課程設(shè)計(jì)----水溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p>　　《電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)</p><p>　　水 溫 控 制 系 統(tǒng)</p><p>　　摘要：本設(shè)計(jì)以89c52單片機(jī)為核心，采用了溫度傳感器AD590，A/D采樣芯片ADC0804，可控硅MOC3041及PID算法對(duì)溫度進(jìn)行控制。該水溫控制系統(tǒng)是一個(gè)典型的檢測(cè)、控制型應(yīng)用系統(tǒng)，它要求系統(tǒng)完成從水溫檢測(cè)、信號(hào)處理、輸入、運(yùn)算到輸出控制電爐加熱功率以實(shí)現(xiàn)水溫控制的全過(guò)

2、程。本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了水溫的智能化控制以及提供完善的人機(jī)交互界面及多機(jī)通訊接口，系統(tǒng)由前向通道模塊（即溫度采樣模塊）、后向控制模塊、系統(tǒng)主模塊及鍵盤(pán)顯示摸塊等四大模塊組成。本系統(tǒng)的特點(diǎn)在于采用PC機(jī)及普通鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)了多機(jī)通信。</p><p>　　Abstract:The single computer 89c52 is used as a core in this design. Some important IC s

3、ush as AD590 ADC0804 MOC3041 was used in this system.we adopt PID to control the temperature. The system include four part---The previous model ,The last model ,keybord model ,The main control model. Adopt annularity p

4、ulse distributor to come true to Stepper Motor speed regulation , the corner under the control of. Display having realized time , the temperature here on the basis, And realize under the contr</p><p><b&g

5、t;　　目 錄</b></p><p>　　第1節(jié) 引 言………………………………………………………………………3</p><p>　　第2節(jié) 方案論證 ………………………………………………………………4</p><p>　　2.1 總體方案論證 ………………………………………………………………4</p><p>　　2.

6、2 模塊方案論證 ………………………………………………………………4</p><p>　　2.2.1控制方法論證 …………………………………………………………4</p><p>　　2.2.2 系統(tǒng)組成論證 ………………………………………………………4</p><p>　　2.2.3 單片機(jī)系統(tǒng)選擇 ………………………………………………………5&l

7、t;/p><p>　　2.2.4 溫度控制方案論證 ………………………………………………………6</p><p>　　2.2.5 鍵盤(pán)顯示電路論證 ………………………………………………………6</p><p>　　第3節(jié) PROTEUS仿真 ……………………………………………………………7</p><p>　　第4節(jié) 總體設(shè)計(jì)……………………

8、……………………………………………7</p><p>　　第5節(jié) 硬件電路設(shè)計(jì)與計(jì)算 …………………………………………………10</p><p>　　5.1 主機(jī)控制部分 …………………………………………………………………10</p><p>　　5.2 溫度采樣電路 ………………………………………………………………11</p><

9、;p>　　5.3 溫度控制電路 …………………………………………………………………11</p><p>　　5.4 鍵盤(pán)與數(shù)值顯示電路 ……………………………………………………………12</p><p>　　5.5 微機(jī)控制及圖形顯示部分 ………………………………………………………13</p><p>　　第6節(jié) 軟件設(shè)計(jì) ……………………………………

10、…………………………15</p><p>　　第7節(jié) 測(cè)試方法與測(cè)試結(jié)果 …………………………………………………18</p><p>　　第8節(jié) 設(shè)計(jì)總結(jié) ………………………………………………………………18</p><p>　　第9節(jié) 附錄 ……………………………………………………………………21</p><p>　　第10節(jié) 參考

11、文獻(xiàn) ……………………………………………………………22</p><p><b>　　引言</b></p><p>　　該水溫控制系統(tǒng)是一個(gè)典型的檢測(cè)、控制型應(yīng)用系統(tǒng)，它要求系統(tǒng)完成從水溫檢測(cè)、信號(hào)處理、輸入、運(yùn)算到輸出控制電爐加熱功率以實(shí)現(xiàn)水溫控制的全過(guò)程。因此，應(yīng)以單片微型計(jì)算機(jī)為核心組成一個(gè)專(zhuān)用計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，以滿(mǎn)足檢測(cè)、控制應(yīng)用類(lèi)型的功能要求。另外，單片機(jī)的

12、使用也為實(shí)現(xiàn)水溫的智能化控制以及提供完善的人機(jī)交互界面及多機(jī)通訊接口提供了可能，而這些功能在常規(guī)數(shù)字邏輯道路中往往是難以實(shí)現(xiàn)或無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。所以，本例采用以單片機(jī)為核心的直接數(shù)字控制系統(tǒng)。</p><p>　　本設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求為一升水由1kw的電爐加熱，要求水溫可以在一定范圍內(nèi)由人工設(shè)定，并能在環(huán)境溫度降低時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整，以保持設(shè)定的溫度基本不變。主要性能指標(biāo)</p><p>　　溫度設(shè)定

