基于单片机的温度控制系统的硬件设计毕业论文设计.docx
《基于单片机的温度控制系统的硬件设计毕业论文设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的温度控制系统的硬件设计毕业论文设计.docx（31页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于单片机的温度控制系统的硬件设计毕业论文设计
（此文档为word格式，下载后您可任意编辑修改！
）
基于单片机的温度控制系统的硬件设计
摘要
本文针对温度控制的特点，提出了单片机温度控制系统的硬件设计方法，同时也对温度控制系统的控制过程做了理论分析，建立了控制系统的数学模型，提出了克服温度控制系统中纯滞后影响的控制方法。
该单片机温度控制系统由键盘、AD采样、PWM控制与显示四部分构成。
其中，键盘输入给定温度值；由AD574将采集的温度转换为数字量送入单片机；通过PWM控制调节脉冲的宽度，从而获得所需要的输入与输出电压；最后由LED显示给定温度与检测温度值。
温度控制系统普遍存在大延时、纯滞后的特性，常引起系统产生超调和震荡，使控制系统的稳定性降低。
因此，本设计采用史密斯预估器对系统进行纯滞后补偿，以此消除系统的超调和震荡，使系统稳定。
文中给出了控制系统的数学模型，确定了系统控制方案和控制系统的硬件电路框图，本设计可直接应用于工业控制中。
本设计通过PROTEUS软件对系统的硬件进行仿真，通过MATLABSIMULINK的仿真结果验证数字控制器设计的正确性。
关键词：
温度控制，单片机，纯滞后，史密斯预估器
Theintemperaturecontrolsystembasedon
Microcontroller
Abstract
Thisarticlenarratestheintemperaturecontrolsystem.Aimingattemperaturecontrolproblemwhichindustryproduceusuallyoccurs.Wecanusethesoftwareandthereal-time.Thesettletemperaturevalueisinputbythekeyboard.Herewemakethesystemtofollowthissettlevalue,andfinallytoattainthepurposeofautomaticcontrol.
Thistemperaturecontrolsystemismostlymadeoffourpartswhichconsistsofthekeyboard,ADsamplingcircuit,PWMcontrolandLEDrealtimedisplaypart.Amongofthem,keyboardinputsthesettlevalue.AD574transformsthetemperatureintodigitalsignalandsendsitintosinglechipmicrocomputer.PWMcontrolcircuitregulatesthewidthofpulseinordertoattaininputandoutputvoltagethatneeded.Atlast,LEDrealtimedisplaypartdisplaysthesettlevalueanddetectedvalue.
Thetemperaturecontrolsystemusuallycontainsgreatpostponesandpurecausesthesystemtoproducesupersurgeandmakeitsstabilitylower.Themathematicsmodelgiveninthisarticleinordertodefinitethecontrolprogramandmayapplydirectlyintheindustrialcnntrol.
ThisdesignusethePROTEUStomakeasimulationofdepartment's）在1968年提出了一种针对工业生产过程中含有纯滞后对象的控制算法，其目标就是使整个闭环系统的传递函数相当于一个带有纯滞后的一阶惯性环节。
该算法具有良好的控制效果。
被控对象为带有纯滞后的一阶惯性环节，其传递函数为
，其中
为被控对象的时间常数，
为被控对象的纯延迟时间，为了简化,取其为采样周期的整数倍，即N为正整数。
大林算法的设计目标是使整个闭环系统的传递函数相当于一个带有纯滞后的一阶惯性环节[5]，即
（2.12）
由于一般控制对象均与一个零阶保持器相串联，所以相应的整个闭环系统的脉冲传递函数为
（2.13）
于是脉冲传递函数为
