最新畢業(yè)設(shè)計單片機閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)(編輯修改稿)
2025-07-23 15:02 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 前言在現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)反科學(xué)實驗中常常需要對溫度進行控制和調(diào)節(jié)。在控制精度要求不高的情況下，人們往往采用開環(huán)控制，這種控制方式結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)。但是在控制精度要求較高時，單純地采用開環(huán)控制往往達不到滿意的控制效果，所以此時必須采用閉環(huán)控制方式，常規(guī)采用模擬量的ND調(diào)節(jié)方式。盡管這種方法已經(jīng)被人們廣泛采用，但是由于控制對象的復(fù)雜及多樣性，在有些情況下未能獲得滿意的控制精度。微型計算機，特別是單片微助計算機的應(yīng)用，使各種工業(yè)控制都發(fā)生了巨大的變化，由于單片機成本低、功能強、抗干擾性能好，從而使計算機控制應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)及各種領(lǐng)域成為可能，單片機在溫度控制中的應(yīng)用更具有其他控制手段無法比擬的優(yōu)越性。 溫度控制是工業(yè)生產(chǎn)過程中經(jīng)常遇到的過程控制，有些工藝過程對其溫度的控制效果直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量，因而設(shè)計一種較為理想的溫度控制系統(tǒng)是非常有價值的。根據(jù)溫度變化慢，并且控制精度不易掌握的特點，本文設(shè)計了以89C51單片機為檢測控制中心的水溫自動控制系統(tǒng)。溫度控制采用改進的PID數(shù)字控制算法，顯示采用3位LED靜態(tài)顯示。該設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，控制算法新穎，控制精度高，有較強的通用性。所設(shè)計的控制系統(tǒng)有以下功能：(1)溫度控制設(shè)定范圍為40~90C，標定溫差，靜態(tài)誤差；（2）實現(xiàn)控制可以升溫也可以降溫；（3）實時顯示當(dāng)前溫度值；（4）按鍵控制：設(shè)置復(fù)位鍵、功能轉(zhuǎn)換鍵、加一鍵、減一鍵；（4）越限報警。第一章 硬件電路設(shè)計在溫度控制中，經(jīng)常采用是硬件電路主要有兩大部分組成：模擬部分和數(shù)字部分，對這兩部分調(diào)節(jié)儀表進行調(diào)節(jié)，但都存在著許多缺點，用單片機進行溫度控制使構(gòu)成的系統(tǒng)靈活，可靠性高，并可用軟件對傳感器信號進行抗干攏濾波和非線性補償處理，可大大提高控制質(zhì)量和自動化水平；總的來說本系統(tǒng)由四大模塊組成，它們是輸入模塊、單片機系統(tǒng)模塊、計算機顯示與控制模塊和輸出控制模塊。輸入模塊主要完成對溫度信號的采集和轉(zhuǎn)換工作，由溫度傳感器及其與單片機的接口部分組成。輸出模塊由可控硅和可控硅驅(qū)動器組成。MOC304X芯片是一種集成的帶有光耦合的雙向可控硅驅(qū)動電路。它內(nèi)部集成了發(fā)光二極管、雙向可控和過零觸發(fā)電路等器件。它們的邏輯關(guān)系圖如圖所示。 水溫控制硬件原理圖輸入模塊輸出模塊 單 片 機 系 統(tǒng)計 算 機 系 統(tǒng) 組 成 圖從功能模塊上來分有：主機電路（本系統(tǒng)以89C51單片機為檢測控制中心）、數(shù)據(jù)采集電路、鍵盤顯示電路、溫度檢測電路、光電隔離電路、A/D轉(zhuǎn)換接口電路、控制執(zhí)行電路以及掉電保護電路。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。 