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1課題來(lái)源及研究的目的和意義 溫度是工業(yè)控制中的主要被控參數(shù)之一，特別是在冶金、化工、建材、食品、機(jī)械石油等工業(yè)中，具有舉足輕重的作用。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，溫度控制系統(tǒng)不僅可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)中，而且還和人們的日常生活息息相關(guān)，在工業(yè)中，電站鍋爐和供熱鍋爐大量存在，且大多數(shù)鍋爐處于能耗高、浪費(fèi)大和環(huán)境污染等生產(chǎn)狀態(tài)，采用溫度控制系統(tǒng)就能提高熱效率和降低能耗、保護(hù)環(huán)境。在農(nóng)業(yè)上，溫室大棚采用溫度控制系統(tǒng)，對(duì)于溫度的有效控制，不僅可以節(jié)省資源而且還可以保證農(nóng)作物有良好的生長(zhǎng)環(huán)境，可以有效提高農(nóng)作物產(chǎn)量。在人們的日常生活中，人們也可以利用溫度控制系統(tǒng)去控制洗澡水的溫度等，以此來(lái)方便人們的生活。隨著電子技術(shù)的發(fā)展和人們生活質(zhì)量的提高，特別是隨著大規(guī)模集成電路的產(chǎn)生，給人們的生活帶來(lái)了根本性的變化?，F(xiàn)代社會(huì)中，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，溫度檢測(cè)和控制迅速發(fā)展，溫度控制將更好的服務(wù)于社會(huì)。目前，單片機(jī)控制器用于從生活工具到工業(yè)應(yīng)用的各個(gè)領(lǐng)域。 國(guó)內(nèi)外溫度控制系統(tǒng)也發(fā)展迅速，并在智能化、自適應(yīng)、參數(shù)自整定等方面取得成果。目前社會(huì)上溫度控制大多采用智能調(diào)節(jié)器，國(guó)產(chǎn)調(diào)節(jié)器分辨率和精度較低，溫度控制效果不是很理想，但價(jià)格便宜，國(guó)外調(diào)節(jié)器分辨率和精度較高，價(jià)格較貴。日本、美國(guó)、德國(guó)、瑞典等技術(shù)領(lǐng)先，都生產(chǎn)出了一批商品化的、性能優(yōu)異的溫度控制器及儀器儀表．并在各行業(yè)廣泛應(yīng)用。 從市場(chǎng)角度看，如果我國(guó)的大中型企業(yè)將溫度控制系統(tǒng)引入生產(chǎn)，可以降低消耗，控制成本，從而提高生產(chǎn)效率。嵌入式溫度控制系統(tǒng)符合國(guó)家提出的“節(jié)能減排”的要求，符合國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展政策，具有十分廣闊的市場(chǎng)前景?，F(xiàn)今，應(yīng)用比較成熟的如電力脫硫設(shè)備中，主控制器在主蒸汽溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，已經(jīng)達(dá)到了世界前進(jìn)水平。如今，在微電子行業(yè)中。溫度控制系統(tǒng)也越來(lái)越重要，如單晶爐、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的控制。因此。溫度控制系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)前景非常廣泛，我國(guó)的高新精尖行業(yè)研究其應(yīng)用的意義更是更加重大。 2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 溫度控制系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用雖然已經(jīng)十分廣泛，但從生產(chǎn)的溫度控制器來(lái)講，總體發(fā)展水平仍然不高，同日本、美國(guó)、德國(guó)等先進(jìn)國(guó)家相比有著較大差距。目前，我國(guó)在這方面總體技術(shù)水平處于20世紀(jì)80年代中后期水平，成熟產(chǎn)品主要以“點(diǎn)位”控制及常規(guī)的PID控制器為主。它只能適應(yīng)一般溫度系統(tǒng)控制，難于控制滯后、復(fù)雜、時(shí)變溫度系統(tǒng)控制。而適應(yīng)于較高控制場(chǎng)合的智能化、自適應(yīng)控制儀表，國(guó)內(nèi)技術(shù)還不十分成熟，形成商品化并在儀表控制參數(shù)的自整定方面，國(guó)外已有較多的成熟產(chǎn)品。但由于國(guó)外技術(shù)保密及我國(guó)開(kāi)發(fā)工作的滯后，還沒(méi)有開(kāi)發(fā)出性能可靠的自整定軟件?？刂茀?shù)大多靠人工經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試確定。