单片机原理及其接口技术课程设计-温度控制器的设计.doc

温度控制器设计 课程设计说明书前 言随着科学技术的不断进步与发展，温度传感器的种类日益繁多，应用逐渐广泛，并且开始由模拟式向着数字式、单总线式、双总线式和三总线式方向发展。而数字温度传感器更因适用于各种微处理器接口组成的自动温度控制系统具有可以克服模拟传感器与微处理器接口时需要信号调理电路和a/d转换器的弊端等优点，被广泛应用于工业控制、电子测温计、医疗仪器等各种温度控制系统中。在现代化的工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。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。采用mcs-51单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。因此，单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题。 1 设计任务与要求1.1 基本要求高温锅炉在炼制底属时是必须严格控制温度的，要求熔炉中的温度变化范围在1以内，以免在融化所要炼制的金属的同时也融化了其他杂质，以致炼出的金属纯度不够高。温度的范围可以人工设定。（低熔点金属的比如铅、锡、铝等的熔点温度都比较低）。1.2 性能指标 温度控制范围-50500，要求精确到0.1； 可人工设定温度范围内的任一温度点； 由单片机控制显示当前电炉内的温度； 系统性能稳定、误差范围小、操控性好。2 系统分析与论证2.1 方案分析方案一： 由220v交流电压给电炉供电，在电炉内壁接入铂电阻感温元件pt100，感温元件所探测到的温度信号被转为很微小的电压信号，经过放大器放大后送入a/d转换器中得到一定精度的数字信号，再数字信号输入单片机内进行处理，判断出该对继电器发送通或断的控制信号。继电器主要由一个三极管和一个电阻线圈构成，当线圈通电时，它产生的电磁力使电炉的开关吸合，以提升炉内的温度；当线圈断电时，电磁力消失，电炉的开关自动断开，以降低炉内的温度。 以铂电阻感温元件为检测元件的单片机温度控制系统电路原理图如图2-1所示： 图2.1 以铂电阻感温元件为检测元件的单片机温度控制系统电路原理图方案二： 由220v交流电压给电炉供电，在电炉内壁接入热电偶温度计作为感温元件，热电偶温度计的测量范围达到-2701800，探测到的温度信号被转为很微小的电压信号，经过放大器放大后送入a/d转换器中得到一定精度的数字信号，再数字信号输入单片机内进行处理，判断出该对继电器发送通或断的控制信号。单片机采用8051设计，内置存储器。继电器主要由一个三极管和一个电阻线圈构成，当线圈通电时，它产生的电磁力使电炉的开关吸合，以提升炉内的温度；当线圈断电时，电磁力消失，电炉的开关自动断开，以降低炉内的温度。分析： 方案一通过铂电阻感温元件pt100将温度转换为电压信号，由于得到的电压信号是很微小的，因此要通过放大器进行放大处理。铂电阻感温元件pt100测温精度高，灵敏度高，而且价格也比较便宜，已经达到了设计所要求的性能，因此选用该元件做为本次设计所需元件。由于放大后的信号为模拟信号，因此通过a/d转换器将模拟信号转换为一定精度的数字信号，才能使用单片机进行处理，单片机会根据所得的信号判断当前的温度状况，进而输出0或1的控制信号对电路的通断进行控制。当温度低于设定值时，单片机发出电平为0的输出信号使继电器电路导通，电炉加热升温；反之，电炉不接通而降温。该方案条理清晰简洁，精确度也比较高，而且易于调节和控制温度。 方案二采用的热电偶温度计的测温范围虽然达到-2701800，但由于其稳定性低、灵敏度低，系统成本高，而且主要适用与高温范围，与所要求的测温性能不符合，因此不选用该方案做为设计方案。2.2 方案确定通过对上面的方案进行分析后，综合各方面的考虑之后，我采用了方案一作为本次设计的最终确定方案。3 系统各单元模块设计3.1 传感器模块传感器模块采用铂电阻温度传感器pt100。