单片机温度控制系统毕业设计论文.docx
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单片机温度控制系统毕业设计论文
前言
微机控制技术、传感器在工业控制、机电一体化、智能仪表、通信、家用电器等方面得到了广泛应用，显著提高了各种设备的技术水平和自动化程度。
因此对这些原理和结构我们就需要很好的了解并掌握。
本设计是关于温度控制系统的设计，在整个设计过程中即用到单片机、传感器、微控技术，也用到了控制系统中的知识，可以说是我们所学知识的大综合。
本设计重点介绍了系统的硬件部分，即有关常用芯片的介绍，如MCS—98、8155、DAC0832等等。
软件介绍了数字调节器的设计、PID参数的整定、PID算法程序清单、以及相关的程序；最后介绍了系统特性的测量与识别。
本设计在指导老师和同学的指导帮助以及本人的努力下完成了。
但由于本人水平有限，设计有不妥之处，恳请批评指正。
编者
2010年5月
一、任务
二、工艺要求
三、本系统的性能指标
四、系统组成和基本工作原理
五、硬件设计
六、调试步骤和方法
七、调试结果及分析
八、对象特性的测量与识别
九、设计总结
镀锌薄板锌槽温度自动调节
系统设计
一、任务：
用单片机自动控制为镀锌薄板锌槽设计一个温度自动调节系统。
二、工艺要求：
1．系统应具有良好的操作性能，为了满足用户使用方便和操作人员维修，系统控制的开关要少。
2．通用性好，便于扩充。
3．系统可靠性要高。
三、本系统的性能指标：
控制容量：
20KW
温度设定：
键盘
温度显示：
4位LED数码管
显示误差：
±5°C
控制温度：
400°C
控制过程：
设定（1min）对炉测温、控温
四、系统组成和基本工作原理：
1.确定系统总体控制方案。
A.初步选定系统用闭环控制，且采用单闭环控制。
因为所带负载是阻性元件，其线性度比较好，温度变化不太高，但对控制精度有一定的要求。
B.执行机构采用三相电热丝，其发热量随电流的变化而变化，我们采用控制电流的变化来控制温度的变化。
C.计算机部分起巡回检测、闭环调节和计算推理的作用。
2．系统的结构框图：
五、硬件设计：
1、MCS-98
8098是MCS-96系列单片机的一个子系列，它的外部数据总线为8位，部CPU保持16位结构。
这类单片机通常称为准16位单片机，类似于8088微处理器。
8098具有16位单片机的基本功能，而价格接近8位机。
8098单片机引脚功能：
Vcc主电源（+5V）
Vss数字地（0V）
VPD片RAM备用电源（大于3.6）
VREF片A/D转换器参考电压（+5V）
ANGNDA/D转换器的模拟地
VPP片EPROM编程电压
XTAL1片振荡器反相输入端
XTAL2片振荡器反相输出端
复位信号输入端
存储器选择输入端，
=1，CPU寻址是2000H～3FFFH时，访问片EPROM；
=0，访问片外存储器。
此引脚部有下拉作用，若无外部驱动，则它总是保持低电平。
地址锁存允许（ALE）或地址有效输出（
）信号，它们由SCR寄存器选择。
两者都提供了一个锁存信号，以便把地址从地址/数据总线上分离出来。
当选择
功能，在总线周期结束时，此引脚变高。
可作为外部存储器的片选信号。
仅在外部存储器访问期间才有效。
对外部存储器读信号
对外部存储器写信号
READY准备就绪信号（输出）。
用来延长对外部存储器的访问周期，以便芯片能够与慢速存储器或动态存储器接口；它也可用于总线共享，总线周期最多能延长1ｕs。
HSIHSI.0，HSI.1，HSI.2，HSI.3共四个输入引脚都是高速输入部件的输入端，其中HIS.2，HIS.3与HSO部件共用。
HSOHSO.0，HSO.1，HSO.2，HSO.3，HSO.4，HSO.5共六个引脚都是高速输出部件的输出端，其中HSO.4，HSO.5于HIS部件共用。
