温度控制原理说明书内页

iii 目录目录 第 1 章 绪论.1 1.1 选题背景 .1 1.2 选题简介.1 第 2 章 系统总体设计及原理.2 第 3 章 硬件设计.3 3.1 温度检测电路.3 3.2 时钟电路.4 3.3 键盘显示和报警电路.5 3.4 控温电路.6 第 4 章 PID 控制设计 .7 4.1 PID 算法设计 .7 4.2 PID 程序设计 .8 第 5 章 软件设计.10 5.1 MAX6675 温度采集设计.11 5.2 键盘显示程序设计.11 5.3 键输入子程序 .12 第 6 章 总结.14 第 7 章 参考文献.15 附录.16 程序文件.16 MAX6675 温度值读取程序清单 .16 显示子程序清单 .17 键输入子程序清单 .21 长长 春春 大大 学学 微机温度控制系统设计 第第 1 页页 /共共 22 页页 第第1 1章章 绪论绪论 1.1 选题背景选题背景 电阻炉在化工、冶金等行业应用广泛，因此温度控制在工业生产和科学研究中 具有重要意义。其控制系统属于一阶纯滞后环节，具有大惯性、纯滞后、非线性等 特点，导致传统控制方式超调大、调节时间长、控制精度低。采用单片机进行炉温 控制，具有电路设计简单、精度高、控制效果好等优点，对提高生产效率、促进科 技进步等方面具有重要的现实意义。 1.2 选题简介选题简介 课题名称：微机温度控制系统设计与实训 设计要求： 1.现场温度值可处理 2.温度范围为4001000 3.系统有必要的保护和报警 4.温度值要有显示 5.误差范围3 技术指标： 1.以AT89C52系列单片机为核心部件 2.以数字电路和模拟电路为硬件基础 3.以汇编语言为软件实现语言 功能概述：利用微机控制系统完成加热炉温度的检测、处理以及数字控制计算， 根据数据结果或进行相应的处理或改变加热功率，达到控制温度的目的。 长长 春春 大大 学学 微机温度控制系统设计 第第 2 页页 /共共 22 页页 第第2 2章章 系统总体设计及系统总体设计及原理原理 本系统由单片机 AT89C52、温度检测电路、键盘显示及报警电路、时钟电路、 温度控制电路等部分组成。系统中采用了新型元件，功能强、精度高、硬件电路简 单。其硬件原理图如图 2-1 所示 图2-1 硬件原理图 在系统中，利用热电偶测得电阻炉实际温度并转换成毫伏级电压信号。该电压 信号经过温度检测电路转换成与炉温相对应的数字信号进入单片机，单片机进行数 据处理后，通过液晶显示器显示温度并判断是否报警，同时将温度与设定温度比较， 根据设定的 PID 算法计算出控制量，根据控制量通过控制固态继电器的导通和关闭 从而控制电阻丝的导通时问，以实现对炉温的控制。该系统中的时钟电路可以根据 要求进行准确计时 AT89C52 单片机 温度检测 电路 传感器 温度控制 时钟电路 键盘 液晶显示 报警电路 电 阻 炉 长长 春春 大大 学学 微机温度控制系统设计 第第 3 页页 /共共 22 页页 第第3 3章章 硬件设计硬件设计 3.1 温度检测电路温度检测电路 本系统采用的 K 型(镍铬一镍硅)热电偶淇可测量 1312以内的温度，其线性度 较好，而且价格便宜。K 型热电偶的输出是毫伏级电压信号，最终要将其转换成数 字信号与 CPU 通信。传统的温度检测电路采用“传感器一滤波器一放大器一冷端补 偿一线性化处理一 AD 转换”模式，转换环节多、电路复杂、精度低。在本系统 中，采用的是高精度的集成芯片 MAX6675 来完成“热电偶电势一温度”的转换， 不需外围电路、IO 接线简单、精度高、成本低。 MAX6675 是 MAXIM 公司开发的 K 型热电偶转换器，集成了滤波器、放大器 等，并带有热电偶断线检测电路，自带冷端补偿，能将 K 型热电偶输出的电势直接 转换成 l2 位数字量，分辨率 025。温度数据通过 SPI 端口输出给单片机，其冷 端补偿的范围是 2080，测量范围是 01023.75。图 3-1 为 MAX6675 的引脚 功能图。 