水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要 水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)在工業(yè)及日常生活中應(yīng)用廣泛，在生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用。實(shí)現(xiàn)水溫控制的方法很多，如單片機(jī)控制、PLC 控制等等。而其中用單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)的水溫控制系統(tǒng)，具有可靠性高、價(jià)格低、簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)等多種優(yōu)點(diǎn)。單片機(jī)用于工業(yè)控制是近年來發(fā)展非常迅速的領(lǐng)域，現(xiàn)在許多自動(dòng)化的生產(chǎn)車間里，都是靠單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。溫度是工業(yè)控制對(duì)象主要被控參數(shù)之一，在溫度控制中，由于受到溫度被控對(duì)象特性（如慣性大、滯后大、非線性等）的影響，使得控制性能很難提高，有些工藝過程其溫度控制的好壞直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量，因此設(shè)計(jì)一種較為理想的溫度控制系統(tǒng)是非常有價(jià)值的。為了實(shí)現(xiàn)高精度的水溫測(cè)量和控制，本文介

2、紹了一種以 Atmel 公司的低功耗高性能CMOS 8 位單片機(jī)為核心，以 PID 算法控制以及 PID 參數(shù)整定相結(jié)合的方法來實(shí)現(xiàn)的水溫控制系統(tǒng)，其硬件電路包括溫度采集、溫度控制、溫度顯示、鍵盤輸入以及 RS232 接口等電路。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測(cè)量，并能根據(jù)設(shè)定值對(duì)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)控溫的目的。關(guān)鍵詞：AT89S52；溫度控制；PT1000；PIDDesign of Temperature Automatic Control SystemABSTRACTThe temperature is one of the mainly charged parameters which are in

3、dustrial control targets. It is difficult to enhance the control performance due to the characteristics of the temperature charged object. Such as inertia, hysteresis and non-linear, etcIts temperature control process will have a direct impact on the quality of the product in some technological proc

4、ess. Therefore it is absolute valuable to design a ideal temperature control system.In order to realize the high accuracy survey and control of water temperature. Systematic core is AT89S52, which is a low-power loss, high-performance 8-bit MCU of Atmel Company. The system unifies PID control algori

5、thm and PID parameter tuning to control the water temperature. Its hardware circuit also includes temperature gathering, temperature control and temperature display, keyboard input and RS232 interfaces. The system can realize to survey the water temperature, and it can adjust the temperature accordi

6、ng to the setting value.Keywords：AT89S52; temperature control; PT1000; PID河北大學(xué)工商學(xué)院 2012 屆本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）目 錄1 引言.11.1 課題背景 .11.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 .11.3 研究方法 .12 系統(tǒng)方案.22.1 水溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)和要求 .22.2 水溫控制系統(tǒng) .22.2.1 方案選擇 .22.2.2 溫度控制系統(tǒng)算法分析 .43 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì).93.1 總體設(shè)計(jì)框圖及說明 .93.2 外部電路設(shè)計(jì) .93.2.1 溫度采集電路 .93.2.2 溫度控制電路 .113.3 單片機(jī)系統(tǒng)電路設(shè)

7、計(jì) .113.3.1 A/D 轉(zhuǎn)換電路.113.3.2 串口通訊部分電路 .143.3.3 數(shù)碼顯示電路 .164 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).174.1 程序框架結(jié)構(gòu) .17河北大學(xué)工商學(xué)院 2012 屆本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）4.2 程序流程圖及部分程序 .174.2.1 主程序模塊 .174.2.2 系統(tǒng)初始化 .194.2.3 按鍵程序 .194.2.4 A/D 采樣數(shù)據(jù)處理.214.2.5 PID 計(jì)算.244.2.6 繼電器控制 .255 系統(tǒng)安裝調(diào)試與測(cè)試.275.1 串口調(diào)試 .275.2 繼電器測(cè)試 .275.3 溫度采集與測(cè)試 .276 結(jié)論.28參考文獻(xiàn).29致 謝.30河北大學(xué)工商學(xué)院

8、 2012 屆本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）11 引言1.1 課題背景溫度控制是無論是從工業(yè)生產(chǎn)過程中，還是在日常生活中都起著至關(guān)重要的作用，過低的溫度或者過高的溫度都會(huì)使水資源失去應(yīng)用的作用，從而造成水資源的巨大浪費(fèi)。特別是在當(dāng)前全球水資源極度匱乏的情況下，我們就更應(yīng)該掌握好對(duì)水溫的控制，在環(huán)境惡劣或溫度較高等場(chǎng)合下，為了保證生產(chǎn)過程正常安全地進(jìn)行，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量，及減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、節(jié)約能源，要求對(duì)加熱爐爐溫進(jìn)行測(cè)示、顯示、控制，使之達(dá)到工藝標(biāo)準(zhǔn)，以單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)的水溫控制系統(tǒng)，可以同時(shí)采集多個(gè)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過通訊口送至上位機(jī)進(jìn)行顯示和控制。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前，國(guó)外溫度控制系統(tǒng)

9、及儀表正朝著高精度智能化、小型化等方面快速發(fā)展。 溫度控制系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用雖然已經(jīng)十分廣泛，但從國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的溫度控制器來講，總體發(fā)展水平仍然不高，同國(guó)外的日本、美國(guó)、德國(guó)等先進(jìn)國(guó)家相比，仍然有著較大的差距。目前，我國(guó)在這方面總體技術(shù)水平處于 20 世紀(jì) 80 年代中后期水平。成熟產(chǎn)品主要以“點(diǎn)位”控制及常規(guī)的 PID 控制器為主，它只能適應(yīng)一般溫度系統(tǒng)控制，難于控制滯后復(fù)雜時(shí)變溫度系統(tǒng)控制，而且適應(yīng)于較高控制場(chǎng)合的智能化、自適應(yīng)控制儀表國(guó)內(nèi)技術(shù)還不十分成熟，形成商品化并廣泛應(yīng)用的控制儀表較少?，F(xiàn)在，我國(guó)在溫度等控制儀表業(yè)與國(guó)外還有著一定的差距。隨著嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)的快速發(fā)展及其在各個(gè)領(lǐng)