國(guó)外溫度控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在智能化、自適應(yīng)、參數(shù)自整定等方面取得成果。日本、美國(guó)、德國(guó)、瑞典等技術(shù)領(lǐng)先，都生產(chǎn)出了一批商品化的、性能優(yōu)異的溫度控制器及儀器儀表，并在各行業(yè)廣泛應(yīng)用。它們主要具有如下的特點(diǎn)：一是適應(yīng)于大慣性、大滯后等復(fù)雜溫度控制系統(tǒng)的控制；二是能夠適應(yīng)于受控系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型難以建立的溫度控制系統(tǒng)的控制；三是能夠適應(yīng)于受控系統(tǒng)過(guò)程復(fù)雜、參數(shù)時(shí)變的溫度控制系統(tǒng)的控制；四是溫度控制系統(tǒng)普遍采用自適應(yīng)控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理論及計(jì)算機(jī)技術(shù)，運(yùn)用先進(jìn)的算法，適應(yīng)的范圍廣泛；五是溫控器普遍具有參數(shù)自整定功能。借助計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)，溫控器具有對(duì)控制對(duì)象控制參數(shù)及特性進(jìn)行自動(dòng)整定的功能。有的還具有自學(xué)習(xí)功能，能夠根據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)及控制對(duì)象的變化情況，自動(dòng)調(diào)整相關(guān)控制參數(shù)，以保證控制效果的最優(yōu)化；六是具有控制精度高、抗干擾力強(qiáng)的特點(diǎn)。 國(guó)際上新型溫度傳感器正從模擬式向數(shù)字式、由集成化向智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。傳統(tǒng)的溫度傳感器有熱電偶、鉑電阻熱敏電阻等，雖然它們有各自的優(yōu)點(diǎn)，但是他們需要后續(xù)處理電路，而且由于自身的熱效應(yīng)會(huì)影響測(cè)量精度，可靠性較差，與之相比本設(shè)計(jì)采用的DS18B20作為測(cè)溫傳感器它具有體積小，一線(xiàn)總線(xiàn)的數(shù)字傳輸方式，可直接向單片機(jī)傳輸數(shù)字信號(hào)，簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)傳輸與處理過(guò)程，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量，在一10一+85。C范圍內(nèi)，測(cè)量精度為0．5。C。 3 PID控制算法原理 3.1 PID控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介 PID控制系統(tǒng)如圖3—1所示，D(s)完成PID控制規(guī)律，稱(chēng)為PID控制器。PID控制器是一種線(xiàn)性控制器，用輸出量y(t)和給定量r(I)之間的誤差的時(shí)間函數(shù)e(t)=r(t)-y(t)的比例、積分和微分的線(xiàn)性組合構(gòu)成控制量u(t)，稱(chēng)為比例(Proponional)、積分(Integrating)、微分(Differentiation)控制，簡(jiǎn)稱(chēng)PID控制。 圖3—1 PID控制組合了比例控制、積分控制和微分控制這3種基本控制規(guī)律。通過(guò)改變調(diào)節(jié)器參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。其基本輸入輸出關(guān)系為： 實(shí)際應(yīng)用中．可以根據(jù)受控對(duì)象的特性和控制的性能要求，靈活采用比例(P)控制器、比例+積分(PI)控制器、比例+積分+微分(PID)控制器3種不同控制組合。 3.2 PID參數(shù)控制效果分析 PID控制的3基本參數(shù)為Kp、Ki、Kd。，這3項(xiàng)參數(shù)的實(shí)際控制作用為： 比例調(diào)節(jié)參數(shù)(Kp)按比例反映系統(tǒng)的偏差。增大Kp，系統(tǒng)的反應(yīng)變靈敏、速度加快、穩(wěn)態(tài)誤差減小，但振蕩次數(shù)也會(huì)加多、調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng)。在該反饋環(huán)中。該值主要影響速度。 積分調(diào)節(jié)參數(shù)(Ki)消除系統(tǒng)靜態(tài)(穩(wěn)態(tài))誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。積分調(diào)節(jié)會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。