温度传感器温度控制设计

1系统总体设计1.1系统总体设计方案设计框图如下所示：图1-1系统框图1.2单元电路方案的论证与选择硬件电路的设计是整个实验的关键部分，我们在设计中主要考虑了这几个方面：电路简单易懂，较好的体现物理思想；可行性好，操作方便。在设计过程中有的电路有多种备选方案，我们综合各种因素做出了如下选择。1.2.1温度信号采集电路的论证与选择采用温度传感器DS18B20美国DALLAS公司的产品可编程单总线数字式温度传感器DS18B20可实现室内温度信号的采集，有很多优点：如直接输出数字信号，故省去了后继的信号放大及模数转换部分，外围电路简单，成本低;单总线接口，只有一根信号线作为单总线与CPU连接，且每一只都有自己唯一的64位系列号存储在其内部的ROM存储器中，故在一根信号线上可以挂接多个DS18820,便于多点测量且易于扩展。DS18B20的测温范围较大，集成度较高，但需要串口来模拟其时序才能使用，故选用此方案。DS18B20单线智能温度传感器的工作原理DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最近推出的一种改进型智能温度传感器,与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9-12位的数字值读数方式。DS18B20单线智能温度传感器的性能特点采用单总线专用技术，既可通过串行口线，也可通过其它I/O口线与微机接口，无须经过其它变换电路，直接输出被测温度值（9位二进制数，含符号位）；测温范围为-55°C—+125°C，测量分辨率为0.0625^；内含64位经过激光修正的只读存储器ROM；适配各种单片机或系统机；

用户可分别设定各路温度的上、下限;内含寄生电源；1.2.4DS18B20的内部结构框图如图1-2所示：I/OCVde图1-2DS18B20I/OCVde图1-2DS18B20内部结构它采用3脚它采用3脚PR—35封装或8脚SOIC封装其管脚封装如图1-3所示。BOTTOMVIEWZJNCZJNCZJNC图1-3DS18B20BOTTOMVIEWZJNCZJNCZJNC图1-3DS18B20的引脚排列1.2.5输入输出通道及其接口设计1）温度检测模拟输入通道设计如图1-4所示：

V/K比槐熟件+3Sgal*V/K比槐熟件+3S而1裁匚_?tLK洲(S253)CPU图1-4输入通道原理图

设V/F变换器的额定输出频率为F,计数器对输出脉冲的计数时间为Ts,A/D转CPU换结果的分辨率为i,则有：2'

T一

sF

s取Ts=1s,则在V/F的输出频率范围0〜10kHz内，可以得到13位的A/D转换结果。品闸管数字触发输出通道设计品闸管的工作方式有：调压方式如图1-5所示：图1-5调压方式原理图调压方式：是通过利用移相触发脉冲调节品闸管的导通角，使输入到电加热元件的电压改变，达到调节用电器的输入功率，来实现控制目的。(2)调功方式调功方式：触发电路采用的是过零触发方式，外加正弦电压过零时控制信号才使晶闸管的触发导通，则负载上得到的电压是一个正弦波，如图1-6所示

图1-6波形图调功方式输入电炉的平均功率为：nU2P NRP——输入电炉的功率；R——负载有效电阻；U——电网电压；n——允许导通的波头数；N——设定的波头数。当n=0时，电炉的输入功率为零；n=N时，电炉的输入功率为满功率。由以上分析可得品闸管数字触发输出通道设计，如图1-7和图1-8所示：同步脉冲h图1-8波形图3） 拨码盘给定输入通道拨码盘作为数字量的输入设备，设定和修改码盘值可作为控制系统的给定值。输入非数字信息时，需要事先将非数字信息转换为数字代码，再由拨码盘输入。4） 数码显示输出通道包括：数字量输出接口电路；锁存译码驱动电路；七

