溫度自動控制系統畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 多數雙向可控硅的最高觸發靈敏度在第一、第三象限。觸發靈敏度較差的是第二象限，最差的是第四象限。所以，一般不采用第四象限的出發方式。雙向可控硅是雙向導通的，它從一個方向過零進入反向阻斷狀態只是一個十分短暫的時間，一般只是用于60Hz或頻率小于60Hz的正弦電壓電源中。在阻斷狀態下，可控硅的PN結相當于一個電容，如果突然受到正向電壓，充電電流流過門極PN結時，起了觸發電流的作用。當電壓上升率dv/dt較大時，就會造成MOC3041的輸出可控硅誤導通。因此當為了使它能夠正確工作，應抑制雙向可控硅中的電壓上長率dy/dt。因此，在MOC3041的輸出回路中加入R2和C1組成的RC回路，降低電壓上升率dy/dt。 雙向可控硅電路 輸出控制電路的設計在設計當中，采納了Motorola公司推出的單片集成可控硅驅動器件MOC3041作為為對輸出的驅動和控制。由MOC3041組成的過零觸發雙向可控硅電路簡單可靠。 MOC3041和雙向可控硅構成的輸出通道電路其中：R8：限流電阻，控制LED的觸發電流。R9：門極電阻，提高控制極的抗干擾能力。R10：控制回路限流電阻，保護MOC3041中的雙向可控硅。R11，C4：構成吸收回路，承受反向電壓。該部分的工作過程是：當單片機的P14口輸出為低電平是，MOC3041內部導通，G端通道出現同步觸發脈沖，控制可控硅導通，打開加熱器；當P14為高電平時，MOC3041內部截止，可控硅斷開，關閉加熱器。MOC3041輸入端限流電阻的計算的大小由下式計算： =（）/ （25）本設計中= 5V； = ； = ； = 。所以 =（）/ =（）/ =200Ω式中：為電源電壓；為輸入端發光二極管的壓降,；為驅動器的壓降；為發光二極管的工作電流。的選值應留一定的余量。光電耦合器的集電極電流與發光二極管的電流之比稱為光電耦合器的電流傳輸比CTR。不同結構的光電耦合器的電流傳輸比相差很大。電流傳輸比受發光二極管的工作電流大小影響，一般電流為10～20mA，電流傳輸比最大，電流小于10mA或大于20mA時，傳輸比都下降。溫度升高，傳輸比也會下降，因此在使用時要留一些余量。所以限流電阻選180Ω，即=180Ω。控制回路限流電阻的計算電阻的作用是限制流過MOC3041輸出端的電流不要超過1A。的大小由下式計算：=/ （26）式中：為工作電壓的峰值；為MOC3041輸出端的最大允許電流。本設計的控制電壓為220V，所以=/=（220）/1 =311Ω本畢業設計中取300Ω。由于串入電阻，使得觸發電路由一個最小觸發電壓，低于這個電壓時，可控硅才導通。控制回路限流電阻的選擇是MOC3041的限流電阻，用于限制流經MOC3041輸出端的電流最大值不超過1A。MOC3041過零檢測的電壓值為20V，所以限流電阻取稍大于20Ω。本設計中選取=27Ω。的選擇RC回路中,電阻的作用是防止電容器產生震蕩以及減少可控硅導通時的電流上升率di/dt。在一般情況下,電阻取51Ω。電容的大小根據負載電流的大小來確定，一般的使用場合，～。本設計中選=。 簡易式鍵盤接口電路設計 8255可編程并行I/O接口設計MCS51系列單片機共有4個8位并行I/O口，這些I/O口一般是不能完全提供給用戶使用的，在外部擴展存儲器時，提給用戶使用的I/O口只有P1和P3口的部分口線。因此在大部分的MCS51單片機應用系統中都免不了要進行I/O口的擴展。8255有3個可編程并行I/O端口：A口、B口、C口。8255共有40個引腳，功能分類敘述如下。l 數據總線：D0～DPA0～PAPB0～BPPC0～PC7，此32條數據線均為雙向三態，其中D0～D7用于傳送CPU與8255之間的命令與數據，PA0～PAPB0～BPPC0～PC7分別與A、B、C3口對應，用于8255與外部之間傳送數據。 8255引腳圖l 控制線：、 ：讀信號，輸入信號線，低電平有效。當這個引腳為低電平時，8255輸出數據或狀態信息到CPU，CPU對8255A進行讀操作。：寫信號，輸入信號線，低電平有效。當這個引腳為低電平時，8255接收CPU輸出的數據或命令，即CPU對8255A進行寫操作。