恒温箱控制系统

学科代码：080601学号：101401010078贵州师范大学（本科）毕业论文题目：恒温箱自动控制系统学院：机械与电气工程学院专业：电气工程及其自动化年级：2010级姓名：周康指导教师：吴志坚（讲师）完成时间：2014年5月5日恒温箱自动控制系统设计摘要恒温箱主要是用来控制温度,它为农业研究、生物技术测试提供所需要的各种环境模拟条件，因此可广泛适用于药物、纺织、食品加工等无菌试验、稳定性检查以及工业产品的原料性能、产品包装、产品寿命等测试。恒温箱供科研机关及医院作细菌培养之用;也可以作育种、发酵以及大型养殖孵化等用途。恒温箱控制系统能够自动温度控制、人工干预温度控制、远程温度控制等多功能的高性能装置。可以形成规模化和产业化，大范围的应用到现代化工业生产。本论文结合工厂中如何实现恒温箱控制，讨论大多数工业生产情况下对恒温箱中的温度进行有效控制的方法。因此采用以单片机为基础的恒温箱控制系统，单片机系统包括89C52处理器、扩展存储器27512及6264，并行接口芯片8255、8253、ADC0809、8279、掉电保护和复位以及看门狗电路等。具体方法是使用铂锗-铂热电偶进行温度数据采集，经过放大和滤波电路进行A/D转换，转换后的值再根据标准分度表转换成温度值，同时显示出来。并且通过CAN总线传输控制参数关键词:单片机、恒温箱、热电偶、CAN总线AbstractThethermostatismainlyusedtocontroltemperature.Itcanprovidemanykindsofsimulatedconditionswhichareneededforagriculturalresearchandbiologicaltechnologytests.Sothethermostatiswidelyusedforthesterilitytestingofmedicine,textileindustry,foodprocessing,andstabilitycheckandalltestsonindustrialproduct,includingthematerialpropertiesofproducts,productpackagingandproductlife.Thethermostatcansupplyscientificresearchinstitutionsandhospitalswithgermiculture.Inaddition,thethermostatcanbeusedforbreeding,fermentationandlargescalebreedingincubator.Thethermostatisahighperformancedevicewithmanyfunctions,whichcanautomaticallycontroltemperature,conductmanualinterventionandremotelycontroltemperatureandcanformscaleandindustrializationandbewidelybroughtinthemodernizationofindustrialproduction.Thepaperexplainshowthethermostatrealizestemperaturecontrolinfactoriesanddiscussesthewaysinwhichthefactorieseffectivelycontrolthetemperatureofthethermostatinindustrialproduction.Thepapertakesthethermostatbasedonsinglechipmicrocomputerasanexample.Singlechip恒温箱自动控制系统设计microcomputersystemconsistsofthe89C52processor,theExtendedmemory27512and6264,Parallelinterfacechip8255,8253,8279andADC0809,Power-failprotectionandresetandwatchdogcircuit.ThespecificmethodisusingPTge-Platinumthermocoupletocollectdataontemperature,thenamplifyingandfilteringthecircuittoconverseA/D,thenaccordingtothestandardindexingtable,convertingtheconversionvaluetothetemperaturevalueandshowingthetwovalues,theconversionvalueandthetemperaturevalue.FinallyconveyingthecontrollingparameterbytheCANbustransmission.Keywords:Singlechipmicrocomputer,Thermostat,Thermocouples,TheCANbus引言温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足重轻的作用，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。对于不同场所、不同工艺、所需温度高低范围不同、精度不同，则采用的测温元件、测温方法以及对温度的控制方法也将不同；产品工艺不同、控制温度的精度不同、时效不同，则对数据采集的精度和采用的控制算法也不同。因而，对温度的测控方法多种多样。随着电子技术和微型计算机的迅速发展，微机测量和控制技术也得到了迅速的发展和广泛的应用。利用微机对温度进行测控的技术，也便随之而生，并得到日益发展和完善，越来越显示出其优越性。