基于单片机温度控制系统设计——输出通道设计.doc

摘要本设计以AT89S52单片机为核心的温度控制系统的工作原理和设计方法。温度信号由温度芯片DS18B20采集，并以数字信号的方式传送给单片机。文中介绍了该控制系统的硬件部分，包括：温度检测电路、温度控制电路、PC机与单片机输出通道的电路 。单片机通过对信号进行相应处理，从而实现温度控制的目的。文中还着重介绍了软件设计部分，实现PID算法。 关键词：单片机,温度控制,输出通道，PID算法目录摘要1第一章绪论31.1概述31.2 温度测控技术的发展与现状3第二章 温度控制系统的硬件设计52.1硬件系统设计框图52.2硬件设计电路52.3 AT89S52单片机简介52.4 AT89S52单片机信号与引脚简介62.5 温度传感器72.6输出通道的设计9第三章温度控制系统软件的设计123.1程序结构图123.2 PID算法12第四章 调试16总结17参考文献18附录19第一章 绪论1.1概述随着现代工业的逐步发展，在工业生产中，温度、压力、流量和液位是四种最常见的过程变量。其中，温度是一个非常重要的过程变量。例如：在冶金工业、化工工业、电力工业、机械加工和食品加工等许多领域，都需要对各种加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉的温度进行控制。然而，用常规的控制方法，潜力是有限的，难以满足较高的性能要求。采用单片机来对它们进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大的优点，而且可以大幅度提高被测温度的技术指标，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控制问题。（1）研究的目的和意义电阻加热炉是热处理生产中应用最广的加热设备，这样加热时升温过程的测量与控制就成为关键性的技术。为了方便进行工艺的研究，需要能保存温度数据。最后，由于生产中的实际情况，电阻加热炉要求操作方便，易于维护，成本较低等等。（2）国内外发展情况目前，我国电阻炉控制设备的现状时是小部分比较先进的设备和大部分比较落后的设备并存。整体上，我国的电阻炉控制系统与国外发达国家相比还比较落后。占主导地位的是仪表控制，这种系统的控制参数由人工选择，需要配置专门的仪表调试人员，费时、费力且不准确。控制精度依赖于试验者的调节。控制精度不高，一旦生产环境发生变化就需要重新设置。操作不方便，控制数据无法保存。因而，对生产工艺的研究很困难，因此造成产品质量低、废品率高、工作人员劳动强度大、劳动效率低，这些都影响企业的效率。1.2 温度测控技术的发展与现状温度是生活及生产中最基本的物理量，它表征的是物体的冷热程度。自然界中任何物理、化学过程都紧密地与温度相联系。在很多生产过程中，温度的测量和控制都直接和安全生产、提高生产效率、保证产品质量、节约能源等重大技术经济指标相联系。因此，温度的测量在国民经济各个领域中均受到了相当程度的重视。近年来，温度的检测在理论上发展比较成熟，但在实际测量和控制中，如何保证快速实时地进行采样，确保数据的正确传输，并能对所测温场进行较精确的控制，仍然是目前需要解决的问题。温度测控技术包括温度测量技术和温度控制技术两个方面。在温度的测量技术中，接触式测温发展较早，这种测量方法的优点是：简单、可靠、低廉，测量精度较高，一般能够测得真实温度；但由于检测元件热惯性的影响，响应时间较长，对热容量小的物体难以实现精确的测量，并且该方法不适宜于对腐蚀性介质测温，不能用于极高温测量，难于测量运动物体的温度。非接触式测温是通过对辐射能量的检测来实现温度测量的方法，其优点是：不破坏被测温场，可以测量热容量小的物体，适于测量运动温度，还可以测量区域的温度分布，响应速度较快。但也存在测量误差较大，仪表指示值一般仅代表表观温度，结构复杂，价格昂贵等缺点。因此，在实际的测量中，要根据具体的测量对象选择合适的测量方法，在满足测量精度要求的前提下尽量减少人力和物力的投入。温度控制技术按照控制目标的不同可分为两类：动态温度跟踪与恒值温度控制。动态温度跟踪实现的控制目标是使被控对象的温度值按预先设定好的曲线进行变化。在工业生产中很多场合需要实现这一控制目标，如在发酵过程控制，化工生产中的化学反应温度控制，冶金工厂中燃烧炉中的温度控制等。恒值温度控制的目的是使被控对象的温度恒定在某一数值上，且要求其波动幅度（即稳态误差）不能超过某一给定值。本课题所研制的电阻炉智能温度控制仪就是要实现恒值温度控制的要求，故以下仅对恒值温度控制进行讨论。第二章 温度控制系统的硬件设计2.1硬件系统设计框图PC机键盘显示器RS232单片机驱动SSR电阻炉DS18B20图2-1硬件系统设计框图2.2硬件设计电路图2-2硬件设计电路2.3 AT89S52单片机简介由于它的广泛使用使得市面价格较8155、8255、8279要低，所以说用它是很经济的。