：復位信號，輸入信號線，高電平有效。此引腳為高電平時，所有8255內部寄存器都清零，所有通道都設置為輸入方式，24條I/O口引腳為高阻態。l 尋址線：、AO、A1：片選信號，輸入信號線，低電平有效。當這個引腳為低電平時，8255被CPU選中。AO、A1：這是兩條輸入信號線，通常一一對應，接到地址總線的最后兩位AO和A1上。當有效時，這兩位的4種組合00、011分別用來選擇A、B、C口和控制寄存器，所以一片8255共有4個地址單元。單片機也8255的接口比較簡單，8255的片選信號及口地址選擇線AO、B、C口及控制口地址分別為FF7CH、FF7DH、FF7EH、FF7FH。8255的D0～。 89C51與8255的接口電路 鍵盤電路及其說明將輸入方式的I/O口的每根線上各接一個按鍵，就可以組成一個八按鍵的簡易式鍵盤。每根輸入線上的按鍵上的工作狀態不會影響其它線上的工作狀態，所以可以稱之為獨立式鍵盤。獨立式按鍵配置靈活，軟件結構簡單。但每個按鍵需占用一根輸入口線，在按鍵數量較多時，輸入口浪費大，電路結構顯得很復雜，故此種鍵盤適用于按鍵較少或操作數量較高的場合。本設計采用8255A可編程并行輸入輸出接口擴展獨立式按鍵，采用五按鍵鍵盤，所以在五個I/O口上接五個按鍵組成一個五按鍵的簡易式鍵盤。：圖中行線通過電阻接+5V，當鍵盤上沒有鍵閉合時，所有的行線和列線斷開，行線呈高電平。當鍵盤上某一個鍵閉合時，該鍵所對應的行線與列線短路。例如：當S1號按鍵閉合時，所在的行線與列線短路，使PA0口為高電平，通過軟件里對PA0口查尋，如果只有PA0口為高電平，那么就可以確定是S1鍵按下了，通過在軟件里的設定，行使S1鍵的功能。如果同時有多個PA口為高電平，則報警顯示，然后檢查是否有多個鍵按下，直到只有一個PA口為高電平時，停止報警，那個高電平的PA口上連接的按鍵則為按下的鍵，在軟件里執行他應該達到的功能。 簡易式鍵盤的接口電路鍵盤功能說明：1號鍵：上升。2號鍵：下降。3號鍵：下限溫度值確定。4號鍵：上限值確定。5號鍵：查詢上下限值。使用1號鍵和2號鍵，設定需要的溫度控制系統的上限值，然后按下4號鍵，將這個上限值確定，也就是將上限值保存到專用的寄存器里。在完成設定上限值的工作后，使用1號鍵和2號鍵設定需要的溫度控制系統的下限值，然后按下3號鍵，將這個下限值確定，也就是將這個下限值保存到專用的寄存器里，然后系統進去實時的溫度測量和控制工作中。鍵盤的特點鍵盤實際上是一組按鍵開關的組合。通常按鍵所用開關為機械彈性開關，均利用了機械觸點的合、斷作用。一個按鍵開關通C0過機械觸點的斷開、閉合過程，其波形在圖220中，若Y0為低電平，S1號鍵閉合一次，圖中t1和t3分別為鍵的閉合和斷開過程中的抖動期（呈現一串負脈沖），抖動時間長短和開關的機械特性有關，一般為5～10ms，t2為穩定的閉合期，其時間由按鍵動作所確定，一般為十分之幾秒到幾秒，t0、t4為斷開期。為了保證CPU對鍵的閉合作一次僅一次處理，在軟件中必須去除抖動，在鍵的穩定閉合或斷開時讀鍵的狀態，并判斷出鍵由閉合到釋放時，再作鍵輸入處理。 t0 t1 t2 t3 鍵盤的機械抖動示意圖 復位電路原理圖 復位電路MCS51復位是由外部的復位電路來實現的。復位電路通常采用上電復位和按鈕復位兩種方式。該電路兼有上電復位和按鈕復位。工作原理為：按鈕按下后，RC電路充電，RST引腳端出現正脈沖，只要RST端保持10ms以上的高電平，就能用單片機有效的復位。該設計時鐘頻率為12MHz，C取22μF，R取1K歐姆。 時鐘電路MCS51雖然有內部振蕩電路，但要形成時鐘，必須外接元件。外接晶體以及CX1和CX2構成并聯諧振電路，接在放大器的反饋回路中。電容的大小會影響振蕩器頻率的高低、振蕩器的穩定性、起振的快速性和溫度的穩定性。該設計選用12MHz晶振，與之相適應的電容的典型值是30pF左右。XTAL2XTAL189C51 時鐘電路 聲光報警電路接口電路 報警電路本設計采用聲光報警電路,。 MCS51的口線P11接報警電路的輸入端,當P11口輸出低電平時,7046輸出為高電平,發光二極管兩端電壓差接近5V,，由壓電效應而發出蜂鳴音報警。第3章 系統軟件設計 主程序設計。初始化按鍵設定溫度上下限送顯示鍵盤處理有鍵按下?