（2.14）
D（z）可由计算机程序实现。
由上式可知，它与被控对象有关。
当被控对象是带有纯滞后的一阶惯性环节时，由式（2.12）的传递函数可知，其脉冲传递函数为：
（2.15）
将此式代入式（2.14）可知
（2.16）
式中：
T——采样周期；
——被控对象的时间常数；
——闭环系统的时间常数。
在本设计中，取采样周期为5S,而系统的时间常数取20S.根据以上分析我们可以计算出控制器D（Z）：
（2.17）
在计算机控制系统中,在计算的D（Z）时已经把采样与保持环节考虑在内，故有计算机控制系统的结构框图如下所示：
图2.4系统的计算机控制框图
2.6系统PID数字控制器的设计
PID控制算法的模拟表达式为
（2.18）
式中，u（t）-调节器的输出信号；
e（t）-偏差信号（给定量与输出量之差）；
-比例系数；
-积分时间常数；
-微分时间常数。
由于计算机系统是一种采样控制系统，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。
因此，为了使计算机能实现式（2.18），必须将其离散化，用离散的差分方程来代替连续系统的微分方程。
连续的时间离散化，即
t=KT（K=0,1,2,…n）（2.19）
积分用累加求和近似得
（2.20）
微分用一阶后向差分近似得
（2.21）
式中，T为采样周期；e（k）为系统第k次采样时刻的偏差值；e（k-1）为系统第（k-1）次采样时刻的偏差值；k为采样序号，k=0,1,2…
将式（2.20）和（2.21）代入（2.18），则可得到离散PID表达式为
（2.22）
若以传递函数的形式表示，则为
（2.23）
式中，u（s）为调节器的输出信号；e（s）为调节器的偏差信号；
为比例系数，
；
为微分系数，
；
为积分时间常数；
为微分时间常数。
如果采样周期T取得足够小，该算式可以很好地逼近模拟PID算式，因而使被控过程与连续控制过程十分接近。
由于（2.23）表示的控制算法提供了执行机构的位置一一对应，所以，通常把式（2.23）称为PID的位置式控制算法或位置式PID控制算法。
如果在式（2.23）中，令
，
则有
（2.24）
此即为离散化的位置式PID控制算法的编程表达式。
当进行控制时，
、
、
可先分别求出并放在指定的内存单元中，则可实现式（2.24）。
由式（2.24）可以看出,每次输出与过去的所有状态有关,要想计算u（k）,不仅涉及e（k）和e（k-1）,且须将历次e（k）相加，计算复杂，浪费内存。
下面，来推导计算较为简单的递推算式。
为此，对式（2.24）作如下变动：
考虑到第k-1次采样时有
（2.25）
使式（2.24）两边对应减去式（2.25），得
=
（2.26）
式（2.26）就是PID位置式算式的递推形式，是编程时常用的形式之一。
由于K，
，
，T均为常数，所以
、
、
也均为常数。
通过上述推导，似乎PID控制算法的程序设计并不复杂，只要将给定值与每次所得到的温度检测值相减，得到偏差e（k）,在与上次偏差e（k-1）（设初始值为0）相减，得到e（k）-e（k-1），又通过上次偏差e（k-1）与前次偏差e（k-2）（初始值也设为0）相减,得到e（k-1）-e（k-2）.根据（2.26）可知，有了e（k），e（k）-e（k-1），e（k-1）-e（k-2）及
、
、
三个常数，通过计算可得到U（K），然而，事实上，运算并非那么简单，这是由于e（k），e（k）-e（k-1），e（k-1）-e（k-2）均可能为正或负。
[5]
2.7温度控制系统的数字控制器的SIMULINK仿真
SIMULINK仿真环境是美国MathWorks软件公司专门为MATLAB设计提供的结构图编程与系统仿真的专用软件工具，该仿真环境下的用户程序其外观就是控制系统的结构图，操作就是根据结构图作系统仿真。
利用SIMULINK提供的输入信号（信号源模块）对结构图所描述的系统施加激励，利用SIMULINK提供的输出装置（输出口模块）获得系统的输出响应，即数据或时间响应曲线，成为图形化、模块化方式的控制系统仿真。
SIMULINK不仅提供了各种标准的结构图模块库，提供了开放的结构图模块设计方法，便于用户设计自己的专用模块，还提供了几种系统文件的设计方法，使得系统仿真工作更加方便灵活。
受控对象所构造的数学模型是基于某些假设条件，忽略了一些非必要因素，使用了简化的数学方法而构造出来的。
控制系统的仿真方法简单、方便、灵活、多样；仿真实验的成本低，通常在实验室就可以完成；仿真结果充分，可以得到有关系统设计的大量的、充分的曲线与数据。
[6][7]
下图是本设计在SIMULINK仿真环境下的仿真接线图（图2.7）和仿真结果（图2.8），加史密斯预估器和不加史密斯预估器的以比较史密斯预估器在本系统中的作用。
