浴室水温控制系统设计
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浴室水温控制系统设计摘要本文介绍了以51单片机为核心的温度控制器的设计,从硬件和软件设计两方面作了较为详尽的阐述。关键词:数据采集,温度调节,温控系统,51单片机 AbstractThis paper introduces a temperature control system that is based on the 51 single-chip computerThe hardware composition and software design are described in detail of this Control System of Water TemperatureKeywords :Data acquisition Temperature regulation Control system of water temperature 51 Single-chip Computer目 录1 绪论. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12 单片机简介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 2.1 单片机的由来. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 2.2 MSC-51 系列引脚图. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2 3 系统整体设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3.1设计要求. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 3.2 总体设计方案. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3.2.1 硬件电路总体设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 3.2.2 软件电路总体设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4 4 系统硬件设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5 4.1 传感器的选择. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5 4.1.1 温度传感器的选择. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5 4.1.2 流量传感器的选择. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6 4.2 温度调节器的选择. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9 4.3 硬件电路设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 4.3.1 AD590 外围电路设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104.3.2 电动单座调节阀的外围电路设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 4.3.3 键盘及显示的设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 4.3.4 掉电保护电路的设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 5 系统软件设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14 5.1 系统定义. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145.2 程序框图及主要程序功能. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145.2.1 主程序模块. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .155.2.2 温度测量子程序框图. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165.2.3 调整设定温度子程序框图. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17设计总结. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 附录(显示子程序). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19致谢. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21参考文献. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22PID 是比例,积分,微分的缩写.