基于单片机在温度控制器的应用Word格式文档下载.docx
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3.1ADuC812单片机4
3.1.1ADuC812的主要性能4
3.1.2ADuC812的系统开发6
3.2温度检测元件的选择6
3.3PID算法介绍10
第四章系统设计13
4.1硬件电路设计14
4.1.1温度检测电路14
4.1.2温度控制原理14
4.1.3PID控制算法的实现15
4.1.4控制器与PC之间的数据通信16
4.2程序设计16
第五章系统调试…………………………………………………………….
总结
参考文献
附录
第一章绪论
温度的测量与控制是生产过程自动化的重要任务之一。
温度控制系统在工业控制中应用广泛，如在电厂建设、石油化工、冶金、机械制造、食品加工等行业中应用十分普遍。
主要是通过将工业控制现场的温度模拟量通过传感器采集，再经过AD/转换成数字量输入计算机，由温度控制系统软件实现数据的存储、处理、显示的过程。
如今在很多温度控制系统中，一般是选用单片机来实现。
温度控制有很多方式，如采用模拟仪表控制、数字仪表控制、单片机控制、PLC控制、微机控制等等。
近年来，随着计算机技术、电力电子技术的飞速发展以及对控制对象在线控制条件、技术参数、控制效果及质量等方面越来越高的要求，使得采用工业控制计算机进行温度控制在现代化的工农业领域中得到了愈来愈广泛的应用。
大到粮库、程控交换机、大型温室等场合，小到变频空调甚至现在的一些CP机的主板都用到了温度监控系统。
由于温度控制是工业生产中典型的过程控制问题，对温度进行准确的测量和有效的控制是一些设备优质高产、低耗和安全生产的重要指标。
随着生产的发展，对温度控制的要求将会越来越高。
本课题属工业控制过程研究领域，所谓过程控制系统是指自动控制系统的被控量是温度、压力、流量、液位成分、粘度、湿度以及HP值等这样一些过程变量的系统。
如今，随着自动控制理论与技术的迅速发展，特别是现代控制理论和微机技术的发展，大大促进了工业自动化的进程，但PDI控制仍旧是工业控制的主力军。
最初的PID控制器是利用气动系统构成的。
在50年代运算放大器出现以后，电子元器件取代了气动元件。
60年代后，由于计算机控制的出现使得PDI控制发展到DDC阶段，即计算机直接作为执行机构来控制被控对象。
70年代微处理器的出现，使过程控制发展到分散控制阶段，PID控制器则是它的主要组成部分。
80年代开始在单回路PID控制器中引入了参数整定和自适应控制理论，PID控制理论从此进入了高速发展阶段。
PDI控制器在实际控制工程中应用最广，其被广泛应用主要是因为它结构简单、在实际中容易被理解和实现，而且许多高级控制都是以PID控制为基础的。
传统的PID控制器主要问题是参数整定问题。
方法是在获取对象数学模型的基础上，根据某一整定原则来确定PDI参数，其整定一般需要经验丰富的工程技术人员来完成，既耗时又耗力，加之实际系统千差万别，又有滞后、非线性等因素，使PID参数的整定有一定的难度，致使许多PID控制器没能整定的很好，这样的系统自然无法工作在
令人满意的状态。
而且参数一旦整定计算好以后，在整个控制过程中都是固定不变的。
而在实际系统中，由于系统在控制过程中会出现状态和参数的不确定性，因此在现代工业控制中，采用传统的PDI控制器已难以获得满意的控制效果。
所以越来越多的新型PDI控制器得到了人们的重视。
近几年来有众多的先进PDI技术不断涌现出来，如最优控制、模糊控制、智能控制、自适应控制等，本人也将以温度控制实验系统为实际工程背景对一些先进的PDI技术进行研究。
第二章系统的需求和总体思路
2.1功能需求
单回路温度控制器实际上是以单片机控制为核心，根据社顶目标温度值进行自动或手动调节的单回路温度控制系统，主要包括温度检测，温度控制，参数显示，报警指示等部分。
根据模式值，可查看相应的参数，如温度值，温度上限报警值等，并根据需要可对参数进行修改，保存等。
同时本系统还配有上位机，可以由上位修改设定温度，并启动通信，实时显示温度值和趋势曲线，与下位机配合可构成一套完整的温度监控系统。
主要功能如下：
①设定温度显示，实时温度显示
②温度上限报警，温度报警上限值设定
③温度下限报警，温度报警下限值设定
④目标温度设定
⑤放大电路放大倍数设定
⑥P，I，D控制参数的设定
⑦手动加热设定值
⑧手动/自动设定
⑨温度零点标定
⑩参数保存
⑾上位机设定目标温度值
⑿上位机显示实时温度波形曲线图
2.2总体思路
温度控制系统包括实现温度控制的CPU——ADUC812，温度测量装置，加热元件，温度参数显示，SSR，辅助控制电路等。
