通用室温控制系统的设计.docx

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通用室温控制系统的设计

通用室温控制系统的设计

摘要:

用PIC16C73单片机实现的4路温度、湿度控制系统,包括系统硬件和软件设计,给出了详细的电路原理图。

关键词:

PIC单片机温度湿度控制A/D转换串行接口

引言

随着生活水平的提高，在当今社会中，居室，写字楼等广泛使用着各式各样的室内温度调节系统。

直流调速系统因其变流方式及控制方法简单，调速性能好，长期以来在调速传动中占统治地位。

本论文设计的系统以单片机为控制核心，通过键盘设置各段运行参数，也可通过电脑设置下载到单片机。

单片机输出二进制控制量，经D/A转换电路将对应模拟电压送到直流伺服放大器的设定值输入端。

伺服放大器根据输入的模拟电压而输出对应的电压来控制直流电机的转速。

和直流电机同轴的光电编码器E输出A、B两路方波信号送到伺服放大器和整形电路，通过整形电路送到单片机用于测量转速。

伺服放大器不断比较设定值和实际值，根据比较获得的误差调节伺服放大器的输出电压。

采用霍尔电流传感器来测量电机转速，并通过单片机检测并显示。

显示部分显示各段设定的时间值、转速值和测量的转速值。

单片机主要完成参数设置、转速测量、参数显示和控制输出等功能。

本设计采用模块化设计思想，进行了上位机软件设计，单片机程序编写，对系统主程序的流程进行了分析，说明各模块的功能，最后调试通过，实现了各部分功能。

第1章绪论

1.1设计的系统功能和具体要求

1.1.1系统功能

1）检测直流电动机的转速、工作电压、工作电流及电网电压四个参数，用数码管显示各参数检测结果。

2）若各参数检测结果超过上下限，实现报警。

3）根据检测到的各参数，通过一定的控制算法后，输出控制值，作为晶闸管触发回路的输入电压，以控制电机的转速（模拟）。

4）建立系统实时时钟，并用数码管显示时钟。

5）通过按不同的功能键，进行人机对话，实现各种操作功能。

1.1.2系统的具体要求

1）四路模拟信号经A/D转换，每隔10ms循环采样一次，采样满5次后进行中值滤波，经数据变换后，显示各参数实际值（工程量）。

2）各参数测量范围、报警上下限及显示格式要求如下：

①转速：

0-1000r/min750-850r/min1□□×××超限1#发光二极管亮；反之，灭。

②工作电压：

0-250V200-240V2□□×××超限2#发光二极管亮；反之，灭。

③工作电流：

0-200A90-110A3□□×××超限3#发光二极管亮；反之，灭。

④电网电压：

0-500V330-430V4□□×××超限4#发光二极管亮；反之，灭。

3）控制算法本应该采用PID算法，现用模拟程序处理。

4）时钟用6位LED数码管显示。

5）人机对话功能键设置如下：

①按“0”键，显示时钟；

②按“1”键，显示转速；

③按“2”键，显示工作电压；

④按“3键”，显示工作电流；

⑤按“4键”，显示电网电压；

⑥按“5键”，撤消报警；

⑦按“6键”，投入报警；

⑧其他键备用。

1.2直流电动机简介

1.2.1直流电动机分类

直流电动机就是将直流电能转换成机械能的电机。

直流电机的励磁方式是指对励磁绕组如何供电、产生励磁磁通势而建立主磁场的问题。

根据励磁方式的不同，直流电机可分为下列几种类型：

1）他励直流电机

励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而由其他直流电源对励磁绕组供电的直流电机称为他励直流电机，接线如图1-1（a）所示。

