【正文】 等場合下，為了保證生產(chǎn)過程正常安全地進行，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量，以及減輕工人的勞動強度、節(jié)約能源，要求對加熱爐爐溫進行測、顯示、控制，使之達到工藝標準，以單片機為核心設(shè)計的爐溫控制系統(tǒng)，可以同時采集多個數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過通訊口送至上位機進 行顯示和控制。那么無論是哪種控制，我們都希望水溫控制系統(tǒng)能夠有很高的精確度（起碼是在滿足我們要求的范圍內(nèi)），幫助我們實現(xiàn)我們想要的控制，解決身邊的問題。 在計算機沒有發(fā)明之前，這些控制都是我們難以想象的。而當今，隨著電 子行業(yè)的迅猛發(fā)展，計算機技術(shù)和傳感器技術(shù)的不斷改進，而且計算機和傳感器的價格也日益降低，可靠性逐步提高，用信息技術(shù)來實現(xiàn)水溫控制并提高控制的 精確度不僅是可以達到的而且是容易實現(xiàn)的。用高新技術(shù)來解決 工業(yè)生產(chǎn)問題， 排除生活用水問題實施對水溫的控制已成為我們電子行業(yè)的任務(wù)，以此來加強工業(yè)化建設(shè)，提高人民的生活水平。 溫度控制系統(tǒng)的研 究 現(xiàn)狀 溫度控制系統(tǒng)在國內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用雖然已經(jīng)十分廣泛但從國內(nèi)生產(chǎn)的溫度 控制器來講總體發(fā)展水平仍然不高，同國外的日本美國德國等先進國家相比仍然有著較大的差距目前我國在這方面總體技術(shù)水平處 于 20世紀 80年代中后期水平成熟 長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 2 產(chǎn)品主要以 “ 點位 ” 控制及常規(guī)的 PID 控制器為主，它只能適應(yīng)一般溫度系統(tǒng)控制難于控制滯后復(fù)雜時變溫度系統(tǒng)控制，即是說適應(yīng)于較高控制場合的智能化自適應(yīng)控制儀表國內(nèi)技術(shù)還不十分成熟，形成商品化并廣泛應(yīng)用的控制儀表較少備。 現(xiàn)有的一些溫度控制設(shè)備，如 HA168 型的溫度控制棒，結(jié)構(gòu)比較簡單，一般采取的是開關(guān)式的控制，即當測量溫度低于設(shè)定溫度時進行加熱，其結(jié)果是飼養(yǎng)水域內(nèi)溫度不均，控溫效果不理想。目前，國外也開發(fā)出了一些基于單片式計算機的溫度控制設(shè)備，但是價格比較高，且目前 其操作系統(tǒng)均為英文，普及性不強。 溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展方向 由于工業(yè)過程控制的需要，特別是在微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，以及自動控制理論和設(shè)計方法發(fā)展的推動下，國外溫度控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在智能化自適應(yīng)參數(shù)自整定等方面取得成果。在這方面以日本、美國、德國、瑞典等國技術(shù)領(lǐng)先，并且都生產(chǎn)出了一批商品化的性能優(yōu)異的溫度控制器及儀器儀表，目前，國外溫度控制系統(tǒng)及儀表正朝著高精度智能化、小型化等方面快速發(fā)展。 溫度控制不好就可能引起生產(chǎn)安全，產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量等一系列問題。盡管溫度控制很重要，但 是要控制好溫度常常會遇到意想不到的困難。由于溫度控制具有工況復(fù)雜、參數(shù)多變、運行慣性大、控制滯后等特點 ,它對控制調(diào)節(jié)器要求較高。 模糊邏輯控制（ FLC）是人工智能領(lǐng)域中形成最早、應(yīng)用最廣的一個重要分支，適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜且難以用傳統(tǒng)理論建立模型的問題。