基于ATC单片机的温度控制新版专业系统设计.doc
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1、内容摘要伴随控制理论和电子技术发展,工业控制器适应能力增强和高度智能化正逐步成为现实。其中以单片机为关键实现数字控制器因其体积小、成本低、功效强、简便易行而得到广泛应用。PID温度控制器作为一个关键控制设备,在化工、食品等很多工业生产过程中得到了广泛应用。本文关键讨论在过程控制中得到广泛应用数字PID控制在单片机温度控制系统中应用和设计。本文具体叙述了基于单片机温度控制系统硬件组成、软件设计及相关接口电路设计。而且充足考虑了系统可靠性,采取了对应方法给予确保。从中发觉问题,并依据实际,提出硬件及软件设计方案,为优化目前单片机之温度探制系统问题提供一定参考及借鉴。关键词:单片机,温度控制,数据处
2、理目 录内容摘要I引 言21 温度测控技术发展和现实状况31.1 定值开关控温法31.2 PID线性控温法41.3 智能温度控制法42 系统总体设计方案52.1 系统性能要求及特点52.2 系统硬件方案分析62.3 系统软件方案分析73 硬件设计73.1 系统硬件总体结构73.2 主控模块器件选型及设计83.2.1 单片机选择83.2.2 单片机介绍93.2.3 主控模块设计93.3 输入通道设计103.3.1 Ptl00温度传感器103.3.2 AD转换123.4 输出通道设计143.4.1 温控箱功率调整方法143.4.2 可控硅输出电路153.5 串行通信接口电路153.6 电源电路16
3、3.7 硬件抗干扰方法164 软件设计174.1 软件设计思想174.2 软件组成184.3 主程序模块184.4 数据采集模块194.5 数据处理模块204.5.1 数字滤波204.5.2 显示处理214.6 软件抗干扰方法215 结论22参考文件23引 言在实际生产试验环境下,因为系统内部和外界热交换是难以控制,其它热源干扰也是无法正确计算,所以温度量改变往往受到不可估计外界环境扰动影响。为了使系统和外界能量交换尽可能符合大家要求,就需要采取其它手段来达成这么一个绝热目标,比如能够让目标系统外部环境温度和其内部温度同时改变。依据热力学第二定律,两个温度相同系统之间是达成热平衡,这么利用一个
4、和目标系统温度同时隔离层,就能够把目标系统和外界进行热隔离。另外,在大部分实际环境中,增温要比降温方便得多。所以,对温度控制精度要求比较高情况下,是不许可出现过冲现象,即不许可实际温度超出控制目标温度。尤其是隔热效果很好环境,温度一旦出现过冲,将难以很快把温度降下来。这是因为很多应用中只有加热步骤,而没有冷却装置。一样道理,对于只有冷却没有加热步骤应用中,实际温度低于控制目标温度,对控制效果影响也是很大。鉴于上述这些特点,高精度温度控制难度比较大,而且不一样应用环境也需要不一样控制策略。所以本文据此问题,经过查阅大量文件资料并结合目前温度测探技术实际应用情况进行分析,从中发觉问题,并依据实际,
5、提出硬件及软件设计方案,为优化目前单片机之温度探制系统问题提供一定参考及借鉴。1 温度测控技术发展和现实状况多年来,温度检测在理论上发展比较成熟,但在实际测量和控制中,怎样确保快速实时地对温度进行采样,确保数据正确传输,并能对所测温度场进行较正确控制,仍然是现在需要处理问题。温度测控技术包含温度测量技术和温度控制技术两个方面。在温度测量技术中,接触式测温发展较早,这种测量方法优点是:简单、可靠、低廉、测量精度较高,通常能够测得真实温度;但因为检测元件热惯性影响,响应时间较长,对热容量小物体难以实现正确测量,而且该方法不宜于对腐蚀性介质测温,不能用于超高温测量,难于测量运动物体温度。另外非接触式
6、测温方法是经过对辐射能量检测来实现温度测量方法,其优点是:不破坏被测温场,能够测量热容量小物体,适于测量运动物体温度,还能够测量区域温度分布,响应速度较快。但也存在测量误差较大,仪表指示值通常仅代表物体表观温度,测温装置结构复杂,价格昂贵等缺点。所以,在实际温度测量中,要依据具体测量对象选择适宜测量方法,在满足测量精度要求前提下尽可能降低投入。温度控制技术根据控制目标不一样可分为两类:动态温度跟踪和恒值温度控制。动态温度跟踪实现控制目标是使被控对象温度值按预先设定好曲线进行改变。在工业生产中很多场所需要实现这一控制目标,如在发酵过程控制,化工生产中化学反应温度控制,冶金工厂中燃烧炉中温度控制等
