单片机温度控制系统毕业设计

1、、八 、亠前言微机控制技术、 传感器在工业控制、 机电一体化、 智能仪表、 通信、家用电器等方面得到了广泛使用，显著提高了各种设备的 技术水平和自动化程度。因此对这些原理和结构我们就需要很好 的了解并掌握。本设计是关于温度控制系统的设计，在整个设计过程中即用 到单片机、传感器、微控技术，也用到了控制系统中的知识，可 以说是我们所学知识的大综合。本设计重点介绍了系统的硬件部分， 即有关常用芯片的介绍， 如 MCS98、8155、 DAC0832 等等。软件介绍了数字调节器的 设计、 PID 参数的整定、 PID 算法程序清单、以及相关的程序； 最后介绍了系统特性的测量和识别。本设计在指导老师和同

2、学的指导帮助以及本人的努力下 完成了。但由于本人水平有限，设计中尚有不妥之处，恳请批评 指正。编者2010 年 5 月一、任务二、工艺要求三、本系统的性能指标四、系统组成和基本工作原理五、硬件设计六、调试步骤和方法七、调试结果及分析八、对象特性的测量和识别九、设计总结镀锌薄板锌槽温度自动调节 系统设计一、任务： 用单片机自动控制为镀锌薄板锌槽设计一个温 度自动调节系统。二、工艺要求：1系统应具有良好的操作性能，为了满足用户使 用方便和操作人员维修， 系统控制的开关要少 2通用性好，便于扩充。3系统可靠性要高。三、本系统的性能指标：控制容量： 20KW温度设定：键盘温度显示：4位LED数码管显示

3、误差： ±5°C控制温度： 400°C控制过程：设定(1min)对炉内测温、控温四、系统组成和基本工作原理：1. 确定系统总体控制方案。A. 初步选定系统用闭环控制，且采用单闭环控制 因为所带负载是阻性元件，其线性度比较好，温度变化 不太高，但对控制精度有一定的要求。B. 执行机构采用三相电热丝，其发热量随电流的 变化而变化，我们采用控制电流的变化来控制温度的变 化。C. 计算机部分起巡回检测、闭环调节和计算推理 的作用。2. 系统的结构框图：mi)五、硬件设计:1、 MCS-9823456789101112131415161718192021222324PXD/

4、P2.1RESETnrD/P2.oETINT/P2.2HSI.0VpdHSI.1VrefjHSI.2/HSO.4ANGNDHSI.3/HSO.5ACH4/P0.4HSO.OACH5/P0.5ACH7/P0.7HSO.2ACH6/P0.6HSO.3EA廿罪 MCS-98 vccv'PP48 PINVssPWM/P2.5STALlWRDIP XTAL2忖CALE/AFVREADYRDA.D15/P4.7AD0/P3r0D14/P4.6AD1/P3.1AD13/P4.5AD2/P3.2Q 卽 P4.4AD3/P3.3AD11/P4.3AD4/P3.4A.D10/P4.2AD5/P3.5A.D

5、3/P4,1AD6/P3.6D8/P4.0AD7/P3.747464544434241403938373635343332313029282726258098是MCS-96系列单片机的一个子系列，它的外部数据总 线为8位，内部CPU保持16位结构。这类单片机通常称为准16 位单片机，类似于8088微处理器。8098具有16位单片机的基本 功能，而价格接近8位机。8098单片机引脚功能：Vcc主电源（+5V）Vpd片内RAM备用电源（大于3.6）Vref片内A/D转换器参考电压（+5V）ANGNDA/D转换器的模拟地Vpp片内EPROM编程电压XTAL1片内振荡器反相输入端XTAL2片内振荡器反

6、相输出端复位信号输入端豆存储器选择输入端，豆=1, CPU寻址是2000H3FFFH时，访问片内 EPROM;広=0，访问片 外存储器。此引脚内部有下拉作用，若无外部驱 动，则它总是保持低电平。口 地址锁存允许（ALE ）或地址有效输出（厂T）信 号，它们由SCR寄存器选择。两者都提供了一个锁 存信号，以便把地址从地址/数据总线上分离出来。 当选择功能，在总线周期结束时，此引脚变高。'可作为外部存储器的片选信号。一 JD：仅在外 部存储器访问期间才有效。丽对外部存储器读信号对外部存储器写信号READY准备就绪信号（输出）。用来延长对外部存储器的访问周期，以便芯片能够和慢速存储器或动态存

