自動(dòng)控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、目 錄摘 要第1章 任務(wù)要求和方案設(shè)計(jì)1.1 任務(wù)要求2.1 總體方案確定及元件選擇. 總體設(shè)計(jì)框圖 控制方案確定. 系統(tǒng)組成 單片機(jī)系統(tǒng). 2.1.15 D/A轉(zhuǎn)換. 晶閘管控制. 傳感器 信號(hào)放大電路. 2.1.8 A/D轉(zhuǎn)換. 設(shè)定溫度及顯示.第2章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì).2.1 系統(tǒng)硬件框圖2.2 系統(tǒng)組成部分之間接線分析第3章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).3.1程序流程圖.第4章 參數(shù)計(jì)算.4.1 系統(tǒng)各模塊設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算、溫度采集部分及轉(zhuǎn)換部分4.1.2、傳感器輸出信號(hào)放大電路部分:.4.1.3、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路部分:.4.1.4、ADC0804芯片外圍電路的設(shè)計(jì)：.4.1.5、數(shù)值處理部分及顯示部分:.4

2、.1.6、PID算法的介紹.: 4.1.7、A/D轉(zhuǎn)換模塊.4.1.7、A/D轉(zhuǎn)換模塊.4.1.8 單片機(jī)基本系統(tǒng)調(diào)試.4 .1. 9 注意事項(xiàng)：.第5章 測(cè)試方法和測(cè)試結(jié)果5.1 系統(tǒng)測(cè)試儀器及設(shè)備5.2 測(cè)試方法5.3 測(cè)試結(jié)果結(jié)束語(yǔ).參考文獻(xiàn). 摘要隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們需要對(duì)各中加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐中溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。采用單片機(jī)來(lái)對(duì)他們控制不僅具有控制方便，簡(jiǎn)單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大的提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。本系統(tǒng)以AT89C51，AT89C2051單片機(jī)為核心，主要包括傳感器溫度采集，A/D模/數(shù)轉(zhuǎn)換，單片機(jī)控制，數(shù)碼管數(shù)字顯

3、示等部分。本系統(tǒng)采用PID算法實(shí)現(xiàn)溫度控制功能，通過(guò)串行通信完成兩片單片機(jī)信息的交互而實(shí)現(xiàn)溫度設(shè)定、控制和顯示。為了實(shí)現(xiàn)高精度的水溫控制，本單片機(jī)系統(tǒng)采用PID算法控制和PWM脈寬調(diào)制相結(jié)合的技術(shù)，通過(guò)控制雙向可控硅改變電爐和電源的接通、斷開(kāi)，從而改變水溫加熱時(shí)間的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫的控制。本系統(tǒng)由鍵盤(pán)顯示和溫度控制兩個(gè)模塊組成，通過(guò)模塊間的通信完成溫度設(shè)定、實(shí)溫顯示、水溫升降等功能。具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、程序簡(jiǎn)短、系統(tǒng)可靠性高、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。第1章 任務(wù)要求及設(shè)計(jì)方案1.1基本要求1.1.1基本要求： 一升凈水由1kw的電爐加熱，要求水溫可以在一定范圍內(nèi)由人工設(shè)定，并能在環(huán)境溫度降低時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)

4、整，以保持設(shè)定的溫度基本不變。 . 指標(biāo)：本課題是設(shè)計(jì)一個(gè)控制一升凈水，加熱器用一千瓦的電爐溫度設(shè)定范圍在40-90，最小區(qū)分度為1，溫度控制的靜態(tài)誤差小于等于1。（2）環(huán)境溫度降低時(shí)溫度控制的靜態(tài)誤差1。 用十進(jìn)制數(shù)碼管顯示水的實(shí)際溫度。當(dāng)設(shè)定溫度突變（由40提高到60）時(shí)，減小系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量。 2.1設(shè)計(jì)方案2.1.1總體方案的確定本課題的總體方案設(shè)計(jì)框圖如下:3單片機(jī)控制控制電路被控對(duì)象采樣電路輸入量2.1.2控制方法選擇一般來(lái)說(shuō)可以采用以下幾種控制方案： （1）輸出開(kāi)關(guān)量控制：這種方法通過(guò)比較給定值與被控參數(shù)的偏差來(lái)控制輸出的狀態(tài)：開(kāi)關(guān)或者通斷，因此控制過(guò)程十分簡(jiǎn)單，也容易實(shí)現(xiàn)

