联网型温控器设计-毕业设计.doc

北京联合大学 毕业设计毕 业 设 计题目：联网型温控器设计姓 名： 皮皮虾 学 号： 1212345632145 学 院： 信息学院 专 业： 电子信息科学与技术 同 组 人： 指 导 教 师： 皮皮虾 协助指导教师： 2016年 5 月 6 日北京联合大学本科毕业设计（论文）诚信承诺书 本人慎重承诺和声明,在毕业设计（论文）活动中遵守学校有关规定，恪守学术规范，在本人的毕业设计（论文）内容除特别注明和引用外，均为本人观点，不存在剽窃、抄袭他人的学术观点、思想和成果，不存在伪造、篡改实验数据。如有违规行为发生我愿承担一切责任，接受学校的处理，并承担相应的法律责任。学生（签名）： 年 月 日摘 要单片机温度测控系统以其体积小，可靠性高的优势而在工业、农业、国防等许多行业有着广泛的应用。此设计采用单片机作为控制核心器采集控制温度。用显示屏显示和键盘进行参数的显示和输入，实现自动检测显示。论文详细介绍了系统软硬件的设计思路。本次设计主要完成了系统的硬件接线与软件设计，重点是硬件系统实现和软件高低电平设计以及与上位机之间的连接。经过调试运行结果分析，设计的温度控制系统能够实现温度测量显示以及控制调节，满足了设计的要求。论文最后分析了设计中出现的问题以及解决方法。关键词：单片机 热敏电阻 温度控制 AbstractSingle-chip temperature measurement and control system for its small size, high reliability in industry, agriculture, national defense and other industries has been widely used widely used. This design uses microcontroller as the control microcontroller acquisition and control water temperature. LED digital display and keyboard input and display parameters, automatic detection of the display. Paper introduces the system hardware and software design ideas. The complete design of the main wiring hardware and software design of the system, with emphasis on hardware and software systems to achieve thermistor algorithm design and is connected with the host machines. After commissioning the analysis results, the design of the temperature control system can control the temperature measurement display and adjust to meet the design requirements.Finally, analysis of design problems and solutions.Key Words: microcontroller Thermistor Temperature controlIII目 录摘 要.IIAbstractIII引 言31 课题的背景及意义41.1国内外研究现状41.2本文的主要工作52 系统硬件设计部分52.1 通讯模块72.2 温度采集模块82.3 继电器模块92.4 键盘输入和指示电路102.5 显示模块112.6 AD转换模块122.7 主控模块133系统软件设计部分143.1 主程序流程173.2 主程序设计174系统调试234.1 温度测量电路的调试235 测试结果245.1 实物展示245.2 功能测试246 结论26引 言现如今温度控制在越来越多的行业中都发挥着至关重要的作用，如：各种地方的中央空调，食品加工烤箱的温度控制，化学工业中的反应池温度控制。