畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）PID溫度控制器的設(shè)計(jì)

畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）PID溫度控制器的設(shè)計(jì)河南機(jī)電高等專(zhuān)科學(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)論文PID溫度控制器的設(shè)計(jì)系部專(zhuān)業(yè)班級(jí)姓名學(xué)號(hào)指導(dǎo)老師二零一二年五月

摘要隨著控制理論和電子技術(shù)的發(fā)展工業(yè)控制器的適應(yīng)能力增強(qiáng)和高度智能化正逐步成為現(xiàn)實(shí)其中以單片機(jī)為核心實(shí)現(xiàn)的數(shù)字控制器因其體積小成本低功能強(qiáng)簡(jiǎn)便易行而得到廣泛應(yīng)用本文詳細(xì)闡述了基于MCS51單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的硬件組成軟件設(shè)計(jì)及相關(guān)的接口電路設(shè)計(jì)ATMEL公司的AT89C52單片機(jī)為核心進(jìn)行系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)輸入通道采用6675輸出通道采用可控硅作為輸出單元大大地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)硬件電路通過(guò)對(duì)占空比的調(diào)節(jié)可實(shí)現(xiàn)溫控箱溫度的自動(dòng)控制由于輸入端與輸出端有光電隔離能夠有效地抑制干擾關(guān)鍵詞單片機(jī)溫度控制ABSTRACTWiththeimprovementofcontroltheoryandelectrictechnologytheintelligentcontrolforindustryhasbeenaccomplishing．ThedigitalcontrollerbasedonMicrocontrollerhasbeenappliedwidelyasitscabinetcubagelow-costabundantfunctionsimpleandconvenient．ThestructuresofatemperaturecontrolsystembasedontheMCS51singlechipareintroducedPIDthehardwarecompositionandthesoftwaredesignaredescribedTheexperimentdatashowsthatthedesignoftemperaturecontrolsystembasedonMicrocontrollerisavailabilityandrationality．ATMELcompanyAT89C52singlechipinthesystemasthecoreofhardwaredesigntheinputchannel6675OutputchannelasoutputunitUSESthesilicon-controlledrectifiergreatlysimplifiedthehardwarecircuitThroughtotheoccupiesemptiescomparedtoadjusttemperaturecontrolboxcanrealizetheautomatictemperaturecontrolBecausetheinputandoutputendhasphotoelectricisolationcaneffectivelyrestraintheinterferenceKeywordsThedigitalcontrollerMicrocontrollerTemperaturecontrolsystem

目錄第1章緒論 11．1概述 11．2溫度測(cè)控技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀 11．3系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 21．3．1系統(tǒng)性能要求 31．3．2系統(tǒng)性能特點(diǎn) 31．4本文主要工作及PID原理 31．4．1本文主要工作 31．4．2PID原理 4第2章硬件設(shè)計(jì) 72．1系統(tǒng)硬件總體結(jié) 72．2主控模塊器件選型及設(shè)計(jì) 82．2．1單片機(jī)的選用 82．2．3主控模塊設(shè)計(jì) 92．3輸入通道設(shè)計(jì) 112．3．1熱點(diǎn)偶6675溫度傳感器 1124輸出通道設(shè)計(jì) 132．5保護(hù)電路 142．6串行通信接口電路 142．7電源電路 152．8本章小結(jié) 16第3章軟件設(shè)計(jì) 173．1軟件組成 173．2主程序模塊 183．3數(shù)據(jù)采集模塊 183．4數(shù)據(jù)處理模塊 193．4．1數(shù)字濾波 193．4．2顯示處理 193．5本章小結(jié) 20第4章結(jié)論 214．1總結(jié) 214．2展望 21致謝 23參考文獻(xiàn) 24附錄部分源程序 261．顯示模塊源程序 26