P0口ACH4，ACH5，ACH6，ACH7是四位高阻抗输入口，这些引脚既可以用作A/D转换器的输入口，也可以用作数字信号输入口。
P2口RXD/P2.1，TXD/P2.0既可作串行接口，也可作I/O接口。
PWM/P2.3既可用作脉宽调制控制器的输出口，亦可用作电平信号输出口，以及EXTINT/P2.2等4位端口是多功能口。
P3口和P4口具有漏极开路输出8位双向口，这些引脚是复用信号线，既用作地址总线，又用作数据总线，它们的部具有很强的上拉作用。
2、铂热电阻:
铂热电阻是电阻体采用铂金属的一种电阻，广泛用作稳定温度系数的电阻以及温度传感器，它与一般的金属一样，具有正的温度系数。
铂热电阻的端子有不同的联结方式，如图
（1）既2线式，3线式和4线式。
铂热电阻虽是一种阻值随温度改变的温度传感器，但实际上使用时要把引线电阻记算在，既与铂热电阻本身阻值相加。
因此2线式适用于传感器在印制板上，既测量回路与传感器不太远情况下的接线方式。
测量铂热电阻的阻值大致有二种方法即恒压法和恒流法。
恒压法就是加在铂热电阻两端电压保持恒定，测量电流变化的方法；恒流法就是流经铂热电阻的电流保持恒定，测量其两端电压的方法。
（a）（b）（c）
铂热电阻的不同接线方式
（a）2接线（b）3接线（c）4接线
若有恒压源（标准电池），恒压法的电路就非常简单，另外，组成桥就可进行温漂补偿，因此，这种方法被广泛使用。
但电流与铂热电阻的阻值变化成反比，用于很宽的温测围，进行线性时要特别注意。
对于恒流法，电流与铂热电阻的阻值变化成正比，而铂热电阻两端的电压变化，因此，线性化简便，但要获得准确的恒流源时电路比较复杂。
图
（2）是2线式的铂热电阻接线图，它是一种检测温度的电路。
在电路中，RＴ采用100欧的铂热电阻，RＴ与R1串接到恒压源（+12V），RT中流经约0.1mA的电流。
这种接法属于恒压法，但实际选用的R1阻值比RT高很多，因此RT阻值变化引起的测量电流变化不大，获得近似恒流的线性输出。
当功率晶体管温度低于430°C时，A1的同相输出端电位（由RP1，R2和R3分压确定）低于反相输入端，A1端输出高电平；温度高于430°C时，则RT阻值增大到1236欧（10°C时为100欧）。
A1的反相输入端电位高于同相输入端，A1输出变为低，从而控制有关电路进行温度调节。
3、模拟量输入电路
1）8155
（b）引脚图
（a）中8155共有三个基本组成部分，第一部分为可编程I/O接口，共有三个口，其中二个口（A口和B口）为8位口，一个口（C口）为6位口；第二部分为256B的RAM；第三部分为记数结构的定时/计算器。
主要接口信号：
AD0～AD7地址数据复用线
ALE地址锁存信号，它除进行AD0～AD7的地址锁存控制外，还用于片选信号CE和
等信号锁存控制
读选通信号
写选通信号
片选信号
I/O与RAM选择信号，这是一个特殊信号，因为8155部的I/O接口与RAM是分开编址的，因此要求用控制信号进行分区。
对RAM进行读写，
对RAM进行读写，
对I/O口进行读写
RESET复位信号，81A、B、C口均为输55以600ns的正脉冲进行复位，复位后入方式
4．模拟量输出电路
a）引脚功能
D0～D7数字量数据输入线，ILE为数据锁存允许信号，高电平有效；CS为输入寄存器选择信号，低电平有效。
输入寄存器的“写”选通信号，负脉冲有效，当
、ILE=1、
时，D0～D7的数据被锁存至输入器；
为数据转移控制信号线，低电平有效
Vref其准电压输入线
RFb反馈信号输入线，芯片已有反馈电阻
IOUT1和IOUT2电流输出线，IOUT1和IOUT2的和为常数，IOUT1随DAC寄存器的容线性变化
VCC工作电源，DGND为数字地，AGND为模拟信号地，由于D/A转换芯片输入是数字量，输出为模拟量，模拟信电源和数字信号的干扰而引起波动。
