畢業(yè)設(shè)計基于單片機的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

1、 單片機溫度控制系統(tǒng)摘 要       本次設(shè)計對單片機在溫度控制系統(tǒng)中的基本理論和應(yīng)用技術(shù)作了較為全面的介紹。主要目的是用單片機設(shè)計一個溫度控制器，通過運用PID控制算法，使得溫度保持在600度這一恒定溫度值上。該控制器具有本機給定和上位機給定的功能。在生產(chǎn)過程自動的發(fā)展歷程中，PID控制是歷史最久、生命力最強的基本控制方式。PID控制是比例積分微分控制的簡稱。由于模擬PID調(diào)節(jié)器控制溫度的精確模型難以建立，系統(tǒng)的參數(shù)又經(jīng)常發(fā)生變化，運用現(xiàn)代控制理論分析綜合要耗費很大代價進行模擬辨識，而且不能得到預(yù)期的效果，所以本次設(shè)計采用PID調(diào)

2、節(jié)器，由于軟件系統(tǒng)的靈活性，PID算法可以得到修正而更加完善。根據(jù)不同的測溫范圍選出合適的溫度傳感器，單片機把測到的溫度進行處理（通過內(nèi)置PID控制或與上位機通訊，由上位機實現(xiàn)PID控制）后保持恒溫輸出，來控制執(zhí)行機構(gòu)。單片機輸出的是數(shù)字量，需要經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換變?yōu)槟M量后，才能去控制執(zhí)行機構(gòu)。關(guān)鍵詞PID控制器；傳感器；8052溫度控制AbstractThis design comprehensively introduced the basic theories and application technology of the MCU (Micro Controller Unit) in

3、the control systems of temperature this time. The main purpose to design one temperature controller with MCU, through use PID control algorithms, make temperature keep on this invariable temperature value of 600 degrees. The controller has the function of given by own machine and top machine.In the

4、development of automatic production process, PID control has the longest history, strongest vitality which is the basic control method. It is an abbreviation of the proportion, integral and derivative. It is difficult to build accurate model of analogy PID regulator to control temperature, the syste

5、matic parameter often changes, using the modern control theory to analyze and synthesize that should consume very large cost to analogy identification, and can't get the anticipated result, so the design adopt PID regulator, because of the flexibility of the software system, PID algorithm can be

6、 revised more perfect.To elect the suitable temperature sensor according to different examining the warm range, because the output of the temperature sensor is an analog quantity of changing, therefore, need to change A/D first, transform it into digital quantity to send into the computer. After the

7、 MCU gets the examining temperature and dealt it (control or communicate with top machine through built-in PID, the top machine realize PID control) and then keep constant temperature exported to control executive body. What the MCU outputted is digital quantity, needs to change into analog quantity

8、, to control the executive body. Key words PID controller；A/D converter；8051temperature control 目 錄摘要IAbstractII第1章 緒論11.1選題背景及目的11.2發(fā)展?fàn)顩r21.3各章節(jié)主要內(nèi)容3第2章 系統(tǒng)方案的提出與論證42.1傳感器的選擇42.2驅(qū)動部分52.3 PID的算法52.4 PID的控制52.4.1 開環(huán)控制系統(tǒng)52.4.2 閉環(huán)控制系統(tǒng)62.4.3 階躍響應(yīng)62.5 PID控制的原理和特點62.6 PID控制器的參數(shù)整定7第3章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計93.1總體方案93.

9、2主控制器與采集電路通訊93.3溫度控制123.3.1D/A轉(zhuǎn)換123.3.2繼電器工作原理143.3.3 溫度控制電路原理153.4鍵盤顯示接口173.5報警部分18第4章 軟件設(shè)計204.1數(shù)字濾波子程序204.2PID計算程序21結(jié)論25致謝26參考文獻27附錄A28附錄B29附錄C38第1章 緒論1.1 選題背景及目的在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，對溫度的測量及控制始終占據(jù)著重要地位。在冶金、化工、機械、食品等各類工業(yè)中，廣泛使用各種加熱爐、烘箱、恒溫箱等，它們均需要對溫度進行控制。在實驗室中，電阻爐溫度控制系統(tǒng)，是常見的自動控制系統(tǒng)。目前工業(yè)自動化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個重

10、要標(biāo)志。同時，控制理論的發(fā)展也經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個階段。智能控制的典型實例是模糊全自動洗衣機等。自動控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。一個控控制系統(tǒng)包括控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行機構(gòu)、輸入輸出接口?？刂破鞯妮敵鼋?jīng)過輸出接口、執(zhí)行機構(gòu)，加到被控系統(tǒng)上；控制系統(tǒng)的被控量，經(jīng)過傳感器，變送器，通過輸入接口送到控制器。不同的控制系統(tǒng)，其傳感器、變送器、執(zhí)行機構(gòu)是不一樣的。比如壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器。電加熱控制系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器。目前,PID控制及其控制器或智能PID控制器（儀表）已經(jīng)有很多產(chǎn)品已在工程實際中得到了廣泛的應(yīng)用,出現(xiàn)了各種各樣的PID控制

