恒温槽控制系统的设计与实现毕业设计.docx
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恒温槽控制系统的设计与实现毕业设计
专业：
电气工程及其自动化
学号：
9310080213
本科毕业设计
（自然科学）
题目：
恒温槽控制系统的设计与实现（偏硬）
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名：
日 期：
指导教师签名：
日 期：
使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名：
日 期：
资料目录
1.
学术声明………………………………………………………………
～页
2.
河北科技师范学院本科毕业论文（设计）…………………………
～页
3.
河北科技师范学院本科毕业论文（设计）任务书………………
～页
4.
河北科技师范学院本科毕业论文（设计）开题报告……………
～页
5.
河北科技师范学院本科毕业论文（设计）中期检查表…………
～页
6.
河北科技师范学院本科毕业论文（设计）答辩记录表…………
～页
7.
河北科技师范学院本科毕业论文（设计）成绩评定汇总表……
～页
8
河北科技师范学院本科毕业论文（设计）工作总结……………
～页
9
其他反映研究成果的资料（如公开发表的论文复印件、效益证明等）……………………………………………………………
～页
河北科技师范学院
本科毕业设计
恒温槽控制系统的设计与实现（偏硬）
院（系、部）名称：
河北科技师范学院
专业名称：
电气工程及其自动化
学生姓名：
陈龙
学生学号：
9310080213
指导教师：
刘士光
2012年5月21日
河北科技师范学院教务处制
学术声明
本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。
尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。
对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。
本学位论文的知识产权归属于河北科技师范学院。
本人签名：
日期：
指导教师签名：
日期：
摘要
本设计以STC89C52单片机为主要芯片，采用专家PID算法实现低温恒温槽的恒温控制。
温度控制部分，采用PID算法来控制双向晶闸管的导通，空气压缩机额定功率运行，通过调节加热器的功率来实现温度的控制。
检测部分采用AD590测温，经A/D转换后送入单片机。
显示部分采用74ls164串入并出进行显示，这样有效的提高了单片机I/O口的利用效率。
软件部分，采用专家控制技术和传统的PID调节相结合，改善了温湿度控制系统的动、静态性能，大幅度节约了能源，具有相当的工程实用价值和一定的学术理论研究价值，并真正实现了智能控制由仿真阶段应用到实际的过程。
该产品通过软硬件的合理设计，特别是算法的选择，大大提高了性价比，在实际中该产品具有广阔的推广、应用前景。
关键词：
恒温槽；专家PID；温度控制；数据采集
Abstract
ThemainchipofthisdesignisSCMSTC89C52,theexpertPIDalgorithmsistoachievelow-temperaturebaththermostaticallycontrolled.TemperaturecontrolpartofthePIDalgorithmistocontrolthebidirectionalthyristorconduction,aircompressorratedpoweroperation,andadjusttheheaterpowertoachievetemperaturecontrol.ThedetectionpartoftheAD590temperature,afterA/Dconverterintothemicrocontroller.Showsomeuse74ls164stringintoandoutfordisplay,sothateffectivelyimprovetheutilizationefficiencyofthesingle-chipI/Oport.Forthepartofthesoftware,usingexpertcontroltechnologyandtraditionalPIDregulatorcombinationofimprovedtemperatureandhumiditycontrolsystemfordynamicandstaticperformance,substantialenergysavings,hasconsiderablepracticalvalueandacademicresearchvalueandtrulyintelligentcontroltotheactualprocessbythesimulationstage.Theproductthroughtherationaldesignofhardwareandsoftware,inparticular,thechoiceofalgorithm,andgreatlyincreasedcost,inpractice,theproducthasthepromotionofbroadapplicationprospects.
