基于单片机的远程温度控制系统设计论文

在温度采集方法上，通常是利用热电偶把热化为电信号，再通过A/D转换得到温度及调试等，希望它能给初级电子制作爱好者带来一些无线电通信和温度控制的基本常1、温度控制的发展及意义工作，无时无刻不在与温度打着交道。自18世纪工业革命以来，工业发展对是否能掌乎%80的工业部门都不得不考虑着温度的因素。1、利用所学的知识设计远程温度控制系统。电烤箱温度可在一定范围内由人工设定，温度信号检测方案自行确定，用单片机采用PID控制算法实现温度实时控误差1度，超调量<2.5%,系统温度调节时间ts<4分钟。控制输出采用脉冲移相触发可控硅来调节加热有效功率。控制温度范围室温--125℃,用十进制数码显示箱内的温(3)发射距离：≥500m(4)误码率：≤10-6电烤箱传感器键盘控制C11图2.0系统总体设计框图图2.1键盘控制面示意图移一位；K4,K5的功能分别是加1和减1;K2,K3,K6分别是向从系统00,01,10采用典型的反馈式温度控制系统，如图2.2所示。数字PID控制在生产过程中是一种最普遍采用的控制方法，在冶金行业中获得广泛的应用。下面简单介绍PID控制的基本原理、数字PID控制算法及其改进和PID的参数整定及其发展。2.4.1PID控制原理在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制。PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成控制偏差e(t)=r(t)-c(t)。将偏差u(t)=Kp[e(t)+1/Tiʃe(t)dt+Tdde(t(1)比例环节：及时成比例地反映控制系统的偏差信号e(t),偏差一旦产生，控制(2)积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用取决于积分时间常数Ti,Ti越大，积分作用越弱，反之则越强。(3)微分环节：能反映偏差信号的变化趋势(变化速率),并能在偏差信号值变得2.4.2数字PID控制算法在计算机控制系统中，使用的是数字PID以一系列的采样时刻点kT代表连续时间t,以和式代替积分，以增量代替微分，作近似(1)位置式PID控制算法对e(k)进行累加，计算机运算工作量大。而且，因为计算机输出的u(k)对应的是执行(2)增量式PID控制算法所谓增量式PID是指数字控制器的输出只是控制量的增量。式中A=Kp(1+T/Ti+Td/T)①由于计算机输出增量，所以误动作时影响小，必要时可用逻辑判断的方法去②手动/自动切换时冲击小，便于实现无扰动切换。此外，当计算机发生故障时，③算式中不需要累加。控制增量的确定，仅与最近K次的采样值有关，所以较容易2.4.3改进的数字PID控制算法大。一些原来在模拟PID控制器中无法实现的问题，在引入计算机以后决，于是产生了一系列的改进算法：积分分离PID控制算法、遇限削弱积分PID控制算法、不完全微分PID控制算法、微分先行PID控制算法和带(1)积分分离PID控制算法(2)遇限削弱积分PID控制算法(3)不完全微分PID控制算法(4)微分先行PID控制算法(5)带死区的PID控制算法引起的振荡，可采用带死区的PID控制。设死区为e0,当|e(k)|≤e0时，令e际控制对象由实验确定。若e0值太小，使控制动作过于频繁，达不到稳定被控对象的2.4.4PID参数整定(1)要使控制系统的过程过渡时间尽量短(2)最大偏差和超调量要小(3)扰动作用后减幅振荡的次数尽量少(1)理论整定法：所谓理论整定法是从PID调节规律的概念出发，根据对象的特性②要使超调量尽量小，使系统减幅振荡，应选较大的P,较长的Ti和尽可能短Td(2)经验法：实际上是一种试凑法。PID参数预先放在哪里以及反复试凑的程序是10)min;Td为(0.5～3)min。