温度控制原理说明书内页.doc

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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date温度控制原理说明书内页目 录目录第1章 绪论11.1 选题背景11.2 选题简介1第2章 系统总体设计及原理2第3章 硬件设计33.1 温度检测电路33.2 时钟电路43.3 键盘显示和报警电路53.4 控温电路6第4章 PID控制设计74.1 PID算法设计74.2 PID程序设计8第5章 软件设计105.1 MAX6675温度采集设计115.2 键盘显示程序设计1

2、15.3 键输入子程序12第6章 总结14第7章 参考文献15附录16程序文件16MAX6675温度值读取程序清单16显示子程序清单17键输入子程序清单21-第1章 绪论1.1 选题背景电阻炉在化工、冶金等行业应用广泛，因此温度控制在工业生产和科学研究中具有重要意义。其控制系统属于一阶纯滞后环节，具有大惯性、纯滞后、非线性等特点，导致传统控制方式超调大、调节时间长、控制精度低。采用单片机进行炉温控制，具有电路设计简单、精度高、控制效果好等优点，对提高生产效率、促进科技进步等方面具有重要的现实意义。1.2 选题简介课题名称：微机温度控制系统设计与实训设计要求：1.现场温度值可处理2.温度范围为4

3、0010003.系统有必要的保护和报警4.温度值要有显示5.误差范围3技术指标：1.以AT89C52系列单片机为核心部件2.以数字电路和模拟电路为硬件基础3.以汇编语言为软件实现语言功能概述：利用微机控制系统完成加热炉温度的检测、处理以及数字控制计算，根据数据结果或进行相应的处理或改变加热功率，达到控制温度的目的。 第2章 系统总体设计及原理本系统由单片机AT89C52、温度检测电路、键盘显示及报警电路、时钟电路、温度控制电路等部分组成。系统中采用了新型元件，功能强、精度高、硬件电路简单。其硬件原理图如图2-1所示 电阻炉传感器温度检测电路时钟电路AT89C52单片机键盘液晶显示温度控制报警电

4、路图2-1 硬件原理图在系统中，利用热电偶测得电阻炉实际温度并转换成毫伏级电压信号。该电压信号经过温度检测电路转换成与炉温相对应的数字信号进入单片机，单片机进行数据处理后，通过液晶显示器显示温度并判断是否报警，同时将温度与设定温度比较，根据设定的PID算法计算出控制量，根据控制量通过控制固态继电器的导通和关闭从而控制电阻丝的导通时问，以实现对炉温的控制。该系统中的时钟电路可以根据要求进行准确计时第3章 硬件设计3.1 温度检测电路本系统采用的K型(镍铬一镍硅)热电偶淇可测量1312以内的温度，其线性度较好，而且价格便宜。K型热电偶的输出是毫伏级电压信号，最终要将其转换成数字信号与CPU通信。传

5、统的温度检测电路采用“传感器一滤波器一放大器一冷端补偿一线性化处理一AD转换”模式，转换环节多、电路复杂、精度低。在本系统中，采用的是高精度的集成芯片MAX6675来完成“热电偶电势一温度”的转换，不需外围电路、IO接线简单、精度高、成本低。MAX6675是MAXIM公司开发的K型热电偶转换器，集成了滤波器、放大器等，并带有热电偶断线检测电路，自带冷端补偿，能将K型热电偶输出的电势直接转换成l2位数字量，分辨率025。温度数据通过SPI端口输出给单片机，其冷端补偿的范围是2080，测量范围是01023.75。图3-1为MAX6675的引脚功能图。引脚号名称功能1GND接地端2T-热电偶负极（使

6、用时接地）3T+热电偶正极4VCC电源端5SCK串行时钟输入端6CS片选信号7SO数据串行输出端8NC悬空不用图3-1 MAX6675的引脚功能图3-2为本系统中温度检测电路。图3-2 温度检测电路当P25为低电平且PZ4口产生时钟脉冲时,MAX6675的SO脚输出转换数据。在每一个脉冲信号的下降沿输出一个数据，l6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,D14-D3为相应的温度转换数据。当P2.5为高电平时，MAX6675开始进行新的温度转换。在应用MAX6675时，应该注意将其布置在远离其它IO芯片的地方。以降低电源噪声的影响；MAX6675的T_端必

