恒溫控制系統(tǒng)設(shè)計說明

1、 . PAGE19 / NUMPAGES19恒溫控制系統(tǒng)設(shè)計摘要：溫度控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于社會生活的各個領(lǐng)域 ，如家電、汽車、材料、電力電子等 ，常用的控制電路根據(jù)應(yīng)用場合和所要求的性能指標(biāo)有所不同 ，在工業(yè)企業(yè)中，如何提高溫度控制對象的運行性能一直以來都是控制人員和現(xiàn)場技術(shù)人員努力解決的問題，開發(fā)出性能較好的溫度控制系統(tǒng)對于測控技術(shù)的發(fā)展具有很大的意義。本系統(tǒng)以水溫作為測量媒介，以AT89S52單片機作為核心控制器，以DS18B20數(shù)字溫度傳感器作為采集器，實現(xiàn)溫度的采集、調(diào)節(jié)、控制、傳輸、顯示的功能。系統(tǒng)采用PID算法對電熱絲的加熱PWM波占空比進(jìn)行控制，從而達(dá)到對水溫的控制。關(guān)鍵字： 單片

2、機 DS18B20 PID算法 恒溫控制1、恒溫控制系統(tǒng)設(shè)計1.1研究背景隨著現(xiàn)代工業(yè)的逐步發(fā)展，在工業(yè)生產(chǎn)中，溫度、壓力、流量和液位是四種最常見的過程變量。其中，溫度是一個非常重要的過程變量。例如：在冶金工業(yè)、化工工業(yè)、電力工業(yè)、機械加工和食品加工等許多領(lǐng)域，都需要對各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐的溫度進(jìn)行控制。然而，用常規(guī)的控制方法，潛力是有限的，難以滿足較高的性能要求。采用單片機來對它們進(jìn)行控制不僅具有控制方便、簡單和靈活性大的優(yōu)點，而且可以大幅度提高被測溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。因此，單片機對溫度的控制問題是一個工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會遇到的控制問題。本系統(tǒng)是以對水

3、溫控制為例研究恒溫控制。1.2系統(tǒng)功能概述本系統(tǒng)是借用單片機采用模塊化設(shè)計的恒溫控制并用LCD12864顯示，包括溫度設(shè)定按鈕，溫度顯示，溫度調(diào)節(jié)，實時溫度顯示和預(yù)定溫度顯示轉(zhuǎn)換按鈕，溫度采集等（根據(jù)需要也可另設(shè)或者多設(shè)相關(guān)功能）。顯示系統(tǒng)除了顯示實時的溫度還能顯示設(shè)定的溫度，也就是人們想要保持的溫度。1.3系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)溫控圍：30100；控制精度：0.1；超調(diào)量1%；溫度調(diào)節(jié)步伐：0.52、系統(tǒng)總體設(shè)計方案論證2.1系統(tǒng)的主要硬件模塊方框圖如下圖所示2.2溫度傳感器選擇第一種方案熱電偶，型熱電偶的輸出是毫伏級電壓信號，最終要將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號與CPU通信，傳統(tǒng)的溫度檢測電路采用“傳感器濾波器

4、放大器冷端補償線性化處理/D轉(zhuǎn)換”模式，轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)多、電路復(fù)雜、精度低。第二種方案溫度傳感器AD590M，以集成溫度傳感器AD590M為采集主體，經(jīng)過電壓跟隨器、差分式減法器、電壓放大器、反相器等電路作為信號調(diào)理，后輸入10位AD轉(zhuǎn)換器HYPERLINK :/ 21ic /ex/t.php?cid=1&xh=TLC1549 o 10 位，38kSPS ADC 串行輸出，片上系統(tǒng)時鐘，單通道 t _blankTLC1549進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入給單片機。第三種方案數(shù)字溫度傳感器DS18B20，數(shù)字溫度傳感器DS18B20，因其部集成了A/D轉(zhuǎn)換器，使得電路結(jié)構(gòu)更加簡單，而且減少了溫度測量轉(zhuǎn)換時的精度損失

