PID溫度控制器的設(shè)計

第頁編號河南機電高等專科學(xué)校畢業(yè)設(shè)計（論文）PID溫度控制器的設(shè)計系部：專業(yè)：班級：姓名：學(xué)號：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)能力增強和高度智能化正逐步成為現(xiàn)實。其中以單片機為核心實現(xiàn)的數(shù)字控制器因其體積小、成本低、功能強、簡便易行而得到廣泛應(yīng)用。本文詳細(xì)闡述了基于MCS-51單片機的溫度控制系統(tǒng)的PID原理、硬件組成、軟件設(shè)計及相關(guān)的接口電路設(shè)計，對硬件原理圖和程序框圖作了詳細(xì)的描述。以ATMEL公司的AT89C52單片機為核心進行系統(tǒng)硬件設(shè)計，輸入通道采用MAX6675；輸出通道采用可控硅作為輸出單元，大大地簡化了系統(tǒng)硬件電路。通過對占空比的調(diào)節(jié)可實現(xiàn)溫控箱溫度的自動控制。由于輸入端及輸出端有光電隔離，能夠有效地抑制干擾。關(guān)鍵詞：數(shù)字控制器單片機PID溫度控制ABSTRACTWiththeimprovementofcontroltheoryandelectrictechnology,theintelligentcontrolforindustryhasbeenaccomplishing．ThedigitalcontrollerbasedonMicrocontrollerhasbeenappliedwidely,asitscabinetcubage，low-cost，abundantfunction，simpleandconvenient．ThestructuresofatemperaturecontrolsystembasedontheMCS-51singlechipareintroduced,PID,thehardwarecompositionandthesoftwaredesignaredescribed.TheexperimentdatashowsthatthedesignoftemperaturecontrolsystembasedonMicrocontrollerisavailabilityandrationality．ATMELcompanyAT89C52singlechipinthesystemasthecoreofhardwaredesign,theinputchannelMAX6675;OutputchannelasoutputunitUSESthesilicon-controlledrectifier,greatlysimplifiedthehardwarecircuit.Throughtotheoccupiesemptiescomparedtoadjusttemperaturecontrolboxcanrealizetheautomatictemperaturecontrol.Becausetheinputandoutputendhasphotoelectricisolation,caneffectivelyrestraintheinterference.Keywords：Thedigitalcontroller；Microcontroller；PID;Temperaturecontrolsystem目錄第1章緒論 11．1概述 11．2溫度測控技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀 11．3系統(tǒng)總體設(shè)計方案 21．3．1系統(tǒng)性能要求 31．3．2系統(tǒng)性能特點 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 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 82．2．1單片機的選用 82．2．3主控模塊設(shè)計 92．3輸入通道設(shè)計 112．3．1熱點偶MAX6675溫度傳感器 112.4輸出通道設(shè)計 132．5保護電路 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 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 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)過程中，特別是在冶金、化工、建材、食品、機械、石油等工業(yè)中，溫度的測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)濟指標(biāo)相聯(lián)系。因此，溫度的測量及控制在國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域中均受到了相當(dāng)程度的重視。對于不同場所、不同工藝、所需溫度高低范圍不同、精度不同，則采用的測溫元件、測溫方法以及對溫度的控制方法也將不同；產(chǎn)品工藝不同、控制溫度的精度不同、時效不同，則對數(shù)據(jù)采集的精度和采用的控制算法也不同，因而，對溫度的測控方法多種多樣。單片機是大規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，屬于第四代電子計算機。它是把中央處理單元CPU、隨機存取存儲器RAM、只讀存儲器ROM、定時／計數(shù)器以及I／O輸入輸出接口電路等主要計算機部件都集成在一塊集成電路芯片上的微型計算機，它的特點是：功能強大、運算速度快、體積小巧、價格低廉、穩(wěn)定可靠、應(yīng)用廣泛。