基于PID的温度控制与测量系统设计毕业设计

1、编号本科生毕业设计基于 PID 的温度控制与测量系统设计二一二年六月毕业设计原创承诺书长春理工大学毕业设计1本人承诺：所呈交的毕业设计温度控制与测量系统 ，是认 真学习理解学校的长春理工大学本科毕业设计工作条例后，在教 师的指导下， 保质保量独立地完成了任务书中规定的内容， 不弄虚作 假，不抄袭别人的工作内容 。 矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。2本人在毕业设计中引用他人的观点和研究成果，均在文中加 以注释或以参考文献形式列出， 对本文的研究工作做出重要贡献的个 人和集体均已在文中注明 。 聞創沟燴鐺險爱氇谴净。3在毕业设计中对侵犯任何方面知识产权的行为，由本人承担 相应的法律责任。4本人完全了解学校关

2、于保存、使用毕业设计的规定，即：按 照学校要求提交论文和相关材料的印刷本和电子版本； 同意学校保留 毕业设计的复印件和电子版本， 允许被查阅和借阅； 学校可以采用影 印、缩印或其他复制手段保存毕业设计， 可以公布其中的全部或部分 内容 。 残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。以上承诺的法律结果将完全由本人承担！作 者 签 名： 年 月 日长春理工大学毕业设计摘要本论文分析了 PID 控制和模糊控制的优缺点， 考虑将它们结合起来， 实现优 势互补，采用模糊规则在线整定 PID 的Pk Dk Ik 三个参数的模糊自适应 PID 控 制方案。 酽锕极額閉镇桧猪訣锥。本论文设计了一种基于模糊自整定 PID 算法的控

3、制器，详细地介绍了系统 的设计和实现方法。 下位机以 AT89S52 单片机为微处理器， K 型热电偶为传感 器，由 MAX6675 热电偶信号数字转换芯片进行模数转换，单片机根据输入的 各种命令，进行智能算法得到控制量，通过零触发光电耦合器件 MOC3061 和 晶闸管 BT136 驱动执行单元。通过串口通信将下位机采集的数据送至上位机。 彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。关键词：温度测控 PID 控制 单片机长春理工大学毕业设计AbstractIn this paper the advantages and disadvantages of PID control andfuzzy control i

4、s analyzed and the method of combining them together is presented. Thefuzzy self-tuning PID control method, which involves fuzzy control rules, is employed toachieve real-time adjustments to the threeparametePrsk Dk andI k of the PID.謀荞抟箧 飆鐸怼类蒋薔。The simulation results show that the controller based

5、on fuzzy self-tuning PID control algorithm is the best one, because the regulating time is short, the overshoot and the steady-error is very little. It can meet the control demands and it s anti-interference ability is very strong. The designing method and realization of the system are discussed in

6、detail. The MCU is the single-chip microprocessor AT89S52, K-type thermocouple is used as temperature sensor, and MAX6675 is used as A/D converter. When getting the input orders, MCU works out the control value and gives pulse signal to drive the performance unit which is composed of photoelectrical

7、 coupler MOC3061 and TRIACS BT136. Host computer collects the data through serial communication and uses a modular design approach厦. 礴恳蹒骈時盡继價骚。Key words: Temperature Measurement and Control;PIDControl;MCU 茕桢广鳓鯡选块网羈 泪。II长春理工大学毕业设计目录摘 要 鹅 I 娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。Abstract I.I. 籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。第一章 绪 论 1. 預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。1.1

8、课题的研究背景及意义 1. 渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。1.2 课题的国内外研究现状 2. 铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。1.3 课题研究的主要内容 3. 擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。第二章 被控对象及控制策略 4. 贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。2.1 系统模型的建立 4. 坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。2.2 控制策略研究 6. 蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。2.3 仿真分析 8. 買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。2.4 本章小结 9. 綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。第三章 温度测控系统的硬件设计 1. 0 驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。3.1 温度测控系统的硬件组成 1. 0 猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。3.3 温度检测电路的设计 1. 1 锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔

9、。3.4 AT89S52 单片机及其最小系统 1 4 構氽頑黉碩饨荠龈话骛。3.5 人机交互接口电路设计 1. 6 輒峄陽檉簖疖網儂號泶。3.5.1 键盘电路 1. 6 尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。3.5.2 显示电路 1. 6 识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。3.5.3 报警电路的设计 1. 8 凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。3.6 温度控制电路的设计 1. 8 恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。3.7 串口通信电路 2.0 鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。3.8 硬件抗干扰设计 2. 0 硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。3.9 本章小结 2.1 阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。第四章 温度测控系统的软件设计及实验结果 2 2 氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。4.1

10、 系统下位机软件设计 2. 2 釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。4.1.1 软件设计概述 2. 2 怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。4.1.2 主控模块 2. 2 谚辞調担鈧谄动禪泻類。4.1.3 数据采集子模块 2. 3 嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。4.1.4 控制算法子模块 2. 4 熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。4.2 实验数据分析 2.5 鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。4.3 本章小结 2.5 纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。结束语 2.6 颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。致 谢 2.7 濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。参考文献 2.8 銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。长春理工大学毕业设计第一章 绪 论1.1 课题的研究背景及意义物体的许多物理现象和化学性质都与温度