10、域的廣泛應(yīng)用，人們對(duì)電子產(chǎn)品的小型化和智能化要求越來越高，作為高新技術(shù)之一的單片機(jī)以其體積小、價(jià)格低、可靠性高、適用范圍大以及本身的指令系統(tǒng)等諸多優(yōu)勢(shì)，在各個(gè)領(lǐng)域、各個(gè)行業(yè)都得到了廣泛應(yīng)用。1.3 研究方法本文主要介紹單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，其中涉及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、元器件的選取和控制算法的選擇、程序的調(diào)試和系統(tǒng)參數(shù)的整定。以 AT89S52 為 CPU，溫度信號(hào)由Pt1000 和電壓放大電路提供。電壓放大電路用超低溫漂移高精度運(yùn)算放大器 OP07 將溫度-電壓信號(hào)進(jìn)行放大，用單片機(jī)控制 SSR 固態(tài)繼電器的通斷時(shí)間以控制水溫，系統(tǒng)控制對(duì)象為 1 升凈水，容器為搪瓷器皿。水溫可以在環(huán)境溫度降

11、低時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，以保持設(shè)定的溫度基本不變，具有較好的快速性與較小的超調(diào)。河北大學(xué)工商學(xué)院 2012 屆本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）22 系統(tǒng)方案2.1 水溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)和要求該系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)：設(shè)計(jì)一個(gè)水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)，控制對(duì)象為 1 升凈水，容器為搪瓷器皿。水溫可以在一定范圍內(nèi)由人工設(shè)定，并能在環(huán)境溫度降低時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整，以保持設(shè)定的溫度基本不變。系統(tǒng)設(shè)計(jì)具體要求為：溫度設(shè)定范圍為 4090；環(huán)境溫度降低時(shí)溫度控制的靜態(tài)誤差1；采用適當(dāng)?shù)目刂品椒ǎ?dāng)設(shè)定溫度突變（由 40提高到 60）時(shí)，減小系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量；用十進(jìn)制數(shù)碼管顯示水的實(shí)際溫度。2.2 水溫控制系統(tǒng)水溫控制系統(tǒng)是一個(gè)過程控制系

12、統(tǒng)，組成框圖如圖 2-1 所示，由控制器、執(zhí)行器、被控對(duì)象及反饋?zhàn)饔玫臏y(cè)量變送組成。圖 2-1 控制系統(tǒng)框圖除了以上的組成元件以外，還需要選擇合適的算法以實(shí)現(xiàn)所要求的控制精度，以下我會(huì)對(duì)關(guān)鍵的元件以及電路的確定進(jìn)行詳細(xì)的分析。因?yàn)榉桨高x取的好壞將直接影響著整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果的優(yōu)劣。2.2.1 方案選擇方案一：采用 8031 作為控制器，使用最為普遍的器件 ADC0804 作模數(shù)轉(zhuǎn)換，控制上使用對(duì)電阻絲加電使其升溫和開動(dòng)風(fēng)扇使其降溫。此方案簡(jiǎn)易可行，器件的價(jià)格便宜，但 8031 內(nèi)部沒有程序存儲(chǔ)器，需要擴(kuò)展，增加了電路的復(fù)雜性。方案二：此方案采用 89S52 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，此單片機(jī)軟件編程自由度大，

13、可用編程實(shí)河北大學(xué)工商學(xué)院 2012 屆本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）3現(xiàn)各種控制算法和邏輯控制?？刂齐娐凡糠植捎?SSR 固態(tài)繼電器控制電爐絲的通斷此方案電路簡(jiǎn)單并且可以滿足題目中的各項(xiàng)要求的精度。將兩個(gè)方案相比較后可得出一個(gè)結(jié)論，采用 Atmel 單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)本題目，無論是從結(jié)構(gòu)上，還是從工作量上都有很大的優(yōu)勢(shì)，所以我最后選擇使用 AT89S52 作為該控制系統(tǒng)的核心。根據(jù)水的溫度變化慢，并且控制精度不易掌握的特點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了以 AT89S52單片機(jī)為檢測(cè)控制中心的水箱溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)，總體框圖如圖 2-2 所示。 圖 2-2 控制器設(shè)計(jì)總體框圖溫度控制采用改進(jìn)的 PID 數(shù)字控制算法，數(shù)碼顯示采

14、用 3 位 LED 靜態(tài)顯示。該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制算法新穎，控制精度高,有較強(qiáng)的通用性。 圖 2-3 為整個(gè)水溫控制系統(tǒng)的原理圖，分別由測(cè)溫電路，繼電器控制電路，串口通訊電路，LED 顯示電路等部分組成。河北大學(xué)工商學(xué)院 2012 屆本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）4圖 2-3 水溫控制電路原理圖2.2.2 溫度控制系統(tǒng)算法分析系統(tǒng)算法控制采用工業(yè)上常用的位置型 PID 數(shù)字控制，并且結(jié)合特定的系統(tǒng)加以算法的改進(jìn)，形成了變速積分 PID積分分離 PID 控制相結(jié)合的自動(dòng)識(shí)別的控制算法。該方法不僅大大減小了超調(diào)量，且有效地克服了積分飽和的影響，使控制精度大為提高。長(zhǎng)期以來國(guó)內(nèi)外科技工作者對(duì)溫度控制器進(jìn)行了