引脚号名称功能 1GND接地端 2T-热电偶负极（使用时接地） 3T+热电偶正极 4VCC电源端 5SCK串行时钟输入端 6CS片选信号 7SO数据串行输出端 8NC悬空不用 图 3-1 MAX6675 的引脚功能 长长 春春 大大 学学 微机温度控制系统设计 第第 4 页页 /共共 22 页页 图 3-2 为本系统中温度检测电路。 图 3-2 温度检测电路 当 P25 为低电平且 PZ4 口产生时钟脉冲时,MAX6675 的 SO 脚输出转换数据。 在每一个脉冲信号的下降沿输出一个数据，l6 个脉冲信号完成一串完整的数据输出， 先输出高电位 D15，最后输出的是低电位 DO,D14-D3 为相应的温度转换数据。当 P2.5 为高电平时，MAX6675 开始进行新的温度转换。在应用 MAX6675 时，应该注 意将其布置在远离其它 IO 芯片的地方。以降低电源噪声的影响；MAX6675 的 T_ 端必须接地，而且和该芯片的电源地都是模拟地 要和数字地混淆而影响芯片读数的 准确性。 3.2 时钟电路时钟电路 在系统中需要准确显示升温时间、恒温时间等，因而选用了时钟芯片 DS1302 构成定时电路来完成对时间的准确计时。DS1302 具有时钟、闹钟、1224 小时选 择和闰年自动补偿功能；包含有 10B 的时钟控制寄存器、4B 的状态寄存器和 114B 长长 春春 大大 学学 微机温度控制系统设计 第第 5 页页 /共共 22 页页 的通用 RAM；具有可编程方波输出功能；报警中断、周期性中断、时钟更新中断可 由软件屏蔽或测试。使用时不需任何外围电路，并具有良好的外围接口。在本系统 中，DS1302 的地址傲据复用总线与单片机的 P0 口相连。通过定时器中断，CPU 每 隔 0.4 秒读一次 DS1302 的内部时标寄存器，得到当前的时间，并送到液晶显示器进 行显示。每当电阻炉从一个状态转入另一个状态，CPU 通过 DS1302 把时间清零， 重新开始计时。此外，通过 DS1302，还可以设定电阻炉的加热时间和恒温时间。电 路如图 3 中所示。 图 3-3 键盘、时钟、报警、和控温电路 3.3 键盘显示和报警电路键盘显示和报警电路 本系统采用 3*3 键盘，由单片机 IO 口控制，可通过按键设定温度和时间，有 的按键在不同情况下可以实现不同功能。显示器选用点阵字符型液晶显示器 TC1602，系统中将扩展芯片 8155 的 P0 口、PC0 一 PC2 口与 TC1602 接口相连, 长长 春春 大大 学学 微机温度控制系统设计 第第 6 页页 /共共 22 页页 TCl602 的显示形式是 162 行，可显示炉温、设定时间、实际时间等。报警电路是 将单片机的 IO 口与驱动芯片 MC1413 相连，通过 MC1413 驱动蜂鸣器。键盘电 路和时钟电路如图 3-3 中所示。 3.4 控温电路控温电路 控温电路包括驱动芯片 MC1413、过零型交流固态继电器(Z 型 SSa)。报警和控 温电路如图 3 中所示。z 型 SSR 内部含有过零检测电路，当加入控制信号。且负载 电源电压过零时，SSR 才能导通；而控制信号断开后，SSR 在交流电正负半周交界 点处断开。也就是说，当 z 型 SSR 在 1 秒内为全导通状态时，其被触发频率为 100HZ；当 z 型 SSR 在 1 秒内导通时间为 0.5 秒时，其被触发频率为 50HZ。在本系 统中，采用 PID 控制算法，通过改变 z 型 SSR 在单位时间内的导通时间达到改变电 阻炉的加热功率、调节炉内温度的目的。 长长 春春 大大 学学 微机温度控制系统设计 第第 7 页页 /共共 22 页页 长长 春春 大大 学学 微机温度控制系统设计 第第 8 页页 /共共 22 页页 第第4章章 PID控制设计控制设计 4.1 PID 算法设计算法设计 对温度的控制算法，采用技术成熟的PID算法，对于时问常数比较大的系统来说， 其近似于连续变化，因此用数字PID完全可以得到比较好的控制效果。