该芯片具有如下功能：有1个专用的键盘/显示接口；有1个全双工异步串行通信接口；有2个16位定时/计数器。这样，1个89S52，承担了3个专用接口芯片的工作；不仅使成本大大下降，而且优化了硬件结构和软件设计，给用户带来许多方便。89S52有40个引脚，有32个输入端口（I/O），有2个读写口线，可以反复插除。所以可以降低成本。主要功能特性： （1）兼容MCS51指令系统（2）32个双向I/O口线（3）3个16位可编程定时/计数器中断（4）2个串行中断口 （5）2个外部中断源（6）2个读写中断口线（7）低功耗空闲和掉电模式（8）8k可反复擦写(1000次)Flash ROM（9）256x8 bit内部RAM（10）时钟频率0-24MHz（11）可编程UART串行通道（12）共6个中断源（13）3级加密位（14）软件设置睡眠和唤醒功2.4 AT89S52单片机信号与引脚简介输入输出口线 口8位双向口线 口8位双向口线 口8位双向口线 口8位双向口线ALE 地址锁存控制信号在系统扩展时,ALE用于控制把口输出的低8位地址送入锁存器锁存起来,以实现低位地址和数据的分时传送。此外由于ALE是以六分之一晶振频率的固定频率输出正脉冲,因此可作为外部定时脉冲使用。 外部程序存储器读选通信号在读外部ROM时, 有效(低电平),以实现外部ROM单元的读操作。 访问程序存储趋控制信号但信号为低电平时,对ROM的读操作限定在外部程序存储器；而当信号为高电平时,则对ROM的读操作是从内部程序存储器开始,并可延续至外部程序存储器。RST 复位信号当输入的复位信号延续2个机器周期以上高电平时即为有效，用以完成单片机的复位操作。和 外接晶体引线端当使用芯片内部时钟时，此二引线端用语外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。 地线 +5V电源图2-3 AT89S52封装引脚图2.5 温度传感器目前市场上温度传感器较多，有以下几种： 方案一：选用铂电阻温度传感器，此类温度传感器线性度、稳定性等方面性能都很好， 其成本较高。 方案二：采用热敏电阻，选用此类元器件有价格便宜的优点，但由于热敏电阻的非线性特性会影响系统的精度。 方案三：DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO92小体积封装形式；温度测量范围为55125,可编程为9位12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625。此器件具有体积小、质量轻、线形度好、性能稳定等优点其各方面特性都满足此系统的设计要求。 比较以上三种方案，方案三具有明显的优点，因此选用方案三。 DS18B20支持“一线总线”接口，测量温度的范围为-55C+125C，现场温度直接以“一线总线”的数字式传输，大大的提高了系统的抗干扰性。DS18B20为3引脚， DQ为数字信号输入/输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端。温度采集电路模块如图2-4所示。DSB8B20的3脚接系统中单片机的P1.4口线，用于将采集到的温度送入单片机中处理，2脚和3脚之间接一个4.7K上拉电阻，即可完成温度采集部分硬件电路。DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。图2-4 温度采样电路DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例:用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625/LSB形式表达，其中S为符号位。数据转换如下表2-1。表2-1 DS18B20温度数据转换表LS ByteBit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0232221202-12-22-32-4MS ByteBit15Bit14Bit13Bit12Bit11Bit10Bit9Bit8SSSSS262524这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。2.6输出通道的设计（1）电阻炉的功率调节方式电阻炉的温度控制是通过调节电阻炉的输入电功率来实现的。目前多数温控仪采用晶闸管来实现功率调节。由晶闸管实现交流功率调节的途径有两条：一种是通过改变交流电压每周期内电压波形的导通角，使得负载端电压有效值得以调节，进而实现电功率调节。由于这种调节方式下触发脉冲的触发时刻与电压波形的相位有关，因此称为相位控制调功；另一种调节方式是电压波形不变而只改变电压周波在控制周期内出现的次数，这种调节方式称为通断控制调功。