7、须接地，而且和该芯片的电源地都是模拟地 要和数字地混淆而影响芯片读数的准确性。3.2 时钟电路在系统中需要准确显示升温时间、恒温时间等，因而选用了时钟芯片DS1302构成定时电路来完成对时间的准确计时。DS1302具有时钟、闹钟、1224小时选择和闰年自动补偿功能；包含有10B的时钟控制寄存器、4B的状态寄存器和114B的通用RAM；具有可编程方波输出功能；报警中断、周期性中断、时钟更新中断可由软件屏蔽或测试。使用时不需任何外围电路，并具有良好的外围接口。在本系统中，DS1302的地址傲据复用总线与单片机的P0口相连。通过定时器中断，CPU每隔0.4秒读一次DS1302的内部时标寄存器，得到当

8、前的时间，并送到液晶显示器进行显示。每当电阻炉从一个状态转入另一个状态，CPU通过DS1302把时间清零，重新开始计时。此外，通过DS1302，还可以设定电阻炉的加热时间和恒温时间。电路如图3中所示。图3-3 键盘、时钟、报警、和控温电路3.3 键盘显示和报警电路本系统采用3*3键盘，由单片机IO口控制，可通过按键设定温度和时间，有的按键在不同情况下可以实现不同功能。显示器选用点阵字符型液晶显示器TC1602，系统中将扩展芯片8155的P0口、PC0一PC2口与TC1602接口相连,TCl602的显示形式是162行，可显示炉温、设定时间、实际时间等。报警电路是将单片机的IO口与驱动芯片MC14

9、13相连，通过MC1413驱动蜂鸣器。键盘电路和时钟电路如图3-3中所示。3.4 控温电路控温电路包括驱动芯片MC1413、过零型交流固态继电器(Z型SSa)。报警和控温电路如图3中所示。z型SSR内部含有过零检测电路，当加入控制信号。且负载电源电压过零时，SSR才能导通；而控制信号断开后，SSR在交流电正负半周交界点处断开。也就是说，当z型SSR在1秒内为全导通状态时，其被触发频率为100HZ；当z型SSR在1秒内导通时间为0.5秒时，其被触发频率为50HZ。在本系统中，采用PID控制算法，通过改变z型SSR在单位时间内的导通时间达到改变电阻炉的加热功率、调节炉内温度的目的。第4章 PID控

10、制设计4.1 PID算法设计对温度的控制算法，采用技术成熟的PID算法，对于时问常数比较大的系统来说，其近似于连续变化，因此用数字PID完全可以得到比较好的控制效果。简单的比例调节器能够反应很快，但不能完全消除静差，控制不精确，为了消除比例调节器中残存的静差，在比例调节器的基础上加入积分调节器，积分器的输出值大小取决于对误差的累积结果，在误差不变的情况下，积分器还在输出直到误差为零，因此加入积分调节器相当于能自动调节控制常量，消除静差，使系统趋于稳定。积分器虽然能消除静差，但使系统响应速度变慢。进一步改进调节器的方法是通过检测信号的变化率来预报误差，并对误差的变化作出响应，于是在P1调节器的基

11、础上再加上微分调节器，组成比例、积分、微分(PID)调节器，微分调节器的加入将有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定，同时加快了系统的稳定速度，缩短调整时间，从而改善了系统的动态性能，其控制规律为：单片机是一种采样控制，它只能根据采样时刻的误差值计算控制变量，不能直接计算公式中的积分项和微分项，采用数值计算法逼近后，PID的调节规律可以通过数值公式为：如果采样取得足够小，这种逼近可相当准确，被控过程与连续过程十分接近。我们变换上式得：把，带入上式得：试中 ei=W-Yi,W设定值，Yi为第i次实际输出值， Kp为比例系数，积分系数I=T/Ti,微分系数D=T/Td,T为采样周期。用PID控制

12、算法实现锅炉温度控制是这样一个反馈过程：比较实际炉温和设定炉温得到偏差，通过对偏差的处理获得控制信号，再去调节炉子的加热功率，从而实现对炉温的控制，由于电阻炉一般都是下一阶段对象和带纯滞后的一阶对象，所以式中Kp、Kd和Ki的选择取决于电阻炉的响应特性和实际经验。本程序先将用户设定温度和电阻炉实际温度T比较，计算出偏差ei，然后分两种情况进行计算控制变量：(1) 大于等于设定的偏差e时，由于积分控制器使系统响应速度变慢，不采用积分控制器调节，直接使用PD调节，获得比较快的动态响应，计算Pd和Pp，最终得到控制量获得比较快的动态响应。(2) 小于设定的设定的偏差e时，正常的分别计算Pi、Pd和P

