精品毕业论文恒温箱控制系统设计

摘 要恒温箱主要是用来控制温度,它为农业研究、生物技术测试提供所需要的各种环境模拟条件，因此可广泛适用于药物、纺织、食品加工等无菌试验、稳定性检查以及工业产品的原料性能、产品包装、产品寿命等测试。恒温箱供科研机关及医院作细菌培养之用;也可以作育种、发酵以及大型养殖孵化等用途。恒温箱控制系统能够自动温度控制、人工干预温度控制、远程温度控制等多功能的高性能装置。可以形成规模化和产业化，大范围的应用到现代化工业生产。本论文结合工厂中如何实现恒温箱控制，讨论大多数工业生产情况下对恒温箱中的温度进行有效控制的方法。因此采用以单片机为基础的恒温箱控制系统，单片机系统包括89C52处理器、扩展存储器27512及6264，并行接口芯片8255、8253、ADC0809、8279、掉电保护和复位以及看门狗电路等。具体方法是使用铂锗-铂热电偶进行温度数据采集，经过放大和滤波电路进行A/D转换，转换后的值再根据标准分度表转换成温度值，同时显示出来。并且通过CAN总线传输控制参数。关键词: 单片机 恒温箱 热电偶 CAN总线 目 录第一章 绪论.11.1温度控制方法发展现状.11.2本文研究的意义.3第二章 系统的结构52.1硬件选择.52.1.1处理器AT8955252.1.2存储器.62.1.3 A/D转换器ADC0809.62.1.4定时计数器8253.62.1.5可编程并行I/O接口芯片82C55A.62.1.6热电偶.72.1.7 LED显示结构.72.1.8可编程键盘8279/显示器接口元件.72.1.9掉电保护电路.82.1.10复位电路.92.1.11看门狗电路.92.1.12固态继电器.9.14第四章测温数据采集与处理.164.1概述164.2电路基本原理174.2.1信号放大及滤波电路.184.2.2热电偶冷端补偿电路.204.2.3电路放大倍数的测量.244.2.4电路放大倍数的拟合.264.3数据处理274.3.1数字量分度表的求出.274.3.2热电偶的热电势随温度的变化规律.284.4 PID控制技术的理论分析.284.4.1PID控制技术原理.294.4.2温控系统PID控制的调节过程.29第五章系统软件设计.295.1系统整体程序设计295.2数字滤波子程序305.2.1算术平均滤波程序.315.2.2滑动平均值滤波程序.315.2.3程序判断滤波.315.2.4中值滤波.325.3 A/D转换子程序.335.4延时子程序DELAY.335.5二进制转十进制子程序BCDCH.335.6越限报替子程序355.7显示子程序355.8 8255并行口子程序.365.9 PID子程序.36第六章总结.36第一章 绪论恒温箱是在一定的温度下，用以饲养或培养生物或生物的一部分（细胞等）的箱型器具。常用的恒温箱主要分为三类：高温恒温箱(高于60)；中温恒温箱(-1060)；低温恒温箱(低于-1O)。随着社会发展的需求，人们对恒温箱的应用和需求越来越广泛，在工业生产和日常生活或科学实验中，我们随处都可以看到恒温箱的应用。如，可以根据动物生活习性的需要控制饲养棚合适的温度来进行孵卵或动物培养；在农业上，可用于种子的发芽；在科学实验上，可产生恒温环境用于各种细菌培养等；在医学上，可用于做细菌培养、放射免疫分析、血清溶化、石腊熔化、试管消毒等。恒温箱的温度控制系统可分为人工调节和自动调节两种方式，人工调节是通过温度计进行测量后手动调节变压器，从而控制产生热量的大小；而自动调节往往通过热电偶传感器进行测温，输出电压值，经放大后加到电机上驱动电机来调节变压器，其优点是可以连续、实时、准确的来控制温度。基于单片机技术的温控器和可编程温度传感器相结合使用是目前恒温箱温度控制较为先进的一种方式。单片机是一种集CPU、RAM、ROM、I/O接口和中断系统等部分于一体的器件，只需要外加电源和晶振就可实现对数字信息的处理和控制。因此，单片机广泛用于现代工业控制中。控制具有体积小、重量轻、价格低、可靠性高、耗电少和灵活机动等许多优点，因此如果能利用单片机进行温度的测量和控制，将会大大提高温度测量和控制的可靠性和灵活性。单片机对温度测量控制过程是借助于传感器、A/D转换器以及扩展接口和执行机构来进行的。