烟叶初烤炕房温度控制系统的设计说明书

- 1 -1 前言1.1 选题背景与意义目前国内外对于烤烟生产上推广的多为自然气流上升，下降式烤房，在一定程度上限制了升温，排湿的灵敏度。主动式烟叶烘烤自动控制系统在地洞进风口，天窗上安装动力通风排湿设备并应用控制理论将单片机技术引入，将不同品种和部位烟叶烘烤工艺曲线固化于单片机芯片中，在烟叶烘烤过程中实现全程温度控制。实现了小烤房烘烤过程的自动控制，为了提高烟叶烘烤质量，改善劳动条件，减轻劳动强度，烟叶烘烤系统需由人工模糊控制向系统智能控制转变，这要求系统具有抗干扰能力强，传感器精度高等特点。在烘烤烟叶的过程中系统需要实时采集烤房内的温度数据，当温度不符合用户所定指标时，系统需要对其进行自动调整以达到设定值。 1.2 选题的目的和意义目前，烟叶的生产已经从传统的零散型向集约型转变，烤房也由传统的土炕向大型烤房方向发展。烟区已经广泛推广烟叶初考的三段式工艺，并且大多数炕房已经加装热风循环装置。但是，温度测量仍然是传统的玻璃管温度计，风门的控制仍然采用人工控制，这种测量和控制方法已成为制约烟叶烘烤质量提高的瓶颈问题。在烟叶初烤中最重要的环节就是温度，温度是工业生产中主要的被控参数之一，有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品的质量。与之相关的各种温度控制系统广泛应用于冶金、化工、机械、食品等领域。烟叶初烤炕房温度智能测控系统是为了改变烟叶的初烤过程中出现的烟叶烘烤质量不高，控制不精确，温度采集不稳定等诸多方面的问题。烟叶初烤过程中，烤房开始由用户设定温度，温度设定后，烤房内温度的准确测量和有效控制是烘烤的核心和烟叶质量的根本保证。本次设计是以单片机为核心的智能温度测控系统，实现烤烟过程中温度的自动控制，解决温度测量不准、温度计使用不便及人工启闭回风门（用于排湿） 、火门或鼓风机（控制火炉火势）等问题。它实际上就是一个温度智能控制系统，用来解决人为操作所带来的麻烦和不必要的失误，以此来增加对烟叶初烤的质量的保证，当然实际应用中也只能在一定程度上接近所指定的指标。本次设计的系统在工业中实现了烟叶烘烤全过程的自动控制与普通的烤房相比较，烤后烟叶色泽饱满，鲜艳，叶片颜色均匀，上等烟比例高。并且大幅度降低烟叶烘烤强度，减少用工，提高了烟叶综合效益。- 2 -1.3 系统概述随着科技的发展，温度控制电路在日常生活中以及工业生产中的应用越来越广泛，尤其是温度控制在工业生产中的广泛运用给社会带来极大的福利。本次设计以单片机为核心，在温度控制中，采用 DS18B20 作为传感器，LCD1602A 作为温度显示器。温度采集经传感器 DS18B20 到单片机，传输到 LCD1602A 液晶显示器上来显示，于此同时单片机处理接受的数据，控制电机的正反转，可以实现温度的自动控制。它完成了从温度设定，键盘操作，液晶显示，和温度控制一系列的任务，测量了温度，对其进行设定和调整，设计的有效温度测控范围：2080；温度测量精度：0.5；温度控制精度：1.0；显示分辨率：0.1。于此同时还设计了报警系统，在没有达到设定的温度范围的时候进行报警。- 3 -2 方案的确定2.1 温度测控系统的总体设计目标1）技术要求：有效测控范围：2080；温度测量精度：0.5；温度控制精度：1.0；显示分辨率：0.1。2）档位设置：在 3543温度范围内分 9 档，以供选择。3）执行机构：风门由电动执行器驱动，运行时间为 80s；电源：220V，50Hz。4）自动控制：当湿球温度值超过设定值 0.5时，进风门自动开启 5s；当湿球温度值在设定值0.5时，进风门状态保持。当湿球温度值低于设定值 0.5时，进风门自动关闭 5s。5）报警：当温度偏离设定值 1，蜂鸣器报警。2.2 烟叶初烘烤炕房温度测试系统方案设计本次设计以单片机为核心，外加传感器，温度测量电路，自动控制等。在烟叶烘烤过程中，烤房内的温度的准确测量和有效控制是烘烤的核心和烟叶质量的根本保证，设计以单片机为核心的温度控制系统，实现烤烟过程中温度的自动控制，解决温度测量不准，温度计使用不便及人工起闭回风门难以精确控制的问题。方案 1：采用热电阻 CU50，作为传感器，经过 AD 转换传送到单片机，可以实现温度的检测控制，通过对实际烟叶炕房的温度测量，再与设定值相比较，判断是否符合设定要求，来实现对炕房的温度控制。但采用 CU50 作为传感器，温度测量电路过于复杂，可能会造成连接不稳定，并且温度精度不高，所设计的系统难以满足课题的要求。