段数码管显示器。5）打印机输出通道包括：系统配置了通用打印机接口电路；打印内容包括表头、制表、采样数据和采样时间。1.2.6模数转换的选择模数转换亦称模拟一数字转换，与数/模（D/A）转换相反，是将连续的模拟量（如象元的灰阶、电压、电流等）通过取样转换成离散的数字量。例如，对图象扫描后，形成象元列阵，把每个象元的亮度（灰阶）转换成相应的数字表示，即经模/数转换后，构成数字图象。通常有电子式的模/数转换和机电式模/数转换二种。在遥感中常用于图象的传输，存贮以及将图象形式转换成数字形式的处理。例如：图像的数字化等。 信号数字化是对原始信号进行数字近似，它需要用一个时钟和一个模数转换器来实现。所谓数字近似是指以N-bit的数字信号代码来量化表示原始信号，这种量化以bit位单位，可以精细到1/2F。时钟决定信号波形的采样速度和模数转换器的变换速率。转换精度可以做到24bit，而采样频率也有可能高达1GHZ，但两者不可能同时做到。通常数字位数越多，装置的速度就越慢。1.2.7模数转换的过程论证模数转换包括采样、保持、量化和编码四个过程。在某些特定的时刻对这种模拟信号进行测量叫做采样，量化噪声及接收机噪声等因素的影响，采样速率一般取fS=2.5fmax。通常采样脉冲的宽度tw是很短的，故采样输出是断续的窄脉冲。要把一个采样输出信号数字化，需要将采样输出所得的瞬时模拟信号保持一段时间，这就是保持过程。量化是将连续幅度的抽样信号转换成离散时间、离散幅度的数字信号，量化的主要问题就是量化误差。假设噪声信号在量化电平中是均匀分布的，则量化噪声均方值与量化间隔和模数转换器的输入阻抗值有关。编码是将量化后的信号编码成二进制代码输出。这些过程有些是合并进行的，例如，采样和保持就利用一个电路连续完成，量化和编码也是在转换过程中同时实现的，且所用时间又是保持时间的一部分。1.2.8A/D的转换的原理顷sj™lA数字量输出（n位顷sj™lA数字量输出（n位）输入模拟电压ADC:采程-保持电路采样展宽信号图1-9原理图1.2.9A/D的转换作用由于温度传感器采集到的是模拟电压信号，而计算机只识别数字信号，因此必须经过A/D转换，将采集到的模拟信号转换为数字信号才能被计算机识别，其转换的温度才能通过LED数码管显示。1.351单片机的简介MCS-51系列单片机是Intel公司在总结MCS-48系列单片机的基础上于20世纪80年代初推出的高档8位单片机。MCS-51系列的制成及发展与HMOS工艺的发展密切相关，HMOS是高性能的NMOS工艺。1.3.1MCS-51系列单片机内部结构MCS-51系列单片机内部采用模块式结构，其结构组成框图如图1-10所示：程序存储器数据存储器程序存储器数据存储器图1-10MCS-51系列单片机组成框图由图1-10可见，MCS-51系列单片机主要由以下部件通过片内总线连接而成：中央处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM）、并行输入/输出口（P0口乍3口）、串行口、定时器/计数器、中断控制、总线控制及时钟电路。1.3.2引脚定义引脚是单片机和外界进行通信的通道连接点，用户只能通过引脚组建控制系统。从应用的角度来看，引脚的应用是单片机应用的一个重要基础。由于工艺及标准化等原因，芯片的引脚数量是有限的，但单片机为实现控制所需要的信号数目却远远超过其引脚数目。为解决这一矛盾，单片机的某些信号引脚被赋以双重功能。如图1-11所示：

