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文檔簡介
1、 基于AT89s52單片機的水溫控制系統(tǒng)【引言】 單片機在電子產(chǎn)品中的應用已經(jīng)越來越廣泛,在很多的電子產(chǎn)品中也用到了溫度檢測和溫度控制。隨著溫度控制器應用范圍的日益廣泛和多樣性,各種適用于不同場合的智能溫度控制器應運而生。在科研、生產(chǎn)中,常常需要對某些系統(tǒng)進行溫度的監(jiān)測和控制。需檢測和控制的溫度系統(tǒng)一旦確定,其熱慣性大小和散熱等各項硬件條件就確定了。這時,影響系統(tǒng)熱平衡的因素主要有:系統(tǒng)溫度Realtemp、設定溫度DES的、系統(tǒng)周圍的環(huán)境溫度Ts 以及加熱方式和調(diào)節(jié)方法。下面介紹如何用“單片機模型法”來實現(xiàn)系統(tǒng)溫度的自動控制。用這種方法控溫,使整個系統(tǒng)靈活
2、、可靠性高,系統(tǒng)達到熱平衡較快,而且精度也比較高,融合了前面列舉方法的優(yōu)點,而且更加簡單方便?!皢纹瑱C模型法”是根據(jù)設計需要建立模型曲線,再根據(jù)模型曲線各階段的特點,選擇相應的加熱模式,然后通過軟件設計實現(xiàn)溫度的自動調(diào)節(jié)。 摘 要本設計介紹了如何應用單片機使溫度測控系統(tǒng)中的測量和控制智能化。主要目的是用單片機設計一個溫度控制器通過運用分段變參數(shù)PID控制算法,使得溫度保持在給定的溫度值上。介紹了一種基于AT89S52單片機的溫度測控裝置。該裝置可實現(xiàn)對溫度的測量,并能根據(jù)設定值對環(huán)境溫度進行調(diào)節(jié),實現(xiàn)控溫的目的??刂扑惴ɑ跀?shù)字PID算法。本系統(tǒng)的核心部件是AT89S52單片機。首先建立控溫模
3、型,通過硬件的合理配置及用軟件選擇合適的加熱模式,使控制滿足模型中不同階段的要求。系統(tǒng)的采集模塊采用了18B20溫度傳感器作為測溫組件,而控制模塊則采用AT89S52單片機控制固態(tài)繼電器的導通與截止,從而控制加熱電壓的通與斷,使控制具有靈敏、可靠、抗干擾能力強等優(yōu)點。本文重點闡述了系統(tǒng)的硬件構成、各部分的主要作用及系統(tǒng)軟件的設計過程。本次設計對單片機在溫度控制系統(tǒng)中的基本理論和應用技術作了較為全面的介紹。【關鍵字】單片機、溫度測控、溫度傳感器Abstract The design of the application microcontroller to temperature measure
4、ment and control system of intelligent measurement and control. Main purpose is to use a microcontroller design temperature controller through the use of PID control algorithm, makes temperature in a given temperature values. Introduced a microcontroller-based AT89S52 the temperature measurement and
5、 control devices. The device can achieve the right temperature measurement, and set value based on the environmental temperature regulation, temperature control to achieve the purpose. Control algorithm based on digital PID algorithm. The system is the core component AT89S52 SCM. First established t
6、emperature control model, the rational distribution of hardware and software to choose a suitable heating mode, controlling the model to meet the requirements of different stages. System Acquisition Module 18 B20 used as a temperature sensor temperature components, The control module is used AT89S52
7、 MCU control solid state relay conduction with the deadline, thus control the heating voltage and broken links, so the control is a sensitive, reliable, anti-jamming capabilities, and so on merit. This paper focuses on the hardware configuration of the system, the main part of the role and system so