目前 FLC 已經(jīng)成功地應(yīng)用與各種溫度控制上。 模糊控制與一般的自動控制的根本區(qū)別是，不需要建立精確的數(shù)學模型，而是運用模糊理論將人的經(jīng)驗知識、思維推理，其控制過程的方法與策略是由所謂模糊控制器來實現(xiàn)。對于多變量、非線性和時變的大系統(tǒng)，系統(tǒng)的復(fù)雜性和控 制技術(shù)的精確性形成了尖銳的矛盾。模糊控制對那些難以獲得數(shù)學模型或模型非常粗糙的工業(yè)系統(tǒng)，如那些大滯后、非線性等復(fù)雜工業(yè)對象實施控制有獨特優(yōu)勢，但靜態(tài)誤差不易控制 .模糊控制偏偏含有大量專家經(jīng)驗 ,實際實現(xiàn)比較困難 ,它絕不可以代替經(jīng) 典的自動控制，而是擴展了一般的自動控制。在一些實際過程中，人們也常把模糊 控制與一般的自動控制結(jié)合在一起應(yīng)用，并且已研制出神經(jīng)模糊網(wǎng)絡(luò)的家電產(chǎn)品， 將模糊控制技術(shù)與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)等人工智能中一些新技術(shù)相結(jié)合，向著 長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 3 更高層次的研究和應(yīng)用發(fā)展。 采用模糊控制其優(yōu)點是不需 要粗確知道被控對象的數(shù)學模型，而且適用于有較大滯后特性的控制對象。缺點是靜態(tài)誤差不易控制，因含有大量專家經(jīng)驗，實際實現(xiàn)比較困難。 模糊控制比傳統(tǒng)的 PID 控制等方法 , 在強時變、大時滯、非線性系統(tǒng)中的控制效果有著明顯的優(yōu)勢。將模糊控制技術(shù)應(yīng)用于家電產(chǎn)品在國外已是很普遍的現(xiàn)象。單片機是家用電器常用的控制器件 , 把二者結(jié)合起來 , 可使控制器的性能指標達到最優(yōu)的目的。基于模糊控制技術(shù)的單片機控制的電熱水器 , 是對傳統(tǒng)的電熱水器開關(guān)控制的改造 , 具有達到設(shè)定溫度的時間短、穩(wěn)態(tài)溫度波動小、反應(yīng)靈敏、抗干擾能力 強、節(jié)省電能等優(yōu)點，將成為以后發(fā)展的主流。 題目 要求 設(shè)計利用 AVR 單片機，通過外圍電路，對 1 升水進行溫度控制 。 技術(shù)參數(shù)： ℃ ，控溫精度 ℃ 。 30100℃ 。 。 。 求自動水溫控制系統(tǒng)應(yīng)該由：主控制單元、溫度采集單元、功率輸出單元、實時顯示單元、 通信單元 及打印單元 組成 。 長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 4 第 2 章 方案論證 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案 此方案采用 ATmega16 單 片機最小系統(tǒng)板（自制）實現(xiàn)，對外圍電路來說，比較簡單，并且軟件采用 PID 算法實現(xiàn)較為簡單。溫度的數(shù)據(jù)采集采用 DS18B20 采集，直接轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，不需要額外的 AD 轉(zhuǎn)換電路，完全滿足所需溫度數(shù)據(jù)精度。溫度控制采用固態(tài)繼電器 SSR 直接控制電加熱器的通斷進行水溫的控制，滿足控制精度。顯示模塊采用 HD7279A 顯示，較為直觀。另外， AVR 單片機使用 JTAG 來實現(xiàn)軟硬件調(diào)試非常方便。 主 控 單 元鍵 盤 顯 示功 率 輸 出 單 元溫度采集單元通信單元打印單元 圖 21 硬件框圖 主控單元的論證 方案一 ： 采用 ATmega16 長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 5 單片機的 I/O 口是真正的 I/O 口，能正確反映 I/O 口輸入 /輸出的 真實情況。