就触发方式而言，前者为移相触发，后者为过零触发。两者的电压波形比较如图2-5所示。图2-5功率调节方式比较通过比较发现：相位控制的电压波形不“规整”，但正负半周对称，无直流成分，可直接用于电感负载。其最大的缺点是：大电流的切入造成对电网的冲击，不规整的脉冲负载电流引起电网波形的畸变及对其它电设备的中频干扰。输出的线性范围窄而线性度又不好，只能靠反馈来改善。通断控制的输出波形仍为正弦波，其优点是，不会对电网造成严重污染和干扰其它用电设备，而且电炉的功率愈大，优点愈突出。但通断控制也存在抗电源干扰能力弱等缺点。对于纯阻性负载的电阻炉来说，温控仪采用过零触发方式可使电路结构简单，软件计算方便。因此，在本系统中采用通断控制的方式来进行功率调节。（2）固态继电器及应用固态继电器7(Solid State Relays)，简写成“SSR”，是一种全部由固态电子元件（如光电耦合器、晶体管、可控硅、电阻、电容等）组成的新型无触点开关器件。与普通继电器一样，它的输入侧与输出侧之间是电绝缘的。但是与普通电磁继电器比，SSR体积小，开关速度快，无机械触点，因而没有机械磨损，不怕有害气体腐蚀，没有机械噪声，耐振动、耐冲击，使用寿命长。它在通、断时没有火花和电弧，有利于防爆，干扰小（特别对微弱信号回路）。另外，SSR的驱动电压低，电流小，易于与计算机接口。因此SSR作为自动控制的执行部件得到越来越广泛的应用。SSR按使用场合可以分成交流型和直流型两大类。图2-6 交流SSR工作原理框图交流型SSR的工作原理框图如图2-8所示，图中的部件构成交流SSR的主体。从整体上看，SSR只有两个输入端(A和B)及两个输出端(C和D)，是一种四端器件。工作时只要在A、B上加上一定的控制信号，就可以控制C、D两端之间的“通”和“断”，实现“开关”的功能，其中耦合电路的功能是为A、B端输入的控制信号提供一个输入/输出端之间的通道，但又在电气上断开SSR中输入端和输出端之间的(电)联系，以防止输出端对输入端的影响，耦合电路用的元件是“光耦合器”，它动作灵敏、响应速度高、输入/输出端间的绝缘(耐压)等级高；由于输入端的负载是发光二极管，这使SSR的输入端很容易做到与输入信号电平相匹配，在使用时可直接与计算机输出接口相接，即受“1”与“0”的逻辑电平控制。触发电路的功能是产生合乎要求的触发信号，驱动开关电路工作，但由于开关电路在不加特殊控制电路时，将产生射频干扰并以高次谐波或尖峰等污染电网，为此特设“过零控制电路”。所谓“过零”是指，当加入控制信号，交流电压过零时，SSR即为通态；而当断开控制信号后，SSR要等待交流电的正半周与负半周的交界点(零电位)时，SSR才为断态。这种设计能防止高次谐波的干扰和对电网的污染。吸收电路是为防止从电源中传来的尖峰、浪涌(电压)对开关器件双向可控硅管的冲击和干扰(甚至误动作)而设计的，一般是用“R-C”串联吸收电路或非线性电阻(压敏电阻器)。第三章 温度控制系统软件的设计3.1程序结构图图3-1程序结构图3.2 PID算法在控制系统中,控制器最常用的控制规律是PID控制。PID控制系统原理框图如图3-2所示。系统由PID控制器和被控对象组成。图3-2 PID控制系统原理框图 PID调节规律的基本输入输出关系可用微分方程表示为： 式中为调节器的输入误差信号，且 、其中：为给定值，为被控变量； 为调节器的输出控制信号； 为比例系数；为积分时间常数；微分时间常数。计算机只能处理数字信号，若采样周期为T第n次采样的输入误差为，且，输出为，PID算法用的微分由差分代替，积分由代替，于是得到 、写成递推形式为= = = = = 其中： 显然，PID计算只需要保留现时刻以及以前的两个偏差量和。初始化程序初值通过采样并根据参数、以及、和计算。 根据输出控制增量，可求出本次控制输出为 += 由于电阻炉一般是属于一阶对象和滞后的一阶对象，所以式中、的选择取决于电阻炉的阶跃响应曲线和实际经验，工程上已经积累了不少行之的参数整定方法。本设计采用Ziegler-Nichols提出的 PID归一调整法，调整参数，主要是为了减少在线整定参数的数目，常常人为假定约束条件，以减少独立变量的个数，令： 式中称为临界周期。在单纯比例作用下（比例增益由小到大），是系统产生等幅振荡的比例增益，这时的工作周期为临界周期，则可以得到 = = 式中=0.2，=1.258 从而可以调节的参数只有一个。可设计一个调整子程序，通过键盘输入改变值，改变运行参数，使系统满足要求。下面对PID运算加以说明：1、 所有的数都变成定点纯小数进行处理。2、 算式中的各项有正有负，以最高位作为符号位，最高位为0表示为正数，为1表示负数。正负数都是补码表示，最后的计算以原码输出。3、 双精度运算，为了保证运算精度，把单字节8位输入采样值和给定值都变成双字节16位进行计算，最后将运算结果取成高8位有效值输出。