第1章緒論1．1概述溫度是表征物體的冷熱程度最基本的物理量在很多生產(chǎn)過(guò)程中溫度的測(cè)量和控制都直接和安全生產(chǎn)提高生產(chǎn)效率保證產(chǎn)品質(zhì)量節(jié)約能源等重大技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相聯(lián)系因此溫度的測(cè)量與控制在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域中均受到了相當(dāng)程度的重視同場(chǎng)所同同產(chǎn)品工藝不同單片機(jī)是大規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物屬于第四代電子計(jì)算機(jī)它是把中央處理單元CPU隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM只讀存儲(chǔ)器ROM定時(shí)／計(jì)數(shù)器以及I／O輸入輸出接口電路等主要計(jì)算機(jī)部件都集成在一塊集成電路芯片上的微型計(jì)算機(jī)它的特點(diǎn)是功能強(qiáng)大運(yùn)算速度快體積小巧價(jià)格低廉穩(wěn)定可靠應(yīng)用廣泛由此可見(jiàn)單片機(jī)來(lái)對(duì)溫度進(jìn)行控制不僅具有組態(tài)簡(jiǎn)單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)而且可以大從而能夠大大提高產(chǎn)因此單片機(jī)對(duì)溫度的控制問(wèn)題是1．溫度測(cè)控技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀近年來(lái)溫度的檢測(cè)在理論上發(fā)展比較成熟但在實(shí)際測(cè)量和控制中如何保證快速實(shí)時(shí)地對(duì)溫度進(jìn)行采樣確保數(shù)據(jù)的正確傳輸并能對(duì)所測(cè)溫度場(chǎng)進(jìn)行較精確的控制仍然是目前需要解決的問(wèn)題溫度測(cè)控技術(shù)包括溫度測(cè)量技術(shù)和溫度控制技術(shù)兩個(gè)方面在溫度的測(cè)量技術(shù)中接觸式測(cè)溫發(fā)展較早這種測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單可靠低廉測(cè)量精度較高一般能夠測(cè)得真實(shí)溫度但由于檢測(cè)元件熱慣性的影響響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)對(duì)熱容量小的物體難以實(shí)現(xiàn)精確的測(cè)量并且該方法不適宜于對(duì)腐蝕性介質(zhì)測(cè)溫不能用于超高溫測(cè)量難于測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的溫度另外的非接觸式測(cè)溫方法是通過(guò)對(duì)輻的檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量的方法其優(yōu)點(diǎn)是不破壞被測(cè)溫場(chǎng)可以測(cè)量熱容量小的物體適于測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的溫度還可以測(cè)量區(qū)域的溫度分布響應(yīng)速度較快但也存在測(cè)量誤差較大儀表指示值一般僅代表物體表觀溫度測(cè)溫裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)因此在實(shí)際的溫度測(cè)量中要根據(jù)具體的測(cè)量對(duì)象選擇合適的測(cè)量方法在滿足測(cè)量精度要求的前提下盡量減少投入溫度控制技術(shù)按照控制目標(biāo)的不同可分為兩類(lèi)動(dòng)態(tài)溫度跟蹤與恒值溫度控制動(dòng)態(tài)溫度跟蹤實(shí)現(xiàn)的控制目標(biāo)是使被控對(duì)象的溫度值按預(yù)先設(shè)定好的曲線進(jìn)行變化恒值溫度控制的目的是使被控對(duì)象的溫度恒定在某一給定數(shù)值上且要求其波動(dòng)幅度即穩(wěn)態(tài)誤差不能超過(guò)某允許值目前國(guó)內(nèi)溫控儀表的發(fā)展相對(duì)國(guó)外而言在性能方面還存在一定的差距它們之間最大的差別主要還是在控制算法方面具體表現(xiàn)為國(guó)內(nèi)溫控儀在全量程范圍內(nèi)溫度控制精度比較低自適應(yīng)性較差這種不足的原因是多方面造成的如針對(duì)不同的被控對(duì)象由于控制算法的不足而導(dǎo)致控制精度不穩(wěn)定1．