在实际的工业生产中很难得到使用。方案 2：根据以上具体要求，本系统以 AT89S51 单片机作为控制单元，炕房温度由DS18B20 传感器检测送给单片机 AT89S51 处理，传送给 LCD1602A 液晶显示器进行温度显示，于此同时单片机根据给定的温度与实际温度对比。来控制电机的正反转实现温度的温度，基本实现烤烟过程中温度的自动控制。总之，利用单片机可以实现对各个功能的控制，达到用户所需的要求。综上所述，用单片机可以实现对各个功能的控制，来达到用户所需的要求。目前单片机的应用已经很成熟了，用它来实现对各个电路的控制非常的简单方便，而且它的精度能够达到要求。应用单片机来研发产品，降低了成本，缩短了研发时间，- 4 -与传统工艺相比较，它具有高精度，高可靠性，操作方便，价格便宜，智能化等特点。DS18B20 利用单总线的原理可以方便的实现多点温度的测量，轻松的组建传感器网络，系统的抗干扰能力好，适合在恶劣的环境下也可以进行现场温度控制。根据以上的分析我们选用第二种方案来实现烟叶初烤的温度控制设计。设计了以 AT89S51 单片机为核心的温度自动控制系统，温度控制采用了温度积分分离 PID 控制算法，显示采用液晶 LCD 显示器，所设计的系统有以下功能；2080；温度测量精度：0.5；温度控制精度：1.0；显示分辨率：0.1；实现了可以升温，可以降温；实时显示当前温度值；按键控制；报警功能。整个系统的原理图如图 2.1 所示。AT89S51单片机温度设定 正转反转执行器风门传感器 恒流源温度显示 报警电路复位电路图 2.1 系统框架图温度采集电路以数字量形式将现场温度传至单片机。单片机结合现场温度和用户设定的目标温度，按照温度积分分离 PID 控制算法计算出实时控制量，以此来控制风门的工作状态，使烤房内温度逐步稳定与用户设定的目标值。在温度达到设定的目标温度后，由于自然冷却而使温度下降时，单片机通过采样回的温度和设置的目标温度作比较，作出相应的控制。系统运行过程中的实时温度参量均由 LCD 实时显示。- 5 -3 硬件设计3.1 单片机最小系统3.1.1 AT89S51 单片机特点介绍设计的主要任务是完成温度测量与显示的同时控制电机的正反转，以此带动执行机构来控制风门的开启与关闭，来达到温度控制的目的，而单片机的在输入输出的精度上完全可以达到这个要求，同时单片机控制操作简单，系统成本低，因此选用 51 系列的单片机来作为硬件的核心，并且 51 系列的单片机技术已经日趋完善，性能可靠。在系统中，单片机处于 CPU 的作用，接收传感器传来的温度信号，经过处理传送给 LCD1602A 液晶显示器显示当前的实时温度，同时比较用户设定的温度，决定电机的运作，达到控制风门的作用，同时控制报警电路决定蜂鸣器是否工作组成一个简单的温度控制反馈调节系统。AT89S51 是一个低功耗，高性能 CMOS 8 位单片机，片内 4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读程序存储器，器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准 MCS-51 指令系统及80C51 引脚结构，芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISP Flash 存储单元，AT89S51 在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。它的主要性能特点有：1、4k Bytes Flash 片内程序存储器； 2、128 bytes 的随机存取数据存储器（RAM） ； 3、32 个外部双向输入/输出（I/O）口； 4、5 个中断优先级、2 层中断嵌套中断； 5、6 个中断源； 6、2 个 16 位可编程定时器/计数器； 7、2 个全双工串行通信口； 8、看门狗（WDT）电路； 9、片内振荡器和时钟电路； 10、与 MCS-51 兼容； 11、全静态工作：0Hz-33MHz； 12、三级程序存储器保密锁定； - 6 -13、可编程串行通道； 14、低功耗的闲置和掉电模式。AT89S51 的管脚图如图 3.1 所示：图 3.1 AT89S51 引 脚 图VCC： 电 源 电 压 输 入 端 。 GND： 电 源 地 。 P0 口 ： P0 口 为 一 个 8 位 漏 级 开 路 双 向 I/O 口 ， 每 脚 可 吸 收 8TTL 门 电 流 。