7、;恒值温度控制目标是使被控对象温度恒定在某一给定数值上,且要求其波动幅度(即稳态误差)不能超出某许可值。本文所讨论基于单片机温度控制系统就是要实现对温控箱恒值温度控制要求,故以下仅对恒值温度控制进行讨论。从工业控制器发展过程来看,温度控制技术大致可分以下多个:1.1 定值开关控温法所谓定值开关控温法,就是经过硬件电路或软件计算判别目前温度值和设定目标温度值之间关系,进而对系统加热装置(或冷却装置)进行通断控制。若目前温度值比设定温度值高,则关断加热器,或开动制冷装置;若目前温度值比设定温度值低,则开启加热器并同时关断制冷器。这种开关控温方法比较简单,在没有计算机参与情况下,用很简单模拟电路就能
8、够实现。现在,采取这种控制方法温度控制器在中国很多工厂传统工业电炉中仍被使用。因为这种控制方法是当系统温度上升至设定点时关断电源,当系统温度下降至设定点时开通电源,所以无法克服温度改变过程滞后性,致使被控对象温度波动较大,控制精度低,完全不适适用于高精度温度控制。1.2 PID线性控温法这种控温方法是基于经典控制理论中PID调整器控制原理,PID控制是最早发展起来控制策略之一,因为其算法简单、鲁棒性好、可靠性高等优点被广泛应用工业过程控制中,尤其适适用于可建立正确数学模型确实定性控制系统。因为PID调整器模型中考虑了系统误差、误差改变及误差积累三个原因,所以,其控制性能大大地优越于定值开关控温
9、。其具体控制电路能够采取模拟电路或计算机软件方法来实现PID调整功效。前者称为模拟PID控制器,后者称为数字PID控制器。其中数字PID控制器参数能够在现场实现在线整定,所以含有较大灵活性,能够得到很好控制效果。采取这种方法实现温度控制器,其控制品质好坏关键取决于三个PID参数(百分比值、积分值、微分值)。只要PID参数选择正确,对于一个确定受控系统来说,其控制精度是比较令人满意。不过,它不足也恰恰在于此,当对象特征一旦发生改变,三个控制参数也必需对应地跟着改变,不然其控制品质就难以得到确保。1.3 智能温度控制法为了克服PID线性控温法弱点,大家相继提出了一系列自动调整PID参数方法,jtf
10、lPID参数自学习,自整定等等。并经过将智能控制和PID控制相结合,从而实现温度智能控制。智能控温法以神经网络和模糊数学为理论基础,并合适加以教授系统来实现智能化。其中应用较多有模糊控制、神经网络控制和教授系统等。尤其是模糊控温法在实际工程技术中得到了极为广泛应用。现在已出现一个高精度模糊控制器,能够很好模拟人操作经验来改善控制能,从理论上讲,能够完全消除稳态误差。所谓第三代智能温控仪表,就是指基于智能控温技术而研制含有自适应PID算法温度控制仪表。现在中国温控仪表发展,相对国外而言在性能方面还存在一定差距,它们之间最大差异关键还是在控制算法方面,具体表现为中国温控仪在全量程范围内温度控制精度
11、比较低,自适应性较差。这种不足原因是多方面造成,如针对不一样被控对象,因为控制算法不足而造成控制精度不稳定。2 系统总体设计方案本论文所讨论基于单片机温度控制系统是某型号气相色谱仪温度控制子系统,其目标是对两个温控箱温度进行恒值温度控制。温控箱温度控制范围在室温到摄氏600之间,温度控制精度要求为0.1。下面讨论系统总体设计方案,包含:系统性能要求及特点和系统软、硬件方案分析。2.1 系统性能要求及特点(1)系统性能要求:(a)能够人为方便地经过控制面板或PC机设定控制期望温度值,系统应能自动将温控箱加热至此设定温度值并能保持,直至重新设定为另一温度值,即能实现温度自动控制;(b)能够实现对温
