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水溫自動控制系統(tǒng)設計 摘 要 水溫自動控制系統(tǒng)在工業(yè)及日常生活中應用廣泛 在生產中發(fā)揮著重要作用 實現 水溫控制的方法很多 如單片機控制 PLC 控制等等 而其中用單片機控制實現的水溫控 制系統(tǒng) 具有可靠性高 價格低 簡單易實現等多種優(yōu)點 單片機用于工業(yè)控制是近年 來發(fā)展非常迅速的領域 現在許多自動化的生產車間里 都是靠單片機來實現的 溫度是工業(yè)控制對象主要被控參數之一 在溫度控制中 由于受到溫度被控對象特 性 如慣性大 滯后大 非線性等 的影響 使得控制性能很難提高 有些工藝過程其 溫度控制的好壞直接影響著產品的質量 因此設計一種較為理想的溫度控制系統(tǒng)是非常 有價值的 為了實現高精度的水溫測量和控制 本文介紹了一種以 Atmel 公司的低功耗高性能 CMOS 8 位單片機為核心 以 PID 算法控制以及 PID 參數整定相結合的方法來實現的水溫 控制系統(tǒng) 其硬件電路包括溫度采集 溫度控制 溫度顯示 鍵盤輸入以及 RS232 接口 等電路 該系統(tǒng)可實現對溫度的測量 并能根據設定值對溫度進行調節(jié) 實現控溫的目 的 關鍵詞 AT89S52 溫度控制 PT1000 PID Design of Temperature Automatic Control System ABSTRACT The temperature is one of the mainly charged parameters which are industrial control targets It is difficult to enhance the control performance due to the characteristics of the temperature charged object Such as inertia hysteresis and non linear etc Its temperature control process will have a direct impact on the quality of the product in some technological process Therefore it is absolute valuable to design a ideal temperature control system In order to realize the high accuracy survey and control of water temperature Systematic core is AT89S52 which is a low power loss high performance 8 bit MCU of Atmel Company The system unifies PID control algorithm and PID parameter tuning to control the water temperature Its hardware circuit also includes temperature gathering temperature control and temperature display keyboard input and RS232 interfaces The system can realize to survey the water temperature and it can adjust the temperature according to the setting value Keywords AT89S52 temperature control PT1000 PID 目 錄 1 引言 1 1 1 課題背景 1 1 2 國內外研究現狀 1 1 3 研究方法 1 2 系統(tǒng)方案 2 2 1 水溫控制系統(tǒng)設計任務和要求 2 2 2 水溫控制系統(tǒng) 2 2 2 1 方案選擇 2 2 2 2 溫度控制系統(tǒng)算法分析 4 3 系統(tǒng)硬件設計 9 3 1 總體設計框圖及說明 9 3 2 外部電路設計 9 3 2 1 溫度采集電路 9 3 2 2 溫度控制電路 11 3 3 單片機系統(tǒng)電路設計 11 3 3 1 A D 轉換電路 11 3 3 2 串口通訊部分電路 14 3 3 3 數碼顯示電路 16 4 系統(tǒng)軟件設計 17 4 1 程序框架結構 17 4 2 程序流程圖及部分程序 17 4 2 1 主程序模塊 17 4 2 2 系統(tǒng)初始化 19 4 2 3 