当 P1 口 的 管 脚 第 一 次 写 1 时 ， 被 定 义 为 电 阻 输 入 。 P0 能 够 用 于 外 部 程 序 数 据存 储 器 ， 它 可 以 被 定 义 为 数 据 /地 址 的 第 八 位 。 在 FIASH 编 程 时 ， P0 口 作 为 原码 输 入 口 ， 当 FIASH 进 行 校 验 时 ， P0 输 出 原 码 ， 此 时 P0 外 部 必 须 被 拉 高 。 P1 口 ： P1 口 是 一 个 内 部 提 供 上 拉 电 阻 的 8 位 双 向 I/O 口 ， P1 口 缓 冲 器 能接 收 输 出 4TTL 门 电 流 。 P1 口 管 脚 写 入 1 后 ， 被 内 部 上 拉 为 高 ， 可 用 作 输 入 ，P1 口 被 外 部 下 拉 为 低 电 平 时 ， 将 输 出 电 流 ， 这 是 由 于 内 部 上 拉 的 缘 故 。 在FLASH 编 程 和 校 验 时 ， P1 口 作 为 低 八 位 地 址 接 收 。 P2 口 ： P2 口 为 一 个 内 部 上 拉 电 阻 的 8 位 双 向 I/O 口 ， P2 口 缓 冲 器 可 接 收 ，输 出 4 个 TTL 门 电 流 ， 当 P2 口 被 写 “1”时 ， 其 管 脚 被 内 部 上 拉 电 阻 拉 高 ， 且 作为 输 入 。 并 因 此 作 为 输 入 时 ， P2 口 的 管 脚 被 外 部 拉 低 ， 将 输 出 电 流 。 这 是 由 于- 7 -内 部 上 拉 的 缘 故 。 P2 口 当 用 于 外 部 程 序 存 储 器 或 16 位 地 址 外 部 数 据 存 储 器 进行 存 取 时 ， P2 口 输 出 地 址 的 高 八 位 。 在 给 出 地 址 “1”时 ， 它 利 用 内 部 上 拉 优 势 ，当 对 外 部 八 位 地 址 数 据 存 储 器 进 行 读 写 时 ， P2 口 输 出 其 特 殊 功 能 寄 存 器 的 内 容 。P2 口 在 FLASH 编 程 和 校 验 时 接 收 高 八 位 地 址 信 号 和 控 制 信 号 。 P3 口 ： P3 口 管 脚 是 8 个 带 内 部 上 拉 电 阻 的 双 向 I/O 口 ， 可 接 收 输 出 4 个TTL 门 电 流 。 当 P3 口 写 入 “1”后 ， 它 们 被 内 部 上 拉 为 高 电 平 ， 并 用 作 输 入 。 作 为输 入 ， 由 于 外 部 下 拉 为 低 电 平 ， P3 口 将 输 出 电 流 （ ILL） 这 是 由 于 上 拉 的 缘 故 。P3 口 除 了 作 为 普 通 I/O 口 ， 还 有 第 二 功 能 ： P3.0 RXD（ 串 行 输 入 口 ） ； P3.1 TXD（ 串 行 输 出 口 ） ； P3.2 /INT0（ 外 部 中 断 0） ； P3.3 /INT1（ 外 部 中 断 1） ； P3.4 T0（ T0 定 时 器 的 外 部 计 数 输 入 ） ； P3.5 T1（ T1 定 时 器 的 外 部 计 数 输 入 ） ； P3.6 /WR（ 外 部 数 据 存 储 器 的 写 选 通 ） ； P3.7 /RD（ 外 部 数 据 存 储 器 的 读 选 通 ） ； P3 口 同 时 为 闪 烁 编 程 和 编 程 校 验 接 收 一 些 控 制 信 号 。 I/O 口 作 为 输 入 口 时 有 两 种 工 作 方 式 ， 即 所 谓 的 读 端 口 与 读 引 脚 。 读 端 口 时实 际 上 并 不 从 外 部 读 入 数 据 ， 而 是 把 端 口 锁 存 器 的 内 容 读 入 到 内 部 总 线 ， 经 过 某种 运 算 或 变 换 后 再 写 回 到 端 口 锁 存 器 。 只 有 读 端 口 时 才 真 正 地 把 外 部 的 数 据 读 入到 内 部 总 线 。 89C51 的 P0、 P1、 P2、 P3 口 作 为 输 入 时 都 是 准 双 向 口 。 除 了 P1口 外 P0、 P2、 P3 口 都 还 有 其 他 的 功 能 。 RST： 复 位 输 入 端 ， 高 电 平 有 效 。 当 振 荡 器 复 位 器 件 时 ， 要 保 持 RST 脚 两个 机 器 周 期 的 高 电 平 时 间 。 ALE/PROG： 地 址 锁 存 允 许 /编 程 脉 冲 信 号 端 。 