【正文】 傳感器 4 脈沖調(diào)節(jié)（PWM） 5 單片機(jī)及人機(jī)接口 6 主要任務(wù) 7第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)與設(shè)計(jì)方案 8 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 8 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì) 8 主控模塊的方案論證 9 前向通道方案論證 10 傳感器的方案論證 10 A/D的方案論證 11 后向通道方案論證 12 PWM的方案論證[26] 12 PID控制算法的方案論證 14 人機(jī)接口的方案論證 15第三章 硬件設(shè)計(jì) 17 17 主控模塊 17 AT89C51單片機(jī)設(shè)計(jì) 17 I/O接口擴(kuò)展的設(shè)計(jì) 23 看門狗電路的設(shè)計(jì) 25 前向通道的設(shè)計(jì) 27 鉑電阻溫度傳感器的設(shè)計(jì) 27 A/D轉(zhuǎn)換部分的設(shè)計(jì) 29 后向通道的設(shè)計(jì) 33 控制算法的設(shè)計(jì) 33 功率驅(qū)動(dòng)及PWM的設(shè)計(jì) 37 人機(jī)接口的設(shè)計(jì) 39 鍵盤及顯示電路的設(shè)計(jì) 39 報(bào)警電路的設(shè)計(jì) 42 打印機(jī)的設(shè)計(jì) 42第四章 軟件設(shè)計(jì) 41致謝 54參考文獻(xiàn) 55附錄：一 5656第一章 緒 論 課題的目的 空氣環(huán)境溫度控制在工業(yè)及日常生活中應(yīng)用廣泛,分類較多,不同空氣溫度控制系統(tǒng)的控制方法也不盡相同,其中以PID控制法最為常見。In the standard PID algorithm foundation, we chose the separate integral PID control algorithm, and according to AT89C51’s characteristic we have adopted the accumulation processing method in the value putation to restrain the integral saturated and eliminate integral dead spot influence basically. The programmer which has a better realization and utilization, various result indicates that the system’s capability and quota achieved the requirement of design and the manmachine contact surface is friendly.Key words: singlechip；improved PID；PWM畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說(shuō)明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。為了精確處理傳感器信號(hào)，本系統(tǒng)采用了輸出線性度好，轉(zhuǎn)換精度高,抗干擾能力強(qiáng)的ΣΔA/D轉(zhuǎn)換芯片AD7710。長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)論文摘 要本系統(tǒng)采用單片機(jī)AT89C51為控制核心，將增量型PID控制算法和全數(shù)字PWM脈寬調(diào)制技術(shù)相結(jié)合，引入溫度差動(dòng)反饋，構(gòu)成基于數(shù)字控制器的空氣溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)電機(jī)輸出功率的準(zhǔn)確控制，實(shí)現(xiàn)了容器中空氣溫度的精確控制。在標(biāo)準(zhǔn)PID算法基礎(chǔ)上，本設(shè)計(jì)選擇了積分分離PID控制算法，并且根據(jù)AT89C51的特點(diǎn)，在數(shù)值計(jì)算上采取了累計(jì)處理的方法，有效抑制了積分飽和，基本消除了積分不靈敏區(qū)的影響。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過(guò)的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過(guò)的材料。單片機(jī)控制部分采用AT89C51單片機(jī)為核心，采用軟件編程，實(shí)現(xiàn)用PID算法來(lái)控制PWM波的產(chǎn)生，進(jìn)而控制電阻絲的加熱來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度控制。此外還有效減少了輸出繼電器的開關(guān)次數(shù),適用于環(huán)境參數(shù)經(jīng)常變化的環(huán)境下的控制系統(tǒng)。