基于單片機(jī)技術(shù)的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基 于 單 片 機(jī) 技 術(shù) 的 溫 度 控 制 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 學(xué) 生 姓 名 ： 魏 傳 維指 導(dǎo) 教 師 ： 李 紅 艷 基 于 單 片 機(jī) 技 術(shù) 的 溫 度 控 制 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 意 義 ：電 加 熱 鍋 爐 采 用 全 新 加 熱 方 式 ， 無 污 染 ，完 全 可 以 稱 為 綠 色 環(huán) 保 鍋 爐 。 電 加 熱 鍋 爐具 有 以 下 特 點(diǎn) ： 無 污 染 。 能 量 轉(zhuǎn) 化 效 率 高 。 鍋 爐 本 體 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 ， 安 全 性 好 。 可 采 用 計(jì) 算 機(jī) 監(jiān) 控 ， 完 全 實(shí) 現(xiàn) 自 動(dòng) 化 。 設(shè) 計(jì) 目 標(biāo) ：利 用 ATmega16單 片 機(jī) 設(shè) 計(jì) 一 套 功 能 簡(jiǎn) 單 、 使 用方 便 、 價(jià) 格 低 廉 的 溫 度 和 水 位 控 制 系 統(tǒng) 。 系 統(tǒng)應(yīng) 該 具 備 實(shí) 時(shí) 顯 示 溫 度 的 功 能 和 溫 度 設(shè) 置 功 能 。要 求 恒 溫 溫 度 控 制 的 范 圍 在 0 C 100 C， 連續(xù) 可 調(diào) ， 測(cè) 量 誤 差 =1 C。 且 具 有 水 位 過 高 過低 報(bào) 警 、 高 低 水 位 控 制 功 能 。 系 統(tǒng) 控 制 方 案 的 選 擇 ： 由 于 電 加 熱 鍋 爐 是 一 個(gè) 具 有 非 線 性 、 大 滯后 、 大 慣 性 、 時(shí) 變 性 、 升 溫 單 向 性 等 特 點(diǎn) 的控 制 對(duì) 象 ， 很 難 用 數(shù) 學(xué) 方 法 建 立 精 確 的 數(shù) 學(xué)模 型 ， 用 傳 統(tǒng) 的 控 制 理 論 和 方 法 很 難 達(dá) 到 很好 的 控 制 效 果 ， 因 此 選 擇 PID控 制 進(jìn) 行 溫 度控 制 。液 位 控 制 需 要 能 實(shí) 現(xiàn) 過 高 過 低 水 位 報(bào) 警 ，因 此 選 用 簡(jiǎn) 單 易 行 的 電 接 點(diǎn) 水 位 計(jì) 。 系 統(tǒng) 的 結(jié) 構(gòu) 框 圖 ： ATmega16AD590水 位 電 極 加 熱 電 阻電 磁 閥顯 示 電 路鍵 盤 電 路 報(bào) 警 電 路繼 電 器SSR 系 統(tǒng) 工 作 原 理 ：在 溫 控 部 分 ， 選 用 ATmega16單 片 機(jī) 為 中 央 處理 器 ， 通 過 AD590溫 度 傳 感 器 進(jìn) 行 溫 度 采 集 ，將 采 集 到 的 溫 度 信 號(hào) 傳 輸 給 單 片 機(jī) ， 再 由 單片 機(jī) 控 制 顯 示 器 ， 并 進(jìn) 行 PID處 理 ， 然 后 驅(qū) 動(dòng)固 態(tài) 繼 電 器 的 通 斷 ， 控 制 加 熱 電 阻 的 導(dǎo) 通 周期 數(shù) ， 實(shí) 現(xiàn) 對(duì) 溫 度 的 控 制 。在 水 位 控 制 部 分 ， 當(dāng) 水 位 到 達(dá) 對(duì) 應(yīng) 水 位 時(shí) ，水 位 電 極 會(huì) 將 信 號(hào) 送 入 單 片 機(jī) ， 然 后 單 片 機(jī)會(huì) 做 出 相 應(yīng) 的 動(dòng) 作 。 