超調(diào)加大。積分控制一般不單獨(dú)作用，而是與P或者PD結(jié)合作用。 微分調(diào)節(jié)參數(shù)(Kd)反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率，可以預(yù)見(jiàn)偏差的變化趨勢(shì)，產(chǎn)生超前控制作用。因此，微分控制可以提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)跟蹤性能。減小超調(diào)量，但對(duì)噪聲干擾有放大作用。過(guò)強(qiáng)的微分調(diào)節(jié)會(huì)使系統(tǒng)劇烈震蕩，對(duì)抗干擾不利。 常規(guī)的PID控制系統(tǒng)中．減少超調(diào)和提高控制精度難以?xún)扇涿?。主要是積分作用有缺陷造成的。如果減少積分作用，靜差不易消除，有擾動(dòng)時(shí)，消除誤差速度變慢；而加強(qiáng)積分作用時(shí)又難以避免超調(diào)，這也是常規(guī)PID控制中經(jīng)常遇到的難題。所以在該系統(tǒng)中，對(duì)積分參數(shù)做了分段處理，已達(dá)到理想的效果。 選擇制冷或制熱后。設(shè)定指定溫度值；將溫度采集的數(shù)據(jù)接收進(jìn)來(lái)，與設(shè)定溫度值比較。將差值經(jīng)過(guò)PID算法后計(jì)算出進(jìn)行功率控制的占空比，從而調(diào)節(jié)溫度嘲。其中，PWM波由AVR單片機(jī)的定時(shí)器產(chǎn)生。在該模式下，寄存器用于控制PWM波頻率，其他任意一個(gè)寄存器控制占空比，控制靈活，相當(dāng)方便?？刂品e分調(diào)節(jié)參數(shù)時(shí)，對(duì)其采取分段積分PID算法，控制系統(tǒng)超調(diào)量。 4 主要研究?jī)?nèi)容 本課題的研究?jī)?nèi)容是基于單片機(jī)的水溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。主要是采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱溫度的顯示、控制和報(bào)警等功能。 4.1設(shè)計(jì)要求： 1.熟悉控制系統(tǒng)的原理和單片機(jī)的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)； 2.能夠連續(xù)測(cè)量水的溫度值，并能顯示水的實(shí)際溫度等； 3.能夠設(shè)定水的溫度范圍； 4.能夠?qū)崿F(xiàn)水溫的自動(dòng)控制； 5.采用單片機(jī)控制，通過(guò)按鍵能控制水溫的設(shè)定值。 4.2設(shè)計(jì)思路： 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該溫度控制系統(tǒng)可分為6個(gè)模塊（如圖—1） 圖4—1 溫度采集模塊：通過(guò)溫度傳感器來(lái)測(cè)量水溫，并將采集后的信號(hào)進(jìn)行放大、A/D轉(zhuǎn)換傳送給主控模塊。 主控模塊：接收溫度采集模塊傳來(lái)的信號(hào)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和邏輯判斷，把處理后的結(jié)果輸出給液晶顯示模塊、聲光提示模塊和加熱模塊。 按鍵輸入模塊：通過(guò)掃描按鍵來(lái)控制系統(tǒng)的“啟動(dòng)/停止”、“設(shè)定”、“加”、“減”等； 聲光提示模塊：當(dāng)水溫達(dá)到設(shè)定值或超出設(shè)定值時(shí)出現(xiàn)紅燈提示并聲音報(bào)警，在水箱加熱過(guò)程中，綠燈提示； 液晶顯示模塊：顯示當(dāng)前水溫和水溫設(shè)定值； 加熱/制冷模塊：給水箱加熱/制冷； 5 方案論證及選擇 5.1主控模塊 方案一：采用8031芯片，其內(nèi)部沒(méi)有程序存儲(chǔ)器，需要進(jìn)行外部擴(kuò)展，這給電路增加了復(fù)雜度。 方案二：采用 Freescale16MC9S12XS128單片機(jī)：雖然功能強(qiáng)大，運(yùn)算速度快，資源豐富，但是價(jià)格昂貴，性?xún)r(jià)比較低。 方案三：MEGA16AVR單片機(jī)：高可靠性、作用強(qiáng)、高速度、低功耗和低價(jià)位，內(nèi)部資源豐富，一般都集成AD、DA模數(shù)器、PWM、豐富的中斷源等，完全可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。 綜上采用方案三。 5.2溫度采集模塊 方案一：采用熱敏電阻，可滿(mǎn)足35℃--95℃的測(cè)量范圍，但熱敏電阻精度低、重復(fù)性和可靠性都比較差，對(duì)于檢測(cè)精度小于1℃的溫度信號(hào)是不適用的。 方案二：采用鉑電阻溫度傳感器，雖然精度較高，但是調(diào)節(jié)復(fù)雜，如果調(diào)節(jié)不精確，影響精度。