7、储器接 口；它也可用于总线共享，总线周期最多能延长1 uS。HSI HSI.0, HSI.1, HSI.2, HSI.3共四个输入引脚都是高 速输入部件的输入端，其中HIS.2, HIS.3和HSO部 件共用。HSO HSO.0, HSO.1, HSO.2, HSO.3, HSO.4, HSO.5 共 六个引脚都是高速输出部件的输出端，其中HS0.4,HSO.5于HIS部件共用。P0 口 ACH4 , ACH5 , ACH6 , ACH7是四位高阻抗输入口， 这些引脚既可以用作A/D转换器的输入口，也可以 用作数字信号输入口。P2 口 RXD/P2.1 , TXD/P2.0既可作串行接口，也可

8、作 I/O接口。PWM/P2.3既可用作脉宽调制控制器的输出口， 亦可用作电平信号输出口，以及EXTINT/P2.2等4位端口是多功能口。P3 口和P4 口具有漏极开路输出8位双向口，这些引脚是复用信号线，既用作地址总线，又用作数据总线， 它们的内部具有很强的上拉作用。2、铂热电阻:铂热电阻是电阻体采用铂金属的一种电阻，广泛用作稳定温 度系数的电阻以及温度传感器，它和一般的金属一样，具有正的 温度系数。铂热电阻的端子有不同的联结方式，如图（1）既2线式，3 线式和4线式。铂热电阻虽是一种阻值随温度改变的温度传感器， 但实际上使用时要把引线电阻记算在内，既和铂热电阻本身阻值 相加。因此2线式适用

9、于传感器在印制板上，既测量回路和传感 器不太远情况下的接线方式。测量铂热电阻的阻值大致有二种方 法即恒压法和恒流法。恒压法就是加在铂热电阻两端电压保持恒 定，测量电流变化的方法；恒流法就是流经铂热电阻的电流保持 恒定，测量其两端电压的方法。铂热电阻的不同接线方式（a） 2接线（b） 3接线（c） 4接线若有恒压源（标准电池），恒压法的电路就非常简单，另外, 组成桥就可进行温漂补偿，因此，这种方法被广泛使用。但电流 和铂热电阻的阻值变化成反比，用于很宽的温测范围，进行线性 时要特别注意。对于恒流法，电流和铂热电阻的阻值变化成正比，而铂热电 阻两端的电压变化，因此，线性化简便，但要获得准确的恒流源

10、 时电路比较复杂。图（2）是2线式的铂热电阻接线图，它是一种检测温度的电 路。在电路中，RT采用100欧的铂热电阻，RT和R1串接到恒 压源（+12V），RT中流经约0.1mA的电流。这种接法属于恒压 法，但实际选用的R1阻值比RT高很多，因此RT阻值变化引起 的测量电流变化不大，获得近似恒流的线性输出。当功率晶体管温度低于430° C时，A1的同相输出端电位（由 RP1, R2和R3分压确定）低于反相输入端，A1端输出高电平；温 度高于430° C时，则RT阻值增大到1236欧（10° C时为100欧）。 A1的反相输入端电位高于同相输入端，A1输出变为低，从而

11、控制 有关电路进行温度调节。R4- 2J2M*3、模拟量输入电路1） 81550/MTIMER INCEWALE樹RD云RESETPAj Ph<i=>PBtPB(jU APC7PCq<=>TIMER OUTMVrHrSV)%判)(a)内部电路的逻辑结构- -&EO12S45 黑一跺AL鶯ADAD囂ADAD%PC3PC4PC2TIMER INPCIRES£TTPCOPCSPB7TIMER OUTPB6PB5PB4PB3PB2PB1PBOPA7PA6PA5PA4PA3PA2 PAJPAO81554 Qi393837%辽第10292&_茄25 一対2

