水温自动控制系统设计.doc

水温自动控制系统设计 摘 要 水温自动控制系统在工业及日常生活中应用广泛 在生产中发挥着重要作用 实现 水温控制的方法很多 如单片机控制 PLC 控制等等 而其中用单片机控制实现的水温控 制系统 具有可靠性高 价格低 简单易实现等多种优点 单片机用于工业控制是近年 来发展非常迅速的领域 现在许多自动化的生产车间里 都是靠单片机来实现的 温度是工业控制对象主要被控参数之一 在温度控制中 由于受到温度被控对象特 性 如惯性大 滞后大 非线性等 的影响 使得控制性能很难提高 有些工艺过程其 温度控制的好坏直接影响着产品的质量 因此设计一种较为理想的温度控制系统是非常 有价值的 为了实现高精度的水温测量和控制 本文介绍了一种以 Atmel 公司的低功耗高性能 CMOS 8 位单片机为核心 以 PID 算法控制以及 PID 参数整定相结合的方法来实现的水温 控制系统 其硬件电路包括温度采集 温度控制 温度显示 键盘输入以及 RS232 接口 等电路 该系统可实现对温度的测量 并能根据设定值对温度进行调节 实现控温的目 的 关键词 AT89S52 温度控制 PT1000 PID Design of Temperature Automatic Control System ABSTRACT The temperature is one of the mainly charged parameters which are industrial 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 etc Its temperature control process will have a direct impact on the quality of the product in some technological process 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 algorithm 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 according to the setting value Keywords AT89S52 temperature control PT1000 PID 目 录 1 引言 1 1 1 课题背景 1 1 2 国内外研究现状 1 1 3 研究方法 1 2 系统方案 2 2 1 水温控制系统设计任务和要求 2 2 2 水温控制系统 2 2 2 1 方案选择 2 2 2 2 温度控制系统算法分析 4 3 系统硬件设计 9 3 1 总体设计框图及说明 9 3 2 外部电路设计 9 3 2 1 温度采集电路 9 3 2 2 温度控制电路 11 3 3 单片机系统电路设计 11 3 3 1 A D 转换电路 11 3 3 2 串口通讯部分电路 14 3 3 3 数码显示电路 16 4 系统软件设计 17 4 1 程序框架结构 17 4 2 程序流程图及部分程序 17 4 2 1 主程序模块 17 4 2 2 系统初始化 19 4 2 3 按键程序 19 4 2 4 A D 采样数据处理 21 4 2 5 PID 计算 24 4 2 6 继电器控制 25 5 系统安装调试与测试 27 5 1 串口调试 27 5 2 继电器测试 27 5 3 温度采集与测试 27 6 结论 28 参考文献 29 致 谢 30 1 引言 1 1 课题背景 温度控制是无论是从工业生产过程中 还是在日常生活中都起着至关重要的作用 过低的温度或者过高的温度都会使水资源失去应用的作用 从而造成水资源的巨大浪费 特别是在当前全球水资源极度匮乏的情况下 我们就更应该掌握好对水温的控制 在环 境恶劣或温度较高等场合下 为了保证生产过程正常安全地进行 提高产品的质量和数 量 及减轻工人的劳动强度 节约能源 要求对加热炉炉温进行测示 显示 控制 使 之达到工艺标准 以单片机为核心设计的水温控制系统 可以同时采集多个数据 并将 数据通过通讯口送至上位机进行显示和控制 1 2 国内外研究现状 目前 国外温度控制系统及仪表正朝着高精度智能化 小型化等方面快速发展 温 