当 访 问 外 部 存 储 器 时 ， 地 址锁 存 允 许 的 输 出 电 平 用 于 锁 存 地 址 的 低 位 字 节 。 在 FLASH 编 程 期 间 ， 此 引 脚用 于 输 入 编 程 脉 冲 。 在 平 时 ， ALE 端 以 不 变 的 频 率 周 期 输 出 正 脉 冲 信 号 ， 此 频率 为 振 荡 器 频 率 的 1/6。 因 此 它 可 用 作 对 外 部 输 出 的 脉 冲 或 用 于 定 时 目 的 。 然 而要 注 意 的 是 ：每 当 用 作 外 部 数 据 存 储 器 时 ， 将 跳 过 一 个 ALE 脉 冲 。 如 想 禁 止 ALE 的 输出 可 在 SFR8EH 地 址 上 置 0。 此 时 ， ALE 只 有 在 执 行 MOVX， MOVC 指 令 是ALE 才 起 作 用 。 另 外 ， 该 引 脚 被 略 微 拉 高 。 如 果 微 处 理 器 在 外 部 执 行 状 态ALE 禁 止 ， 置 位 无 效 。 PSEN： 外 部 程 序 存 储 器 的 选 通 信 号 ， 低 电 平 有 效 。 在 由 外 部 程 序 存 储 器 取指 期 间 ， 每 个 机 器 周 期 两 次 /PSEN 有 效 。 但 在 访 问 外 部 数 据 存 储 器 时 ， 这 两 次有 效 的 /PSEN 信 号 将 不 出 现 。 - 8 -EA/VPP： 外 部 程 序 存 储 器 访 问 允 许 。 当 /EA 保 持 低 电 平 时 ， 则 在 此 期 间 外部 程 序 存 储 器 （ 0000H-FFFFH） ， 不 管 是 否 有 内 部 程 序 存 储 器 。注 意 加 密 方 式 1 时 ， EA 将 内 部 锁 定 为 RESET； 当 EA 端 保 持 高 电 平 时 ，此 间 内 部 程 序 存 储 器 。 在 FLASH 编 程 期 间 ， 此 引 脚 也 用 于 施 加 12V 编 程 电 源（ VPP） 。 XTAL1： 片 内 振 荡 器 反 相 放 大 器 和 时 钟 发 生 器 的 输 入 端 。 XTAL2： 片 内 振 荡 器 反 相 放 大 器 的 输 出 端 。3.1.2 AT89S51 最小系统电路使 用 AT89S51 构 成 的 最 小 系 统 电 路 如 图 3.2 所 示 ， 它 由 电 容 C1， C2 和 晶振 Y1 构 成 以 内 部 方 式 工 作 的 时 钟 振 荡 电 路 ， 电 容 C1,C2 和 晶 振 Y1 构 成12MHZ 的 晶 振 频 率 。 若 直 接 从 外 部 引 入 振 荡 信 号 连 接 到 内 部 振 荡 器 ， 则 时 钟 电路 工 作 于 外 部 方 式 ， 由 电 阻 R2 和 电 容 C3 构 成 上 电 位 复 位 电 路 ， 即 单 片 机 一 旦接 通 电 源 ， 便 自 动 进 入 复 位 电 路 处 理 ， 随 着 电 容 两 端 电 位 的 提 高 ， RST 端 的 电位 变 为 低 电 平 ， 进 入 正 常 工 作 模 式 。- 9 -图 3.2 最小电路系统3.2 温度采集路设计刚开始采用 CU50 作为温度传感器，但是 CU50 的温度灵敏度不够，并且所构成的温度采集电路复杂，所达到的温度控制精度低，后续温度程序处理繁琐，不利于工业生产。经比较选择后，温度采集电路选用 DS18B20 作为温度传感器。温度传感器的种类众多，在应用与高精度、高可靠性的场合时 DALLAS（达拉斯）公司生产的 DS18B20 温度传感器当仁不让。超小的体积，超低的硬件开消，抗干扰能力强，精度高，附加功能强，使得 DS18B20 更受欢迎。对于我们普通的电子爱好者来说，DS18B20 的优势更是我们学习单片机技术和开发温度相关的小产品的不二选择。DS18B20 具有 3 引脚 T0-92 小体积封装系统，温度测量范围是 55C +125C,可编程 9 到 12 位 A/D 转换精度，测温分辨率可达到 0.0625C。被测温度符号扩展的 16 位数字量方式串行输出，其工作电源既可以远端输入，也可以采用寄生方式电源产生，多个 DS18B20 可以并联到 2 到 3 个线上，CPU 只需用一根端口线就能与- 10 -多个 DS18B20 通信，占有微处理器的端口少，可节省大量的引线和逻辑电路，以上特点使 DS18B20 适合于远距离多点测温度。