5、。但由于輸出控制量只有兩種狀態(tài)，使被控參數(shù)在兩個(gè)方向上變化的速率均為最大，因此容易硬氣反饋回路產(chǎn)生振蕩，對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生十分不利的影響，甚至?xí)驗(yàn)檩敵鲩_(kāi)關(guān)的頻繁動(dòng)作而不能滿足系統(tǒng)對(duì)控制精度的要求。因此，這種控制方案一般在大慣性系統(tǒng)對(duì)控制精度和動(dòng)態(tài)特性要求不高的情況下采用。（2）比例積分加微分控制（PID控制）比例積分加微分控制的特點(diǎn)是微分的作用使控制器的輸出與偏差變化的速度成正比例,它對(duì)克服對(duì)象的容量滯后有顯著的效果。在比例基礎(chǔ)上加上微分作用，使穩(wěn)定性提高，再加上積分作用，可以消除余差。因此，PID控制適用于負(fù)荷變化大、容量滯后較大、控制品質(zhì)要求又很高的控制系統(tǒng)。 結(jié)合本例題設(shè)計(jì)任務(wù)與要求

6、，由于水溫系統(tǒng)的傳遞函數(shù)事先難以精確獲得，因而很難判斷哪一種控制方法能夠滿足系統(tǒng)對(duì)控制品質(zhì)的要求。但從以上對(duì)控制方法的分析來(lái)看，PID控制方法最適合本例采用。另一方面，由于可以采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)控制過(guò)程，無(wú)論采用上述哪一種控制方法都不會(huì)增加系統(tǒng)硬件成本，而只需對(duì)軟件作相應(yīng)改變即可實(shí)現(xiàn)不同的控制方案。因此本系統(tǒng)可以采用PID的控制方式，以最大限度地滿足系統(tǒng)對(duì)諸如控制精度、最小區(qū)分度、靜態(tài)誤差、等控制要求。2.1.3 系統(tǒng)組成由于本課題是一個(gè)典型的檢測(cè)、控制型應(yīng)用系統(tǒng)，它要求系統(tǒng)完成從水溫檢測(cè)、信號(hào)處理、輸入、運(yùn)算到輸出控制電爐加熱功率以實(shí)現(xiàn)水溫控制的全過(guò)程。因此，應(yīng)以單片微型計(jì)算機(jī)為核心組成一個(gè)專(zhuān)用

7、計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，以滿足檢測(cè)、控制應(yīng)用類(lèi)型的功能要求。另外，單片機(jī)的使用也為實(shí)現(xiàn)水溫的智能化控制以及提供完善的人機(jī)交互界面及多機(jī)通訊接口提供了可能，而這些功能在常規(guī)數(shù)字邏輯道路中往往是難以實(shí)現(xiàn)或無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。所以，本例采用以單片機(jī)為核心的DDC（直接數(shù)字控制系統(tǒng)）。在本課題中，控制部分主要是單片機(jī)控制和控制電路。單片機(jī)控制是用單片機(jī)芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)；控制電路部分是晶閘管電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，執(zhí)行部分的1KW的電爐，反饋部分是采用傳感器技術(shù)。 單片機(jī)的選擇AT89C2051、AT89C51單片機(jī)是最常用的單片機(jī)，是一種低損耗、高性能、CMOS八位微處理器。AT89C2051與MCS-51系列的單片機(jī)在指令系統(tǒng)和引腳

8、上完全兼容，而且能使系統(tǒng)具有許多MCS-51系列產(chǎn)品沒(méi)有的功能，功能強(qiáng)、靈活性高而且價(jià)格低廉。AT89S51可構(gòu)成真正的單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)，縮小系統(tǒng)體積，增加系統(tǒng)的可靠性，降低了系統(tǒng)成本。只要程序長(zhǎng)度小于4K，四個(gè)I/O口全部提供給擁護(hù)。系統(tǒng)運(yùn)行中需要存放的中間變量較少，可不必再擴(kuò)充外部RAM。2.1.6 功率放大 2.1.7 傳感器部分 在本課題中，才用的傳感器是AD590傳感器。傳感器可將溫度量轉(zhuǎn)換成電量進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)溫度的測(cè)量、控制以及對(duì)溫度信號(hào)放大、變換等很方便。 溫度傳感器種類(lèi)較多。熱電偶由于熱電勢(shì)較小，因而靈敏度較低；熱敏電阻由于非線性而影響精度；鉑電阻溫度傳感器由于成本高，在一般小