简单的比例调 节器能够反应很快，但不能完全消除静差，控制不精确，为了消除比例调节器中残 存的静差，在比例调节器的基础上加入积分调节器，积分器的输出值大小取决于对 误差的累积结果，在误差不变的情况下，积分器还在输出直到误差为零，因此加入 积分调节器相当于能自动调节控制常量，消除静差，使系统趋于稳定。积分器虽然 能消除静差，但使系统响应速度变慢。进一步改进调节器的方法是通过检测信号的 变化率来预报误差，并对误差的变化作出响应，于是在P1调节器的基础上再加上微 分调节器，组成比例、积分、微分(PID)调节器，微分调节器的加入将有助于减小超 调，克服振荡，使系统趋于稳定，同时加快了系统的稳定速度，缩短调整时间，从 而改善了系统的动态性能，其控制规律为： 1 0 0 1 pd i de uKeedtTu Tdt 单片机是一种采样控制，它只能根据采样时刻的误差值计算控制变量，不能直 接计算公式中的积分项和微分项，采用数值计算法逼近后，PID 的调节规律可以通 过数值公式为： 10 0 () i d pijii j i TT uKeeeeu TT 如果采样取得足够小，这种逼近可相当准确，被控过程与连续过程十分接近。 我们变换上式得： 2 11 miiipiii u uuuKeIeDe 把，带入上式得： 1iii eee 2 1iii eee 1112 ()(2) ipiiiiii uuKeeIeDeee 试中 ei=W-Yi,W设定值，Yi为第i次实际输出值， Kp为比例系数，积分系数I=T/Ti, 微分系数D=T/Td,T为采样周期。 用PID控制算法实现锅炉温度控制是这样一个反馈过程：比较实际炉温和设定炉 温得到偏差，通过对偏差的处理获得控制信号，再去调节炉子的加热功率，从而实 现对炉温的控制，由于电阻炉一般都是下一阶段对象和带纯滞后的一阶对象，所以 长长 春春 大大 学学 微机温度控制系统设计 第第 9 页页 /共共 22 页页 式中Kp、Kd和Ki的选择取决于电阻炉的响应特性和实际经验。 本程序先将用户设定温度和电阻炉实际温度T比较，计算出偏差ei，然后分两种 情况进行计算控制变量： (1) 大于等于设定的偏差e时，由于积分控制器使系统响应速度变慢，不采用 i e 积分控制器调节，直接使用PD调节，获得比较快的动态响应，计算Pd和Pp，最终得 到控制量获得比较快的动态响应。 (2) 小于设定的设定的偏差 e 时，正常的分别计算 Pi、Pd 和 Pp,然后根据算 i e 法公式计算出控制变量。 控制流程图如图4.1所示。 图 4.1 PID 控制流程图 4.2 PID 程序设计程序设计 PID 算法函数 void PID(void)，根据误差的大小算出固态继电器的导通时 间。程序如下： void PID() uchar Ctrhab20 =8，15，2O，4O，5O，6O，7O，80，100，120，140，160，180， 200； 控制时间参数表 长长 春春 大大 学学 微机温度控制系统设计 第第 10 页页 /共共 22 页页 kp=200； kd=3； ki=10； 初始化PID参数 tempsv=controlnum； temppv=T；读入实际、设定温度 e2=temsvtemppv；计算误差 e0 =el； el=e2； u0=u； 误差及输出量的转赋 P=e2一el； 计算P值 D=kd*(e22el+e0)； 计算D值 if(e2=50) I=kp+e2；判断采用PD还是PID控制 else I=0； u=kp(P+I+D)+uO； controltime=ctrhabu；查表赋控制时间 长长 春春 大大 学学 微机温度控制系统设计 第第 11 页页 /共共 22 页页 第第5 5章章 软件设计软件设计 在系统软件中，主程序完成系统初始化和电炉丝的导通和关断；炉温测定、键 盘输入、时间确定和显示、控制算法等都由子程序来完成；中断服务程序实现定时 测温和读取时间。流程图如图 4-1 所示。 图 5-1 控制系统程序流程图 停止加热 键盘输入及目标炉温设置 开始 炉温测量与显示 炉温等于下限温度？ 