度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛 但从国内生产的温度控制器来讲 总体发展水平仍然不高 同国外的日本 美国 德国等先进国家相比 仍然有着较大的 差距 目前 我国在这方面总体技术水平处于 20 世纪 80 年代中后期水平 成熟产品主 要以 点位 控制及常规的 PID 控制器为主 它只能适应一般温度系统控制 难于控制 滞后复杂时变温度系统控制 而且适应于较高控制场合的智能化 自适应控制仪表国内 技术还不十分成熟 形成商品化并广泛应用的控制仪表较少 现在 我国在温度等控制 仪表业与国外还有着一定的差距 随着嵌入式系统开发技术的快速发展及其在各个领域的广泛应用 人们对电子产品 的小型化和智能化要求越来越高 作为高新技术之一的单片机以其体积小 价格低 可 靠性高 适用范围大以及本身的指令系统等诸多优势 在各个领域 各个行业都得到了 广泛应用 1 3 研究方法 本文主要介绍单片机温度控制系统的设计过程 其中涉及系统结构设计 元器件的 选取和控制算法的选择 程序的调试和系统参数的整定 以 AT89S52 为 CPU 温度信号由 Pt1000 和电压放大电路提供 电压放大电路用超低温漂移高精度运算放大器 OP07 将温度 电压信号进行放大 用单片机控制 SSR 固态继电器的通断时间以控制水温 系统控制对 象为 1 升净水 容器为搪瓷器皿 水温可以在环境温度降低时实现自动控制 以保持设 定的温度基本不变 具有较好的快速性与较小的超调 2 系统方案 2 1 水温控制系统设计任务和要求 该系统设计任务 设计一个水温自动控制系统 控制对象为 1 升净水 容器为搪瓷器皿 水温可以在 一定范围内由人工设定 并能在环境温度降低时实现自动调整 以保持设定的温度基本 不变 系统设计具体要求为 温度设定范围为 40 90 环境温度降低时温度控制的静态误差 1 采用适当的控制方法 当设定温度突变 由 40 提高到 60 时 减小系统的调节 时间和超调量 用十进制数码管显示水的实际温度 2 2 水温控制系统 水温控制系统是一个过程控制系统 组成框图如图 2 1 所示 由控制器 执行器 被控对象及反馈作用的测量变送组成 图 2 1 控制系统框图 除了以上的组成元件以外 还需要选择合适的算法以实现所要求的控制精度 以下 我会对关键的元件以及电路的确定进行详细的分析 因为方案选取的好坏将直接影响着 整个系统实现效果的优劣 2 2 1 方案选择 方案一 采用 8031 作为控制器 使用最为普遍的器件 ADC0804 作模数转换 控制上 使用对电阻丝加电使其升温和开动风扇使其降温 此方案简易可行 器件的价格便宜 但 8031 内部没有程序存储器 需要扩展 增加了电路的复杂性 方案二 此方案采用 89S52 单片机实现 此单片机软件编程自由度大 可用编程实 现各种控制算法和逻辑控制 控制电路部分采用 SSR 固态继电器控制电炉丝的通断此方 案电路简单并且可以满足题目中的各项要求的精度 将两个方案相比较后可得出一个结论 采用 Atmel 单片机来实现本题目 无论是从 结构上 还是从工作量上都有很大的优势 所以我最后选择使用 AT89S52 作为该控制系 统的核心 根据水的温度变化慢 并且控制精度不易掌握的特点 我们设计了以 AT89S52 单片机为检测控制中心的水箱温度自动控制系统 总体框图如图 2 2 所示 图 2 2 控制器设计总体框图 温度控制采用改进的 PID 数字控制算法 数码显示采用 3 位 LED 静态显示 该设计 结构简单 控制算法新颖 控制精度高 有较强的通用性 图 2 3 为整个水温控制系统的原理图 分别由测温电路 继电器控制电路 串口通 讯电路 LED 显示电路等部分组成 图 2 3 水温控制电路原理图 2 2 2 温度控制系统算法分析 系统算法控制采用工业上常用的位置型 PID 数字控制 并且结合特定的系统加以算 法的改进 形成了变速积分 PID 积分分离 PID 控制相结合的自动识别的控制算法 该方 法不仅大大减小了超调量 且有效地克服了积分饱和的影响 使控制精度大为提高 长 期以来国内外科技工作者对温度控制器进行了广泛深入的研究 研究了大批温度控制器 如性能成熟应用广泛的 PID 调节器 智能控制 PID 调节器 自适应控制等 此处主要对 一些控制器特性进行分析以便选择适合的控制方法应用于改造 