在闭环型过程控制中，过程的实时参数由传感器和A/D转换器来实时采集，并由单片机自动记录、处理并控制执行机构动作来进行调节和控制。因此需要对单片机进行扩展和开发，来形成整个单片机温度控制系统。并且通过CAN总线传输控制参数。1.1温度控制方法发展现状最近十年来，在温度控制方法上有了快速的发展。己从传统的直接控制转变成PID控制、模糊控制、神经网络控制和遗传算法等控制方法。 1.PID控制即比例、积分、微分控制。这种控制由于其结构简单、实用、价格低，在广泛的过程领域内可以实现满意的控制，所以应用极其广泛, 尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。该方法通过温控系统将热电偶实时采集的温度值与设定值比较，差值作为PID功能块的输入。PID控制算法根据比例、积分、微分系数计算出合适的输出控制参数，利用修改控制变量误差的方法实现闭环控制，使控制过程连续。2.人工神经网络是当前主要的、也是重要的一种人工智能技术，是一种采用数理模型的方法模拟生物神经细胞结构及对信息的记忆和处理而构成的信息处理方法。它用大量简单的处理单元广泛连接形成各种复杂网络，拓扑结构算法各异，其中误差反向传播算法(即BP算法)应用最为广泛。3.模糊控制是基于模糊逻辑的描述一个过程的控制算法，主要嵌入操作人员的经验和直觉知识。它适用于控制不易取得精确数学模型和数学模型不确定或经常变化的对象.。 5.遗传算法是模拟达尔文的遗传选择和自然淘汰的生物进化过程的全局优化搜索算法。它将生物进化过程中适者生存规则与群体内部染色体的随机信息交换机制相结合，通过正确的编码机制和适应度函数的选择来操作称为染色体的二进制串1或0。引入了如繁殖交叉和变异等方法在所求解的问题空间上进行全局的并行的随机的搜索优化，朝全局最优方向收敛。基于遗传算法温控系统的设计就是传感器得到的温度信号放大，数字化送入单片机，单片机将其与给定温度进行比较，用遗传算法来优化3个PID参数，然后将控制量输出。1.PID控制即比例、积分、微分控制。这种控制由于其结构简单、实用、价格低、鲁棒性好和可靠性高，在广泛的过程领域内可以实现满意的控制，所以应1.2本文研究的意义通过单片机来控制的恒温箱促进了生产过程自动化。而生产过程自动化是保持生产稳定、降低消耗、改善劳动条件、保证生产安全和提高劳动生产率的重要手段。采用温度控制系统来控制温度对企业具有重要的意义:1.降低劳动强度，改善劳动条件。采用单片机系统后，不再需要工人不停的对恒温箱进行检查。2.提高控制精度。单片机可以对温度进行实时的控制，降低温度加热的滞后性，以此提高加热的精度。3.提高工作效率，降低成本，采用单片机系统控制可以更快的达到恒温控制的效果，提高工作效率、节省能源、降低成本。4.提高企业对可控制电加热技术的应用水平，锻炼企业技术人员的开发、应用能力。第二章 系统的硬件结构。2.1系统的总体结构及描述根据恒温箱的要求本系统采用89C52作为系统的处理器，通过扩展RAM、ROM、8253、8255、A/D转换电路、热电偶、加热器件、以及CAN总线构成完整的系统。整体结构如图1.1。图中由A/D转换器构成输入通道，用于转换从炉内采集的温度信号。其中，数据采集电路将热电偶信号(温度信号)变为电压信号输出，再经放大电路将电压信号变为05V标准电压信号，以供A/D转换用。转换后的数字量通过PID调节纠正误差，从而达到对电阻炉的温度精确控制。炉温的初始值由键盘输入，计算出所需要的控制量送给8253，由8253送至固态继电器，通过固态继电器的导通，同时利用CAN协议转换芯片SJA 1000对温度数据进行格式转换，经CAN驱动82C250送到CAN总线上传输,从而控制加热电器的加热工作。