5、，使得測量溫度更加精確。數(shù)字溫度傳感器DS18B20只用一個引腳即可與單片機進(jìn)行通信，大大減少了接線的麻煩，使得單片機更加具有擴展性。由于DS18B20芯片的小型化，更加可以通過單跳數(shù)據(jù)線就可以和主電路連接，故可以把數(shù)字溫度傳感器DS18B20做成探頭，探入到狹小的地方，增加了實用性。如上所述，選擇數(shù)字溫度傳感器DS18B20作為溫度傳感器。2.3人機交互模塊的選擇一、顯示模塊選擇方案一：采用LCD12864液晶顯示器，可以顯示中文顯示并且可以作圖方便確定PID算法中的一些參數(shù)，1、顯示質(zhì)量高 。由于液晶顯示器每一個點在收到信號后就一直保持那種色彩和亮度，恒定發(fā)光，而不象陰極射線管顯示器（CR

6、T）那樣需要不斷刷新亮點。因此，液晶顯示器畫質(zhì)高而且絕對不會閃爍，把眼睛疲勞降到最低。 2、沒有電磁輻射，液晶顯示器在防止輻射方面具有優(yōu)勢，因為它根本就不存在輻射。在電磁波的防方面，液晶顯示器也有自己獨特的優(yōu)勢，它采用了嚴(yán)格的密封技術(shù)將來自驅(qū)動電路的少量電磁波封閉在顯示器中，而普通顯示器為了散發(fā)熱量的需要，必須盡可能地讓部的電路與空氣接觸，這樣部電路產(chǎn)生的電磁波也就大量地向外“泄漏”了。 3、可視面積大，對于一樣尺寸的顯示器來說，液晶顯示器的可視面積要更大一些。液晶顯示器的可視面積跟它的對角線尺寸一樣。陰極射線管顯示器顯像管前面板四周有一英寸左右的邊框不能用于顯示。 5、畫面效果好，與傳統(tǒng)顯示

7、器相比，液晶顯示器一開始就使用純平面的玻璃板，其顯示效果是平面直角的，讓人有一種耳目一新的感覺。而且液晶顯示器更容易在小面積屏幕上實現(xiàn)高分辨率， 6、數(shù)字式接口，液晶顯示器都是數(shù)字式的，不像陰極射線管彩顯采用模擬接口。也就是說，使用液晶顯示器，顯卡再也不需要像往常那樣把數(shù)字信號轉(zhuǎn)化成模擬信號再行輸出了。理論上，這會使色彩和定位都更加準(zhǔn)確完美。 7、“身材”勻稱小巧，傳統(tǒng)的陰極射線管顯示器，后面總是拖著一個笨重的射線管。液晶顯示器突破了這一限制，給人一種全新的感覺。8、功率消耗小，液晶顯示器的功耗主要消耗在其部的電極和驅(qū)動IC上，因而耗電量比傳統(tǒng)顯示器也要小得多可以中文顯示并且可以作圖方便確定P

8、ID算法中的一些參數(shù)，方案二：選用數(shù)碼管顯示，具有價格便，、使用壽命長、亮度高、故障少、可視距離遠(yuǎn)等特點。但只能顯示數(shù)字，不可以中文顯示，也不能作圖。綜上所述，所以選擇方案一。二、輸入模塊的選擇方案一：觸摸屏輸入，隨著信息化社會的發(fā)展，觸摸屏的應(yīng)用日趨普與，迄今，觸摸屏產(chǎn)品在我國已逐漸形成了產(chǎn)業(yè)。觸摸屏輸入是靠觸摸顯示器的屏幕來輸入數(shù)據(jù)的一種新穎輸入技術(shù)。觸摸屏輸入完全摒棄了鍵盤的繁瑣輸入，使得人機交互僅需手指輕輕一觸即可。可以說，所有信息盡在指尖之中。觸摸屏輸入可用于取代諸如鍵盤、光筆、操縱桿、滾球、鼠標(biāo)器與數(shù)字轉(zhuǎn)換器一類的數(shù)據(jù)輸入設(shè)備，或取代分立開關(guān)與薄膜開關(guān)之類的面板操作裝置。其優(yōu)點是操

