智能温度控制仪表设计

本科生毕业设计（论文）中文题目智能温度控制仪表设计英文题目INTELLIGENTTEMPERATURECONTROLINSTRUMENTDESIGN院系机械电子工程学院专业自动化起讫时间20100120至20100525目录1绪论411课题的背景和意义412国内外研究现状及存在的问题513本课题的工作重点62温度仪表的总体设计方案721功能指标722功能需求分析723方案设计8231方案（1）采用单CPU设计8232方案（2）采用双CPU设计8233方案（3）采用双CPU设计824方案选择825系统设计93温度控制方法及算法1131温度的控制原理1132控制算法与数字滤波114硬件设计1841芯片介绍18411ADUC812单片机的特点18412PHILIPSP89C51单片机的特点31413TG12864B的特点3442系统电路设计40421硬件原理图设计40422电源电路41423A/D采集电路42424LCD显示驱动电路43425RS232接口与MODBUS通讯协议4443硬件系统设备抗干扰分析455软件设计4851软件的结构思路4852软件流程4853部分程序功能模块分析及实现52531主控制模块52532显示模块58533头文件模块636系统调试6661硬件调试6662软件调试6763系统调试过程遇到的问题6864对加热炉进行温度控制试验697结论698参考文献719经济分析报72摘要单片微型计算机是随着超大规模集成电路技术的发展而诞生的，由于它具有体积小、功能强、性价比高等特点，把单片机应用于温度控制中，采用单片机做主控单元，无触点控制，可完成对温度的采集和控制的要求。所以广泛应用于电子仪表、家用电器、节能装置、机器人、工业控制等诸多领域，使产品小型化、智能化，既提高了产品的功能和质量，又降低了成本，简化了设计。本文主要介绍单片机在热处理炉温度控制中的应用，对温度控制模块的组成及主要所选器件进行了详细的介绍。并根据具体的要求本文编写了适合本设计的软件程序。温度控制在热处理工艺过程中,是一个非常重要的环节。控制精度直接影响着产品质量的好坏。关键词单片机；温度控制；PID。ABSTRACTTHESINGLESLICEOFMICROCOMPUTERSEMERGESWITHDEVELOPMENTOFVERYLARGESCALEINTEGRATIONTECHNOLOGY,BECAUSEITHASSMALL,THEFUNCTIONISSTRONG,HIGHCHARACTERISTICOFCOSTPERFORMANCE,APPLIESTHEONECHIPCOMPUTERTOTEMPERATURECONTROL,ADOPTTHEONECHIPCOMPUTERTODOTHETOPMANAGEMENTUNIT,CONTROLCONTACTLESSLY,CANFINISHTHEREQUISITIONFORCOLLECTIONANDCONTROLOFTEMPERATURESOAPPLYTOSUCHAGREATDEALOFFIELDSASELECTRONICINSTRUMENT,HOUSEHOLDAPPLIANCES,ENERGYCONSERVATIONFITTING,THEROBOT,INDUSTRIALCONTROL,ETCEXTENSIVELY,MAKETHEPRODUCTSMINIATURIZED,INTELLIGENTED,HASALREADYIMPROVEDTHEFUNCTIONANDQUALITYOFTHEPRODUCTS,HAVELOWERCOSTSAGAIN,HASSIMPLIFIEDANDDESIGNEDTHISTEXTINTRODUCESTHEAPPLICATIONOFTHEONECHIPCOMPUTERINTHETEMPERATURECONTROLOFHEATTREATMENTFURNACEMAINLY,