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毕业设计---单片机温度控制系统


单片机温度控制系统
摘 要

本次设计对单片机在温度控制系统中的基本理论和应用技术作了较为全面的介 绍。主要目的是用单片机设计一个温度控制器,通过运用 PID 控制算法,使得温度 保持在 600 度这一恒定温度值上。该控制器具有本机给定和上位机给定的功能。 在生产过程自动的发展历程中,PID 控制是历史最久、生命力最强的基本控制 方式。PID 控制是比例积分微分控制的简称。由于模拟 PID 调节器控制温度的精确模 型难以建立,系统的参数又经常发生变化,运用现代控制理论分析综合要耗费很大代 价进行模拟辨识,而且不能得到预期的效果,所以本次设计采用 PID 调节器,由于 软件系统的灵活性,PID 算法可以得到修正而更加完善。 根据不同的测温范围选出合适的温度传感器, 单片机把测到的温度进行处理 (通 过内置 PID 控制或与上位机通讯,由上位机实现 PID 控制)后保持恒温输出,来控 制执行机构。单片机输出的是数字量,需要经过 D/A 转换变为模拟量后,才能去控 制执行机构。

关键词

PID 控制器;传感器;8052 温度控制

Abstract
This design comprehensively introduced the basic theories and application technology of the MCU (Micro Controller Unit) in the control systems of temperature this time. The main purpose to design one temperature controller with MCU, through use PID control algorithms, make temperature keep on this invariable temperature value of 600 degrees. The controller has the function of given by own machine and top machine. In the development of automatic production process, PID control has the longest history, strongest vitality which is the basic control method. It is an abbreviation of the proportion, integral and derivative. It is difficult to build accurate model of analogy PID regulator to control temperature, the systematic parameter often changes, using the modern control theory to analyze and synthesize that should consume very large cost to analogy identification, and can't get the anticipated result, so the design adopt PID regulator, because of the flexibility of the software system, PID algorithm can be revised more perfect. To elect the suitable temperature sensor according to different examining the warm range, because the output of the temperature sensor is an analog quantity of changing, therefore, need to change A/D first, transform it into digital quantity to send into the computer. After the MCU gets the examining temperature and dealt it (control or communicate with top machine through built-in PID, the top machine realize PID control) and then keep constant temperature exported to control executive body. What the MCU outputted is digital quantity, needs to change into analog quantity, to control the executive body.

Key words PID controller;A/D converter;8051temperature control

目录
摘要 ········································································································································ I Abstract ······························································································································· II

第 1 章 绪论 ························································································································· 1 1.1 选题背景及目的 ······································································································ 1 1.2 发展状况 ·················································································································· 2 1.3 各章节主要内容 ······································································································ 3 第 2 章 系统方案的提出与论证 ························································································· 4 2.1 传感器的选择 ·········································································································· 4 2.2 驱动部分 ·················································································································· 5 2.3 PID 的算法 ··············································································································· 5 2.4 PID 的控制 ··············································································································· 5 2.4.1 开环控制系统 ······························································································· 5 2.4.2 闭环控制系统 ······························································································· 6 2.4.3 阶跃响应 ······································································································· 6 2.5 PID 控制的原理和特点 ··························································································· 6 2.6 PID 控制器的参数整定 ··························································································· 7 第 3 章 系统的硬件设计 ····································································································· 9 3.1 总体方案 ·················································································································· 9 3.2 主控制器与采集电路通讯 ······················································································ 9 3.3 温度控制 ················································································································ 12 3.3.1D/A 转换 ······································································································· 12 3.3.2 继电器工作原理 ·························································································· 14 3.3.3 温度控制电路原理 ····················································································· 15 3.4 键盘显示接口 ········································································································ 17 3.5 报警部分 ················································································································ 18 第 4 章 软件设计 ··············································································································· 20

4.1 数字滤波子程序 ···································································································· 20 4.2PID 计算程序 ·········································································································· 21 结论 ····································································································································· 25 致谢 ····································································································································· 26 参考文献 ····························································································································· 27 附录 A ································································································································· 28 附录 B ································································································································· 29 附录 C ································································································································· 38

第 1 章 绪论
1.1 选题背景及目的
在工农业生产和日常生活中, 对温度的测量及控制始终占据着重要地位。 在冶金、 化工、机械、食品等各类工业中,广泛使用各种加热炉、烘箱、恒温箱等,它们均需 要对温度进行控制。在实验室中,电阻炉温度控制系统,是常见的自动控制系统。 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)已经有很多 产品已在工程实际中得到了广泛的应用,出现了各种各样的 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。 控制算法是微机化控制软件系统的一个重要组成部分, 整个系统的控制功能主要 由控制算法来实现。目前提出的控制算法有很多种。在生产过程自动的发展历程中, PID 控制是历史最久、生命力最强的基本控制方式。它是最早发展起来的控制策略之 一,由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高,实际运行经验和理论分析都表明,PID 控制能满足相当多的工业对象的控制要求, 尤其适用于可建立精确模型的确定性控制 系统。虽然随着工业现代化的发展和其它各种先进技术的发展,自动化技术将会有更

新的发展,但是,PID 控制技术仍然不会过时,它还将在今后很长一段时间内占据主 导地位。 由于数字 PID 控制系统中,引入了计算机,可以充分利用计算机在对采集数据 加以分析并根据所的结果做出逻辑判断等方面的能力, 编制出符合某种技术要求的控 制程序、管理程序,实现对被控参数的控制与管理。而且 PID 控制规律的实现,是 通过软件来完成的。改变控制规律,只要改变相应的程序即可,因此,数字 PID 控 制系统在生产过程中经常使用。 由于单片机和传感器的多样化, 设计者可以根据温度控制系统要应用的领域来决 定选择什么样的单片机做主控制器,传感器的选择也因其使用的环境而不同。所以温 度控制系统的设计是多样的。 本文研究的系统采用的是北京集成电路设计中心与爱特 梅尔公司联合设计的 AT89C52 单片机。

1.2 发展状况
由于单片机技术在各个领域正得到越来越广泛的应用, 世界上许多集成电路生厂 家相继推出了各种类型的单片机。近十几年来,单片机在生产过程控制、自动检测、 数据采集与处理、科技计算、商业管理和办公室自动化等方面获得了广泛的应用。近 几年来,单片机的发展更为迅速,它已渗透到诸多学科和领域,以及人们生活的各个 方面。在单片机家族的众多成员中,MCS-51 系列单片机以其优越的性能、成熟的技 术及高可靠性和高性能价格比,迅速占领了工业测控和自动化工程应用的主要市场, 成为国内单片机应用领域中的主流。 目前可用于 MCS-51 系列单片机开发的硬件越来 越多,与其配套的各类开发系统、各种软件也日趋完善,因此,可以极方便的利用现 有资源,开发出用于不同目的的各类应用系统。 随着集成电路技术的发展,单片微型计算机的功能也不断增强,许多高性能的新 型机种不断涌现出来。单片机以其功能强、体积小、重量轻、可靠性高、造价低、通 用灵活和开发周期短等优点,成为自动化和各个测控领域中广泛应用的器件,也广泛 应用于卫星定向、汽车火花控制、交通管理和微波炉等专用控制上在工业生产中成为 必不可少的器件,尤其是在日常生活中发挥的作用也越来越大。 在温度控制系统中,单片机更是起到了不可替代的核心作用。在工业生产如:用 于热处理的加热炉、用于融化金属的坩锅电阻炉等,在日常生活中如:热水器、电热 毯等等,都用到了电阻加热的原理。随着生产的发展,在工业中,上述设备对温度的

控制要求越来越高,随着人们生活水平的提高,对日常用品的自动化也提出了更高的 要求,单片机的不断更新换代,满足了上述的要求,达到自动控制品质的目的。

1.3 各章节主要内容
本论文共分成四章: 第 1 章主要是选题背景和发展状况;第 2 章提出了系统的方案与论证,形成一个 大体轮廓;第 3 章对系统硬件电路部分进行设计,主要是接口连接和硬件传感器的设 计;第 4 章系统的软件部分设计,包括各个子程序和对应的流程图。