9、作簡便直觀、圖像清晰、堅固耐用與節(jié)省空間，它可配用于一切電子顯示器，并可與顯示器制成一體，人機交互性佳，操作方便，使用靈活，效率高與輸入速度快。故觸摸屏輸入裝置將會發(fā)展成為未來諸種信息產(chǎn)品的主流技術(shù)之一。方案二：按鍵輸入，價格便宜，結(jié)構(gòu)簡單，易于操作。有本系統(tǒng)僅需三個按鍵，有按鍵輸入即可完成，所以選擇方案二。 通過以上描述易知本系統(tǒng)開發(fā)了豐富的人機交互接口，最大程度上簡化了操作的復(fù)雜度和方便度。設(shè)有三個功能按鍵，分別為：設(shè)定溫度加O5、設(shè)定溫度減O5以與主界面和溫度曲線界面切換按鍵。LCD12864液晶顯示，包括兩個界面分別為主界面（包括設(shè)定溫度和實時采集溫度）和溫度曲線界面。2.4加熱模塊的

10、確定由于單片機與加熱電路是強-弱電接口，需用電隔離電路以光為煤介傳送信號,對輸入和輸出電路可以進(jìn)行隔離.因而能有效地抑制系統(tǒng)噪聲，消除接地回路的干擾，有響應(yīng)速度較快、壽命長、體積小耐沖擊等好處。電路圖如下所示方案一： 采用繼電器對電機的開或關(guān)進(jìn)行控制， 通過開關(guān)的切換對小車的速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。 這個方案的優(yōu)點是電路較為簡單， 缺點是繼電器的響應(yīng)時間慢、 機械結(jié)構(gòu)易損壞、 壽命較短， 可靠性不高。方案二：采用由晶體管功率放大器PWM電路。用PWM控制晶體管 功率放大器使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)， 精確調(diào)整電動機的轉(zhuǎn)速， 這種電路由于工作 在管子的飽和截止模式下， 效率非常高； 此電路保證了可以簡

11、單的實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的 控制； 電子開關(guān)速度很快，穩(wěn)定性也極強，是一種廣泛應(yīng)用的PWM調(diào)速技術(shù)。 基于上述理論的分析，加熱電路電路選用由晶體管功率放大器組成的PWM電路來實現(xiàn)。2.5時鐘頻率電路設(shè)計單片機必須在時鐘的驅(qū)動下才能工作，在單片機部有一個時鐘振蕩電路，只需要外接一個振蕩源就能產(chǎn)生一定周期的時鐘信號送到單片機部的各個單元，決定單片的工作頻率，時鐘電路如圖3-2 所示。圖3-2 外部振蕩電路一般選用石英晶體振蕩器。此電路大約延遲10ms后振蕩器起振，在XTAL2引腳產(chǎn)生幅度為3V左右的正弦波時鐘信號，其振蕩頻率主要有石英晶體的頻率確定。電路中兩個電容C1、C2的作用有兩個：一是幫助振蕩器起

12、振；二是對振蕩器的頻率進(jìn)行微調(diào)。C1、C2的典型值為30pF。單片機工作時，由部振蕩器產(chǎn)生或由外直接輸入的送至部控制邏輯單元的時鐘信號的周期稱為時鐘周期，其大小是時鐘信號頻率的倒數(shù)，時鐘信號頻率常用fosc表示。圖中時鐘頻率為12MHz，即fosc=12MHz，則時鐘周期為1/12s。2.6 復(fù)位電路設(shè)計單片機的第9腳RST為硬件復(fù)位電路，只要在該端加上持續(xù)4個機器周期的高電平即可實現(xiàn)復(fù)位，復(fù)位后單片機的各個狀態(tài)都恢復(fù)到初始化狀態(tài)，其電路圖如圖3-3所示。圖3-3中由按鍵以與電容C1、電阻R1、R2構(gòu)成上電復(fù)位與手動電路。由于單片機是高電平復(fù)位，所以上電復(fù)位時，接通電源即可，當(dāng)上電后，由于電容

