计控炉温控制设计.docx
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计控炉温控制设计
HEFEIUNIVERSITY
电阻炉温控制系统设计
课程名称计算机控制技术
专 业08电气自动化
班级08级自动化
(2)班
姓 名
学号
授课老师
完成时间2011年6月21日
摘要
该本设计以S12单片机为核心部件,进行炉温的采集与控制。
本设计用数字温度传感器DS18B20来采集温度,通过按键设置温度并将设置的温度送LED数码管显示。
将采集的温度值一方面送控制电路进行比较和控制,另一方面将实际温度送显示器显,形成一套智能化炉温控制系统。
该控系统具有很高的可靠性和稳定性。
炉温控制系统的软硬件组成包括嵌入式微控制器MC9S12XS128,数字温度传感器DS18B20,独立式按键和LED数码管;接着设计了温度控制系统的硬件系统,主要包括DS18B20测温模块,按键模块,加热模块以及显示模块四个部分;在对温度控制系统的软件部分的设计中,主要是针对温度的采集与控制,按键识别,LED显示进行设计。
关键词:
S12温度传感器LED显示温度控制
一、简介
1.1S12控制器的基本知识
S12系列微控制器是16位单片机,S12系列有HC12、S12及S12X系列。
Freescale的MC9S12系列MCU是以高速CPU12内核为基础的微控制器系列,简称S12系列。
典型的HC12总线频率为8MHz,而典型的S12总线频率为25MHz。
HC12与S12指令完全兼容,故在很多场合统称为HCS12系列微控制器。
16位S12系列可以提供32~512KB的第3代FLASH嵌入式存储器,采用0.25m技术生产。
第3代FLASH存储器技术提供快速编程能力,灵活的时钟保护和安全性,帮助客户保护软件编码中的知识产权.另外,具有FLASH存储器的Freescale微控制器的在线可编程功能,是专门为用户在生产阶段和远程升级时可灵活编程而设计的。
MC9SXS128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,片内资源包括8KBRAM,128KBFLASH,2KBEEPROM;接口模块包括SPI、SCI、IIC、A/D和PWM等,PWM模块可设置成4路8位或2路16位。
它还提供2个8路10位精度A/D转换器,控制器局域网模块CAN和增强型捕捉定时器。
1.2数字温度传感器DS18B20介绍
DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司推出的一种改进型智能温度传感器,它与传统的热敏电阻等测温原件相比,它能直接读出被测温度,并且可以根据实际要求实现9~12未的数字值读数方式。
其内部结构见图1DS18B20特性主要有:
·独特的单线接口设计,与微处理器通信只需通过一条口线;
·电源来自于数据线(寄生电源)----不需要自己提供电源;
·支持多点组网功能,多个DS18B20可以并联在一根总线上,实现多点测温;
·使用时不需要任何外围元件;
·在-10℃——+85℃范围内精确度为±0.5℃;
·测量温度范围:
-55℃——+100℃;
·转换温度时间为750ms(最大值);
·用户自定义设置报警温度的上下限;
·报警搜索命令识别并且标志超过程序限定温度的器件;
·不需要外围电路,是理想的传感器(例如,温度探测);
由于DS18B20单线通信是分时完成的有严格的时间隙概念,因此读/写时序很重要。
系统对DS18B20的各种操作必须按协议进行。
操作协议为:
初始化DS18B20(发复位脉冲)→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据。
图1.DS18B20内部结构
二、硬件设计
水温控制系统由DS18B20采集温度值并把实时数据传给主控制器MC9SXS128,MC9SXS128将温度格式转换成LED显示电路能识别的电路后把温度送LED显示器显示。
同时MC9SXS128不停地监控按键控制电路的发生信号,将按键设定值送LED显示器显示,最终MC9SXS128把设置温度和当前温度做比较后做出温度控制,并将加热信号送加热电路。
系统电路结构图如图2所示。
图2.系统结构图
2.1温度采集
温度采集由数字温度传感器DS18B20完成。
图3是DS18S20的引脚图。
具体接线方法是将数据线引脚接到S12控制器A口的BIT0位,数据线是一个多功能的接口线,用做数据和命令的传输。
2.2LED显示电路
在微控制器应用系统中,如果需要显示的内容只有数码和某些字母,则使用LED(LightEmittingDiode)数码管是一种较好的选择。
LED,或者称为发光二极管,是一个半导体设备。
LED数码管显示清晰,成本低廉,配置灵活,与微控制器的接口简单易行。
LED数码管由8个发光二极管(以下简称字段)构成。
