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论文
广东工业大学
华立学院
本科毕业设计(论文)
恒温箱单片机控制系统设计
论文题目恒温箱单片机控制系统设计
系部机械电气学部
专业自动化
班级06自动化2班
学号12040602004
学生姓名胡明君
指导教师邵翠平
年月
摘要
温度控制是工业控制中主要的被控参数之一,特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中,具有举足重轻的作用。
随着电子技术和微型计算机的迅速发展,微机测量和控制技术得到了迅速的发展和广泛的应用。
温度控制在工业生产中运用的非常广泛,其控制过程中存在着很大的时滞性和很强的干扰。
恒温箱控制系统,其关键技术为保持箱内温度的恒定,单片机具有体积小、功能强、成本低、应用面广等优点,可以说,智能控制与自动控制的核心就是单片机。
目前,一个学习与应用单片机的高潮在全社会大规模地兴起。
学习单片机的最有效方法就是理论与实践并重,本文采用AT89C52单片机和DS18B20数字温度传感器测量恒温箱的温度,并和设定温度比较。
根据比较的结果,采用PID算法控制PWM信号的输出,控制加热设备的动作,从而达到稳定地控制温度的目的。
关键词:
恒温箱 数字温度传感器 PWM信号 单片机
Abstract
TemperatureControlisoneofmainChargedwithparametersatIndustrialControl.Especiallyinmetallurgy,chemical,buildingmaterials,food,machinery,petroleumandotherindustrieshasheldtheroleoffootheavy-light.Astherapiddevelopmentofelectronictechnologyandmicro-computer.Micro-computermeasurementandcontroltechnologyhasbeenrapiddevelopmentofandwiderangeofapplications.
Temperaturecontrolisusedwidelyinindustryproduction,withlargelagandbigdisturb.Aboutthethermostatcontrolsystem,itskeytechnologyistocontrolaconstanttemperatureinside,SCMhasasmallvolume,strongfunction,lowcost,wideapplicationscopeetc.Itcanbesaid,IntelligentcontrolandautomaticcontrolofthemicrocontrollercoreisSCM,Thesedays,AculminationofstudyandapplicationofSCMtheriseofalargescaleinthewholesociety.ThemosteffectivewaytolearnSCMisboththeoreticalandpractical,thispaperusesAT89C52SCMandDS18B20digitaltemperaturesensortomeasurethetemperatureoftheincubator,thencomparedwiththesettemperature.Accordingtotheresultsofthiscomparison,thePIDalgorithmtocontroltheoutputPWMsignal,thencontroltheactionheatingequipment,soastoachievestabletemperaturecontrolpurposes.
Keywords:
IncubatorDigitaltemperaturesensorPWMsignal
SignalchipMicrocomputer
目录
1前言1
2设计的基础依据与研究意义2
3系统综合设计4
3.1本设计将实现的要求4
3.2系统方案的选择与论证4
3.3系统硬件结构图5
4系统各单元硬件的设计6
4.1单片机主控制模块的设计6
4.2温度采集模块设计7
4.2.1数字温控芯片DS18B20介绍7
4.2.2DS18B20引脚功能、接法7
4.2.3DS18B20的特性指标7
4.2.4DS18B20的数字温度对照表7
4.3显示模块设计8