比例调节作用:是按比例反应系统的偏差,系统一旦出现了偏差,比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大,可以加快调节,减少误差,但是过大的比例,使系统的稳定性下降,甚至造成系统的不稳定。积分调节作用:是使系统消除稳态误差,提高无差度。因为有误差,积分调节就进行,直至无差,积分调节停止,积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数 Ti,Ti 越小,积分作用就越强。反之 Ti 大则积分作用弱,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 调节器或 PID 调节器。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,可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下,可以减少超调,减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用,因此过强的加微分调节,对系统抗干扰不利。此外,微分反应的是变化率,而当输入没有变化时,微分作用输出为零。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 或 PID 控制器。PID目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时,控制理论的发展也经历了古典控制理论、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机等。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,加到被控系统上;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、执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制系统的传感器是温度传感器。目前,PID控制及其控制器或智能 PID 控制器 (仪表)已经很多,产品已在工程实际中得到了广泛的应用,有各种各样的 PID 控制器产品,各大公司均开发了具有 PID 参数自整定功能的智能调节器 (intelligent regulator),其中 PID 控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。有利用PID 控制实现的压力、温度、流量、液位控制 器,能实现 PID 控制功能的可编程控制器 (PLC),还有可实现 PID 控制的 PC 系统等等。 可编程控制器(PLC) 是利用其闭环控制模块来实现 PID 控制,而可编程控制器(PLC)可以直接与 ControlNet 相连,如 Rockwell 的 PLC-5 等。还有可以实现 PID 控制功能的控制器,如 Rockwell 的 Logix 产品系列,它可以直接与 ControlNet 相连,利用网络来实现其远程控制功能。 1、开环控制系统 开环控制系统(open-loop control system)是指被控对象的输出(被控制量 )对控制器(controller)的输出没有影响。在这种控制系统中,不依赖将被控量反送回来以形成任何闭环回路。 2、闭环控制系统 闭环控制系统(closed-loop control system)的特点是系统被控对象的输出(被控制量)会反送回来影响控制器的输出,形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈,若反馈信号与系 统给定值信号相反,则称为负反馈( Negative Feedback),若极性相同,则称为正反馈,一般闭环控制系统均采用负反馈,又称负反馈控制系统。闭环控制系统的例子很多。比如人就是一个具有负反馈 的闭环控制系统,眼睛便是传感器,充当反馈,人体系统能通过不断的修正最后作出各种正确的动作。如果没有眼睛,就没有了反馈回路,也就成了一个开环控制系 统。另例,当一台真正的全自动洗衣机具有能连续检查衣物是否洗净,并在洗净之后能自动切断电源,它就是一个闭环控制系统。 3、阶跃响应 阶跃响应是指将一个阶跃输入(step function)加到系统上时,系统的输出。稳态误差是指系统的响应进入稳态后,系统的期望输出与实际输出之差。控制系统的性能可以用稳、准、快三个字 来描述。稳是指系统的稳定性(stability),一个系统要能正常工作,首先必须是稳定的,从阶跃响应上看应该是收敛的;准是指控制系统的准确性、控 制精度,通常用稳态误差来(Steady-state error)描述,它表示系统输出稳态值与期望值之差;快是指控制系统响应的快速性,通常用上升时间来定量描述。 4、PID 控制的原理和特点 在工程实际中,应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制,简称 PID 控制,又称 PID调节。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,这时应用PID 控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象,或 不能通过有效的测量手段来获得系统参数时,最适合用 PID 控制技术。 PID 控制,实际中也有 PI 和 PD 控制。PID 控制器就是根据系统的误差,利用比例、 积分、微分计算出控制量进行控制的。 比例(P)控制 比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差(Steady-state error)。 