铂电阻温度传感器具有精度高，稳定性好，可靠性强，产品寿命长等优点,适用于工业自动化测量及各种实验仪器仪表。技术指标名称 分度号测温范围精度等级 误差t 铂电阻 pt100pt500pt1000-2006001/3din(0.10+0.0017| t | ) a级(0.150.002 | t | ) b级(0.300.005 | t | ) 热响应时间 在温度出现阶跃变化时，铂电阻的输出变化至量程变化的50%所需要的时间称为热响应时间，用0.5表示。 铂电阻绝缘电阻 常温绝缘电阻的试验电压可取直流10100v任意值，环境温度在 1535范围内，相对湿度应不大于80%，铂电阻的常温绝缘电阻应不小于100实际100。铂电阻的高温绝缘电阻应不小于0.5, 实际0.8。厚膜铂电阻温度传感器的艺特点： 以铂浆料替代铂细丝 以丝网印刷替代手工缠绕 以玻璃包封替代套管封装 元件特性： 以激光调阻替代手工调阻（1）线性：铂的材料特性，电阻值对温度的变化几乎是线性，此特性使得客户能精确地依据事先定义的曲线，计算待测物温度，并设计其应用电路。也正是此特性，元件具有可互换性的卓越特色。 （2）广泛的温度测量范围：由于铂的特性稳定，不会因高低温而引起物理或化化学变化。视其所选用的封装材料而定，厚膜铂电阻感温元件在-200+600宽范围内拥有长期稳定性好的特点。（3）高精确度：由铂浆料生产的厚膜铂电阻其精确度可达0.06，符合iec-751的国际a级标准要求。 （4）高可靠性：即使经长期使用，厚膜铂电阻仍然十分稳定。据测试，厚膜铂电阻在温度600条件下250小时后，电阻变化0.02。能满足军事、科研、工业生产等重要领域的精密测温要求。 （5）极佳的性能价格比：厚膜铂电阻能实现规模化生产，而且投资少、工艺流程简捷、原材料成本底、成品率高，具有极佳的性能价格比。厚膜铂电阻是传统丝绕的替代产品，并可以部分替代热敏电阻。各传感器元件的性能比较如下表：元件类别测量范围价格系统成本稳定性灵敏度线性度适合使用范围铂电阻温度传感器-70+600中等中等高中等高测量范围广且精确度需求高之应用领域热电偶温度计-2701800中等高低低中等高温测量热敏电阻-80150低中等中等高低测量范围窄或单点温度测量pt100温度传感器阻值计算（电工委员会标准iec751的方程式）： 在-78到0的温度范围内： rt=1001+3.9080210-3t-0.580210-6t2-4.2735010-12(t-100)t3 在0到+600的温度范围内： rt=100(1+3.9080210-3t-0.580210-6t2) 其中：rt是温度t时的阻值（单位：） ， t是温度（单位：） pt100厚膜铂电阻温度传感器允许通过的工作电流为5ma。 我在此假设电炉的温度为500，则pt100温度传感器的阻值计算为：r（500）=100(1+3.9080210-3500-0.580210-65002) =100(1+1.95401-0.14505) =1002.80896 =280.9 3.2 放大器模块通过pt100厚膜铂电阻温度传感器的工作电流为1ma，则其输出的电压值为：u=280.9 1ma=0.2809 v又放大器的驱动电压为5v，则放大器所需的放大倍数为：a= 5v / 0.2809 v =17.8选用放大倍数为18倍的直流电压信号（v/i）隔离放大器 （0-5v/0-20ma）直流电流信号隔离放大器是一种将电流信号按比例输出隔离电流或电压信号的混合集成电路。 应用：地线干扰抑制，信号长线传输，安全隔离栅，电力监控，医疗设备，仪器仪表，工业自控等需要将模拟电量隔离的行业 精度等级：0.1级、0.2级、0.5级（非线性度5000 (故用大于13位的a/d转换器可以达到要求)所以选择一个位数为16位的a/d转换器，能分辨065536bit。16位的a/d转换器选用16脚标准dip封装形式的ad7715，而没有使用soic或tssop封装。因为和原来使用的adc相比，dip封装的ad7715已经非常不占位置了。