COMPOSITIONANDSELECTINGTOINTRODUCETHEDETAILEDONEWITHDEVICEMAINLYOFTHETEMPERATURECONTROLMODULEANDHASWRITTENTHESUITABLESOFTWAREPROCEDUREORIGINALLYDESIGNEDACCORDINGTOTHECONCRETEDEMANDTHISTEXTTEMPERATUREINHEATTREATMENTCRAFTISVERYIMPORTANTCONTROLPRECISIONEFFECTDIRECTLYTHEQUALITYOFTHEPRODUCT。KEYWORDSCM；TEMPERATURECONTROL；PID1绪论11课题的背景和意义仪器仪表应用领域广泛,覆盖了工业、农业、交通、科技、环保、国防、文教卫生、人民生活等各方面,在国民经济建设各行各业的运行过程中承担着把关者和指导者的任务随着科学技术的发展,对各种仪器仪表的要求也越来越高高精度温度控制仪表在工业生产的应用也越来越占有重要位量工业上测量温度常采用热电偶和电阻温度计热电偶是由两种不同成份的金属丝组成,由于测量点的冷端间的温度差引起能用毫伏计测量出的热电势,是基于温度的热电势的变化来测量温度的,因此对材料的热稳性要求是很严格的高精度温度控制仪表能够精确测量,实时控制,合理整定被控对象,通过PID算法达到最优水准今天,世界正从工业化机械化时代进入信息化时代这个时代的特征是以计算机为核心延伸人的大脑功能,起着扩展人脑力劳动的作用,使人类正在走出机械化过程,进入以物质手段扩展人的感官神经系统及脑力智力的时代这时,仪器的作用主要是获取信息,作为智能行动的依据目前国内外的仪表普遍采用EDA（电子设计自动化）、CAM（计算机辅助制造）、CA（计算机辅助测试）、DSP（数字信号处理）、ASIC（专用集成电路）及SMT（表面贴装技术）等在重视高档仪器开发的同时，注重高新技术和量大面广的产品开发与生产。注重系统集成，不仅着眼于单机，更注重系统、产品软化，随着各类仪器装上了CPU，实现了数字化后，软件上投入了巨大的人力、财力，今后的仪器归纳成一个简单的公式仪器AD/DACPU软件，AD芯片将模拟信号变成数字信号，再经过软件处理变换后用DA输出。从技术驱动转为市场驱动，从一味追求高精尖转为“恰到好处“。开发一项成功产品的准则是，用户有明确的需求；能用最短的开发时间投放市场；功能与性能要恰到好处；产品开发准则的另一变化是收缩方向，集中优势。生产过程采用自动测试系统。目前多以GPIB仪器组建自动测试系统，生产线上一个个大的测试柜，快速地进行自动测试、统计、分析、打印出结果。目前以PLC为基础的DCS发展很快，PLC与DCS相互渗透、相互融合、相互竞争，已成为当前工业控制系统的发展趋势。因此基于这种考虑研究基于单回路智能温度控制仪表开发在人们获取信息的应用则具有十分重要的意义12国内外研究现状及存在的问题由于仪器仪表原隶属于机械工业,一直以来都没有明确的概念。现代的仪器仪表应当界定为测量、控制仪器仪表与系统、科学仪器、医疗仪器，及其相关的传感器、元器件和材料。我国现有各类仪器仪表企业6千多家，职工总数88万人。其中（1）工业过程检测、控制仪器仪表与系统生产企业2000多家，销售额约占50；（2）科学仪器生产企业约1500家，销售额占总销售额25；（3）医疗仪器生产企业约1200家，销售额占少部分与医疗仪器生产企业的销售额大致相等；（4）其他各类测量仪器仪表及元器件材料等生产企业近1000家，销售额约200亿元。我国仪器仪表已经形成门类品种比较齐全，具有一定技术基础和生产规模的工业体系，成为亚洲除日本以外第二大仪器仪表生产国。“九五”以来，我国仪器仪表工业总的形势是向前发展的。