单片机水温控制系统控制策略研究.docx
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单片机水温控制系统控制策略研究
北京信息科技大学
毕业设计(论文)
题目:
单片机水温控制系统控制策略研究
学院:
自动化
专业:
自动化
学生姓名:
韩雪班级/学号J自控0702班
指导老师/督导老师:
曹荣敏
起止时间:
2011年2月21日至2011年6月17日
摘要
随着计算机技术的发展,计算机控制系统已在工业、国防、农业、经济生活等各方面都发挥着重要的作用。
本论文论述了一个单片机温度控制系统的设计和实现过程,该系统以MC9S12XS128单片机为控制器,配有键盘、显示电路,通过温度检测装置进行采样,经控制算法得到控制量,再通过PWM通道输出,实现对温度的控制。
该系统是一个完整的计算机控制系统。
论文的工作主要有以下几个方面:
1、设计了以MC9S12XS128单片机为控制器的系统结构,确定了系统方案。
该方案具有结构简单,性能优良,成本低廉的特点。
2、对温度控制系统的硬件主体部分进行了设计和制作。
主要包括键盘电路、显示电路、PWM输出电路以及与单片机接口。
单片机使用了MC9S12XS128最小系统板。
3、编制了控制系统的全部软件。
包括AD采样模块、LED显示模块、键盘扫描及处理模块、温度标度转换模块、PWM输出模块,PID控制模块以及积分分离的PID控制模块。
所有程序在自制的系统板上调试成功。
实现了预定功能。
关键词:
单片机温度控制系统MC9S12XS128PID控制
Abstract
Withthedevelopmentofcomputertechnology,computercontrolsystemhasbeenintheindustrial,defense,agriculture,economyandotheraspectsoflifeplayanimportantrole.Thispaperdiscussesasinglechiptemperaturecontrolsystemdesignandimplementationprocess,theSCMsystemMC9S12XS128controller,withakeyboard,displaycircuit,throughthetemperaturedetectorissamplediscontrolledbytheamountofcontrolalgorithms,andthroughthePWMchanneloutputtoachievetemperaturecontrol.Thesystemisacompletecomputercontrolsystem.Thesisworkmainlyinthefollowingareas:
1、DesignedtoMC9S12XS128microcontrollersystemstructureforthecontrollertodeterminethesystemplan.Theprogramhasasimplestructure,excellentperformance,lowcostfeatures.
2、Thetemperaturecontrolsystemforthemainpartofthehardwaredesignandproduction.Includingkeyboardcircuit,displaycircuit,PWMoutputcircuitandthemicrocontrollerinterface.SCMusestheMC9S12XS128minimumsystemboard.
4、Thepreparationofallofthecontrolsystemsoftware.IncludingtheADsamplingmodule,LEDdisplaymodule,keyboardscanningandprocessingmodule,thetemperaturescale
conversionmodule,PWMoutputmodule,PIDcontrolmoduleandtheintegralPIDcontrol
moduleseparation.
Allprogramdebuggingsystemboardintheself-madesuccess.Toachievetheintendedfunction.