9、系統(tǒng)中很少使用。AD590是美國(guó)Analog Devices公司生產(chǎn)的二端式集成溫度傳感器，具有體積小、重量輕、線性度好、性能穩(wěn)定等一系列優(yōu)點(diǎn)。它的測(cè)溫范圍為-50+155°C，滿刻度誤差為0.3°C，當(dāng)電源電壓在510V之間，穩(wěn)定度為1%，誤差只有0.01°C，完全適用于本設(shè)計(jì)對(duì)水溫測(cè)量的要求。另外AD590是溫度電流傳感器，對(duì)于提高系統(tǒng)抗干擾能力也有很大幫助，因此本設(shè)計(jì)選用AD590作為溫度傳感器。綜合上述及本課題的測(cè)溫要求考慮，故選擇選擇熱電偶傳感器作為測(cè)溫元件。2.1.8 信號(hào)放大部分放大電路部分是利用具有放大特性的電子元件,如晶體三極管,三極管加上工作電

10、壓后,輸入端的微小電流變化可以引起輸出端較大電流的變化,輸出端的變化要比輸入端的變化大幾倍到幾百倍,這就是放大電路的基本原理2.1.9 A/D轉(zhuǎn)換 ADC0809的IN0和放大電路輸出端相連，故IN0上輸入的0V-+5V范圍的模擬電壓經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后可由8031通過(guò)程序從P0口輸入到它的內(nèi)部RAM單元。首先輸入地址選擇信號(hào)，在ALE信號(hào)作用下，地址信號(hào)被鎖存，產(chǎn)生譯碼信號(hào)，選中一路模擬量輸入。然后輸入啟動(dòng)轉(zhuǎn)換控制信號(hào)START啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換結(jié)束，數(shù)據(jù)送三態(tài)緩沖鎖存器，同時(shí)發(fā)出EOC信號(hào)。在允許輸入信號(hào)OE的控制下，再將轉(zhuǎn)換結(jié)果輸入到外部數(shù)據(jù)總線。2.1.10 設(shè)定溫度及顯示部分 第3章 系統(tǒng)硬件

11、設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)硬件框圖傳 感器 電爐單 片 機(jī) 基 本 系 統(tǒng)信號(hào)放大A/D顯示及設(shè)定功率放大此系統(tǒng)是一個(gè)典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制的目的的電爐的功率，通過(guò)單片機(jī)技術(shù)來(lái)控制晶閘管的特性，從而控制電壓的大小，最終達(dá)到控制電爐的功率。此外，該系統(tǒng)還有反饋裝置，通過(guò)傳感器檢測(cè)技術(shù)隨時(shí)凈水的溫度，經(jīng)過(guò)處理反饋到單片機(jī)控制部分并有顯示部分顯示。2.2 系統(tǒng)組成部分接線分析 2.2.1 反饋部分 反饋部分是由；傳感器到放大電路到A/D再到單片機(jī)，其接線圖如下：以AT89C51單片機(jī)為控制核心，采集到溫度，經(jīng)放大，AD轉(zhuǎn)換后送單片機(jī)處理，再通過(guò)串行口發(fā)送到顯示模塊因?yàn)榭紤]到PID運(yùn)算時(shí)需要調(diào)用浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算程序庫(kù)

12、,程序需要占用很大的存儲(chǔ)空間,8051內(nèi)部的能滿足此要求,所以不需要擴(kuò)展外部ROM,系統(tǒng)中運(yùn)行中需要存放的中間變量只有給定溫度和實(shí)測(cè),PID運(yùn)算中間結(jié)果及輸出結(jié)果等十幾個(gè)變量.因而8051片內(nèi)的RAM能夠滿足要求,可不必再擴(kuò)展。 2.2.2 顯示部分顯示部分是單片機(jī)與鍵盤(pán)及顯示之間的接口線路，分為數(shù)字顯示和報(bào)警兩部分，其接線圖如下：鍵盤(pán)顯示電路 2.2.3 控制部分將前述各單元電路連接起來(lái)，可構(gòu)成完整的系統(tǒng)硬件電路圖。在這控制過(guò)程中，控制電路中的功率放大是用可控硅來(lái)實(shí)現(xiàn)。雙向可控硅管和加熱絲串聯(lián)接在交流220V，50Hz交流試點(diǎn)回路。在給定的周期T內(nèi)，8031只要改變可控硅管的接通時(shí)間便可改變

13、加熱絲功率，以達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的。可控硅管在給定周期T內(nèi)具有不同接通時(shí)間的情況。顯然，可控硅在給定周期T的100%時(shí)間內(nèi)接通的功率最大。如下圖所示：可控硅接通時(shí)間可以通過(guò)可控硅控制板上控制脈沖控制。該觸發(fā)脈沖由8031用軟件在P1.3引腳上產(chǎn)生，受過(guò)零同步脈沖后經(jīng)光偶管和驅(qū)動(dòng)器輸送到可控硅的控制極上。通常，電阻爐爐溫控制采用偏差控制法。偏差控制的原理是先求出史冊(cè)爐溫對(duì)所需爐溫的偏差值，然后對(duì)偏差值處理而獲得控制信號(hào)去調(diào)節(jié)電阻爐的假熱功率，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電阻爐的爐溫控制。 第3章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件由主程序、鍵盤(pán)掃描、LED顯示、串行口中斷組成。由于本模塊就進(jìn)行鍵盤(pán)與顯示任務(wù)，且鍵盤(pán)掃描與LED掃描

