【正文】 ........................................... 29 數(shù)據(jù)采集 .............................................................................................................................. 29 數(shù)字濾波 .............................................................................................................................. 29 軟件抗干擾措施 ................................................................................................................... 32 第五章 系統(tǒng)調試 ................................................................................................. 33 集成開發(fā)環(huán)境 KEIL ............................................................................................................ 33 系統(tǒng)硬件調試 ......................................................................................................................... 34 系統(tǒng)軟件調試 ......................................................................................................................... 35 結論 ........................................................................................................................... 36 參考文獻 ................................................................................................................... 37 致謝 ........................................................................................................................... 38 基于單片機的 恒溫 控制系統(tǒng)的開發(fā) 1 第一章 緒論 概述 溫度是生活及生產中最基本的物理量，它表征的是物體的冷熱程度。 本文詳細闡述了基于單片機的溫度控制系統(tǒng)的硬件組成、軟件設計及相關的接口電路設計 ， 并且充分考慮了系統(tǒng)的可靠性，采取了相應的措施予以保證。 PID 溫度調節(jié)系統(tǒng) 作為一種重要的控制 ，在化工、食品等諸多工業(yè)生產過程中得到了廣泛的應用。 黑龍江大學 學生畢業(yè)論文 論文題目： 基于單片機的恒溫控制系統(tǒng)的開發(fā) 學 院： 機電工程學院 年 級： 2020 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 姓 名： 穆玉偉 學 號： 20202569 指導教師： 趙月容 2020 年 5 月 19 日 I 摘 要 隨著國民經濟的發(fā)展，人們需要對各 種 加熱爐中溫度進 行監(jiān)測和控制。采用單片機對 其進行 控制不僅具有控制方便，簡單和靈活性大等優(yōu)點，而且 能夠提高被控對象的控制品質 ，從而能夠大大 地 提高產品的質量和數(shù)量。 本文主要 介紹了基于單片機的 恒溫控制系統(tǒng)的開發(fā) 。針對控制對象的特點，在系統(tǒng)辨識的基礎上對系統(tǒng)的控制算法進行了仿真研究，并在單片機系統(tǒng)中實現(xiàn)了控制算 法 ， 最后針對溫控系統(tǒng)進行了實驗，通過對實驗數(shù)據(jù)的分析表明本文所述的基于單片機的 恒溫 控制系統(tǒng)的設計的合理性和有效性。