PID控制器的仿真方框图：
图2.7SIMULINK仿真接线图
加有预估器的输出波形：
图2.8加预估器的系统仿真图
未加预估器的输出波形：
图2.9不加预估器的系统仿真图
离散系统的仿真的方框图如下：
图2.10离散系统的仿真的方框图
用示波器观察其输出波形如下：
图2.11离散系统的仿真波形
仿真结果分析：
（1）大林离散系统的仿真结果分析
图中横坐标为时间轴，纵坐标为温度显示。
从图2-11离散系统的仿真可以看出，系统几乎无超调，并且能够很快的达到稳定状态。
（2）带预估器的仿真结果分析
超调为2.2%，调节时间为160S，针对本系统的对象具有大惯性，大延时的特点，从控制效果的角度看，都在系统可以承受的范围内，短时间内系统就达到了稳定。
在400秒时给系统加上一个扰动，系统虽然受到了一些影响，但短时间内就恢复到了正常的温度输出。
由此可见系统的抗扰动性是相当强的。
（3）不带预估器的仿真结果分析
本设计是温度控制系统，存在大延时、纯滞后特性。
被控对象的这种纯滞后特性常引起系统产生超调或震荡，使系统的稳定性降低。
图2-9中,从不加史密斯预估器的部分我们可以明显的看出系统发生了强烈的震荡，系统不稳定。
可见史密斯预估器在完全可以改善延时系统的稳定性。
由上述可知，本系统的PID参数选择，预估器的应用完全正确。
第3章温度控制系统的硬件设计
3.1硬件设计的原理
该温度控制系统采用了AT89C51型单片机，使硬件设计的工作量大大减少，接下来只剩下三个部分需要进行具体的硬件电路设计。
（1）键盘输入单元；
（2）AD采样转换单元；（3）LED显示部分。
在具体的设计过程中，需要阐述这三个部分的详细工作原理，并画出相应的电气原理图，可使用PROTEUS软件进行封装和调试。
在进行硬件设计时，应充分考虑到热电偶及温度变送器的恶劣工作环境，同时注意选择高分辨率的AD转换器，以保证系统的精度要求。
3.2系统输入单元键盘的设计
在一般的计算机操作中，命令和数据是由键盘输入的，在本设计中给定值也由键盘完成。
在单片机应用系统中要想做到既能即时响应键操作，又不过多的占用CPU的工作时间，就要根据应用系统中的CPU的忙闲情况，选择适当的键盘操作工作方式。
键盘的工作方式通常有程序扫描方式和中断扫描方式两种，由于程序扫描方式要CPU不断的扫描键是否按下，需要占用大量的CPU时间，加之本系统的CPU要完成大量的其他运算，故本系统采用中断方式。
在单片机系统中键盘中按钮数量较多时，为了减少IO口的占用，常常将按钮排列成矩阵形式，如图3.1所示。
在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按钮加以连接。
这样，一个端口（如P1口）就能组成4*4=16个按钮，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就能组成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键（9键）。
由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。
在本设计中需要12个控键，故可以用3*4键盘来设计，用P1.0---P1.3作列线，用P1.4---P1.6作行线。
[5]
图3.1矩阵式键盘示意图
矩阵式结构的键盘显然比直接法要复杂一些，识别也要复杂一些，上图中，列线通过电阻接正电源，并将行线所接的单片机的IO口作为输出端，而列线所接的IO口则作为输入。
这样，当按钮没有按下时，所有的输出端都是高电平，代表无键按下。
行线输出是低电平，一旦有键按下，则输入线就会被拉低，这样，通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下。
具体的识别及编程办法如下所述。
矩阵式键盘的按钮识别办法多使用“行扫描法”，行扫描法又称为逐行（或列）扫描查询法，是一种最常用的按钮识别办法，介绍过程如下：
判断键盘中有无键按下时将全部行线Y0-Y3置低电平，然后检测列线的状态，只要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平线与4根行线相交叉的4个按钮之中；若所有列线均为高电平，则键盘中无键按下。
在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。
办法是依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其它线为高电平，在确定某根行线位置为低电平后，再逐行检测各列线的电平状态若某列为低，则该列线与置为低电平的行线交叉处的按钮就是闭合的按钮。