ad7715片内共有通信、设置、数据、测试四个寄存器供编程和访问。主要技术参数：16位无误码输出，0.0015%非线性度；三线制串行接口，可灵活地与微处理机或dsp执连接；前端增益可编程为1、2、32、128这四种，能对四段量程内信号直接进行高分辨率的转换而不用另外进行量程匹配处理；内设自校准电路，可有效去除零点漂移和增益误差；内设模拟输入缓冲器，可直接对高阻信号进行转换；可使用的内部寄存器：通信寄存器，8位，可读写。每次对ad7715的访问都必须先向此寄存器写入命令字。写入的命令字决定下一步操作是针对哪一个寄存器，是读操作还是写操作。此外，通过该寄存器可设定片内放大器增益。设置寄存器，8位，可读写。该寄存器负责a/d各种模式的设置。数据寄存器，16位，只读。保存了最后一次a/d采样的转换结果。带输出速率可编程的低通滤波器，可根据需要选用不同转换速率。 图3.3 系统中ad7715接线图3.4 单片机模块mcs-51单片机，体积小，重量轻，抗干扰能力强，对环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，即使是非电子计算机专业人员，通过学习一些专业基础知识以后也能依靠自己的技术力量，来开发所希望的单片机应用系统。由于它具有体积小、功能强、性价比高等特点，所以广泛应用于电子仪表、家用电器、节能装置、军事装置、机器人、工业控制等诸多领域，使产品小型化、智能化，既提高了产品的功能和质量，又降低了成本，简化了设计。硬件电路设计:3.4-1 温度检测和变送器 温度检测元件和变送器的类型选择与被控温度的范围和精度等级有关。变送器由毫伏变送器和电流/电压变送器组成,为了提高测量精度，变送器可以进行零点迁移。3.4-2接口电路接口电路采用mcs-51系列单片机8031，8031单片机是intel公司生产的mcs-51系列单片机中的一种，除无片内rom外，其余特性与mcs-51单片机基本一样。外围扩展并行接口8155，程序存储器eprom2764，模数转换器adc0809等芯片。由图1可见，在p2.0=0和p2.1=0时，8155选中它内部的ram工作；在p2.0=1和p2.1=0时，8155选中它内部的三个i/o端口工作。相应的地址分配为：0000h - 00ffh 8155内部ram0100h 命令/状态口0101h a 口0102h b 口0103h c 口0104h 定时器低8位口0105h 定时器高8位口 图3.4-1 单片机温度控制系统电路原理图 8155用作键盘/led显示器接口电路。图4-2中键盘有30个按键，分成六行（l0-l5）五列（r0-r4），只要某键被按下，相应的行线和列线才会接通。图中30个按键分三类：一是数字键0-9，共10个；二是功能键18个；三是剩余两个键，可定义或设置成复位键等。为了减少硬件开销，提高系统可靠性和降低成本，采用动态扫描显示。a口和所有led的八段引线相连，各led的控制端g和8155c口相连，故a口为字形口，c口为字位口，8031可以通过c口控制led是否点亮，通过a口显示字符。mov dptr，#03f8hmovx dptr,a若8031执行下列程序：mov dptr，#03f8hmovx a，dptr则可以从ad7715输入a/d转换后的数字量。图3.4 -2 8155用作键盘/led显示接口电路ad7715的最高更新率可以达到500hz，即理论上2ms可以完成1次a/d转换，但实际上如果考虑到通道切换的因素后，这个速率是不可能的。因为通道轮流切 换后，a/d内部的信号需要重新建立，通道间信号差异越大，两次连续转换间误差也越大。这个问题在其它类型的adc中也存在。有两种方法可以使ad7715在恒定的时间后获得正确的输出：一是使用设置寄存器中的fsync（同步）位，二是使用通信寄存器中的stby（备用）位，我们采用后面一种方法。