系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案本論文所討論的基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)是某型號(hào)氣相色譜儀的溫度控制子系統(tǒng)其目的是對(duì)兩個(gè)溫控箱的溫度進(jìn)行恒值溫度控制溫控箱的溫度控制范圍在室溫到攝氏600度之間溫度控制的精度要求為±0．1℃下面討論系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案包括系統(tǒng)的性能要求及特點(diǎn)以及系統(tǒng)的軟硬件方案分析1．3．1系統(tǒng)性能要求可以人為方便地通過(guò)控制面板或PC機(jī)設(shè)定控制期望的溫度值系統(tǒng)應(yīng)能自動(dòng)將溫控箱加熱至此設(shè)定溫度值并能保持直至重新設(shè)定為另一溫度值即能實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)控制能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)溫控箱溫度的測(cè)量并且通過(guò)控制面板上的液晶顯示實(shí)時(shí)的顯示出來(lái)具有加熱保護(hù)功能的安全性要求如果實(shí)際測(cè)得的溫控箱溫度值超過(guò)了系統(tǒng)規(guī)定的安全溫度保護(hù)電路就會(huì)做出反應(yīng)從而對(duì)溫控箱實(shí)現(xiàn)超溫保護(hù)模塊化設(shè)計(jì)安裝拆卸簡(jiǎn)單維修方便系統(tǒng)可靠性高不易出故障盡量采用典型通用的器件一旦損壞易于在市場(chǎng)上買(mǎi)到同樣零部件進(jìn)行替換1．3．系統(tǒng)性能特點(diǎn)控制主板采用AT89C52作為核心芯片作為與MCS51系列兼容的單片機(jī)無(wú)論在運(yùn)算速度還是在內(nèi)部資源上均可勝任本系統(tǒng)的性能要求根據(jù)溫控箱測(cè)溫范圍的要求本系統(tǒng)適合采用熱電偶作為溫度傳感器而信號(hào)很微弱僅約40μV／℃需要精密放大器對(duì)其進(jìn)行放大按0℃分度冷端在非0℃情況下需進(jìn)行溫度補(bǔ)償輸出的信號(hào)為模擬信號(hào)欲與單片機(jī)等數(shù)字電路接口時(shí)須進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換熱電偶溫度傳感器為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)硬件控制量采用雙向可控硅輸出這樣就省去了D／A轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)1．本文主要工作及1．．1本文主要工作1在對(duì)溫度控制發(fā)展現(xiàn)狀系統(tǒng)控制要求進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上選擇了整個(gè)控制系統(tǒng)的控制方案2完成系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)包括采樣電路A／D轉(zhuǎn)換電路主控制電路保護(hù)電路等等的設(shè)計(jì)3完成該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括主程序模塊控制運(yùn)算模塊數(shù)據(jù)輸入輸出及處理模塊等一些子功能模塊的設(shè)計(jì)1．．2其中KP為比例系數(shù)e為差值信號(hào)eT-TsetT溫度測(cè)量值Tset溫度設(shè)定值Ti為積分常數(shù)Td為微分常數(shù)V0V0-1為當(dāng)時(shí)及前一時(shí)刻的控制量比例控制P是一種最簡(jiǎn)單的控制方式其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差積分控制I在積分控制中控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)誤差則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有差系統(tǒng)為了消除穩(wěn)態(tài)誤差在控制器中必須引入積分項(xiàng)積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分隨著時(shí)間的增加積分項(xiàng)會(huì)增大這樣即便誤差很小積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而增大它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小直到等于零因此比例積分PI控制器可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差微分控制D在微分控制中控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分成正比關(guān)系自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)其原因是由于存在有較大慣性環(huán)節(jié