14、是用同個(gè)74LS138來(lái)完成，可以將程序精簡(jiǎn)，即把鍵盤(pán)和顯示的程序合在一起放在主程序里。 （1）初始化。設(shè)定可編程芯片的工作方式，對(duì)內(nèi)存中的工作參數(shù)區(qū)進(jìn)行初始化，顯示系統(tǒng)初始狀態(tài)。（2）讀溫度程序. 通過(guò)DS18B20的側(cè)溫.（3）調(diào)用PID算法子程序通過(guò)鍵盤(pán)模塊發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù),即給定值,和測(cè)量值進(jìn)行計(jì)算,輸出PWM波.對(duì)電爐的水溫度進(jìn)行控制.（4）返回 NYYNYNNY開(kāi)始初始化P3.3、P3.4、P3.5=000消抖31Hß 0P1ß30H延時(shí)Flaga=1等待按鍵放開(kāi)P3.2=0？P3.7=0？消抖等待按鍵放開(kāi)Flaga=1？P3.3、P3.4、P3.5=001P1&

15、#223;31H延時(shí)Flagb=1？Flagbß 132Hß 0Flagbß0.P3.3、P3.4、P3.5=010P3.3、P3.4、P3.5=011.P3.3、P3.4、P3.5=101P3.3、P3.4、P3.5=100P3.3、P3.4、P3.5=110P3.3、P3.4、P3.5=111 初始化 讀溫度程序 入口P0.0輸出高電平脈寬標(biāo)志位清0返回脈寬標(biāo)志位是高電平?P0.0輸出低電平把脈寬標(biāo)志位置1YN 調(diào)用PID算法子程序 初始化調(diào)用水溫檢測(cè)子程序調(diào)用PID算法子程序開(kāi)起定時(shí)器定時(shí)時(shí)間到?調(diào)用脈寬子程序返回YN 返回 開(kāi)始復(fù)位DS18B20發(fā)讀存儲(chǔ)器

16、命令返回發(fā)跳過(guò)ROM命令發(fā)溫度轉(zhuǎn)換命令延時(shí)復(fù)位DS18B20將溫度轉(zhuǎn)換成BCD碼發(fā)送溫度值,顯示溫度水溫檢測(cè)子程序第4章 參數(shù)計(jì)算系統(tǒng)調(diào)試包括硬件調(diào)試和軟件調(diào)試。按+鍵設(shè)定溫度值加一；按-鍵設(shè)定溫度值減一；按設(shè)溫鍵，可任意設(shè)置溫度，輸入相應(yīng)的數(shù)值，按確定鍵即可，按取消鍵則返回前一次設(shè)置的值；按初始鍵則返回剛一開(kāi)機(jī)的狀態(tài)。軟件的調(diào)試府在仿真器提供的單步、斷點(diǎn)、跟蹤等功能的支持下對(duì)各子程序分別進(jìn)行調(diào)試將調(diào)試完的工程序連接起來(lái)再調(diào)試逐步擴(kuò)大調(diào)試范圍。4.1 系統(tǒng)各模塊設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算、溫度采集部分及轉(zhuǎn)換部分我們使用AD590來(lái)采集外界的溫度。AD590是美國(guó)模擬器件公司生產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源。它

17、的主要特性如下：1、流過(guò)器件的電流（mA）等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度（開(kāi)爾文）度數(shù)，即：mA/K式中： 流過(guò)器件（AD590）的電流，單位為mA； T熱力學(xué)溫度，單位為K。2、AD590的測(cè)溫范圍為-55+150。3、AD590的電源電壓范圍為4V30V。電源電壓可在4V6V范圍變化，電流 變化1mA，相當(dāng)于溫度變化1K。AD590可以承受44V正向電壓和20V反向電壓，因而器件反接也不會(huì)被損壞。4、輸出電阻為710MW。5、精度高。AD590共有I、J、K、L、M五檔，其中M檔精度最高，在-55+150范圍內(nèi)，非線性誤差為±0.3。由于AD590采集的輸出數(shù)據(jù)是模擬量電流，而且很