图中M表示电动机，若为发电机，则用G表示。

永磁直流电机也可看作他励直流电机。

2）并励直流电机

并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组相并联，接线如图1-1（b）所示。

作为并励发电机来说，是电机本身发出来的端电压为励磁绕组供电；作为并励电动机来说，励磁绕组与电枢共用同一电源，从性能上讲与他励直流电动机相同。

3）串励直流电机

串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联后，再接于直流电源，接线如图1-1（c）所示。

这种直流电机的励磁电流就是电枢电流。

图1-1直流电动机励磁方式接线图

4）复励直流电机

复励直流电机有并励和串励两个励磁绕组，接线如图1-1（d）所示。

若串励绕组产生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方向相同称为积复励。

若两个磁通势方向相反，则称为差复励。

1.2.2直流电动机的特点

1）调速性能好。

所谓“调速性能”，是指电动机在一定负载的条件下，根据需要，人为地改变电动机的转速。

直流电动机可以在重负载条件下，实现均匀、平滑的无级调速，而且调速范围较宽。

2）起动力矩大。

可以均匀而经济地实现转速调节。

因此，凡是在重负载下起动或要求均匀调节转速的机械，例如大型可逆轧钢机、卷扬机、电力机车、电车等，都用直流电动机拖动。

1.2.3直流调速系统发展概况

近30多年来，由于以下三个方面的原因，推动了电力拖动控制系统的迅猛发展。

第一是控制理论的发展，出现了最优控制、自适应控制、智能控制等，相应的拖动控制系统也在实践中逐步形成。

其二是电子器件的发展，带来了拖动控制系统组成的重大变化。

过去采用旋转变流机组（交流电动机带动直流发电机）来实现直流电动机的平滑调速，而直流发电机的励磁又采用交磁功率放大机、磁放大器进行控制；由于这样的系统存在一系列的缺点，因此在50年代又出现了水银整流器静止交流装置，但由于制造和维护上的麻烦，以后也被淘汰了。

到了60年代，出现了晶闸管整流装置，不仅在经济性和可靠性上有所提高，而且在技术性能上也显示了很大的优越性。

另外，集成运算放大器和众多的电子模块的出现，不断促进了控制系统结构的变化。

其三是80年代计算机技术和通信技术的发展，开创了拖动控制系统蓬勃发展的新时代。

8位—32位单片机的相继出现并应用于控制系统，使其结构更加简单，功能更强，可靠性更高。

由于直流电动机具有良好的机械特性，能在大范围内平滑调速、起动、制动和正反转等，目前在传动领域中仍占有主要地位。

现急需在以下几个方面提高我国直流电气传动装置的水平。

1）提高传动的单机容量。

我国现有容量为7000KW，国外则早已制成14500KW的传动装置。

2）提高电力电子器件的生产水平，增加品种。

3）控制单元水平急需提高。

目前国内的传动装置仍使用小规模集成运算放大器和组件，触发装置甚至还是用分离元件，国外的装置已实现完全数字化，采用16位或32位单片机，实现数字触发、数字调节、故障自诊断、参数自寻优、状态监视、保护及自复原等各种功能。