13、范圍：30-90℃，最小區(qū)分度為1℃。</p><p>　　控制精度：溫度控制的靜態(tài)誤差≤1℃。</p><p>　　用十進(jìn)制數(shù)碼顯示實(shí)際水溫。</p><p><b>　　能打印實(shí)測(cè)水溫值。</b></p><p><b>　　擴(kuò)展功能</b></p><p>　　具有通信

14、能力，可接受其他數(shù)據(jù)設(shè)備發(fā)來(lái)的命令，或?qū)⒔Y(jié)果傳送到其他數(shù)據(jù)設(shè)備。</p><p>　　采用適當(dāng)?shù)目刂品椒▽?shí)現(xiàn)當(dāng)設(shè)定溫度與環(huán)境溫度突變時(shí)，減小系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量。</p><p>　　溫度控制的靜態(tài)誤差≤1℃。</p><p>　　能自動(dòng)顯示水溫隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)。</p><p><b>　　2．方案論證</b><

15、;/p><p>　　2．1 總體方案論證</p><p>　?。?）、方案一：此方案是采用傳統(tǒng)的模擬控制方法（方案框圖如圖2-1-1），選用模擬電路，用電位器設(shè)定給定值，反饋的溫度值與給定的溫度值比較后，決定加熱或者不加熱。器特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，但是系統(tǒng)所得結(jié)果的精度不高并且調(diào)節(jié)動(dòng)作頻繁，系統(tǒng)靜差大，不穩(wěn)定。系統(tǒng)受環(huán)境的影響大，不能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，而且不易實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制及對(duì)溫度的顯

16、示，人機(jī)交換性能差。</p><p>　　圖2-1-1模擬控制框圖</p><p>　?。?）、方案二：采用單片機(jī)89c52為核心。采用了溫度傳感器AD590采集溫度變化信號(hào)，A/D采樣芯片ADC0804將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并通過(guò)單片機(jī)處理后去控制溫度，使其達(dá)到穩(wěn)定。使用單片機(jī)具有編程靈活，控制簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，使系統(tǒng)能簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)溫度的控制及顯示，并且通過(guò)軟件編程能實(shí)現(xiàn)各種控制算法使系統(tǒng)還具有控制

17、精度高的特點(diǎn)。該水溫控制系統(tǒng)是一個(gè)典型的檢測(cè)、控制型應(yīng)用系統(tǒng)，它要求系統(tǒng)完成從水溫檢測(cè)、信號(hào)處理、輸入、運(yùn)算到輸出控制電爐加熱功率以實(shí)現(xiàn)水溫控制的全過(guò)程。以單片微型計(jì)算機(jī)為核心組成一個(gè)專(zhuān)用計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，以滿(mǎn)足檢測(cè)、控制應(yīng)用類(lèi)型的功能要求。另外，單片機(jī)的使用也為實(shí)現(xiàn)水溫的智能化控制以及提供完善的人機(jī)交互界面及多機(jī)通訊接口提供了可能，而這些功能在常規(guī)數(shù)字邏輯道路中往往是難以實(shí)現(xiàn)或無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。所以，本例采用以單片機(jī)為核心的直接數(shù)字控制系統(tǒng)。

18、</p><p>　　比較兩種方案，方案二明顯的改善了方案一的不足及缺點(diǎn)，并具有控制簡(jiǎn)單、控制溫度精度高的特點(diǎn)。因此本設(shè)計(jì)電路采用方案二。</p><p>　　2．2 模塊方案論證</p><p>　　本電路以單片機(jī)為基礎(chǔ)核心，系統(tǒng)由前向通道模塊、后向控制模塊、系統(tǒng)主模塊及鍵盤(pán)顯示摸塊等四大模塊組成?，F(xiàn)將各部分主要元件及電路做以下的論證：</p>&

19、lt;p>　　2.2.1 控制方法論證</p><p>　　由于水溫控制系統(tǒng)的控制對(duì)象具有熱存儲(chǔ)能力大，慣性也較大的特點(diǎn)。水在容器內(nèi)的流動(dòng)或熱量傳遞都存在一定的阻力，因而可以歸于具有純滯后的一階大慣性環(huán)節(jié)。一般來(lái)說(shuō)，熱過(guò)程大多具有較大的滯后，它對(duì)任何信號(hào)的響應(yīng)都會(huì)推遲一段時(shí)間，使輸出與輸入之間產(chǎn)生相移。對(duì)于這樣一些存在大的滯后特性的過(guò)渡過(guò)程控制，一般來(lái)說(shuō)可以采用以下幾種控制方案：</p>&