11、有关， 温度是工农业生产、 科学实 验研究以及日常生活中需要普遍进行测量和控制的一个非常重要的物理量，如： 在冶金、机械、石油化工、电力等工业生产中的温度控制；在温室花房、蔬果大 棚、粮仓等农业生产中的温度测控；与我们生活息息相关的微波炉、电热水器、 电烤箱、空调等家用电器的温度控制； 高等院校实验室微机测控系统中将温度作 为被测参数，供学生做综合实验、 实训或课程设计等。 温度控制对于小到人民的 日常生活、 大到钢铁等大型工业生产工程都具有广阔的应用前景。 准确地测量和 有效地控制温度是优质、高产、低耗和安全生产的重要条件， 所以对温度进行控 制是非常必要且有意义的。 挤貼綬电麥结鈺贖哓类。

12、目前，温度测控系统一般使用的还是传统仪器，以单台仪器独立工作、手工 操作、人工记录和分析判断信息为主要设计思想， 其功能和规格一般被厂家所固 定，使用时需要通过硬件或者固化的软件来实现， 用户无法随意改变其结构和功 能，不具有通用性。 而当前的发展对测控仪器提出了越来越高的要求， 不仅要求 能完成实时在线监测，还希望具有更强的通用性，能适应多种多样的使用要求， 随时可改变检测对象、 完成不同测试任务或升级换代， 能建立起一个可掌握生产 过程的信息资料，并能以监测、 分析、 控制和优化等手段为及时的人工决策和控 制提供依据的测控系统。显然， 传统仪器已经不能适应现代检测系统的要求。 一 些智能仪

13、器构成的温度监测系统，也往往需要人干预，费时费力， 而利用高级编 程语言进行软件开发又让人感到力不从心。 总体而言， 测控领域主要面临了以下 几大问题： 赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。(l) 产品更新换代的速度太快，彼此之间的兼容性较差；(2) 难以满足用户不同层次和不断变化的要求；(3) 对测控系统集成入网、并能通过网络访问和交互的需求日益迫切。 智能温度控制器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、 开发虚拟温度控制器和网络温度控制器、 研制单片测温控温系统等高科技的方向 迅速发展。上述差距，是我们必须努力克服的。 塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。随着科学技术的进步和计算机技术的飞速发展， 虚拟

14、仪器开启了测控仪器的 新纪元。 虚拟仪器为人们建立检测系统、 自动测量系统、 过程监控系统等提供了 一个理想的软件开发环境。 它含有种类丰富的函数库， 科学家和工程师们利用它 可以方便灵活地搭建功能强大的测控系统。同时，现代控制理论的发展， 人工智 能技术的深入研究， 也为控制系统的理论领域增加了新的内容。 常用的温度控制 电路除了传统的 PID 控制方法， 近几年来快速发展的是将模糊控制、 神经网络、 遗传算法等智能控制方法应用于温控系统，包括智能控制与 PID 控制相结合及长春理工大学毕业设计这些智能控制之间的结合。 利用现代控制理论与虚拟仪器技术， 将智能控制与传 统控制有机综合应用，

15、提高测量精度， 设计出适用于不同加热条件和要求的智能 型温度测控系统是当今测温研究的一个重点。 裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。本文的研究对象电烤箱，是一种非线性、时变性、大时滞的被控对象， 用精确的数学模型表示其特性是十分困难的，用常规的 PID 控制难以达到较高 的控制精度， 只有在参数整定准确且系统不发生剧烈变化的情况下才能实现， 然 而这对一般的电烤箱温度控制系统来说都难以满足， 在关于温度控制的绝大部分 文献资料中，控制结果都有较大的超调， 本论文基于这一特点进行研究， 提出一 种控制方案， 把虚拟仪器与智能温度控制相结合， 开发一套基于模糊自整定 PID 参数算法的控制系统，使其具有结构简单

16、、响应速度快、控制精度高、鲁棒性强 的特点。 另一方面基于控制实验室建设的要求， 目前在国内高校， 虚拟仪器正逐 步走进理工科课堂和实验室， 用虚拟仪器技术来实现智能温度测控实验系统， 将 其用于实验室电烤箱的温度控制， 使其达到相应的技术要求， 来满足自动控制技 术、单片机、虚拟仪器技术、传感器与检测技术等多门课程的教学与实验，并能 用作学生综合实训或课程设计 ,系统的使用和维护费用低。 仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。1.2 课题的国内外研究现状1967 年 Leondes 等人在他们的技术汇报中首次正式使用 “智能控制 ”一词。 1974 年， Mamdani 首次将模糊逻辑和模糊推理用于锅炉和蒸