4.4独立键盘设计模块8
4.5加热电路9
4.5.1系统加热原理框图9
4.5.2加热电路图9
4.6报警电路模块设计10
5PID控制算法与PWM信号11
5.1PID控温原理11
5.2PID算法11
5.3PWM信号12
6系统软件设计(程序见附录3)15
6.1主程序流程框图15
6.2子程序流程图15
7指标调试19
7.1硬件调试19
7.2软件测试19
小结20
展望21
参考文献22
致谢23
附录一:
系统总原理图24
附录二:
元器件清单25
附录三:
系统程序清单26
1前言
现代工业,自动控制系统越来越朝着智能化的方向发展,其中温度的控制占有非常重要的地位。
单片机系统的开发应用给现代工业测控领域带来了一次新的技术革命,自动化、智能化均离不开单片机的应用。
随着传感器技术的显著的进步,其应用领域越来越广泛,对其要求越来越高,需求越来越迫切。
传感器技术已成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。
由于传感器能将各种物理量、化学量和生物量等信号转变为电信号,使得人们可以利用计算机实现自动测量、信息处理和自动控制,但是它们都不同程度地存在温漂和非线性等影响因素。
传感器主要用于测量和控制系统,它的性能好坏直接影响系统的性能。
恒温箱主要是用来控制温度,它为农业研究、生物技术测试提供所需要的各种环境模拟条件,因此可广泛适用于药物、纺织、食品加工等无菌试验、稳定性检查以及工业产品的原料性能、产品包装、产品寿命等测试。
恒温箱供科研机关及医院作细菌培养之用;也可以作育种、发酵以及大型养殖孵化等用途。
恒温箱有着广泛的用途,其关键技术为控制温度的恒定,本文用51系列单片机和数字温度传感器DS18B20来实现恒温箱的温度测量控制功能。
2设计的基础依据与研究意义
单片微型计算机是随着超大规模集成电路技术的发展而诞生的,由于它具有体积小、功能强、性价比高等特点,所以广泛应用于电子仪表、家用电器、节能装置、军事装置、机器人、工业控制等诸多领域,使产品小型化、智能化,既提高了产品的功能和质量,又降低了成本,简化了设计。
本文主要介绍单片机在温度控制中的应用。
在现代化的工业生产中,电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。
例如:
在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中,人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。
采用MCS-51系列单片机来对温度进行控制,不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点,而且可以大幅度提高被控温度的技术指标,从而能够大大提高产品的质量和数量。
因此,单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题。
在人类的生活环境中,温度扮演着极其重要的角色。
温度是工业生产中常见的工艺参数之一,任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关,因此温度控制是生产自动化的重要任务。
对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制,所采用的加热方式,燃料,控制方案也有所不同。
无论你生活在哪里,从事什么工作,无时无刻不在与温度打着交道。
自18世纪工业革命以来,工业发展对是否能掌握温度有着绝对的联系。
在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药等等行业,可以说几乎80%的工业部门都不得不考虑着温度的因素。
本文所要研究的课题是恒温箱单片机控制系统的设计,介绍了对恒温箱温度的显示、控制及报警,实现了温度的实时显示及控制。
箱温控制部分,提出了用DS18S20、AT89C51单片机及LED的硬件电路完成对箱温的实时检测及显示,利用DS18S20与单片机连接由软件与硬件电路配合来实现对加热电阻丝的实时控制及超出设定的上下限温度的报警系统。
恒温箱温度控制部分,采用一套PID闭环负反馈控制系统,由DS18S20检测箱内温度,用中值滤波的方法取一个值存入程序存取器内部一个单元作为最后检测信号,并在LED中显示。
控制器是用AT89C51单片机,用PID算法对检测信号和设定值的差值进行调节后输出PWN脉冲信号给执行机构,去调节电热丝的加热功率,从而控制箱内温度。