20、lt;p><b>　　a.輸出開(kāi)關(guān)量控制</b></p><p>　　對(duì)于慣性較大的過(guò)程可以簡(jiǎn)單地采用輸出開(kāi)關(guān)量控制的方法。這種方法通過(guò)比較給定值與被控參數(shù)的偏差來(lái)控制輸出的狀態(tài)：開(kāi)關(guān)或者通斷，因此控制過(guò)程十分簡(jiǎn)單，也容易實(shí)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(gè)方向上變化的速率均為最大，因此容易硬氣反饋回路產(chǎn)生振蕩，對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生十分不利的影響，甚至?xí)驗(yàn)檩敵鲩_(kāi)關(guān)的頻

21、繁動(dòng)作而不能滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)控制精度的要求。因此，這種控制方案一般在大慣性系統(tǒng)對(duì)控制精度和動(dòng)態(tài)特性要求不高的情況下采用。</p><p>　　b.比例控制（P控制）</p><p>　　比例控制的特點(diǎn)是控制器的輸出與偏差成比例，輸出量的大小與偏差之間有對(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，抗干擾能力強(qiáng)，過(guò)渡時(shí)間短，但過(guò)程終了存在余差。因此它適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、允許被控量在一定范圍內(nèi)變化的系統(tǒng)

22、。使用時(shí)還應(yīng)注意經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后需將累積誤差消除。</p><p>　　c.比例積分控制（PI控制）</p><p>　　由于比例積分控制的特點(diǎn)是控制器的輸出與偏差的積分成比例，積分的作用使得過(guò)渡過(guò)程結(jié)束時(shí)無(wú)余差，但系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。雖然加大比例度可以使穩(wěn)定性提高，但又使過(guò)渡時(shí)間加長(zhǎng)。因此，PI控制適用于滯后較小、負(fù)荷變化不大、被控量不允許有余差的控制系統(tǒng)，它是工程上使用最多、應(yīng)用最廣的一種

23、控制方法。</p><p>　　d.比例積分加微分控制（PID控制）</p><p>　　比例積分加微分控制的特點(diǎn)是微分的作用使控制器的輸出與偏差變化的速度成正比例,它對(duì)克服對(duì)象的容量滯后有顯著的效果。在比例基礎(chǔ)上加上微分作用，使穩(wěn)定性提高，再加上積分作用，可以消除余差。因此，PID控制適用于負(fù)荷變化大、容量滯后較大、控制品質(zhì)要求又很高的控制系統(tǒng)。</p><p>

24、　　結(jié)合本例題設(shè)計(jì)任務(wù)與要求，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(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)控制品質(zhì)的要求。但從以上對(duì)控制方法的分析來(lái)看，PID控制方法最適合本例采用。另一方面，由于可以采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)控制過(guò)程，無(wú)論采用上述哪一種控制方法都不會(huì)增加系統(tǒng)硬件成本，而只需對(duì)軟件作相應(yīng)改變即可實(shí)現(xiàn)不同的控制方案。因此本系統(tǒng)可以采用PID的控制方式，以最大限度地滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)諸如控制精度、調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量等控制品質(zhì)的要求。</

25、p><p>　　2.2.2 系統(tǒng)組成論證</p><p>　　就控制器本身而言，控制電路可以采用急經(jīng)典控制理論和常規(guī)模擬控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水溫的自動(dòng)團(tuán)結(jié)。但隨著計(jì)算機(jī)與超大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，以現(xiàn)代控制理論和計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，采用數(shù)字控制、顯示、A/D與D/A轉(zhuǎn)換，配額后執(zhí)行器與控制閥構(gòu)成的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，在過(guò)程控制過(guò)程中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　由于本例是

26、一個(gè)典型的檢測(cè)、控制型應(yīng)用系統(tǒng)，它要求系統(tǒng)完成從水溫檢測(cè)、信號(hào)處理、輸入、運(yùn)算到輸出控制電爐加熱功率以實(shí)現(xiàn)水溫控制的全過(guò)程。因此，應(yīng)以單片微型計(jì)算機(jī)為核心組成一個(gè)專(zhuān)用計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，以滿(mǎn)足檢測(cè)、控制應(yīng)用類(lèi)型的功能要求。另外，單片機(jī)的使用也為實(shí)現(xiàn)水溫的智能化控制以及提供完善的人機(jī)交互界面及多機(jī)通訊接口提供了可能，而這些功能在常規(guī)數(shù)字邏輯道路中往往是難以實(shí)現(xiàn)或無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。所以，本例采用以單片機(jī)為核心的直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）。</p