主要表现在（1）仪器仪表行业销售收入以年平均增长率8不断递增，科学仪器发展迅速，达到年销售平均增长率超过25；（2）仪器仪表产品在微型化、集成化、智能化、总线化等发展方向上紧跟国际发展的步伐，涌现出一批技术先进的新型产品，黑体空腔式钢水连续测温仪、微波等离子体炬光谱仪、柔性控制系统、超声聚焦刀等项产品技术上领先国际水平；（3）仪器仪表产品出口创汇有了明显增长。1999年我国仪器仪表产品出口创汇比1998年增长12。出口产品中已经饮食有技术含量较高的气相色谱仪和精密天平等。数字万用表出口占据世界市场70以上的份额。出口国家不只限定在亚洲、非洲，许多产品已经进入欧美市场；（4）一批具有相当规模和发展前景的民营企业的崛起，是我国仪器仪表产业发展的新兴力量。这批企业中，有从事自动化系统集成的高新技术公司，如浙大中控、德维森公司等；有已经形成现代化生产规模，产品打入国际市场的华立集团、舜禹集团，普析公司、天美公司、华谊公司等。它们的崛起对我国仪器仪表产业的发展已经产生并将继续产生巨大的推动和影响。应当清醒地看到，虽然我国仪器仪表工业有了一定的发展，但远远不能满足国民经济、科学研究、国防建设以及社会生活等各个方面日益增长的迫切需求。我国仪器仪表产品，绝大部分属于中低档技术水平，而且可靠性、稳定性等关键性指标尚未全部达到要求。高档、大型仪器设备几乎全部依赖进口，中档产品以及许多关键零部件，国外公司同样占有国内市场60以上的份额。据海关统计，除去随成套工程项目配套引起的仪器仪表不计，每年进口各类仪器仪表总额接近我国仪器仪表工业总产值50。此外，在6000多家企业中，年销售收入超过1000万元的不足1000家，全行业经济效益低下。更为严重的是，低水平重复生产异常突出。无论是工业自动化仪表或是科学仪器，几乎每一个主要产品都有几十家甚至几百家企业重复生产，乃至产品的型号规格都完全相同。比如，全国有近百家企业重复生产涡街流量计，有80多家企业重复生产气相色谱仪，有300多家企业重复生产热电偶，等等。其产品的技术水平多只相当国际80年代初期水平，而且产品质量全面过关的却微乎其微。又比如，浙江华立集团和三星集团年产电能表的生产能力，已经基本满足国内市场的需求，而同时在浙江省还有40多家，其他省市上百家企业继续生产电能表，出现严重的供大于求的现象。低水平重复生产肆意扩展，对我国仪器仪表工业的发展造成了极大的危害第一，低水平重复生产，耗费了大量人力、物力和财力，导致我国仪器仪表工业的发展不能集中优势力量，捏紧拳头，生产能力极度放空，难以摆脱长期分散落后的局面；第二，大量低水平重复生产，破坏了市场竞争的有效秩序，导致出现不公平竞争和暗箱操作等各种丑陋现象，致使许多企业不能集中力量提高产品质量和发展生产；第三，低水平重复生产的结果，必然出现大量产品质量低劣，给用户造成恶劣的影响，使民族仪器仪表工业的发展受到沉重的打击。更令人吃惊的是，电能表大量重复生产的结果，在两网改造过程中已经有大约4000万只不合格产品进入了电网，其后果不堪设想。这就是我国仪器仪表工业大致的现状。13本课题的工作重点本课题主要研究用单片机实现带PID调节的液晶显示温度控制仪表。主要有以下三个工作重点PID算法的处理，PID控制器的参数整定。LCD驱动显示的调试。双CPU之间的通讯协议MODBUS。经过对温度控制仪表的反复调试研究，最终采用ADI公司的ADUC812和PHILIPS公司的P89C51单片机作为主控芯片，采用温度传感器检测方法，辅之以精确外围电路检测与控制，实现了一台具有液晶显示、通讯、对温度进行实时控制等功能的智能温度仪表。2温度仪表的总体设计方案21功能指标1温度控制范围251300度；2温度测量误差为1度；3通信接口RS232；4温度超调量50ERROR100时，PIDVALMID100输出值128DAADCDATAHDADADAMINDAJSUMMAXMINSHIWEN1106J/8/5/实时温度计算模块，也计算最近10次温度值，进行滤波。