4、 输出控制量的限幅处理。为了便于实现对晶闸管的通断处理，PID的输出现在在0250之间。大于250或小于0的控制量都是没有意义的，因在算法上对进行限幅，即 = PID的计算公式采用位置式算法，计算公式为+ = PID计算的程序流程图图3-2所指示。表3-1 参数内存分配表存储单元符号说明存储单元符号说明3FH高8位38H低8位30H低8位39H高8位31H给定值高8位3AH低8位32H给定值低8位3BH高8位33H高8位3CH低8位34H低8位3DH高8位35H高8位32EH低8位36H低8位3FH高8位37H高8位40H低8位第四章 调试硬件调试首先检查电路的焊接是否正确，然后可用万用表测试或通电检测。硬件调试主要是针对主控板中单片机模块和外部输入、输出模块进行调试。这一部分硬件调试主要分成两大块：上电前的调试和上电后的调试。在电路安装焊接前，首先是对元器件的检测。对AT89S52、DS18B20和SSR固态继电器这三个器件在未接电路时是不能检测其好坏的。对于其他器件则可利用万用表进行测量。电阻的测量，用万用表的欧姆档测量。二极管、三极管也是根据其特性用万用表的欧姆档测量即可。按钮的测量也是用欧姆档测量，只要将表笔两端接按钮的两个引脚，按下按钮可以看到指针偏转到0刻度。继电器的检测，给继电器的线圈两端加一合适的电压，可以看到指示灯亮。或用万用表接其管脚，看指针是否偏转为0刻度线。（1）上电前的调试在上电前，必须确保电路中不存在断路或短路情况，这一工作是整个调试工作的第一步，也是非常重要的一个步骤。在这部分调试中主要使用的工具是万用表，用来完成检测电路中是否存在断路或者短路情况等。只要将一个表笔固定在电源端或接地端，另仪表笔接其他连接点，指针偏转到0刻度就是通路的。通过万用表的检测,没有发现短路和断路的地方了，电路基本正常后再进行下一步调试。（2）上电后的调试在确保硬件电路正常，无异常情况(断路或短路)方可上电调试，上电调试的目的是检验电路是否接错，同时还要检验原理是否正确。在本设计中，上电调试主要是检测单片机部分与外部输入、输出电路是否接对。本次调试需要通过软硬件联调来实现。由于DS18B20与单片机采用串行数据传送，因此，对DS18B20进行读/写编程时必须严格地保证读/写时序，否则将无法读取测量结果。本程序采用单片机C语言编写，用Keil C51编译器编程调试。 加热控制调试编写控制语句，使加热控制动作。加热控制口为P3.6口,要使加热电路动作,可以直接给P3.6口一个控制信号使其动作,即程序直接将P3.6口置1,这样就使三极管导通,继电器线圈动作,触电吸合,加热器进行加热。温度传感器DS18B20的调试在VB编写的显示界面调试到能成功显示温度值和显示温度曲线的基础上，编写温度测量子程序以及显示子程序对此部分硬件电路进行测试。在有温度改变时（例如用手去接触），显示温度能改变就基本完成本设计。总结首先，通过这次应用系统设计，在很大程度上提高了自己的独立思考能力和单片机的专业知识，也深刻了解写一篇应用系统的步骤和格式，有过这样的一次训练，相信在接下来的日子我们都会了，而且会做得更好。我所写的系统主要根据目前节省能源的发展趋势和国内实际的应用特点和要求，采用了自动化的结构形式，实现温度的自动检测和控制。系统以单片机为AT89S52核心部件，单片机系统完成对温度信号的采集、处理、显示等功能，运行程序该系统的主要特点是: 1)适用性强，用户只需对界面参数进行设置并启动系统正常运行便可满足不同用户温度的要求。 2)将单片机以及温度传感器引入分析和处理中，单片机控制决策无需建立被控对象的数学模型，系统的鲁棒性强，适合对非线性、时变、滞后系统的控制，对温度控制系统采用单片机控制非常适合。3)系统成本低廉，操作非常简单，可扩展性强，只要稍加改变，即可增加其他使用功能。通过对本设计的思考，更加加深了对单片机的认识，熟练了单片机的编程，更对当前的温度传感器有了更深刻的认识与了解，但是由于此系统依赖温度传感器，因而对温度传感器的稳定性，线性等诸多方面有着严格的要求，但是传感器的性能越好，相对而言其价格也就越高，因而在此设计中，温度传感器我个人觉的还是存在遗憾，其次，所以其编程过程复杂不易查错。最后由于时间紧迫，本设计还有诸多地方需要改进，比如改用RS-485串行接口或是网线，实现远距离操作。由于本设计是从保温部分节能为出发点而设计，因而在其加热部分还是存在很大能源浪费，因而在日后的开发应用中因当注意要，对其加热部分的选材的改进。参考文献1 童诗白.模拟电子技术基础M(第三版).北京：高等教育出版社，20032 毛义敏.一种PID参数模糊自整定控制器的设计与仿真J.