17、汽机的控制，标志 着人们用模糊逻辑进行工业控制的开始。 1976 年， PJKing 和 Mamdani 等 人合作， 采用模糊模型的预估方案， 用模糊控制对反应器进行温度控制， 成功解 决了系统不稳定的问题， 这也是控制史上首次利用模糊控制来进行温度控制。 20 世纪 90 年代，美国、英国相继发表智能控制专辑 ，德国、日本等国家也连 续发表多篇智能温度控制在各个领域的应用方面的论文。现今 Simens 和 Inform 公司联合研制了性能优良的模糊控制开发软件工具及第三代模糊微处理 器，可利用软件或硬件的方法实现对系统的模糊控制。 绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。早在 1965 年我国著名科学家傅京

18、孙首先提出把人工智能启发式推理规则 引入学习控制系统， 并于 1971 年提出人工智能和自动控制交叉学科， 奠定了国 内智能控制发展的基础。 随后越来越多的学者开始关注智能控制技术， 国家也越 来越重视智能控制理论的研究和应用， 1993 1995 连续三年国内都召开了与智 能控制有关的学术会议。 由于温度控制涉及到工业、 农业和日常生活等众多领域， 智能温度控制技术成为国内学者研究的重要内容， 在科技刊物上发表的与智能温 度控制有关的论文也相继增多。 骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。总体而言， 智能控制在温度控制系统中得到了广泛的应用。目前，国外已研 制出智能化、精度高、 小型化的智能温度控制器， 开

19、发出成熟的智能控制算法和 控制软件。相比较而言，国内智能控制技术与日本、美国、瑞典、德国等先进国长春理工大学毕业设计家相比， 仍存在较大差距。 目前国内成熟的温控产品主要以 “点位”控制及常规的 PID 控制为主，商品化的智能控制系统少， 在智能控制技术研究方面投入的人力、 物力还不够。 瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。1.3 课题研究的主要内容本课题以电烤箱为研究对象， 针对电烤箱升温单向性、大惯性、大滞后的特 点，在比较常规 PID 控制、模糊控制及参数模糊自整定 PID 控制策略的基础 上，主要对参数模糊自整定 PID 控制的应用进行了研究，并结合虚拟仪器巨大 的优越性，设计出响应速度快、超调量小

20、、稳态误差小的温度测控系统。本课题 的具体研究内容如下： 鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。第一章：论述智能温度测控系统课题的背景和意义， 温度测控系统控制方案， 课题的国内外研究现状及本论文的主要内容。 栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。第二章：系统模型的建立及控制策略的选择与设计， 利用 Matlab 对 PID 控 制、模糊自整定 PID 控制进行仿真比较。 辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。第三章：智能温度测控系统硬件电路的设计。根据系统设计原则，给出整体 设计方案， 详细介绍以单片机为核心的温控系统各部分器件的功能与原理， 给出 电路原理图，并对硬件采取各种抗干扰措施。 峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。第四章：智能温度测控系统的

21、软件设计， 给出了各主控模块的子程序流程图 , 对整个系统进行了调试和实验，对实验结果进行了分析。 詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。长春理工大学毕业设计第二章被控对象及控制策略2.1 系统模型的建立控制系统建模方法分为两大类：机理建模和实验建模。机理建模理论上可以 很精确，但实际上受客观条件的限制很难做到， 对于复杂的系统必须事先做许多 简化和理想化才能建立模型。这种方法存在数学方程不易准确建立、 实验工艺较 复杂、运行工况变化较大等缺点，最终会造成对象模型的不准确。 实验建模把被 研究的对象看作一个黑箱，通过输入信号，研究对象的输出响应信号与输入激励 信号之间的关系，估计出系统的数学模型， 这种方法简

22、单实用，尤其对一些不易 了解内部结构和机理不明的“黑箱”系统更是如此。考虑到电烤箱结构复杂，许多 变量间只存在相关关系，而这种关系往往不能直接用数学式来精确描述， 所以本 文选择实验建模来获取系统模型。 则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。电烤箱是一个具有热容量的对象，当系统上电以后，箱内的温度是一个随时 间逐渐上升的过程。加热丝的温度逐渐升高，通过箱壁热传递和热辐射使箱体内 温度也逐渐升高，温箱有一定的容量滞后， 其余环节可视为比例环节，因而一般 可用一阶惯性环节加一个滞后环节来描述温控对象的数学模型， 其传递函数表示为：G(s) TSK 1es胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。式中 K 是对象的静态增益；T 是对象

23、的时间常数；(2-1)是 对象的纯滞后时间。电烤箱模型参数的辨识常用的方法是阶跃响应法。 电烤箱在不同功率下的阶跃响应曲线基本相同，所以可由某一功率下的系统阶跃响应曲线来取得系统的近 似特征参数。在获得对象的飞升曲线后可用 Cohn-Coon 公式求对象参数。一阶 惯性纯滞后对象飞升曲线如图 2-1 所示。鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。图 2-1 一阶惯性纯滞后对象飞升曲线Cohn-Coon 公式如下：长春理工大学毕业设计outKin（2-2）T1.(5 t 0.632t0.28)（2-3）11.(5 t 0.28t 0.632)（2-4）0.28 3 0.632式中 t0.28 和 t 0.632分

