单片机温度控制系统

第1章 单片机温度控制系统 摘 要        本次设计对单片机在温度控制系统中的基本理论和应用技术作了较为全面的介绍。主要目的是用单片机设计一个温度控制器，通过运用PID控制算法，使得温度保持在600度这一恒定温度值上。该控制器具有本机给定和上位机给定的功能。 在生产过程自动的发展历程中，PID控制是历史最久、生命力最强的基本控制方式。PID控制是比例积分微分控制的简称。由于模拟PID调节器控制温度的精确模型难以建立，系统的参数又经常发生变化，运用现代控制理论分析综合要耗费很大代价进行模拟辨识，而且不能得到预期的效果，所以本次设计采用PID调节器，由于软件系统的灵活性，PID算法可以得到修正而更加完善。 根据不同的测温范围选出合适的温度传感器，单片机把测到的温度进行处理（通过内置PID控制或与上位机通讯，由上位机实现PID控制）后保持恒温输出，来控制执行机构。单片机输出的是数字量，需要经过D/A转换变为模拟量后，才能去控制执行机构。 关键词　PID控制器；传感器；8052温度控制 Abstract This design comprehensively introduced the basic theories and application technology of the MCU (Micro Controller Unit) in the control systems of temperature this time. The main purpose to design one temperature controller with MCU, through use PID control algorithms, make temperature keep on this invariable temperature value of 600 degrees. The controller has the function of given by own machine and top machine. In the development of automatic production process, PID control has the longest history, strongest vitality which is the basic control method. It is an abbreviation of the proportion, integral and derivative. It is difficult to build accurate model of analogy PID regulator to control temperature, the systematic parameter often changes, using the modern control theory to analyze and synthesize that should consume very large cost to analogy identification, and can't get the anticipated result, so the design adopt PID regulator, because of the flexibility of the software system, PID algorithm can be revised more perfect. To elect the suitable temperature sensor according to different examining the warm range, because the output of the temperature sensor is an analog quantity of changing, therefore, need to change A/D first, transform it into digital quantity to send into the computer. After the MCU gets the examining temperature and dealt it (control or communicate with top machine through built-in PID, the top machine realize PID control) and then keep constant temperature exported to control executive body. What the MCU outputted is digital quantity, needs to change into analog quantity, to control the executive body.   Key words PID controller；A/D converter；8051temperature control 目录 TOC \o "1-3" \h \z \u Abstract 5 5 9 12 20 1 5 26 第1章 绪论 1.1 选题背景及目的 在工农业生产和日常生活中，对温度的测量及控制始终占据着重要地位。在冶金、化工、机械、食品等各类工业中，广泛使用各种加热炉、烘箱、恒温箱等，它们均需要对温度进行控制。在实验室中，电阻炉温度控制系统，是常见的自动控制系统。 目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。不同的控制系统，其传感器、变送器、执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制系统的传感器是温度传感器。目前,PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表）已经有很多产品已在工程实际中得到了广泛的应用,出现了各种各样的PID控制器产品。