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湖南理工学院毕业设计(论文)学号:毕业论文题目:石墨电热板温度控制装置设计作 者 : 届 别 : 2015届 院 别 : 机械工程学院 专 业 :机械电子工程 指导教师 : 职 称 : 讲师 完成时间 : 2015年 5 月20日 摘 要本文介绍了石墨电热板温度控制装置的设计,系统采用增强型C8051F410芯片作为控制核心,其内部集成了数据采集与控制系统所需的几乎所有模拟与数字外设。采用数字型PID算法为系统的控制算法,通过K型热电偶对石墨电热板进行温度的测量。选择AD849X芯片对石墨电热板的温度信号进行调节与方大。采用基于PWM的脉冲宽度调制技术实现石墨电热板的精确温度控制。本系统有七大模块,分别为:主控制器模块、按键模块、显示模块、电源模块、报警模块。温度采集模块及温度控制模块。通过七大模块的连接以及利用数字型PID算法能够做到对石墨电热板温度的良好控制。关键字:PID算法;石墨电热板;温度控制AbstractThis article describes the graphite heating plate temperature control device design, this system using enhanced C8051F410 chip as control core, its internal integration with almost everything needed for the data acquisition and control system simulation and digital peripherals. Using digital PID algorithm for system control algorithm, by K type thermocouple for graphite electric hot plate temperature measurement. Choose AD849X chip of graphite electric hot plate temperature signal to adjust with the party. Based on the PWM pulse width modulation technology was adopted to realize accurate temperature control of graphite electric hot plate. This system has seven modules, respectively is: main controller module, keys module and display module, power supply module, alarm module. Temperature acquisition module and temperature control module. Through seven modules connected and the use of digital type PID algorithm can achieve good control of graphite electric hot plate temperature.Keywords: PID;Graphite electric hot plate;Temperature control目 录摘 要IIAbstractIII第一章 绪 论11.1 石墨电热板的简介与前景11.2 温度控制系统 11.2.1 温度控制系统的研究背景及发展概况.1 1.2.2 温度控制的方法.11.3 本课题的研究内容与基本要求2第二章 PID控制的理论知识32.1 PID控制的原理32.2 PID控制算法42.2.1 模拟PID控制算法42.2.2 数字式PID的控制算法52.3 PID参数的整定7第三章 系统方案论证103.1 系统总设计方案103.2 主控制器设计方案103.3 电源模块设计方案113.4 温度采集与温度控制模块方案113.5 显示/按键/报警方案13第四章 系统的硬件电路设计.144.1 系统的主要芯片介绍144.1.1 C8051F410介绍144.1.2 AD849X芯片介绍17 4.2 主控制器电路设计.184.3 电源模块电路设计19 4.4 温度采集模块电路设计20 4.5 显示/按键/报警模块电路设计.21第五章 系统软件设计.235.1 系统的主程序设计235.1.1 按键扫描及按键处理设计235.1.2 温度采集模块软件设计255.1.3 温度控制模块软件设计265.2中断系统的设计275.2.1 串口通信部分285.2.2 定时器3中断服务程序285.2.3 显示模块295.2.4 报警模块305.2.5 继电器控制模块31结论33参考文献34致谢35附录3644第1章 绪论1.1 石墨电热板的简介及前景本系统的研究对象是石墨电热板,需要对其进行智能温度控制。