高精度长寿命大功率恒温器电气控制设计毕业论文.doc

南京邮电大学2006届本科生毕业设计（论文）高精度长寿命大功率恒温器电气控制设计毕业论文目 录第一章 系统简介11.1ATmega8单片机简介11.1.1简单概述11.1.2主要特性11.1.3管脚说明21.2检测元件的比较及选择31.2.1热敏电阻31.2.2 AD59031.2.3 DS18B2041.3控制元件的比较及选择41.3.1固态继电器41.3.2交流接触器51.3.2晶闸管触发电路51.4系统的组成61.5温度控制的工艺要求71.5.1 全速升温段71.5.2 调温段（亦称保温段）71.5.3 自然降温段7第二章 系统整体方案设计82.1确定系统任务82.2系统的组成及工作原理82.3电阻炉的数学模型及炉温控制曲线9第三章 硬件设计103.1主机电路的设计103.2电源电路的设计103.3温度检测电路的设计113.4显示电路的设计143.5 控制执行电路173.6键盘设置电路的设计193.7过限报警电路19第四章 软件设计204.1主程序的设计204.2 PID参数的计算20第五章 测试与调整235.1 主机电路的测试235.2 显示电路的测试235.3 温度检测电路的测试235.4 控制执行电路的测试235.5 硬件测试实物图245.6 PID参数的测试25结束语28致 谢30参考文献31附录A：程序清单32附录B：DS18B20驱动41附录C：SMC1602A驱动44南京邮电大学2006届本科生毕业设计（论文）第一章 系统简介1.1ATmega8单片机简介1.1.1简单概述ATmega8是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间， ATmega8 的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。具体的引脚图如图1-1所示。图1-1 ATmega8引脚图1.1.2主要特性l 高性能、低功耗的 8 位AVR微处理器l 先进的RISC 结构130 条指令 大多数指令执行时间为单个时钟周期32个8 位通用工作寄存器全静态工作工作于16 MHz 时性能高达16 MIPS只需两个时钟周期的硬件乘法器l 非易失性程序和数据存储器8K 字节的系统内可编程Flash，擦写寿命: 10,000 次具有独立锁定位的可选Boot 代码区，通过片上Boot 程序实现系统内编程真正的同时读写512 字节的EEPROM，擦写寿命: 100,000 次1K字节的片内SRAM可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密l 外设特点两个具有独立预分频器8 位定时器/ 计数器, 其中之一有比较功能一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16 位定时器/ 计数器具有独立振荡器的实时计数器RTC三通道PWMTQFP与MLF 封装的8 路ADC， 8 路10 位ADCPDIP封装的6 路ADC，8 路10 位ADC面向字节的两线接口两个可编程的串行USART可工作于主机/ 从机模式的SPI 串行接口具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器片内模拟比较器l 特殊的处理器特点上电复位以及可编程的掉电检测片内经过标定的RC 振荡器片内/ 片外中断源5种睡眠模式: 空闲模式、ADC 噪声抑制模式、省电模式、掉电模式及Standby 模式l I/O 和封装23个可编程的I/O 口28引脚PDIP 封装,32 引脚TQFP 封装,32 引脚MLF 封装l 工作电压2.7 - 5.5V (ATmega8L)4.5 - 5.5V (ATmega8)l 速度等级0 - 8 MHz (ATmega8L)0 - 16 MHz (ATmega8)l 4 Mhz 时功耗, 3V, 25C工作模式: 3.6 mA空闲模式: 1.0 mA掉电模式: 0.5 A1.1.3管脚说明VCC ：数字电路的电源。GND ：地。端口B(PB7.PB0)：为8 位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口B 处于高阻状态。通过时钟选择熔丝位的设置， PB6 可作为反向振荡放大器或时钟操作电路的输入端。通过时钟选择熔丝位的设置PB7 可作为反向振荡放大器的输出端。