MCS51型單片單板機 圖1 溫度控制系統(tǒng)原理硬件結(jié)構(gòu)框圖 本系統(tǒng)的任務(wù)是對水的溫度進行實時檢測和控制，單片機定時對溫度進行檢測，通過溫度傳感器把溫度值轉(zhuǎn)換成微弱的電壓信號，該電壓經(jīng)放大器放大后通過A/D轉(zhuǎn)換得到相應(yīng)的數(shù)字量，再經(jīng)數(shù)字濾波和查表程序得到當(dāng)前的采樣溫度TX通過串行通訊送給計算機。將采樣溫度與設(shè)定溫度進行比較，如果TX≠T，則按照設(shè)計好的PID算法對偏差（采樣溫度—設(shè)定溫度）進行運算、處理，得到一個調(diào)節(jié)量。這里的調(diào)節(jié)量實際上對應(yīng)著加熱源打開或斷開的時間。如果采樣溫度小于設(shè)定溫度， 89C51內(nèi)部導(dǎo)通，雙向可控硅控制端G端出現(xiàn)同步觸發(fā)脈沖，控制可控硅導(dǎo)通，接通加熱器使溫度升高；溫度升高到設(shè)定值時，89C51內(nèi)部截止，雙向可控硅斷開，關(guān)閉加熱器，如果采樣溫度TX大于設(shè)定溫度T，接通冷卻器或風(fēng)扇使溫度降低，直到兩者的溫度相同后，關(guān)閉冷卻器或風(fēng)扇，從而使系統(tǒng)的溫度保持在所要求的溫度值上 ，達到溫度控制的目的。 溫度控制范圍：0℃～100℃,控制精度≤℃.1．1 主機電路的設(shè)計主機選用INTEL公司的MCS—51系列單片機89C51來實現(xiàn)，利用單片機軟件編程靈活自由度大的特點，力求用軟件完善各種控制算法和邏輯控制。本系統(tǒng)選用的89C51芯片時鐘可達12MHz，運算速度快，控制功能完善。其內(nèi)部具有128字節(jié)RAM，而且內(nèi)部含有4KB的EPROM不需要外擴展存儲器，可使系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)更為簡單、實用。1．2 I/O通道的硬件電路的設(shè)計 就本系統(tǒng)來說，需要實時采集水溫數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送入單片機中的特定單元，然后一部分送去顯示；另一部分與設(shè)定值進行比較，通過PID算法得到控制量并經(jīng)由單片機輸出去控制電爐加熱或風(fēng)扇降溫。1．2．1 數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計 數(shù)據(jù)采集電路主要由AD590，MCl403，0P07，74LS373組成?？紤]到溫度信號為低電平緩變信號，對A／D轉(zhuǎn)換速度要求不高，為此，選用實效價廉的ADC0809，而且，還可以根據(jù)需要擴展測量8路溫度信號。為了達到測量高精度的要求，選用溫度傳感器AD590，AD590具有較高精度和重復(fù)性(重復(fù)性優(yōu)于0．1℃，其良好的非線形可以保證優(yōu)于0．1℃的測量精度，利用其重復(fù)性較好的特點，通過非線形補償，可以達到0．1℃測量精度。)超低溫漂移高精度運算放大器0P07將溫度—電壓信號進行放大，便于A／D進行轉(zhuǎn)換，輸入計算機作進一步的處理，以提高溫度采集電路的可靠性。模擬電路硬件部分見圖2。 1．2．2 電控制執(zhí)行電路的設(shè)計該部分電路是利用89C51單片機對溫度器作實時控制，由輸出來控制電爐或風(fēng)扇，電爐可以近似建立為具有滯后性質(zhì)的一階慣性環(huán)節(jié)數(shù)學(xué)模型。其傳遞函數(shù)形式為 風(fēng)扇可以認為是線形環(huán)節(jié)實現(xiàn)對水溫的控制。采用PID控制算法，利用微分作超前補償以解決溫度的惰性問題。由于被控對象功率不大，所以采用了弱微分方式。為了實現(xiàn)強電和弱電的隔離，要選擇光電隔離器，但考慮到輸出信號要對可控硅進行觸發(fā)，以便使電爐或風(fēng)扇電路導(dǎo)通，所以選用既有隔離又有觸發(fā)功能的MOC304l。光耦可控硅的特點是輸入和輸出完全隔離，相互無干擾，不考慮同步問題，不設(shè)同步變壓器，故而用其組成的電路所用元件較少，電路簡單明了，安裝維修方便，成本低，觸發(fā)電路板的體積可大幅度縮小，因而可用
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