方法同室温计算方法/VOIDSHISHIWENDUVOIDSTATICUINTDA0,SUM0,MAX,MIN,MIDSTATICUCHARISTATICUINTADC_DATA100FLOATJ000ADCCON20SCONV1WHILEADCCON3128DAADCDATAHDADA4000/热电偶MAXADC_DATA1MINMAXSUM0FORI1IADC_DATAIMINADC_DATAIADC_DATA9DASUMSUMDAIFMAXDAMINDAJSUMMAXMINJJ/8JJ/16384/CANSHU4DAJ1000MAX130MIN0WHILE1MIDMAXMIN/2/二分发查表IFK_TABLEMIDDAMAXMIDELSEMINMIDIFMAXMIN50PID_VAL_MID100RETURNELSEIFBILI500JJ/100IFJ100PID_VAL_MID100ELSEIFJCANSHU1LED_GAO0ELSELED_GAO1IFCANSHU01200SAVE_FLAG1ELSEIFDOWN0ELSEIFV_MODE9IFCANSHUV_MODE0ELSECANSHUV_MODE0ELSEIFKUAISU1ELSEIFV_MODE10CHUSHI1ELSEIFV_MODE8CANSHUV_MODESAVE_FLAG1/名称LCM_WR1COMMAND功能写命令子程序，所选屏为左半屏CS1。入口参数COMMAND要写入LCM的命令字/VOIDLCM_WR1COMMANDUINT8COMMANDLCM_E0LCM_RW0LCM_DI0LCM_CS11LCM_CS20DATA_PORTCOMMANDLCM_E0NOPLCM_E1NOPLCM_E0NOPLCM_RW1DATA_PORT0XFF/名称LCM_WR2COMMAND功能写命令子程序，所选屏为右半屏CS2。入口参数COMMAND要写入LCM的命令字/VOIDLCM_WR2COMMANDUINT8COMMANDLCM_E0LCM_RW0LCM_DI0LCM_CS10LCM_CS21DATA_PORTCOMMANDLCM_E0LCM_E1NOPLCM_E0NOPLCM_RW1DATA_PORT0XFF/名称LCM_WR1DATA功能写数据子程序，所选屏为左半屏CS1。入口参数WRDATA要写入LCM的数据/VOIDLCM_WR1DATAUINT8WRDATALCM_E0LCM_RW0LCM_DI1LCM_CS11LCM_CS20DATA_PORTWRDATALCM_E0LCM_E1NOPLCM_E0NOPLCM_RW1DATA_PORT0XFF/名称LCM_WR2DATA功能写数据子程序，所选屏为右半屏CS2。入口参数WRDATA要写入LCM的数据/VOIDLCM_WR2DATAUINT8WRDATALCM_E0LCM_RW0LCM_DI1LCM_CS10LCM_CS21DATA_PORTWRDATALCM_E0LCM_E1NOPLCM_E0NOPLCM_RW1DATA_PORT0XFF/名称LCM_DISPINI功能LCM显示初始化。使能显示，设置显示起始行为0并清屏。入口参数无出口参数无/VOIDLCM_DISPINIVOIDUINT16ILCM_RST0/复位驱动芯片FORI0I50ILCM_RST1LCM_WR1COMMANDLCM_DISPON/打开显示LCM_WR1COMMANDLCM_STARTROW/设置显示起始行为0LCM_WR2COMMANDLCM_DISPONLCM_WR2COMMANDLCM_STARTROWLCM_DISPCLR/清屏LCM_WR1COMMANDLCM_ADDRSTRY0/设置页行地址LCM_WR1COMMANDLCM_ADDRSTRX0/设置列地址，即列LCM_WR2COMMANDLCM_ADDRSTRY0LCM_WR2COMMANDLCM_ADDRSTRX0533头文件模块头文件模块主要用于全局变量声明，主要变量包括显示用的变量和控制用的变量以及相关的位标志等/文件名LCM_DRIVEH功能图形液晶TG12864B2驱动程序。