水溫自動控制系統(tǒng)設計資料

1、河北大學工商學院 2012屆本科生畢業(yè)論文（設計）水溫自動控制系統(tǒng)設計摘 要水溫自動控制系統(tǒng)在工業(yè)及日常生活中應用廣泛，在生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用。實現(xiàn) 水溫控制的方法很多，如單片機控制、PLC控制等等。而其中用單片機控制實現(xiàn)的水溫控制系統(tǒng)，具有可靠性高、價格低、簡單易實現(xiàn)等多種優(yōu)點。單片機用于工業(yè)控制是近 年來發(fā)展非常迅速的領域，現(xiàn)在許多自動化的生產(chǎn)車間里，都是靠單片機來實現(xiàn)的。溫度是工業(yè)控制對象主要被控參數(shù)之一，在溫度控制中，由于受到溫度被控對象特 性（如慣性大、滯后大、非線性等）的影響，使得控制性能很難提高，有些工藝過程其 溫度控制的好壞直接影響著產(chǎn)品的質量，因此設計一種較為理想的溫度控制系

2、統(tǒng)是非常 有價值的。為了實現(xiàn)高精度的水溫測量和控制，本文介紹了一種以Atmel公司的低功耗高性能CMOS位單片機為核心，以PID算法控制以及PID參數(shù)整定相結合的方法來實現(xiàn)的水溫 控制系統(tǒng)，其硬件電路包括溫度采集、溫度控制、溫度顯示、鍵盤輸入以及RS232接 口等電路。該系統(tǒng)可實現(xiàn)對溫度的測量，并能根據(jù)設定值對溫度進行調節(jié)，實現(xiàn)控溫的目 的。關鍵詞：AT89S52溫度控制；PT1000； PIDDesig n of Temperature Automatic Con trol SystemABSTRACTThe temperature is one of the mai nly charged

3、 parameters which are in dustrial con trol targets. It is difficult to enhance the control performanee due to the characteristics of the temperature charged object. Such as inertia, hysteresis and non-linear, etc Itstemperature con trol process will have a direct impact on the quality of the product

4、 in some tech no logical process. Therefore it is absolute valuable to desig n a ideal temperature con trol system.In order to realize the high accuracy survey and con trol of water temperature. Systematic core is AT89S52, which is a low-power loss, high-performa nee 8-bit MCU of Atmel Compa ny. The

5、 system unifies PID control algorithm and PID parameter tuning to control the water temperature. Its hardware circuit also in cludes temperature gatheri ng, temperature con trol and temperature display, keyboard in put and RS232 in terfaces. The system can realize to survey the water temperature, an

6、d it can adjust the temperature accord ing to the setti ng value.Keywords： AT89S52; temperature control; PT1000; PID目 錄1 引言 11.1 課題背景 11.2 國內外研究現(xiàn)狀 11.3 研究方法 12 系統(tǒng)方案 22.1 水溫控制系統(tǒng)設計任務和要求 22.2 水溫控制系統(tǒng) 22.2.1 方案選擇 22.2.2溫度控制系統(tǒng)算法分析 43 系統(tǒng)硬件設計 93.1總體設計框圖及說明 93.2外部電路設計 93.2.1 溫度采集電路 93.2.2溫度控制電路 113.3單片機系統(tǒng)電路設

7、計 113.3.1 A/D 轉換電路 113.3.2 串口通訊部分電路 143.3.3 數(shù)碼顯示電路 164 系統(tǒng)軟件設計 174.1 程序框架結構 174.2 程序流程圖及部分程序 174.2.1 主程序模塊 174.2.2 系統(tǒng)初始化 19423 按鍵程序 194.2.4 A/D 采樣數(shù)據(jù)處理 214.2.5 PID 計算 244.2.6 繼電器控制 255 系統(tǒng)安裝調試與測試 275.1 串口調試 275.2 繼電器測試 275.3 溫度采集與測試 276 結論 28參考文獻 29致 謝 30河北大學工商學院 2012屆本科生畢業(yè)論文（設計）1 引言1.1 課題背景溫度控制是無論是從工業(yè)