11、器產(chǎn)品。各大公司均開發(fā)了具有PID參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器(intelligent regulator),其中PID控制器參數(shù)的自動調(diào)整是通過智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來實現(xiàn)。有利用PID控制實現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器,能實現(xiàn)PID控制功能的可編程控制器(PLC),還有可實現(xiàn)PID控制的PC系統(tǒng)等等。 可編程控制器(PLC)是利用其閉環(huán)控制模塊來實現(xiàn)PID控制,而可編程控制器(PLC)可以直接與ControlNet相連,如Rockwell的PLC-5等。還有可以實現(xiàn)PID 控制功能的控制器,如Rockwell 的Logix產(chǎn)品系列,它可以直

12、接與ControlNet相連,利用網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)其遠(yuǎn)程控制功能。 控制算法是微機化控制軟件系統(tǒng)的一個重要組成部分，整個系統(tǒng)的控制功能主要由控制算法來實現(xiàn)。目前提出的控制算法有很多種。在生產(chǎn)過程自動的發(fā)展歷程中，PID控制是歷史最久、生命力最強的基本控制方式。它是最早發(fā)展起來的控制策略之一，由于其算法簡單、魯棒性好和可靠性高，實際運行經(jīng)驗和理論分析都表明，PID控制能滿足相當(dāng)多的工業(yè)對象的控制要求，尤其適用于可建立精確模型的確定性控制系統(tǒng)。雖然隨著工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展和其它各種先進技術(shù)的發(fā)展，自動化技術(shù)將會有更新的發(fā)展，但是，PID控制技術(shù)仍然不會過時，它還將在今后很長一段時間內(nèi)占據(jù)主導(dǎo)地位。由于數(shù)字P

13、ID控制系統(tǒng)中，引入了計算機，可以充分利用計算機在對采集數(shù)據(jù)加以分析并根據(jù)所的結(jié)果做出邏輯判斷等方面的能力，編制出符合某種技術(shù)要求的控制程序、管理程序，實現(xiàn)對被控參數(shù)的控制與管理。而且PID控制規(guī)律的實現(xiàn)，是通過軟件來完成的。改變控制規(guī)律，只要改變相應(yīng)的程序即可，因此，數(shù)字PID控制系統(tǒng)在生產(chǎn)過程中經(jīng)常使用。 由于單片機和傳感器的多樣化，設(shè)計者可以根據(jù)溫度控制系統(tǒng)要應(yīng)用的領(lǐng)域來決定選擇什么樣的單片機做主控制器，傳感器的選擇也因其使用的環(huán)境而不同。所以溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計是多樣的。本文研究的系統(tǒng)采用的是北京集成電路設(shè)計中心與愛特梅爾公司聯(lián)合設(shè)計的AT89C52單片機。1.2發(fā)展?fàn)顩r由于單片機技術(shù)在

14、各個領(lǐng)域正得到越來越廣泛的應(yīng)用，世界上許多集成電路生廠家相繼推出了各種類型的單片機。近十幾年來，單片機在生產(chǎn)過程控制、自動檢測、數(shù)據(jù)采集與處理、科技計算、商業(yè)管理和辦公室自動化等方面獲得了廣泛的應(yīng)用。近幾年來，單片機的發(fā)展更為迅速，它已滲透到諸多學(xué)科和領(lǐng)域，以及人們生活的各個方面。在單片機家族的眾多成員中，MCS-51系列單片機以其優(yōu)越的性能、成熟的技術(shù)及高可靠性和高性能價格比，迅速占領(lǐng)了工業(yè)測控和自動化工程應(yīng)用的主要市場，成為國內(nèi)單片機應(yīng)用領(lǐng)域中的主流。目前可用于MCS-51系列單片機開發(fā)的硬件越來越多，與其配套的各類開發(fā)系統(tǒng)、各種軟件也日趨完善，因此，可以極方便的利用現(xiàn)有資源，開發(fā)出用于不

15、同目的的各類應(yīng)用系統(tǒng)。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，單片微型計算機的功能也不斷增強，許多高性能的新型機種不斷涌現(xiàn)出來。單片機以其功能強、體積小、重量輕、可靠性高、造價低、通用靈活和開發(fā)周期短等優(yōu)點，成為自動化和各個測控領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的器件，也廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星定向、汽車火花控制、交通管理和微波爐等專用控制上在工業(yè)生產(chǎn)中成為必不可少的器件，尤其是在日常生活中發(fā)揮的作用也越來越大。在溫度控制系統(tǒng)中，單片機更是起到了不可替代的核心作用。在工業(yè)生產(chǎn)如：用于熱處理的加熱爐、用于融化金屬的坩鍋電阻爐等，在日常生活中如：熱水器、電熱毯等等，都用到了電阻加熱的原理。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，在工業(yè)中，上述設(shè)備對溫度的控制要求越來

16、越高，隨著人們生活水平的提高，對日常用品的自動化也提出了更高的要求，單片機的不斷更新?lián)Q代，滿足了上述的要求，達到自動控制品質(zhì)的目的。1.3各章節(jié)主要內(nèi)容 本論文共分成四章： 第1章主要是選題背景和發(fā)展?fàn)顩r；第2章提出了系統(tǒng)的方案與論證，形成一個大體輪廓；第3章對系統(tǒng)硬件電路部分進行設(shè)計，主要是接口連接和硬件傳感器的設(shè)計；第4章系統(tǒng)的軟件部分設(shè)計，包括各個子程序和對應(yīng)的流程圖。第2章 系統(tǒng)方案的提出與論證 2.1傳感器的選擇在日常生活和生產(chǎn)中經(jīng)常遇到需要對溫度進行檢測和控制的問題。在溫度檢測系統(tǒng)中就需要用到溫度傳感器。人們在很久以前就開始了解溫度的測量，所以溫度傳感器種類繁多，有熱敏電阻、紅外溫