积分(I)控制 在积分控制中,控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统,如果在进入稳态后存在稳态误差,则称这个控制系统是有稳态误差的 或简称有差系统(System with Steady-state Error)。为了消除稳态误差,在控制器中必须引入“积分项” 。积分项对误差取决于时间的积分,随着时间的增加,积分项会增大。这样,即便误差很小,积 分项也会随着时间的增加而加大,它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小,直到等于零。因此,比例+积分 (PI)控制器,可以使系统在进入稳态后无稳 态误差。 微分(D)控制 在微分控制中,控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件(环节)或有滞后(delay) 组件,具有抑制误差的作用, 其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前” ,即在误差接近零时,抑制误差的作用就应该是零。这就是说,在控制器中仅引入 “比例”项往往是不够的,比例项的作用仅是放大误差的幅值,而目前需要增加的是“ 微分项”,它能预测误差变化的趋势,这样,具有比例+微分的控制器,就能 够提前使抑制误差的控制作用等于零,甚至为负值,从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象,比例+微分(PD) 控制器能改善系统在 调节过程中的动态特性。 5、PID 控制器的参数整定 PID 控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被 控过程的特性确定 PID 控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID 控制器参数整定的方法很多,概括起来有两大类:一是理论计算整定法。它主要是 依据系统的数学模型,经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用,还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法,它主 要依赖工程经验,直接在控制系统的试验中进行,且方法简单、易于掌握,在工程实际中被广泛采用。PID 控制器参数的工程整定方法,主要有临界比例法、反应 曲线法和衰减法。三种方法各有其特点,其共同点都是通过试验,然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数,都需 要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行 PID 控制器参数的整定步骤如下:(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作;(2)仅加入比例控制环节,直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡, 记下这时的比例放大系数和临界振荡周期;(3)在一定的控制度下通过公式计算得到 PID 控制器的参数。 在实际调试中,只能先大致设定一个经验值,然后根据调节效果修改。 对于温度系统:P(%)20-60 ,I(分)3-10 ,D(分)0.5-3 对于流量系统:P(%)40-100,I(分)0.1-1 对于压力系统:P(%)30-70 ,I(分)0.4-3 对于液位系统:P(%)20-80 ,I(分)1-5 参数整定找最佳,从小到大顺序查 先是比例后积分,最后再把微分加 曲线振荡很频繁,比例度盘要放大 曲线漂浮绕大湾,比例度盘往小扳 曲线偏离回复慢,积分时间往下降 曲线波动周期长,积分时间再加长 曲线振荡频率快,先把微分降下来 动差大来波动慢。微分时间应加长 理想曲线两个波,前高后低 4 比 1 一看二调多分析,调节质量不会低PID 与自适应 PID 的区别:首先弄清楚什么是自适应控制在生产过程中为了提高产品质量,增加产量,节约原材料,要求生产管理及生产过程始终处于最优工作状态。因此产生了一种最优控制的方法,这就叫自适应控制。在这种控制中要求系统能够根据被测参数,环境及原材料的成本的变化而自动对系统进行调节,使系统随时处于最佳状态。自适应控制包括性能估计(辨别)、决策和修改三个环节。它是微机控制系统的发展方向。但由于控制规律难以掌握,所以推广起来尚有一些难以解决的问题。 加入自适应的 pid 控制就带有了一些智能特点,像生物一样能适应外界条件的变化。 还有自学习系统,就更加智能化了。http:/www.czyb.net/czyb_Product_2676177.htmlAD 转换(数码显示) 程序介绍:利用 ADC0809 模拟通道 3 输入电压,经单片机处理后在数码管上用相对应的 16 进制数显示出来,0 5V 对应为 0-0FFH。 实际应用例如:数据采集。 程序操作:程序写完上电运行后,用本机配带的专用起微调图 15 所示电位器,会在数码管上看到随不同电压而变化的对应 16 进制值。也可以用万用表实 DC0809IN3 脚电压,来检验所对应显示的 16 进制数。 