试凑程序可先用P,再加I,最后再D。炉温控制的准确度，2.5可行性分析(1)主系统采用键盘输入方式设定温度值并显示；(2)利用无线电进行通信；(3)一对多点通信，对各通信点进行编址；(4)对温度进行控制；(5)温度信号采集。①选用常用的89S51单片机作为控制器；②选用带地址编码的编码芯片PT2262以及与之配套的解码芯片PT2272。③选用发射模块F05T和接收模块J04T进行无线电通信。体积封装形式；温度测量范围为一55℃~+125℃,可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃,被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出；其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联到3根或23.1.1DS18B20的内部结构DS18B20内部结构如图3.1所示。8位CRC生供电方式M和 口每个DS18B20的64位序列号均不相同。64位ROM的排的循环冗余校验码(CRC=X8+X5+X4+1)。ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根一23O实物中管脚排列NC8765413.2DS18B20的管脚排列+25.0625℃的数字输出为0191H,—25.0625℃的数字输出为FF6FH,一55℃的数字输出为FC90H。温度值低字节MSBLSBSSSSS011111R1RO=“01”,10位精度，最大转换时间为187.5ms;R1RO=“10”,11位精度，最大转换时间为375ms;R1RO=“11”,12位精度，最大转换时间为750ms;未编程时默认为12高速暂存器是一个9字节的存储器。开始两个字节包含被测温度的数字量信息；第7、8字节未用，表现为全逻辑1;第9字节读出的是前面所有8个字节的CRC码，可用3.1.2DS18B20的工作时序传输。其工作时序包括初始化时序、写时序和读时序，如图3.3(a)(b)(c)所示。(a)(a)初始化时序Vo-写时序(c)读时序图3.3DS18B20的工作时序图3.1.3DS18B20与单片机的典型接口设计图3.4以MCS—51系列单片机为例，画出了DS18B20与微处理器的典型连接。采用外接电源方式，其VDD端用3V～5.5V电源供电。图3.4(c)DS18B20与微处理器的典型连接图3.2.1.1主要特性：3.2.1.2主要功能介绍PO口：PO口为一个8位漏级开路双向IP3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/0口，可接收输出4个TTK5的功能分别是加1和减1;K2,K3,K6分别是向从系统00,01,10发送温度设定3.2.3LED数码管显示电路在微机控制系统中，一般利用N位LED数码管组成N位LED显示器。一般有两种显片机有大量实时数据需要处理时，最好采用这种方法；其缺点是需要显示码锁存电路，增加了硬件的复杂性。动态显示方法是把N位数码管的相同名称的段码连在一起(即，把所有数码管的a段连在一起引出一条线作为段选，其余类同)由8条线控制，而位选线由其它的I/0口控制。比如，4位动态LED显示电路只需要12条I/0口线，其中8本次设计采用封装在一起的4位共阳极数码管作为显示器，外加PNP型三极管作为驱动，采用动态显示方法，由PO口控制段选，P2口控制位选。其电路如图3.6中右上3.2.4在线代码下载电路Atmel89Sxx芯片都具有在线编程功能(In-SystemProgramming),其串行编程模式更是容易操作，其编程电路如图3.7所示。在图3.晶振频率的1/16,即，如果选用的晶振频率为33MHz,编程时钟信号的频率则不能超过2MHz。