不一样行业的需求对温度控制也提出了不一样的要求，温度控制的精度、范围，以及响应时间等要求都各不相同，但是万变不离其宗，其原理还是相同的：由微处理器处理采集的温度数据控制温度调节单元来获得预期的温度。基本的器件由温度采集，信号传输，处理运算，控制电路，上位机接口等几个部分组成的。当前市场上有太多太多的技术成熟的产品。本设计比较注重运用，不仅要完成许多理论方面的设计，还需要很多的实验，处理数据，以便和本校应用型人才的培养理念相契合。1 课题的背景及意义温度是各种工业生产中需要去控制的最常见最基本的参数之一，比如：冶金、电子、石油、化工、制造等行业中广泛使用的各种加热装置（热反应炉），在这方面要求对温度严格控制。PID温度控制发是较早发展起来的一种控制策略，PID控制结构不复杂、较易实现，而且具有比较好的鲁棒性，所以被广泛应用于各种各样的工业过程控制中，是最广泛的控制策略之一。从刚开始发展的不成熟到今天的越来越成熟，PID控制器的各种参数设定方法是层出不穷。但是由于PID控制器比较简单的构造使它在品质控制上存在着比较多的不足，另一方面使得PID控制器对被控对象的控制效果令人不是很满意，同时，在抑制外扰、设定值跟踪等各种性能要求方面，PID控制器无法将它们一同实现1。因此在实际运用当中，这些相对而言比较超前的整定方法并没有像原来预期的那样产生令人比较满意的控制效果。伴随日益精细化的被控对象，数学模型、参数时变、具有非线性等特征对象如果不能精确获得，传统PID设计技术相对较好的控制效果已极难甚或根本无法获得。此时，用一些先进的算法来改进PID控制器已经成为一种必然的发展途径了。温控技术发展至今更多表现为“定值开关控制技术PID控制技术智能控制技术”这样一个基本的发展过程。经由比较测获温度、设定的既有温度,如果所检测到的温度低于设定值，温控器就会启动控制开关进行对被控对象进行加热，反之则断开开关，此即定值开关控制技术的基本原理。此项技术控温方法相对简洁，但因其温度变化的滞后性被忽略不计，因此让系统控制效果差、震荡明显、精度低。D（微分）、I（积分）、P（比例）三个参数决定了PID控制温度效果。如果温度系统明确，PID控制技术通常应用于一些线性系统的控制上面，控制效果相对于定制开关控制占优，不过在非线性系统的时变性、大惯性、大滞后温度系统等控制方面，可能会无法准确保障控制的质量。而智能控制就是为解决这问题而产生的一种更加先进的新型的控制方法，所以变成当前很大部分工业控制质量的一个主要策略。智控探索领域内富有成效而且最为活跃的一方面即为模糊控制，在温控等繁琐对象方面更具有良好的控制效果2。1.1国内外研究现状现如今国内外的自动控制技术大多数基本都是基于到反馈的概念上面的。反馈理论的主要要素包括以下三个部分：测量采集、分析比较和系统执行。将预设值、测获变量进行对比分析，利用所获误差进行调控系统的响应纠正。应用自动控制及此类理论的中心在于，测量对比准确实现之后，系统如何可以更有效的得到纠正。作为实用性完成得最早的一种控制设备，PID控制器发展至今已走过50多年，由于PID的显著特征是鲁棒性好、直观、简单，成为工业控制过程中最为常见的控制方式。 PID控制已被各国当前既有的温控系统普遍选用。选择控制参数会明显影响到PID控制效果，不过整定PID参数极为复杂、繁琐。尽管有诸多的优化、整定PID参数技术，不过Zieger-Nichols法等相对陈旧的非智能整定技术并非最好办法，因为其无法把控制目标有效实现3。诸如神经网络PID、模糊PID等智能型整定方法当前尽管可以将优化PID控制参数较好的完成，不过必须在线整定，有极大的计算工作量，会把控制器的负担额外增加。被控对象、环境等诸多影响因素会让温控数学模型无法有效、精确的建立成功，因此极难通过传统控制技术来选择控制器参数。1.2本文的主要工作本设计任务是要设计一个温控器，控制对象为实验箱的气体，实现的功能是温度测量和控温以及与上位机之间的通信：在测量部分，要求测量室温到某一设定的温度范围，测温的结果要求显示（屏幕与上位机）。