第 2 章 系统方案的提出与论证
2.1 传感器的选择
在日常生活和生产中经常遇到需要对温度进行检测和控制的问题。在温度检测 系统中就需要用到温度传感器。人们在很久以前就开始了解温度的测量,所以温度传 感器种类繁多,有热敏电阻、红外温度传感器、热电偶等等。热电偶和热电阻测量的 是电压值,需要转换成温度,外部硬件电路很复杂,也不便于调试。另外使用热电偶 时,通常要求冷端 T0 保持 0 度,但实际上很难做到。除此之外还有模拟集成温度传 感器,其特点是测温误差小、响应速度快、传输距离远、体积小。但是仍然在测量到 温度值后要进行 A/D 转换,电路复杂,使用不方便。 有些集成温度传感器可以配微处理器和单片机,构成智能化的温度检测系统。这 其中一个很大的变化就是传感器由以前的模拟输出转变为直接数字输出, 省去了传统 温度测量电路中的调理、变送、补偿、转换、修正等环节。这样整个测量电路不会引 入附加误差,测温系统的精度与分辨力完全由数字化的传感器所决定。用这种先进的 传感器芯片构成测控温度系统,具有电路简单,测控温度精度高等显著优点。并且抗 干扰能力强, 能够远程传输数据, 用户可设定温度上、 下限, 有越限自动报警的功能, 自带串行总线接口等优点,适配各种微控制器,含微处理器和单片机,是研制和开发 具有高性价比的新一代温度控制系统所必不可少的核心器件。 智能温度传感器的典型产品有 DS1820、DS18S20、DS18B20、DS1821、DS1822、 DS1624、 DS1629 等型号。 本文所选用的是美国 DSLLAS 半导体公司生产的 DS18B20, 它是该公司在研制出 DS1820 后最新推出的一种改进型产品。所以它具有 DS1820 的 全部优点。在此基础上,它有独特的性能特点: (1) 独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信。 (2) 不需要外部器件。 (3) 可通过数据线供电,电压范围为 3.0~5.5V。 (4) 零待机功耗。 (5) 温度以 9 或 12 位数字量读出。 (6) 用户可定义的非易失性温度报警设置。 (7) 报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度的器件。

2.2 驱动部分
方案一:此方案采用 SPCE061A 单片机实现,此单片机内置 8 路 ADC,2 路 DAC, 且集成开发环境中,配有很多语音播放函数,用 SPCE061A 实现语音播放极为方便。 另外,比较方便的是该芯片内置在线仿真、编程接口,可以方便实现在线调试,这大 大加快了系统的开发与调试。但是,他的成本太高我们不便采用。 方案二:此方案采用 89C52 单片机实现,AT89C52 是低功耗、高性能的 CMOS8 位单片机,片上带有 8KFlash 存储器,且允许在系统改写或用编程器编程。另外, AT89C51 的指令系统和引脚 80C52 完全兼容。所以,AT89C52 单片机应用极为广泛。

2.3 PID 的算法
基本偏差:e(t) 表示当前测量值与设定目标之差,设定目标是被减数,结可以是 正或负。 正数表示还没有达到,负数表示已经超过了设定值。这是面向比例项用的变动数 据。 累计偏差:∑e(t)= e(t) + e(t-1) + e(t-2)+…….+e(1),这是我们每一次测量到的偏差

值的总和,这是代数和,考虑到正负符号的运算,这是面向积分项用的变动数据。 基本偏差的相对偏差:e(t) – e(t-1),用本次的基本偏差减去上一次的基本偏差, 用于考察当前控制的对象的趋势,作为快速反应的重要依据,这是面向微分项的一个 变动数据。 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。 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。

2.4 PID 的控制
2.4.1 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,不依赖将被控量以形成任何闭反送回 来的闭环回路。

2.4.2 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。

2.4.3 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。

2.5 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。

(1)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) 。 (2)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。 (3)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。

2.6 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,它主要依赖工程实验,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。

第 3 章 系统的硬件设计
3.1 总体方案
该系统是以 AT89C52 单片机为主控制器的智能化温度控制系统。采用定时检测 和调节的方式。首先由定时器或软件定时,定时时间到后启动智能温度传感器对温度 进行检测,测量结果送 CPU,并在 CPU 的控制下显示结果。利用键盘输入控制目标。 CPU 把测量的结果与给定值比较, 进行 PID 计算, 然后根据计算结果输出 DAC 信号, 并加上反相器使输出电压范围为 0~5V, 通过在固态继电器前端连入电阻使电压变为 1~1.7V,固态继电器在该电压范围内线性工作,输出的电压控制继电器的通导,对 炉温进行调节。 整个系统构成一个闭环控制系统, 从而使炉温控制在预定的范围之内。 温度采集部分采用 DS18B20 测温, 它是单线智能温度传感器, 不需要 A/D 转换, 可以直接测量出数字式的温度值送入主控制器。 采集温度时对 DS18B20 进行初始化, 然后执行 ROM 操作命令,再执行暂存器操作命令,最后完成数据处理。通过键盘向 CPU 输入用户设定的报警温度上限值和下限值,完成温度转换之后,DS18B20 就把 测得的温度值同上下限值比较, 如果超出所设定的范围, 将该器件的报警标志位置位, 并对 CPU 发出的报警搜索命令做出响应。该传感器使用同步串行总线接口技术,串 行通信是将数据字节分成一位一位的形式在一条传输线上逐个地传送, 数据接收设备 将接收到的串行形式数据转换成并行形式进行存储和处理。 同步通信时要建立发送方 时钟对接收方时钟的直接控制,使双方达到完全同步。通过主控制器的定时器建立一 个 30?s 的同步脉冲实现与温度检测回路的通信。CPU 经过单线接口访问 DS18B20, CPU 对 ROM 操作完毕,即发出控制操作命令,使 DS18B20 完成温度测量并将结果 存入高速暂存器中,然后读出该结果。由继电器及其外部电路如 D/A 转换等实现对 温度的控制功能。

3.2 主控制器与采集电路通讯
AT89C52 是低功耗、高性能的 CMOS8 位单片机,片上带有 8KFlash 存储器,且 允许在系统改写或用编程器编程。另外,AT89C51 的指令系统和引脚 80C52 完全兼 容。所以,AT89C52 单片机应用极为广泛。 单片机在开机时都需要复位,以便 CPU 以及其他功能部件都处于一个确定的初 始状态,并从这个状态开始工作。AT89C52 的 RST 引脚是复位信号的输入端。复位

信号是高电平有效, 持续时间要有 24 个时钟周期以上。 本系统中时钟频率为 12MHz, 复位脉冲宽度至少应为 2?s。主控制器与传感器连接电路如图 3.1 所示。

+5

R5 4.7K +5 U1 Vcc P1.0 GND DS18B20 GND 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 R6 12 10K 13 14 15 WR 16 RD 17 GND 18 19 20 12MHz GND U2 T2/P1.0 T2EX/P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 RST RXD/P3.0 TXD/P3.1 INT0/P3.2 INT1/P3.3 T0/P3.4 T1/P3.5 WR/P3.6 RD/P3.7 XTAL2 XTAL1 GND 89C52 Vcc P0.0/AD0 P0.1/AD1 P0.2/AD2 P0.3/AD3 P0.4/AD4 P0.5/AD5 P0.6/AD6 P0.7/AD7 EA/Vpp ALE/PROG PSEN P2.7/A15 P2.6/A14 P2.5/A13 P2.4/A12 P2.3/A11 P2.2/A10 P2.1/A9 P2.0/A8 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 Xfer R7 26 CS 25 P2.4 10K 24 23 VCC 22 21

+5

C1 GND C2

图 3.1 主控器与传感器的连接电路

由 AT89C52 根据总线的接口规范向智能温度传感器发送诸如启动转换、设置配 置寄存器、读取温度等命令。智能温度传感器则向 AT89C52 回送当前温度值等数据。 二者之间的数据传输完全是串行的。 主控制器与温度检测系统使用同步串行总线通信, 串行通信是将数据字节分成一 位一位的形式在一条传输线上逐个地传送, 数据接收设备将接收到的串行形式数据转 换成并行形式进行存储和处理。 同步通信时要建立发送方时钟对接收方时钟的直接控

