恒温箱控制系统设计.docx
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恒温箱控制系统设计
一.课程设计内容
运用所学单片机、模拟和数字电路、和测控系统原理与设计等方面的知识,设计出一台以AT89C52为核心的恒温箱控制器,对恒温箱的温度进行控制。
完成恒温箱温度的检测、控制信号的输出、显示及键盘接口电路等部份的软、硬件设计,A/D和D/A转换器件可自行肯定,利用按键(自行概念)进行温度的设定,同时将当前温度的测量值显示在LED上。
恒温箱控制器要求如下:
1)目标稳固温度范围为100摄氏度——50摄氏度。
2)控制精度为±1度。
3)温度传感器输入量程:
30摄氏度——120摄氏度,电流4——20mA。
加热器为交流220V,1000W电炉。
二.课程设计应完成的工作
1)硬件部份包括微处置器(MCU)、D/A转换、输出通道单元、键盘、显示等;
2)软件部份包括键盘扫描、D/A转换、输出控制、显示等;
3)用PROTEUS软件仿真实现;
4)画出系统的硬件电路结构图和软件程序框图;
5)撰写设计说明书一份(很多于2000字),论述系统的工作原理和软、硬件设计方式,重点论述系统组成框图、硬件原理设计和软件程序流程图。
说明书应包括封面、任务书、目录、摘要、正文、参考文献(资料)等内容,和硬件电路结构图和软件程序框图等材料。
注:
设计说明书题目字体用小三,黑体,正文字体用五号字,宋体,小题目用四号及小四,宋体,并用A4纸打印。
三.课程设计进程安排
序号
课程设计各阶段名称
日期、周次
1
总体设计,硬件设计
2012年12月24日~25日,17周
2
绘制软件程序流程图,编写软件
2012年12月26日~28日,17周
3
软、硬件仿真调试
2012年12月27日,18周
4
软、硬件仿真调试
2013年1月2日~3日,18周
5
撰写设计说明书
2013年1月4日,18周
四、.设计资料及参考文献
1.王福瑞等.《单片微机测控系统设计大全》.北京航空航天大学出版社,1999
2.《现代测控技术与系统》韩九强清华大学出版社2007.9
3.《智能仪器》程德福,林君主编机械工业出版社2005年2月
4.《测控仪器设计》浦昭邦,王宝光主编机械工业出版社2001
5.KeilC51帮忙文档
五.成绩评定综合以下因素:
(1)说明书及设计图纸的质量(占60%)。
(2)独立工作能力及设计进程的表现(占20%)。
(3)回答问题的情形(占20%)。
说明书和图纸部份评分分值散布如下:
1、需求分析与设计思路(10分)
要求说明设计任务的具体技术指标打算如何实现,按如实现各技术指标的解决方式,提出整体设计的思路和解决方案,说明其中关键问题及其解决办法。
2、整体方案设计(10分)
按照设计思路,完成:
1)软件与硬件分工说明;2)硬件整体框图;3)软件结构图。
3、详细设计(35分)
按照整体设计:
1)用Proteus画出电路原理图;(10分)
2)列出元件清单并说明元件选择及参数选择的依据;(5分)
3)画出单片机片内资源分派图(或表);(5分)
4)画出软件流程图;(10分)
5)提交程序清单。
(5分)
4、利用说明(5分,第3)项为2分,其余每项1分。
)
1)性能和功能介绍;2)各操作开关、按钮、指示灯、显示器等的作用介绍;3)利用操作步骤;4)故障处置。
附录2程序清单………………………………………………………………27
绪论
随着社会进展的需求,人们对恒温箱的应用和需求愈来愈普遍,在工业生产和日常生活或科学实验中,咱们处处都能够看到恒温箱的应用。
如,能够按照动物生活习性的需要控制饲养棚适合的温度来进行孵卵或动物培育;在农业上,可用于种子的发芽;在科学实验上,可产生恒温环境用于各类细菌培育等;在医学上,可用于做细菌培育、放射免疫分析、血清溶化、石腊熔化、试管消毒等。
常常利用的恒温箱主要分为三类:
高温恒温箱(高于60℃);中温恒温箱(-10~60℃);低温恒温箱(低于-1O℃)。