常用的控制算法有以下几种 1 经典的比例积分微分控制算法 2 根据动态系统的优化理论得到的自适应控制和最优控制方法 3 根据模糊集合理论得到模糊控制算法 自适应控制 最优控制方法以及模糊控制算法是建立在精确的数学模型基础上的 在实时过程控制中 由于控制对象的精确数学模型难于建立 系统参数经常发生变化 运用控制理论进行综合分析要花很大代价 同时由于所得到的数学模型过于复杂难于实 现 在实时控制系统中要求信号的控制信号的给出要及时 所以在目前的过程控制系统 中较少采用自适应控制 最优控制方法和模糊控制算法 目前在过程控制中应用较多的 还是 PI 控制算法 PD 控制算法和 PID 控制算法 水温控制系统的控制对象具有热储存能力大 惯性较大的特点 水在容器内的流动 或热量传递都存在一定的阻力 因此可以归于具有纯滞后的一阶惯性环节 对于大惯性系统的过渡过程控制 一般可采用以下几种控制方案 1 开关量控制 这种方法通过比较给定值与被控参数的偏差来控制输出的状态 开通或关断 因此 控制过程十分简单 也容易实现 但由于输出控制量只有两种状态 使被控参数在两个 方向上变化的速率均为最大 因此容易引起反馈回路振荡 控制精度不高 这种控制方 案一般在大惯性系统对控制精度和动态特性要求不高的情况下采用 如图 2 4 所示 t y t y 图 2 4 开关量控制 2 比例控制 P 控制 比例控制的输出与偏差成比例关系 当负荷变化时 抗干扰能力强 过渡过程时间 短 但过程终了存在余差 适用于控制通道滞后较小 负荷变化不大 允许被控量在一 定范围内变化的系统 如图 2 3 所示 3 比例积分控制 PI 控制 控制器的输出与偏差的积分成比例 积分的作用使过渡过程结束时无余差 但降低 了系统的稳定性 PI 控制适用于滞后较小 负荷变化不大 被控量不允许有余差的控制 系统 如图 2 4 所示 4 比例积分加微分控制 PID 控制 微分的作用使控制器的输出与偏差变化的速度成比例 它对克服对象的容量滞后有 显著的效果 在比例基础上加入微分作用 使稳定性提高 再加上积分作用 可以消除 余差 PID 控制适用于负荷变化大 容量滞后较大 控制品质要求又很高的控制系统 如 图 2 5 所示 t y t y 图 2 5 PID 控制 结合本设计任务与要求 由于水温系统的传递函数事先难以精确获得 因而很难判 断哪一种控制方法能够满足系统对控制品质的要求 但从以上对控制方法的分析来看 PID 控制方法最适合本例采用 一方面 由于可以采用单片机实现控制过程 无论哪一种 控制方法都不会增加系统硬件成本 而只需对软件作相应改变即可实现不同的控制方案 另一方面 采用 PID 的控制方式可以最大限度地满足系统对诸如控制精度 调节时间和 超调量等控制品质的要求 由图 2 6 可知 PID 调节器是一种线性调节器 这种调节器是将设定值 w 与实际输出 值 y 进行比较构成偏差 2 1 ywe 并将其比例 积分 微分通过线性组合构成控制量 其动态方程为 2 2 dt eKttKtuip 其中 为调节器的比例放大系数pK 为积分时间常数i 为微分时间常数d PID 调节器的离散化表达式为 2 3 1 keTKkeKkudip 其增量表达形式为 kuk 2 4 2 1 2 1 keeTKeekKdip 其中 T 为采样周期 图 2 6 模拟 PID 控制 温度 PID 调节器有三个可设定参数 即比例放大系数 积分时间常数 微分时pKiK 间常数 dK 比例调节的作用是使调节过程趋于稳定 但会产生稳态误差 积分作用可消除被调量的稳态误差 但可能会使系统振荡甚至使系统不稳定 微分作用能有效的减小动态偏差 图 2 7 中 初始水温为 26 实现思想 Ui k 为第 k 次采样温度值 Ur 为设定值 e k 使用 PD 算法 e k 使用变速积分 PID 算法 图 2 7 温度控制曲线图 该控制系统是把输出量检测出来 经过物理量的转换 再反馈到输入端去与给定量 进行比较 综合 并利用控制器形成的控制信号通过执行机构 SSR 对控制对象进行控制 抑制内部或外部扰动对输出量的影响 减小输出量的误差 达到控制目的 自动控制框 图如图 2 8 所示 在此控制系统中单片机就相当于常规控制系统中的运算器控制器 它 对过程变量的实测值和设定位之间的误差信号进行运算然后给出控制信息 单片机的运 