Keywords:
microcontrollerTemperatureControlSystemMC9S12XS128
PIDcontrolmicrocontroller
目录
TOC\o"1-3"\h\z\u摘要(中文)I
(英文)II
第一章绪论1
1.1计算机控制系统的发展1
1.2课题研究的目的及意义2
1.3论文的主要结构2
第二章方案论证及选择3
2.1单片机的选择3
2.2LED显示电路模块选择3
2.3按键控制模块选择3
2.3.1独立式按键4
2.3.2矩阵式按键4
2.4AD的选择6
2.5DA的选择6
2.6控制算法选择6
第三章硬件电路设计与实现7
3.1硬件系统框图7
3.2单片机控制电路模块7
3.2.1S12控制器的特点7
3.2.2S12控制器的组成7
3.2.3MC9S12XS128单片机原理图8
3.2.4MC9S12XS128系统结构图9
3.2.5MC9S12XS128引脚分布图10
3.2.6MC9S12XS128最小系统板10
3.3LED显示电路模块11
3.3.1LED数码管的结构12
3.3.2LED数码管字形编码13
3.3.3LED数码管扫描方式14
3.4按键控制电路模块15
3.4.1独立式按键结构15
3.4.2按键开关去抖动16
3.5A/D电路模块16
3.6PWM电路模块17
3.6.1PWM脉宽调制17
3.6.2S12产生PWM方法17
3.6.3PWM工作方式18
3.6.4PWM用作D/A转换18
3.7硬件系统制作19
第四章软件系统设计20
4.1程序整体设计概述20
4.2软件程序流程图20
4.3LED显示模块21
4.3.1LED显示程序流程图21
4.3.2LED源程序21
4.4按键识别与处理模块24
4.4.1按键的程序设计流程图24
4.4.2按键识别与处理源程序25
4.5A/D模块26
4.5.1AD转化初始化26
4.5.2定标27
4.6PWM模块27
4.6.1周期27
4.6.2占空比27
4.7控制算法28
4.7.1PID原理28
4.7.2数字PID算法29
4.7.3积分分离的PID算法29
4.7.4PID程序流程图30
第五章硬件与软件的调试31
5.1硬件调试31
5.2软件调试31
5.2.1CodeWarriorIDE集成开发环境31
5.2.2BDM调试介绍33
5.2.3软件的调试34
5.3成果34
5.4改进与展望35
结束语36
参考文献37
第一章绪论
1.1计算机控制系统的发展
在HYPERLINK"\o"自动控制系统"\t"_blank"自动控制系统中,用电子计算机作为控制装置组成部分的控制方式构成了计算机控制系统。
近年来,计算机控制在化工自动化领域迅速发展,已成为计算机应用的一个重要方面。
1959年,美国德士古公司阿瑟港炼油厂首先采用过程控制计算机RW300,开创了闭环监督控制(SCC)。
1962年,英国HYPERLINK"\o"卜内门化学工业公司"卜内门化学工业公司开始用计算机代替常规的模拟控制器,实现了直接数字控制(DDC),中国在这时也开始了计算机控制的试点。
从70年代起,随着大规模集成电路元件特别是微处理计的飞速发展,使硬件成本大幅度降低,而可靠性却大为提高;同时,随着控制系统理论的进展,在系统结构和控制算法上有许多创新,软件日益丰富。
实践表明,在化工领域采用计算机控制,不仅带来了技术进步,而且获得了显著的经济效益。
在HYPERLINK"\o"化工过程控制"化工过程控制中,计算机主要有以下作用:
①代替常规控制中的仪表,并基本上具有这些仪表的功能,达到高度集中及控制的小型化,称直接数字控制。
②利用计算机快速和强大的计算功能、实现常规控制以外的更全面、更复杂的控制方案。
例如:
解耦控制,即对几个相互关联的控制系统进行处理,使之成为互不制约的独立单回路系统;优化控制或最优控制,按指定目标的最大(或最小)值进行最合理的控制,这里的目标可能是能量消耗最小,或产量最大,或成本最低等;HYPERLINK"\o"计算机控制"\t"_self"自适应控制,不少控制对象的特性是时变的,需要随时进行修正,然后按修正后的特性和指定的控制规律,随时计算并进行控制(系统中的在线辨识和按偏差的某种形式为准则而进行的控制)。
除上述几种外,计算机还可以完成很多其他方案的控制。