12、控箱温度测量而且经过控制面板上液晶显示实时显示出来;(c)含有加热保护功效安全性要求。假如实际测得温控箱温度值超出了系统要求安全温度,保护电路就会做出反应,从而对温控箱实现超温保护;(d)模块化设计,安装拆卸简单,维修方便;(e)系统可靠性高,不易出故障;(f)尽可能采取经典、通用器件,一旦损坏,易于在市场上买到一样零部件进行替换。(2)系统特点:鉴于上述系统功效要求和智能仪表应含有体积小、成本低、功效强、抗干扰并尽可能达成更高精度要求。本系统在硬件设计方面含有以下特点:控制主板采取AT89C52作为关键芯片。作为和MCS-51系列兼容单片机,不管在运算速度,还是在内部资源上均可胜任本系统性能
13、要求。依据温控箱测温范围要求,本系统适合采取Ptl00铂电阻作为温度传感器,而Ptl00铂电阻在大温度范围内测温时表现出不可忽略非线性不容忽略,所以在温度测量过程中必需对铂电阻温度传感器非线性进行优化,从而提升系统温度测量正确度。本文采取最小二乘法拟合方法对铂电阻非线性进行优化。为了简化系统硬件,控制量采取双向可控硅输出,这么就省去了DA转换步骤。整个系统遵照了冗余标准及以软代硬标准,并尽可能选择经典、常见、易于替换芯片和电路,为系统开放性、标准化和模块化打下良好基础。系统扩展和配置在满足功效要求基础上留有合适裕量,以利于扩充和修改。2.2 系统硬件方案分析现在,温度控制仪硬件电路通常采取模拟
14、电路(Analog Circuit)和单片机(Microcontroller)两种形式。模拟控制电路各控制步骤通常由运算放大器、电压比较器、模拟集成电路和电容、电阻等外围元器件组成。它最大优点是系统响应速度快,能实现对系统实时控制。依据计算机控制理论可知,数字控制系统采样速率并非越快越好,它还取决于被控系统响应特征。在本系统中,因为温度改变是一个相对缓慢过程,对温控系统实时性要求不是很高,所以模拟电路优势得不到表现。另外,模拟电路依靠元器件之间电气关系来实现控制算法,极难实现复杂控制算法。单片机是大规模集成电路技术发展产物,属于第四代电子计算机。它是把中央处理单元CPU(Central Pro
15、cessing Unit)、随机存取存放器RAM(Random Access Memory)、只读存放器ROM(Read only Memory)、定时计数器和IO(InputOutput)输入输出接口电路等关键计算机部件全部集成在一块集成电路芯片上微型计算机,它特点是:功效强大、运算速度快、体积小巧、价格低廉、稳定可靠、应用广泛。由此可见,采取单片机设计控制系统,不仅能够降低开发成本,精简系统结构,而且控制算法由软件实现,还能够提升系统兼容性和可移植性。另外,伴随微电子技术和半导体工业不停创新和发展,片上系统SOC(System On Chip)得到了十足发展。部分厂家依据系统功效复杂程度,
16、将这种SOC芯片应用到优异控制仪表中。SOC芯片通常含有一个微处理器核(CPU),同时,它还含有多个外围特殊功效模块和一定规模存放器(RAM和ROM),而且这种片上系统通常含有用户自定义接口模块,使得其功效很强大,适用领域也很广。它不仅能满足复杂系统性能需要,而且还使整个系统电路紧凑,硬件结构简化。从实现复杂系统功效和简化硬件结构角度出发,SOC是实现温度控制系统最好选择,但现在市场上SOC价格还比较昂贵,而且SOC封装形式几乎全部采取贴片式封装,不利于试验电路板搭建。从降低成本,器件供货渠道充足角度看,应用单片机实现温度控制系统是比较经济实用。现在,市面上单片机不仅种类繁多,而且在性能方面也
17、各有所长。AT89C52单片机是ATMEL企业出品和MCS51系列兼容低电压、高性能CMOS 8位单片机。本系统选择AT89C52为关键器件组成控制系统。另外,在选择外围扩展芯片时,本着节省成本标准,尽可能选择经典、易于扩展和替换芯片及器件。2.3 系统软件方案分析现在,MCS-51单片机开发关键用到两种语言:汇编语言和C语言。和汇编语言相比,C语言含有以下特点:(1)含有结构化控制语句结构化控制语言显著特点是代码和数据分隔化,即程序各个部分除了必需信息交流外相互独立。这种结构化方法可使程序层次清楚,便于使用、维护及调试;(2)适用范围广和可移植性好同其它高级语言一样,C语言不依靠于特定CPU