通过不同的组合可用来显示数字0~9。
图3.LED显示电路
动态显示就是用扫描的方式一个一个地轮流点亮各个七段数码显示器,通过恰当地选择点亮七段LED的时间间隔(1~5ms),会给人一种视觉暂留的效应,似乎是每个LED都在同时显示。
除了要给七段LED显示器提供段选码之外,还要提供一个位选码,位选码就是控制每个七段LED显示位轮流接地点亮的代码。
利用人眼的视觉暂留效应.分时显示不同的数码管。
动态显示是一位一位地轮流点亮各位数码管,这种逐位点亮显示器的方式称为位扫描动态扫描,本设计采用的是动态显示。
2.3键盘接口电路
由于只需要三个按键,而且单片机I/O口资源丰富,本设计采用独立按键的接线方法。
独立按键的接线方法是每一个按键占用一个I/O口,具体电路如下:
图4.键盘接口电路
2.4加热电路设计
本实验用PORTA4位将加热信号送给加热电路,具体电路如下:
VCC
R
PORTA4
GND
图5.加热电路
电路中通过PORTA4控制开关三极管的导通,从而控制加热电路的工作与停止。
2.5运算控制模块
运算控制模块涉及标度转换、达林算法、以及该算法调用到的乘法子程序等。
标度转换子程序,该子程序作用是将温度信号(00H~FFH)转换为对应的温度值,以便送显示或与设定值在相同量纲下进行比较。
所用线形标度变换公式为:
式中,Ax:
实际测量的温度值;Nx:
经过A/D转换的温度量;
Am=90;Ao=40;Nm=FEH;No=01H;
单片机运算采用定点数运算,并且在高温区和低温区分别用程序作矫正处理。
三、Matlab参数整定
通过使用MATLAB的Simulink仿真构造传递函数为
控制对象,其结构图如下:
图6.控制对象结构图
3.1数字达林算法实现
(1)显示二维平面图如下:
图7.阶跃响应曲线图
(2)流程图如下:
图8.达林算法流程图
四、软件设计思想
配置好软件开发环境后就可以按照设计做程序开发了。
基于S12的水温控制系统是在CodeWarrior集成开发环境下开发的。
如图9所示,主程序包括温度采集与识别模块,键盘扫描处理模块,加热控制模块,LED液晶显示模块,下面分模块逐个介绍。
图9.主函数流程图
4.1主函数
主函数的主要功能是初始化所用的端口和寄存器,并在死循环中反复运行各个模块。
图9为主函数流程图。
4.2温度数据处理函数
温度数据处理函数程序将12位温度值进行BCD码转换运算,并进行温度值正副的判定,其程序流程如图10所示
图10.温度处理函数流程图
4.3键盘扫描处理
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。
当I/O口线内部有上拉电阻,外电路就不需要再接上拉电阻了。
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I/O口线所对应的按键已按下,然后,再转向该按键的功能处理程序。
机械式按键在按下或抬起时,由于机械弹性作用的影响,通常伴随一定时间的触点机械抖动,然后其触点才稳定下来。
抖动时间的长短与开关的机械特性有关,一般为5~10ms。
为了克服按键触点机械抖动所致的检测误判,必须采取去抖动措施。
可从硬件,软件两方面予以考虑,通常在按键数较少时,可采用硬件去抖动;而当按键数较多时,采用软件去抖动。
图11.键盘扫描流程图
4.4加热控制模块
由于条件限制,此部分采用软件模拟,将A口的第5位Bit5设置为输出,控制器通过A口发出数字信号控制外部电源。
将键盘设定的温度(tem)与DS18B20读出的当前温度(T)进行比较,如果T>tem,则断开电源(power=0),否则就一直加热(如图12)。
在这里,当前温度保存在两display[2](十位)和display[1](个位)中,而T是一个无符号字符型变量,因此与tem进行比较时display[2]和display[1]需要做移位变换(温度值不会溢出)。
图12.加热模块流程图
4.5LED显示模块
此模块的功能是动态显示温度:
当在主函数时显示当前温度,当在按键循环时显示设定温度。
图13显示了一个多路复用LED显示模块的块框示意图,应用程序通过五个函数与模块进行接口连接:
DispInit(),DispClrScr(),DispStr(),DispStatSet()和DispStatClr()。
图13.LED驱动流程
4.6总结
以上的系统设计没有经过实际的实物验证,只是进行了理论分析与设计,可能会存在一些问题,有时间的话我希望可以通过具体的时间验证其正确性。
五、参考文献
【1】于海生编著《计算机控制技术》机械工业出版社2010年1月。
【2】李朝青编著《单片机原理及接口技术》北京航空航天大学出版社1999年3月。
【3】余锡存曹国华编著《单片机原理及接口技术(第二版)》西安电子科技大学出版社2007年12月。
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