如果要将其和电脑连接实现在线编程则还需要外加一些电路。通常的做法是用以烧写.Hex文件了(当然需要软件支持)。3.2.5驱动电路设计施也往往就近设在驱动电路中，或者通过驱动电路来实现，这使方案一：交流电源降压后用一个电容交连到单片机，从方案二：交流电源的通断由单片机通过光电耦合器件控安全性可靠性高。驱动控制电路与单片机的接口设计电路如图3.9所示：3.2.5.2双向可控硅BTA12(1)双向可控硅可以认为是一对反并联联接的普通晶闸管组成，其电气图形符号如图3.10中右边部分，它有两个主电极1和2,一个门极3。门极使器件在主电极的正控制电路比较简单，所以在交流调压电路、固态继电器(SolidStateRelay—SSR)(2)双向可控硅驱动电路：双向可控硅作为电力控制器件，广泛应用于控制系统课程设计中作为固态继电器进光电隔离器件选用双向可控硅输出型(如MOC3020、MOC3021),R2选用330Ω的电阻。控制端输入采用低电平有效的方式。电路如图3.10输出端的额定电压为400V,最大输出电流为1A,最大隔离电压为7500V,输入端控制电除了显示电路以外，为了系统运行的安全，设计了如图3.11所示的报警电路。如图3.11所示，温度失控报警的启动端接P3.3,.H3.7为上限报警指示红灯，L3.63.3无线收/发电路设计3.3.1编码/解码电路设计多可有12位(A0-A11)三态地址端管脚(悬空，接高电平，接低电平),任意组合可提供串行输出，可用于无线遥控发射电路。DO,D1,D2,D3,D4共五位数据位接单片机I/0了数据的并行输入，串行输出。因为单片机中每一个字节有8位，而PT2262中的数据口最多只有6位，所以需要把每个字节分为两半，先发送高4位，后发送低4位。为了区别示接收到的是低4位。PT2262收到从单片机传来的数据后，需要同时启动编码，否则17●车辆防盗系统●家庭防盗系统●遥控玩具●其他电器遥控图3.12PT2262的引脚图表3.1说明说明地址管脚，用于进行地址编码，可置为“0”,“1”,“f”(悬空)数据输入端，有一个为“1”即有编码发出，内部下拉电源正端(十)电源正端(-)编码启动端，用于多数据的编码发射，低电平有效振荡电阻振荡器输出端编码输出端(常低)管脚9名称参数符号参数范围单位电源电压VVV最大功耗工作温度C贮存温度Cf分图3.14振荡脉冲与编码脉冲编码的宽度越大，发码一帧的时间越长.推荐值：2262/4.7M/2272/820K3.3.1.2解码电路设计图3.15PT2272的引脚图●CMOS工艺制造，低功耗●外部元器件少●Rc振荡电阻●工作电压范围：2.6-15v●数据最多达6位●地址码最多达531441种●车辆防盗系统●家庭防盗系统●遥控玩具●其他电器遥控表3.3PT2272的管脚说明名称管脚说明空)必须与2262一致，否则不解码地址或数据管脚，当做为数据管脚时，只有在地址码与2262一致，数据管脚才能输出与2262数据端对应的高电能转换电源正端(十)9电源正端(-)数据信号输入端，来自接收模块输出端参数符号参数范围电源电压VVV最大功耗工作温度—20——+70C贮存温度C符号典型值电源电压2V电源电流输出驱动电流259V0V示“0”;两个宽脉冲表示“1”;一个窄脉冲和一个宽脉冲表示“F”也就是地址码的图3.18Din和VT的波形示意图数据输出管脚(瞬态型)数据输出管脚(锁存型)数据字图3.19瞬态型和锁存型PT2272数据输出波形示意图4路并行数据时(PT2272-M4),对应的地址编码应该是8位，如果采用6路的并行数据图3.20F05T的引脚功能图工作电压1正电源3-12V发射频率频率稳定度2地工作温度发射电流3数据信号输入发射功率调制方式4外接天线天线天线o-b-461234启动A7789235图3.21F05T典型应用电路设计编码脉冲对F05进行调制发射，通过测试F05工作电流可大致判断F05是否处于正常发射F05系列采用SMT工艺，树脂封装，声表线遥控及数据传输。