開始顯示正常溫度等待下一個采樣調溫度子程序轉換送顯示PID運算高溫報警并停止加熱低溫報警并加熱YNYYNN送counter=3Ncounter1=0?counter1=0?Y 主程序流程圖主程序完成的功能是：啟動傳感器測量溫度，將測量溫度與給定值比較進行PID運算，若，則進入加熱階段，置P13為高電平。在過程中繼續對溫度進行監測，當時，置P13為低電平斷開可控硅，關閉加熱器，等待下一次的啟動命令。結合本系統的功能，程序長度不會超過89C51內部的程序存儲器，所以硬件上不用外擴程序存儲器。軟件上也不用考慮讀取外部程序存儲器的問題。該系統所須的堆棧、數據存儲區也都足夠了，所以也不必進行外部數據存儲器的擴展。系統主要功能：l 用按鍵可設定上下限溫度。l 實時顯示溫度,℃。l 控制溫度，默認的設定溫度為上次設定溫度。低于或等于下限溫度時加熱，高于或等于上限溫度時保溫。l 通過報警器件輸出報警。l 系統可以手動或上電復位。復位時先自檢，接著顯示的設定溫度值（上限值）。正常工作時顯示溫度值。狀態燈顯示當前系統狀態。 軟件抗干擾設計程序在運行過程中，有時由于某種噪聲干擾的影響，會出現死循環現象，或者出現程序“亂飛”（執行程序跨段丟失）現象，從而影響系統的正常工作。該系統采用了兩種CPU抗干擾技術：指令冗余、軟件陷阱。一、 指令冗余當CPU受到干擾后，往往將一些操作數當作指令碼來執行，引起程序混亂。這時，我們首先要盡快將程序納入正軌（執行真正的指令系列）。具體的辦法是：常在一些對程序流向起決定作用的指令之前插入兩條NOP指令，以保證彈飛的程序迅速納入正確的控制軌道，此類指令有：RET、RETI、ACALL、LCALL、SJMP、AJMP、LJMP、JZ、JNZ、JB、JNB、JBC、CJNE、DJNZ等。二、 軟件陷阱指令冗余使彈飛的程序安定下來是有條件的，首先彈飛的程序必須落到程序區，其次必須執行到冗余指令。當彈飛的程序落到非程序區時，前一個條件即不滿足。當彈飛的程序在沒有碰到冗余指令之前，已經自動形成一個死循環，這時第二個條件也不滿足。對付前一種情況采取的措施就是設立軟件陷阱，對于后一種情況可采取“看門狗”電路解決。軟件陷阱由三條指令構成：NOPNOPAJMP ERR軟件陷阱安排在四種地方：（1） 未使用的中斷向量區（2） 未使用的大片ROM空間（3） 表格的最后（4） 程序區的絕對跳轉指令后面 ERR指令安排在程序的首地址處。由于軟件陷阱都安排在正常程序執行不到的地方，因此不影響程序執行的效率。在當前EPROM容量不成問題的條件下，還是多多設置陷阱有益。實踐證明在程序中加入陷阱后程序彈飛的機率大大降低。 增量式PID算法程序設計在應用計算機實現控制系統中，PID很容易通過編制計算機語言實現。由于軟件系統的靈活性，PID算法可以修正和完善，從而使數字PID具有很大的靈活性和適用性。數字PID控制器是由軟件編程在計算機內部實現的。比例調節器的作用:比例調節器對偏差是即時反應的,偏差一旦出現,調節器立即產生控制作用,使輸出量朝著減小偏差的方向變化,控制作用的強弱決定于比例系數。比例調節器雖然簡單快速,但對于系統響應為有限值的控制對象存在靜差。加大比例系數可以減小靜差,但是, 比例系數過大會使系統動態質量變壞，引起輸出量震蕩,甚至導致閉環系統不穩定。比例積分調節器作用:為了消除在比例調節中的殘余靜差,可以在比例調節的基礎上加入積分調節。積分調節器具有積累成分,只要偏差不為零,它將通過積累作用影響控制量，從而減小偏差直到偏差為零。如果積分時間常數大，積分作用弱，反之為強。增大積分時間常數將減慢靜差的過程，但可減小超調，提高穩定性。引入積分環節的代價是降低系統的快速性。比例積分微分調節器作用:為了加快控制過程，有必要偏差出現或變化的瞬間，按偏差變化的趨向進行控制，使偏差消滅在萌芽狀態，這就是積分調節的原理。積分作用的加入將有助于減小超調，克服振蕩，使系統趨于穩定。增量式PID控制算式具有以下優點。（1）計算機只輸出控制增量，即執行機構位置的變化部分，因而誤動作影響小。（2）在i時刻的輸出只需用到此時刻的偏差，以及前兩時刻的偏差和前一次的輸出值，這大大節約了計算時間。（3）在進行手動到自動切換時，控制量從擊小，能夠較平滑地過渡。k次采樣增量式P