)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(shí)抑制誤差的作用就應(yīng)該是零這就是說(shuō)在控制器中僅引入比例項(xiàng)往往是不夠的比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值而目前需要增加的是微分項(xiàng)它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)這樣具有比例微分的控制器就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零甚至為負(fù)值從而避免了被控制量的嚴(yán)重超調(diào)所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象比例微分PD控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性實(shí)現(xiàn)PID控制原理的具體方法因系統(tǒng)的不同而不同在我們的系統(tǒng)中采用了增量式計(jì)算方法而控制量的輸出則采用了位置式的輸出形式在數(shù)值控制系統(tǒng)中其控制規(guī)律的數(shù)學(xué)模型演化為其中T為采集周期eiei-1ei-2為此時(shí)刻前一時(shí)刻再前一時(shí)刻的差值信號(hào)這種方法的好處在于只需保持前三時(shí)刻的差值信號(hào)同時(shí)輸出控制量的初始設(shè)定值不必準(zhǔn)確就能較快地進(jìn)入穩(wěn)定控制過(guò)程PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容它是根據(jù)被控過(guò)程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小PID控制器參數(shù)整定的方法很多概括起來(lái)有兩大類(lèi)一是理論計(jì)算整定法它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定控制器參數(shù)這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用還必須通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改二是工程整定方法它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行且方法簡(jiǎn)單易于掌握在工程實(shí)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(diǎn)其共同點(diǎn)都是通過(guò)試驗(yàn)然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定但無(wú)論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善現(xiàn)在一般采用的是臨界比例法利用該方法進(jìn)行PID控制器參數(shù)的整定步驟如下1首先預(yù)選擇一個(gè)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(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩記下這時(shí)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(guò)公式計(jì)算得到PID控制器的參數(shù)第2章硬件設(shè)計(jì)2．1系統(tǒng)硬件總體結(jié)本文所研究的溫度控制系統(tǒng)硬件部分按功能大致可以分為以下幾個(gè)部分單片機(jī)主控模塊輸入通道輸出通道保護(hù)電路等硬件總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示由結(jié)構(gòu)框圖可見(jiàn)溫度控制系統(tǒng)以AT89C52單片機(jī)為核心并擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器構(gòu)成主控模塊溫控箱的溫度由電溫度傳感器檢測(cè)并轉(zhuǎn)換成微弱的電壓信號(hào)再通過(guò)12位的A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量此數(shù)字量經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波之后一方面將溫控箱的溫度通過(guò)控制面板上的液晶顯示器顯示出來(lái)另一方面將該溫度值與設(shè)定的溫度值進(jìn)行比較根據(jù)其偏差值的大小采用PID控制算法進(jìn)行運(yùn)算最后通過(guò)控制雙向可控硅控制周期內(nèi)的通斷占空比即控制溫控箱加熱平均功率的大小進(jìn)而達(dá)到對(duì)溫控箱溫度進(jìn)行控制的目的如果實(shí)際測(cè)得的溫度值超過(guò)了系統(tǒng)給定的極限安全溫度保護(hù)電路會(huì)做出反應(yīng)從而保護(hù)溫控箱2．