工業(yè)級產(chǎn)品，具有大電流 (灌電流 )10～ 40mA， 可直接驅(qū)動可控硅SCR 或繼電器，節(jié)省了外圍驅(qū)動器件。 單片機內(nèi)帶模擬比較器， I/O口可用作 A/D 轉(zhuǎn)換，可組成廉價的 A/D轉(zhuǎn)換器。 ATmega16 具有 8 路 10 位 A/D。 AVR 單片機可組成零外設(shè)元件單片機系統(tǒng)，使該類單片機無外加元器件即可工作，簡單方便，成本又低。 單片機可重設(shè) 置 啟動復(fù)位 ,以提高單片機工作的可靠性。有看門狗定時器實行安全保 護 ,可防止程序走亂 (飛 ),提高了產(chǎn)品的抗干擾能力。 方案二： 采用 89C51 89C51只支持并行寫入，同時需要 VPP 高壓 。 89C51 系列在低于 和高于 的時候則無法正常工作。 89C51 工作頻率范圍最高只支持到 24M?？垢蓴_需 外接看門狗計時器單元電路。價格也比較高。 綜上我選擇方案一。 溫度采集單元的論證 方案一：采用溫度傳感器 DS18B20 美國 DALLAS 公司的產(chǎn)品可編程單總線數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20 可實現(xiàn)室內(nèi)溫度 信號的采集，有很多優(yōu)點：如直接輸出數(shù)字信號，故省去了后繼的信 號放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換部分，外圍電路簡單，成本低 。單總線接口，只有一根信號線作為單總線與 CPU 連接，且每一只都有自己唯一的 64 位系列號存儲在其內(nèi)部的 ROM 存儲器中，故在一根信號線上可以掛接多個 DS18B20,便于多點測量且易于擴展。 方案二：采用 溫度傳感器 AD590 AD590 需要模擬轉(zhuǎn)數(shù)字電路，成本高，精度低，測溫點數(shù)量少，電路繁多，對線阻有要求 。 綜上我選擇方案一 。 功率輸出單元的論證 長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 6 方案一 ：采用固態(tài)繼電器 固態(tài)繼電器的優(yōu)點： （ 1）高壽命，高可靠 ， SSR 沒有機械零部件，有固體器件完成觸點功 能，由于沒有運動的零部件，因此能在高沖擊，振動的環(huán)境下工作，由于組成固態(tài)繼電器的元器件的固有特性，決定了固態(tài)繼電器的壽命長，可靠性高。 （ 2）靈敏度高，控制功率小，電磁兼容性好 ， 固態(tài)繼電器的輸入電壓范圍較寬，驅(qū)動功率低，可與大多數(shù)邏輯集成電路兼容不需加緩沖器或驅(qū)動器 。 （ 3）快速轉(zhuǎn)換 ， 固態(tài)繼電器因為采用固體其間，所以切換速度可從幾毫秒至幾微妙。 （ 4）電磁干擾小 ， 固態(tài)繼電器沒有輸入 線圈 ，沒有觸點燃弧和回跳，因而減少了電磁干擾。大多數(shù)交流輸出固態(tài)繼電器是一個零電壓開關(guān)，在零電壓處導(dǎo)通，零電流處關(guān)斷，減少了 電流波形的突然中斷，從而減少了開關(guān)順效應(yīng)。 方案二： 采用晶閘管 晶閘管又叫可控硅 (Silicon Controlled Rectifier, SCR)。自從 20 世紀 50年代問世以來已經(jīng)發(fā)展成了一個大的家族，它的主要成員有單向晶閘管、雙向晶閘管、光控晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管、可關(guān)斷晶閘管、快速晶閘管，等等。今天大家使用的是單向晶閘管，也就是人們常說的普通晶閘管，它是由四層半導(dǎo)體材料組成的，有三個 PN 結(jié)，對外有三個電極 ：第一層 P 型半導(dǎo)體引出的電極叫陽極 A，第三層 P型半導(dǎo)體引出的電極叫控制極 G，第四層 N 型半導(dǎo)體引出的電 極叫陰極 K。從晶閘管的電路符號 可以看到，它和二極管一樣是一種單方向?qū)щ姷钠骷?，關(guān)鍵是多了一個控制極 G，這就使它具有與二極管完全不同的工作特性。 固態(tài)繼電器就是通過光電耦合器隔離并觸發(fā)可控硅，就算選擇可控硅也要通過隔離元件進行隔離才行，兩個并沒有響應(yīng)速度的可比較性，用單片機信號來控制，肯定是選擇固態(tài)繼電器，強電和控制信號間隔離。 