由此可見，采用單片機來對溫度進行控制,不僅具有控制方便、組態(tài)簡單和靈活性大等優(yōu)點，而且可以大幅度提高被控溫度的技術(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)常會遇到的問題。1．2溫度測控技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀近年來，溫度的檢測在理論上發(fā)展比較成熟，但在實際測量和控制中，如何保證快速實時地對溫度進行采樣，確保數(shù)據(jù)的正確傳輸，并能對所測溫度場進行較精確的控制，仍然是目前需要解決的問題。溫度測控技術(shù)包括溫度測量技術(shù)和溫度控制技術(shù)兩個方面。在溫度的測量技術(shù)中，接觸式測溫發(fā)展較早，這種測量方法的優(yōu)點是：簡單、可靠、低廉、測量精度較高，一般能夠測得真實溫度；但由于檢測元件熱慣性的影響，響應(yīng)時間較長，對熱容量小的物體難以實現(xiàn)精確的測量，并且該方法不適宜于對腐蝕性介質(zhì)測溫，不能用于超高溫測量，難于測量運動物體的溫度。另外的非接觸式測溫方法是通過對輻的檢測來實現(xiàn)溫度測量的方法，其優(yōu)點是：不破壞被測溫場，可以測量熱容量小的物體，適于測量運動物體的溫度，還可以測量區(qū)域的溫度分布，響應(yīng)速度較快。但也存在測量誤差較大，儀表指示值一般僅代表物體表觀溫度，測溫裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴等缺點。因此，在實際的溫度測量中，要根據(jù)具體的測量對象選擇合適的測量方法，在滿足測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：動態(tài)溫度跟蹤及恒值溫度控制。動態(tài)溫度跟蹤實現(xiàn)的控制目標(biāo)是使被控對象的溫度值按預(yù)先設(shè)定好的曲線進行變化。恒值溫度控制的目的是使被控對象的溫度恒定在某一給定數(shù)值上，且要求其波動幅度(即穩(wěn)態(tài)誤差)不能超過某允許值。目前國內(nèi)溫控儀表的發(fā)展，相對國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，如針對不同的被控對象，由于控制算法的不足而導(dǎo)致控制精度不穩(wěn)定。1．3系統(tǒng)總體設(shè)計方案本論文所討論的基于單片機的溫度控制系統(tǒng)是某型號氣相色譜儀的溫度控制子系統(tǒng)，其目的是對兩個溫控箱的溫度進行恒值溫度控制。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)計方案，包括：系統(tǒng)的性能要求及特點以及系統(tǒng)的軟、硬件方案分析。1．3．1系統(tǒng)性能要求(1)可以人為方便地通過控制面板或PC機設(shè)定控制期望的溫度值，系統(tǒng)應(yīng)能自動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，即能實現(xiàn)溫度的自動控制；(2)能夠?qū)崿F(xiàn)對溫控箱溫度的測量并且通過控制面板上的液晶顯示實時的顯示出來；(3)具有加熱保護功能的安全性要求。如果實際測得的溫控箱溫度值超過了系統(tǒng)規(guī)定的安全溫度，保護電路就會做出反應(yīng)，從而對溫控箱實現(xiàn)超溫保護；(4)模塊化設(shè)計，安裝拆卸簡單，維修方便；(5)系統(tǒng)可靠性高，不易出故障；(6)盡量采用典型、通用的器件，一旦損壞，易于在市場上買到同樣零部件進行替換。1．3．2系統(tǒng)性能特點控制主板采用AT89C52作為核心芯片。作為及MCS-51系列兼容的單片機，無論在運算速度，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，而熱電偶產(chǎn)生的信號很微弱(僅約40μV／℃)，需要精密放大器對其進行放大；按0℃分度，冷端在非0℃情況下需進行溫度補償；輸出的信號為模擬信號，欲及單片機等數(shù)字電路接口時須進行A／D轉(zhuǎn)換,為此，采用了MAX6675熱電偶溫度傳感器。為了簡化系統(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)。1．4本文主要工作及PID原理1．4．1本文主要工作(1)在對溫度控制發(fā)展現(xiàn)狀、系統(tǒng)控制要求進行研究的基礎(chǔ)上，選擇了整個控制系統(tǒng)的控制方案；(2)完成系統(tǒng)的硬件設(shè)計，包括采樣電路、A／D轉(zhuǎn)換電路、主控制電路、保護電路等等的設(shè)計；(3)完成該系統(tǒng)的軟件設(shè)計，包括主程序模塊、控制運算模塊、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；1．4．2PID原理采用PID控制原理研制成適合用于小功率器件的溫度控制器，該控制器能達(dá)到很好的控制效果，若精心選擇PID的各種參數(shù)，溫度控制的精度可以達(dá)到0.05℃，完全可以保證器件的正常工作。在一定的控制系統(tǒng)中，首先將需要控制的被測參數(shù)（溫度）由傳感器轉(zhuǎn)換成一定的信號后再及預(yù)先設(shè)定的值進行比較，把比較得到的差值信號經(jīng)過一定規(guī)律的計算后得到相應(yīng)的控制值，將控制量送給控制系統(tǒng)進行相應(yīng)的控制，不停地進行上述工作，從而達(dá)到自動調(diào)節(jié)的目的。