按鍵程序 19 4 2 4 A D 采樣數據處理 21 4 2 5 PID 計算 24 4 2 6 繼電器控制 25 5 系統(tǒng)安裝調試與測試 27 5 1 串口調試 27 5 2 繼電器測試 27 5 3 溫度采集與測試 27 6 結論 28 參考文獻 29 致 謝 30 1 引言 1 1 課題背景 溫度控制是無論是從工業(yè)生產過程中 還是在日常生活中都起著至關重要的作用 過低的溫度或者過高的溫度都會使水資源失去應用的作用 從而造成水資源的巨大浪費 特別是在當前全球水資源極度匱乏的情況下 我們就更應該掌握好對水溫的控制 在環(huán) 境惡劣或溫度較高等場合下 為了保證生產過程正常安全地進行 提高產品的質量和數 量 及減輕工人的勞動強度 節(jié)約能源 要求對加熱爐爐溫進行測示 顯示 控制 使 之達到工藝標準 以單片機為核心設計的水溫控制系統(tǒng) 可以同時采集多個數據 并將 數據通過通訊口送至上位機進行顯示和控制 1 2 國內外研究現狀 目前 國外溫度控制系統(tǒng)及儀表正朝著高精度智能化 小型化等方面快速發(fā)展 溫 度控制系統(tǒng)在國內各行各業(yè)的應用雖然已經十分廣泛 但從國內生產的溫度控制器來講 總體發(fā)展水平仍然不高 同國外的日本 美國 德國等先進國家相比 仍然有著較大的 差距 目前 我國在這方面總體技術水平處于 20 世紀 80 年代中后期水平 成熟產品主 要以 點位 控制及常規(guī)的 PID 控制器為主 它只能適應一般溫度系統(tǒng)控制 難于控制 滯后復雜時變溫度系統(tǒng)控制 而且適應于較高控制場合的智能化 自適應控制儀表國內 技術還不十分成熟 形成商品化并廣泛應用的控制儀表較少 現在 我國在溫度等控制 儀表業(yè)與國外還有著一定的差距 隨著嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術的快速發(fā)展及其在各個領域的廣泛應用 人們對電子產品 的小型化和智能化要求越來越高 作為高新技術之一的單片機以其體積小 價格低 可 靠性高 適用范圍大以及本身的指令系統(tǒng)等諸多優(yōu)勢 在各個領域 各個行業(yè)都得到了 廣泛應用 1 3 研究方法 本文主要介紹單片機溫度控制系統(tǒng)的設計過程 其中涉及系統(tǒng)結構設計 元器件的 選取和控制算法的選擇 程序的調試和系統(tǒng)參數的整定 以 AT89S52 為 CPU 溫度信號由 Pt1000 和電壓放大電路提供 電壓放大電路用超低溫漂移高精度運算放大器 OP07 將溫度 電壓信號進行放大 用單片機控制 SSR 固態(tài)繼電器的通斷時間以控制水溫 系統(tǒng)控制對 象為 1 升凈水 容器為搪瓷器皿 水溫可以在環(huán)境溫度降低時實現自動控制 以保持設 定的溫度基本不變 具有較好的快速性與較小的超調 2 系統(tǒng)方案 2 1 水溫控制系統(tǒng)設計任務和要求 該系統(tǒng)設計任務 設計一個水溫自動控制系統(tǒng) 控制對象為 1 升凈水 容器為搪瓷器皿 水溫可以在 一定范圍內由人工設定 并能在環(huán)境溫度降低時實現自動調整 以保持設定的溫度基本 不變 系統(tǒng)設計具體要求為 溫度設定范圍為 40 90 環(huán)境溫度降低時溫度控制的靜態(tài)誤差 1 采用適當的控制方法 當設定溫度突變 由 40 提高到 60 時 減小系統(tǒng)的調節(jié) 時間和超調量 用十進制數碼管顯示水的實際溫度 2 2 水溫控制系統(tǒng) 水溫控制系統(tǒng)是一個過程控制系統(tǒng) 組成框圖如圖 2 1 所示 由控制器 執(zhí)行器 被控對象及反饋作用的測量變送組成 圖 2 1 控制系統(tǒng)框圖 除了以上的組成元件以外 還需要選擇合適的算法以實現所要求的控制精度 以下 我會對關鍵的元件以及電路的確定進行詳細的分析 因為方案選取的好壞將直接影響著 整個系統(tǒng)實現效果的優(yōu)劣 2 2 1 方案選擇 方案一 采用 8031 作為控制器 使用最為普遍的器件 ADC0804 作模數轉換 控制上 使用對電阻絲加電使其升溫和開動風扇使其降溫 此方案簡易可行 器件的價格便宜 但 8031 內部沒有程序存儲器 需要擴展 增加了電路的復雜性 方案二 此方案采用 89S52 單片機實現 此單片機軟件編程自由度大 可用編程實 現各種控制算法和邏輯控制 控制電路部分采用 SSR 固態(tài)繼電器控制電爐絲的通斷此方 案電路簡單并且可以滿足題目中的各項要求的精度 將兩個方案相比較后可得出一個結論 采用 Atmel 單片機來實現本題目 無論是從 結構上 還是從工作量上都有很大的優(yōu)勢 所以我最后選擇使用 AT89S52 作為該控制系 統(tǒng)的核心 根據水的溫度變化慢 