2主控模塊器件選型及設(shè)計(jì)2．2．單片機(jī)AT89C52是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓高性能CMOS8位單片機(jī)片內(nèi)含8kbytes的可反復(fù)擦寫(xiě)的Flash只讀256bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM器件采用ATMEL公司的高密度非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)與標(biāo)MCS-51指令系統(tǒng)及8052產(chǎn)品引腳兼容片內(nèi)置通用8位中央處理器CPU和Flash存儲(chǔ)單元功能強(qiáng)大AT89C52單AT89C52單片機(jī)DIP封裝的引腳如圖2-2所示AT89C52的1與MCS51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容8k字節(jié)可重擦寫(xiě)Flash閃速存儲(chǔ)器1000次擦寫(xiě)周期0Hz24MHz5三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器6256×8字節(jié)內(nèi)部RAM32個(gè)可編程IO口線3個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器8個(gè)中斷源UART通道圖2-2DIP封裝的AT89C52單片機(jī)引腳2．2．3主控模塊設(shè)計(jì)主控模塊電路由AT89C52單片機(jī)外部時(shí)鐘電路復(fù)位電路存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路組成本系統(tǒng)中采用上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位鍵復(fù)位相結(jié)合的方式系統(tǒng)時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)采用內(nèi)部方式AT89C52內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外晶體諧振器一起構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器外接晶體諧振器以及電容構(gòu)成并聯(lián)諧振電路接在放大器的反饋回路中本系統(tǒng)電路采用的晶體振蕩器頻率為11．0592MHz采用這種頻率的晶體振蕩器的復(fù)位電路和時(shí)鐘電路如圖2-所示圖2-復(fù)位電路和時(shí)鐘電路2．3輸入通道設(shè)計(jì)2．3．1溫度傳感器IM公司新近開(kāi)發(fā)出一種K型熱電偶信號(hào)轉(zhuǎn)換器IC66756675的內(nèi)部由精密運(yùn)算放大器基準(zhǔn)電源冷端補(bǔ)償二極管模擬開(kāi)關(guān)數(shù)字控制器及ADC電路構(gòu)成完成熱電偶微弱信號(hào)的放大冷端補(bǔ)償和A／D轉(zhuǎn)換功能使溫度測(cè)量的前端電路變得十分簡(jiǎn)單6675采用了12位的ADC溫度測(cè)量范圍為01024℃在0700℃范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換精度為±8個(gè)字供電電源為3050V分辨率為025℃轉(zhuǎn)換時(shí)間約為017s6675采用8腳SO形式封裝圖為引腳排列圖T接K型熱電偶的正極鎳鉻合金T-接K型熱電偶的負(fù)極鎳硅合金或鎳鋁合金片選信號(hào)端CS為高電平時(shí)啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換低電平時(shí)允許數(shù)據(jù)輸出SCK為時(shí)鐘輸入端SO為數(shù)據(jù)輸出端溫度轉(zhuǎn)換后的12位數(shù)據(jù)由該腳以SPI方式輸出6675內(nèi)部具有將熱點(diǎn)偶信號(hào)轉(zhuǎn)換為與ADC輸入通道兼容電壓的信號(hào)調(diào)節(jié)放大器T和T-輸入端連接到低噪音放大器A1以保證檢測(cè)輸入的高精度同時(shí)使用熱電偶連接導(dǎo)線與干擾源隔離熱電偶輸出的熱電勢(shì)經(jīng)低噪音放大器A1放大再經(jīng)過(guò)A2電壓跟隨器緩沖后被送至ADC的輸入端在將溫度電壓值轉(zhuǎn)換為相等的溫度值之前它需要對(duì)熱電偶的冷端溫度進(jìn)行補(bǔ)償冷端溫度即是6675周?chē)鷾囟扰c0℃實(shí)際參考值之間的差值對(duì)于K型熱電偶電壓變化率為41uV℃電壓由線性公式Vout41uV℃×（tR-tAMB）來(lái)近似熱電偶的特性上式中Vout為熱電偶輸出電壓mVtR是測(cè)量點(diǎn)溫度tAMB是周?chē)鷾囟壤涠搜a(bǔ)償熱電偶的功能是檢測(cè)熱、冷端的差值熱電偶熱節(jié)點(diǎn)溫度可在01024℃范圍變化冷端即安裝6675的電路板周?chē)鷾囟却藴囟