基于单片机的温度控制系统的研究_毕业设计(编辑修改稿)

基于单片机的温度控制系统的研究_毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

片机中预置的参量进行比较后，得到误差量，并与上一次采集的误差量进行比较，得到误差的变化量，把误差量和误差的变化量作为模糊 PID 控制器的输入，经过软件进行处理，输出控制量，经过 D/A 转换后控制驱动电路，得到加在电炉上的平均电压。 从而控制电炉的温度，实现温度的自动调节，使得温度稳定在设定值附近。 东华理工大学长江学院毕业设计（论文） 系统硬件 7 第 3 章 系统硬件和电路设计 引言 电炉是热处理生产中 应用最广的加热设备，其本身是一个较为复杂的被控对象，虽然可用以下模型定性描述它   1 TsKesG s （ 31） 式中 K －－放大系数 T －－时间系数 τ－－纯滞后时间 但在实际热力过程中，由于实际工况的复杂性 (加工工件的材质、初温、升温、幅度规格、装炉量以及电气环境等因素 )，使得上述数学模型偏离实际情况相当严重，本文将在具有在线自调整功能模糊自整定 PID 控制器基础上设计一个炉温控制系统，以期较理想地解决被加热物件透烧过程的测量与控制。 系统的总体结构 控制系统组成框图如图 31 所示。 图 31 电炉温度控制系统 火炉的温度经温度传感器转换成 mv 级电信号，经放大电路变换成 0～ 5 V 的电压信号，通过多路开关送到 A/D 转换器变换成数字量送单片机。 单片机首先对它进行标度变换，得支它所示、表示的温度值。 然后根据给定工艺参数和温度反馈值，按预定控制算法进行调节运算，确定 输出控制量。 控制量由 D/A 转换成模拟电压，经功率放大后驱动执行机构控制火炉的进气量，使炉子的温度按规定的工艺曲线变化东华理工大学长江学院毕业设计（论文） 系统硬件 8 温度检测电路 温度检测是温度控制系统的一个重要的环节，直接关系到系统性能。 在微机温度控制系统中，温度的检测不仅要完成温度到模拟电压量的转换，还要将电压转换为数值量送计算机。 其一般结构如图 32 所示。 图 32 温度数字检测的一般结构 温度传感器 温度传感器将测温点的温度变换为模拟电压，其值一般为 mV 级，需要放大为满足模 /数转换要求的电压值。 微机通过控制把电路电压送 到模 /数转换器进行模 /数转换，得到表示温度的电压数字量，再用软件进行标度变换与误差补偿，得到测温点的实际温度值。 温度传感器种类繁多，但在微机温度控制系统中使用得传感器，必须是能够将非电量变换成电量得传感器，此次设计中选用的是热电偶传感器，热电偶传感器是工业温度测量中应用最广泛得一种传感器，具有精确度高、测量范围广、构造简单、使用方便等优点。 热电偶是由两种不同材料得导体 A和 B连接在一起构成得感温元件，如图 33 所示。 A和 B得两个接点 1和 2之间存在温度差时，回路中便产生电动势，形成一定大小得电流，这种现象称为 热电效应，也叫温差效应。 热电偶就是利用这个原理测量 温度的。 图 33 热电偶测温原理图 测量放大器的组成 测量放大器的基本电路如图 34 所示。 图 34 测量放大器的原理图 东华理工大学长江学院毕业设计（论文） 系统硬件 9 测量放大器由三个运算放大器组成，其中 A A2 两个同相放大器组成前级，为对称结构，输入信号加在 A A2的同相输入端从而具有高抑止共模干扰的能力和高输入阻抗。 差动放大器 A3为后级 ,它不仅切断共模干扰的传输 ,还将双端输入方式变换成单端输出方式 ,适应对地负载的需要。 测量放大器的放大倍数用下面 公式计算  GGI RRRRRRUUG 39。 11230 1 （ 32） 式中， GR 为用于调节放大倍数的外接电阻，通常 GR 采用多圈电位器，并靠近组件，若距离较远，应将联线胶合在一起，改变 GR 可使放大倍数在 1～ 1000 范围内调节。 