水溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、水溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)報(bào)告摘要：P1D控制是工控領(lǐng)域內(nèi)的一種重要控制方法，將P1D算法應(yīng)用到以51單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)中，能產(chǎn)生良好的控制效果。基于P1D算法的水溫控制系統(tǒng)采用目前性價(jià)比較高的數(shù)字溫度傳感器DS18B20作為檢測(cè)變送器，通過鍵盤向單片機(jī)輸入設(shè)置數(shù)碼管溫度，單片機(jī)將溫度偏差進(jìn)行P1P運(yùn)算后，輸出PVCM波。PWM波作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸入從而來決定電爐工作電壓的大小，最終實(shí)現(xiàn)水溫的控制。整個(gè)系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性能高。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該系統(tǒng)基本滿足要求。關(guān)鍵詞：Pin；51單片機(jī)；溫度傳感器DS18B20;PWM;鍵盤；顯示目錄第1章系統(tǒng)方案41.1 設(shè)計(jì)思想41.2 方案論證41.3

2、論證分析6第2章系統(tǒng)設(shè)計(jì)82.1 原件設(shè)計(jì)82.1.1 電源電路82.1.2 溫度檢測(cè)與交送環(huán)節(jié)82.1.3 單片機(jī)最小系統(tǒng)92.1.4 鍵盤電路112.1.5 顯示電路112.1.6 加熱驅(qū)動(dòng)模塊122.1.7 報(bào)警電路132.2 軟件設(shè)計(jì)132.2.1 主函數(shù)13223按鍵設(shè)定函數(shù)142.2.4 溫度采集函數(shù)152.2.6 PID運(yùn)算于函數(shù)152.2.7 PWM產(chǎn)生函數(shù)172.3 系統(tǒng)調(diào)試182.3.1 人機(jī)界面調(diào)試183.3.2溫度顯示18第3章總結(jié)19附錄系統(tǒng)源程序20第1章系統(tǒng)方案1.1 設(shè)計(jì)思想溫度的期望值可用鍵盤設(shè)定，溫度傳感器檢測(cè)實(shí)際溫度，控制器根據(jù)實(shí)測(cè)值與期望值偏差通過相應(yīng)運(yùn)

3、算，輸出相應(yīng)的控制參數(shù)給加熱驅(qū)動(dòng)模塊，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。整體設(shè)計(jì)框圖1.2 方案論證1、控制翳根據(jù)設(shè)計(jì)要求，控制器主要用于對(duì)溫度測(cè)量信號(hào)的接收和處理、控制顯示電路對(duì)溫度值實(shí)時(shí)顯示、控制鍵盤實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度值的設(shè)定、控制加熱驅(qū)動(dòng)模塊等。對(duì)控制器的選擇有以下兩種方案：方案一：采用FPGA作為系統(tǒng)控制器。FPGA采用并行的八()口方式，運(yùn)算速度快，穩(wěn)定性高，可用EDA軟件仿真及調(diào)試，功能強(qiáng)大，易于拓展，適合做大規(guī)模實(shí)時(shí)系統(tǒng)控制核心。由于本設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)據(jù)處理的速度要求不高，F(xiàn)PGA處理速度快的優(yōu)勢(shì)得不到充分體現(xiàn)，旦其成本較高，引腳較多，硬件電路布線復(fù)雜。方案二：采用STC90c516RD+作為系統(tǒng)控制器。單片機(jī)

4、運(yùn)算功能強(qiáng)、軟件編程靈活、自由度大、可軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制，并且其功耗低、技術(shù)成熟、成本也較低。本設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)據(jù)處理的速度要求不高，單片機(jī)巳能滿足設(shè)計(jì)需求?；谝陨戏治鰯M定采用方案二，由STC90c516RD+作為控制核心，對(duì)溫度采集、實(shí)時(shí)顯示以及加熱裝置進(jìn)行控制。2、控制算法在水溫控制系統(tǒng)中，選擇一個(gè)好的算法是系統(tǒng)達(dá)到技術(shù)指標(biāo)的保證。對(duì)算法的選擇有以下兩種方案：方案一:數(shù)字P1D控制算法。在連續(xù)時(shí)間控制系統(tǒng)中，P1D控制應(yīng)用非常廣泛，其設(shè)計(jì)技術(shù)成熟，長期以來形成了典型的結(jié)構(gòu)，參數(shù)整定方便，結(jié)構(gòu)更改靈活，整合了比例控制、積分控制和微分控制3種基本控制規(guī)律。由于計(jì)算機(jī)程序的靈活性，數(shù)字P1

5、D控制比連續(xù)P1D控制更優(yōu)越。方案二：分段非線性加積分分離P1算法。當(dāng)偏差較大時(shí)，控制量采用由實(shí)驗(yàn)總結(jié)出的經(jīng)驗(yàn)值；當(dāng)偏差較小時(shí)，切換為積分分離P1算法。該算法可較好地改善系統(tǒng)的非線性及靜態(tài)特性，但P1控制只能消除穩(wěn)態(tài)誤差，而動(dòng)態(tài)過程不能令人滿意。方案三：模糊P1D控制算法。該算法是在傳統(tǒng)P1D控制算法上增加模糊控制，在確定工、的的恭礎(chǔ)上，增加模糊集從小此、的，進(jìn)行模糊化，以自適應(yīng)不同的環(huán)境，實(shí)現(xiàn)控制的精確性和魯棒性。由于對(duì)數(shù)字P1D控制算法比較熟悉，旦該算法參數(shù)整定方便，結(jié)構(gòu)靈活，綜上所述，選擇方案一。3、溫度傳感器溫度信號(hào)為模擬信號(hào)，本設(shè)計(jì)要求對(duì)溫度進(jìn)行控制和顯示，所以要把模擬量轉(zhuǎn)為數(shù)字量。