4）应形成标准模块化的结构和一系列控制单元，便于工程设计人员选用。

5）加强装置的功能，进一步提高可靠性，工艺要更加合理，维护方便。

从传动系统来讲，虽然近几年来交流电机调速技术迅猛发展，在许多方面正向直流电机调速技术领域扩展，但是直流传动控制系统的一些理论仍然是交流传动的基础。

对于直流传动系统来说，它也在不断地更新和发展，如完全数字化的控制装置已成功地用于生产。

以微机作为传动控制系统的核心部件，并具有控制、监测、监视、故障诊断及故障处理等多功能电气传动系统正在形成和不断完善。

第2章系统总体方案论证

2.1主体电路方案论证

2.1.1方案比较

方案一：

主机采用MCS-51系列的8031单片机。

以74LS373作地址锁存器，以74LS138作译码器以选通各芯片。

扩展的各部分如下：

1）以74LS244芯片配合4×4矩阵式键盘，实现键盘扫描。

74LS138的

选通。

2）扩展8155芯片，以其A口、B口连接ADC0809芯片。

有B口提供ADC0809各采样通道的地址选通信号及启动信号。

由A口连接ADC0809芯片的DB0～DB7，以读取A/D转换结果。

另以8155C口的低4位（PC0～PC3）控制4个报警灯，以实现各参数的超限报警。

8255A芯片由74LS138的

选通。

3）扩展8255A芯片，通过A口、B口、C口作输出口和6个71LS48译码/驱动器，连接6个LED数码管构成显示电路。

8255A芯片由74LS138的

选通。

4）扩展DAC0832芯片，以输出控制信号。

方案二：

主机采用MCS-51系列的AT89C51单片机，用8155芯片，8255A芯片扩展I/O口，74LS373芯片作为地址锁存，74LS138芯片。

显示采用LCD液晶显示，并且配合4×4矩阵式键盘控制，实现人机对话。

2.1.2方案选择

本设计检测直流电机的转速、工作电压、工作电流和电网电压，程序较大，在ROM的选取方面选择扩展2716存储器，所以主芯片的ROM可以胜省略不用，为单片机节省I/O口。

所以选择方案一作为主体电路的方案。

2.2转速检测方案论证

2.2.1方案比较

方案一：

采用位置测量元件。

位置测量元件是闭环控制系统中的重要部件之一，它的作用是检测位移（角位移或线位移）并发出反馈信号，起着相当于人眼的作用。

一个完善的闭环伺服系统，其定位精度和测量精度主要由测量元件决定，因此，高精度伺服系统对测量元件的质量要求相当高。

光电编码器是现代伺服系统中必不可少的一种数字式速度和位置测量元件，被广泛应用于微处理器控制的闭环控制系统中。

所以采用光电编码器来计算电动机的转速。

方案二：

电机测速采用的是测速发电机。

测速发电机是模拟量的速度传感器，其输出电压可以用下式表示：

U∝BLv（2-1）

式中v---机械转速（或速度）；

B---磁通密度；

L---导线长度；

直流测速发电机的输出电压为：

（2-2）

式中：

n——转速；

Ke——电动势系数；

Ra——内电阻；

RL——负载电阻；

可以根据测得的电压，根据上述公式计算出电机的转速。

2.2.2方案选择

在综合考虑系统设计的成本与可实现性，我们选择方案一，采用光电编码器来测量电动机转速。

温度、湿度控制在工农业生产中应用很多。

对于一个

比较大的系统,人们往往采用微机进行控制,小一些的系统

较多采用51或96等系列的单片机。

然而,不管是用哪一

种,总要对系统进行扩展:

扩展程序存储器、扩展并行口做

键盘,还要有APD转换,如果数据较多的话,还必须扩展数

据存储器等。

这对许多控制器来讲,成本太高,系统资源

没有得到充分利用。

为此,我们利用PIC16C73型单片机设

计了1个4路温度、湿度控制系统。

1　PIC16C73单片机简介

PIC16C73单片机是由美国Microchip公司生产的8位

单片微机,采用Harvard结构,这种结构使指令执行和取指

操作重叠进行,因而可以达到很高的执行速度。

它只有35

条单字节指令,且除了跳转指令是2周期外,其它指令都

是单周期指令。

这些特点使它相对于别的8位单片机节

省了1P2的程序空间,并具有4:

1的速度优势。

PIC16C73在1个芯片上集成了1个8位算术逻辑

单元和工作寄存器,4KB程序存储器,192个数据寄存

器,22个IPO口,3个定时P计数器及2个捕捉P比较PPWM

模块,2个串行口,APD转换器具有5路模拟量输入端,还

有时钟、复位、看门狗定时器等。

其中5路模拟量输入通

道共同复用1个采样P保持和APD转换器。

管脚分配如

图1,其中标了2种以上功能的是复用端口。

2　控制系统的硬件设计

控制系统原理图如图2所示。

2.1　硬件构成原理

第3章系统硬件电路设计

3.1中央处理部分

3.1.1主芯片8031简介

AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89C52单片机适合于许多较为复杂控制应用场合。

AT89C52芯片引脚如图3-1所示。

在单片机的40条引脚中有2条专用于主电源的引脚，2条外接晶体的引脚，4条控制或与其它电源复用的引脚，32条输入/输出（I/O）引脚。

下面按其引脚功能分为四部分叙述这40条引脚的功能。

1）主电源引脚VCC和VSS

VCC——（40脚）接+5V电压；

VSS——（20脚）接地。

2）外接晶体引脚XTAL1和XTAL2

XTAL1（19脚）接外部晶体的一个引脚。

在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。

当采用外部振荡器时，对HMOS单片机，此引脚应接地；对CHMOS单片机，此引脚作为驱动端。

XTAL2（18脚）接外晶体的另一端。

在单片机内部，接至上述振荡器的反相放大器的输出端。

采用外部振荡器时，对HMOS单片机，该引脚接外部振荡器的信号，即把外部振荡器的信号直接接到内部时钟发生器的输入端；对XHMOS，此引脚应悬浮。

图3-18031芯片引脚图

3）控制或与其它电源复用引脚RST/VPD、ALE/PROG、PSEN和EA/VPP

①RST/VPD（9脚）当振荡器运行时，在此脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。

推荐在此引脚与VSS引脚之间连接一个约8.2k的下拉电阻，与VCC引脚之间连接一个约10μF的电容，以保证可靠地复位。

VCC掉电期间，此引脚可接上备用电源，以保证内部RAM的数据不丢失。

当VCC主电源下掉到低于规定的电平，而VPD在其规定的电压范围（5±0.5V）内，VPD就向内部RAM提供备用电源。

②ALE/PROG（30脚）：

当访问外部存贮器时，ALE（允许地址锁存）的输出用于锁存地址的低位字节。

即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率周期性地出现正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。

然而要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

ALE端可以驱动（吸收或输出电流）8个LS型的TTL输入电路。

③PSEN（29脚）：

此脚的输出是外部程序存储器的读选通信号。

在从外部程序存储器取指令（或常数）期间，每个机器周期两次PSEN有效。

但在此期间，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。

PSEN同样可以驱动（吸收或输出）8个LS型的TTL输入。

④EA/VPP（引脚）：

当EA端保持高电平时，访问内部程序存储器，但在PC（程序计数器）值超过0FFFH（对851/8751/80C51）或1FFFH（对8052）时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序。

当EA保持低电平时，则只访问外部程序存储器，不管是否有内部程序存储器。

4）输入/输出（I/O）引脚P0、P1、P2、P3（共32根）

①P0口：

P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。

作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。

在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。

在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。

②P1口：

P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。

作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

与AT89C51不同之处是，P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX），参见表3.1-1。

Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。

表3.1-1P1.0和P1.1的第二功能

③P2口：

P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。

在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@RI指令）时，P2口输出P2锁存器的内容。

Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。

④P3口：

P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。

P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。

此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。

P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如下表3.1-2所示。

表3.1-2P3口第二功能

此外，P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。

3.1.2串口通讯电路设计

8031有一个全双工的串行通讯口，所以单片机和电脑之间可以方便地进行串口通讯。

进行串行通讯时要满足一定的条件，比如电脑的串口是RS232电平的，而单片机的串口是TTL电平的，两者之间必须有一个电平转换电路，我们采用了专用芯片MAX232进行转换，虽然也可以用几个三极管进行模拟转换，但是还是用专用芯片更简单可靠。

MAX232结构如图3-2所示：

图3-2MAX232结构图

串口通信具体电路如图3-3所示：

图3-3MAX232串口通信电路

我们采用了三线制连接串口，也就是说和电脑的9针串口只连接其中的3根线：

第5脚的GND、第2脚的RXD、第3脚的TXD。

这是最简单的连接方法，但是对本设计来说已经足够使用了，电路如上图所示。

通信线采用交叉接法，即两者信号线对应成为R—T，T—R。

具体连接电路如图3-4所示:

图3-4串口通信连接方式

3.1.3主芯片振荡电路

CPU晶体振荡电路，本系统采用外部12MHZ频率的晶体振荡器。

具体电路如图3-5所示：

图3-5CPU晶体振荡电路

3.1.4主芯片复位电路

复位是单片机的初始化操作，只要RST引脚处至少保持2个机器周期（24个振荡周期）的高电平就可实现复位。

CPU复位电路原理图如图3-6所示，其采用的是

上电加按键的复位方式。

上电瞬间RST/VPD端的点位与VCC相同，随着充电电流的减小，RST/VPD的电位逐渐下降。

3.2数据采集部分

数据采集部分采用ADC0809芯片来对采集来的模拟信号转换成数字信号，并且传到中央处理器中处理，并且显示。

3.2.1A/D转换器芯片ADC0809简介

ADC0809是8路模拟信号的分时采集芯片，片内有8路模拟选通开关，以及相应的通道抵制锁存用译码电路，其转换时间为100μs左右。

ADC0809的芯片引脚图如图3-7所示。

图3-7ADC0809引脚图

3.2.2ADC0809的内部逻辑结构图

如图3-7所示，图中多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换，这是一种经济的多路数据采集方法。

地址锁存与译码电路完成对A、B、C3个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出，因此可以直接与系统数据总线相连，如表3.2-1为通道选择逻辑。

3.2.3信号引脚

ADC0809芯片为28引脚为双列直插式封装，其引脚排列见图3-7。

对ADC0809主要信号引脚的功能说明如下：

IN7～IN0——模拟量输入通道

ALE——地址锁存允许信号。

对应ALE上跳沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中。

START——转换启动信号。

START上升沿时，复位ADC0809；START下降沿时启动芯片，开始进行A/D转换；在A/D转换期间，START应保持低电平。

本信号有时简写为ST.

表3.2-1通道选择逻辑

图3-8ADC0809内部逻辑结构

A、B、C——地址线。

通道端口选择线，A为低地址，C为高地址，引脚图中为ADDA，ADDB和ADDC。

其地址状态与通道对应关系见表9-1。

CLK——时钟信号。

ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。

通常使用频率为500KHz的时钟信号

EOC——转换结束信号。

EOC=0,正在进行转换；EOC=1,转换结束。

使用中该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。

D7～D0——数据输出线。

为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连。

D为最低位，D7为最高

OE——输出允许信号。

用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。

OE=0，输出数据线呈高阻；OE=1，输出转换得到的数据。

Vcc——+5V电源。

Vref——参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。

其典型值为+5V（Vref（+）=+5V,Vref（-）=-5V）。

3.2.4单片机与ADC0809的连接

ADC0809与单片机的连接如图3-9所示，电路连接主要涉及两个问题。

一是8路模拟信号通道的选择，二是A/D转换完成后转换数据的传送。

8路模拟通道选择如图2.3所示模拟通道选择信号A、B、C分别接最低三位地址A0、A1、A2即（P0.0、P0.1、P0.2），而地址锁存允许信号ALE由P2.0控制，则8路模拟通道的地址为0FEF8H～0FEFFH.此外，通道地址选择以

作写选通信号，这一部分电路连接如图3-9所示。

图3-9ADC0809与单片机的连接

从图3-10和图3-11中可以看到，把ALE信号与START信号接在一起了，这样连接使得在信号的前沿写入（锁存）通道地址，紧接着在其后沿就启动转换。

启动A/D转换只需要一条MOVX指令。

在此之前，要将P2.0清零并将最低三位与所选择的通道好像对应的口地址送入数据指针DPTR中。

例如要选择IN0通道时，可采用如下两条指令，即可启动A/D转换：

图3-10ADC0809的部分信号连接

图3-11信号的时间配合

MOVDPTR,#FE00H；送入0809的口地址

MOVX@DPTR,A；启动A/D转换（IN0）

注意：

此处的A与A/D转换无关，可为任意值。

3.2.5转换数据的传送

A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。

数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。

为此可采用下述三种方式。

①定时传送方式

对于一种A/D转换其来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。

例如ADC0809转换时间为128μs，相当于12MHz的MCS-51单片机共32个机器周期。

可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。

②查询方式

A/D转换芯片由表明转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。

因此可以用查询方式，测试EOC的状态，即可却只转换是否完成，并接着进行数据传送。

③中断方式

把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。

不管使用上述那种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。

首先送出口地址并以

信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接受。

不管使用上述那种方式，只要一旦确认转换结束，便可通过指令进行数据传送。

所用的指令为MOVX读指令，仍以图9-17所示为例，则有

MOVDPTR,