DS18B20 适应的电压范围比较宽，电压范围：3.05.5V ，在寄生电源方式下可由数据线供电的独特单线接口方式，DS18B20 与单片机连接时只需 1 条接口线即可实现单片机与 DS18B20 的双向通信。DS18B20 在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在一个三极管的电路内。温度测量范围为55C +125C，在 10C +85C 时精度为土 0.5C，可编程的分辨率为 9 到 12 位，可实现高精度测温在 9 位分辨率的时候最多在 93.75ms 内把温度转换成数字， ，以一线总线的方式串行传送到单片机，具有较强的抗干扰纠错能力，电源极性接反时不会因发热而烧坏，但是不能正常工作。DS18B20 的读写时序和 DS1820 相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度延时由 2s 减少到 750ms。DS18B20 外形尺寸如图 3.3 所示。图 3.3 DS18B20 的外形尺寸DS18B20 的测温原理图如图 3.4 所示：- 11 -加一LSB移位清除停止斜率累加器计数器 1温度寄存器计数器 2=0比较=0预置低温度系数晶振高温度系数晶振预置图 3.4 DS18B20 测温原理框图图 中 低 温 度 系 数 晶 振 的 振 荡 频 率 受 温 度 的 影 响 很 小 ， 可 用 于 产 生 固 定 频 率的 脉 冲 信 号 送 到 计 数 器 1。 高 温 度 系 数 晶 振 随 温 度 的 变 化 其 振 荡 率 明 显 会 改 变 ，所 产 生 的 信 号 作 为 计 数 器 2 的 脉 冲 输 入 计 数 器 1 和 温 度 寄 存 器 被 预 置 在 55所 对 应 的 一 个 基 数 值 。 计 数 器 1 对 低 温 度 系 数 晶 振 产 生 脉 冲 信 号 进 行 减 法 计 数 ，当 计 数 器 1 的 预 置 值 减 到 0 时 ， 温 度 寄 存 器 的 值 将 加 上 1， 计 数 器 1 的 预 置 将会 被 重 新 被 装 入 ， 计 数 器 1 重 新 开 始 对 低 温 度 系 数 晶 振 产 生 脉 冲 信 号 进 行 计 数 ，如 此 循 环 直 到 计 数 器 2 计 数 到 0 时 ， 停 止 温 度 寄 存 器 值 的 累 加 ， 此 时 温 度 寄 存器 中 的 数 值 即 为 所 测 温 度 。 图 3 中 的 斜 率 累 加 器 用 于 补 偿 和 修 正 测 温 过 程 中 的非 线 性 ， 其 输 出 用 于 修 正 计 数 器 1 的 预 置 值 。 DS18B20 有 4 个 主 要 的 数 据 部 件 ：（ 1） 光 刻 ROM 中 的 64 位 序 列 号 是 出 厂 前 被 光 刻 好 的 ， 它 可 以 看 作 是 该DS18B20 的 地 址 序 列 码 。 64 位 光 刻 ROM 的 排 列 是 ： 开 始 8 位 （ 28H） 是 产 品类 型 标 号 ， 接 着 的 48 位 是 该 DS18B20 自 身 的 序 列 号 ， 最 后 8 位 是 前 面 56 位的 循 环 冗 余 校 验 码 （ CRC=X8+X5+X4+1） 。 光 刻 ROM 的 作 用 是 使 每 一 个DS18B20 都 各 不 相 同 ， 这 样 就 可 以 实 现 一 根 总 线 上 挂 接 多 个 DS18B20 的 目 的 。（ 2） DS18B20 中 的 温 度 传 感 器 可 完 成 对 温 度 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 来 提 供 ， 以 0.0625 /LSB 的 形 式 表 达 ，其 中 S 为 符 号 位 。- 12 -表 1: DS18B20 温 度 值 格 式 表LS Byte Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0MS Byte 322 1342LS Byte Bit 15 Bit 14 Bit 13 Bit 12 Bit 11 Bit 10 Bit 9 Bit 8MS Byte S S S S S 65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 。 