程序实例(ad.asm): ORG 0000H MAIN1: ACALL DELAY ;延时 ACALL AD ;呼叫 AD 子程序 ;将转换的数字量屏蔽高位低位送显/ MOV 31H,30H MOV A,30H ANL A,#0FH MOV DPTR,#SETTAB MOVC A,A+DPTR MOV SBUF,A D1: JNB TI,D1 CLR TI ;/ ;将转换的数字量屏蔽低位高位送显/ MOV A,30H ANL A,#0F0H SWAP A MOV DPTR,#SETTAB MOVC A,A+DPTR MOV SBUF,A D2: JNB TI,D2 CLR TI ;/ AJMP MAIN1 ;返回主程序 AD: MOV DPTR,#7F00H ;指向转换地址 MOV A,#03H ;指向转换口 MOVX DPTR,A ;转换 MOV R1,#64H D3: DJNZ R1,D3 ;等 100 微秒转换完 MOVX A,DPTR ;转换后的值给 A MOV 30H,A ;转换的值给 30H RET DELAY: ;延时 MOV R2,#0FFH D14: MOV R3,#0FFH D12: DJNZ R3,D12 DJNZ R2,D14 RET SETTAB: DB 0FCH,60H,0DAH,0F2H,66H,0B6H,0BEH,0E0H, 0FEH,0F6H DB 0EEH,3EH,9CH,7AH,9EH,8EH END浴室水温控制系统设计,学院、系 理工学院、电子系 专业名称 通信工程专业 年 级 03 级 学生姓名 薛成钧 指导教师 孙利丽,浴室水温控制系统设计,一、单片机简介 1.1 单片机的由来 单片机,专业名称Micro Controller Unit(微控制器件),它是由大名鼎鼎的INTEL 公司发明的,最早的系列是MCS-48,后来有了MCS-51,现在还有MCS-96 系列,我们经常说的51 系列单片机就是MCS-51,它是一种8 位的单片机,而MCS-96 系列则是一种16 位的单片机。后来INTEL 公司把它的核心技术转让给了世界上很多的小公司,所以世界上就有许多公司生产51 系列兼容单片机,目前在我国比较流行的就是美国ATMEL 公司的89C51,它是一种带Flash ROM 的单片机。,1.2 MSC-51系列引脚图,1 VCC(40):电源+5V。2 VSS(20):接地,也就是GND。3 XTL1(19)和XTL2(18):振荡电路。 单片机是一种时序电路,必须有脉冲信号才能工作,在它 的内部有一个时钟产生电路,有两种振荡方式,一种是内部振荡方式,只要接上两个电容和一个晶振即可;另一种是外部振荡方式,采用外部振荡方式时,需在XTL2 上加外部时钟信号。4 PSEN(29):片外ROM 选通信号,低电平有效。5 ALE/PROG(30):地址锁存信号输出端/EPROM 编程 脉冲输入端。6 RST/VPD(9):复位信号输入端/备用电源输入端。7 EA/VPP(31):内/外部ROM 选择端。8 P0 口(39-32):双向I/O 口。9 P1 口(1-8):准双向通用I/0 口。10 P2 口(21-28):准双向I/0 口。11 P3 口(10-17):多用途口。,二、系统总体设计2.1设计要求 温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制,有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品的质量,因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。本题目要求实现浴池的水温自动控制和用水量自动检测,要求水温的给定温度可以由操作面板上的键盘输入,也可以由远程计算机串行传送输入。,具体要求: 实现水温和用水量的自动控制水温设定温度通过键盘输入或远程串行通讯输入显示温度到小数点后1位;用水量到小数点后2位水温控制精度为0.5,2.2总体设计方案 2.2.1 硬件电路总体设计 硬件电路主要有: 主机电路、数据采集电路、键盘控制电路、控制执行电路、显示电路以及掉电保护电路。,2.2.2 软件电路总体设计 浴池水温控制系统的软件程序用汇编语言编写,主要用来对传感器采集到的数据送入单片机中的特定单元,然后一部分送去进行LED显示,另一部分与设定值进行比较,通过PID算法得到控制量并经由单片机输出去控制电动调节阀进行水温调节。 1、主程序 构造整个程序的结构,进行初始化,分配好地址,合理调用子程序。,2、子程序温度传感器和流量传感器输出为模拟信号,经过ADC0809 A/D转换为数字信号后,再通过软件换算为与其对应的温度和流量。 利用中断子程序,单片机完成A/D数据采集转换、数据滤波、显示当前温度、与设定值进行比较和调用PID算法子程序并输出控制信号等功能。 键盘中断子程序优先级最高,系统要实时响应该中断,以便进行相应的功能控制。显示子程序用来显示被测温度和流量。,三、系统硬件设计 3.1 器件选型 3.1.1 数据采集电路 温度传感器选用AD590 流量传感器选用LWGY涡轮流量传 感器 A/D转换电路选用ADC0809 3.1.2 温度调节电路 温度调节器选用电动单座调节阀 3.1.3 看门狗电路选用X5045芯片,3.2 电路设计 3.2.1 AD590外围电路设计,3.2.2 电动单座调节阀的外围电路设计,该系统工作原理如下:现假设流人的热水温度为T热、冷水温度为T冷,混合水温度为T混,显然有T冷 T混 T热。根据热力学平衡方程,Q放=Q吸有, C水m热(T热一T混)=C水m冷(T混一T冷) (1) 由式(1)可以推出, (2) 式(2)可变为: (3),显然,由式(3)可知,在T热、T冷一定的情况下,T混是的递增函数。这样,当实测温度T测小于设定温度T设时,可通过控制两个电动调节阀的流量使得增大,就可以使T测逐渐逼近T设,最后达到温度的调节。反之,T测大于T设时,通过控制两个电动调节阀,使减小,达到调节温度的目的。,当单片机检测到的T测 T设时,需要调节两个电动调节阀,使增大,这只需使控制热水电动调节阀的DAC0832的输出Vout1(控制电动调节阀1)增大,控制冷水电动调节阀的DAC0832的输出Vout2(控制电动调节阀2)不变或减小,就能实现的增大,达到调节水温的目的。