13、C1開始緩緩充電，則圖中電路由5V電源到電容到電阻R1和地之間形成一個通路，由于在R1上產(chǎn)生電壓降，則單片機的RST腳上為高電平，經(jīng)過一段時間后電容的電充滿，此時C1處可視為斷路，單片機RST腳處電壓逐漸降為0V，即處于穩(wěn)定的低電平狀態(tài)，此時單片機完成上電復(fù)位，程序從0000H開始執(zhí)行。手動復(fù)位時，按一下圖中的按鈕即可，當(dāng)按鍵按下的時候，單片機的9腳RST管腳處于高電平，此時單片機處于復(fù)位狀態(tài)。值得注意的是，在設(shè)計當(dāng)中使用到了硬件復(fù)位電路和軟件復(fù)位兩種功能，由上面所述的硬件復(fù)位之后的各狀態(tài)可知，寄存器的值都恢復(fù)到了初始值，而前面的功能介紹中提到了倒計時時間的記憶功能，該功能實現(xiàn)的前提條件就是不

14、能對單片機進(jìn)行硬件復(fù)位，所以設(shè)定了軟件復(fù)位功能。軟件復(fù)位實際上就是當(dāng)程序執(zhí)行完畢之后，將程序指針通過一條跳轉(zhuǎn)指令讓它跳轉(zhuǎn)到程序執(zhí)行的起始地址。圖3-3 硬件復(fù)位電路3、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計3.1單片機最小系統(tǒng)設(shè)計最小應(yīng)用系統(tǒng),是指用最少的元件組成的單片機可以工作的系統(tǒng)。對51系列單片機來說,最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括:單片機、晶振電路、復(fù)位電路。如下圖所示3.2溫度采集電路DS18b20的數(shù)據(jù)線加上拉電阻直接與單片機I/O連接，各引腳功能描述GND地信號DQ數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。開漏單總線接口引腳。當(dāng)被用著在寄生電源下，也可以向器件提供電源。VDD可選擇的VDD引腳。當(dāng)工作于寄生電源時，此引腳必須接地。由

15、于DS18B20采用的是1Wire總線協(xié)議方式，即在一根數(shù)據(jù)線實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，而對AT89S51單片機來說，硬件上并不支持單總線協(xié)議，因此，我們必須采用軟件的方法來模擬單總線的協(xié)議時序來完成對DS18B20芯片的訪問。 由于DS18B20是在一根I/O線上讀寫數(shù)據(jù)，因此，對讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴(yán)格的時序要求。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。該協(xié)議定義了幾種信號的時序：初始化時序、讀時序、寫時序。所有時序都是將主機作為主設(shè)備，單總線器件作為從設(shè)備。而每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從主機主動啟動寫時序開始，如果要求單總線器件回送數(shù)據(jù)，在進(jìn)行寫命令后，主機需啟動讀時序完

16、成數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是低位在先常用連接電路如下圖所示3.3 LCD12864連接電路具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，部含有國標(biāo)一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為12864, 置8192個16*16點漢字，和128個16*8點ASCII字符集.利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機交互圖形界面LCD12864接口數(shù)明：（由于本系統(tǒng)采用并行接口，故只列取并行接口電路）管腳號管腳名稱電平管腳功能描述1VSS0V電源地2VCC3.0+5V電源正3V0-對比度（亮度）調(diào)整（串一個電阻接電源）4RS(CS）H/LRS=“H”,表