12、251-(b)引脚图(a)中8155共有三个基本组成部分，第一部分为可编程 I/O 接口，共有三个口，其中二个口( A 口和B 口)为8位口，一个 口( C 口)为6位口；第二部分为256B的RAM第三部分为记数 纟吉构的定时/计算器。主要接口信号：ADAD地址数据复用线ALE地址锁存信号，它除进行 ADAD的地址锁存控制夕卜，还用于片选信号CE和八1等信号锁存控制酉读选通信号:叮写选通信号CE片选信号-爲匸I/O和RAM选择信号，这是一个特殊信号，因为8155内部的I/O接口和RAM是分开编址的，因此要求用控 制信号进行分区。I讣二对RAM进行读写，小二二对RAM4行读写，：-对I/O 口进

13、行读写RESET复位信号，81A、B C 口均为输55以600ns的正脉冲进行复位，复位后入方式4. 模拟量输出电路a）引脚功能D 0 D7痕和XFERV ref数字量数据输入线，ILE为数据锁存允许信号，高 电平有效；CS为输入寄存器选择信号，低电平有 效。输入寄存器的“写”选通信号，负脉冲有效，当'、ILE=1、一 ：时，D的数据被锁存至输入器；为数据转移控制信号线，低电平有效其准电压输入线RFb反馈信号输入线，芯片内已有反馈电阻I OUT和I OUT2 电流输出线，I OUT"1和I OUT2的和为常数，I OUT随DAC寄存器的内容线性变化VCC工作电源，DGN为数字

14、地，AGN为模拟信号地，由于D/A转换芯片输入是数字量，输出为模拟量， 模拟信电源和数字信号的干扰而引起波动DACD832WR1XferWR2CSILEmsbD7DI 6VrefDI 5DI4Rfb013DI2lout2ToutlDll hbDIO13J5Td £19b）光电耦合输出电路如下图：工作状况：（单片机输出引脚为低电平）a. 光电耦合器的发光二极管承受正向电压，导通，有电流流过， 发光b. 光电耦合器的光敏三极管受到光照，进入导通状态，其集电极 处于零电位c. 继电器线圈得电，闭和，接通外部电路当单片机引脚为高电平时，工作情况a. 光电耦合器的发光二极管承受反向电压，截止，

15、无电流流过， 不发光b. 光电耦合的光敏二极管末受到光照，进入截止状态，其集电极处于高电位c. 线电器线圈失电，断开外部电路5、PW喋成电路同相輪人OSCttdlCtRt9G1525b)15 Uccl14輸出II13 Ucc2T1HS(a)SG1525是一种16脚的双列直插式IC电路，其外形管脚布置及管 脚名称示图1 (b),其内部原理结构框图如图1 (a)所示。内部 由基准电压调整器URe、振荡器OSC误差放大器EA比较器DC 及PW锁存器、触发器FF、欠电压锁定器、输出级、软起动及关 闭电路等组成。(1) 输入电压UCC和基准电压调整器 Uef输入电压UCci可以在 835V范围变化，通常

16、可用+15V。URef是一个标准的三 端稳压器，有温度补偿，精度可达 5.1V+/-1%。它既可 供片内使用，也可由16脚为芯片外围电路提供标准电 源，输出电流可达40mA有过电流保护功能。(2) 振荡器OSC由一个双门限比较器、一个恒流电源及电容充放电电路（6脚和5脚分别对地接上一个电阻RT和 电容G, 5脚和7脚间接电阻R）构成，G恒流充电， 产生一锯齿波电压，锯齿波的峰点电平为3.3V，谷点电平为0.9V，锯齿波的上升边对应CT充电，充电时间 ti （参见图2）决定了 FTG;锯齿波下降边对应CT放电, 放电时间t2决定于RG。锯齿波的频率由下式决定：f=1/(t1+t2)=1/CT(0

17、.67RT+1.3RD)由于双门限比较器门限电平由基准电压分压取得，并且CT充电的恒流源对电压及温度变化的稳定性好，故 UCci在835V范围变化 时，锯齿波的频率稳定度可达1%当温度在-55+125 C范围内 变化时，其频率稳定度为 3%。振荡器对应于锯齿波下降边输出一 时钟信号(CP脉冲)，其宽度为t2,故调节RD即可调节CP脉冲宽 度。这个CP脉冲决定于两个输出口 I、 U输出脉冲之间最小的时 间间隔，既死区td。所以调节RD就可调节死区td, Rb越大，死区 t d 越大。振荡器还设有外同步输入端 3 脚。在 3 脚加直流或高于 振荡器频率的 脉冲信号，可实现对振荡器的外同步。(3)