6、溫度傳感器模塊有以下兩種方案：方案一：利用熱電阻傳感器作為感溫元件，熱電阻阻值隨溫度變化而變化，測(cè)量電阻值即可得到對(duì)應(yīng)的溫度值。電阻阻值的變化經(jīng)變送器轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，再轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)送到A/D轉(zhuǎn)換器PCF8591,將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)。該方案在系統(tǒng)測(cè)量的溫度范圍內(nèi)線性度良好。方案二：采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20。該溫度傳感器無需其他外加電路，直接輸出數(shù)字量，可直接與單片機(jī)通信，讀取測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，電路簡(jiǎn)單，能夠達(dá)到（）.5度的固有分辨率,滿足設(shè)計(jì)要求。考慮到現(xiàn)有的資源的有限選擇以及熱敏電阻傳感器也能達(dá)到設(shè)計(jì)要求更線性度好，綜上所訴，選擇方案一。4、加熱驅(qū)動(dòng)模塊根據(jù)設(shè)計(jì)要求，可使用電熱棒進(jìn)行加熱

7、，控制加熱棒的功率即可控制加熱速度。由于加熱的功率較大，考慮到簡(jiǎn)化電路的設(shè)計(jì)，我們直接采用220V電源。對(duì)加熱驅(qū)動(dòng)模塊有以下兩種方案：方案一：采用可控硅作為開關(guān)器件控制電路?？煽毓枋且环N半控器件，由交流過零檢測(cè)電路輸出方波經(jīng)適當(dāng)延時(shí)可控制可控硅的導(dǎo)通角，延時(shí)時(shí)間即移相偏移量由溫度誤差計(jì)算得到?？梢詫?shí)現(xiàn)對(duì)交流電單個(gè)周期有效值周期性控制，保證系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。該方案可以實(shí)現(xiàn)功率的連續(xù)調(diào)節(jié)，響應(yīng)速度快，控制精度高，但電路稍復(fù)雜，常使用光耦合驅(qū)動(dòng)芯片以及變壓器等器件。方案二：采用固態(tài)繼電器作為開關(guān)器件控制電路。固態(tài)繼電器的使用比較簡(jiǎn)單，沒有觸點(diǎn)，可以頻繁動(dòng)作，旦其內(nèi)部本身就存在電磁隔離，因此單片機(jī)輸

8、出控制功率的PWM信號(hào)，即可控制固態(tài)繼電器的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而達(dá)到控制加熱棒通電和斷電的目的。采用固態(tài)繼電器控制可省去光耦隔離和交流過零檢測(cè)電路，且由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)輸出PWM信號(hào)頻率要求不高，考慮電路中流過開關(guān)器件的電流較大，所以只要在選用時(shí)注意器件的最大功率和最大電流，選用適當(dāng)參數(shù)的固態(tài)繼電器型號(hào)就能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。故選擇采用方案二。5、鍵盤模塊根據(jù)設(shè)計(jì)要求，水溫要由人工設(shè)定給定值并設(shè)置報(bào)警溫度。對(duì)鍵盤模塊有以下兩種方案:方案一：采用矩陣鍵盤。矩陣鍵盤可大大節(jié)省1/()口的使用，但編程和電路較為復(fù)雜。方案二：采用獨(dú)立鍵盤。獨(dú)立鍵盤編程簡(jiǎn)單且電路也較為簡(jiǎn)單，但由于每一個(gè)按鍵都需要一個(gè)1/()口，故在

9、1/()資源有限的情況下是一種浪費(fèi)?？紤]到本次設(shè)計(jì)所需按鍵較少，系統(tǒng)所需1/()充足，而獨(dú)立按鍵編程及電路簡(jiǎn)單，收采用方案二。6、顯示模塊根據(jù)設(shè)計(jì)要求，需要實(shí)時(shí)顯示水溫。顯示模塊有以下兩種方案：方案一：采用液晶顯示屏。液晶顯示屏具有功耗小、平面直角顯示以及影像穩(wěn)定不閃爍，可視面積大，畫面效果好，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。但其成本較高，編程工作量大，控制器資源占用較多。方案二：采用七段LED。數(shù)碼管功耗低、壽命長、耐老化、對(duì)外界環(huán)境要求較低，且數(shù)碼管采用BCD編碼顯示數(shù)字，編程簡(jiǎn)單，資源占用較少。由于本次設(shè)計(jì)只需顯示三位溫度值，信息量較少，故采用方案二。本系統(tǒng)中采用數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)顯示，節(jié)省單片機(jī)的內(nèi)部資