若将片内标定RC 振荡器作为芯片时钟源，且ASSR 寄存器的AS2 位设置，PB7.6 作为异步 T/C2 的输入端。端口C：(PC5.PC0) 端口C 为7 位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口C 处于高阻状态。PC6/RESET ：若RSTDISBL 熔丝位编程， PC6 作为I/O 引脚使用。注意PC6 的电气特性与端口C 的其他引脚不同。若RSTDISBL 熔丝位未编程，PC6 作为复位输入引脚。持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。端口D(PD7.PD0)：为8 位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口D 处于高阻状态。RESET ：复位输入引脚。持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。AVCC ：是A/D转换器、端口C (3.0) 及ADC (7.6) 的电源。不使用ADC时，该引脚应直接与VCC 连接。使用ADC 时应通过一个低通滤波器与VCC 连接。AREF ：A/D 的模拟基准输入引脚。ADC7.6(TQFP 与MLF 封装)：作为A/D转换器的模拟输入。为模拟电源；作为10位ADC通道。1.2检测元件的比较及选择1.2.1热敏电阻热敏体积小，价格便宜，易于通过接触测试固体温度。但是对于测量液体温度表现吧佳。再者，热敏电阻特性的非线性（或者说近似的分段线性）给单片机的多点恒温带来麻烦，要通过大量测试建立温度/电压（T/V）表格，才能实现。1.2.2 AD590AD590具有精度高、价格低、不需辅助电源、线性好等特点。在以往的试验中，用起来也颇为方便，但是AD590输出的是微安级的电流，接触水会显著地使输出非正常，测量便不准确。用绝缘胶布包住导线，但是随着水温的升高，会不可避免的产生湿气且造成影响。1.2.3 DS18B20DS18B20具有精度高，测量范围大，不需要辅助电源等特点，且通过一个单线接口发送或接收信息，因此在中央微处理器和DS18B20之间仅需一条连接线（加上地线）。并且用户可以自定义非易失性温度报警设置，所以DS18B20在温度控制，工业系统，消费品等许多热感测系统中有广泛应用。综上所述，选择DS18B20作为温度传感器，DS18B20精度高，测量范围大，不需要辅助电源，单线接口发送或接收信息等诸多特点，使其在工业应用中具有很大的优势。1.3控制元件的比较及选择1.3.1固态继电器固态继电器有三部分组成:输入电路，隔离(耦合)和输出电路。安输入电压的不同类别，输入电路可分为直流输入电路，交流输入电路和交直流输入电路三种。有些输入控制电路还具有与TTL/CMOS兼容，正负逻辑控制和反相等功能。固态继电器的输入与输出电路的隔离和耦合方式有光电耦合和变压器耦合两种。固态继电器的输出电路也可分为直流输出电路，交流输出电路和交直流输出电路等形式。交流输出时，通常使用两个可控硅或一个双向可控硅，直流输出时可使用双极性器件或功率场效应管。l 优点（1）高寿命，高可靠:SSR没有机械零部件，有固体器件完成触点功能，由于没有运动的零部件，因此能在高冲击，振动的环境下工作，由于组成固态继电器的元器件的固有特性，决定了固态继电器的寿命长，可靠性高。（2）灵敏度高，控制功率小，电磁兼容性好:固态继电器的输入电压范围较宽，驱动功率低，可与大多数逻辑集成电路兼容不需加缓冲器或驱动器。（3）快速转换:固态继电器因为采用固体其间，所以切换速度可从几毫秒至几微妙。（4）电磁干扰小:固态继电器没有输入线圈，没有触点燃弧和回跳，因而减少了电磁干扰。大多数交流输出固态继电器是一个零电压开关，在零电压处导通，零电流处关断，减少了电流波形的突然中断，从而减少了开关瞬态效应。l 缺点（1）导通后的管压降大，可控硅或双相控硅的正向降压可达12V，大功率晶体管的饱和压浆液灾12V之间，一般功率场效应管的导通电祖也较机械触点的接触电阻大。（2）半导体器件关断后仍可有数微安至数毫安的漏电流，因此不能实现理想的电隔离。（3）由于管压降大，导通后的功耗和发热量也大，大功率固态继电器的体积远远大于同容量的电磁继电器，成本也较高。（4）电子元器件的温度特性和电子线路的抗干扰能力较差，耐辐射能力也较差，如不采取有效措施，则工作可靠性低。（5）固态继电器对过载有较大的敏感性，必须用快速熔断器或RC阻尼电路对其进行过在保护。固态继电器的负载与环境温度明显有关，温度升高，负载能力将迅速下降。