Keywords:
Bath;expertPID;temperaturecontrol;dataacquisition
1绪论
1.1课题背景
随着工业的发展,恒温槽被广泛应用于医疗、化工、生物等领域等需要进行高精度恒温场合。
这些应用场合,要求恒温槽具有恒温精度高、稳定性好、可靠性高、结构简单、节能、成本低等特点。
而恒温槽的控制效果主要由其控制方法所决定。
PID控制算法由于其结构简单、物意义明确、鲁棒性强等显著的优点，使它在工业控制中处于主导地位，尤其适用于可以建立精确数学模型的确定性控制系统。
然而实际工业生产过程往往具有非线性、时变不确定性等特点，难以建立精确的数学模型，应用常规PID控制器不能达到理想的控制效果；在实际生产现场中，由于受到参数整定方法繁杂的困扰，常规PID控制器参数往往整定不良、性能欠佳，对运行工作情况的适应性很差。
因此，常规PID控制的应用受到限制和挑战。
因此，人们对PID控制做了各种改进工作。
本文分别对常规PID控制、模糊自适应PID控制、专家PID控制进行了对比分析。
1.2课题研究现状及发展趋势
最近十年来，在温度控制方法上有了快速的发展。
己从传统的直接控制转变成PID控制、模糊控制、神经网络控制和遗传算法等控制方法。
2.1．PID控制即比例、积分、微分控制。
这种控制由于其结构简单、实用、价格低，在广泛的过程领域内可以实现满意的控制，所以应用极其广泛。
该方法通过温控系统将热电偶实时采集的温度值与设定值比较，差值作为PID功能块的输入。
PID控制算法根据比例、积分、微分系数计算出合适的输出控制参数，利用修改控制变量误差的方法实现闭环控制，使控制过程连续。
2.2．人工神经网络是当前主要的、也是重要的一种人工智能技术，是一种采用数理模型的方法模拟生物神经细胞结构及对信息的记忆和处理而构成的信息处理方法。
它用大量简单的处理单元广泛连接形成各种复杂网络，拓扑结构算法各异，其中误差反向传播算法（即BP算法）应用最为广泛。
2.3．模糊控制是基于模糊逻辑的描述一个过程的控制算法，主要嵌入操作人员的经验和直觉知识。
它适用于控制不易取得精确数学模型和数学模型不确定或经常变化的对象。
2.4．模糊模型使用模糊语言和规则描述一个系统的动态特性及性能指标。
其特点是不须知道被控对象的精确模型，易于控制不确定对象和非线性对象，对被控对象参数变化有强鲁棒性，对控制系统干扰有较强抑制能力。
然而，模糊控制的局限性在于对控制系统设计分析和标准缺乏系统的方法步骤，规则库缺乏完整性，没有明确的控制结构。
PID控制器结构简单，明确，能满足大量工业过程的控制要求，特别是其强鲁棒性能较好适应过程工况的大范围变动。
但PID本质是线性控制，而模糊控制具有智能性，属于非线性领域，因此，将模糊控制与PID结合将具备两者的优点。
即用过程的运行状态（温度偏差及温度变化率）确定PID控制器参数，用PID控制率确定控制作用。
主要的问题是合理地获得PID参数的模糊校正规则。
其实质是一种以模糊规则调节PID参数的自适应控制，即在一般PID控制系统基础上，加上一个模糊控制规则环节。
2.5．遗传算法（GeneticAlgoriths．简称GA）是模拟达尔文的遗传选择和自然淘汰的生物进化过程的全局优化搜索算法。
它将生物进化过程中适者生存规则与群体内部染色体的随机信息交换机制相结合，通过正确的编码机制和适应度函数的选择来操作称为染色体的二进制串l或O。
引入了如繁殖交叉和变异等方法在所求解的问题空间上进行全局的并行的随机的搜索优化，朝全局最优方向收敛。
基于遗传算法温控系统的设计就是传感器得到的温度信号放大，数字化送入单片机，单片机将其与给定温度进行比较，用遗传算法来优化3个PID参数，然后将控制量输出。
将专家PID控制技术应用于具有迟延、时变、非线性的恒温槽的温度控制中，克服了常规PID控制的易超调、波动大、稳定性差的缺点。
实验结果表明，它能适应对象参数的变化并表现出良好的控制品质，具有较强的鲁棒性和自适应能力。
而对于模糊PID，模糊PID恒温槽控制系统对于恒温槽内温度的变化调节更加平稳,显示了很好的控制效果。
具体表现为温度上升和下降更为平稳,基本没有出现过采用传统PID时温度的跳跃式上升和下降情况。