本设计采用的石墨电热板内部有测温元件,它的加热体采用导热性能好的等静压高纯石墨,具有耐高温、耐酸碱的特点。该产品是由石墨制成的加热板的,它的加热面积大,能够处理多个样品;进行加热时具有升温快、温度均匀且持续时间长等特点,一般可持续工作48小时以上。随着我国经济的进一步发展,石墨电热板将会应用于很多领域,例如:农业、医药、食品、化工、环保、林业等。还可以用于科研部门和高校对矿石、土壤、植被、生物组织等样品进行辅助加热和消解处理。1.2 温度控制系统1.2.1 温度控制系统的研究背景及发展概况温度是我们生产生活中最基本的物理量,自然界的任何变化都与它鱼油密切关系。所以温度控制技术对我们来说是非常重要的,也是非常有必要的,它关系到人类的生活与发展。温度的测量与控制直接与提高生产质量、安全生产、提高生产效率以及节约资源等有着直接联系。工业革命以来,温度控制技术与工业就已经离不开了,在社会领域里,温度控制技术在汽车、家电、材料等方面也有着广泛应用。1.2.2 温度控制的方法 第一种方法是定值开关温度控制法。是通过硬件电路与软件计算相结合来判定实际温度值与设定温度值的关系,从而对系统的加热源进行通断控制。如果实际温度值比设定温度值高,就断开加热器,或者开动制冷装置;如果实际温度值比设定温度值低,就打开加热器并同时关断制冷器。这种开关控温的方法比较简单,在没有计算机参与的情况下,可以用简单的模拟电路实现。采用这种控制方法的温度控制器在我国许多工厂的老式工业电炉中仍被使用。由于这种控制方法是当系统温度上升至设定点时需断开电源,当系统温度下降至设定点时需开启电源,从而无法克服温度变化过程的滞后性,导致使系统温度波动较大,控制精度很低,所以完全不适用于高精度的温度控制。第二种方法是PID线性控制法,这也是本设计所运用到的算法,所谓PID控制就是对比例、积分、微分进行控制。自19世纪40年代以来,PID广泛应用于工业生产中,由于其结构简单、比较实用、价格低廉,可以实现满意的控制。温控系统将热电偶实时采集的温度值与设定值比较两者的差值作为PID功能块的输入参数。PID算法根据比例、积分、微分系数计算出合适的输出参数,利用改变控制变量误差这种方法实现闭环控制。由于PID控制算法比较简单并且可靠性高等特点,现如今,在控制技术高速发展的时代,它在工业过程控制中仍然占有主导地位。第三种方法是智能温度控制法,智能控制就是利用人工智能的理论和技术与运筹学的优化方法,并且将其同控制理论的方法与技术相结,将PID控制与智能控制相结合,由此实现对温度的智能控制。智能控温法以神经元网络和模糊数学为理论基础,并且适当地加以专家系统来实现智能化。其中应用比较多的有神经网络控制、模糊控制与专家系统等。尤其是模糊控温法在现实的工程技术中得到了非常广泛的应用。1.3 本课题的研究内容与基本要求本课题的研究内容为:第一部分主要阐述了自动控制系统以及PID的理论知识。作为自动温度控制系统,从整体上介绍了系统的基本要求、构成等。而温控系统的核心部分是PID,一个合适的PID算法才能给系统带来优越的性能,课题以数字PID为主,介绍了数字PID的历史发展、改进以及参数的整定。其中,参数的整定是本课题主要讨论的问题。也是判断设计出来的产品是否符合规格的标准。第二部分主要是针对此系统,从工业实际应用方面介绍了系统的具体方案。从最初的元器件选取,到软件各功能模块都做出了详细的考虑。第三部分是温度控制系统的硬件设计。一个稳定并且可靠的电路是本设计核心之一。她是设计的重要部分。第四部分是温度控制系统的软件设计。该部分作为产品成型的最后一步,也是很重要的,程序编写的规范可靠也会影响到最后的测试结果。本课题的基本要求是为石墨电热板提供一种性能稳定可靠、温度控制准确、温控平衡时间短的数字式温度控制装置。第2章 PID控制的理论知识2.1 PID控制的原理 PID控制是由反馈系统的偏差的比例(P)、积分(I)以及微分(D)线性组合而成,这3种基本控制规律各有各自的特点。 P比例控制:比例控制器是在控制输入信号e(t)发生变化时,只改变信号的幅度值而不改变相应信号的相位,利用比例控制能够提高该系统的开环增益。该控制是主要控制部分。 