1.3.2交流接触器交流接触器是广泛用作电力的开断和控制电路。它利用主接点来开闭电路，用辅助接点来执行控制指令。主接点一般只有常开接点，而辅助接点常有两对具有常开和常闭功能的接点，小型的接触器也经常作为中间继电器配合主电路使用。 交流接触器的接点，由银钨合金制成，具有良好的导电性和耐高温烧蚀性。 交流接触器主要有四部分组成:(1) 电磁系统,包括吸引线圈、动铁芯和静铁芯；(2)触头系统,包括三副主触头和两个常开、两个常闭辅助触头,它和动铁芯是连在一起互相联动的；(3)灭弧装置,一般容量较大的交流接触器都设有灭弧装置,以便迅速切断电弧,免于烧坏主触头；(4)绝缘外壳及附件,各种弹簧、传动机构、短路环、接线柱等。 交流接触器的工作原理：当线圈通电时，静铁芯产生电磁吸力，将动铁芯吸合，由于触头系统是与动铁芯联动的,因此动铁芯带动三条动触片同时运行,触点闭合,从而接通电源。当线圈断电时,吸力消失, 动铁芯联动部分依靠弹簧的反作用力而分离,使主触头断开,切断电源。 1.3.2晶闸管触发电路晶闸管有三个极，分别为阳极、阴极和控制极。为了说明晶体闸管的工作原理，我们把晶闸管看成由PNP（T1）和NPN（T2）两个三极管组合而成，用图1-2表示电路模型来表示。当阳-阴极之间加正向电压Vak（Ea）时，同时控制极-阴极间加正向电压Vgk（Eg）时，就产生控制极电流Ig（Ib2），经T2放大后，形成集电极电流Ic2=2Ib2，这个电流又是T1的基极电流Ib1，即Ib1=Ic2，同样经T1放大，产生集电极电流Ic1=12Ib2，此电流又作为T2的基极电流再行放大，如此循环往复，形成正反馈过程，从而使晶闸管完全导通。这个导通过程是在极短的时间内完成的，一般不超过几微秒，称为触发导通过程。导通后即使去掉Eg，晶闸管依靠自身的正反馈作用仍然可以维持导通，并成为不可控。因此Eg只起触发导通的作用，一经触发后，不管Eg存在与否，晶闸管仍将导通。图1-2 晶闸管的电路模型晶体闸管导通时，其正向压降（阳-阴极间）一般约为0.61.2V，但应注意的是，如果因外电路负载电阻增加而使晶闸管的阳极电流Ia降低到小于某一数值Ih时，就不能维持正反馈过程，晶闸管就不能导通，而呈阻断状态因此称Ih为晶闸管的最小维持电流，它表示维持晶闸管导通的最小阳极电。如果阳极电流Ia小于Ih，则晶闸管呈现正向阻断状态。如果已导通的晶闸管的外加电压降到零（或切断电源），则阳极电流Ia降到零，晶闸管自行阻断。如果晶闸管加上反向电压，则此时PN结承受反向电压，无论控制极是否加上触发电压，晶闸管均不导通，呈反向阻断状态。综上分析可知，晶闸管的导通条件为：除了在阳-阴极间加上一定大小的电压外，还要在控制极-阴极间加正向触发电压，只要电路满足这两个条件，晶闸管才能导通，否则就处于阻断状态。同时还要注意到，一旦管子触发导通后，控制极即失去控制作用，这时要使电路阻断，必须使阳极电压降到足够小，使阳极电流降到Ih以下。双向可控硅的优点是控制电路简单，没有反向耐压问题。综上所述，在系统初始的升温过程中，加热功率很大（24KW），故采用交流接触器来完成，而在后来的温度调节过程中需要来回通断微调，对接触触点的寿命影响很大，并且由于此时加热功率小，故采用更加精准的晶闸管触发电路来完成控制。1.4系统的组成系统由计算机、接口电路、外部设备等组成，如图1-3所示。控制对象的被测参数经传感器、变换器，转换成统一的标准信号，再经多路开关送到送入计算机。除此之外，有些被测参数为数字量、开关量或脉冲量，它们可过接口直接加至计算机。计算机对数据进行处理和计算，然后经模拟量或开关量输出通道输出，对被测参数进行控制。控制对象传感器多路开关 计 算 机串口通信口键盘显示器执行机构开关量输入开关量输出图1-3 系统的基本组成框图1.5温度控制的工艺要求在工业生产中，对温度控制系统的要求，主要是保证炉温按规定的工艺曲线变化，超调小或无超调，稳定性好，不震荡，对系统的快速性要求不高。温度工艺曲线随产品不同而不同，一般由以下四部分组成：1.5.1 全速升温段这一过程要求执行元件向加热炉输送最大能量，使加热炉全速升温到某一数值。这时，微机不须进行控制工作，只须监测炉子的温度，判断是否结束升温过程。1.5.2 调温段（亦称保温段）这一工艺过程是是温度控制的主要工艺过程，它要求控制系统保证炉温在各种干扰下能调节稳定在允许的范围内。1.5.3 自然降温段这一过程中执行元件不再向炉子输送能量，让其自然冷却到某一温度。此时，微机只须监测炉温即可，有时甚至无需做任何工作。