10、源。7、電源模塊該模塊為單片機(jī)及各器件提供電源。采用220V變壓整流電路輸出5V直流電。8、報(bào)警模塊為使系統(tǒng)的人機(jī)交互界面更友好，設(shè)置了兩路報(bào)警信號(hào)和兩路標(biāo)志信號(hào)，用于顯示越限報(bào)瞥、強(qiáng)電電路通斷情況以及溫度穩(wěn)定情況。1.3 論證分析經(jīng)過比較，采用DS18B20測(cè)量水溫，硬件電路簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高，信號(hào)易處理，故溫度變送器選用DS18B20。驅(qū)動(dòng)加熱采用固態(tài)繼電器，在實(shí)行控制的時(shí)候不像其它采用D/A轉(zhuǎn)換后再控制調(diào)節(jié)閥的方法，而是直接外接一個(gè)固態(tài)繼電器，通過內(nèi)部改變定時(shí)器的中斷時(shí)間來調(diào)節(jié)一個(gè)周期內(nèi)電子開關(guān)的導(dǎo)通和斷開時(shí)間。這樣既節(jié)省了材料也可以很大程度上減少硬件電路的結(jié)構(gòu)支系統(tǒng)原理框圖如圖1-1所示

11、。圖1-1系統(tǒng)原理框圖綜上所述方案有如下的特點(diǎn)：(1)在完成所要求的任務(wù)的基礎(chǔ)之上還有著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、明了的特點(diǎn)，很容易實(shí)現(xiàn)，而且在一定的程度上節(jié)約成本。(2)由于采用了離線的方法，很大程度上的減少了編程的麻煩，實(shí)現(xiàn)起來較容易。(3)采用了無污染能源，保護(hù)環(huán)境。同時(shí)也省去了為建造燃料供應(yīng)子系統(tǒng)的費(fèi)用，節(jié)約了成本。采用了模擬的PWM變換，和固態(tài)繼電器?？梢詫⒉蓸宇l率提高到很多的水平，使控制結(jié)果更準(zhǔn)確，實(shí)時(shí)性、控制效果更好。第2章系統(tǒng)設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)由軟件和硬件兩部分組成。本章詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，并對(duì)硬件和軟件的每一個(gè)部分進(jìn)行了分析，在后半部分還對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行了仿真與程序調(diào)試。硬件和軟件的每一

12、個(gè)壞節(jié)都是深思熟慮而成，各自完成相應(yīng)的功能并組成一個(gè)統(tǒng)一的整體。2.1 硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件包括：電源模塊、溫度設(shè)定模塊、溫度采集變送模塊、溫度偏差處理模塊、溫度顯示模塊、報(bào)瞥模塊、電爐加熱模塊。2.1.1 電源電路由于整個(gè)系統(tǒng)都是用單片機(jī)和各類芯片及電阻、電容組成的，其工作電壓為+5V,不需要負(fù)電壓，可采用三端固定正電壓集成穩(wěn)壓器7805系列的芯片。其輸出電壓5V,按輸出電流不同可分為78Mo5、78L05,輸出電流分別為0.5A和1.0A,轉(zhuǎn)換成功率分別為2.5W和59。從整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來看，其中有幾塊集成芯片和多個(gè)電阻、電容等器件,其功率總和應(yīng)在2W左右，所以考慮整個(gè)系統(tǒng)的功率裕量，采用7

13、8Mo5作為整個(gè)系統(tǒng)的供電芯片。如團(tuán)2-1所示。其中輸入電壓為交流220V,經(jīng)過變壓器其輸出為12V,再進(jìn)行整流。整流可通過四個(gè)二極管進(jìn)行全波整流，也可以利用集成整流堆來進(jìn)行。后面接電容Cl、C2為濾波電容進(jìn)行濾波，注意電解電容應(yīng)該要有一定裕量，否則不能起到很好的濾波效果，本電路中使用的電容大小為470|iF。78Mo5的輸出級(jí)接入兩個(gè)濾波電容，用于減小因?yàn)殡娫床▌?dòng)對(duì)系統(tǒng)造成的影響和濾波。其不需要采用大容量的電解電容器，容量大小為100pF,再接入470F的電容器，便可減少因?yàn)殡娫床▌?dòng)的影響和濾去紋波，很好地改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)叫2.1.2 溫度檢測(cè)與交送環(huán)節(jié)檢測(cè)與變送設(shè)備主要根據(jù)被檢測(cè)參數(shù)的性

14、質(zhì)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體考慮來決定。被檢測(cè)參數(shù)性質(zhì)的不同，準(zhǔn)確度要求、響應(yīng)速度要求的不同以及對(duì)控制性能要求的不同都影響檢測(cè)、變送器的選擇，要從工藝的合理性、經(jīng)濟(jì)性加以綜合考慮。DS18B20是數(shù)字溫度傳感器，具有3引腳T（）92小體積封裝形式；溫度測(cè)量范圍為-55C+125,可編程為9位12位A/D轉(zhuǎn)換精度，測(cè)溫分辨率可達(dá)0.0625,被測(cè)溫度用符號(hào)擴(kuò)展的16位數(shù)字量方式串行輸出；其工作電源既可在遠(yuǎn)端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生。DS18B20的核心功能部件是它的數(shù)字溫度傳感器，它的分辨率可配置為9、10、11、12位，它們對(duì)應(yīng)的溫度值分辨率為0.5、0.2530.125、0.0625。溫度信息的