17、度傳感器、熱電偶等等。熱電偶和熱電阻測量的是電壓值，需要轉(zhuǎn)換成溫度，外部硬件電路很復(fù)雜，也不便于調(diào)試。另外使用熱電偶時，通常要求冷端T0保持0度，但實際上很難做到。除此之外還有模擬集成溫度傳感器，其特點是測溫誤差小、響應(yīng)速度快、傳輸距離遠(yuǎn)、體積小。但是仍然在測量到溫度值后要進行A/D轉(zhuǎn)換，電路復(fù)雜，使用不方便。有些集成溫度傳感器可以配微處理器和單片機，構(gòu)成智能化的溫度檢測系統(tǒng)。這其中一個很大的變化就是傳感器由以前的模擬輸出轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訑?shù)字輸出，省去了傳統(tǒng)溫度測量電路中的調(diào)理、變送、補償、轉(zhuǎn)換、修正等環(huán)節(jié)。這樣整個測量電路不會引入附加誤差，測溫系統(tǒng)的精度與分辨力完全由數(shù)字化的傳感器所決定。用這種先

18、進的傳感器芯片構(gòu)成測控溫度系統(tǒng)，具有電路簡單，測控溫度精度高等顯著優(yōu)點。并且抗干擾能力強，能夠遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)，用戶可設(shè)定溫度上、下限，有越限自動報警的功能，自帶串行總線接口等優(yōu)點，適配各種微控制器，含微處理器和單片機，是研制和開發(fā)具有高性價比的新一代溫度控制系統(tǒng)所必不可少的核心器件。智能溫度傳感器的典型產(chǎn)品有DS1820、DS18S20、DS18B20、DS1821、DS1822、DS1624、DS1629等型號。本文所選用的是美國DSLLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的DS18B20，它是該公司在研制出DS1820后最新推出的一種改進型產(chǎn)品。所以它具有DS1820的全部優(yōu)點。在此基礎(chǔ)上，它有獨特的性能特點

19、：(1) 獨特的單線接口僅需要一個端口引腳進行通信。(2) 不需要外部器件。(3) 可通過數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍為3.05.5V。(4) 零待機功耗。(5) 溫度以9或12位數(shù)字量讀出。(6) 用戶可定義的非易失性溫度報警設(shè)置。(7) 報警搜索命令識別并標(biāo)志超過程序限定溫度的器件。 2.2驅(qū)動部分方案一:此方案采用SPCE061A單片機實現(xiàn)，此單片機內(nèi)置8路ADC,2路DAC,且集成開發(fā)環(huán)境中，配有很多語音播放函數(shù)，用SPCE061A實現(xiàn)語音播放極為方便。另外，比較方便的是該芯片內(nèi)置在線仿真、編程接口，可以方便實現(xiàn)在線調(diào)試，這大大加快了系統(tǒng)的開發(fā)與調(diào)試。但是，他的成本太高我們不便采用。 方案二：

20、此方案采用89C52單片機實現(xiàn)，AT89C52是低功耗、高性能的CMOS8位單片機，片上帶有8KFlash存儲器，且允許在系統(tǒng)改寫或用編程器編程。另外，AT89C51的指令系統(tǒng)和引腳80C52完全兼容。所以，AT89C52單片機應(yīng)用極為廣泛。2.3 PID的算法基本偏差:e(t) 表示當(dāng)前測量值與設(shè)定目標(biāo)之差，設(shè)定目標(biāo)是被減數(shù)，結(jié)可以是正或負(fù)。正數(shù)表示還沒有達到，負(fù)數(shù)表示已經(jīng)超過了設(shè)定值。這是面向比例項用的變動數(shù)據(jù)。累計偏差：e(t)= e(t) + e(t-1) + e(t-2)+.+e(1),這是我們每一次測量到的偏差值的總和，這是代數(shù)和，考慮到正負(fù)符號的運算，這是面向積分項用的變動數(shù)據(jù)。

21、基本偏差的相對偏差：e(t) e(t-1)，用本次的基本偏差減去上一次的基本偏差，用于考察當(dāng)前控制的對象的趨勢，作為快速反應(yīng)的重要依據(jù)，這是面向微分項的一個變動數(shù)據(jù)。 比例調(diào)節(jié)作用：是按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少偏差。比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但是過大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分調(diào)節(jié)作用：是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。因為有誤差，積分調(diào)節(jié)就進行，直至無差，積分調(diào)節(jié)停止，積分調(diào)節(jié)輸出一常值。微分調(diào)節(jié)作用：微分作用反映系統(tǒng)偏差信號的變化率，具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化的趨勢，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒有形

22、成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此，可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。2.4 PID的控制2.4.1 開環(huán)控制系統(tǒng) 開環(huán)控制系統(tǒng)(open-loop control system)是指被控對象的輸出(被控制量)對控制器(controller)的輸出沒有影響。在這種控制系統(tǒng)中,不依賴將被控量以形成任何閉反送回來的閉環(huán)回路。2.4.2 閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)(closed-loop control system)的特點是系統(tǒng)被控對象輸出(被控制量)會反送回來影響控制器的輸出,形成一個或多個閉環(huán)。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負(fù)反饋,若反饋信號與系統(tǒng)給定值信號相反,則稱為負(fù)反