8、生產(chǎn)過程中，還是在日常生活中都起著至關重要的作用， 過低的溫度或者過高的溫度都會使水資源失去應用的作用，從而造成水資源的巨大浪費。特別是在當前全球水資源極度匱乏的情況下，我們就更應該掌握好對水溫的控制，在環(huán) 境惡劣或溫度較高等場合下，為了保證生產(chǎn)過程正常安全地進行，提高產(chǎn)品的質量和數(shù) 量，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示、顯示、控制，使 之達到工藝標準，以單片機為核心設計的水溫控制系統(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。1.2 國內外研究現(xiàn)狀目前，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 度控制系統(tǒng)在國內各行各

9、業(yè)的應用雖然已經(jīng)十分廣泛，但從國內生產(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水平處于 20世紀80年代中后期水平。成熟產(chǎn)品主 要以“點位”控制及常規(guī)的PID控制器為主，它只能適應一般溫度系統(tǒng)控制，難于控制 滯后復雜時變溫度系統(tǒng)控制，而且適應于較高控制場合的智能化、自適應控制儀表國內 技術還不十分成熟，形成商品化并廣泛應用的控制儀表較少?，F(xiàn)在，我國在溫度等控制 儀表業(yè)與國外還有著一定的差距。隨著嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術的快速發(fā)展及其在各個領域的廣泛應用，人們對電子產(chǎn)品 的小型化和智能化要求越來越高，作為高新技術之

10、一的單片機以其體積小、價格低、可 靠性高、適用范圍大以及本身的指令系統(tǒng)等諸多優(yōu)勢，在各個領域、各個行業(yè)都得到了 廣泛應用。1.3 研究方法本文主要介紹單片機溫度控制系統(tǒng)的設計過程，其中涉及系統(tǒng)結構設計、元器件的 選取和控制算法的選擇、程序的調試和系統(tǒng)參數(shù)的整定。以AT89S52為CPU溫度信號由Pt1000和電壓放大電路提供。電壓放大電路用超低溫漂移高精度運算放大器OP07將將溫度-電壓信號進行放大，用單片機控制SSR固態(tài)繼電器的通斷時間以控制水溫，系統(tǒng)控 制對象為1升凈水，容器為搪瓷器皿。水溫可以在環(huán)境溫度降低時實現(xiàn)自動控制，以保 持設定的溫度基本不變，具有較好的快速性與較小的超調。2 系統(tǒng)

11、方案2.1 水溫控制系統(tǒng)設計任務和要求該系統(tǒng)設計任務：設計一個水溫自動控制系統(tǒng)，控制對象為1升凈水，容器為搪瓷器皿。水溫可以在一定范圍內由人工設定，并能在環(huán)境溫度降低時實現(xiàn)自動調整，以保持設定的溫度基本 不變。系統(tǒng)設計具體要求為：溫度設定范圍為4090C；環(huán)境溫度降低時溫度控制的靜態(tài)誤差w 1C；采用適當?shù)目刂品椒?，當設定溫度突變 （由40C提高到60C）時，減小系統(tǒng)的調節(jié) 時間和超調量；用十進制數(shù)碼管顯示水的實際溫度。2.2 水溫控制系統(tǒng)水溫控制系統(tǒng)是一個過程控制系統(tǒng)，組成框圖如圖2-1所示，由控制器、執(zhí)行器、被控對象及反饋作用的測量變送組成。圖2-1控制系統(tǒng)框圖除了以上的組成元件以外，還需

12、要選擇合適的算法以實現(xiàn)所要求的控制精度，以下 我會對關鍵的元件以及電路的確定進行詳細的分析。因為方案選取的好壞將直接影響著 整個系統(tǒng)實現(xiàn)效果的優(yōu)劣。2.2.1 方案選擇方案一：采用8031作為控制器，使用最為普遍的器件ADC0804乍模數(shù)轉換，控制上 使用對電阻絲加電使其升溫和開動風扇使其降溫。此方案簡易可行，器件的價格便宜， 但8031內部沒有程序存儲器，需要擴展，增加了電路的復雜性。方案二：此方案采用89S52單片機實現(xiàn)，此單片機軟件編程自由度大，可用編程實現(xiàn)各種控制算法和邏輯控制?？刂齐娐凡糠植捎肧SR固態(tài)繼電器控制電爐絲的通斷此方案電路簡單并且可以滿足題目中的各項要求的精度。將兩個方案

