PWM控制技術(shù)在恒溫控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、PW 贓制在恒溫控制系統(tǒng)中的應(yīng)用隨著人類社會不斷邁向智能化，和新興科技的不斷發(fā)展，自動(dòng)控制在人們的生產(chǎn)生活中發(fā)揮著越來越重要的作用，特別是恒量控制在科研、生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越廣泛。本文針對恒溫控制這一需求，對PWM以及單片機(jī)在自動(dòng)化控制中的應(yīng)用進(jìn)行了廣泛深入的研究，使用PWM控制技術(shù)并結(jié)合一定的軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)， 完成了PWM控制技術(shù)在恒溫控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，主要研究內(nèi)容如下：(1)介紹并研究了PWM控制技術(shù)的相關(guān)概念、應(yīng)用領(lǐng)域、未來的應(yīng)用前景與技術(shù)特點(diǎn)。(2)介紹并研究了MCS-51單片機(jī)在自動(dòng)控制中的應(yīng)用、 應(yīng)用領(lǐng)域、 應(yīng)用前景與應(yīng)用特點(diǎn)。(3)介紹了常見溫度傳感器及其應(yīng)用。(4)介紹了常用

2、的隔離技術(shù)及其應(yīng)用。關(guān)鍵字：PWM控制技術(shù)，MCS-51單片機(jī)，溫度傳感器，恒溫控制，隔離技術(shù)1.引言溫度是工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)中主要的被控制參數(shù)之一，與之相關(guān)的各種溫度控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于冶金、化工、機(jī)械、食品、科研實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域。首先溫度控制是工業(yè)生產(chǎn)過程中經(jīng)常遇到的恒量控制，有些生產(chǎn)過程對其溫度的控制效果直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量；其次在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，尤其在生化實(shí)驗(yàn)中，溫度控制在很大程度上決定了實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和實(shí)驗(yàn)的成敗，因而設(shè)計(jì)一種較為理想的溫度控制系統(tǒng)對工業(yè)生產(chǎn)以及科研實(shí)驗(yàn)有著非常實(shí)用的價(jià)值。2 .關(guān)鍵技術(shù)的研究與分析2.1.PWM 技術(shù)的研究與分析PWM是英文PulseWidthModulation”

3、的縮寫， 其含義為脈沖寬度調(diào)制， 簡稱脈寬調(diào)制。它是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于測量、通信、功率控制與變換領(lǐng)域。2.1.1.PWM 控制的基本原理理論基礎(chǔ)：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。沖量指窄脈沖的面積。效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異圖1形狀不同而沖量相同的各種車脈沖面積等效原理：分別將如圖1所示的電壓窄脈沖加在一階慣性環(huán)節(jié)(R-L電路)上，如圖2a所示。其4U出電流i對不同窄脈沖時(shí)的響應(yīng)波形如圖2b所示。從波形可以看出，在i的上升段，i(t)的形狀也略有不同，

4、但其下降段則幾乎完全相同。脈沖越窄，各i(t)響應(yīng)波形的差異也越小。如果周期性地施加上述脈沖，則相應(yīng)i(t)也是周期性的。用傅里葉級數(shù)分解后將可看出，各i(t)在低頻段的特性將非常接近，僅在高頻段有所不同。如圖2圖2沖量相同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形2.1.2.PWM 相關(guān)概念占空比：輸出的PWM中，高電平保持的時(shí)間與該P(yáng)WM的時(shí)鐘周期的時(shí)間之比*(d分辨率：占空比最小能達(dá)到的量級。P=1/8n(n為位數(shù))。2.1.3.常見 PWM 波形變換(1)等幅波變換其變換出的PWM波形的振幅相等，如圖3所示:(2)不等幅波變換其變換出的PWM波形的振幅不相等，如圖4所示:圖42.2.AT89S51 單片機(jī)

5、的研究2.2.1.AT89S51 單片機(jī)的基本概述AT89S51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含4kbytes的可系統(tǒng)編程的Flash只讀程序存儲器， 兼容標(biāo)準(zhǔn)8051指令系統(tǒng)及引腳。 它集Flash程序存儲器既可在線編程(ISP)也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程及通用8位微處理器于單片芯片中。2.2.2.主要性能參數(shù)及功能：與MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容4k字節(jié)在系統(tǒng)編程（ISP）Flash閃速存儲器4.05.5V的工作電壓范圍 全靜態(tài)工作模式：0Hz33MHz128X8字節(jié)內(nèi)部RAM32個(gè)可編程I/O口線2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器6個(gè)中斷源 全雙工用fiUART通道