然而现有的温度传感元件大多为模拟器件（热电耦）体积大、应用复杂、而且不容易实现数字化等缺点，阻碍了应用领域的扩展。本设计从实际应用出发选取了体积小、精度相对高的数字式温度传感元件DS18B20作为温度采集器，单片机STC89C52作为主控芯片，液晶显示屏作为显示输出，实现了对温度的实时测量与恒定控制。恒温箱自动控制系统设计目录：1系统方案………………………………………………………………………………11.1恒温箱控制系统设计任务和要求…………………………………………………11.2恒温箱控制系统部分………………………………………………………………21.3温度控制系统算法分析……………………………………………………………22系统硬件设计…………………………………………………………………………52.1总体设计框图及说明………………………………………………………………62.2各个子模块设计……………………………………………………………………72.2.1CPU的选择…………………………………………………………………72.2.2温度采集电路………………………………………………………………82.2.3温度控制电路设计…………………………………………………………102.2.4LCD显示电路………………………………………………………………122.2.5报警电路…………………………………………………………………133系统软件设计……………………………………………………………………………133.1程序框架结构………………………………………………………………………143.2程序流程图及部分程序……………………………………………………………143.2.1主程序模块…………………………………………………………………143.2.2LCD显示程序………………………………………………………………153.2.3DS18B20采集温度程序……………………………………………………183.2.4PID计算程序………………………………………………………………203.2.5继电器控制程序……………………………………………………………214结论与心得体会………………………………………………………………………235参考文献………………………………………………………………………………246致谢……………………………………………………………………………………247附录系统源程序……………………………………………………………………25恒温箱自动控制系统设计11系统方案1.1恒温箱控制系统设计任务和要求该系统为一实验系统，系统设计任务如下：设计一个恒温箱自动控制系统，控制对象为一玻璃钢的一部分。箱内温度可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动调整，以保持特定的温度不变。系统设计具体要求：温度设定范围为30-50摄氏度；环境温度降低是控制恒温箱温度误差小于0.5摄氏度；采用适当的方法，使得温度在一定范围内才进行控制，大于某一范围直接加热或者不加热，减小系统的调节时间；采用适当方法减少系统的超调量；用LCD1602显示温度与时间。1.2恒温箱控制系统部分温度控制系统是一个过程控制系统，组成框图如图1所示，由控制器、执行器、被控对象其反馈作用的测量组成。图1计算机控制系统框图控制器执行器被控对象测量输入输出恒温箱自动控制系统设计2本系统中CPU选择为单片机，执行器为继电器，控制加热片通断，检测装置为温度传感器采集温度并反馈给单片机。另外还有显示部分以及报警部分（硬件的具体选择与应用我会在第二章做具体说明），总体框图如下（图2）图2温控箱控制系统总体框图1.3温度控制系统的算法分析系统算法控制采用工业上常用的位置型PID数字控制，并且结合特定的系统加以算法的改进，形成了开关量控制—积分分离PID控制相结合的自动识别的控制算法。该方法不仅减小了超调量，而且有效地克服了积分饱和的影响，使控制精度提高。长期以来国内外科技工作者对温度控制器进行了广泛深入的研究，产生了大批温度控制器，如性能成熟应用广泛的PID调节器、智能控制PID调节器、自适应控制等。目前在过程控制中应用较多的还是PI控制算法、PD控制算法和PID控制算法。温度控制系统的控制对象具有热储存能力大，惯性也较大的特点，空气的流动或加热片热量传递都存在一定的阻力，因而可以归于具有纯滞后的一阶大惯性环节。对于大惯性系统的过渡过程控制，一般可采用以下几种控制方案：比例控制(P控制)恒温箱自动控制系统设计3图4比例控制比例控制的输出与偏差成比例关系，当负荷变化时，抗干扰能力强，过渡过程时间短，但过程终了存在余差；适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、允许被控量在一定范围内变化的系统。如图4所示。比例积分控制(PI控制)控制器的输出与偏差的积分成比例，积分的作用使过渡过程结束时无余差，但降低了系统的稳定性；PI控制适用于滞后较小，负荷变化不大，被控量不允许有余差的控制系统。如图5所示。图5PI控制tyty恒温箱自动控制系统设计4图6PID控制比例积分加微分控制(PID控制)微分的作用是使控制器的输出与偏差变化的速度成比例，它对克服对象的容量滞后有显著的效果；在比例基础上加入微分作用，使稳定性提高，再加上积分作用，可以消除余差；PID控制适用于负荷变化大、容量滞后较大、控制品质要求又很高的控制系统。如图6所示。由图7可知PID调节器是一种线性调节器，这种调节器是将设定值w与实际输出值y进行比较构成偏差ywe并将其比例、积分、微分通过线性组合构成控制量。其动态方程为：dttdeKdtteKteKtudip)()()()(其中pK---为调节器的比例放大系数iK---为积分时间常数dK---为微分时间常数PID调节器的离散化表达式为；ty恒温箱自动控制系统设计5)]1()([)()()(kekeTKkTeKkeKkudip其增量表达形式为：)1()()(ku