各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器(intelligent regulator),其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器,能实现PID控制功能的可编程控制器(PLC),还有可实现PID控制的PC系统等等。 可编程控制器(PLC)是利用其闭环控制模块来实现PID控制,而可编程控制器(PLC)可以直接与ControlNet相连,如Rockwell的PLC-5等。还有可以实现PID 控制功能的控制器,如Rockwell 的Logix产品系列,它可以直接与ControlNet相连,利用网络来实现其远程控制功能。 控制算法是微机化控制软件系统的一个重要组成部分，整个系统的控制功能主要由控制算法来实现。目前提出的控制算法有很多种。在生产过程自动的发展历程中，PID控制是历史最久、生命力最强的基本控制方式。它是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，实际运行经验和理论分析都表明，PID控制能满足相当多的工业对象的控制要求，尤其适用于可建立精确模型的确定性控制系统。虽然随着工业现代化的发展和其它各种先进技术的发展，自动化技术将会有更新的发展，但是，PID控制技术仍然不会过时，它还将在今后很长一段时间内占据主导地位。 由于数字PID控制系统中，引入了计算机，可以充分利用计算机在对采集数据加以分析并根据所的结果做出逻辑判断等方面的能力，编制出符合某种技术要求的控制程序、管理程序，实现对被控参数的控制与管理。而且PID控制规律的实现，是通过软件来完成的。改变控制规律，只要改变相应的程序即可，因此，数字PID控制系统在生产过程中经常使用。 由于单片机和传感器的多样化，设计者可以根据温度控制系统要应用的领域来决定选择什么样的单片机做主控制器，传感器的选择也因其使用的环境而不同。所以温度控制系统的设计是多样的。本文研究的系统采用的是北京集成电路设计中心与爱特梅尔公司联合设计的AT89C52单片机。 1.2发展状况 由于单片机技术在各个领域正得到越来越广泛的应用，世界上许多集成电路生厂家相继推出了各种类型的单片机。近十几年来，单片机在生产过程控制、自动检测、数据采集与处理、科技计算、商业管理和办公室自动化等方面获得了广泛的应用。近几年来，单片机的发展更为迅速，它已渗透到诸多学科和领域，以及人们生活的各个方面。在单片机家族的众多成员中，MCS-51系列单片机以其优越的性能、成熟的技术及高可靠性和高性能价格比，迅速占领了工业测控和自动化工程应用的主要市场，成为国内单片机应用领域中的主流。目前可用于MCS-51系列单片机开发的硬件越来越多，与其配套的各类开发系统、各种软件也日趋完善，因此，可以极方便的利用现有资源，开发出用于不同目的的各类应用系统。 随着集成电路技术的发展，单片微型计算机的功能也不断增强，许多高性能的新型机种不断涌现出来。单片机以其功能强、体积小、重量轻、可靠性高、造价低、通用灵活和开发周期短等优点，成为自动化和各个测控领域中广泛应用的器件，也广泛应用于卫星定向、汽车火花控制、交通管理和微波炉等专用控制上在工业生产中成为必不可少的器件，尤其是在日常生活中发挥的作用也越来越大。 在温度控制系统中，单片机更是起到了不可替代的核心作用。在工业生产如：用于热处理的加热炉、用于融化金属的坩锅电阻炉等，在日常生活中如：热水器、电热毯等等，都用到了电阻加热的原理。随着生产的发展，在工业中，上述设备对温度的控制要求越来越高，随着人们生活水平的提高，对日常用品的自动化也提出了更高的要求，单片机的不断更新换代，满足了上述的要求，达到自动控制品质的目的。 1.3各章节主要内容 本论文共分成四章： 第1章主要是选题背景和发展状况；第2章提出了系统的 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 与论证，形成一个大体轮廓；第3章对系统硬件电路部分进行设计，主要是接口连接和硬件传感器的设计；第4章系统的软件部分设计，包括各个子程序和对应的 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 图。 第2章 系统方案的提出与论证 2.1传感器的选择 在日常生活和生产中经常遇到需要对温度进行检测和控制的问题。在温度检测系统中就需要用到温度传感器。人们在很久以前就开始了解温度的测量，所以温度传感器种类繁多，有热敏电阻、红外温度传感器、热电偶等等。热电偶和热电阻测量的是电压值，需要转换成温度，外部硬件电路很复杂，也不便于调试。另外使用热电偶时，通常要求冷端T0保持0度，但实际上很难做到。除此之外还有模拟集成温度传感器，其特点是测温误差小、响应速度快、传输距离远、体积小。但是仍然在测量到温度值后要进行A/D转换，电路复杂，使用不方便。 有些集成温度传感器可以配微处理器和单片机，构成智能化的温度检测系统。这其中一个很大的变化就是传感器由以前的模拟输出转变为直接数字输出，省去了传统温度测量电路中的调理、变送、补偿、转换、修正等环节。这样整个测量电路不会引入附加误差，测温系统的精度与分辨力完全由数字化的传感器所决定。用这种先进的传感器芯片构成测控温度系统，具有电路简单，测控温度精度高等显著优点。并且抗干扰能力强，能够远程传输数据，用户可设定温度上、下限，有越限自动报警的功能，自带串行总线接口等优点，适配各种微控制器，含微处理器和单片机，是研制和开发具有高性价比的新一代温度控制系统所必不可少的核心器件。 智能温度传感器的典型产品有DS1820、DS18S20、DS18B20、DS1821、DS1822、DS1624、DS1629等型号。本文所选用的是美国DSLLAS半导体公司生产的DS18B20，它是该公司在研制出DS1820后最新推出的一种改进型产品。所以它具有DS1820的全部优点。在此基础上，它有独特的性能特点： (1)​ 独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信。 (2)​ 不需要外部器件。 (3)​ 可通过数据线供电，电压范围为3.0～5.5V。 (4)​ 零待机功耗。 (5)​ 温度以9或12位数字量读出。 (6)​ 用户可定义的非易失性温度报警设置。 (7)​ 报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度的器件。 2.2驱动部分 方案一:此方案采用SPCE061A单片机实现，此单片机内置8路ADC,2路DAC,且集成开发环境中，配有很多语音播放函数，用SPCE061A实现语音播放极为方便。另外，比较方便的是该芯片内置在线仿真、编程接口，可以方便实现在线调试，这大大加快了系统的开发与调试。但是，他的成本太高我们不便采用。 方案二：此方案采用89C52单片机实现，AT89C52是低功耗、高性能的CMOS8位单片机，片上带有8KFlash存储器，且允许在系统改写或用编程器编程。另外，AT89C51的指令系统和引脚80C52完全兼容。所以，AT89C52单片机应用极为广泛。 2.3 PID的算法 基本偏差:e(t) 表示当前测量值与设定目标之差，设定目标是被减数，结可以是正或负。 正数表示还没有达到，负数表示已经超过了设定值。这是面向比例项用的变动数据。 累计偏差：∑e(t)= e(t) + e(t-1) + e(t-2)+…….+e(1),这是我们每一次测量到的偏差值的总和，这是代数和，考虑到正负符号的运算，这是面向积分项用的变动数据。 基本偏差的相对偏差：e(t) – e(t-1)，用本次的基本偏差减去上一次的基本偏差，用于考察当前控制的对象的趋势，作为快速反应的重要依据，这是面向微分项的一个变动数据。 比例调节作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。 积分调节作用：是使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。 微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。 2.4 PID的控制 2.4.1 开环控制系统 开环控制系统(open-loop control system)是指被控对象的输出(被控制量)对控制器(controller)的输出没有影响。在这种控制系统中,不依赖将被控量以形成任何闭反送回来的闭环回路。 2.4.2 闭环控制系统 闭环控制系统(closed-loop control system)的特点是系统被控对象输出(被控制量)会反送回来影响控制器的输出,形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈,若反馈信号与系统给定值信号相反,则称为负反馈( Negative Feedback),若极性相同,则称为正反馈,一般闭环控制系统均采用负反馈,又称负反馈控制系统。闭环控制系统的例子很多。比如人就是一个具有负反馈的闭环控制系统,眼睛便是传感器,充当反馈,人体系统能通过不断的修正最后作出各种正确的动作。如果没有眼睛,就没有了反馈回路,也就成了一个开环控制系统。另例,当一台真正的全自动洗衣机具有能连续检查衣物是否洗净,并在洗净之后能自动切断电源,它就是一个闭环控制系统。 2.4.3 阶跃响应  　　阶跃响应是指将一个阶跃输入（step function）加到系统上时,系统的输出。稳态误差是指系统的响应进入稳态后，系统的期望输出与实际输出之差。控制系统的性能可以用稳、准、快三个字来描述。稳是指系统的稳定性(stability),一个系统要能正常工作,首先必须是稳定的,从阶跃响应上看应该是收敛的；准是指控制系统的准确性、控制精度,通常用稳态误差来(Steady-state error) 描述,它表示系统输出稳态值与期望值之差；快是指控制系统响应的快速性,通常用上升时间来定量描述。  2.5 PID控制的原理和特点  　　在工程实际中,应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制,简称PID控制,又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史,它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握,或得不到精确的数学模型时,控制理论的其它技术难以采用时,系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定,这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象﹐或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时,最适合用PID控制技术。PID控制,实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差,利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。  (1)比例（P）控制  　　比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。  (2)积分（I）控制  　　在积分控制中,控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统,如果在进入稳态后存在稳态误差,则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差,在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分,随着时间的增加,积分项会增大。这样,即便误差很小,积分项也会随着时间的增加而加大,它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小,直到等于零。因此,比例+积分(PI)控制器,可以使系统在进入稳态后无稳态误差。  (3)微分（D）控制  　　在微分控制中,控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件,具有抑制误差的作用,其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”,即在误差接近零时,抑制误差的作用就应该是零。这就是说,在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的,比例项的作用仅是放大误差的幅值,而目前需要增加的是“微分项”,它能预测误差变化的趋势,这样,具有比例+微分的控制器,就能够提前使抑制误差的控制作用等于零,甚至为负值,从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象,比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。  2.6 PID控制器的参数整定  PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多,概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型,经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用,还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法,它主要依赖工程实验,直接在控制系统的试验中进行,且方法简单、易于掌握,在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法,主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点,其共同点都是通过试验,然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数,都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下：(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；(2)仅加入比例控制环节,直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡,记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；(3)在一定的控 制度 关于办公室下班关闭电源制度矿山事故隐患举报和奖励制度制度下载人事管理制度doc盘点制度下载 下通过公式计算得到PID控制器的参数。  第3章 系统的硬件设计 3.1总体方案 该系统是以AT89C52单片机为主控制器的智能化温度控制系统。采用定时检测和调节的方式。首先由定时器或软件定时，定时时间到后启动智能温度传感器对温度进行检测，测量结果送CPU，并在CPU的控制下显示结果。利用键盘输入控制目标。CPU把测量的结果与给定值比较，进行PID计算，然后根据计算结果输出DAC信号，并加上反相器使输出电压范围为0～5V，通过在固态继电器前端连入电阻使电压变为1～1.7V，固态继电器在该电压范围内线性工作，输出的电压控制继电器的通导，对炉温进行调节。整个系统构成一个闭环控制系统，从而使炉温控制在预定的范围之内。 温度采集部分采用DS18B20测温，它是单线智能温度传感器，不需要A/D转换，可以直接测量出数字式的温度值送入主控制器。采集温度时对DS18B20进行初始化，然后执行ROM操作命令，再执行暂存器操作命令，最后完成数据处理。通过键盘向CPU输入用户设定的报警温度上限值和下限值，完成温度转换之后，DS18B20就把测得的温度值同上下限值比较，如果超出所设定的范围，将该器件的报警标志位置位，并对CPU发出的报警搜索命令做出响应。该传感器使用同步串行总线接口技术，串行通信是将数据字节分成一位一位的形式在一条传输线上逐个地传送，数据接收设备将接收到的串行形式数据转换成并行形式进行存储和处理。同步通信时要建立发送方时钟对接收方时钟的直接控制，使双方达到完全同步。通过主控制器的定时器建立一个30μs的同步脉冲实现与温度检测回路的通信。CPU经过单线接口访问DS18B20，CPU对ROM操作完毕，即发出控制操作命令，使DS18B20完成温度测量并将结果存入高速暂存器中，然后读出该结果。由继电器及其外部电路如D/A转换等实现对温度的控制功能。 3.2主控制器与采集电路通讯 AT89C52是低功耗、高性能的CMOS8位单片机，片上带有8KFlash存储器，且允许在系统改写或用编程器编程。另外，AT89C51的指令系统和引脚80C52完全兼容。所以，AT89C52单片机应用极为广泛。 单片机在开机时都需要复位，以便CPU以及其他功能部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。AT89C52的RST引脚是复位信号的输入端。复位信号是高电平有效，持续时间要有24个时钟周期以上。本系统中时钟频率为12MHz，复位脉冲宽度至少应为2μs。主控制器与传感器连接电路如图3.1所示。 图3.1 主控器与传感器的连接电路 由AT89C52根据总线的接口 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 向智能温度传感器发送诸如启动转换、设置配置寄存器、读取温度等命令。智能温度传感器则向AT89C52回送当前温度值等数据。二者之间的数据传输完全是串行的。 主控制器与温度检测系统使用同步串行总线通信，串行通信是将数据字节分成一位一位的形式在一条传输线上逐个地传送，数据接收设备将接收到的串行形式数据转换成并行形式进行存储和处理。同步通信时要建立发送方时钟对接收方时钟的直接控制，使双方达到完全同步。此时，传输数据的位之间的距离均为“位间隔”的整数倍，同时传送的字符间不留间隙，即保持位同步关系，也保持字符同步关系。发送方对接收方的同步通过外同步来实现。发送方在每个比特周期都向接收方发送一个同步脉冲。