基于PID的温度控制与测量系统设计设计.docx

基于PlD的温度控制与测量系统设计设计编号春理”女.本科生毕业设计基于PID的温度控制与测量系统设计二。一二年六月毕业设计原创承诺书1 .本人承诺：所呈交的毕业设计温度控制与测量系统，是认真学习理解学校的长春理工大学本科毕业设计工作条例后，在教师的指导下，保质保量独立地完成了任务书中规定的内容，不弄虚作假，不抄袭别人的工作内容。2 .本人在毕业设计中引用他人的观点和研究成果，均在文中加以注释或以参考文献形式列出，对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体均已在文中注明。3 .在毕业设计中对侵犯任何方面知识产权的行为，由本人承担相应的法律责任。4 .本人完全了解学校关于保存、使用毕业设计的规定，即：按照学校要求提交论文和相关材料的印刷本和电子版本；同意学校保留毕业设计的复印件和电子版本，允许被查阅和借阅；学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存毕业设计，可以公布其中的全部或部分内容。以上承诺的法律结果将完全由本人承担！作者签名:摘要本论文分析了PID控制和模糊控制的优缺点，考虑将它们结合起来，实现优势互补，采用模糊规则在线整定PID的"A人三个参数的模糊自适应PID控制方案。本论文设计了一种基于模糊自整定PID算法的控制器，详细地介绍了系统的设计和实现方法。下位机以AT89S52单片机为微处理器，K型热电偶为传感器，由MAX6675热电偶信号数字转换芯片进行模数转换，单片机根据输入的各种命令,进行智能算法得到控制量,通过零触发光电耦合器件MOC3061和晶闸管BT136驱动执行单元。通过串口通信将下位机采集的数据送至上位机。关键词：温度测控PID控制单片机AbstractInthispapertheadvantagesanddisadvantagesofPIDcontrolandfuzzycontrolisanalyzedandthemethodofcombiningthemtogetherispresented.Thefuzzyself-tuningPIDcontrolmethod,whichinvolvesfuzzycontrolrules,isemployedtoachievereal-timeadjustmentstothethreeparametersPkDkandkofthePID.Thesimulationresultsshowthatthecontrollerbasedonfuzzyself-tuningPIDcontrolalgorithmisthebestone,becausetheregulatingtimeisshort,theovershootandthesteady-errorisverylittle.Itcanmeetthecontroldemandsandit,santi-interferenceabilityisverystrong.Thedesigningmethodandrealizationofthesystemarediscussedindetail.TheMCUisthesingle-chipmicroprocessorAT89S52,K-typethermocoupleisusedastemperaturesensor,andMAX6675isusedasA/Dconverter.Whengettingtheinputorders,MCUworksoutthecontrolvalueandgivespulsesignaltodrivetheperformanceunitwhichiscomposedofphotoelectricalcouplerMOC3061andTRIACSBT136.Hostcomputercollectsthedatathroughserialcommunicationandusesamodulardesignapproach.Keywords:TemperatureMeasurementandControl;PIDControl;MCU目录摘要AbstractII第一章绪论11.1 