炉温等于上限温度？ 系统初始化设置 全速加热 PID 算法控制炉温加热 等于目标温度并稳定时间到？ 炉温测量与显示 结束 Y Y N Y N N 长长 春春 大大 学学 微机温度控制系统设计 第第 12 页页 /共共 22 页页 5.1 MAX6675 温度采集设计温度采集设计 温度测量开始进行温度测量，这一部分程序作为一个独立的程序段，定时调用， 主要包括 MAX6675 数据读取、开路判断、数据处理和码制转换等几个部分。程序 流程图如下： 图 5-2 MAX6675 温度采集程序流程 5.2 键盘显示程序设计键盘显示程序设计 本次显示用LCD1602完成，利用单片机完成对LCD1602的配置，来完成対时钟的 显示和温度的显示，对LCD1602进行配置的第一件事就是要把它的器件手册上有用的 内容提取，掌握。最后写出时序，完成显示功能。技术参数如下图4-3所示： 长长 春春 大大 学学 微机温度控制系统设计 第第 13 页页 /共共 22 页页 显示容量162个字符 芯片工作电压 4.5-5.5V 工作电流 2.0mA(5.0V) 模块最佳工作电压 5.0V 字符尺寸2.954.35（WH）mm 图 5-3 主要技术参数 基本操作时序 1.1 读状态：输入：RS=L.RW=H.E=H 输出 D0D7=状态字 1.2 写指令：输入：RS=L.RW=L.D0D7=指令码.E=高脉冲 输出：无 1.3 读数据：输入：RS=H.RW=H.E=H 输出：D0D7=数据 1.4 写数据：输入：RS=H.RW=L.D0D7=数据.E=高脉冲 输出：无 5.3 键输入子程序键输入子程序 在键输入子程序设计中，键盘采用编程扫描工作方式。键输入程序的功能有以 下 4 个方面： (1)判别键盘上有无键闭合，其方法为扫描口 PAOPA7 输出全“0” ，读 PC 口 的状态，若 PC0PC3 为全“1”(键盘上行线全为高电平)，则键盘上没有闭合键， 若 PC0PC3 不为全“1” ，则键处于闭合状态。 (2)去除键的机械抖动，其方法为判断出键盘上有键闭合后，延迟一段时间再判 别键盘的状态，若仍有键闭合，则认为键盘上有一个键处于稳定的闭合期，否则认 为是键抖动。 (3)判别闭合键的键号，方法为对键盘的列线进行扫描。 (4)使 CPU 对按键的一次闭合仅作一次处理。采用的方法为等待闭合键释放以 后再处理。键输入程序的流程图如图 4-4 所示。采用显示子程序作为去键盘抖动的 延迟子程序，其优点是在进入键输入子程序后，显示器始终是亮的。 长长 春春 大大 学学 微机温度控制系统设计 第第 14 页页 /共共 22 页页 图 5-4 键输入子程序流程图 长长 春春 大大 学学 微机温度控制系统设计 第第 15 页页 /共共 22 页页 第第6 6章章 总结总结 该系统采用了 K 型热电偶信号处理集成芯片 MAX6675，改变了传统测温电路 电路复杂、程序复杂、精度低等问题；采用时钟芯片可以对时间准确计时；采用先 进 PID 控制算法控制、精度高、超调小；整个设计电路简单、设定功能多、操作简 单。经反复实验证明：其工作稳定性强、精度高、实用性强、控制效果好、应用前 景广。 我们此系统的优点：改变了传统的温度检测电路采用“传感器一滤波器一放大 器一冷端补偿一线性化处理一 A，D 转换”模式，采用的是高精度的集成芯片 MAX6675 来完成“热电偶电势一温度”的转换，不需外围电路，接线简单，精度高； 采用时钟芯片便于精确计时，减小单片机的负担；采用先进 PID 控制算法控制，控 制效果好。超调小。 长长 春春 大大 学学 微机温度控制系统设计 第第 16 页页 /共共 22 页页 第第7 7章章 参考文献参考文献 1 李先锋基于模糊PID的电阻炉温度控制系统研究D 宁夏：宁夏大学.2010. 2 吕小红电阻炉智能温度控制系统的设计和应用D 武汉：武汉科技大学.2008. 3 Katsuhiko Ogata. Moden Control Engineering. Publishing house of electronics Industry.2000.P196-203. 