图2.1系统总体结构2.2单片机及定时复位单元2.2.1微处理器AT89C52AT89C52单片机是最新的一种低功耗、高性能内含SK字节闪电存储器的8位CMOS微控制器，与工业标准MCS51指令系列和引脚完全兼容有超强的加密功能，其片内闪电存储器的编程与擦除完全用电实现，数据不易挥发，编程/擦除速度快，它的主要特点有：(1)内部程序存储器为电擦除可编程只读存储器EEPROM，容量SKB，内部数据存储器容量256B(不包括专用寄存器)，外部数据存储器寻址空间64KB，外部程序存储器寻址空间64KB；(2)有三个16位的定时器/计数器；(3)可利用两根I/O口线作为全双工的串行口，有四种工作方式，可通过编程选定； (4)内部ROM中开辟了四个通用工作寄存器区，共32个通用寄存器，以适应多种中断或子程序嵌套的情况；(5)内部有6个中断源，分为二个优先级，每个中断源优先级是可编程的；(6)堆栈位置是可编程的，堆栈深度可达128字节；(7)内部有一个由直接可寻址位组成的布尔处理机，在指令系统中包含了一个指令子集，专用于对布尔处理机的各位进行各种布尔处理，特别适用于控制目的和解决逻辑问题。图2.2 89C52其引脚结构2.2.2看门狗X5045组成定时复位电路由于单片机自身的抗干扰能力较差，在工作环境较恶劣的场合，很容易造成单片机因外界干扰导致“死机”现象，造成系统不能正常工作。设置“看门狗”电路是防止单片机系统死机，提高单片机系统抗干扰能力的一条重要途径。 此处选用XICOR公司的专用可编程芯片X5045作为看门狗，引脚见图3.3。 X5045带512B(4Kbits)的E2PROM，具有四种常用功能:上电复位、看门狗定时器、电源电压监控和存储器块锁(Block Lock)保护。定时时间通过软件可选择:200ms, 600ms和1.41 us。工作时在程序的适当位置定时安排一条“喂狗”指令，要求其时间间隔小于图2.2系统电路原理图X5045的预置间隔，这样只要系统死机或程序“跑飞”，X5045会自动发出溢出脉冲，使单片机复位，从头开始执行程序。由于单片机没有SPI接口，在硬件上要利用I/O口线通过软件来产生SPI接口协议的操作时序，X5045与单片机的连接见图2.2图2.3 X504引脚图温度数据采集与处理222热电偶传感器广义来讲，一切随温度变化而物体性质亦发生变化的物质均可作为温度传感器，但是一般能真正能作为实际中可使用的温度传感器的物体一般需要具备下述条件:1）物体的特性随温度的变化有较大的变化，且该变化量易于测量;2）对温度的变化有较好的一一对应关系，即对出温度外其它物理量的变化不敏感;3）性能误差及老化小、重复性好、尺寸小;4）有较强的耐机械、化学及热作用等特点;5）与被检测的温度范围和精度相适应;6）价格适宜;符合上述条件的一般有热电偶、热电阻、光辐射温度计、玻璃温度计、半导体集成温度传感器等。在这些传感器中，由于热电偶传感器随温度的变化量为电压，十分利于单片机系统的数据采集，且其测温范围较宽（01800）同时测量的准确性灵敏度都较高，因此大部分测温都采用热电偶传感器。本系统中也采用铂锗一铂热电偶传感器。3.1热电偶传感器理论基础将两种定的不同材料的导体组成一个闭合回路，如果两个结点的温度不同，则回路中将产生一电流(电势)，其大小与材料性质及及结点温度有关，称这种物理现象为热电效应。因其是赛贝克先生发现的也称为塞贝克电势，通常称此电势为热电势。如图3.1所示。实验证明回路的总电势为: EAB(T, TO) = ABdT= EAB(T)EAB(TO) 3.1式中，AB 是塞贝克系数，其值随着材料和两结点温度而定。后来研究指出，热电效应产生的电势(T，TO)，由泊尔帖效应和汤姆逊效应这两种效应引起的即: 热电势EAB(T, TO) =接触电势+温差电势EAB(T, TO)ABTOT图2.4热电效应1.2泊尔帖效应接触电势)两种不同材料金属A和B接触时，在它们的接触面之间也会形成电位差称为内接触电势。设A导体的电子密度为NA，B导体的电子密度为Na，且NANa，则在两导体的接触处就会发生自由电子的扩散现象，自由电子将从密度大的A导体一方向电子密度小的B导体一方扩散，使A导体失去自由电子而带正电，B导体因得到负电子而带负电，正负电荷的对垒在接触面上就形成了电场，直到使电子扩散达到动态平衡为止。两种不同导体在接触面形成的电势，称为泊尔帖电势，又称接触电势。此电势(TO)由两个导体的材料和接触点(面)处的温度T所决定。根据电子学理论有: (TO)= 3.4式中，k为玻耳兹曼常数，(J/K) 。T0为接触处的绝对温度k。NA，NB分别为A，B导体的自由电子密度，e为自由电子电荷量。 