基于单片机的温度检测与控制.doc

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1、摘要工业生产中温度控制具有单向性、时滞性、大惯性和时变性的特征,要实现温度控制的快速性和准确性,对于提高产品质量具有很重要的现实意义。课题针对温度控制的特点及实现准确温度控制的意义,设计了一种基于单片机的控制系统。设计容包括硬件和软件两个部分。硬件电路以AT89S52单片机为微处理器,详细设计了温度信号采样电路,键盘及显示电路,温度控制电路,报警电路,时钟信号电路。软件部分主要对PID算法进行了数学建模和编程。PID参数整定采用的是归一参数整定法。本设计由键盘电路输入设定温度信号给单片机,温度信号采集电路采集现场温度信号给单片机,单片机根据输入与反馈信号的偏差进行PID计算,输出控制信号给温度

2、控制电路,实现降温。显示电路实现现场温度的实时监控。本系统实现简单,硬件要求不高,且能对温度进行时实显示,具有控制过程的特殊性,本设计提出了一种基于PID算法来实现恒温控制的温度控制系统,主要是为了达到生产过程中对温度控制速度快,准确性高等特点。关键词 PID算法 温度控制ABSTRACTIndustrial production is a one-way temperature control, delay, the inertia and time-varying characteristics, To achieve the rapid temperature control and a

3、ccuracy, improving the quality of products is a very important practical significance. The temperature control issues against the characteristics and achieve precise control of temperature, Based on the design of a PID temperature control system. Design elements include hardware and software in two

4、parts. Hardware circuit to AT89S52 MCU for microprocessors, for the detailed design of the microcontroller to provide electricity supply circuit, Temperature signal sampling circuit, keyboard and display circuits, such as heating control circuit four circuit module. Software major part of the PID al

5、gorithm is a mathematical modeling and programming. PID tuning parameters are used to a fixed parameter. The circuit design of the keyboard input from the set temperature signal to the microcontroller, Temperature Signal Acquisition Circuit collect temperature signal to the microcontroller, Accordin

6、g to SCM input and feedback signal, the error for PID, the output control signals to the heating control circuit, Heating and achieve stop. Show circuit scene of the real-time monitoring of temperature. The system is simple, and hardware, but also the real-time temperature, with the particularity of

7、 the control process, The design of a PID algorithm based on the temperature control to achieve the temperature control system, the main aim is to achieve the production process for the temperature control speed, high accuracy. Key word PID algorithm temperature control目录第一章绪论11.1 引言11.2 方案的论证31.2.1

8、 方案一利用单片机实现温度控制系统31.2.2 方案二利用PLC实现恒温控制系统31.2.3 方案三利用模拟PID调节的恒温控制系统41.3设计方案4第二章温度检测与控制系统的硬件设计62.1 AT89S52单片机简介62.1.1 AT89S52单片机资源简介62.1.2 AT89S52单片机信号引脚介绍72.1.3 AT89S52单片机时钟和复位电路82.2 温度传感器92.2.1 温度传感器PT100102.2.2 温度变送器SWB102.2.3 模数转换单元112.3 键盘和显示电路132.3.1 键盘电路132.3.2 LED显示器简介132.3.3 LED显示电路162.4 报警电路

9、172.5 温度控制电路17第三章温度检测与控制系统的软件设计193.1 PID调节器控制原理193.2 位置式PID算法203.3 数字PID参数的整定203.3.1 采样周期选择的原则213.3.2 PID参数对系统性能的影响213.4 PID计算程序233.5 系统相关软件设计273.5.1 系统的软件设计方案273.5.2 系统软件设计框图273.5.3 主程序的设计283.5.4 主程序的起始地址及初始化283.5.5 LED的显示子程序293.5.6 键盘处理子程序设计303.5.7 报警电路和加温电路程序设计303.5.8 传感器电路程序设计31第四章设计总结33致34结束语35

10、参考文献36附录37第一章 绪论1.1 引言电加热温度控制具有升温单向性、大惯性、大滞后性和时变性的特点。例如：其升温单向性是由于电加热的升温、保温主要是通过电阻加热；降温则通常是依靠自然冷却,当温度一旦超调,就很难用控制手段使其降温,因而很难用数字方法建立精确的模型,并确定参数。应用传统的模拟电路控制方法,由于电路复杂,器件太多,往往很难达到理想的控制效果。由于无法用精确的数学方法来建立模型并确定参数,本设计采用PID控制。目前工业自动化水平已成为衡量各行业现代化水平的一个重要标准,同时控制理论的发展也经历了经典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣

11、机等；而自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。控制器的输出经过输出接口、执行机构加在被控系统上,控制系统的被控量经过传感器、变送器通过输入接口送到控制器。不同的控制系统,其传感器、变送器和执行机构都不一样。比如压力控制系统要采用压力传感器,而温度控制系统要采用温度传感器。目前PID控制及其控制器或智能PID控制器已经很多,产品已在工程实际中得到广泛的应用,各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器,其中PID调节器参数是自动调节是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现,有利用PID调节控制实现压力、温度、流量、

12、液位的控制。能实现PID控制功能的有PLC和一些PC机。传统的PID控制电路结构复杂,需配合相应的可控硅控制电路来完成功率的调控。针对它具有器件多、生产成本高、电路调试复杂的缺点,本恒温自动控制系统的设计中应用AT89S52的单片机进行数字PID运算,能充分发挥软件系统的灵活性,在必要时针对PID算法进行修正,使其更加完善,固态继电器的功率调节电路,极简化了执行电路,与单片机的接口也变得十分的方便,同时只需要更换不同输出功率的固态继电器,就可满足不同功率加热系统的需要。由于设计的系统对温度动、静态指标要求要求不高,且允许有一定的温度偏差和允许调节的时间较长时,最流行控制方法还是继电接触器控制系

13、统。因此本设计采用若继电接触器控制系统。整个设计系统电路简单、调试方便、实际应用可达到理想的精度。随着集成电路技术的发展,单片微型计算机的功能也不断地增强,许多高性能的新型机种不断的涌现出来,单片机以其集成度高、功能强、体积小可靠性高、价格低和开发周期短等特点,成为自动化和各个测控领域中应用广泛的器件,在工业生产中,称为必不可少的器件,尤其是在当要求控制精度高,而成本低的社会里,往往都是采用单片机作为数字控制器取代模拟控制器。在温度控制系统中,单片机最是起到了不可替代的核心作用。而PID控制技术在现在最为成熟,控制结构简单,参数容易调整,不必求出被控对象的数学模型就可以调节,所以在恒温控制系统

14、常采用PID算法。PID是比例proportional、积分intergal和微分三者的缩写。PID调节器的三个基本参数kp、ki积分系数、kd的选择非常重要,它将直接影响一个控制系统的准确性。而三个环节在实际控制中的作用：1、比例调节作用：比例反映系统的偏差,系统一旦出现偏差,比例调节立即产生调节作用,用于减少偏差。比例作用大,可以加快调节,减少误差,但过大的比例使系统的稳定性下降,甚至造成系统不稳定；2、积分调节作用：是使系统消除静态误差,提高无差度。因为有误差,积分调节就进行,直至无差,积分调节就停止。积分调节输出为一常值,积分作用的强弱取决于积分时间常数 Ti. Ti越小,积分作用就越

15、强；反之Ti越大,积分作用就越弱。加入积分调节可使系统稳定性下降,动态响应变慢,积分作用常与另两种调节规律结合,组成PI调节或PID调节；3、微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率,具有预见性,能预见偏差变化的趋势。因此能产生超前的控制作用。在偏差还没有形成之前,已被微分调节作用消除。因此微分调节可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适的情况下,可以减少超调,减少调节时间。微分作用对噪音干扰有放大作用,因此过强的微分作用,对系统抗干扰不利。此外微分反映的是变化率,而当输入没有变化时,微分作用的输出为零。微分作用不能单独使用,需要与另外两种调节规律相结合,组成PD调节器或PID调节器。

16、大多数温度控制系统均建立在模型上,难以满足加工工艺要求,故引入模糊控制,采用模糊PID算法,运用AT89S52单片机对电阻炉温度实现智能控制,可以解决上述种种不足,从而实现高精度的控制。PID控制器问世至今已有近70年历史,它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握,或得不到精确的数学模型时,控制理论的其它技术难以采用时,系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定,因此本次设计应用PID控制技术最为有效。1.2 方案的论证1.2.1方案一利用单片机实现温度控制系统利用单片机系统实现温度恒定的控制,其总体结构图如图1-1所