另外一个问题就是串口数据，ad7715输出数据和接收命令都是高位在先，而51系列串口的数据时序是低位在先；所以不论是写8位的命令，还是读取16位的转换结果，数据要经过高低位的颠倒处理。调试程序如下：void initial_7715()scon=0x00； /*串口写*/initialize_ad(); /*初始化ad7715的通信口*/writereg(0x10);/*下面写设置寄存器*/writereg(0x7c);/*自标定，2.4576mhz，500hz更新率，单极性，非缓冲模式*/while(!in_port & 0x80)）； /*等待自标定结束*/while(in_port & 0x80);void writereg(unchar bytepoint)run=0； /*ad7715 cs=0*/sbuf=exchange(bytepoint); /*字节首尾交换*/while(!ti);ti=0；run=1;float readdata 16()unchar temp1;unint temp2;writereg(0x04); /*进入stby方式，且下次写通信寄存器*/writereg(0x38); /*退出standby方式，设置读操作，3/rate时间后出结果*/while(!(in_port & 0x80);while(in_port & 0x80); /*等待读时刻到来*/run=0； /*ad7715选中*/scon=0x10; /*串口读*/while(!ri);temp1=sbuf; /*读低8位*/temp2=(unint)temp1;while(!ri);scon=0x00； /*读两字节后停止接收*/run=1;temp1=sbuf; /*读高8位*/temp2|=(unint)temp1)上限？清上次越限标志计算pid采补从p1.2输出t1初始化温度标度转换温度显示t1中断完？恢复现场返回=下限？下限？下限报警取最大pid值输出采补置本次越限标志上次越限？越限计数器+1越限n次？t1初始化温度标度转换送本次越限标志上限处理恢复现场返回yyyyn图3.4-4中断服务程序框图不同的控制对象，所采用的算法有所不同。例如对于热惯性大、时间滞后明显、耦合强、难于建立精确数学模型的大型立式淬火炉，可以采用人工智能模糊控制算法，通过对淬火炉电热元件通断比的调节，实现对炉温的自动控制，也可以采用仿人智能控制（shic）算法和pid控制算法的联合控制方案，实际应用时应灵活运用。3.5 继电器模块 继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。继电器(relay)也是一种电门，但与一般开关不同，继电器并非以机械方式控制，而是一种以电磁力来控制切换方向的电门。当线圈通电后，会使中心的软铁核心产生磁性，将横向的摆臂吸下，而臂的右侧则迫使电门接点相接，使两接点形成通路。 简单的单轴单切式继电器，一颗继电器也可以同时切换多组电门，一个双轴双切的继电器，它有八支接脚，排列方式如图上接脚编号。另外继电器规格除了电门接点数目不同，还要注意线圈的工作电压是直流或是交流电，使用的电压电流大小，切换电门耐电压程度等，继电器的规格有6v、9v、12v、24v、48v、100v、110v、200v、220v等，例如一般工业界常用的继电器接点可以耐电压电流110vac-10a，线圈使用电压为24vdc，共有二组或三组接点。低电压的直流继电器可以直接用电晶体推动，使用极为方便。 一般继电器规格中它并不会说明继电器需要多少电流可以驱动线圈，在使用时可以量测线圈内的电阻值，就可以利用欧姆定律换算出耗电流，如果我们量测阻值为150w，线圈驱动电压24vdc，耗电流为24v/150w=0.16a，这样就可以知道电源供应器需要供应多大的电流，才能使继电器作动。 继电器是相当重要且常见的电子元件，在许多机械控制上都相当有用。继电器就其在控制电路中的作用来讲，它是以一定的输入信号(如电流、电压或其它热、光非电信号)实现自动切换电路的“开关”。所以，它是一种自动、远动电器元件。