15、廣泛深入的研究，研究了大批溫度控制器，如性能成熟應(yīng)用廣泛的 PID 調(diào)節(jié)器、智能控制 PID 調(diào)節(jié)器、自適應(yīng)控制等。此處主要對(duì)一些控制器特性進(jìn)行分析以便選擇適合的控制方法應(yīng)用于改造。常用的控制算法有以下幾種： 1.經(jīng)典的比例積分微分控制算法； 2.根據(jù)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)化理論得到的自適應(yīng)控制和最優(yōu)控制方法；3.根據(jù)模糊集合理論得到模糊控制算法。自適應(yīng)控制、最優(yōu)控制方法以及模糊控制算法是建立在精確的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上的，在實(shí)時(shí)過程控制中，由于控制對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型難于建立，系統(tǒng)參數(shù)經(jīng)常發(fā)生變化，運(yùn)用控制理論進(jìn)行綜合分析要花很大代價(jià)。同時(shí)由于所得到的數(shù)學(xué)模型過于復(fù)雜難于實(shí)現(xiàn)。在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中要求信號(hào)的控制信

16、號(hào)的給出要及時(shí)，所以在目前的過程控制系統(tǒng)中較少采用自適應(yīng)控制、最優(yōu)控制方法和模糊控制算法。目前在過程控制中應(yīng)用較多的河北大學(xué)工商學(xué)院 2012 屆本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）5還是 PI 控制算法、PD 控制算法和 PID 控制算法。水溫控制系統(tǒng)的控制對(duì)象具有熱儲(chǔ)存能力大，慣性較大的特點(diǎn)，水在容器內(nèi)的流動(dòng)或熱量傳遞都存在一定的阻力，因此可以歸于具有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)。對(duì)于大慣性系統(tǒng)的過渡過程控制，一般可采用以下幾種控制方案：1.開關(guān)量控制 這種方法通過比較給定值與被控參數(shù)的偏差來控制輸出的狀態(tài)，開通或關(guān)斷，因此控制過程十分簡(jiǎn)單，也容易實(shí)現(xiàn)；但由于輸出控制量只有兩種狀態(tài)，使被控參數(shù)在兩個(gè)方向上變化的

17、速率均為最大，因此容易引起反饋回路振蕩，控制精度不高；這種控制方案一般在大慣性系統(tǒng)對(duì)控制精度和動(dòng)態(tài)特性要求不高的情況下采用。如圖 2-4 所示。 tyty圖 2-4 開關(guān)量控制2.比例控制(P 控制) 比例控制的輸出與偏差成比例關(guān)系，當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，抗干擾能力強(qiáng)，過渡過程時(shí)間短，但過程終了存在余差；適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、允許被控量在一定范圍內(nèi)變化的系統(tǒng)。如圖 2-3 所示。3.比例積分控制(PI 控制) 控制器的輸出與偏差的積分成比例，積分的作用使過渡過程結(jié)束時(shí)無余差，但降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性；PI 控制適用于滯后較小，負(fù)荷變化不大，被控量不允許有余差的控制系統(tǒng)。如圖 2-4 所示。

18、4.比例積分加微分控制(PID 控制) 微分的作用使控制器的輸出與偏差變化的速度成比例，它對(duì)克服對(duì)象的容量滯后有顯著的效果；在比例基礎(chǔ)上加入微分作用，使穩(wěn)定性提高，再加上積分作用，可以消除余差；PID 控制適用于負(fù)荷變化大、容量滯后較大、控制品質(zhì)要求又很高的控制系統(tǒng)。如圖 2-5 所示。河北大學(xué)工商學(xué)院 2012 屆本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）6 tyty圖 2-5 PID 控制結(jié)合本設(shè)計(jì)任務(wù)與要求，由于水溫系統(tǒng)的傳遞函數(shù)事先難以精確獲得，因而很難判斷哪一種控制方法能夠滿足系統(tǒng)對(duì)控制品質(zhì)的要求；但從以上對(duì)控制方法的分析來看，PID 控制方法最適合本例采用：一方面，由于可以采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)控制過程，無論

19、哪一種控制方法都不會(huì)增加系統(tǒng)硬件成本，而只需對(duì)軟件作相應(yīng)改變即可實(shí)現(xiàn)不同的控制方案；另一方面，采用 PID 的控制方式可以最大限度地滿足系統(tǒng)對(duì)諸如控制精度、調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量等控制品質(zhì)的要求。由圖 2-6 可知 PID 調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，這種調(diào)節(jié)器是將設(shè)定值 w 與實(shí)際輸出值 y 進(jìn)行比較構(gòu)成偏差 (2-1)ywe并將其比例、積分、微分通過線性組合構(gòu)成控制量。其動(dòng)態(tài)方程為： (2-2) dttdeKdtteKteKtudip)()()()(其中-為調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)pK-為積分時(shí)間常數(shù)iK-為微分時(shí)間常數(shù)dKPID 調(diào)節(jié)器的離散化表達(dá)式為； (2-3)1()()()()(kekeTKkT

