畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-基于AT89s52單片機(jī)的水溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、 基于AT89s52單片機(jī)的水溫控制系統(tǒng)【引言】    單片機(jī)在電子產(chǎn)品中的應(yīng)用已經(jīng)越來(lái)越廣泛，在很多的電子產(chǎn)品中也用到了溫度檢測(cè)和溫度控制。隨著溫度控制器應(yīng)用范圍的日益廣泛和多樣性，各種適用于不同場(chǎng)合的智能溫度控制器應(yīng)運(yùn)而生。在科研、生產(chǎn)中，常常需要對(duì)某些系統(tǒng)進(jìn)行溫度的監(jiān)測(cè)和控制。需檢測(cè)和控制的溫度系統(tǒng)一旦確定，其熱慣性大小和散熱等各項(xiàng)硬件條件就確定了。這時(shí)，影響系統(tǒng)熱平衡的因素主要有：系統(tǒng)溫度Realtemp、設(shè)定溫度DES的、系統(tǒng)周圍的環(huán)境溫度Ts 以及加熱方式和調(diào)節(jié)方法。下面介紹如何用“單片機(jī)模型法”來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)溫度的自動(dòng)控制。用這種方法控溫，使整個(gè)系統(tǒng)靈活

2、、可靠性高，系統(tǒng)達(dá)到熱平衡較快，而且精度也比較高，融合了前面列舉方法的優(yōu)點(diǎn)，而且更加簡(jiǎn)單方便?！皢纹瑱C(jī)模型法”是根據(jù)設(shè)計(jì)需要建立模型曲線，再根據(jù)模型曲線各階段的特點(diǎn)，選擇相應(yīng)的加熱模式，然后通過(guò)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。 摘 要本設(shè)計(jì)介紹了如何應(yīng)用單片機(jī)使溫度測(cè)控系統(tǒng)中的測(cè)量和控制智能化。主要目的是用單片機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)溫度控制器通過(guò)運(yùn)用分段變參數(shù)PID控制算法，使得溫度保持在給定的溫度值上。介紹了一種基于AT89S52單片機(jī)的溫度測(cè)控裝置。該裝置可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測(cè)量，并能根據(jù)設(shè)定值對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)控溫的目的?？刂扑惴ɑ跀?shù)字PID算法。本系統(tǒng)的核心部件是AT89S52單片機(jī)。首先建立控溫模

3、型，通過(guò)硬件的合理配置及用軟件選擇合適的加熱模式，使控制滿足模型中不同階段的要求。系統(tǒng)的采集模塊采用了18B20溫度傳感器作為測(cè)溫組件，而控制模塊則采用AT89S52單片機(jī)控制固態(tài)繼電器的導(dǎo)通與截止，從而控制加熱電壓的通與斷，使控制具有靈敏、可靠、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。本文重點(diǎn)闡述了系統(tǒng)的硬件構(gòu)成、各部分的主要作用及系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)過(guò)程。本次設(shè)計(jì)對(duì)單片機(jī)在溫度控制系統(tǒng)中的基本理論和應(yīng)用技術(shù)作了較為全面的介紹?！娟P(guān)鍵字】單片機(jī)、溫度測(cè)控、溫度傳感器Abstract The design of the application microcontroller to temperature measure

4、ment and control system of intelligent measurement and control. Main purpose is to use a microcontroller design temperature controller through the use of PID control algorithm, makes temperature in a given temperature values. Introduced a microcontroller-based AT89S52 the temperature measurement and

5、 control devices. The device can achieve the right temperature measurement, and set value based on the environmental temperature regulation, temperature control to achieve the purpose. Control algorithm based on digital PID algorithm. The system is the core component AT89S52 SCM. First established t

6、emperature control model, the rational distribution of hardware and software to choose a suitable heating mode, controlling the model to meet the requirements of different stages. System Acquisition Module 18 B20 used as a temperature sensor temperature components, The control module is used AT89S52

7、 MCU control solid state relay conduction with the deadline, thus control the heating voltage and broken links, so the control is a sensitive, reliable, anti-jamming capabilities, and so on merit. This paper focuses on the hardware configuration of the system, the main part of the role and system so

8、ftware design process. The design of the microcontroller temperature control system of the basic theory and application of techniques were more comprehensive presentation. 【Keywords】:Microcontroller, temperature monitoring, temperature sensors.一、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與論證方案一   采用8031作為控制核心,用熱敏電阻采集溫度，以使用最為普