4 Rubaai A,Kotaru R,Kankam M.A Continually Online-Trained Neural Network Controller for Brushless DC Motor DrivesJ IEEE Trans on industry Application.2000.P475-483. 5 郁有文.常健.程续红传感器原理及工程应用M 西安：西安电子科技大学出版社.2003. 6 刘洪恩利用热电偶转换器的单片机温度测控系统J 仪表技术2005.P29-30. 7 美国MAXIM公司的产品资料.c11. 8 虞致国.徐健健MAX6675的原理及应用J 国外电子元器件2002.P41-43. 9 李群芳.张士军.黄建单片微型计算机与接口技术M 北京：电子工业出版社.2009. 10 赖寿宏微型计算机控制技术.北京：机械工业出版社.2004. 11 何立民McS一51系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术.北京航空航天大学出版社. 2001. 12 王延平计算机高精度控温系统的研究与开发J 微计算机信息.2006.P3334. 13 刘洪恩利用热电偶转换器的单片机温度测控系统J 仪表技术.2005P 2930. 14 孙凯.李元科电阻炉温度控制系统J 传感器技术2003.P50-52. 长长 春春 大大 学学 微机温度控制系统设计 第第 17 页页 /共共 22 页页 附录附录 程序文件程序文件 MAX6675 温度值读取程序清单温度值读取程序清单 CS BIT P1.0 ；数据输入 SCK BIT P1.1 ；片选 SO BIT P1.2 ；时钟 DATAH DATA 40H ；读取数据高位 24 DATAL DATA 41H ；读取数据低位 TDATAH DATA 42H ；温度高位 TDATAL DATA 43H ；温度低位 CLR CS ；CS 低电平，停止数据转换，输出数据 D15 CLR CLK ；时钟置为低电平 MOV R7, #08H RD_DATAH： ；读数据高位字节 D15-D8 MOV C，SO ；读 SO 端数据 RLC A ；累加器左移一位 SETB SCK NOP CLR SCK DJNZ R7，RD_DATA MOV DATAH，A ；将数据高位移入缓冲区 MOV R7，#08H RD_DATAL: ；读数据低位字节 D7-D0 MOV C，SO ；读 SO 端数据 RLC A ；累加器左移一位 SETB SCK NOP CLR SCK DJNZ R7，RD_DATAL 长长 春春 大大 学学 微机温度控制系统设计 第第 18 页页 /共共 22 页页 MOV DATAL，A ；将数据低位移入缓冲区 SETB CS ；CS 高电平，停止数据输出，启动 新的 数据转换；数据转换子程序，将读得的 16 位数据转换为 12 位温度值，去掉无用的位 MOV A，DATAL RLC A MOV DATAL，A MOV A，DATAH RLC A ；整个数据位左移一位，去掉 D15 位 SWAP A ；将 DATAH 中的高低 4 位数据互换 MOV B，A ；数据暂存于 B 中 ANL A，#0FH ；得到温度数据高位字节部分 D14 D11 MOV TDATAH，A ；将温度值高位字节保存 MOV A，B ANL A，#0F0H ；得到温度数据低位字节部分 D10 D7 MOV B，A MOV A，DATAL ； ANL A，#0FH ；得到温度数据低位字节部分 D6 D3 ORL A，B ；合并的温度低位字节 MOV TDATAL，A ；将温度值低位字节保存 显示子程序清单显示子程序清单 ORG 000H LJMP INIT ORG 0030H DB P,e,c,h,i,n, ,S,c,i,e,n,c,e LCDE EQU P2.7 RW EQU