15、低位、高位字節(jié)內(nèi)容還包括了符號(hào)位S和二進(jìn)制小數(shù)部分。本系統(tǒng)中DS18B20接線圖如圖2-2所示，當(dāng)測(cè)量距離較遠(yuǎn)時(shí)，可在數(shù)據(jù)輸出口加上拉電阻R9,其阻值為5K左右，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。DS18B20VCCTLlh.R9112_I1224.7K圖2-2DS18B20接線圖由于本系統(tǒng)中涉及到P1D調(diào)節(jié)，P1D調(diào)節(jié)需要精度稍高的輸入量，故本系統(tǒng)選取16位分辨率,精度為（）.0625。2.1.3 單片機(jī)最小系統(tǒng)整個(gè)系統(tǒng)采用常用的51單片機(jī)，90C516RD+是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的低電壓，高性能CMQS8位微處理器，稱單片機(jī)。1 .主要特性：與MCS-51兼容,4K字節(jié)可編程閃爍存

16、儲(chǔ)器，壽命：1000寫/擦循環(huán)；數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年；全靜態(tài)工作：（）Hz-24Hz;三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定；128*8位內(nèi)部RAM;32個(gè)可編程1/。線，兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，5個(gè)中斷源，可編程串行通道，低功耗的閑置和掉電模式，片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。2 .本設(shè)計(jì)中90c516RD+與外圍電路的接口本系統(tǒng)采用P3口與鍵盤電路連接，P1.3口與PS18B20的數(shù)據(jù)端連接。P0口作為顯示與報(bào)警電路端口。/VCC端接5V電源，XI,X2接晶振電路，RESET端接復(fù)位電路，其余INTI,INTO,Tl,TO,/RD,/WR,RXD,TXD,ALE,PSEN端置空。尸獨(dú)T2/P1.0vcc2T2EX/P

17、LLPO.O/ADO3P1.2VO.I/ADI384P1.3PO.2/AD2可5IU.4PO.3/AD3366P1.5PO.4/ADI357116PO.5/ADS31HP1.7PO.6/AD6RSTPO.7/AD7用10RX0/P3.0EA21111TXD/P3.1ALE/PROG3012INT0/P3.2PSEN2913INTI/P3.3P2.7/A152814T0/P3.4P2.6/A1427151U/P3.5P2.5/A1326|7TTWR/P3.6P2.I/A122b77麗/P3.7P2.3/A11Z也X1AL2P2.2/A102S|19XTAI.IP2.1/A9222(1VSSP2.

18、0/A821圖2-390C516RD+單片機(jī)引腳圖3.復(fù)位電路90C516RD+單片機(jī)的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來實(shí)現(xiàn)的。最簡(jiǎn)單的上電自動(dòng)復(fù)位電路，是通過外部復(fù)位電路的電容充電來實(shí)現(xiàn)的。只要Vcc的上升時(shí)間不超過1毫秒，就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上電復(fù)位。當(dāng)時(shí)鐘頻率選用12MHz時(shí)，C取22uF,R取1K。除上電復(fù)位外，有時(shí)還常要按鍵手動(dòng)復(fù)位。按鍵手動(dòng)復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。其中電平復(fù)位是通過RST端經(jīng)電阻和電源Vcc接通而實(shí)現(xiàn)的，按鍵手動(dòng)電平復(fù)位電路如圖2-4所示。當(dāng)時(shí)鐘頻率選用12MHz時(shí)，C1選取10uF,R18選擇1000歐，R20選擇1000()歐。VCC110K圖2-4復(fù)位電路4.晶振電路

19、晶振有一個(gè)重要的參數(shù)，那就是負(fù)載電容值，選擇與負(fù)載電容值相等的并聯(lián)電容，就可以得到晶振標(biāo)稱的諧振頻率。一般的晶振的負(fù)載電容為15pF或12.5pF,如果再考慮元件引腳的等效輸入電容，則兩個(gè)20pF的電容構(gòu)成晶振的振蕩電路就是比較好的選擇。晶體振蕩器與石英晶體諧振器都是提供穩(wěn)定電路頻率的一種電子器件。石英晶體振蕩器是利用石英晶體的壓電效應(yīng)來起振，而石英晶體諧振器是利用石英晶體和內(nèi)置1C來共同作用來工作的。振蕩器直接應(yīng)用于電路中，諧振器工作時(shí)一般帶要提供3.3V電壓來維持工作。振蕩器比諧振器多了一個(gè)重要技術(shù)參數(shù)為：諧振電阻。諧振器沒有電阻要求。RR諧振電阻的大小直接影響電路的性能，也是各商家競(jìng)爭(zhēng)的

20、一個(gè)重要參數(shù)咒本設(shè)計(jì)采用12MHz晶振，并聯(lián)兩個(gè)20pF電容構(gòu)成晶振電路。圖2-5晶振電路2.1.4 鍵盤電路要想控制溫度，就要采用良好的人機(jī)界面。選擇用4個(gè)按鍵組成一個(gè)小鍵盤執(zhí)行某些功能，如清零、預(yù)置值、改變測(cè)量范圍等。如團(tuán)2-6所示。GND圖2-6按鍵電路其中S1作為設(shè)定期望溫度、上下限報(bào)瞥溫度，通過軟件配合可實(shí)現(xiàn)電爐加熱的通斷；S2、S3用來設(shè)定所需溫度的具體數(shù)值；S4用來確定溫度設(shè)定，并啟動(dòng)溫度測(cè)量程序。2.1.5 顯示電路LED顯示是用發(fā)光二極管顯示字段的顯示器件，也可稱為數(shù)碼管，其外形結(jié)構(gòu)如圖所示，由圖可見它由8個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成，通過不同的組合可用來顯示。9、AF及小數(shù)點(diǎn)。段鎖存8