6、 低功耗空閑和掉電模式 中斷可從空閑模喚醒系統(tǒng) 看門狗WDT）及雙數(shù)據(jù)指針 掉電標(biāo)識和快速編程特性 靈活的在系統(tǒng)編程（ISP字節(jié)或頁寫模式）2.2.3.AT89S51 方框圖與功能介紹中央處理器（CPU）CPU是單片機(jī)的主要核心部件，在CPU里面包含了運(yùn)算器、控制器以及若干寄存器等部件組成。MCS-51的CPU能處理8位二進(jìn)制數(shù)或代碼。內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器(RAM)MCS-51單片機(jī)芯片共有256個(gè)字節(jié)的RAM單元，其中后128單元被專用寄存器占用，能作為寄存器供用戶使用的只是前128單元，用于存放可讀寫的數(shù)據(jù)。因此通常所說的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器就是指前128單元，簡稱內(nèi)部RAM。地址范圍為00HFFH(

7、256B)。是一個(gè)多用多功能數(shù)據(jù)存儲器，有數(shù)據(jù)存儲、通用工作寄存器、堆棧、位地址等空間。內(nèi)部程序存儲器(ROM)MCS-51內(nèi)部有4KB/8KB字節(jié)的ROM(51系列為4KB,52系列為8KB),用于存放程序、原始數(shù)據(jù)或表格。 因此稱之為程序存儲器， 簡稱內(nèi)部ROM。 地址范圍為0000H-FFFFH(64KB)。定時(shí)器/計(jì)數(shù)器51系列共有2個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器以實(shí)現(xiàn)定時(shí)或計(jì)數(shù)功能， 并以其定時(shí)或計(jì)數(shù)結(jié)果對計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。定時(shí)時(shí)靠內(nèi)部分頻時(shí)鐘頻率計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)，做計(jì)數(shù)器時(shí)，對P3.4(T0)或P3.5(T1)端口的低電平脈沖計(jì)數(shù)。并行 I/O(輸入/輸出)接口MCS-51共有4個(gè)8位的I/O口(

8、P0、P1、P2、P3)以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入輸出。串行接口MCS-51有一個(gè)可編程的全雙工的串行口， 以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和其它設(shè)備之間的申行數(shù)據(jù)傳送。該用行口功能較強(qiáng)，既可作為全雙工異步通信收發(fā)器使用，也可作為移位器使用。RXD(P3.0)腳為接收端口，TXD(P3.1)腳為發(fā)送端口。中斷控制系統(tǒng)MCS-51單片機(jī)的中斷功能較強(qiáng)， 以滿足不同控制應(yīng)用的需要。51系列有5個(gè)中斷源（52系列有6個(gè)中斷源），即外中斷2個(gè)，定時(shí)中斷2個(gè)，串行中斷1個(gè)，全部中斷分為高級和低級共二個(gè)優(yōu)先級別。定時(shí)與控制部件MCS-51單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增益的反相放大器，基輸入端為XTAL1輸出端為XTAL2。MCS-51芯片的內(nèi)部

9、有時(shí)鐘電路，但石英晶體和微調(diào)電容需外接。時(shí)鐘電路為單片機(jī)產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖序列。2.2.4.引腳圖及引腳功能說明引腳圖見圖6PDIPVcc：電源電壓GND:地P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/0口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口作為輸出口用時(shí)，每HplOI-尸1.1匚P12匚Ml.3IPIJI-gOS。P1.5I-(Ml66P1.6CZ但0Pl,7IRSTL_(RXD3PS.O匚fTXOlP3.十r(IMTO1F3r.2匚(iNHP3JP3-5匚(WRiP3.6匚(RD；P3r7l_xrAI_2rXTALrC3NO匚=lvcc二IPOO(AOOJZlPO.1一IPO.2g81POM1FO+(AD4

10、nROS(AD5二IPO向向沁巨PQL7(AD7口_ALB/PROG二IPSEh_lH.JAlfe二1PN3g1-4)口&AI3)np之4(八便lP23rCA11：-172(A1C)二IPZOtAO)位能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯門電路，對端口寫“1”可作為高阻抗輸入端用。P1口：P1是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門電路。對端口寫T,通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。端口引腳第二功能P1.5MOSI（用于ISP犒程）P1.6MISO（用于ISP犒程）P1.7SCK（用于ISP犒程）P2口：P2是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位