制,使双方达到完全同步。此时,传输数据的位之间的距离均为“位间隔”的整数倍, 同时传送的字符间不留间隙,即保持位同步关系,也保持字符同步关系。发送方对接 收方的同步通过外同步来实现。发送方在每个比特周期都向接收方发送一个同步脉 冲。接收方根据这些同步脉冲来完成接收过程。 DS18B20 有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。单线总线 在空闲状态下呈高电平。操作单线总线时,必须从空闲状态开始。单线总线加低电平 的时间超过 480?s 时,总线上所有的器件都被复位。通信协议规定了复位脉冲、应答 脉冲、写 0、写 1、读 0、读 1 等几种信号的时序。除了应答脉冲,其余信号均由 CPU 控制。写时序包括写“0”时序和写“1”时序。所有写时序都至少需要 60?s,且在两次独 立的写时序之间至少需要 1?s 的恢复时间。两种写时序均起始于主机拉低总线。对于 写“1”时序,主机在拉低总线后,接着必须在 15?s 内释放总线,由上拉电阻将总线拉 至高电平;而对于写“0”时序,在主机拉低总线后,只需要在整个时序内保持低电平 即可(至少 60?s) 。在写时序开始后的 15~60?s 期间内,保持单线器件采样总线电平 状态。如果在此期间采样为高电平,则对该器件写入逻辑 1,低电平则写入逻辑 0。 只有在主机启动了读时序后,器件才向主机传输数据。所以一般在主机给单线器 件发送了读数据命令后,必须马上产生读时序,以便器件能传输数据。所有的读时序 需要至少 60?s, 且在两次独立的读时序之间需要 1?s 的恢复时间。 每个读时序都由主 机发起,拉低总线至少 1?s,然后释放单线。在主机发起读时序之后,单线器件开始 在总线上发送 0 或 1。若其发送 1,则保持总线为高电平。若发送 0,则器件拉低总 线,在该时序结束后释放总线,由上拉电阻将总线拉回空闲高电平状态。从机发出的 数据在起始时序之后 15?s 内保证可靠有效。因此主机在读时序期间必须释放总线, 并且要在时序开始后的 15?s 内完成采样总线状态。 每次的命令和数据的传输都是从主机启动写时序开始的, 如果要求单线器件回送 数据,在进行完写命令后,主机需要启动读时序完成数据接收。数据和命令的传输都 是低位在先。在对一位的“0”和“1”规定好时序后,命令字节和数据字节的发送就表现 为多个“0”、“1”在时间上的排列。 主 CPU 经过单线接口访问 DS18B20 的工作流程为:对 DS18B20 进行初始化, 接着进行 ROM 操作命令, 然后进行存储器操作命令, 最后对数据处理。 CPU 对 ROM 操作完毕即发出控制操作命令,使 DS18B20 完成温度测量并将测量结果存入高速暂

存器中,然后读出结果。当 DS18B20 接收到温度转换命令后,开始启动转换。转换 完成后的温度值就以 16 位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第 1、2 字节。单片机可以通过单线接口读出该数据,读数据时低位在先,高位在后。 当符号位 S=0 时,表示测得的温度值为正值,可以直接将二进制位转换为十进制; 当符号位 S=1 时,表示测得的温度值为负值,要先将补码变成原码,再计算十进制 值。 一旦 CPU 检测到从属器件的存在,就发出 ROM 命令。所有 ROM 操作命令均为 8 位字长。主 CPU 对 ROM 的操作命令有以下 5 种: (1)读 ROM 命令。该命令允许 CPU 读取 DS18B20 中的 8 位产品系列编码、48 位序列号以及 8 位的 CRC。只有在总线上存在 DS18B20(温度采集)的时候才能使用 这个命令。 (2)符合 ROM 命令。 CPU 在发出“符合”ROM 命令后, 主 接着送出 64 位 ROM 数 据序列,从而使 CPU 实现对单线总线上特定 DS18B20 的寻址。 (3)搜索 ROM 命令。允许主 CPU 使用“消除法”识别总线上所有 DS18B20 的 64 位 ROM 编码,完成整个系统的初始化工作。 (4)跳过 ROM 命令。该命令使主 CPU 不必提供 64 位 ROM 编码就能访问 DS18B20。在单线总线的情况下可以节省时间。 (5)报警搜索命令。该命令仅在最近一次温度测量出现报警的情况下,DS18B20 才对该命令做出响应。报警条件定义为温度高于 TH 或者低于 TL。只要 DS18B20 不 掉电,报警状态将一直保持,直到再一次测得的温度值达不到报警条件。

3.3 温度控制
3.3.1 D/A 转换
由于计算机采集与处理的是数字量,而受控对象需要的是模拟量信号,所以需要 进行 D/A 转换。D/A 转换器是一种能把数字量转换成模拟量的电子器件。DAC 的种 类繁多, DAC0832 是常用的一种, 由美国国民半导体公司研制, 是一个 8 位单片 D/A 转换器,它的连接电路如图 3.2 所示。

+5 A 7 2 8 UA9637A +5 RD WR 11 12 9 8 19 18 2 U6 Iout1 Iout2 Rfb Vref ILE WR2 WR1 DAC0832 lsbDI0 DI1 DI2 DI3 DI4 DI5 DI6 msbDI7 CS Xfer 7 6 5 4 16 15 14 13 1 CS 17 Xfer Vcc 20

IN1

图 3.2 DAC0832 的硬件电路

DAC0832 主要由两个 8 位寄存器和一个 8 位 D/A 转换器组成。8 位输入寄存器 用于存放 CPU 送来的数字量,使输入数字量得到缓冲和锁存,由 LE1 加以控制。8 位 DAC 寄存器用于存放等待转换的数字量, IE2 控制。 位 D/A 转换电路由 8 位 T 由 8 型电阻网络和电子开关组成,电子开关受 8 位 DAC 寄存器输出控制,T 型电阻网络 能输出和数字量成正比的模拟电流。因此,DAC0832 通常需要外接运算放大器才能 得到模拟输出电压。 DAC0832 的数字量输入线 DI7~DI0 和 CPU 数据总线相连,用于输入 CPU 送来 的待转化数字量,DI7 为最高位。CS 为片选线,当 CS 为低电平时,本片被选中工作; 当 CS 为高电平时,本片不被选中工作。ILE 为允许数字量输入线。当 ILE 为高电平 时,8 位输入寄存器允许数字量输入。 XFER 为传送控制输入线,低电平有效。 WR1 和 WR2 为两条写命令输入线。 WR1 用于控制数字量输入到输入寄存器: ILE 为“1”、 若

CS 为“0”和 WR1 为“0”同时满足,8 位输入寄存器接收信号;若上述条件中有一个不
满足, 位输入寄存器锁存 DI7~DI0 上的输入数据。 8 WR2 用于控制 D/A 转换的时间: 若 XFER 和 WR2 同时为低电平,则 8 位 DAC 寄存器输出跟随输入;否则 8 位 DAC 寄存器锁存数据。 WR1 和 WR2 的脉冲宽度要求不小于 500ms, 即便 VCC 提高到 15V, 其脉宽也不应小于 100ms。

DAC0832 采用 R-2R T 型网络转换法。 它由二级缓冲寄存器和 D/A 转换电路组成, 可直接与 CPU 总线连接,接口比较简单。Rfb 为运算放大器反馈线,常常接到运算放 大器输出端。IOUT1 和 IOUT2 为两条模拟电流输出线。IOUT1+IOUT2 为一常数:若输入数 字量为全“1”,则 IOUT1 为最大,IOUT2 为最小;若输入数字量为全“0”,则 IOUT1 最小, IOUT2 最大。为了保证额定负载下输出电流的线性度,IOUT1 和 IOUT2 引脚上的电位必须 尽量接近低电平。为此,IOUT1 和 IOUT2 通常接运算放大器输入端。由于输出的模拟电 压范围是-5~0V,所以再加以反相器使电压变为 0~+5V。VREF 为参考电压输入端, 用来将外部基准电压与片内的 T 型电阻网络连接。 DAC 用途很广,在需要单极性模拟电压环境下,可以采用如图 3.2 所示接线。 由 D/A 转换器原理可得出输出电压 Vout 对输入数字量的关系为:
Vout = ? B VREF Vout 256