9、遍的器件ADC0809作模數(shù)轉(zhuǎn)換,控制上使用對(duì)電阻絲加電使其升溫和開(kāi)動(dòng)風(fēng)扇使其降溫。此方案簡(jiǎn)易可行,器件的價(jià)格便宜,但8031內(nèi)部沒(méi)有程序存儲(chǔ)器,需要擴(kuò)展,增加了電路的復(fù)雜性, 熱敏電阻采集溫度速度和精度都很差。且ADC0809是8位的模數(shù)轉(zhuǎn)換,不能滿足本題目的精度要求。方案二   采用比較流行的AT89S52作為電路的控制核心,使用18B20溫度傳感器作為測(cè)溫組件對(duì)水溫進(jìn)行進(jìn)行監(jiān)控、采樣、反饋給單片機(jī)。應(yīng)用分段變參數(shù)PID算法分析得出控制通斷時(shí)間?？刂齐娐凡糠植捎每刂乒虘B(tài)繼電器的通斷和風(fēng)扇以實(shí)行對(duì)電爐溫度的連續(xù)控制, 18B20溫度傳感器各方面性能上都優(yōu)于熱敏電阻，且18

10、B20是數(shù)字溫度傳感器，不需要A/D轉(zhuǎn)換電路。此方案優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單并且可以滿足題目中的各項(xiàng)要求的精度 。綜上分析,我們采用方案二。系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖如下：?jiǎn)纹瑱C(jī)+顯示模塊鍵盤輸入加熱控制加熱裝置數(shù)據(jù)采集傳感器水散熱控制風(fēng)扇二、硬件電路的設(shè)計(jì)1. AT89S52單片機(jī)系統(tǒng) 選用AT89S52作為主芯片,因?yàn)榇诵酒?KB的程序存儲(chǔ)器和256字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器不用擴(kuò)展芯片。以降低硬件電路復(fù)雜度。1.1輸入鍵盤設(shè)計(jì)我們采用的鍵盤是4*4的，其中有0到F，可以在40到90攝氏度之間任意設(shè)定值。我們的系統(tǒng)要求第一次輸入的值要在4到9之間。當(dāng)小于4或大于9時(shí)系統(tǒng)不處理。等待輸入正確的值。當(dāng)系統(tǒng)得到正

11、確的輸入值時(shí)鍵盤鎖定。隨后的輸入系統(tǒng)必須復(fù)位。鍵盤是用AT89S52的P0口來(lái)控制的。1.2輸出顯示設(shè)計(jì)顯示是應(yīng)用LED來(lái)顯示的，通過(guò)ATF1508來(lái)設(shè)計(jì)編碼。其實(shí)質(zhì)就是為了程序在一定的條件下更加的合理與簡(jiǎn)潔。在單片機(jī)AT89S52與ATF1508通信是應(yīng)用到AT89S52的P2。LED的前四位為實(shí)時(shí)采樣回來(lái)的溫度。后三位為哦們想要的目標(biāo)溫度。1.3與上位機(jī)的串口通信 為了實(shí)時(shí)的對(duì)溫度的變化更加直觀的顯示我們還用上位機(jī)的串口通信 用計(jì)算機(jī)來(lái)打印數(shù)據(jù)。2.傳感器和測(cè)溫電路的設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)師采用18B20來(lái)對(duì)溫度進(jìn)行采樣的，溫度傳感器示意圖 18B20是全數(shù)字的，其分辨率達(dá)到0.0625攝氏度。并且

12、它的外圍電路十分簡(jiǎn)單。工作效率高。在工作的范圍（-55125）攝氏度之間都可以很好的工作。 3.電爐功率控制 采用對(duì)電爐兩端的電壓進(jìn)行通斷的方法,用單片機(jī)產(chǎn)生PWM波以實(shí)現(xiàn)對(duì)水加熱功率進(jìn)行控制，不同的占空比對(duì)應(yīng)不同的功率，具體控制中占空比的實(shí)時(shí)值是根據(jù)模糊控制規(guī)則來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)。（1） 弱電控制強(qiáng)電：用固態(tài)繼電器 電路圖如下（2） PWM波：4.降溫控制：4.1風(fēng)扇的控制：風(fēng)扇是用來(lái)降溫的，他的工作原理也是應(yīng)用繼電器來(lái)控制的。在一定的溫度范圍內(nèi)。風(fēng)扇開(kāi)始工作。電路圖如下： 4.2冰水混合物 應(yīng)用冰水混合物進(jìn)行溫度標(biāo)定，標(biāo)定為0攝氏度 。三、軟件的設(shè)計(jì) 1、工作原理以及設(shè)計(jì)思路本智能溫度控制系統(tǒng)是通