18、小，不易測(cè)量，所以我們要將電流量轉(zhuǎn)換成電壓量，這樣有利于后面的放大及D/A轉(zhuǎn)換。我們改用一個(gè)固定電阻（9.1k或10k）和一個(gè)電位器(1K)串接的方法，這樣可以通過(guò)調(diào)節(jié)電位器使得每路輸出電壓基本一致。如以0為參考值則應(yīng)使其電壓輸出為2.73V；如以25為參考值，則應(yīng)使其電壓輸出為2.98V.、傳感器輸出信號(hào)放大電路部分:由于取得的電壓量很小，我們選用LM324做為運(yùn)放，以為其內(nèi)部帶有四個(gè)運(yùn)放，可以使得運(yùn)放部分在電路版上不占用太大的體積。我們用了其內(nèi)部的三個(gè)運(yùn)放。第一級(jí)運(yùn)放我們做成射級(jí)跟隨器的形式，起到阻抗匹配的作用。第二級(jí)運(yùn)放設(shè)計(jì)為反相比例求和電路，根據(jù)反相比例求和電路公式，我們?cè)O(shè)計(jì)了如下圖的

19、電路，U=-(（10/10）*U1+10/（20+R）),其中U為第二級(jí)輸出電壓，R為50k的電位器?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)電位器使得輸出電壓達(dá)到要求。設(shè)0時(shí)，第二級(jí)的輸出為2.73-2.73=0V，而25時(shí)，第二級(jí)的輸出為2.73-2.98= -0.25V（反相）（零位調(diào)整）。第三級(jí)運(yùn)放設(shè)計(jì)為反相比例放大電路，我們?cè)O(shè)計(jì)為將第二級(jí)的輸出電壓放大5倍。所以我們選用了10k和50k的電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)。、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路部分:這部分最初想用ADC0809的，但為了配合使用CD4051，我們最終選擇了ADC0804。ADC0804的規(guī)格及引腳圖·8位CMOS逐次逼近型的A/D轉(zhuǎn)換器·三態(tài)鎖定輸出

20、83;存取時(shí)間：135s；·分辨率：8位；·轉(zhuǎn)換時(shí)間：100s；·總誤差：±1LSB；·工作溫度：ADC0804LCN0+70；·ADC0804LCD -40+85；引腳圖及說(shuō)明如圖所示：/CS：芯片選擇信號(hào)。/RD：外部讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果的控制腳輸出信號(hào)。/RD為高時(shí)，DB0DB7處于高阻抗；/RD為低時(shí)，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)才會(huì)輸出。/WR：用來(lái)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換的控制輸入，相當(dāng)于ADC的轉(zhuǎn)換開(kāi)始（/CS=0時(shí)），當(dāng)/WR由高變?yōu)榈蜁r(shí)，轉(zhuǎn)換器被清除；當(dāng)/WR回到高時(shí)，轉(zhuǎn)換正式開(kāi)始。CLK IN, CLK R：時(shí)鐘輸入或接振蕩元件（R,C）,頻率約限制在100

21、kHz1460kHz,如果使用RC電路則其振蕩頻率為1/（1.1RC）./INTR：中斷請(qǐng)求信號(hào)輸出，低電平動(dòng)作。VIN(+)、VIN()：差動(dòng)模擬電壓輸入。輸入單端正電壓時(shí)，VIN()接地；而差動(dòng)輸入時(shí)，直接加入VIN(+)、VIN()。AGND,DGND：模擬信號(hào)及數(shù)字信號(hào)的接地。VREF：輔助參考電壓。DB0DB7：8位的數(shù)字輸出。VCC：電源供應(yīng)以及作為電路的參考電壓。眾所周知, 精度是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要指標(biāo), 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的量化誤差是影響系統(tǒng)精度的主要因素,A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多, 其量化誤差越小, 一個(gè)M 位的A/D 轉(zhuǎn)換器的量化誤差可表示為:式中V ref為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的參考基準(zhǔn)電壓

22、。設(shè)A/D 轉(zhuǎn)換電路的模擬輸入電壓為Vi, 則經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換后的相對(duì)誤差表示為: (2)上式表明, 當(dāng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)選定后, 其相對(duì)誤差D與其模擬輸入電壓V i 成反比。因此只有將輸入信號(hào)V i 預(yù)放大到接近參考電壓V ref, 才能充分發(fā)揮A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)的效能, 減小量化誤差, 提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集精度。此即為引入前置放大器的目的之所在。逐步逼近式A/D的轉(zhuǎn)換公式：，、Ux為輸入電壓、N為輸出值 （1-1） （1-2）當(dāng)選定參考電壓和A/D位數(shù)時(shí)，e為常數(shù)，由誤差傳遞公式得：，Ux是輸入絕對(duì)誤差 （1-3）由式（1-3）知：當(dāng)輸入電壓越大，A/D轉(zhuǎn)換的相對(duì)誤差越小，當(dāng)然輸入電壓不能大于A/D