20、eKkeKkudip其增量表達(dá)形式為：)1()()(kukuku (2-4) )2() 1(2)(/)()1()(kekekeTKkTeKkekeKdip河北大學(xué)工商學(xué)院 2012 屆本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）7其中 T 為采樣周期。圖 2-6 模擬 PID 控制溫度 PID 調(diào)節(jié)器有三個(gè)可設(shè)定參數(shù)，即比例放大系數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)、微分時(shí)pKiK間常數(shù)。dK比例調(diào)節(jié)的作用是使調(diào)節(jié)過程趨于穩(wěn)定，但會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差；積分作用可消除被調(diào)量的穩(wěn)態(tài)誤差，但可能會(huì)使系統(tǒng)振蕩甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定；微分作用能有效的減小動(dòng)態(tài)偏差。圖 2-7 中，初始水溫為 26。實(shí)現(xiàn)思想：Ui(k)為第 k 次采樣溫度值，Ur 為設(shè)定值。

21、e(k) 使用 PD 算法；e(k) 使用變速積分 PID 算法。圖 2-7 溫度控制曲線圖河北大學(xué)工商學(xué)院 2012 屆本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）8該控制系統(tǒng)是把輸出量檢測(cè)出來，經(jīng)過物理量的轉(zhuǎn)換，再反饋到輸入端去與給定量進(jìn)行比較（綜合） ，并利用控制器形成的控制信號(hào)通過執(zhí)行機(jī)構(gòu) SSR 對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制，抑制內(nèi)部或外部擾動(dòng)對(duì)輸出量的影響，減小輸出量的誤差，達(dá)到控制目的。自動(dòng)控制框圖如圖 2-8 所示，在此控制系統(tǒng)中單片機(jī)就相當(dāng)于常規(guī)控制系統(tǒng)中的運(yùn)算器控制器，它對(duì)過程變量的實(shí)測(cè)值和設(shè)定位之間的誤差信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算然后給出控制信息。單片機(jī)的運(yùn)算規(guī)則稱為控制法則或控制算法。圖 2-8 自動(dòng)控制框圖河北大

22、學(xué)工商學(xué)院 2012 屆本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）93 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 總體設(shè)計(jì)框圖及說明本系統(tǒng)是一個(gè)簡(jiǎn)單的單回路控制系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)測(cè)量和控制，根據(jù)系統(tǒng)總體方案，系統(tǒng)由單片機(jī)基本系統(tǒng)、前向通道、后向通道和人機(jī)對(duì)話通道等 4 個(gè)主要功能模塊組成。單片機(jī)是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，AT89S52 可以提供系統(tǒng)控制所需的 I/O 口、中斷、定時(shí)及存放中間結(jié)果的 RAM 電路；前向通道是信息采集的通道，主要由傳感器、信號(hào)放大、A/D 轉(zhuǎn)換等電路組成；由于水溫變化是一個(gè)相對(duì)緩慢的過程，因此前向通道中沒有使用采樣保持電路；信號(hào)的濾波可由軟件實(shí)現(xiàn)，并可以簡(jiǎn)化硬件、降低硬件成本。鍵盤設(shè)定：用于溫度設(shè)定，共

23、三個(gè)按鍵。數(shù)據(jù)采樣：將由傳感器及相關(guān)電路采集到的溫度轉(zhuǎn)為電壓信號(hào)，經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后，送入 AT89S52 相應(yīng)接口中，換算成溫度值，用于控制和顯示。數(shù)據(jù)顯示：采用了共陰極數(shù)碼管 LED 進(jìn)行顯示設(shè)置溫度與測(cè)量溫度。串行口傳輸：將采樣溫度值，上傳至 PC 機(jī)，可利用 PC 機(jī)的端口下載程序。繼電器/熱電管：通過三極管控制繼電器的開關(guān)來完成對(duì)熱電爐的功率控制。圖 3-1 系統(tǒng)框圖3.2 外部電路設(shè)計(jì)3.2.1 溫度采集電路本系統(tǒng)運(yùn)放采用高精度單片運(yùn)算放大器 OP07，此運(yùn)放具有很低的輸入失調(diào)電壓和漂移。OP07 的優(yōu)良特性使它特別適合作前級(jí)放大器，放大微弱信號(hào)。使用 OP07 一般不用考慮調(diào)零和

24、頻率問題就可以滿足要求。河北大學(xué)工商學(xué)院 2012 屆本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）10主要特點(diǎn)：低輸入失調(diào)電壓：75uV(最大)低失調(diào)電壓溫漂：1.3uV/(最大)低失調(diào)電壓時(shí)漂：1.5uV/月(最大)低噪聲：0.6uV P-P(最大)寬輸入電壓范圍：14V 寬電源電壓范圍：3V18V溫度采集采用的溫度傳感器鉑電阻 Pt1000,對(duì)于溫度的精密測(cè)量而言,溫度測(cè)量部分是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一步。溫度傳感器的選擇是這塊電路的關(guān)鍵，它是直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能與效果的關(guān)鍵因素。這里采用的是精密級(jí)鉑電阻溫度傳感器 Pt1000，它的金屬鉑含量達(dá) 99. 9999%，因?yàn)殂K電阻的物理和化學(xué)性能在高溫和氧化介質(zhì)中都很

25、穩(wěn)定、價(jià)格又便宜，常作為工業(yè)測(cè)量元件，以鉑電阻溫度計(jì)作基準(zhǔn)器線性好，溫度系數(shù)分散性小，在 0100 攝氏度時(shí)，最大非線性偏差小于 0.5 攝氏度，性能穩(wěn)定，廣泛應(yīng)用于精密溫度測(cè)量和標(biāo)定。鉑熱電阻與溫度關(guān)系式： (3-1)1 (20BtAtRRt其中：-溫度為 t 攝氏度時(shí)的電阻； -溫度為 0 攝氏度時(shí)的電阻；tR0RA、B-溫度系數(shù) A=3.94*102/；其中 B=-/；）（ 710*84. 5T-任意溫度。河北大學(xué)工商學(xué)院 2012 屆本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）11圖 3-2 測(cè)溫電路3.2.2 溫度控制電路此部分時(shí)通過控制繼電器的通斷從而控制電加熱管（俗稱“熱得快” ） ，采用對(duì)加在電熱管