AD590簡(jiǎn) 介 AD590溫 度 傳 感 器 是 美 國 DALLAS半 導(dǎo) 體 公 司 推 出 的 一種 改 進(jìn) 型 溫 度 傳 感 器 ， AD590的 性 能 特 點(diǎn) 如 下 ： 獨(dú) 特 的 單 線 接 口 僅 需 要 一 個(gè) 端 口 引 腳 進(jìn) 行 通 信 ； 無 須 外 部 器 件 ； 可 通 過 數(shù) 據(jù) 線 供 電 ， 電 壓 范 圍 3.0-5.5V； 溫 度 以 9或 12位 數(shù) 字 讀 出 ； 用 戶 可 以 定 義 報(bào) 警 設(shè) 置 ； 負(fù) 電 壓 特 性 ， 電 源 極 性 接 反 時(shí) ， 溫 度 計(jì) 不 會(huì) 因 發(fā)熱 而 燒 毀 ， 只 是 不 能 正 常 工 作 而 已 。 功 率 驅(qū) 動(dòng) 部 分 ：本 系 統(tǒng) 功 率 驅(qū) 動(dòng) 部 分 采 用 單 片 機(jī) 控 制的 固 態(tài) 繼 電 器 控 溫 電 路 ， 其 波 形 為 完整 的 正 弦 波 ， 對(duì) 熱 慣 性 較 大 的 被 控 對(duì)象 ， 是 一 種 穩(wěn) 定 、 可 靠 、 較 合 理 的 控制 方 法 ， 因 而 本 系 統(tǒng) 采 用 過 零 觸 發(fā) 方法 。 水 位 檢 測(cè) 電 路 ： 由 于 水 的 導(dǎo) 電 性 十分 微 弱 ， 因 此 電 極送 出 的 電 信 號(hào) 十 分微 弱 ， 不 能 直 接 送入 單 片 機(jī) ， 因 此 需要 對(duì) 該 信 號(hào) 進(jìn) 行 處理 ， 這 里 我 們 選 用PNP三 極 管 開 關(guān) 電路 。 電 路 接 法 如 右圖 所 示 。 硬 件 原 理 圖 1 2 3 4 5 6 A B C D 654321 D C B A Title Number RevisionSizeB Date: 15-Jun-2010 Sheet of File: D:my design畢業(yè)設(shè)計(jì).ddb Drawn By: A 1 B 2 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 Q4 10 Q5 11 Q6 12 Q7 13 CLK 8 MR 9 U774HC164 A 1 B 2 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 Q4 10 Q5 11 Q6 12 Q7 13 CLK 8 MR 9 U874HC164 A 1 B 2 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 Q4 10 Q5 11 Q6 12 Q7 13 CLK 8 MR 9 U1074HC164A 1 B 2 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 Q4 10 Q5 11 Q6 12 Q7 13 CLK 8 MR 9 U974HC164 12345678 161514131211109 RESPACK1200*8 12345678 161514131211109 RESPACK2200*8 12345678 161514131211109 RESPACK3200*8 12345678 161514131211109 RESPACK4200*8 Y112M C2 20p C1 20P +5V R234.7K +5V -2 +1 3 4 U5 SSR R19150 接220V交流電+5V RLRES1 U6 4N25 R20300 D11DIODE+5V +24V 接12V直流電 D9 D10 LS1 SPEAKER R15500 R16500 R173.1K +5V +5V abfc gd e DPY 1234567 abcdefg8d p dp power 9 DS1DPY_7-SEG_DP abfc gd e DPY 1234567 