D微分控制:微分控制器是对输入信号取其差分或微分,微分反映了系统的变化率,所以微分控制是一种超前的预测性控制,可以预测系统将发生的变化,可以增大系统阻尼,使相角的裕度提高,从而对系统性能起到改善作用。但是微分对于干扰也有很大的放大影响,过大的微分会使系统加剧震荡。I积分控制:积分是累加作用,它会记录系统的变化历史,所以,积分控制反映了在控制中,历史对当前系统起到的作用。积分控制是向系统加入了零极点,这样可以提高该系统型别(控制系统型别是开环传递函数的零极点的重数,表明了系统跟随其输入信号的能力),除去静差,提高系统无差度,但同时也会使系统的加剧震荡,增大超调,降低动态性能,因此,一般不单独使用而与PD控制结合使用。PID的复合控制:综合了上述几种控制规律的优点,能够使系统得到更好的动态和稳态性能。PID控制的基本输入/输出关系用微分方程表示为: (2.1) 上式中,e(t)为控制器的输入偏差信号; 为比例控制增益;为积分时间常数;微分时间常数。 相应的传递函数是: (2.2)2.2 PID控制算法2.2.1 模拟PID控制算法 在模拟控制系统中,最常用到的控制是PID控制,其中模拟PID控制是发展最早的控制理论,所以也是其他理论的基础。模拟PID在模拟系统中的应用比较多,分别由比例部分、积分部分、微分部分构成,根据偏差经过PID运算,由得到的结果,通过执行结构控来制被控对象达到预测效果。其结构图如图2.1所示。+ -+ +c(t)u(t)e(t)r(t) 比例积分 微分被控对象图2.1 模拟PID控制系统结构图它主要由模拟PID控制器与被控对象组成。而PID控制器则由比例、积分、微分三个环节组成。它的数学表达式为: (2.3)式中,比例系数,为积分时间常数,为微分时间常数。模拟PID调节器的传递函数为: (2.4)1、 比例部分 比例部分的数学表达式是:*e(t) 模拟PID控制器中,比例环节的作用是对偏差瞬间作出反应。比例环节成比例反映出偏差信号e(t),一旦产生偏差,控制器马上产生控制作用,使偏差减小。比例系数Kp的作用是加快系统的响应速度,提高系统调节的精度。如果Kp越大,那么系统的响应速度将会越快,系统的调节精度也会越高,也就是说对偏差的分辨率越高。但是会产生超调,甚至会使得系统不稳定。如果Kp取值过小,则会降低调节精度,特别是使系统响应的速度变慢,从而使调节时间延长。2、 积分部分 积分部分的数学表达式是:积分环节主要用来消除静差,从而提高系统的无差度。积分作用的大小由积分时间常数决定,越大,则积分作用越弱,反之则越强。积分作用系数越大,系统静态误差消除越大,但积分作用过大,使得在响应过程初期产生积分饱和现象,从而引起响应过程的超调变大,如果积分作用系数过小,则会使系统静差难以得到消除,进而影响到系统的调节精度。3、 微分部分 微分环节的数学表达式是: 实际上,控制系统除了希望可以消除静态误差外,还需要加快调节过程。在偏差出现时,或在偏差变化的瞬间,不但要对偏差量做及时响应,并且要根据偏差的变化趋势预先给出适当的纠正。为了能够实现这一作用,可在PI控制器的基础上加入微分环节,形成PID控制器。微分环节的作用是阻止偏差变化。它是依据偏差的变化趋势(变化速度)来进行控制的。偏差变化的越快,那么微分控制器的输出会越大,并且能在偏差值变大之前进行修正。引入微分作用,会有助于减小超调量,克服振荡,从而有利于系统稳定,对髙阶系统也非常有利,它加快了系统的跟踪速度。微分部分的作用主要是由微分时间常数Td来决定。Td越大时,它的偏差的影响越大;Td越小时,则它抑制偏差变化的作用越弱。2.2.2 数字式PID控制算法 数字式PID控制算法可分为位置式PID控制算法和增量式控制PID算法。(1) 位置式PID算法 由于计算机控制是一种采样控制,只能依据采样时刻的偏差值来计算控制量,所以对式(2.3)中的微分和积分部分不能直接使用,而应先进行离散化处理。按模拟PID控制算法的算式(2.3),现在以一系列的采样时刻点kT来代表连续的时间t,以增量代替微分,以合式代替积分,作如下的近似变换: (2.5) 由上式得到:在离散化过程中,采样周期T需要足够短,才会有足够的精度。为了书写方便,将e(kT)简化成e(k),将式(2.5)代入式(2.3),可以得到离散的PID表达式为: (2.6) 上式中:k是采样序列号;u(k)是第k次采样时刻的输出值;e(k)表示第k次采样时刻输入的偏差值;e(k-1)为第k-1次采样时刻输入的偏差值;Ki是积分系数,KiKpT/Ti;Kd是微分系数, KdKpTd/T。我们常称式(2.6)为位置式PID控制算法。对于位置式PID控制算法来说,位置式PID控制算法原理图如图2.2所示,因为是全量输出,所以每次输出都和过去状态有关,计算时需要对误差进行累加,所以这样会使运算工作量变大。