毕业设计（论文）-温度控制系统的程序设计.doc

温度控制系统的程序设计系 别：专 业 班：姓 名：学 号：指导教师： 摘 要本系统采用单片机（c8051f020）作为温度自动控制系统的控制、计算、显示的核心部件，来实现对控制系统的温度的自动控制与可调。电路由温度信号采集、温度控制、pwm变换、显示及声光指示等四部分组成。温度传感器选用线性温度/电压传感器lm35，采用ti公司生产的四位半双积分a/d转换器icl7135读取温度值采样，利用它所采集的反馈值与目标温度进行比较后，采用pid控制算法，有效地减小系统的超调量与稳态误差，来快速地达到所要求的535的范围内的某一设定值。采用陶瓷半导体制冷片作为加热、制冷的换能元件。系统采用闭环控制原理，使用pid算法，在线调试整定其比例系数kp、积分系数ki、微分系数kd，决定pwm的占空比，变换成012v的可调电压作用在制冷片的两端，通过继电器的切换，实现加热与制冷。 关键词：温度采集与变换 pid算法 pwm波输出 温升曲线显示 目 录 摘要iabstract绪论1 1温度控制的发展21.1温度控制的发展及意义21.2课题的背景22 pid 控制原理42.1pid控制的原理和特点42.1.1pid增量型算法42.1.2pid参数整定42.1.3pid算法程序43系统总体设计63.1 方案的设计与论证63.1.1控制对象分析63.1.2 方案选择63.2系统总体结构73.3系统的具体设计与实现73.3.1硬件系统设计73.3.2软件系统设计103.3.3pid参数工程整定法113.3.416位脉宽调制器方式113.3.516位脉宽调制器方式pwm输出子函数123.3.6pca clock信号133.3.7数字滤波133.4系统调试与测试133.4.1温度采集部分调试143.4.2控制与采集电路调试143.4.3温度自动控制测试结果14结论15注释16致谢17参考文献18附录1系统总硬件原理图19附录2系统总硬件pcb板图20附录3 系统主程序2132绪 论伴随着电子技术、半导体技术的发展，数字系统在测控领域的应用日益广泛。以集成电路为基础的数字系统逐渐取代了以分立元件为基础的模拟系统。单片机的出现是近代计算机技术发展史上的一个重要里程碑。在单片机诞生之前，为了满足工控对象的嵌入式应用要求，只能将通用计算机进行机械加固、电气加固后嵌入到对象体系中。但由于通用计算机的巨大体积和高成本无法嵌入到大多数对象体系中。单片机应嵌入式应用而生，它的微小体积和低成本可广泛应用在仪器仪表和工业控制单元中。近些年计算机领域的变化令人目不暇接，而单片微型计算机（简称单片机），作为微型计算机家族中的一员、发展中的一个分支，以其体积小、单一电源、功能强、价格低廉、低功耗、运算速度快、可靠性高、面向控制等独特优点，称为自动化和各个测控领域中广泛应用的器件，在工业生产中称为必不可少的器件，尤其是在日常生活中发挥的作用也越来越大。在我国高校的工科院校中，已普遍开设单片机及其相关课程，单片机已成为电子系统中最普便的应用手段。在许多实践环节中，如课程设计、毕业设计、电子竞赛等，采用单片机系统来解决各类电子技术问题已成趋势。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。基于以上的条件，我们选择了单片机系统作为本毕业设计的应用手段。温度检测与控制系统在工业控制中应用广泛，像在半导体、冶金、化工等领域随处可见。温度采集与控制系统的设计对自动化专业的学生而言是经典的、涵盖知识面广的题目。温度采集与控制系统是单片机系统应用、高精度检测以及控制算法的程序实现的集合。采用单片机为cpu的系统对某些控制系统的控制可以得到良好的效果。作为毕业设计的课题，它具有很强的实用性。 1 温度控制的发展1.1 温度控制的发展及意义现代工业设计、工程建设及日常生活中常常需要用到温度控制,早期温度控制主要应用于工厂中，例如钢铁的水溶温度，不同等级的钢铁要通过不同温度的铁水来实现，这样就可能有效的利用温度控制来掌握所需要的产品了。在现代社会中，温度控制不仅应用在工厂生产方面，其作用也体现到了各个方面，随着人们生活质量的提高，酒店厂房及家庭生活中都会见到温度控制的影子，温度控制将更好的服务于社会。1.2 课题的背景随着电子技术的发展，特别是随着大规模集成电路的产生，给人们的生活带来了根本性的变化，如果说微型计算机的出现使现代的科学研究得到了质的飞跃，那么单片机技术的出现则是给现代工业控制测控领域带来了一次新的革命。目前，单片机在工业控制系统诸多领域得到了极为广泛的应用。特别是其中的c51系列的单片机的出现，具有更好的稳定性，更快和更准确的运算精度，推动了工业生产，影响着人们的工作和学习1。