并且控制精度不易掌握的特點 我們設計了以 AT89S52 單片機為檢測控制中心的水箱溫度自動控制系統(tǒng) 總體框圖如圖 2 2 所示 圖 2 2 控制器設計總體框圖 溫度控制采用改進的 PID 數字控制算法 數碼顯示采用 3 位 LED 靜態(tài)顯示 該設計 結構簡單 控制算法新穎 控制精度高 有較強的通用性 圖 2 3 為整個水溫控制系統(tǒng)的原理圖 分別由測溫電路 繼電器控制電路 串口通 訊電路 LED 顯示電路等部分組成 圖 2 3 水溫控制電路原理圖 2 2 2 溫度控制系統(tǒng)算法分析 系統(tǒng)算法控制采用工業(yè)上常用的位置型 PID 數字控制 并且結合特定的系統(tǒng)加以算 法的改進 形成了變速積分 PID 積分分離 PID 控制相結合的自動識別的控制算法 該方 法不僅大大減小了超調量 且有效地克服了積分飽和的影響 使控制精度大為提高 長 期以來國內外科技工作者對溫度控制器進行了廣泛深入的研究 研究了大批溫度控制器 如性能成熟應用廣泛的 PID 調節(jié)器 智能控制 PID 調節(jié)器 自適應控制等 此處主要對 一些控制器特性進行分析以便選擇適合的控制方法應用于改造 常用的控制算法有以下幾種 1 經典的比例積分微分控制算法 2 根據動態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)化理論得到的自適應控制和最優(yōu)控制方法 3 根據模糊集合理論得到模糊控制算法 自適應控制 最優(yōu)控制方法以及模糊控制算法是建立在精確的數學模型基礎上的 在實時過程控制中 由于控制對象的精確數學模型難于建立 系統(tǒng)參數經常發(fā)生變化 運用控制理論進行綜合分析要花很大代價 同時由于所得到的數學模型過于復雜難于實 現 在實時控制系統(tǒng)中要求信號的控制信號的給出要及時 所以在目前的過程控制系統(tǒng) 中較少采用自適應控制 最優(yōu)控制方法和模糊控制算法 目前在過程控制中應用較多的 還是 PI 控制算法 PD 控制算法和 PID 控制算法 水溫控制系統(tǒng)的控制對象具有熱儲存能力大 慣性較大的特點 水在容器內的流動 或熱量傳遞都存在一定的阻力 因此可以歸于具有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié) 對于大慣性系統(tǒng)的過渡過程控制 一般可采用以下幾種控制方案 1 開關量控制 這種方法通過比較給定值與被控參數的偏差來控制輸出的狀態(tài) 開通或關斷 因此 控制過程十分簡單 也容易實現 但由于輸出控制量只有兩種狀態(tài) 使被控參數在兩個 方向上變化的速率均為最大 因此容易引起反饋回路振蕩 控制精度不高 這種控制方 案一般在大慣性系統(tǒng)對控制精度和動態(tài)特性要求不高的情況下采用 如圖 2 4 所示 t y t y 圖 2 4 開關量控制 2 比例控制 P 控制 比例控制的輸出與偏差成比例關系 當負荷變化時 抗干擾能力強 過渡過程時間 短 但過程終了存在余差 適用于控制通道滯后較小 負荷變化不大 允許被控量在一 定范圍內變化的系統(tǒng) 如圖 2 3 所示 3 比例積分控制 PI 控制 控制器的輸出與偏差的積分成比例 積分的作用使過渡過程結束時無余差 但降低 了系統(tǒng)的穩(wěn)定性 PI 控制適用于滯后較小 負荷變化不大 被控量不允許有余差的控制 系統(tǒng) 如圖 2 4 所示 4 比例積分加微分控制 PID 控制 微分的作用使控制器的輸出與偏差變化的速度成比例 它對克服對象的容量滯后有 顯著的效果 在比例基礎上加入微分作用 使穩(wěn)定性提高 再加上積分作用 可以消除 余差 PID 控制適用于負荷變化大 容量滯后較大 控制品質要求又很高的控制系統(tǒng) 如 圖 2 5 所示 t y t y 圖 2 5 PID 控制 結合本設計任務與要求 由于水溫系統(tǒng)的傳遞函數事先難以精確獲得 因而很難判 斷哪一種控制方法能夠滿足系統(tǒng)對控制品質的要求 但從以上對控制方法的分析來看 PID 控制方法最適合本例采用 一方面 由于可以采用單片機實現控制過程 無論哪一種 控制方法都不會增加系統(tǒng)硬件成本 而只需對軟件作相應改變即可實現不同的控制方案 另一方面 采用 PID 的控制方式可以最大限度地滿足系統(tǒng)對諸如控制精度 調節(jié)時間和 超調量等控制品質的要求 由圖 2 6 可知 PID 調節(jié)器是一種線性調節(jié)器 這種調節(jié)器是將設定值 w 與實際輸出 值 y 進行比較構成偏差 2 1 ywe 并將其比例 積分 微分通過線性組合構成控制量 其動態(tài)方程為 2 2 dt eKttKtuip 其中 為調節(jié)器的比例放大系數pK 