热电偶冷端温度补偿方法 用热电偶测量温度时，热电偶的工作端（热端）被 放置在待测温场中，而自由端（冷端）通常被放在 0℃的环境中。 若冷端温度不是 0℃，则会产生测量误差，此时要进行冷端补偿。 冷端补偿方法较多，在本次的设计中我们采用的冷端温度补偿为电桥式冷端补偿。 对与冷端温度补偿器，在工业上采用如图 35 所示补偿电桥的冷端补偿电路。 图 35 热电偶冷端温度补偿电桥 图中所示的补偿电桥桥臂电阻 R R R3和 RCu通常与热电偶的冷端置于相同的环境中。 取  1321 RRR ，用锰铜线绕成； RCu是用铜导线绕制成的补偿电阻。 RS是供桥电源 E的限流电 阻， RS由热电偶的类型决定。 若电桥在 20℃时处于平衡状态。 当冷端温度升高时， RCu补偿电阻将随之增大，则电桥 a、 b两点间的电压 Vab也增大，此时热电偶温差电势却随冷端温度升高而降如果 Vab 的增加量等于热电偶温差电势的减小量，则热电偶输出电势 VAB 的大小将保持不变，从而达到冷端补偿的目的。 多路开关的选择 在本次的设计中，我们的温度传感器有 1个，因此，我们采用了一种 16 的多路开关，以实现对温度传感器的巡回检测。 东华理工大学长江学院毕业设计（论文） 系统硬件 10 CC4067 是单片 . 通道 .模拟多路转换器。 该电路包括 16 选 1 的译码器和译码器的输出分别控制的 16 个 CMOS 双向开关，通道的输出状态由电路外部输入的地址 所决定。 CC4067 可用模拟信号或数字信号去控制模拟开关的接通或断开，具有低的导通电阻和高的断开电阻，所控制的模拟信号最大峰值为 15V，而数字信号的幅度 3V5V . CC4067 芯片具有禁止端 inh。 当禁止时， inh=1，这时所有的双向开关均不接通，在公共端呈现高阻抗。 主要性能 CMOS 工艺制造；直接驱动 DTL/TTL/CMOS 电平；单路、 16 选 1 模拟多路转换器；具有双向转换功 能；单电源供电；标准 24 引脚 DIP 封装；功耗： ；开关接通电阻：180 欧（ typ）。 开关接通时间： (max)。 开关断开时间： 1us(max). CC4067 引脚图示与图 36。 242322212019181716151413Vdd89101112131415inhCD123456789101112OUT/ININ/OUT76543210ABVssIN/OUT 图 36 CC4067 引脚图 CC4067 功能框图如图 37 所示。 图 37 CC4067 功能框图 东华理工大学长江学院毕业设计（论文） 系统硬件 11 A/D 转换器的选择及连接 5G14433 是我国制造的 31/2 位模 /数变换器，是目前市场上广泛流行的最典型的双积分模 /数变换器。 该芯片具有抗干扰性能好、转换精度高、自动校零、自动 极性输出、自动量程控制信号输出、外接元件少、价格便宜等特点。 因此广泛应用在低速微控制器应用系统，智能仪表和数字三用表等领域。 5G14433 与国外型号 MC14433 兼容。 5G14433 的外部连接电路，尽管 5G14433 外部连接元件很少，但为使其工作于最佳状态，也必须注意外部电路的连接和外接元件的选择，其实际连接电路如图 38所示。 为了提高电源抗干扰的能力，正，负电源分别通过去耦电容 、 与 Vss（ VAG）相连。 图中 DU端和 EOC 端短接，以选择连续转换方式，使每一次转换的结果都输出。 图 38 外部连接电路 当 C1=， VDD=5V， fCLK=66KHz时，若 Vxmax=+2V，则 R1=480KΩ；若 Vxmax=+200mV，则 R1=28KΩ。 外接失调补偿电容固定为。 外接时钟电阻 Rc=470KΩ时， fLCK≈ 66KHz。 