计算机控制在理论上,除了用常规控制中所用的经典控制理论外,还必须采用现代控制理论,才能完善控制中的计算。
在现场实施中,可以只用计算机作复杂的控制计算,将计算结果转换成为常规调整器的设定值信号,然后指令常规系统进行具体控制的工作;也可以不用常规系统而直接由计算机计算并命令调节阀工作。
从调节的角度看,前者是连续的,后者因计算机需在分时的基础上进行,故是断续的。
实际应用中,前者较多。
③进行不直接与闭环控制有关的各种控制、管理并提供数据。
可以将各种生产数据整理、绘制成图表、归档;对各种能源求出最佳使用分配方案;对各种产品制订合理生产计划等。
其他在调度决策中需要的信息及资料,也可以由计算机整理和计算出来。
这些工作是实现生产过程高度自动化及全局科学管理必需的组成部分。
计算机控制系统可以有几种形式,①近年出现的以微计算机为基础构成的系列化控制装置,称为总体分散控制系统,已在HYPERLINK"\o"乙烯"乙烯、HYPERLINK"\o"合成氨"合成氨、石油炼厂等大、中型化工装置中对全部生产过程进行控制。
这种计算机系统采用积木式结构,有很大的灵活性与很好的可靠性。
②通用的微计算机配以必要的外围设备与检测元件及变送器,并与执行器相联系,也可构成计算机控制系统,用于化工自动化,在化学反应器等的操作控制中已有成功经验。
③近年出现的带微计算机的控制仪表,功能丰富,使用方便,几乎不需要编制程序,已使控制器和计算机的界限日趋泯灭,在中、小型装置上正获得广泛应用。
1.2课题研究的目的及意义
温度控制无论是在工业生产过程中,还是在日常生活中都起着非常重要的作用,过低的温度或过高的温度都会使生产的质量受到影响,甚至会造成危险。
在现代冶金、石油、化工及电力生产过程中,温度是最常见的热工参数之一。
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,以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量、显示、控制,使之达到工艺标准。
随着电子行业的迅猛发展,电子计算机的出现使科学技术产生了一场深刻的革命。
特别是自70年代初以来,随着大规模集成电路的发展,出现了微型计算机及单片机,其运算速度快,可靠性高,价格便宜,被广泛应用于工业、农业、国防以及日常生活的各个领域。
最常见的就是电子计算机代替自动控制系统中的常规控制设备,对系统进行调节和控制。
目前计算机控制系统广泛应用于国防、工业、农业和生活中,使控制技术达到新的水平,大大提高了生产过程的自动化程度和系统的可靠性。
本次毕业设计以单片机为核心设计一个水温自动控制HYPERLINK"\t"_blank"系统,实现温度数据的采集、显示、控制。
系统采用PID控制算法,实现对水温的控制。
控制范围为40—90摄氏度,误差在±1℃以内。
1.3论文的主要结构
本论文主要从硬件和软件两方面论述温度控制系统的结构、组成和控制算法。
基本结构如下:
第一章绪论。
主要介绍计算机控制系统的基本情况和本次毕业设计的主要任务。
第二章系统方案设计。
叙述了系统方案的确定和系统总体结构。
第三章系统硬件设计。
叙述了系统硬件的基本结构和组成。
第四章系统软件设计。
叙述了系统软件的若干主要模块的设计,重点叙述了PID控制算法。
第五章系统调试。
叙述了系统硬软件的调试方法和过程。
最后,给出了论文的结论。
第二章方案论证及选择
2.1单片机的选择
2.1.1MCS51系列单片机
常用的是AT89C51/52单片机。
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除HYPERLINK"\t"_blank"只读存储器的低电压高性能CMOS8位微处理器。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除10000次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容,具有4个8位I/O接口,2个定时器,一个串行接口。
由于将多功能8位CPU和Flash存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。