课题的研究背景及意义11.2 课题的国内外研究现状21.3 课题研究的主要内容3第二章被控对象及控制策略42.1 系统模型的建立42.2 控制策略研究62.3 仿真分析82.4 本章小结9第三章温度测控系统的硬件设计103.1 温度测控系统的硬件组成103.3 温度检测电路的设计113.4 AT89S52单片机及其最小系统143.5 人机交互接口电路设计163.5.1 键盘电路163.5.2 显示电路173.5.3 报警电路的设计183.6 温度控制电路的设计183.7 串口通信电路203.8 硬件抗干扰设计213.9 本章小结22第四章温度测控系统的软件设计及实验结果224.1 系统下位机软件设计224.1.1 软件设计概述224.1.2 主控模块224.1.3 数据采集子模块234.1.4 控制算法子模块244.2 实验数据分析254.3 本章小结25结束语26致谢27参考文献28第一章绪论1.1 课题的研究背景及意义物体的许多物理现象和化学性质都与温度有关，温度是工农业生产、科学实验研究以及日常生活中需要普遍进行测量和控制的一个非常重要的物理量，如：在冶金、机械、石油化工、电力等工业生产中的温度控制；在温室花房、蔬果大棚、粮仓等农业生产中的温度测控；与我们生活息息相关的微波炉、电热水器、电烤箱、空调等家用电器的温度控制；高等院校实验室微机测控系统中将温度作为被测参数，供学生做综合实验、实训或课程设计等。温度控制对于小到人民的日常生活、大到钢铁等大型工业生产工程都具有广阔的应用前景。准确地测量和有效地控制温度是优质、高产、低耗和安全生产的重要条件，所以对温度进行控制是非常必要且有意义的。目前，温度测控系统一般使用的还是传统仪器，以单台仪器独立工作、手工操作、人工记录和分析判断信息为主要设计思想，其功能和规格一般被厂家所固定，使用时需要通过硬件或者固化的软件来实现，用户无法随意改变其结构和功能，不具有通用性。而当前的发展对测控仪器提出了越来越高的要求，不仅要求能完成实时在线监测，还希望具有更强的通用性，能适应多种多样的使用要求，随时可改变检测对象、完成不同测试任务或升级换代，能建立起一个可掌握生产过程的信息资料，并能以监测、分析、控制和优化等手段为及时的人工决策和控制提供依据的测控系统。显然，传统仪器已经不能适应现代检测系统的要求。一些智能仪器构成的温度监测系统，也往往需要人干预，费时费力，而利用高级编程语言进行软件开发又让人感到力不从心。总体而言，测控领域主要面临了以下几大问题：产品更新换代的速度太快，彼此之间的兼容性较差；(2)难以满足用户不同层次和不断变化的要求；(3)对测控系统集成入网、并能通过网络访问和交互的需求日益迫切。智能温度控制器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟温度控制器和网络温度控制器、研制单片测温控温系统等高科技的方向迅速发展。上述差距，是我们必须努力克服的。随着科学技术的进步和计算机技术的飞速发展，虚拟仪器开启了测控仪器的新纪元。虚拟仪器为人们建立检测系统、自动测量系统、过程监控系统等提供了一个理想的软件开发环境。它含有种类丰富的函数库，科学家和工程师们利用它可以方便灵活地搭建功能强大的测控系统。同时，现代控制理论的发展,人工智能技术的深入研究，也为控制系统的理论领域增加了新的内容。常用的温度控制电路除了传统的PID控制方法，近几年来快速发展的是将模糊控制、神经网络、遗传算法等智能控制方法应用于温控系统，包括智能控制与PID控制相结合及这些智能控制之间的结合。利用现代控制理论与虚拟仪器技术，将智能控制与传统控制有机综合应用，提高测量精度，设计出适用于不同加热条件和要求的智能型温度测控系统是当今测温研究的一个重点。本文的研究对象一电烤箱，是一种非线性、时变性、大时滞的被控对象,用精确的数学模型表示其特性是十分困难的，用常规的PID控制难以达到较高的控制精度，只有在参数整定准确且系统不发生剧烈变化的情况下才能实现，然而这对一般的电烤箱温度控制系统来说都难以满足，在关于温度控制的绝大部分文献资料中，控制结果都有较大的超调，本论文基于这一特点进行研究，提出一种控制方案，把虚拟仪器与智能温度控制相结合，开发一套基于模糊自整定PID参数算法的控制系统，使其具有结构简单、响应速度快、控制精度高、鲁棒性强的特点。