23、饋( Negative Feedback),若極性相同,則稱為正反饋,一般閉環(huán)控制系統(tǒng)均采用負(fù)反饋,又稱負(fù)反饋控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)的例子很多。比如人就是一個具有負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng),眼睛便是傳感器,充當(dāng)反饋,人體系統(tǒng)能通過不斷的修正最后作出各種正確的動作。如果沒有眼睛,就沒有了反饋回路,也就成了一個開環(huán)控制系統(tǒng)。另例,當(dāng)一臺真正的全自動洗衣機具有能連續(xù)檢查衣物是否洗凈,并在洗凈之后能自動切斷電源,它就是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。2.4.3 階躍響應(yīng) 階躍響應(yīng)是指將一個階躍輸入（step function）加到系統(tǒng)上時,系統(tǒng)的輸出。穩(wěn)態(tài)誤差是指系統(tǒng)的響應(yīng)進入穩(wěn)態(tài)

24、后，系統(tǒng)的期望輸出與實際輸出之差?？刂葡到y(tǒng)的性能可以用穩(wěn)、準(zhǔn)、快三個字來描述。穩(wěn)是指系統(tǒng)的穩(wěn)定性(stability),一個系統(tǒng)要能正常工作,首先必須是穩(wěn)定的,從階躍響應(yīng)上看應(yīng)該是收斂的；準(zhǔn)是指控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、控制精度,通常用穩(wěn)態(tài)誤差來(Steady-state error) 描述,它表示系統(tǒng)輸出穩(wěn)態(tài)值與期望值之差；快是指控制系統(tǒng)響應(yīng)的快速性,通常用上升時間來定量描述。 2.5 PID控制的原理和特點 在工程實際中,應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制,簡稱PID控制,又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史,它以其結(jié)構(gòu)簡單、

25、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握,或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時,控制理論的其它技術(shù)難以采用時,系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定,這時應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時,最適合用PID控制技術(shù)。PID控制,實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差,利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。  (1)比例（P）控制 比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)

26、誤差（Steady-state error）。 (2)積分（I）控制 在積分控制中,控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個自動控制系統(tǒng),如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差,則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（System with Steady-state Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差,在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分,隨著時間的增加,積分項會增大。這樣,即便誤差很小,積分項也會隨著時間的增加而加大,它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小,直到等于零。因此,比例+積分(PI)控制器,可以

27、使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 (3)微分（D）控制 在微分控制中,控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件,具有抑制誤差的作用,其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”,即在誤差接近零時,抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說,在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的,比例項的作用僅是放大誤差的幅值,而目前需要增加的是“微分項”,它能預(yù)測誤差變化的趨勢,這樣,具有比例+微分的控制器,就能夠提前使

28、抑制誤差的控制作用等于零,甚至為負(fù)值,從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象,比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。 2.6 PID控制器的參數(shù)整定  PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多,概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用,還必須通過工程實際進行調(diào)整和修改。二是工程整定方法,它主要依賴工程實驗,直接在控制系統(tǒng)的試驗中進

29、行,且方法簡單、易于掌握,在工程實際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法,主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種方法各有其特點,其共同點都是通過試驗,然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù),都需要在實際運行中進行最后調(diào)整與完善?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進行PID控制器參數(shù)的整定步驟如下：(1)首先預(yù)選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；(2)僅加入比例控制環(huán)節(jié),直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩,記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；(3)在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數(shù)。 第3章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

30、3.1總體方案該系統(tǒng)是以AT89C52單片機為主控制器的智能化溫度控制系統(tǒng)。采用定時檢測和調(diào)節(jié)的方式。首先由定時器或軟件定時，定時時間到后啟動智能溫度傳感器對溫度進行檢測，測量結(jié)果送CPU，并在CPU的控制下顯示結(jié)果。利用鍵盤輸入控制目標(biāo)。CPU把測量的結(jié)果與給定值比較，進行PID計算，然后根據(jù)計算結(jié)果輸出DAC信號，并加上反相器使輸出電壓范圍為05V，通過在固態(tài)繼電器前端連入電阻使電壓變?yōu)?1.7V，固態(tài)繼電器在該電壓范圍內(nèi)線性工作，輸出的電壓控制繼電器的通導(dǎo)，對爐溫進行調(diào)節(jié)。整個系統(tǒng)構(gòu)成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，從而使?fàn)t溫控制在預(yù)定的范圍之內(nèi)。溫度采集部分采用DS18B20測溫，它是單線智能溫度傳

31、感器，不需要A/D轉(zhuǎn)換，可以直接測量出數(shù)字式的溫度值送入主控制器。采集溫度時對DS18B20進行初始化，然后執(zhí)行ROM操作命令，再執(zhí)行暫存器操作命令，最后完成數(shù)據(jù)處理。通過鍵盤向CPU輸入用戶設(shè)定的報警溫度上限值和下限值，完成溫度轉(zhuǎn)換之后，DS18B20就把測得的溫度值同上下限值比較，如果超出所設(shè)定的范圍，將該器件的報警標(biāo)志位置位，并對CPU發(fā)出的報警搜索命令做出響應(yīng)。該傳感器使用同步串行總線接口技術(shù)，串行通信是將數(shù)據(jù)字節(jié)分成一位一位的形式在一條傳輸線上逐個地傳送，數(shù)據(jù)接收設(shè)備將接收到的串行形式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行形式進行存儲和處理。同步通信時要建立發(fā)送方時鐘對接收方時鐘的直接控制，使雙方達到完全同