而且假如执行器(计算机)出现故障,就会使执行机构位置大幅度变化,这种情况在生产场合是不允许的,所以产生了增量式PID控制算法。+-r (t)e(t)uc(t) PID 位置算法 调节阀 被控对象图2.2 位置型控制原理图(2) 增量式PID控制算法增量式PID一般是指数字控制器的输出只有控制量的增量(k)。增量式PID控制系统框图如图2.3所示。增量式PID控制算式为: (2.7) 式(2.6)减去式(2.7)得:(2.8) 上式称为增量式PID控制算法。 增量式控制算法的优点为误差小,有利于实现无扰动切换。如果计算机出现故障,可以保持原值,较为容易获得比较好的控制效果。但由于积分截断效应较大,会出现静态误差,使得溢出影响大。+-r(t)e(t)uc(t)PID增量算法 步进电机 被控对象 图2.3 增量型控制示意图2.3 PID参数整定 控制器参数整定:一般是指决定调节器的积分时间Ti、比例系数Kp、采样周期Ts和微分时间Td。通过改变调节器参数的整定,使它的特性与过程特性匹配,以提高动态和静态的指标体系,从而达到最佳的控制效果。整定调节器参数可以用多种方法,其中可以分成两大类,第一是理论计算整定法和工程整定法。理论计算整定法有对根轨迹法和对数频率特性法等;工程整定法有临界比例法、凑试法、经验法、衰减曲线法和响应曲线法等。不需要事先知道过程的数学模型,直接在过程控制系统中进行现场整定这是工程整定法特点,这种方法简单、计算简便、易于掌握。2.3.1 临界比例法临界比例法是对连续系统临界比例度法的扩展。主要适用于系统本身可以趋于稳定的控制情况,在整定时,可以不用知晓准确的模型和状态。具体步骤如下:(1)选择一个足够短的采样周期T。通常可选采样周期为被控对象纯滞后时间的1/12。(2)用选择的采样周期T使系统工作。需要先屏蔽微分积分控制部分的作用,在这里只允许使用比例控制,调节比例系数增大,当输出波形出现稳定振荡的时候,记录此时的KP,即临界比例度KC,及系统的临界振荡周期PC(即振荡波形的两个波峰之间的时间)。(3)计算控制度。控制度按照式(2.8)计算: (2.9)根据上式求出控制度,然后,按表2.1计算出采样周期T以及PID参数KP、TI、TD值,根据计算所得出来的参数进行调试整定,观察调试效果,如果性能不满意,可利用其他方法和对P、I、D各控制项作用,进一步调节参数,直到满意为止。表2.1 扩充临界比例度法整定参数控制度控制规律T/TKKP/KKTI/TKTD/TK1.05PIPID0.030.0140.530.630.880.49-0.141.20PIPID0.050.0430.490.470.910.47-0.161.50PIPID0.140.090.420.340.990.43-0.202.0PIPID0.220.160.360.271.050.40-0.22临界比例度法整定注意事项: 有的过程控制系统,临界比例系数很大,使系统接近两式控制,调节阀不是全关就是全开,对工业生产不利。有的过程控制系统,当调节器比例系数Kp调到最大刻度值时,系统仍不产生等幅振荡,对此,就把最大刻度的比例度作为临界比例度Ku进行调节器参数整定。2.3.2 试凑法在实际整定中,使用上述方法后,系统可能依然达不到要求,这就要求我们用经验的方法去不断改变参数观察输出曲线,值到找到合适的参数,一个经验丰富的工程师往往在不断改变参数的时候也遵循一定的规律。根据整定好的参数,可用如下方法继续调整直到找到合适的参数。1.首先只整定比例部分。将KP在附近变化,并记录相应的系统响应曲线,直到得到反应快,超调小的响应曲线。如果没有稳态误差或稳态误差已小到允许范围,那么系统可以用改组参数。2.如果在调节比例系数的基础上稳态误差不能满足要求,则继续整定积分系数。整定时首先将第一步确定的KP减少一点值,对应积分时间参数从较大值开始,然后慢慢减小积分时间常数,使系统在保持良好动态响应的情况下,消除稳态误差,即可使用该组参数。这种调整方法可以根据动态响应状况,反复改变KP及TI以得到满意的控制过程。3.若上述方法消除了稳态误差,但动态过程却始终达不到要求,则可调节微分环节。TD逐渐增大,同时相应地改变KP和TI,逐步试凑以获得满意的调节效果。最后,根据系统的阶跃响应曲线的形状特点与要求的差异,可微调参数:曲线在达到稳定之前超调大,减少KP;达到稳定之前曲线超调少,调节时间却长,增大KP;快达到稳定的时候曲线偏离回复时间长,适当减少积分时间;曲线时而偏离,时而回复,则可增加积分时间;当曲线达到稳定之前振荡周期短,则减少微分时间;曲线达到稳定之前振荡周期长,过渡时间长,则增加微分时间。