恒温箱的温度控制系统可分为人工调节和自动调节两种方式,人工调节是通过温度计进行测量后手动调节变压器,从而控制产生热量的大小;而自动调节往往通过热电偶传感器进行测温,输出电压值,经放大后加到电机上驱动电机来调节变压器,其长处是能够持续、实时、准确的来控制温度。
基于单片机技术的温控器和可编程温度传感器相结合利用是目前恒温箱温度控制较为先进的一种方式。
单片机是一种集CPU、RAM、ROM、I/O接口和中断系统等部份于一体的器件,只需要外加电源和晶振就可实现对数字信息的处置和控制。
因此,单片机普遍用于现代工业控制中。
控制具有体积小、重量轻、价钱低、靠得住性高、耗电少和灵活机动等许多长处,因此若是能利用单片机进行温度的测量和控制,将会大大提高温度测量和控制的靠得住性和灵活性。
单片机对温度测量控制进程是借助于传感器、A/D转换器和扩展接口和执行机构来进行的。
在闭环型进程控制中,进程的实时参数由传感器和A/D转换器来实时收集,并由单片机自动记录、处置并控制执行机构动作来进行调节和控制。
因此需要对单片机进行扩展和开发,来形成整个单片机温度控制系统。
一、主要任务与目标:
恒温控制在工业生产进程中举足轻重,温度的控制直接影响着工业生产的产量和质量。
本课题基于单片机设计一个恒温箱控制系统,系统包括硬件和软件两部份,其中硬件包括数据收集、显示、控制、报警及温度传感器的设计,软件包括键盘管理程序设计、显示程序设计、控制程序设计和温度报警程序设计。
能够实现设置和调节初始温度值,进行数码显示,当加热到设定值后立刻报警。
设计进程中设计的控制方案能够保证精度,考虑系统的安全性、靠得住性和稳固性。
二、主要内容与大体要求:
1.主要内容:
(1)了解温度传感器特点及其适用范围,针对恒温箱进行合理的选型;
(2)掌握控制器单片机的有关知识,并熟悉其编程;
(3)对单片机测控程序及其接口技术作重点的掌握;
(4)在以上几个内容的基础上,进行课题的整体设计,绘制系统的整体电路。
选择适合的相关硬件,最终完本钱课题的设计。
2.大体要求:
运用所学单片机、模拟和数字电路、和测控系统原理与设计等方面的知识,设计出一台以AT89C52为核心的恒温箱控制器,对恒温箱的温度进行控制。
完成恒温箱温度的检测、控制信号的输出、显示及键盘接口电路等部份的软、硬件设计,A/D和D/A转换器件可自行肯定,利用按键(自行概念)进行温度的设定,同时将当前温度的测量值显示在LED上。
三、恒温箱控制系统的硬件设计
1.系统设计要求
1)目标稳固温度范围为100摄氏度——50摄氏度。
控制精度为±1度。
2)温度传感器输入量程:
30摄氏度——120摄氏度,电流4——20mA。
加热器为交流220V,1000W电炉。
3)键盘按键输入,具有设定、加温、减温、复位等。
4)显示功能,数码管显示设定值与当前所测温度值。
5)具有超温报警功能。
6)具有掉电保护功能。
2.方案设计
1)以应用普遍、性能靠得住的MCS51系列单片机组成控制系统。
2)温度采样选择数字温度传感器DS18B20。
3)利用PP40微型打印机进行温度记录打印。
4)单片机与上位机通信采用MAX489组成标准RS-422A通信接口。
5)键盘为8键式,完成设定、增温、降温、清除、模式切换、复位、,3位数码管循环显示设定与检测的温度。
四、恒温箱控制系统框图
五、功能模块
按照上面对工作流程的分析,系统软件能够分为以下几个功能模块:
(1)键盘管理:
监测键盘输入,接收温度预置,启动系统工作。
(2)显示:
显示设置温度及当前温度。
(3)温度检测及温度值变换
(4)温度控制:
按照检测到的温度控制电炉工作。
(5)报警:
当预置温度或当前炉温越限时报警。
六、硬件设计及工作原理
1.系统功能及工作流程介绍
按照恒温箱控制器的功能要求,并结合对51系列单片机的资源分析,即单片机软件编程自由度大,可用编程实现各类控制算法和逻辑控制。
所以采用AT89C52作为电路系统的控制核心。
按键将设置好的温度值传给单片机,通过温度显示模块显示出来。