13、過(guò)控制加熱電源的通斷來(lái)控制溫度和改變加熱升溫速度。加熱過(guò)程需要考慮的因素主要有：被加熱對(duì)象的熱容量的大小、系統(tǒng)向外界擴(kuò)散熱量的多少以及系統(tǒng)熱擴(kuò)散的速度?？焖偕郎貢r(shí)間t應(yīng)由t1和t2兩部分組成，即      tt1t2    其中：t1為為了補(bǔ)償系統(tǒng)向環(huán)境散熱而需要加熱的時(shí)間；t2為系統(tǒng)（實(shí)際）溫度與設(shè)定（目標(biāo)）溫度有差額時(shí)需加熱的時(shí)間。    在溫度調(diào)節(jié)階段，降溫和升溫過(guò)程交替出現(xiàn)，程序通過(guò)圖1中的分界點(diǎn)Tr、T1、T2來(lái)調(diào)節(jié)溫度的升降，最終使系統(tǒng)達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定進(jìn)入恒溫保持階段。根據(jù)模型曲線不同階

14、段的要求，可以通過(guò)PID軟件自動(dòng)控制它的加熱模式。對(duì)一個(gè)任務(wù)而言，溫度加熱、調(diào)節(jié)及恒溫保持階段軟件設(shè)計(jì)流程圖。本系統(tǒng)是個(gè)多步智能溫度控制器，它可以完成預(yù)先設(shè)置的若干個(gè)任務(wù)，即每個(gè)步驟的溫度值及恒溫需要保持的時(shí)間。每步都重復(fù)的程序流程。2、模型曲線及控溫參量的確定2.1） 模型曲線的建立    圖為控溫模型曲線。圖中T為系統(tǒng)溫度，Ta為設(shè)定溫度?？販剡^(guò)程共分為三個(gè)階段：快速加熱、溫度調(diào)節(jié)和恒溫保持。其中第一階段只有簡(jiǎn)單的快速升溫過(guò)程，而其余階段均由升溫和降溫過(guò)程即溫度調(diào)節(jié)過(guò)程組成。根據(jù)設(shè)計(jì)需要針對(duì)各階段要求如下：在快速加熱階段即在達(dá)到點(diǎn)Tr之前，加熱速度要快，使系統(tǒng)

15、溫度T以盡量短的時(shí)間達(dá)到設(shè)定溫度Ta。當(dāng)T達(dá)到設(shè)定溫度Ta時(shí)即停止加熱，在停止加熱后由于熱慣性，T將繼續(xù)升高，使得T會(huì)超過(guò)Ta而達(dá)到最大值A(chǔ)點(diǎn)。在溫度調(diào)節(jié)階段，以T1、T2點(diǎn)為分界點(diǎn)降溫與升溫過(guò)程重復(fù)出現(xiàn)。進(jìn)入恒溫保持階段，要求系統(tǒng)溫度T能穩(wěn)定在設(shè)定溫度Ta的附近，并保持夠設(shè)定的時(shí)間直到系統(tǒng)進(jìn)入到下一個(gè)設(shè)定的任務(wù)為止。曲線上A、B、C為極大值點(diǎn)，D、E、F為極小值點(diǎn)；它們的絕對(duì)值隨時(shí)間增加都在逐漸減小，進(jìn)入恒溫保持階段后在允許誤差范圍內(nèi)趨于穩(wěn)定。2）模型曲線控制參量的確定    模型曲線中的控制參量是在反復(fù)多次的實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上最終確定下來(lái)的。圖中的Ta是每個(gè)任務(wù)預(yù)設(shè)

16、的溫度值，Tr和T2點(diǎn)是系統(tǒng)停止加熱的起始點(diǎn)，而T1點(diǎn)則是系統(tǒng)開(kāi)始加熱的起始點(diǎn)。T1T1Ta2、 T2T2Ta2是系統(tǒng)加熱和調(diào)節(jié)過(guò)程中的兩個(gè)門坎值，而Tr是系統(tǒng)的一個(gè)重要的分界點(diǎn)，具體說(shuō)明如下：    在快速加熱的過(guò)程中，當(dāng)系統(tǒng)溫度第一次達(dá)到預(yù)置的某個(gè)階段的設(shè)定溫度即達(dá)到Tr點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)就立即停止加熱，之后系統(tǒng)由于熱慣性會(huì)繼續(xù)升溫到最大值A(chǔ)點(diǎn)，而后開(kāi)始降溫；在降溫過(guò)程中，T到達(dá)T1點(diǎn)即TTa2時(shí)，系統(tǒng)開(kāi)始預(yù)加熱，即緩沖系統(tǒng)溫度持續(xù)下降的幅度；在升溫過(guò)程中，當(dāng)達(dá)到T2點(diǎn)即TTa2時(shí)，停止加熱，即防止由于熱慣性導(dǎo)致溫度的極大值過(guò)大。由此可見(jiàn)Tr、T1及T2點(diǎn)的溫度值是軟