式中 B = b7 27 + b6 26 + ... + b1 21 + b0 20 ;

VREF 为一常数。 256

显然, Vout 和 B 成正比关系。输入数字量 B 为 0 时, Vout 也为 0,输入数字量为
255 时, Vout 为负的最大值,输出电压为负的单极性。

作为单片机的一个外围 I/O 接口,口地址设为 0DFFH。这样 CPU 只要执行一条 输出指令,就可以把数据直接写入 0832 的 DAC 寄存器,然后输出一个模拟的电压 信号。

3.3.2 继电器工作原理
继电器是电气控制中常用的控制器件。使用触点式继电器控制,由于采用电磁吸 合方式,在开关瞬间,触点容易产生电火花,从而引起干扰。在大功率、高压等场合, 触点还容易氧化,因而影响整个系统的可靠性。所以本系统中采用固态继电器,较好 地克服了这方面的问题。 固态继电器是用晶体管或可控硅代替常规继电器的触点开关, 再把光电隔离器作 为前级构成一个整体。因此,固态继电器实际上是一种带光电隔离器的无触点开关。 固态继电器有直流型和交流型之分。对于交流供电的负载,其开关量的输出控制可用 交流型固态继电器来实现。 由于固态继电器输入控制电流小,输出无触点,所以与电磁触点式继电器相比,

具有体积小、重量轻、无机械噪声、无抖动和回跳、开关速度快、工作可靠等优点, 在计算机控制系统中应用广泛。 下面说明交流型 SSR 的工作原理,图 3.3 是它的工作原理框图。

图 3.3 SSR 工作原理图

从整体上看,SSR 只有两个输入端(A 和 B)及两个输出端(C 和 D),是一种四端 器件。 工作时只要在 A、 上加上一定的控制信号, B 就可以控制 C、 两端之间的“通” D 和“断”,实现“开关”的功能,其中耦合电路的功能是为 A、B 端输入的控制信号提供 一个输入/输出端之间的通道,但又在电气上断开 SSR 中输入端和输出端之间的(电) 联系, 以防止输出端对输入端的影响, 耦合电路用的元件是“光耦合器”, 它动作灵敏、 响应速度高、 输入与输出端间的绝缘(耐压)等级高; 由于输入端的负载是发光二极管, 这使 SSR 的输入端很容易做到与输入信号电平相匹配,在使用时可直接与计算机输 出接口相接,即受“1”与“0”的逻辑电平控制。触发电路的功能是产生合乎要求的触发 信号,驱动开关电路工作。但由于开关电路在不加特殊控制电路时,将产生射频干扰 并以高次谐波或尖峰等污染电网,为此特设“过零控制电路”。所谓“过零”是指,当加 入控制信号,交流电压过零时,SSR 即为通态;而当断开控制信号后,SSR 要等待交 流电的正半周与负半周的交界点(零电位)时,SSR 才为断态。这种设计能防止高次谐 波的干扰和对电网的污染。吸收电路是为防止从电源中传来的尖峰、浪涌(电压)对开 关器件双向可控硅管的冲击和干扰(甚至误动作)而设计的,一般是用“R-C”串联吸收 电路或非线性电阻(压敏电阻器)。

3.3.3 温度控制电路原理
由于 DAC0832 输出的电压范围是-5~0V,不能直接加在固态继电器上。固态继

电器的线性工作范围是 1~1.7V,所以在 DAC0832 输出端加上反相器使电压范围变 成 0~5V 再加上合适的电阻,使输出电压范围缩小到 1~1.7V,以便使固态继电器的 工作在线性范围内,再将固态继电器与电阻炉连接,通过固态继电器的通导来对电阻 炉进行温度控制。电路图如图 3.4 所示。

R14 10K A VCC R15 10K R1 R16 10K RD GND R4 WR UA9637A +5 7 2 8 11 12 9 8 19 18 2 U6 Iout1 Iout2 Rfb Vref ILE WR2 WR1 DAC0832 U7 2 1 V+ AC SSR VAC 4 GND 3 lsbDI0 DI1 DI2 DI3 DI4 DI5 DI6 msbDI7 CS Xfer 7 6 5 4 16 15 14 13 1 CS 17 Xfer V cc +5 20 IN1

R3

R2

~220V

图 3.4 温度控制电路

在图 3.4 中 VCC=+5V,设 DAC0832 的输出电压为 U DAC ,设四个电阻相交于 A 点,R4 的作用是限制电流,其电流很小,在计算中暂时不考虑。为了使输出电压在 1~1.7V 范围内,当 U DAC =0V 时, U A =1V,此时 R1 与 R2 并联后再与 R3 串联,则根据
U A U A VCC ? U A + = 将 U A =1v, VCC =5v 代入关系式可得 R1 R2 R3

电流关系可得到关系式:

1 1 4 + = R1 R2 R3

即 R2 R3 + R1 R3 = 4 R1 R2

R3 =

4R1 R2 R1 + R2

(1) 当 U DAC =5V , U A =1.7V 此 时 R1 与 R3 并 联 后 与 R2 串 联 , 可 得 关 系 式 VCC ? U A VCC ? U A U A + = R1 R3 R2 U A =1.7V, VCC =5V 时代入得: 5 ? 1.7 5 ? 1.7 1.7 + = R1 R3 R2

即 1.7 R1 R3 =3.3 R2 R3 +3.3 R1 R2 可得 R3 = (2) 由(1)(2)两式得 4 R1 R2 3.3R1 R2 = R1 + R2 1.7 R1 ? 3.3R2 4(1.7 R1 ? 3.3R2 ) = 3.3( R1 + R2 )
R1 = 33 R2 7

3.3R1 R2 1.7 R1 ? 3.3R2

即 可得

选定 R2 =1K,则 R1 ≈ 4.7K, R3 ≈ 3.3K 将选定的电阻连入电路,
U A U A 5 ?U A + = 求得 U A =0.99957V ≈ 1V 4.7 1 3.3 5 ?U A 5 ?U A U A 当 U DAC =5V 时, + = 求得 U A =1.7014V ≈ 1.7V 4.7 3.3 1

当 U DAC =0V 时,

证实了所选电阻阻值可以满足输出电压在 1~1.7V 范围内,可以使固态继电 器工作在线性范围内,以便对电阻炉的温度进行控制。

3.4 键盘显示接口
如图 3.5 所示,键盘显示系统采用 8155 芯片控制 4×4 矩阵键盘和 4 个七段数码 管 LED 显示,以实现用户的输入和数据输出。键盘的 16 个键中 0-9 为数字键,A -F 为功能键,完成参数设置、显示方式选择、自动/手动转换、系统停止和启动。

系统中将 8155 的 B 口作为显示接口,经 74LS48 的驱动器与 LED 相连,8155 的 A 口的 PA3-PA0 作为扫描接口,从 B 口的 PB3-PB0 读入列值,键盘处理为中 断方式,所以 8155 的 B 口工作在两种方式下:在显示状态时为输入方式,在键盘中 断服务程序处理过程中为输入方式。

图 3.5 LED 数码显示电路

动态显示需要 CPU 时刻对显示器件进行数据刷新,显示数据有闪烁感,占用的 CPU 时间多。这两种显示方式各有利弊;静态显示虽然数据稳定,占用很少的 CPU 时间,但每个显示单元都需要单独的显示驱动电路,动态显示虽然有闪烁感,占用的 CPU 时间多,但使用的硬件少,能节省线路板空间。

3.5 报警部分

可采用单频报警,如图 3.6 所示,其中 7406 是驱动器,接在 8031 的 P1.0 口,在 8031 使 P1.0 输出高电平时,7406 输出低电平,使蜂鸣器鸣音,反之,使蜂鸣器停止 鸣音。 功率放大电路我们选用采用了 PNP 型共发射极放大电路, 它的输入阻抗几百~几 千欧,输出阻抗几千~几十千欧,电压放大倍数大,电流放大倍数大,功率放大倍数大。 电声器件选用最常用的电动式锥形纸盆扬声器。