第三章 方案论证3.1 系统总方案根据系统的主要功能:控制石墨电热板的温度按照设定温度变化,由此设计思路为:系统的期望温度通过键盘设计,实际温度通过温度采集电路采集,把采集的温度与设定的温度通过运算处理输出相应的控制系数,用于控制电热板加热。由此设计出系统的总方框图如图3.1所示。系统有以下模块:电源模块、温度采集模块、按键模块、显示模块、主控制器模块、温度控制模块、报警模块。图3.1 系统总方框图3.2 主控制器设计方案根据设计任务,控制器主要任务是处理按键、显示、报警、温度采集与温度控制,有如下选择(1)采用FPGA(Field Programmable Gate Array, 现场可编辑门阵列)作为系统的主控芯片,可行性方案是:通过软件将计算的参数送给FPGA,FPGA通过其内部的功能设计出能控制PWM脉冲,但因为本次设计要求数据处理的速率不高,FPGA的善于处理复杂逻辑功能的优势得不到充分体现,并且由于芯片集成度高,使其芯片成本偏高,又由于引脚较多,硬件电路板设计布线复杂,加重了电路设计和实际焊接的工作。(3)采用增强型C8051F系列作为控制器。C8051F作为与51系列单片机完全兼容的增强型4,继承了51单片机的所有优点,且内部集成了数据采集与控制系统所需的几乎所有的模拟与数字外设:ADC、可编程增益放大器、DAC、电压比较器、电压基准、温度传感器、SMBus/IIC、UART、CAN、SPI、PCA(带比较/捕获模块PCA,可实现捕捉、软件定时、高速输出、PWM)、Flash存储器、非易失性存储器、SRAM、WDT、VDD监视器等。并且有多种复位源和完善的时钟系统,通过JTAG口进行非侵入式全速在系统(ISP)和在应用(IAP)编程调试。综上所述,使用C8051F系列作为控制器,能简化系统硬件,降低硬件成本,提高硬件可靠度,提高系统灵活性和可靠性,有关PID运算,输入信号转换及大部分控制过程都可由软件来完成。该单片机提供的UART、ISP、IAP功能,降低软件设计的复杂性及大大方便了系统的开发。由于高度集成的数据采集与控制系统所需的外设,系统扩展功能只需要修改软件而不必改太多的硬件电路。本系统选用的是C8051F410芯片。3.3 电源模块方案设计电源输入是市电,整个系统分为两部分电路供电,一部分供系统供电,+5V,一部分给继电器供电+10V左右,因此变压方面选用2路隔离输出变压器。对于继电器供电,由于继电器适应电压电流范围广,所以无需设计稳压模块以增加系统设计复杂度,提高成本。对于系统供电,由于系统都是由单片机及各种芯片、电容、电组构成,不需要负电压;数字系统中要求电源电压稳定性好,温度系数要小,且用电源电压做ADC转换的基准电压,所以使用稳压管稳压电路不能作为高精度的基准电压源。稳压性能好的基准电压源是当代模拟集成电路极为重要的组成部分,它为A/D,D/A转换器提供基准电源,也是传感器的稳压供电。综合考虑,该系统采用基准电源模块MC7805。3.4 温度采集模块及温度控制模块方案设计1、 温度采集模块方案 温度传感器有四种类型:热点偶、热敏电阻、电阻温度检测器以及IC温度传感器。热敏电阻需要搭建电桥、温度检测器过于复杂、IC温度传感器不适应工业温度的特点,因此所选方案为热电偶采集温度。 热电偶是比较常见的温度采集方案,它属于接触类测温芯片,通过与被测对象直接接触,不受外界干扰。热点偶测温的灵敏度非常高,受环境干扰非常小。设置冷端补偿后误差不超过0.2。采用热电偶使能够测温的范围也比较广:0-1000。综上所述,系统的整体方案是:采用K型热点偶测温,信号调节放大选用AD849X芯片。选用C8051F410内部12为A/D进行数值转换,电路简单方便。通过选用高精度电压稳压芯片电源做REF和电路调节,使测温分辨率能达到很高。2、 温度控制模块方案 由于温度控制系统控制的石墨电热板具有惯性较大的特点,热量传递的时候也有阻力,所以可以将它归于具有纯滞后的惯性环节。对于这样一些存在大的滞后特性的过渡过程控制,一般可采用以下方案:(1)输出开关量控制:对于惯性较大的环节可的采用输出开关量控制的方法,这种方法通过比较给定值与被控参数的偏差来控制输出状态:开通或关断,因此控制过程十分简单也容易实现。但由于输出控制量只有两种状态,使被控参数在两个方向上变化的速率均为最大,因此容易引起反馈回路产生振荡,对自动控制会产生十分不利的影响,所以这种控制方案一般在大惯性系统对控制精度和动态特性要求不高的情况下使用(2)比例积分微分控制(PID控制):由前文论述可知,PID控制器对温度具有良好的控制作用,其微分能根据误差的变化率超前预测误差,采取措施。对于温度控制这样的滞后系统来说,微分是非常重要的,但由于只引入微分,系统容易受干扰。加入比例后能解决这个问题。