第二章 系统整体方案设计2.1确定系统任务设计内容：结合电力电子技术，达到高效率精确控制高功率（24KW）加热装置，降低调节温差，缩短调节时间，提高产品质量，降低燃耗,节约能源。并达到以下技术要求：延长机械转换触点寿命，解决大功率电器的升温难题。参数设定便利、直观，温度测量准确，温控精度0.5，控制温度范围0120，过限报警，并最终由大屏幕液晶显示参数2.2系统的组成及工作原理恒温控制系统硬件电路由温度检测，单片机PID运算，输出控制和过限报警四个模块组成。如图2-1所示，检测模块作为闭环的反馈实时检测温度，经过放大处理后将信号传送给单片机，经过处理后，一方面送往液晶显示器，另一方面，与系统温度设定值相比较，通过PID算法控制温度达到所需值。其中输出控制模块部分由两块组成：由晶闸管触发电路和交流接触器协调控制通断。由于初始的全功率加热电流大，晶闸管允许通过的电流小，故采用交流接触器进行控制；在后期的温度调整时期，需要来回通断以调整温度达到预期值，对交流接触器的触点寿命有很大的影响，故采用晶闸管触发电路。电阻炉传感器Mega8设 温显示器/键盘晶闸管固态继电器过限报警隔离功放交流电图2-1 系统工作原理图2.3电阻炉的数学模型及炉温控制曲线被控对象是一个电阻炉，它的传递函数可以表示为： = 其中， 表示对象惯性时间，K表示对象放大系数,一个电炉的炉温控制要求按下图所示曲线规律变化。从加温开始到a点（对应温度为Ta）为自由升温段，当温度达到Ta后收入模糊PID控制，使炉温在超调满足给定指标的条件下进入保温段bc，cd段为自然降温段，无需控制。t/mindcba0T/图2-2 炉温控制曲线第三章 硬件设计硬件电路主要有：主机电路、电源部分的电路、数据采集电路、键盘设置电路、显示电路、控制执行电路以及过限报警电路。下面将具体介绍各部分电路。3.1主机电路的设计主机电路选用Mega8单片机，它是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间， ATmega8 的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。具体的引脚图如图3-1所示。图3-1 ATmega8引脚图其中15脚接温度传感器DS18B20，16,13脚分别为两个控制端，12脚为过限报警端，2-5脚为键盘输入端。3.2电源电路的设计由于本系统所用到的一系列芯片的电源都是直流电源，而现实中用的都是交流电，故要把交流电整流成直流电，本设计运用的是桥式整流法把交流电整流成直流电，从而满足系统的要求。整流原理图如图3-2所示： 图3-2 桥式整流电路3.3温度检测电路的设计DS1820 有三个主要数字部件：1）64 位激光ROM， 2）温度传感器，3）非易失性温度报警触发器TH 和TL。器件用如下方式从单线通讯线上汲取能量：在信号线处于高电平期间把能量储存在内部电容里，在信号线处于低电平期间消耗电容上的电能工作，直到高电平到来再给寄生电源（电容）充电。DS1820 也可用外部5V 电源供电。图3-3 DS18B20方框图DS1820 依靠一个单线端口通讯。在单线端口条件下，必须先建立ROM 操作协议，才能进行存储器和控制操作。因此，控制器必须首先提供下面5 种ROM 操作命令之一：1）读ROM，2）匹配ROM，3）搜索ROM，4）跳过ROM，5）报警搜索。这些命令对每个器件的激光ROM 部分进行操作，在单线总线上挂有多个器件时，可以区分出单个器件，同时可以向总线控制器指明有多少器件或是什么型号的器件。成功执行完一条ROM 操作序列后，即可进行存储器和控制操作，控制器可以提供6 条存储器和控制操作指令中的任一条。一条控制操作命令指示 DS1820 完成一次温度测量。测量结果放在DS1820 的暂存器里，用一条读暂存器内容的存储器操作命令可以把暂存器中数据读出。温度报警触发器TH 和TL 各由一个EEPROM 字节构成。如果没有对DS1820 使用报警搜索命令，这些寄存器可以作为一般用途的用户存储器使用。可以用一条存储器操作命令对TH 和TL 进行写入，对这些寄存器的读出需要通过暂存器。所有数据都是以最低有效位在前的方式进行读写。寄生电源会在I/O 或VDD 引脚处于高电平时“偷”能量。当有特定的时间和电压需求时（见节标题“单线总线系统”），I/O 要提供足够的能量。寄生电源有两个好处：1）进行远距离测温时，无需本地电源，2）可以在没有常规电源的条件下读ROM。要想使 DS1820 能够进行精确的温度转换，I/O 线必须在转换期间保证供电。