abcdefg8d p dp power 9 DS2DPY_7-SEG_DP abfc gd e DPY 1234567 abcdefg8d p dp power 9 DS3DPY_7-SEG_DP abfc gd e DPY 1234567 abcdefg8d p dp power 9 DS4DPY_7-SEG_DP GND 3 VDD 1DQ 2U2 DS18B20 電磁閥 S1 SW-PB S2 SW-PB S4 SW-PB S5 SW-PB R1310K R1410K +5V U4 74LS06 T58550 +5V +5V P1.4P1.5 P1.6P1.7 P1.5P1.4 P1.6 P1.7 T18550 T28550 T38550 T48550 R2500 R5500 R8500 R12500 +5V R34.7K R64.7K R94.7K R114.7K 電極 電極 電極 電極 超高報(bào)警電極 高水位電極 低水位電極 超低報(bào)警電極 電極 零水位電極 R11K R41K R71K R101K 12J24VAC 12J12VAC R2120/2W R225.1/2W C111000u/35V C71000u/50V C5 470u/25V C91000u/35VC100.1u C60.1U C8 0.1u +5V +24V D72CZRU2 D82CZRU2D62CZRU2 D52CZRU2 Vin3 GND 1 Vout 2L7805CV5V D32CZRU2 D22CZRU2 D12CZRU2 C12 0.1uD4 2CZRU2 Vin1 GND 2 Vout 3L7824CV24V P1.01 P1.12 P1.23 P1.34 P1.45 P1.5/MOSI6 P1.6/MISO7 P1.7/SCK8 RST9 P3.0/RXD10 P3.1/TXD11 P3.2/INT012 P3.3/INT113 P3.4/T014 P3.5/T115 P3.6/WR16 P3.7/RD17 XTAL218 XTAL119 P2.0 21P2.1 22 P2.2 23P2.3 24 P2.4 25P2.5 26 P2.6 27P2.7 28 PSEN 29 ALE 30 EA 31 P0.7 32P0.6 33 P0.5 34P0.4 35 P0.3 36P0.2 37 P0.1 38P0.0 39 GND 20 VCC 40 U1 AT89S51(40) C40.1 C322u 1 2 3U3A74ALS08 S7 SW-PB R188.2K RED GREEN R241K T68050 U6 4N25 R251K +5v T8 NPN VCC R261K KM KA C13R27 KM L N K1 本 系 統(tǒng) 的 軟 件 大 體 可 分 為 三 個(gè) 部 分 ： 主 程 序 ： 主 要 對(duì) 內(nèi) 存 單 元 進(jìn) 行 分 配 ， 對(duì) 一 些 變 量 值賦 初 值 ， 對(duì) 中 斷 系 統(tǒng) 進(jìn) 行 初 始 化 操 作 ； 循 環(huán) 執(zhí) 行 水 位控 制 程 序 。 鍵 盤 中 斷 服 務(wù) 程 序 ： 對(duì) 鍵 盤 中 斷 進(jìn) 行 響 應(yīng) ， 然 后 掃描 鍵 盤 ， 轉(zhuǎn) 入 對(duì) 應(yīng) 的 鍵 值 程 序 。 T0中 斷 服 務(wù) 程 序 ： 用 來 進(jìn) 行 溫 度 信 號(hào) 采 樣 、 數(shù) 據(jù)轉(zhuǎn) 換 、 PID運(yùn) 算 和 控 制 輸 出 。 開 始系 統(tǒng) 初 始 化 T 0 , T 1 初 始 化開 中 斷 T 0 運(yùn) 行高 水 位 檢 測(cè) 控 制 低 水 位 檢 測(cè) 控 制 主 程 序 流 程 圖 ： 由 于 位 置 型 算 法 控 制 算 式 不 夠 方 便 ， 需 要 累 加 偏差 ， 不 僅 要 占 用 較 多 的 存 儲(chǔ) 單 元 ， 而 且 不 便 于 編寫 程 序 ， 為 此 ， 我 們 選 用 增 量 型 算 法 。 