整个系统硬件结构如图10.1所示，其对应的硬件线路可参考。
数码管用来显示模式值及相应的参数，通过控键可改变模式值及修改相应的参数值。
CPU根据温度值对上，下限报警值进行比较，控制报警灯的状态。
本系统采用周波来控制加热炉的温度。
K分度热电偶作为温度传感器，是检测电路关键部件。
传感信号通过放大，滤波等处理，可直接有CPU进行A/D转换，换算为相应的温度测量值。
根据测量值和设定值之差，进行PID运算，将计算结果转换为周波数，通过控制SSR通过的周波数来控制加热炉的温度。
2.3操作模式的规划
基于数码管的单回路控制器，往往使用菜单模式来切换所有的显示参数，只有在当前模式下才能修改和显示其对应的参数。
本系统可用3个按键实现模式切换和参数修改操作，所以这3个键分别定义为模式键，数值增加键和数值减少键，用8个数码管显示模式和对应的参数，左边4个数码管显示模式值，右边4个数码显示相应的参数值。
根据系统的功能需求，应该设计10种模式，各模式的定义如下：
模式0：
温度设定值和温度实时值显示；
模式1：
设置和显示温度上限报警值（0~1200）
模式2：
设置和显示温度下限报警值（0~1200）
模式3：
设置和显示设定值得（0~1200）
模式4：
设置实时温度采集放大电路的方法倍数
模式5：
设置和显示PID算法中的比例系数（0.00~50.00）
模式6：
设置和显示PID算法中的积分系数（0.00~50.00）
模式7：
设置和显示PID算法中的微分系数（0.00~50.00）
模式8：
设置和显示手动输入值（0~100）
模式9：
手动/自动切换（1：
手动；
0：
自动）
模式10：
标定和显示实时温度的零点。
第三章系统元器件及相关算法介绍
3.1ADuC812单片机
目前,单片机开发者接触的数字控制系统,还有很大一部分反馈和最终控制的都是模拟量,这种控制系统,都需要有A/D、D/A转换,为了节约这类嵌入式控制系统的体积以及开发成本,AD公司新推出了一种单片机ADuC812,它把AD公司多年生产A/D、D/A转换器的经验和Intel成熟的51单片机技术结合在一起。
ADuC812是一个全集成的12位数据采集控制系统,在单个芯片内集成了高性能的自校准多通道ADC,2个12位DAC以及可编程的8位（与51兼容）MCU[1]。
由于它许多的优越性能,以及便宜的价格,为我们提供了一种方便、快捷、廉价的数字控制系统设计模式。
3.1.1ADuC812的主要性能
ADuC812片内带有8kB的闪速/电擦除（Flash/EE）程序存储器、640B的闪速/电擦除数据存储器以及256B的SRAM,对于普通的数字控制系统这些一般可以满足控制器对存储空间的需要,不需要外加存储器芯片。
虽然如此,ADuC812还能外接最多16MB的外部数据存储器和最多64kB的外部程序存储器。
可以外接高存储量的数据存储器使该型单片机能够在
数据采集系统以及其它需要高存储空间的系统中使用。
采集速率,也就是A/D转换的速度最高可以达到200kb/s（12MHz晶振）。
AduC812自带2.5V电压基准;
八通道高精度12位ADC,2个12位电压输出DAC。
由于具有和8051兼容的内核,除了某些特殊功能（如ADC、DAC）的程序编写外,其它程序的编写完全和51一样,这使51单片机的开发者很容易学会开发ADuC812单片机系统。
图2一1AduC812的功能方框图
在外围接口上面,ADuC812带有32条可编程的I/O线,包括UART串行口I/O,2线（与I2C兼容）SPI串行I/O。
ADuC812和51系列单片机开发一个显著的差别就是ADuC812不需要购买专门的单片机开发系统,只需要有QuikStart软件包,就可以通过串口从上微机直接把程序代码写入ADuC812的程序存储器中。
QucikStart开发系统是一个功能完善的ADuC812单片机系列开发工具包,可以从AD公司下载,在国内也可以从武汉力源公司网站下载。
QuikStart软件包的主要功能有:
代码开发,完整的汇编器和C编译器（限制2kB代码）;
代码下载,闪速电擦除UART串行下载器,在一切硬件都准备好以后,运行代码下载程序就可以把程序代码写入到ADuC812芯片中;
芯片资料文档,这些文档中有关于ADuC812单片机性能最完整的介绍。
在代码下载前,先把ADuC812的串行接口和计算机的串口依次接好。
在ADuC812的52根引脚中,有一根控制引脚PSEN,上电复位时,如果PSEN引脚接+VCC,芯片上电后就处在正常工作状态,反之,如果PSEN引脚通过1kΩ的电阻接地,如图2一2所示,则芯
图2一2程序下载时PSEN引脚接法