26、兩端的電壓進(jìn)行通斷的方式進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)水加熱功率的調(diào)整，從而達(dá)到對(duì)水溫控制的目的，即在閉環(huán)控制系統(tǒng)中對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。此部分的繼電器采用的是 SSR 繼電器，即固態(tài)繼電器。其工作原理為：固態(tài)繼電器是一種無觸點(diǎn)電子開關(guān)，主要由輸入（控制）電路，驅(qū)動(dòng)電路和輸出（負(fù)載）電路三部分組成。固態(tài)繼電器的輸入電路是為輸入控制信號(hào)提供一個(gè)回路，使之成為固態(tài)繼電器的觸發(fā)信號(hào)源。固態(tài)繼電器的輸入電路多數(shù)為直流輸入，個(gè)別的為交流輸入。固態(tài)繼電器的輸出電路是在觸發(fā)信號(hào)的控制下，實(shí)現(xiàn)對(duì)固態(tài)繼電器的通斷切換。輸出電路主要由輸出器件（芯片）和起瞬態(tài)抑制作用的吸收回路組成，固態(tài)繼電器是一種全電子電路組合元件，它依靠半導(dǎo)

27、體器件和電子元件的電、磁和光特性來完成隔離和繼電切換功能。固態(tài)繼電器與傳統(tǒng)的電磁繼電器相比，是一種沒有機(jī)械、不含運(yùn)動(dòng)零部件的繼電器，但具有與電磁繼電器本質(zhì)上相同的功能。圖 3-3 加熱棒控制電路3.3 單片機(jī)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)3.3.1 A/D 轉(zhuǎn)換電路ADC0804 引腳及使用說明：ADC0804 是 CMOS 集成工藝制成的逐次比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器芯片。ADC0804 分辨率為 8位，轉(zhuǎn)換時(shí)間為 100s，輸出電壓范圍為 05V，在增加某些外部電路后，輸入模擬電壓可為5V。該芯片內(nèi)有輸出數(shù)據(jù)鎖存器，當(dāng)與計(jì)算機(jī)連接時(shí)，轉(zhuǎn)換電路的輸出可以直河北大學(xué)工商學(xué)院 2012 屆本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）12接

28、連接到 CPU 的數(shù)據(jù)總線上，而不再需要附加邏輯接口電路。1234567891011121314151617181920CSRDWRCLKININTRAGNDDGNDVCLKRDDDDDDDDIN+IN-REF/2VVVCC01234567ADC0804100s輸出高阻CSRDWRINTR讀數(shù)數(shù)據(jù)圖 3-4 ADC0804 引腳圖 圖 3-5 ADC0804 控制信號(hào)的時(shí)序圖ADC0804 引腳名稱及意義如下：VIN+、VIN：ADC0804 的兩模擬信號(hào)輸入端，用以接收單極性、雙極性和差模輸入信號(hào)。D7D0：A/D 轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)輸出端，該輸出端具有三態(tài)特性，能與微機(jī)總線相連接。AGND：模擬信

29、號(hào)地。DGND：數(shù)字信號(hào)地。CLKIN：外電路提供時(shí)鐘脈沖輸入端。CLKR：內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器外接電阻端，與 CLKIN 端配合，可由芯片自身產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖，其頻率為 1/1.1RC。CS：片選信號(hào)輸入端，低電平有效，一旦 CS 有效，就表明 A/D 轉(zhuǎn)換器被選中，可啟動(dòng)工作。WR：寫信號(hào)輸入，接受微機(jī)系統(tǒng)或其他數(shù)字系統(tǒng)控制芯片的啟動(dòng)輸入端，低電平有效，當(dāng) CS、WR 同時(shí)為低電平時(shí)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。RD：讀信號(hào)輸入，低電平有效，當(dāng) CS、RD 同為低電平時(shí)，可讀取轉(zhuǎn)換輸出數(shù)據(jù)。INTR：轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出信號(hào)，低電平有效。輸出低電平表示本次轉(zhuǎn)換已經(jīng)完成。該信號(hào)經(jīng)常作為向微機(jī)系統(tǒng)發(fā)出的中斷請(qǐng)求信號(hào)。在使用時(shí)我們

30、應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：（1）轉(zhuǎn)換時(shí)序ADC0804 控制信號(hào)的時(shí)序圖如圖 3-5 所示，由圖所示，各控制信號(hào)時(shí)序關(guān)系為：當(dāng)CS 與 WR 同為低電平時(shí)，A/D 轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)，且在 WR 上升沿后 100S 模數(shù)轉(zhuǎn)換完成，轉(zhuǎn)換結(jié)果存入數(shù)據(jù)鎖存器，同時(shí) INTR 自動(dòng)變?yōu)榈碗娖?，表示本次轉(zhuǎn)換結(jié)束。如果 CS、RD 同時(shí)為低電平，則數(shù)據(jù)鎖存器三態(tài)門打開，數(shù)據(jù)信號(hào)送出，而 RD 高電平到來后三態(tài)門處于河北大學(xué)工商學(xué)院 2012 屆本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）13高阻狀態(tài)。（2）參考電壓的調(diào)節(jié)在使用 A/D 轉(zhuǎn)換器時(shí)，為保證轉(zhuǎn)換精度，要求輸入電壓滿量程使用。如輸入電壓動(dòng)態(tài)范圍較小，則可調(diào)節(jié)參考電壓 VREF，以確保小