在控制部分，要求大幅度提高温度控制系统性能，尽可能的缩短调节时间，提高控制的精度，并在液晶显示屏显示温度随时间的变化。主要性能指标有： (1)测量精度：0.5； (2)控制精度：1； (3)温度设定范围； (4)显示：本地显示和上位机同时显示当前温度和设定温度。2 系统硬件设计部分温控器控制系统是一个过程控制系统，在设计的过程中，必须明确它的组成部分。过程控制系统的组成部分有：控制器、执行器、被控对象和测量变送单元。需要准确的控制温度这个很重要的变量。温控系统大多被运用于保持其以一定规律变化或恒定。温控系统中最为常见类型为闭环控制，本设计即为闭环温度控制系统，闭环温度控制方框图如图所示。调节器执行机构被控对象测量装置设定温度当前温度图2-1 闭环温度控制 温度控制系统由被控对象、测量装置、调节器和执行机构组成。测量装置负责测量被控对象，给定值、测量值会被控制器展开对比，偏差如果存在，就通过控制器来处理这种偏差信号，输出控制信号给执行机构来启动或停止工作，最终将温度调节到预设值。被控对象是温度。 基于上述理论设计出本控制系统，本系统硬件主要有：单片机、温度传感器、开关电源、继电器、加热器，控制系统硬件结构图如图所示。指示状态输入按键显示屏通信接口单片机加热器继电器温度传感器受控对象人机接口执行模块温度测量模块主控模块图2-2 控制系统硬件结构图温度控制系统在正常工作的时候， 首先由温度传感器检测被控对象的当前温度信号，然后将模拟量前向通道输出的模拟电压信号送给主控模块的 单片机进行处理，经数字化处理后与给定的温度值的数字量进行比较。单片机根据预定的 PID 控制算法对数据进行处理，且经由显示屏来进行设定值、当前温度显示，系统异常是否存在由程序自行确定，运行如果正常，将 PID 运算结果作为输出控制量控制输出，对执行器动作加以控制，以此把风扇、加热器的断开或接通目标实现，实现对温度的控制。单片机控制温度的同时可选择连接上位机进行连接，将变量的信息传给上位机使用，并可以将上位机设定的参数下载到控制器，从而达到上位机与温控器之间通信应有的效果。图2-3 总原理图2.1 通讯模块图2-1-1 通讯模块示意图由于1个串行通信口（全双工）在单片机内存在，所以，PC机、单片机二者间能极为有效的把串口通信展开，把在线调试、下载程序完成。串行通信展开时，PC机串口、单片机串口分别属于RS-232电平、TTL电平，必须有1个电平转换电路处于双方之间。选择enc28j60（专用芯片）把转换展开4，这些条件必须满足。图2-1-1所示即为enc28j60（专用芯片）引脚图。图2-1-1 ENC28J60引脚图ENC28J60是带有行业标准串行外设接口（SPI）的独立以太网控制器，它可以作为任何设备有SPI的控制器的以太网接口。与主控制器的通信通过两个中断引脚和SPI实现。SO脚为SPI接口的数据输出引脚，SI脚为SPI接口的数据输入引脚。2.2 温度采集模块图2-2-1 温度采集模块温度电桥的主要元件是热敏电阻。热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热是阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。与热电偶的测温原理不同的是，热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的，即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性。因此，只要测量出感温热电阻的阻值变化，就可以测量出温度。目前主要有金属热电阻和半导体热敏电阻两类。本设计采用分压法测量温度，将热敏电阻和30k电阻串联，用TL431制作4V电压用于AD的参考电压Vref和热敏电阻的供电，R7是分压电阻，R9是可调电位器，用于调节TL431的输出电压。如下图，当温度升高时，R8热敏电阻的阻值变小，串联的30k的电阻两端的电压就会升高，AD0809采集到电压信号经过转换后将数字量传输给单片机。