21、位共陰數(shù)碼管圖2-7“8”字型共陽數(shù)碼管及鎖存器連接圖LED顯示器分為共陰極和共陽極，共陰極是將8個(gè)發(fā)光二極管陰極連接在一起作為公共端，而共陽極是將8個(gè)發(fā)光二極管的陽極連接在一起作為公共端。在51單片機(jī)系統(tǒng)中常用的數(shù)碼管顯示方法有兩種：動(dòng)態(tài)掃描顯示和串行靜態(tài)顯示。本系統(tǒng)中DS18B20的工作周期為幾百毫秒，而旦后續(xù)的P1D運(yùn)算涉及到浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，PWM波的中斷周期小于溫度采樣周期控制，若采用動(dòng)態(tài)掃描顯示，顯示時(shí)間短，旦容易被中斷打斷，所以綜上考慮，為使顯示部分顯示的是實(shí)時(shí)溫度，旦為了保持良好的人機(jī)界面，必須采用串行靜態(tài)顯示。對(duì)于四位數(shù)碼管的串行靜態(tài)顯示，工作周期不超過4()微秒，完全符合要求。2

22、.1.6 加熱驅(qū)動(dòng)模塊固體繼電器工作可靠，壽命長，無噪聲，無火花，無電磁干擾，開關(guān)速度快，抗干擾能力強(qiáng)，且體積小，耐沖擊，耐振蕩，防爆、防潮、防腐蝕、能與TTL、DTL、HTL等邏輯電路兼容，以微小的控制信號(hào)達(dá)到直接驅(qū)動(dòng)大電流負(fù)載。主要不足是存在通態(tài)壓降，有斷態(tài)漏電流，交直流不能通用，觸點(diǎn)組數(shù)少，另外過電流、過電壓及電壓上升率、電流上升率等指標(biāo)差。固體繼電器目前已廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外圍接口裝置，電爐加熱恒溫系統(tǒng)，數(shù)控機(jī)械，遙控系統(tǒng)、工業(yè)自動(dòng)化裝置；信號(hào)燈、閃爍器、照明舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng)；儀器儀表、醫(yī)療器械、復(fù)印機(jī)、自動(dòng)洗衣機(jī)；自動(dòng)消防，保安系統(tǒng)，以及作為電網(wǎng)功率因素補(bǔ)償?shù)碾娏﹄娙莸那袚Q開關(guān)等等，另

23、外在化工、煤礦等需防爆、防潮、防腐蝕場(chǎng)合中都有大量使用。vccRcs2 3KQ1KpnpGND圖2-8加熱驅(qū)動(dòng)電路如團(tuán)2-11所示，PWM口用來進(jìn)行P1D調(diào)節(jié)，改變加熱絲中電流通斷時(shí)間。2.1.7 報(bào)瞽電路為使系統(tǒng)的人機(jī)交互界面更好，設(shè)置了兩路報(bào)瞥信號(hào)和兩路標(biāo)志信號(hào)，用于顯示越限報(bào)瞽、強(qiáng)電電路通斷情況、溫度穩(wěn)定情況。當(dāng)電爐中水溫高于工作人員所設(shè)定的上限溫度或者低于設(shè)定的下限溫度時(shí)，則認(rèn)為發(fā)生了越限，L1和L2分別用來表示上限報(bào)瞽和下限報(bào)瞽。值得一提的是，當(dāng)系統(tǒng)從低溫開始加熱，到下限溫度以前系統(tǒng)都會(huì)出現(xiàn)越限報(bào)瞽。當(dāng)出現(xiàn)越限報(bào)瞥時(shí)，工作人員應(yīng)該注意是不是此種情況，此情況可以忽略，利用LED發(fā)光進(jìn)行

24、報(bào)瞽。2.2 軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件部分以主程序?yàn)槿肟?，在初始化之后調(diào)用鍵盤管理程序，完成對(duì)鍵盤的掃描，讀入鍵值，并根據(jù)相應(yīng)的鍵值進(jìn)行各類操作。溫度采樣頻率由軟件延時(shí)控制，在每一次采樣完成之后進(jìn)行控制時(shí)間的計(jì)算和顯示刷新。軟件部分主要包括主函數(shù)、延時(shí)子函數(shù)、溫度采集子函數(shù)、按鍵掃描子函數(shù)、Pin處理子函數(shù)、PWM波產(chǎn)生子函數(shù)、報(bào)瞥顯示函數(shù)。2.2.1 主函數(shù)主程序作為程序的入口，控制各類程序的調(diào)用。在系統(tǒng)中其主要的任務(wù)是調(diào)用鍵盤管理程序。然后其它的功能都由DS18B20溫度轉(zhuǎn)換程序和中斷程序完成。可以說主程序起到了重啟動(dòng)后讀入E2PROM中的設(shè)計(jì)溫度和上、下限溫度；設(shè)計(jì)各類定時(shí)器和開中斷的，并調(diào)用