由于(T)与的(TO)方向相反，故回路的接触电势为: (T)(TO)= = 3.53.1.3热电势 EAB(T, TO)= (T)(TO)+A dTB dT =(T)(TO)+ (AB) dT=(T)+(AB) dT(TO)+ (AB) dT= EAB(T)EAB(TO) 3.6式中，EAB (T)称为热端分热电势，EAB (T0)称为冷端分热电势。由上述讨论可知，当两结点温度相同时，即T=T0，由式(3.3)知，由式(3.5)知泊尔帖电势也为0。当两种导体材料相同，两结点温度不同时，两结点处的泊尔帖电势皆为0，所以回路总电势仍为0。因此，可得如下结论:(1) 如果热电偶两个电极的材料不同，但结点温度相同，也不会产生电势(2)当热电偶两个电极的材料不同，且A和B材料固定后，热电偶EAB (T,T0)便为两结点温度T，T0的函数，即: EABC(T, TO)= EAB(T, TO) EAB(T, TO)= EAB(T)EAB( TO) 3.7 当TO保持不变时，即E(TO)=常数，则热电偶EAB(T, TO)便为热端温度T的单值函数，即: EAB(T, TO)= E(T)& (T) 3.8 由此，引出EAB(T, TO)和温度T有单值对应关系，这是热电偶侧量温度的基本公式。热电偶的极性如下:(l)测量端失去电子的热电极为正电极;得到电子的热电极为负电极;(2)在热电势符号EAB(T, TO)中规定写在前面的A和T分别为正极和高温写在后面的B和T。分别为负极和低温。如果它们的前后位置互换，则热电偶的极性就反向。例如EAB(T, TO) =EAB(T0, T)和EBA(T, TO) =EAB(T, TO).判断热电势最可靠的方法是，将热端加热，在冷端用直流电表辨别。热电偶测量温度的基本原理热电偶有一个中间导体定律，即将A和B导体构成热电偶。并将冷端TO断开，接入第三种导体C(如图3.2所示)，则回路的总电势为: EABC(T, TO)= EAB(T, TO) 3.9 ABCTTOTO图2.5三导体热电回路根据中间导体定律，把第三种导体(C)换成毫伏表，并保持两个结点温度一致，就可以完成测量任何温度场的温度。导体A和B组成热电偶，第三种导体C为毫伏表，毫伏表与A和B热电偶冷端的两个结点的温度均为冷端温度T0，而热电偶A，B的热端置于需要测量的温度场T，这样根据中间导体定律，由导体A，B，C组成的回路的总电势为: EABC(T, TO)= EAB(T, TO)=EAB(T)EAB( TO) 3.10当保持TO =常数时，则EAB(T, TO)=常数=C，所以上式变为: EABC(T, TO)= EAB(T, TO)=EAB(T)C=& (T) 3.11上式就是热电偶测量温度的基本原理，只要保持冷端温度TO不变，则热电偶的输出电势就是所测温度T的单值函数，即热电偶的输出电势EAB(T, TO)就反映了被测温度的大小。3.3冷端温度补偿由式(3.11)可知，热电偶测量温度必须与被测温度保持单值关系，此时只有EAB( TO)=常数=C，也就是说只有TO=常数，才能得到EAB(TO)= & (T)，在确定这个函数关系时，不是用精确的数学表达式计算出来，而是用实验方法，采用分度表的形式表达出温度与电势之间的关系值。在制分度表时，通常采用热电偶的冷端温度TO=0下测得的，所以在使用热电偶时，只有满足TO=0度的条件下，才能直接应用分度表或分度曲线。在工程测温中，冷端温度常随工作环境温度而改变，这将引入测量误差。因此，必须进行冷端补偿。补偿方法都是保证冷端保持在恒温状态，由于工厂环境的比较恶劣，而且温度是随着气候的变化而变化，为了在工厂环境下能发挥出很好的作用。采用用PN结温度传感器作冷端补偿此方法利用PN结随温度升高结电压减小的性质，在补偿电桥法的基础上用二极管代替补偿电阻。将PN结温度传感器冷端测量电桥置于与热电偶冷端相同的环境中，并使其与热电偶放大器具有相同的灵敏度(mV/)。再将它们的输出分别连接到求和电路相加，则自动地补偿了因冷端温度变化而引起的电压误差。在此次测温系统中使用的是铂锗热电偶，其测温范围为01800。在冷端温度为0时，热端在500时对应的的热电势为4.234mV右，热端为0100时，对应的热电势为0mV0.645mV，其每度温差对应的热电势为0.0058mV0.0060mV。