11、雙向I/O口，P2的輸出緩沖級可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。P3口：P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/0口。P3口輸出緩沖級可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門電路。 對P3口寫入1”時(shí)， 它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。注：端口引腳第二功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（用行輸出口）P3.2INT0（外中斷0）P3.3INT1（外中斷1）P3.4T0（定時(shí)/計(jì)數(shù)器0外部輸入）P3.5T1（定時(shí)/計(jì)數(shù)器1外部輸入）P3.6WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀

12、選通）RST:復(fù)位輸入。 當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。WDT溢出將使該引腳輸出高電平，產(chǎn)生復(fù)位。ALE/PROG:當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時(shí)，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。 即使不訪問外部存儲器，ALE仍以時(shí)鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的正脈沖信號，因此它可對外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時(shí)將跳過一個(gè)ALE脈沖。PSEN:程序儲存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當(dāng)AT89S51由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次PSEN有效,即輸出兩個(gè)脈沖。當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲

13、器，沒有兩次有效的PSEN信號。EA/VPP:外部訪問允許。欲使CPU僅訪問外部程序存儲器（地址為0000H-FFFFH）,EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（接Vcc端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。XTALl:振蕩器反相放大器及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。XTAL2:振蕩器反相放大器的輸出端。3 .系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)3.1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在實(shí)際的恒溫控制系統(tǒng)中，需要對所控制的環(huán)境溫度進(jìn)行跟蹤控制，本設(shè)計(jì)采用AD7416溫度傳感器進(jìn)行溫度的采集，然后將所采集得到的數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)進(jìn)行處理，處理的結(jié)果一方面用于人機(jī)交互，通

14、過4個(gè)數(shù)碼管顯示到人機(jī)交互界面上，并可通過3個(gè)按鍵進(jìn)行所控制溫度的設(shè)定，使其適合實(shí)際的生產(chǎn)或科研的應(yīng)用；另一方面將處理的結(jié)果用于控制輸出的PWM脈寬波形，來對溫度進(jìn)行自動(dòng)控制。當(dāng)所控制環(huán)境的溫度升高或降低時(shí)，溫度傳感器所采集到的溫度就會隨之升高或降低，此時(shí)單片機(jī)所接收到的來自溫度傳感器的值和所設(shè)定的溫度值必然會出現(xiàn)偏離，當(dāng)所采集到的溫度高于設(shè)定的溫度時(shí)，單片機(jī)所控制輸出的脈寬就減小，使固態(tài)繼電器的吸合時(shí)間變短，從而使加熱的時(shí)間減小，同時(shí)使輔助風(fēng)扇轉(zhuǎn)速加快，而使溫度下降；當(dāng)所采集到的溫度低于設(shè)定的溫度時(shí)，單片機(jī)所控制輸出的脈寬就增大，使固態(tài)繼電器的吸合時(shí)間變長，從而使加熱的時(shí)間增大，同時(shí)使輔助風(fēng)

15、扇轉(zhuǎn)速減慢，而使溫度升高，由此實(shí)現(xiàn)了恒溫控制。3.2.系統(tǒng)開發(fā)的軟硬件平臺3.2.1 軟件平臺操作系統(tǒng)平臺：Windowsxp/7集成開發(fā)平臺：KeiluVision4硬件設(shè)計(jì)平臺：AltiumDesignerWinter093.2.2 硬件設(shè)計(jì)思想及產(chǎn)品選型(1)恒溫控制系統(tǒng)采用模塊化、集成化、標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)。便于環(huán)境多角度溫度的監(jiān)控。恒溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要滿足以下條件：(2)低成本：低成本是大規(guī)模恒溫控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的前提，因此必須保證其應(yīng)用的成本低。(3)擴(kuò)展性：主控制器應(yīng)具備良好的可擴(kuò)展性，以滿足以后系統(tǒng)的改進(jìn)和新的監(jiān)控點(diǎn)的加入口PWM 控制輸出(4)可靠性：主控制器和溫度采集器是整個(gè)系統(tǒng)的