b）光电耦合输出电路如下图：
工作状况：
（单片机输出引脚为低电平）
a.光电耦合器的发光二极管承受正向电压，导通，有电流流过，发光
b.光电耦合器的光敏三极管受到光照，进入导通状态，其集电极处于零电位
c.继电器线圈得电，闭和，接通外部电路
当单片机引脚为高电平时，工作情况
a.光电耦合器的发光二极管承受反向电压，截止，无电流流过，不发光
b.光电耦合的光敏二极管末受到光照，进入截止状态，其集电极处于高电位
c.线电器线圈失电，断开外部电路
5、PWM集成电路
（a）
SG1525是一种16脚的双列直插式IC电路，其外形管脚布置及管脚名称示图1（b），其部原理结构框图如图1（a）所示。
部由基准电压调整器UREF、振荡器OSC、误差放大器EA、比较器DC及PWM锁存器、触发器FF、欠电压锁定器、输出级、软起动及关闭电路等组成。
（1）输入电压UCC与基准电压调整器UREF输入电压UCC1可以在8～35V围变化，通常可用+15V。
UREF是一个标准的三端稳压器，有温度补偿，精度可达5.1V+/-1%。
它既可供片使用，也可由16脚为芯片外围电路提供标准电源，输出电流可达40mA，有过电流保护功能。
（2）振荡器OSC由一个双门限比较器、一个恒流电源及电容充放电电路（6脚和5脚分别对地接上一个电阻RT和电容CT，5脚与7脚间接电阻RD）构成，CT恒流充电，产生一锯齿波电压，锯齿波的峰点电平为3.3V，谷点电平为0.9V，锯齿波的上升边对应CT充电，充电时间t1（参见图2）决定了RTCT；锯齿波下降边对应CT放电，放电时间t2决定于RDCT。
锯齿波的频率由下式决定：
f=1/（t1+t2）=1/CT（0.67RT+1.3RD）
由于双门限比较器门限电平由基准电压分压取得，并且CT充电的恒流源对电压及温度变化的稳定性好，故UCC1在8～35V围变化时，锯齿波的频率稳定度可达1%；当温度在-55～+125。
C围变化时，其频率稳定度为3%。
振荡器对应于锯齿波下降边输出一时钟信号（CP脉冲），其宽度为t2，故调节RD即可调节CP脉冲宽度。
这个CP脉冲决定于两个输出口Ⅰ、Ⅱ输出脉冲之间最小的时间间隔，既死区td。
所以调节RD就可调节死区td，RD越大，死区td越大。
振荡器还设有外同步输入端3脚。
在3脚加直流或高于振荡器频率的脉冲信号，可实现对振荡器的外同步。
（3）误差放大器EA，其直流开环增益为70dB，同相输入端接基准电压或其分压值，反馈电压信号接反相输入端。
根据系统动态、静态特性的要求，可在9脚和1脚之间接入适当的反馈电路网络，如比例积分电路等。
（4）比较器DC与PWM锁存器，误差放大器输出电压U-加至比较器DC反相端，振荡器输出的锯齿波电压U+加于同相端，比较器DC输出一PWM信号，该PWM信号经锁存器（RS寄存器）锁存，以保证在锯齿波的一个周期只输出一个PWM脉冲信号。
比较器DC的反相输入端还设有软起动及关闭PWM信号的电路。
在8脚与地之间接一数微法电容，即可在起动时使输出端的脉冲由窄逐步变宽，实现软起动功能。
在10脚可加各种故障保护信号，如过电流、过电压、短路、接地等故障信号，故障信号输入时使部晶体管导通，从而封锁输出。
（5）触发器FF每输入一个CP脉冲则Q和Q翻转一次。
所以，FF的输出是一个方波信号，其频率为锯齿波频率的1/2。
此
（6）方波信号加至输出级两组门电路的输入端B。
（7）欠电压锁定器当电源电压UCC1≤7V时，欠电压锁定器输出一高电平，加至输出级门电路的输入端A，同时也加到关闭电路的输入端，以封锁输出。
（8）级两组输出结构相同，每一组上侧为“或非”门下侧为“或”门。
有A、B、C、D四个输入端，D端输入PWM脉冲信号，B端输入触发器输出的Q（或Q）信号，C端输入CP脉冲，A端输入欠电压锁定信号，设输出信号为P和P‘，则P=A+B+C+D，P’=A+B+C+D。