积分的引进,能是系统长期运行时的误差非常小,这对于温度要求场合高的地方也是关键的一点。因此,PID控制适合于负荷变化大、滞后较大、控制质量要求又很高的控制系统。综上所述,PID控制方法最适合本系统使用。由于采用单片机实现控制,无论采用上述哪一种控制方法都不会增加系统硬件成本,而只需对软件作相应改变即可实现不同的控制方案。系统的总体方案是:使用采集到的高精度温度与期望温度进行PID运算,结果作为占空比,使用软件产生与占空比相关的PWM(Pulse_Width Modulation,脉宽调制)控制继电器,以达到控制加热功率的目的。3.5 按键、显示、报警模块方案设计按键采用四个,主要用于设定温度,功能分别为右移键,左移键,增大键,减少键。采用独立式键盘,这种键盘硬件和软件都容易实现,并且按键都互相独立,按键的工作状态不会影响其他按键的状态,由于按键功能少,实现的功能也比较简单,所以直接采用独立式键盘而不采用行列式键盘。显示采用LED显示。因为显示的内容只有数字,从实现的复杂度及成本考虑,都不易选用液晶等显示。使用8个数码管分别显示3位温度,精确到小数点后一位的期望温度与实际温度。段选使用一组I/O,片选采用74LS138译码器,占用I/O三个,节约出I/O口。 报警采用蜂鸣器报警。 第四章 系统硬件设计4.1 系统主要芯片的介绍 本系统的主要芯片有C8051F410芯片以及AD849X芯片。4.1.1 C8051F410介绍C8051F410系列器件使用Silicon Labs的专利CIP-51微控制器核。CIP-51与MCS-51指令集完全兼容,可以使用标准803x/805x的汇编和编译器进行软件开发。芯片引脚如图4.1所示。图4.1 LQFP-32引脚图其电路分布如下:1.复位电路C8051F410提供多种复位方式:上电复位、掉电复位和VDD监视器、外部复位、时钟丢失检测器复位、比较器0复位、PCA看门狗定时器复位、FLASH错误复位、smaRTClock复位、软件复位。本系统设计上选用上电复位。在上电后,器件保持在复位状态,/RST引脚被驱动到低电平,直到VDD上升超过VRST电平,从复位开始到退出复位状态要经过一个延时。2.串口通信UART是一个异步、全双工串,它提供标准8051串口的方式1和方式3。UART具有专门的波特率发生器和多个时钟源可以用于产生标准串列传输速率。本系统使用定时器1的工作方式1用于产生波特率(8位UART,主要用于单机与PC机通信),用于调试过程中发送相关数据到上位机,以验证程序正确性。3.在线调试C8051F410器件具有片内Silicon Labs 2线(C2)界面调试电路,支持安装好的电路上调试,有IPA和IPS两种方式。调试电路是通过C2D及C2CK接口接入,中间加以USB调试适配器,连接到PC机上的。本系统设有专门的调试电路,方便程序设计及修改。3.IIC总线电路在该系统设计中,需要对期望温度好加热时间等程序数据进行掉电保护,若采用普通存储器,需要设计相应的电池电路,并需要在硬件上增加掉电检测电路,这无疑加大设计难度与系统可靠性。所以本系统选用FM24C02作为系统掉电保护存储器。FM24C02采用具有IIC总线技术。IIC总线8(Inter IC Bus)是一种总线协议,它具有接口少、通信速率快、传输距离大的特点,属于异步通信。IIC总线技术有一套相应的完整的总线协议,可支持多机通信,主机通过地址识别对应的从机。IIC总线由数据线SDA和时钟线SCL两条线构成通信线路,即可发送数据,也可接收数据。CPU发送的控制信号分为地址码和数据码两部分:地址码用来选址,数据码是通信内容。FM24C029具有4K的存储容量,使用标准IIC总线界面的串行EEPROM器件,硬件电路简单,可多次擦写,擦写次数10万次以上。FM24C02的芯片地址为1010,地址控制格式为1010A2A1A0R/W,其中A2,A1,A0为可编程地址选择位。A2,A1,A0引脚接高低电平后得到确定的三位编码,与1010形式7位编码,即为该器件的地址码。R/W为芯片读写控制位,该位为0,表示对芯片进行写操作;该位为1,表示对芯片进行读操作。其中引脚图与引脚定义分别如图4.2和表4.1所示。图4.2 FM24C02引脚图表4.1 引脚功能定义A1,A2可编程地址输入VSS电源地SDA串行数据输入/输出端SCL串行时钟输入端WP写保护端,用于硬件数据保护。低电平时,可以对整个存储器进行正常读写操作;高电平的时候,存储器具有写保护功能,但读操作不受影响。VCC电源正端NC空引脚综上所述,主控芯片C8051F410的引脚分布如下:l P1与LED的8个段选位连接,用于输出段选信号。l P2.0到P2.3与4个按键相连,用于扫描按键信号。