另外，继电器也不单是作为一个简单的“开关”来用，它还有其它的“控制”作用。例如电车的快、慢、起、停控制；汽车转弯的指示等都是继电器在工作。继电器作为一个控制电器来讲，它有两个主要部分：一个是控制系统(又叫输入回路)；另一个是被控制系统(又叫输出回路)。继电器之所以能起自动控制作用，是因为当它的控制系统中输入的某信号(输入量)，如电、磁、光、热等物理量，达到某一定值时，能使输出回路的被控制量(输出量)跳跃式的由零变化到一定值(或由一定位突跳到零)。我们把这种能自动使被控制量发生跳跃变化的控制元件称为继电器。继电器动作原理（图）： 图3.5 继电器动作原理图3.5 为直流无极继电器，当电流通过线圈时，铁芯吸动衔铁，使推杆向上移动，带动中簧片断开后接点，而与前接点闭合；当电源切断后，铁芯失磁，衔铁自行释放，使推杆下降，中簧片断开前接点，而与后接点闭合。继电器应用原理（图）：继电器线圈没电时，铁芯失磁，中簧片与后接点闭合，使信号灯电路接通红灯，则红灯亮（如上左图）；继电器线圈有电时，铁芯吸动衔铁，中簧片与前接点闭合，使信号灯电路接通绿灯，则绿灯亮（如上右图）。 本次设计中，我采用电磁继电器来对电炉的开关进行控制，选用sh-22f型继电器，其性能参数如下所示：触点形式：1a,1b,1c触点负载（阻性）：15a:125vac/28vdc ；12a: 250vac线圈电压(v)：直流 548 线圈功率：0.36(w) 0.45(w) 吸合电压(额定电压)：75% 释放电压(额定电压)：10%介质耐压：触点与触点间1000，触点与线圈间 1500 触点接触电阻 (m)：50电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。4 系统的调试与验证4.1 确定pid算法 普通pid控制算法中引入积分环节的目的，是为了消除静差，提高控制精度。但在过程的启动、结束或大幅度增减设定时，短时间内系统输出有很大的偏差，会造成pid运算的积分积累，引起系统较大的超调和振荡。温度过程对象变化比较缓慢且带有纯滞后环节。若采用单纯pid控制，当有较大扰动或大幅度改变给定值时，会产生较大的偏差，此时在积分项的作用下，往往会产生较大的超调和长时间的温度波动。4.1-1 控制算法设计 温度控制系统中，一般认为温度被控对象gc(s)为纯滞后的一阶惯性环节，其传递函数为: g c(s)=ke-ts/(t1s+l)式中k为对象增益，t1为对象的时间常数，t为对象的纯滞后时间。温度控制原理:4.1-2 开关控制： 实测温度比设定值小时，不断输出，加热器通电。当实测温度比设定值大时，加热器就不通电。根据加热器电源的通和断，保持一定的温度。控制简单，不会发生偏移，但是会产生过热现象，且震荡。其波形如图4.1-2所示（右图）： 图4.1-24.1-3 比例动作（p）： 在设定值发生的比例带中，操作输出量对偏差进行比例的动作。实测温度小于比例带时，控制输出量为100%；进入比例带时，操作量逐渐减小，当实测值和设定值一致的时候，控制输出量为50%。相对于开关动作，震荡小，比较容易控，但 图4.1-3 是，达到稳定需要较长时间，会发生偏移。其波形如图4.1-3所示。 4.1-4 积分动作（i）：比例动作时，会发生偏移。把积分动作和比俄例动作组合使用，随着时间的推移，偏移会消除，从而让控制温度和设定值趋于一致。它虽然没有了偏移，但是达到稳定也 需要很长时间。其波形如图4.1-4所示（右图）： 图4.1-44.1-5 微分动作（d）：比例动作和积分动作，可以修正控制结果，但是，速度较慢。微分动作可以修补他们的缺点，用偏差所发生的倾斜微分系数的操作量，加以修正。反应速度很快，但是不能单独控制。其波形如图4.1-5所示（右图）。 4.1-6 pid控制： 图4.1-5由于比例动作，积分动作，微分动作各有较大的缺点，所以，就将三者组合在一起控制，也就是pid控制，对于温度的控制具有良好的效果。这是因为比例动作不易发生震荡，积分动作可自动修复偏移量，微分动作可抗外因引起的变化。