為積分時間常數i 為微分時間常數d PID 調節(jié)器的離散化表達式為 2 3 1 keTKkeKkudip 其增量表達形式為 kuk 2 4 2 1 2 1 keeTKeekKdip 其中 T 為采樣周期 圖 2 6 模擬 PID 控制 溫度 PID 調節(jié)器有三個可設定參數 即比例放大系數 積分時間常數 微分時pKiK 間常數 dK 比例調節(jié)的作用是使調節(jié)過程趨于穩(wěn)定 但會產生穩(wěn)態(tài)誤差 積分作用可消除被調量的穩(wěn)態(tài)誤差 但可能會使系統(tǒng)振蕩甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定 微分作用能有效的減小動態(tài)偏差 圖 2 7 中 初始水溫為 26 實現思想 Ui k 為第 k 次采樣溫度值 Ur 為設定值 e k 使用 PD 算法 e k 使用變速積分 PID 算法 圖 2 7 溫度控制曲線圖 該控制系統(tǒng)是把輸出量檢測出來 經過物理量的轉換 再反饋到輸入端去與給定量 進行比較 綜合 并利用控制器形成的控制信號通過執(zhí)行機構 SSR 對控制對象進行控制 抑制內部或外部擾動對輸出量的影響 減小輸出量的誤差 達到控制目的 自動控制框 圖如圖 2 8 所示 在此控制系統(tǒng)中單片機就相當于常規(guī)控制系統(tǒng)中的運算器控制器 它 對過程變量的實測值和設定位之間的誤差信號進行運算然后給出控制信息 單片機的運 算規(guī)則稱為控制法則或控制算法 圖 2 8 自動控制框圖 3 系統(tǒng)硬件設計 3 1 總體設計框圖及說明 本系統(tǒng)是一個簡單的單回路控制系統(tǒng) 為了實現溫度的自動測量和控制 根據系統(tǒng) 總體方案 系統(tǒng)由單片機基本系統(tǒng) 前向通道 后向通道和人機對話通道等 4 個主要功 能模塊組成 單片機是整個控制系統(tǒng)的核心 AT89S52 可以提供系統(tǒng)控制所需的 I O 口 中斷 定 時及存放中間結果的 RAM 電路 前向通道是信息采集的通道 主要由傳感器 信號放大 A D 轉換等電路組成 由于水溫變化是一個相對緩慢的過程 因此前向通道中沒有使用采 樣保持電路 信號的濾波可由軟件實現 并可以簡化硬件 降低硬件成本 鍵盤設定 用于溫度設定 共三個按鍵 數據采樣 將由傳感器及相關電路采集到的溫度轉為電壓信號 經 A D 轉換后 送 入 AT89S52 相應接口中 換算成溫度值 用于控制和顯示 數據顯示 采用了共陰極數碼管 LED 進行顯示設置溫度與測量溫度 串行口傳輸 將采樣溫度值 上傳至 PC 機 可利用 PC 機的端口下載程序 繼電器 熱電管 通過三極管控制繼電器的開關來完成對熱電爐的功率控制 圖 3 1 系統(tǒng)框圖 3 2 外部電路設計 3 2 1 溫度采集電路 本系統(tǒng)運放采用高精度單片運算放大器 OP07 此運放具有很低的輸入失調電壓和漂 移 OP07 的優(yōu)良特性使它特別適合作前級放大器 放大微弱信號 使用 OP07 一般不用考 慮調零和頻率問題就可以滿足要求 主要特點 低輸入失調電壓 75uV 最大 低失調電壓溫漂 1 3uV 最大 低失調電壓時漂 1 5uV 月 最大 低噪聲 0 6uV P P 最大 寬輸入電壓范圍 14V 寬電源電壓范圍 3V 18V 溫度采集采用的溫度傳感器鉑電阻 Pt1000 對于溫度的精密測量而言 溫度測量部分 是整個系統(tǒng)設計的第一步 溫度傳感器的選擇是這塊電路的關鍵 它是直接影響整個系 統(tǒng)的性能與效果的關鍵因素 這里采用的是精密級鉑電阻溫度傳感器 Pt1000 它的金屬 鉑含量達 99 9999 因為鉑電阻的物理和化學性能在高溫和氧化介質中都很穩(wěn)定 價格 又便宜 常作為工業(yè)測量元件 以鉑電阻溫度計作基準器線性好 溫度系數分散性小 在 0 100 攝氏度時 最大非線性偏差小于 0 5 攝氏度 性能穩(wěn)定 廣泛應用于精密溫度 測量和標定 鉑熱電阻與溫度關系式 3 1 1 20BtARt 其中 溫度為 t 攝氏度時的電阻 溫度為 0 攝氏度時的電阻 tR0 A B 溫度系數 A 3 94 102 其中 B 71 84 5 T 任意溫度 圖 3 2 測溫電路 3 2 2 溫度控制電路 此部分時通過控制繼電器的通斷從而控制電加熱管 俗稱 熱得快 采用對加在 電熱管兩端的電壓進行通斷的方式進行控制 以實現對水加熱功率的調整 從而達到對 水溫控制的目的 即在閉環(huán)控制系統(tǒng)中對被控對象進行控制 此部分的繼電器采用的是 SSR 繼電器 即固態(tài)繼電器 其工作原理為 固態(tài)繼電器 是一種無觸點電子開關 主要由輸入 控制 電路 驅動電路和輸出 負載 電路三部 分組成 