温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关，因此温度控制是生产自动化的重要任务。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，燃料，控制方案也有所不同。例如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等；燃料有煤气、天然气、油、电等；控制方案有直接数字控制（ddc），推断控制，预测控制，模糊控制（fuzzy），专家控制(expert control)，鲁棒控制（robust control），推理控制等。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、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，在工业生产中如：用于热处理的加热炉、用于融化金属的坩锅电阻炉、反应炉、锅炉等，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。本温度控制系统的对象是一封闭木盒，针对日常生活，要求所设计的系统具有软硬件结构简单、成本低廉、可靠性高（即不易出错）等特点。本系统的设计则以上述特点为宗旨设计。本次设计的论文题目是温度控制系统的程序设计。主要涉及三个方面：控制算法的实现以及应用程序的设计；设计系统输出驱动电路的实现；单片机系统设计及将其应用于温度采集与控制系统中。围绕着实际应用的要求，重点解决：单片机应用系统中控制程序设计、系统对输出控制精度、对可靠性、稳定性的要求等方面的电路设计。2 pid 控制原理2.1 pid控制的原理和特点 2.1.1 pid增量型算法pid增量型算法表达式见公式（2-1） u（n）=kpe(n)-e(n-1)+kie(n)+kde(n)-2e(n-1)+e(n-2) (2-1) 误差为e(n)=r(n)-c(n)。 其中，n第n次采样，r(n)设定温度，c(n)实际温度。当|e|c时，uk(n)=最大（max）或最小（min）；当0|e|100) percentage=100; if(percentage8;功能：setting_pwm（40），p0.1发出占空比为40%的16位pwm波。3.3.6 pca clock信号 此clock提供给7135双积分ad转换器，除了5个16位的通用计数器/定时器之外，c8051f020 mcu系列还有一个片内可编程计数器/定时器阵列（pca）。pca包括一个专用的16位计数器/定时器时间基准和5个可编程的捕捉/比较模块。时间基准的时钟可以是下面的六个时钟源之一：系统时钟/12、系统时钟/4、定时器0溢出、外部时钟输入（eci）、系统时钟和外部振荡源频率/8。每个捕捉/比较模块都有六种工作方式：边沿触发捕捉、软件定时器、高速输出、频率输出、8位脉冲宽度调制器和16位脉冲宽度调制器。pca捕捉/比较模块的i/o和外部时钟输入可以通过数字交叉开关连到mcu的端口i/o引脚10。在主函数内要调用pca_init()。clock信号输出函数：void pca_init() pca0cn= 0x40; /直接给7135加clock信号 pca0md= 0x01; pca0cpm0= 0x46; pca0cph0= 0x01; pca0cpm1= 0xc2;/pwm波生成 eie1= 0x08; /pca3.3.7 数字滤波所谓数字滤波，就是通过一定的计算或判断程序减少干扰在有用信号中的比重，也即是一种程序滤波或软件滤波。数字滤波克服了模拟滤波器的不足，是用程序实现的，不需要增加硬设备，所以可靠性高、稳定性好，且无阻抗匹配问题。常见的数字滤波方法有：程序判断滤波、算术平均滤波、中值滤波、惯性滤波、加权平均滤波等。这里限于篇幅仅介绍加权平均滤波法。 在算术平均滤波中，n次采样值在结果中占的比例是相等的，即每次采样值具有相同的加权因子1/n。但有时为了提高滤波效果，往往对不同时刻的采样值赋以不同的加权因子，这种方法称为加权平均法。加权平均滤波适用于系统纯滞后时间较大而采样周期较短的过程。 3.4系统调试与测试3.4.1温度采集部分调试(1)校准基准电压。先将icl7135 的第十脚接地，调节电位器，使第二脚的对地电压（基准电压）为0.5伏。(2)自制100mv电压源。接入icl7035的第十脚。标定ad值为20000。3.4.2控制与采集电路调试(1)校准opa132的输出电压，使其在0-12v范围内变化。(2)调节电位器使得2级rc电路能够有比较平滑的电压输出。(3)控制继电器线圈的得电，使得制冷片两端的电压能够在0-12v之间切换。