17、件設(shè)計(jì)中需要參考的重要參量。3）系統(tǒng)的控溫算法主要有兩個(gè)部分組成：1. 分段變參數(shù)控制算法溫度控制子程序，采用分段變參數(shù)控制算法，隨溫度自適應(yīng)控制占空比來(lái)控制電爐的功率，使溫度穩(wěn)定在目標(biāo)溫度范圍內(nèi)。 分段變參數(shù)控制算法分段變參數(shù)控制算法是用來(lái)控制快速升溫階段與溫度調(diào)節(jié)階段的。在這個(gè)階段我們采用分段變參數(shù)控制算法使得溫度的升高速度更快。更快的進(jìn)入我們的預(yù)期值。在溫度調(diào)節(jié)階段我們采取分段變參數(shù)控制算法與PID算法共同使用。最終使得溫度在一定的范圍內(nèi)穩(wěn)定下來(lái).分段變參數(shù)控制算法程序設(shè)計(jì)流程圖：2. PID算法PID算法的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)實(shí)際溫度值（RealTemp）和18B20熱敏電阻的測(cè)量值在整個(gè)溫度采

18、樣區(qū)間內(nèi)基本呈線性變化，因此在程序中不需要對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行線性校正。AT89S52的T1定時(shí)器中斷作為控制中斷，溫度采樣過(guò)程和控制輸出過(guò)程采用了互鎖結(jié)構(gòu)，即在進(jìn)行溫度采樣，溫度值處理和運(yùn)算等過(guò)程時(shí)T1不定時(shí)，待采樣全過(guò)程進(jìn)行完時(shí)再啟動(dòng)T1定時(shí)并同時(shí)屏蔽采樣中斷。T1定時(shí)開(kāi)始就進(jìn)入控制過(guò)程，在整個(gè)控制過(guò)程中都不采樣，直到200(T1×C) 定時(shí)時(shí)間到，要開(kāi)始新一輪的控制周期。在啟動(dòng)采樣的同時(shí)屏蔽T1中斷。如圖為T1定時(shí)中斷流程圖。堆棧保護(hù)M+M+1開(kāi)始M=0?N=0?輸出控制信號(hào)置低重新送入C值重裝處值T1定時(shí)返回重設(shè)置M=200屏蔽T1中斷輸出控制信號(hào)置高YN  &

19、#160; 圖中，M代表定時(shí)器控制周期計(jì)數(shù)值，N則表示由調(diào)節(jié)器計(jì)算出的控制量。首先判斷控制周期TC是否己經(jīng)結(jié)束。若控制周期TC已結(jié)束(即M=0)，則屏蔽T1定時(shí)器中斷，進(jìn)行新一輪溫度采樣；若控制周期TC還未結(jié)束M0 ，則開(kāi)始判斷導(dǎo)通時(shí)間是否結(jié)束。若導(dǎo)通時(shí)間己結(jié)束(即N=0)，則置輸出控制信號(hào)為低，并重新賦常數(shù)C值，啟動(dòng)定時(shí)器定時(shí)，同時(shí)退出中斷服務(wù)程序；若導(dǎo)通時(shí)間還未結(jié)束(即N 0 )，則置輸出控制信號(hào)為高，控制執(zhí)行其間繼續(xù)導(dǎo)通，重新賦常數(shù)C值，啟動(dòng)定時(shí)器定時(shí)，同時(shí)退出中斷服務(wù)程序。數(shù)字PID：控制算法采用數(shù)字PID 控制，數(shù)字PID 算法表達(dá)式如下所示： 其中，KP 為比例系數(shù)；KI=KPT/TI 為積分系數(shù)；T 為采樣周期，TI 為積分時(shí)間系數(shù)；KD=KPTD/T 為微分系數(shù)，TD 為微分時(shí)間系數(shù)。u(k) 為調(diào)節(jié)器第k次輸出， e(k) 為第k 次給定與反饋偏差。    對(duì)于PID 調(diào)節(jié)器，當(dāng)偏差值輸出較大時(shí)，輸出值會(huì)很大，可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，所以在實(shí)際中，需要對(duì)調(diào)節(jié)器的輸出限