16、關(guān)鍵部分，可靠性必須得到保證。(5)功能強(qiáng)：微控制器應(yīng)配有豐富的外設(shè)，滿足各種功能需求。考慮到以上因素，在系統(tǒng)開發(fā)中，主要使用了AD7416溫度傳感器和AT89S51單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制中心，并使用了較成熟的PWM控制技術(shù)進(jìn)行溫度的控制。AD7416是裝在一個(gè)芯片中的完整的溫度控制系統(tǒng)，它包括一個(gè)帶隙溫度傳感器和一個(gè)用來監(jiān)視并將溫度高低數(shù)字化的10位AD轉(zhuǎn)換器，精度可達(dá)0.25度，其寬的電源電壓范圍(2.7V-5.5V)和低的電流(典型值為0.35mA),并和I2C兼容的接口，使其對多種低功耗的應(yīng)用是很理想的。AT89S51單片機(jī)是低功耗，具有較強(qiáng)的處理能力，集成模擬外設(shè)、數(shù)字外設(shè)的控制器，能

17、夠適用于多種工業(yè)應(yīng)用場合；在此設(shè)計(jì)中通過軟件的設(shè)計(jì)很好的實(shí)現(xiàn)了PWM控制。3.3.系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案本次設(shè)計(jì)的恒溫控制系統(tǒng)由輸入輸出系統(tǒng)(包括數(shù)字信號量輸入、按鍵輸入、數(shù)碼管輸出、LED輸出等)、微處理器模塊、PWM控制模塊和能量供應(yīng)模塊四部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。系統(tǒng)電源人機(jī)交互界面數(shù)碼管輸出按鍵輸入AT89S51微控制器AD7416 溫度采集量輸入口加熱器、冷卻風(fēng)扇圖 7 恒溫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3.4. 軟件設(shè)計(jì)流程系統(tǒng)程序分為主程序，溫度采集處理子程序，PWM波形控制輸出子程序，溫度設(shè)定子程序，顯示子程序。主程序完成微處理器的初始化，全局變量的初始化，及系統(tǒng)程序執(zhí)行的全過程。溫度采集處理子程序

18、完成對AD7416數(shù)據(jù)的采集與處理，處理結(jié)果一方面用于顯示子程序，一方面用于PWM波形控制子程序；PWM波形控制子程序用于產(chǎn)生PWM波形。每完成一次轉(zhuǎn)換，程序查詢是否有溫度重新設(shè)定，如果有，則返回到溫度設(shè)定子程序處開始執(zhí)行，如果沒有，則回到溫度采集處理子程序處進(jìn)行執(zhí)行，循環(huán)的完成整個(gè)系統(tǒng)任務(wù)。其執(zhí)行流程如圖8所示。PWM波形產(chǎn)生子程席4 .關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)4.1. AD7416 溫度傳感器的應(yīng)用芯片的硬件連接如圖9所示，該芯片通過I2C接口和微控制器連接，通過該接口，使其可以使用在任何兼容I2C接口或軟件模擬I2C接口的微處理器上，以實(shí)現(xiàn)溫度的采集。該芯片還可以通過其A0、Ai、A2三個(gè)引腳進(jìn)

19、行地址選擇，同行多角度的監(jiān)控。GKDSDAVDDSCLADonAlGHPAAD7416GND4.2.人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為4個(gè)數(shù)碼管輸出和3個(gè)按鍵輸入，如圖10所示。因?yàn)樗玫臏囟葌鞲衅鞯木_度可以達(dá)到0.25度，故用四個(gè)數(shù)碼管來顯示環(huán)境的溫度，考慮一條I2C總線上最多可以接8個(gè)這樣的溫度傳感器，進(jìn)行所控制環(huán)境溫度的多角度監(jiān)控，具有很好的擴(kuò)展性。本設(shè)計(jì)采用4個(gè)溫度傳感器，對控制環(huán)境的溫度進(jìn)SDA1PCI-2TSDAVDDSCLADOTTAlGHLA2皿416rLci-10u?EDA1SQLTH-嚴(yán)SDAVDDSCLMOTIAlGNDA2C3IQuT_C3TlOuFSDAVDDSCLADonAlGNDA25VTIOUF即AD7416到微處理器的I/O的驅(qū)動(dòng)能力，我們采用共陽數(shù)碼管，并上拉1K歐姆的電阻，保證數(shù)碼管顯示的亮度。在按鍵輸入設(shè)計(jì)上，我們用3個(gè)按鍵進(jìn)行溫度的高低設(shè)定，其名稱分別為SET、UP、DOWN,考慮到按鍵的不穩(wěn)定性，我們采用軟件延時(shí)的方法進(jìn)行按鍵消抖，以達(dá)到輸入的穩(wěn)定。GND圖104.3.PWM 輸出控制的設(shè)計(jì)該部分設(shè)計(jì)的輸出脈寬由微處理器來提供，考慮到外電路與控制電路的隔