仍?20-85℃范圍內(nèi)變化當(dāng)冷端溫度波動(dòng)時(shí)6675仍能精確檢測(cè)熱端的溫度變化6675是通過(guò)冷端補(bǔ)償檢測(cè)和校正周?chē)鷾囟茸兓脑撈骷蓪⒅車(chē)鷾囟韧ㄟ^(guò)內(nèi)部的溫度檢測(cè)二極管轉(zhuǎn)換溫度補(bǔ)償電壓為了產(chǎn)生實(shí)際熱電偶溫度測(cè)量值6675從熱電偶的輸出和檢測(cè)二極管的輸出測(cè)量電壓該器件內(nèi)部電路將二極管電壓和熱電偶電壓送到ADC中轉(zhuǎn)換以計(jì)算熱電偶的熱端溫度當(dāng)熱電偶的冷端與芯片溫度相等時(shí)6675可獲得最佳的測(cè)量精度因此在實(shí)際測(cè)溫應(yīng)用時(shí)應(yīng)盡量避免在6675附近放置發(fā)熱器件或元件因?yàn)檫@樣會(huì)造成冷端誤差如圖2-5所示6675的連接圖2-56675的連接SPI接口6675采用標(biāo)準(zhǔn)的SPI串行外設(shè)與MCU接口且6675只能作為從設(shè)備6675S0端輸出溫度數(shù)據(jù)的格式如表2-6所示6675SPI接口時(shí)序如圖2-7所示6675從SPI串行接口輸出數(shù)據(jù)的過(guò)程如下MCU使CS變低并提供時(shí)鐘信號(hào)給SCK由SO讀取測(cè)量結(jié)果CS變低將停止任何轉(zhuǎn)換過(guò)程CS變高將啟動(dòng)一個(gè)新的轉(zhuǎn)換過(guò)程一個(gè)完整串行接口讀操作需要16個(gè)時(shí)鐘周期在時(shí)鐘的下降沿讀16個(gè)輸出位第1位和第15位是一偽標(biāo)志位并總為0第14位到第3位為以MSB到LSB順序排列的轉(zhuǎn)換溫度值第2位平時(shí)為底當(dāng)熱電偶輸入開(kāi)放時(shí)為高開(kāi)放熱電偶檢測(cè)電路完全由6675實(shí)現(xiàn)為開(kāi)放熱電偶檢測(cè)器操作T-必須接地并使能地點(diǎn)盡可能接近GND腳第1位為低以提供6675器件身份碼第0位為三態(tài)表2-66675SO端輸出數(shù)據(jù)的格式Bit 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 MSB LSB Therestate 圖2-76675SPI接口時(shí)序24輸出通道設(shè)計(jì)本系統(tǒng)中與可控硅配套使用的是MOC3041光電耦合雙向可控硅驅(qū)動(dòng)器MOC3041輸出部分是硅光敏雙向可控硅還帶有過(guò)零觸發(fā)檢測(cè)器以保證電壓接近零時(shí)觸發(fā)可控硅可控硅輸出電路如圖2-所示圖2-可控硅輸出電路2．5保護(hù)電路保護(hù)電路的作用是對(duì)溫控箱進(jìn)行過(guò)溫保護(hù)其電路圖2-所示圖2-2．6串行通信接口電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用IM公司的RS-232接口芯232這是一種標(biāo)準(zhǔn)的RS232接口芯片232只需5V電源供電其內(nèi)部的電源變化成±10V電源用于RS232通信該芯片集成有兩路收發(fā)器可將單片機(jī)輸入的TTL／CMOS電平轉(zhuǎn)換為RS232電平發(fā)送給PC機(jī)或?qū)腜C機(jī)接收的RS232電平轉(zhuǎn)換為T(mén)TL／CMOS電平發(fā)送給單片機(jī)232為雙列直插16腳封裝系統(tǒng)串口通信電路如圖2-所示圖2-串口通信電路2．7電源電路計(jì)中選用了LM7805提供5V電源電路如圖2-1所示圖2-12．本章小結(jié)本章主要介紹了溫度控制系統(tǒng)的硬件電路主要模塊的設(shè)計(jì)第3章軟件設(shè)計(jì)3．1軟件組成由于整個(gè)系統(tǒng)軟件比較復(fù)雜為了便于編寫(xiě)調(diào)試修改和增刪系統(tǒng)程序的編制適合采用模塊化的程序結(jié)構(gòu)故要求整個(gè)控制系統(tǒng)軟件由許多獨(dú)立的小模塊組成它們之間通過(guò)軟件接口連接遵循模塊內(nèi)數(shù)據(jù)關(guān)系緊湊模塊間數(shù)據(jù)關(guān)系松散的原則將各功能模塊組織成模塊化的軟件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的軟件主要由主程序模塊數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)處理模塊控制算法模塊等組成主模塊的功能是為其余幾個(gè)模塊構(gòu)建整體框架及初始化工作數(shù)據(jù)采集模塊的作用是將A／D轉(zhuǎn)換的數(shù)字量采集并儲(chǔ)存到存儲(chǔ)器中數(shù)據(jù)處理模塊是將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的處理其中最重要的是數(shù)字濾波程序控制算法模塊完成控制系統(tǒng)的PID運(yùn)算并且輸出控制量3．