它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微处理器等优点,特别适合于构成多点温度测控系统,可直接将温度转化成串行数字信号供微机处理,而且每片DS18S20都有唯一的产品号并可存入其ROM中,以便在构成大型温度测控系统时在单线上挂接任意多个DS18S20芯片。
从DS18S20读出或写入,DS18S20信息仅需要一根口线,其读写及温度变换功率来源于数据总线,该总线本身也可以向所挂接的DS18S20供电,而无需额外电源。
DS18S20能提供九位温度读数,它无需任何外围硬件即可方便地构成温度检测系统。
本设计应用性比较强,设计系统可以作为生物培养液温度监控系统,如果稍微改装可以做热水器温度调节系统、实验室温度监控系统等等。
课题主要任务是完成环境温度检测,利用单片机实现对温度的自控调节。
设计后的系统具有操作方便,控制灵活等优点。
3系统综合设计
3.1本设计将实现的要求
(1)利用单片机AT89C2051实现对温度的控制,实现保持恒温箱温度范围:
常温~110℃。
(2)可预置恒温箱温度,温度控制误差小于±1℃。
(3)预置时显示设定温度,恒温时显示实时温度,采用PID控制算法显示精确到0.1℃。
(4)温度超出预置温度±5℃时发出声音报警。
(5)人机对话部分由键盘、显示和报警三部分组成,实现对温度的显示、报警。
3.2系统方案的选择与论证
方案一:
按键控制设定恒温箱温度,热电偶对温度进行采样,采样温度经AD转换与设定温度进行对比,当采样温度小于设定温度时启动加热电路,温差的数字量经DA转换控制加热电路以不同功率进行加热,当采样温度大于设定温度时,关闭加热电路。
用LED数码管显示采样温度与设定温度。
方案二:
通过按键设定温度,按键功能分别实现温度加一和温度减一,再设按键3用于切换数码管显示采样温度T与设定的温度S。
用数字传感器DS18B20对温度进行采样,由单片机对比采样温度与设定温度进行比较:
①当S-T≥10℃时,驱动加热设备以最高功率输出;②当S-T<10℃时,采用PID算法控制单片机输出PWM信号,控制加热设备以适合的功率进行加热。
由4位共阳LED数码管对温度进行显示。
由于热敏电阻的可靠性差,测量温度准确率低,而且必须经过专门的接口电路转换数字信号后才能由单片机处理。
本设计中我们选用了美国达拉斯(Dallas)公司的单线数字温度传感器芯片DS18B20作为温度传感器,与传统的热敏电阻不同,DS18B20可直接将温度转换为串行数字信号,供单片机处理,它具有微型化、低功耗、抗干扰能力强等优点,且DS18B20采用单总线技术,信息经过单线接口送入DS18B20或送出,从微处理器到DS18B20仅需连接一条信号线和地线。
所以本设计采用DS18B20温度传感器进行温度采集。
方案二中,采用PID算法控制输出PWM信号,使加热设备以不同的功率进行加热,当温度达到我们要设定的温度时,加热电路以小功率进行加热,此时加热量平衡于消耗的热量,从而到达保温的效果。
综上所述,方案二比方案一更具优越性,控制系统更加稳定、精确。
所以本次设计我们将启用方案二进行综合设计。
3.3系统硬件结构框图
图3.1系统硬件结构框图
4系统各单元硬件的设计
由总体硬件结构框图,本设计主要由以下几部分功能模块组成:
温度采集电路,键盘控制电路,蜂鸣器报警电路,数码管显示电路和加热电路等部分。
主要是通过对数字温度传感器对温度进行采集后,与键盘电路输入的温度值进行比较,通过程序控制输出PWM信号,控制加热设备进行加热,由数码管显示电路进行温度显示,如果发生异常的时候发出警报。
4.1单片机主控制模块的设计的设计
图4.1单片机控制模块电路
本次设计采用宏晶科技公司生产的STC89C52单片机作为主控芯片,配以RC上电及开关复位电路和12MHZ震荡电路,使系统稳定运行。
P0口作为数码管显示模块数据传输总线,P1.4作为温度采集模块数据线,P2.0作为PWM信号输出口控制加热电路,P2.3控制蜂鸣器报警电路,对系统的控制通过分别接在P1.0~P1.2的独立键盘实现。
每个单片机系统里都有晶振,全称是叫晶体震荡器,在单片机系统里晶振的作用非常大,他结合单片机内部的电路,产生单片机所必须的时钟频率,单片机的一切指令的执行都是建立在这个基础上的,晶振的提供的时钟频率越高,那单片机的运行速度也就越快。
4.2温度采集模块设计
4.2.1数字温控芯片DS18B20介绍(图4.2)
模拟温度信号容易受到干扰而产生测量误差,影响测量精度。
因此,在本设计的温度测量系统中,采用抗干扰能力强的新型数字温度传感器DS18B20,它具有体积更小、精度更高、适用电压更宽、采用一线总线等优点,在实际应用中取得了良好的测温效果。