由于DS1820 的工作电流达到1mA，所以仅靠5K 上拉电阻提供电源是不行的，当几只DS1820 挂在同一根I/O线上并同时想进行温度转换时，这个问题变得更加尖锐。有两种方法能够使 DS1820 在动态转换周期中获得足够的电流供应。第一种方法，当进行温度转换或拷贝到E2 存储器操作时，给I/O 线提供一个强上拉。用MOSFET 把I/O 线直接拉到电源上就可以实现，见图3-4。在发出任何涉及拷贝到E2 存储器或启动温度转换的协议之后，必须在最多10s 之内把I/O 线转换到强上拉。使用寄生电源方式时，VDD 引脚必须接地。图3-4 温度转换期间的强上拉电阻供电另一种给 DS1820 供电的方法是从VDD 引脚接入一个外部电源，见图3-5。这样做的好处是I/O线上不需要加强上拉，而且总线控制器不用在温度转换期间总保持高电平。这样在转换期间可以允许在单线总线上进行其他数据往来。另外，在单线总线上可以挂任意多片DS1820，而且如果它们都使用外部电源的话，就可以先发一个Skip ROM 命令，再接一个Convert T 命令，让它们同时进行温度转换。注意当加上外部电源时，GND 引脚不能悬空。图3-5 用VDD供电温度高于 100时，不推荐使用寄生电源，因为DS1820 在这种温度下表现出的漏电流比较大，通讯可能无法进行。在类似这种温度的情况下，强烈推荐使用DS1820 的VDD 引脚。对于总线控制器不知道总线上的 DS1820 是用寄生电源还是用外部电源的情况，DS1820 预备了一种信号指示电源的使用意图。总线控制器发出一个Skip ROM 协议，然后发出读电源命令，这条命令发出后，控制器发出读时间隙，如果是寄生电源，DS1820 在单线总线上发回“0”，如果是从VDD 供电，则发回“1”，这样总线控制器就能够决定总线上是否有DS1820 需要强上拉。如果控制器接收到一个“0”，它就知道必须在温度转换期间给I/O 线提供强上拉。DS1820 通过一种片上温度测量技术来测量温度。图3-6 示出了温度测量电路的方框图。图3-6 温度测量电路方框图温度/数据关系温度数据输出（二进制）数据输出（十六进制）+12500000000 1111101000FA+2500000000 001100100032+1/200000000 000000010001000000000 000000000000-1/2111111111 11111111FFFF-25111111111 11001110FFCE-55111111111 10010010FF92DS1820 是这样测温的：用一个高温度系数的振荡器确定一个门周期，内部计数器在这个门周期内对一个低温度系数的振荡器的脉冲进行计数来得到温度值。计数器被预置到对应于-55的一个值。如果计数器在门周期结束前到达0，则温度寄存器（同样被预置到-55）的值增加，表明所测温度大于-55。同时，计数器被复位到一个值，这个值由斜坡式累加器电路确定，斜坡式累加器电路用来补偿感温振荡器的抛物线特性。然后计数器又开始计数直到0，如果门周期仍未结束，将重复这一过程。斜坡式累加器用来补偿感温振荡器的非线性，以期在测温时获得比较高的分辨力。这是通过改变计数器对温度每增加一度所需计数的值来实现的。因此，要想获得所需的分辨力，必须同时知道在给定温度下计数器的值和每一度的计数值。DS1820 内部对此计算的结果可提供0.5的分辨力。温度以16bit 带符号位扩展的二进制补码形式读出，表1 给出了温度值和输出数据的关系。数据通过单线接口以串行方式传输。DS1820 测温范围-55+125，以0.5递增。如用于华氏温度，必须要用一个转换因子查找表。3.4显示电路的设计显示电路采用的是SMC1602A，其具体的技术参数如下。l 主要技术参数：显示容量：16*2个字符（TN型）模块最佳工作电压5.0V工作电压：4.85.2V字符尺寸：2.95*4.35（WXH）mm工作电流：2.0mA(5.0V)工作温度：0+50背光源颜色：黄绿存储温度：-20+70背光源电流：100mAl 接口信号说明编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2Data I/O2VDD电源正极10D3Data I/O3V0LCD偏压输入11D4Data I/O4RS数据/命令选择端（H/L）12D5Data I/O5R/W读写控制信号13D6Data I/O6E使能信号14D7Data I/O7D0Data I/O15BLK背光源负极8D1Data I/O16BLA背光源正极l 