17、示。系统主要包括现场温度采集、实时温度显示与报警装置和系统核心AT89S52单片机作为微处理器。 温度传感器单片机LED 显 示键 盘报 警控 制 电 路图1-1 方案一的系统总体结构框图温度采集电路以数字量形式将现场温度传至单片机。单片机结合现场温度与用户设定的目标温度,按照已经编程固化的模糊控制算法计算出实时控制量。以此控制量控制固态继电器开通和关断,以决定温度控制电路的工作状态,使温度不超过目标值。在温度接近或达到目标值时,单片机通过采样回的温度与设置的目标温度比较做出相应的控制,使设备温度下降。系统运行过程中的各种状态参量均可由LED实时显示。1.2.2 方案二利用PLC实现恒温控制系

18、统利用PLC实现对酒槽温度的控制,其控制系统采用PLC控制实现自动控制方式,来达到控制温度的恒定。智能型电偶温度表将置于被测对象中,热电偶的传感器信号与恒定温度的给定电压进行比较,构成闭环系统,生成温差电压Vt,PLC自适应恒温控制电路,根据Vt的大小计算出全通、间接导通和全断的自适应恒温控制电路,并将占空比可调的控制电平经输出隔离电路去控制可控硅门极的通断,实现自适应的恒温控制。若温度升的过快,PLC也将输出关断电平信号转换为可控硅电路相匹配的输入信号。1.2.3方案三利用模拟PID调节的恒温控制系统基于模拟PID调节的恒温控制系统由数字电路部分和模拟电路两部分组成,其控制系统的机构框图如图

19、1-2所示。由按键设定某一温度,单片机对设定温度值进行查表计算后转换为对应的电压数字值,通过16位的数模转换器得到与之精确对应的电压信号,此电压值于热敏电阻实际测量的电压值进行比较产生一个误差信号,经过PID电路后,获得一个控制量给制冷元件构成实时闭环系统,同时实际测量的电压值并显示在LED屏上。 温度传感器单 片机键 盘 数码管DAADPID电路反馈电路制冷原件图1-2 方案三的系统结构框图1.3 设计方案无论是工农业生产中,还是日常生活中,对温度的检测和控制都是必不可少的,对于温度的检测通常是采用热敏电阻在通过A/D模/数转换得到数字信号。而对于温度控制的方法也有很多：如单片机控制、PLC

20、控制、模拟PID调节器和数字PID调节器等等。采用单片机除了能实现PID数字控制外,还能实现监控、数据采集、数字显示等其他功能。综合考虑,本设计采用单片机来实现温度的控制。对于方案一,采用单片机实现恒温控制,虽然该方案成本低,可靠性高,抗干扰性强,但对于系统的动态性能与稳态性能要求较高的场合是不合适的；而对于方案二,采用PLC实现恒温控制,由于PLC成本高,且PLC是外围系统配置复杂,不利于我们的设计,由于数字PID调节,运算量大,只要选择合适的参数对于温度的控制精度往往能达到较好的效果。为了使设计的成本低、抗干扰强,系统动态性能与稳态性能好的前提下,设计方案的总体结构框图如图1-3所示。单片

21、机 温度传感器键 盘 LED 显 示报 警温 度 控 制 电 路数 字 时 钟图1-3 设计总体结构框图第二章 温度检测与控制系统的硬件设计考虑到尽量降低成本和避免与复杂的电路,此系统所用到的元器件均为常用的电子器件。而主控器采用低功耗、高性能、片含8k byte可反复檫写的Flash 、只读程序器CMOS8位单片机AT89S52；温度传感器采用PT100热电阻；采用控制端TTL电平,即可实现对继电器的开关,使用时完全可以用 NPN型三极管接成电压跟随器的形式驱动；单片机所需要的+5V工作电源是通过220V交流电压通过变压、整流、稳压、滤波得到。实时控制的显示器、键盘通过单片机来完成键盘扫描与

22、输出动态显示。2.1 AT89S52单片机简介2.1.1 AT89S52单片机资源简介图2-1 AT89S52AT89S52的结构如图2-1所示。由于它的广泛使用使得市面价格较8155、8255、8279要低,所以说用它是很经济的。该芯片具有如下功能：有1个专用的键盘/显示接口；有1个全双工异步串行通信接口；有2个16位定时/计数器。这样,1个89S52,承担了3个专用接口芯片的工作；不仅使成本大大下降,而且优化了硬件结构和软件设计,给用户带来许多方便。AT89S52有40个引脚,有32个输入端口I/O,有2个读写口线,可以反复擦除。所以可以降低成本。主要功能特性：1兼容MCS51指令系统23