31、信號(hào)輸入時(shí) ADC0804 芯片 8 位的轉(zhuǎn)換精度。（3）接地模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路中要特別注意到地線的正確連接，否則將會(huì)產(chǎn)生干擾，以致影響轉(zhuǎn)換結(jié)果準(zhǔn)確性。A/D、D/A 及取樣保持芯片上都提供了獨(dú)立的模擬地（AGND）和數(shù)字地（DGND） 。在線路設(shè)計(jì)中，一定要將所有器件的模擬地和數(shù)字地分別進(jìn)行相連，然后將模擬地與數(shù)字地僅在一點(diǎn)上相連接。地線的正確連接方法如圖 3-6 所示。圖 3-6 正確的地線連接系統(tǒng)由微處理器、存儲(chǔ)器和 A/D 轉(zhuǎn)換器組成，它們之間通過數(shù)據(jù)總線（DBUS）和控制總線（CBUS）連接，系統(tǒng)信號(hào)采用總線傳送方式。采集數(shù)據(jù)時(shí)，首先微處理器執(zhí)行一條傳送指令，在指令執(zhí)行過程中，微處理

32、器在控制總線的同時(shí)產(chǎn)生 CS1、WR1 低電平信號(hào)，A/D 轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)開始工作，ADC0804 經(jīng) 100S后將輸入模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并存于輸出鎖存器，在 INTR 端產(chǎn)生低電平表示轉(zhuǎn)換結(jié)束，并通知微處理器可來取數(shù)。當(dāng)微處理器通過總線查詢到 INTR 為低電平時(shí)，立即執(zhí)行輸入指令，以產(chǎn)生 CS、RD2 低電平信號(hào)到 ADC0804 相應(yīng)引腳，將數(shù)據(jù)取出并存入存儲(chǔ)器中。整個(gè)數(shù)據(jù)采集過程中，微處理器有序地將執(zhí)行若干指令完成。AD0804 的連接圖如圖3-7 所示河北大學(xué)工商學(xué)院 2012 屆本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）14圖 3-7 AD0804 連接圖3.3.2 串口通訊部分電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求控制系

33、統(tǒng)能同 PC 聯(lián)機(jī)通信，以利用 PC 圖形處理能力打印顯示溫度曲線以及下載程序。由于 AT89S52 串行口電平和 PC 不一致，AT89S52 的 I/O 為 TTL 電平，PC 串行口為 RS232 電平利用單片機(jī)片內(nèi)串行口外加邏輯電平轉(zhuǎn)換電路組成 RS-232C 標(biāo)準(zhǔn)接口以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)相互通道的擴(kuò)展，邏輯電平轉(zhuǎn)換電路采用了一片專用芯片 MAX232，外加少量電容即可完成 TTL 到 RS-232 或 RS-232 到 TTL 的邏輯電平轉(zhuǎn)換。表 3-1 RS-232C 引腳型號(hào)定義名稱信號(hào)方功能25 芯腳9 芯腳FRD保護(hù)地1TXD輸出發(fā)送數(shù)據(jù)23RXD輸入接收數(shù)據(jù)32RTS輸出請(qǐng)求對(duì)方發(fā)送

34、數(shù)據(jù)47CTS輸入可向?qū)Ψ桨l(fā)送數(shù)據(jù)58DSR輸入對(duì)方已經(jīng)準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)66GND信號(hào)地75DCD輸入對(duì)方已收到載波81DTR輸出通知對(duì)方，本方可以接受數(shù)據(jù)204RJ輸出對(duì)方送來的振鈴指示信號(hào)229河北大學(xué)工商學(xué)院 2012 屆本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）15圖 3-8 串口通訊電路UART 模塊提供了一個(gè)全雙工標(biāo)準(zhǔn)通信口，用于完成 AT89S52 與外設(shè)之間的串行通信。根據(jù) RS-232 的標(biāo)準(zhǔn)，AT89S52 單片機(jī)是按照字節(jié)傳輸數(shù)據(jù)的。圖 3-9 單片機(jī)連接電路單片機(jī)上的 P25 口接 S1，P26 口接 S2，P27 口接 S3。S1：設(shè)置溫度的十位數(shù)：09S2：設(shè)置溫度的個(gè)位數(shù)：09S3：工

35、作模式選擇鍵，兩種工作模式為：正常工作狀態(tài)、溫度重新設(shè)置。系統(tǒng)上電后，數(shù)碼管全部顯示為零，根據(jù)按 S1 次數(shù)，十位的數(shù)碼管順序增加。同樣河北大學(xué)工商學(xué)院 2012 屆本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）16S2，也如此。按 S3 后，系統(tǒng)開始測(cè)溫，并與采集的溫度進(jìn)行比較，通過軟件來控制電爐的開關(guān)。3.3.3 數(shù)碼顯示電路數(shù)碼管作為單片機(jī)系統(tǒng)中最常用的輸出器件，在顯示時(shí)可以由數(shù)字和少量字母組合完成輸出功能的系統(tǒng)中應(yīng)用十分方便。圖 3-10 為一個(gè)四位共陰數(shù)碼管，DIG0、DIG1、DIG2、DIG3 分別與單片機(jī)的 P21、P22、P23、P24 相連，每一個(gè)都擁有一個(gè)共陰級(jí)的位選端。從而可以通過單片機(jī)選通所