控制器接口说明1基本操作时序读状态：输入：RS=L，RW=H，E=H 输出：D0D7状态字写指令：输入：RS=L，RW=L，D0D7=指令码，E=高脉冲 输出：无读数据：输入：RS=H，RW=H，E=H 输出：D0D7=数据写数据：输入：RS=H，RW=L，D0D7=数据，E=高脉冲 输出：无2状态字说明STA7D7STA6D6STA5D5STA4D4STA3D3STA2D2STA1D1STA0D0STA0-6当前数据地址指针的竖直STA7读写操作使能1：禁止 0：允许3RAM地址映射图控制器内部带有80*8位（80字节）的RAM缓冲区，对应关系如图3-7所示：图3-7 RAM地址映射图4指令说明u 初始化设置显示模式设置指令码功能00111000设置16*2显示，5*7点阵，8位数据接口显示开/关及光标设置指令码功能00001DCBD=1 开显示；D=0 关显示C=1 显示光标；C=0 不显示光标B=1 光标闪烁；B=0 光标不闪烁000001NSN=1 当读或写一个字符后地址指针加一，且光标加一N=0 当读或写一个字符后地址指针减一，且光标减一S=1 当写一个字符，整屏显示左移（N=1）或右移（N=0），以得到光标不移动而屏幕移动的效果。S=0 当写一个字符，整屏显示不移动u 数据控制控制器内部设有一个数据地址指针，用户可通过它们来访问内部的全部80字节RAM。数据指针设置指令码功能80H+地址码（0-27H，40H-67H）设置数据地址指针其他设置指令码功能01H显示清屏：1.数据指针清零 2.所有显示清零02H显示回车：1.数据指针清零u 初始化过程（复位过程）延时15ms写指令38H(不检测忙信号)延时5ms写指令38H(不检测忙信号)延时5ms写指令38H(不检测忙信号)(以后每次写指令、读/写数据操作之前均需检测忙信号)写指令38H：显示模式设置写指令08H：显示关闭写指令01H：显示清屏写指令06H：显示光标移动设置写指令0CH：显示开及光标设置具体的电路图如图3-8所示图3-8 液晶显示电路图3.5 控制执行电路控制电路分为两个部分，原理图3-5所示。在初始加热阶段，交流接触器闭合，全功率加热，在中期的温度调整过程中，交流接触器断开，由可控硅触发电路控制一路加热器低功率加热。可控硅触发交流接触器的两道开关加热电阻图3-9 控制电路原理图第一部分为可控硅触发电路，本设计中采用固定周期控制方式，设定控制周期T为1秒（100个电网周波）。设P为电阻炉全导通时功率，N为导通周期数，P为电阻炉平均输出功率，则P（N100）PH。当U（K）不等于0，经转换的N也不为0，在外部中断0服务程序中将P3.4为“1”，使MOC3041的1、2引脚导通，由于这时正好是电压的这零点，由此使MOC3041自带的过零检测器有效，使MOC3041的4、6端导通，此时CON为“1”，发光二极管LED亮灯，从而使晶闸管导通。而每中断一次，即每经过一个周波N减1，直减到N为0，则将P3.4置0，此时CON为“0”，发光二极管LED熄灭，从而使晶闸管截止。当U（K）为100时，控制周期中的100个周波全导通。 可控硅触发电路如图3-5所示：图3-10 可控硅触发电路单片机控制口输出触发信号使晶闸管导通，此时，流经晶闸管的电流是完整的正弦电流，避免电网波形的畸变。第二部分是由交流接触器LC1 D0910和上述电路配合完成，由可控硅触发电路来控制交流接触器的通断从而来控制整个电路的通断。3.6键盘设置电路的设计按钮RK4K3K2K1图3-11 键盘设置电路其中，K1,K2,K3,K4分别接到单片机I/O口。3.7过限报警电路在单片机的12口（PD6）接LED灯，程序设置过60报警。第四章 软件设计4.1主程序的设计本系统是一种控制电阻炉温的系统，在系统对电阻炉进行温度检测和控制之前，必须先对系统进行初始化，并进行一些初步的操作，这部分工作就是在主程序里面完成的。下图4-1是其流程图Y上电复位初始化清数据区开中断按下按键N置初值等待中断 图4-1 初始化流程框图4.2 PID参数的计算在自由升温段，希望升温越快越好，因此，自由升温段控制方程为： U(n)=1 (T 0.8 T0 )(在实际程序中，U(n)=1表示全导通时的数)。而由于在本次的电路设计中在一开始的自由升温过程中采取的是交流接触器全功率加热，晶闸管触发电路相当于短路，故不需要PID控制。在温度恒定阶段，交流接触器断开，由晶闸管触发电路来进行PID控制电路以此稳定温度到达设定值。