片上电后,就处如闪速/电擦除程序串行下载模式,这时,运行Quik-Start软件包中的Download.exe程序就可以把单片机的程序代码写入到ADuC812的闪速/电擦除程序存储器中,写入前,下载软件会自动对存储器进行电擦除。
这个功能为ADuC812单片机系统的开发提供了一个非常便利的条件。
开发者可以在既不需要购买专门的开发系统又可以在调试过程中不取下芯片的情况下,根据需要对ADuC812的片内存储器进行多次电擦除-写入操作。
作者建议,在PESN引脚端通过跳线器分别接+VCC和10AduC812单片机控制系统的开发通过1kΩ电阻接地,这样,只要在上电复位前,选择跳线器的状态就可以决定上电后,芯片是进入工作状态还是进入编程状态。
连接上位机和单片机之间的串行线也可以作为单片机正常工作时,单片机和上位机之间的串行数据线。
3.1.2ADuC812的系统开发
（1）硬件设计
根据AduC812的特点,硬件设计中需要注意的问题有ADuC812采用的是52引脚塑料四方型扁平封装（S-52）,引脚之间的间距为0.65mm,和ADuC812相连的印制版线路不能大于引脚自己的宽度0.1mm（14mil）,所以对印制电路板制造和焊接工艺都有一定的要求,特别是采用手工焊接时,最好请专门的焊接师。
A/D、D/A转换时,芯片自己提供的基准准电压为2.5V,如果外接基准电压则不能超过5V,对于12位ADC,转换灵敏度为0.5mV/B。
这对印制电路板抗干扰能力的要求比较高,要求电路板中A/D、D/A转换端的干扰电压要小于0.5mV,否则会降低转换精度。
ADuC812芯片对复位电路要求比较严格,不能采用普通的电阻-电容式复位电路,否则上电后,单片机不工作,程序无法下载。
一般要求采用专门的复位电路芯片,注意到ADuC812是高电平复位,以选X5045芯片为宜,如果采用X5043就要先通过一个非门电路再接到单片机的复位端。
虽然ADuC812有自己的看门狗电路,但是,一般单片机自带的看门狗并不能很好地保证工作的稳定性,外接X5045还可以起到看门狗的作用。
（2）软件设计
ADuC812单片机程序代码可以用汇编语言编写,也可以用C语言编写,在普通的编辑环境下（如DOS中的EDIT编辑环境中）编辑好后,再用QuikStart软件包提供的汇编编译器或C编译器进行编译。
QuikStart软件包中的可执行程序都是构建在DOS平台上的,要在DOS环境下运行这些软件。
在用到A/D转换结果时要注意ADuC812单片机的A/D原始转换结果,由于干扰的原因,有时候会达不到12位精度要求,所以对A/D转换的结果要进行低通滤波处理后再使用,可以取多次转换的平均值作为A/D转换的实际结果去进行其他的计算。
实例表明,只要硬件和软件设计得当,A/D、D/A转换完全可以达到12位精度。
程序代码下载的步骤为:
在所有硬件都准备好后,首先用编译器（汇编器为ASM51.EXE）把在其他编译环境中编写好的ASM文件编译成后缀为HEX的文件;
然后用Download执行程序对编译好的HEX文件进行处理,就可以把代码写入到ADuC812的闪速/电擦除程序存储器中。
在DOS环境下,以上两步的命令如下:
ASM51*.ASM
DOWNLOAD*.HEX
3.2温度检测元件的选择
温度传感器，使用范围广，数量多，居各种传感器之首。
温度传感器的发展大致经历了以下3个阶段：
1.传统的分立式温度传感器（含敏感元件），主要是能够进行非电量和电量之间转换。
2.模拟集成温度传感器/控制器。
3.智能温度传感器。
目前，国际上新型温度传感器正从模拟式想数字式、集成化向智能化及网络化的方向发展。
温度传感器的分类
温度传感器按传感器与被测介质的接触方式可分为两大类：
一类是接触式温度传感器，一类是非接触式温度传感器。
接触式温度传感器的测温元件与被测对象要有良好的热接触，通过热传导及对流原理达到热平衡，这是的示值即为被测对象的温度。
这种测温方法精度比较高，并可测量物体内部的温度分布。
但对于运动的、热容量比较小的及对感温元件有腐蚀作用的对象，这种方法将会产生很大的误差。
非接触测温的测温元件与被测对象互不接触。
常用的是辐射热交换原理。
此种测稳方法的主要特点是可测量运动状态的小目标及热容量小或变化迅速的对象，也可测量温度场的温度分布，但受环境的影响比较大。
温度传感器的发展
1.传统的分立式温度传感器——热电偶传感器
热电偶传感器是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器，它与被测对象直接接触，不受中间介质的影响，具有较高的精度；
测量范围广，可从-50~1600℃进行连续测量,特殊的热电偶如金铁——镍铬，最低可测到-269℃，钨——铼最高可达2800℃。
2.模拟集成温度传感器