l P2.4到P2.6与74LS138译码器相连,用于输出位选信号。l C2K和C2D与在线调试界面相连。l P0.7连接黄灯,P0.5连接蓝灯,P0.4连接红灯。l P0.6与放大器相连,用于采集信号端。l P0.3与P0.2与ROM相连,用于I2C通信。l P0.1与蜂鸣器相连,输出报警信号。l P0.0与光电二极管相连,用于输出PWM控制信号。l VIO、Vregin与5V电源电压相连。l VDD与Vrtc_backup相连。另外,为了降低干扰,在5V电源电压及VDD电路附近都并联有旁路电容。复位采用上电复位,使用内部晶振。4.1.2 AD849X介绍及应用由传感器输出的信号通常需要进行电压放大或功率放大,以便对信号进行检测,因此必须采用放大器。本系统选用AD849X放大芯片。该芯片采用8引脚MSOP封装,完全符合ROHS标准。其中AD849X的引脚图和引脚定义如图4.3和表4.2所示。图4.3 AD849X引脚图表4.2 AD849X引脚功能引脚号引脚名称功能1-IN负输入端2REF基准电压端3-VS负电源端4NC空引脚5SENSE在测量模式时候该引脚与OUT脚相连,在调整的时候,改引脚与调整电压相连6OUT放大信号输出端7+VS电源正极8+IN负输入端AD849X12利用片上温度传感器执行冷结补偿。热电偶可在宽环境温度范围内进行精确测量。芯片内置一个高精度仪表放大器。该放大器具有高共模抑制性能,能够抑制长引线热电偶可能会拾取的共模噪音。如需额外保护,该放大器的高阻抗输入端允许轻松添加额外的滤波措施。AD849X支持宽电源电压范围。在5V单电源下,AD849X可以覆盖近1000度的热电偶温度范围。在3V电源下,它可以直接与低电源电压ADC界面。稳定的输出设计可以处理各种实际连接状况。AD849X可以承受远高于电源轨的输入电压。一般应用在J或K型热电偶。2.低通滤波器在传感器获得的信号中,往往含有很多与被测量无关的频率成分需要通过信号滤波电路滤掉。滤波器可以通过用R、L、C一些无源元件组成,称为无源滤波器;也可以用无源和有源元件组合而成,称为有源滤波器。有源滤波器中的有源元件可以用电晶体,也可以用运算放大器。在滤波上,一般有2大类方法:软件滤波与硬件滤波。本系统选用的是硬件滤波,采用一个低通滤波器作为信号采集的滤波器。低通滤波器:低通滤波器的功能是让直流信号在制定截止频率的低频分量通过,而使高频分量有很大衰减。低通滤波器一般用截止频率WC、阻带频率WS、直流增益HO、通带纹波等参数来确定。选择不同的传递函数,低通滤波器的幅频特性和衰减率均不一样。本系统使用RC无源低通滤波器。4.2 主控制器电路设计主控制器部分是整个系统的中心部分,它连接着其他几个环节,它的原理图如图4.4所示。图4.4 主控制器电路原理图 图中C8051F410芯片是单片机;R22和C12组成复位电路,RESET复位信号连接C8051F410芯片第2脚;FM24C02是存储芯片,SCL和SDA是信号线,分别连接C8051F410芯片的第20脚和19脚,FM2402与R41/R42及C15组成主控制器的存储单元,实现设定信息(包括设定温度、加热时间)的存储;图中电容C11、C15、C16、C17和C18都是起到滤波作用;图中XS4是一个4针接口,接口一端的信号线TXD和RXD分别连接C8051F410芯片的第20脚和第19脚,接口另一端可连接计算机串口,实现程序下载和调试。4.3 温度采集及温度控制模块电路设计温度采集模块电路原理图如图4.5所示:图4.5 温度采集电路原理图 图中SXI是一个2针接口,用于外接热电偶,热电偶采集的温度信号送入放大器AD849X的第1脚和第8脚,经过发达器AD849X调节放大后从第6脚输出,并接入C8051F410芯片的第23脚;图中电容C8、C24、和电感L1、L2组成抗干扰辅助电路,电路一端连接5V电源,即图中VCC_5V_temp端子,通过C8滤波和L2隔离后从电路的另一端输出,即VCC_5V_temp端子,VCC_5V_temp端子还通过电容C24接地滤波,VCC_5V_temp端子为放大器AD849X提供稳定的5V电源电压;电源地通过电感L1隔离后作为放大器AD849X的参考电压,有效防止电源地信号干扰,提高温度测量稳定性。温度控制模块电路原理图如如图4.6所示图4.6 温度控制电路原理图 图中Relay_ctrl是继电器控制信号,来自C8051F410芯片的第17 脚;D1是光耦,起到隔离C8051F410芯片与继电器的作用;XS2为继电器接线端口:Vout2-为继电器提供3V值12V的工作电压;V1为开关三极管,受光耦D1的控制,如果Relay_ctrl为高电平,开关三极管V1导通,继电器打开,石墨电热板加热丝通电加热;头则开关三极管截止,继电器关闭,石墨电热板加热丝断电,停止加热;D12为一保护二极管,如果Vout2+与Vout2-反接,则D12将继电器接线端口钳位在0.7V左右,防止继电器反向击穿。