P1.0Pl.lPl2Pl3PL4Pl,5Pl6Pl7RST/VpDRXD/P3.0TXO/P3.P1.0Pl.lPl2Pl3PL4Pl,5Pl6Pl7RST/VpDRXD/P3.0TXO/P3.1INTO/P3.2INT1/P3.3T0/P3.4T1/P3.5WR/P3.6RD/P3.7XTAL2XTAL1GNE)012345678901CM47/89-1111111110987654321098765432143333333333222222222nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnVCcPO.O/ADOP0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6PO.7/AD7EA/VppALE/PROGPSENP2.7/A15P2.6/A14P2.5/A13P2.4/A12P2.3/A11P2.2/A1OP2.1/A9P2.0/A8VvCCP1P0P3P2RSTALEXTAL1PSEXTAL2— EASS图1-1140引脚PDIP封装的80C51单片机的引脚排列及逻辑符号图1、 电源及电源复位引脚：（1） VCC（40脚）：正常操作时接+5V直流电源。（2） Vss（20脚）：接地端。（3） RST/VpD（9脚）：复位信号输入端。在该引脚上输入一定时间（约两个机器周期）的高电平将使单片机复位。该引脚的第二功能是vpd，即备用电源输入端。当主电源发生故障，降低到低电平规定值时，可将+5V备用电源自动接入VpD端，以保护片内RAM中的信息不丢失，使复电后能继续正常运行。PD（4）EA/VPP（31脚）：访问程序存储器控制信号/编程电源输入。当EA保持高电平时，访问内部程序存储器，访问地址范围在0〜4KB内；当PC（程序计数器）值超过0FFFH，即访问地址超出4KB时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序；当EA保持低电平时，不管单片机内部是否有程序存储器，则只访问外部程序存储器（从0000H地址开始）。由此可见，对片内有可用程序存储器的单片机而言，或端应接高电平，而对片内无程序存储器的单片机，可将或接地。对于EPROM型单片机，在EPROM编程期间，此引脚用于施加21V的编程电源（VPP）。2、 时钟振荡电路引脚XTAL1和XTAL2：（1） XTAL1（19脚）：外接石英晶体和微调电容引脚1。它是片内振荡电路反向放大器的输入端。采用外部振荡器时此引脚接地。（2） XTAL2（18脚）：外接石英晶体和微调电容引脚2。它是片内振荡电路反向放大器的输出端。采用外部振荡器时此引脚为外部振荡信号输入端。3、 ale/E（30脚）：低8位地址锁存控制信号/编程脉冲输入。在系统扩展时，ALE用于把P0口输出的低8位地址锁存起来，以实现低8位地址和数据的隔离。在访问外部程序存储器期间，ALE信号两次有效；而在访问外部数据存储器期间，ALE信号一次有效。对于EPROM型单片机，在EPROM编程期间，此引脚用于输入编程脉冲布。4、 有（29脚）：外部程序存储器的读选通信号输出端，低电平有效。在从外部程序存储器取指令（或常数）期间，此引脚定时输出负脉冲作为读取外部程序存储器的信号，每个机器周期PSEN两次有效，此时地址总线上送出的地址为外部程序存储器地址；在此期间，如果访问外部数据存储器和内部程序存储器，不会产生PSEN信号。5、 并行双向输入/输出（I/O）口引脚：（1） P0口的P0.0~P0.7引脚（39~32脚）：8位通用输入/输出端口和片外8位数据/低8位地址复用总线端口。（2） P1口的P1.0~P1.7引脚（1~8脚）：8位通用输入/输出端口。（3） P2口的P2.0~P2.7引脚（28~21脚）：8位通用输入/输出端口和片外高8位地址总线端口。（4） P3口的P3.0~P3.7引脚（10~17脚）：8位通用输入/输出端口，具有第二功能。1.3.3主要功能和特性（1） 可以仿真63K程序空间，接近64K的16位地址空间；（2） 可以仿真64Kxdata空间，全部64K的16位地址空间；（3） 可以真实仿真全部32条IO脚；（4） 完全兼容keilC51UV2调试环境，可以通过UV2环境进行单步，断点，全速等操作；（5） 可以使用C51语言或者ASM汇编语言进行调试；（6） 可以非常方便地进行所有变量观察，包括鼠标取值观察，即鼠标放在某变量上就会立即显示出它此的值；（7） 可选使用用户晶振，支持0—40MHZ晶振频率；（8） 片上带有768字节的xdata,您可以在仿真时选使用他们，进行xdata的仿真；（9） 可以仿真双DPTR指针；（10） 可以仿真去除ALE信号输出；（11） 自适应300-38400bps的所有波特率通讯；（12） 体积非常细小,非常方便插入到用户板中.插入时紧贴用户板，没有连接电缆，这样可以有效地减少运行中的干扰,避免仿真时出现莫名其妙的故障；（13）仿真插针采用优质镀金插针，可以有效地防止日久生锈，选择优质园脚IC插座，保护仿真插针，同时不会损坏目标板上的插座；（14） 仿真时监控和用户代码分离,不可能产生不能仿真的软故障；（15） RS-232接口不计成本采用MAX202集成电路，串行通讯稳定可靠，绝非一般三极管的简易电路可比。2系统框图2.1系统原理图给定值—(gig)出〔温度门原料油 图2-1系统原理图2.2系统框图由系统原理图可画出系统的结构框图为2-2系统框架图闭环控制系统是指控制器与被控对象之间既有顺向控制又有反向联系的控制系统。闭环控制系统：优点一一不管任何扰动引起被控变量偏离设定值，都会产生控制作用去克服被控变量与设定值的偏差。因此闭环控制系统有较高的控制精度和较好的适应能力，其应用范围非常广泛。缺点---闭环控制系统的控制作用只有在偏差出现后才产生，当系统的惯性滞后和纯滞后较大时，控制作用对扰动的克服不及时，从而使其控制质量大大降低。在闭环控制系统中，根据设定值的不同形式，又可分为定值控制系统，随动控制系统和程序控制系统。