23、2个双向I/O口线33个16位可编程定时/计数器中断 42个串行中断口 52个外部中断源62个读写中断口线7低功耗空闲和掉电模式88k可反复擦写1000次Flash ROM9256x8bit部RAM10时钟频率0-33MHz11可编程UART串行通道12共6个中断源133级加密位14软件设置睡眠和唤醒功能。2.1.2 AT89S52单片机信号引脚介绍输入输出口线口8位双向口线 口8位双向口线口8位双向口线 口8位双向口线ALE 地址锁存控制信号在系统扩展时,ALE用于控制把口输出的低8位地址送入锁存器锁存起来,以实现低位地址和数据的分时传送。此外由于ALE是以六分之一晶振频率的固定频率输出正脉

24、冲,因此可作为外部定时脉冲使用。 外部程序存储器读选通信号在读外部ROM时,有效,以实现外部ROM单元的读操作。 访问程序存储趋控制信号但信号为低电平时,对ROM的读操作限定在外部程序存储器；而当信号为高电平时,则对ROM的读操作是从部程序存储器开始,并可延续至外部程序存储器。RST 复位信号当输入的复位信号延续2个机器周期以上高电平时即为有效,用以完成单片机的复位操作。和 外接晶体引线端当使用芯片部时钟时,此二引线端用语外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时,用于接外部时钟脉冲信号。 地线 +5V电源2.1.3 AT89S52单片机时钟和复位电路时钟电路图 2-2时钟电路单片机部有一个高增

25、益反向放大器,输入端为芯片引脚,输出端为引脚。而在芯片外部和 之间跨接晶体振荡器和微调电容,从而构成一个稳定的自激振荡器。晶体震荡频率高,则系统的时钟频率也高,单片机运行速度也就快,但反过来运行速度快对存储器的速度要求就高,对印制电路板的工艺要求也高,所以,这里使用震荡频率为6MHz的石英晶体。震荡电路产生的震荡脉冲并不直接是使用,而是经分频后再为系统所用,震荡脉冲经过二分频后才作为系统的时钟信号。在设计电路板时,振荡器和电容应尽量靠近单片机,以避免干扰。需要注意的是：电路板时,振荡器和电容应尽量安装得与单片机靠近,以减小寄生电容的存在更好的保障振荡器稳定、可靠的工作电路图如图2-2所示复位电

26、路单片机的复位电路分上电复位和按键复位两种方式。a上电复位：在加电之后通过外部复位电路的电容充电来实现的。当的上升时间不超过1ms,就可以实现自动上电复位,即接通电源就完成了系统的初始化电路原理图。RST上的电压必须保证在斯密特触发器的阀值电压以上足够长时间,满足复位操作的要求。 按键复位：程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时,为了摆脱困境,也需按复位键以重新启动。RST引脚是复位信号的输入端,复位信号是高电平有效。按键复位又分按键脉冲复位图2-3和按键电平复位。电平复位将复位端通过电阻与相连,按键脉冲复位是利用RC分电路产生正脉冲来达到复位的。图 2-3 复位电路 注意：因为按键脉冲复

27、位是利用RC微分电路产生正脉冲来达到复位的。所以电平复位要将复位端通过电阻与相连.如复位电路中R、C的值选择不当,使复位时间过长,单片机将处于循环复位状态。故本设计采用按键复位。2.2 温度传感器2.2.1 温度传感器PT100本系统以PT100为温度传感器获取温度信号。PT100温度传感器为正温度系数热电阻传感器,主要技术参数如下： 测量围：-200+850； 允许偏差值： A级 , B级 ； 响应时间30s； 最小置入深度：热电阻的最小置入深度200mm； 允通电流5mA。另外,PT100温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。鉑热电阻的线性较好,在0100摄氏度之间变化