初始温度设置好后,单片机开启输出控制模块,使电热器开始加热,同时将从数字温度传感器DS18B20测量到的温度值实时的显示出来,当加热到设定温度值时,单片机控制声光报警模块,发作声光报警,同时关闭加热器。
当自然冷却到设定温度50摄氏度以下时,单片机再次启动加热器,如此循环反复,以达到恒温控制的目的。
系统结构框图如图1所示,系统大体硬件电路图如图所示,在本系统中,DP1~DP3用于七段数码显示;P1.0用于接收DS18B20收集到的数字温度信号;P1.6控制光电开关,决定电加热器是不是工作;KEY1~KEY3即P1.1,P1.2,P1.3用于按键控制;P1.7和P1.5用于控制扬声器和发光二极管,进行声光报警;串行口用于输出显示段码;P2.0、P2.1用于对数码管进行动态扫描。
2.微处置器AT89C52
AT89C52单片机是最新的一种低功耗、高性能内含SK字节闪电存储器的8位CMOS微控制器,与工业标准MCS—51指令系列和引脚完全兼容有超强的加密功能,其片内闪电存储器的编程与擦除完全用电实现,数据不易挥发,编程/擦除速度快,它的主要特点有:
(1)内部程序存储器为电擦除可编程只读存储器EEPROM,容量SKB,内部数据存储器容量256B(不包括专用寄放器),外部数据存储器寻址空间64KB,外部程序存储器寻址空间64KB;
(2)有三个16位的按时器/计数器;
(3)可利用两根I/O口线作为全双工的串行口,有四种工作方式,可通过编程选定;
(4)内部ROM中开辟了四个通用工作寄放器区,共32个通用寄放器,以适应多种中断或子程序嵌套的情形;
(5)内部有6个中断源,分为二个优先级,每一个中断源优先级是可编程的;
(6)堆栈位置是可编程的,堆栈深度可达128字节;
(7)内部有一个由直接可寻址位组成的布尔处置机,在指令系统中包括了一个指令子集,专用于对布尔处置机的列位进行各类布尔处置,特别适用于控制目的和解决逻辑问题
AT89C52其引脚结构
3.温度传感器
采用数字温度传感器DS18B20,DS18B20提供九位温度读数,测量范围-55℃~125℃,采用独特1-WIRE总线协议,只需一根口线即实现与MCU的双向通信,具有连接简单,高精度,高靠得住性等特点。
而且,DS18B20支持一主多从,若想实现多点测温,可方便扩展。
DS18B20采用的是1-Wire总线协议方式,即在一根数据线实现数据的双向传输,而对AT89C52单片机来讲,硬件上并非支持单总线协议,因此,咱们必需采用软件的方式来模拟单总线的协议时序来完成对DS18B20芯片的访问。
DS18B20的特点:
(1)独特的单线接口方式,与单片机通信只需一个引脚,DS18B20与微处置器连接时仅需要一条口线即可实现微处置器与DS18B20的双向通信。
(2)在利用中不需要任何外围元件。
(3)可用数据线供电,电压范围:
+3.0~+5.5V。
(4)测温范围为-55~+125℃。
在-10~+85℃范围内误差为0.5℃。
(5)通过编程可实现9~12位的数字读数方式。
(6)用户可自设定非易失性的报警上下限值。
(7)支持多点组网功能,通过识别芯片各自唯一的产品序列号从而实现单线多挂接,多个DS18B20能够并联在唯一的线上,简化了散布式温度检测的应用,实现多点测温。
(8)负压特性,电源极性接反时,温度计不会因发烧而烧毁,但不能正常工作。
(9)告警寻觅命令能够识别和寻址那些温度超出预设告警界限的器件。
(3)DS18B20在电路中的连接,见图。
(2)1-wire总线支持一主多从式结构,硬件上需外接上拉电阻。
当一方完成数据通信需要释放总线时,只需将总线置高点平即可;若需要取得总线进行通信时则要监视总线是不是空闲,若空闲,则置低电平取得总线控制权。
DS18B20测温电路
4.显示部份
显示采用3位共阳LED动态显示方式,显示内容有温度值的十位、个位及小数点后
一名。
用P2口作为段控码输出,并用74ls164作驱动。
P0.0—P0.2作为位控码输出,
用PNP型三极管做驱动.