PID控制算法的差分方程形式为： U(n)=U(n-1)+ KPe(n)-e(n-1)+KI e(n)+ KDe(n)-2e(n)+e(n-2)其中，KP是比例系数，KI是积分系数，KI=KPT/ TI，KD为微分系数，KD= KPTD / T。通过仿真测试多组数据，最终得出值为：KP=200，KI=200，KD=60。整个差分方程都是执行整数运算，U(n)，计算开始时U(n-1)=0,e(n-1)=0,e(n-2)=0。每次采样计算一次e(n)、U(n)，并将e(n)、U(n)保存起来，变成e(n1)、e(n-2)、U(n1)，供下一次采样时刻使用。控制时，首先取给定值，再对电炉的温度进行采样，把采样结果和给定值进行比较而产生偏差e(n)，通过上式进行计算，求出即时控制量U(n)并存入内存中。在INT0 中断服务程序中对U(n)进行操作，以控制晶闸管的导通时间，达到控制输出功率的目的。具体的PID软件流程图如图4-2所示，其中ek为误差，ek1为上一次的误差，ek2为误差的积累和，uk是控制量。初始化控制步数、采样点数Point初始化ek，ek1，ek2，uk初始化系统输出希望值start画希望值曲线使硬件被控对象初始值输出等于0采集硬件被控对象的输出inputf inputf浮点化 求ekstartinputfuk=pek+kiek2+kd(ek-ek1)判断uk是否超上下限输出ukek1ek ek2ek2ek画被控对象第J点输出inputfJ+1+Jpoint结束判断积分分离项Uk=kpek+kd(ek-ek1)图4-2 PID软件流程图第五章 测试与调整5.1 主机电路的测试通上电之后，指示灯显示正常，能够将程序下载到单片机中并且运行正常。5.2 显示电路的测试按照电路图正确将液晶1602连接到单片机的相应口上，写一个简单的显示函数，如果能够正确显示，则说明显示模块正确。若不能正确显示，则从两方面进行检查；一是硬件电路，而是软件驱动。硬件电路可以通过对照电路图，借助万用表逐脚校正。至于软件驱动，则通过proteus软件仿真进行测试。5.3 温度检测电路的测试温度采集硬件电路很简单，主要是软件驱动，需要通过对照DS18B20时序图进行驱动编写，然后将当前温度显示在液晶上，采集温度与当前温度差不多即说明驱动正确，可以通过加热或冷却进一步测试。5.4 控制执行电路的测试端口通上高电平之后，晶闸管两端连通。一开始不通，无论是通高电平还是低调平。经过对电路的研究，发现晶闸管的T1和T2接反了，导致两端始终连通。5.5 硬件测试实物图5.6 PID参数的测试性能指标参数阶跃响应曲线%Tp（秒）Ts（秒）KpKiKd2004060图5-147012510004060图5-2811315020040300图5-3325030020020060图5-4060100图5-1图5-2图5-3图5-4结束语毕业设计是对大学阶段所学知识的一个总结。这次的毕业设计，我做的是高精度长寿命大功率恒温器电气控制设计，以此来提高自己的综合解决问题以及应用知识的能力。由于本身知识水平以及时间有限，在本次设计中的某些问题可能设想不够周全。比如，控制方法的不够完美，参数的设置不够合理，或许还有很多问题还没有发现，希望老师给予指出。由于是初次接触强电设计，刚开始畏手畏脚的。这次设计可以说是一波三折，在设计开始的前两天，我就已经将单片机控制部分的软硬件设计好了，但是在驱动加热炉的部分却花费了我很多时间。刚开始我使用了学校提供的光耦驱动芯片，可能是我对芯片不太了解，也没有关于芯片的资料，从单片机输出的PWM信号经过光耦驱动后没法得到我需要的信号。然后我自己用红外发光对管做了一个光电耦合器，由于未考虑自己设计的光耦的耐压值，当加上220V电后，光耦即被烧坏了。于是我自己更换了一片光耦芯片，并自己用三极管等分立元件搭建了MOSFET驱动电路，这部分经过验证后可以使用。但是随后我又遇到了困难，又换了两种MOSFET芯片，芯片仍然不能正常工作，或许是芯片的质量不够高，耐压不够高，很容易就被烧坏了，最后我请教了身边的一些同学，他给我介绍了一款功能比较好的MOSFET芯片，我买回来试验后，很成功的实现了功能。所以我认为做设计选择元器件很重要，另外还要注意各个器件的使用环境，不同的电路在不同的环境下去产生不同的效果。在控制过程中，由于以前没有使用过晶闸管，所以在开始的实验测试过程中T1和T2始终导通，经过仔细的检查和思考，发现T1和T2角接反了，导致晶闸管无论是否有触发都直接导通。在初期的设计中，我采用的是51单片机，而通过别人介绍和自身的学习，我体会到Mega8单片机在各方面相对于51单片机的优越性，包括片内资源的丰富，响应速度快，性价比高等，故最后采用了Mega8单片机，而且在连线上也稍微简单，这使得在硬件电路的设计稍微轻松一点。