头文件/IFNDEFLCMDRIVE_HDEFINELCMDRIVE_H/定义LCM操作的命令字/DEFINELCM_DISPON0X3F/打开LCM显示/DEFINELCM_STARTROW0XC0/显示起始行0，可以用LCM_STARTROWX设置起始行。X64/DEFINELCM_ADDRSTRY0XB8/页起始地址，可以用LCM_ADDRSTRXX设置当前页即行。X8/DEFINELCM_ADDRSTRX0X40/列起始地址，可以用LCM_ADDRSTRYX设置当前列即更。X64/定义宏函数/DEFINELCM_DISPCLRLCM_DISPFILL0X00/清屏函数，清屏后设置显示起始行为0/名称LCM_DISPINI功能LCM显示初始化入口参数无出口参数无注初化显示后，清屏并设置显示起始行为0。/EXTERNVOIDLCM_DISPINIVOID/名称LCM_WRITEBYTE功能向指定点写数据一字节。入口参数XX坐标值0127YY坐标值063WRDATA所要写的数据出口参数无/EXTERNVOIDLCM_WRITEBYTEUINT8X,UINT8Y,UINT8WRDATA/名称LCM_DISPFILL功能向显示屏填充数据入口参数FILLDATA要写入LCM的填充数据出口参数无/EXTERNVOIDLCM_DISPFILLUINT8FILLDATAEXTERNVOIDLCM_WORDUNSIGNEDCHARX,UNSIGNEDCHARY,UNSIGNEDCHARWIDTH,UNSIGNEDCHARHEIGHT,UNSIGNEDCHARBUFEXTERNVOIDLCM_DISPNUMUNSIGNEDCHARX,UNSIGNEDCHARY,UNSIGNEDCHARNUMENDIF6系统调试61硬件调试硬件的的调试是不可避免的，因为少了这一步的话，以后出了问题就不知道是硬件的问题还是软件的问题。并且硬件的调试还可以提前知道硬件的好坏，以便找到厂家更换。（1）电源与接地及复位电路在调试时，由于设计时考虑的欠妥，或者电路制作时的错误，可能导致电路不能正常工作。因此，最好是先将ADUC812的外围器件焊接好，在检查ADUC812焊盘上各路电源（AV与DV处）正常工作，再焊接ADUC812这样可以确保不损坏ADUC812对ADUC812电源的检查，主要是检查电源（AV与DV处）是否在ADUC812的正常工作电源范围之内。有两点容易疏忽但必须重视检查1AV与DV出电压的差值是否小于03V；2AGND与DGND是否等电平。如果不满足上述两点，轻则电路不能正常工作，重则损坏ADUC812。复位电路采用具有触发存储功能的示波器。时钟电路的调试没有时钟，系统不可能工作。检查时钟采用万用表。用万用表的直流档检查ALE引脚对地的电压，时钟正常时的读数值应该为电源电压的1/3。如果不正常则采用以下方法1用万用表检查电容和晶体是否短路；2检查电容是否断路，即通电后用一只合适电容值的电容并联在待查电容两端，同时检查是否有时钟信号；3更换晶体如果上述检查不能排除故障，可以断定ADUC812已经损坏。（2）片上外设片上外设是指ADC与DAC及基准电源和I2串行接口和SPI串行接口，这些对软件的功能都非常重要，少之一样都不行。ADC与DAC及基准电源ADUC812内集成的ADC由基于电容的DAC的常规逐次逼近转换器组成，接收的模拟输入范围为0VREF引脚电压。ADUC812D的ADC正常工作的模拟输入范围为0V25V，而允许输入的电压范围为正电压05V。调试时可分开调试，看025V是否对应着0000HFFFFH。如果有误差，则须要采用校准程序对ADC进行校准。DAC也是一样，只不过是反过来，但应注意到，只有在写入DAC0L后相应的DAC才能输出。