在本設(shè)計(jì)中，我們?yōu)榱四軐?shí)現(xiàn)人機(jī)的對(duì)話及時(shí)知道系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，我們應(yīng)給本系統(tǒng)增加了報(bào)警功能。 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀與發(fā)展現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)是信息采集(即傳感器技術(shù))、信息傳輸(通信技術(shù))和信息處理(計(jì)算機(jī)技術(shù))。 溫度是一個(gè)基本物理量。溫度只能通過(guò)物體隨溫度變化的某些特性來(lái)間接測(cè)量，而用來(lái)量度物體溫度數(shù)值的標(biāo)尺叫溫標(biāo)。另外溫度是工業(yè)對(duì)象中主要的被控參數(shù)之一，象冶金、機(jī)械、食品、化工各類工業(yè)中，廣泛使用的各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐等，對(duì)工件的處理溫度要求嚴(yán)格控制。模擬集成溫度傳感器的主要特點(diǎn)是功能單一(僅測(cè)量溫度)、測(cè)溫誤差小、價(jià)格低、響應(yīng)速度快、傳輸距離遠(yuǎn)、體積小、微功耗等，適合遠(yuǎn)距離測(cè)溫、控溫，不需要進(jìn)行非線性校準(zhǔn)，外圍電路簡(jiǎn)單。但它自成系統(tǒng)，工作時(shí)并不受微處理器的控制，這是二者的主要區(qū)別。智能溫度傳感器內(nèi)部都包含溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、信號(hào)處理器、存儲(chǔ)器(或寄存器)和接口電路。1) 提高測(cè)溫精度和分辨力在20世紀(jì)90年代中期最早推出的智能溫度傳感器，采用的是8位A/D轉(zhuǎn)換器，其測(cè)溫精度較低，分辨力只能達(dá)到1176。由美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司新研制的DS1624型高分辨力智能溫度傳感器，能輸出13位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，176。為了提高多通道智能溫度傳感器的轉(zhuǎn)換速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。DS1624還增加了存儲(chǔ)功能，利用芯片內(nèi)部256字節(jié)的E2PROM存儲(chǔ)器，可存儲(chǔ)用戶的短信息。能溫度控制器是在智能溫度傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展而成的。溫度傳感器作為從機(jī)可通過(guò)專用總線接口與主機(jī)進(jìn)行通信。有很多反面國(guó)外水平相比還有較大差距.材料方面：包括金屬,非金屬,化工,陶瓷,半導(dǎo)體等,國(guó)內(nèi)冶金,化工現(xiàn)有條件往往難以提供各類用量小,質(zhì)量高,規(guī)格要求特殊的基礎(chǔ)材料,即使能提供與國(guó)外近似的牌號(hào),消除雜質(zhì),由專門的機(jī)構(gòu)完成,使產(chǎn)品的長(zhǎng)期穩(wěn)定性得以保證,如果出現(xiàn)問(wèn)題,同樣問(wèn)題國(guó)內(nèi)一般不能較好地解決,材料只能有什么用什么,或勉強(qiáng)代用.工藝方面：,激光,電子束之類加工工藝,在特殊工藝上又常常被人忽視,他們對(duì)傳感器的結(jié)構(gòu),材料,工藝等都十分重視,與國(guó)內(nèi)重理論,輕實(shí)踐,重設(shè)計(jì),輕工藝的習(xí)俗正好相反.研制規(guī)模：傳感器屬知識(shí)密集型開發(fā)產(chǎn)品,開發(fā),生產(chǎn)傳感器的企業(yè)多為人的規(guī)模,都是充分利用本國(guó)或其他國(guó)家專業(yè)化廠的特點(diǎn)開展協(xié)作,本廠只組裝,測(cè)試,既保證了產(chǎn)品質(zhì)量又使成本下降,便于競(jìng)爭(zhēng),極大地提高了效率.銷售意識(shí)：法國(guó)是歐洲生產(chǎn)溫度傳感器的主要國(guó)家之一,開發(fā)研制和生產(chǎn)水平在國(guó)際上處于中上等,推廣應(yīng)用搞得好,供售關(guān)系密切,需要的零件基本上是靠其他專業(yè)企業(yè)協(xié)作加工完成,二次儀表的水平,質(zhì)量比較高,均是按國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和歐洲標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的,我國(guó)的儀表與之相比差距明顯. 脈沖調(diào)節(jié)（PWM）脈寬調(diào)制(PWM)是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。