13、相比較后可得出一個結論，采用Atmel單片機來實現(xiàn)本題目，無論是從結構上，還是從工作量上都有很大的優(yōu)勢，所以我最后選擇使用AT89S52乍為該控制系統(tǒng)的核心。根據(jù)水的溫度變化慢，并且控制精度不易掌握的特點，我們設計了以AT89S52 單片機為檢測控制中心的水箱溫度自動控制系統(tǒng)，總體框圖如圖2-2所示。PT1000圖2-2控制器設計總體框圖溫度控制采用改進的PID數(shù)字控制算法，數(shù)碼顯示采用 3位LED靜態(tài)顯示。該設計 結構簡單，控制算法新穎，控制精度高，有較強的通用性。圖2-3為整個水溫控制系統(tǒng)的原理圖，分別由測溫電路，繼電器控制電路，串口通 訊電路，LED顯示電路等部分組成。圖2-3水溫控制電

14、路原理圖2.2.2溫度控制系統(tǒng)算法分析系統(tǒng)算法控制采用工業(yè)上常用的位置型 PID數(shù)字控制，并且結合特定的系統(tǒng)加以算 法的改進，形成了變速積分 PID積分分離PID控制相結合的自動識別的控制算法。該 方法不僅大大減小了超調量，且有效地克服了積分飽和的影響，使控制精度大為提高。 長期以來國內外科技工作者對溫度控制器進行了廣泛深入的研究，研究了大批溫度控制 器，如性能成熟應用廣泛的PID調節(jié)器、智能控制PID調節(jié)器、自適應控制等。此處主 要對一些控制器特性進行分析以便選擇適合的控制方法應用于改造。常用的控制算法有以下幾種：1. 經(jīng)典的比例積分微分控制算法；2. 根據(jù)動態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)化理論得到的自適應控制

15、和最優(yōu)控制方法；3. 根據(jù)模糊集合理論得到模糊控制算法。自適應控制、最優(yōu)控制方法以及模糊控制算法是建立在精確的數(shù)學模型基礎上的， 在實時過程控制中，由于控制對象的精確數(shù)學模型難于建立，系統(tǒng)參數(shù)經(jīng)常發(fā)生變化， 運用控制理論進行綜合分析要花很大代價。同時由于所得到的數(shù)學模型過于復雜難于實 現(xiàn)。在實時控制系統(tǒng)中要求信號的控制信號的給出要及時，所以在目前的過程控制系統(tǒng) 中較少采用自適應控制、最優(yōu)控制方法和模糊控制算法。目前在過程控制中應用較多的還是PI控制算法、PD控制算法和PID控制算法。水溫控制系統(tǒng)的控制對象具有熱儲存能力大，慣性較大的特點，水在容器內的流動 或熱量傳遞都存在一定的阻力，因此可以歸

16、于具有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)。對于大慣性系統(tǒng)的過渡過程控制，一般可采用以下幾種控制方案：1. 開關量控制這種方法通過比較給定值與被控參數(shù)的偏差來控制輸出的狀態(tài)，開通或關斷，因此 控制過程十分簡單，也容易實現(xiàn)；但由于輸出控制量只有兩種狀態(tài)，使被控參數(shù)在兩個 方向上變化的速率均為最大，因此容易引起反饋回路振蕩，控制精度不高；這種控制方 案一般在大慣性系統(tǒng)對控制精度和動態(tài)特性要求不高的情況下采用。如圖2-4所示2. 比例控制（P控制）比例控制的輸出與偏差成比例關系，當負荷變化時，抗干擾能力強，過渡過程時間 短，但過程終了存在余差；適用于控制通道滯后較小、負荷變化不大、允許被控量在一 定范圍內變化的系統(tǒng)

17、。如圖2-3所示。3. 比例積分控制（PI控制）控制器的輸出與偏差的積分成比例，積分的作用使過渡過程結束時無余差，但降低 了系統(tǒng)的穩(wěn)定性；PI控制適用于滯后較小，負荷變化不大，被控量不允許有余差的控制 系統(tǒng)。如圖2-4所示。4. 比例積分加微分控制（PID控制）微分的作用使控制器的輸出與偏差變化的速度成比例，它對克服對象的容量滯后有 顯著的效果；在比例基礎上加入微分作用，使穩(wěn)定性提高，再加上積分作用，可以消除 余差；PID控制適用于負荷變化大、容量滯后較大、控制品質要求又很高的控制系統(tǒng)。 如圖2-5所示。5河北大學工商學院 2012屆本科生畢業(yè)論文(設計)圖2-5 PID 控制結合本設計任務與

