基于单片机的温度控制系统的硬件设计

1基于单片机的温度控制系统的硬件设计摘要本文针对温度控制的特点，提出了单片机温度控制系统的硬件设计方法，同时也对温度控制系统的控制过程做了理论分析，建立了控制系统的数学模型，提出了克服温度控制系统中纯滞后影响的控制方法。该单片机温度控制系统由键盘、AD采样、PWM控制与显示四部分构成。其中，键盘输入给定温度值；由AD574将采集的温度转换为数字量送入单片机；通过PWM控制调节脉冲的宽度，从而获得所需要的输入与输出电压；最后由LED显示给定温度与检测温度值。温度控制系统普遍存在大延时、纯滞后的特性，常引起系统产生超调和震荡，使控制系统的稳定性降低。因此，本设计采用史密斯预估器对系统进行纯滞后补偿，以此消除系统的超调和震荡，使系统稳定。文中给出了控制系统的数学模型，确定了系统控制方案和控制系统的硬件电路框图，本设计可直接应用于工业控制中。本设计通过PROTEUS软件对系统的硬件进行仿真，通过MATLAB/SIMULINK的仿真结果验证数字控制器设计的正确性。关键词：温度控制，单片机，纯滞后，史密斯预估器2ThehardwaredesignintemperaturecontrolsystembasedonMicrocontrollerAbstractThisarticlenarratesthehardwaredesignintemperaturecontrolsystem.Aimingattemperaturecontrolproblemwhichindustryproduceusuallyoccurs.Wecanusethesoftwareandthehardwaresourceofthesinglechipmicrocomputer(AT89C51)tocheck,controlanddisplaythetemperaturevalueonreal-time.Thesettletemperaturevalueisinputbythekeyboard.Herewemakethesystemtofollowthissettlevalue,andfinallytoattainthepurposeofautomaticcontrol.Thistemperaturecontrolsystemismostlymadeoffourpartswhichconsistsofthekeyboard,ADsamplingcircuit,PWMcontrolandLEDrealtimedisplaypart.Amongofthem,keyboardinputsthesettlevalue.AD574transformsthetemperatureintodigitalsignalandsendsitintosinglechipmicrocomputer.PWMcontrolcircuitregulatesthewidthofpulseinordertoattaininputandoutputvoltagethatneeded.Atlast,LEDrealtimedisplaypartdisplaysthesettlevalueanddetectedvalue.Thetemperaturecontrolsystemusuallycontainsgreatpostponesandpurehysteresischaracteristicwhichoftencausesthesystemtoproducesupersurgeandmakeitsstabilitylower.Themathematicsmodelhasbeengiveninthisarticleinordertodefinitethecontrolprogramandhardwareelectrocircuitdiagramofthesystem.Thisdesignmayapplydirectlyintheindustrialcnntrol.ThisdesignusethePROTEUStomakeasimulationofdepartment'shardware,passesMATLAB/SIMULINKtoimitatethetruefruitcharactercontroller'saccuracy.Keyword：Thetemperaturecontrol,microcontroller,purehysteresis,Smithpredictor3目录前言.......................................................................4第1章温度控制系统的方案确定.............................................51.1系统设计的主要任务................................................51.2系统设计的要求....................................................61.3系统设计的总体方案.................................................6第2章温度控制系统的控制器设计............................................72.1控制对象数学模型的建立..............................................72.2控制系统的稳定性分析................................................82.3控制对象的纯滞后补偿...............................................102.4系统PID调节器的设计...............................................112.4.1PID概述....................................................112.4.2系统PID调节器参数的选定.....................................112.5系统纯滞后补偿的数字化.............................................132.5.1采样周期T的选择原则........................................132.5.2纯滞后对象的控制算法——大林算法............................132.6系统PID数字控制器的设计...........................................152.7温度控制系统的数字控制器的SIMULINK仿真............................17第3章温度控制系统的硬件设计..............................................203.1硬件设计的原理.....................................................203.2系统输入单元键盘的设计.............................................203.3系统AD采样单元的设计..............................................233.4系统显示单元设计...................................................243.5PWM控制的基本原理..................................................253.6单片机对PWM控制的实现.............................................263.7复位电路的原理.....................................................273.8热电偶测温电路.....................................................283.9系统硬件原理图......................................................29设计结论...................................................................30英文文献...................................................................31中文翻译...................................................................34致谢....................................................................36参考文献...................................................................374前言温度控制设备是工业生产中常见的控制设备之一，因此温度控制是生产过程自动化的重要任务之一。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，燃料、控制方案也有所不同，例如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等，燃料有煤气、天然气、油、电等。传统的继电器控制调温电路简单实用,但由于继电器动作频繁,其触点因频繁通断而产生接触不良而影响正常工作。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得到日益发展和完善,且越来越显示出其优越性。如IGBT、晶闸管等电子器件的出现，采用主回路无触点控制,克服了继电器接触不良的缺点,且维修方便。同时计算机技术的发展也使得新的控制方法得以实现，如PID控制、模糊控制、神经网络等。而PID控制由于其结构简单、实用、价格低，被广泛应用在工业过程控制中。同时温度控制系统的控制器也多采用PID控制。单片机即简称单片微型计算机，它是微型计算机发展的产物，自产生到现在已有30余年。微型计算机出现以后，计算机硬件系统得到了长足的发展，通用微处理以惊人的速度更新，出现了许多性能极佳的通用微型计算机系统。单片机就是微型计算机发展的一个重要的分支，应用面广，发展很快，其发展大致经历了3个历史阶段：1974-1978年，为初级单片机阶段。第一代单片机始于1974年，以INTEL公司的MCS-48系列为代表，其特点是采用专门的结构设计，这个系列的单片机在片内集成了8位CPU、并行I/O端口、8位定时器/计数器、RAM、ROM等。没有串行I/O端口，中断处理也比较简单，片内RAM、ROM的容量较小，且寻址范围小于4KB。1978-1983年，为高性能单片机阶段。第二代单片机以INTEL公司的MCS-51系列为代表，其技术特点是完善了外部总线，并确立了单片机的控制功能。外部总线规范化为16位地址总线，用以寻址的外部64KB的程序存储器和数据存储器空间，8位数据总线及相应的控制总线，形成了完整的并行三总线结构。同时还提供了多机通信的串行I/O端口、16位定时器，具有多级的中断处理，片内的RAM和ROM容量大，有的片内还带A/D。从1983年至今，为8位单片机的巩固提高阶段，是完善16位单片机及32位和64位单片机的研制阶段。单片机有以下主要特点：1．低功耗。一般单片机都能在3到6V范围内工作，对电池供电的单片机不再需要对5电源采取稳压措施。低电压供电的单片机电源已由从5V降低到3V、2V甚至1V左右，0.9V供电的单片