,3.2.3 键盘及显示的设计键盘采用软件查询和外部中断相结合的方法来设计,低电平有效。图中按键AN1,AN2,AN3,AN4的功能定义如表按键AN2与P2.2( EXTINT)相连,采用外部中断方式,并且优先级定为最高;按键AN3和AN4分别与P1.3和P1.4相连,采用软件查询的方式;AN1则为硬件复位键,与R、C构成复位电路。,功能表如下,键盘数字电路硬件部分电路图,四、系统软件设计4.2.1 主程序模块 4.2.2 温度测量子程序框图 4.2.3 调整设定温度子程序框图 显示子程序,显示子程序:程序实例(ad.asm): ORG 0000H 伪指令,指明以下程序的起始地址MAIN1: 标号ACALL DELAY ; 延时 ACALL AD ; 调用呼叫AD子程序,;将转换的数字量屏蔽高位低位送显 MOV 31H,30H 将数据从30H口送到31H存储单元备份MOV A,30H 将数据存储A寄存器,将28送A,28=1CHANL A,#0FH 和00001111与00011100,屏蔽高4位得 00001100MOV DPTR,#SETTAB 将数据表的首地址给DPTRMOVC A,A+DPTR 取字符数据送AMOV SBUF,A 将显示的字符数据送SBUF,SBUF是与LED显示连接的接口D1: JNB TI,D1 TI不为0则转移到D1CLR TI TI清零,;将转换的数字量屏蔽低位高位送显 MOV A,30H 取数据,例如28,“1E”送A寄存器 ANL A,#0F0H 和11110000与,得高4位0001SWAP A 低4位与高4位互换,将0001送到A寄存器的低4位,得00000001MOV DPTR,#SETTAB 取字符数据首地址送DPTRMOVC A,A+DPTR 将查到的字符数据送A寄存器MOV SBUF,A 将字符送SBUF显示D2: JNB TI,D2 TI不为0则转移到D2,D2是 标号CLR TI TI清0AJMP MAIN1 返回主程序,AD: MOV DPTR,#7F00H 指向转换地址 MOV A,#03H 指向转换口 MOVX DPTR,A 转换 把从端口30H得到的数据送到地址为7F00的端口进行转换MOV R1,#64H 64H减到0所需时间是100微秒D3: DJNZ R1,D3 等100微秒转换完 MOVX A,DPTR 转换后的值给A MOV 30H,A 转换的值给30H RET,DELAY: ;延时 MOV R2,#0FFH D14: MOV R3,#0FFH D12: DJNZ R3,D12 DJNZ R2,D14 RET 返回SETTAB: DB 0FCH,60H,0DAH,0F2H,66H,0B6H,0BEH,0E0H, 0FEH,0F6H DB 0EEH,3EH,9CH,7AH,9EH,8EH END,五、设计总结 本设计针对水温控制系统模型,提出了一种基于51单片机的设计方案。理论上分析,本设计的控制器应该具有工作稳定,控制精度高的特性,改进的PID算法超调量大大降低;软件采用模块化结构,提高了通用性。该设计基本实现了预期的功能 。,内蒙古大学本科毕业论文(设计) 第 1 页 一、绪论温度控制是工业生产过程中进场遇到的过程控制,许多生产过程是以温度作为被控参数。温度控制系统是典型的控制系统。本文是以 51 单片机为基础设计的温度控制系统,通过各种电路辅助完成硬件电路设计,并且把程序模块化,方便固化到硬件电路中,有较高的可实现性。二、单片机简介2.1 单片机的由来单片机,专业名称Micro Controller Unit(微控制器件),它是由大名鼎鼎的INTEL 公司发明的,最早的系列是MCS-48,后来有了MCS-51,现在还有MCS-96 系列,我们经常说的51 系列单片机就是MCS-51,它是一种8 位的单片机,而MCS-96 系列则是一种16 位的单片机,96系列根适合高速运行的场合 。后来INTEL 公司把它的核心技术转让给了世界上很多的小公司,所以世界上就有许多公司生产51 系列兼容单片机,比如飞利浦的87 LPC 系列,伟邦的W78L系列,达拉斯的DS87 系列,现代的GSM97 系列等等,目前在我国比较流行的就是美国ATMEL 公司的89C51,它是一种带Flash ROM 的单片机。Flash ROM 是一种快速存储式只读存储器,这种程序存储器的特点就是既可以电擦写,而且掉电后程序还能保存,编程寿命可以达到几千至几万次,所以我们的实验系统是可以反复烧写的。单片机开发的整个过程,这个过程包括第一步编辑源代码,第二步编译源代码,第三步程序仿真,第四步芯片烧写(亦称编程)。内蒙古大学本科毕业论文(设计) 第 2 页 2.2 MSC-51系列引脚图 1 VCC(40):电源+5V。2 VSS(20):接地,也就是GND。3 XTL1(19)和XTL2(18):振荡电路。单片机是一种时序电路,必须有脉冲信号才能工作,在它的内部有一个时钟产生电路,有两种振荡方式,一种是内部振荡方式,只要接上两个电容和一个晶振即可;另一种是外部振荡方式,采用外部振荡方式时,需在XTL2 上加外部时钟信号。4 PSEN(29):片外ROM 选通信号,低电平有效。5 ALE/PROG(30):地址锁存信号输出端/EPROM 编程脉冲输入端。6 RST/VPD(9):复位信号输入端/备用电源输入端。7 EA/VPP(31):内/外部ROM 选择端。8 P0 口(39-32):双向I/O 口。9 P1 口(1-8):准双向通用I/0 口。10 P2 口(21-28):准双向I/0 口。11 P3 口(10-17):多用途口。