另外，使用鉑電阻溫度傳感器，需要進(jìn)行放大和A/D轉(zhuǎn)換，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。 方案三：采用單線(xiàn)數(shù)字溫度傳感器DS18B20，可直接輸出數(shù)字量，單線(xiàn)器件和單片機(jī)的接口只需一根信號(hào)線(xiàn)，硬件電路十分簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。由于DS1820 正常使用的測(cè)溫分辨率為0.50C，故采取直接讀取DS1820 內(nèi)部暫存寄存器的方法，是一個(gè)較好的選擇。 綜上選擇方案三。 5.3按鍵輸入模塊 方案一：使用帶有觸屏功能的彩屏顯示鍵盤(pán)，雖然操作靈活，但是價(jià)格昂貴，性?xún)r(jià)比較低 方案二：鍵盤(pán)選用常用的44掃描鍵盤(pán)，選擇了5個(gè)按鍵，分別用作“啟動(dòng)”、“停止”、“設(shè)定值加”、“設(shè)定值減”、“確定”。在顯示方面，選用了常用的12864液晶顯示模塊。通過(guò)相應(yīng)的軟件編程，可以實(shí)現(xiàn)顯示。 綜上選擇方案二。 5.4溫度顯示模塊 方案一：采用數(shù)碼管顯示，雖然數(shù)碼管價(jià)格低廉，但是顯示內(nèi)容單一，外圍驅(qū)動(dòng)電路較復(fù)雜。 方案二：使用1602液晶顯示屏顯示。液晶顯示屏（LCD）具有輕薄短小、低耗電、畫(huà)面效果好，分辨率高，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，可以顯示設(shè)定溫度和當(dāng)前溫度。 綜上選擇方案二。 5.5加熱模塊 水溫控制模塊用來(lái)控制加熱器件的導(dǎo)通與關(guān)閉，從而達(dá)到控制加熱時(shí)間，控制水溫的目的 采用SSR固態(tài)繼電器驅(qū)動(dòng)電路控制。繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱(chēng)輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱(chēng)輸出回路），通常應(yīng)用于自動(dòng)控制電路中，它實(shí)際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動(dòng)開(kāi)關(guān)”。故在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。 5.6聲光提示模塊 當(dāng)水溫達(dá)到設(shè)定值或超出設(shè)定值時(shí)出現(xiàn)紅燈提示并聲音報(bào)警，在水箱加熱過(guò)程中，綠燈提示。 6 主要模塊元器件的簡(jiǎn)介 6.1 AVR單片機(jī) ATMEL公司的AVR是8位單片機(jī)中第一個(gè)真正的RISC結(jié)構(gòu)的單片機(jī)。它采用了大型快速存取寄存器組、快速的單周期指令系統(tǒng)以及單級(jí)流水線(xiàn)等先進(jìn)技術(shù)，使得AVR單片機(jī)具有高達(dá)1MIPS／MHz的高速運(yùn)行處理能力。 AVR采用流水線(xiàn)技術(shù)，在前一條指令執(zhí)行的時(shí)候，就取出現(xiàn)行的指令，然后以一個(gè)周期執(zhí)行指令。大大提高了CPU的運(yùn)行速度。而在其它的CISC以及類(lèi)似的RISC結(jié)構(gòu)的單片機(jī)中，外部振蕩器的時(shí)鐘被分頻降低到傳統(tǒng)的內(nèi)部指令執(zhí)行周期，這種分頻最大達(dá)12倍（8051）。 131條機(jī)器指令，且大多數(shù)指令的執(zhí)行時(shí)間為單個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期； 32個(gè)8位通用工作寄存器； 工作在16MHz時(shí)具有16MIPS的性能；配備只需要2個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘法器；16K字節(jié)在線(xiàn)可編程（ISP）Flash程序存儲(chǔ)器采用Boot Load技術(shù)支持IAP功能；1K字節(jié)的片內(nèi)SRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，可實(shí)現(xiàn)3級(jí)鎖定的程序加密； 512個(gè)字節(jié)片內(nèi)在線(xiàn)可編程EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（壽命>10萬(wàn)次）；可通過(guò)JTAG口對(duì)片內(nèi)的Flash、EEPROM、配置熔絲位和鎖定加密位實(shí)施下載編程；1個(gè)可編程的增強(qiáng)型全雙工的，支持同步/異步通信的串行接口USART；1個(gè)可工作于主機(jī)/從機(jī)模式的SPI串行接口（支持ISP程序下載）；片內(nèi)模擬比較器； 