25、鍵能管理程序的功能。這樣處理主程序起到了分散功能的作用，即主程序會(huì)變得很容易編寫，而具體的功能都由功能子程序完成。流程圖如圖2-9所示。系統(tǒng)的被控溫度、上下限報(bào)警溫度等都是通過按鍵來設(shè)定的，由于采用鍵盤的接法是最普通的，所以按鍵處理函數(shù)并不會(huì)占用整個(gè)程序太多時(shí)序。流程圖如圖2-10所示。圖2-10按艇設(shè)定流程圖223溫度采集函數(shù)DS18B20是數(shù)字式溫度傳感器，它與單片機(jī)的硬件接口電路簡(jiǎn)單，采用單總線工作方式，所以使用DS18B20需詳細(xì)了解其工作時(shí)序和內(nèi)部寄存器。主機(jī)通過拉低單線48()微秒以上，產(chǎn)生復(fù)位脈沖，然后釋放該線，進(jìn)入RX接收模式。主機(jī)釋放總線時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)上升沿。DS18B20檢

26、測(cè)到上升沿后，延時(shí)15至60微秒，DS18B20通過拉低總線60-240微秒來產(chǎn)生應(yīng)答信號(hào)，主機(jī)接收到有應(yīng)答信號(hào)后，說明有單線器件在線。流程圖如圖2-11所示。圖2-11DS18B20測(cè)溫流程圖2.2.4 P1D運(yùn)算亍函數(shù)常規(guī)的模擬Pin控制系統(tǒng)原理框圖如圖2-12所示。該系統(tǒng)由模擬P1O控制器和被控對(duì)象組成。其中r(t)是給定值，y(t)是系統(tǒng)的實(shí)際輸出值，給定值與實(shí)際輸出值構(gòu)成控制偏差t):(2-1)(/) = r(r)-y(/)圖2-12模擬P1D控制系統(tǒng)原理圖c(t)作為P1D控制的輸入，u(t)作為P1D控制器的輸出和被控對(duì)象的輸入，所以模擬W) = Kp +力+(2-2)P1D控制

27、器的控制規(guī)律為其中Kp：控制器的比例系數(shù)Ti:控制器的積分系數(shù)Td:控制器的微分系數(shù)1、比例部分在模擬P1D控制器中，比例環(huán)節(jié)的作用是對(duì)偏差瞬間做出反應(yīng)。偏差一旦產(chǎn)生控制器立即產(chǎn)生控制作用，使控制量向減少偏差的方向變化?？刂谱饔玫膹?qiáng)弱取決于比例系數(shù)Kp,比例系數(shù)Kp越大，控制作用越強(qiáng)，則過渡過程越快，控制過程的靜態(tài)偏差也就越??；但是越大，也越容易產(chǎn)生振蕩，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。故而，比例系數(shù)Kp選擇必須恰當(dāng)，才能過渡時(shí)間少，靜差小而又穩(wěn)定的效果。2、積分部分從積分部分的數(shù)學(xué)表達(dá)式可以知道，只要存在偏差，則它的控制作用就不斷的增力叫只有在偏差為()時(shí)，它的積分才能是一個(gè)常數(shù)，控制作用才是一個(gè)不會(huì)增加

28、的常數(shù)?？梢姡e分部分可以消除系統(tǒng)的偏差。積分環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)作用雖然會(huì)消除靜態(tài)誤差，但也會(huì)降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度，增加系統(tǒng)的超調(diào)量。積分常數(shù)Ti越大，積分的積累作用越弱，這時(shí)系統(tǒng)在過渡時(shí)不會(huì)產(chǎn)生振蕩;但是增大積分常數(shù)Ti會(huì)減慢靜態(tài)誤差的消除過程，消除偏差所需的時(shí)間也較長，但可以減少超調(diào)量，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng)Ti較小時(shí)，則積分的作用較強(qiáng)，這時(shí)系統(tǒng)過渡時(shí)間中有可能產(chǎn)生振蕩，不過消除偏差所帶的時(shí)間較短。所以必須根據(jù)實(shí)際控制的具體要求來確定Ti。3、微分部分實(shí)際的控制系統(tǒng)除了希望消除靜態(tài)誤差外，還要求加快調(diào)節(jié)過程。在偏差出現(xiàn)的瞬問，或在偏差變化的瞬間，不但要對(duì)偏差量做出立即響應(yīng)(比例環(huán)節(jié)的作用)，而只要根據(jù)

29、偏差的變化趨勢(shì)預(yù)先給出適當(dāng)?shù)募m正。為了實(shí)現(xiàn)這一作用，可在P1控制器的基礎(chǔ)上加入微分環(huán)節(jié)，形成P1D控制器。Pin控制器參數(shù)的工程整定，各種調(diào)節(jié)系統(tǒng)中Pin參數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)以下可參照如下數(shù)據(jù)：溫度T：P=2060%,T=180600s,D=3180s壓力P：p=3070%,T=24180s液位L:P=20-80%,T=60300s流量L:p=40100%,T=660s本系統(tǒng)中，P1D控制器的輸入是實(shí)測(cè)溫度與期望溫度的偏差，輸出是PWM波的脈寬。由于溫度具有熱慣性這個(gè)特性，且在溫度控制場(chǎng)合盡量不允許出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，所以在在選取比例系數(shù)不能太大，但為了和相應(yīng)時(shí)間保持協(xié)調(diào)，可以當(dāng)溫差大于10時(shí)不進(jìn)行P1D運(yùn)