AT89C1单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
当使用AD和DA时需要外接转换芯片
2.1.2MC9S12系列单片机
MC9S12系列单片机是以速度更快的CPU12内核为核心的16位单片机系列,简称S12系列。
MC9S12XS128单片机总线速度可达40MHz,内部资源丰富,带有6个8位I/O口,8/16通道8/12位A/D,8通道PWM接口,4KB至8KBDataFlash,用于实现数据或程序存储,带有16-位计数器的、8-通道定时器以及传信痛惜接口SPI等。
它具有很强的高级语言支持功能,并可实现在线开发。
本设计的任务是设计一种水温控制系统,实质是一个嵌入式应用系统的开发。
通过了解现阶段主要流行的单片机性能,本着结构简单,性能优越,成本低廉的原则,最终选择了MC9S12XS128单片机作为主要控制器。
由于内部资源丰富,大大简化了外部电路的设计。
2.2LED显示电路模块选择
单片机控制系统中显示模块常用的有LED8段数码管显示块和LCD液晶显示块两种。
LED显示块显示清晰,成本低廉,配置灵活,与微控制器的接口简单易行,但只能显示简单的数字和字符。
LCD液晶显示块可以显示较多的字符或图形,但成本较高。
根据本系统的要求,选择了8段LED数码管显示块作为显示单元。
LED数码管显示接口方式分为简单电路和可编程接口电路。
可编程接口复杂,成本较高。
简单接口电路又分为静态显示和动态扫描两种电路。
静态显示电路需要较多的硬件,增加了成本,但可以节省CPU的开销。
动态扫描电路接口简单,所用器件少,但编程稍复杂,需要占用较多的CPU资源。
综上所述,系统选用动态扫描方式。
本系统采用4位一体的8段式LED显示器。
由于温度测量误差和实际情况,对测得的温度最小只需显示到个位即可,而且实际情况下水温不会超过1000C,所以最多只需显示三位温度值,即个位、十位和百位/负值符号位。
2.3按键控制模块选择
MCU应用系统的键盘通常使用机械触点式按键开关,其主要功能是把机械上的通断转换为电气上的逻辑关系。
也就是说,它能提供标准的TTL逻辑电平,以便与通用数字系统的逻辑电平相容。
嵌入式系统的按键分为独立式按键和矩阵式按键。
2.3.1独立式按键
独立式按键结构与工作原理
独立式按键电路配置灵活,软件结构简单,但每个按键必须占用一根I/O口线,因此,在按键较多时,I/O口线浪费较大。
按键输入均采用低电平有效,此外,上拉电阻保证了按键断开时,I/O口线上有确定的高电平。
当IO口线内部有上拉电阻时,外电路就不需再接上拉电阻了。
独立式按键的程序设计通常采用查询式结构:
先逐位查询MCU的每根I/O口线的输入状态,如果发现某一根I/O口线的输入为低电平,则可确认该I/O口线所对应的按键已按下,然后,再转向该键的功能处理程序。
2.3.2矩阵式按键
矩阵式键盘的结构与工作原理
当MCU系统中所需键盘按键数量较多时,为了减少MCU的I/O口占用,通常将按键排列成矩阵形式,如图2-1所示。
在矩阵式键盘中,每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通,而是通过一个按键连接。
这样,使用一个MCU端口(如PORTA口)就可以构成4X4=16个按键的键盘。
矩阵式结构的键盘显然需要比直接法更多的器件,识别软件的设计也要复杂一些。
在图2-1中,列线通过电阻接正电源,将行线所接的I/O口作为MCU的输出端,而列线所接的I/O口则作为MCU的输入。
当没有按键按下时,所有的输入端都是高电平。
当行线输出是低电平时,一旦有键按下,则相应的输入线就会被拉为低电平,这样,通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下。
为了在有键被按下时识别哪一个为闭合键,常用的键码识别方法有行扫描法、行反转法等。
(1)行扫描法
行扫描法又称逐行(或列)扫描查询法,是一种最常用的按键识别方法,行扫描法识别按键的基本原理是:
先将所有的行线置0,读列线的值,若此时列线上的值全为1,说明无键按下;若有某位为0,则说明对应这一列上有键按下。
这时改变行扫描码,使行线逐行为0,依次扫描,当读到某一列线的值为0时,就可根据此时的行扫描码和列线的值确定按键的扫描码,同时也就确定了该键的位置。
