xx-20xx年毕业设计---单片机温度控制系统总结

xx-20xx年毕业设计---单片机温度控制系统总结内容摘要：

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 MCS51 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。 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图。 第 2 章 系统方案的提出与论证 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 DS18 DS18S DS18B DS182 DS182DS162 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 ～。 (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。 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。 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(t1) + e(t2)+…….+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(t1)，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。 PID 的控制 开环控制系统 开环控制系统 (openloop 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。 闭环控制系统 闭环控制系统 (closedloop 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。 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 (Steadystate 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。 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（ Steadystate 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 Steadystate 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。 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 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～ ，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。 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 所示。 V c c40P 0 .0/ A D 039P 0 .1/ A D 138P 0 .2/ A D 237P 0 .3/ A D 336P 0 .4/ A D 435P 0 .5/ A D 534P 0 .6/ A D 633P 0 .7/ A D 732E A / V pp31A L E / P R O G30P S E N29P 2 .7/ A 1 528P 2 .6/ A 1 427P 2 .5/ A 1 326P 2 .4/ A 1 225P 2 .3/ A 1 124P 2 .2/ A 1 023P 2 .1/ A 922P 2 .0/ A 821T 2 / P 1 .01T 2 E X / P 1 .12P 1 .23P 1 .34P 1 .45P 1 .56P 1 .67P 1 .78R S T9R X D / P 3 .010T X D / P 3 .111I N T 0 / P 3 .212I N T 1 / P 3 .313T 0 / P 3 .414T 1 / P 3 .515W R / P 3. 616R D / P 17X T A L 218X T A L 119G N D20U289 C 5 2G N D12 M H zC2C1G N DRDWR+5G N DP 1 .0V c cU1D S 18 B 2 0 G N D+5R54. 7K+5R710 KV C CX f e rCSP 2 .4R610 KG N D图 主控器与 传感器的连接电路 由 AT89C52 根据总线的接口规范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。