24、别是飞升曲线为0.28y 和 0.632y 时对应的时间。本文的被控对象是深圳市伟科达电热设备有限公司生产的型号为 WKD-298 的电烤箱，工作频率 50Hz，温度范围 0-250 度，总功率 2000W。在 实验过程中对其给定输入 180 度，每 30S 采样一次， 得到实验数据如表 2-1 所 示： 稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。将表 2-1 中的数据输入 MATLAB 进行仿真得到图 2-2表 2-1 实验测得的电烤箱温度数据时间 /s0306090120150180210240270300温度/20303750637594106120131141时间 /s330360390420450480

25、510540570600温度/152161168171175177178179180180图 2-2 系统阶跃响应响应曲线k =0.95 ， T = 178s，根据 Cohn-Coon 公式可得到系统模型的各参数：长春理工大学毕业设计=30。s 因此本文被控对象的传递函数为：0.95 30sG(s) e 30s(2-5)178S 12.2 控制策略研究1、PID 控制的基本理论PID 控制在生产过程中是一种被普遍采用的控制方法， 是一种建立在经典控 制理论基础上的控制策略， 对于线性定常系统的控制是非常有效的， 其调节品质 取决于 PID 控制器的各个参数的确定。常规 PID 控制系统原理框图

26、如图 2-3 所示。 陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。图 2-3 常规 PID 控制系统原理图理想的 PID 控制器根据给定值 r (t)与实际输出值 c (t)构成的控制偏差 e(t)e (t)= r(t)-c(t)( 2-6)将控制偏差的比例、 积分和微分通过线性组合构成控制量， 对被控对象进行控其连续形式为：u(t) Kp e(t) T1 0 e(t )dt TD ded(tt)2-7)其中，e (t)为系统误差， K P Ti TD分别为比例系数、积分时间和微分时间。在图 2-3的基础上简单分析一下 PID 控制器各校正环节的作用 :沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。(l) 比例环节的引入是为了及时成比例地

27、反映控制系统的偏差信号e (t)，以最快速度产生控制作用， 使偏差向减小的方向变化。 控制作用的强弱取决于比例系 数 KP ，随着 KP 的增大，稳态误差逐渐减小，但同时动态性能变差，超调量也 增大，容易产生振荡，甚至会使闭环系统不稳定。因此 KP 选择必须适当，才能 取得过渡时间少、稳态误差小而又稳定的效果。 钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。(2) 积分环节的引入主要用于消除静差，即当闭环系统处于稳定状态时，此时 控制输出量和控制偏差量都将保持在某一个常值上。 积分作用的强弱取决于积分 时间常数 Ti ,Ti越大积分作用越弱，有利于系统减小超调， 过渡过程不易产生振荡， 但消除静差所需的时间较长。反之

28、随着 Ti 减小，静差也减小，但过小的 Ti 会加 剧系统振荡，甚至使系统失去稳定。 懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。(3) 微分环节的引入是为了改善系统的稳定性和动态响应速度，微分控制能感 应出偏差的变化趋势，增大微分控制作用可加快系统响应，减小超调量， 克服振 荡，提高系统的稳定性， 但使系统抑制干扰的能力降低。 微分部分的作用强弱由长春理工大学毕业设计微分时间 TD 决定。TD 越大，则它抑制 e (t)变化的作用越强， TD越小，它抗 e (t) 变化的作用越弱。它对系统的稳定性有很大的影响。 謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。在以微处理器为硬件核心的控制系统中， 由于是以采样周期对输入和输出状 态进行实时

29、采样， 故它是离散时间控制系统。 在离散控制系统中， PID 控制采用 差分方程表示： 呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。T kTu(k) KP e(k) T e(i) Td e(k) e(k 1)Ti i 0T(2-8)令 e(k) e(k) e(k 1)， Ki KpTi ，Kd Kp Td 即有ku(k) KPe(k) Ki e(i) Kd e(k)(2-9)i0其中 Ki ， Kd 分别为积分系数和微分系数。从式( 2-9)可以看出，每次输出均与过去的状态有关，为了避免在求取计算 机输出值 u (k) 时对 e (k)量进行累加计算，在实际应用中常采用增量式 PID 控 制算法： 莹谐龌蕲賞组靄绉

30、嚴减。根据递推原理可得：k1u(k 1) KPe k 1 Ki e(i) Kd e(k 1)(2-10)i0用式( 2-9)减式( 2-10)可得u(k) K pe(k) e(k 1) Kie(k) Kd e(k) e(k 1)(2-11)2、PID 控制器的优缺点现今在过程控制中接近 90仍是采用纯 PID 调节器， PID 控制器能够适用于 如此广泛的工业与民用对象， 充分反映了其良好品质。 概括地讲， PID 控制的优 点主要有以下两点： 麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶。(1) 原理简单、实现方便，是一种能够满足大多数实际需要的基本控制器。(2) 控制器适用于多种截然不同的对象，其控制品质对被控对

