、多分枝结构的通信网络。它的出现标志着工控领域的一个新的发展，被公认为自动化的计算机局域网。它实现了与现场设备和控制室设备双向、多信息交换，不仅是一个基层网络，而且是开放的，新的全分布式控制系统是一个集智能传感、控制、计算机、数字通信技术为一体的技术。将现场总线应用于控制系统，会带来性能和结构的改善，而在现场总线中应用最广泛的就是CAN总线。本课题中设计的温控系统正是在CAN总线的连接下实现功能工作的。2.3 智能节点设计本系统可控制多个节点，显示不同节点的温度曲线。下位机作为控制系统的核心来实现控制，它是基于ARM处理器的智能节点。下面以单个节点为例介绍它的组成及设计。通过它来采集现场温度数据，并控制执行机构完成温度的只能控制，主要由ARM处理器、CAN通信模块、温度传感器、执行机构、LCD显示和下载接口构成。其中，温度传感器采集外界环境的温度数据，并将模拟量转化为数字量；CAN驱动芯片用来增强处理器内嵌的CAN控制器的差分接收发送能力，使之正常工作；通过温度传感器采集来的温度数据经过算法与标准值比对，产生差值来通过执行机构调节温度；最后的LCD显示可以把当前的温度数值显示出来。一个下位机智能节点的结构框图如图2.2所示：图2.2 下位机智能节点结构框图2.4 温度控制算法自动控制主要是基于反馈概念提出的，反馈理论主要包括：测量、比较和执行。在温度控制中，测量主要是针对变动的温度，将测量的温度与所需温度值相比较，通过这个差值来纠正控制系统的输出3。PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有70多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。但是复杂的控制系统，例如：空调系统制冷时，被制冷的气体需要经过管道才能到达房间内，这时传感器才可以采集温度而进行调整，那么在经过管道输送的时间就是纯滞后时间，在这种的控制过程中，当命令下达后，在纯滞后时间里，系统并没有做出反应，这样就使得系统不能精确地按照被控量来调整，引起调节量过大或偏小，调节时间变长。在这种情况下，就要引进数字PID控制，在传统PID控制原理上，引入了计算机系统的数字控制，根据不同实际目的，产生不同的改进算法，从而满足不同的控制。因其控制规律是通过程序完成的，所以具有方便灵活的优势。2.5 小结本章简要的介绍了温控系统的结构框架，对于快速理解整个系统有一定的帮助。3 相关技术简介3.1 CAN总线简介CAN是由研发和生产汽车电子产品著称的德国BOSCH公司开发的，并最终成为国际标准（ISO11898和ISO11519）的串行数据通讯总线。是国际上应用最广泛的现场总线之一。在北美和西欧，CAN总线协议已经成为汽车计算机控制系统和嵌入式工业控制局域网的标准总线，并且拥有以CAN为底层协议专为大型货车和重工机械车辆设计的J1939协议。近年来，其所具有的高性能、高可靠性和良好的错误检测能力受到重视，被广泛应用于汽车计算机控制系统和环境温度恶劣、电磁辐射强和振动大的工业环境。3.1.1 CAN总线的工作原理当CAN总线上的一个节点(站)发送数据时, 它以报文形式广播给网络中所有节点。对每个节点来说,无论数据是否是发给自己的,都对其进行接收。每组报文开头的11位字符为标识符,定义了报文的优先级,这种报文格式称为面向内容的编址方案。在同一系统中标识符是唯一的,不可能有两个站发送具有相同标识符的报文。当几个站同时竞争总线读取时,这种配置十分重要。当一个站要向其他站发送数据时，该站的CPU把要发送的数据和自己的标识符传送给本站的CAN控制器，并处于准备状态；当它收到总线分配时，转为发送报文状态。CAN控制器将数据根据协议组织成一定的报文格式发出，这时网上的其他站处于接收状态。每个处于接收状态的站对接收到的报文进行检测，判断这些报文是否是发给自己的，以确定是否接受它。3.1.2 CAN总线的特点和优点1、可以多主方式工作，网络上任意一个节点均可以在任意时刻主动地向网络上的其他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活。2、网络上的节点（信息）可分成不同的优先级，可以满足不同的实时要求。3、采用非破坏性位仲裁总线结构机制，当两个节点同时向网络上传送信息时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响地继续传输数据。