课程设计--基于单片机的水温控制系统.doc

评语：成绩：签名：日期：学院课程设计报告书 课程名称： 单片机控制系统课程设计 题 目： 基于单片机的水温控制系统系 （院）： 学 期： 专业班级： 姓 名： 学 号： 1.引言温度是工业对象中主要的被控参数之一，例如：在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。电阻炉炉温控制系统的控制过程是：单片机定时对炉温进行检测，经A/D转换芯片得到相应的数字量，经过计算机进行数据处理，得到应有的控制量，去控制电阻炉进行加热，从而实现对温度的控制。进行系统设计时应考虑如下问题：炉温变化规律的控制，即炉温按预定的温度时间关系变化，这主要在设计控制程序时加以考虑。电阻炉的温度控制范围为：50200，这就涉及到测温元件、电炉功率的选择，控制精度、超调量等指标，涉及到A/D转换精度、控制规律选择等。1.1设计目的1. 在学习微机原理、单片机原理及应用、计算机控制技术、控制理论与系统的基础上，掌握单片机控制系统的设计方法与步骤；2. 了解单片机控制系统构造的特点、组成和接口电路；3. 掌握单片机软硬件结合设计整个系统的原理。2.控制系统的基本原理2.1设计内容及要求电阻加热炉用于合金钢产品热力特性实验，电阻加热炉用电阻丝提供热功率，使其在预定的时间内将炉内温度稳定到给定的温度值。本控制对象电阻加热炉功率为8KW，由220V交流电源供电，采用双向可控硅进行控制。电阻加热炉系统模型如图1所示。图1 电阻加热炉系统模型工艺要求：按照规定的曲线进行升温和降温7，温度控制范围为50200，升温和降温阶段的温度控制精度为5，保温阶段温度控制精度为2。系统可以实现的基本功能：微机自动调节功能：正常工作状态下，系统投入自动控制。模拟手动操作：当系统发生异常时，投入手动控制。微机监控功能：显示当前被控量的设定值、实际值、控制量的输出值，参数报警时有灯光报警。2.2对象分析在本设计中，要求电阻炉炉内的温度，按照图2所示的规律变化，从室温开始到50为自由升温阶段，当温度一旦到达50，就进入系统调节，当温度到达200时进入保温段，要始终在系统控制下，以保证所需的炉内温度的精度。加工结束，要进行降温控制。保温段的时间为6001800s。过渡过程时间：即从开始控制到进入保温阶段的时间要小于600s。在保温段当温度高于202或低于198时要报警，在升温和降温阶段也要进行控制，使炉内温度按照曲线的斜率升或降。计算机定时对炉温进行测量和控制一次，炉内温度是由一铂电阻温度计来进行测量，其信号经放大送到模数转换芯片，换算成相应的数字量后，再送入计算机中进行判别和运算，得到应有的电功率数，经过数模转换芯片转换成模拟量信号，供给可控硅功率调节器进行调节，使其达到炉温变化曲线的要求。图2 温度曲线图3.系统硬件的设计和实现3.1系统硬件组成及工作原理采用8031单片机作为控制器，ADC0809模数转换芯片为模拟量输入，铂电阻为温度检测元件，运算放大器和可控硅作为功率放大，电阻炉为被控对象，组成电阻炉炉温控制系统，另外，系统还配有数字显示，以便显示和记录生产过程中的温度和输出值。其工作过程为：热电偶将炉温变换为模拟电压信号,经低通滤波滤掉干扰信号后送放大器,信号放大为05V后送A/D转换器，转换为数字量送入计算机。系统的硬件结构图如图3：图3 系统的硬件结构图3.1.1单片机的选择单片机机型：MCS51 8031（不包含ROM、EPROM）。8031内部包括1个8位CPU,21个特殊功能寄存器(SFR)4个8位并行I/O口,2个16位定时器/计数器,但片内无程序存储器,须外扩EPROM芯片。MCS-51具有64kB程序存储器寻址空间，它是用于存放用户程序、数据和表格等信息。对于内部无ROM的8031单片机，它的程序存储器必须进行外部扩展。在选择程序存储器芯片时，首先必须满足程序容量，其次在价格合理情况下尽量选用容量大的芯片。这样做的话，使用的芯片少，从而接线简单，芯片存储容量大，程序调整余量也大。本设计中外部扩展存储器采用EPROM 2732，EPROM 2732的容量为4K8位，4K表示有41024（22210=212）个存储单元，8位表示每个单元存储数据的宽度是8位。前者确定了地址线的位数是12位（A0A11），后者确定了数据线的位数是8位（O0O7）。空间地址为64kB，此时单片机的端必须接地。强制CPU从外部程序存储器读取程序。