恒温槽控制系统的设计与实现毕业设计(编辑修改稿)

恒温槽控制系统的设计与实现毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

、十、百、千、万选通； B8 B4 B2 B1 为 BCD 码输出，对应 8421 码； UR为 欠量程信号输出端 ,当输入信号小于量程范围的 9%时 ,该端输出高电平； 河北科技师范学院 2020届本科毕业设计 6 OR为 过量程信号输出端 ,当输入信号超过计数范围 (20201)时 ,该端输出高电平； STOR为数据输出选通信号 (负脉冲 ),宽度为时钟脉冲宽度的一半 ,每次 A/D 转换结束时 ,该端输出 5 个负脉冲 ,分别选通由高到低的 BCD 码数据 (5 位 ),该端用于将转换结果打到并行 I/O 接口； R/H 为自动转换 /停顿控制输入 .当输入高电平时。 每隔 40002 个时钟脉冲自动启动下一次转换。 当输入为低电平时 ,转换结束后需输入一个大于 300ns 的正脉冲 ,才能启动下一次转换； GND 为数字地； POL 为极性判断端 ,高电平表示极性为正； BUSY 为忙信号输出 ,高电平有效 .正向积分开始时自动变高 ,反向积分结束时自动变低； CLK 为时钟输入端，典型值 =125kHz,对 50Hz 工频干扰有较大抑制能力 ,此时转换速度为3 次 /s. (1)信号调理电路 图 25 信号调理电路 如图 24 所示， AD590 采集的信号是微弱的电流信号，需要经过一个电压并联负反馈电路进行放大，转化为 LR 上的输出电压 ov ，放大增益为 rfA ,由于反馈系数。 由于1grFA ，所以 fgrf RFA 1 此放大电路相当于电流控制的电压源。 因此无论负载 LR 如何变化，只要输入电流 i不变，则 ov 不变。 因为 AD590 的额定输出是 A ， ICL7135 的输入是 0 到 2V，所以应该采取放大倍数为 10K，取 KRf 。 由下式得 河北科技师范学院 2020届本科毕业设计 7 CVTv o/ 由运算放大器 2组成减法器电路，输出 1ov 与 做差，这样，当温度为 70 Co 时，输出电压就为 ， CV o/。 其中 , 电源可由一个高精度的电位器来实现。 将此模拟信号于 ICL7135 的模拟输入端相连，经过温度转换程序，即可求得此时的温度值。 (2)ICL7135 与单片机接口电路 图 26 ICL7135与单片机接口 R/H接高电平， ICL7135 工作在自动转换模式，即每转换完，自动进行下一次转换。 BUSY 由低电平变为高电平时，开始 A/D 转换；当 BUSY 变为低电平时， A/D 转换结束。 所以，才用 INT1 下降沿触发的方式向单片机申请中断，从 P1 口读取数据， P1 口的低 4位为 BCD 码 ,P1 口的高四位的组态决定了低四位 BCD 码代表个、十、百、千位的情况。 例如： P1=01000101，则代表读取的数字是 500。 连续从 P1 口读取 5个数据，然后根据个、十、百、千的情况，重新组织数据，把 5个数据相加，即得本次 A/D 转换的数字量， 根据装换关系，即可得此时的温度值。 ICL7137, 属双积分型并具有四位半精度 ( 相当于 14 位二进制数 ) ,可以转换 19999 至 19999 个数字量 ,大大提高了转换的精度 , 并且抗干扰能力强。 用具有高稳定性的基准电阻作对比 , 抑制了整个系统的温漂和时漂。 数码管显示电路 对于数码显示（ LED）用串行输出口。 用串入并出移位寄存器 74LS164 作为静态显示的 LED 输出接口，对于基本显示即够用，可以用数码显示。 用数码显示时，使 STC89C52 的串行口工作于方 式 0（即移位寄存方式）。 用 4片串入并出移位寄存器 74LS164 作为 4位温度静态显示器的输出口，欲显示的 8位段码即字型码通过软件译码产生，并由 RXD 串行口发送出去，既充分利用了单片机的硬件资源，在设计中充分利用单片机本身四个 I/O 接口而不另扩展。 接线图如图 27所示： 河北科技师范学院 2020届本科毕业设计 8 图 27 数码管显示电路 控制输出电路 该系统运行一开始，用户由键盘将温度给定值输入给 RAM 指定单元，或者从 ROM指定单元送给 RAM 指定单元。 然后检测 A/D 转换值，再通过转 换与计算，求得温度值，随即由数码管显示并作专家 PID算法的调节、控制。 当温度偏离给定的某个数值时，除自动作相应调节处理外，还要发出声光报警。 加热采用电加热器，制冷使用制冷压缩机。 加热器采用双向可控硅过零触发方式，使器件运行可靠，同时省去了 D/A 变换器件，简化了触发电路。 为了达到过零触发的目的，该系统设计了交流电全波过零检测电路。 交流电路过零时向单片机 STC89C52 发出中断申请。 (1)过零检测电路 河北科技师范学院 2020届本科毕业设计 9 图 28 过零检测电路 如 图 28 所示，通过变压器降压 ,控制光电耦合器通断 ,当电压过零时 ,光耦截止 ,三级管基极高电平 ,三极管导通 ,输出引脚低电平。 R1 与 R R3 是限流电阻，仿真效果如图 29 所示： 图 29 过零检测电路仿真 (2) 过零触发电路 河北科技师范学院 2020届本科毕业设计 10 图 210 过零触发电路 如图 210 所示， MOC3061 为光电耦合双向可控硅驱动器 ,也属于光电耦合器的一种 ,用来驱动双向 可控硅并且起到隔离的作用 ,R2 为触发限流电阻 ,R3 为 BCR 门极电阻 ,防止误触发 ,提高抗干扰能力。 