18、误差放大器EA其直流开环增益为70dB,同相输入端 接基准电压或其分压值，反馈电压信号接反相输入端。根据系统动态、 静态特性的要求， 可在 9脚和 1 脚之间 接入适当的反馈电路网络，如比例积分电路等。(4) 比较器DC和PW锁存器，误差放大器输出电压U加至 比较器DC反相端，振荡器输出的锯齿波电压 U+加于同 相端，比较器DC输出一 PW信号，该PW信号经锁存 器(RS寄存器)锁存，以保证在锯齿波的一个周期内 只输出一个PWI脉冲信号。比较器DC的反相输入端还 设有软起动及关闭PWI信号的电路。在8脚和地之间接 一数微法电容， 即可在起动时使输出端的脉冲由窄逐步 变宽，实现软起动功能。在 1

19、0脚可加各种故障保护信号，如过电流、过电压、 短路、接地等故障信号， 故障信号输入时使内部晶体管 导通，从而封锁输出。(5) 触发器FF每输入一个CP脉冲则Q和Q翻转一次。所 以，FF的输出是一个方波信号，其频率为锯齿波频率的 1/2 。此( 6) 方波信号加至输出级两组门电路的输入端 B。(7)欠电压锁定器 当电源电压UCcW 7V时，欠电压锁定 器输出一高电平，加至输出级门电路的输入端 A,同时 也加到关闭电路的输入端，以封锁输出。( 8) 级 两组输出结构相同，每一组上侧为“或非”门下侧为“或”门。有A、B、C、D四个输入端，D端 输入PWM脉冲信号，B端输入触发器输出的Q (或Q) 信

20、号，C端输入CP脉冲，A端输入欠电压锁定信号，设 输出信号为 P和P；贝U P=A+B+C+DP =A+B+C+D P和 P分别驱动输出级上、下两个晶体管 V V2 (Vb、V4)， 两个晶体管组成图腾柱结构， 使输出级既可向负载提供 电流，又可吸收负载电流。SG1525各点波形如图2所示，比较器反相输入端U的电平 越高，则输出脉冲U】、U的占空比越大；反之，则越小。因此， 改变U的电平，就可以调节占空比a，从而调节PWM变换器输出 直流平均电压Ud。图2h中表示的输出口 I、U并联使用的波形， 其频率和锯齿波频率相同。输出脉冲 U】、Un的下降沿则对应电压 U于锯齿波电压U上升边的交点，因次

21、，即使 U的电平上升到和 锯齿波峰点电平相等，Ui、Un两脉冲也不可能连到一起，它们之 间存在一个宽度等于CP脉冲宽的“死区”。这样，在输出端口 I、 n并联使用情况下，占空比a的值也不可能等于 1。6. 键盘和显示电路(1) 4X 4键盘工作原理27yz/z/yVY4Y3Y2Y1由图可见：16个键分两部分，十个数字键09;六个命令键AF。对安键的识别由软件来完成。用两个并行 I/O接口电路， 采用步进行扫描法。CPU每次通过接口对某一行Xi输出扫描信号0,列线Yj的状态来确定键闭合的位置。列线 Y接+5v/无安键时， 行X和列丫线断开，列线丫1丫4呈现高电平。当某一按键闭合 时，该键所在行、

22、列线短接。若该行线输出为 0,则该列线电平 被拉成0（其余3根列线仍为1），此时CPU可判断出按键闭合所 在行、列及键号。若扫描从第一行有效开始，则CPU输出X4X3X2X1=1110,以 下类推：第二行为X4X3X2X1=1101，第三行为1011,行为0111。 设：4号键按下闭合，代表4号键闭合的特征信号为：列信号：X4X3X2X1=0111,第四列有效。行信号：X4X3X2X1=1011，第三行有效。为了便于CPU处理。将行、列信号拼装成一个字节，然后求 反得到4号键对应的“特征字”，也叫键值。即：列线丫行线XCPU操作时，先输出行有效信号，再输入列信号，经过拼装、 求反得到键值，由于