30、算，只有當(dāng)溫度偏差進(jìn)入10范圍內(nèi)時(shí)，開啟定時(shí)器進(jìn)行P1D控制。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，本系統(tǒng)可忽略微分項(xiàng)，只進(jìn)行比例與積分運(yùn)算，最終實(shí)現(xiàn)穩(wěn)準(zhǔn)快的指標(biāo)。流程團(tuán)如圖2-13所示。圖2-13PID運(yùn)算流程圖2.2.5 PWM產(chǎn)生函數(shù)脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來實(shí)現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導(dǎo)通時(shí)間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時(shí)保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。PWM的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是從處理器到被控系統(tǒng)信號(hào)都是數(shù)字形式的，無需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。讓信號(hào)保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強(qiáng)到足

31、以將邏輯1改變?yōu)檫壿嫛；驅(qū)⑦壿嫞ǎ└淖優(yōu)檫壿?時(shí)，也才能對(duì)數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生影響。用PWM波輸入固態(tài)繼電器的輸入端，從而改變電爐加熱絲內(nèi)的電流通斷時(shí)間口本設(shè)計(jì)中，PWM由單片機(jī)定時(shí)器中斷產(chǎn)生，與主程序和其他函數(shù)不影響。脈寬受P1D控制器的輸出量控制，流程圖如團(tuán)2-14所示。重裝50喳秒定時(shí)器初值i+圖2-14PXVM產(chǎn)生流程圖3.3系統(tǒng)調(diào)試3.3.1 人機(jī)界面調(diào)試本系統(tǒng)涉及到人機(jī)界面的部分包括按鍵電路、顯示電路、報(bào)警電路。首先對(duì)顯示電路進(jìn)行調(diào)試，根據(jù)移位寄存器的八個(gè)并行輸出口與數(shù)碼管的管腳的連接情況得出（）-9、H、L、S的字型碼，其中H用來標(biāo)志上限報(bào)瞥值，L用來標(biāo)志下限報(bào)瞽值、S用來標(biāo)志期望設(shè)定值

32、。當(dāng)SET鍵第一次被按下時(shí)，四位數(shù)碼管的第三位顯示S,隨后按動(dòng)addlO鍵和addl鍵，用來設(shè)定所帶控制的溫度值；當(dāng)SET鍵第二次被按下時(shí)，四位數(shù)碼管的第三位顯示H,隨后按動(dòng)addlO鍵和addl鍵，用來設(shè)定溫度的上限報(bào)瞥值；當(dāng)SET鍵第三次被按下時(shí)，四位數(shù)碼管的第三位顯示L,隨后按動(dòng)addlO鍵和addl鍵，用來設(shè)定溫度的下限報(bào)瞥值。當(dāng)CHECK鍵被按下時(shí)，啟動(dòng)溫度測(cè)量。當(dāng)設(shè)定溫度值小于下限溫度值時(shí)，下限報(bào)瞽指示燈亮；當(dāng)設(shè)定溫度值大于上限溫度值，上限報(bào)瞥指示燈亮。3.3.2 溫度顯示系統(tǒng)的控制對(duì)象為溫度，所以溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性至關(guān)重要，DS18B20采用了12位的分辨率，精度達(dá)到0.0625C

33、,由于DS1820與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送，占用了一定的時(shí)序，并且串行靜態(tài)顯示需要幾百毫秒的延時(shí)，所以數(shù)碼管顯示的溫度大致就是當(dāng)前的溫度。該系統(tǒng)測(cè)量精度符合要求，但是響應(yīng)時(shí)間比較慢，這樣就對(duì)軟件設(shè)計(jì)中的采樣周期提出了較高的要求。第3章總結(jié)基于90c516RD+單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)，利用溫度傳感變送器，將采樣到的溫度信號(hào)輸入到單片機(jī)中，再由單片機(jī)作為90C516RD+單片機(jī)的控制器，根據(jù)測(cè)量溫度與設(shè)定溫度的差值和90c516RD+單片機(jī)的算法生成控制信號(hào)，控制電爐的通電與斷電。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、所用芯片少、控制精度高。在鍵盤、變送器、顯示電路上都采用了串行方式，從而減小了單片機(jī)口線的使用，也使

34、使用口線小的單片機(jī)成為可能，減小了成本開支；電源電路雖未采用流行的開關(guān)穩(wěn)壓電源，但也經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，性能穩(wěn)定。在軟件上，基于90c516RD+單片機(jī)的算法的溫度控制系統(tǒng)采用了經(jīng)典的90c516RD+單片機(jī)的算法，從某個(gè)角度上說這種算法優(yōu)于傳統(tǒng)的控制算法，有更穩(wěn)定、控制精度更高等優(yōu)點(diǎn)，而控制量的輸出上采用了模擬的PWI變換，免去了一級(jí)D/A轉(zhuǎn)換器，減小了成本，且簡(jiǎn)單易行。在程序的編寫過程中特別注意了人機(jī)的交互性及各種功能的實(shí)現(xiàn)，如鍵盤控制管理程序和90C516RD+單片機(jī)的運(yùn)算程序都是經(jīng)過深思熟慮而精心設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)的操作界面更容易讓人理解，同時(shí)使用鍵毋輸入控制溫度，雖然一定程度上增加了程序的復(fù)雜性，但