27、><p>　　2.2.3 單片機(jī)系統(tǒng)選擇</p><p>　　AT89C2051、AT89C51單片機(jī)是最常用的單片機(jī)，是一種低損耗、高性能、CMOS八位微處理器。AT89C2051與MCS-51系列的單片機(jī)在指令系統(tǒng)和引腳上完全兼容，而且能使系統(tǒng)具有許多MCS-51系列產(chǎn)品沒(méi)有的功能，功能強(qiáng)、靈活性高而且價(jià)格低廉。AT89S51可構(gòu)成真正的單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)，縮小系統(tǒng)體積，增加系統(tǒng)的可靠性，

28、降低了系統(tǒng)成本。只要程序長(zhǎng)度小于4K，四個(gè)I/O口全部提供給擁護(hù)。系統(tǒng)運(yùn)行中需要存放的中間變量較少，可不必再擴(kuò)充外部RAM。</p><p>　　2.2.4 溫度控制方案論證</p><p>　　方案一：用熱敏電阻：通過(guò)電阻的變化來(lái)獲得電壓的變化，起價(jià)格雖然便宜但是精度不是很高。對(duì)于一個(gè)精度要求高的系統(tǒng)不宜采用</p><p>　　方案二：用A/D590：鍵盤(pán)輸入一

29、個(gè)需要控制的溫度，通過(guò)單片機(jī)2051的串口把數(shù)據(jù)傳送到AT89C51，AT89C51通過(guò)數(shù)據(jù)比較，PID分析，T0，T1產(chǎn)生PWM波來(lái)控制電爐是否繼續(xù)加熱還是停止加熱。通過(guò)AD590溫度傳感器采集溫度，由于AD590是電流傳感器，經(jīng)過(guò)電阻轉(zhuǎn)換為電壓。雖然價(jià)格較高但是精度高。</p><p>　　經(jīng)比較，我們選擇方案二</p><p>　?。?）、傳感器的選取目前市場(chǎng)上溫度傳感器繁多就此我們

30、提出了以下兩重選取方案：</p><p>　　方案一：選用鉑電阻溫度傳感器，此類(lèi)溫度傳感器在各方面特性都比較優(yōu)秀，但其成本較高。</p><p>　　方案二：采用熱敏電阻，選用此類(lèi)元器件有價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)，但由于熱敏電阻的非線(xiàn)性特性會(huì)影響系統(tǒng)的精度。</p><p>　　方案三：選用美國(guó)Analog Devices 公司生產(chǎn)的二端集成電流傳感器AD590，此器件具有體

31、積小、質(zhì)量輕、線(xiàn)形度好、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。其測(cè)量范圍在-50℃--+150℃，滿(mǎn)刻度范圍誤差為±0.3℃，當(dāng)電源電壓在5—10V之間，穩(wěn)定度為1﹪時(shí)，誤差只有±0.01℃，其各方面特性都滿(mǎn)足此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　比較以上三種方案，方案三具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，因此此次設(shè)計(jì)選用方案三。</p><p>　?。?）CPU模塊的選擇</p><p&

32、gt;　　方案一：采用8031芯片，其內(nèi)部沒(méi)有程序存儲(chǔ)器，需要進(jìn)行外部擴(kuò)展，這給電路增加了復(fù)雜度。</p><p>　　方案二：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。但由于系統(tǒng)用到較多的I/O口，因此此芯片資源不夠用。</p><p>　　方案三：采用89C52單片機(jī)，其內(nèi)部有8KB單元的程序存儲(chǔ)器。而且具有三個(gè)定時(shí)器，正好滿(mǎn)足系統(tǒng)多機(jī)

33、通信時(shí)所用。</p><p>　　比較以上三種方案，綜合考慮單片機(jī)的各部分資源，因此此次設(shè)計(jì)選用方案三。</p><p>　　2.2.5 鍵盤(pán)顯示電路論證</p><p>　　控制與顯示電路是反映電路性能、外觀(guān)的最直觀(guān)部分，所以此部分電路設(shè)計(jì)的好壞直接影響到電路的好壞。</p><p>　　方案一：采用可編程控制器8279與數(shù)碼管及地址譯碼器