模糊自适应PID算法比普通PID算法的控制精度虽然没有太大的提高,但是在控制稳定性上却大为提高。
经过恒温系统的实际运行,基本得到预期的效果,证明此系统的稳定性、实用性和可靠性。
综上所述，专家PID与模糊PID对于恒温槽的控制效果都要强于传统的PID控制，在未来，这两种方法将会成为主流。
2系统硬件设计
2.1系统工作原理
采用专家PID数字式控制以达到快速响应和稳定的性能，控制器基于单片机，并使用最佳性能的程序，传感器置于槽内测量温度。
按恒温槽内状况，单片机将控制相应控制电路，使各工作部件开始工作，进行加热与制冷，连续控制获得适当的温度值，直至温度合适。
在封闭循环回路中控制器根据需要用电加热器加热和压缩机制冷保持所需温度，专家PID控制器对检定腔的准确性和稳定性的变化作出快速反应。
温度控制器控制系统结构框图如图2-1。
图2-2温度控制系统结构框图
2.2控制系统硬件的总体设计
单片机控制系统中，由于主要利用软件算法实现控制方案，相比模拟控制较灵活；其次，单片机系统由于采用元器件较少，信号采用数字处理，避免了模拟信号传递过程中的畸变、失真，故受干扰小，可靠性高；第三，参数设定简便，可以使系统的调试工作变得方便。
因此，单片机控制系统非常适合于应用型控制领域。
又由于单片机系统具有体积小、成本低、易维护、性能稳定等特点，得到了越来越多的应用。
该测控系统的硬件框图主要包括单片机STC89C52、温度传感器、信号放大电路、A/D转换器ICL7135、输入设备（传感器、独立键盘）、输出设备（加热器、制冷器、数码显示器LED），其结构框图如图2-2。
其中微处理器STC89C52是整个系统的控制核心。
图2-3硬件总体结构框图
2.3控制系统硬件单元设计
2.3.1温度检测与信号变换电路的设计
a.器件选择
a-1AD590简介
型号
AD590I
AD590J
AD590K
AD590L
AD590M
单位
最大非线性误差
0.3
1.5
0.8
0.4
0.3
度
最大标定温度误差
10
5
2.5
0
0.5
度
额定温度系数
1
uA/K
额定输出电流
298.2（25度）
uA
长期温度飘逸
0.1
度/月
响应时间
20
us
壳与管角对地电阻
10^10
欧姆
等效并联电容
100
pF
工作范围
+4至+30
V
表1
AD590等效于一个高阻抗恒流源,工作范围时+4~+30V，测温范围是-55~+150
，对于温度变化范围内，对于热力学温度每变化1T就输出1
电流。
在298.2K（25
）输出的电流恰好等于298.2
。
这表明其输出电流与热力学温度严格成正比。
即
因此，输出电流的微安数就代表热力学温度数，如需显示摄氏温度，需要加转换电路或进行转换计算。
有关系式：
a-2ICL7135简介
ICI7135是4位双积分A/D转换芯片,可以转换输出±20000个数字量,有STOR选通控制的BCD码输出,与微机接口十分方便.ICL7135具有精度高（相当于14位A/D转换）,价格低的优点.其转换速度与时钟频率相关,每个转换周期均有:
自校准（调零）,正向积分（被测模拟电压积分）,反向积分（基准电压积分）和过零检测四个阶段组成,其中自校准时间为10001个脉冲,正向积分时间为10000个脉冲,反向积分直至电压到零为止（最大不超过20001个脉冲）.故设计者可以采用从正向积分开始计数脉冲个数,到反向积分为零时停止计数.将计数的脉冲个数减10000,即得到对应的模拟量.图1给出了ICL7135时序,由图可见,当BUSY变高时开始正向积分,反向积分到零时BUSY变低,所
以BUSY可以用于控制计数器的启动/停止.其引脚图如2-4所示：
图2-4ICL引脚图
V+,V-为电源输入端，典型值为：
-5，+5V；
REF为参考电压输入端，若参考电压为1V，转换结果=10000×（VIN/VREF）；
AC为模拟公共端，接地；
INTOUT为积分输出端，典型外接积分电容；
AZ为自校零端；
BUFOUT为缓冲放大器输出端，典型外接积分电阻；
RC1为外接参考电容+，典型值1uf；
RC2为外接参考电容-，典型值1uf；