F05T具有较宽的工作电压范变近。当低于300HZ或高于10K的频率信号发射效率会变的很差是不能发射的。如采用单片机请选用F05P或F05C,在无数据时须将单片机输出口设为径0.5-1毫米，长度(433M)18厘米(315M)24厘米的漆包线代替。但天线必3.3.2.2接收电路设计主要性能参数引脚功能工作频率1外接天线工作电压2数据反相输出端工作电流3数据输出端接收灵敏度4工厂测试端(悬空)电路结构5地最大数据速率6正电源+3v工作温度图3.22接收模块J04T内部结构图(2)J04T性能与J04R相同，与J04V引脚完全兼容，可直接替换。为方便后级电路(3)J04T最佳工作电压为3---3.5V(处于最高接收灵敏区)工作电压范围：再加220UF电解电容滤波给J04T供电，此时J04T输出能力可驱动一支发光二极管。如果从6V以上的电压用电阻降压会引起工作电压的不稳定。也可以从220V用电容降压整流滤波后用7805取得5V再用3.7K电阻降压滤波取得3.3V。不适合用稳压管串联分压。接(6)J04T无接收数据时输出为零电平状态，与J04T接口的器件无数据时也必须处(1)控制面板采用2*4式键盘；显示部分采用4位共阳极数码管，分时显示温度(4)发射部分采用F05T,接收部分4软件设计K0,K1的功能分别是左移一位和右移一位；K4,K5的功能分别是加1和减1;K2,K3,K6分别是向从系统00,01,10发送温度设定值的功能键。K7为清楚报警鸣(5)控制PID算法模块设计，即结合硬件使式Ui=Kp[ei+T/Ti(eO+el+e2+……)+Td/T(ei-e(i-1))]+u0=Ki*(r-y0)+Kp(y1-y0)+Kd*(y2+2=Ki*r-Ki*y0+Kp*y1-Kp*y0+Kd*y2-2*Kd*y的增量。增量型PID运算流程如图4.0所示。输入M(k).R(k)计算△Pp(k)Kp(EOc)-EOc-1)]计算△Pi(k)=KiE(k)2E(k-1)+E(k-2)回返4.4控制电路PWM驱动程序设计——PWM的波形图如图4.1所示.来说占空比是一个重要参数。1、改变占空比的4种方法：(1)定宽调频法这种方法是保持t1不变，只改变t2,这种使周期T(或频率)也随之改变。(2)调宽调频法这种方法是保持t2不变，而改变t1,这种使周期(或频率)也随之改变。(3)调宽调频法这种方法是同时改变t1,t2。这种使周期也随之改变。(4)定频调宽法这种方法是使用周期T(或频率)保持不变，而同时改变t1和t2。前两种方法由(2)软件模拟法利用单片机的一个I/0引脚，通过软件对该引脚不断的输出高低(3)专用PWM集成电路从PWM控制技术出现之日起，就有芯片制造商生产专用的区”调节功能，保护功能。在用单片机控制直流电动机中，使用专用PWM集成电路可以(1)主系统程序流程图如图4.2所示。(2)温度报警处理子程序流程图如图4.3所示。Y(3)副系统程序流程图：本系统中有软件和硬件的协调工作。由于系统模块较多且各模块间独立性较强、软件设计灵活的特点，我们采用先设计硬件，再设计软件；先分模块调试，再联起来整体调试的方法进行调试。5.1调试步骤由于硬件电路模块比较多，结构复杂，不可能第一步就进行联机调试。在进行硬件(6)整体调试。5.2模块调试K5的功能分别是加1和减1;K2,K3,K6分别是向从系统00,01,1按上图连接电路后，用示波器测量PT2262的17脚(数据输出脚)将会看到如图5.3所示的波形。如果发射、接收模块正常工作，在PT2272的数据输入端(即J04T数据输出引脚将会看到图5.4所示的波形。比较这两者的波形，可以看出这部分联合电路是正常5.2.4驱动电路模块调试也就失去了意义。