算规则称为控制法则或控制算法 图 2 8 自动控制框图 3 系统硬件设计 3 1 总体设计框图及说明 本系统是一个简单的单回路控制系统 为了实现温度的自动测量和控制 根据系统 总体方案 系统由单片机基本系统 前向通道 后向通道和人机对话通道等 4 个主要功 能模块组成 单片机是整个控制系统的核心 AT89S52 可以提供系统控制所需的 I O 口 中断 定 时及存放中间结果的 RAM 电路 前向通道是信息采集的通道 主要由传感器 信号放大 A D 转换等电路组成 由于水温变化是一个相对缓慢的过程 因此前向通道中没有使用采 样保持电路 信号的滤波可由软件实现 并可以简化硬件 降低硬件成本 键盘设定 用于温度设定 共三个按键 数据采样 将由传感器及相关电路采集到的温度转为电压信号 经 A D 转换后 送 入 AT89S52 相应接口中 换算成温度值 用于控制和显示 数据显示 采用了共阴极数码管 LED 进行显示设置温度与测量温度 串行口传输 将采样温度值 上传至 PC 机 可利用 PC 机的端口下载程序 继电器 热电管 通过三极管控制继电器的开关来完成对热电炉的功率控制 图 3 1 系统框图 3 2 外部电路设计 3 2 1 温度采集电路 本系统运放采用高精度单片运算放大器 OP07 此运放具有很低的输入失调电压和漂 移 OP07 的优良特性使它特别适合作前级放大器 放大微弱信号 使用 OP07 一般不用考 虑调零和频率问题就可以满足要求 主要特点 低输入失调电压 75uV 最大 低失调电压温漂 1 3uV 最大 低失调电压时漂 1 5uV 月 最大 低噪声 0 6uV P P 最大 宽输入电压范围 14V 宽电源电压范围 3V 18V 温度采集采用的温度传感器铂电阻 Pt1000 对于温度的精密测量而言 温度测量部分 是整个系统设计的第一步 温度传感器的选择是这块电路的关键 它是直接影响整个系 统的性能与效果的关键因素 这里采用的是精密级铂电阻温度传感器 Pt1000 它的金属 铂含量达 99 9999 因为铂电阻的物理和化学性能在高温和氧化介质中都很稳定 价格 又便宜 常作为工业测量元件 以铂电阻温度计作基准器线性好 温度系数分散性小 在 0 100 摄氏度时 最大非线性偏差小于 0 5 摄氏度 性能稳定 广泛应用于精密温度 测量和标定 铂热电阻与温度关系式 3 1 1 20BtARt 其中 温度为 t 摄氏度时的电阻 温度为 0 摄氏度时的电阻 tR0 A B 温度系数 A 3 94 102 其中 B 71 84 5 T 任意温度 图 3 2 测温电路 3 2 2 温度控制电路 此部分时通过控制继电器的通断从而控制电加热管 俗称 热得快 采用对加在 电热管两端的电压进行通断的方式进行控制 以实现对水加热功率的调整 从而达到对 水温控制的目的 即在闭环控制系统中对被控对象进行控制 此部分的继电器采用的是 SSR 继电器 即固态继电器 其工作原理为 固态继电器 是一种无触点电子开关 主要由输入 控制 电路 驱动电路和输出 负载 电路三部 分组成 固态继电器的输入电路是为输入控制信号提供一个回路 使之成为固态继电器 的触发信号源 固态继电器的输入电路多数为直流输入 个别的为交流输入 固态继电 器的输出电路是在触发信号的控制下 实现对固态继电器的通断切换 输出电路主要由 输出器件 芯片 和起瞬态抑制作用的吸收回路组成 固态继电器是一种全电子电路组 合元件 它依靠半导体器件和电子元件的电 磁和光特性来完成隔离和继电切换功能 固态继电器与传统的电磁继电器相比 是一种没有机械 不含运动零部件的继电器 但 具有与电磁继电器本质上相同的功能 图 3 3 加热棒控制电路 3 3 单片机系统电路设计 3 3 1 A D 转换电路 ADC0804 引脚及使用说明 ADC0804 是 CMOS 集成工艺制成的逐次比较型 A D 转换器芯片 ADC0804 分辨率为 8 位 转换时间为 100 s 输出电压范围为 0 5V 在增加某些外部电路后 输入模拟电 压可为 5V 该芯片内有输出数据锁存器 当与计算机连接时 转换电路的输出可以直 接连接到 CPU 的数据总线上 而不再需要附加逻辑接口电路 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20CS RD