32、步。通過主控制器的定時器建立一個30s的同步脈沖實現(xiàn)與溫度檢測回路的通信。CPU經(jīng)過單線接口訪問DS18B20，CPU對ROM操作完畢，即發(fā)出控制操作命令，使DS18B20完成溫度測量并將結(jié)果存入高速暫存器中，然后讀出該結(jié)果。由繼電器及其外部電路如D/A轉(zhuǎn)換等實現(xiàn)對溫度的控制功能。 3.2主控制器與采集電路通訊AT89C52是低功耗、高性能的CMOS8位單片機，片上帶有8KFlash存儲器，且允許在系統(tǒng)改寫或用編程器編程。另外，AT89C51的指令系統(tǒng)和引腳80C52完全兼容。所以，AT89C52單片機應(yīng)用極為廣泛。單片機在開機時都需要復(fù)位，以便CPU以及其他功能部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，

33、并從這個狀態(tài)開始工作。AT89C52的RST引腳是復(fù)位信號的輸入端。復(fù)位信號是高電平有效，持續(xù)時間要有24個時鐘周期以上。本系統(tǒng)中時鐘頻率為12MHz，復(fù)位脈沖寬度至少應(yīng)為2s。主控制器與傳感器連接電路如圖3.1所示。 圖3.1 主控器與傳感器的連接電路由AT89C52根據(jù)總線的接口規(guī)范向智能溫度傳感器發(fā)送諸如啟動轉(zhuǎn)換、設(shè)置配置寄存器、讀取溫度等命令。智能溫度傳感器則向AT89C52回送當(dāng)前溫度值等數(shù)據(jù)。二者之間的數(shù)據(jù)傳輸完全是串行的。主控制器與溫度檢測系統(tǒng)使用同步串行總線通信，串行通信是將數(shù)據(jù)字節(jié)分成一位一位的形式在一條傳輸線上逐個地傳送，數(shù)據(jù)接收設(shè)備將接收到的串行形式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行形式進行

34、存儲和處理。同步通信時要建立發(fā)送方時鐘對接收方時鐘的直接控制，使雙方達到完全同步。此時，傳輸數(shù)據(jù)的位之間的距離均為“位間隔”的整數(shù)倍，同時傳送的字符間不留間隙，即保持位同步關(guān)系，也保持字符同步關(guān)系。發(fā)送方對接收方的同步通過外同步來實現(xiàn)。發(fā)送方在每個比特周期都向接收方發(fā)送一個同步脈沖。接收方根據(jù)這些同步脈沖來完成接收過程。DS18B20有嚴(yán)格的通信協(xié)議來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。單線總線在空閑狀態(tài)下呈高電平。操作單線總線時，必須從空閑狀態(tài)開始。單線總線加低電平的時間超過480s時，總線上所有的器件都被復(fù)位。通信協(xié)議規(guī)定了復(fù)位脈沖、應(yīng)答脈沖、寫0、寫1、讀0、讀1等幾種信號的時序。除了應(yīng)答

35、脈沖，其余信號均由CPU控制。寫時序包括寫“0”時序和寫“1”時序。所有寫時序都至少需要60s，且在兩次獨立的寫時序之間至少需要1s的恢復(fù)時間。兩種寫時序均起始于主機拉低總線。對于寫“1”時序，主機在拉低總線后，接著必須在15s內(nèi)釋放總線，由上拉電阻將總線拉至高電平；而對于寫“0”時序，在主機拉低總線后，只需要在整個時序內(nèi)保持低電平即可（至少60s）。在寫時序開始后的1560s期間內(nèi)，保持單線器件采樣總線電平狀態(tài)。如果在此期間采樣為高電平，則對該器件寫入邏輯1，低電平則寫入邏輯0。只有在主機啟動了讀時序后，器件才向主機傳輸數(shù)據(jù)。所以一般在主機給單線器件發(fā)送了讀數(shù)據(jù)命令后，必須馬上產(chǎn)生讀時序，以

36、便器件能傳輸數(shù)據(jù)。所有的讀時序需要至少60s，且在兩次獨立的讀時序之間需要1s的恢復(fù)時間。每個讀時序都由主機發(fā)起，拉低總線至少1s，然后釋放單線。在主機發(fā)起讀時序之后，單線器件開始在總線上發(fā)送0或1。若其發(fā)送1，則保持總線為高電平。若發(fā)送0，則器件拉低總線，在該時序結(jié)束后釋放總線，由上拉電阻將總線拉回空閑高電平狀態(tài)。從機發(fā)出的數(shù)據(jù)在起始時序之后15s內(nèi)保證可靠有效。因此主機在讀時序期間必須釋放總線，并且要在時序開始后的15s內(nèi)完成采樣總線狀態(tài)。每次的命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從主機啟動寫時序開始的，如果要求單線器件回送數(shù)據(jù)，在進行完寫命令后，主機需要啟動讀時序完成數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是低位在