3温度系统控制器的设计由以上分析可知，锅炉的温度控制系统可以近似为二阶系统，可表示为，设采样周期T=0.5s。s(s+1)3.1计算广义对象的脉冲传递函数1-e一Tss(s+1)(1z-1)+1)(1z-1)+1)(1zT)(1z-1)(1-z-1)2zT(1-e-Tz一1)-(1-z一顷1-e-Tz-1)+(1-z-1)2(1-z-1)(1-e一Tz-1)z-1[(e-T+t-1)+(1-e-T-te-T)z-1]把T=0.5s、(1-z一顷1-e-Tz一1把T=0.5s、z-1(1+0.832)z-1e-Tz-1(1+0.832)z-10.107G(z)= (1-z-1)(1-0.607z-1)3.2①(z)的计算zz一N-1(1-e-T/T)由于①(z)=(1-e-Tz一1)此处N=0、T=0.5s，t是整个系统(包括数字控制器和被控对象)的时间常数，代入上式得zT(1-e-T/T)(1-e-T膏z一1)由于G决z由于G决z)=1-①(z)所以G(z)=1-①(z)=e(1-e-T/Tz一1)3.3数字控制器的设计由数字控制器的公式把式（3）中的Q（乙）和把式（3）中的Q（乙）和ge0.934(1-e-T/T)(1-0.607z-1)D(z)= 1+0.832z-13.4消除振铃现象由于直接用大林算法构成的闭环控制系统时，数字控制器的输出U（z）会以1/2的采样频率大幅度上下摆动，我们把这种现象叫做振铃现象。振铃现象与被空对象的特性、闭环时间常数、采样周期、纯滞后时间的大小等有关，振铃现象中的震荡是衰减的，并且由于被控对象中惯性环节的低通特性，使得这种震荡对系统输出几乎无任何影响，但是振铃现象却会增加执行机构的磨损。所以要想尽办法消除振铃现象。由于令z=-1附近的极点会引起振铃现象，为消除振铃令现象，令z=-1附近的极点的z=1，代入上式得D(z)=0.510(1—e-t/TX1—0.607z-1)4硬件设计本控制系统原理框图如图1所示，它由以下几个模块构成：信号转换及调理电路、数据采集模块、数据显示模块、脉宽调制控制及驱动电路和执行机构。1 : 2 : 3图4-1系统硬件电路4.1信号转换及调理电路信号转换调理就是将温度信号转化为电信号，然后调理为可采集的电压信号。具体电路如图4-2所示：+土利 4-LSV图4-2信号转换及调理电路4.2数据采集模块通过A/D转换器将输入的模拟电压量转换为数字量，并通过并行接口芯片将