而所采用的系统的A/D转换电路为8位。其满量程值为+5V，所以其只能实现OV5V范围内的A/D转换，转换分辨率为5/256=0.01953125(V)=19.53125(mV)。所以一定要将热电势信号进行放大，才能和A/D电路相连，不然转换精度不够，测量精确度也不够。4.3.2铂锗热电偶的热电势随温度的变化规律以下为铂锗热电偶的标准分度表乘以放大倍数之后所得的表2.1 (只列出一部分值)。表中温度单位为，“电势”为热电偶的标准分度表中的热电势值乘以放大倍数之后所得的值，单位为mV。表2.1热电偶电势与温度的对应关系温度05101520电势0189.050368.759567.347757.631温度2530354045电势956.8561159.9131377.6461576.3091783.480温度5055606570电势2005.6022235.5732447.2152681.3442896.430温度7580859095100电势3147.3643365.7593613.3983841.7924099.6854324.532可以看出热电势与温度成近似的线性关系。 4.23放大电路本放大电路属于精密放大电路，这种电路不仅要求放大电路误差小，稳定性好，而且希望抗干扰性能好，噪声小。为此，采用共模抑制比很高的三运放差分放大电路。此电路简图如图4.2所示。由理想运放工作在深负反馈的的“虚短”和“虚断”的概念，可求得电阻Rl中的电流是: 4.1运放A1和A2的输出电压之差是: 4.2将式上式和 4.3代入上式，可得: 4.4 若取=1000，则=1000即可将差模信号放大1000倍。而对共摸信号，=0，U11=U12=UC时，电阻R:中的电流等于0(设A1和A2的特性一致)，因此:U01=U02=U0C 4.5上式和式(3.18)表明，前级将差模信号与共摸信号之比提高了2R2/R1倍，因而即使后级运放A3的只有，电阻的匹配精度只有0.01%左右，整个电路的共摸抑制比仍可达水平。由于前级(A1:和A2)的共模抑制比很高，因而前级抑制温漂及其它千扰的能力很强，其放大倍数可做很高而误差很小，且不易自激振荡。所以本测温系统的放大电路中，取R2=51K，R1=91.5K。，则前级放大倍数为: 4.6即 =1111.57 4.7后级为一单运放的差分放大电路，其放大倍数计算公式应为-R4/R3，即 4 .8本测温系统放大电路中后级取R4=61K，R3=22.4K。，则: 4 .9考虑到前级放大倍数后，理想情况下总的放大倍数为: 4 .10图2.6 差分放大电路 4.2.4电路放大倍数的拟合由于放大电路在实际应用时受整个环境，电路自身的影响，最终实际放大倍数不可能与理想放大倍数6906.4完全相同。在求出实际放大倍数后，可根据040的实际放大倍数进行冷端补偿。而本系统目前只考虑了1OO内的具体情况，而超过100的部分由于不易从实验中获得，但是其实际放大倍数会随温度的升高越来越接近理想放大倍数。在温度较低时，放大倍数比较高。而随温度逐渐升高时，放大倍数越来越接近理想放大倍数。这是由于温度较低时，信号较弱，受干扰的影响较大，而当温度变高后，信号变强，受干扰后的影响变小。所以在超过100时，放大倍数会更接近理想放大倍数。为了更能显示出放大倍数随温度的变化，在拟合时采用60以后的数据进行拟合。拟合方法采用最小二乘法拟合一次多项式，采用800C以后的数据进行拟合。设一次多项式为 4 .17使得 4.18为最小。由多元函数取极值的必要条件，得方程组 4.19其中j=0，1移项得 4.20将表4.1中数据带入计算可分别得出，即放大倍数随温度变化得一次多项式可表示为 4 .21即放大倍数和温度之间的关系可表达为放大倍数=7475一12.5温度 4.22实际放大倍数由于温度越高会越来越接近理想放大倍数，从式4.22可以看出当温度为105时，其放大倍数几乎等于其理想放大倍数。所以在温度超过100时，计算时实际放大倍数即取理想放大倍数。 4.2.3电路放大倍数的测量将热电偶的冷端置于冰水混合物中(要绝缘)，用毫伏表测量其输出电压，发现与热电偶说明书的分度表的数据基本吻合，于是就直接采用热电偶的分度表的数据。