内蒙古大学本科毕业论文(设计) 第 3 页 三、系统总体设计3.1 设计要求温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制,有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品的质量,因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。本题目要求实现浴池的水温自动控制和用水量自动检测,要求水温的给定温度可以由操作面板上的键盘输入,也可以由远程计算机串行传送输入。具体要求: 实现水温和用水量的自动控制水温设定温度通过键盘输入或远程串行通讯输入显示温度到小数点后 1 位;用水量到小数点后 2 位水温控制精度为0.53.2 总体设计方案 3.2.1 硬件电路总体设计硬件电路主要有:主机电路、数据采集电路、键盘控制电路、控制执行电路、显示电路以及掉电保护电路。系统总体设计框图如图3-1所示:图3-1 系统总体设计框图51单片机A/D 转换传感器键盘LED 显示器电动调节阀数据采集 信息显示发布温度调节键盘控制看门狗电路内蒙古大学本科毕业论文(设计) 第 4 页 单片机采用功能强大的51单片机作为控制核心,用温度传感器检测水温,与设定值对比后,由单片机做出决策,驱动调节阀调节水温。用流量传感器检测用水量,并将两个参数在LED进行显示。人机交换模块用键盘和液晶显示器构成友善的人机交互界面。抗干扰模块使用看门狗芯片X5045,其看门狗功能将对系统运行起到有效的监视作用,内含512 B串行EPR0M,具有掉电非易失特性,在本系统中作数据备份用。3.2.2 软件电路总体设计浴池水温控制系统的软件程序用汇编语言编写,主要用来对传感器采集到的数据送入单片机中的特定单元,然后一部分送去进行 LED 显示,另一部分与设定值进行比较,通过 PID 算法得到控制量并经由单片机输出去控制电动调节阀进行水温调节。1、主程序构造整个程序的结构,进行初始化,分配好地址,合理调用子程序。2、子程序温度传感器和流量传感器输出为模拟信号,经过 ADC0809 A/D 转换为数字信号后,再通过软件换算为与其对应的温度和流量。 利用中断子程序,单片机完成 A/D 数据采集转换、数据滤波、显示当前温度、与设定值进行比较和调用 PID 算法子程序并输出控制信号等功能。 键盘中断子程序优先级最高,系统要实时响应该中断,以便进行相应的功能控制。显示子程序用来显示被测温度和流量。内蒙古大学本科毕业论文(设计) 第 5 页 四、系统硬件设计4.1 传感器的选择4.1.1 温度传感器的选择集成温度传感器具有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便等优点,得到广泛应用。在本系统设计中,采用了AD590电流型温度传感器,它的稳定性和线形度均较好(重复性优于0.1,其良好的非线形可以保证优于0.1 的测量精度,利用其重复性较好的特点,通过非线形补偿,可以达到0.1测量精度)。AD590的外观如图4-1。图 4-1 AD590 的外观图AD590 是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特性如下:1、流过器件的电流(mA)等于器件所处环境的热力学温度(开尔文)度数,即:mA/K式中: 流过器件(AD590)的电流,单位为 mA; T热力学温度,单位为 K。2、AD590 的测温范围为-55+150。3、AD590 的电源电压范围为 4V30V。电源电压可在 4V6V 范围变化,电流 变化 1mA,相当于温度变化 1K。AD590 可以承受 44V 正向电压和 20V 反向电压,因而器件反接也不会被损坏。4、输出电阻为 710M 。5、精度高。AD590 共有 I、J、K、L、M 五档,其中 M 档精度最高,在-内蒙古大学本科毕业论文(设计) 第 6 页 55+150范围内,非线性误差为0.3。图 4-2(a) 是 AD590 的封装形式,图 4-2(b)是 AD590 用于测量热力学温度的基本应用电路。图 4-2 AD590 封装形式及应用电路AD590 测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均温度的具体电路,广泛应用于不同的温度控制场合。由于 AD590 精度高、不需辅助电源、线性好,常用于测温和热电偶的冷端补偿。4.1.2 流量传感器的选择在该系统中,选择 LWGY 涡轮流量传感器测量浴室用水量。该传感器与显示仪表配套组成涡轮流量计。传感器具有精度高,重复性好,寿命长操作简单等特点。广泛地应用于石油,化工,冶金,造纸等行业测量液体的体积瞬时流量和体积总量。LWGY 涡轮流量传感器外形如图 4-3。内蒙古大学本科毕业论文(设计) 第 7 页 图 4-3 LWGY 涡轮流量传感器外形图LWGY 涡轮流量传感器的特定和技术参数等如下:(一)特点: 压力损失小,叶轮具有防腐功能。 具有较高的抗电磁干扰和抗震动能力,性能可靠,工作寿命长。 采用先进的超低功耗单片微机技术,整机功能强,功耗低,性能优越。具有非线性精度补偿功能的智能流量显示器。修正公式精度优于0.02%。 仪表系数可由按键在线设置,并可显示在 LCD 屏上,LCD 屏直观清晰,可靠性高。 采用 EEPROM 对累积流量、仪表系数进行掉电保护。保护时间大于 10 年。(二)主要技术参数: 准确度:0.5 级、1.0 级; 使用条件:1、环境温度-2050;2、相对温度:5%95%;3、被测介质温度:-20120;4、大气压力:86Kpa106Kpa;5、防爆等级:ibBT4; 信号传输距离:传感器至显示器的距离可达 1000m。