17、示DB7DB0為顯示數(shù)據(jù)RS=“L”,表示DB7DB0為顯示指令數(shù)據(jù)5R/W(SID)H/LR/W=“H”,E=“H”,數(shù)據(jù)被讀到DB7DB0R/W=“L”,E=“HL”, DB7DB0的數(shù)據(jù)被寫到IR或DR6E(SCLK)H/L使能信號7DB0H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線8DB1H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線9DB2H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線10DB3H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線11DB4H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線12DB5H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線13DB6H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線14DB7H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線15PSBH/L直接接電源正極16NC-空腳17/RESETH/L復(fù)位端，低電平有效（建議懸空）18VOUT-LCD驅(qū)動電壓輸出端19AVDD直接接電源正極20

18、KVSS直接接地3.4加熱電路設(shè)計用于在閉環(huán)控制系統(tǒng)中對被控對象實施控制，被控對象為水里的電阻絲，采用對加在電阻絲兩端的電壓進(jìn)行通斷的方法進(jìn)行控制，以實現(xiàn)對水加熱功率的調(diào)整，從而達(dá)到對水溫控制的目的。對電爐絲通斷的控制采用PWM經(jīng)光耦隔離電路對電路通斷控制。它的使用非常簡單，只要在控制端TTL電平，即可實現(xiàn)對C-MOS管的開關(guān)，使用時完全可以用 NPN型三極管接成電壓跟隨器的形式驅(qū)動。當(dāng)單片機的輸出端為高點平時，三極管驅(qū)動固態(tài)繼電器工作接通加熱器工作，當(dāng)單片機的輸出端為低電平時固態(tài)繼電器關(guān)斷，加熱器不工作。4系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)的軟件由三大模塊組成：主程序模塊、功能實現(xiàn)模塊和運算控制模塊。4.1主

19、程序模塊流程圖主程序主要完成加熱控制系統(tǒng)各部件的初始化和實現(xiàn)各功能子程序的調(diào)用，以與實際測量中各個功能模塊的協(xié)調(diào)在無外部中斷申請時，單片機通過循環(huán)對外部溫度進(jìn)行實時顯示。時常掃描按鍵，以便能對數(shù)字按鍵進(jìn)行相應(yīng)處理。主程序流程圖如下4.2功能實現(xiàn)模塊讀溫度子程序由于DS18B20采用的是1Wire總線協(xié)議方式，即在一根數(shù)據(jù)線實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，而對AT89S51單片機來說，硬件上并不支持單總線協(xié)議，因此，我們必須采用軟件的方法來模擬單總線的協(xié)議時序來完成對DS18B20芯片的訪問。 由于DS18B20是在一根I/O線上讀寫數(shù)據(jù)，因此，對讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴(yán)格的時序要求。DS18B20有嚴(yán)格的通信協(xié)

20、議來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。該協(xié)議定義了幾種信號的時序：初始化時序、讀時序、寫時序。所有時序都是將主機作為主設(shè)備，單總線器件作為從設(shè)備。而每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從主機主動啟動寫時序開始，如果要求單總線器件回送數(shù)據(jù)，在進(jìn)行寫命令后，主機需啟動讀時序完成數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是低位在先。 DS18B20時序圖讀溫度子程序流程圖溫度顯示子程序12864點陣液晶顯示模塊（LCM）就是由128*64個液晶顯示點組成的一個128列*64行的陣列。每個顯示點對應(yīng)一位二進(jìn)制數(shù)，1表示亮，0表示滅。存儲這些點陣信息的RAM稱為顯示數(shù)據(jù)存儲器。要顯示某個圖形或漢字就是將相應(yīng)的點陣信息寫入到相應(yīng)