例 如 +125 的数 字 输 出 为 07D0H， +25.0625 的 数 字 输 出 为 0191H， -25.0625 的 数 字 输 出 为FE6FH， -55 的 数 字 输 出 为 FC90H。（ 3） DS18B20 温 度 传 感 器 的 检 测 电 路在 外 部 电 源 供 电 方 式 下 ， DS18B20 工 作 电 源 由 VDD 引 脚 接 入 ， 此 时 I/O线 不 需 要 强 上 拉 ， 不 存 在 电 源 电 流 不 足 的 问 题 ， 可 以 保 证 转 换 精 度 ， 同 时 在 总 线上 理 论 可 以 挂 接 任 意 多 个 DS18B20 传 感 器 ， 组 成 多 点 测 温 系 统 。 注 意 ： 在 外 部供 电 的 方 式 下 ， DS18B20 的 GND 引 脚 不 能 悬 空 ， 否 则 不 能 转 换 温 度 ， 读 取 的 温度 总 是 85 。 温 度 采 集 电 路 如 图 3.4 所 示 。图 3.4 DS18B20 的温度采集电路3.3 温度控制电路在烟叶初烤过程中温度会发生变化，从一开始烤房加热到恒温到自然冷却，温度都是一直变化着，显然采用人工控制既费时间，又没有效率，采用单片机控制步进电机无疑会给烟叶烘烤过程提供极大的便利，在得到精确的温度控制同时，节省了大量的劳动力。- 13 -FT5754 是步进电动机专用集成驱动芯片，内含 4 组 NPN 达林顿晶体管能够保证步进电动机有足够的驱动电流，图 3.5 是 FT5754 的外观引脚和内部结构，各输入引脚 B 要保证有 3mA 的输入电流，才能使 C-E 导通。每个输出能承受最大为 3A 的电流，非常适合来驱动步进电动机。图 3.5 FT5754 的外观引脚和内部结构图 3.6 为 FT5754 驱动步进电动机电路。由于 FT5754 需要 3mA 以上的输入电流，因而在 FT5754 与单片机之间需要用缓冲器来推动，可选用的器件有4050、74LS244。图 3.6 FT5754 驱动步进电机电路利用步进电机的高精确控制度，采用单片机软件控制，当温度不在设定的温度范围之内的时候，单片机控制电机的正反转，带动风门执行机构来改变风门的开启与关闭，当湿球温度值超过设定值 0.5时，进风门自动开启 5s；当湿球温度值在设定值0.5时，进风门状态保持。当湿球温度值低于设定值 0.5时，进风门自动关闭 5s。3.4 键盘与显示电路3.4.1 键盘电路由若干个按键组成的键盘，其电路可分为独立式键盘和矩阵式键盘两种。独立- 14 -式按键是直接用 I/O 口线构成的单个按键电路，其特点是每个按键单独占用一根I/O 口线，每个按键的工作不会影响其它 I/O 口线的状态。独立式按键电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根 I/O 口线，因此，在按键较多时，I/O口线浪费较大，不宜采用。矩阵式键盘中，行、列线分别连接到按键开关的两端，行线通过上拉电阻接到5V 上。当无键按下时，行线处于高电平状态；当有键按下时，行、列线将导通，此时，行线电平将由与此行线相连的列线电平决定。这是识别按键是否按下的关键。然而，矩阵键盘中的行线、列线和多个键相连，各按键按下与否均影响该键所在行线和列线的电平，各按键间将相互影响，因此，必须将行线、列线信号配合起来作适当处理，才能确定闭合键的位置。对于独立式按键键盘，因按键数量少，可根据实际需要灵活编码。对于矩阵式键盘，按键的位置由行号和列号惟一确定，因此可分别对行号和列号进行二进制编码，然后将两值合成一个字节，高 4 位是行号，低 4 位是列号。在实际的温度控制时候需要的按键比较的多，显然选用独立式的按键键盘占用了大量的接口资源，不利于系统的工作。因此选择了 44 的矩阵式键盘来设置按键，这样只需要占用 8 个接口资源就可以来满足。键盘按键与按钮如图 3.7 所示：图 3.7 键盘电路- 15 -3.4.2 显示电路单片机应用系统最常用的显示器是 LED(发光二极管显示器 )，LCD(液晶显示器)。这两种显示器可以显示系统指令，数字和字符。它们的驱动电路简单，易于实现且价格低廉，性价比较高，因此得到了广泛的使用。本次设计采用了 LCD1602A。LCD1602A 属于字符型显示器，可显示 2 行共 16个字符，字符显示尺寸为 57 个像素点。在显示模块的 ROM 中存放 ASCII 码字符字模等，输出时只需要提供字符编码和显示位置即可。LCD1602 器件引脚排列如图3.8 所示。