下面给出一个具体的例程[12]，图仍如3.1所示，8031单片机的P1口用作键盘IO口，键盘的列线接到P1口的低4位，键盘的行线接到P1口的高4位。
列线P1.0-P1.3分别接有4个上拉电阻到正电源+5V，并把列线P1.0-P1.3设置为输入线，行线P1.4-P.17设置为输出线，4根行线和4根列线形成16个相交点。
检测当前是否有键被按下的方法是P1.4-P1.7输出全“0”，读取P1.0-P1.3的状态，若P1.0-P1.3为全“1”，则无键闭合，不然有键闭合。
当检测到有键按下后，延时一段时间再做下一步的检测判断。
若有键被按下，应识别出是哪一个键闭合，方法是对键盘的行线进行扫描，P1.4-P1.7按下述4种组合依次输出：
P1.71110
P1.61101
P1.51011
P1.40111
在每组行输出时读取P1.0-P1.3，若全为“1”，则表示这一行没有键闭合，不然有键闭合，由此得到闭合键的行值和列值，然后可采用计算法或查表法将闭合键的行值和列值转换成所定义的键值。
为了保证键每闭合一次CPU仅作一次处理，必须消除键释放时的抖动。
图3.2所示为PROTEUS仿真的键盘接口电路，该电路中只要将P1.6-P1.4输出全0，开放所有行的键后，CPU可以转去执行其他的任务，而不用重复调用键盘扫描程序。
当键盘上有任一键按下时，均可向CPU申请中断，CPU响应中断请求后，在中断服务程序中扫描键盘判按键的行列值，以形成键值号。
图3.2键盘接口电路
3.3系统AD采样单元的设计
温度检测元件和变送器的类型选择与被控温度的范围和精度等级有关，镍铬镍铝传感器适用于0－1000℃的温度检测范围。
利用这种温度传感器完成温度的测量，把转换的温度值的模拟量送入AD1674的其中一个通道进行AD转换，将转换的结果与给定温度进行比较通过控制算法之后再送入数码管显示。
AD1674是逐次逼近式的12位AD转换器，为单端输入模拟电压，可在10VIN和20VIN中任一端和AGND之间输入单极性电压或者双极性电压，输入模拟电压的极性不同其输入的电路也不同。
AD1674的数据输出线也有三态输出门，可直接接数据总线。
但是，它是12位输出，就有一个AD输出数位和总线数位的对应关系问题。
如果AD1674直接接到12位或16位的系统数据总线上，可以接8位数据总线，按字节分时读出。
此时将DB4—DB11接数据总线D0—D7,而低四位管脚接到高四位上去。
通过控制信号A0来区别，当A0=0时，则允许高8位数据呈现，而当A0=1时，高8位被禁止，低四位呈现，其余各位为0，这样CPU执行两条输入指令就可以将转换后的12位数据读入。
AD转换器是在CPU控制下工作的，即有CPU发出启动信号。
启动信号有电平信号和脉冲信号两种启动方式，而本设计中用的AD1674是采用的脉冲启动，通过读或写信号或程序控制得到足够宽度的脉冲信号。
AD装换结束时，AD转换芯片输出转换结束信号。
转换结束信号有两种:
一种是电平信号,一种是脉冲信号，CPU检测到转换结束信号即可读取转换后的数据，CPU一般可采取三种方式和AD转换器进行联络来实现对数据的读取。
这三种方式为程序查询方式、中断方式、固定的延迟程序方式。
三种方式中当AD转换时间较长时，宜采用中断方式，当AD转换时间较短时，宜用查询方式或延迟方式。
图3.2所示即为系统AD采样单元接线图,由于本系统中只有1路模拟量输入，故C－B－A对应的通道地址为000，直接接地。
ALE（START）由P3.6控制，EOC转换结束信号由P3.5口来检测，读允许EO接高电平。
由于软件功能原因，温度传感器经变送器转换到0-5V的信号，由滑动变阻器代替。
图3.2系统AD采样接线图
3.4系统显示单元设计
在单片机的应用系统中，通常使用LED和LCD来观察和监视单片机的运行情况以及显示运行的中间结果及状态等信息，因此，显示器也不可缺少的外部设备之一。
显示器的种类有很多中，在单片机应用系统中常用的有LED，LCD，它们具有功耗低，成本少，配置简单，方便灵活，安装方便，耐振动，寿命长等优点。
本设计由于只用于简单的数值显示，故采用LED显示器，考虑到动态显示时由于系统运算量大会出现闪烁，本设计采用LED的静动态显示方式时，位选码端口由LS138译码器输出选择要显示的字符，当要显示某位时只要将该位对应的位选送低电平即可。
P2口送待显示字符的代码，译码器送出不同的位扫描码。
这种显示方式不要求CPU始终不停的循环显示，只要在更新显示内容时运行显示程序。
七段码的段选（a,b,c,d,e,f,g,p）：
对应8个发光二极管，接IO口，共阴（或共阳）时接地（或+5V），根据条件控制发光二极管的亮或灭。
位选（A,B,C,D）:
共阴（或共阳）时接地（或+5V）分别用选中对应位的LED。
本设计采用LED的共阴极接法，接线图如图3.3所示