4.2.2DS18B20引脚功能、接法
DS18B20只有3个引脚,分别是电源端,接地端和一
个数字信号输入/输出端。
4.2.3DS18B20的特性指标
电源要求3~5V
温度精度±0.5℃
温度范围-55℃~125℃
测温速率750ms
图4.2DS18B20引脚接法
4.2.4DS18B20的数字温度对照表
DS18B20采用2个字节的温度数据存储部分,低字节的低4位为小数部分,高字节的低4位与低字节的高4位组成温度的整数部分,高字节的高4位为符号位,实现采样温度精度为0.0625℃。
如25.5℃对应的二进制量位0000000110011000;35.125℃对应的二进制量位为0000001000110010。
表4-1DS18B20的数字温度对照表
Temperature
Digitaloutput(Binary)
Digitaloutput(Hex)
+125
0000011111010000
07D0h
+85
0000010101010000
0550h
+25.0625
0000000110010001
0191h
+10.125
0000000010100010
00A2h
+0.5
0000000000001000
0008h
0
0000000000000000
0000h
-0.5
1111111111111000
FFF8h
-10.125
1111111101011110
FF5Eh
-25.0625
1111111001101111
FE6Fh
-55
1111110010010000
FC90h
4.3显示模块设计
图4.3显示模块电路
如图4.3为本设计的显示电路,采用的是4位共阳数码管,单片机对采集温度信号进行处理后,通过4位共阳数码管,由单片机P0口输出段选信号,P2.4~P2.7输出位选信号,通过程序控制单片机管脚输出,对温度进行显示。
4.4独立键盘设计模块(图4.4)
图4.4独立键盘电路
该电路除了复位按键之外,还设有3个独立按键,分别是:
温度上调键,温度下调键和切换显示键。
实现功能如下:
温度上调键:
设定温度加1℃;
温度下调键:
设定温度减1℃;
切换显示键:
对传感器采样温度与设定温度进行切换。
4.5加热电路
4.5.1系统加热原理框图
图4.5系统加热原理框图
上图为系统的加热原理框图,由单片机P2.0口控制PWM输出,通过驱动二极管控制晶闸管的导通角,控制电热丝加热,这段时间DS18B20不断地采集温度,反馈到单片机控制P2.0口的输出。
所以,这是一个闭环控制系统。
4.5.2加热电路图
图4.6加热电路图
220V交流电经过单相电桥整流电路,在单向可控硅SCR的A、B端加以正向电压,当单片机输出口P2.0输出低电平时,光耦PC817的发光二极管发光,二极管导通,SCR的触发极G有电流通过,此时,AB端电流导通,电热丝发热;当单向电桥电压过零时,SCR的AB端不导通。
所以,只要控制P2.0口输出PWM信号的占空比就可以控制可控硅的导通角,就可以控制电热丝两端的平均电压。
当单片机输出的PWM信号正好平衡于电阻丝加热消耗的热量,系统达到动态平衡。
可控硅导通角的控制原理:
A端为阳极,B端为阴极,G为触发极。
当AB端的电压大于可控硅最低导通电压,且G极有触发电流通过时,AB端导通,否则不导通。
4.6报警电路模块设计
图4.7蜂鸣器报警电路
由于蜂鸣器的电流较大,一般在100mA左右,需要三极管驱动,本设计蜂鸣接p2.3,采用的是有源的直流蜂鸣器,内部集成了振荡器,使用时只需给I/O口一个低电平即可发声。
在本设计中,当保温过程中,温差大于5℃时,通过蜂鸣器进行报警,以防止设备出现故障导致意外。
5PID控制算法与PWM信号
5.1PID控温原理
通过输入通道将温度传感器DS18B20采集到的恒温箱的当前温度转变为数字量并输入到单片机中,单片机求出当前的温度值与设定值的偏差,并根据该偏差进行PID运算,最后根据PID运算的结果控制单片机输出PWM信号,经过光电隔离和二极管启动盘驱动控制晶闸管整流电路,控制恒温箱加热。
加热过程分为两个阶段,单片机对设定温度S与采样温度T进行比较:
当S-T≥10℃时,驱动加热设备以最高功率输出,在这个过程中,不断测温,直到S-T<10℃时,采用PID算法控制单片机输出PWM脉冲,控制加热设备以适合的功率进行加热。
比例环节:
即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t),偏差一旦产生,调节器立即产生控制作用以减小偏差。
积分环节:
主要用于消除静差,提高系统的无静差。