增 量 型 算法 的 算 式 如 下 ： )2()1()(1 210 keqkeqkeqkuKu Kq KKq KKKq D DP IDP210 2其 中 ： 在 MATLAB下 搭 建 的 溫 度 閉 環(huán) 控 制 部 分 的 系 統(tǒng) 框 圖 ： 其 中 取 鍋 爐 的 近 似 數(shù) 學(xué) 模 型 為 ： e sss 30113005)(G 仿 真 結(jié) 果 如 右 圖 所 示 。經(jīng) 過 調(diào) 試 ， 確 定 PID參 數(shù) 為 ： Kp=3.4， Ki=0.0027， Kd=1。 從圖 中 可 以 看 出 ， 系 統(tǒng)的 響 應(yīng) 速 度 較 快 ， 靜差 幾 乎 為 零 ， 且 沒 有超 調(diào) 量 。 基 于 ATmega16單 片 機(jī) 的 電 熱 鍋 爐 水 位 和 溫 度 控 制 系 統(tǒng) ， 在 硬 件部 分 有 以 下 的 特 點(diǎn) ： （ 1） 對(duì) 于 液 位 ， 利 用 電 接 點(diǎn) 傳 感 器 將 采 集 到 的 開 關(guān) 信 號(hào) 送 入 單片 機(jī) 中 ， 在 單 片 機(jī) 中 進(jìn) 行 比 較 操 作 ， 并 控 制 電 磁 閥 的 通 斷 。 （ 2） 對(duì) 于 溫 度 利 用 溫 度 傳 感 AD590， 將 采 樣 到 的 溫 度 信 號(hào) 直 接輸 入 到 單 片 機(jī) 中 ， 再 由 單 片 機(jī) 根 據(jù) 測(cè) 量 溫 度 與 設(shè) 定 溫 度 的 差 值 和 PID算 法 生 成 控 制 信 號(hào) ， 控 制 電 爐 的 通 電 與 斷 電 。 （ 3） 在 顯 示 電 路 上 采 用 了 串 行 方 式 ， 從 而 減 小 了 單 片 機(jī) 口 線 的使 用 。這 樣 的 設(shè) 計(jì) 使 系 統(tǒng) 不 需 要 使 用 A/D轉(zhuǎn) 換 芯 片 ， 使 整 個(gè) 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 緊湊 、 所 用 芯 片 少 。 在 軟 件 上 ， 有 以 下 一 些 特 點(diǎn) ： （ 1） 溫 度 控 制 部 分 采 用 了 經(jīng) 典 的 PID算 法 ， 方 法 簡(jiǎn) 單 ，且 控 制 效 果 良 好 ； （ 2） 同 時(shí) 采 用 過 零 觸 發(fā) 直 接 使 用 PID的 控 制 輸 出 去 控制 加 熱 的 時(shí) 間 ， 免 去 了 一 級(jí) D/A轉(zhuǎn) 換 器 ， 減 小 了 成 本 ，且 簡(jiǎn) 單 易 行 ； （ 3） 采 用 定 時(shí) 器 中 斷 對(duì) 采 樣 時(shí) 間 進(jìn) 行 控 制 ， 使 每 一 次的 采 樣 時(shí) 間 基 本 相 同 ， 減 小 了 對(duì) 系 統(tǒng) 穩(wěn) 定 性 的 影 響 。 （ 4） 在 程 序 的 編 寫 過 程 中 特 別 注 意 了 人 機(jī) 的 交 互 性 及各 種 功 能 的 實(shí) 現(xiàn) ， 使 系 統(tǒng) 的 操 作 界 面 更 容 易 讓 人 理 解 。 致 謝首 先 感 謝 李 紅 艷 老 師 ,本 論 文 是 在 魯 照 權(quán) 的 指導(dǎo) 下 修 改 完 成 的 。 在 此 ， 要 對(duì) 他 的 細(xì) 心 幫 助 和指 導(dǎo) 表 示 由 衷 的 感 謝 。其 次 感 謝 各 位 評(píng) 委 老 師 ， 閱 讀 我 的 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) ，并 給 與 指 導(dǎo) 。最 后 向 所 有 給 予 我 幫 助 的 老 師 、 同 學(xué) 和 朋 友表 示 真 心 的 感 謝 ， 謝 謝 你 們 的 幫 助 !謝 謝 大 家 ！