图 3.6 报警电路

第 4 章 软件设计
温度控制程序所要完成的任务:8031,8155 芯片的初始化以及分配内存单片及 设置定时器参数, 温度采样, 数字滤波, 进行转换计算, 判断温度是否在规定范围内, 超限报警和处理;显示温度及输入控制。

4.1 主程序
温度控制系统的主程序如图 4.1 所示。
程序开始

内部 RAM 和显示初始化

有 key Y 处理 key

N

N 确认键按下 Y 测 温

显示温度

N 超限 N 控温时刻到 报 警 Y PID





图 4.1 温度控制系统主程序图

4.2 PID 计算程序
P ( K ) = P ( K ? 1) + K P [ E ( K ) ? E ( K ? 1)] + K I ? E ( K ) + K D [ E ( K ) ? 2 E ( K ? 1) + E ( K ? 2)] = P ( K ? 1) + PP + PI + PD

我们可以根据上式编程,相应程序框图如图 4.2 所示, 根据 E ( K ) = U R ? U I ( K ) 计算 E (K )

计算 K I * E ( K )

计算 K P [ E ( K ) ? E ( K ? 1)]

计算 K P [ E ( K ) ? E ( K ? 1)] + K I E ( K )

计算 K P [ E ( K ) ? E ( K ? 1)] + K I E ( K )

+ K D [ E ( K ) ? 2 E ( K ? 1) + E ( K ? 2)]

计算 P(K)

返回

图 4.2 PID 计算程序流程图

程序清单如下: PID: MOV MOV MOV MOV R5,31H R4,32H R3,2AH R2,#00H ;UR 送 R5R4 ;UR 送 R5R4 ;Ui(K)送 R3R2 ;Ui(K)送 R3R2

ACALL ACALL MOV MOV MOV MOV MOV ACALL MOV MOV MOV MOV ACALL ACALL MOV MOV MOV ACALL MOV MOV MOV MOV ACALL MOV MOV MOV MOV MOV MOV

CPL1 DSUM 39H,R7 3AH,R6 R5,35H R4,36H R0,#4AH MULT1 R5,39H R4,3AH R3,3BH R2,3CH CPL1 DSUM R5,33H R4,34H R0,#46H MULT1 R5,49H R4,48H R3,4DH R2,4CH DSUM 4AH,R7 4BH,R6 R5,39H R4,3AH R3,3DH R2,3EH

;取 Ui(K)的补码 ;计数 E(K) ;E(K)送 39H 和 3AH 单元 ;E(K)送 39H 和 3AH 单元 ;KI 送 R5R4 ;KI 送 R5R4 ;积始址 4AH 送 R0 ;计算 PI=KI*E(K) ;E(K)送 R5R4 ;E(K)送 R5R4 ;E(K-1)送 R3R2 ;E(K-1)送 R3R2 ;对 E(K-1)求补 ;求[E(K)-E(K-1)] ;Kp 送 R5R4 ;Kp 送 R5R4 ;积始址 46H 送 R0 ;求得 Pp ;Pp 的高 16 位送 R5R4 ;Pp 的高 16 位送 R5R4 ;KP1 送 R3R2 ;KP1 送 R3R2 ;求得 Pp+PI ;存入 4AH 和 4BH 单元 ;存入 4AH 和 4BH 单元 ;E(K)送 R5R4 ;E(K)送 R5R4 ;E(K-2)送 R3R2 ;E(K-2)送 R3R2

ACALL MOV MOV MOV MOV ACALL ACALL MOV MOV MOV MOV ACALL ACALL MOV MOV MOV ACALL MOV MOV MOV MOV ACALL MOV MOV MOV MOV ACALL MOV MOV

DSUM R5,R7 R4,R6 R3,3BH R2,3CH CPL1 DSUM R5,R7 R4,R6 R3,3BH R2,3CH CPL1 DSUM R5,37H R4,38H R0,#46H MULT1 R5,49H R4,48H R3,4AH R2,4BH DAUM R3,R7 R2,R6 R5,2FH R4,30H DSUM 2FH,R7 30H,R6

;计算 E(K)+E(K-2) ;存入 R5R4 ;存入 R5R4 ;E(K-1)送 R3R2 ;E(K-1)送 R3R2 ;对 E(K-1)求补 ;计算 E(K)+E(K-2)-E(K-1) ;存入 R5R4 ;存入 R5R4 ;E(K-1)送 R3R2 ;E(K-1)送 R3R2 ;对 E(K-1)求补 ;求 E(K)-2E(K-1)+E(K-2) ;KD 送 R5R4 ;KD 送 R5R4 ;积始址 46H 送 R0 ;求得 PD ;送入 R5R4 ;送入 R5R4 ;Pp+PI 送 R3R2 ;Pp+PI 送 R3R2 ;求得 Pp+PI+PD ;送入 R3R2 ;送入 R3R2 ;P(K-1)送 R5R4 ;P(K-1)送 R5R4 ;求出 P(K) ;存入 2FH 和 30H 单元 ;存入 2FH 和 30H 单元

MOV MOV MOV MOV RET

3DH,3BH 3EH,3CH 3BH,39H 3CH,3AH

;E(K-1)送 E(K-2)单元 ;E(K-1)送 E(K-2)单元 ;E(K)送 E(K-1)单元 ;E(K)送 E(K-1)单元

结论
本系统核心是控制算法的设计和实现,各方面指标基本达到题目要求。通过完成 本次设计,我对 PID 控制算法的实现、单片机内部工作原理及其相关芯片实现的功 能有了更深、更进一步的了解和认识,使以前所学的知识更全面、系统化了。 此系统是一种高效低成本的系统,他具有很多优点,适合在很多场所中的具体情 况,具有很强的推广优势,而且很方便实现应用场所的实时操控。 本设计是基于 PID 算法的应用,但是还有许多需要改进的地方。如对于温度传 感器,供我们选择的也有很多种,但是 DS18B20 温度传感器芯片可直接把温度转换 为数字信号供单片机读取是我们选择该芯片的主要原因。 但现在新出现的传感器功能 更加的齐全在许多的领域中都有广泛的应用也是可以选择的。 通过对温度控制系统的设计,我在各方面都掌握了很多有用的知识,比如在传感 器方面、计算机软件硬件技术等。达到了毕业设计的最终目的。

致谢
在此次毕业设计期间,我的毕业设计工作经过两个多月的努力,终于顺利地完成 了。我的毕业设计自始至终都是在指导教师李英老师的全面、具体指导下进行的。李 英老师广博的专业知识、 民主而严谨的工作作风使我受益匪浅, 在李英老师的指导下, 培养了我独立思考问题、解决问题的能力。李英老师对学生的工作,学习和生活给予 了很大的关心和支持,我在此表示衷心的感谢和诚挚的敬意! 感谢各位带毕业生的老师,在进行毕业设计工作中所给予的大力帮助和支持。感 谢我的学友和朋友们对我的关心和帮助。 最后向评审本论文及参加论文答辩的各位专 家老师表示衷心的感谢,祝各位老师心情愉快。

参考文献
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附录 A
硬件电路原理图

温度控制系统原理图

附录 B
程序清单为:ORG DISM0 DISM1 DISM2 DISM3 DISM4 DISM5 MOV CLR CLR CLR MOV MOV MOV MOV MOV MOV MOV MOV MOV MOV MOV MOV MOV MOV MOV MOV CLR 0100H DATA DATA DATA DATA DATA DATA SP,#50H 5EH 5FH A 2FH,A 30H,A 3BH,A 3CH,A 3DH,A 3EH,A 44H,A DISM0,A DISM1,A DISM2,A DISM3,A DISM4,A DISM5,A TMOD,#56H TL0,#06H TH0,#06H PT0 78H 79H 7AH 7BH 7CH 7DH ;50H 送 SP ;清本次越限标志 ;清上次越限标志 ;清累加器 A ;清暂存单元 ;清暂存单元 ;清暂存单元 ;清暂存单元 ;清暂存单元 ;清暂存单元 ;清暂存单元 ;清显示缓冲区 ;清显示缓冲区 ;清显示缓冲区 ;清显示缓冲区 ;清显示缓冲区 ;清显示缓冲区 ;设 T0 计数器方式 2,T1 方式 1 ;T0 赋初值 ;T0 赋初值 ;令 T0 为低中断优先级