28、时,最大非线性偏差小于0.5摄氏度。鉑热电阻阻值与温度关系为： -200t0时,； 0t850时,；式中,A=0.00390802；B=-0.000000580；C=0.42735。可见PT100在常温0100摄氏度之间变化时线性度非常好,其阻值表达式可近似简化为：,当温度变化1,PT100阻值近似变化0.39。2.2.2 温度变送器SWB本次设计中采用的温度变送器为SWB系列的温度变送器模块。此模块是为热电阻型温度传感器配套的4-20mA、二线制直流输出专用模块,性能稳定可靠,体积小巧,且安装方便。此模块书安全防爆型,具有较强的保护功能。由于两线制接法对测温精度影响较大,因此在本次设计中采用

29、三线制接法。接线图如图2-4 图2-4 温度采集模块 1、刚使用时变送器模块输出有微量偏差,属正常现象,微量校准即可。校准应加电5分钟后进行。 2、校准方法：1用电阻箱或其他信号源发生器代替热电阻按图1接线 。2按分度表。将电阻箱调至量程下限所对应的阻值,微调零点电位器,使电流表读数为4mA 。3按分度表,将电阻箱调至量程上限所对应的阻值,微调满肚电位器,使电流表读数为20mA 。4调试完毕必要时重复23步骤,使之满足要求。3、变送器模块与测温度点应保持一定距离,以保证模块的工作温度围不超过-25+85的围。2.2.3 模数转换单元8位串行A/D转换器ADC0809ADC0809是带有8位A/

30、D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式A/D转换器,可以和单片机直接接口。它是美国国家半导体公司的产品,是目前国最广泛的8 位通用的A/D转换的芯片。 ADC0809的部逻辑结构ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道,允许8路模拟量分时输入,共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量,当OE端为高电平时,才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。 引脚结构如图2-5 所示。图2-5 引脚结构IN0IN7：8条模拟量输入通道 ADC0809对输入模拟

31、量要求：信号单极性,电压围是05V,若信号太小,必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变,如若模拟量变化太快,则需在输入前增加采样保持电路。 地址输入和控制线：4条 ALE为地址锁存允许输入线,高电平有效。当ALE线为高电平时,地址锁存与译码器将A,B,C三条地址线的地址信号进行锁存,经译码后被选中的通道的模拟量送入转换器进行转换。A,B和C为地址输入线,用于选通IN0IN7上的一路模拟量输入。通道选择表如表2-1。表2-1通道选择CBA选择的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7数字量输出及控制线：11条 ST为转换启动

32、信号。当ST上跳沿时,所有部寄存器清零；下跳沿时,开始进行A/D转换；在转换期间,ST应保持低电平。EOC为转换结束信号。当EOC为高电平时,表明转换结束；否则,表明正在进行A/D转换。OE为输出允许信号,用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE1,输出转换得到的数据；OE0,输出数据线呈高阻状态。D7D0为数字量输出线。 CLK为时钟输入信号线。因ADC0809的部没有时钟电路,所需时钟信号必须由外界提供,通常使用频率为500KHZ。VREF,VREF为参考电压输入。ADC0809应用注意事项 ： ADC0809部带有输出锁存器,可以与AT89S52单片机直接相连。 初始化时,

33、使ST和OE信号全为低电平。 送要转换的哪一通道的地址到A,B,C端口上。 在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。 是否转换完毕,我们根据EOC信号来判断。 当EOC变为高电平时,这时给OE为高电平,转换的数据就输出给单片机了。ADC0809工作电路图如图2-6图 2-6 ADC0809接线图2.3 键盘和显示电路2.3.1 键盘电路由于本次设计中所需按键不多,因此键盘采用14的独立键盘。键盘的原理图如图 2-7图 2-7 键盘电路2.3.2 LED显示器简介在单片机应用系统中,如果需要显示的容只有数码和某些字母,使用LED数码管是一种较好的选择。LED数码管显示清晰、成本低廉、配置

34、灵活,与单片机接口简单易行。 LED数码管是由发光二极管作为显示字段的数码型显示器件。LED数码管按电路中的连接方式可以分为共阴极和共阳极两大类。共阳型是将各段发光二极管的正极连在一起,作为公共端COM,公共端COM接高电平,ag、dp各笔段通过限流电阻接控制端。某笔段控制端低电平时,该笔段发光,高电平时不发光。控制这几段笔段发光,就能显示出某个数码或字符。共阴型是将各数码发光二极管的负极连在一起,作为公共端COM接地,某笔段通过限流电阻接高电平时发光。LED数码管按其外形尺寸有多种形式,使用较多的是0.5英寸和0.8英寸；按显示颜色也有多种形式,主要有红色和绿色；按亮度强弱可分为高亮和普亮,