18、要求，由于水溫系統(tǒng)的傳遞函數(shù)事先難以精確獲得，因而很難判 斷哪一種控制方法能夠滿足系統(tǒng)對控制品質的要求；但從以上對控制方法的分析來看， PID控制方法最適合本例采用：一方面，由于可以采用單片機實現(xiàn)控制過程，無論哪一 種控制方法都不會增加系統(tǒng)硬件成本，而只需對軟件作相應改變即可實現(xiàn)不同的控制方 案；另一方面，采用PID的控制方式可以最大限度地滿足系統(tǒng)對諸如控制精度、調節(jié)時 間和超調量等控制品質的要求。由圖2-6可知PID調節(jié)器是一種線性調節(jié)器，這種調節(jié)器是將設定值w與實際輸出值y進行比較構成偏差e 二 w _ y(2-1)并將其比例、積分、微分通過線性組合構成控制量。其動態(tài)方程為：u(t)二 K

19、 pe(t)Ki e(t)dtKdde(t)dt(2-2)其中K p-為調節(jié)器的比例放大系數(shù)K i -為積分時間常數(shù)Kd-為微分時間常數(shù)PID調節(jié)器的離散化表達式為；Kdu(k) =Kp&k) KiTe(k)扌e(k)-e(k-1)(2-3)其增量表達形式為:：u(k) = u(k) _ u(k -1)二 Kpe(k) -e(k -1) KiTe(k) Kd /Te(k) -2e(k -1) e(k -2)其中T為采樣周期。(2-4)心、微分溫度PID調節(jié)器有三個可設定參數(shù)，即比例放大系數(shù)Kp、積分時間常數(shù)時間常數(shù)Kd比例調節(jié)的作用是使調節(jié)過程趨于穩(wěn)定，但會產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差；積分作用可消除被調量的

20、穩(wěn)態(tài)誤差，但可能會使系統(tǒng)振蕩甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定; 微分作用能有效的減小動態(tài)偏差。圖2-7中，初始水溫為26C。實現(xiàn)思想：Ui(k)為第k次采樣溫度值，Ur為設定值。e(k) &使用PD算法； e(k) v &使用變速積分PID算法。65*I圖2-7溫度控制曲線圖7河北大學工商學院 2012屆本科生畢業(yè)論文（設計）該控制系統(tǒng)是把輸出量檢測出來，經(jīng)過物理量的轉換，再反饋到輸入端去與給定量 進行比較（綜合），并利用控制器形成的控制信號通過執(zhí)行機構 SSR寸控制對象進行控制, 抑制內部或外部擾動對輸出量的影響，減小輸出量的誤差，達到控制目的。自動控制框 圖如圖2-8所示，在此控制系統(tǒng)中單片機就相當于常規(guī)

21、控制系統(tǒng)中的運算器控制器，它 對過程變量的實測值和設定位之間的誤差信號進行運算然后給出控制信息。單片機的運 算規(guī)則稱為控制法則或控制算法。敝大信圖2-8自動控制框圖133 系統(tǒng)硬件設計3.1總體設計框圖及說明本系統(tǒng)是一個簡單的單回路控制系統(tǒng)。為了實現(xiàn)溫度的自動測量和控制，根據(jù)系統(tǒng)總體方案，系統(tǒng)由單片機基本系統(tǒng)、前向通道、后向通道和人機對話通道等4個主要功能模塊組成。單片機是整個控制系統(tǒng)的核心，AT89S52可以提供系統(tǒng)控制所需的I/O 口、中斷、 定時及存放中間結果的RAMfe路；前向通道是信息采集的通道，主要由傳感器、信號放 大、A/D轉換等電路組成；由于水溫變化是一個相對緩慢的過程，因此前