37、先。在對一位的“0”和“1”規(guī)定好時序后，命令字節(jié)和數(shù)據(jù)字節(jié)的發(fā)送就表現(xiàn)為多個“0”、“1”在時間上的排列。主CPU經(jīng)過單線接口訪問DS18B20的工作流程為：對DS18B20進行初始化，接著進行ROM操作命令，然后進行存儲器操作命令，最后對數(shù)據(jù)處理。CPU對ROM操作完畢即發(fā)出控制操作命令，使DS18B20完成溫度測量并將測量結(jié)果存入高速暫存器中，然后讀出結(jié)果。當(dāng)DS18B20接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后，開始啟動轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就以16位帶符號擴展的二進制補碼形式存儲在高速暫存存儲器的第1、2字節(jié)。單片機可以通過單線接口讀出該數(shù)據(jù)，讀數(shù)據(jù)時低位在先，高位在后。當(dāng)符號位S=0時，表示測得的溫

38、度值為正值，可以直接將二進制位轉(zhuǎn)換為十進制；當(dāng)符號位S=1時，表示測得的溫度值為負(fù)值，要先將補碼變成原碼，再計算十進制值。一旦CPU檢測到從屬器件的存在，就發(fā)出ROM命令。所有ROM操作命令均為8位字長。主CPU對ROM的操作命令有以下5種：(1)讀ROM命令。該命令允許CPU讀取DS18B20中的8位產(chǎn)品系列編碼、48位序列號以及8位的CRC。只有在總線上存在DS18B20(溫度采集)的時候才能使用這個命令。(2)符合ROM命令。主CPU在發(fā)出“符合”ROM命令后，接著送出64位ROM數(shù)據(jù)序列，從而使CPU實現(xiàn)對單線總線上特定DS18B20的尋址。(3)搜索ROM命令。允許主CPU使用“消除

39、法”識別總線上所有DS18B20的64位ROM編碼，完成整個系統(tǒng)的初始化工作。(4)跳過ROM命令。該命令使主CPU不必提供64位ROM編碼就能訪問DS18B20。在單線總線的情況下可以節(jié)省時間。(5)報警搜索命令。該命令僅在最近一次溫度測量出現(xiàn)報警的情況下，DS18B20才對該命令做出響應(yīng)。報警條件定義為溫度高于TH或者低于TL。只要DS18B20不掉電，報警狀態(tài)將一直保持，直到再一次測得的溫度值達不到報警條件。3.3溫度控制3.3.1 D/A轉(zhuǎn)換由于計算機采集與處理的是數(shù)字量，而受控對象需要的是模擬量信號，所以需要進行D/A轉(zhuǎn)換。D/A轉(zhuǎn)換器是一種能把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的電子器件。DAC的

40、種類繁多，DAC0832是常用的一種，由美國國民半導(dǎo)體公司研制，是一個8位單片D/A轉(zhuǎn)換器，它的連接電路如圖3.2所示。圖3.2 DAC0832的硬件電路DAC0832主要由兩個8位寄存器和一個8位D/A轉(zhuǎn)換器組成。8位輸入寄存器用于存放CPU送來的數(shù)字量，使輸入數(shù)字量得到緩沖和鎖存，由加以控制。8位DAC寄存器用于存放等待轉(zhuǎn)換的數(shù)字量，由控制。8位D/A轉(zhuǎn)換電路由8位T型電阻網(wǎng)絡(luò)和電子開關(guān)組成，電子開關(guān)受8位DAC寄存器輸出控制，T型電阻網(wǎng)絡(luò)能輸出和數(shù)字量成正比的模擬電流。因此，DAC0832通常需要外接運算放大器才能得到模擬輸出電壓。DAC0832的數(shù)字量輸入線DI7DI0和CPU數(shù)據(jù)總線

41、相連，用于輸入CPU送來的待轉(zhuǎn)化數(shù)字量，DI7為最高位。CS為片選線，當(dāng)CS為低電平時，本片被選中工作；當(dāng)為高電平時，本片不被選中工作。ILE為允許數(shù)字量輸入線。當(dāng)ILE為高電平時，8位輸入寄存器允許數(shù)字量輸入。為傳送控制輸入線，低電平有效。和為兩條寫命令輸入線。用于控制數(shù)字量輸入到輸入寄存器：若ILE為“1”、為“0”和為“0”同時滿足，8位輸入寄存器接收信號；若上述條件中有一個不滿足，8位輸入寄存器鎖存DI7DI0上的輸入數(shù)據(jù)。用于控制D/A轉(zhuǎn)換的時間：若和同時為低電平，則8位DAC寄存器輸出跟隨輸入；否則8位DAC寄存器鎖存數(shù)據(jù)。和的脈沖寬度要求不小于500ms，即便VCC提高到15V，

42、其脈寬也不應(yīng)小于100ms。DAC0832采用R-2R T型網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換法。它由二級緩沖寄存器和D/A轉(zhuǎn)換電路組成，可直接與CPU總線連接，接口比較簡單。Rfb為運算放大器反饋線，常常接到運算放大器輸出端。IOUT1和IOUT2為兩條模擬電流輸出線。IOUT1+IOUT2為一常數(shù)：若輸入數(shù)字量為全“1”，則IOUT1為最大，IOUT2為最??；若輸入數(shù)字量為全“0”，則IOUT1最小，IOUT2最大。為了保證額定負(fù)載下輸出電流的線性度，IOUT1和IOUT2引腳上的電位必須盡量接近低電平。為此，IOUT1和IOUT2通常接運算放大器輸入端。由于輸出的模擬電壓范圍是-50V，所以再加以反相器使電壓變?yōu)?/p>