P和P‘分别驱动输出级上、下两个晶体管V1、V2（V3、V4），两个晶体管组成图腾柱结构，使输出级既可向负载提供电流，又可吸收负载电流。
SG1525各点波形如图2所示，比较器反相输入端U-的电平越高，则输出脉冲UⅠ、UⅡ的占空比越大；反之，则越小。
因此，改变U-的电平，就可以调节占空比а，从而调节PWM变换器输出直流平均电压Ud。
图2h中表示的输出口Ⅰ、Ⅱ并联使用的波形，其频率与锯齿波频率相同。
输出脉冲UⅠ、UⅡ的下降沿则对应电压U-于锯齿波电压U+上升边的交点，因次，即使U-的电平上升到与锯齿波峰点电平相等，UⅠ、UⅡ两脉冲也不可能连到一起，它们之间存在一个宽度等于CP脉冲宽的“死区”。
这样，在输出端口Ⅰ、Ⅱ并联使用情况下，占空比ａ的值也不可能等于1。
6.键盘和显示电路
（1）4×4键盘工作原理
由图可见：
16个键分两部分，十个数字键0～9；六个命令键A～F。
对安键的识别由软件来完成。
用两个并行I/O接口电路，采用步进行扫描法。
CPU每次通过接口对某一行Xi输出扫描信号0，列
线Yj的状态来确定键闭合的位置。
列线Y接+5v/无安键时，行X和列Y线断开，列线Y1～Y4呈现高电平。
当某一按键闭合时，该键所在行、列线短接。
若该行线输出为0，则该列线电平被拉成0（其余3根列线仍为1），此时CPU可判断出按键闭合所在行、列及键号。
若扫描从第一行有效开始，则CPU输出X4X3X2X1=1110，以下类推：
第二行为X4X3X2X1=1101，第三行为1011，行为0111。
设：
4号键按下闭合，代表4号键闭合的特征信号为：
列信号：
X4X3X2X1=0111，第四列有效。
行信号：
X4X3X2X1=1011，第三行有效。
为了便于CPU处理。
将行、列信号拼装成一个字节，然后求反得到4号键对应的“特征字”，也叫键值。
即：
列线Y行线X
CPU操作时，先输出行有效信号，再输入列信号，经过拼装、求反得到键值，由于这种对应是唯一的，所以可用来识别键盘上所有的键，根据上述关系可求出其他键值如下：
键盘上的字符
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
A
B
C
D
E
F
键值
81H
82H
42H
22H
84H
44H
24H
88H
48H
28H
18H
14H
12H
11H
21H
41H
CPU在得到键值后，用一个软件计数器通过键值表，很容易判断按键闭合。
不同的接线方式，得到键值可能不同，但键号和键值的对应关系是唯一的。
（2）LED动态显示方式
所谓动态显示就是用扫描方式轮流点亮LED显示器的各个位。
特点：
将多个7段LED显示器同名端的段选线复接在一起，只用一个8位I/O控制各个LED显示器的公共阴极轮流接地，逐一扫描点亮，使每位LED显示该位应当显示的字符。
恰当地选择点亮LED的时间间隔（1ms～5ms），会个人一种视觉暂停效应，似乎多位LED都在“同时”显示。
在图中，控制每个LED显示位轮流接地点亮的代码称为“位选码”。
由I/O
（2）口输出8位代码控制。
特点是，每次输出只有一位是0（点亮），其余7位均为1（熄灭），因为每一位LED都有一个唯一的8位“位选码”。
按图从左向右轮流显示8位LED的位选码为
用8031右移循环指令可实现：
MOVA，#7FH；点亮左1LED的选码
LOOP：
MOVXDPTR，A；从I/O
（2）口输出位选码
RRA；右移一位，指向下一个LED位
LCALLDELAY；调延时3ms子程序
LJMPLOOP；返回显示下一位LED
动态显示的操作由软件完成。
每次由I/O
（1）口输出段选码、再由I/O
（2）口输出位选码，经过延时，以获得稳定的显示效果。