36、需顯示的數(shù)碼管。SegA-SegDp 口傳輸要顯示的數(shù)據(jù)，利用其串/并轉(zhuǎn)換功能，送入數(shù)碼管顯示。在此外接了一個(gè) 10K 的電阻來保護(hù)LED。圖 3-10 數(shù)碼管顯示電路河北大學(xué)工商學(xué)院 2012 屆本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）174 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1 程序框架結(jié)構(gòu)整體的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是由各個(gè)在系統(tǒng)里起著不同作用的模塊整合在一起，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能。本系統(tǒng)硬件接口如下：P1-AD；P00P07-LEDaLEDdp.；P25P27-S1S3；P20P23-COM1COM3；系統(tǒng)包括主控制程序，A/D 采樣數(shù)據(jù)處理程序，PID 算法程序，LED 顯示及按鍵處理程序。結(jié)構(gòu)框架圖如圖 4-1 所示。圖

37、 4-1 程序結(jié)構(gòu)圖主程序模塊負(fù)責(zé)對(duì)子程序模塊的調(diào)用進(jìn)行管理，它主要負(fù)責(zé)初始化 IO 口；等待鍵盤的被按下，并調(diào)用相應(yīng)的模塊進(jìn)行處理；在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候接受 A/D 采樣的數(shù)據(jù)，并與所設(shè)定的值進(jìn)行比較，然后通過調(diào)用 PID 算法處理數(shù)據(jù)，處理后而控制繼電器的通斷，從而控制熱電管達(dá)到水溫控制的目的。河北大學(xué)工商學(xué)院 2012 屆本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）184.2 程序流程圖及部分程序4.2.1 主程序模塊由于模塊化程序的設(shè)計(jì)，通過調(diào)用程序即可實(shí)現(xiàn)所用功能，主程序流程圖如圖 4-2所示。圖 4-2 主程序流程圖主程序如下：int main(void) int KeyValue; status = temp

38、erature_set; System_Initial();PID_Initial();/PID 初始化while(1)河北大學(xué)工商學(xué)院 2012 屆本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）19 KeyValue = GetCh(); /鍵盤掃描、去抖動(dòng)處理、取鍵值 key_value_process(KeyValue); /鍵值處理 if(status = temperature_control) display_AD_temperature(); /測(cè)量溫度顯示、PID 計(jì)算 if(Out0 x0255) K = 0.079; /確定溫度系數(shù) else K = 0.076; fT = adc_data *

39、K; /換算成溫度值/將溫度值轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制用于 LED 顯示guiLED_Value0 = (int)fT/10; guiLED_Value1 = (int)fT%10; guiLED_Value2 = (int)(fT*10)%10;stPID.Proportion = 1; / 設(shè)置 PID 比例值stPID.Integral = 0.5; / 設(shè)置 PID 積分值stPID.Derivative = 0.0; / 設(shè)置 PID 微分值Out = 100*PIDCalc ( &stPID,(int)(fT*10) ); / PID 計(jì)算 圖 4-5 是數(shù)據(jù)采樣中斷服務(wù)程序的流程圖，此中斷程

40、序采用的是 2Hz 中斷定時(shí) 0.5秒鐘采樣一次。河北大學(xué)工商學(xué)院 2012 屆本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）23圖 4-5 數(shù)據(jù)采樣的中斷程序流程圖int adc_data_cmp() int max; int min; int Sum; int i; max = ADC_DataSave0; for(i=0;imax) max = ADC_DataSavei; /取出最大值 min = ADC_DataSavei; for(i=0;i10;i+) if(ADC_DataSaveimin) min = ADC_DataSavei; /取出最小值 for(i=0;iSetPoint*10 - Next

41、Point; / 偏差 pp-SumError += Error; / 積分 dError = pp-LastError - pp-PrevError; / 當(dāng)前微分 pp-PrevError = pp-LastError;河北大學(xué)工商學(xué)院 2012 屆本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）25 pp-LastError = Error; return (pp-Proportion * Error / 比例項(xiàng) + pp-Integral * pp-SumError / 積分項(xiàng) + pp-Derivative * dError / 微分項(xiàng) );4.2.6 繼電器控制繼電器是和 AT89S52 單片機(jī)的 P25

42、口相連，它的開斷完全取決于 P25 口的輸出，即PID 計(jì)算的結(jié)果。當(dāng)輸出小于零說明設(shè)定值小于實(shí)際輸出值，這就是要關(guān)閉電爐，同時(shí)關(guān)閉定時(shí)器的計(jì)時(shí)。當(dāng)輸出值大于設(shè)定值 2 攝氏度時(shí)，我們就可以開電爐對(duì)水開始加熱。如果設(shè)定值與實(shí)際輸出值差值在 2 攝氏度以內(nèi)時(shí)，我們就調(diào)用中斷程序定時(shí)加熱。圖 4-6 是控制程序的中斷服務(wù)程序，用來對(duì)繼電器定時(shí)加熱。它利用中斷定時(shí)器10ms 確定加熱時(shí)間，當(dāng)加熱時(shí)間未到時(shí)，繼續(xù)時(shí)間累積，若加熱時(shí)間到時(shí)，就調(diào)用關(guān)定時(shí)器子程序，從而停止計(jì)時(shí)。圖 4-6 控制程序中斷程序流程圖void active()if(Out30*stPID.Proportion) /溫度低于設(shè)定值