以下只介绍本测温系统测O100部分的原理，高温部分同理。将做好的电路的输入端接热电偶的冷端，热电偶的热端置于装有水的杯子里。调节水温，用水银温度计量出温度，再从毫伏表上读出此时电路输出端的电压，即可求出相应于每一温度的电路放大倍数。测出的数据如表2.2所示。表2.2中相应于每一温度的输出端的电压值均为多次测同一温度点的输出电压的平均值，因数据太多，对每一温度点处，不列出每次测量数据，只列出平均值。70以上高温变化太快，误差较大，舍去。40以下因调零及冷端补偿引起的误差较大的舍去。表中的“读数”为电路输出端用毫伏表读出的值;“表值”为相应于此温度的热电偶分度表中对应的值;“放大倍数”为测出的此温度点的放大倍数，即为:“读数”/ “表值”表2.2数据采集电路放大倍数测量水温（）789101112读数(V)0.2780.3140.3560.3990.4350.477表值(mV)0.0390.0440.0500.0550.0610.067放大倍数7128.27122.47117.47112.67105.17099.4水温（）1314115161718读数(V)0.5190.5540.5960.6380.6810.722表值(mV)0.0730.0780.0840.0900.0960.102放大倍数7095.67090.67089.67080.37076.27070.4水温（）192021222324读数(V)0.7570.7980.8410.8820.9240.965表值(mV)0.1070.1130.1190.1250.1360.137放大倍数7066.87063.57060.37056.67056.47043.6水温（）252627282930读数(V)1. 771.0491.0881.1251.1661.208表值(mV)0.1430.1490.1550.1600.1670.173放大倍数7038.27034.67029.37023.47018.67012.7水温（）313233343536读数(V)1.2591.2891.3351.3671.4131.448表值(mV)0.1790.1850.1920.1980.2040.210放大倍数7006.5557000.66992.46989.56983.56979.2水温（）373839404142读数(V)1.4641.5221.5641.6011.6341.673表值(mV)0.2160.2220.2290.2350.2410.247放大倍数6972.56966.96961.26954.56950.16945.3水温（）434445464748读数(V)1.7151.7451.7751.8171.8541.890表值(mV)0.2540.2600.2660.2740.2790.286放大倍数6940.06933.06922.76945.76910.86905.5水温（）495051525354读数(V)1.9211.9652.0022.0452.0802.125表值(mV)0.2920.2990.3050.3120.3180.325放大倍数6900.866895.66890.36889.46885.96875.3水温（）555657585960读数(V)2.1622.2072.2462.2882.3222.370表值(mV)0.3310.3380.3440.3510.3570.365放大倍数6870.76864.66860.36853.46542.26835.1水温（）616263646566读数(V)2.4142.4512.4862.5372.5792.618表值(mV)0.3710.3770.3840.3910.3970.404放大倍数6826.56820.36814.668095.6800.26793.6 于是，可求出766放大倍数的平均值为放大倍数总和/60 平均放大倍数=6906.4从表2.2中可以看出，随着温度降低，放大倍数有升高的趋势，这主要时由于实验条件的限制，调零和冷端补偿做的不够好，因而温度越低，这部分的影响越大，温度越高，信号越大，这部分影响占的比例越小，因而更接近计算出的理想放大倍数6906.4。