3.4.3温度自动控制测试结果如下表2所示：表2 温度自动控制测试记录表试验类别目标温度()起始温度（）调节时间（s）超调量（）稳态误差（） 1 35 20 900.510.2 2 19341340.40 0.21 3 8 23 90 0.27 0.22 4 35 25 120 2.9 0.23 5 5 20 300 0.2 0.12 6 8 23 180 0.31 0.17结 论经过四年学习的积累，在已经掌握相关专业方面知识及其它各方面知识的情况下，我认真严肃的完成了我的毕业设计。从得到题目到查找资料，从对题目的研究设定到pcb电路板的制作，从电路板的调试到失败后再一次全部重新开始在这一个充满挑战伴随挫折，充满热情伴随打击的过程中，我感触颇深，它已不仅是一个对我四年学习知识情况和我的应用动手能力的检验，而且还是对我的钻研精神，面对困难的心态，做事的毅力和耐心的考验。我在这个过程中深刻的感受到了做毕业设计的意义所在，和我一样真正投入了身心去做的人也一定会有同样的感触。本设计利用单片机c8051f020低功耗、处理能力强的特点，使用单片机作为主控制器，对木盒内环境温度进行监控。其结构简单、可靠性较高，具有一定的实用价值和发展前景。通过测试的数据所示，本设计较好的完成了预期设计目标，温度控制精度达0.01摄氏度以上，调节时间短，超调量小，抗干扰能力强，稳定性好。本系统采用c8051f020单片机来实现温度的自动控制，大大简化了控制系统的硬件结构。实际上，该系统还能由用户设定pid调节参数，是一个数字控制器，因而具有较强的实用性和鲁棒性。通过此次毕业设计,让我对单片机、逻辑电路和控制系统有了更多的更全面系统的了解；巩固和加深了我对单片机的实用价值的理解；提高了我综合运用所学知识的能力；培养了我根据课题需要选学参考书籍、查阅手册、图表和文献资料的自学能力；通过独立思考，深入钻研有关问题，学会自己分析解决问题的方法。这次毕业设计使我熟练的掌握了硬件设计、软件设计及系统软、硬件调试的基本思路、方法和技巧，并能熟练使用当前较流行的一些有关电路设计与分析方面的软件和硬件，增强了动手能力和树立了对试验操作和数据分析一丝不苟的的态度本次设计的完成，对我四年大学所学的东西做了一个完整的综合，把许多学到的知识付诸实践；学以致用，这才是学习的根本所在。同时，这次对新知识的学习，也锻炼了自己的自学能力。在以后的学习当中，更有信心把握自己努力的方向，不断学习，不断进步。致 谢转眼间，大学本科四年的学习生涯即将结束，在这次毕业设计的过程中得到了指导教师李川香老师的悉心指导和帮助，李老师在此期间给了我不少的帮助，平日里李老师的工作就十分繁多，但是在我毕业设计过程当中仍然抽出时间来进行指导，还有自动化系所有的一直支持我们毕业设计的老师们，正是他们为我们提供了最好的实验场所，让我们能更潜心的研究设计内容。其次我也要感谢课题组的各位同学，在毕业设计的短短4个月里，大家在一起合作都很努力，分工合作，做硬件的做硬件方向，做软件的做软件方向，合作的很愉快,正是有你们的配合和帮助，才使课题得以顺利完成，在此也真诚的谢谢你们。此次设计过程中，困难与欢乐并驾齐驱，细心与耐心相辅相成。每当遇到的困难能顺利解决时，那种成功过后的欢乐最让人回味。总的说来，感谢李老师和同组同学的支持和帮助！大学生活的结束，也是我人生新的生活起点，我将谨记老师们的教诲，将自己的所学奉献给社会。 注 释1 胡乾斌,李关斌.单片微型计算机原理与应用.武汉：华中理工大学出版社，2006:3-4.2 余永权，李小青.单片机应用系统的功率接口技术.北京：北京航空航天大学出版社，1992：52-58.3 肖来胜，冯建兰.单片机技术实用教程.华中科技大学出版社.2004：12-16.4 何希才.传感器及其应用电路.电子工业出版社，2004：25-35.5 汪建.mcs-96系列单片机原理及应用技术.华中理工大学出版社.1998：15-20.6 张洪润，刘秀英.单片机应用设计200例.北京航天航空大学出版社.2006：56-67.7 徐爱钧.单片机高级语言 c51 应用程序设计m. 北京：电子工业出版社，2002：32-45.8 张开生，郭国法.mcs-51 单片机温度控制系统的设计.微计算机信息，2005：72-78.9 赖寿宏.微型计算机控制技术.北京:机械工业出版社，1994:90-95.10 何立民.单片机应用系统设计系统配置与接口技术m.北京：北京航空航天大学，1990:112-132.参考文献1 王克义,鲁守智，蔡建新，王文保.微机原理与接口技术教程. 北京：北京大学出版社，2004.2 何希才.传感器及其应用电路.电子工业出版社，2004.3 余永权，李小青.单片机应用系统的功率接口技术.北京：北京航空航天大学出版社，1992.4 肖来胜，冯建兰.单片机技术实用教程.华中科技大学出版社.2004.5 汪建.mcs-96系列单片机原理及应用技术.华中理工大学出版社.1998.6 张洪润，刘秀英.