4、可以点对点、一点对多点（成组）及全局广播几种传送方式接收数据。5、直接通信距离最远可达10km(速率5Kbps以下)。6、通信速率最高可达1MB/s（此时距离最长40m）。7、节点数实际可达110个。8、采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个。9、每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，数据出错率极低。10、通信戒指可采用双绞线、同轴电缆或光导纤维，一般采用廉价的双绞线即可，无特殊要求。11、节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，切断它与总线的联系，以使总线上的其他操作不受影响。3.1.3 CAN总线协议CAN总线标准包括物理层、数据链路层。BOSCH CAN基本上没有对物理层进行定义，但基于CAN的ISO标准对物理层进行了定义。设计一个CAN系统时，物理层具有很大的选择余地，但必须保证CAN协议中媒体访问层非破坏性位仲裁的要求，即出现总线竞争时，具有较高优先权的报文获取总线竞争的原则，所以要求物理层必须支持CAN总线中隐性位和显性位的状态特征。在没有发送显性位时，总线处于隐性状态，空闲时，总线处于隐性状态；当有一个或多个节点发送显性位，显性位覆盖隐性位，使总线处于显性状态。在此基础上，物理层主要取决于传输速度的要求。在CAN中，物理层从结构上可分为三层：分别是物理信号层(Physical Layer Signaling，PLS)、物理介质附件(Physical Media Attachment，PMA)层和介质从属接口(Media Dependent：Inter-face，MDI)层。其中PLS连同数据链路层功能由CAN控制器完成，PMA层功能由CAN收发器完成，MDI层定义了电缆和连接器的特性。目前也有支持CAN的微处理器内部集成了CAN控制器和收发器电路，如MC68HC908GZl6。PMA和MDI两层有很多不同的国际或国家或行业标准，也可自行定义，比较流行的是ISOll898定义的高速CAN发送/接收器标准。理论上，CAN总线上的节点数几乎不受限制，可达到2000个，实际上受电气特性的限制，最多只能接100多个节点。CAN的数据链路层是其核心内容，其中逻辑链路控制(Logical Link control，LLC)完成过滤、过载通知和管理恢复等功能，媒体访问控制(Medium Access control，MAC)子层完成数据打包/解包、帧编码、媒体访问管理、错误检测、错误信令、应答、串并转换等功能。这些功能都是围绕信息帧传送过程展开的。CAN的分层结构如图3.1所示：图3.1 CAN的分层结构3.2 ARM处理器简介3.2.1 ARM处理器的特点作为一种RISC体系结构的微处理器，ARM CPU的关键优点是能兼顾到高性能、低功耗和低价格。首先在低功耗(MIPS/W百万条指令每秒/瓦)方面具有业界领先的性能。ARM的高性能表现为其体系结构是基于RISC流水线架构，它的指令系统和相关译码机制比那些采用微程序的复杂指令系统的计算机(CISC)简单得多。这个简化带来三个优点:指令的高吞吐率；极其有效的实时中断响应；体积小、性价比高的处理器宏单元。3.2.2 STM32F103处理器本论文中选用ARM微处理器STM32F103。STM32F103系列的处理器集成了高性能的ARM Cortex-M332比特RISC内核，工作频率为72MHz，高速率的嵌入式内存(FLASH Memory达到512K，SRAM达64K）I/O接口丰富，外围有两个APB总线，所有的设备提供3个12比特的数模转化器，4个常规模的16比特的延时器乘两个PWM延时器，具有标准先进的通信接口：两个I2C总线，三个SPI接口，两个I2S总线，一个SDIO接口，五个USART，并且内部集成了USB和CAN控制器。它的工作温度范围在-40-105，工作电压为2.0到3.6伏，可以工作在省电模式下的低电压STM32F103系列的处理器的封装形式多样，从64引脚到144引脚，可阻根据不同的设备选择不同的外围需要。3.2.3 STM32F103的主要构成1、嵌入Flash和SDRAM的ARM Cortex-M332比特RISC内核。