43、0+5V。VREF為參考電壓輸入端，用來將外部基準(zhǔn)電壓與片內(nèi)的T型電阻網(wǎng)絡(luò)連接。DAC用途很廣，在需要單極性模擬電壓環(huán)境下，可以采用如圖3.2所示接線。由D/A轉(zhuǎn)換器原理可得出輸出電壓對輸入數(shù)字量的關(guān)系為：式中；為一常數(shù)。顯然，和B成正比關(guān)系。輸入數(shù)字量B為0時，也為0，輸入數(shù)字量為255時，為負(fù)的最大值，輸出電壓為負(fù)的單極性。作為單片機的一個外圍I/O接口，口地址設(shè)為0DFFH。這樣CPU只要執(zhí)行一條輸出指令，就可以把數(shù)據(jù)直接寫入0832的DAC寄存器，然后輸出一個模擬的電壓信號。3.3.2 繼電器工作原理繼電器是電氣控制中常用的控制器件。使用觸點式繼電器控制，由于采用電磁吸合方式，在開關(guān)瞬

44、間，觸點容易產(chǎn)生電火花，從而引起干擾。在大功率、高壓等場合，觸點還容易氧化，因而影響整個系統(tǒng)的可靠性。所以本系統(tǒng)中采用固態(tài)繼電器，較好地克服了這方面的問題。固態(tài)繼電器是用晶體管或可控硅代替常規(guī)繼電器的觸點開關(guān)，再把光電隔離器作為前級構(gòu)成一個整體。因此，固態(tài)繼電器實際上是一種帶光電隔離器的無觸點開關(guān)。固態(tài)繼電器有直流型和交流型之分。對于交流供電的負(fù)載，其開關(guān)量的輸出控制可用交流型固態(tài)繼電器來實現(xiàn)。由于固態(tài)繼電器輸入控制電流小，輸出無觸點，所以與電磁觸點式繼電器相比，具有體積小、重量輕、無機械噪聲、無抖動和回跳、開關(guān)速度快、工作可靠等優(yōu)點，在計算機控制系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。下面說明交流型SSR的工作原理

45、，圖3.3是它的工作原理框圖。圖3.3 SSR工作原理圖從整體上看，SSR只有兩個輸入端(A和B)及兩個輸出端(C和D)，是一種四端器件。工作時只要在A、B上加上一定的控制信號，就可以控制C、D兩端之間的“通”和“斷”，實現(xiàn)“開關(guān)”的功能，其中耦合電路的功能是為A、B端輸入的控制信號提供一個輸入/輸出端之間的通道，但又在電氣上斷開SSR中輸入端和輸出端之間的(電)聯(lián)系，以防止輸出端對輸入端的影響，耦合電路用的元件是“光耦合器”，它動作靈敏、響應(yīng)速度高、輸入與輸出端間的絕緣(耐壓)等級高；由于輸入端的負(fù)載是發(fā)光二極管，這使SSR的輸入端很容易做到與輸入信號電平相匹配，在使用時可直接與計算機輸出接

46、口相接，即受“1”與“0”的邏輯電平控制。觸發(fā)電路的功能是產(chǎn)生合乎要求的觸發(fā)信號，驅(qū)動開關(guān)電路工作。但由于開關(guān)電路在不加特殊控制電路時，將產(chǎn)生射頻干擾并以高次諧波或尖峰等污染電網(wǎng)，為此特設(shè)“過零控制電路”。所謂“過零”是指，當(dāng)加入控制信號，交流電壓過零時，SSR即為通態(tài)；而當(dāng)斷開控制信號后，SSR要等待交流電的正半周與負(fù)半周的交界點(零電位)時，SSR才為斷態(tài)。這種設(shè)計能防止高次諧波的干擾和對電網(wǎng)的污染。吸收電路是為防止從電源中傳來的尖峰、浪涌(電壓)對開關(guān)器件雙向可控硅管的沖擊和干擾(甚至誤動作)而設(shè)計的，一般是用“R-C”串聯(lián)吸收電路或非線性電阻(壓敏電阻器)。3.3.3 溫度控制電路原理

47、由于DAC0832輸出的電壓范圍是-50V，不能直接加在固態(tài)繼電器上。固態(tài)繼電器的線性工作范圍是11.7V，所以在DAC0832輸出端加上反相器使電壓范圍變成05V再加上合適的電阻，使輸出電壓范圍縮小到11.7V，以便使固態(tài)繼電器的工作在線性范圍內(nèi)，再將固態(tài)繼電器與電阻爐連接，通過固態(tài)繼電器的通導(dǎo)來對電阻爐進行溫度控制。電路圖如圖3.4所示。圖3.4 溫度控制電路在圖3.4中VCC=+5V，設(shè)DAC0832的輸出電壓為，設(shè)四個電阻相交于A點，R4的作用是限制電流，其電流很小，在計算中暫時不考慮。為了使輸出電壓在11.7V范圍內(nèi)，當(dāng)=0V時，=1V，此時與并聯(lián)后再與串聯(lián)，則根據(jù)電流關(guān)系可得到關(guān)系