固態(tài)繼電器的輸入電路是為輸入控制信號提供一個回路 使之成為固態(tài)繼電器 的觸發(fā)信號源 固態(tài)繼電器的輸入電路多數為直流輸入 個別的為交流輸入 固態(tài)繼電 器的輸出電路是在觸發(fā)信號的控制下 實現對固態(tài)繼電器的通斷切換 輸出電路主要由 輸出器件 芯片 和起瞬態(tài)抑制作用的吸收回路組成 固態(tài)繼電器是一種全電子電路組 合元件 它依靠半導體器件和電子元件的電 磁和光特性來完成隔離和繼電切換功能 固態(tài)繼電器與傳統(tǒng)的電磁繼電器相比 是一種沒有機械 不含運動零部件的繼電器 但 具有與電磁繼電器本質上相同的功能 圖 3 3 加熱棒控制電路 3 3 單片機系統(tǒng)電路設計 3 3 1 A D 轉換電路 ADC0804 引腳及使用說明 ADC0804 是 CMOS 集成工藝制成的逐次比較型 A D 轉換器芯片 ADC0804 分辨率為 8 位 轉換時間為 100 s 輸出電壓范圍為 0 5V 在增加某些外部電路后 輸入模擬電 壓可為 5V 該芯片內有輸出數據鎖存器 當與計算機連接時 轉換電路的輸出可以直 接連接到 CPU 的數據總線上 而不再需要附加邏輯接口電路 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20CS RD WR CLKIN INTR AGND DGND V CLKR D D D D D D D D IN IN REF 2 V V V CC 0 1 2 3 4 5 6 7 ADC0804 100 s 輸 出 高 阻 CS RD WR INTR 讀 數數 據 圖 3 4 ADC0804 引腳圖 圖 3 5 ADC0804 控制信號的時序圖 ADC0804 引腳名稱及意義如下 VIN VIN ADC0804 的兩模擬信號輸入端 用以接收單極性 雙極性和差模輸入 信號 D7 D0 A D 轉換器數據輸出端 該輸出端具有三態(tài)特性 能與微機總線相連接 AGND 模擬信號地 DGND 數字信號地 CLKIN 外電路提供時鐘脈沖輸入端 CLKR 內部時鐘發(fā)生器外接電阻端 與 CLKIN 端配合 可由芯片自身產生時鐘脈沖 其頻率為 1 1 1RC CS 片選信號輸入端 低電平有效 一旦 CS 有效 就表明 A D 轉換器被選中 可啟 動工作 WR 寫信號輸入 接受微機系統(tǒng)或其他數字系統(tǒng)控制芯片的啟動輸入端 低電平有 效 當 CS WR 同時為低電平時 啟動轉換 RD 讀信號輸入 低電平有效 當 CS RD 同為低電平時 可讀取轉換輸出數據 INTR 轉換結束輸出信號 低電平有效 輸出低電平表示本次轉換已經完成 該信 號經常作為向微機系統(tǒng)發(fā)出的中斷請求信號 在使用時我們應注意以下幾點 1 轉換時序 ADC0804 控制信號的時序圖如圖 3 5 所示 由圖所示 各控制信號時序關系為 當 CS 與 WR 同為低電平時 A D 轉換器啟動 且在 WR 上升沿后 100 S 模數轉換完成 轉換 結果存入數據鎖存器 同時 INTR 自動變?yōu)榈碗娖?表示本次轉換結束 如果 CS RD 同 時為低電平 則數據鎖存器三態(tài)門打開 數據信號送出 而 RD 高電平到來后三態(tài)門處于 高阻狀態(tài) 2 參考電壓的調節(jié) 在使用 A D 轉換器時 為保證轉換精度 要求輸入電壓滿量程使用 如輸入電壓動 態(tài)范圍較小 則可調節(jié)參考電壓 VREF 以確保小信號輸入時 ADC0804 芯片 8 位的轉換精 度 3 接地 模數 數模轉換電路中要特別注意到地線的正確連接 否則將會產生干擾 以致影 響轉換結果準確性 A D D A 及取樣 保持芯片上都提供了獨立的模擬地 AGND 和數 字地 DGND 在線路設計中 一定要將所有器件的模擬地和數字地分別進行相連 然后 將模擬地與數字地僅在一點上相連接 地線的正確連接方法如圖 3 6 所示 圖 3 6 正確的地線連接 系統(tǒng)由微處理器 存儲器和 A D 轉換器組成 它們之間通過數據總線 DBUS 和控 制總線 CBUS 連接 系統(tǒng)信號采用總線傳送方式 采集數據時 首先微處理器執(zhí)行一條傳送指令 在指令執(zhí)行過程中 微處理器在控 制總線的同時產生 CS1 WR1 低電平信號 A D 轉換器啟動開始工作 ADC0804 經 100 S 后將輸入模擬信號轉換為數字信號并存于輸出鎖存器 在 INTR 端產生低電平表示轉換結 束 并通知微處理器可來取數 當微處理器通過總線查詢到 INTR 為低電平時 立即執(zhí)行 輸入指令 以產生 CS RD2 低電平信號到 ADC0804 相應引腳 將數據取出并存入存儲器 中 整個數據采集過程中 微處理器有序地將執(zhí)行若干指令完成 AD0804 