WR CLKIN INTR AGND DGND V CLKR D D D D D D D D IN IN REF 2 V V V CC 0 1 2 3 4 5 6 7 ADC0804 100 s 输 出 高 阻 CS RD WR INTR 读 数数 据 图 3 4 ADC0804 引脚图 图 3 5 ADC0804 控制信号的时序图 ADC0804 引脚名称及意义如下 VIN VIN ADC0804 的两模拟信号输入端 用以接收单极性 双极性和差模输入 信号 D7 D0 A D 转换器数据输出端 该输出端具有三态特性 能与微机总线相连接 AGND 模拟信号地 DGND 数字信号地 CLKIN 外电路提供时钟脉冲输入端 CLKR 内部时钟发生器外接电阻端 与 CLKIN 端配合 可由芯片自身产生时钟脉冲 其频率为 1 1 1RC CS 片选信号输入端 低电平有效 一旦 CS 有效 就表明 A D 转换器被选中 可启 动工作 WR 写信号输入 接受微机系统或其他数字系统控制芯片的启动输入端 低电平有 效 当 CS WR 同时为低电平时 启动转换 RD 读信号输入 低电平有效 当 CS RD 同为低电平时 可读取转换输出数据 INTR 转换结束输出信号 低电平有效 输出低电平表示本次转换已经完成 该信 号经常作为向微机系统发出的中断请求信号 在使用时我们应注意以下几点 1 转换时序 ADC0804 控制信号的时序图如图 3 5 所示 由图所示 各控制信号时序关系为 当 CS 与 WR 同为低电平时 A D 转换器启动 且在 WR 上升沿后 100 S 模数转换完成 转换 结果存入数据锁存器 同时 INTR 自动变为低电平 表示本次转换结束 如果 CS RD 同 时为低电平 则数据锁存器三态门打开 数据信号送出 而 RD 高电平到来后三态门处于 高阻状态 2 参考电压的调节 在使用 A D 转换器时 为保证转换精度 要求输入电压满量程使用 如输入电压动 态范围较小 则可调节参考电压 VREF 以确保小信号输入时 ADC0804 芯片 8 位的转换精 度 3 接地 模数 数模转换电路中要特别注意到地线的正确连接 否则将会产生干扰 以致影 响转换结果准确性 A D D A 及取样 保持芯片上都提供了独立的模拟地 AGND 和数 字地 DGND 在线路设计中 一定要将所有器件的模拟地和数字地分别进行相连 然后 将模拟地与数字地仅在一点上相连接 地线的正确连接方法如图 3 6 所示 图 3 6 正确的地线连接 系统由微处理器 存储器和 A D 转换器组成 它们之间通过数据总线 DBUS 和控 制总线 CBUS 连接 系统信号采用总线传送方式 采集数据时 首先微处理器执行一条传送指令 在指令执行过程中 微处理器在控 制总线的同时产生 CS1 WR1 低电平信号 A D 转换器启动开始工作 ADC0804 经 100 S 后将输入模拟信号转换为数字信号并存于输出锁存器 在 INTR 端产生低电平表示转换结 束 并通知微处理器可来取数 当微处理器通过总线查询到 INTR 为低电平时 立即执行 输入指令 以产生 CS RD2 低电平信号到 ADC0804 相应引脚 将数据取出并存入存储器 中 整个数据采集过程中 微处理器有序地将执行若干指令完成 AD0804 的连接图如图 3 7 所示 图 3 7 AD0804 连接图 3 3 2 串口通讯部分电路 系统设计要求控制系统能同 PC 联机通信 以利用 PC 图形处理能力打印显示温度曲 线以及下载程序 由于 AT89S52 串行口电平和 PC 不一致 AT89S52 的 I O 为 TTL 电平 PC 串行口为 RS232 电平利用单片机片内串行口外加逻辑电平转换电路组成 RS 232C 标准 接口以实现系统相互通道的扩展 逻辑电平转换电路采用了一片专用芯片 MAX232 外加 少量电容即可完成 TTL 到 RS 232 或 RS 232 到 TTL 的逻辑电平转换 表 3 1 RS 232C 引脚型号定义 名称 信号方 功能 25 芯脚 9 芯脚 FRD 保护地 1 TXD 输出 发送数据 2 3 RXD 输入 接收数据 3 2 RTS 输出 请求对方发送数据 4 7 CTS 输入 可向对方发送数据 5 8 DSR 输入 对方已经准备好接收数据 6 6 GND 信号地 7 