SETB SETB SETB LOOP: ACALL ACALL AJMP T0 中断 ORG AJMP CT0: PUSH PUSH PUSH SETB ACALL ACALL CJNE WL: MOV MOV CLR ACALL POP POP POP RETI TPL: JNC CLR CJNE HAT: SETB ACALL

TR0 ET0 EA DISPLY SCAN LOOP

;启动 T0 工作 ;允许 T0 中断 ;开 CPU 中断 ;调用显示程序 ;调用扫描程序 ;等待中断

000BH CT0 ACC DPL DPH D5H SAMP FILTER A,42H,TPL C,5EH 5FH,C 5EH UPL DPH DPL ACC ;中断返回 TPL1 5FH A,43H,MTPL P1.1 PID ;Ui(K)>Umax,则 TPL1 ;清上次越限标志 ;Ui(K)/=Umix,则 MTPL ;若温度不越限,则令绿灯亮 ;调用计算 PID 子程序 ;保护现场 ;保护现场 ;保护现场 ;置标志 ;调用采样子程序 ;调用数字滤波程序 ;若 Ui(K)/=Umax,则 TPL ;(5EH)送 5FH ;(5EH)送 5FH ;清 5EH 单元 ;转上限处理程序

MOV CPL INC NM: SETB MOV MOV SETB SETB SETB ACALL LOOP: ACALL JB POP POP POP RETI MTPL: JNC SETB MOV CPL INC AJMP TPL1: SETB JNB INC MOV CLR SUBB JNZ

A,2FH A A P1.3 TL1,A TH1,#0FFH PT1 TR1 ET1 TRAST DISPLY D5H,LOOP DPH DPL ACC

;PID 值送 A ;对 PID 值求补,作 TL1 值 ;对 PID 值求补,作 TL1 值 ;令 P1.3 输出高电平脉冲 ;T1 赋初值 ;T1 赋初值 ;T1 高优先级中断 ;启动 T1 ;允许 T1 中断 ;调用标度转换程序 ;显示温度 ;等待 T1 中断 ;恢复现场 ;恢复现场 ;恢复现场 ;中断返回

HAT P1.0 A,45H A A NM 5EH 5FH,WL 44H A,44H C A,#N WL

;若 Ui(K)>Umix,则 HAT ;否则,越下限声光报警 ;取 PID 最大值输出 ;对 PID 值求补,作为 TL1 ;对 PID 值求补,作为 TL1 ;转 NM 执行 ;若 Ui(K)>Umax,5EH 单元置位 ;若上次未越限,则转 WL ;越限计数器加“1”

;越限 N 次吗? ;越限小于 N 次,则 WL

SETB CLR CLR POP POP POP RETI T1 中断服务程序 ORG AJMP CT1: CLR CLR RETI

P1.2 5EH 5FH DPH DPL ACC

;否则,越上限声光报警 ;清越限标志 ;清越限标志 ;恢复现场 ;恢复现场 ;恢复现场 ;中断返回

001BH CT1 D5H P1.3 ;清标志 ;令 P1.3 变为低电平 ;中断返回

数字滤波子程序 FILTER:相应程序清单为: FILTER: MOV CJNE AJMP CMP1: JNC XCH XCH CMP2: MOV CJNE MOV RET CMP3: JC MOV RET CMP4: MOV CJNE A,2EH A,2CH,CMP5 CMP4 2AH,A A,2CH A,2DH,CMP1 CMP2 CMP2 A,2DH A,2CH A,2DH A,2EH,CMP3 2AH,A ;(2CH)送 A ;若(2CH)/=(2DH),则 CMP1 ;否则,转 CMP2 ;若(2CH)>(2DH),则 CMP2 ;(2CH)<->(2DH) ;(2CH)<->(2DH) ;(2DH)送 A ;若(2DH)/=(2EH),则 CMP3 ;否则,(2DH)送 2AH ;返回 ;若(2DH)<(2EH),则 CMP4 ;否则,(2DH)送 2AH ;返回 ;(2EH)送 A ;若(2EH)/=(2CH),则 CMP5

MOV RET CMP5: JC XCH CMP6: MOV RET

2AH,A

;否则,(2EH)送 2AH ;返

CMP6 A,2CH 2AH,A

;若(2EH)<(2CH),则 CMP6 ;(2EH)<->(2CH) ;A 送 2AH

PID 计算程序:程序清单如下: PID: MOV MOV MOV MOV ACALL ACALL MOV MOV MOV MOV MOV ACALL MOV MOV MOV MOV ACALL ACALL MOV MOV MOV R5,31H R4,32H R3,2AH R2,#00H CPL1 DSUM 39H,R7 3AH,R6 R5,35H R4,36H R0,#4AH MULT1 R5,39H R4,3AH R3,3BH R2,3CH CPL1 DSUM R5,33H R4,34H R0,#46H ;UR 送 R5R4 ;UR 送 R5R4 ;Ui(K)送 R3R2 ;Ui(K)送 R3R2 ;取 Ui(K)的补码 ;计数 E(K) ;E(K)送 39H 和 3AH 单元 ;E(K)送 39H 和 3AH 单元 ;KI 送 R5R4 ;KI 送 R5R4 ;积始址 4AH 送 R0 ;计算 PI=KI*E(K) ;E(K)送 R5R4 ;E(K)送 R5R4 ;E(K-1)送 R3R2 ;E(K-1)送 R3R2 ;对 E(K-1)求补 ;求[E(K)-E(K-1)] ;Kp 送 R5R4 ;Kp 送 R5R4 ;积始址 46H 送 R0

ACALL MOV MOV MOV MOV ACALL MOV MOV MOV MOV MOV MOV ACALL MOV MOV MOV MOV ACALL ACALL MOV MOV MOV MOV ACALL ACALL MOV MOV MOV ACALL

MULT1 R5,49H R4,48H R3,4DH R2,4CH DSUM 4AH,R7 4BH,R6 R5,39H R4,3AH R3,3DH R2,3EH DSUM R5,R7 R4,R6 R3,3BH R2,3CH CPL1 DSUM R5,R7 R4,R6 R3,3BH R2,3CH CPL1 DSUM R5,37H R4,38H R0,#46H MULT1

;求得 Pp ;Pp 的高 16 位送 R5R4 ;Pp 的高 16 位送 R5R4 ;KP1 送 R3R2 ;KP1 送 R3R2 ;求得 Pp+PI ;存入 4AH 和 4BH 单元 ;存入 4AH 和 4BH 单元 ;E(K)送 R5R4 ;E(K)送 R5R4 ;E(K-2)送 R3R2 ;E(K-2)送 R3R2 ;计算 E(K)+E(K-2) ;存入 R5R4 ;存入 R5R4 ;E(K-1)送 R3R2 ;E(K-1)送 R3R2 ;对 E(K-1)求补 ;计算 E(K)+E(K-2)-E(K-1) ;存入 R5R4 ;存入 R5R4 ;E(K-1)送 R3R2 ;E(K-1)送 R3R2 ;对 E(K-1)求补 ;求 E(K)-2E(K-1)+E(K-2) ;KD 送 R5R4 ;KD 送 R5R4 ;积始址 46H 送 R0 ;求得 PD

MOV MOV MOV MOV ACALL MOV MOV MOV MOV ACALL MOV MOV MOV MOV MOV MOV RET 双字节加法程序 DSUM DSUM: MOV ADD MOV MOV ADDC MOV RET 双字节求补程序 CPL1 CPL1: MOV CPL ADD