INPUTHI为模拟输入正；
INPUTLO为模拟输入负；
D1至D5为个、十、百、千、万选通；
B8B4B2B1为BCD码输出，对应8421码；
UR为欠量程信号输出端,当输入信号小于量程范围的9%时,该端输出高电平；
OR为过量程信号输出端,当输入信号超过计数范围（20001）时,该端输出高电平；
STOR为数据输出选通信号（负脉冲）,宽度为时钟脉冲宽度的一半,每次A/D转换结束时,该端输出5个负脉冲,分别选通由高到低的BCD码数据（5位）,该端用于将转换结果打到并行I/O接口；
R/H为自动转换/停顿控制输入.当输入高电平时;每隔40002个时钟脉冲自动启动下一次转换;当输入为低电平时,转换结束后需输入一个大于300ns的正脉冲,才能启动下一次转换；
GND为数字地；
POL为极性判断端,高电平表示极性为正；
BUSY为忙信号输出,高电平有效.正向积分开始时自动变高,反向积分结束时自动变低；
CLK为时钟输入端，典型值=125kHz,对50Hz工频干扰有较大抑制能力,此时转换速度为3次/s.
b.测温电路组成
（1）信号调理电路
图2-5信号调理电路
如图2-4所示，AD590采集的信号是微弱的电流信号，需要经过一个电压并联负反馈电路进行放大，转化为
上的输出电压
，放大增益为
由于反馈系数
。
由于
，所以
此放大电路相当于电流控制的电压源。
因此无论负载
如何变化，只要输入电流
不变，则
不变。
因为AD590的额定输出是298.3
，ICL7135的输入是0到2V，所以应该采取放大倍数为10K，取
。
由下式得
由运算放大器2组成减法器电路，输出
与2.98V做差，这样，当温度为70
时，输出电压就为0.70V，
。
其中,2.98V电源可由一个高精度的电位器来实现。
将此模拟信号于ICL7135的模拟输入端相连，经过温度转换程序，即可求得此时的温度值。
（2）ICL7135与单片机接口电路
图2-6ICL7135与单片机接口
R/H接高电平，ICL7135工作在自动转换模式，即每转换完，自动进行下一次转换。
BUSY由低电平变为高电平时，开始A/D转换；当BUSY变为低电平时，A/D转换结束。
所以，才用INT1下降沿触发的方式向单片机申请中断，从P1口读取数据，P1口的低4位为BCD码,P1口的高四位的组态决定了低四位BCD码代表个、十、百、千位的情况。
例如：
P1=01000101，则代表读取的数字是500。
连续从P1口读取5个数据，然后根据个、十、百、千的情况，重新组织数据，把5个数据相加，即得本次A/D转换的数字量，
根据装换关系，即可得此时的温度值。
ICL7137,属双积分型并具有四位半精度（相当于14位二进制数）,可以转换-19999至19999个数字量,大大提高了转换的精度,并且抗干扰能力强。
用具有高稳定性的基准电阻作对比,抑制了整个系统的温漂和时漂。
2.3.2数码管显示电路
对于数码显示（LED）用串行输出口。
用串入并出移位寄存器74LS164作为静态显示的LED输出接口，对于基本显示即够用，可以用数码显示。
用数码显示时，使STC89C52的串行口工作于方式0（即移位寄存方式）。
用4片串入并出移位寄存器74LS164作为4位温度静态显示器的输出口，欲显示的8位段码即字型码通过软件译码产生，并由RXD串行口发送出去，既充分利用了单片机的硬件资源，在设计中充分利用单片机本身四个I/O接口而不另扩展。
接线图如图2-7所示：
图2-7数码管显示电路
2.3.3控制输出电路
该系统运行一开始，用户由键盘将温度给定值输入给RAM指定单元，或者从ROM指定单元送给RAM指定单元。
然后检测A/D转换值，再通过转换与计算，求得温度值，随即由数码管显示并作专家PID算法的调节、控制。
当温度偏离给定的某个数值时，除自动作相应调节处理外，还要发出声光报警。
加热采用电加热器，制冷使用制冷压缩机。
加热器采用双向可控硅过零触发方式，使器件运行可靠，同时省去了D/A变换器件，简化了触发电路。
为了达到过零触发的目的，该系统设计了交流电全波过零检测电路。
交流电路过零时向单片机STC89C52发出中断申请。
（1）过零检测电路
图2-8过零检测电路