34、74LS138組成，可編程/顯示器件8279實(shí)現(xiàn)對(duì)按鍵的掃描、消除抖動(dòng)、提供LED的顯示信號(hào)，并對(duì)LED顯示控制。用8279和鍵盤(pán)組成的人機(jī)控制平臺(tái)，能夠方便的進(jìn)行控制單片機(jī)的輸出。</p><p>　　方案二：采用單片機(jī)AT2051與地址譯碼器74LS138組成控制和掃描系統(tǒng)，并用2051的串口對(duì)主電路的單片機(jī)進(jìn)行通信，這種方案既能很好的控制鍵盤(pán)及顯示又為主單片機(jī)大大的減少了程序的復(fù)雜性，而且具有體積小，價(jià)格便

35、宜的特點(diǎn)。</p><p>　　方案一雖然也能很好的實(shí)現(xiàn)電路的要求，但考慮到電路設(shè)計(jì)的成本和電路整體的性能，我們采用方案二。</p><p>　　3． PROTEUS仿真</p><p>　　為了更好的驗(yàn)證并實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的預(yù)期效果，我們采用PROTEUS仿真軟件對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果如下：</p><p>　　顯示模塊仿真原理圖如下：&

36、lt;/p><p>　　當(dāng)運(yùn)行程序后，初始界面為：</p><p>　　當(dāng)按下鍵盤(pán)時(shí)，數(shù)碼管顯示對(duì)應(yīng)值：</p><p>　　PWM仿真原理圖如圖3-1：</p><p>　　圖3-2 PWM仿真原理圖</p><p>　　仿真結(jié)果如圖3-3所示：</p><p>　　圖3-3 PWM仿真結(jié)果

37、</p><p>　　其中INC鍵和DEC鍵分別增加和減小PWM的占空比。</p><p>　　AD采樣與串口通信仿真原理圖如圖3-4所示：</p><p>　　圖3-4 AD采樣與串口通信仿真原理圖</p><p>　　AD采樣與串口通信仿真結(jié)果如圖3-5。</p><p>　　圖3-5 AD采樣與串口通信仿真結(jié)果

38、</p><p><b>　　4． 總體設(shè)計(jì)</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)以89c52單片機(jī)為核心，采用了溫度傳感器AD590，A/D采樣芯片ADC0804，可控硅MOC3041及PID算法對(duì)溫度進(jìn)行控制。該水溫控制系統(tǒng)是一個(gè)典型的檢測(cè)、控制型應(yīng)用系統(tǒng)，它要求系統(tǒng)完成從水溫檢測(cè)、信號(hào)處理、輸入、運(yùn)算到輸出控制電爐加熱功率以實(shí)現(xiàn)水溫控制的全過(guò)程。本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了水溫的

39、智能化控制以及提供完善的人機(jī)交互界面及多機(jī)通訊接口，系統(tǒng)由前向通道模塊（即溫度采樣模塊）、后向控制模塊、系統(tǒng)主模塊及鍵盤(pán)顯示摸塊等四大模塊組成。本系統(tǒng)的特點(diǎn)在于采用PC機(jī)及普通鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)了多機(jī)通信。系統(tǒng)框圖如圖3-1</p><p><b>　　圖3-1 系統(tǒng)框圖</b></p><p>　　5．硬件電路設(shè)計(jì)與計(jì)算</p><p>　　本電路總體

40、設(shè)計(jì)包括五部分：主機(jī)控制部分（89C52）、前向通道（溫度采樣電路）、后向通道（溫度控制電路）、鍵盤(pán)和數(shù)字顯示部分、微機(jī)控制及圖形顯示。</p><p>　　5．1 主機(jī)控制部分</p><p>　　此部分是電路的核心部分，系統(tǒng)的控制采用了單片機(jī)89C52。單片機(jī)89C52內(nèi)部有8KB單元的程序存儲(chǔ)器及256字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。因此系統(tǒng)不必?cái)U(kuò)展外部程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器這樣大大的減少了系統(tǒng)硬

41、件部分。</p><p>　　5．2 溫度采樣電路</p><p>　　系統(tǒng)的信號(hào)采集電路主要由溫度傳感器（AD590）、基準(zhǔn)電壓（7812）及A/D轉(zhuǎn)換電路（ADC0804）三部分組成。電路圖如圖4-2-1</p><p>　　圖4-2-1溫度采樣電路原理圖</p><p>　　AD590性能描述 測(cè)量范圍在-50℃--+150℃，滿(mǎn)

42、刻度范圍誤差為±0.3℃，當(dāng)電源電壓在5—10V之間，穩(wěn)定度為1﹪時(shí)，誤差只有±0.01℃ 。AD590為電流型傳感器溫度每變化1℃其電流變化1uA在35℃和95℃時(shí)輸出電流分別為308.2uA 和368.2uA 。</p><p>　　ADC0804性能描述 ADC0804為8bit的一路A/D轉(zhuǎn)換器，其輸入電壓范圍在0—5v，轉(zhuǎn)換速度小于100us，轉(zhuǎn)換精度0.39﹪。滿(mǎn)足系統(tǒng)的要求。