2.3 继电器模块图2-3-1 驱动风扇和加热器的继电器模块 膜固定电阻芯片和网络、分立元器件组成的SSR (Solid State Relays，即固态继电器)为无触点式电子开关，通过混合工艺组装技术把输出（入）电路的信号耦合与电隔离目标实现。通断、切换等部分负载功能主要经由固态器件来完成。此外，其内部并无其它不同的可动性部件5。市场中现有不同规格、型号的固态继电器，它们的工作原理大体类似，且均由3部分构成：输出(负载)电路，驱动电路以及输入(控制)电路。输入电路的功能是把控制信号输入，其本质上属于回路，能让其本身因此变成固态继电器的一个触发信号源，其少数是交流输入，大部分是直流输入。恒流输入、阻性输入是直流输入电路的两种类型。前者输入电压如果实现了相应值，电压继续升高，并不能让电流也显著提高，此类继电器在较大输入电压范围内均可适用。随着输入电压的变化，后者的输入控制电流会表现出线性正向改变。受触发信号控制的输出电路，能把切换、通断固态继电器实现。存在瞬态抑制功能的吸收回路、输出器件(芯片)构成了输出电路，反馈电路有时也会涵盖其中。IGBT (绝缘栅型双极晶体管)、MOSFET (MOS场效应管)、Triac(双向可控硅)、SCR或Thyristor(单向可控硅)、晶体三极管(Transistor)等是类型不一的固态继电器当前所运用的输出器件。固态继电器的工作原理：由固态电子组件组成的SSR，通过双向可控硅、开关三极管等半导体电子组件开关的特征，能把无火花、无触点却可以断开与接路电路目标实现，所以也将其叫做无触点开关。固态继电器和传统EMR (Electromechanical Relay, 线圈-簧片触点式继电器)对比，并无其它可动机械零件。运行时，任何机械动作也不会发生，有比线圈-簧片触点式继电器更先进的特征，比具备了有效的防腐防霉防潮特征、耐机械冲击、耐震、无动作噪声、寿命长、可靠度高、反应快（固态继电器可进行108109次开关，领先于普通线圈-簧片触点式继电器106次一百多倍）。此类优势让固态继电器能全面运用于工业民用、化工、军事电控设备等领域。PPS控制信号的功率需求极少，能通过弱信号来有效进行强电流的控制。2.4 键盘输入和指示电路本系统中，键盘输入电路采用独立式的按键，本键盘完成的功能为输入控制系统的预设值。通过设定值和系统检测到的数据值进行比较，算出系统的误差，供PID控制子程序使用。系统中的3个键均选用按钮开关。为此，采用1个键来搭配键盘电路，2位键盘输入分别连接到单片机的P1.1和P1.2。键盘电路如图3-4所示：图2-4 键盘电路第一键功能：对温度进行设定，调高温度；第二键的功能是：对温度进行设定，加温温度。第三键的功能:对温度进行设定，降低温度。以下问题在系统内键盘处理子程序编写时必须加以重视：l、开关开闭次数如何减少，以此把其寿命延长。2、设定值给出的方便、快捷途径在哪里。3、整体调度程序的最佳途径在哪时。键盘数量在本次设计过程中被尽可能的减少，从而把占用单片机I/O降低。2.5 显示模块图2-5 显示模块如图2-5所示为显示模块，主要是用来显示当前温度与预设温度。LCD接口1脚、2脚分别为电源的VSS和VDD。4脚（RS）为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器，低电平0时选择指令寄存器，5脚（RW）为读写信号线，高电平1时进行读操作，低电平0时进行写操作。2.6 AD转换模块图2-6 AD转换模块如图所示，为AD转换器0809的电路结构图，由于温度传感器输出的信号是模拟信号，而单片机能够处理的信号是数字信号。所以必须用此器件将其转换成数字信号。其中，START为AD转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动AD转换），EOC是AD转换结束信号，输出端，当AD转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间为低电平），OE是数据输出允许信号，输入端，高电平有效，当AD转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。