23、最大轉(zhuǎn)換電壓。因此為了減少A/D轉(zhuǎn)換誤差，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大。、ADC0804芯片外圍電路的設(shè)計(jì)：a.19腳的CLKR端接一個(gè)10k的電阻和150PF的電容，根據(jù)公式f=1/（1.1RC）,可算得時(shí)鐘輸入頻率為0.6兆左右。b.9腳：選擇470k的電阻、5k的電位器和2.7伏的穩(wěn)壓管來(lái)調(diào)節(jié)芯片的相對(duì)電壓。本電路中應(yīng)調(diào)節(jié)電位器使得9腳電壓為2 .56伏。c.1、7、8腳接地d.6腳接運(yùn)放的輸出端，采集收集到的信號(hào)，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換最后輸出8位2 進(jìn)制數(shù)，這樣就可以送到單片機(jī)里進(jìn)行處理了。、數(shù)值處理部分及顯示部分: 數(shù)值處理部分：我們采用8051芯片，其內(nèi)部自帶程序存儲(chǔ)器。其外接12兆的晶

24、振來(lái)給起供應(yīng)震蕩頻率。9腳接一個(gè)10F的電解電容再接地，來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)位功能。/RD和/WR分別與ADC0804的/RD和/WR相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)控制。P2.4腳與ADC0804的/INTR相接，可以通過(guò)編程來(lái)判斷該腳的高低來(lái)得知A/D轉(zhuǎn)換是否完成。P1.4P1.7及P2.7口分別外接一個(gè)4.7k的電阻接至三極管的C端，來(lái)控制三極管的通斷，來(lái)控制5個(gè)數(shù)碼管的亮暗。P2.0P2.2口分別與ADC0804的9、10、11腳來(lái)控制選擇的路數(shù)。 顯示部分：用7447芯片與8051的P1.0P1.3口相連，7447芯片可將8051轉(zhuǎn)換好的8421BCD碼轉(zhuǎn)換成7段碼送到數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管選用共陽(yáng)的，因此在其

25、Vcc端要外接一個(gè)三極管（9013），通過(guò)控制三極管給數(shù)碼管供電，來(lái)控制數(shù)碼管的通斷。、PID算法的介紹: 工業(yè)上，偏差控制又稱為PID控制，這是工業(yè)控制中常用的控制形式，一般能收到令人滿意的效果?？刂普摳嬖V我們，PID控制的理想方程是： 式中e 測(cè)量值與給定值之間的偏差;TD 微分時(shí)間:T - 積分時(shí)間; KP 調(diào)節(jié)器的放大系數(shù).將上式離散化得到數(shù)字PID位置式算法式中在位置式算法的基礎(chǔ)之上得到數(shù)字PID增量式算法： 、A/D轉(zhuǎn)換模塊由于系統(tǒng)對(duì)信號(hào)采集的速度要求不高，故可以采用價(jià)格低的8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器ADC0804，該轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度為100us,轉(zhuǎn)換精度為0.39%，對(duì)應(yīng)誤差為0.

26、2340°C。故采用AD0804，ADC0804是8位模數(shù)轉(zhuǎn)化電路，它能把模擬電壓值轉(zhuǎn)化為8位二進(jìn)制碼，其轉(zhuǎn)化公式如下：DX=VIN*256/VREF 我們這里設(shè)置VREF 等于5V（因?yàn)檫@里懸空沒(méi)接，查資料可知其為5V），則DX 所對(duì)應(yīng)的值就是八位二進(jìn)制碼的十進(jìn)制值，具體轉(zhuǎn)化表如下：溫度值A(chǔ)DCin（V）DX十六進(jìn)制編碼溫度值A(chǔ)DCin（V）DX十六進(jìn)制編碼0°C0000H30°C2.344878H2°C0.156107H35°C2.73498BH4°C0.31320AH40°C3.125AA0H8°C0.625

27、320H45°C3.516BB4H10°C0.781427H50°C3.906CC7H15°C1.17253CH55°C4.297DDCH20°C1.56064FH60°C4.688EF0H25°C1.953763H64°C5.000FFFHA/D轉(zhuǎn)換器時(shí)鐘電路參數(shù)計(jì)算ADC0804片內(nèi)有時(shí)鐘電路，其振蕩頻率可按下式計(jì)算： fclk1/1.1RC式中R和C分別是CLK_R和CLK_IN兩端外接一對(duì)地電阻、電容的阻容值。其典型應(yīng)用參數(shù)為R=10K，C=150PF。此時(shí)fclk640kHz，A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間約為