35、指通过同样的电流显示亮度不一样,这是因发光二极管的材料不一样而引起的。LED数码管的使用与发光二极管相同,根据其材料不同正向压降一般为1.52V额定电流为10mA,最大电流为40mA。静态显示时取10mA为宜,动态扫描显示可加大,加大脉冲电流,但一般不超过40mA。当LED数码管与单片机相连时,一般将LED数码管的各笔段引脚a、b、g、dp按某一顺序接到MCS51型单片机某一个并行I/O口D0、D1、D7,当该I/O口输出某一特定数据时,就能使LED数码管显示出某个字符。例如要使共阳极LED数码管显示0,则a、b、c、d、e、f各笔段引脚为低电平,g和dp为高电平,如表2-2。表2-2 共阳极

36、LED数码管显示数字0时各管段编码D7D6D5D4D3D2D1D0字段码显示数dpgfedcba11000000C0H0C0H称为共阳极LED数码管显示0的字段码,不计小数点的字段码称为七段码,包括小数点的字段称为八段码。LED数码管编码方式有多种,按小数点计否可分为七段码和八段码；按共阴共阳可分为共阴字段码和共阳字段码,不计小数点的共阴字段码与共阳字段码互为反码；按a、b、g、dp编码顺序是高位在前,还是低位在前,又可分为顺序字段码和逆序字段码。甚至在某些特殊情况下将a、b、g、dp顺序打乱编码。表2-3为共阴极和共阳极LED数码管几种八段编码表。表2-3 共阴极和共阳极LED数码管几种八段

37、编码共阴顺序小数点暗共阴逆序小数点暗共阳顺序小数点亮共阳顺序小数点暗dp g f e d c b a16进制a b c d e f g dp16进制00 0 1 1 1 1 1 13FH1 1 1 1 1 1 0 0FCH40HC0 H10 0 0 0 0 1 1 006H0 1 1 0 0 0 0 0 60H79HF9 H20 1 0 1 1 0 1 15BH1 1 0 1 1 0 1 0DAH24HA4 H30 1 0 0 1 1 1 14FH1 1 1 1 0 0 1 0F2H30HB0 H40 1 1 0 0 1 1 066H0 1 1 0 0 1 1 066H19 H99 H50 1

38、 1 0 1 1 0 16DH1 0 1 1 0 1 1 0B6H12 H92 H60 1 1 1 1 1 0 17DH1 0 1 1 1 1 1 0BEH02 H82 H70 0 0 0 0 1 1 107H1 1 1 0 0 0 0 0E0H78 HF8 H80 1 1 1 1 1 1 17FH1 1 1 1 1 1 1 0FEH00 H80 H90 1 1 0 1 1 1 16FH1 1 1 1 0 1 1 0F6H10 H90 HLED数码管显示电路在单片机应用系统中可分为静态显示方式和动态显示方式。 静态显示方式。在静态显示方式下,每一位显示器的字段需要一个8位I/O口控制,而且该I

39、/O口须有锁存功能,N位显示器就需要N个8位I/O口,公共端可直接接+5V共阳或接地共阴。显示时,每一位字段码分别从I/O控制口输出,保持不变直至CPU刷新显示为止。也就是各字段的亮灭状态不变。静态显示方式编程较简单,但占用I/O口线多,即软件简单、硬件成本高,一般适用显示位数较少的场合。 动态扫描显示方式。当要求显示位数较多时,为简化电路、降低硬件成本,常采用动态扫描显示电路。所谓动态扫描显示电路是将显示各位的所有相同字段线连在一起,每一位的a段连在一起,b段连在一起g段连在一起,共8段,由一个8位I/O口控制,而每一位的公共端共阳或共阴COM由另一个I/O口控制。这种连接方式由于将多位字段

40、线连在一起,当输出字段码时,由于多门同时选通,每一位将显示相同的容。因此要显示不同的容,必须采取轮流显示的方式。即在某一瞬间时,只让某一位的字位线处于选通状态共阴极LED数码管为低电平,共阳极为高电平,其他各位的字位线处于开断状态,同时字段线上输出这一位相应要显示字符的字段码。在这一瞬时,只有这一位在显示,其他几位暗。同样在下一瞬时,单独显示下一位,这样依次轮流显示,循环扫描。由于人的视觉滞留效应,人们看到的是多位同时稳定显示。本设计为动态显示,电路如图2-5所示。显示器由4个LED数码管组成。输入有12个信号,它们是段选信号P0.0P0.7和位选信号INT1、INT0、T1、T0。若想使LE