PID是目前廣泛使用的控制方法，其控制規(guī)律的數(shù)學(xué)模型為:其中：KP為比例系數(shù)；e為差值信號，e=T-Tset（T:溫度測量值，Tset：溫度設(shè)定值）；Ti為積分常數(shù)；Td為微分常數(shù)；V0、V0-1為當(dāng)時及前一時刻的控制量。比例控制（P）是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出及輸入誤差信號成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。積分控制（I）在積分控制中，控制器的輸出及輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(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”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而增大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分（PI）控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。微分控制（D）在微分控制中，控制器的輸出及輸入誤差信號的微分成正比關(guān)系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(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，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，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)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分（PD）控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。實現(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；ei、ei-1、ei-2為此時刻、前一時刻、再前一時刻的差值信號。這種方法的好處在于只需保持前三時刻的差值信號，同時輸出控制量的初始設(shè)定值不必準(zhǔn)確，就能較快地進入穩(wěn)定控制過程。PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。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，其共同點都是通過試驗，然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實際運行中進行最后調(diào)整及完善?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進行PID控制器參數(shù)的整定步驟如下：(1)首先預(yù)選擇一個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)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；(3)在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數(shù)。第2章硬件設(shè)計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部分：單片機主控模塊、輸入通道、輸出通道、保護電路等。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，溫度控制系統(tǒng)以AT89C52單片機為核心，并擴展外部存儲器構(gòu)成主控模塊。溫控箱的溫度由MAX6675熱電偶溫度傳感器檢測并轉(zhuǎn)換成微弱的電壓信號，再通過其內(nèi)部的12位的A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。此數(shù)字量經(jīng)過數(shù)字濾波之后，一方面將溫控箱的溫度通過控制面板上的液晶顯示器顯示出來；另一方面將該溫度值及設(shè)定的溫度值進行比較，根據(jù)其偏差值的大小，采用PID控制算法進行運算，最后通過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)，進而達(dá)到對溫控箱溫度進行控制的目的。如果實際測得的溫度值超過了系統(tǒng)給定的極限安全溫度，保護電路會做出反應(yīng)，從而保護溫控箱。圖2-1圖2-1硬件總體結(jié)構(gòu)框圖溫度傳感器加熱部件可控硅串行通信時鐘電路溫度顯示設(shè)定溫度值A(chǔ)/D轉(zhuǎn)換溫控箱保護電路MCU2．2主控模塊器件選型及設(shè)計2．2．1單片機的選用AT89C52是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS8位單片機，片內(nèi)含8kbytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲器和256bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，及標(biāo)準(zhǔn)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存儲單元，功能強大AT89C52單片機適合于許多較為復(fù)雜控制應(yīng)用場合。