31、象的结构或参数 变化不敏感，算法在结构上具有较强的鲁棒性。 但从另一方面来讲， 控制算法的 简单性和普遍适用性也反映了 PID 控制器在控制品质上的局限性，主要体现在 以下几方面： 納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬。( 1) PID 控制只能确定闭环系统的少数主要零极点，闭环特性从根本上是基于 动态特性的低阶近似假定的。( 2)常规 PID 控制器无法同时满足跟踪设定值和抑制扰动的不同性能要求。( 3) PID 控制比较适用于单输入单输出最小相位系统，对于大时滞、大惯性等 难控对象时，需要通过多个 PID 控制器或与其它控制器组合，才能得到较好的长春理工大学毕业设计控制 .風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙。2.3 仿

32、真分析1、PID 控制以下是在 SIMULINK 中创建的用 PID 算法控制电烤箱温度的仿真模型：图 2-4 电烤箱 PID 控制系统仿真模型Ki0.008，Kd0.001。当给定值为 150 时，仿真结果如图 2-5 所示：图 2-5 PID 控制系统响应曲线在图中的 PID 模块中对三个参数进行设定， 在 Transport Delay 模块中设定滞后时间 30 秒。通过不断调整 PID 三参数，得到最佳仿真曲线， 其中 Kp 2，灭嗳骇諗鋅可见性能指标为：调节时间 ts 约为 750s，超调量 约为 40，稳态误差 ess=0。 2、模糊自整定 PID 控制以下是在 SIMULINK

33、中创建的用模糊自整定 PID 控制算法控制电烤箱温 度的仿真模型：长春理工大学毕业设计图 2-6 电烤箱模糊自整定 PID 控制系统仿真模型 当给定值为 150 时，系统响应曲线如图 2-7 所示：图 2-7 模糊自整定 PID 控制系统响应曲线由图可以看出性能指标： 调节时间 ts约为 300s，超调量 0，稳态误差 ess=0。2.4 本章小结本章通过实验数据， 建立了以电烤箱为对象的数学模型， 分析了 PID 控制、 和模糊自整定 PID 控制的原理及优缺点，确定了模糊自整定 PID 控制为电烤 箱的控制策略。 最后通过对二种控制方案进行仿真研究和分析， 证实了参数模糊 自整定 PID

34、控制策略可实现调节时间短，超调量小，稳态误差小等较理想的性 能指标，作为该温控系统的控制器是可行的。 铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝。9长春理工大学毕业设计第三章 温度测控系统的硬件设计电烤箱是一种具有纯滞后的大惯性系统， 开关烤箱门、环境温度、加热材料 以及电网等都影响控制过程，基于精确数学模型的常规控制难以保证加热要求。 因此电烤箱的温度控制是一项关键性的技术， 本章主要讨论电烤箱温度测控系统 的硬件设计。 攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸。首先介绍了测控系统的总体设计原则和设计方案， 然后具体介绍了系统各部 分外围硬件的设计。图 3-1 系统总体设计框图3.1 温度测控系统的硬件组成系统硬件框图如图 3-2

35、所示，由以下几部分组成： AT89S52 单片机及其最 小系统模块、温度检测模块、键盘模块、 LED 显示模块、输出控制模块等。 趕輾 雏纨颗锊讨跃满賺。图 3-2 系统硬件框图工作原理：电烤箱的温度由热电偶进行采集，经信号放大、冷端补偿、线性 化处理、 A/D 转换后将所检测的温度信号转换成对应的数字量，通过 SPI 串口 送入单片机， 通过单片机软件对数据进行处理， 该温度一方面经 LED 数码显示 器显示， 另一方面与键盘输入的给定值进行比较，计算其偏差， 通过参数模糊自 整定 PID 控制算法进行运算， 运算结果形成以 PWM 形式输出的温度控制信号， 通过过零触发光电耦合器件进行光电

36、耦合隔离后， 通过控制晶闸管的通断来调节 电烤箱平均功率的大小，以达到控制烤箱温度的目的。 夹覡闾辁駁档驀迁锬減。10长春理工大学毕业设计3.3 温度检测电路的设计 温度检测电路是温度测控系统中的重要部分， 承担着检测电烤箱温度并将数 据传输到单片机的任务在温度的采集测量过程中， 热电偶因具有体积小、 使用方 便、测温范围宽、测温精度高、性能稳定、动态响应好、输出直接是电压信号， 便于讯号的远传和记录， 也有利于集中检测和控制等优点而成为工程上应用最广 泛的温度传感器。 K 型热电偶的稳定性较高，可在氧化性和中性介质中长期测 900 度以下温度，其回复性较好，产生热电势较大，线性好，价格便宜，

37、测量精 度较高，是工业中最常用的一种热电偶。经综合考虑 K 型热电偶的测温范围、 测温精度、测温特性及价格，本文设计的智能温度测控系统选择 K 型热电偶作 为温度传感器，实物如图 3-3 所示。 视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝。图 3-3 K 型热电偶实物图K 型热电偶是工业生产中被广泛应用的廉价测温组件，具有结构简单、使 用方便、测量温度范围宽，测量精度高、稳定性好等特点，但将热电偶应用于单 片机系统时，存在以下几个方面的问题： 偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠。（ 1）信号弱：测温时热电偶产生的模拟信号很微弱， 故需要对其进行放大处理。（2）冷端补偿： 热电偶输出的热电势为冷端保持为 0 度时与测量端的电势差值