43、</p><p>　　（3） 電路原理及參數(shù)計(jì)算 溫度采樣電路的基本原理是采用電流型溫度傳感器AD590將溫度的變化量轉(zhuǎn)換成電流量，再將電流量轉(zhuǎn)換成電壓量通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器ADC0804將其轉(zhuǎn)換成數(shù)值量交由單片機(jī)處理。</p><p><b>　　圖4-2-2</b></p><p>　　如上圖4-2-2圖中三端穩(wěn)壓7812作為基準(zhǔn)電壓，由

44、運(yùn)放虛短虛斷可知運(yùn)放的反向輸入端ui的電壓為零伏，當(dāng)輸出電壓為零伏時(shí)，列出A點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)方程如下：</p><p>　　…………………………………………………………….(1)</p><p>　　由于系統(tǒng)控制的水溫范圍為35℃--95℃,所以當(dāng)輸出電壓為零伏時(shí)AD590的輸出電流為308.2uA,因此為了使Ui的電位為零就必須使電流等于電流等于308.2uA, 三端穩(wěn)壓7812的輸出電壓為12

45、v所以由方程(1)得 </p><p>　　……………………………………(2)</p><p>　　由方程(2)的取電阻R2=30k , R1=10k的電位器。又由于ADC0804的輸入電壓范圍為0—5v ，為了提高精度所以令水溫為95℃時(shí)ADC0804的輸入電壓為5v（即Uo=5v）。此時(shí)列出A點(diǎn)的結(jié)點(diǎn)方程如下:</p><p>　　………………………………………

46、(3)</p><p>　　當(dāng)水溫為95℃時(shí)AD590的輸出電流為368.2uA。由方程式（3）得</p><p>　　R4+R5=83.33k因此取R5=81k , R5=5k的電位器。</p><p>　　5．3 溫度控制電路</p><p>　　此部分電路主要由光電耦合器MOC3041和雙向可控硅BTA12組成。MOC3041光電耦合器

47、的耐壓值為400v，它的輸出級(jí)由過(guò)零觸發(fā)的雙向可控硅構(gòu)成，它控制著主電路雙向可控硅的導(dǎo)通和關(guān)閉。100Ω電阻與0.01uF電容組成雙向可控硅保護(hù)電路。控制部分電路圖如圖（4-3-1）。</p><p><b>　　圖4-3-1</b></p><p>　　5．4 鍵盤(pán)與數(shù)字顯示部分</p><p>　　在設(shè)計(jì)鍵盤(pán)/顯示電路時(shí)，我們使用單片機(jī)20

48、51做為電路控制的核心，單片機(jī)2051具有一個(gè)全雙工的串行口采用串口，利用此串行口能夠方便的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制和顯示功能。鍵盤(pán)/顯示接口電路如圖4-4-1。</p><p>　　圖4-4-1 鍵盤(pán)/顯示部分電路</p><p>　　圖4-4-1中單片機(jī)2051的P1口接數(shù)碼管的8只引腳，這樣易于對(duì)數(shù)碼管的譯碼，使數(shù)碼管能顯示設(shè)計(jì)者所需的各數(shù)值、小數(shù)點(diǎn)、符號(hào)等等。</p><

49、p>　　單片機(jī)2051的P3.3、P3.4、P3.5接3-8譯碼器74L138，譯碼器的輸出端直接接八個(gè)數(shù)碼管的控制端和鍵盤(pán)，鍵盤(pán)掃描和顯示器掃描同用端口這樣能大大的減少單片機(jī)的I/O，減少硬件的花費(fèi)。</p><p>　　鍵盤(pán)的接法的差別直接影響到硬件和軟件的設(shè)計(jì)，考慮到單片機(jī)2051的端口資源有限，所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)中將傳統(tǒng)的4*4的鍵盤(pán)接成8*2的形式（如圖4-4-2），鍵盤(pán)的掃描除了和顯示共用的8個(gè)端外

50、，另外的兩個(gè)端直接和2051的P3.2和P3.7相連。</p><p>　　圖4-4-2鍵盤(pán)接線(xiàn)</p><p>　　如圖4-4-2的接法已經(jīng)完全用完了單片機(jī)的15個(gè)I/O口，有效的利用了單片機(jī)的資源。</p><p>　　5．5 微機(jī)控制及圖形顯示部分 </p><p>　　為了使系統(tǒng)具有更好的人機(jī)交換界面，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中我們通過(guò)Visu