22、向通道中沒有 使用采樣保持電路；信號的濾波可由軟件實現(xiàn)，并可以簡化硬件、降低硬件成本。鍵盤設定：用于溫度設定，共三個按鍵。數(shù)據(jù)采樣：將由傳感器及相關電路采集到的溫度轉為電壓信號，經(jīng)A/D轉換后，送入AT89S52相應接口中，換算成溫度值，用于控制和顯示。數(shù)據(jù)顯示：采用了共陰極數(shù)碼管 LED進行顯示設置溫度與測量溫度。串行口傳輸：將采樣溫度值，上傳至 PC機，可利用PC機的端口下載程序。輸入信號繼電器/熱電管：通過三極管控制繼電器的開關來完成對熱電爐的功率控制。徑制信號ATSPS52單片機通訊模塊圖3-1系統(tǒng)框圖3.2外部電路設計3.2.1溫度采集電路本系統(tǒng)運放采用高精度單片運算放大器 OP07

23、此運放具有很低的輸入失調電壓和漂 移。OP07的優(yōu)良特性使它特別適合作前級放大器，放大微弱信號。使用OP07 般不用考慮調零和頻率問題就可以滿足要求。主要特點：低輸入失調電壓：75uV（最大）低失調電壓溫漂：1.3uV/ C （最大）低失調電壓時漂：1.5uV/月（最大）低噪聲：0.6uV P-P（最大）寬輸入電壓范圍：土 14V寬電源電壓范圍：3V18V溫度采集采用的溫度傳感器鉑電阻 PtIOOO,對于溫度的精密測量而言，溫度測量部 分是整個系統(tǒng)設計的第一步。溫度傳感器的選擇是這塊電路的關鍵，它是直接影響整個 系統(tǒng)的性能與效果的關鍵因素。這里采用的是精密級鉑電阻溫度傳感器PtIOOO，它的金

24、屬鉑含量達99. 9999%，因為鉑電阻的物理和化學性能在高溫和氧化介質中都很穩(wěn)定、 價格又便宜，常作為工業(yè)測量元件，以鉑電阻溫度計作基準器線性好，溫度系數(shù)分散性 小，在O1OO攝氏度時，最大非線性偏差小于O.5攝氏度，性能穩(wěn)定，廣泛應用于精密 溫度測量和標定。鉑熱電阻與溫度關系式：R = R)(1 At Bt2)(3-1)其中:R -溫度為t攝氏度時的電阻；Ro-溫度為O攝氏度時的電阻;A B-溫度系數(shù) A=3.94*102/ C；其中 B=-5.84 *10CJ) / C；T-任意溫度。圖3-2測溫電路3.2.2溫度控制電路此部分時通過控制繼電器的通斷從而控制電加熱管 （俗稱“熱得快”），

25、采用對加在 電熱管兩端的電壓進行通斷的方式進行控制，以實現(xiàn)對水加熱功率的調整，從而達到對 水溫控制的目的，即在閉環(huán)控制系統(tǒng)中對被控對象進行控制。此部分的繼電器采用的是 SSR繼電器，即固態(tài)繼電器。其工作原理為：固態(tài)繼電器 是一種無觸點電子開關，主要由輸入（控制）電路，驅動電路和輸出（負載）電路三部 分組成。固態(tài)繼電器的輸入電路是為輸入控制信號提供一個回路，使之成為固態(tài)繼電器 的觸發(fā)信號源。固態(tài)繼電器的輸入電路多數(shù)為直流輸入，個別的為交流輸入。固態(tài)繼電 器的輸出電路是在觸發(fā)信號的控制下，實現(xiàn)對固態(tài)繼電器的通斷切換。輸出電路主要由 輸出器件（芯片）和起瞬態(tài)抑制作用的吸收回路組成，固態(tài)繼電器是一種全

26、電子電路組 合元件，它依靠半導體器件和電子元件的電、磁和光特性來完成隔離和繼電切換功能。 固態(tài)繼電器與傳統(tǒng)的電磁繼電器相比，是一種沒有機械、不含運動零部件的繼電器，但 具有與電磁繼電器本質上相同的功能。曲咖50 1SSR圖3-3加熱棒控制電路3.3單片機系統(tǒng)電路設計3.3.1 A/D 轉換電路ADC0804引腳及使用說明:ADC0804是 CMO集成工藝制成的逐次比較型A/D轉換器芯片。ADC0804分辨率為8 位，轉換時間為100卩s，輸出電壓范圍為05V,在增加某些外部電路后，輸入模擬電 壓可為土 5V。該芯片內有輸出數(shù)據(jù)鎖存器，當與計算機連接時，轉換電路的輸出可以直 接連接到CPU勺數(shù)據(jù)