的連接圖如圖 3 7 所示 圖 3 7 AD0804 連接圖 3 3 2 串口通訊部分電路 系統(tǒng)設計要求控制系統(tǒng)能同 PC 聯(lián)機通信 以利用 PC 圖形處理能力打印顯示溫度曲 線以及下載程序 由于 AT89S52 串行口電平和 PC 不一致 AT89S52 的 I O 為 TTL 電平 PC 串行口為 RS232 電平利用單片機片內串行口外加邏輯電平轉換電路組成 RS 232C 標準 接口以實現系統(tǒng)相互通道的擴展 邏輯電平轉換電路采用了一片專用芯片 MAX232 外加 少量電容即可完成 TTL 到 RS 232 或 RS 232 到 TTL 的邏輯電平轉換 表 3 1 RS 232C 引腳型號定義 名稱 信號方 功能 25 芯腳 9 芯腳 FRD 保護地 1 TXD 輸出 發(fā)送數據 2 3 RXD 輸入 接收數據 3 2 RTS 輸出 請求對方發(fā)送數據 4 7 CTS 輸入 可向對方發(fā)送數據 5 8 DSR 輸入 對方已經準備好接收數據 6 6 GND 信號地 7 5 DCD 輸入 對方已收到載波 8 1 DTR 輸出 通知對方 本方可以接受數據 20 4 RJ 輸出 對方送來的振鈴指示信號 22 9 圖 3 8 串口通訊電路 UART 模塊提供了一個全雙工標準通信口 用于完成 AT89S52 與外設之間的串行通信 根據 RS 232 的標準 AT89S52 單片機是按照字節(jié)傳輸數據的 圖 3 9 單片機連接電路 單片機上的 P25 口接 S1 P26 口接 S2 P27 口接 S3 S1 設置溫度的十位數 0 9 S2 設置溫度的個位數 0 9 S3 工作模式選擇鍵 兩種工作模式為 正常工作狀態(tài) 溫度重新設置 系統(tǒng)上電后 數碼管全部顯示為零 根據按 S1 次數 十位的數碼管順序增加 同樣 S2 也如此 按 S3 后 系統(tǒng)開始測溫 并與采集的溫度進行比較 通過軟件來控制電爐 的開關 3 3 3 數碼顯示電路 數碼管作為單片機系統(tǒng)中最常用的輸出器件 在顯示時可以由數字和少量字母組合 完成輸出功能的系統(tǒng)中應用十分方便 圖 3 10 為一個四位共陰數碼管 DIG0 DIG1 DIG2 DIG3 分別與單片機的 P21 P22 P23 P24 相連 每一個都擁有一個 共陰級的位選端 從而可以通過單片機選通所需顯示的數碼管 SegA SegDp 口傳輸要顯 示的數據 利用其串 并轉換功能 送入數碼管顯示 在此外接了一個 10K 的電阻來保護 LED 圖 3 10 數碼管顯示電路 4 系統(tǒng)軟件設計 4 1 程序框架結構 整體的系統(tǒng)軟件設計是由各個在系統(tǒng)里起著不同作用的模塊整合在一起 從而實現 系統(tǒng)所要實現的功能 本系統(tǒng)硬件接口如下 P1 AD P00 P07 LEDa LEDdp P25 P27 S1 S3 P20 P23 COM1 COM3 系統(tǒng)包括主控制程序 A D 采樣數據處理程序 PID 算法程序 LED 顯示及按鍵處理 程序 結構框架圖如圖 4 1 所示 圖 4 1 程序結構圖 主程序模塊負責對子程序模塊的調用進行管理 它主要負責初始化 IO 口 等待鍵盤 的被按下 并調用相應的模塊進行處理 在適當的時候接受 A D 采樣的數據 并與所設 定的值進行比較 然后通過調用 PID 算法處理數據 處理后而控制繼電器的通斷 從而 控制熱電管達到水溫控制的目的 4 2 程序流程圖及部分程序 4 2 1 主程序模塊 由于模塊化程序的設計 通過調用程序即可實現所用功能 主程序流程圖如圖 4 2 所示 圖 4 2 主程序流程圖 主程序如下 int main void int KeyValue status temperature set System Initial PID Initial PID 初始化 while 1 KeyValue GetCh 鍵盤掃描 去抖動處理 取鍵值 key value process KeyValue 鍵值處理 if status temperature control display AD temperature 測量溫度顯示 PID 計算 if Out0 x0255 K 0 079 確定溫度系數 else K 0 076 fT adc data K 換算成溫度值 將溫度值轉換成十進制用于 LED 顯示 guiLED Value 0 int fT 10 guiLED Value 1 int fT 10 guiLED Value 2 int fT 10 10 stPID Proportion 1 設置 PID 比例值 stPID Integral 0 5 設置 PID 積分值 stPID Derivative 0 0 設置 PID 微分值 Out 100 PIDCalc