5 DCD 输入 对方已收到载波 8 1 DTR 输出 通知对方 本方可以接受数据 20 4 RJ 输出 对方送来的振铃指示信号 22 9 图 3 8 串口通讯电路 UART 模块提供了一个全双工标准通信口 用于完成 AT89S52 与外设之间的串行通信 根据 RS 232 的标准 AT89S52 单片机是按照字节传输数据的 图 3 9 单片机连接电路 单片机上的 P25 口接 S1 P26 口接 S2 P27 口接 S3 S1 设置温度的十位数 0 9 S2 设置温度的个位数 0 9 S3 工作模式选择键 两种工作模式为 正常工作状态 温度重新设置 系统上电后 数码管全部显示为零 根据按 S1 次数 十位的数码管顺序增加 同样 S2 也如此 按 S3 后 系统开始测温 并与采集的温度进行比较 通过软件来控制电炉 的开关 3 3 3 数码显示电路 数码管作为单片机系统中最常用的输出器件 在显示时可以由数字和少量字母组合 完成输出功能的系统中应用十分方便 图 3 10 为一个四位共阴数码管 DIG0 DIG1 DIG2 DIG3 分别与单片机的 P21 P22 P23 P24 相连 每一个都拥有一个 共阴级的位选端 从而可以通过单片机选通所需显示的数码管 SegA SegDp 口传输要显 示的数据 利用其串 并转换功能 送入数码管显示 在此外接了一个 10K 的电阻来保护 LED 图 3 10 数码管显示电路 4 系统软件设计 4 1 程序框架结构 整体的系统软件设计是由各个在系统里起着不同作用的模块整合在一起 从而实现 系统所要实现的功能 本系统硬件接口如下 P1 AD P00 P07 LEDa LEDdp P25 P27 S1 S3 P20 P23 COM1 COM3 系统包括主控制程序 A D 采样数据处理程序 PID 算法程序 LED 显示及按键处理 程序 结构框架图如图 4 1 所示 图 4 1 程序结构图 主程序模块负责对子程序模块的调用进行管理 它主要负责初始化 IO 口 等待键盘 的被按下 并调用相应的模块进行处理 在适当的时候接受 A D 采样的数据 并与所设 定的值进行比较 然后通过调用 PID 算法处理数据 处理后而控制继电器的通断 从而 控制热电管达到水温控制的目的 4 2 程序流程图及部分程序 4 2 1 主程序模块 由于模块化程序的设计 通过调用程序即可实现所用功能 主程序流程图如图 4 2 所示 图 4 2 主程序流程图 主程序如下 int main void int KeyValue status temperature set System Initial PID Initial PID 初始化 while 1 KeyValue GetCh 键盘扫描 去抖动处理 取键值 key value process KeyValue 键值处理 if status temperature control display AD temperature 测量温度显示 PID 计算 if Out0 x0255 K 0 079 确定温度系数 else K 0 076 fT adc data K 换算成温度值 将温度值转换成十进制用于 LED 显示 guiLED Value 0 int fT 10 guiLED Value 1 int fT 10 guiLED Value 2 int fT 10 10 stPID Proportion 1 设置 PID 比例值 stPID Integral 0 5 设置 PID 积分值 stPID Derivative 0 0 设置 PID 微分值 Out 100 PIDCalc PID 计算 图 4 5 是数据采样中断服务程序的流程图 此中断程序采用的是 2Hz 中断定时 0 5 秒钟采样一次 图 4 5 数据采样的中断程序流程图 int adc data cmp int max int min int Sum int i max ADC DataSave 0 for i 0 imax max ADC DataSave i 取出最大值 min ADC DataSave i for i 0 i 10 i if ADC DataSave i min min ADC DataSave i 取出最小值 for i 0 iSetPoint 10 NextPoint 