18、,其源程序含有良好可移植性。现在,主流CPU和常见MCU全部有C编译器。加之集成开发环境KEIL编译生成代码效率很高(仅比汇编语言生成代码效率低10一15)。所以,本系统软件选择使用C语言开发。因为整个系统软件比较复杂,为了便于编写、调试、修改和增删,系统程序编制适合采取模块化程序结构,故要求整个控制系统软件由很多独立小模块组成,它们之间经过软件接口连接,遵照模块内数据关系紧凑,模块间数据关系松散标准,将各功效模块组织成模块化软件结构。温度控制算法方面,在对温控箱数学模型辨识基础之上,结合本温控系统要求采取了经典PID控制算法,这关键是因为PID控制相对来说算法简单、鲁棒性好和可靠性高。另外,
19、在设计PID控制器时,依靠经验和试验方法在系统调试时确定PID控制器参数KP、KI、KD,然后用代码实现了算法。3 硬件设计3.1 系统硬件总体结构本文所研究温度控制系统硬件部分按功效大致能够分为以下多个部分:单片机主控模块、输入通道、输出通道、保护电路等。硬件总体结构框图图1所表示。由结构框图可见,温度控制系统以AT89C52单片机为关键,并扩展外部存放器组成主控模块。温控箱温度由Ptl00铂电阻温度传感器检测并转换成微弱电压信号,再经过16位AD转换器AD7705转换成数字量。此数字量经过数字滤波以后,首先将温控箱温度经过控制面板上液晶显示器显示出来;其次将该温度值和设定温度值进行比较,依
20、据其偏差值大小,采取PID控制算法进行运算,最终经过控制双向可控硅控制周期内通断占空比(即控制温控箱加热平均功率大小),进而达成对温控箱温度进行控制目标。假如实际测得温度值超出了系统给定极限安全温度,保护电路会做出反应,从而保护温控箱。保护电路设定温度值温控箱加热部件AD转换时钟电路可控硅温度显示串行通信温度传感器MCU图1 硬件总体结构框图3.2 主控模块器件选型及设计3.2.1 单片机选择针对一定用途,合适选择所使用单片机是十分关键。对于明确应用对象,选择功效过少单片机,无法完成控制任务;选择功效过强单片机,则会造成资源浪费,使产品性能价格比下降。现在,市面上单片机不仅种类繁多,而且在性能
21、方面也各有不一样。在实际应用中,针对不一样需求要选择适宜单片机,选择单片机时要注意下几点:(1)单片机基础性能参数,比如指令实施速度,程序存放器容量,中止能力及IO口引脚数量等;(2)单片机增强功效,比如看门狗,双串口,RTC(实时时钟),EEPROM,CAN接口等;(3)单片机存放介质,对于程序存放器来说,Flash存放器和OTP(一次性可编程)存放器相比较,最好是选择Flash存放器:(4)芯片封装形式,如DIP封装,PLCC封装及表面贴附封装等。选择DIP封装在搭建试验电路时会愈加方便部分;(5)芯片工作温度范围符合工业级、军品级还是商业级,假如设计户外产品,必需选择工业级芯片;(6)单
22、片机工作电压范围,比如设计电视机遥控器时,使用2节干电池供电,最少选择单片机能够在1.8V3.6V电压范围内工作;(7)单片机抗干扰性能好;(8)编程器和仿真器价格,单片机开发是否支持高级语言和编程环境要好用易学;(9)供货渠道是否通畅,价格是否低廉,是否含有良好技术服务支持。依据上面所述标准,结合本系统实际情况综合考虑,本文讨论温度控制系统选择ATMEL企业生产AT89C52单片机作为主控模块关键芯片。3.2.2 单片机介绍本系统选择ATMEL企业生产AT89系列单片机中AT89C52,AT89C52单片机是一个新型低功耗、高性能8位CMOS微控制器,和工业标准MCS-51指令系列和引脚完全
23、兼容。含有超强三级加密功效,其片内闪电存放器(Flash Memory)编程和擦除完全用电实现,数据不易挥发,编程擦除速度快。3.2.3 主控模块设计主控模块电路由AT89C52单片机、外部时钟电路、复位电路、存放器扩展电路组成。因为AT89C52内部存放器容量不能满足本系统需求,所以需要对其存放器进行扩展。这里选择用紫外线擦写64K8EPROM 27512和静态数据存放器8K8SRAM 6264扩展单片机存放器。存放器扩展时,AT89C52P0口作为数据总线和低8位地址线,P2口作为高8位地址线。因为P0口分时复用所以需要使用地址锁存器74HC373对低8位地址进行锁存。单片机复位是由外部复
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