当 Rc=200KΩ时， fLCK=140KHz。 实际电路中一般取 Rc=300KΩ。 单片机系统的扩展 MCS— 51 系列单片机的功能较强，从一定意义上说，一块单片机就相当于一台单片机的功能。 这就使得在智能仪 器、仪表、小型检测及控制系统、家用电器中可直接应东华理工大学长江学院毕业设计（论文） 系统硬件 12 用单片机而不必再扩展外围芯片，使用极为方便。 但对于一些较大的应用系统来说，单片机片内所具有的功能将显得不足，这时就必须在片外连接一些外围芯片。 这些外围芯片，既可能是存储器芯片，也可能是输入 /输出接口芯片。 系统的扩展一般有以下几方面的内容： ①外部程序存储器的扩展； ②外部数据存储器的扩展； ③输入 /输出接口的扩展； ④管理功能器件的扩展（如定时 /计数器、键盘 /显示器、中断优先编码等）。 一、总线驱动器 74LS244 总线驱动 器 74LS244 经常用作三态数据缓冲器， 74LS244 为单向三态数据缓冲器，而 74LS244 为双向三态数据缓冲器。 单向的内部有 8个三态驱动器，分成两组，分别由控制端 1G和 2G 控制；双向的有 16 个三态驱动器，每个方向 8个。 在控制端 G有效时（ G 为低电平），由 DIR 端控制驱动方向； DIR 为“ 1”时方向从左到右（输出允许）， DIR为“ 0”时方向从右到左（输入允许）。 74LS244 的引脚如图 39所示。 图 39 74LS244 的引脚 二、地址锁存器 74LS373 74LS373 是一种带输出三态门的 8D锁存器 ，其结构示意图如图 310 所示。 图 310 74LS373 的结构图 其中： 1D～ 8D为 8 个输入端。 1Q～ 8Q为 8 个输出端。 G为数据打入端 :当 G为 1时 ,锁存器输出端状态 (1Q～ 8Q)同输入状态 (1D～ 8D)；当 G 由 1变 0时 ,数据打入锁存器中。 OE为输出允许端。 当 OE＝ 0 时 ,三态门打开。 当 OE＝ 1时 ,三态门关闭 ,输出呈高阻。 东华理工大学长江学院毕业设计（论文） 系统硬件 13 在 MCS－ 51单片机系统中 ,经常采用 74LS373作为地址锁存器使用 ,其连接方法如图311 所示。 其中输入端１Ｄ～８Ｄ接至单片机的Ｐ０口，输出端１Ｑ～８Ｑ提供的是地址的低８位，Ｇ端接至单片机的地址锁存器信号ＡＬＥ。 输出允许端 OE 接地表示输出三态门一直打开。 图 311 74LS373 的结构图 存储器的扩展 只读存储器简介 半导体存储器分为随机存取存储器（ Random Access Memory）和只读存储器（ Read Only Memory）两大类，前者主要用于存放数据，后者主要用于存放程序。 只读存储器的特点是信息一旦写入之后就不能随意跟更改，特别是不能在程序运行过程中写入新的内容，而只能读出 其中的内容，故称之为只读存储器；只读存储器的另一个特点是断电以后信息不会消失，能够长久保存。 只读存储器是由 MOS 管阵列构成的，以 MOS 管的接通或断开来存储二进制信息。 按照程序要求确定 ROM 存储阵列中各 MOS 管状态的过程叫做 ROM 编程。 EPROM2764 简介 3． 2764 的引脚 自从 EPROM276 芯片被逐渐淘汰后，目前比较广泛采用的是 2764 芯片为双列直插式28引脚的标准芯片，容量为 8K179。 8 位，其管角如图 312所示。 图 312 2764 的引脚 其中： A12～ A0： 13 位地址线。 D7～ D0： 8 位数据线。 CE：片选信号，低电平有效。 OE：输出允许信号，当 OE=0 时，输出缓冲器打开，被寻址单元的内容才能被卖出。 Vpp：编程电源，当芯片编程时，该端加上编程电压（ +25V 或 +12V）；正常使用时，该端加 +5V 电源。