4.4 按键、显示、报警模块电路设计(1) 按键电路 根据设计需要,本系统使用4个按键,采用独立式分布,按键消抖由软件实现。(2) 显示界面电路为了是系统能够直观的显示其温度的变化,显示系统主要由2组4个的LED构成,一组用于显示实际温度,一组用于显示设定温度,最大显示温度为999。LED数码管分共阴极与共阳极两种,数码管是以扫描形式工作,段选接在P1口,位选通过74LS138译码器分别于2组数码管相连。74LS138译码电路如图4.7所示。图4.7 位选译码电路(3) 报警电路 报警和发光二极管电路原理一样:电路采用一个三极管开关电路,当I/O口输出高电平的时候,三极管导通,蜂鸣器有电流通过,报警。在I/O口输出的部分有RC电路保护蜂鸣器与LED。图4.8 报警电路4.5 电源模块电路设计电源是一个系统的心脏,维系这系统的运行。一个好的电源才能确定系统稳定长久的运行。本系统采用市电输入,电源设计主要包括变压、整流、滤波、稳压四个部分。并且系统分2个部分供电:继电器与控制系统。1.变压:变压是将交流市电电压(220V)变换为符合整流需要的数值。这里选用的是AC_2AC变压器。该变压器输入为220V,输出有2路电压。2.整流:整流电路的功能是利用电力电子器件的单向导电性将正弦交流电压变换为单向脉动电压。整流电路有单相整流和三相整流,按整流电路分为半波整流、全波整流、桥式整流等。本系统两个供电部分采用的都是单相桥式整流。3.滤波:滤波电路的作用是滤除整流电压中的纹波。常用的滤波电路有电容滤波、电感滤波、复试滤波及有源滤波。该系统采用的是大电容滤波。电容滤波电路是最简单的滤波器,它是在整流电路的负载上并联一个电容C。电容为带有正、负极性的大电容,如点解电容、坦电容等。4. 稳压:基准电压源MC7805芯片。MC7805是一种高精度、低温漂、采用激光修正的能隙基准源。MC7805基准电压源的内部电路很复杂,但应用很简单,只需外接少量元件。综上所述,电源电路如图4.9所示。图4.9 电源电路原理图第5章 系统的软件设计5.1 系统的主程序设计主程序主要由初始化模块、键盘扫描与处理模块、热电偶温度采集模块、热电偶温度显示更新模块、温度控制(PID控制)模块。主程序流程图如图5.1所示。图5.1 主程序流程图5.1.1 按键扫描及按键处理设计按键扫描及按键处理程序框图分别如图5.2和图5.3所示图5.2 按键扫描模块流程图图5.3 按键处理模块流程图5.1.2 温度 采集模块软件设计 C8051F410的ADC转换非常方便,不要态度的CPU干预; 转换精度高,0.2的误差,启动延迟一定时间后,读取ADC相关寄存器里面的数据即可。温度采集的准确对直接关乎后面相关的温度控制等,所以准确的温度采集很有必要,这里设置ADC采样20次后求平均数的方法降低误差。其流程图如图5.4所示。图5.4 热电偶温度采集模块流程图5.1.3 温度控制模块软件设计PID控制模块流程图如图5.5所示。温度控制模块是软件的核心部分,把PID理论合理的运用到系统控制中去才能是系统得到满意的控制效果。温度控制模块的主要任务是:以实际温度与期望温度,通过计算,返回PWM控制的占空比。本系统运用的是位置式PID算法,并引入抗积分饱和机制。所有用于记录PID数据的都采用长型浮点类型变量,防止整量化误差。其中软件中参数的整定是关键,在实验调试部分有详细的介绍。图5.5 PID控制模块流程图5.2 中断系统的设计本系统主要有三个中断源,对应三个中断服务程序ADC中断服务程序、串口通信中断服务程序、定时器3中断服务程序。ADC中断服务程序中是把ADC中断标志位清零。5.2.1 串口通信部分图5.6 串口通信中断服务程序流程图串口通信部分主要包括串口通信初始化、串口发送数据、串口中断。在软件设计中,串口通信部分设置一个串口环形缓冲区,当在其他部分中要发送多组数据给计算机时,可以直接写发送函数而无需等待上一组数据是否发送完成。发送时会把数据存储起来,发送完一组后能自动取下一组数据发送而无需干涉。5.2.2 定时器3终端服务程序定时器3中断服务程序是本程序的主要处理部分。它的中断周期为1ms,定时器3的中断服务程序主要处理了一下事情:中断标志位清零;产生心跳节拍记记录中断次数;4个标志位的处理;以及模块函数。主要包括三个模块函数:报警处理模块;继电器控制(PWM控制);

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