5.键盘输入电路
键盘设定:
用于温度设定。
共三个按键。
KEY1(P1.1):
状态切换;温度设置确认;温度从头设置。
KEY2(P1.2):
设置温度“+”。
KEY3(P1.3):
设置温度“-”。
6.输出控制
采用光电藕合器,控制信号与输出信号能够专门好的隔离,增强了系统的安全性和抗干扰能力。
输出控制电路,MOC3021内部带有过零控制电路,MOC3021输出端额定电压为400V。
加热电路中采用MOC3021的目的有两个:
其一是实现强电与弱电的隔离;其二是实现双向可控硅的过零触发,从而使流过双向可控硅的电流波形为正弦波,减少谐波。
电路连接如图所示,其在电路中的工作原理是单片机按照传感器和设定开关输入的控制指令,控制电器的电源通断。
SW1为双向开关,其最大通态电流为1A。
当电源控制电路的输出管脚P1.6送出的开关控制指令为高电平,MOC3021截止,Q2截止,电器被关闭;当电源控制电路的输出管脚P1.6送出的开关控制指令为低电平,MOC3041导通,Q2导通,电器被打开。
通过MOC3021内部的过零触发电路,保证Q2在电压过零时导通和截止,对供电系统干扰极小。
R6和C6是Q2的保护电路。
光耦控制输出电路
7.温度越线报警电路
报警电路如图所示,该电路采用一个小功率三极管Q2驱动蜂鸣器,当单片机接收到逾额温度信号或危险信号时,输出脚P1.7输出高点平,Q2导通,致使蜂鸣器得电工作,发出报警声。
同时,电路中的发光二极管指示出电路的工作状态。
报警电路
8.恒温箱控制器硬件系统图
9.PID控制算法
(1)PID的数学模型
PID控制是一种比较成熟的控制理论,它通过比例、积分、微分三部份的合理组合能够用比较简单的方式取得令人满意的控制效果。
PID的数学模型如图表示:
PID数学模型
给定值R(t)与实际值Y(t)组成控制误差:
E(t)=R(t)-Y(t)式2-1
PID控制器按照E(t)将误差的比例(P)、积分(I)、和微分(D)通过线性组合组成控制量,对受控对象进行控制,其控制规律如式2所示:
U(t)=KP[e(t)+
]式2-2
U(t)——控制器输出函数;E(t)——控制器误差函数;
KP——比例系数;Ti——积分时刻常数;Td——微分时刻常数。
一个最简单的控制器能够只有比例部份,它能够产生与输入信号成比例的输出信号,所以误差一旦产生,控制器当即就有控制作用,使被控制量朝着减小误差的方向转变,控制作用的强弱取决于比例系数KP。
比例控制的缺点是不能在设置点和反馈点之间产生零误差(静差),为了产生有限的输出信号,必需维持这种静差。
加大KP能够减小静差,可是KP过大会致使动态性能变坏,乃至会使闭环系统不稳固。
为了消除这种静差,能够引入积分控制环节,积分环节能对误差进行记忆并积分,即便只存在很小的误差,也能够将其积分后作用于操作部份,有利于消除静差。
可是积分作用具有滞后特性,它老是滞后于误差的存在,如此会使系统易于振荡,结果往往超调,使被控变量波动专门大。
积分控制常常利用于补偿高精度的控制系统。
微分控制能对误差进行微分,敏感出误差的转变趋势,将预期的动作作用于操作部份,增大微分控制作用能够加速系统的响应,使超调量减小,增加系统的稳固性。
缺点是微分控制对干扰一样敏感,使系统抑制干扰的能力降低。
微分控制可用于补偿快速转变的控制系统。
(2)PID控制规律的离散化
为了用运算机实现PID控制,必需将式表示PID控制规律的持续形式变成离散形式,才能通过编程实现。
若设温度采样周期为T,第n次采样取得的输入误差为en,输出为Un。
微分用差分代替
式2-3
积分用求和代替
式2-4