P2.5 RS EQU P2.6 长长 春春 大大 学学 微机温度控制系统设计 第第 19 页页 /共共 22 页页 GPIO_LCD EQU P0 INIT: ACALL LCD1602_Init ;初始化 1602 MAIN: MOV R7,#081H ;设置写指针 ACALL LCD_WriteCom MOV A,#00H;要读取第一字母 MOV DPTR,#0030H MOVC A,A+DPTR;读取“P” MOV R7,A ;给函数传递一个数据 ACALLLCD_WriteData MOV A,#01H MOVC A,A+DPTR MOV R7,A ACALL LCD_WriteData MOV A,#02H MOVC A,A+DPTR MOV R7,A ACALL LCD_WriteData MOV A,#03H MOVC A,A+DPTR MOV R7,A ACALL LCD_WriteData MOV A,#04H MOVC A,A+DPTR MOV R7,A ACALL LCD_WriteData MOV A,#05H MOVC A,A+DPTR MOV R7,A ACALL LCD_WriteData MOV A,#06H 长长 春春 大大 学学 微机温度控制系统设计 第第 20 页页 /共共 22 页页 MOVC A,A+DPTR MOV R7,A ACALL LCD_WriteData MOV A,#07H MOVC A,A+DPTR MOV R7,A ACALL LCD_WriteData MOV A,#08H MOVC A,A+DPTR MOV R7,A ACALL LCD_WriteData MOV A,#09H MOVC A,A+DPTR MOV R7,A ACALL LCD_WriteData MOV A,#00AH MOVC A,A+DPTR MOV R7,A ACALL LCD_WriteData MOV A,#0BH MOVC A,A+DPTR MOV R7,A ACALL LCD_WriteData MOV A,#0CH MOVC A,A+DPTR MOV R7,A ACALL LCD_WriteData MOV A,#0DH MOVC A,A+DPTR MOV R7,A ACALL LCD_WriteData AJMP $;原地跳转 ;*; ; 1602 初始化程序 ； 长长 春春 大大 学学 微机温度控制系统设计 第第 21 页页 /共共 22 页页 ;*; LCD1602_Init: MOV R7,#038H;传递给 LCD_WriteCom 函数的值放在 R7 ACALL LCD_WriteCom;设置显示模式 MOV R7,#00CH ;设置显示开，光标关闭。 ACALL LCD_WriteCom MOV R7,#006H ;设置地址指针写后加 1，而且整屏不移动 ACALL LCD_WriteCom MOV R7,#001H;显示清屏 ACALL LCD_WriteCom MOV R7,#081H;设置起始指针 ACALL LCD_WriteCom RET;子函数返回 ;*; ; 1602 写命令程序 ； ;*; LCD_WriteCom: ;用 R7 接收传递一个 8 位数据 CLR LCDE CLR RS CLR RW MOV GPIO_LCD,R7 ACALL DELAY SETB LCDE ACALL DELAY CLR LCDE RET ;*; ; 1602 写数据程序 ； ;*; LCD_WriteData: ;用 R7 接收传递一个 8 位数据 CLR LCDE SETB RS CLR RW MOV GPIO_LCD,R7 长长 春春 大大 学学 微机温度控制系统设计 第第 22 页页 /共共 22 页页 ACALL DELAY SETB LCDE ACALL DELAY CLR LCDE RET ;*; ; 延时程序 ； ;*; DELAY: MOV R6,#0FFH DJNZ R