35、同時(shí)也使系統(tǒng)的溫度更容易設(shè)定。當(dāng)然，系統(tǒng)同時(shí)也存在幾點(diǎn)缺點(diǎn)。在選擇89c51單片機(jī)的控制器時(shí)用了速度相對(duì)較慢的單片機(jī)，著采用速度更快的單時(shí)鐘周期系列的單片機(jī)，提高采樣頻率，控制精度將會(huì)更高。附錄系統(tǒng)源程序/不名稱：DS18b20數(shù)碼管顯示內(nèi)容：顯示格式符號(hào)xxx.xC可以顯示負(fù)溫度*/#includu包含頭文件，一般情況不需要改動(dòng)，頭文件包含特殊功能寄存器的定義#includcH18b20.hH#includcndelay.hH#d近比Da忸PortP0定義數(shù)據(jù)端口程序中遇到DataPort則用P0替換#dcfincuintunsignedint#dcfincucharunsignedchar

36、sbitLATCH1=P22定義鎖存使能端口段鎖存sbitLATCH2=P2人3;位鎖存sbitsct=P3-0;定義按鍵輸入端口sbitaddl=P3A2;sbitadd10=P3A4;sbitchcck=P36；sbitspk=PlA0;警報(bào)sbitpwm二P2八7;pwm波structPir)unsignedintsetpoint;unsignedintp;unsignedinti;unsignedintd;signedlonglasttimc；signedlongprevtime；signedlongsumerror;structP1Dspid;bitRsdTcmpFlag;/定義讀時(shí)

37、間標(biāo)志unsignedcharcodedofly_r)uanMal0=0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0xd,0x07?0y7f,0x6f;/顯示段碼值09unsignedcharcodedofly_VTciMa=0xfu,0xfd,0xfb,0xf7,0xuf,0xdf,0xbf,0x7f；分別對(duì)應(yīng)相應(yīng)的數(shù)碼管點(diǎn)亮,即位碼unsignedcharTcmpr)ata8;存儲(chǔ)顯示值的全局變量uchardbuf4=0;bitflag;uchark,h_p,l_p;uinttcmp_sut,tcmp_h,u：mp_l,tsut,th,H,c：Jastt;uintuk,uklJp;f

38、loatki,kd;unsignedintTcmpH,TcmpL,tcmp;ucharhiglvtimc=0,low_timc=0,count=0;unsignedintshi,gc；voidr)isplay(unsigncdcharFirstBit,unsignedcharNum);數(shù)碼管顯示函數(shù)voidlnit_TimcrO(void);定時(shí)器0初始化voidInit_Timcr1(void);定時(shí)器1初始化voidds18b20(void);/讀取溫度+顯示+警報(bào)voidkcy_sct(yoid);/設(shè)置溫度及上下限voidkuy_addl(void);力口1voidkcy_addlO(

39、void);力口10voidkcy_chuck(void);顯示實(shí)時(shí)/設(shè)置溫度voidpidcalc(void);/PID運(yùn)算voidc_pwm(void);1主函數(shù)*/voidmain(void)/unsignedintTcmpH,TcmpL,tcmp;PT1=1;/lnit_TimcrlO；kp=4;ki=0.0015;kd=O;pwm=0;whilc(l)key_setQ;kcy_add1Q;kcy_add100;kcy_chcckQ;whilc(flag=l)ds18b200；if(c0)&(c5)Init_Titncrl();pidcalcQ;elsepwm=0;kcy.sctO；/

40、*顯示函數(shù)，用于動(dòng)態(tài)掃描數(shù)碼管輸入?yún)?shù)FirstBif表示需要顯示的第一位，如賦值2表示從第三個(gè)數(shù)碼管開始顯示如輸入0表示從第一個(gè)顯示。Num表示需要顯示的位數(shù)，如需要顯示99兩位數(shù)值則該值輸入2*/voidDisplay(unsignedcharFirstBit,unsignedcharNum)staticunsignedchari=0;ParaPort=0;:清空數(shù)據(jù)，防止有交替重影LATCH1=1;段鎖存LATCH1=0;DataPcrt=dQflyNciMai+FirsiBit;/取位碼LATCH2=1;位鎖存LATCH2=0;PamPort=TcmpnaiaD;取顯示數(shù)據(jù)，段碼LAT

41、CH1=1;段鎖存LATCH1=0;i+；if(i=Num)i=0;定時(shí)器0初始化于程序vvoidlnitL_TimcrO(void)TMOD | = 0x01;受影響/TH0=0x00;/TL0=0x00;EA=1;ET0= 1;TR0=l;/使用模式1, 16位定時(shí)翳，使用符號(hào)可以在使用多個(gè)定時(shí)器時(shí)不/給定初值/總中斷打開定時(shí)器0中斷打開定時(shí)器。開關(guān)打開定時(shí)翳0中斷于程序*/voidTimcrO_isr(void)interrupt1重新賦值2msstaticunsignedintnum;THO=(65536-2OOO)/256;TL0=(65536-2000)%256;Display(0,8);/調(diào)用數(shù)碼管掃描num+;if(num=300)/num=0;RsdTumpFbg=l;讀標(biāo)志位量1定時(shí)器1初始化于程序*/voidInitL_Timcrl(void)TMOD|=0xl0;使用模式1,16位定時(shí)器，使用”符號(hào)可以在使用多個(gè)定時(shí)器時(shí)不受影響TH1=(65536-50000)/256;給定初值50msTL1=(65536-5OOOO)%256;/THl=0xff；/TLl=0xcc;EA=1;總中斷打開ET1=1;定時(shí)器1中斷打開TR1=1;定時(shí)器1開關(guān)打開定時(shí)器1中斷于程序*/voidTimerl_isr(void)interrupt3staticuns