毕业设计论文基于单片机的加热炉温度控制器的设计

毕业设计论文基于单片机的加热炉温度控制器的设计内容摘要：

D 值仪表上限对应的数字量 Nx 测量值对应的 AD 值采样值实际上是经数字滤波后确定的采样值 其中 AmAoNmNo 对一个检测系统来说是常数 由于本系统采用的 6675 内部经过激光矫正因此其转换结果与对应温度值有很好的线性关系其数字量最小值为 0 对应的温度值为 0℃数字量最大值为 4095对应的温度值 为 102375℃即 Ao 0Am 102375No 0Nm 4095 则 Ax 1023750Nx04095 0 Ax 102375Nx4095 444 显示处理 本系统的显示主要包括四位 LED数码管及其 4个发光二极管 DPX为显示指针当 DPX 1 时显示工作状态下加热炉的温度值当 DPX 0 时显示设置状态的参数值显示控制流程图如下 图 43 显示流程图 445 定时中断子程序 89C51 单片机片内有两个 16 位定时器计数器即定时器 T0 和定时器 T1 他们都有定时和事件计数的功能可用于定时控制延时对外部事 件计数和检测等场合 两个 16 位定时器实际上都是 16 位加一计数器其中 T0 由两个 8 位特殊功能寄存器 TH0 和 TL0 构成 T1 由 TH1 和 TL1 构成每个定时器都可以由软件设置为工作方式或计数方式及其他灵活多样的可控功能方式 设置为工作模式时定时计数器 89C51 片内振荡器输出的经 12 分频后的脉冲即每个机器周期使定时器的数值加 1直至计数溢满当 89C51采用 12MHZ晶振时一个机器周期为 1μ s 计数频率为 1MHZ 89C51 单片机的定时计数器 T0 和 T1 可由软件对特殊功能寄存器 TMOD 中控制位 C进行设置以选择定时计数功能对 M1和 M0位的设置对应于 4种工作模式即模式 0 模式 1 模式 2 模式 3 在模式 0 模式 1 和模式 2 时 T0和 T1 的工作模式相同在模式 3 时两个定时器的工作模式不同模式 0 为 TL05 位 TH08 位方式模式 1 为TL18 位 TH18 位方式其余完全相同 本系统采用的就是 89C51 片内计数器对按键及其显示进行定时其流程图如下 45 PID 控制算法 在过程控制中按偏差的比例 P 积分 I 和微分 D 进行控制的 PID 控制器亦称PID 调节器是应用最为广泛的一种自动控制器它具有原理简单易于实现适用面广控制参数相互独立参数的选定比较简单等优点而且在理论上可以证明对于 过程控制的典型对象 —— 一阶滞后＋纯滞后与二阶滞后＋纯滞后的控制对象 PID控制器是一种最优控制 PID 调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法它的参数整定方式简便结构改变灵活称为积分常数 KD KP 称为微分常数Δ t T 为采样周期 e t 为第 n 次采样的偏差值 e n1 为第 n1 次采样时的偏差值 n 为采样序列 n 012 1 采样周期 T 的确定 采样周期 T 是两次采样之间的时间间隔从信号的复线性来考虑采样周期不宜过长或者说采样频率它有一定的限度就是根据采样定律它必须大于或等于原信号所含最高频率的两倍因此从控制性能来 考虑采样周期越短越好但是计算机的工作时间和工作量却随着采样周期的减小而增大所以每一个回路都有一个最佳的采样周期 决定采样周期 T 的因素有很多其中包括加于对象的干扰信号频率对象的动态特性使用的控制算法和执行器的类型控制回路数对象所要求的控制质量等 总的来说当计算机精度足够时采样周期与对象控制回路的过渡过程时间和主要扰动的周期相比往往要小的多以尽量减少控制偏差的滞后性 通常的采样周期都按下表的经验数据加以选择 表 41 采样周期 T 的选用 物理量 采样周期 \s 备注 流量 15 优先选用 12s 压力 310 优 先选用 68s 液位 68 温度 1520 或取纯滞后时间对串级系统复环 T 02025 主环 T 成分 1520 根据上表所示本系统的 PID 控制算法选用的采样周期 T 20s 其他参数的确定 PID 参数整定是一个复杂的过程一般需要根据被控对象慢慢进行常用的方法有扩充临界比例度整定法和扩充响应曲线法两种但是这两种方法在实际应用中比较麻烦因此在实际应用中常用经验法确定 PID 的参数即根据调节规律及不同调节对象的特征通过闭环试验反复凑试找出最佳调节参数 本次设计的 PID 控制参数选用经验法的一种优选法进行确定具 体做法为根据经验先把其他参数固定然后用 0618 法对其中某一参数进行优选待选出最佳参数后再换另一个参数进行优选直到把所有的参数优选完毕为止最后根据 T 诸参数优选的结果选一组最佳值即可 在本控制系统中加热炉温度与给定值的偏差经过单片机 PID 算法运算后控制可控硅的开度所以应采用式 7 的位置式算法 KPKIe n e n1 分别放在 89C51 单片机片内 RAM 的 26H27H29H2AH 中 PI 结果YPIn 放在 R3R4 中则 PI 控制程序如下 PIMOV A29H e n CLR C SUBB A2AH e n e n1 MOV B26H KP LCALL MULTS KP [e n e n1 ] MOV R4A MOV R3B 暂存于 R3R4 MOV A29H e n MOV A27H KI LCALL MULTS KI e