对于内部有ROM的8051等单片机，正常运行时，则需接高电平，使CPU先从内部的程序存储中读取程序，当PC值超过内部ROM的容量时，才会转向外部的程序存储器读取程序。首选8031的理由是：价格便宜，开发环境比较成熟。图4 8031引脚图8031是一个40引脚的集成电路，引脚如图4所示，它有4个输入输出口（英文简写为IO口），每个口有8条线共占32个引脚。剩余8个引脚分别为：电源、地线、接石英晶体（两根）、复位和三个特殊功能引脚（ALE、EA、PSEN）。各引脚功能：4个IO口分别为P1、P2、P3、P4。每个引脚再加小标号，比如P1.0P1.7等。在应用中，PO口和P2口一般用于扩展存储器；P3口的和配合扩展存储器使用；只有P1脚可以全部独立使用。3.1.2系统元器件的选择传感器的选择：常用的温度检测元件主要有热电偶、热电阻、热敏电阻等。热电偶主要是利用两种不同金属的热电效应，产生接触电势随温度变化而变化，从而达到测温的目的。测量准确，价格适中、测温范围宽，线性度较好。但其输出电压受冷端温度影响，需要进行冷端温度补偿。本题选用热电偶类别镍铬康铜代号WRK分度号E，测量范围0800，基本误差限0.75%。执行元件的选择：电阻加热炉采用晶闸管（SCR）来做执行元件，结合电阻炉的具体要求，为了减少炉温的纹波，对输出通道采用较高的分辨率的方案，因此采用零点触发的方式。变送器的选择：因为系统要求有偏置，又需要对热电偶进行冷端补偿，所以采用常规的温度变送器包括毫伏安变送器和电流电压变送器，毫伏安变送器将热电偶检测的温度变为010mA，电流电压变送器将010mA的电流变为05V的电压送A/D转换器。控制单元：采用双向可控硅进行控制，其功能相当于两个单向可控硅反向连接，具有双向导通功能，其通断状态由控制极G决定。在控制极加上脉冲可使其正向或反向导通。3.2炉温采集为了将变化的温度值转化为变化的电压信号，以热电偶作为检测元件，根据被控温度的测量范围及控温精度，选用镍铬康铜热电偶，其分度号E，测量范围0800。由于热电偶输出的电压信号小而且很不稳定，需要连接变送器，先由毫伏变送器XTR101将热电偶输出的毫伏电压转变成为010mA的电流信号。电流电压变送器将010mA电流信号转变成为05V的电压信号。XTR101在电路中的作用还有对热电偶进行冷端温度补偿,并起到抑制零点漂移的作用。因为所控制的实际温度在50200左右，即（20050150）所以选用8位A/D转换器，其分辨率约为1.5/字，再加放大器偏置措施实现（通过调整放大器的零点来实现偏置）。本设计采用一般中速芯片ADC0809。ADC0809是带有8位A/D转换器，8路多路开关以及微型计算机兼容的控制逻辑的CMOS组件，其转换方法为逐次逼近型。8路的模拟开关由地址锁存器和译码器控制，可以在8个通道中任意访问一个通道的模拟信号。ADC0809的IN0和变送器输出端相连，故I 输入的0+5V范围的模拟电压经A/D转换后可有单片机通过程序从P0口输入到它的内部RAM单元中。图5 8031与ADC0809的接口电路如图5所示，当P2.0和信号均为低电平时，通过或非门，输出一个正脉冲，使启动信号START及地址锁存信号ALE有效，将地址送到地址总线。当P2.0和RD均为低电平，经或非门使DE出现高电平，这时可以从A/D转换器读取数据。ADC0809的A、B、C分别接到单片机的P0.0、P0.1、P0.2引脚上。3.3炉温控制电路8031对温度的控制是通过双向可控硅8实现的。如图6所示，双向可控硅管和加热丝串接在交流220V、50Hz市电回路。在给定周期T内，8031只要改变可控硅管的接通时间即可改变加热丝的功率，以达到调节温度的目的。可控硅接通时间可以通过可控硅控制极上触发脉冲控制。该触发脉冲由8031用软件在P1.3引脚上产生，经过零同步脉冲同步后再经光耦和驱动器输出送到可控硅管的门极上。对于这样的执行机构，单片机只要输出能控制可控硅通断电时间的脉冲信号就可以了，因此可用一条I/O线与可控硅的控制端相连接，并通过程序实现输出导通脉冲的宽度和导通时间9。为了达到过零触发的目的，需要交流电过零检测电路，此电路输出对应50Hz交流电压过零时刻的脉冲，作为触发双向可控硅的同步脉冲，使可控硅在交流电压过零时导通。从P1.3引脚输出的控制信号和过零脉冲信号经过与非门后控制着双向晶闸管在一个周期内的通断比例（即占空比），进而控制电阻丝的加热功率，以达到调节温度的目的。8031对温度的控制没有采用D/A输出的直接方式，而是采用控制双向晶闸管的间接控制方式。其优点主要是为了提高功率因数和减少对电网的波动影响。过零脉冲信号是由过零脉冲信号发生器得到的。