接收方根据这些同步脉冲来完成接收过程。 DS18B20有严格的通信 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 来保证各位数据传输的正确性和完整性。单线总线在空闲状态下呈高电平。操作单线总线时，必须从空闲状态开始。单线总线加低电平的时间超过480μs时，总线上所有的器件都被复位。通信协议规定了复位脉冲、应答脉冲、写0、写1、读0、读1等几种信号的时序。除了应答脉冲，其余信号均由CPU控制。写时序包括写“0”时序和写“1”时序。所有写时序都至少需要60μs，且在两次独立的写时序之间至少需要1μs的恢复时间。两种写时序均起始于主机拉低总线。对于写“1”时序，主机在拉低总线后，接着必须在15μs内释放总线，由上拉电阻将总线拉至高电平；而对于写“0”时序，在主机拉低总线后，只需要在整个时序内保持低电平即可（至少60μs）。在写时序开始后的15～60μs期间内，保持单线器件采样总线电平状态。如果在此期间采样为高电平，则对该器件写入逻辑1，低电平则写入逻辑0。 只有在主机启动了读时序后，器件才向主机传输数据。所以一般在主机给单线器件发送了读数据命令后，必须马上产生读时序，以便器件能传输数据。所有的读时序需要至少60μs，且在两次独立的读时序之间需要1μs的恢复时间。每个读时序都由主机发起，拉低总线至少1μs，然后释放单线。在主机发起读时序之后，单线器件开始在总线上发送0或1。若其发送1，则保持总线为高电平。若发送0，则器件拉低总线，在该时序结束后释放总线，由上拉电阻将总线拉回空闲高电平状态。从机发出的数据在起始时序之后15μs内保证可靠有效。因此主机在读时序期间必须释放总线，并且要在时序开始后的15μs内完成采样总线状态。 每次的命令和数据的传输都是从主机启动写时序开始的，如果要求单线器件回送数据，在进行完写命令后，主机需要启动读时序完成数据接收。数据和命令的传输都是低位在先。在对一位的“0”和“1”规定好时序后，命令字节和数据字节的发送就表现为多个“0”、“1”在时间上的排列。 主CPU经过单线接口访问DS18B20的工作流程为：对DS18B20进行初始化，接着进行ROM操作命令，然后进行存储器操作命令，最后对数据处理。CPU对ROM操作完毕即发出控制操作命令，使DS18B20完成温度测量并将测量结果存入高速暂存器中，然后读出结果。当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1、2字节。单片机可以通过单线接口读出该数据，读数据时低位在先，高位在后。当符号位S=0时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制位转换为十进制；当符号位S=1时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码，再计算十进制值。 一旦CPU检测到从属器件的存在，就发出ROM命令。所有ROM操作命令均为8位字长。主CPU对ROM的操作命令有以下5种： (1)读ROM命令。该命令允许CPU读取DS18B20中的8位产品系列编码、48位序列号以及8位的CRC。只有在总线上存在DS18B20(温度采集)的时候才能使用这个命令。 (2)符合ROM命令。主CPU在发出“符合”ROM命令后，接着送出64位ROM数据序列，从而使CPU实现对单线总线上特定DS18B20的寻址。 (3)搜索ROM命令。允许主CPU使用“消除法”识别总线上所有DS18B20的64位ROM编码，完成整个系统的初始化工作。 (4)跳过ROM命令。该命令使主CPU不必提供64位ROM编码就能访问DS18B20。在单线总线的情况下可以节省时间。 (5)报警搜索命令。该命令仅在最近一次温度测量出现报警的情况下，DS18B20才对该命令做出响应。报警条件定义为温度高于TH或者低于TL。只要DS18B20不掉电，报警状态将一直保持，直到再一次测得的温度值达不到报警条件。 3.3温度控制 3.3.1 D/A转换 由于计算机采集与处理的是数字量，而受控对象需要的是模拟量信号，所以需要进行D/A转换。D/A转换器是一种能把数字量转换成模拟量的电子器件。DAC的种类繁多，DAC0832是常用的一种，由美国国民半导体公司研制，是一个8位单片D/A转换器，它的连接电路如图3.2所示。 图3.2 DAC0832的硬件电路 DAC0832主要由两个8位寄存器和一个8位D/A转换器组成。8位输入寄存器用于存放CPU送来的数字量，使输入数字量得到缓冲和锁存，由 加以控制。8位DAC寄存器用于存放等待转换的数字量，由 控制。8位D/A转换电路由8位T型电阻网络和电子开关组成，电子开关受8位DAC寄存器输出控制，T型电阻网络能输出和数字量成正比的模拟电流。因此，DAC0832通常需要外接运算放大器才能得到模拟输出电压。 DAC0832的数字量输入线DI7～DI0和CPU数据总线相连，用于输入CPU送来的待转化数字量，DI7为最高位。CS为片选线，当CS为低电平时，本片被选中工作；当 为高电平时，本片不被选中工作。ILE为允许数字量输入线。当ILE为高电平时，8位输入寄存器允许数字量输入。 为传送控制输入线，低电平有效。 和 为两条写命令输入线。 用于控制数字量输入到输入寄存器：若ILE为“1”、 为“0”和 为“0”同时满足，8位输入寄存器接收信号；若上述条件中有一个不满足，8位输入寄存器锁存DI7～DI0上的输入数据。 用于控制D/A转换的时间：若 和 同时为低电平，则8位DAC寄存器输出跟随输入；否则8位DAC寄存器锁存数据。 和 的脉冲宽度要求不小于500ms，即便VCC提高到15V，其脉宽也不应小于100ms。 DAC0832采用R-2R T型网络转换法。它由二级缓冲寄存器和D/A转换电路组成，可直接与CPU总线连接，接口比较简单。Rfb为运算放大器反馈线，常常接到运算放大器输出端。IOUT1和IOUT2为两条模拟电流输出线。IOUT1+IOUT2为一常数：若输入数字量为全“1”，则IOUT1为最大，IOUT2为最小；若输入数字量为全“0”，则IOUT1最小，IOUT2最大。