讓信號(hào)保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)向PWM可以極大地延長(zhǎng)通信距離。從最初采用模擬電路完成三角調(diào)制波和參考正弦波比較，產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制SPWM信號(hào)以控制功率器件的開關(guān)開始，到目前采用全數(shù)字化方案，完成優(yōu)化的實(shí)時(shí)在線的PWM信號(hào)輸出，可以說(shuō)直到目前為止，PWM在各種應(yīng)用場(chǎng)合仍在主導(dǎo)地位，并一直是人們研究的熱點(diǎn)。正弦PWM已為人們所熟知，而旨在改善輸出電壓、電流波形，降低電源系統(tǒng)諧波的多重PWM技術(shù)在大功率變頻器中有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)（如ABB為求得改善，隨機(jī)PWM方法應(yīng)運(yùn)而生。近年來(lái),隨著科技的飛速發(fā)展,單片機(jī)的應(yīng)用正在不斷地走向深入。在本次設(shè)計(jì)中我選用了ATMEL公司的AT89C51，采用Intel MCS51內(nèi)核，是現(xiàn)今最常用的51內(nèi)核單片機(jī)。因此，我們要大力依靠科技進(jìn)步，不斷進(jìn)行技術(shù)更新與技術(shù)改造，引進(jìn)，消化，吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)與設(shè)備，使之國(guó)產(chǎn)化，開發(fā)系列國(guó)產(chǎn)裝備，以提高行業(yè)的整體水平。因此采集的空氣溫度數(shù)據(jù)精度至關(guān)重要。隨著單片機(jī)在各行業(yè)控制系統(tǒng)中的普遍采用，其構(gòu)成的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)日臻完善，使該溫度控制系統(tǒng)的總體性能大大提高，功能更趨完善，并詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的軟、硬件實(shí)施手段及系統(tǒng)特點(diǎn)。（2）通過(guò)鍵盤設(shè)置需要保持的溫度。 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)（一）、方案論證與比較本題目是設(shè)計(jì)制作一個(gè)空氣環(huán)境溫度控制系統(tǒng)，對(duì)象為有限室內(nèi)的空氣溫度，利用電阻式加熱器件進(jìn)行加熱。要想使空氣溫度保持在規(guī)定的范圍內(nèi)，需要控制好電阻絲的輸出功率，使容器內(nèi)的溫度達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。方案二：繼電器控制繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路），通常應(yīng)用于自動(dòng)控制電路中，它實(shí)際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動(dòng)開關(guān)”。方案三：數(shù)字脈寬（PWM）控制PWM是利用微處理器的數(shù)字輸出對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的技術(shù)，它對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼，通過(guò)使用高分辨率計(jì)數(shù)器、調(diào)制方波的占空比來(lái)控制一個(gè)具體的模擬信號(hào)，只要帶寬足夠，任何模擬值都可以用PWM進(jìn)行編碼，是現(xiàn)在非常實(shí)用的控制方法，它的使用大幅度降低了系統(tǒng)的成本，既經(jīng)濟(jì)又節(jié)約空間，同時(shí)它的抗噪性能強(qiáng)，控制精度高使用單片機(jī)輸出PWM波，能很精確的控制波的頻率和脈寬，準(zhǔn)確的控制設(shè)備的輸出功率，達(dá)到精確控制的目的。方案2：本方案的CPU模塊采用2051芯片，其內(nèi)部有2KB單元的程序存儲(chǔ)器，不需外部擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器。比較這3種方案，綜合考慮單片機(jī)的各部分資源，因此此次設(shè)計(jì)選用方案3。（1）熱敏電阻主要用于點(diǎn)溫度、小溫差差的測(cè)量，遠(yuǎn)距離、多點(diǎn)測(cè)量與控制，溫度補(bǔ)償和電路的自動(dòng)調(diào)節(jié)等。而對(duì)耐濕、耐酸、耐堿、耐熱沖擊、耐震動(dòng)場(chǎng)合，可靠性較高。也由于制作熱電偶的金屬材料具有很好的延展性，這種細(xì)微的測(cè)溫元件有極高的響應(yīng)速度，可以測(cè)量快速變化的過(guò)程，如燃燒和爆炸過(guò)程等。