温控箱在出厂前要进行pid的参数设置，这些都是 图4.1-6根据负载进行调试的，一定要知道负载的功率，加热到稳定状态所需时间。其波形如图1-2.5所示（右图）。pid控制的一般算式模拟控制系统的pid控制规律表达式为:u(t)=kce(t)+1/tit0 e(t)dt+td(de(t)/dt)式中：u（t）控制器的输出；e(t)-偏差，设定值与反馈值之差；kc控制器的放大系数；ti-控制器的积分时间常数：td-控制器的微分时间常数。对于ddc控制系统，它是对被控对象进行断续控制，因此要对上式进行离散。令 : t0e(t)dti=0 e(i) (为采样周期) d(de(t)/dt)e(k)-e(k-1)/ 可得第k次计算机输出的位置型pid控制算式为: u(k)=kce(k)+(/t i)i=0 e(i)+td/e(k)-e(k-1)式中：ki积分增益或积分系数，ki=kc/ti;kd微分增益或微分系数，kd=kctd/.增益型pid控制算式由于上式中第二项的计算比较复杂，占用内存又比较大，应用不太方便，如采用增益型pid控制算式则可以避免该项琐碎的计算，是比较适宜的。即 u(k)=u(k)-u(k-1) =kce(k)-e(k-1)+kie(k)+kde(k)-2e(k-1)+e(k-2) =kce(k)+kie(k)+kd2e(k)而u(k)可由递推算式获得 u(k)= u(k-1)+ u(k)4.2 系统硬件调试硬件电路的调试按照系统硬件设计与调试的原则进行，依次对单片机控制系统、人机交互通道分别进行调试。调试时可利用仿真器对各个接口地址进行读写操作，静态的测试电路各个部分的连接是否正确；对于动态过程可以编写简短的调试程序配合硬件电路的调试。单片机控制系统的调试硬件调试：根据设计的原理电路做好实验样机，便进人硬件调试阶段。调试工作的主要任务是排除样机故障，其中包括设计错误和工艺性故障。脱机检查:用万能表或逻辑测试笔逐步按照逻辑图检查机中各器件的电源及各引脚的连接是否正确，检查数据总线、地址总线和控制总线是否有短路等故障。仿真调试:暂时排除目标板的cpu和eprom，将样机接上仿真机的40芯仿真插头进行调试，调试各部分接口电路是否满足设计要求。通常的方法是，先编调试软件，逐一检查调试硬件电路系统设计的准确性。其次是调试monitor程序，只有monitoer程序正常工作才可以进行下面的应用软件调试。硬件电路调试的一般顺序是:检查cpu的时钟电路。通过测试ale信号，如没有ale信号，则判断是晶体或cpu故障，这称之为“心脏”检查。检查abus/dbus的分时复用功能的地址锁存是否正常。检查i/o地址分配器。一般是由部分译码或全译码电路构成，如是部分译码设计，则排除地址重叠故障。对扩展的ram, rom进行检查调试。一般先后写人55h,aah，再读出比较，以此判断是否正常因为这样ram,rom的各位均写人过01,1代码。用户级i/o设备调试。如面板、显示、报警等等。外部程序存储器电路：用仿真器读出eprom中的内容与实际存入的内容比较，如果读出内容有错，则依读出内容分析，查找系统数据线、地址线、控制线有无开路、短路、虚焊和连接错误等情况。（2）输入信号的调试静态工作点调整改变电炉的温度，测出任一温度点对应的电压，并作温度输出电压关系曲线，观察该曲线，应呈线性关系。a/d转换器调试在0200范围内选取若干个测试点，用仿真器向ad7715口地址（fe00h）写任意数以启动a/d转换；读出p1.0状态，低电平说明转换完毕；从ad7715口地址（fe00h）读转换结果，与预测值比较；结果不正确，必须查ad7715与8031的连接是否正确，还要检查ad7715两端电压是否是+5v。（3）输出信号的调试静态调试用仿真器在p1.2上输出低电平，继电器通电，产生的电磁场使电炉的开关吸合，电炉开始加热；在p1.2上输出高电平，继电器断电，电磁场消失，电炉停止加热。如果输出不正常，应按照信号输出顺序分别检查p1.2端口、继电器电路是否出现接触上的问题、电路两端的电