A/D转换器米用高精度的A/D转换器米用高精度的MC14433，图4-3为MC14433的典型电路图。Eaann»I»n»iFkMM皿-MEaann»I»n»iFkMM皿-MPMsisnu辫需界3落M畿KtME图4-3MC14433典型电路图MC14433是三位半十进制（即11位二进制数）的双积分式模数转换器,转换速率为4-10Hz，它无控制启停信号，一旦上电，就不断地转换。转换结果采用BCD码动态扫描输出，它的千位、百位、十位、个位的BCD码输出为分别与DS1、DS2、DS3、DS4输出高电平是相对应，由于它们无三态特性，不可与PC机直接相连，因此要通过并行接口芯片相连接。又因为MC14433无内部参考电压源，因此利用低温漂的集成化的精密电源MC1403来产生稳定的参考电压。4.3数据显示模块PC机将采集到的温度值经处理后送往LED数码管上显示，并在屏幕上打印出控制曲线。这部分可利用PC微机总线接口实验装置上的现有资源，在实验装置信号转换及调理电路上本模块提供了六个LED数码管，CPU通过两个端口来驱动LED数码管，分别为段输出选通端和位选通端。数据的输出显示采用动态扫描方式，利用眼睛的视觉惯性来实现稳定的数字显示。4.4脉宽调制控制及驱动电路脉宽调制控制及驱动部分的原理图（图中包括执行机构部分）如下图4-4所示：

7TIJITEl士sCftPkhmeB^氐UA础EnKgassTJlMS7TIJITEl士sCftPkhmeB^氐UA础EnKgassTJlMS图4-4脉宽调制控制及驱动电路本电路用于完成反馈控制的功能，利用PC机输出的经PID控制算法处理后的误差信号去控制产生具有一定占空比的脉冲，并送往驱动电路进行脉冲放大。改变占空比的调节方法有脉宽调制(PWM)和脉频调制(PFM)。由原理图可知本系统采用PWM方式，即工作频率不变，通过改变后级电路的导通与截止比来改变占空比。图上所示各点的波形具体体现了本电路的工作过程。4.5执行机构这部分电路比较简单，由双向可控硅(品闸管)及电路组成，见图所示。品闸管一旦触发，管子就导通，把控制信号减少甚至完全去掉，它仍然导通，只有当阳极电流减少到维持电流以下，管子才会截止。不过双向可控硅则无所谓阴、阳极。本电路可控硅采用BT138600E，见图4-5所示，其中T1：主端子T2：主端子G：门极图4-5BT138600E电路5软件设计5.1系统控制程序的任务（1）系统初始化。（2） 多路模拟转换开关的切换控制。（3） 温度反馈信号采样和数字滤波、线性化处理。（4） 读给定输入值，且将BCD码转换为二进制码。（5） 完成系统的控制算法和控制输出。（6） 定点或巡回显示温度值和网带速度值。（7） 定时打印时间、温度和网带运行速度。（8） 按控制功能将程序分成三个程序模块：5.2系统初始化程序模块系统初始化包括：（1） 设置堆栈；（2） 清除动态数据缓冲区；（3） 初始化打印缓冲区；（4） 设置计数器的控制字和计数初始值；（5） 设置时钟系统的初始值；（6） 设置控制算法程序的初始值；（7） 系统中断控制初始化等。如图5-1为初始化模块流程图设置控制算法程序中断服务程序的任务:(中断服务程序的任务:(1)(2)(3)5.45.3外部中断服务程序模块读取A/D转换结果，以BCD码的形式送到数码管中显示。读取温度给定值并将BCD码转换为二进制码。外部中断产生ls钟内，将多路模拟转换开关切换到下一个通道。定时打印程序模块实现任务：实时时钟程序；根据设定时间完成打印控制。如图5-2为定时打印程序模块流程图图5-2定时打印程序模块流程图6系统仿真分别进行给定值变化和干扰变化仿真，并与PID控制的变化加以比较，整理得出如图6-1所示的波形图：图6-1燃烧系统的内模控制与PID控制的阶跃响应曲线由图6-1可以看出，内模控制比普通PID控制更能获得良好的动态效应，稳定速度快，超调量减小，抗干扰能力强。系统投入运行之后，满足了系统的控制要求。该系统操作简便，使用维护方便，性能可靠；采用微机控制，提高了产品质量；改善了劳动条件，消除了人为因素；易于现代化管理和产品质量分析。总结通过这次单片机控制技术课程设计使我对所学的单片机控制技术理论知识有了深层次的理解和掌握，增强了自己对所学单片机控制技术理论知识的灵活运用，增强了自己的独立思考和创新综合素质能力，尤其是运用理论知识解决实际问题的能力。通过本次课程设计把自己所学的单片机控制技术分散理论知识联系起