从市电回路得到的220V、50Hz的正弦波电压信号经过图6中电压比较器LM311将50Hz正弦交流电压变成方波。方波的正跳沿和负跳沿分别作为两个单稳触发器的触发信号，单稳触发器输出的窄脉冲经二极管或门混合，就得到对应于220V市电过零时刻的同步脉冲。此脉冲一路作为触发同步脉冲加到温控电路，一路作为计数脉冲加到单片机8031的P3.4端。图6 电阻炉温度控制电路3.4键盘显示电路键盘显示接口：8031的串行口既可作为通信用，也可以用于扩展键盘、显示器接口10，串行口采用静态显示方式。所谓静态显示,即CPU输出显示值后，由硬件保存输出值，保持显示结果。在单片机控制系统中，除了需要显示单个状态之外，往往还需要显示一些数值12。在一般情况下，可以使用多个数码管来实现。目前常用的数码管是八段的，八段LED数码管有共阴极和共阳极之分。对多个八段LED数码管的接口方法主要有两种：动态驱动法和静态驱动法。动态驱动法使用硬件少，但显示过程需要用软件来维持，一旦显示子程序不再执行，显示内容亦立即消失，因此，其应用受到一定的限制。静态显示法则克服这个缺陷，它能保持原显示内容，直到更改时才显示新的内容，但它所用的硬件较多。两种方法都可使用并行口或串行口控制13。本文的LED数码管显示采用串行口静态显示，使8031的串行口可以工作于移位寄存器方式，用来驱动LED静态显示器。这样可以充分利用串行口，而将并行口用到最需要的地方去；同时软件程序不需要对LED显示器进行扫描，这样8031有更多的时间处理其他事情。这种方法用于显示位数较少，显示亮度较高场合时效果较好。串行口静态驱动方式的LED显示电路原理如图7所示。与串行键盘输入类似，可以使用74LS164串行输入并行输出的8位移位寄存器作为数码管的段选通端，每一片LED数码管用一片74LS164,LED数码管的公共阴极连在一起并接低电平。当用串行口扩展键盘、显示器接口时，通过采用串行输入/并行输出移位寄存器74LS164扩展并行输出口，每连接一片74LS164可扩展一个8位并行输出口，用于连接一个LED段选口作静态显示或作键盘中的8根列线使用。图7为串行口扩展的键盘、显示器接口电路。键盘中，每扩展一根行线，可增加8个按键，图中P1.4通过“与”门控制74LS164的CK端，P1.5通过“与”门控制74LS164的CLR端，P1.6用于判断键值信号。设定其工作在方式0下，串行口作同步移位寄存器用。串行数据由TXD端输入或输出。发送时串行口把8位数据从TXD端送出，接受时，REN是串行口接收器允许接收控制位。REN=0，禁止接收；REN=1，允许接收，当软件置REN为“1”时，即开始从TXD端输入数据，当接收到8位数据时，置中断标志R1为“1”。报警电路：正常运行时绿灯亮，在保温阶段炉内温度超出系统允许误差范围，就要进行报警。报警时报警灯亮，电笛响，同时发送中断信号至CPU进行处理。报警电路如图8所示。3.5温度控制系统原理图（如图9所示）图7 串行口扩展的键盘、显示器接口电路图8 报警电路图图9 温度控制系统原理图4.温度控制的算法及程序框图4.1电炉的数学模型及控制算法的选择通常，电阻炉炉温控制都采用偏差控制法14。偏差控制的原理是先求出实测炉温对所需炉温的偏差值，然后对偏差值处理获得控制信号去调节电阻炉的加热功率，以实现对炉温的控制。在工业上，偏差控制又称PID控制，这是工业控制过程中应用最广泛的一种控制形式，目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。不同的控制系统，其传感器、变送器、执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制系统的传感器是温度传感器。要实现对电阻炉的自动控制，首先要测得电炉的数学模型15。本设计中电阻炉为一阶纯延时惯性环节，其传递函数可表示为:G(S)= KeS/(s+1) （4-1）式中为纯延时时间，=NT,T为采样周期。为惯性时间，K为放大系数。利用飞升曲线法可以求出K，在本设计中取参考经验值K=4，=80s,=1min。考虑到被控对象模型的不精确性和其参数随时间的漂移以及系统要求超调量小而允许调节过程较长，故采用Dahlin算法。电阻炉温度控制系统为一个纯滞后的调节系统，他们的滞后时间比较长，对于这样的系统，人们更感兴趣的是要求系统没有超调或很少的超调量而调节时间则允许在较多的采样周期内完成。对于这样的系统用PID算法效果欠佳。大林算法是针对工业生产过程中含有纯滞后环节控制对象的控制算法，它具有良好的效果。