2.7 主控模块图2-6 主控模块图2-6为主控模块，9脚是复位引脚，所连的是复位电路，18脚和19脚是外部晶振引脚，所连接的是时钟电路。因为P0口内部没有上拉电阻，不能输出高电平，所以要接上拉排阻（RESPACK-8）。3系统软件设计部分3.1 软件开发环境及其工具3.1.1 c语言编程 C 语言是一种计算机程序设计语言。它既有高级语言的特点，又具有汇编语言的特点。 它可以作为系统设计语言， 编写工作系统应用程序， 也可以作为应用程序设计语言，编写不依赖计算机硬件的应用程序，因此，它的应用范围广泛，C 程序设计语言是一种在国内外被广泛使用的计算机编程语言。C 语言是一种结构化语言，它层次清晰，便于按模块化方式组织程序，易于调试和维护。C 语言作为一种高级程序设计语言得到了广泛的应用，采用 C 语言编写的软件程序不针对特定的硬件系统，可以根据不同的单片机做移植，基于 C 语言的以上诸多特点及优点，本设计的软件程序设计，采用 C 程序设计语言。3.1.2 软件开发工具介绍 编程软件使用源自德国 Keil 公司的 RealView MDK，这一款编程软件被全球超过十万的嵌入式工程师或者学者验证和使用，是 ARM 公司最新推出的针对各种嵌入式处理器的软件开发工具。它集成了业界最领先的技术，融合了中国多数软件工程师所需要的特点和功能，uVision4 集成开发环境支持 ARM7、ARM9 和最新的 Cortex-M3 内核处理器，自动配置启动代码，集成 Flash 少些模块，强大的性能分析功能。其集成开发环境如图所示。图3-1 uVision4 集成开发环境uVision4 集成开发环境主要的性能：(1) 源代码编辑器的功能非常强大。(2) 设备数据库可以根据开发工具进行配置。(3) 工程管理器可以用于创建和维护工程。(4) 编译工具集汇编、编译、连接过程于一体。(5) 用于设置开发工具配置的对话框。(6) 真正集成高速 CPU 及片上外设模拟器的源码级调试器。(7) 高级 GDI 接口，可用于目标硬件的软件调试和 ULINK2 仿真器的连接。(8) 用于下载应用程序到 Flash ROM 中的 Flash编程器。3.1.3 工程的创建与配置先打开KEIL软件，点击“project”菜单，点击“new project”新建一个项目。如果不新建项目是没法生成HEX文件的。在接下来的对话框中，选一个目录，然后为这个项目起一个名字。名字可以随便起，这里以“项目”为例接下来出现一个对话框，要为项目选一个CPU。点击左侧的树状目录滚动条，点开“ATMEL”选中“AT89C51”，单击确定。这个对话框问是否把启动文件加进项目，选“是”。生成HEX文件还要设置一下。单击图中的设置图标。切换到“output”选项卡，勾选图中“create HEX file”。如果要改变HEX文件的保存位置，可以点“select flolder for objects”选一个新的文件夹完成设置后选确定。然后加源文件并生成HEX文件接下来添加源文件，源文件是用C语言或者是汇编语言。在下图的图标点右键在弹出的菜单中点击“add files to group source group 1”选中要加入的C文件。点“add”后可以看到C文件出现在左侧的目录中。这时要点击“close”关闭对话框。程序添加进来后可以点击图中编译图标生成HEX文件。3.2 主程序流程图3-1 主程序图软件设计主要包括温度数据的采集变换、触摸屏显示设计、上位机监控画面的设计。上位机监控画面的设计主要包括设计监控主画面、设计报警画面等。，如图3-1所示，主要有串口通信程序、初始化程序、温度设定程序、温度采集程序、温度显示程序、主控程序构成了整个程序系统结构。采集变换温度数据：经由温度传感器把采集工作完成，热敏电阻采获的现场温度主要由温度采集程序来向指定数组读入。3.2 主程序设计 位处程序最高层的是作为软件系统整体基础的主程序。其功能是对系统正常工作状态的展开进行引导，同时，对不同程序块间存在的调用关系加以协调，以此让硬件系统运行正常，把温控系统的任务实现。图3-2即为其具体的工作流程。