为了保证额定负载下输出电流的线性度，IOUT1和IOUT2引脚上的电位必须尽量接近低电平。为此，IOUT1和IOUT2通常接运算放大器输入端。由于输出的模拟电压范围是-5～0V，所以再加以反相器使电压变为0～+5V。VREF为参考电压输入端，用来将外部基准电压与片内的T型电阻网络连接。 DAC用途很广，在需要单极性模拟电压环境下，可以采用如图3.2所示接线。由D/A转换器原理可得出输出电压 对输入数字量的关系为： 式中 ； 为一常数。 显然， 和B成正比关系。输入数字量B为0时， 也为0，输入数字量为255时， 为负的最大值，输出电压为负的单极性。 作为单片机的一个外围I/O接口，口地址设为0DFFH。这样CPU只要执行一条输出指令，就可以把数据直接写入0832的DAC寄存器，然后输出一个模拟的电压信号。 3.3.2 继电器工作原理 继电器是电气控制中常用的控制器件。使用触点式继电器控制，由于采用电磁吸合方式，在开关瞬间，触点容易产生电火花，从而引起干扰。在大功率、高压等场合，触点还容易氧化，因而影响整个系统的可靠性。所以本系统中采用固态继电器，较好地克服了这方面的问题。 固态继电器是用晶体管或可控硅代替常规继电器的触点开关，再把光电隔离器作为前级构成一个整体。因此，固态继电器实际上是一种带光电隔离器的无触点开关。固态继电器有直流型和交流型之分。对于交流供电的负载，其开关量的输出控制可用交流型固态继电器来实现。 由于固态继电器输入控制电流小，输出无触点，所以与电磁触点式继电器相比，具有体积小、重量轻、无机械噪声、无抖动和回跳、开关速度快、工作可靠等优点，在计算机控制系统中应用广泛。 下面说明交流型SSR的工作原理，图3.3是它的工作原理框图。 图3.3 SSR工作原理图 从整体上看，SSR只有两个输入端(A和B)及两个输出端(C和D)，是一种四端器件。工作时只要在A、B上加上一定的控制信号，就可以控制C、D两端之间的“通”和“断”，实现“开关”的功能，其中耦合电路的功能是为A、B端输入的控制信号提供一个输入/输出端之间的通道，但又在电气上断开SSR中输入端和输出端之间的(电)联系，以防止输出端对输入端的影响，耦合电路用的元件是“光耦合器”，它动作灵敏、响应速度高、输入与输出端间的绝缘(耐压)等级高；由于输入端的负载是发光二极管，这使SSR的输入端很容易做到与输入信号电平相匹配，在使用时可直接与计算机输出接口相接，即受“1”与“0”的逻辑电平控制。触发电路的功能是产生合乎要求的触发信号，驱动开关电路工作。但由于开关电路在不加特殊控制电路时，将产生射频干扰并以高次谐波或尖峰等污染电网，为此特设“过零控制电路”。所谓“过零”是指，当加入控制信号，交流电压过零时，SSR即为通态；而当断开控制信号后，SSR要等待交流电的正半周与负半周的交界点(零电位)时，SSR才为断态。这种设计能防止高次谐波的干扰和对电网的污染。吸收电路是为防止从电源中传来的尖峰、浪涌(电压)对开关器件双向可控硅管的冲击和干扰(甚至误动作)而设计的，一般是用“R-C”串联吸收电路或非线性电阻(压敏电阻器)。 3.3.3 温度控制电路原理 由于DAC0832输出的电压范围是-5～0V，不能直接加在固态继电器上。固态继电器的线性工作范围是1～1.7V，所以在DAC0832输出端加上反相器使电压范围变成0～5V再加上合适的电阻，使输出电压范围缩小到1～1.7V，以便使固态继电器的工作在线性范围内，再将固态继电器与电阻炉连接，通过固态继电器的通导来对电阻炉进行温度控制。电路图如图3.4所示。 图3.4 温度控制电路 在图3.4中VCC=+5V，设DAC0832的输出电压为 ，设四个电阻相交于A点，R4的作用是限制电流，其电流很小，在计算中暂时不考虑。为了使输出电压在1～1.7V范围内，当 =0V时， =1V，此时 与 并联后再与 串联，则根据电流关系可得到关系式： 将 =1v， =5v 代入关系式可得 即 (1) 当 =5V， =1.7V此时 与 并联后与 串联，可得关系式 =1.7V， =5V时代入得： 即1.7 =3.3 +3.3 可得 (2) 由(1)(2)两式得 即 可得 选定 =1K，则 4.7K， 3.3K将选定的电阻连入电路， 当 =0V时， 求得 =0.99957V 1V 当 =5V时， 求得 =1.7014V 1.7V 证实了所选电阻阻值可以满足输出电压在1～1.7V范围内，可以使固态继电器工作在线性范围内，以便对电阻炉的温度进行控制。 3.4 键盘显示接口 如图3.5所示，键盘显示系统采用8155芯片控制4×4矩阵键盘和4个七段数码管LED显示，以实现用户的输入和数据输出。键盘的16个键中0－9为数字键，A－F为功能键，完成参数设置、显示方式选择、自动/手动转换、系统停止和启动。 系统中将8155的B口作为显示接口，经74LS48的驱动器与LED相连，8155的A口的PA3－PA0作为扫描接口，从B口的PB3－PB0读入列值，键盘处理为中断方式，所以8155的B口工作在两种方式下：在显示状态时为输入方式，在键盘中断服务程序处理过程中为输入方式。 图3.5 LED数码显示电路 动态显示需要CPU时刻对显示器件进行数据刷新，显示数据有闪烁感，占用的CPU时间多。这两种显示方式各有利弊；静态显示虽然数据稳定，占用很少的CPU时间，但每个显示单元都需要单独的显示驱动电路，动态显示虽然有闪烁感，占用的CPU时间多，但使用的硬件少，能节省线路板空间。 3.5 报警部分        可采用单频报警，如图3.6所示，其中7406是驱动器，接在8031的P1.0口，在8031使P1.0输出高电平时，7406输出低电平，使蜂鸣器鸣音，反之，使蜂鸣器停止鸣音。 功率放大电路我们选用采用了PNP型共发射极放大电路，它的输入阻抗几百～几千欧，输出阻抗几千～几十千欧，电压放大倍数大，电流放大倍数大，功率放大倍数大。电声器件选用最常用的电动式锥形纸盆扬声器。 图3.6报警电路 第4章 软件设计 温度控制程序所要完成的任务：8031，8155芯片的初始化以及分配内存单片及设置定时器参数，温度采样，数字滤波，进行转换计算，判断温度是否在规定范围内，超限报警和处理；显示温度及输入控制。 