其中，D0D7 为数据口，E 为使能信号， RW 为读写信号，RS 为寄存器选择信号，VL 为亮度调节引脚.，VCC,VCC1，GED,GND1 均为电源引脚。图 3.8 LCD1602A 的管脚排列- 16 -图 3.9 LCD1602 显示接口电路LCD1602 与 AT89S51 构成的显示接口电路如图 3.9 所示。AT89S51 的P0.0P0.7 与 LCD1602 的 D0D7 相连，以交换数据。P1.0 接 RS 进行寄存器选择，当 RS=1 时，指向数据寄存器，当 RS=0 时，若执行写操作，则指向指令寄存器，若执行读操作，则指向地址寄存器。P1.1 接 RW 控制读写，当 RW=0 时，进行写操作，当 RW=1 时，进行读操作。 P1.2 接 E 使能控制，读操作时，高电平有效，写操作时，下降沿有效。3.5 报警电路报警电路及指示灯电路如下图 3.10 所示，当温度未达到用户设置的目标温度时需要时，设计了越限报警，温度低于用户设置的目标温度 1 度或者高于一度时，蜂鸣暴击器为连续的滴答滴答叫声，当单片机 P1.7 输出高电平时，三极管导通，蜂鸣报警器工作发出警报声。P1.7 输出低电平时，三极管不导通，蜂鸣报警器不工作。- 17 -图 3.10 报警电路的设计- 18 -4 系统程序设计4.1 系统程序概述为了适应烟叶初烘烤工艺要求和烟叶的具体情况，根据系统设计的要求，将设定的温度设计为九档，以供选择。每档温度如表 4.1 所示。表 4.1 温度控制档位档位 1 2 3 4 5 6 7 8 9温度/ 35 36 37 38 39 40 41 42 43根据设定的要求，程序主程序采用循环方式，主程序进行系统初始化，包括定时器， ，I/O 接口和中断程序的初始化，电动机方向由定时器中断启动或者停止。系统的循环程序将进行一下操作：键盘设定温度值检测、实时的温度检测、LCD 的温度显示和控制、这些操作将在各自的字程序中实现。其中主程序系统流程如图 4.1 所示。定时器，中断系统初始化，开中断调用温度检测子程序调用温度显示子程序主程序图 4.1 主程序系统流程图- 19 -4.2 T0 中断处理控制子程序的设计温度的高低受风门打开的影响，因此程序是将检测到得温度实际值与用户设定的温度值相比较，控制风门打开和和温度升降的速率，上、下限设定值分别是档位设定温度的 0.5。每隔 5min 检测风门的运行状态，每次风门动作 5s。利用单片机AT89S51 的可编程定时器/计数器、中断系统来计数。计数器的工作方式为 1，定时时间为 20ms， ，则计数器溢出 50 次既得风门开启最小单位秒，利用中断方式进行溢出次数累加，记满 250 次为秒计时(5s)，图 4.2Y定时中断子程序满 250 次保护现场设定温度档位测量值下限值？测量值大于上限值风门保持状态中断返回开风门并报警调用升温系统NYN图 4.2 T0 中断程序系统中断图- 20 -4.3 温度检测及子程序的设定温度检测时用 DS18B20 进行温度检测采样，DS18B20 温度检测程序流程图如图 4.3 所示DS18B20初始化跳过 RAM 指令发送匹配指令温度转换指令发出 DS18B20 序列号读出温度值并处理返回图 4.3 DS18B20 温度检测流程图- 21 -4.4 温度的积分分离 PID 控制由于温度测量系统的惯性大、滞后性强，一般采用 PID 控制方法来控制实现，并且控制效果理想。在普通的 PID 数字控制器中引入积分环节的目的主要是用来消除静态误差，提高精度。但是在启动的开始，结束或者大幅度的变动温度值的时候，短时间内，系统输出将会出现很大的误差，会造成 PID 运算误差的积累，导致控制量超过执行机构的设置的温度范围，最终引起系统的较大超调，甚至引起系统的震荡，这些在工业生产中都是不允许的。引进积分分离 PID 控制方法，将使系统得到明显的改善，既保持了积分作用，又适当的减少了超调量，使得控制系统性能得到改善。在设计的温度智能控制系统中，通过单片机对电机的正反转时间来控制烟叶初烘烤炕房的温度，炕房的温度通过 DS18B20 来进行检测传送到单片机，由单片机来计算系统的误差 e，然后根据 PID 控制规律，发送脉冲信号来决定电机的正反转。温度控制系统结构框图如图 4.4 所示：温度给定 电机驱动电路PID 控制温度检测与控制图 4.4 温度控制系统结构框图增量式 PID 算法的输出量得增量如下式（4.1）：（4.1） 211 nndninpn eeTeKU式中， ， ， 为第 n 次，第 n-1 次，第 n-2 次的偏差值， ， ，ne12n pKiT分别是比例系数，微分系数，积分系数，T 为采样周期。