8、ftware design process. The design of the microcontroller temperature control system of the basic theory and application of techniques were more comprehensive presentation. 【Keywords】:Microcontroller, temperature monitoring, temperature sensors.一、系統(tǒng)方案設計與論證方案一 采用8031作為控制核心,用熱敏電阻采集溫度,以使用最為普
9、遍的器件ADC0809作模數(shù)轉(zhuǎn)換,控制上使用對電阻絲加電使其升溫和開動風扇使其降溫。此方案簡易可行,器件的價格便宜,但8031內(nèi)部沒有程序存儲器,需要擴展,增加了電路的復雜性, 熱敏電阻采集溫度速度和精度都很差。且ADC0809是8位的模數(shù)轉(zhuǎn)換,不能滿足本題目的精度要求。方案二 采用比較流行的AT89S52作為電路的控制核心,使用18B20溫度傳感器作為測溫組件對水溫進行進行監(jiān)控、采樣、反饋給單片機。應用分段變參數(shù)PID算法分析得出控制通斷時間??刂齐娐凡糠植捎每刂乒虘B(tài)繼電器的通斷和風扇以實行對電爐溫度的連續(xù)控制, 18B20溫度傳感器各方面性能上都優(yōu)于熱敏電阻,且18
10、B20是數(shù)字溫度傳感器,不需要A/D轉(zhuǎn)換電路。此方案優(yōu)點是電路簡單并且可以滿足題目中的各項要求的精度 。綜上分析,我們采用方案二。系統(tǒng)設計總體框圖如下:單片機+顯示模塊鍵盤輸入加熱控制加熱裝置數(shù)據(jù)采集傳感器水散熱控制風扇二、硬件電路的設計1. AT89S52單片機系統(tǒng) 選用AT89S52作為主芯片,因為此芯片有8KB的程序存儲器和256字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器不用擴展芯片。以降低硬件電路復雜度。1.1輸入鍵盤設計我們采用的鍵盤是4*4的,其中有0到F,可以在40到90攝氏度之間任意設定值。我們的系統(tǒng)要求第一次輸入的值要在4到9之間。當小于4或大于9時系統(tǒng)不處理。等待輸入正確的值。當系統(tǒng)得到正
11、確的輸入值時鍵盤鎖定。隨后的輸入系統(tǒng)必須復位。鍵盤是用AT89S52的P0口來控制的。1.2輸出顯示設計顯示是應用LED來顯示的,通過ATF1508來設計編碼。其實質(zhì)就是為了程序在一定的條件下更加的合理與簡潔。在單片機AT89S52與ATF1508通信是應用到AT89S52的P2。LED的前四位為實時采樣回來的溫度。后三位為哦們想要的目標溫度。1.3與上位機的串口通信 為了實時的對溫度的變化更加直觀的顯示我們還用上位機的串口通信 用計算機來打印數(shù)據(jù)。2.傳感器和測溫電路的設計本次設計師采用18B20來對溫度進行采樣的,溫度傳感器示意圖 18B20是全數(shù)字的,其分辨率達到0.0625攝氏度。并且
12、它的外圍電路十分簡單。工作效率高。在工作的范圍(-55125)攝氏度之間都可以很好的工作。 3.電爐功率控制 采用對電爐兩端的電壓進行通斷的方法,用單片機產(chǎn)生PWM波以實現(xiàn)對水加熱功率進行控制,不同的占空比對應不同的功率,具體控制中占空比的實時值是根據(jù)模糊控制規(guī)則來自動調(diào)節(jié)。(1) 弱電控制強電:用固態(tài)繼電器 電路圖如下(2) PWM波:4.降溫控制:4.1風扇的控制:風扇是用來降溫的,他的工作原理也是應用繼電器來控制的。在一定的溫度范圍內(nèi)。風扇開始工作。電路圖如下: 4.2冰水混合物 應用冰水混合物進行溫度標定,標定為0攝氏度 。三、軟件的設計 1、工作原理以及設計思路本智能溫度控制系統(tǒng)是通
13、過控制加熱電源的通斷來控制溫度和改變加熱升溫速度。加熱過程需要考慮的因素主要有:被加熱對象的熱容量的大小、系統(tǒng)向外界擴散熱量的多少以及系統(tǒng)熱擴散的速度??焖偕郎貢r間t應由t1和t2兩部分組成,即 tt1t2 其中:t1為為了補償系統(tǒng)向環(huán)境散熱而需要加熱的時間;t2為系統(tǒng)(實際)溫度與設定(目標)溫度有差額時需加熱的時間。 在溫度調(diào)節(jié)階段,降溫和升溫過程交替出現(xiàn),程序通過圖1中的分界點Tr、T1、T2來調(diào)節(jié)溫度的升降,最終使系統(tǒng)達到相對穩(wěn)定進入恒溫保持階段。根據(jù)模型曲線不同階