23、这种对应是唯一的，所以可用来识别键盘上 所有的键，根据上述关系可求出其他键值如下：键盘 上的 字符0123456789ABCDEF键值81H82H42H22H84H44H24H88H48H28H18H14H12H11H21H41HCPU在得到键值后，用一个软件计数器通过键值表，很容易判断 按键闭合号码。不同的接线方式，得到键值可能不同，但键号和 键值的对应关系是唯一的。（2）LED动态显示方式所谓动态显示就是用扫描方式轮流点亮LED显示器的各个位。特点：将多个7段LED显示器同名端的段选线复接在一起，只用一个8位I/O控制各个LED显示器的公共阴极轮流接地， 逐一扫描点亮，使每位LED显示该位

24、应当显示的字符。恰当地选 择点亮LED的时间间隔（1ms5ms）,会个人一种视觉暂停效应， 似乎多位LED都在“同时”显示。在图中，控制每个LED显示位轮流接地点亮的代码称为“位选码”。由I/O （2） 口输出8位代码控制。特点是，每次输 出只有一位是0 （点亮），其余7位均为1 （熄灭），因为每一位 LED都有一个唯一的8位“位选码”。按图从左向右轮流显示 8 位LED的位选码为严 7FH f BFHf DFH fEFHfF7Hf FBIFDHf FEIt-i循环用8031右移循环指令可实现:MOVA，#7FHLOOP: MOVXDPTR，ARRALCALLDELAYLJMPLOOP;点亮左

25、1LED的选码;从I/O （2） 口输出位选码;右移一位，指向下一个LED 位;调延时3ms子程序;返回显示下一位LED动态显示的操作由软件完成。每次由I/O（ 1） 口输出段 选码、再由I/O（2）口输出位选码，经过延时，以获得稳定的显 示效果。以上述分析的显示原理可知，为了显示数字和字母，最终需要转换成相应的段选码。这种转换可以通过译码器或软件译 码完成。六、调试步骤和方法（一）、单元的调试1.铂电阻及其信号放大电路的调试*按照“铂电阻及其信号放大线路图”接线;*利用电阻箱代表铂电阻R;*调放大倍数Ki。适当调整R1的值，分别测试放大器在空载和带负载时的特性曲 线。空载时Rto=1OO.O

26、OQ （OoC时的铂电阻值）U出"0伏Rt=197.76 Q （256oC时的铂电阻值）U出"5伏带负载时，见表3-2。表3-2R/Q100110120130140150160170180190200U/V0.02-0.46-0.96-1.47-1.96-2.46-2.96-3.45-3.93-4.41-4.892模拟量输入电路的调试*按照图1-6接好线；*改变输入信号（铂电阻放大信号），用逻辑学习机上的发光二机 管测量输出的数字量。使模拟/数字量的转换如下：模拟量/V012345数字量00：32：6193CAFF3. 模拟量输出电路的调试*按照图3-9接好线。注意DAC-

27、0832的电源电压为+5伏，K1, K2放大器的电源电压为土 15伏。*输入的数字量可以由逻辑学习机上的开关信号提供，也可由计算机提供。*调整放大器亏得 W值，使其输入输出关系如表3-3:表3-3数宇凱输入00OF'IF'2F3F4F-5兀6F'7F圍瞳的输出小讪0.47'0.82,L1.5211.83-2.1811492.85数宇童的输入8F '9F'AFBF-CFDFEFFF-模僱的输出八11213.423.69-'4.05-4.28灿4.95,4314. 驱动器的调试5. 按图3-10接好线。按下列顺序分别调好死区补偿电路、PWM

28、和SSR电路。*死区补偿电路：在输入端（M点）加上一个可调的直流电压（0 S 5伏），改变电位器 W1和W2的阻值，使死区补偿电路输出端（0点）电压为1s3.5伏。W2用来改变输出电压的斜率， Wi用 来改变输出电压（0点）的起始值。*PWM电路：在SG3524N的输入端（管脚2）加上一个可调的直 流电压（0s5伏），用示波器观察PWM的输出端（3524管脚11） 的波形，看其波形是否是一串方波，且方波的占空比是否随输入 电压大小改变而改变（输入电压在1Vs3.5伏时）。当输入电压小 于1V时，输出端为零电平。当输入电压大于 3.5V时，输出为一 高电平。调整电位器 W3的数值，可以改变脉冲的