图2-1行扫描法键盘接口电路
(2)行反转法
行反转法也是识别按键的常用方法。
它的基本原理是:
将行线接一个数据端口,先让该端口工作在输出方式;将列线接到另一个数据端口,让该端口工作在输入方式。
程序使MCU通过输出端口往各行线上全部送低电平,然后读入列线值。
如果此时有某键按下,则必定会使某列线值为0。
接着,程序再对两个端口进行设置,使接行线的端口改为输入方式,接列线的端口改为输出方式。
并且,将刚才读得的列值从列线所接端口输出,再读取行线的输入值;那么,闭合键所在的行线值必定为0。
这样,当一个键被按下时,必定可以读得一对惟一的行值和列值。
根据系统的要求,键盘主要用来修改设定温度值,为简化接口电路,本设计采用独立按键的接线方法,采用4个键盘。
独立式按键是直接使用I/O口线构成的单个按键电路,其特点是每个按键独立占用一根MCU的I/O口线,每个按键的工作不会影响其他I/O口线的状态,本设计的按键设计如图2-2所示。
图2-2本设计的独立式按键电路结构
2.4AD的选择
由于MC9S12XS128单片机内部有8个AD通道可用,且可以选择8、10或12位转换精度。
根据本系统的要求,选择8位AD就可以达到精度要求。
因此采用单片机内部的AD资源,不再外接转换芯片。
2.5DA的选择
控制量的输出经DA输出给执行器控制温度。
本系统采用单片机内部的PWM通道,通过调节PWM的占空比调节输出电压,经滤波电路转换成模拟电压。
2.6控制算法选择
控制算法采用常规的PID算法。
该算法对系统模型依赖性较少,适应面广。
如有时间可对改进的PID算法——积分分离的PID算法进行研究。
第三章硬件电路设计与实现
3.1硬件系统框图
图3-1系统结构图
3.2单片机控制电路模块
本系统采用Freescale公司的MC9S12XS128单片机。
MC9S12XS128是Freescale公司推出的S12系列微控制器中的一款增强型16位微控制器。
其集成度高,片内资源丰富,片内总线时钟频率最高可达40MHz,可宽范围选择逻辑时钟频率:
片内资源包括8KBRAM、128KBFLASH、2KBEEPROM;接口模块包括SPI、SCI.12C、ATD、PWM等,PWM模块可设置成8路8位或4路16位。
它还提供2个8路10位精度ATD转换器、控制器局域网模块CAN和增强型捕捉定时器。
它不仅在汽车电子、工业控制、中高档机电产品等应用领域具有广泛的用途,而且在FLASH存储控制及加密方面也有很强的功能。
3.2.1S12控制器的特点
S12系列具有低成本调试功能。
S12系列微控制器具有单引脚接口的背景调试(BDM)方式。
该方式为实时、无干扰、100%电路内仿真,解决了传统背插式仿真器在兼容性、仿真速度、电平和机械接口方面普遍存在的问题。
S12的片内RAM和EEPROM容量可达2~14KB。
在串行接口方面,S12最多可支持5个CAN总线接口、1个12C总线接口、2个SCI接口、3个SPI接口。
HCS12时钟发生器模块内设锁相环(PLL),内部时钟可软件调节。
Freescale公司的S12MCU系列是汽车电子市场中应用最广泛的16位体系架构。
2007年4月,基于S12的设备的年发货量已超过1亿台。
可扩展的S12系列可为开发人员提供多种适合他们应用需求的选择,其片上FLASH存储器容量可从32KB扩展到1MB,并能轻松迁移到更高性能的S12X系列。
3.2.2S12控制器的组成
MC9S12XS128系统结构大致可分为MCU核心和MCU外设两部分。
MCU核心部分包括MCU的3种存储器(FLASH、RAM、EEPROM);多电压调整器,包括数字电路和模拟电路电源电压:
具有单线背景调试接口(BDM)和运行监视功能的增强S12CPU;程序存储器的页面模式控制:
具有中断识别、读/写控制、工作模式等控制功能的系统综合模块(SIM);可用于系统扩展的分时复用总线端口,其中A口、B口可作为外扩存储器或接口电路时的分时复用地址/数据总线,E口的部分可作为控制总线。
MCU外设部分包括:
A/D转换器(ATDO、ATDl,增强型定时与捕捉模块(ECT),串行接口SPI、IIC
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