单片机应用设计200例.北京航天航空大学出版社.2006.7 徐爱钧.单片机高级语言 c51 应用程序设计m.北京：电子工业出版社，2002.8 张开生，郭国法.mcs-51 单片机温度控制系统的设计.微计算机信息，2005.9 赖寿宏.微型计算机控制技术.北京:机械工业出版社，1994.10 何立民.单片机应用系统设计系统配置与接口技术m.北京：北京航空航天大学，1990.11 李晓荃.单片机原理与应用m. 北京:电子工业出版社，2000.12 刘和平.单片机原理及应用m.重庆：重庆大学出版社，2002.13 谢自美.电子线路设计实验测试(第二版)m.武汉：华中科技大学出版社，2000.14 樊昌信.通信原理(第五版)m.北京：国防工业出版社,2001 .15 richard c.dorf.modern conctrol systermm.beijing:science publishing house，2002.16 donald a. neamen. electronic circuit analysis and designm.tsinghua universitypress and springer verlag.2002.附录1系统总硬件原理图 附录2 系统总硬件pcb板图附录3 系统主程序 /*-端口说明：-单片机：p0.0pca产生921.6khz频率方波送入7135中p0.1发出16位的pwm波信息 p0.2接收7135来的busy信号 p0.3 speak p0.4 jidianqi240*128液晶：wr =p20;rd = p21;rst = p22;cd = p23;data=p1key=p3 -*/ #include module.h#include math.h#include sbit pwm = p01;sbit speak=p03;sbit jidianqi=p04;bit enpidflag=0;int buff;double testtempreture;double result1,err;doubledestnationtmep;bit drawdotflag=0;bit drawdotnow=0;bit jiangwenflag=1;/默认降温bit shengwenflag=0;bit jdqlaststate;/继电器的上一次状态unsigned int j=0;unsigned int mubiaowendu=25;/增益值double controlpwm;unsigned int timerh; unsigned char timerl;double en,en1; /滑动滤波寄存器/piddouble kp =5; double ki =10;double kd =5 ;double ek1 ; /e(k-1)变量double pik1; /pi(k-1）变量double ek2; /e(k-2)变量 void disp8bit_5(int8u line, int8u column, int8u dat);void sysclk_init (void)unsigned int i; oscxcn= 0x67; for (i = 0; i 100) percentage=100;if(percentage8; void pca_init() pca0cn= 0x40; /直接给7135加clock信号 pca0md= 0x01; pca0cpm0= 0x46; pca0cph0= 0x01; pca0cpm1= 0xc2;/pwm波生成 eie1= 0x08; /pca void port_io_init() p0mdout= 0xf7; xbr0= 0x10; xbr1= 0x04; xbr2= 0x40;p1mdout= 0xff; p2mdout= 0xff;p3mdout= 0xff;p74out= 0xff;/p4-p7为单片机的普通输出口，没有第二功能，要用必须这样配置 jidianqi=0;/默认为低，制冷 室温26度void inittimer(void)tmod=0x19; /定时器0外部触发，16位定时；定时器1为16位计数th0=0; /外部触发计数初值tl0=0;th1=0x0; /定时器1 (35us*n)产生一次中断显示温度tl1=0x0 ;it0=1; /外部中断0边沿触发ex0=1; /允许外部中断0et1=1; /定时器1允许中断 void dispjiemian();double incrementpid(double rk,double y) ;void displaytemperature(void);void displaytemperatureanother(void);void