R5,49H R4,48H R3,4AH R2,4BH DAUM R3,R7 R2,R6 R5,2FH R4,30H DSUM 2FH,R7 30H,R6 3DH,3BH 3EH,3CH 3BH,39H 3CH,3AH

;送入 R5R4 ;送入 R5R4 ;Pp+PI 送 R3R2 ;Pp+PI 送 R3R2 ;求得 Pp+PI+PD ;送入 R3R2 ;送入 R3R2 ;P(K-1)送 R5R4 ;P(K-1)送 R5R4 ;求出 P(K) ;存入 2FH 和 30H 单元 ;存入 2FH 和 30H 单元 ;E(K-1)送 E(K-2)单元 ;E(K-1)送 E(K-2)单元 ;E(K)送 E(K-1)单元 ;E(K)送 E(K-1)单元

;R5R4+R3R2 ->R7R6 A,R4 A,R2 R6,A A,R5 A,R3 R7,A

;对 R3R2 求补 A,R2 A A,#01H

MOV MOV CPL ADDC MOB RET

R2,A A,R3 A A,#00H R3,A

双字节带符号乘法子程序 MULT1 入口条件: R7R6=被乘数 R5R4=乘数 出口条件: 标志位: 积为 32 位,按 R0 存入 SIGN1 为位地址 5CH SIGN2 为位地址 5DH 程序清单如下: MULT1: MOV RLC MOV JNC MOV CPL ADD MOV MOV CPL ADDC MOV POS1: MOV RLC MOV JNC A,R7 A SIGN1,C POS1 A,R6 A A,#01H R6,A A,R7 A A,#00H R7,A A,R5 A SIGN2,C POS2 ;乘数符号送 SIGN2 ;对 R7 求补 ;被乘数符号送 SIGN1 ;若被乘数为正,则 POS1 ;对 R6 求补

MOV CPL ADD MOV MOV CPL ADDC MOV POS2: ACALL MOV ANL JC MOV ORL JNC DEC MOV CPL ADD MOV INC MOV CPL ADDC MOV TPL: RET END

A,R4 A A,#01H R4,A A,R5 A A,#00H R5,A MULT C,SIGN1 C,SIGN2 TPL C,SIGN1 C,SIGN2 TPL R0 A,@R0 A A,#01H @R0,A R0 A,@R0 A A,#00H @R0,A

;对 R4 求补

;对 R5 求补

;调用无符号乘法程序 ;两乘数皆为负? ;两乘数皆为负? ;若是,则 TPL ;否则,判两乘数为正吗?

;若是,则 TPL ;否则,对乘积的高 16 位求补

附录 C
The integrated temperature sensor is a kind of semiconductor integrated circuit in fact, it is who utilizes the transistor b-e Form saturation value lowered to press VBE With thermodynamics temperature T With passing the emitter electric current I Relation. It is good that the integrated temperature sensor is linear, such advantages as the precision is moderate, the sensitivity is high, small, easy to use, used widely. The output form9 of the integrated temperature sensor is divided into two kinds voltage exporting and electric current outputs. The sensitivity of the voltage outputting type is generally 10mV/K, Temperature 0 Degrees Centigrade are exported hour 0 ,Temperature 25 Degrees Centigrade are exported hour 2.982V . The sensitivity of the outputting type of the electric current is generally 1 ? A/K . AD590 It is the single integrated temperature sensing electric current source of both ends where U.S.A. simulation device Company produces. Its main characteristic is as follows: (1) flow through device electric current ( ? A )Mean the reading of thermodynamics temperature (turns on gently ) of living in environment of the device. (2) AD590 Examine warm range -55 Degrees Centigrade- +150 Degrees Centigrade. (3) AD590 Power voltage range 4V - 30V . The voltage of the power can be here 4V~6V The range changes, electric current Change 1 ? A ,In other words temperature

changes 1K . AD590 Can bear 44V To voltage sum 20V Reverse voltage, therefore the transposition of the device will not be damaged either. (4) the resistance of output is 710M ? . (5)the precision is high. AD590 Own in common I J K L M Five shelves, among them M The shelf is the highest in precision, here -55 Degrees Centigrade- +150 In one degrees Centigrade of ranges, the non-linear error is ± 0.3 Degrees Centigrade. 1、 the application circuit basically Pursue 1 ( a ) AD590 Encapsulation form, pursue 1 ( b ) AD590 Used for measuring using the circuit basically of thermodynamics temperature. Because flow through AD590 Electric current in direct proportion to thermodynamics temperature, look on as resistance R 1 With the electric potential device R 2 Resistance sum 1k ? Hour, output the voltage
VO The

change which is up to temperature is 1mV/K . But because AD590 Gain

by deviation of having, resistance too it have error of, so should adjust to circuit. The

method to adjust is: One AD590 Put in the frozen water mixture, the electric potential adjusting device R 2 ,Make Centigrade ) Pursue 1 ( a ) AD590 Encapsulation form, pursue 1 ( b ) AD590 Used for measuring using the circuit basically of thermodynamics temperature. Because flow through AD590 Electric current in direct proportion to thermodynamics temperature, look on as resistance R 1 With the electric potential device R 2 Resistance sum 1k ? Hour, output the voltage
VO The VO

=273.2mV . Or under the room temperature (25 Degrees

change which is up to temperature is 1mV/K . But because AD590 Gain

by deviation of having, resistance too it have error of, so should adjust to circuit. The method to adjust is: One AD590 Put in the frozen water mixture, the electric potential adjusting device R 2 ,Make
VO

=273.2mV . Or under the room temperature (25 Degrees

Centigrade) too it have error of, so should adjust to circuit. The method to adjust is: One AD590 Put in the frozen water mixture, electric potential adjusting device R 2 ,Make
VO

=273.2mV . Or under the room temperature (25 Degrees Centigrade ) Adjust the electric potential device under the condition , Make VO =273.2+25 =298.2 ( mV ). But it is here to change and only guarantee like this 0 Degrees Centigrade or 25 There is high accuracy degrees Centigrade of nearby. 2、 Centigrade temperature survey circuit Such as pursuing 2 Show, the electric potential device R 2 Used for adjusting the zero point, R
4

Used for changing and transporting putting LF355 Gain. Adjust the

method as follows: Here 0 Degrees Centigrade are adjusted hour R 2 ,Enable exporting VO =0 ,Then here 100 Degrees Centigrade are adjusted hour R 4 Make repetition change numerous, until 0 A hour,
VO =0mV VO

=100mV . Such

, 100 A hour VO =100mV . Carry on

check-up under the room temperature finally. For example, if the room temperature is 25 Degrees Centigrade, so
VO

Answer 25mV . The frozen water mixture is 0 One degrees

Centigrade of environments, the boiling water is 100 One degrees Centigrade of environments. Enable pursuing 2 The output of China is 200mV/ Degrees Centigrade, can feedback through increasing (picture feedback resistance of for resistance from R
3

With the

electric potential device R 4 Contact but become) realize. In addition, while measuring the Fahrenheit temperature , because Fahrenheit temperature is equal to thermodynamics temperature to deduct 255.4 Multiplied by again 9/5 ,So demand to export 1mV/ ℉, adjusts the resistance of feed backing about 180k ? ,Make temperature 0 A hour,
VO

=17.8mV ; Temperature is 100 A hour,

VO

=197.8mV . AD581 It is a high-accuracy

integrated voltage stabilizer , most greatly input the voltage 40V ,Output 10V . 3、 the difference in temperature measures the circuit and application (1) Circuit and principle analysis Pursue 3 Utilize two AD590 Measure two circuit with bad temperature. Feed backing the resistance 100k ? Situation under, set up 1 # Sum 2 # AD590 The temperature of the place is respectively t1 (degrees Centigrade) sum t2 (whether degrees Centigrade),it output voltage as ( t1 ? t2 )100mv / oC . Electric potential device in the picture R
2

Used for returning to zero. Electric potential device R

4

Used for changing and

transporting putting LF355 Gain. (2) Use and give an example Take warm in some energy-efficient crude drugs warehouse , humidity control system as an example, if require the temperature of the storehouse is lower than T Degrees Centigrade, relative humidity is lower than A 1 B 1 %RH . Two kinds of control modes adopted are as follows: Control mode one: The relative humidity is higher than in the storehouse A
1 1