ARM Cortex-M332比特RISC处理器是最新代的嵌入式处理器，它已经发展成为以减少管脚数量和低功耗的低成本平台来满足MCU实现，而却有着出色的计算功能和先进的中断响应机制，可以兼容所有的ARM工具和软件。2、嵌入式的Flash存储器。32字节的存储器可以有效地存储程序和数据。3、CRC（循环冗余检查）单元。CRC检查器用于从一个32比特数据字里得到一个CRC码和一个外围的发生器，CRC技术在其他的应用中用于不同的数据传送和完整存储，在软件运行过程中产生一个信号来跟连接时产生的参考信号比较，并存储在内存区域。4、内嵌的SARM。10字节的空间可以保证不需要等待CPU时钟而读写数据。5、内部和外部中断控制器。内部中断控制器可以解决43路中断，拥有16级的优先权，外部中断控制器通过19路触发器产生外部中断请求，每一路独立的配置选择触发事件。6、电源提供策略。正常模式，SLOW模式，空闲模式和掉电模式。7、DMA。灵活的7路DMA可以处理存储器之间和存储器与外围之间的转换，每一路通过软件触发来用于硬件的DMA请求。8、具有日历功能的RTC时钟。RTC提供时钟日志功能，报警中断，和周期性的中断。9、I2C总线。I2C可以工作在多主模式和被动模式下，提供标准和快速模式。10、CAN控制器。满足CAN2.0A/B协议，可以接收发送11比特标识符的标准数据帧和29比特的扩展帧，有三个传送盒，两个用于接收FIFO。11、ADC。两个12比特的数模转化器，自动转化输入的模拟信号，可以用于DMA控制器和触摸屏接口。12、串行线和JATG调试接口(SWJ-DP)。ARM的SWJ-DP接口可以实现串行线和JATG的调试。13、GPIO（通用输入输出口）。每一个GPIO可以通过软件实现作为输出、输入和外围的转换功能，大多的管脚都具有数模转换功能。14、看门狗定时器。3.3 PID控制简介3.3.1 模拟PID控制PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其输入e(t）与输出u(t）的关系为：u(t)=KPe(t)+1/ Ti*e(t)dt+Td*de(t)/dt ，式中积分的上下限分别是0和t。因此它的传递函数为：G(s)=U(s)/E(s)= KP1+1/( Ti*s)+Td*s其中KP为比例系数；Ti为积分时间常数；Td为微分时间常数。PID调节的实质：根据输入的偏差信号，按比例、积分、微分的函数关系进行计算，其运算结果用于输出控制。PID控制的应用很广泛，使用方便，只需设定参数Kp、Ti、Td,三者都是可调的，传统的PID控制具有适应性强鲁棒性强等优点，但是它不能控制复杂的过程。典型的PID控制结构如图3.2所示：图3.2 PID控制结构3.3.2 比例（P）、积分(I)、微分(D)控制1、比例控制比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系，即GC(s)=KP ,其中KP为比例系数。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。比例控制只改变系统的增益而不影响相位，在系统的稳态误差和稳定性上作用，比例系数影响着系统的响应速度，如果想增大开环增益就可以增大比例系数，减少稳态误差，从而提高控制精度，但是因此会产生很大的超调量而付出稳定性下降的代价，或者造成闭环系统不稳定，所以在控制系统中，比例控制一般不会单独使用，可采用比例微分控制。2、积分控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。积分控制是指系统中具有积分控制规律的控制，它的传递函数为：GC(s)= Ti/s，其中Ti是积分系数。对于一个控制系统，如果进入稳态后还有稳定误差的话，那么这个系统称为有差系统，为了消除这个稳定误差，那么就会在控制中加入积分项，积分的时间决定了误差的大小，时间增加，积分就会加大，误差相应的减小，通常情况下，积分控制的主要目的是系统没有稳定误差，但是积分会产生相位滞后而使系统的稳定性变差，加入积分项实际上就是加入了极点，可以使系统没有稳定误差，可是会使瞬态响应造成影响。3、微分控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。微分的作用是察觉系统偏差信号的变化率，提前控制偏差的变化，可以在偏差没出现时就可以把误差消除掉。