51、al Basic 語(yǔ)言設(shè)計(jì)了微機(jī)控制界面。通過(guò)系統(tǒng)與微機(jī)的通信大大的提高了系統(tǒng)的各方面性能。</p><p>　　由于單片機(jī)89C52串行口為T(mén)TL電平，而PC機(jī)為RS232電平，因此系統(tǒng)采用了MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片。</p><p>　　由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)了多機(jī)通信的功能，即主系統(tǒng)（89C52）和鍵盤(pán)及數(shù)字顯示部分的通信、主系統(tǒng)（89C52）和PC機(jī)的通信，所以在設(shè)計(jì)電路時(shí)要特別注意多機(jī)通信

52、的時(shí)序及競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題，針對(duì)此類(lèi)問(wèn)題在設(shè)計(jì)中我們特地的在兩根串行通信線(xiàn)上增加了如圖4-5-2的電路：</p><p><b>　　如圖4-5-2</b></p><p>　　如圖4-5-2由于主機(jī)部分發(fā)送兩個(gè)從機(jī)都可以接受，因此主機(jī)的發(fā)送部分（及主機(jī) TXD）不存在競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題。而兩個(gè)從機(jī)可能同時(shí)向主機(jī)發(fā)送各類(lèi)控制信息，因此會(huì)存在競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題。其實(shí)圖4-5-2為一個(gè)與門(mén)電路，圖中R

53、1為提升電阻，D1、D2為開(kāi)關(guān)二極管，當(dāng)pc TXD（或2051 TXD）中有一個(gè)為低電平時(shí)主機(jī)RXD為低電平，同時(shí)另一個(gè)分機(jī)無(wú)效，當(dāng)pc TXD（或2051 TXD）中有一個(gè)為高電平時(shí)主機(jī)RXD為高低電平。</p><p><b>　　圖4-5-3</b></p><p>　　圖4-5-3所示微機(jī)控制界面，具有溫度控制及顯示的功能。界面中下半部分為水溫的實(shí)測(cè)溫度

54、和給定溫度的數(shù)值顯示及對(duì)主系統(tǒng)（89C52部分）的控制界面，上半部分為水溫的實(shí)測(cè)溫度的逐點(diǎn)采樣及圖形顯示，通過(guò)此界面可以更直觀(guān)的顯示溫度的變化，并且通過(guò)對(duì)圖形的保存能方便的打印出水溫的變化曲線(xiàn)。</p><p><b>　　6．軟件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　6．1 鍵盤(pán)顯示程序流程：</p><p>　　圖5-1-1中的設(shè)定水溫、顯示溫

55、度、確定、取消、清零、輸出，均為各種子程序，1、2、3、4、5、6代表個(gè)子程序的應(yīng)用程序。</p><p>　　6．2 主程序流程圖：</p><p>　　主程序流程圖如圖5-2-1所示，程序主要完成以下的幾部分任務(wù)： </p><p>　　（1）初始化 設(shè)定各參數(shù)的初始值，設(shè)定各中斷及定時(shí)器。</p><p>　　（2）接收/發(fā)射

56、 此部分程序主要完成數(shù)據(jù)的控制及顯示，其主要通過(guò)89C52單片機(jī)的全雙工串行口完成和鍵盤(pán)部分的雙向通信。</p><p>　　（3）PC機(jī)通信 此部分完成與微機(jī)控制接口RS232的聯(lián)接及通信的控制。</p><p>　　（4）數(shù)值轉(zhuǎn)換子程序 由于主程序中用到了很多的數(shù)值轉(zhuǎn)換及數(shù)值的運(yùn)算（如十進(jìn)制轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制、雙字節(jié)與單字節(jié)的除法運(yùn)算等等），為了程序調(diào)用的方便，特地將其編寫(xiě)成子程

57、序的形式。</p><p>　?。?）PID算法 PID算法為此溫控系統(tǒng)的性能好壞的決定性因數(shù)。</p><p>　　序流程圖如圖5-2-1所示。PID為控制中最為成熟的一中算法，其一般算式及模擬控制規(guī)律表達(dá)式如下式（4-1）：</p><p>　　………………………………...（5-1）</p><p>　　式（4-1）中U（t）為控制

58、器的輸出;e(t)為偏差，即設(shè)定值與反饋值之差;Kc為控制器的放大系數(shù)，即比例增益；Ti為控制器的積分常數(shù);Td為控制器的微分時(shí)間常數(shù)。PID算法的原理即調(diào)節(jié)Kc、Ti、Td三個(gè)參數(shù)使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。</p><p>　　由于PID的一般算式不易與單片機(jī)的處理，因此我們?cè)谠O(shè)計(jì)中采用了增量型PID算法。將式（5-1）轉(zhuǎn)換成式（5-2）的形式：</p><p>　　………………………………………