自动化与仪表，2001,16(3):36-383 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up=0;/*温度小数部分用查表法*/uchar code ditab16 = 0x00, 0x00, 0x01, 0x01, 0x02, 0x03, 0x03, 0x04, 0x05, 0x05, 0x06, 0x06, 0x07, 0x08, 0x08, 0x09;uchar code dis_910=0x30,0x31,0x32,0x33,0x34,0x35,0x36,0x37,0x38,0x39;/*ACCII码对应码表0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 */ uchar data temp_data2=0x00,0x00; / 读出温度暂放uchar data display5=0x00,0x00,0x00,0x00,0x00; /显示单元数据,共4个数据,一个运算暂存用uchar temp_55=0x00,0x00,0x00,0x00,0x00;/*11微秒延时函数*/void delay(uint t)for(;t0;t-);/初始化void send_int(void) TMOD = 0x21;/ 定时器1工作于8位自动重载模式, 用于产生波特率TH1 = 0xfd;/ 波特率2400TL1 = 0xfd; TH0=0xD8; /定时器0定时10ms TL0=0xF0; ET0=1; /允许定时器0中断 ES=1; /允许串口中断 EA=1; /开中断SCON = 0xd8;/ 设定串行口工作方式PCON = 0x00;/ 波特率不倍增/*温度数据处理函数*/void work_temp() n=0; if(temp_data1127) n=1; else display4=temp_data0&0x0f;display0=ditabdisplay4; display4=(temp_data0&0xf0)4)|(temp_data1&0x0f)0; i-) DQ=1;_nop_();_nop_(); DQ = 0;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); /5usDQ = val&0x01; /最低位移出delay(6); /66usval=val/2; /右移一位DQ = 1;delay(1); /*18B20读1个字节函数*/从总线上读取一个字节uchar read_byte(void)uchar i;uchar value = 0;for (i=8;i0;i-)DQ=1;_nop_();_nop_();value=1;DQ = 0; /_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); /4usDQ = 1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); /4us if(DQ)value|=0x80;delay(6); /66usDQ=1;return(value);/*读出温度函数*/read_temp() ow_reset(); /总线复位 write_byte(0xCC); / 发Skip ROM命令 write_byte(0xBE); / 发读命令 temp_data0=read_byte(); /温度低8位 temp_data1=read_byte(); /温度高8位 ow_reset(); write_byte(0xCC); / Skip ROM write_byte(0x44); / 发转换命令 work_temp(); /处理温度数据/*/ /PID计算部分 /*/ unsigned int PIDCalc( struct PID *pp, unsigned int NextPoint ) unsigned int dError,Error; Error = pp-SetPoint - NextPoint; / 偏差 pp-SumError += Error; / 积分 dError = pp-LastError - pp-PrevError; / 当前微分 pp-PrevError = pp-LastError; pp-LastError = Error; return (pp-Proportion * Error / 比例项 + pp-Integral * pp-SumError / 积分项 + pp-Derivative * dError); / 微分项 /* 温度比较处理子程序 */ compare_temper() unsigned char i; if(set_tempertemper) if(set_temper-temper15) open=200; else for(i=0;i5;i+) rout = PIDCalc ( &spi