當(dāng)測(cè)量點(diǎn)遠(yuǎn)離儀表時(shí)，還需要使用熱點(diǎn)勢(shì)率和熱電偶相近的導(dǎo)線來(lái)傳輸信號(hào)，這種導(dǎo)線稱為補(bǔ)償導(dǎo)線。鉑電阻與溫度之間的關(guān)系，在0~℃范圍內(nèi)可用下式表示： RT=R0（1+AT+BT2） （1）在200~0℃的溫度范圍內(nèi)為 RT=R0[1+AT+BT2+C（T100℃）T3 （2）式中，R0和RT分別為在0℃和溫度T時(shí)鉑電阻的電阻值，A、B、C為溫度系數(shù)，有實(shí)驗(yàn)確定，A=℃1，B=℃2，C=℃4。鉑電阻廣泛用于200~850℃范圍內(nèi)的溫度測(cè)量，工業(yè)中通常在600℃以下。其內(nèi)部有一個(gè)極低噪聲的斬波穩(wěn)定儀表放大器，其增益可選擇為1X、2X、4X、8X、16X、32X。由于該芯片具有集成度高、非線性誤差小( %) 、分辨率高(21. 5 位) 、微控制器串行接口等特點(diǎn), 所以在稱重、熱電偶、應(yīng)變儀、RTD、過(guò)程控制、數(shù)據(jù)采集、微控制器應(yīng)用系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。方案一：　TL494脈寬調(diào)制TL494脈寬調(diào)制是電源中被廣泛用來(lái)構(gòu)成其他激式直流開關(guān)電源的專用器件，是直流開關(guān)電源中常用的脈寬調(diào)制器件。方案二：數(shù)字脈寬PWM調(diào)溫采用全數(shù)字PWM脈寬調(diào)制控制，引入溫度反饋提高控制精度。MOS管的柵極是絕緣的，屬于電壓驅(qū)動(dòng)，不需要電流，它的特點(diǎn)是功率高、開關(guān)速度較快，一般可用于功率開關(guān)或直流變換器。這種控制電極的方法使MOS管要么工作在飽和區(qū)，要么工作在截止區(qū)，有效的控制了MOS管的發(fā)熱量，從而增加穩(wěn)定性。PID控制的原理和特點(diǎn)在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制，實(shí)際中也有PI和PD控制。傳統(tǒng)的溫度控制器，是利用熱電偶線在溫度化變化的情況下，產(chǎn)生變化的電流作為控制信號(hào)，對(duì)電器元件作定點(diǎn)的開關(guān)控制器。發(fā)熱絲通過(guò)電流加熱時(shí)，通常達(dá)到1000℃以上，所以發(fā)熱棒、發(fā)熱圈內(nèi)部溫度都很高。通常開始重新加熱時(shí)，溫度繼續(xù)下降幾度。 要解決溫度控制器這個(gè)問(wèn)題，采用PID模糊控制技術(shù)，是明智的選擇。當(dāng)然，在電壓穩(wěn)定工作的速度不變、外界氣溫不變和空氣流動(dòng)速度不變的情況下，這樣做是完全可以的，但要清楚地知道，以上的環(huán)境因素是不斷改變的，同時(shí)，用調(diào)壓器來(lái)代替溫度控制器時(shí)，必須在很大程度上人力調(diào)節(jié)，隨著工作環(huán)境的變化而用人手調(diào)好所需溫度的度數(shù)，然后，相對(duì)穩(wěn)定的電壓來(lái)通電加熱，勉強(qiáng)運(yùn)作，但這決不是自動(dòng)控溫。例如燙金機(jī)，其溫度要求比較穩(wěn)定，通常在正負(fù)2℃以內(nèi)才能較好運(yùn)作。 人機(jī)接口的方案論證數(shù)據(jù)處理部分的外部設(shè)備有顯示器、打印機(jī)及面板上操作按鍵等。在一些復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)中，為準(zhǔn)確判斷系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和故障定位，設(shè)計(jì)人員往往會(huì)在程序中加入一些用于系統(tǒng)定位的代碼。共陰極LED數(shù)碼管則與之相反，它是將發(fā)光二極管的陰極(負(fù)極)短接后作為公共陰極。發(fā)光顏色不僅與管芯材料有關(guān)，還與所摻雜質(zhì)有關(guān)，因此用同一種管芯材料可以制成發(fā)出紅、橙、黃、綠等不同顏色的數(shù)碼管。當(dāng)PN結(jié)導(dǎo)通時(shí)，依靠少數(shù)載流子的注人及隨后的復(fù)合而輻射發(fā)光，其伏安特性與普通二極管相似。LED的正向電壓U，則與正向電流以及管芯材料有關(guān)。顯然，打印漢字的速度很低；若要用它打印2424點(diǎn)陣組成的漢字，則一行完整的漢字至少需要3次打印才能完成，打印速度更慢。AT89C51是美國(guó)Atmel公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能的片內(nèi)含有4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的8位CMOS微處理器，俗稱單片機(jī)。 與MCS51產(chǎn)品指令完全兼容 全靜態(tài)工作：0Hz24MHz 2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 管腳說(shuō)明： VCC：供電電壓。