集成传感器是采用硅半导体集成工艺制成的，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。
模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的，它将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出等功能。
模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一（仅测量温度）、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。
热电偶是一种感温元件,是一次仪表，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号,通过电气仪表（二次仪表）转换成被测介质的温度。
热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时,回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势——热电动势，这就是所谓的塞贝克效应。
两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端，温度较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。
根据热电动势与温度的函数关系,制成热电偶分度表;
分度表是自由端温度在0℃时的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。
在热电偶回路中接入第三种金属材料时,只要该材料两个接点的温度相同,热电偶所产生的热电势将保持不变，即不受第三种金属接入回路中的影响。
因此,在热电偶测温时,可接入测量仪表,测得热电动势后,即可知道被测介质的温度。
编辑本段工作原理
两种不同成份的导体（称为热电偶丝材或热电极）两端接合成回路，当接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电势。
热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿端）；
冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。
热电偶实际上是一种能量转换器，它将热能转换为电能，用所产生的热电势测量温度，对于热电偶的热电势，应注意如下几个问题：
1：
热电偶的热电势是热电偶两端温度函数的差，而不是热电偶两端温度差的函数；
2：
热电偶所产生的热电势的大小，当热电偶的材料是均匀时，与热电偶的长度和直径无关，只与热电偶材料的成份和两端的温差有关；
3：
当热电偶的两个热电偶丝材料成份确定后，热电偶热电势的大小，只与热电偶的温度差有关；
若热电偶冷端的温度保持一定，这进热电偶的热电势仅是工作端温度的单值函数。
将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，如图所示。
当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势，因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。
热电偶就是利用这一效应来工作的。
编辑本段特点
◆装配简单，更换方便
◆压簧式感温元件，抗震性能好
◆测量范围大
◆机械强度高，耐压性能好
编辑本段热电偶-种类及结构形成
（1）热电偶的种类
常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。
所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。
非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。
标准化热电偶我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。
（2）热电偶的结构形式为了保证热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下：
①组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固；
②两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路；