13、p,然后根据算法公式计算出控制变量。控制流程图如图4.1所示。图4.1 PID控制流程图4.2 PID程序设计PID算法函数void PID(void)，根据误差的大小算出固态继电器的导通时间。程序如下：void PID()uchar Ctrhab20=8，15，2O，4O，5O，6O，7O，80，100，120，140，160，180，200； 控制时间参数表kp=200；kd=3；ki=10； 初始化PID参数 tempsv=controlnum；temppv=T；读入实际、设定温度e2=temsvtemppv；计算误差e0 =el；el=e2；u0=u； 误差及输出量的转赋P=e2一el

14、； 计算P值D=kd*(e22el+e0)； 计算D值if(e2=50) I=kp+e2；判断采用PD还是PID控制else I=0；u=kp(P+I+D)+uO；controltime=ctrhabu；查表赋控制时间第5章 软件设计在系统软件中，主程序完成系统初始化和电炉丝的导通和关断；炉温测定、键盘输入、时间确定和显示、控制算法等都由子程序来完成；中断服务程序实现定时测温和读取时间。流程图如图4-1所示。开始系统初始化设置键盘输入及目标炉温设置Y结束等于目标温度并稳定时间到？炉温测量与显示PID算法控制炉温加热炉温等于上限温度？炉温等于下限温度？全速加热停止加热炉温测量与显示NYNNY图5

15、-1 控制系统程序流程图5.1 MAX6675温度采集设计温度测量开始进行温度测量，这一部分程序作为一个独立的程序段，定时调用，主要包括MAX6675数据读取、开路判断、数据处理和码制转换等几个部分。程序流程图如下：图5-2 MAX6675温度采集程序流程5.2 键盘显示程序设计本次显示用LCD1602完成，利用单片机完成对LCD1602的配置，来完成対时钟的显示和温度的显示，对LCD1602进行配置的第一件事就是要把它的器件手册上有用的内容提取，掌握。最后写出时序，完成显示功能。技术参数如下图4-3所示：显示容量162个字符芯片工作电压4.5-5.5V工作电流2.0mA(5.0V)模块最佳工

16、作电压5.0V字符尺寸2.954.35（WH）mm图5-3 主要技术参数基本操作时序1.1读状态：输入：RS=L.RW=H.E=H 输出D0D7=状态字1.2写指令：输入：RS=L.RW=L.D0D7=指令码.E=高脉冲 输出：无1.3读数据：输入：RS=H.RW=H.E=H 输出：D0D7=数据1.4写数据：输入：RS=H.RW=L.D0D7=数据.E=高脉冲 输出：无5.3 键输入子程序 在键输入子程序设计中，键盘采用编程扫描工作方式。键输入程序的功能有以下4个方面： (1)判别键盘上有无键闭合，其方法为扫描口PAOPA7输出全“0”，读PC口的状态，若PC0PC3为全“1”(键盘上行线全

17、为高电平)，则键盘上没有闭合键，若PC0PC3不为全“1”，则键处于闭合状态。 (2)去除键的机械抖动，其方法为判断出键盘上有键闭合后，延迟一段时间再判别键盘的状态，若仍有键闭合，则认为键盘上有一个键处于稳定的闭合期，否则认为是键抖动。 (3)判别闭合键的键号，方法为对键盘的列线进行扫描。(4)使CPU对按键的一次闭合仅作一次处理。采用的方法为等待闭合键释放以后再处理。键输入程序的流程图如图4-4所示。采用显示子程序作为去键盘抖动的延迟子程序，其优点是在进入键输入子程序后，显示器始终是亮的。图5-4 键输入子程序流程图第6章 总结该系统采用了K型热电偶信号处理集成芯片MAX6675，改变了传统

18、测温电路电路复杂、程序复杂、精度低等问题；采用时钟芯片可以对时间准确计时；采用先进PID控制算法控制、精度高、超调小；整个设计电路简单、设定功能多、操作简单。经反复实验证明：其工作稳定性强、精度高、实用性强、控制效果好、应用前景广。我们此系统的优点：改变了传统的温度检测电路采用“传感器一滤波器一放大器一冷端补偿一线性化处理一A，D转换”模式，采用的是高精度的集成芯片MAX6675来完成“热电偶电势一温度”的转换，不需外围电路，接线简单，精度高；采用时钟芯片便于精确计时，减小单片机的负担；采用先进PID控制算法控制，控制效果好。超调小。第7章 参考文献1 李先锋基于模糊PID的电阻炉温度控制系统