28、103s。A/D轉(zhuǎn)換器的INTR與89C51的P1.0相連，單片機(jī)以查詢方式獲取A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換完畢的信息。、控制模塊本課題用單片機(jī)來(lái)控制雙向晶閘管，晶閘管陽(yáng)極和陰極間所接的是220V的交流電壓，為了滿足要求，本電路在中間加了一個(gè)光電耦合器件，使低壓區(qū)和高壓區(qū)隔離開(kāi)。光電耦合器件MOC3041，耐壓值為400V。工作電壓峰值算:Vp=2201.414=313（V）工作電流峰值計(jì)算: Ip=1000/2201.414=6.43（A）為了滿足要求，雙向晶閘管選用BAT12-600，BAT12-600可承受的最大反向電壓為600V，最大電流為12A，因?yàn)殡p向晶閘管在開(kāi)通和關(guān)斷的瞬間du/dt的變化率

29、較大，開(kāi)關(guān)損耗很大，為了保護(hù)雙向晶閘管還可在其旁邊加一保護(hù)電路加上阻容電路，利用儲(chǔ)能元件對(duì)能量進(jìn)行緩沖，達(dá)到保護(hù)的目的。于本電路采用PID控制，程序較長(zhǎng)，約為2.8K左右，因此選用比較熟悉AT89C51單片機(jī)，其容量為4K，可以滿足設(shè)計(jì)的要求。復(fù)位電路的參數(shù)選擇：本設(shè)計(jì)晶振用的是12M，則機(jī)器周期為1us，要使單片機(jī)復(fù)位需持續(xù)2個(gè)機(jī)器周期的高電平。溫系統(tǒng)經(jīng)溫度傳感器和信號(hào)放大器產(chǎn)生05V的模擬電壓信號(hào)送入A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端，A/D轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量通過(guò)系統(tǒng)總線送入單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理。硬件電路的調(diào)試應(yīng)依次對(duì)單片機(jī)基本系統(tǒng)、前向通道和后向通道分別進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試時(shí)可利用仿真器對(duì)各接口地址進(jìn)

30、行讀寫(xiě)操作，靜態(tài)地測(cè)試電路各部分的連接是否正確；對(duì)于動(dòng)態(tài)過(guò)程(如中斷響應(yīng)、脈寬調(diào)制輸出等)可以編寫(xiě)簡(jiǎn)短的調(diào)試程序配合硬件電路的調(diào)試。4.1.8、單片機(jī)基本系統(tǒng)調(diào)試(a)晶振電路 將仿真器晶扳開(kāi)關(guān)打到外部，如果仿真器出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象,說(shuō)明用戶系統(tǒng)晶振電路有問(wèn)題，此時(shí)應(yīng)用示波器觀察單片機(jī)時(shí)鐘信號(hào)，或輸入端是否振蕩信或檢查品振電路各器件參數(shù)。(b)復(fù)位電路按下復(fù)位按鈕應(yīng)使系統(tǒng)處于復(fù)位狀態(tài)，否則用用表檢查復(fù)位電路各點(diǎn)信號(hào)和器件參數(shù)。(2)LED顯示電路本電路采用8個(gè)共陰的數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示，前4個(gè)為設(shè)定溫度，后4個(gè)為實(shí)測(cè)溫度。動(dòng)態(tài)掃描時(shí)采用74LS138對(duì)這8個(gè)數(shù)碼管輪流掃描，進(jìn)行位控，而P1口是進(jìn)行段控信號(hào)

31、的控制，為了增加數(shù)碼管的亮度，共陰端有三極管來(lái)驅(qū)動(dòng)它的電流。電路如圖6所示。(3)鍵盤(pán)接口電路 本電路采用鍵盤(pán)掃描法對(duì)16個(gè)按鍵進(jìn)行讀取狀態(tài)。使用行列式，把這16個(gè)按鍵分為82，采用74LS138對(duì)8行鍵盤(pán)輪流掃描，再通過(guò)P3.2和P3.7這2列讀進(jìn)來(lái)，從而判斷按鍵是否按下(4)前向通道調(diào)試比較簡(jiǎn)單(5)后向通道調(diào)試即控制部分(a)靜態(tài)調(diào)試 用仿真器在p00上輸出高電平，雙向可控硅導(dǎo)通電爐開(kāi)始加熱；在P00上輸出低電平雙向可控硅截止，電爐停止加熱。如果輸出不正常，應(yīng)按信號(hào)輸出順序分別撿查P00、光電耦合器輸入端、光電耦合器輸出端及雙向可控硅兩端的電壓情況。(b)動(dòng)態(tài)調(diào)試編寫(xiě)簡(jiǎn)短調(diào)試程序，在P0