27、總線上，而不再需要附加邏輯接口電路。河北大學工商學院 2012屆本科生畢業(yè)論文（設計）CSta2|VCCRD hPCLKRWRp-|D7CLKIN 刁-H7JD6INTR | 5H61D5VIN+ 6ADC0804TF|D4VIN- p714|D3AGND |8HT|D2VR EF/2 912 |D1DGND 眄1T|D0圖3-4 ADC0804 引腳圖100 aS |WRRD數(shù)據(jù)高阻輸出圖3-5 ADC0804控制信號的時序圖ADC0804引腳名稱及意義如下：VIN+、VIN: ADC0804的兩模擬信號輸入端，用以接收單極性、雙極性和差模輸入 信號。D7D0 A/D轉換器數(shù)據(jù)輸出端，該輸出

28、端具有三態(tài)特性，能與微機總線相連接。AGND模擬信號地。DGND數(shù)字信號地。CLKIN:外電路提供時鐘脈沖輸入端。CLKR內部時鐘發(fā)生器外接電阻端，與CLKIN端配合，可由芯片自身產(chǎn)生時鐘脈沖， 其頻率為1/1.1RC oCS:片選信號輸入端，低電平有效，一旦 CS有效，就表明A/D轉換器被選中，可啟 動工作。WR寫信號輸入，接受微機系統(tǒng)或其他數(shù)字系統(tǒng)控制芯片的啟動輸入端，低電平有 效，當CS WF同時為低電平時，啟動轉換。RD讀信號輸入，低電平有效，當 CS RD同為低電平時，可讀取轉換輸出數(shù)據(jù)。INTR :轉換結束輸出信號，低電平有效。輸出低電平表示本次轉換已經(jīng)完成。該信 號經(jīng)常作為向微機

29、系統(tǒng)發(fā)出的中斷請求信號。在使用時我們應注意以下幾點：(1) 轉換時序ADC0804空制信號的時序圖如圖3-5所示，由圖所示，各控制信號時序關系為：當 CS與 WR同為低電平時，A/D轉換器啟動，且在WRt升沿后100 a S模數(shù)轉換完成，轉換 結果存入數(shù)據(jù)鎖存器，同時INTR自動變?yōu)榈碗娖?，表示本次轉換結束。如果CS RD同時為低電平，則數(shù)據(jù)鎖存器三態(tài)門打開，數(shù)據(jù)信號送出，而RD高電平到來后三態(tài)門處于 高阻狀態(tài)。（2）參考電壓的調節(jié)在使用A/D轉換器時，為保證轉換精度，要求輸入電壓滿量程使用。如輸入電壓動 態(tài)范圍較小，則可調節(jié)參考電壓 VREF以確保小信號輸入時ADC0804芯片8位的轉換精

30、度。（3）接地模數(shù)、數(shù)模轉換電路中要特別注意到地線的正確連接，否則將會產(chǎn)生干擾，以致影響轉換結果準確性。A/D、D/A及取樣-保持芯片上都提供了獨立的模擬地（AGND和數(shù)字地（DGN）在線路設計中，一定要將所有器件的模擬地和數(shù)字地分別進行相連，然后將模擬地與數(shù)字地僅在一點上相連接。地線的正確連接方法如圖3-6所示。模擬電路電源模擬電路AD轉換器數(shù)宇電路數(shù)字電路電源圖3-6正確的地線連接系統(tǒng)由微處理器、存儲器和 A/D轉換器組成，它們之間通過數(shù)據(jù)總線（DBUS和控 制總線（CBU$連接，系統(tǒng)信號采用總線傳送方式。采集數(shù)據(jù)時，首先微處理器執(zhí)行一條傳送指令，在指令執(zhí)行過程中，微處理器在控 制總線的同