它的传递函数为：GC(s)= Tds。由于可以预见偏差，所以在时间常数选择合适的前提下，可以减少超调量，提高系统的性能，但是微分控制对外界干扰也有放大作用，因此它会对系统的抗干扰性造成影响，由于微分反映的是变化率，因此当信号没有变化时，它没有调节作用，它也不在控制系统中单独使用，通常结合比例微分或PID控制。总之，比例环节可以在系统产生偏差时，可以产生控制作用，以减少偏差。积分环节主要可以消除稳定误差，提高系统的无差度，积分作用的强弱取决于积分时间的长短，时间越长，作用越弱。微分环节可以反映偏差的变化趋势，给出提前量，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。3.3.3 数字PID控制在计算机控制系统中，我们通常会用数字PID控制器。模拟PID控制器由于本身的局限性，很多控制得不到实现，而引入了计算机系统的数字控制后，应运而生很多改进的算法，不仅可以用常规PID调节，还可以根据系统的要求，采用各种PID的变种，如PI、PD控制、不完全微分控制、积积分分离式PID控制、带死区的PID控制、变变速积分PID控制、比例PID控制等，以满足不同的控制。而且控制规律是通过程序完成的，不需要求出数学模型，易被人们熟悉和掌握，控制效果好，方便灵活。PID控制算法的数字实现：采用单片微机作为控制器核心的自动控制系统简化框图如图3.3所示：图3.3 单片机自动控制系统简化框图它是由单片微机系统通过A/D电路检测过程变量Y，并计算误差e和控制变量u，通过D/A变换后输出到执行机构，使过程Y稳定在设定点上。由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的误差计算控制变量u，因此模拟PID控制算法公式中的积分项和微分项不能直接准确计算，只能用数值计算的方法逼近。数字PID控制算法主要可以分为位置式PID控制算法和增量式的PID控制算法4。位置式PID控制算法：在采样时刻t=i*T(T为采样周期，i为正整数)，通过数值公式近似计算得：增量式PID控制算法：当执行机构需要的不是控制量的绝对值，而是其增量时，由上式可导出增量式PID计算公式：上式可以进一步改写为：ui=d0ei+d1ei-1+d2ei-2，式中d0=KP* (1+T/Ti+Td/T), d1=- KP*(1+2Td/T), d2= KP*Td/T。3.3.4 积分分离的PID控制算法在实际的控制系统中，控制变量的实际输出值往往受到执行机构性能的约束，而被限制在有限的范围内，即uminuumax。如果微机输出的控制变量超出此工作范围，则实际执行的控制量就不再是计算值，由此将引起不期望的效应，称为饱和效应。图3.4 PID位置算法的积分饱和现象如果由于负载突变等原因，引起误差的阶跃，若根据PID算法公式计算出的控制量u超出了控制范围，例如uumax，那么实际上控制变量u就只能取上界值umax，而不是计算值，此时系统变量Y输出值虽在不断上升，但由于控制量受到限制，其增长要比没有受限制时慢，误差e将比正常情况下持续更长的时间保持在正值，而是公式中的积分项有较大的累计值，当过程变量输出值Y超出给定值后，开始出现负差，但由于积分项的累计值很大，还要经过一段时间t后，控制变量u才脱离饱和区，这样就使系统出现明显的超调，这种饱和作用是由积分项引起的，故称为积分饱和。为了克服积分饱和，进行PID算法改进，采用积分分离的思想，在开始时不进行积分，直至偏差达到一定值后，才进行积分，即仅当误差的绝对值小于预定的门限值时，才进行积分累积。这样一方面防止了一开始就有过大的控制量，另一方面即使进入饱和后，因积分累积小，也能较快退出，减少了超调，控制效果得到了很大的改善。图3.5 积分分离法克服积分饱和PID有很多算法的改进，其中包括微分先行的PID、带死区的PID、带有Smith预估器的PID等，微分先行的PID特点是对输出量C(t)微分处理，而对给定值r(t)不做微分，微分的作用是改善系统的动态特性，因此先行微分控制适合于给定值r(t)频繁改变的情况，可以避免改变其过频的改变带来系统的震荡，不适合与温度控制这种缓慢的变化场合；带死区的PID控制很难确定死区e的值，e的值太小，会引起控制动作过于频繁，达不到稳定控制的目的，e的值过大，则引起系统大的滞后：对于纯滞后的系统可以应用Smith预估器，可以得到很好的控制效果，但是它的前提是建立在精确对象模型的基础之上，对于一些复杂而难以用数学模型表示的系统，Smith预估的方法也会失去效果。