AT89C52單片機DIP封裝的引腳如圖2-2所示。AT89C52的主要性能參數(shù)：（1）及MCS—51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容（2）8k字節(jié)可重擦寫Flash閃速存儲器（3）1000次擦寫周期（4）全靜態(tài)操作：0Hz—24MHz（5）三級加密程序存儲器（6）256×8字節(jié)內(nèi)部RAM（7）32個可編程I/O口線（8）3個16位定時/計數(shù)器（9）8個中斷源（10）可編程串行UART通道（11）低功耗空閑和掉電模式圖2-2DIP封裝的AT89C52單片機引腳圖2．2．3主控模塊設(shè)計主控模塊電路由AT89C52單片機、外部時鐘電路、復(fù)位電路、存儲器擴展電路組成。本系統(tǒng)中采用上電復(fù)位和手動復(fù)位鍵復(fù)位相結(jié)合的方式。系統(tǒng)時鐘電路設(shè)計采用內(nèi)部方式。AT89C52內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器。這個放大器及作為反饋元件的片外晶體諧振器一起構(gòu)成一個自激振蕩器。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原因是可以方便的獲得標(biāo)準(zhǔn)的波特率。復(fù)位電路和時鐘電路如圖2-3所示。圖2-3復(fù)位電路和時鐘電路單片機在啟動時都需要復(fù)位，以是CPU及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初態(tài)開始工作。89系列單片機的復(fù)位信號是從RST引腳輸入到芯片的施密特觸發(fā)器中的。當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時，且振蕩穩(wěn)定后，如果RST引腳上有一個高電平并維持2個機器周期以上，則CPU就可以響應(yīng)并將系統(tǒng)復(fù)位。單片機的復(fù)位方式有：手動按鈕復(fù)位和上電復(fù)位。手動復(fù)位：需要人為在復(fù)位輸入端RST上加入高電平。一般采用的辦法是在RST端和正電源VCC之間接一個按鈕。當(dāng)人為按下按鈕時，則VCC的+5V電平就會直接加到RST端。由于人的動作再快也會使按鈕保持接通達(dá)數(shù)十毫秒，所以，完全能夠滿足復(fù)位的時間要求。上電復(fù)位：只要在RST復(fù)位輸入引腳上接一電容至VCC端，下接一個電阻到地即可。上電復(fù)位的工作過程是在加電時，復(fù)位電路通過電容加給RST端一個短暫的高電平信號，此高電平信號隨著VCC對電容的充電過程而逐漸回落。2．3輸入通道設(shè)計2．3．1熱點偶MAX6675溫度傳感器MAXIM公司新近開發(fā)出一種K型熱電偶信號轉(zhuǎn)換器(IC)MAX6675，MAX6675的內(nèi)部由精密運算放大器、基準(zhǔn)電源、冷端補償二極管、模擬開關(guān)、數(shù)字控制器及ADC電路構(gòu)成，完成熱電偶微弱信號的放大、冷端補償和A／D轉(zhuǎn)換功能，使溫度測量的前端電路變得十分簡單。MAX6675采用了12位的ADC，溫度測量范圍為0—1024℃，在0—700℃范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換精度為±8個字，供電電源為3.0—5.0V，分辨率為0.25℃，轉(zhuǎn)換時間約為0.17s。MAX6675采用8腳SO形式封裝，圖2-4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)；片選信號端CS為高電平時啟動溫度轉(zhuǎn)換，低電平時允許數(shù)據(jù)輸出；SCK為時鐘輸入端；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。圖2-4溫度變換：MAX6675內(nèi)部具有將熱點偶信號轉(zhuǎn)換為及ADC輸入通道兼容電壓的信號調(diào)節(jié)放大器，T+和T-輸入端連接到低噪音放大器A1，以保證檢測輸入的高精度，同時使用熱電偶連接導(dǎo)線及干擾源隔離。熱電偶輸出的熱電勢經(jīng)低噪音放大器A1放大，再經(jīng)過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，它需要對熱電偶的冷端溫度進行補償，冷端溫度即是MAX6675周圍溫度及0℃實際參考值之間的差值。對于K型熱電偶，電壓變化率為41uV/℃，電壓由線性公式Vout=(41uV/℃)×﹙tR-tAMB﹚來近似熱電偶的特性。上式中Vout為熱電偶輸出電壓（mV），tR是測量點溫度；tAMB是周圍溫度。冷端補償：熱電偶的功能是檢測熱﹑冷端的差值，熱電偶熱節(jié)點溫度可在0—1024℃范圍變化。冷端即安裝MAX6675的電路板周圍溫度，此溫度在-20-+85℃范圍內(nèi)變化。當(dāng)冷端溫度波動時，MAX6675仍能精確檢測熱端的溫度變化。MAX6675是通過冷端補償檢測和校正周圍溫度變化的。該器件可將周圍溫度通過內(nèi)部的溫度檢測二極管轉(zhuǎn)換溫度補償電壓，為了產(chǎn)生實際熱電偶溫度測量值。