恒溫控制系統(tǒng)設計(考題1、2、3、4大題)

1、恒溫控制系統(tǒng)設計摘要：溫度控制系統(tǒng)廣泛應用于社會生活的各個領域，如家電、汽車、材料、電力電子等，常用的控制電路根據(jù)應用場合和所要求的性能指標有所不同，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)對于測控技術的開展具有很大的意義。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PWMfe占空比進展控制，從而到達對水溫的控制。關鍵字：單片機DS18B20PID算法恒溫控制1、恒溫控制系統(tǒng)

2、設計研究背景隨著現(xiàn)代工業(yè)的逐步開展，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域，都需要對各種加熱爐、熱處理爐、反響爐和鍋爐的溫度進展控制。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展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指標，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)是以對水溫控制為例研究恒溫控制。系統(tǒng)功能概述本系統(tǒng)是借用單片機采用模塊

3、化設計的恒溫控制并用LCD12864顯示，包括溫度設定按鈕，溫度顯示，溫度調(diào)節(jié)，實時溫度顯示和預定溫度顯示轉(zhuǎn)換按鈕，溫度采集等根據(jù)需要也可另設或者多設相關功能。顯示系統(tǒng)除了顯示實時的溫度還能顯示設定的溫度，也就是人們想要保持的溫度。系統(tǒng)技術指標溫控范圍：30c100C；控制精度：0.1C；超調(diào)量1%溫度調(diào)節(jié)步伐：0.5C2、系統(tǒng)總體設計方案論證2.1系統(tǒng)的主要硬件模塊方框圖如下列圖所示溫度傳感器選擇第一種方案一一熱電偶，K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!信，傳統(tǒng)的溫度檢測電路采用“傳感器-濾波器-放大器-冷端補償-線性化處理-A/D轉(zhuǎn)換模式，轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)多、電路復

4、雜、精度低。第二種方案一一溫度傳感器AD590M以集成溫度傳感器AD590M/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A/D轉(zhuǎn)換器TLC1549!展模/數(shù)轉(zhuǎn)換輸入給單片機。第三種方案一一數(shù)字溫度傳感器DS18B20數(shù)字溫度傳感器DS18B20因其內(nèi)部集成了A/D轉(zhuǎn)換器，使得電路構(gòu)造更加簡單，而且減少了溫度測量轉(zhuǎn)換時的精度損失，使得測量溫度更加準確。數(shù)字溫度傳感器DS18B2以用一個引腳即可與單片機進展通信，大大減少了接線的麻煩，使得單片機更加具有擴展性。由于DS18B20E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

5、感器DS18B20故成探頭，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乍為溫度傳感器人機交互模塊的選擇、顯示模塊選擇方案一：采用LCD12864夜晶顯示器，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CRT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。在電磁波的防范方面，液晶顯示器也有自己獨特的優(yōu)勢，它采用了嚴格的密封技術將來自驅(qū)

6、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，必須盡可能地讓內(nèi)部的電路與空氣接觸，這樣內(nèi)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)顯示器相比，液晶顯示器一開場就使用純平面的玻璃板，具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

7、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內(nèi)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PID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，隨著信息化社會的開展，觸摸屏的應用日

8、趨普及，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。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、鼠標器及數(shù)字轉(zhuǎn)換器一類的數(shù)據(jù)輸入設備，或取代分立開關與薄膜開關之類的面板操作裝置。具優(yōu)點是操作簡便直觀、圖像清晰、鞏固耐用及節(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，效率高及輸入速度快。故觸摸屏輸入裝置將會開展成為未來諸種信息產(chǎn)品的主流技術之一。方案二：按鍵輸入，價格廉價，構(gòu)造簡單，易于操作

9、。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雜度和方便度。設有三個功能按鍵，分別為：設定溫度加O.5C、設定溫度減O.5c以及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定溫度和實時采集溫度和溫度曲線界面。加熱模塊確實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展隔離.因而能有效地抑制系統(tǒng)噪聲，消除接地回路的干擾，有響應速度較快、壽命長、體積小耐沖擊等好處。電路圖如下所示Vc +5V+ 12V方案一：采用繼電器對電機

10、的開或關進展控制，通過開關的切換對小車的速度進展調(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時間慢、機械構(gòu)造易損壞、壽命較短，可靠性不高。方案二：采用由晶體管功率放大器PW跑路。用PWMI制晶體管功率放大器使之工作在占空比可調(diào)的開關狀態(tài)，準確調(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單的實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制；電子開關速度很快，穩(wěn)定性也極強，是一種廣泛應用的PWMB速技術?；谏鲜隼碚摰姆治?，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)。時鐘頻率電路設計單片機必須在時鐘的驅(qū)動下才能工作，在單片機內(nèi)部有一個時鐘振蕩電路，只需要外接

11、一個振蕩源就能產(chǎn)生一定周期的時鐘信號送到單片機內(nèi)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，具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：一是幫助振蕩器起振；二是對振蕩器的頻率進展微調(diào)。C1、C2的典型值為30pF。單片機工作時，由內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生或由外直接輸入的送至內(nèi)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,那么時