如图2-8所示，通过变压器降压,控制光电耦合器通断,当电压过零时,光耦截止,三级管基极高电平,三极管导通,输出引脚低电平。
R1与R2、R3是限流电阻，仿真效果如图2-9所示：
图2-9过零检测电路仿真
（2）过零触发电路
图2-10过零触发电路
如图2-10所示，MOC3061为光电耦合双向可控硅驱动器,也属于光电耦合器的一种,用来驱动双向可控硅并且起到隔离的作用,R2为触发限流电阻,R3为BCR门极电阻,防止误触发,提高抗干扰能力。
当单片机80C51的P1.3引脚输出负脉冲信号时Q1导通,MOC3061导通,触发双向可控硅导通,接通交流负载。
另外,若双向可控硅接感性交流负载时,由于电源电压超前负载电流一个相位角,因此,当负载电流为零时,电源电压为反向电压,加上感性负载自感电动势el作用,使得双向可控硅承受的电压值远远超过电源电压。
虽然双向可控硅反向导通,但容易击穿,故必须使双向可控硅能承受这种反向电压。
一般在双向可控硅两极间并联一个RC阻容吸收电路,实现双向可控硅过电压保护,图2-10中的C1、R4为RC阻容吸收电路。
（3）声光报警电路
图2-11声光报警电路
本系统采用声光报警达到提醒温度是否过限。
声光报警电路包含有一个蜂鸣器和一个发光二极管。
由于单片机上电后P1口为高电平，且蜂鸣器的另一端连接为VCC，故直接连接蜂鸣器时，上电后蜂鸣器不响。
在发光二极管电路中加入电阻起到限流作用，防止通过的电流过大，烧毁发光二极管。
声光报警电路设计图见图2-11。
2.3.4晶振电路的设计
单片机系统里都有晶振，在单片机系统里晶振作用非常大，全程叫晶体振荡器，其结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片机接到的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。
单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。
通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。
通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。
晶振电路如图2-12
图2-12晶振电路的设计
2.3.5复位电路的设计
单片机复位是使CPU和系统中的其他功能部件都处于一个确定的初始状态，并在这个状态开始工作，例如复位后PC=0000H，使单片机从第一个单元取指令。
无论是在单片机刚开始接上电源时，还是断电后或者发生故障后都要复位，所以我们必须弄清楚MCS-51型单片机复位的条件、复位电路和复位后状态。
单片机复位的条件是：
必须使RST引脚加上持续两个机器周期（24个振荡周期）的高电平。
例如，若时钟频率为12MHz，每机器周期为1μs，则只需2μs以上时间的高电平，在RST引脚出现高电平后的第二个机器周期执行复位。
本设计中采用的复位电路，该电路是采用上电和按键都有效地复位电路，此电路能实现开机和单片机在运行时的复位，开机复位要求接通电源后，单片机自动实现复位操作，开机瞬间单片机的RESET引脚获得高电平，随着电容的充电RESET的高电平将逐渐下降，RESET引脚的高电平只要能保持足够的时间，单片机就可以进行复位操作。
除上电复位外，若要在单片机运行期间实现复位，只需按图中的RESET键实现手动复位。
复位电路如图2-13所示:
图2-13复位电路的设计
2.3.6分频电路的设计
本设计中ICL7135的时钟端需要接125KHz的时钟信号，再不用外加信号源的情况下，需要对单片机ALE端进行分频。
单片机接12M晶振，ALE端对单片机进行12分频，所以ALE端会产生1MHz的时钟信号，此信号不能直接使用，需要进行8分频。
如图2-14所示，采用3个74LS74D触发器组成的8分频电路。
图2-14八分频电路
仿真效果如图2-15所示：
图2-15八分频电路仿真
3系统软件设计
3.1算法的选择
3.
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