以上述分析的显示原理可知，为了显示数字和字母，最终需要转换成相应的段选码。
这种转换可以通过译码器或软件译码完成。
六、调试步骤和方法
（一）、单元的调试
1.铂电阻及其信号放大电路的调试
*按照“铂电阻及其信号放大线路图”接线；
*利用电阻箱代表铂电阻R；
*调放大倍数K1。
适当调整R1的值，分别测试放大器在空载和带负载时的特性曲线。
空载时
RT0=100.00Ω（0ºC时的铂电阻值）U出≈0伏
RT=197.76Ω（256ºC时的铂电阻值）U出≈5伏
带负载时，见表3-2。
表3-2
R/Ω
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200
U/V
0.02
-0.46
-0.96
-1.47
-1.96
-2.46
-2.96
-3.45
-3.93
-4.41
-4.89
2.模拟量输入电路的调试
*按照图1-6接好线；
*改变输入信号（铂电阻放大信号），用逻辑学习机上的发光二机管测量输出的数字量。
使模拟/数字量的转换如下：
模拟量/V
0
1
2
3
4
5
数字量
00
32
61
93
CA
FF
3.模拟量输出电路的调试
*按照图3-9接好线。
注意DAC-0832的电源电压为+5伏，K1，K2放大器的电源电压为±15伏。
*输入的数字量可以由逻辑学习机上的开关信号提供，也可由计算机提供。
*调整放大器亏得W值，使其输入输出关系如表3-3：
表3-3
4.驱动器的调试
5.按图3-10接好线。
按下列顺序分别调好死区补偿电路、PWM和SSR电路。
*死区补偿电路：
在输入端（M点）加上一个可调的直流电压（0∽5伏），改变电位器W1和W2的阻值，使死区补偿电路输出端（O点）电压为1∽3.5伏。
W2用来改变输出电压的斜率，W1用来改变输出电压（O点）的起始值。
*PWM电路：
在SG3524N的输入端（管脚2）加上一个可调的直流电压（0∽5伏），用示波器观察PWM的输出端（3524管脚11）的波形，看其波形是否是一串方波，且方波的占空比是否随输入电压大小改变而改变（输入电压在1V∽3.5伏时）。
当输入电压小于1V时，输出端为零电平。
当输入电压大于3.5V时，输出为一高电平。
调整电位器W3的数值，可以改变脉冲的工作频率。
*SSR电路：
在受控端加交流电源（通过负载），在输入端（图3-10P点）加一个5V直流电压，用示波器观察负载电阻上是否有电压降，或者用交流电流表串接在负载中，观察是否有电流流过，且其电流值是否符合欧姆定律。
然后把输入端电压降到零电平，用同样的方法观察负载电阻上的波形，此时应当没有电压降。
*把三个电路按照图3-10连接好。
在输入端（M点）加上一个0∽5V的直流电压，观察负载电阻上的波形（或电流值）是否随输入电压而相应变化。
二、程序的调试（程序已略）
根据所编的程序，先用单步键分别调好主程序和各个子程序。
用十进制电阻箱代替铂电阻并改变RT的数值，模拟炉温的变化情况，使PID（或PD）控制算法的输出值与温度值的关系（稳定时）大致有表3-4的关系
注：
上表中的T，PK为十六进制
从上述数据中可以看出：
①当温度值T由0→48H时，输出值一直为PE，既为自由生温段。
②当温度值T由48→4AH时，既为自由生温段进入PID调节时，输出值PK开始变小，随着T的逐渐增加，PK值逐渐减小，也没有出现突变的现象。
③在保温值附近（T=64H）输出值PK与M值的大小相当。
（三）系统的调试
在单元和程序调试的基础上，根据系统原理图及接线图（图3-7），连接各单元，组成电阻炉炉温控制系统，使系统的性能指标达到工艺要求。
七、调试结果及分析
如按正常情况本系统经过一段时间的运行是可以满足工艺提出的各项指标的要求。
现将实际运行过程中一组炉温变化曲线列表如下（表3-5）：
结果分析：