如此PID控制器控制算法的离散形式改写为
式2-5
这种算法的缺点是,由于是全量输出,所以每次输出均与过去的状态有关,计算时要对E(n)进行累加,所以运算机工作量大。
而且,因为运算机输出的U(n)对应的是执行机构的实际位置,若是运算机出现故障,u(n)的大幅度转变会引发执行机构位置的大幅度转变,这种情形往往是生产实践中不允许的,在某些场合,可能造成重大的生产事故,因此产生了增量式PID控制的控制算法。
所谓增量式PID控制算法是指数字控制器的输出只是控制量的增量U(n)。
当执行机构需要的是控制量的增量时,可由式导出提供增量的PID控制算法。
按照递推规律得:
式2-6
用式2-5减去式2-6可得:
式2-7
改写成:
=
式2-8
事实证明,对于PID如此简单的控制器,能够适用于普遍的工业和民用对象,并以其很高的性价比在市场中占主导地分反映了PID控制,但在工业控制进程中常常会碰着大滞位,充后、时变的、非线性的复杂系统,其中有的是非线性系统;有的带有延时和随机干扰;有的无法取得较准确的数学模型或模型超级粗燥。
对于以上这些系统,若是采用常规的PID控制器,则难以整定PID参数,因此比较难以达到预期的控制效果。
同时,在实际生产现场,由于受到参数整定方式繁杂的困扰,常规PID控制器参数往往整定不良、性能欠佳,对运行工矿的适用性很差。
七、系统的软件设计
软件描述:
在软件设计时,必需先弄清恒温控制系统的操作进程和工作进程。
加热器开始时处于停止状态,第一设定温度,显示器显示温度,温度设定后则能够启动加热。
温度检测系统不断检测并显示系统中的实时温度,当达到设定值后停止加热,当温度下降到下限(小于设定值1℃)时再自动启动加热,如此不断的循环,使温度维持在设定范围之内。
启动加热以后就不能再设定温度,因为温度的设定能够按如实验要求改变。
若要改变设定的温度,能够先按复位/停止键再重复上述进程。
按照以上对操作和工作进程的分析,程序应分为两个阶段:
一是通电或复位后到启动加热,程序主如果按键设定、显示器显示设定温度;二是检测并显示系统的实时温度,并按照检测的结果控制电热器,这时系统不接收键盘的输入。
因此,程序能够分为以下几个功能模块:
温度设定和启动;显示;温度检测;温度控制和报警。
一、温度传感器DS18B20模块软件设计
DS18B20上电后处于空闲状态,需要控制器发能完成温度转换。
DS18B20的单线通信功能是分时完成的,具有严格的时序要求,而AT89C2052单片机并非支持单线传输,必需采用软件的方式来模拟单线的协议时序。
DS18B20的操作必需严格依照协议进行。
工作协议流程为:
主机发复位脉冲初始化DS18B20→DS18B20发响应脉冲→主机发ROM操作指令→主机发存储器操作指令→数据传输。
对DS18B20操作时,第一要将它复位。
复位时,DQ线被拉为低电平,时刻为480~960us;接着将数据线拉为高电平,时刻为15~60us;最后DS18B20发出60~240us的低电平作为应答信号,这时主机才能进行读写操作。
进行写操作时,将数据线从高电平拉至低电平,产生写起始信号。
从DQ线的下降沿起计时,在15us到60us这段时刻内对数据线进行检测,如数据线为高电平则写1;若为低电平,则写0,完成了一个写周期。
在开始另一个写周期前,必需有1us以上的高电平恢复期。
每一个写周期必需要进行写操作时,将数据线从高电平拉至低电平,产生写起始信号。
从DQ线的下降沿起计时,在15us到60us这段时刻内对数据线进行检测,如数据线为高电平则写1;若为低电平,则写0,完成了一个写周期。
在开始另一个写周期前,必需有1us以上的高电平恢复期。