③补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠；
④保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。
编辑本段常用热电偶材料
热电偶分度号热电极材料
正极负极
S铂铑10纯铂
R铂铑13纯铂
B铂铑30铂铑6
K镍铬镍硅
T纯铜铜镍
J铁铜镍
N镍铬硅镍硅
E镍铬铜镍
热电偶的种类:
装配热电偶，铠装热电偶，端面热电偶，压簧固定热电偶，高温热电偶，铂铑热电偶，防腐热电偶，耐磨热电偶，高压热电偶，特殊热电偶，手持式热电偶，微型热电偶，贵金属热电偶等等。
K型热电偶也即镍铬－镍硅热电偶,常用热电偶分度号有S、B、K、E、T、J等，这些都是标准化热电偶。
热电偶的原理：
它是将两种不同材料的金属导体组成闭合回路，一端放在被测介质中感受温度变化，称为热端，另一端为冷端。
当冷端和热端温度不同时，在回路中就会产生一定方向和大小的电势，如此使冷端温度不变，则热电势只与另一端温度相关，这样，只要测得热电势的大小即可知道温度的大小。
所以热电偶的电流可以不考虑，测量它的毫伏电势就行啦。
K型热电偶，它是一种能测量较高温度的廉价热偶。
由于这种合金具有较好的高温抗氧化性，可适用于氧化性或中性介质中。
它可长期测量1000度的高温，短期可测到1200度。
它不能用于还原性介质中，否则，很快腐蚀，在此情况下只能用于500度以下的测量。
它比S型热偶要便宜很多，它的重复性很好，产生的热电势大，约为0.041mV/度，因而灵敏度很高，而且它的线性很好。
虽然其测量精度略低，但完全能满足工业测温要求，所以它是工业上最常用的热电偶。
常用热电偶分度号有S、B、K、E、T、J等，这些都是标准化热电偶。
其中K型也即镍铬－镍硅热电偶，它是一种能测量较高温度的廉价热偶。
它比S型热偶要便宜很多，它的重复性很好，产生的热电势大，因而灵敏度很高，而且它的线性很好。
先确定热电偶的外观没有问题，是好是坏，得通过检测才能确定。
将待测热电偶穿上热电偶专用的瓷套管，和标准铂铑热电偶一起放入管式电炉中，将热端插入管式电炉中的一个多孔的均热用的金属镍制成的圆柱体中。
将各自的补偿导线的冷端放入由冰水混合物保持的零摄氏度的容器中。
将管式电炉保持在该热电偶的许用最高温度，并稳定保持这个范围。
这时候用经过检测合格的惠司登电位差计，测出标准热电偶和待测热电偶产生的热电势差并记录。
根据记录的热电势差，查表查出各自对应的温度，如果待测热电偶超差，可以判定为不合格。
这种管式电炉，不是分析化学用的硅碳棒管式电炉。
对于不合格的热电偶，可以从热端切断一小段，重新焊接。
焊接的方法很简单，对普通的镍铬热电偶，可以用自耦变压器调至较低电压，用热电偶的两根丝并成一极，另一极用碳棒，直接引燃电弧，两根热电偶丝会在头上熔成一个小球状。
这种操作不难，可以调整电压，很快就会掌握。
这种焊接使用的是自耦变压器，千万注意绝缘以保安全。
对贵重的铂铑热电偶的焊接，是另一种方法。
将调压后的电源一极插入氯化钠水溶液，另一极是拧在一起的热电偶，用绝缘钳夹住热电偶，轻点溶液表面，热电偶两端就能够熔合。
这两种焊接方式，要注意安全和练习，容易掌握的。
重新焊接的热电偶，可以再检测，确定合格与否。
3.3PID算法介绍
什么是PID控制？
目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。
同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。
智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。
自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。
一个控控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。
控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；
控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。
不同的控制系统，其传感器、变送器、执行机构是不一样的。
比如压力控制系统要采用压力传感器。
电加热控制系统的传感器是温度传感器。
目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，各大公司均开发了具有PID参数自整定功
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