积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti,Ti越大,积分作用越弱,反之则越强。
微分环节:
能反应偏差信号的变化趋势(变化速率),并能在偏差信号的值变得太大之前,在系统中引入一个有效的早期修正信号,从而加快系统的动作速度,减小调节时间。
5.2PID算法
由于温度控制本身有一定的滞后性和惯性,这使系统控制出现动态误差。
为了减小误差提高系统控制精度,采用PID控制算法,另外考虑到系统的控制对象,本设计将采用增量型PID算法。
(式5-1)
第k-1个采样时刻的输出值为:
(式5-2)
整理,可得增量式PID控制算法公式为:
(式5-3)
其中
由上面公式可以看出,如果计算机控制系统采用恒定的采样周期T,一旦确定比例系数Kp、积分时间Ti、微分时间Td就可以通过计算得出A、B、C的值,只要使用前后三次测量的偏差值,就可以由式5-3求出PID增量。
增量式PID控制算法与位置式PID算法相比,计算量小得多,因此在实际中得到广泛的应用。
位置式PID控制算法也可以通过增量式控制算法推出递推计算公式:
(式5-4)
式5-4就是目前在计算机控制中广泛应用的数字递推PID控制算法。
5.3PWM信号
PWM是脉冲宽度调制的英文缩写,按一定规律改变脉冲列的脉冲宽度,以调节输出量的波形的一种调制方式。
用单片机做PWM控制电加热器的加热功率,加热功率的大小由输出脉冲的占空比决定,占空比大,则加热功率就大。
而输出脉冲的形成可采用计时方式,即利用内部的定时/计数器产生,可以设置两个定时器,一个为脉冲高电平输出的延时,另一个为低电平输出的延时或整个周期时间的延时。
两个定时/计数器采用中断工作方式,另外设置单片机的某一引脚为脉冲输出通道,当两个定时/计数器定时到后,分别改变这个通道的状态,就可实现PWM脉冲的输出。
PWM脉冲的占空比就由于两个定时/计数器的定时确定。
而定时的大小则根据检测信号与设定值的偏差,经过PID运算确定。
整个单片机系统主程序是对检测加热温度信号进行周而复始的扫描。
当扫描到有信号输入时,就进行控制规律的比较,需要改变输出脉冲占空比时,将计算后的两个定时/计数器的定时值分别重新送给这两个定时/计数器定时值的存储单元即可。
实际为了提高时效,可以根据控制规律,将输出脉冲的占空比所对应的两个定时/计数器的定时值事先计算好,并按照顺序事先存放在单片机的内存中,执行程序时则采用查表的方法,在扫描到有信号输入时直接查表,取出定时值送给这两个定时/计数器。
这样工作速度快,PWM的动、静态性能较好,但程序编写好后,控制精度就不能更改。
单片机定时器有四种工作方式。
工作方式0:
定时器(T0或T1)工作于13位定时、计数方式。
用于计数方式时最大计数值为213=8192个脉冲。
用于定时工作时,定时时间为:
t=(213-T0初值)×时钟周期×12。
在这种模式下,16寄存器(THX和TLX)只用13位,其中THX占高8位。
其中TLX占低5位,TLX的高3位末用。
当TLX的低5位溢出时向THX进位,而THX溢出时硬件置位TF0,并申请中断。
工作方式1:
该模式是一个16位定时/计数方式。
寄存器TH0和TL0是以全16位参与操作,计数方式时最大计数2^16=65536个(外部脉冲)。
用于定时工作方式时,定时时间为:
t=(216-T0初值)×时钟周期×12。
16位寄存器(THX和TLX)中THX提供高8位、TLX提供低8位计数初值
工作方式2:
方式2是8位的可自动重装载的定时计数方式。
16位的计数器被拆成两个8位,其中TL0用作8位计数器,TH0用以保持计数初值。
当TL0计数溢出,置位TF0,TH0中的初值自动装入TL0,继续计数,循环重复计数。
用于计数工作方式时,最大计数值为:
2^8=256个(外部脉冲)。
用于定时工作方式时,其定时时间为:
t=(28-TH0初值)×振荡周期×12。
这种工作方式可省去用户重装常数的程序,并可产生精确的定时时间,特别适用作串行口波待率发生器。
工作方式3:
若将T0设置为模式3,TL0和TH0被分成为两个互相独立的8位计数器TH0和TL0。
TL0可工作为定时方式或计数方式。
占用原T0的各控制位、引脚和中断源。
即C/T、GATE、TR0、TF0和T0(P3.4)引脚、INT0(P3.2)引脚。
TH0只可用作定时功能,占用定时器T1的控制位TR1和T1的中断标志位TF1,其启动和关闭仅受TRl的控制。
定时器T1无模式3,可工作于方式0、1、2,但不能使用中断方式。
只有将T1用做串行口的波
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