48、式：將=1v，=5v代入關(guān)系式可得即 (1)當(dāng)=5V，=1.7V此時與并聯(lián)后與串聯(lián)，可得關(guān)系式=1.7V，=5V時代入得：即1.7=3.3+3.3可得 (2)由(1)(2)兩式得 即 可得 選定=1K，則4.7K，3.3K將選定的電阻連入電路，當(dāng)=0V時，求得 =0.99957V1V當(dāng)=5V時，求得 =1.7014V1.7V證實了所選電阻阻值可以滿足輸出電壓在11.7V范圍內(nèi)，可以使固態(tài)繼電器工作在線性范圍內(nèi)，以便對電阻爐的溫度進行控制。3.4 鍵盤顯示接口 如圖3.5所示，鍵盤顯示系統(tǒng)采用8155芯片控制4×4矩陣鍵盤和4個七段數(shù)碼管LED顯示，以實現(xiàn)用戶的輸入和數(shù)據(jù)輸出。鍵盤的1

49、6個鍵中09為數(shù)字鍵，AF為功能鍵，完成參數(shù)設(shè)置、顯示方式選擇、自動/手動轉(zhuǎn)換、系統(tǒng)停止和啟動。 系統(tǒng)中將8155的B口作為顯示接口，經(jīng)74LS48的驅(qū)動器與LED相連，8155的A口的PA3PA0作為掃描接口，從B口的PB3PB0讀入列值，鍵盤處理為中斷方式，所以8155的B口工作在兩種方式下：在顯示狀態(tài)時為輸入方式，在鍵盤中斷服務(wù)程序處理過程中為輸入方式。 圖3.5 LED數(shù)碼顯示電路 動態(tài)顯示需要CPU時刻對顯示器件進行數(shù)據(jù)刷新，顯示數(shù)據(jù)有閃爍感，占用的CPU時間多。這兩種顯示方式各有利弊；靜態(tài)顯示雖然數(shù)據(jù)穩(wěn)定，占用很少的CPU時間，但每個顯示單元都需要單獨的顯示驅(qū)動電路，動態(tài)顯示雖然有

50、閃爍感，占用的CPU時間多，但使用的硬件少，能節(jié)省線路板空間。3.5 報警部分       可采用單頻報警，如圖3.6所示，其中7406是驅(qū)動器，接在8031的P1.0口，在8031使P1.0輸出高電平時，7406輸出低電平，使蜂鳴器鳴音，反之，使蜂鳴器停止鳴音。 功率放大電路我們選用采用了PNP型共發(fā)射極放大電路，它的輸入阻抗幾百幾千歐，輸出阻抗幾千幾十千歐，電壓放大倍數(shù)大，電流放大倍數(shù)大，功率放大倍數(shù)大。電聲器件選用最常用的電動式錐形紙盆揚聲器。 圖3.6報警電路 第4章 軟件設(shè)計溫度控制程序所要完成的任務(wù)：8031，8155芯片

51、的初始化以及分配內(nèi)存單片及設(shè)置定時器參數(shù)，溫度采樣，數(shù)字濾波，進行轉(zhuǎn)換計算，判斷溫度是否在規(guī)定范圍內(nèi)，超限報警和處理；顯示溫度及輸入控制。 4.1主程序溫度控制系統(tǒng)的主程序如圖4.1所示。程序開始內(nèi)部RAM和顯示初始化 有key處理key確認(rèn)鍵按下測 溫顯示溫度控溫時刻到PID超限報 警結(jié) 束YNNYNNY 圖 4.1溫度控制系統(tǒng)主程序圖4.2 PID計算程序我們可以根據(jù)上式編程，相應(yīng)程序框圖如圖4.2所示，根據(jù) 計算計算返回計算計算計算P（K）計算 圖4.2 PID計算程序流程圖程序清單如下：PID:MOVR5,31H ;UR送R5R4MOVR4,32H;UR送R5R4MOVR3,2AH;U

52、i(K)送R3R2MOVR2,#00H;Ui(K)送R3R2ACALLCPL1;取Ui(K)的補碼ACALLDSUM;計數(shù)E(K)MOV39H,R7;E(K)送39H和3AH單元MOV3AH,R6;E(K)送39H和3AH單元MOVR5,35H;KI送R5R4MOVR4,36H;KI送R5R4MOVR0,#4AH;積始址4AH送R0ACALLMULT1;計算PI=KI*E(K)MOVR5,39H;E(K)送R5R4MOVR4,3AH;E(K)送R5R4MOVR3,3BH;E(K-1)送R3R2MOVR2,3CH;E(K-1)送R3R2ACALLCPL1;對E(K-1)求補ACALLDSUM;求E(K)-E(K-1)MOVR5,33H;Kp送R5R4MOVR4,34H;Kp送R5R4MOVR0,#46H;積始址46H送R0ACALLMULT1;求得PpMOVR5,49H;Pp的高16位送R5R4MOVR4,48H;Pp的高16位送R5R4MOVR3,4DH;KP1送R3R2MOVR2,4CH;KP1送R3R2ACALLDSUM;求得Pp+PIMOV4AH,R7;存入4AH和4BH單元MOV4BH,R6;存入4AH和4BH單元MO