驱动电路模块调试连接方法如图5.5所示。因为这部分电路用到220V5.2.5温度采集模块调试DS18B20,其硬件结构比较简单，总共只有三个引脚：数据、地、电源，但简单的硬件5.3整体调试的数据全为0,这是就需要不断修改程序。首先，在主系统中设定副系统1的地址并向2、编码解码电路采用通用的PT2262/PT2274、在电路的设计中充分考虑了系统的可靠性和安全性。经过精心同时达到各项设6.1.1误码仪测试原理误码仪由发端模块和收端模块两部分组成。发端模块产生连续或者突发的比特流，(1)发端模块产生原始数据，并使其通过被测通信系统构成的信道；(2)收端模块产生与发端相同码型、相同相位的数据流；(3)将收到的数据流与收端产生的本地数据流逐比特地比较，并进行误码统计；(4)根据误码统计结果，计算出相应的误码率，并输出误码指示。6.1.2误码率测试误码率Pe:二进制数据位传输时出错的概率。误码仪测试原理如图6.1所示。只要对两个序列逐位比较，就可以进行误码统计了。在误码测试逻辑中，接收到的总比特数与误码个数均以二进制方式存储在内部的逻辑向量中。它们最高非0比特所处的位置之差实际上反映了误码率的指标不，只要根据这个差值就可以大致估计出误码率，本系统的误码率≤10-6。6.2发射/接收频率测试在前面说过，发射接收模块期望频率都为433M,但由于制作过程存在误差，实际应用中的频率不一定为433M,现做了如图6.2所示的测试。经过测试，系统的发射、接收频率都约为430M,与期望的433M基本接近。注意，因为频率比较高，用一般的低频示波器是无法测出频率来的，图6.2只是一个测试示意图，实际测试中发射、接收模块频率测试是不共地的。双通道示波器双通道示波器PT22726.3数据传输速率测试(1)数据传输速率是指通信线上传输信息的速度。有两种表示方法，即信号速率和调制速率。①信号速率S:指单位时间内所传送的二制位代码的有效位数，以每秒多少比特数计，即bit/s、b/p、位/秒。信号速率的高低，由每位所占的时间决定，若一位数据所占的时间越小，则信号速率越高。设T为传输的电脉冲信号的宽度或周期，N为电脉冲信号所有可能的状态数，则信号速率为S=1/T×log2N(bps)。②调制速率B:是脉冲信号经过调制后的传输速率，以波特(BAUD)为单位，通常用于表示调制器之间传输信号的速率。表示每分钟传送多少电信号单元，若T(秒)表示调制周期，则调制(2)利用高频示波器观察编码输出(发射模块输入)和解码模块输入(接收模块输出)的波形，记录波形的周期，并通过计算，得到发射接收速率都约为1200bit/s。KEY0,KEY1的功能分别是左移一位和右移一位；KEY4,KEY5的功能分别是加1和减1;KEY2,KEY3,KEY6分别是向从系统00,01,10发送温度设定值的功能键。K7为清楚报警鸣声且熄灭报警提示红绿灯。温度传感器的测温范围在-55度——125度，而实际上低于室内的温度在调试环境下是不存在的，所以键盘控制输入应在室内温度 (大约25℃)到125℃之间。键盘设定值设定并在数码管上显示后，选择要控制的从系统，按2号键向从系统00发送温度设定值，按3号键向从系统01发送温度设定值，按6号键向从系统10发送温度设定值，对各从系统进行分时控制。从系统收到设定值后对电烤箱的温度进行控制，并把实际检测到的温度值送主控系统，并显示出来。7号键用于清除失控报警鸣声，同时熄灭报警指示灯。经过几天的连续反复测定并校准，在设定范围内都能达到指标的要求，可控，误差不是太大，但是因为温度信号的检测滞后使得无论是电烤箱内的温度还是经过温度传感器DS18B20测量，单片机计算控制显示的数值总是有一定的滞后和超调，但是最后都能稳定在设定的温度值左右，不会超过误差范围，也就意味着该毕业设计的制作达到了设计的要求——可控，可调。主系统的单片机是一个可直接在线烧写程序的系统