这次还学习到液晶的显示，如何连线，如何驱动液晶，这些还是有很大的学问的，其中涉及到的最大的一个问题在于时序图的合理运用。包括DS18B20也是要对时序图有一个准确的认识。在初期的设计中，我选择了使用模糊PID控制以达到一个更好的控制效果，而通过对课题的深入研究以及后期的硬件电路的搭建，我体会到这次课题的高精度不是在软件手法上有所提高，而是通过一个交流接触器和晶闸管配合使用的硬件电路的提高来完成这样一个效果。在控制手法上仍然采用传统的PID控制，通过多次实验数据的测试，获得了最终的参数值。作为一个初学者，从想法的产生，到想法在理论上的可行性，以及到最后的设计完成，无不需要突破种种困难，但是我都挺了过来。虽然过程很艰苦，但是当做完以后，心里是无法言以表达的激动。它对我以后的设计思想、设计方法、设计过程都将会产生深远的影响。学会查阅资料是我在这次设计中的最大收获，毕竟一个人的知识水平有限，而资料在设计中的作用可以说是举足轻重。不断地收集和查阅资料使我知识面不断拓宽，为以后也打下了良好的基础。通过设计，使我对一个产品的设计过程有了全面的了解，设计过程中出现的许多困难也使我自己不断完善。不断的坚持使我信心百倍，不断的完善思路，达到毕业设计任务书中的要求。致 谢此次毕业设计，首先要感谢王老师和毕老师对于我在理论上的指导和具体实施的帮助，作为一个初学者，在好多方面还是相当不成熟的，包括思路和具体的实施，通过王老师的指导，我基本明确了课题的方向和具体的实施方案，并最终通过自己的努力达到所要求的目标，还有要感谢学校实验室给予我平台以及实验期间的帮助，感谢学校对于此次毕业设计的合理安排和支持，能够让我合理的安排时间如期完成。最后，感谢身边的朋友对我的帮助与支持。- 52 -参考文献1王开厦.应用变频器和温度控制器实现窑炉温度的自动控制J.低压电器,2000，No5:30-352曾光奇，胡均安，王东，刘春玲，模糊控制理论与工程应用M,武昌喻家山：华中科技大学出版社，2006年3 文定都.基于模糊控制算法的炉温控制系统J.工业炉,2007,29(3):30-334 彭宣戈主编，16位单片机原理及应用M，北京: 北京航空航天大学出版社, 2006年5 Terry Bartelt，工业控制电子学设备、系统与应用M，北京：清华大学出版社6Sue Baumann, Meredith Flynn, Minneapolis，Microcomputers and information technologyM， St. Paul : West Pub. Co., c19977 Robert Grauer, Advanced microcomputer applicationsM ，New York: McGraw-Hill8 何加铭主编; 曾兴斌等编，嵌入式32位微处理器系统设计与应用M,北京: 电子工业出版社, 2006年9张志强,王顺晃,舒迪前.一种新型的智能控制器及其在电加热炉中的应用J.自动化学报,1994,20(5):622-62610俞欣滢.基于单片机的温度控制系统设计J.电气控制,2009,28(30):50-5211杨宁.电阻炉模糊调功温度控制J.电子测量与仪器学报,1995,9(2):50-5412俞红卫.一种PID控制与模糊控制相结合的智能温度控制系统J.上海应用技术学院学报,2007,7(2):106-10913苏小红,陈惠鹏,孙志岗等编,C语言大学实用教程M,北京:电子工业出版社,2004年14高锋主编,单片微型计算机原理与接口技术M,北京:科学出版社,2008年15顾德英,罗云林,马淑华编,计算机控制技术M,北京:北京邮电大学出版社,2008年16贾伯年,俞朴,宋爱国编,传感器技术M,南京:东南大学出版社,2007年附录A：程序清单#include #include #include LCD.h#define CYCLE 7812/*端口分配:液晶显示:PC0-3:DATA4-7PC4:ENPC5:RSDS18B20: PB0交流接触器: PD7PWM输出: PB1按键: PD0-3*/volatile unsigned char t0,t1;volatile unsigned int seconds;volatile unsigned char key_num;/存放按键值volatile unsigned char key_flag=0;/记录按键状态 0 no key volat