4.1主程序 温度控制系统的主程序如图4.1所示。 图 4.1温度控制系统主程序图 4.2 PID计算程序 我们可以根据上式编程，相应程序框图如图4.2所示， 图4.2 PID计算程序流程图 程序清单如下： PID: MOV R5,31H ;UR送R5R4 MOV R4,32H ;UR送R5R4 MOV R3,2AH ;Ui(K)送R3R2 MOV R2,#00H ;Ui(K)送R3R2 ACALL CPL1 ;取Ui(K)的补码 ACALL DSUM ;计数E(K) MOV 39H,R7 ;E(K)送39H和3AH单元 MOV 3AH,R6 ;E(K)送39H和3AH单元 MOV R5,35H ;KI送R5R4 MOV R4,36H ;KI送R5R4 MOV R0,#4AH ;积始址4AH送R0 ACALL MULT1 ;计算PI=KI*E(K) MOV R5,39H ;E(K)送R5R4 MOV R4,3AH ;E(K)送R5R4 MOV R3,3BH ;E(K-1)送R3R2 MOV R2,3CH ;E(K-1)送R3R2 ACALL CPL1 ;对E(K-1)求补 ACALL DSUM ;求[E(K)-E(K-1)] MOV R5,33H ;Kp送R5R4 MOV R4,34H ;Kp送R5R4 MOV R0,#46H ;积始址46H送R0 ACALL MULT1 ;求得Pp MOV R5,49H ;Pp的高16位送R5R4 MOV R4,48H ;Pp的高16位送R5R4 MOV R3,4DH ;KP1送R3R2 MOV R2,4CH ;KP1送R3R2 ACALL DSUM ;求得Pp+PI MOV 4AH,R7 ;存入4AH和4BH单元 MOV 4BH,R6 ;存入4AH和4BH单元 MOV R5,39H ;E(K)送R5R4 MOV R4,3AH ;E(K)送R5R4 MOV R3,3DH ;E(K-2)送R3R2 MOV R2,3EH ;E(K-2)送R3R2 ACALL DSUM ;计算E(K)+E(K-2) MOV R5,R7 ;存入R5R4 MOV R4,R6 ;存入R5R4 MOV R3,3BH ;E(K-1)送R3R2 MOV R2,3CH ;E(K-1)送R3R2 ACALL CPL1 ;对E(K-1)求补 ACALL DSUM ;计算E(K)+E(K-2)-E(K-1) MOV R5,R7 ;存入R5R4 MOV R4,R6 ;存入R5R4 MOV R3,3BH ;E(K-1)送R3R2 MOV R2,3CH ;E(K-1)送R3R2 ACALL CPL1 ;对E(K-1)求补 ACALL DSUM ;求E(K)-2E(K-1)+E(K-2) MOV R5,37H ;KD送R5R4 MOV R4,38H ;KD送R5R4 MOV R0,#46H ;积始址46H送R0 ACALL MULT1 ;求得PD MOV R5,49H ;送入R5R4 MOV R4,48H ;送入R5R4 MOV R3,4AH ;Pp+PI送R3R2 MOV R2,4BH ;Pp+PI送R3R2 ACALL DAUM ;求得Pp+PI+PD MOV R3,R7 ;送入R3R2 MOV R2,R6 ;送入R3R2 MOV R5,2FH ;P(K-1)送R5R4 MOV R4,30H ;P(K-1)送R5R4 ACALL DSUM ;求出P(K) MOV 2FH,R7 ;存入2FH和30H单元 MOV 30H,R6 ;存入2FH和30H单元 MOV 3DH,3BH ;E(K-1)送E(K-2)单元 MOV 3EH,3CH ;E(K-1)送E(K-2)单元 MOV 3BH,39H ;E(K)送E(K-1)单元 MOV 3CH,3AH ;E(K)送E(K-1)单元 RET 结论 本系统核心是控制算法的设计和实现，各方面指标基本达到题目要求。通过完成本次设计，我对PID控制算法的实现、单片机内部工作原理及其相关芯片实现的功能有了更深、更进一步的了解和认识，使以前所学的知识更全面、系统化了。 此系统是一种高效低成本的系统，他具有很多优点，适合在很多场所中的具体情况，具有很强的推广优势，而且很方便实现应用场所的实时操控。 本设计是基于PID算法的应用，但是还有许多需要改进的地方。如对于温度传感器，供我们选择的也有很多种，但是DS18B20温度传感器芯片可直接把温度转换为数字信号供单片机读取是我们选择该芯片的主要原因。但现在新出现的传感器功能更加的齐全在许多的领域中都有广泛的应用也是可以选择的。 通过对温度控制系统的设计，我在各方面都掌握了很多有用的知识，比如在传感器方面、计算机软件硬件技术等。达到了毕业设计的最终目的。 致谢 在此次毕业设计期间，我的毕业设计工作经过两个多月的努力，终于顺利地完成了。我的毕业设计自始至终都是在指导教师李英老师的全面、具体指导下进行的。李英老师广博的专业知识、民主而严谨的工作作风使我受益匪浅，在李英老师的指导下，培养了我独立思考问题、解决问题的能力。李英老师对学生的工作，学习和生活给予了很大的关心和支持，我在此表示衷心的感谢和诚挚的敬意！ 感谢各位带毕业生的老师，在进行毕业设计工作中所给予的大力帮助和支持。感谢我的学友和朋友们对我的关心和帮助。最后向评审本论文及参加论文答辩的各位专家老师表示衷心的感谢，祝各位老师心情愉快。 参考文献 [1] 胡汉才. 单片机原理及接口技术[M]. 北京：清华大学出版社，1996，46～70 [2] 张振荣. MCS-51单片机原理及实用技术[M]. 北京：人民邮电出版社，2000， 192～221 [3] 曹玉林，曹巧媛. 单片机原理与接口技术[M]. 北京：国防科技大学出版社.2000，64～92 [4] 沈红卫. 单片机应用系统设计实例与分析[M]. 北京：北京航空航天大学出版社.2003，25～31、222～245 [5] 何立民. 单片机应用技术选编—5[M]. 北京：北京航空航天大学出版社.1998， 380～385 [6] 杨振江. 单片机实用子程序及应用实例[M]. 西安：西安电子科技大学出版社. 2002，32～38、136～142 [7] 杨忠煌. 单芯片8051实务与应用[M]. 