4.2.4电路放大倍数的拟合由于放大电路在实际应用时受整个环境，电路自身的影响，最终实际放大倍数不可能与理想放大倍数6906.4完全相同。在求出实际放大倍数后，可根据040的实际放大倍数进行冷端补偿。而本系统目前只考虑了1OO内的具体情况，而超过100的部分由于不易从实验中获得，但是其实际放大倍数会随温度的升高越来越接近理想放大倍数。在温度较低时，放大倍数比较高。而随温度逐渐升高时，放大倍数越来越接近理想放大倍数。这是由于温度较低时，信号较弱，受干扰的影响较大，而当温度变高后，信号变强，受干扰后的影响变小。所以在超过100时，放大倍数会更接近理想放大倍数。为了更能显示出放大倍数随温度的变化，在拟合时采用60以后的数据进行拟合。拟合方法采用最小二乘法拟合一次多项式，采用800C以后的数据进行拟合。设一次多项式为 4 .17使得 4.18为最小。由多元函数取极值的必要条件，得方程组 4.19其中j=0，1移项得 4.20将表2.2中数据带入计算可分别得出，即放大倍数随温度变化得一次多项式可表示为 4 .21即放大倍数和温度之间的关系可表达为放大倍数=7475一12.5温度 4.22实际放大倍数由于温度越高会越来越接近理想放大倍数，从式4.22可以看出当温度为105时，其放大倍数几乎等于其理想放大倍数。所以在温度超过100时，计算时实际放大倍数即取理想放大倍数。 2.2.3 A/D转换器TLC2543本系统选用的A/D转换芯片为TI公司的TLC2543。TLC2543为CMOS 12位开关电容逐次逼近A/D转换器，片内含有一个14通道多路选择器，可从11个模拟输入或3个内部自测电压中选择一个编码。片内还包括采样保持电路，系统时钟由片内产生并由I/O CLOCK同步。它与单片机相连时只需4条连接线：CS , I/O CLOCK , DATAINPUT, DATAOUT，因此可以大大减少单片机的I/O资源，这在本系统显得尤为重要。通过对其内部8位状态寄存器的编程，可以定义输出数据的长度和格式，TLC2543的引脚排列见图2.7TLC254的主要特点：11个输入通道，12位串行输出;工作温度范围内10 s转换时间;3路内置自测方式;采样率为66kbps;线性误差士1LSB (max);可编程单、双极性输出;可编程MSB或LSB前导输出，可编程输出数据长度(8、12、16bit)。图2.7 TLC2543的引脚排列选用的理由是： 考虑到该系统还会用于采集其它工业设备控制参数，如压力、温度、流量等，因此TLC2543的11个模拟输入通道满足以后扩展要求。 系统中单片机AT89C52只有32个I/O口，在本系统来说有些紧张，而TLC2543只需4条I/O线和单片机连接，大大节省了I/O资源，因此也满足要求。3.4 键盘输入、数据显示及报警单元这部分完成报警临界值输入、温度数据在4位数码管实时显示以及若超出规定限度产生报警信号的功能。3.4.1 键盘输入 由于本系统中单片机的I/O资源紧张，因而只设了三个按键:换位键(SHIFT )、运行键（RUN）和递增键(INCC)。 换位键(SHIFT ):指定4位数码管中对某一位操作; 递增键(INCC):对指定的某一位数码管进行循环加1操作; 运行键(RUN):接受某一位设定值，并脱离该位设定过程转向下一位操作。 89C52采用查询SHIFT和INCC方式输入，RUN以中断方式(/INT 1)与89C52相连。3.4.2 数据显示本系统中要求将采集到的温度数据以十进制高度形式在4位数码管实时显示。经过分析决定采用静态显示方式。之所以这么设计是因为本系统为一个实时数据采集、传输、显示系统，这些操作不能间断，而单片机以顺序结构执行各程序模块，因此单片机的机时显得非常紧张。若采用动态显示方式，就要求单片机必须在一个适当循环周期内对数码管动态扫描，才能不出现明显的闪烁感，这对整个系统工作频率提出了苛刻的条件。为了节省单片机机时，使程序结构简单，同时考虑到本系统还用于除温度以外其它高频率过程参数的采集，因此采用静态显示方式。图2.8 ICM7212芯片的功能表ICM7212为4位共阳极驱动LED显示器芯片，驱动电流大于5mA，典型值为8mA，带4位位选择输入，采用4位BCD码译码，具有亮度外部调节。