29、工作频率。*SSR电路：在受控端加交流电源（通过负载），在输入端（图3-10P 点）加一个5V直流电压，用示波器观察负载电阻上是否有电压 降，或者用交流电流表串接在负载中，观察是否有电流流过，且 其电流值是否符合欧姆定律。然后把输入端电压降到零电平，用 同样的方法观察负载电阻上的波形，此时应当没有电压降。*把三个电路按照图3-10连接好。在输入端（M点）加上一个Os5V的直流电压，观察负载电阻上 的波形（或电流值）是否随输入电压而相应变化。二、程序的调试（程序已略）根据所编的程序，先用单步键分别调好主程序和各个子程序。用十进制电阻箱代替铂电阻并改变 Rt的数值，模拟炉温的变化情 况,使PID

30、（或PD）控制算法的输出值和温度值的关系（稳定时） 大致有表3-4的关系表 3-4P1001201231 -'J130，131132133134T/TC00324&4A4D-50525558PvdFEFEFEFT)EDDEC4B5Rt/O31%137138-139140-141142T/125A5D60存玉6568(5A(5DABgpSC7D726359注：上表中的T，Pk为十六进制从上述数据中可以看出： 当温度值T由0 -48H时，输出值一直为PE，既为自由生温 段。 当温度值T由48- 4AH时，既为自由生温段进入PID调节时， 输出值PK开始变小，随着T的逐渐增加，PK值

31、逐渐减小，也没 有出现突变的现象。 在保温值附近（T=64H ）输出值PK和M值的大小相当。（三）系统的调试在单元和程序调试的基础上，根据系统原理图及接线图（图3-7） 连接各单元，组成电阻炉炉温控制系统，使系统的性能指标达到 工艺要求。七、调试结果及分析如按正常情况本系统经过一段时间的运行是可以满足工艺提出的 各项指标的要求。现将实际运行过程中一组炉温变化曲线列表如下（表3-5）:结果分析：从调试过程和结果来看，所得结果虽然满足了工艺的各项要求， 但为了调试的方便和进一步改善品质指标，建议从以下几个方面 着手。 进入PD调节的温度值Ta点（见图3-22）的选择要合适，当T 小时，Ta值宜选择

32、小一些，当T值增大时Ta值宜选大些。本例 中Ta点选在70%80%To （保温值）。Ta太小，将会使过度时间 增加。Ta太大将会使温度的超调量增加，震荡次数增多，当然也 会使过度过程时间增加。 M值的选择是根据平时生产或实验估计而得来的，但也要选择 适当，太大或太小会增加系统的静态误差。太大了，其误差将是 正的（既温度的实际值总是大于给定值），太小了，其误差将是一 个负值。/'TOTa7/0t(3 22) KP选择大了，容易使输出溢出，使温度值产生震荡，增加过 度时间和静态误差，严重时使系统难以正常工作；太小了虽然减 少了超调量，但却增加了过渡过程时间。 Kd的选择，对于带纯滞后的一阶

33、惯性环节来说， 可以改善系统 的指标，且选择偏大些为好。 为了改善系统的性能指标还可以采用其他的方法；如选用10位10位以上的A/D转换芯片；引入积分环节；或选用如图3-22的方法，既在进入PID之前，把温度值经 过恒速生温过程，以减少超调量。时间/ min温度时间/rnin温 K/T：01 37 010651 4? 51 0 41 02 28 010 11 53 28 51 01 0-2 04 59 09 92 55 39 59 93 06 81 0 09 33 57 71 0 59 94 06 61 1 09 94 59 81 2 010 05 01 0 41 3 010 15 51 o a1 4 010 0e o1 0 91 5 01 0 16 51 0 71 6 01 0 0表（35）八、对象特性的测量和识别1) 加热炉的模型可以近似为一阶惯性环节加纯滞后环节，其开环 传函为G( s)= Kde T s/TS+1加热炉的模型参数为Kd=1.16放大系数=温度变送器*功率放大器*晶闸管调压器*电阻炉比例系数Td=680s 时间常数t =30s 滞