图3-2 主程序流程图首先对系统整体进行初始化，然后由温度采集系统测量采集温度变量，将其显示到本地和上位机界面；如果此时要进行温度控制变化的话，就进行参数设定，如果所设温度超过已定的温度变化范围，则系统超限提示并重新参数设定，如果设定温度正常，则作用于继电器驱动模块控制继电器开关的通断，控制被控对象作出动作，达到控温的目的。同时将变化后的温度显示到本地并同步到上位机。3.2.1温度传感器流程图图3-2-1 温度传感器子程序流程图STC89C51芯片为数据采集系统核心，复位、读写温度传感器由其掌控。测量采集温度，以时序为基础，把温度模拟信号由数模转换模块转为数字信号，并将其向内存完成储存。它灵敏度高，工作温度范围宽，体积小，使用方便，稳定性好、过载能力强。3.2.2显示子程序流程图图3-2-2 显示子程序流程图显示模块是用LCD1602作为显示屏幕的，数码管根据模式切换不同的显示，正常模式时显示实时温度值，设置状态时闪烁显示上下限温度值。然后对该显示模块进行初始化，分别显示模块的第一二行的字符串，此时显示模块会显示初始化的情况。3.2.3 AD转换子程序流程图图3-2-3 AD转换子程序流程图AD转换通过ADC0809芯片实现，通过控制引脚的电平变化，启动AD转换，P1口读取AD数据，用于查表获取温度值。3.2.4 定时函数流程图图3-2-3 蜂鸣器报警函数流程图本设计中定时器主要用于蜂鸣器报警和计时1s采集一次温度，分别计时500ms和1s判断报警开关是否打开，打开时，控制蜂鸣器闪烁鸣响，否则关闭蜂鸣器；每次计时到1s时，开启一次温度转换。4系统调试硬件调试相对简单，系统调试的关键在于程序。电路焊接正确与否要先行检测，随之通电检测或通过万用表检测。通过显示程序的先行编写，同时检测硬件正确性等来进行软件调试。随之对主函数、温度进行分别采集，编程、调试加热控制函数、键盘扫描函数、显示函数以及识别函数等程序。因为单片机、热敏电阻传送时选择的是串行数据，因此，读/写编程过程中，读/写时序必须全面保障，要不然测量结果会无法读取。编写本程序时选择的是单片机C言，编程调试选择的则是KEIL集成开发环境。软件调试目标为：能显示当前温度值和设定温度，按键动作能够被反映到显示器上以及被执行。4.1 温度测量电路的调试关键是热敏电阻的测量精度、单片机的采样时间以及显示温度和实际温度的校准。4.1.1温度传感器校准显示温度和实际温度的校准：水银温度计的最小刻度为0.1，我们可以利用水银温度计的读书来校准液晶显示器LCD所显示的温度值。我们分别测量了十组数据，实验测量数据结果如下表： 表4-1 实际与测量温度数据对比。实际温度/显示温度/偏差/24.3250.725.3250.329.1300.932.4320.435.3350.344.1440.155.456 0.663.5630.573.5730.582.4820.4由上表可以发现显示温度始终比实际温度相差不大，符合题目要求5 测试结果5.1 实物展示图5-1 实物图从图片中可以看到有电源，风扇，加热片，STC89C51单片机，蜂鸣器，ADC0809数模转换模块，键盘，继电器，开关，LCD1602显示屏。5.2 功能测试如上图所示，当当前采集温度低于所设温度下线时，蜂鸣器报警提示，提示驱动加热片对所加温度进行加热，使温度往所设定的温度范围内升。如上图图，当当前采集温度高于所设温度上线时，蜂鸣器报警提示，并驱动风扇使其降低所测温度，使温度往所设定的温度范围内降。6 结论温度是生活生产过程中最需要控制的参数之一，在制造、化工、石油、电子、机械、冶金等领域内，温度控制起着非常重要的作用。对于一些较简单的控制对象，一般的PID控制基本就能满足对温度控制性能指标的要求。本文完成了基于51单片机的温度控制系统的设计，包括系统的硬件设计，软件的编程与调试等。在完成过程中，主要做的工作有：(1)单片机设计系统硬件，3个独立按键与温度传感器构成了输入通道；输出通道包括键盘与液晶显示电路和驱动电路，其中显示电路为LCD液晶显示屏，驱动模块通过输入的高低电平来实现对温度的控制。(2)采用C语言对系统软件进行编程，把开发软件周期显著缩短。基于删除、修改、调试及编写便利所需，选择模块化设计技术来编制系统软件9。(3) 在本设计中，由温度变化可以看出，本温控系统的稳