其中位选择输入D1D4接单片机Pl口的P1.0P1.3, 4位BCD码输入接单片机P1口的P1.4P1.7。3.4.3 报警单元7系统中利用无源蜂鸣器和三极管构成了一个简单的报警电路，当温度超出规定的上下限时报警输出。其输入接单片机P2口的P2.7，报警时单片机送出一定频率的脉冲，经三极管构成的放大器驱动可产生报警，电路连接见图3-2，报警程序设计流程见后续。3.5 CAN总线协议单片机将采集的液位数据输出显示的同时，还要将数据通过CAN总线通信接口以符合CAN协议的数据形式发送到总线上供其它总线单元使用。完成这一功能要利用CAN总线控制器，这也是本系统最重要的部分。CAN总线控制器及特性本课题中CAN总线控制器芯片采用了PHLIPS公司1997年推出的独立式CAN协议控制器SJA 1000。它集成了CAN的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作。SJA 1000有两种工作模式:Basic CAN模式和Peli CAN模式。其中Peli CAN模式较以前增添了很多新的特性，全面支持CAN 2.0B协议规范。它具有以下主要特性：在设计上其软件和硬件与PCA82C200 CAN控制器兼容(Basic CAN模式);扩展接收缓存； 支持CAN 2.0B协议规范；支持11位与29位标识符；位速率可达1Mbps；扩展Peli CAN ；时钟频率最高为24MHz ；接口兼容多种微处理器；CAN输出驱动配置可编程。 以下方面与Basic CAN相比体现的特点如下：接收和发送采用扩展帧格式；接收FIFO为64字节；双重验收滤波器；错误计数；;错误警告限制可编程；;错误代码捕捉寄存器；针对每种CAN总线错误的错误中断；;自我测试。图2.8 SJA1000的引脚第五章系统软件设计5.1系统整体程序设计系统整体软件设计包括管理程序和控制程序两部分，管理程序包括LED显示的动态刷新、控制指示灯、处理键盘的扫描和响应。进行掉电保护的处理、执行中断服务操作等。控制程序是对被控对象进行采样、数据处理、根据控制算法进行计算和输出等。控制程序包括A/D转换，数据采样，数字处理、中值滤波，上下限报警处理，PID计算等。在主程序中，首先设置堆栈，对8255、8253、各寄存器以及外部RAM、8279等进行初始化，并设置有关标志位。然后键入初始温度，开始系统温度的采集、处理、控制过程。图5.1中，“初始温度”即为希望控制的恒定温度值。“目前温度值”即为不断循环采集到的实时温度值。延时子程序可以利用温度测量处理部分的延时子程序DELAY。“初始温度”和“目前温度值”的偏差经P功运算后，从8255输出控制，然后经过延时，在进行数据采集，同时显示目前温度值。这样，便循环不断的将实时温度及时反馈给控制系统，便于及时调整输出控制信号。延时程序的目的是为了避免因采集反馈信号的频率过高而使输出控制信号变化过快。 键入初始温度B初始化设置送入目前温度A进入数据处理程序是否越限？PID控制程序送入8253，控制恒温箱延时子程序显示报警显示图5.1系统整体软件流程5.2数字滤波子程序一般单片机应用系统的输入信号中，均含有各种噪音和干扰，它们来自被测信号源本身、传感器、外界干扰等。为了进行准确测量和控制，必须消除被测信号中的噪音和干扰。噪音有两大类:一类为周期性的，另一类为不规则随机性的。前者的典型代表为50Hz的工频干扰。对于这类信号，可以采用积分时间等于20ms整数倍的双积分A/D转换器，能有效的消除其影响。后者为随机信号，而不是周期信号。对于后者，可以用数字滤波方法加以消除。所谓数字滤波，就是通过程序计算或判断以减少随机干扰在有用信号中的比重，故实际上它是一种程序滤波。由于它是利用程序来实现的，所以数字滤波不需要增加硬件设备，可靠性较高，稳定性较好。接下来比较以下几种数字滤波的方法。5.2.1算术平均滤波程序算数平均法是按输入一次采样的N个数据( i为1N)。并寻找一个Y，使Y与各采样值之间的偏差的平方和为最小。这种算法适用于一般具有随机干扰的信号滤波，并特别适合信号本身在某一数值范围附近作上下波动的情况。但是其采集数据量较多，处理时间较长，且编制程序相当繁锁