內(nèi)含可編程的，具有獨(dú)立片內(nèi)振蕩器的看門(mén)狗定時(shí)器WDT；2個(gè)帶有分別獨(dú)立、可設(shè)置預(yù)分頻器的8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；1個(gè)帶有可設(shè)置預(yù)分頻器、具有比較、捕捉功能的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器； 片內(nèi)含獨(dú)立振蕩器的實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC；4路PWM通道；8路10位ADC；面向字節(jié)的兩線(xiàn)接口TWI（兼容I2C硬件接口）；片內(nèi)含上電復(fù)位電路以及可編程的掉電檢測(cè)復(fù)位電路BOD；片內(nèi)含有1M/2M/4M/8M，經(jīng)過(guò)標(biāo)定的、可校正的RC振蕩器，可作為系統(tǒng)時(shí)鐘使用；多達(dá)21個(gè)各種類(lèi)型的內(nèi)外部中斷源； 有6種休眠模式支持省電方式工作。 6.2 1602液晶 1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一種專(zhuān)門(mén)用來(lái)顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊。它由若干個(gè)5X7或者5X11等點(diǎn)陣字符位組成，每個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個(gè)字符，每位之間有一個(gè)點(diǎn)距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，正因?yàn)槿绱怂运荒芎芎玫仫@示圖形（用自定義CGRAM，顯示效果也不好）。 1602LCD是指顯示的內(nèi)容為16X2,即可以顯示兩行，每行16個(gè)字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）。 市面上字符液晶大多數(shù)是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780寫(xiě)的控制程序可以很方便地應(yīng)用于市面上大部分的字符型液晶。 6.3 DS18B20 DS18B20數(shù)字溫度傳感器接線(xiàn)方便，封裝成后可應(yīng)用于多種場(chǎng)合，如管道式，螺紋式，磁鐵吸附式，不銹鋼封裝式，型號(hào)多種多樣，有LTM8877，LTM8874等等。主要根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同而改變其外觀(guān)。封裝后的DS18B20可用于電纜溝測(cè)溫，高爐水循環(huán)測(cè)溫，鍋爐測(cè)溫，機(jī)房測(cè)溫，農(nóng)業(yè)大棚測(cè)溫，潔凈室測(cè)溫，彈藥庫(kù)測(cè)溫等各種非極限溫度場(chǎng)合。耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測(cè)溫和控制領(lǐng)域。 獨(dú)特的一線(xiàn)接口，只需要一條口線(xiàn)通信 多點(diǎn)能力，簡(jiǎn)化了分布式溫度傳感應(yīng)用，無(wú)需外部元件，可用數(shù)據(jù)總線(xiàn)供電，電壓范圍為3.0 V至5.5 V，無(wú)需備用電源，測(cè)量溫度范圍為-55 C至+125 ℃ 。華氏相當(dāng)于是-67 F到257華氏度 -10 C至+85 C范圍內(nèi)精度為0.5 C。溫度傳感器可編程的分辨率為9~12位，溫度轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字格式最大值為750毫秒。 7 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)工作進(jìn)度安排 第一學(xué)期：8周開(kāi)始 查閱文獻(xiàn)資料、翻譯外文資料、制定總體方案并對(duì)方案進(jìn)行論證， 完成開(kāi)題報(bào)告。 第二學(xué)期： 第1~2周：完成總體方案設(shè)計(jì)，畢業(yè)實(shí)習(xí)及開(kāi)題答辯； 第3~4 周：完成各單元模塊設(shè)計(jì)方案并建立模型； 第5~11周：進(jìn)行各個(gè)模塊的軟件編程及整體電路的調(diào)試； 第12~14周：匯總數(shù)據(jù)，撰寫(xiě)論文，作答辯準(zhǔn)備。 參考文獻(xiàn) [1]李全利.單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].清華大學(xué)出版社，2006.2. 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