n ADD AR4 MOV R4A MOV AB ADDC AR3 MOV R3A R3R4 KP [e n e n1 ] KI e n RET MULTSCLR F0 置 e n 符号标志位为正 JNB ACC7MUL1 SETB F0 置 e n 符号标志位为负 CPL A INC A 取绝对值 MUL1MUL AB JNB F0MUL2 CPL A ADD A1 MOV R2A MOV AB CPL A ADDC A0 MOV BA MOV AR2 还原为补码 MUL2RET 46 控制面板的设计 461 控制面板的介绍 对一般用户来说不需要知道系统内部的具体结构只需知道如何进行操作即可因此控制面板就成为人和工作机进行交流的 十分重要平台在现代化的市场经济中产品的外观设计对吸引购买者也起着很重要的作用所以控制面板的设计是一个非常讲究技巧和美观的工作 本人本着简洁明快实用操作友好的思想同时从一定的审美角度进行面板的设计设计所得的控制面板如图上图所示控制面板 在控制面板上可以清楚的看到有一个 4 位的数码管显示器键盘上一共有四个按键分别是设设置退出还设有四个工作指示灯分别为温度上限值温度下限值温度值及参数值 462 控制面板的功能 控制面板上的 4位 LED显示器能精确显示加热炉温度值控制面板不进行任何操作时 LED 显示器显示的就是当前加热炉 温度值设置按键是用来设定加热炉的温度上下限加热温度值及各种参数并且指示灯与设定状态相对应具体操作如下长按设定按键即可进入设定状态第一次长按设定按键 3s 左右进入温度上限值设定同时温度上限指示等亮此时按键便可对温度上限值进行设定设定好数值后按退出键系统退出设置模式 LED 显示器显示加热炉温度值连续两次长按设定按键进入温度下限值设定并且温度下限值指示灯亮此时可输入温度下限值连续三次长按设定按键进入温度值设定连续四次长按设定按键进入加热炉参数设定 5 系统调试 系统调试通常包括实验室硬件联调实验室软件联调实验室系统 仿真仿真考机运行和现场安装调试等几个环节在系统总装以后首先要进行实验室条件下的系统硬件联调联调成功以后有了硬件操作保证就很容易发现软件的错误在软件调试过程中有时也会发现硬件故障软件故障完毕硬件中的隐藏问题也能被发现和纠正在进入现场以前还必须在实验室条件下把存在的问题充分暴露并加以解决通常是用模型代替实际系统进行完全仿真调试通过后进行连续不停机的 48h考机运行正确无误后再进入现场安装运行成功并经过一定时间的使用最终验收合格才算完成整个系统的设计工作 下面通过硬件和软件两方面介绍相应的调试方法 51 硬件调试方 法 常见的硬件故障有 1 逻辑错误 它是由设计错误或加工过程中的工艺性错误所造成的这类错误包括错线开路短路相位错等 2 元器件失效 有两方面的原因一是器件本身已损坏或性能不符合要求二是组装错误造成元件失效如电解电容二极管的极性错误集成电路安装方向错误等 3 可靠性差 引起可靠性差的原因很多如金属化孔接插件接触不良会造成系统时好时坏经不起振动内部和外部干扰电源纹波系数大器件负荷过大等造成逻辑电平不稳定走线和布局不合理也会引起系统可靠性差 4 电源故障 若样机有电源故障则加电后很容 易造成器件损坏电源故障包括电压值不符合设计要求电源引线和插座不对功率不足负载能力差等 511 联机调试 通过脱机调试可排除一些明显的硬件故障但有些故障还必须通过联机调试才能发现和排除 联机前先断电将单片机开发系统的仿真头插到样机的 89C51 插件上检查开发机和样机之间的电源接地是否良好一切正常后即可打开电源 通电后执行开发机的读写指令对样机的存储器 IO 端口进行读写操作逻辑检查若有故障可用示波器观察有关波形如选中的译码器输出波形读写控制信号地址数据波形以及有关的控制电平通过对波形的观察分析寻找故障原 因并进一步排除故障可能的故障有路线连接上有逻辑错误有断路或短路现象集成电路失效等 在样机主机部分调试好后可以插上系统的其他外围部件例如键盘显示器输出驱动板 AD 及 DA 板等再对这部分进行初步调试 在调试过程中若发现用户系统工作不稳定可能有下列情况电源系统供电不足或联机时公共地线接触不良或用户系统主板负载过大或用户的各级电源滤波不完善等对这些问题一定要查出原因并加以排除 512 脱机调试 在样机加电以前先用万用表等工具根据硬件电气原理和装配图仔细检查样机线路的正确性并核对元器件的型号规格和安装是否符合要 求特别应注意电源的走线防止电源线之间短路和极性错误并检查扩展系统总线是否存在相互短路或与其他信号线的短路 对于样机所用电源事先必须单独调试调试好后检查其电压值负载能力极性等均符合要求才能加到系统的各个部件上在不插芯片的情况下加电检查各插件上引脚的电位仔细测量各点电位是否正常尤其应注意 89C51 插座上各电位是否正常若有高压联机时将损坏仿真器 在脱机调试中发现系统无法复位经检查知电路中没有接入复位电路经接入上电复位方式的复位电路后系统运行正常 52 软件调试方法 软件调试与所选用的软件结构和程序设计技术有关如果 采用模块程序 设计技术则逐个模块分别调试调试各子程序时一定要符合现场环境即入口条件和出口条件调试手段可采用单步或设置断点运行方式通过检查系统 CPU 的现场 ARM 的内容和 IO口的状态检查程序执行结果是否符合设计要求通过检测可发现程序中的死循环错误机器码错误及转移地址的错误同时也可以发现用户系统中的硬件故障软件算法及硬件设计错误在。