2主程序模塊主程序模塊要做的主要工作是上電后對(duì)系統(tǒng)初始化和構(gòu)建系統(tǒng)整體軟件框架其中初始化包括對(duì)單片機(jī)的初始化6675芯片初始化和串口初始化等然后等待溫度設(shè)定若溫度已經(jīng)設(shè)定好了判斷系統(tǒng)運(yùn)行鍵是否按下若系統(tǒng)運(yùn)行則依次調(diào)用各個(gè)相關(guān)模塊循環(huán)控制直到系統(tǒng)停止運(yùn)行主程序模塊的程序流程圖如圖3所示3．?dāng)?shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)采集模塊的任務(wù)是負(fù)責(zé)溫度信號(hào)的采集以及將采集到的模擬量通過(guò)A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)字量提供給單片機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊的程序流程圖如圖3-和圖3-所示3．?dāng)?shù)據(jù)處理模塊3．．1數(shù)字濾波常用的數(shù)字濾波方法有程序判斷濾波法中值濾波法算術(shù)平均濾波法一階滯后濾波法去極值平均濾波法等等6次數(shù)據(jù)然6次采樣的數(shù)據(jù)由小到大排序分別去掉最小值和最大值將剩余的4個(gè)數(shù)A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量3-4所示附錄中給出了去極值平均濾波的3．．2顯示處理顯示處理模塊主要完成人機(jī)交互作用具體實(shí)現(xiàn)將采樣溫度值設(shè)定溫度值以字符的形式通過(guò)液晶顯示出來(lái)本系統(tǒng)采用HOLTEK公司生產(chǎn)的LCD顯示器專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)芯片HTl621驅(qū)動(dòng)HTl621內(nèi)部具有32×4位顯示RAM用于存儲(chǔ)顯示數(shù)據(jù)顯示RAM內(nèi)部由32個(gè)地址連續(xù)的RAM單元組成從地址為O的單元至地址為31的單元分別對(duì)應(yīng)段電極輸出SEG0至SEG31其中每一RAM單元又分為4位從低位至高位分別對(duì)應(yīng)背電極輸出COM0至COM3附錄中給出了顯示處理模塊的源程序3．本章小結(jié)本章在分析了系統(tǒng)軟件組成的基礎(chǔ)之上采用傳統(tǒng)的前后臺(tái)方式編制系統(tǒng)軟件分別介紹了系統(tǒng)中的主程序模塊數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)處理模塊并在此基礎(chǔ)上討論了系統(tǒng)的軟件抗干擾措施第章結(jié)論．1總結(jié)溫度控制在工業(yè)生產(chǎn)中起著非常重要的作用本文完成了基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)包括系統(tǒng)的硬件開(kāi)發(fā)軟件編程等在論文完成過(guò)程中主要做的工作有1以ATMEL公司的AT89C52單片機(jī)為核心進(jìn)行系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)輸入通道采用6675輸出通道采用可控硅作為輸出單元大大地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)硬件電路通過(guò)對(duì)占空比的調(diào)節(jié)可實(shí)現(xiàn)溫控箱溫度的自動(dòng)控制由于輸入端與輸出端有光電隔離能夠有效地抑制干擾2采用語(yǔ)言對(duì)系統(tǒng)的軟件編程這大大縮短了軟件的開(kāi)發(fā)周期為了便于編寫(xiě)調(diào)試修改和增刪系統(tǒng)軟件的編制采用了模塊化的設(shè)計(jì)方法．2展望本系統(tǒng)使用的AT89C52屬于與MCS51系列兼容的8位單片機(jī)這種單片機(jī)本身資源較少不利于系統(tǒng)的擴(kuò)展目前日益普及的基于ARM或DSP結(jié)構(gòu)的微控制器在系統(tǒng)擴(kuò)展能力處理數(shù)據(jù)的能力各個(gè)方面都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了8位單片機(jī)傳統(tǒng)的單片機(jī)編程采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)的方式即將實(shí)時(shí)性要求不高的工作放在主函數(shù)之中依次輪流執(zhí)行實(shí)時(shí)性要求高的使用中斷技術(shù)及時(shí)處理這樣構(gòu)成前后臺(tái)處理程序程序中間通過(guò)軟件標(biāo)志全局變量等完成通信與聯(lián)絡(luò)本系統(tǒng)的軟件就是基于這種方式開(kāi)發(fā)的隨著微處理器芯片性能的提升價(jià)格的下降及對(duì)軟件的可重用性可維護(hù)性的提高采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS已經(jīng)成為大勢(shì)所趨結(jié)合上面的論述今后還需要做進(jìn)一步的研究和解決的問(wèn)題有1硬件方面采用DSPARM或者利用第一章提到的片上系統(tǒng)SOC對(duì)系統(tǒng)的硬件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)2軟件方面摒棄傳統(tǒng)的前后臺(tái)系統(tǒng)軟件編程模式改用基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)致謝參考文獻(xiàn)[]陳忠華．