B

%RH And temperature is lower than outside the storehouse T A hour, ventilate inside

and outside the storehouse. This way is to utilize bad exchange which carries on the air of the internal and external humidity of the storehouse, in order to reach the demand dehumidifying in the storehouse, its advantage is high-efficient , energy-conservation , saving the fund. But this way receives strict control. First of all, the relative humidity outside the storehouse will lower than the storehouse, the difference between them should be greater than A 2 B 2 %RH ,Could guarantee to carry on the dehumidification in the storehouse in time effectively in this way. Secondly, the temperature outside the storehouse should be smaller than badly in the storehouse. Degrees Centigrade, this because if temperature ventilate at higher than temperature in the store housing far outside storehouse, will lead to the fact the medicines , apparatus surface form the phenomenon revealed when meeting the cold air after the hot air enters the reservoir area, and then influence the quality of the medicines and apparatus. On the contrary, if temperature ventilate at higher than temperature outside the store housing far in storehouse, the cold air will be formed and revealed on the medicines apparatus surface too after entering storehouse. In addition, temperature can't be close outside the

storehouse T Degrees Centigrade. This is because, if temperature is close outside the storehouse T Is it ventilate to go on when the degrees Centigrade , make airtight storehouse warm to rise most likely , thus exceed the upper limit of temperature T Degrees Centigrade. Control the mode two: As temperature is higher than T Degrees Centigrade or the humidity are higher than A 1 B 1 %RH At unsatisfied with first stationing , open frozen air conditioner aircrew carry on storehouse lower the temperature to dehumidify. Because storehouse internal and external difference in temperature too big the medicines , apparatus surface marry the phenomenon revealed when ventilating for prevent from, must rigorously enforce the precision of the value of difference in temperature of the control system . Traditional examining the method of difference in temperature is to deal with two temperature separately (nurse one's health in the circuit, A/D , deal with operation) after ask by difference, the low in precision in difference in temperature in income in method . The measurement of internal and external difference in temperature of the storehouse can be adopted and pursued 3 Shown circuit, utilize value of difference in temperature to compare with the establishing value directly , can guarantee higher precision , and the software design of the reduced system, has improved systematic dependability . 4、 N Measurement of some minimum temperature value Will examine a bit more warmly several that have differently AD590 Contact , can measure all measure temperature minimum value that point have. This method can apply to measure some occasions of minimum temperature more . 5、 N Measurement of the average of some temperature One N One AD590 Is it stand up to connect in parallel , fetch after suing for peace electric current average , can is it produce average temperature to ask. This method is suitable for needing some average temperature more but not needing the occasion of concrete temperature of each point . AD590 Measure thermodynamics temperature , centigrade temperature , two temperature bad , many some minimum temperature , many some average concrete circuit of temperature, apply to different temperature control occasions extensively. Because AD590 Precision high, price low taking auxiliary power , linear and good , daily on examine gentle cold end of electric thermocouple compensate.

集成温度传感器实质上是一种半导体集成电路,它是利用晶体管的 b-e 结压降 的不饱和值 VBE 与热力学温度 T 和通过发射极电流 I 的下述关系实现对温度的检测。 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。集成温度传感器的输出形式分为电压输出和电流输出两种。电压输 出型的灵敏度一般为 10mV/K,温度 0 摄氏度时输出为 0,温度 25 摄氏度时输出 2.982V。电流输出型的灵敏度一般为 1?A/K。 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(?A)等于器件所处环境的热力学温度(开尔文)度数。 (2) 、AD590 的测温范围为-55 摄氏度~+150 摄氏度。 (3) 、AD590 的电源电压范围为 4V~30V。电源电压可在 4V~6V 范围变化, 电流 变化 1?A, 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-55 摄氏度~+150 摄氏度范围内,非线性误差为±0.3 摄氏度。 1、基本应用电路 图 1(a)是 AD590 的封装形式,图 1(b)是 AD590 用于测量热力学温度的基 本应用电路。因为流过 AD590 的电流与热力学温度成正比,当电阻 R1 和电位器 R2 的电阻之和为 1k? 时, 输出电压 VO 随温度的变化为 1mV/K。 但由于 AD590 的增益 有偏差,电阻也有误差,因此应对电路进行调整。调整的方法为:把 AD590 放于冰 水混合物中,调整电位器 R2,使 VO=273.2mV。或在室温下(25 度)条件下调整电位 器,使 VO=273.2+25=298.2(mV) 。但这样调整只可保证在 0 度或 25 度附近有较高精 度。 2、摄氏温度测量电路 如图 2 所示,电位器 R2 用于调整零点,R4 用于调整运放 LF355 的增益。调整 方法如下:在 0 度时调整 R2,使输出 VO=0,然后在 100 度时调整 R4 使 VO=100mV。 如此反复调整多次,直至 0 度时,VO=0mV,100 度时 VO=100mV 为止。最后在室 温下进行校验。例如,若室温为 25 度,那么 VO 应为 25mV。冰水混合物是 0 度环

境,沸水为 100 度环境。 要使图 2 中的输出为 200 毫伏/摄氏度,可通过增大反馈电阻(图中反馈电阻由 R3 与电位器 R4 串联而成)来实现。另外,测量华氏温度时,因华氏温度等于热力 学温度减去 255.4 再乘以 9/5,故若要求输出为 1 毫伏/华氏度,则调整反馈电阻约 为 180k?, 使得温度为 0 摄氏度时, VO=17.8mV; 温度为 100 摄氏度时, O=197.8mV。 V AD581 是高精度集成稳压器,输入电压最大为 40V,输出 10V。 3、温差测量电路及其应用 (1). 电路与原理分析 图 3 是利用两个 AD590 测量两点温度差的电路。在反馈电阻为 100k? 的情况 下,设 1#和 2# AD590 处的温度分别为 t1 和 t2 ,则输出电压为 ( t1 ? t2 )100mv / oC 。图 中电位器 R2 用于调零。电位器 R4 用于调整运放 LF355 的增益。改变 ( R3 + R4 ) 的值 可以改变 VO 的大小。 (2). 应用举例 以某节能型药材仓库温、 湿度控制系统为例, 若要求库房温度低于 T 摄氏度时, 相对湿度低于 A1B1%RH。则采取的两种控制模式如下: 控制模式一:当库内相对湿度高于 A1B1%RH 且库外温度低于 T 摄氏度时,进 行库内外通风。这种方式是利用库内外湿度差进行空气的交换,以达到库内除湿的 要求,其优点是高效、节能、节省资金。但这种方式受到严格的控制。首先,库外 的相对湿度要低于库内的,它们之间的差要大于 A2B2%RH,这样才能有效保证及 时地进行库内的除湿。其次,库内库外的温度差要小于他们正常值的差,这是因为, 如果在库外温度远高于库内温度时进行通风,热空气进入库区后遇上冷空气就会造 成药品、器材表面结露的现象,进而影响药品和器材的质量。反之,如果在库内温 度远高于库外温度时进行通风, 冷空气进入库内后也会在药品器材表面结露。 另外, 库外温度不能接近 T 摄氏度。这是因为,如果库外温度接近 T 摄氏度时进行通风, 很可能使密闭的库温升高,从而超过温度上限 T 摄氏度。 控制模式二:当温度高于 T 摄氏度或湿度高于 A1B1%RH 但不满足第一种情况 时,开启冷冻空调机组进行库内降温除湿。 为避免因库内外温差过大通风时药品、器材表面结露的现象,必须严格控制系 统温差值的精度。传统的测温差方法是对两点温度分别进行处理(调理电路、A/D、

运算处理)后求差值,此方法所得温差精度低。库内外温差测量可采用图 3 所示电 路,利用温差值直接与设定值相比较,既能保证较高的精度,又简化了系统的软件 设计,提高了系统的可靠性。 4、N 点最低温度值的测量 将不同测温点上的数个 AD590 相串联,可测出所有测量点上的温度最低值。 该方法可应用于测量多点最低温度的场合。 5、N 点温度平均值的测量 把 N 个 AD590 并联起来,将电流求和后取平均,则可求出平均温度。 该方法适用于需要多点平均温度但不需要各点具体温度的场合。 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、价格低、不 需辅助电源、线性好,常用于测温和热电偶的冷端补偿。


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