38、， 而在实际应用中冷端的温度是随着环境温度变化而变化的，故需进行冷端补偿。（3）非线性：热电偶输出热电势与温度之间的关系为非线性关系，因此在应用 时必须进行线性化处理。（ 4）数字化输出：与单片机系统接口要采用数字化输出及数字化接口,而作为模拟小信号测温元件的热电偶显然无法直接满足这个要求 ,需要进行 A/D 转换。 因而，通常将热电偶应用于单片机系统时， 都采用“传感器 滤波器 放大器 冷端补偿 线性化处理 A/D 转换”的模式，该模式具有转换环节多、电路复 杂、抗干扰能力差、精度低、调试困难等缺点。如果能将上述的功能集成到一个 集成电路芯片中，即采用单芯片来完成信号放大、冷端补偿、 线性化

39、及数字化输 出功能，则将大大简化热电偶在单片机领域的应用设计。 緦徑铫膾龋轿级镗挢廟。11长春理工大学毕业设计本文设计中选用了由 Maxim 公司生产的 K 型热电偶专用模数转换器 MAX6675 ，来完成热电偶电势至温度的转换。它是一种高精度的集成芯片，体 积极小，不需要其它任何的外围电路，就能独立完成信号放大、冷端补偿、线性 化、 A/D 转换及 SPI 串口数字化输出功能，可以直接与单片机接口，大大简化 了热电偶测量智能装置原本复杂的软硬件设计， 大大减少了温度控制过程中的不 稳定因素，保证了测温的快速、准确。 騅憑钶銘侥张礫阵轸蔼。1、MAX6675 的特性和引脚功能MAX6675 的

40、性能特点如下：(1) 对 K 型热电偶输出直接进行数字转换；(2) 内部集成有冷端补偿电路；(3) 简单的 SPI 串行口温度值输出；(4) 0 度 1023.75度的测温范围，温度分辨率为 0.25度；(5) 内含热电偶断线检测电路；(6) 高阻抗差动输入，低功耗；MAX6675 采用 SO-8 封装形式，长 6.2mm，宽 5mm，高 1.75mm，引脚功 能如表 3-3 所列。 疠骐錾农剎貯狱颢幗騮。表 3-3 MAX6675 引脚功能引脚名称功能1GND接地端2T-K 型热电偶负极3T+K 型热电偶正极4VCC正电源端5SCK串行时钟输入6CS片选端7S0串行数据输出8NC空脚2、MA

41、X6675 与单片机的通信MAX6675 采用标准的 SPI 串行外设总线与单片机接口，通信过程如下：当 单片机使 MAX6675 的 CS 引脚从低电平变为高电平时， MAX6675 将进行新 的转换；当单片机使 MAX6675 的 CS 引脚从高电平变为低电平时， MAX6675 将停止任何信号的转换 ,同时在 SCK 时钟输入脉冲的作用下，从 SO 端输出串 行转换数据， 一个完整的数据输出过程需要 16 个 SCK 时钟周期，数据的读取 约定在 SCK 的下降沿完成。 MAX6675 的输出数据为 16 位，输出时高位在前。 D15 位是伪标志位，始终为 0；D14D3 是由高位到低位

42、顺序排列的转换温度 值； D2 用于检测热电偶是否断线，当 D2 为 1 时表明热电偶断开； D1 为12长春理工大学毕业设计MAX6675 的标识符，始终为 0； D0 位为三态。 镞锊过润启婭澗骆讕瀘。断开；D1 为 MAX6675 的标识符，始终为 0；D0 位为三态。 MAX6675 的串 行接口时序图如图 3-4 所示。 榿贰轲誊壟该槛鲻垲赛。4、MAX6675 与单片机的接口电路MAX6675 与单片机的接口电路如图 3-5 所示，单片机的 P1.0、P1.1、P1.2 口 分别接到 MAX6675 的 SCK、CS 、SO 端。当 AT89S52 的 P1.1 为低电平且P1.0

43、 产生时钟脉冲时， MAX6675 的 SO 脚输出转换数据，每一个 SCK 的脉 冲信号下降沿 SO 输出一个数据， 16 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， D14D3 为相应的 12 位温度转 换数据，转换值的变化范围是 04095，对应表示实际温度为 0 度1023.75 度， 分辨率为 0.25 度。由于 MAX6675 内部经过了激光修正，因此，其转换结果对 应温度值具有较好的线性关系。温度值与数字量的对应关系为：温度值 =1023.75转换后的数字量 /4095=转换后的数字量 /4。当 P1.1 为高电平时，MAX6675 开