PID 計算 圖 4 5 是數據采樣中斷服務程序的流程圖 此中斷程序采用的是 2Hz 中斷定時 0 5 秒鐘采樣一次 圖 4 5 數據采樣的中斷程序流程圖 int adc data cmp int max int min int Sum int i max ADC DataSave 0 for i 0 imax max ADC DataSave i 取出最大值 min ADC DataSave i for i 0 i 10 i if ADC DataSave i min min ADC DataSave i 取出最小值 for i 0 iSetPoint 10 NextPoint 偏差 pp SumError Error 積分 dError pp LastError pp PrevError 當前微分 pp PrevError pp LastError pp LastError Error return pp Proportion Error 比例項 pp Integral pp SumError 積分項 pp Derivative dError 微分項 4 2 6 繼電器控制 繼電器是和 AT89S52 單片機的 P25 口相連 它的開斷完全取決于 P25 口的輸出 即 PID 計算的結果 當輸出小于零說明設定值小于實際輸出值 這就是要關閉電爐 同時關 閉定時器的計時 當輸出值大于設定值 2 攝氏度時 我們就可以開電爐對水開始加熱 如果設定值與實際輸出值差值在 2 攝氏度以內時 我們就調用中斷程序定時加熱 圖 4 6 是控制程序的中斷服務程序 用來對繼電器定時加熱 它利用中斷定時器 10ms 確定加熱時間 當加熱時間未到時 繼續(xù)時間累積 若加熱時間到時 就調用關定 時器子程序 從而停止計時 圖 4 6 控制程序中斷程序流程圖 void active if Out30 stPID Proportion 溫度低于設定值 2 攝氏度 turn on relay 開電爐加熱 else turn on relay SP INT TIMEB 初始化定時器 開始定時加熱 5 系統(tǒng)安裝調試與測試 5 1 串口調試 通過 RS232 和 PC 機進行連接 利用 PC 調試助手進行調試 調試過程中把單片機和 PC 機的波特率設置為相同值 如 9600bit s 驗證上位機和下位機接收正常 5 2 繼電器測試 用萬能表的電阻檔 測量常閉觸點與動點電阻 其阻值應為 0 而常開觸點與動點的 阻值就為無窮大 由此可以區(qū)別出那個是常閉觸點 那個是常開觸點 本系統(tǒng)使用的繼 電器為常開式 5 3 溫度采集與測試 在 本 系 統(tǒng) 中 溫 度 數 據 的 采 集 與 測 試 是 最 重 要 的 部 分 數 據 的 準 確 度 將 直 接 影 響 到 系 統(tǒng) 的 可 靠 性 以 下 兩 表 為 部 分 測 試 結 果 表 5 1 溫 度 測 試 表 5 2 溫 度 控 制 6 結論 此課程設計是水溫控制系統(tǒng) 設計最主要的環(huán)節(jié)就是方案的選擇 然后進行軟件編 程 通過數據線連接電腦下載編好的程序 進行調試 再接下來是添加單元電路 并進 行調試 調試過程中我遇到不少問題 主要是經驗不足 經過不停的摸索 問題基本得 到了解決 我也懂得了系統(tǒng)要有良好的控制效果 其前端采集溫度信號需要足夠精確 其次系統(tǒng)的構成要簡單實用 實時監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)參數 并且運用多種算法 使得數據更 為接近真實值 此次系統(tǒng)設計中主要問題為控制系統(tǒng)輸出控制和 PID 控件 系統(tǒng) PID 輸出為模擬信 號 而該系統(tǒng)的控制對象為一加熱棒 因此一般的執(zhí)行器無法滿足控制的需求 而使用普 通的觸點式繼電器會因頻繁開關而產生電弧 可能導致事故的發(fā)生 所以在系統(tǒng)執(zhí)行部 分選取了 SSR 固態(tài)繼電器作執(zhí)行部件 從而克服了觸點式繼電器的不足 PID 控件的難題 在于參數整定 對于本系統(tǒng)來說參數整定只能使用經驗湊試 而且調試的時侯一定要耐 心 總的來說通過這次設計實驗 我學到了很多東西 無論是動手能力 還是分析問題 的能力都得到了提高 最重要的是建立了對電子設計興趣 最大的體會還是理論運用到 實踐還是有很大差距 理論學得好到了實際運用的時候還是會出現很多問題 這些問題 通過多實踐積累經驗可以得到解決 參考文獻 1 李全利 單片機原理及應用 M 清華大學出版社 2 王建校 楊建國 寧改娣等 51 系列單片機程序設計 M 北京 科學出版社 2002 20 30 3 劉大茂 智能儀器 單片機應用系統(tǒng)設計 M 北京 機械工業(yè)出版社 1998 