41、D发光则必须保证有足够大的电流流过LED的各段。流过LED的电流大时,LED发光亮度高；流过LED的电流小时,LED发光亮度就低,为了使LED 能够长期可靠地工作应使流过LED的电流为其额定电流。为LED显示器提供电流的电路称为LED的驱动电路。动态显示电路的驱动电路分为段驱动电路和位驱动电路两种。段驱动电路考虑到所有的段电流均流过位选线,因此位驱动电路的驱动能力应为段驱动能力的8倍。驱动电路可采用分立元件电路,也可采用集成驱动电路,此外有些硬件译码电路本身包括驱动电路。由于这里采用动态输出,且单片机的部结构决定了数码管可以直接由单片机驱动。因此采用分立元件的显示驱动电路也很简单。2.3.3

42、LED显示电路LED数码管显示原理图如图2-8。图2-8 LED数码管显示原理图2.4 报警电路报警电路原理如图2-9。图2-9 声光报警电路原理图2.5 温度控制电路 本次设计的温度控制主要通过调节固态继电器的通断时间来完成,当系统的温度过高时,通过停止加热器工作和水冷降温,是否通水由直动式电磁阀控制,电磁阀的工作状态与加热器正好相反,因此还需加一个常闭型的继电接触器,温度控制电路图如图2-10所示。图2-10 温度控制电路直动式电磁阀原理：通电时,电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起,阀门打开；断电时,电磁力消失,弹簧把关闭件压在阀座上,阀门关闭。在真空、负压、零压时能正常工作,但通径一

43、般不超过25mm。固态继电器的使用非常简单,只要在控制端加TTL 电平,即可实现对继电器的开关,使用时完全可以用NPN 型三极管接成电压跟随器的形式驱动。当单片机的P2.6 为高电平时,三极管驱动固态继电器工作接通加热器工作,当单片机的P2.6 为低电平时固态继电器关断,加热器不工作。第三章 温度检测与控制系统的软件设计在控制系统中,控制器最常用的控制规律是PID控制。PID控制系统原理框图如图3-1所示。系统由PID控制器和被控对象组成。3.1 PID调节器控制原理Rink +Youtk+被控对象比例微分积分图3-1 PID控制系统原理框图PID控制器是一种线性控制器,一种它根据给定值rin

44、与实际输出值yout构成控制偏差：Error=rin-youtPID控制就是对偏差信号进行比例、积分、微分运算后,形成一种控制规律。即,控制器的输出为：3.1或写成传递函数的形式：3.2左中, kp比例系数；Ti积分时间常数；T d微分时间常数。简单说来,PID控制器各校正环节的作用如下：（1） 比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信号error,偏差一旦产生,控制器立即产生控制作用,以减小偏差。比例控制： Gc= Kp（2） 积分环节：主要用于消除静差,提高系统的无差度。积分作用的强尽弱取决于积分时间常数Ti,Ti越大,积分作用越弱,反之则越强。积分控制：Gc = Kp/Tis（3） 微分环

45、节：反偏差信号的变化趋势变化速率,并能在偏差信号变得太大之前,在系统中引入一个有效的早期修正信号,从而加快系统的动作速度,减少调节时间。微分控制： Gc = KpTds3.2 位置式PID算法基本PID控制器的理想算式为式中u控制器的输出；e控制器的输入常常是设定值与被控量之差,即；Kp控制器的比例放大系数；Ti 控制器的积分时间；Td控制器的微分时间。设u为第k次采样时刻控制器的输出值,可得离散的PID算式式中为积分系数,为微分系数。由于计算机的输出u直接控制执行机构如阀门,u的值与执行机构的位置如阀门开度一一对应,所以通常称式为位置式PID控制算法。位置式PID控制算法的缺点：当前采样时刻的输出与过去的各个状态有关,计算时要对e进行累加,运算量大；而且控制器的输出u对应的是执行机构的实际位置,如果计算机出现故障,u的大幅度变化