当单片机 80C51 的 P1. 3 引脚输出负脉冲信号时 Q1 导通 ,MOC3061 导通 ,触发双向可控硅 导通 ,接通交流负载。 另外 ,若双向可控硅接感性交流负载时 ,由于电源电压超前负载电流一个相位角 ,因此 ,当负载电流为零时 ,电源电压为反向电压 ,加上感性负载自感电动势 el 作用 ,使得双向可控硅承受的电压值远远超过电源电压。 虽然双向可控硅反向导通 ,但容易击穿 ,故必须使双向可控硅能承受这种反向电压。 一般在双向可控硅两极间并联一个 RC阻容吸收电路 ,实现双向可控硅过电压保护 ,图 210中的 C1 、 R4 为 RC 阻容吸收电路。 (3)声光报警电路 图 211 声光报警电路 本系统采用声光报警达到提醒温度是否过限。 声光报警电路包含有一个蜂鸣器和一个发光二极管。 由于单片机上电后 P1 口为高电平，且蜂鸣器的另一端连接为 VCC，故直接连接蜂鸣器时，上电后蜂鸣器不响。 在发光二极管电路中加入电阻起到限流作用，防止通过的电流过大，烧毁发光二极管。 声光报警电路设计图见图 211。 河北科技师范学院 2020届本科毕业设计 11 晶振电路的设计 单片机系统里都有晶振，在单片机系统里晶振作用非常大，全程叫晶体振荡器，其结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机 晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片机接到的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。 单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。 通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。 通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。 晶振电路如图 212 图 212 晶振电路的设计 复位电路的设计 单片机复位是使 CPU 和系统中的其他功能部件都处于一个确定的初始状态，并在这个状态开始工作，例如复位后 PC=0000H，使单片机从第一个单元取指令。 无论是在单片机刚开始接上电源时，还是断电后或者发生故障后都要复位，所以我们必须弄清楚MCS51型单片机复位的条件、复位电路和复位后状态。 单片机复位的条件是：必须使 RST 引脚加上持续两个机器周期（ 24 个振荡周期）的高电平。 例如，若时钟频率为 12MHz，每机器周期为 1μ s，则只需 2μ s 以上时间的高电平，在 RST 引脚出现高电平后的第二个机器周期执行复位。 本设计中采用的复位电路，该电路是采用上电和按键都有效地复位电路，此电路能实现开机和单 片机在运行时的复位，开机复位要求接通电源后，单片机自动实现复位操作，开机瞬间单片机的 RESET 引脚获得高电平，随着电容的充电 RESET 的高电平将逐渐下降， RESET 引脚的高电平只要能保持足够的时间，单片机就可以进行复位操作。 除上电复位外，若要在单片机运行期间实现复位，只需按图中 的 RESET 键实现手动复位。 复位电路如图 213 所示 : 河北科技师范学院 2020届本科毕业设计 12 图 213 复位电路的设计 分频电路的设计 本设计中 ICL7135 的时钟端需要接 125KHz 的时钟信号，再不用外加信号源的情况下，需要对单片机 ALE 端进行分 频。 单片机接 12M晶振， ALE端对单片机进行 12分频，所以 ALE 端会产生 1MHz的时钟信号，此信号不能直接使用，需要进行 8 分频。 如图 214 所示，采用 3 个 74LS74D 触发器组成的 8 分频电路。 图 214 八分频电路 仿真效果如图 215 所示： 河北科技师范学院 2020届本科毕业设计 13 图 215 八分频电路仿真 3 系统软件设计 算法的选择 专家控制系统简介 在专家控制系统中，控制器由专家控制器和其他常规控制器两部分构成，各种高层决策的控制知识和经验被用来间接地控制生产过程或调节受控对象，专家控制器的作用是监控系 统的控制过程，动态调整其他控制器的结构或控制的参数，然后由其他控制器完成对受控对象的直接控制作用。 间接型专家控制系统包括两个回路，一回路为反馈回路，执行数据采集和反馈控制，包括过程及分析算法，例如信号处理、数字控制；另一回路是实时专家控制系统，包括对多种算法进行组织和调整的决策知识。 专家控制系统的基本结构如图 31。 河北科技师范学院 2020届本科毕业设计 14 图 31 专家控制系统控制框图 PID 控制原理 用数字计算机代替模拟计算机调节器组成计算机控制系统，不仅可以用软件实现PID控制算法，而 且可以利用计算机的逻辑功能，使 PID控制更加灵活。 数字 PID控制在生产过程中是一种最普遍采用的控制方法。 将偏差的比例（ P）、积分（ I）、微分（ D）通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称 PID控制器。 工业生产中， PID控制是最先发展起来的，应用领域至今仍然广泛。 其优点是算法简单，鲁棒性强，可靠性高，动态和静态特性良好。 PID控制器是线性控制器，它根据给定值 X(t)与实际输出值 Y(t)构成控制偏差： )(。