MAX6675從熱電偶的輸出和檢測二極管的輸出測量電壓。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，以計算熱電偶的熱端溫度。當(dāng)熱電偶的冷端及芯片溫度相等時，MAX6675可獲得最佳的測量精度。因此在實際測溫應(yīng)用時，應(yīng)盡量避免在MAX6675附近放置發(fā)熱器件或元件，因為這樣會造成冷端誤差。如圖2-5所示MAX6675的連接。圖2-5MAX6675的連接SPI接口：MAX6675采用標(biāo)準(zhǔn)的SPI串行外設(shè)及MCU接口，且MAX6675只能作為從設(shè)備。MAX6675S0端輸出溫度數(shù)據(jù)的格式如表2-6所示，MAX6675SPI接口時序如圖2-7所示。MAX6675從SPI串行接口輸出數(shù)據(jù)的過程如下：MCU使CS變低并提供時鐘信號給SCK,由SO讀取測量結(jié)果。CS變低將停止任何轉(zhuǎn)換過程；CS變高將啟動一個新的轉(zhuǎn)換過程。一個完整串行接口讀操作需要16個時鐘周期，在時鐘的下降沿讀16個輸出位，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位平時為底，當(dāng)熱電偶輸入開放時為高，開放熱電偶檢測電路完全由MAX6675實現(xiàn)，為開放熱電偶檢測器操作，T-必須接地，并使能地點盡可能接近GND腳；第1位為低以提供MAX6675器件身份碼，第0位為三態(tài)。表2-6MAX6675SO端輸出數(shù)據(jù)的格式Bit0MSBLSBTherestate圖2-7MAX6675SPI接口時序2.4輸出通道設(shè)計本系統(tǒng)中及可控硅配套使用的是MOC3041光電耦合雙向可控硅驅(qū)動器。MOC3041輸出部分是硅光敏雙向可控硅，還帶有過零觸發(fā)檢測器，以保證電壓接近零時觸發(fā)可控硅?？煽毓栎敵鲭娐啡鐖D2-7所示。圖2-7可控硅輸出電路這里的7407相當(dāng)于OC及非門，它把P1.2送來的低電平轉(zhuǎn)化為高電平驅(qū)動MOC3041，使MOC3041內(nèi)的光電耦合器導(dǎo)通，從而使雙向可控硅BIT12導(dǎo)通。在設(shè)定周期內(nèi)，使BIT接通幾個周波然后斷開幾個周波，改變了BIT12在設(shè)定周期內(nèi)的通斷時間比例，以調(diào)節(jié)負(fù)載上的交流平均電壓，即可達(dá)到調(diào)節(jié)負(fù)載的目的。2．5保護電路保護電路的作用是對溫控箱進行過溫保護，其電路如圖2-8所示。圖2-8保護電路2．6串行通信接口電路系統(tǒng)設(shè)計采用MAXIM公司的RS-232接口芯MAX232，這是一種標(biāo)準(zhǔn)的RS-232接口芯片。MAX232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，可將單片機輸入的TTL／CMOS電平轉(zhuǎn)換為RS232電平發(fā)送給PC機，或?qū)腜C機接收的RS232電平轉(zhuǎn)換為TTL／CMOS電平發(fā)送給單片機。MAX232為雙列直插16腳封裝。系統(tǒng)串口通信電路如圖2-9所示。圖2-9串口通信電路2．7電源電路設(shè)計中選用了LM7805，提供+5V電源電路如圖2-10所示。圖2-10輸出+5v直流電源220V交流市電通過電源變壓器變換成交流低壓9V，在經(jīng)過橋式整流電路D0和濾波電容C1的整流和濾波，在固定式三端穩(wěn)壓器LM7805的VD1和GND兩端形成一個并不十分穩(wěn)定的直流電壓，此直流電壓經(jīng)過LM7805的穩(wěn)壓和C3的濾波便在穩(wěn)壓電源的輸出端產(chǎn)生了精度高、穩(wěn)定度好的直流輸出電壓。其中C2也為濾波電容，C3、C4為防止自激振蕩。本穩(wěn)壓電源可作為TTL電路或單片機電路的電源。2．8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。第3章軟件設(shè)計3．1軟件組成由于整個系統(tǒng)軟件比較復(fù)雜，為了便于編寫、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)，故要求整個控制系統(tǒng)軟件由許多獨立的小模塊組成，它們之間通過軟件接口連接，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)。NNNY圖3-1主程序流程圖開始始始讀溫度設(shè)定值等待數(shù)據(jù)采集溫度顯示PID運算控制輸出系統(tǒng)初始化溫度設(shè)定否運行/停止鍵按下否運行/停止鍵按下否等待系統(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)字量采集并儲存到存儲器中；數(shù)據(jù)處理模塊是將采集到的數(shù)據(jù)進行一系列的處理，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，其中初始化包括對單片機的初始化、MAX6675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)運行鍵是否按下，若系統(tǒng)運行，則依次調(diào)用各個相關(guān)模塊，循環(huán)控制直到系統(tǒng)停止運行。主程序模塊的程序流程圖如圖3-1所示。3．