每一个写周期必需要有60us以上的持续期。
读操作时,主机将数据线从高电平拉至低电平1us以上,再使数据线升为高电平,从而产生读起始信号。
从主机将数据线从高电平拉至低电平起15us至60us,主机读取数据。
每一个读周期最短的持续期为60us,周期之间必需有1us以上的高电平恢复期。
温度转换读取温度数值程序流程如图所示。
温度转换读取温度数值程序流程
2、键盘管理模块
键盘管理子程序流程如图所示。
当通电或复位以后,系统进入键盘管理状态,单片机只接收设定温度和启动。
当检测到有键闭合时先去除抖动,这里采用软件延时的方式,延时一段时刻后,再肯定是不是有键闭合,然后将设定好的值送入预置温度数据区,并挪用温度合法检测报警程序,当设定温度超过最大值如100℃时就会报警,最后当启动键闭合时启动加热。
键盘设定:
用于温度设定。
共三个按键。
KEY1(P1.1):
状态切换;温度设置确认;温度从头设置。
KEY2(P1.2):
设置温度“+”。
KEY3(P1.3):
设置温度“-”。
系统上电后,数码管全数显示为零,按照按KEY1次数,决定显示的状态,按照相应的状态,利用KEY二、KEY3进行加减,当温度设定好以后,再按KEY1肯定,系统开始测温,启加热器。
3、显示模块
显示子程序的功能是将缓冲区的二进制数据先转换成3个BCD码,再将其别离存入百位、十位、个位3个显示缓冲区,送往串行口,利用单片机的P0口进行扫描,让数据动态的显示出来,可显示设置温度和测量温度。
4、控制模块
温度控制子程序流程如图所示,将当前温度与设定好的温度比较,铛铛前温度小于设定温度时,开启电热器;铛铛前温度大于设定温度时,关闭电热器;当二者相等时,电热器维持这一状态。
5、温度报警模块
报警子程序流程如图所示。
按照设计要求,当检测到当前温度值高于设定温度值1℃时报警,报警的同时关闭电热器。
为了避免误报,设置了报警允许标志,只有在允许报警的情形下,温度值高于设定温度值时才报警。
6、PID控制程序设计
由式2-8能够改写成:
P(K)=P(K-1)+KP[E(K)-E(K-1)]+KI·E(K)+KD[E(K)-2E(K-1)+E(K-2)]
=P(K-1)+PP+PI+PD式6-1
按照式6-1编程,相应的程序框图如图所示:
7、主程序模块
主程序主要完成加热控制系统各部件的初始化和实现各功能子程序的挪用,和实
际测量中各个功能模块的协调在无外部中断申请时,单片机通过循环对外部温度进行实
时显示。
把设置键作为外部中断0,以便能对数字按键进行相应处置。
主程序流程图如
八、硬件调试
按照设计的原理电路做好实验样机,便进入硬件调试阶段。
调试工作的主要任务是排除样机故障,其中包括设计错误和工艺性故障。
九、仿真调试
在硬件调试通事后,按照硬件电路,在keil上编写出单片机的主程序和相应的子程序。
调试编译后生成hex文件,加载到52单片机中,开始调试,按照led的显示判断程序的对错,直到调试结果与设计的要求为止。
在那个进程中要不断的修改编写的程序,有时候还要适当的修改硬件电路。
十、设计总结
咱们的温度控制系统是基于AT89S52单片机的设计方案,她能实时显示当前温度,
并能按照用户的要求作出相应的控制。
此系统为闭环系统,工作稳固稳固性高,控制精
度高,利用模糊控制算法使超调量大大降低。
软件采用模块化结构,提高了通用性。
本设
计的目的不单单是温度控制本身,主要提供了单片机外围电路及软
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- 恒温箱 控制系统 设计