通过比较，本着减少超调量，提高控制精度的宗旨，本论文决定应用积分分离的PID控制。图3.6 采用积分分离法的PID位置算法框图 3.4 温度传感器DS18B20简介温度传感器是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。温度传感器有四种主要类型：热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器（RTD）和IC温度传感器。IC温度传感器又包括模拟输出和数字输出两种类型。DS18B20数字温度传感器是美国的DALLARS公司生产的具有数模转换功能的温度传感器芯片，它体积小、接线方便，封装成后可应用于多种场合，主要根据应用场合的不同而改变其外观。封装后的DS18B20可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。耐磨耐碰，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。3.4.1 DS18B20的连接设计DS18B20只有三个管脚，在外部电源供电方式下，其中一只接微处理器的输入输出管脚，其他两只分别接地和接电源，在工作时，它是通过单总线的方式进行数据传送的。DS18B20工作电源由VCC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。图3.7 DS18B20连接图3.4.2 DS18B20的测温原理DS18B20的工作电压在3到5V，每一块芯片上都有它的序列号，这个是唯一的5。由于可以编程改变温度的位数，因此可以人为根据需要调节它的温度分辨率。每一个DS18B20在出厂前就设置好了只读存储器中的序列号（64位）。以此作为其地址序列码。此64位ROM的设置顺序为：最前面的8位（28H）是产品类型标号，接下来48位是温度传感器唯一的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+I）。设置ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，因此就可以在一根总线上挂载不止一个DS18B20。DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。暂存RAM主要用来存放初始化数据和工作过程中所产生的数据，包括8个字节从而确保了单总线数据传送过程中的完整性。温度报警主要通过E2RAM实现的，系统掉电后数据依然存在。该装置信号线高的时候，内部电容器储存能量经由内部VDD线路给片子供电，而且在低电平期间为片子供电直至下一个高电平的到来重新充电。温度传感器DS18B20内部结构框图如图3.8所示：图3.8 温度传感器内部结构框图由于DS18B20是通过一条I/O总线读写数据的，因此务必要遵循其工作时序。通信协议可以保证DS18B20数据传输的正确性和完整性。协议定义了信号的时序：初始化时序、读时序、写时序。所有时序都规定了把主机设置为主要单元，单总线器件设置为次要单元。温度采集时的所需要的指令和温度值的传输都是从主机自动启动并开始“写时序”作为起点，如果要求温度采集的次要单元反馈数据，那么在写完指令后，主机就要启动“读时序”来接收数据，温度值和指令的传输都是低位在先。DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例：用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625/LSB形式表达，其中S为符号位。其温度格式表如表3.1所示：表3.1 DS18B20的温度值格式表bit 7bit 6bit 5bit 4bit 3bit 2bit 1bit 0LS Byte232221202-12-22-32-4bit 15bit 14bit 13bit 12bit 11bit 10bit 9bit 8MS ByteSSSSS262524该温度传感器的两个8位的RAM会存储转化而来的12位数据，开始的五位是符号位，将测到的数值与0.0625相乘就可以得到温度值，如果温度为零下，则这五位为1也就是说，当温度为+100时，输出值应为0640H，-50