綜上 選擇方案一 。 鍵盤顯示單元的論證 方案一 ： 采用 HD7279A HD7279A 是一種智能鍵盤和 LED專用控制芯片，它帶有串行接口，可同時 長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 7 驅(qū)動 8 位共陰極 數(shù)碼管或 64只獨立 LED。文中詳述了該芯片的工作原理。 工作時序及控制指令，給出了 HD7279A 與 CPU 的實際接口電路及設(shè)計程序， 同時指出了實際應(yīng)用中的一些注意事項。 方案二 ： 采用 ZLG9A ZLG9A 具有片選信號 ， 可方便地實現(xiàn)多于 8 位的顯示 ， 或多于 64 鍵的鍵盤接口 ， 儀器儀表工業(yè)控制器 ， 條形顯示器 ， 控制面板串行接口無需外圍元件 ， 可直接驅(qū)動 LED 各位獨立控制譯碼及消隱和閃爍屬性循環(huán)左移 /循環(huán)右移指令具有段尋址指令方便控制獨立 LED64 鍵盤控制器內(nèi)含去抖動電路 。 HD7279A 和微處理器之間采用串行接口，其接口和外圍電路 比較簡單，且占用口線少，加之它具有較高的性能價格比，因此，在微型控制器。智能儀表?？刂泼姘搴图矣秒娖鞯阮I(lǐng)域獲得了日益廣泛的應(yīng)用。 綜上 選擇方案一 。 長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 8 第 3 章 硬件設(shè)計 主控單元的設(shè)計 ATmega16 單片機介紹 ATmega16 是基于增強的 AVR RISC 結(jié)構(gòu)的低功耗 8 位 CMOS 微控制器。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間， ATmega16 的數(shù)據(jù)吞吐率高達 1 MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。 ATmega16 AVR 內(nèi) 核具有豐富的指令集和 32 個通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與算邏單元 (ALU) 相連接，使得一條指令可以在一個時鐘周期內(nèi)同時訪問兩個獨立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的 CISC 微控制器最高至 10 倍的數(shù)據(jù)吞吐率。 ATmega16 有如下特點 :16K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flash(具有同時讀寫的能力，即 RWW)， 512 字節(jié) EEPROM， 1K 字節(jié) SRAM， 32 個通用 I/O 口線， 32 個通用工作寄存器，用于邊界掃描的 JTAG 接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，三個具有比較模式的靈活的 定時器 / 計數(shù)器 (T/C),片內(nèi) /外中斷，可編程串行 USART，有起始條件檢測器的通用串行接口， 8 路 10 位具有可選差分輸入級可編程增益 (TQFP 封裝 ) 的 ADC ，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門 狗定時器，一個 SPI 串行端口，以及六個可以通過軟件進行選擇的省電模式。 工作于空閑模式時 CPU 停止工作，而 USART、兩線接口、 A/D 轉(zhuǎn)換器、SRAM、 T/C、 SPI 端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；掉電模式時晶體振蕩器停止振蕩，所有功能除了中斷和硬件復(fù)位之外都停止工作；在省電模式下，異步定時器繼續(xù)運行，允許用戶保持 一個時間基準，而其余功能模塊處于休眠狀態(tài)； ADC 噪聲抑制模式時終止 CPU 和除了異步定時器與 ADC 以外所有 I/O 模塊的工作，以降低 ADC 轉(zhuǎn)換時的開關(guān)噪聲； Standby 模式下只有晶體或諧振振