12、鐘周期為1/12g復位電路設計單片機的第9腳RST為硬件復位電路，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)復位，復位后單片機的各個狀態(tài)都恢復到初始化狀態(tài)，具電路圖如圖3-3所示。圖3-3中由按鍵以及電容C1、電阻R1、R2構(gòu)成上電復位及手動電路。由于單片機是高電平復位，所以上電復位時，接通電源即可，當上電后，由于電容C1開場緩緩充電，那么圖中電路由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，那么單片機的RST腳上為高電平，經(jīng)過一段時問后電容的電充滿，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位，程序從00

13、00H開場執(zhí)行。手動復位時，按一下列圖中的按鈕即可，當按鍵按下的時候，單片機的9腳RST管腳處于高電平，此時單片機處于復位狀態(tài)值得注意的是，在設計當中使用到了硬件復位電路和軟件復位兩種功能，由上面所述的硬件復位之后的各狀態(tài)可知，存放器的值都恢復到了初始值，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)的前提條件就是不能對單片機進展硬件復位，所以設定了軟件復位功能。軟件復位實際上就是當程序執(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。VccC322uAT89S52ResetIR1圖3-3硬件復位電路3、系統(tǒng)硬件電路設計單片機最小系統(tǒng)設計最小應用系統(tǒng)，是指用最少的

14、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)一般應該包括：單片機、晶振電路、復位電路。如下列圖所示溫度采集電路DS18b20勺數(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GNDft信號DQ數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。開漏單總線接口引腳。當被用著在寄生電源下，也可以向器件提供電源。VDD選才？的VDESI腳。當工作于寄生電源時，此引腳必須接地。由于DS18B20R用白是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DS18B205片的訪問。由于DS18

15、B20I在一根I/O線上讀寫數(shù)據(jù)，因此，對讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴格的時序要求。DS18B20有嚴格的通信協(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備，單總線器件作為從設備。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場，如果要求單總線器件回送數(shù)據(jù)，在進展寫命令后，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常用連接電路如下列圖所示5V+單片機DS18B20LCD12864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，內(nèi)部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；具顯示分辨率為1

16、28X64,內(nèi)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)成全中文人機交互囪形界面.LCD1286啦口數(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-比照度亮度調(diào)整串一個電阻接電源4RS(CSH/LRS=H，表示DB7DB0為顯示數(shù)據(jù)RS=L，表示DB7-DB0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DB7-DB0R/W=L,E=HL,DB7DB0的數(shù)據(jù)被寫到IR或DR6E(SCLK)H/L使能信號7DB0H

17、/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02KVSS直接接地加熱電路設計用于在閉環(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展通斷的方法進展控制，以實現(xiàn)對水加熱功率的調(diào)整，從而到達對水溫控制的目的。對電爐絲通斷的控制采用PW雕光耦隔離電路對電路通斷控制。它

18、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，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，當單片機的輸出端為低電平時固態(tài)繼電器關斷，加熱器不工作。4系統(tǒng)軟件設計系統(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主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，以及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)對外部溫度進展實時顯示。時常掃描按鍵，以便能對數(shù)字按鍵進展相應處理。主程序流程圖如下功能實現(xiàn)模塊讀溫度子程序由于DS18B2

19、睬用白是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DS18B205片的訪問。由于DS18B201在一根I/O線上讀寫數(shù)據(jù)，因此，對讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴格的時序要求。DS18B20有嚴格的通信協(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備，單總線器件作為從設備。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場，如果要求單總線器件回送數(shù)據(jù)，在進展寫命令后，主機需啟動讀時序完成數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)和

20、命令的傳輸都是低位在先?？倹Q花制耨臨電平3”制他電平-r-總假任制器和0$1號并同屯用上也為轅電平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。每個顯示點對應一位二進制數(shù)，1表示亮，0表示滅。存儲這些點陣信息的RAMW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的點陣信息寫入到相應的存儲單元中。圖形或漢字的點陣信息當然由自己設計，問題的關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

21、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*8bits顯示數(shù)據(jù)RAM左右半屏驅(qū)動電路及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*8bitsRAM中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關系更直觀關，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

22、點陣。每列中的8行點陣信息構(gòu)成一個8bits二進制數(shù)，存儲在一個存儲單元中。需要注意：二進制的上下有效位順序與行號對應關系因不同商家而不同存放一個顯示塊的RAMK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。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RAMfr頁地址為2,在字節(jié)中的序號為4;所以將二進制數(shù)據(jù)00010000也可能是00001000

23、,上下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。廠:LCD始化數(shù)字及中文顯示流程圖寫入數(shù)據(jù)高字節(jié)列復位即16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功能的任務開始是否有鍵按下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、微分算法，來對回路中的偏差進展修正，通過執(zhí)行器調(diào)節(jié)參數(shù)，使測量值穩(wěn)定在設定值附近，到達控制某一參數(shù)的目的必須先明白P,I,D各自的含義及控制規(guī)律比例P:比例項局部其實就是對預設值和反響值差值的發(fā)大倍數(shù)。舉個例子，假設原來電機兩端的電壓為U0,比例P為0.2,輸入值是800,而反響值是1000,那么輸出到電機兩端的電壓應變?yōu)閁0+0.2*800-1000。從而到達了調(diào)節(jié)速度的目的。顯然比例P越大時，電機轉(zhuǎn)速回歸到輸入值的速度將更快，及調(diào)節(jié)靈敏度就越高。從而，加大P值，可以減少從非穩(wěn)態(tài)到穩(wěn)態(tài)的時間。但是同時也可能造成電機轉(zhuǎn)速在預設值附近