21、的存儲單元中。圖形或漢字的點陣信息當(dāng)然由自己設(shè)計，問題的關(guān)鍵就是顯示點在液晶屏上的位置（行和列）與其在存儲器中的地址之間的關(guān)系。由于多數(shù)液晶顯示模塊的驅(qū)動電路是由一片行驅(qū)動器和兩片列驅(qū)動器構(gòu)成，所以12864液晶屏實際上是由左右兩塊獨立的64*64液晶屏拼接而成，每半屏有一個512*8 bits顯示數(shù)據(jù)RAM。左右半屏驅(qū)動電路與存儲器分別由片選信號CS1和CS2選擇。（少數(shù)廠商為了簡化用戶設(shè)計，在模塊中增加譯碼電路，使得128*64液晶屏就是一個整屏，只需一個片選信號。）顯示點在64*64液晶屏上的位置由行號（line,063）與列號（column,063）確定。512*8 bits RAM中

22、某個存儲單元的地址由頁地址（Xpage,07）和列地址（Yaddress,063）確定。每個存儲單元存儲8個液晶點的顯示信息。為了使液晶點位置信息與存儲地址的對應(yīng)關(guān)系更直觀關(guān)，將64*64液晶屏從上至下8等分為8個顯示塊，每塊包括8行*64列個點陣。每列中的8行點陣信息構(gòu)成一個8bits二進(jìn)制數(shù)，存儲在一個存儲單元中。（需要注意：二進(jìn)制的高低有效位順序與行號對應(yīng)關(guān)系因不同商家而不同）存放一個顯示塊的RAM區(qū)稱為存儲頁。即64*64液晶屏的點陣信息存儲在8個存儲頁中，每頁64個字節(jié)，每個字節(jié)存儲一列(8行)點陣信息。因此存儲單元地址包括頁地址（Xpage,07）和列地址（Yaddress,063

23、）。例如點亮128*64的屏中（20，30）位置上的液晶點，因列地址30小于64，該點在左半屏第29列，所以CS1有效；行地址20除以8取整得2，取余得4，該點在RAM中頁地址為2，在字節(jié)中的序號為4；所以將二進(jìn)制數(shù)據(jù)00010000（也可能是00001000，高低順序取決于制造商）寫入Xpage=2，Yaddress=29的存儲單元中即點亮（20，30）上的液晶點。數(shù)字與中文顯示流程圖圖形曲線顯示流程圖鍵處理子程序流程圖此程序段完成對不同鍵按下完成相應(yīng)功能的任務(wù)鍵處理子程序流程圖4.3運算控制模塊流程圖PID算法運用比例、積分、 HYPERLINK :/wenwen.soso /z/Sear

24、ch.e?sp=S%E5%BE%AE%E5%88%86&ch=w.search.yjjlink&cid=w.search.yjjlink t _blank 微分 HYPERLINK :/wenwen.soso /z/Search.e?sp=S%E7%AE%97%E6%B3%95&ch=w.search.yjjlink&cid=w.search.yjjlink t _blank 算法，來對回路中的偏差進(jìn)行修正，通過 HYPERLINK :/wenwen.soso /z/Search.e?sp=S%E6%89%A7%E8%A1%8C%E5%99%A8&ch=w.search.yjjlink&cid

25、=w.search.yjjlink t _blank 執(zhí)行器 HYPERLINK :/wenwen.soso /z/Search.e?sp=S%E8%B0%83%E8%8A%82%E5%8F%82%E6%95%B0&ch=w.search.yjjlink&cid=w.search.yjjlink t _blank 調(diào)節(jié)參數(shù)，使測量值穩(wěn)定在 HYPERLINK :/wenwen.soso /z/Search.e?sp=S%E8%AE%BE%E5%AE%9A%E5%80%BC&ch=w.search.yjjlink&cid=w.search.yjjlink t _blank 設(shè)定值附近，達(dá)到控制某一參數(shù)的目的。 必須先明白P,I,D各自的含義與控制規(guī)律比例P：比例項部分其實就是對預(yù)設(shè)值和反饋值差值的發(fā)大倍數(shù)。舉個例子，假如原來電機兩端的電壓為U0，比例P為0.2，輸入值是800，而反饋值是1000，那么輸出到電機兩端的電壓應(yīng)變?yōu)閁0+0.2*（800-1000）。從而達(dá)到了