44、始进行新的温度转换。 邁茑赚陉宾呗擷鹪讼凑。图 3-5 MAX6675 与单片机的接口电路为了正确使用 MAX6675 芯片，在进行电路硬件设计时，还应该注意以下几点：(1) MAX6675 的测量精度对电源耦合噪声比较敏感， 设计时需要在 MAX6675 的电源引脚与地线之间接一个 01F 的陶瓷旁路电容， 同时尽量将 MAX6675 布置在远离其他 I/O 芯片的地方，以降低电源噪声的影响。 嵝硖贪塒廩袞悯倉華糲。(2) MAX6675 的 T-端必须接地，并使接地点尽可能接近 GND 脚，否则读出13长春理工大学毕业设计数据为无规律的乱码。 该栎谖碼戆沖巋鳧薩锭。(3) 由于 MAX66

45、75 是通过冷端补偿来校正周围温度变化的。只有当热电偶的 冷端和芯片温度相等时，才可获得最佳的测量精度，所以在进行 PCB 设计时， 要尽量避免在 MAX6675 附近放置易发热元件或器件。同时，要采用大面积接 地技术来降低芯片自热引起的测量误差，提高温度测量精度。 劇妆诨貰攖苹埘呂仑庙。(4) MAX6675 完成温度的放大、滤波、 A/D 转换以及 SIP 输出等一系列过程 要一个最小转换时间， 约 0.170.22 秒，所以一般应使系统的采样周期大于 250 毫秒。 臠龍讹驄桠业變墊罗蘄。(5) 尽量采用大截面积的热电偶导线，长距离传输时，可采用双绞线作为信号 传输线。3.4 AT89S

46、52 单片机及其最小系统 单片机又称微处理器，具有体积小、功耗低、价格低廉、抗干扰能力强且可 靠性高等特点，适用于工业过程控制、 智能仪器仪表和测控系统的前端装置。 本 课题中运用单片机的目的是构成一个具有一定判断、运算、存储、 显示和控制等 功能的智能温度测控仪表， 单片机型号的选择主要从有较强的抗干扰能力和较高 的性价比两方面考虑。 由于 52 系列单片机在我国使用最广， 并且该系列单片机 的资料和能够兼容的外围芯片也比较多，特别是美国 ATMEL 公司 2003 年推 出的新一代 89S 系列单片机， 其典型产品 AT89S52 单片机具有较高的性价比， 因此本系统采用 ATMEL 公司

47、生产的 8位单片机 AT89S52 作为下位机的控制 器。 鰻順褛悦漚縫冁屜鸭骞。AT89S52 单片机具有以下特性：(1)与 MCS-51 单片机产品兼容；(2)8K 字节在系统可编程 FLASH 存储器；(3) 256 字节内部 RAM ；(4) 1000 次擦写周期；(5) 全静态时钟： 0HZ33MHZ ；(6) 三级加密程序存储器；(7) 32 个可编程 I/O 口线；(8) 3 个 16 位定时 /计数器；(9) 8 个中断源；(10) 全双工 UART 串行通道；(11) 双数据指针；(12) 看门狗定时器；(13) 低功耗空闲和掉电模式， 掉电后中断可唤醒； 本系统中 AT89

48、S52 单片机及 其最小系统如图 3-8 所示。为了提高单片机系统的可靠性，在本课题采用专门14长春理工大学毕业设计的监控芯片 MAX813L 。MAX813L 是一个看门狗与电源监控芯片， 在系统加电、 掉电以及供电电压降低情况下的复位输出，复位脉冲宽度典型值为200 ms，高电平有效，复位门限的典型值 4.65V。MAX813L 具有独立的看门狗输出，如果 在 1.6s 内 6 脚没有收到 MCU 的触发信号， 则 8 脚输出一个低电平信号。 另 外 MAX813L 具有电源监控功能，内置 1.25V 门限值检测器，用于电源故障报 警。 穑釓虚绺滟鳗絲懷紓泺。图 3-6 AT89S52 单

49、片机及其最小系统图中 MAX8l3L 的 1 脚与 8 脚相连， 7 脚与单片机的 9 脚 RESET 相连， 6 脚与单片机的 P1.6 脚相连。在软件设计中， P1.6 不断输出脉冲信号， 如果因 某种原因单片机进入死循环， 则 P1.6 无脉冲输出，于是 1.6s 后在 MAX8l3L 的 第 8 脚输出低电平，该低电平加到第 1 脚，使 MAX8l3L 产生复位输出，使 单片机有效复位，摆脱程序“跑飞”或死循环的困境。另外，当电源电压低于复 位门限值 4.65V 时， MAX8l3L 也产生复位输出，使单片机处于复位状态，不 执行任何指令， 直至电源电压恢复正常， 可有效防止单片机因电

50、源电压较低时而 产生的误动作。 隶誆荧鉴獫纲鴣攣駘賽。浹繢腻叢着为了建立一个电源故障预警电路，可以在 4 脚电源故障输入 PFI 上连接一 个电阻分压支路， 该支路连接的监视点通常是未经稳压的直流电源。 通过调节电 阻值，合理地选择分压比，电源正常时，确保 R2 上的电压高于 1.25 V，即保 证 MAX813L 的 PFI 输入端电平高于 1.25 V 。当电源发生故障， PFI 输入端的 电平低于 1.25 V 时，电源故障输出端电平由高变低， 引起单片机中断， CPU 响 应中断，执行相应的中断服务程序，保护数据，断开外部用电电路等。15长春理工大学毕业设计駕骠構砀湊。3.5 人机交互