(三)电气特性:1、 显示方式:(1) LWGY 远传显示:脉冲输出(配显示仪表) ;(2) LWY 现场显示:7 位 LCD 显示累积流量,单位(m3)7 位 LCD 显示瞬时流量,单位(m3/h) ;(3) LWGB 涡轮流量变送器:(配显示仪表) 。2、 输出功能:(1) LWGY 脉冲输出,p-p 值由供电电源确定;(2) LWY 可带脉冲输出或 420mA 两线制电流输出;(3) LWGB 420mA 两线制电流输出。内蒙古大学本科毕业论文(设计) 第 8 页 3、 供电电源:(1) LWGY:DC524V;(2) LWY:3V 锂电池安装于仪表内部可连续使用八年以上;(3) LWGB:DC24V。(四)仪表结构及安装方式:LWGY 涡轮流量传感器的结构如图 4-4 所示:图 3-4 LWGY 涡轮流量传感器结构图LWGY 涡轮流量传感器的安装图如图 4-5 所示:图 3-5 LWGY 涡轮流量传感器安装图1、 仪表安装采用法兰连接、螺纹连接及夹装式;内蒙古大学本科毕业论文(设计) 第 9 页 2、 时液体流动方向应与传感器外壳上指示流向的箭头方向一致,且上游直管段应20DN,下游直管段应5DN(DN 为管道内径) 。3、 传感器应远离外界磁场,如不能避免,应采取必要的措施;4、 为了检修时不至影响液体的正常输送,应在传感器两端的直管段外安装旁通管道(如图 2-5) ;5、 传感器露天安装时,请做好放大器插头的防水处理;6、 传感器与显示仪表的接线,应根据放大器的电源来选择接线方式。4.2 温度调节器的选择该系统中的温度调节器使用的是上海大禹泵阀制造有限公司的 ZDSJPM 型电子式精小型电动单座调节阀,该阀由低流阻直通单座阀,或与低流阻套筒阀配用德国进口PS 系列和日本工装 3610 系列直行程电动执行机构组成。电动执行机构内有伺服放大器,只要有输入控制信号(420mADC 或 15VDC)及单相电源即可控制运转,实现对流量的电动控制。具有体积小、重量轻、连线简单、流量大、调节精度高等特点,广泛应用于电力、石油、化工、冶金、环保、轻工、教学和科研设备等行业的工业过程自动控制系统中。ZDSJPM 型电子式精小型电动单座调节阀的外形如图 4-6。 图 4-6 ZDSJPM 型电子式精小型电动单座调节阀外形图ZDSJPM 型电子式精小型电动单座调节阀的技术参数和性能如下:(1)阀体:形式: 直通倒 S 铸造阀 公称通径:DN20 200mm内蒙古大学本科毕业论文(设计) 第 10 页 公称压力:PN1.6 4.0 6.4Mpa连接形式:JB78-59 JB/T79.-94 凹式材料:HT200 ZG270-500 ZG1Gr18Ni9Ti ZGOCr18Ni12Mo2Ti (2)上阀盖:常温型:-40+200散热型:+200+450压盖形式: Driven stud填料:V 型聚四氟乙烯,柔性石墨,石棉纺织填料4.3 硬件电路设计4.3.1 AD590 外围电路设计数据采集电路主要由AD590,MC1403,0P07,74LS373组成。考虑到温度信号为低电平缓变信号,对AD转换速度要求不高,为此,选用实效价廉的ADC0809,而且,还可以根据需要扩展测量8路温度信号。为了达到测量高精度的要求,选用温度传感器AD590,AD590具有较高精度和重复性。超低温漂移高精度运算放大器0P07将温度一电压信号进行放大,便于AD进行转换,以提高温度采集电路的可靠性。模拟电路硬件部分见图4-7。内蒙古大学本科毕业论文(设计) 第 11 页 图4-7 模拟电路硬件部分示意图就本系统来说,需要实时采集水温数据,然后经过AD转换为数字信号,送入单片机中的特定单元,然后一部分送去显示;另一部分与设定值进行比较,通过PID算法得到控制量并经由单片机输出去控制温度调节器。4.3.2 电动单座调节阀的外围电路设计电动单座调节阀的外围电路设计如图4-8所示:4-8 电动单座调节阀的外围电路设计图内蒙古大学本科毕业论文(设计) 第 12 页 该系统工作原理如下:现假设流入的热水温度为T热、冷水温度为T冷,混合水温度为T混,显然有T冷 T混 T热。根据热力学平衡方程,Q放=Q吸有,C水m热(T热一T混)=C水m冷(T混一T冷) (1)由式(1)可以推出,(2)热 热 冷 冷混 冷 热式(2)可变为:(3)T热 +冷 m热混 =( )1冷显然,由式(3)可知,在T热、T冷一定的情况下,T混是 的递增函数。这样,当实测温度T测小于设定温度T设时,可通过控制两个电动调节阀的流量使得 增大,就可以使T测逐渐逼近T设,最后达到温度的调节。反之,T测大于T设时,通过控制两个电动调节阀,使 减小,达到调节温度的目的。当单片机检测到的T测 T设时,需要调节两个电动调节阀,使 增大,这只需使控制热水电动调节阀的DAC0832的输出Vout1(控制电动调节阀1)增大,控制冷水电动调节阀的DAC0832的输出Vout2(控制电动调节阀2)不变或减小,就能实现 的增大,达到调节水温的目的。由于电磁阀为感性负载,因此采用光电隔离,增强系统的稳定性。光电隔离电路如图4-9所示。内蒙古大学本科毕业论文(设计) 第 13 页 图4-9 电磁阀控制电路4.3.3 键盘及显示的设计键盘采用软件查询和外部中断相结合的方法来设计,低电平有效。图2-10中按键AN1,AN2,AN3,AN4的功能定义如表4-1所示。按键AN2与P2.2( EXTINT)相连,采用外部中断方式,并且优先级定为最高;按键AN3和AN4分别与P1.3和P1.4相连,采用软件查询的方式;AN1则为硬件复位键,与R、C构成复位电路。表4-1 按键功能显示采用3位半共阳LED静态显示方式测量温度,显示内容有温度值的十位、个位及小数点后一位,这样可以只用RXD口来输出显示数据,从而节省了单片机端口资源,在P1.2口和TXD的控制下通过74LS164来实现3位静态显示。数字电路硬件部分见图4-10。