共阴七段LED段选码表[13]：
显示字符
数显代码
显示字符
数显代码
0
3FH
5
6DH
1
06H
6
7DH
2
58H
7
F8H
3
4FH
8
80H
4
66H
9
90H
表3.2LED段选码表
图3.3LED显示接线图
3.5PWM控制的基本原理
PWM（PulseWidthModulation）控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。
即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效获得所需要波形。
改变脉冲的占空比就是对脉冲宽度进行调制，只是因为输入电压和所需要的输出电压都是直流电压，依次脉冲既是等幅的，也是等宽的，仅仅是对脉冲的占空比进行控制，这是PWM控制中的最为简单的一种情况。
图3.6PWM电路原理图
上图是本设计所选用的简单的不可逆PWM电路原理图，其中功率开关部件为IGBT，IGBT的控制极由脉宽可调的脉冲电压序列
驱动。
在一个开关周期内，当0≤t＜
时，
为正，IGBT导通，电源电压加到热电阻两端；
≤t＜T时，
为零，IGBT关断，热电阻失去电源。
这样，热电阻两端得到的平均电压为
（3.1）
改变占空比
（0≤
≤1）即可调节对电阻在每个采样周期内的加热时间。
3.6单片机对PWM控制的实现
上节已述要对PWM进行控制就要控制其功率开关部件的占空比。
IGBT输出频率为1KHZ，周期为1mS，则定时器周期值T为1000。
数字PID的输出U（K）限幅值为1000，当U（K）大于1000，则设为1000当U（K）小于0，则设为0。
则为Ton，控制量越大，Ton越大，占空比为
。
将定时器T0设为16位定时模式,并开启定时器的中断允许，则输出为高电平时，定时器装入初值：
FFFF-Ton；输出为低电平时，定时器装入初值：
FFFF-（1000-Ton）。
原理如图3.7所示，图3.8为用示波器来表示PWM的输出电路图。
图3.7单片机对PWM控制原理图
图3.8用示波器来表示PWM的输出电路图
3.7复位电路的原理
复位是使CPU和系统中的其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。
复位电路针对不同的单片机有多种不同的电路，而本设计中采用按钮复位电路。
按钮复位电路有两种可行方案：
脉冲复位和电平复位。
而本设计所用的是按钮电平复位，按下复位按钮时，电源对外接电容充电，使RSTVPD端为高电平，复位按钮松开后，电容通过内部下拉电阻放电，逐渐使RSTVPD端恢复为低电平。
[2]Proteus下的复位电路图如图3.9所示。
图3.9复位电路的Proteus仿真电路图
3.8热电偶测温电路
因为本系统的温度要控制在0℃—800℃，而镍铬—镍铝热电偶，分度号为EU，对0℃—1000℃的温度为0—41.32mv，经毫伏处理与电压变送后，可以将0℃—800℃对应到0V—5V的电压信号。
仿真图如下：
图3.10热电偶测温电路的Proteus仿真电路图
3.9系统硬件原理图
整个系统由键盘、显示、AD采样、PWM产生四大部分组成，用PROTEUS仿真的系统硬件原理图如图3.4所示。
图中，左边四位数码管为键盘设定的温度显示值，右四位数码管为AD采样的电阻炉实际温度显示值，经过单片机将两者之间的偏差进行PID运算，并经过数据处理由P3.7口产生PWM的波形，通过控制PWM的占空比达到控制温度的目的。
图3.5为通过示波器观看到的P3.7口的PWM的波形。
图3.4系统硬件原理图
图3.5PWM波形
设计结论
毕业论文是本科学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次比较完整的温度控制系统的设计，我摆脱了单纯的理论知识学习状态，和实际设计的结合锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识，解决实际工业过程问题的能力，同时也提高我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平，而且通过对整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的斟酌处理，都使我的能力得到了锻炼，经验得到了丰富。
虽然毕业设计内容繁多，过程繁琐但我的收获却更加丰富。
各种系统的适用条件，各种设备的选用标准，各种管道的安装方式，我都是随着设计的不断深入而不断熟悉并学会应用的。
和老师的沟通交流更使我从经济的角度对设计有了新的认识也对自己提出了新的要求，举个简单的例子：
温度控制器的参数如果计算选择不当就将使系统
升级会员 