51、接口电路设计3.5.1 键盘电路键盘接口按不同标准可有不同分类方法， 按键盘排布方式可分为独立方式和 行列方式； 按 CPU 响应方式可分成中断方式和查询方式； 按读入键值的方式可 分为直读方式和扫描方式； 按是否进行硬件编码可分成非编码方式和硬件编码方 式。将以上各种方式组合可构成很多不同的键盘接口方式。 鈀燭罚櫝箋礱颼畢韫粝。本系统设计中采用 44 行列式矩阵键盘接口，其电路如图 3-9 所示，行 线由 P2.0-P2.3 口控制，列线由 P2.4-P2.7 口控制，采用查询扫描的方式进行工 作。键盘有 16 个键，其中有 09 共 10 数字键， 1 个功能键， 1 个确认键， 1 个取

52、消键， 1 个左移键， 1 个右移键和 1 个停机键。在输入温度时先按下功 能键，然后输入相应的数字键， 如果某一位输入有误， 可以通过左移或右移键来 进行个别位修改， 然后按确认键完成输入。 系统在程序初始化时控制键盘行线的 P2.0-P2.3 口输出高电平，控制键盘列线的 P2.3-P2.7 口输出低电平。在判断电 路是否有键按下时，读 P2.0-P2.7 端口值，若值不是 00001111，则说明电路中 有键按下，然后根据程序进行去抖动处理和计算键值。 惬執缉蘿绅颀阳灣熗鍵。3.5.2 显示电路显示电路是实现人机联系的主要途径， 用于显示用户设定的温度、 当前的温 度值、上限温度、下限温

53、度等。 从理论上讲，如果要很明了的显示各种数值的话， 应该加上汉字显示模块， 这样更一目了然， LCD 在这方面占了很多优势， 但 LCD 显示器一般都有 8 根数据线和 5 根控制线，即使是串行的情况下也要占用单片 机的 8 个 I/O 或 6 根线和几个逻辑门，使用 LED 显示器可以很容易的解决 I/O 口的问题，而且 LED 显示方式具有高亮度、 显示醒目、 使用寿命长、方便、 价格低廉等优点，综合考虑设计的几个原则，本设计采用 8 位 LED 显示，分 别用于显示设定温度和实测温度的百、 十、个和小数位，显示的温度可精确到 0.1 度。 贞廈给鏌綞牵鎮獵鎦龐。16长春理工大学毕业设计

54、常用的专用数码管显示驱动芯片有 8279 和 MAX7219 两种，8279 由于近 年停产而很少有人使用； MAX7219 因使用起来方便灵活，连线简单，不占用数 据存储器空间，使用的人越来越多。 LED 驱动方式有多种形式，在采用并行显 示方式时，显示电路的段码与位控码要占用单片机的较多口线，尽管可以采用 8255 等接口芯片进行扩展， 但口线利用率仍较低。 采用串行显示方式只需占用 2 至 3 根口线，节约单片机大量的 I/O 口，为单片机扩展其它的功能提供了方便。 一般要求控制芯片使用简单、功能多样化、多级灰度调节、外围电路精简可靠、 译码与功率驱动于一体。本课题采用一种基于 MAX7

55、219 芯片的 LED 串行显 示技术。 嚌鲭级厨胀鑲铟礦毁蕲。MAX7219 与单片机之间的数据传送最快最有效的方法是串行外设接口 SPI，对不带 SPI 接口能力的单片机，需要软件合成 SPI 操作与 MAX7219 接 口。硬件连接电路如图 3-10 所示，其中 AT89S52 单片机的 P1.3 口作串行数 据输出，连接到 MAX7219 的 DIN 引脚，P1.4 和 P1.5 分别连接时钟脉冲 CLK 和数据加载 LOAD 信号。SEGASEGF 是 7 段驱动输出端，与 LED 对应的 7 个段 a，b，c，d，e，f 和 g 连接， SEGDP 为小数点 dp 驱动输出端。 D

56、IG7 DIG0 分别接 8 个 LED 显示器的共阴极，以实现位选。显示数据串行输入 MAX7219 ，移位存入数据寄存器，片内多路扫描电路顺序扫描，分别选通各字， 被选通字的引脚置为低电平， LED 发光显示数字， 未选通的字引脚保持高电平。 薊镔竖牍熒浹醬籬铃騫。MAX7219 允许一个外部电阻控制显示亮度，外部电阻接于电源输入V+和段电流 Iset 端。源于段驱动器的峰电流，以电流的 100 倍进入 Iset。一般段电 流为 37mA，允许最大段电流为 40mA，由于 LED 有 2.5V 的电压降，则调节 亮度电阻的电压降为 V+VLED=2.5V，七段码全部点亮的总电 流为 7 37mA=259mA，外部调节亮度电阻 Rset 最小值是 2.5V/259mA=9.53K 。齡践砚 语蜗铸转絹攤濼。图 3-8 MAX7219 与 AT89S52 的接口电路17长春理工大学毕业设计在 MAX