14、段的要求,可以通過PID軟件自動控制它的加熱模式。對一個任務而言,溫度加熱、調(diào)節(jié)及恒溫保持階段軟件設計流程圖。本系統(tǒng)是個多步智能溫度控制器,它可以完成預先設置的若干個任務,即每個步驟的溫度值及恒溫需要保持的時間。每步都重復的程序流程。2、模型曲線及控溫參量的確定2.1) 模型曲線的建立 圖為控溫模型曲線。圖中T為系統(tǒng)溫度,Ta為設定溫度。控溫過程共分為三個階段:快速加熱、溫度調(diào)節(jié)和恒溫保持。其中第一階段只有簡單的快速升溫過程,而其余階段均由升溫和降溫過程即溫度調(diào)節(jié)過程組成。根據(jù)設計需要針對各階段要求如下:在快速加熱階段即在達到點Tr之前,加熱速度要快,使系統(tǒng)
15、溫度T以盡量短的時間達到設定溫度Ta。當T達到設定溫度Ta時即停止加熱,在停止加熱后由于熱慣性,T將繼續(xù)升高,使得T會超過Ta而達到最大值A點。在溫度調(diào)節(jié)階段,以T1、T2點為分界點降溫與升溫過程重復出現(xiàn)。進入恒溫保持階段,要求系統(tǒng)溫度T能穩(wěn)定在設定溫度Ta的附近,并保持夠設定的時間直到系統(tǒng)進入到下一個設定的任務為止。曲線上A、B、C為極大值點,D、E、F為極小值點;它們的絕對值隨時間增加都在逐漸減小,進入恒溫保持階段后在允許誤差范圍內(nèi)趨于穩(wěn)定。2)模型曲線控制參量的確定 模型曲線中的控制參量是在反復多次的實驗的基礎上最終確定下來的。圖中的Ta是每個任務預設
16、的溫度值,Tr和T2點是系統(tǒng)停止加熱的起始點,而T1點則是系統(tǒng)開始加熱的起始點。T1T1Ta2、 T2T2Ta2是系統(tǒng)加熱和調(diào)節(jié)過程中的兩個門坎值,而Tr是系統(tǒng)的一個重要的分界點,具體說明如下: 在快速加熱的過程中,當系統(tǒng)溫度第一次達到預置的某個階段的設定溫度即達到Tr點時,系統(tǒng)就立即停止加熱,之后系統(tǒng)由于熱慣性會繼續(xù)升溫到最大值A點,而后開始降溫;在降溫過程中,T到達T1點即TTa2時,系統(tǒng)開始預加熱,即緩沖系統(tǒng)溫度持續(xù)下降的幅度;在升溫過程中,當達到T2點即TTa2時,停止加熱,即防止由于熱慣性導致溫度的極大值過大。由此可見Tr、T1及T2點的溫度值是軟
17、件設計中需要參考的重要參量。3)系統(tǒng)的控溫算法主要有兩個部分組成:1. 分段變參數(shù)控制算法溫度控制子程序,采用分段變參數(shù)控制算法,隨溫度自適應控制占空比來控制電爐的功率,使溫度穩(wěn)定在目標溫度范圍內(nèi)。 分段變參數(shù)控制算法分段變參數(shù)控制算法是用來控制快速升溫階段與溫度調(diào)節(jié)階段的。在這個階段我們采用分段變參數(shù)控制算法使得溫度的升高速度更快。更快的進入我們的預期值。在溫度調(diào)節(jié)階段我們采取分段變參數(shù)控制算法與PID算法共同使用。最終使得溫度在一定的范圍內(nèi)穩(wěn)定下來.分段變參數(shù)控制算法程序設計流程圖:2. PID算法PID算法的應用與實現(xiàn)實際溫度值(RealTemp)和18B20熱敏電阻的測量值在整個溫度采
18、樣區(qū)間內(nèi)基本呈線性變化,因此在程序中不需要對測量數(shù)據(jù)進行線性校正。AT89S52的T1定時器中斷作為控制中斷,溫度采樣過程和控制輸出過程采用了互鎖結(jié)構,即在進行溫度采樣,溫度值處理和運算等過程時T1不定時,待采樣全過程進行完時再啟動T1定時并同時屏蔽采樣中斷。T1定時開始就進入控制過程,在整個控制過程中都不采樣,直到200(T1×C) 定時時間到,要開始新一輪的控制周期。在啟動采樣的同時屏蔽T1中斷。如圖為T1定時中斷流程圖。堆棧保護M+M+1開始M=0?N=0?輸出控制信號置低重新送入C值重裝處值T1定時返回重設置M=200屏蔽T1中斷輸出控制信號置高YN &
19、#160; 圖中,M代表定時器控制周期計數(shù)值,N則表示由調(diào)節(jié)器計算出的控制量。首先判斷控制周期TC是否己經(jīng)結(jié)束。若控制周期TC已結(jié)束(即M=0),則屏蔽T1定時器中斷,進行新一輪溫度采樣;若控制周期TC還未結(jié)束M0 ,則開始判斷導通時間是否結(jié)束。若導通時間己結(jié)束(即N=0),則置輸出控制信號為低,并重新賦常數(shù)C值,啟動定時器定時,同時退出中斷服務程序;若導通時間還未結(jié)束(即N 0 ),則置輸出控制信號為高,控制執(zhí)行其間繼續(xù)導通,重新賦常數(shù)C值,啟動定時器定時,同時退出中斷服務程序。數(shù)字PID:控制算法采用數(shù)字PID 控制,數(shù)字PID 算法表達式如下所示: 其中,KP 為比例系數(shù);KI=KPT/TI 為積分系數(shù);T 為采樣周期,TI 為積分時間系數(shù);KD=KPTD/T 為微分系數(shù),TD 為微分時間系數(shù)。u(k) 為調(diào)節(jié)器第k次輸出, e(k) 為第k 次給定與反饋偏差。 對于PID 調(diào)節(jié)器,當偏差值輸出較大時,輸出值會很大,可能導致系統(tǒng)不穩(wěn)定,所以在實際中,需要對調(diào)節(jié)器的輸出限
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