31、時產(chǎn)生CS1 WR1低電平信號，A/D轉換器啟動開始工作，ADC0804經(jīng)100卩S 后將輸入模擬信號轉換為數(shù)字信號并存于輸出鎖存器，在INTR端產(chǎn)生低電平表示轉換結束，并通知微處理器可來取數(shù)。當微處理器通過總線查詢到INTR為低電平時，立即執(zhí)行 輸入指令，以產(chǎn)生CS RD2f低電平信號到ADC0804相應引腳，將數(shù)據(jù)取出并存入存儲器 中。整個數(shù)據(jù)采集過程中，微處理器有序地將執(zhí)行若干指令完成。AD0804的連接圖如圖3-7所示F 1-M=vccTKJKT1vcc DR. DHIDB5PB6t)H71Pl t1i 1J*l 1*KiTriV12in*84110I IPl1 ik圖3-7 AD08

32、04 連接圖3.3.2串口通訊部分電路系統(tǒng)設計要求控制系統(tǒng)能同 PC聯(lián)機通信，以利用PC圖形處理能力打印顯示溫度曲線以及下載程序。由于 AT89S52串行口電平和PC不一致，AT89S52的I/O為TTL電平，PC串行口為RS232電平利用單片機片內串行口外加邏輯電平轉換電路組成RS-232C標準接口以實現(xiàn)系統(tǒng)相互通道的擴展，邏輯電平轉換電路采用了一片專用芯片MAX232外加少量電容即可完成TTL到RS-232或RS-232到TTL的邏輯電平轉換。表3-1RS-232C 引腳型號定義名稱信號方功能25芯腳9芯腳FRD保護地1TXD輸出發(fā)送數(shù)據(jù)23RXD輸入接收數(shù)據(jù)32RTS輸出請求對方發(fā)送數(shù)據(jù)

33、47CTS輸入可向對方發(fā)送數(shù)據(jù)58DSR輸入對方已經(jīng)準備好接收數(shù)據(jù)66GND信號地75DCD輸入對方已收到載波81DTR輸出通知對方，本方可以接受數(shù)據(jù)204RJ輸出對方送來的振鈴指示信號229RIIN串口通訊電路圖3-8CI +VCCr f i、V ir. MCL-TioinLR1INji rTUXraoifTTiiN H；ixR2t)r rtil1?11I K HU11RJINURXPE iTK1)10叩1 H 1UART模塊提供了一個全雙工標準通信口，用于完成AT89S52與外設之間的串行通信 根據(jù)RS-232的標準，AT89S52單片機是按照字節(jié)傳輸數(shù)據(jù)的。VCC1RAJ11RAJ24R

34、AJ310k10k10kT P25P加BP27圖3-9單片機連接電路單片機上的P25 口接S1，P26 口接S2，P27 口接S3。S1:設置溫度的十位數(shù)：0 9S2:設置溫度的個位數(shù)：0 9S3:工作模式選擇鍵，兩種工作模式為：正常工作狀態(tài)、溫度重新設置。系統(tǒng)上電后，數(shù)碼管全部顯示為零， 根據(jù)按S1次數(shù)，十位的數(shù)碼管順序增加。同樣S2,也如此。按S3后，系統(tǒng)開始測溫，并與采集的溫度進行比較，通過軟件來控制電爐 的開關。3.3.3 數(shù)碼顯示電路數(shù)碼管作為單片機系統(tǒng)中最常用的輸出器件，在顯示時可以由數(shù)字和少量字母組合 完成輸出功能的系統(tǒng)中應用十分方便。圖3-10為一個四位共陰數(shù)碼管，DIG0DI

35、G1、DIG2、 DIG3分別與單片機的P21、P22、P23 P24相連，每一個都擁有一個共陰級的位選端。 從而可以通過單片機選通所需顯示的數(shù)碼管。SegA-SegDp 口傳輸要顯示的數(shù)據(jù)，利用 其串/并轉換功能，送入數(shù)碼管顯示。在此外接了一個10K的電阻來保護LED圖3-10數(shù)碼管顯示電路214 系統(tǒng)軟件設計4.1 程序框架結構整體的系統(tǒng)軟件設計是由各個在系統(tǒng)里起著不同作用的模塊整合在一起，從而實現(xiàn) 系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能。本系統(tǒng)硬件接口如下：P1-AD;P00 P07-LEDa LEDdp.;P25 P27-S1 S3;P20 P23-COM COM；系統(tǒng)包括主控制程序，A/D采樣數(shù)據(jù)處理程