32、0上周期性地輸出一定占空比的脈寬調(diào)制波形，用示被器觀察電爐兩端電壓輸入波形和通斷比例。改變輸出波形占空比，電爐兩端電壓輸入的通斷比也應(yīng)有相應(yīng)改變。 (6) 傳感器電路部分 溫度傳感器種類(lèi)較多。熱電偶由于熱電勢(shì)較小，因而靈敏度較低；熱敏電阻由于非線性而影響精度；鉑電阻溫度傳感器由于成本高，在一般小系統(tǒng)中很少使用。AD590是美國(guó)Analog Devices公司生產(chǎn)的二端式集成溫度傳感器，具有體積小、重量輕、線性度好、性能穩(wěn)定等一系列優(yōu)點(diǎn)。它的測(cè)溫范圍為-50+155°C，滿刻度誤差為0.3°C，當(dāng)電源電壓在510V之間，穩(wěn)定度為1%，誤差只有0.01°C，完全適用于

33、本設(shè)計(jì)對(duì)水溫測(cè)量的要求。另外AD590是溫度電流傳感器，對(duì)于提高系統(tǒng)抗干擾能力也有很大幫助，因此本設(shè)計(jì)選用AD590作為溫度傳感器。(6)軟件調(diào)試: 軟件的調(diào)試府在仿真器提供的單步、斷點(diǎn)、跟蹤等功能的支持下對(duì)各子程序分別進(jìn)行調(diào)試將調(diào)試完的工程序連接起來(lái)再調(diào)試逐步擴(kuò)大調(diào)試范圍。調(diào)試的過(guò)程一般是：a測(cè)試程序輸入條件或設(shè)定程序輸入條件;b以單步、斷點(diǎn)或跟蹤方式運(yùn)行程序；c檢查程序運(yùn)行結(jié)果；d運(yùn)行結(jié)果不正確時(shí)查找原因。修改程序，重復(fù)上述過(guò)程。 注意事項(xiàng)：A.輸入抗干擾。a、鍵盤(pán)：按鍵在按下與抬起時(shí)都會(huì)有1020ms的抖動(dòng)毛刺出現(xiàn)，在讀取鍵值時(shí)可先延時(shí)，再進(jìn)行采樣，在本設(shè)計(jì)中我是調(diào)用了一段顯示子程序，和

34、同學(xué)的電路相比，效果非常明顯。b.AD轉(zhuǎn)換器： 由于外界的干擾，AD采樣后的數(shù)據(jù)會(huì)有較大誤差，為了提高準(zhǔn)確度，可采用輸入分區(qū)抗干擾法，對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行初步的處理，降低外界干擾的破壞性，當(dāng)然再配合多數(shù)平均法處理效果更加。B.輸出抗干擾 ：一般來(lái)說(shuō)，單片機(jī)的低電平驅(qū)動(dòng)能力遠(yuǎn)高于高電平的驅(qū)動(dòng)能力，可以用上拉電阻的方法來(lái)平衡單片機(jī)的端口驅(qū)動(dòng)能力，以提高整體的抗干擾能力。因此本設(shè)計(jì)中只要涉及輸出控制都是采用低電平驅(qū)動(dòng)。 第5章 測(cè)試方法和測(cè)試結(jié)果5.1 系統(tǒng)測(cè)試儀器及設(shè)備雙路跟蹤穩(wěn)壓穩(wěn)流電源DH1718E-5直流穩(wěn)壓電源數(shù)字示波器Tektronix TDS1002偉福E6000/L 仿真器多功能數(shù)字表GD

35、M-8145數(shù)字萬(wàn)用表0100溫度計(jì)、調(diào)溫電熱杯、秒表5.2 測(cè)試方法由于系統(tǒng)不完善，我采用的是分步調(diào)試的方法，步驟如下： （1）在水杯中存放1L凈水，放置在1KW的電爐上，打開(kāi)控制電源，系統(tǒng)進(jìn)入準(zhǔn)備工作狀態(tài)。（2）先調(diào)零，先將OP07的2、3腳短路，然后調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，使六腳輸出為0。（3）在改變溫度使溫度為35時(shí)輸出為0V，溫度為95時(shí)輸出為5V。在65時(shí)為2.5V。 （4）在結(jié)合軟件進(jìn)行水溫控制，假如設(shè)定溫度為88，而實(shí)際溫度為55，那么就加熱使水問(wèn)到達(dá)88，此時(shí)水爐會(huì)自動(dòng)斷電，當(dāng)水溫低與88，水爐有會(huì)自動(dòng)加熱實(shí)現(xiàn)控制的作用。 （5）然后在雙機(jī)通訊，用鍵盤(pán)設(shè)定溫度，結(jié)合軟件加以控制。5.3 測(cè)試結(jié)果（1）測(cè)量溫度與給定溫度的相應(yīng)值如表1所