偏差 pp SumError Error 积分 dError pp LastError pp PrevError 当前微分 pp PrevError pp LastError pp LastError Error return pp Proportion Error 比例项 pp Integral pp SumError 积分项 pp Derivative dError 微分项 4 2 6 继电器控制 继电器是和 AT89S52 单片机的 P25 口相连 它的开断完全取决于 P25 口的输出 即 PID 计算的结果 当输出小于零说明设定值小于实际输出值 这就是要关闭电炉 同时关 闭定时器的计时 当输出值大于设定值 2 摄氏度时 我们就可以开电炉对水开始加热 如果设定值与实际输出值差值在 2 摄氏度以内时 我们就调用中断程序定时加热 图 4 6 是控制程序的中断服务程序 用来对继电器定时加热 它利用中断定时器 10ms 确定加热时间 当加热时间未到时 继续时间累积 若加热时间到时 就调用关定 时器子程序 从而停止计时 图 4 6 控制程序中断程序流程图 void active if Out30 stPID Proportion 温度低于设定值 2 摄氏度 turn on relay 开电炉加热 else turn on relay SP INT TIMEB 初始化定时器 开始定时加热 5 系统安装调试与测试 5 1 串口调试 通过 RS232 和 PC 机进行连接 利用 PC 调试助手进行调试 调试过程中把单片机和 PC 机的波特率设置为相同值 如 9600bit s 验证上位机和下位机接收正常 5 2 继电器测试 用万能表的电阻档 测量常闭触点与动点电阻 其阻值应为 0 而常开触点与动点的 阻值就为无穷大 由此可以区别出那个是常闭触点 那个是常开触点 本系统使用的继 电器为常开式 5 3 温度采集与测试 在 本 系 统 中 温 度 数 据 的 采 集 与 测 试 是 最 重 要 的 部 分 数 据 的 准 确 度 将 直 接 影 响 到 系 统 的 可 靠 性 以 下 两 表 为 部 分 测 试 结 果 表 5 1 温 度 测 试 表 5 2 温 度 控 制 6 结论 此课程设计是水温控制系统 设计最主要的环节就是方案的选择 然后进行软件编 程 通过数据线连接电脑下载编好的程序 进行调试 再接下来是添加单元电路 并进 行调试 调试过程中我遇到不少问题 主要是经验不足 经过不停的摸索 问题基本得 到了解决 我也懂得了系统要有良好的控制效果 其前端采集温度信号需要足够精确 其次系统的构成要简单实用 实时监控系统状态参数 并且运用多种算法 使得数据更 为接近真实值 此次系统设计中主要问题为控制系统输出控制和 PID 控件 系统 PID 输出为模拟信 号 而该系统的控制对象为一加热棒 因此一般的执行器无法满足控制的需求 而使用普 通的触点式继电器会因频繁开关而产生电弧 可能导致事故的发生 所以在系统执行部 分选取了 SSR 固态继电器作执行部件 从而克服了触点式继电器的不足 PID 控件的难题 在于参数整定 对于本系统来说参数整定只能使用经验凑试 而且调试的时侯一定要耐 心 总的来说通过这次设计实验 我学到了很多东西 无论是动手能力 还是分析问题 的能力都得到了提高 最重要的是建立了对电子设计兴趣 最大的体会还是理论运用到 实践还是有很大差距 理论学得好到了实际运用的时候还是会出现很多问题 这些问题 通过多实践积累经验可以得到解决 参考文献 1 李全利 单片机原理及应用 M 清华大学出版社 2 王建校 杨建国 宁改娣等 51 系列单片机程序设计 M 北京 科学出版社 2002 20 30 3 刘大茂 智能仪器 单片机应用系统设计 M 北京 机械工业出版社 1998 24 45 4 谭浩强 C 语言程序设计 M 2 版 北京 清华大学出版社 1999 33 59 5 赖麒文 8051 单片机 C 语言彻底应用 M 北京 科学出版社 2002 55 84 6 何立民 张俊谟 单片机中级应用教程原理与应用 M 北京 航空航天大学出版社 1999 7 陈明荧 8081 单片机课程程设计实调教材 M 北京 清华大学出版社 2003 8 马忠梅 单片机外围电路设计 M 北京 北京航空航天大学出版社 2005 