4.2系统程序流程图温度控制程序的设计应考虑如下：(1)键盘扫描、键码识别和温度显示；(2)炉温采样、数字滤波；(3)数据处理；(4)越限报警和处理；(5)PID计算、温度标度转换。系统的软件设计采用模块程序框图，各模块的程序框图如下：（1） 系统主程序框图及A/D转换子程序流程图（如图10和图11所示）主程序开始初始化参数设置调用温度采样子程序调用温度数值转换和BCD码转换程序调用显示子程序温度大于上限设定值？温度小于下限设定值？启动继电器退出NNYY 主程序开始初始化参数设置调用温度采样子程序调用温度数值转换和BCD码转换程序调用显示子程序温度大于上限设定值？温度小于下限设定值？启动继电器退出NNYYN设置数据段数据段缓冲开始启动A/D转换器读入状态信息转换是否结束读取数据并返回Y 图11 A/D转换子程序流程图图10 系统主程序框图主程序：ORG 0000HAJMP MAINORG 0003HAJMP KEYSORG 000BHAJMP PIT0ORG 001BHAJMP PIT1 ；中断入口及优先级MAIN：CLR 5FH ；清上下限越限标志 MOV A，#00HMOV R7，#09HMOV R0，#28HLP1：MOV R0，AINC R0 DJNZ R7，LP1MOV R7，#06HMOV R0，#39HLP2：MOV R0，AINC R0DJNZ R7，LP2MOV R7，#06HMOV RO，#50HLP3：MOV R0，AINC R0DINZ R7，LP3 ；清显示缓冲区MOV 33H，#00HMOV 34H，#00H ；赋KP高低字节MOV 35H，#00HMOV 36H，#00H ；赋KI高低字节MOV 37H，#00H MOV 38H，#00H ；赋KD高低字节MOV 42H，#00HMOV 43H，#00H ；赋K高低字节MOV TMOD，#56H ；T0方式2，T1方式1计数MOV TLO，#06HMOV THO，#06H MOV 25H，#C8H ；设定值默认值200SETB TR0 ；键盘高优先级SETB ET0SETB EX0SETB EA ；开键盘T0，T1中断LOOP：MOV R0，#56H MOV R1，#55H LCALL SCACOV ；标度转化 MOV R0，#53H LCALL DIR NOP LCALL DLY10MS NOP LCALL DLY10MS AJMP LOOP ；等中断键盘子程序KEYS：CLR EX0 CLR EA PUSH PSW PUSH ACC ；关中断 LCALL DLY10MS ；消抖CC： JB P3.2 AASETB 5DH ；置“显示设定值温度值标志”MOV A，25H ；取运算位的值MOV B，#10H ；BCD码转化DIV A BMOV 52H，AMOV A，BMOV 51H，AMOV R0，#50HLCALL DIR ；显示设定温度NOPLCALL DLY10MSNOPLCALL DLY10MSJB P1.7，BBMOV R1，#25HLCALL DAAD1NOP LCALL DLY10MS AJMP CCBB：JB P1.6 CCMOV R1，#25HLCALL DEEC1NOPLCALL DLY10MSAJMP CCAA： POP ACCPOP PSWSETB EX0RETI显示子程序DIR： MOV SCON ，#00H ；置串行口移位寄存器状态SETB P1.4 ；开显示JB 5DH，DL1 ；显示设定温度DL2： MOV DPTR,#SEGTDL0： MOV A，R0MOVC A，A+DPTRMOV SBUF ，ALOOP1：JNB TI，LOOP1 CLR TIINC R0MOV A，R0MOVC A，A+DPTRANL A，#7FH ；使数带小数点MOV SBUF，ALOOP2：JNB TI，LOOP2CLR TIINC R0MOV A，R0MOVC A，A+DPTRMOV SBUF，ALOOP3：JNB TI，LOOP3CLR TICLR P1.4CLR 5DHRETDL1：MOV 50H，#0AH AJMP DL2DB：0C0H，0F9H，0A4H，0B0H，99H，92H，82H，0F8H，80H，90H，0FFH（2） LED显示流程图及数字控制算法子程序流程图（如图12和13所示）图12 LED显示流程图 图13 数字控制算法子程序流程图五.心得体会通过分析电阻炉温度变化规律，采用单片机来设计一个控制系统来实现对炉温