43、 2 攝氏度 turn_on_relay(); /開電爐加熱 else turn_on_relay（）;SP_INT_TIMEB（） ; /初始化定時(shí)器，開始定時(shí)加熱 河北大學(xué)工商學(xué)院 2012 屆本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）275 系統(tǒng)安裝調(diào)試與測(cè)試5.1 串口調(diào)試通過 RS232 和 PC 機(jī)進(jìn)行連接，利用 PC 調(diào)試助手進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試過程中把單片機(jī)和PC 機(jī)的波特率設(shè)置為相同值（如 9600bit/s） 。驗(yàn)證上位機(jī)和下位機(jī)接收正常。5.2 繼電器測(cè)試用萬能表的電阻檔，測(cè)量常閉觸點(diǎn)與動(dòng)點(diǎn)電阻，其阻值應(yīng)為 0；而常開觸點(diǎn)與動(dòng)點(diǎn)的阻值就為無窮大。由此可以區(qū)別出那個(gè)是常閉觸點(diǎn)，那個(gè)是常開觸點(diǎn)。本系統(tǒng)

44、使用的繼電器為常開式。5.3 溫度采集與測(cè)試在本系統(tǒng)中，溫度數(shù)據(jù)的采集與測(cè)試 是最重要的部分，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度將直接影響到系統(tǒng)的可靠性。 以下兩表為部分測(cè)試結(jié)果。表 5-1 溫度測(cè)試表 5-2 溫度控制河北大學(xué)工商學(xué)院 2012 屆本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）286 結(jié)論此課程設(shè)計(jì)是水溫控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)最主要的環(huán)節(jié)就是方案的選擇。然后進(jìn)行軟件編程，通過數(shù)據(jù)線連接電腦下載編好的程序，進(jìn)行調(diào)試。再接下來是添加單元電路，并進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試過程中我遇到不少問題，主要是經(jīng)驗(yàn)不足，經(jīng)過不停的摸索，問題基本得到了解決。我也懂得了系統(tǒng)要有良好的控制效果，其前端采集溫度信號(hào)需要足夠精確，其次系統(tǒng)的構(gòu)成要簡(jiǎn)單實(shí)用，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)

45、狀態(tài)參數(shù)，并且運(yùn)用多種算法，使得數(shù)據(jù)更為接近真實(shí)值。 此次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中主要問題為控制系統(tǒng)輸出控制和 PID 控件，系統(tǒng) PID 輸出為模擬信號(hào),而該系統(tǒng)的控制對(duì)象為一加熱棒,因此一般的執(zhí)行器無法滿足控制的需求，而使用普通的觸點(diǎn)式繼電器會(huì)因頻繁開關(guān)而產(chǎn)生電弧，可能導(dǎo)致事故的發(fā)生。所以在系統(tǒng)執(zhí)行部分選取了 SSR 固態(tài)繼電器作執(zhí)行部件，從而克服了觸點(diǎn)式繼電器的不足。PID 控件的難題在于參數(shù)整定，對(duì)于本系統(tǒng)來說參數(shù)整定只能使用經(jīng)驗(yàn)湊試，而且調(diào)試的時(shí)侯一定要耐心。總的來說通過這次設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，我學(xué)到了很多東西。無論是動(dòng)手能力，還是分析問題的能力都得到了提高，最重要的是建立了對(duì)電子設(shè)計(jì)興趣。最大的體會(huì)還是理

46、論運(yùn)用到實(shí)踐還是有很大差距，理論學(xué)得好到了實(shí)際運(yùn)用的時(shí)候還是會(huì)出現(xiàn)很多問題，這些問題通過多實(shí)踐積累經(jīng)驗(yàn)可以得到解決。河北大學(xué)工商學(xué)院 2012 屆本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）29參考文獻(xiàn)1 李全利.單片機(jī)原理及應(yīng)用M,清華大學(xué)出版社.2 王建校,楊建國(guó).寧改娣等.51 系列單片機(jī)程序設(shè)計(jì)M，北京：科學(xué)出版社，2002.20303 劉大茂.智能儀器（單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)）M，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.24454 譚浩強(qiáng).C 語言程序設(shè)計(jì)M，2 版，北京：清華大學(xué)出版社，1999.33595 賴麒文.8051 單片機(jī) C 語言徹底應(yīng)用M，北京：科學(xué)出版社，2002.55846 何立民,張俊謨.單片機(jī)

47、中級(jí)應(yīng)用教程原理與應(yīng)用M，北京：航空航天大學(xué)出版社，1999.7 陳明熒.8081 單片機(jī)課程程設(shè)計(jì)實(shí)調(diào)教材M.北京：清華大學(xué)出版社，2003.8 馬忠梅.單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)M. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.9 夏繼強(qiáng).單片機(jī)實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教程M. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社, 2001.10 7805 series Handbook. NEC Corp.2001河北大學(xué)工商學(xué)院 2012 屆本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）30致 謝畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)結(jié)束了，這也宣告著大學(xué)四年最后一堂課的結(jié)束，這篇論文是對(duì)我大學(xué)四年學(xué)習(xí)生活的一個(gè)總結(jié)，而同樣是踏入社會(huì)的開始，一段新的人身旅程的開始，這篇論文是在白曉亮老師的熱情關(guān)心和指導(dǎo)下完成的，他的淵博的知識(shí)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度使我受益匪淺，尤其是他未雨綢繆的品格使我印象深刻，以及負(fù)責(zé)任的態(tài)度使我敬仰不已，這些對(duì)順利完成本課題起到了極大的作用。謹(jǐn)此向白曉亮老師表示最衷心的感謝和最誠(chéng)摯的敬意!最后向在百忙之中評(píng)審本文的各位專家、老師表示衷心的感謝！河北大學(xué)工商學(xué)院 2012 屆本科生畢業(yè)論文（