基于單片機(jī)的溫度智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]．大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文2006[]齊志才趙繼印．MCS51系列單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M]．北京中國(guó)建筑工業(yè)出版社2005[]賴壽宏．微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M]．北京機(jī)械工業(yè)出版社1999[]王幸之王雷翟成等．單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾技術(shù)[M]．北京北京航空航天大學(xué)出版社1999[]薛定宇．控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)第二版[M]．北京清華大學(xué)出版社2006[]李朝青．單片機(jī)DSP外圍數(shù)字IC技術(shù)手冊(cè)第二版[M]．北京北京航空航天大學(xué)出版社2005[]王海寧基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的研究[D]合肥工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文2008[]馮博琴主編．微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)[M]．北京清華大學(xué)出版社2006[]張宇．高精度恒溫箱溫度控制理論研究與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]．合肥工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文2005[]LjungLennard．TheoryAndPracticeofRecursiveIdentification[M]．TheMITpress1983[]imGertN．Helles．Ptl00鉑電阻溫度變送器[J]．世界電子元器件2003年第8期[1]于海生等．微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M]．北京清華大學(xué)出版社1999[1]IStaicaRMorrisMKaashoeketalChordAscalablepeer-to-peerlookupprotocolforInternetapplicationsinProceedingofNetworkingIEEEACMTransactions[14]譚浩強(qiáng)．C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)[M]．北京清華大學(xué)出版社1998[]薛定宇陳陽(yáng)泉．基于MATLAB／Simulink的系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用[M]．北京清華大學(xué)出版社2002[]胡壽松主編．自動(dòng)控制原理第三版[M]．北京國(guó)防工業(yè)出版社l994附錄部分源程序．顯示模塊源程序unsignedcharcodedisp_code[22]0xa00xf00x000x600x600xd00x400xf00xc00x600xc00xb00xe00xb00x000xe00xe00xf00xc00xf00x000x00／functionvoidinit_htl621voiddescriptionthisfunctioninitializetheht162lparameternonereturnnone／voidinit_htl621voidwrite_command_htl6210x52write_command_htl6210x30write_command_htl62l0x0awrite_command_htl6210x08write_command_htl6210x02／functionvoidIcd_clrvoiddescriptionthisfunctionforlcdclearparameternonereturnnone／voidlcd_clrvoidunsignedcharifori0i6idisplay_htl6210x000x002iwrite_command_htl6210x06／／lcdon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