36、序，PID算法程序，LED顯示及按鍵處理 程序。結構框架圖如圖4-1所示。圖4-1程序結構圖主程序模塊負責對子程序模塊的調用進行管理，它主要負責初始化IO 口；等待鍵盤的被按下，并調用相應的模塊進行處理；在適當?shù)臅r候接受A/D采樣的數(shù)據(jù)，并與所設定的值進行比較，然后通過調用 PID算法處理數(shù)據(jù)，處理后而控制繼電器的通斷，從而 控制熱電管達到水溫控制的目的。4.2 程序流程圖及部分程序4.2.1主程序模塊由于模塊化程序的設計，通過調用程序即可實現(xiàn)所用功能，主程序流程圖如圖4-2所示。圖4-2主程序流程圖主程序如下：int main(v oid) int KeyValue;status = tem

37、perature_set;Systemni tial();PID_Initial();PID 初始化while(1)KeyValue = GetCh(); /鍵盤掃描、去抖動處理、取鍵值key_value_process(KeyValue);/鍵值處理if(status = temperatureon trol)display_AD_temperature(); /測量溫度顯示、PID 計算 河北大學工商學院 2012屆本科生畢業(yè)論文(設計)if(Out0x0255) K = 0.079; / else K = 0.076;fT = adc_data * K;/計算溫度平均值確定溫度系數(shù)換算成

38、溫度值/將溫度值轉換成十進制用于LED顯示guiLED_Value0 = (in t)fT/10;guiLED_Value1 = (in t)fT%10;guiLED_Value2 = (in t)(fT*10)%10;stPID.Proportion = 1;/設置 PID 比例值stPID.Integral = 0.5;/設置 PID 積分值stPID.Derivative = 0.0;/設置 PID 微分值Out = 100*PIDCalc ( &stPID,(int)(fT*10) ); / PID計算圖4-5是數(shù)據(jù)采樣中斷服務程序的流程圖，此中斷程序采用的是2Hz中斷定時0.5秒鐘米

39、樣一次。河北大學工商學院 2012屆本科生畢業(yè)論文（設計）31int adc_data_cmp() int max;int min;int Sum;int i;max = ADC_DataSaveO;for(i=0;imax) max = ADC_DataSavei;min = ADC_DataSavei;for(i=0;i10;i+) if(ADC_DataSaveimi n) min = ADC_DataSavei;for(i=0;iSetPoi nt*10 - NextPoi nt;/pp-SumError += Error;/dError = pp-LastError - pp-Pre

40、vError; / pp-PrevError = pp-LastError;pp-LastError = Error;比例項積分項微分項return (pp-Proporti on * Error/+ pp-ln tegral * pp-SumError / + pp-Derivative * dError/)；4.2.6 繼電器控制繼電器是和AT89S52單片機的P25 口相連，它的開斷完全取決于 P25 口的輸出，即PID計算的結果。當輸出小于零說明設定值小于實際輸出值，這就是要關閉電爐，同時 關閉定時器的計時。當輸出值大于設定值2攝氏度時，我們就可以開電爐對水開始加熱。 如果設定值與實際

41、輸出值差值在2攝氏度以內時，我們就調用中斷程序定時加熱。圖4-6是控制程序的中斷服務程序，用來對繼電器定時加熱。它利用中斷定時器10ms 確定加熱時間，當加熱時間未到時，繼續(xù)時間累積，若加熱時間到時，就調用關定時器 子程序，從而停止計時。圖4-6控制程序中斷程序流程圖void active()if(Out30*stPID.Proportio n) / turn_on_ relay();/else turn_o n_ relay()SPNT_TIME() ;/停止計時溫度低于設定值2攝氏度開電爐加熱初始化定時器，開始定時加熱375 系統(tǒng)安裝調試與測試5.1 串口調試通過RS232和PC機進行連接，利用PC調試助手進行調試。調試過程中把單片機和 PC機的波特率設置為相同值（如 9600bit/s ）。驗證上位機和下位機接收正常。5.2 繼電器測試用萬能表的電阻檔，測量常閉觸點與動點電阻，其阻值應為0;而常開觸點與動點的阻值就為無窮大。由此可以區(qū)別出那個是常閉觸點，那個是常開觸點。本系統(tǒng)使用的 繼電器為常開式。5.3 溫度采集與測試在本系統(tǒng)中，