因此，检查时，应先输入高字节，后输入低字节。在输入低字节后，再测量DAC的输出。C、外部存储器与I/O接口外部数据的存储直接以及I/O口的好坏关系到程序能不能控制设备，它的重要性不低于任何设备。（1）外部数据存储器首先向整个数据区写入同一数据，再一一读出比较。若数据不一致，则出错。分为两步，分别写入00H和FFH。接着向第0单元送立即数00H，向第一个单元送立即数01H，第2个单元送立即数02第255个单元送立即数255H，第256个单元送立即数00H，直至送完空间。然后每256个单元为1组，从RAM中读出数据后并检验累加和是否等于32640（7F80H）如不等，则说明低位地址线有错，如全部相符，则再做进一步检查。即以256个单元为1组，在第1组所有单元都送立即数00H,在第2组的所有单元都送立即数01H在最后一组所有单元都送立即数FFH。然后在每组中任取1个单元的数对全空间作累加和，如果累加和等于7F80H，这说明高8位地址线无误；否则，即说明高8位地址线有错误。（2）P0到P3口P0作为普通I/O口时，其输出结构为开漏结构，在应用电路中必须加上拉电阻，在有上拉电阻的情况下，用指令使P0输出0或1，然后用万用表检查，看与预期的符不符合。P1口作为数字口时只能作为输入口。特别应该注意的是，P1口作为数字输入口时，要加下拉电阻。给P1口分别施加高、低电平，然后通过指令或直接在调试模式中检查P0口。如有不符，说明P1口已损坏。P2和P3口直接在调试模式中使其输出0或1，然后用万用表检查，如果与预期的输出不符，则可能的原因是口线损坏。在给P其分别施加高低电平，然后通过指令或直接在调试模式中检查P2口和P3口。如有不符，说明其已损坏。62软件调试本次设计采用美国公司ADIANALOGDEVICEINC公司出品的C语言编辑器KEILC，其主要功能可以把C语言转换成16进制文件,下载到ADI公司的单片机内,并且它具有可视化界面,它具有在线调试的功能,可在缺乏硬件的条件下,调试程序,这大大方便了编程者,由于C语言的普及性,使更多的人能从事ADI公司的软件开发这大大的利用了现有的人力资源,使该芯片得到了广泛的应用,并且其有标注说明的功能,这对于以后阅读程序是十分有用的,它还可以加载TXT来对软件设计中的必要信息和数据作文档记录。调试过程分模块来进行的，首先按要实现的模块功能，一部分一部分的进行调试，未能达到要求就修改，直到能满足要求。其中如使用片上温度传感器进行室温温度采集时，就是由于没找到有关代码值与温度之间的关系式，所以只能通过软件仿真，一步一步的调试，调试的结果如下表表61温度与代码的调试结果温度值（度）代码01106510811010571510322010082598330958由可知温度与代码之间的关系为温度值（1106代码）/563系统调试过程遇到的问题ADUC812芯片处于在线工作状态之下某些功能将会被限制这是因为在线调试时,计算机和芯片之间的通信要占用一定的资源所导致经实践证明,定时器1就是被占用的资源之一若用户在在线调试的程序中使用了定时器1则无论是设断点调试还是单步或连续运行,都会有程序无法执行的情况发生但若将程序中的定时器1屏蔽掉,则程序能正常运行,实现用户预定的功能当然,在线调试程序时可以使用定时器0和定时器2,因为它们未被占用虽然在线调试时,定时器1无法使用,但并不意味着用户不能在用户系统中利用该定时器用户可先将预定功能用定时器0实现,在调试通过之后,在改用定时器1来实现也可直接用定时器1来实现,但只能盲调,因程序必须下载后脱机运行ADUC812芯片P1不能做输出，调试刚开始时由于不知道，结果电烙铁一直没加热起，有时出现不能下载时，借助串口助手调试一下，就可以解决。LCD显示不够亮，刚开始以为是不能点亮，结果走了一些弯路，后来才知道原来是需要改变背光的电阻就可以了，在调试过程得到的教训