北京：中国水利水电出版社.2001，59～76 附录A 硬件电路原理图 温度控制系统原理图 附录B 程序清单为：ORG 0100H DISM0 DATA 78H DISM1 DATA 79H DISM2 DATA 7AH DISM3 DATA 7BH DISM4 DATA 7CH DISM5 DATA 7DH MOV SP,#50H ;50H送SP CLR 5EH ;清本次越限标志 CLR 5FH ;清上次越限标志 CLR A ;清累加器A MOV 2FH,A ;清暂存单元 MOV 30H,A ;清暂存单元 MOV 3BH,A ;清暂存单元 MOV 3CH,A ;清暂存单元 MOV 3DH,A ;清暂存单元 MOV 3EH,A ;清暂存单元 MOV 44H,A ;清暂存单元 MOV DISM0,A ;清显示缓冲区 MOV DISM1,A ;清显示缓冲区 MOV DISM2,A ;清显示缓冲区 MOV DISM3,A ;清显示缓冲区 MOV DISM4,A ;清显示缓冲区 MOV DISM5,A ;清显示缓冲区 MOV TMOD,#56H ;设T0计数器方式2，T1方式1 MOV TL0,#06H ;T0赋初值 MOV TH0,#06H ;T0赋初值 CLR PT0 ;令T0为低中断优先级 SETB TR0 ;启动T0工作 SETB ET0 ;允许T0中断 SETB EA ;开CPU中断 LOOP: ACALL DISPLY ;调用显示程序 ACALL SCAN ;调用扫描程序 AJMP LOOP ;等待中断 T0中断 ORG 000BH AJMP CT0 CT0: PUSH ACC ;保护现场 PUSH DPL ;保护现场 PUSH DPH ;保护现场 SETB D5H ;置标志 ACALL SAMP ;调用采样子程序 ACALL FILTER ;调用数字滤波程序 CJNE A,42H,TPL ;若Ui(K)/=Umax，则TPL WL: MOV C,5EH ;(5EH)送5FH MOV 5FH,C ;(5EH)送5FH CLR 5EH ;清5EH单元 ACALL UPL ;转上限处理程序 POP DPH POP DPL POP ACC RETI ;中断返回 TPL: JNC TPL1 ;Ui(K)>Umax，则TPL1 CLR 5FH ;清上次越限标志 CJNE A,43H,MTPL ;Ui(K)/=Umix，则MTPL HAT: SETB P1.1 ;若温度不越限，则令绿灯亮 ACALL PID ;调用计算PID子程序 MOV A,2FH ;PID值送A CPL A ;对PID值求补，作TL1值 INC A ;对PID值求补，作TL1值 NM: SETB P1.3 ;令P1.3输出高电平脉冲 MOV TL1,A ;T1赋初值 MOV TH1,#0FFH ;T1赋初值 SETB PT1 ;T1高优先级中断 SETB TR1 ;启动T1 SETB ET1 ;允许T1中断 ACALL TRAST ;调用标度转换程序 LOOP: ACALL DISPLY ;显示温度 JB D5H,LOOP ;等待T1中断 POP DPH ;恢复现场 POP DPL ;恢复现场 POP ACC ;恢复现场 RETI ;中断返回 MTPL: JNC HAT ;若Ui(K)>Umix，则HAT SETB P1.0 ;否则，越下限声光报警 MOV A,45H ;取PID最大值输出 CPL A ;对PID值求补，作为TL1 INC A ;对PID值求补，作为TL1 AJMP NM ;转NM执行 TPL1: SETB 5EH ;若Ui(K)>Umax,5EH单元置位 JNB 5FH,WL ;若上次未越限，则转WL INC 44H ;越限计数器加“1” MOV A,44H CLR C SUBB A,#N ;越限N次吗？ JNZ WL ;越限小于N次，则WL SETB P1.2 ;否则，越上限声光报警 CLR 5EH ;清越限标志 CLR 5FH ;清越限标志 POP DPH ;恢复现场 POP DPL ;恢复现场 POP ACC ;恢复现场 RETI ;中断返回 T1中断服务程序 ORG 001BH AJMP CT1 CT1： CLR D5H ;清标志 CLR P1.3 ;令P1.3变为低电平 RETI ;中断返回 数字滤波子程序FILTER：相应程序清单为： FILTER: MOV A,2CH ;(2CH)送A CJNE A,2DH,CMP1 ;若(2CH)/=(2DH)，则CMP1 AJMP CMP2 ;否则，转CMP2 CMP1: JNC CMP2 ;若(2CH)>(2DH)，则CMP2 XCH A,2DH ;(2CH)<->(2DH) XCH A,2CH ;(2CH)<->(2DH) CMP2: MOV A,2DH ;(2DH)送A CJNE A,2EH,CMP3 ;若(2DH)/=(2EH)，则CMP3 MOV 2AH,A ;否则，(2DH)送2AH RET ;返回 CMP3: JC CMP4 ;若(2DH)<(2EH)，则CMP4 MOV 2AH,A ;否则，(2DH)送2AH RET ;返回 CMP4: MOV A,2EH ;(2EH)送A CJNE A,2CH,CMP5 ;若(2EH)/=(2CH)，则CMP5 MOV 2AH,A ;否则，(2EH)送2AH RET ;返 CMP5: JC CMP6 ;若(2EH)<(2CH)，则CMP6 XCH A,2CH ;(2EH)<->(2CH) CMP6: MOV 2AH,A ;A送2AH RET PID计算程序：程序清单如下： PID: MOV R5,31H ;UR送R5R4 MOV R4,32H ;UR送R5R4 MOV R3,2AH ;Ui(K)送R3R2 MOV R2,#00H ;Ui(K)送R3R2 ACALL CPL1 ;取Ui(K)的补码 ACALL DSUM ;计数E(K) MOV 39H,R7 ;E(K)送39H和3AH单元 MOV 3AH,R6 ;E(K)送39H和3AH单元 MOV R5,35H ;KI送R5R4 MOV R4,36H ;KI送R5R4 MOV R0,#4AH