d单片机每隔一个固定的时间 T 将现场温度与用户设定的目标温度的差值带入公式，由公式输出量决定电机转动角度。现场温度与目标温度如果相差很大，电机转- 22 -动的角度将大大增加， ，使得现场温度与目标温度偏差迅速减少；反之，两者的温度偏差小，电机转动的角度也将减小，直到实际温度达到目标温度，从而达到了自动控制的目的。PID 参数的选择是温度系统成败的关键，它决定了温度控制的精度与反应的灵敏度。数字 PID 调节器的参数可以参照模拟 PID 调节器的参数设定的各种方法，根据工艺的要求，决定 PID 调节器的参数，各个参数对系统的性能影响如下;比例系数 P 对系统性能的影响：比例系数的加大，将会使系统的灵敏度加大，速度加快，稳态误差减小；但是当 P 偏大的时候，振荡次数将明显增加，调节时间增加，系统会出现不稳定的状态。P 也可以取负数，这主要由执行机构的性能、传感器、以及控制对象的特性所决定。如果 P 的符号选择不对，那么实际测量值会离控制温度越来越远， ，如果出现这样的情况，P 的符号一定要取反。积分控制 I 对系统的影响：积分作用使得系统的稳定性下降，I 小，积分作用将得到加强， ，系统将会不稳定，但是能够有效的消除系统误差，提高系统的控制精度。微分控制 D 对系统的影响：微分作用可以有效的改善系统的动态特性， D 偏大的时候，超调量将会变大，调节时间变长：D 偏小的时候，超调量也会变大：所以只有取合适的的 D 值，采用使超调量变小，从而达到减少调节时间的目的。- 23 -5 系统调试本设计中包含了硬件设计和软件设计两部分。测量功能的实现需要两部分的共同作用。实际上，电子产品的调整和测试是同时进行的，要经过反复的调整和测试，产品的性能才能达到预期的目标。调试的过程主要是对电路的连接，电阻，电容的，以及各个芯片之间的连接检查，是否连接正确以及连接是否可靠。使电路达到预定的功能和性能要求。此外，测量精度作为一个相对综合的复杂因素体，反映了设计产品的测试能力，是设计的重要指标之一，也是衡量测量结果是否有效的重要依据。因此，为 使 测 量 结 果 准 确 和 可 靠 ， 应 尽 量 减 少 误 差 ， 提 高 测 量 精 度 。 我 们 必 须充 分 认 识 测 量 可 能 出 现 的 误 差 ， 以 便 采 取 必 要 的 措 施 来 加 以 克 服 。系统所设计的温度控制系统是基于 AT89S51 单片机所设计的方案，它能够实时显示当前的温度，并能根据用户所要求达到的温度做出实时调节。温度控制系统为一个闭环系统，工作稳定性高，控制精度高。所编写的软件采用了模块化结构，提高了可通用性。本次设计的温度控制系统，提供了单片机以及外围电路，软件还有控制算法的设计，较完整的完成了一个工业系统的温度控制系统。5.1 硬件调试硬件调试的主要目的是排除硬件故障，因为外围电路是由面膜板连接的，可能存在连接上的短路，逐步检查各个引脚接线是否存在问题，以及电源，接地的连线是否正确。检查开关是否连接正确，是否能够正常工作，各个电阻，电容是否连接正确，特别是二极管，三级管是否连接正确，避免不必要的损失。接线前，要对设计中所涉及到的元气件有相当的了解，用万用表检测电子元器件是否能够正常工作，从而避免因接线、元器件损坏问题造成短路、短路等事故；接线时要合理安排元气件的位置，避免连接导线冗余（导线过长影响测量精度） ；接线完成后，不要急着通电，先万用表检测导线是否接通，电源的正负极有没有接反，以防烧毁电子元器件。确定一切都正确后，接通电源，通电进行软件调试。5.2 软件调试软件调试是在仿真软件上进行在线仿真调试， ，发现和纠正程序错误，同时也能发现你硬件故障。程序的调试首先一个个的子程序进行调试。首先单独调试子程序，检验子程序是否能够实现预期的目的，最后逐渐将子程序连接起来进行总调，看是否能够正常工作，达到预期目的。总调的时候需要特别注意各个程序之间是否能够- 24 -正确的传递各个参数，特别要注意子程序的现场保护和恢复。5.3 脱机调试软硬件调试成功后，可以将程序下载到 AT89S51 单片机中，接上电源脱机工作，既然软硬件都已调试成功，脱机运行似乎一定会成功， ，然而事实往往并不是如此，仍然出现很多故障：（1）连线时采用的是面包板进行组装，液晶芯片 1602A 与面包板的连接不稳定