mubiaowenduset(void);void baojing(void);void shengwen(void);void jiangwen(void);float tempretureadjust(float temp1);void main(void) sysclk_init();port_io_init(); pca_init() ; t6963c_init(); /lcd 初始化 inittimer();/启动定时器 setting_pwm(0.00001);ea=1; /开总中断 tr0=1; /开定时器0 tr1=1; lcdclear_text();start: lcdclear_text();lcdclear_graph();dispjiemian();drawdotnow=0; /不显示另mubiaowenduset(); /含内循环，一次只能将值加1 lcdclear_text(); /进入显示界面后，清屏，开始画图，开始执行程序 lcdclear_graph(); zhuobiao(); /显示坐标drawdotnow=1; while(1) / lcdclear_graph();/清除文本区 if(drawdotflag=1) drawdotflag=0; drawdot(); if(readkey()=esc) /esc表返回 ，重新设置参数 goto start; testtempreture=buff*0.005; /ad转换，读取温度值testtempreture=tempretureadjust(testtempreture);/温度校正if(jiangwenflag=1) /如果按下降温，开始降温 ,指示灯不亮 shengwenflag=0; jidianqi=0; /再次确认继电器是降温状态 jdqlaststate=0; /为保持这一次值jiangwen(); else if(shengwenflag=1) /如果按升温，开始升温，指示灯亮 jiangwenflag=0; jidianqi=1; /再次确认继电器是升温状态 jdqlaststate=1; /为保持这一次值 shengwen(); /降温 子程序void jiangwen(void) kp=10; ki=10 ; kd=5 ; if (testtempreture-destnationtmep)=0.8) baojing();if(testtempreture)=6.8)/手动升温,5-20到19度开始加电，执行降温程序，报警 baojing(); if(testtempreture)=19.85)/手动升温,5-20到19度开始加电，执行降温程序，报警 baojing(); if(testtempreture-destnationtmep0.4) controlpwm=100; /温度范围大则采用模糊控制 setting_pwm(controlpwm); else if(testtempreture-destnationtmep0)/实测温度小于目标温度，则不加热 controlpwm=0.001; /温度范围大则采用模糊控制 setting_pwm(controlpwm); else controlpwm=incrementpid(destnationtmep,testtempreture); setting_pwm(-controlpwm*3); /生成任意的pwm波 /升温子程序void shengwen(void) kp= 6.5; ki= 12; kd= 5 ; if (destnationtmep-testtempreture)0) baojing(); if(destnationtmep-testtempreture2)/3 controlpwm=100; /温度范围大则采用模糊控制 setting_pwm(controlpwm); else if(destnationtmep-testtempreture1; timerh=timerh-10001; /转换结果送温度处理 timerh=0.2*en1+0.3*en+0.5*timerh; /加权平均值滤波法 buff=timerh; /传递温度 en1=en; en=timerh;/time1中服，液晶显示，键盘扫描，定时器1void timer1(void) interrupt 3 unsigned int i,j; th1=0x0; tl1=0x0;i+;j+; if(j=20)/0.5s j=0; enpidflag=1; /打开pid控制端 else if(i=28)/0.1s刷新一次i=0;drawdotflag=1; if(drawdotnow) displaytemperatureanother();