59、…………………（5-2）</p><p>　　有式（5-3）可得：</p><p>　　……….……………….….……….（5-3）</p><p>　　有式（5-3）中的u(k)即輸出PWM波的倒通時(shí)間。</p><p>　　圖5-2-2 PID算法</p><p>　　7．測(cè)試方法與測(cè)試結(jié)果</p>

60、<p>　　7．1 系統(tǒng)測(cè)試儀器：</p><p>　　DH1718E-5 雙路跟蹤穩(wěn)壓穩(wěn)流電源</p><p>　　Tektronix TDS1002 數(shù)字示波器</p><p>　　偉福E6000/L 仿真器</p><p>　　GDM-8145多功能數(shù)字表</p><p><b>　　數(shù)字萬(wàn)

61、用表</b></p><p>　　P4 CPU2.4 內(nèi)存261.616RAM Haier機(jī)。</p><p>　　溫度計(jì)、調(diào)溫電熱杯、秒表</p><p>　　7．2 測(cè)試方法： </p><p>　?。?）在調(diào)溫電熱杯中放入1升清水，電熱杯和控制系統(tǒng)相連，給系統(tǒng)上電，系統(tǒng)進(jìn)入準(zhǔn)備工作狀態(tài)。</p><p

62、>　?。?）用溫度計(jì)測(cè)量及調(diào)節(jié)水杯中清水，水穩(wěn)為35℃，給系統(tǒng)調(diào)零。分別設(shè)定溫度為40℃、45℃、50℃、60℃、70℃、75℃、80℃、90℃，觀(guān)察設(shè)定溫度和實(shí)際溫度，并記錄數(shù)據(jù)。填寫(xiě)表6-1。</p><p>　?。?）觀(guān)察水溫變化的動(dòng)態(tài)情況，并記溫度穩(wěn)定的時(shí)間。填寫(xiě)表6-2。</p><p><b>　　7．3 測(cè)試結(jié)果</b></p>&l

63、t;p>　?。?）給定溫度與實(shí)測(cè)溫度的數(shù)據(jù)對(duì)比如表6-1</p><p>　　表6-1 誤差分析表</p><p>　　從表6-1中的數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)的誤差基本穩(wěn)定在正負(fù)0.3℃能很好的滿(mǎn)足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。</p><p>　?。?）溫度穩(wěn)定和時(shí)間的關(guān)系</p><p>　　設(shè)定溫度為50℃，每隔30s記錄實(shí)測(cè)溫度如表6-2</p&

64、gt;<p>　　表6-2 溫度穩(wěn)定速度關(guān)系表（設(shè)定溫度50℃）</p><p>　　從表6-2中的數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)運(yùn)行5分鐘時(shí)系統(tǒng)基本達(dá)到穩(wěn)定。</p><p>　　由微機(jī)逐點(diǎn)采樣所的曲線(xiàn)圖如圖6-3所示</p><p>　　圖6-3 溫度變化圖</p><p><b>　　8．設(shè)計(jì)總結(jié)</b><

65、/p><p>　　通過(guò)一個(gè)學(xué)期的努力，我成功的完成了此次設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中我們學(xué)會(huì)了很多知識(shí)的同時(shí)也鍛煉了自己的各方面能力。在設(shè)計(jì)的初期我也遇到了很多的困難，但通過(guò)自己的努力和老師的指導(dǎo)克服了種種困難。并在實(shí)現(xiàn)基本要求的同時(shí)擴(kuò)展了很多功能，比如和微機(jī)的通信等等。</p><p>　　雖然此次設(shè)計(jì)比較成功，比如說(shuō)溫度精度方面還好，但是電路還存在著很多不足之處，希望在今后我還能將其完善。<

66、/p><p><b>　　9. 附錄</b></p><p><b>　　附一：系統(tǒng)原理圖</b></p><p>　　附二：鍵盤(pán)/顯示部分PCB圖</p><p><b>　　附三：PCB圖</b></p><p><b>　　10. 參考文獻(xiàn)&

67、lt;/b></p><p>　　《8051單片機(jī)實(shí)踐與應(yīng)用》 吳金 清華大學(xué)出版社 2002.9</p><p>　　《全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽獲獎(jiǎng)作品精選》 北京理工大學(xué)出版社 2003.3</p><p>　　《單片微型機(jī)原理、應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)》 張友德 復(fù)旦大學(xué)出版社2003.6</p>