自然界中任何物理、化學過程都緊密的與溫度相聯(lián)系。因此 ，溫度的測量與控制在國民經濟各個領域中均受到了相當程度的重視。為了使系統(tǒng)與外界的能量交換盡可能的符合人們的要求，就需要采取其他手段來達到這樣一個絕熱的目的，例如可以讓目標系統(tǒng)外部環(huán)境的溫度與其內部溫度同步變化。 另外，在大部分實際的環(huán)境中，增溫要比降溫方便得多。特別是隔熱效果很好的環(huán)境，溫度一旦出現(xiàn)過沖，將難以很快把溫度降下來。同樣道理，對于只有冷卻沒有加熱環(huán)節(jié)的應用中，實際溫度低于控制的目標溫度，對控制效果的影響也是很大的。下面就簡要的討論一下溫度測控技術的發(fā)展 與現(xiàn)狀。 溫度測控技術包括溫度測量技術和溫度控制技術兩個方面。但由于檢測元件熱慣性的影響，響應時間較長，對熱容量小的物體難以實現(xiàn)精確的測量，并且該方 法不適宜于對腐蝕性介質測溫，不能用于超高溫測量，難于測量運動物體的溫度。但也存在測量誤差較大，儀表指示值一般僅代表物體表觀溫度，測溫裝置結構復雜，價格昂貴等缺點。 溫度控制技術按照控制目標的不同可分為兩類 :動態(tài)溫度跟蹤與恒值溫 度控制。在工業(yè)生產中很多場合需要實現(xiàn)這一控制目標，如在發(fā)酵過程控制，化工生產中的化學反應溫度控制，冶金工廠中燃燒爐中的溫度控制等 ； 恒值溫度控制的目的是使被控對象的溫度恒定 保持 在某一給定數(shù)值上，且要求其波動幅度 (即穩(wěn)態(tài)誤差 )不能超過 允許值。 從工業(yè)控制器的發(fā)展過程來看，溫度控制技術大致可分以下幾種 : 定值開關控溫法 所謂定值開關控溫法，就是通過硬件電路或軟件計算判別當前溫度值與設定目標溫度值之間的關系，進而對系統(tǒng)加熱裝置 (或冷卻裝置 )進行通斷控制。這種開關控溫方法比較簡單，在沒有計算機參與的情況下，用很簡單的模擬電路就能夠實現(xiàn)。由于這種控制方式是當系統(tǒng)溫度上升至設定點時關斷電源，當系統(tǒng)溫度下降至設定點時開通電源，因而無法克服溫度變化過 程的滯后性，致使被控對象溫度波動較大，控制精度低，完全不適用于高精度的溫度控制。 由于 PID調節(jié)器模型中考慮了系統(tǒng)的誤差、誤差變化及誤差積累三個因素，因此，其控制性能大大地優(yōu)越于定值開關控溫。前者稱為 模擬 PID 控制器，后者稱為數(shù)字 PID 控制器。采用這種方法實現(xiàn)的溫度控制器， 其控制品質的好壞主要取決于三個 PID 參數(shù) (比例值、積分值、微分值 )。但是，它的不足也恰恰在于此，當對象特性一旦發(fā)生改變，三個控制參數(shù)也必須相應地跟著改變，否則其控制品質就難以得到保證。并通過將智能控制與 PID 控制相結合，從而實現(xiàn)溫度的智能控制。其中應用較多的有模糊控制、神經網(wǎng)絡控制以及專家系統(tǒng)等。目前已出現(xiàn)一種高精度模糊控制器，可以很好的模擬人的操作經驗來改善控制性能，從理論上講，可以完全消除穩(wěn)態(tài)誤差。 目前國內溫控 技術 的發(fā)展，相對國外而言在性能方面還存在一定的差距，它們之間最大的差別主要還是在控制算法方面，具體表現(xiàn)為國內溫控在全量程范圍內溫度控制精度比較低，自適應性較差。 系統(tǒng)總體設計方案 單片機溫度控制系統(tǒng)是以 MCS5l單片機為控制核心，輔以采樣反饋電路，驅動電路，晶閘管主電路對電爐爐溫進行控制的微機控制系統(tǒng)。 該 系統(tǒng)采用單閉環(huán)形式，其基本控制原理為 :將溫度設定值 (即基于單片機的 恒溫 控制系統(tǒng)的開發(fā) 4 輸入控制量 )和溫度反饋值同時送入控制電路部分，然后經過調節(jié)器運算得到輸出控制量，輸出控制量控制驅動電路得到控制電壓施加到被控對象上，設備因此達到一定的溫度。 (2)系統(tǒng)特點 : 鑒于上述系統(tǒng)功能要求以及智能儀表應具有的體積小、成本低、功能強、抗干擾并盡可能達到更高精度的要求。根據(jù)測溫范圍的要求， 本設計采用鎳鉻 /鎳鋁熱電偶，此電偶用于 0 Co ～ 1000 Co 的溫度測量范圍，相應的輸出電壓為0mV 。 整個系統(tǒng)遵循了冗余原則及以軟代硬的原則，并盡可能選用典型、常用、易于替換的芯片和電路，為系統(tǒng)的開放性、標準化和模塊化打下良好基礎。 基于單片機的 恒溫 控制系統(tǒng)的開發(fā) 5 系統(tǒng)硬件方案分析 單片機是大規(guī)模集成電路技術發(fā)展的產物，屬于第四代電子計算機。