19、研究D 宁夏：宁夏大学.2010. 2 吕小红电阻炉智能温度控制系统的设计和应用D 武汉：武汉科技大学.2008. 3 Katsuhiko Ogata. Moden Control Engineering. Publishing house of electronics Industry.2000.P196-203. 4 Rubaai A,Kotaru R,Kankam M.A Continually Online-Trained Neural Network Controller for Brushless DC Motor DrivesJ IEEE Trans on industry Ap

20、plication.2000.P475-483.5 郁有文.常健.程续红传感器原理及工程应用M 西安：西安电子科技大学出版社.2003. 6 刘洪恩利用热电偶转换器的单片机温度测控系统J 仪表技术2005.P29-30.7 美国MAXIM公司的产品资料.c11.8 虞致国.徐健健MAX6675的原理及应用J 国外电子元器件2002.P41-43. 9 李群芳.张士军.黄建单片微型计算机与接口技术M 北京：电子工业出版社.2009.10 赖寿宏微型计算机控制技术.北京：机械工业出版社.2004.11 何立民McS一51系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术.北京航空航天大学出版社.2001.1

21、2 王延平计算机高精度控温系统的研究与开发J 微计算机信息.2006.P3334.13 刘洪恩利用热电偶转换器的单片机温度测控系统J 仪表技术.2005P 2930.14 孙凯.李元科电阻炉温度控制系统J 传感器技术2003.P50-52.附录程序文件MAX6675温度值读取程序清单 CS BIT P1.0 ；数据输入 SCK BIT P1.1 ；片选 SO BIT P1.2 ；时钟 DATAH DATA 40H ；读取数据高位24 DATAL DATA 41H ；读取数据低位 TDATAH DATA 42H ；温度高位 TDATAL DATA 43H ；温度低位 CLR CS ；CS低电平，

22、停止数据转换，输出数据D15 CLR CLK ；时钟置为低电平MOV R7, #08H RD_DATAH： ；读数据高位字节D15-D8 MOV C，SO ；读SO端数据 RLC A ；累加器左移一位 SETB SCK NOP CLR SCK DJNZ R7，RD_DATA MOV DATAH，A ；将数据高位移入缓冲区MOV R7，#08H RD_DATAL: ；读数据低位字节D7-D0 MOV C，SO ；读SO端数据 RLC A ；累加器左移一位 SETB SCK NOP CLR SCK DJNZ R7，RD_DATAL MOV DATAL，A ；将数据低位移入缓冲区 SETB CS ；

23、CS高电平，停止数据输出，启动 新的数据转换；数据转换子程序，将读得的16位数据转换为12位温度值，去掉无用的位 MOV A，DATAL RLC AMOV DATAL，A MOV A，DATAH RLC A ；整个数据位左移一位，去掉D15位SWAP A ；将DATAH中的高低4位数据互换 MOV B，A ；数据暂存于B中 ANL A，#0FH ；得到温度数据高位字节部分 D14 D11 MOV TDATAH，A ；将温度值高位字节保存 MOV A，B ANL A，#0F0H ；得到温度数据低位字节部分 D10 D7 MOV B，A MOV A，DATAL ； ANL A，#0FH ；得到温度

24、数据低位字节部分 D6 D3 ORL A，B ；合并的温度低位字节 MOV TDATAL，A ；将温度值低位字节保存显示子程序清单 ORG 000HLJMP INITORG 0030HDB P,e,c,h,i,n, ,S,c,i,e,n,c,e LCDE EQU P2.7RW EQU P2.5RS EQU P2.6GPIO_LCD EQU P0INIT:ACALL LCD1602_Init ;初始化1602MAIN:MOV R7,#081H ;设置写指针ACALL LCD_WriteComMOV A,#00H;要读取第一字母MOV DPTR,#0030HMOVC A,A+DPTR;读取“P”M

25、OV R7,A ;给函数传递一个数据ACALLLCD_WriteDataMOV A,#01HMOVC A,A+DPTRMOV R7,AACALL LCD_WriteDataMOV A,#02HMOVC A,A+DPTRMOV R7,AACALL LCD_WriteDataMOV A,#03HMOVC A,A+DPTRMOV R7,AACALL LCD_WriteDataMOV A,#04HMOVC A,A+DPTRMOV R7,AACALL LCD_WriteDataMOV A,#05HMOVC A,A+DPTRMOV R7,AACALL LCD_WriteDataMOV A,#06HMOVC