从调试过程和结果来看，所得结果虽然满足了工艺的各项要求，但为了调试的方便和进一步改善品质指标，建议从以下几个方面着手。
①进入PD调节的温度值Ta点（见图3-22）的选择要合适，当T小时，Ta值宜选择小一些，当T值增大时Ta值宜选大些。
本例中Ta点选在70%~80%To（保温值）。
Ta太小，将会使过度时间增加。
Ta太大将会使温度的超调量增加，震荡次数增多，当然也会使过度过程时间增加。
②M值的选择是根据平时生产或实验估计而得来的，但也要选择适当，太大或太小会增加系统的静态误差。
太大了，其误差将是正的（既温度的实际值总是大于给定值），太小了，其误差将是一个负值。
（３－２２）
③KP选择大了，容易使输出溢出，使温度值产生震荡，增加过度时间和静态误差，严重时使系统难以正常工作；太小了虽然减少了超调量，但却增加了过渡过程时间。
④Kd的选择，对于带纯滞后的一阶惯性环节来说，可以改善系统的指标，且选择偏大些为好。
⑤为了改善系统的性能指标还可以采用其他的方法；
如选用10位10位以上的A/D转换芯片；引入积分
环节；或选用如图3-22的方法，既在进入PID之前，把温度值经过恒速生温过程，以减少超调量。
表（３——５）
八、对象特性的测量和识别
1）加热炉的模型可以近似为一阶惯性环节加纯滞后环节，其开环传函为
G（s）=Kde-τs/TS+1
加热炉的模型参数为
Kd=1.16放大系数=温度变送器*功率放大器*晶闸管调压器*电阻炉比例系数
Td=680s时间常数
τ=30s滞后时间
2）飞升曲线
1选择器材按要求连接好电路，有仪器检查无误后才能通电。
2数字控制器不接入控制系统，让系统处于手动操作状态下，调节电位器和变阻器，将被调量调节到给定值附近，并使之稳定下来；然后多次改变给定值，给对象一个阶跃输入信号。
3调节示波器并记录下被调量在阶跃输入下的整个变化过程曲线，得到飞升曲线如下图所示：
④在曲线最大斜率处作切线，求得滞后时间τ，被控对象时间常数Tτ以及它们的比值Tτ/τ。
⑤根据上述所求数值和采样定理，查表即可得数字控制器的KP、TI、TD及采样周期T。
⑥取曲线的控制度为1.05，则查表得采样周期T的值为0.05τ，而数字控制器的KP、TI、TD的值分别为1.15Tτ/τ、2.0τ、0.45τ。
九、设计总结
当今高科技社会计算机高速发展，单片机在自动化与智能化有了突飞猛进的发展。
而温度控制在冶金、化工等领域起着举足轻重的作用。
在学校专业老师辅导的关心和帮助下，我顺利完成了这次毕业设计，通过这次毕业设计，使我对单片机的应用、微控控制技术、传感器技术等等好多专业知识有了更深的了解，解决了许多在学习过程中不能理解的知识，并且提高了自己理论联系实际的能力，为今后在工作中专业知识的应用积累了宝贵的经验。
通过这次毕业设计，使我对单片机原理有了更新的认识，掌握了常用芯片如MCS—98、DAC0808、8155等器件的功能，懂得了这些器件在实际生产中的最基础的应用，掌握计算机的一些画图、排版等软件的应用，真的是受益非浅。
临近毕业，我发觉我的知识比我刚入学校时长进不少，但我还有我自己的不足，不管在学校还是在工作单位，仍然要不断的努力，不断的更新自己的能力。
最后我在这里还要对我的指导老师XX老师说声感，老师在整个设计过程中给我的帮助。
我希望我能够在今后工作中真正发挥自己的才智，共同为社会主义建设做出贡献！
参考文献
（1）何立民等:
〈单片机应用系统设计〉,航空航天大学,1990年1月
（2）依军等:
〈单片微型计算机接口技术〉,计算机学会,1988年5月
（3）
胡乾斌等:
〈单片微型计算机原理与应用〉，华中理工大学，1996年10月
（4）福学：
〈传感器应用及其电路精选〉，电子工业，1991
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