3數(shù)據(jù)采集模塊置連續(xù)采樣個數(shù)啟動A/D等待轉(zhuǎn)換結(jié)束連續(xù)采樣個數(shù)到否數(shù)字濾波返回N圖3-3A/D轉(zhuǎn)換程序流程圖置連續(xù)采樣個數(shù)啟動A/D等待轉(zhuǎn)換結(jié)束連續(xù)采樣個數(shù)到否數(shù)字濾波返回N圖3-3A/D轉(zhuǎn)換程序流程圖開始圖3-2數(shù)據(jù)采集模塊程序流程圖圖3-2數(shù)據(jù)采集模塊程序流程圖開始始A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果保存返回3．4數(shù)據(jù)處理模塊3．4．1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。去極值平均濾波法既采用去極值法去掉明顯的脈沖干擾，又可對采樣值進行平滑處理，在高、低速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，它都能削弱干擾，提高數(shù)據(jù)處理能力本系統(tǒng)采用去極值平均濾波法，即對目標(biāo)參數(shù)連續(xù)采樣6次數(shù)據(jù)，然后對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個數(shù)據(jù)求其算術(shù)平均值，即得到本次A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。去極值平均濾波程序流程圖如圖3-4所示，附錄中給出了去極值平均濾波的源程序。NN次采樣排序計算（N-2）個采樣值的和計算（N-2）個采樣值的平均和均值送內(nèi)存去均值平均濾波圖3-4去均值平均濾波程序流程圖3．4．2顯示處理顯示處理模塊主要完成人機交互作用，具體實現(xiàn)將采樣溫度值、設(shè)定溫度值以字符的形式通過液晶顯示出來。本系統(tǒng)采用HOLTEK公司生產(chǎn)的LCD顯示器專用驅(qū)動芯片HTl621驅(qū)動。HTl621內(nèi)部具有32×4位顯示RAM，用于存儲顯示數(shù)據(jù)。顯示RAM內(nèi)部由32個地址連續(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。3．5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4章結(jié)論4．1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的溫度控制系統(tǒng)的開發(fā)。包括系統(tǒng)的硬件開發(fā)、軟件編程等。在論文完成過程中，主要做的工作有：(1)以ATMEL公司的AT89C52單片機為核心進行系統(tǒng)硬件設(shè)計，輸入通道采用MAX6675；輸出通道采用可控硅作為輸出單元，大大地簡化了系統(tǒng)硬件電路。通過對占空比的調(diào)節(jié)可實現(xiàn)溫控箱溫度的自動控制。由于輸入端及輸出端有光電隔離，能夠有效地抑制干擾。(2)采用C語言對系統(tǒng)的軟件編程，這大大縮短了軟件的開發(fā)周期。為了便于編寫、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)計方法。4．2展望本系統(tǒng)使用的AT89C52屬于及MCS-51系列兼容的8位單片機，這種單片機本身資源較少，不利于系統(tǒng)的擴展，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)擴展能力，處理數(shù)據(jù)的能力各個方面都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了8位單片機。傳統(tǒng)的單片機編程采用時間片輪轉(zhuǎn)的方式，即將實時性要求不高的工作放在主函數(shù)之中，依次輪流執(zhí)行；實時性要求高的，使用中斷技術(shù)及時處理，這樣構(gòu)成前、后臺處理程序，程序中間通過軟件標(biāo)志、全局變量等完成通信及聯(lián)絡(luò)。本系統(tǒng)的軟件就是基于這種方式開發(fā)的。隨著微處理器芯片性能的提升、價格的下降及對軟件的可重用性、可維護性的提高，采用實時操作系統(tǒng)(RTOS)已經(jīng)成為大勢所趨。結(jié)合上面的論述，今后還需要做進一步的研究和解決的問題有：(1)硬件方面，采用DSP、ARM或者利用第一章提到的片上系統(tǒng)SOC對系統(tǒng)的硬件進行重新設(shè)計。(2)軟件方面，摒棄傳統(tǒng)的前后臺系統(tǒng)軟件編程模式，改用基于實時操作系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件開發(fā)。致謝本論文是在陳震老師的精心指導(dǎo)下完成的。在做畢業(yè)設(shè)計的整個過程中，得到了陳老師的耐心指導(dǎo)，特別是在設(shè)計的初始階段，陳老師在思路方面給我們提供了分析和建議。在跟陳老師做畢業(yè)畢業(yè)設(shè)計的過程中，我也從老師身上學(xué)到了很多東西，授人以魚不如授人以漁，陳老師對知識孜孜不倦的追求態(tài)度和學(xué)習(xí)精神，對我影響很大。在學(xué)習(xí)方法和工作效率方面，老師也給了我很多值得反思的地方。這對于我以后的工作和學(xué)習(xí)都有很大的幫助。