26、 A,A+DPTRMOV R7,AACALL LCD_WriteDataMOV A,#07HMOVC A,A+DPTRMOV R7,AACALL LCD_WriteDataMOV A,#08HMOVC A,A+DPTRMOV R7,AACALL LCD_WriteDataMOV A,#09HMOVC A,A+DPTRMOV R7,AACALL LCD_WriteDataMOV A,#00AHMOVC A,A+DPTRMOV R7,AACALL LCD_WriteDataMOV A,#0BHMOVC A,A+DPTRMOV R7,AACALL LCD_WriteDataMOV A,#0CHMOV

27、C A,A+DPTRMOV R7,AACALL LCD_WriteDataMOV A,#0DHMOVC A,A+DPTRMOV R7,AACALL LCD_WriteDataAJMP $;原地跳转;*; 1602初始化程序 ；;*;LCD1602_Init: MOV R7,#038H;传递给LCD_WriteCom函数的值放在R7ACALL LCD_WriteCom;设置显示模式MOV R7,#00CH ;设置显示开，光标关闭。ACALL LCD_WriteComMOV R7,#006H ;设置地址指针写后加1，而且整屏不移动ACALL LCD_WriteComMOV R7,#001H;显示清

28、屏ACALL LCD_WriteComMOV R7,#081H;设置起始指针ACALL LCD_WriteComRET;子函数返回;*; 1602写命令程序 ；;*;LCD_WriteCom: ;用R7接收传递一个8位数据CLR LCDECLR RSCLR RWMOV GPIO_LCD,R7ACALL DELAYSETB LCDEACALL DELAYCLR LCDERET;*; 1602写数据程序 ；;*;LCD_WriteData: ;用R7接收传递一个8位数据CLR LCDESETB RSCLR RWMOV GPIO_LCD,R7ACALL DELAYSETB LCDEACALL DEL

29、AYCLR LCDERET;*; 延时程序 ；;*;DELAY:MOV R6,#0FFHDJNZ R6,$RETEND键输入子程序清单 KEYI： ACALL KS1 ；调用判有无键闭合子程序 JNZ KS1 NI： ACALL DIR ；调用显示子程序 AJMP KEYI JK1： ACALL DIR ；延迟12ms ACALL DIR ACALL KS1 ；调用判有无键闭合子程序 JNZ LK2 ACALL DIR ；调用显示子程序延迟6ms AJMP KEYI LK2： MOV R2,#0FFH ；扫描模式R2 MOV R4，#00H ；R4内容为列序号 LK4： MOV DPTR，#0

30、FD0IH ；扫描模式-8155的PA口 MOV A，R2 MOVX DPTR，A INC DPTR ；数据指针增2，指向PC口 INC DPTR MOVX A，DPTR ；读8155PC口的行线状态 JB ACC.0，LONE ；转判第1行 MOV A，#00H ；0行有键闭合，首键号0A AJMP LKP ；跳键号计算子程序 LONE：JB ACC.1，LTWO ；转判第2行 MOV A，#08H ；第l行有键闭合，首键号8AAJMP LKP ；跳键号计算子程序 LTWO：JB ACC2，LTHR ；转判第3行 MOV A，#10H ；第2行有键闭合，首键号10HA AJMP LEP ；跳

31、键号计算子程序 LTHR：JB ACC3，NEXT ；转判下一列 MOV A，#18H ；第3行有键闭合，首键号18HA LKP： ADD A，R4 ；行首键号+列号=按下的键号 PUSH A ；键号进栈保护 LK3： ACALL DIR ；调用显示子程序，延迟6ms ACALL KSl JNZ LK3 ；判断键释放否 POP A ；键号出栈A RET NEXT：INC R4 ；列序号增1 MOV A，R2 ；判是否已扫到最右边一列 JNB ACC.7，KND ；扫到最右边一列，跳向键盘扫描程序 RL A ；扫描模式移向右一列 MOV R2，A AJMP LK4 KND：AJMP KEYI KSl： MOY DPTR，#0FD01H ；判有无键闭合子程序，全“0”扫描口(PA口)，即列线全为低电平 MOV A，#00H MOVX DPTR，A INC DPTR ；DPTR增2，指向PC口INC DPTR MOVX A，DPTR ；读行线的状态 CPL A ANL A，#OFH RET