由此可見，采用單片機設計控制系統(tǒng)，不僅可以降低開發(fā)成本，精簡系統(tǒng)結構，而且控制算法由軟件實現(xiàn)，還可以提高系統(tǒng)的兼容性和可移植性。一些廠家根據(jù)系統(tǒng)功能的復雜程度，將這種 SOC 芯片應用到先進的控制儀表中。它不僅能滿足復雜的系統(tǒng)性能的需要，而且還使整個系統(tǒng)的電路緊湊，硬件結構簡化。從降低成本，器件供貨渠道充足的角度看，應用單片機實現(xiàn)溫度控制系統(tǒng)是比較經濟實用的。與匯編語言相比， C 語言具有以下的特點 : (1)具有結構化控制語句 結構化控制語言的顯著特點是代碼和數(shù)據(jù)的分隔化，即程序的各個部分除了必要的信息交流外彼此獨立。目前，主流的 CPU 和常見的 MCU 都有 C 編譯器。 由于整個系統(tǒng)軟件比較復雜，為了便于編寫、調試、修改和增刪，系統(tǒng)程序的編制適合采用模塊化的程序結構，故要求整個控制系統(tǒng)軟件由許多獨立的小模塊組成，它們之間通過軟件接口連接，遵循模塊內數(shù)據(jù)關系緊湊，模塊間數(shù)據(jù)關系松散的原則，將各功能模塊組織成模塊化的軟件結構。此外，在設計時，依靠經驗和試驗的方法在系統(tǒng)調試時確定 PID 參數(shù) PK , IK , DK ，然后用代碼實現(xiàn)了算法。它包括中央處理器 CPU、隨機存儲器 RAM、只讀存儲器 ROM、中斷系統(tǒng)、定時器 /計數(shù)器、串行口和 I/O 等等。它具有體積小、重量輕、價格低、可靠性高、耗電少和靈活機動等許多優(yōu)點，單片微型計算機 (簡稱單片機 )是微型計算機的一個重要分支，也是一種非?；钴S和頗具生命力的機種，特別適合用于智能控制系統(tǒng) 。 8051 是 MCS－ 51 系列單片機的一種型號。 MCS51 單片機內部結構 8051 單片機內部結構 如 圖 21所示。 圖 21 8051單片機功能方框圖 基于單片機的 恒溫 控制系統(tǒng)的開發(fā) 8 MCS51 輸入 /輸出端口的結構與功能 MCS51 單片機有 4 個 I/O 端口， 共 32 根 I/O 線， 4 個端口都是準雙向口。為方便起見，我們把 4個端口和其中的鎖存器都統(tǒng)稱 P0P3。在無片外擴展存儲器的系統(tǒng)中，這 4 個口的每一位均可作為雙向的 I/O 口使用。 P1 口：每一位均可獨立作為 I/O 口。 P3 口：雙功能口。另外，每一位均具有第二功能，每一位的兩個功能不能同時使用。 1） 主電源引腳 VCC 和 VSS VSS（ 40 腳）：主電源 +5V，正常操作的對 EPROM 編程及驗證時均接 +5V電源。 2） XTAL1（ 19 腳）和 XTAL2（ 18腳）：接外部晶振的兩個引腳。 RST/VPD（ 9 腳）：單片機復位 /備用電源引腳。VCC 掉電期間，此引腳可接上備用電源，一旦芯片在使用中 VCC 電壓突然下降或短電，能保護片內 RAN 中信息不丟失，使復電后能繼續(xù)正常運行。即使不訪問片外存儲器， ALE 端仍以不變的頻率周期性地出現(xiàn)脈沖信號。因此，它可用作對外輸出的時鐘，或用于定時的目的。 對含有 EPROM 的單片機，片內 EPROM 編程期間，此引腳用于輸入編程脈 沖（ PROG）。 CPU 在從片外程序存儲器取指令（或常數(shù)）期間，每個機器周期兩次有效。該端同樣可驅動 8 個 LSTTL負載。若 PC 值超出 4KB 地址時，將自動轉向片外程序存儲器。 8051 系統(tǒng)擴展設計 通常情況下，采用 MCS51 系列單片機的最小系統(tǒng)只能用于一些很簡單的應用場合，在此情況下直接使用單片機內部存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、定時功能、中斷功能、 I/O 端口等，組成的應用系統(tǒng)的成本較低 [5]。并行擴展法是利用單片機的三種線（ AB、 DB、 CB）進行的系統(tǒng)擴展；串行擴展法是利用 SPI三線總線或 I2C 雙總線的串行系統(tǒng)擴展。 單片機外總線結構 微型計算機大多數(shù) CPU外部都有單獨的地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制 總線，而 MCS51 單片機由于受到芯片管腳的限制，數(shù)據(jù)線和地址線（低 8位）是復用的，而且是 I/O 口兼用。 基于單片機的 恒溫 控制系統(tǒng)的開發(fā) 10 圖 22 三總線 芯片的擴展設計 1）程序存儲器擴展設計 [7] (A) 程序存儲器簡介 常見的 EPROM 有： 2716（容量 2K 8 位）、 2732（容量 4K 8位）、 2764（容量 8K 8位）、 27128（容量 16K