24 45 4 譚浩強 C 語言程序設計 M 2 版 北京 清華大學出版社 1999 33 59 5 賴麒文 8051 單片機 C 語言徹底應用 M 北京 科學出版社 2002 55 84 6 何立民 張俊謨 單片機中級應用教程原理與應用 M 北京 航空航天大學出版社 1999 7 陳明熒 8081 單片機課程程設計實調教材 M 北京 清華大學出版社 2003 8 馬忠梅 單片機外圍電路設計 M 北京 北京航空航天大學出版社 2005 9 夏繼強 單片機實驗與實踐教程 M 北京 北京航空航天大學出版社 2001 10 7805 series Handbook NEC Corp 2001 致 謝 畢業(yè)設計已經結束了 這也宣告著大學四年最后一堂課的結束 這篇論文是對我大 學四年學習生活的一個總結 而同樣是踏入社會的開始 一段新的人身旅程的開始 這 篇論文是在白曉亮老師的熱情關心和指導下完成的 他的淵博的知識和嚴謹的治學態(tài)度 使我受益匪淺 尤其是他未雨綢繆的品格使我印象深刻 以及負責任的態(tài)度使我敬仰不 已 這些對順利完成本課題起到了極大的作用 謹此向白曉亮老師表示最衷心的感謝和 最誠摯的敬意 最后向在百忙之中評審本文的各位專家 老師表示衷心的感謝 愛人者 人恒愛之 敬人者 人恒敬之 寬以濟猛 猛以濟寬 政是以和 將軍額上能跑馬 宰相肚里能撐船 最高貴的復仇是寬容 有時寬容引起的道德震動比懲罰更強烈 君子賢而能容罷 知而能容愚 博而能容淺 粹而能容雜 寬容就是忘卻 人人都有痛苦 都有傷疤 動輒去揭 便添新創(chuàng) 舊痕新傷難愈合 忘記昨日的是非 忘記別人先前對自己的指責和謾罵 時間是良好的止痛劑 學會忘卻 生活才有陽光 才有歡樂 不要輕易放棄感情 誰都會心疼 不要沖動下做決定 會后悔一生 也許只一句分手 就再也不見 也許只一次主動 就能挽回遺憾 世界上沒有不爭吵的感情 只有不肯包容的心靈 生活中沒有不會生氣的人 只有不知原諒的心 感情不是游戲 誰也傷不起 人心不是鋼鐵 誰也疼不起 好緣分 憑的就是真心真意 真感情 要的就是不離不棄 愛你的人 舍不得傷你 傷你的人 并不愛你 你在別人心里重不重要 自己可以感覺到 所謂華麗的轉身 都有旁人看不懂的情深 人在旅途 肯陪你一程的人很多 能陪你一生的人卻很少 誰在默默的等待 誰又從未走遠 誰能為你一直都在 這世上 別指望人人都對你好 對你好的人一輩子也不會遇到幾個 人心只有一顆 能放在心上的人畢竟不多 感情就那么一塊 心里一直裝著你其實是難得 動了真情 情才會最難割 付出真心 心才會最難舍 你在誰面前最蠢 就是最愛誰 其實戀愛就這么簡單 會讓你智商下降 完全變了性格 越來越不果斷 所以啊 不管你有多聰明 多有手段 多富有攻擊性 真的愛上人時 就一點也用不上 這件事情告訴我們 誰在你面前很聰明 很有手段 誰就真的不愛你呀 遇到你之前 我以為愛是驚天動地 愛是轟轟烈烈抵死纏綿 我以為愛是蕩氣回腸 愛是熱血沸騰幸福滿滿 我以為愛是窒息瘋狂 愛是炙熱的火炭 婚姻生活牽手走過酸甜苦辣溫馨與艱難 我開始懂得愛是經得起平淡 愛人者 人恒愛之 敬人者 人恒敬之 寬以濟猛 猛以濟寬 政是以和 將軍額上能跑馬 宰相肚里能撐船 最高貴的復仇是寬容 有時寬容引起的道德震動比懲罰更強烈 君子賢而能容罷 知而能容愚 博而能容淺 粹而能容雜 寬容就是忘卻 人人都有痛苦 都有傷疤 動輒去揭 便添新創(chuàng) 舊痕新傷難愈合 忘記昨日的是非 忘記別人先前對自己的指責和謾罵 時間是良好的止痛劑 學會忘卻 生活才有陽光 才有歡樂 不要輕易放棄感情 誰都會心疼 不要沖動下做決定 會后悔一生 也許只一句分手 就再也不見 也許只一次主動 就能挽回遺憾 世界上沒有不爭吵的感情 只有不肯包容的心靈 生活中沒有不會生氣的人 只有不知原諒的心 感情不是游戲 誰也傷不起 人心不是鋼鐵 誰也疼不起 好緣分 憑的就是真心真意 真感情 要的就是不離不棄 愛你的人 舍不得傷你 傷你的人 并不愛你 你在別人心里重不重要 自己可以感覺到 所謂華麗的轉身 都有旁人看不懂的情深 人在旅途 肯陪你一程的人很多 能陪你一生的人卻很少 誰在默默的等待 誰又從未走遠 誰能為你一直都在 這世上 別指望人人都對你好 對你好的人一輩子也不會遇到幾個 人心只有一顆 能放在心上的人畢竟不多 感情就那么一塊 心里一直裝著你其實是難得 動了真情 情才會最難割 付出真心 心才會最難舍 你在誰面前最蠢 就是最愛誰 其實戀愛就這么簡單 會讓你智商下降 完全變了性格 越來越不果斷 所以啊 不管你有多聰明 多有手段 多富有攻擊性 真的愛上人時 就一點也用不上 這件事情告訴我們 誰在你面前很聰明 很有手段 誰就真的不愛你呀 遇到你之前 我以為愛是驚天動地 愛是轟轟烈烈抵死纏綿 我以為愛是蕩氣回腸 愛是熱血沸騰幸福滿滿 我以為愛是窒息瘋狂 愛是炙熱的火炭 婚姻生活牽手走過酸甜苦辣溫馨與艱難 我開始懂得愛是經得起平淡