在即將畢業(yè)之際，畢業(yè)設(shè)計已接近尾聲，我想借此機會對關(guān)心和支持我的所有老師和同學(xué)表示感謝！三年來，我認(rèn)真地學(xué)習(xí)了專業(yè)課程基礎(chǔ)知識，具有一定的設(shè)計理論基礎(chǔ)和獨立設(shè)計能力，由于畢業(yè)設(shè)計的課題是一種整體性的，系統(tǒng)性的設(shè)計，我真的是很努力地在做，但還是感到力不從心，因而這次設(shè)計在深度和廣度上都有一定的局限性，不過，我認(rèn)為還是提高了認(rèn)識，學(xué)到了東西。陳老師在我完成論文的過程中傾注了悉心的指導(dǎo)和大力支持，在此表示深深地感謝。感謝我的老師，他們嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致、一絲不茍的作風(fēng)一直是我工作、學(xué)習(xí)中的榜樣；他們循循善誘的教導(dǎo)和不拘一格的思路給予我無盡的啟迪。參考文獻[1]陳忠華．基于單片機的溫度智能控制系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn)[D]．大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2019[2]齊志才，趙繼?。甅CS51系列單片機原理及接口技術(shù)[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2019[3]賴壽宏．微型計算機控制技術(shù)[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2019[4]王幸之，王雷，翟成等．單片機應(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，2019[5]薛定宇．控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計(第二版)[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2019[6]李朝青．單片機&DSP外圍數(shù)字IC技術(shù)手冊(第二版)[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2019[7]王海寧.基于單片機的溫度控制系統(tǒng)的研究.[D].合肥工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文.2019[8]馮博琴主編．微型計算機原理及接口技術(shù)[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2019[9]張宇．高精度恒溫箱溫度控制理論研究及系統(tǒng)設(shè)計[D]．合肥工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2019[70]Ljung，Lennard．TheoryAndPracticeofRecursiveIdentification[M]．TheMITpress，1983[11]MaximGertN．Helles．Ptl00鉑電阻溫度變送器[J]．世界電子元器件，2019年第8期[12]于海生等．微型計算機控制技術(shù)[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2019[13]I.Staica,R.Morris,M.Kaashoek,etal,Chord:Ascalablepeer-to-peerlookupprotocolforInternetapplications.in:ProceedingofNetworking,IEEE/ACMTransactions,[14]譚浩強．C語言程序設(shè)計[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2019[15]薛定宇，陳陽泉．基于MATLAB／Simulink的系統(tǒng)仿真技術(shù)及應(yīng)用[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2019[16]胡壽松主編．自動控制原理(第三版)[M]．北京：國防工業(yè)出版社，l994附錄部分源程序1．顯示模塊源程序unsignedcharcodedisp_code[22]={0xa0，0xf0，0x00，0x60，0x60，0xd0，0x40，0xf0，0xc0，0x60，0xc0，0xb0，0xe0，0xb0，0x00，0xe0，0xe0，0xf0，0xc0，0xf0，0x00，0x00}；function：voidinit_htl621(void)description：thisfunctioninitializetheht162lparameter：nonereturn：nonevoidinit_htl621(void)write_command_htl621(0x52)；write_command_htl621(0x30)；write_command_htl62l(0x0a)；write_command_htl621(0x08)；write_command_htl621(0x02)；function：voidIcd_clr(void)description：thisfunctionforlcdclearparameter：nonereturn：nonevoidlcd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