内蒙古大学本科毕业论文(设计) 第 14 页 图4-10 数字电路硬件部分电路图内蒙古大学本科毕业论文(设计) 第 15 页 五、系统软件设计5.1 系统定义系统定义是指在软件设计前,首先要进一步确定系统完成的任务,然后结合硬件结构,确定软件所要完成的任务细节,其软件定义内容有:1.定义各输入/输出的功能、信号类别、电平范围、与系统接口方式、占用口地址、读取的输入方式等。2.定义分配存储器空间,包括系统主程序、常数表格、功能子程序快的划分、入口地址表。3.系统运行过程的现实、结果显示、错误显示等。5.2 程序框图及主要程序功能合理的软件结构设计是设计出一个性能优良的单片机应用系统的基础,必须充分重视。在程序设计方法上,模块化程序设计是单片机程序设计中常用的方法。模块化设计便于调试和设计,容易完成,可供多个程序共享。软件结构设计和程序设计方法确定后,根据系统功能定义,可先画出程序粗框图,再对粗框图进行扩充和具体化,再绘制出详细的程序流程图。程序流程图设计出以后,便可着手编制具体程序。经调试正常之后,固化到芯片中,便完成了整个系统的设计。内蒙古大学本科毕业论文(设计) 第 16 页 5.2.1 主程序模块内蒙古大学本科毕业论文(设计) 第 17 页 在主程序中首先给定PID算法的参数值,然后通过循环显示当前温度,并且设定键盘外部中断为最高优先级,以便能实时响应键盘处理;软件设定定时器T0为5秒定时,在无键盘响应时每隔5秒响应一次,以用来采集经过AD转换的温度信号;设定定时器T1为嵌套在T0之中的定时中断,初值由PID算法子程序提供。5.2.2 温度测量子程序框图内蒙古大学本科毕业论文(设计) 第 18 页 5.2.3 调整设定温度子程序框图NY开始按键延时去抖动NY按键仍按下将设定温度增加 1 度增加到最大否?恢复为初始值按键仍按下否?返回延时 5 秒开始按键延时去抖动内蒙古大学本科毕业论文(设计) 第 19 页 设计总结本设计针对水温控制系统模型,提出了一种基于51单片机的设计方案。理论上分析,本设计的控制器应该具有工作稳定,控制精度高的特性,改进的PID算法超调量大大降低;软件采用模块化结构,提高了通用性。该设计基本实现了预期的功能。内蒙古大学本科毕业论文(设计) 第 20 页 附录:程序清单:显示子程序:程序实例(ad.asm): ORG 0000H 伪指令,指明以下程序的起始地址MAIN1: 标号ACALL DELAY ; 延时 ACALL AD ; 调用呼叫 AD 子程序 ;将转换的数字量屏蔽高位低位送显 MOV 31H,30H 将数据从 30H 口送到 31H 存储单元,备份MOV A,30H 将数据存储 A 寄存器,将 28 送 A,28=1CHANL A,#0FH 和 00001111 与 00011100,屏蔽高 4 位得 00001100MOV DPTR,#SETTAB 将数据表的首地址给 DPTRMOVC A,A+DPTR 取字符数据送 AMOV SBUF,A 将显示的字符数据送 SBUF,SBUF 是与 LED 显示连接的接口D1: JNB TI,D1 TI 不为 0 则转移到 D1CLR TI TI 清零;/ ;将转换的数字量屏蔽低位高位送显 MOV A,30H 取数据,例如 28, “1E”送 A 寄存器 ANL A,#0F0H 和 11110000 与,得高 4 位 0001SWAP A 低 4 位与高 4 位互换,将 0001 送到 A 寄存器的低 4 位,得 00000001MOV DPTR,#SETTAB 取字符数据首地址送 DPTRMOVC A,A+DPTR 将查到的字符数据送 A 寄存器MOV SBUF,A 将字符送 SBUF 显示D2: JNB TI,D2 TI 不为 0 则转移到 D2,D2 是 标号CLR TI TI 清 0;/ 内蒙古大学本科毕业论文(设计) 第 21 页 AJMP MAIN1 返回主程序 AD: MOV DPTR,#7F00H 指向转换地址 MOV A,#03H 指向转换口 MOVX DPTR,A 转换 把从端口 30H 得到的数据送到地址为 7F00 的端口进行转换MOV R1,#64H 64H 减到 0 所需时间是 100 微秒D3: DJNZ R1,D3 等 100 微秒转换完 MOVX A,DPTR 转换后的值给 A MOV 30H,A 转换的值给 30H RET DELAY: ;延时 MOV R2,#0FFH D14: MOV R3,#0FFH D12: DJNZ R3,D12 DJNZ R2,D14 RET 返回SETTAB: DB 0FCH,60H,0DAH,0F2H,66H,0B6H,0BEH,0E0H, 0FEH,0F6H DB 0EEH,3EH,9CH,7AH,9EH,8EH END内蒙古大学本科毕业论文(设计) 第 22 页 致 谢在本次论文的完成过程中,十分感谢我的论文指导老师孙利丽老师,正是她的帮助和指导才解决我完成论文过程中遇到的很多困难。孙老师热情细致,耐心有佳,在完成论文的过程中我接触了很多新的知识,多谢老师帮我查找资料,耐心辅导。同时也感谢我的学长赵进同学的帮助,他们也给了我很大的帮助,特此谢谢各位。内蒙古大学本科毕业论文(设计) 第 23 页 参 考 文 献1陆 坤等. 电子设计技术M .成都:电子科技大学出版社,19972何立民等. 单片机应用文集M .北京:北京航空航天大学出版社,19913余永权等. 单片机模糊逻辑控制M .北京:北京航空航天大学出版社,1997.74张鄂亮等. MSC-51 MCS-96 系列单片机应用基础M .武汉:华中科技大学出版社,20015现代电子工程. 2003 年. 第 1 期
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