9 夏继强 单片机实验与实践教程 M 北京 北京航空航天大学出版社 2001 10 7805 series Handbook NEC Corp 2001 致 谢 毕业设计已经结束了 这也宣告着大学四年最后一堂课的结束 这篇论文是对我大 学四年学习生活的一个总结 而同样是踏入社会的开始 一段新的人身旅程的开始 这 篇论文是在白晓亮老师的热情关心和指导下完成的 他的渊博的知识和严谨的治学态度 使我受益匪浅 尤其是他未雨绸缪的品格使我印象深刻 以及负责任的态度使我敬仰不 已 这些对顺利完成本课题起到了极大的作用 谨此向白晓亮老师表示最衷心的感谢和 最诚挚的敬意 最后向在百忙之中评审本文的各位专家 老师表示衷心的感谢 爱人者 人恒爱之 敬人者 人恒敬之 宽以济猛 猛以济宽 政是以和 将军额上能跑马 宰相肚里能撑船 最高贵的复仇是宽容 有时宽容引起的道德震动比惩罚更强烈 君子贤而能容罢 知而能容愚 博而能容浅 粹而能容杂 宽容就是忘却 人人都有痛苦 都有伤疤 动辄去揭 便添新创 旧痕新伤难愈合 忘记昨日的是非 忘记别人先前对自己的指责和谩骂 时间是良好的止痛剂 学会忘却 生活才有阳光 才有欢乐 不要轻易放弃感情 谁都会心疼 不要冲动下做决定 会后悔一生 也许只一句分手 就再也不见 也许只一次主动 就能挽回遗憾 世界上没有不争吵的感情 只有不肯包容的心灵 生活中没有不会生气的人 只有不知原谅的心 感情不是游戏 谁也伤不起 人心不是钢铁 谁也疼不起 好缘分 凭的就是真心真意 真感情 要的就是不离不弃 爱你的人 舍不得伤你 伤你的人 并不爱你 你在别人心里重不重要 自己可以感觉到 所谓华丽的转身 都有旁人看不懂的情深 人在旅途 肯陪你一程的人很多 能陪你一生的人却很少 谁在默默的等待 谁又从未走远 谁能为你一直都在 这世上 别指望人人都对你好 对你好的人一辈子也不会遇到几个 人心只有一颗 能放在心上的人毕竟不多 感情就那么一块 心里一直装着你其实是难得 动了真情 情才会最难割 付出真心 心才会最难舍 你在谁面前最蠢 就是最爱谁 其实恋爱就这么简单 会让你智商下降 完全变了性格 越来越不果断 所以啊 不管你有多聪明 多有手段 多富有攻击性 真的爱上人时 就一点也用不上 这件事情告诉我们 谁在你面前很聪明 很有手段 谁就真的不爱你呀 遇到你之前 我以为爱是惊天动地 爱是轰轰烈烈抵死缠绵 我以为爱是荡气回肠 爱是热血沸腾幸福满满 我以为爱是窒息疯狂 爱是炙热的火炭 婚姻生活牵手走过酸甜苦辣温馨与艰难 我开始懂得爱是经得起平淡 爱人者 人恒爱之 敬人者 人恒敬之 宽以济猛 猛以济宽 政是以和 将军额上能跑马 宰相肚里能撑船 最高贵的复仇是宽容 有时宽容引起的道德震动比惩罚更强烈 君子贤而能容罢 知而能容愚 博而能容浅 粹而能容杂 宽容就是忘却 人人都有痛苦 都有伤疤 动辄去揭 便添新创 旧痕新伤难愈合 忘记昨日的是非 忘记别人先前对自己的指责和谩骂 时间是良好的止痛剂 学会忘却 生活才有阳光 才有欢乐 不要轻易放弃感情 谁都会心疼 不要冲动下做决定 会后悔一生 也许只一句分手 就再也不见 也许只一次主动 就能挽回遗憾 世界上没有不争吵的感情 只有不肯包容的心灵 生活中没有不会生气的人 只有不知原谅的心 感情不是游戏 谁也伤不起 人心不是钢铁 谁也疼不起 好缘分 凭的就是真心真意 真感情 要的就是不离不弃 爱你的人 舍不得伤你 伤你的人 并不爱你 你在别人心里重不重要 自己可以感觉到 所谓华丽的转身 都有旁人看不懂的情深 人在旅途 肯陪你一程的人很多 能陪你一生的人却很少 谁在默默的等待 谁又从未走远 谁能为你一直都在 这世上 别指望人人都对你好 对你好的人一辈子也不会遇到几个 人心只有一颗 能放在心上的人毕竟不多 感情就那么一块 心里一直装着你其实是难得 动了真情 情才会最难割 付出真心 心才会最难舍 你在谁面前最蠢 就是最爱谁 其实恋爱就这么简单 会让你智商下降 完全变了性格 越来越不果断 所以啊 不管你有多聪明 多有手段 多富有攻击性 真的爱上人时 就一点也用不上 这件事情告诉我们 谁在你面前很聪明 很有手段 谁就真的不爱你呀 遇到你之前 我以为爱是惊天动地 爱是轰轰烈烈抵死缠绵 我以为爱是荡气回肠 爱是热血沸腾幸福满满 我以为爱是窒息疯狂 爱是炙热的火炭 婚姻生活牵手走过酸甜苦辣温馨与艰难 我开始懂得爱是经得起平淡