另一方面基于控制实验室建设的要求，目前在国内高校，虚拟仪器正逐步走进理工科课堂和实验室，用虚拟仪器技术来实现智能温度测控实验系统，将其用于实验室电烤箱的温度控制，使其达到相应的技术要求，来满足自动控制技术、单片机、虚拟仪器技术、传感器与枪测技术等多门课程的教学与实验，并能用作学生综合实训或课程设计,系统的使用和维护费用低。1.2 课题的国内外研究现状1967年Leondes等人在他们的技术汇报中首次正式使用“智能控制”一词。1974年，Mamdani首次将模糊逻辑和模糊推理用于锅炉和蒸汽机的控制，标志着人们用模糊逻辑进行工业控制的开始。1976年，P.J.King和Mamdani等人合作，采用模糊模型的预估方案，用模糊控制对反应相进行温度控制，成功解决了系统不稳定的问题，这也是控制史上首次利用模糊控制来进行温度控制。20世纪90年代，美国、英国相继发表智能控制专辑，德国、日本等国家也连续发表多篇智能温度控制在各个领域的应用方面的论文。现今Simens和IiIfOrm公司联合研制了性能优良的模糊控制开发软件工具及第三代模糊微处理器，可利用软件或硬件的方法实现对系统的模糊控制。早在1965年我国著名科学家傅京孙首先提出把人工智能启发式推理规则引入学习控制系统，并于1971年提出人工智能和自动控制交叉学科，奠定了国内智能控制发展的基础。随后越来越多的学者开始关注智能控制技术，国家也越来越重视智能控制理论的研究和应用，1993-1995连续三年国内都召开了与智能控制有关的学术会议。由于温度控制涉及到工业、农业和日常生活等众多领域，智能温度控制技术成为国内学者研究的重要内容，在科技刊物上发表的与智能温度控制有关的论文也相继增多。总体而言，智能控制在温度控制系统中得到了广泛的应用。目前，国外已研制出智能化、精度高、小型化的智能温度控制器，开发出成熟的智能控制算法和控制软件。相比较而言，国内智能控制技术与日本、美国、瑞典、德国等先进国家相比，仍存在较大差距。目前国内成熟的温控产品主要以“点位”控制及常规的PID控制为主，商品化的智能控制系统少，在智能控制技术研究方面投入的人力、物力还不够。1.3 课题研究的主要内容本课题以电烤箱为研究对象，针对电烤箱升温单向性、大惯性、大滞后的特点，在比较常规PID控制、模糊控制及参数模糊自整定PID控制策略的基础上，主要对参数模糊自整定PID控制的应用进行了研究，并结合虚拟仪器巨大的优越性，设计出响应速度快、超调量小、稳态误差小的温度测控系统。本课题的具体研究内容如下：第一章：论述智能温度测控系统课题的背景和意义，温度测控系统控制方案，课题的国内外研究现状及本论文的主要内容。第二章:系统模型的建立及控制策略的选择与设计,利用Matlab对PlD控制、模糊自整定PID控制进行仿真比较。第三章：智能温度测控系统硬件电路的设计。根据系统设计原则，给出整体设计方案，详细介绍以单片机为核心的温控系统各部分器件的功能与原理，给出电路原理图，并对硬件采取各种抗干扰措施。第四章：智能温度测控系统的软件设计，给出了各主控模块的子程序流程图,对整个系统进行了调试和实验，对实验结果进行了分析。第二章被控对象及控制策略2.1 系统模型的建立控制系统建模方法分为两大类：机理建模和实验建模。机理建模理论上可以很精确，但实际上受客观条件的限制很难做到，对于复杂的系统必须事先做许多简化和理想化才能建立模型。这种方法存在数学方程不易准确建立、实验工艺较复杂、运行工况变化较大等缺点，最终会造成对象模型的不准确。实验建模把被研究的对象看作一个黑箱，通过输入信号，研究对象的输出响应信号与输入激励信号之间的关系，估计出系统的数学模型，这种方法简单实用，尤其对一些不易了解内部结构和机理不明的“黑箱”系统更是如此。考虑到电烤箱结构复杂，许多变量间只存在相关关系，而这种关系往往不能直接用数学式来精确描述，所以本文选择实验建模来获取系统模型。电烤箱是一个具有热容量的对象，当系统上电以后，箱内的温度是一个随时间逐渐上升的过程。加热丝的温度逐渐升高，通过箱壁热传递和热辐射使箱体内温度也逐渐升高，温箱有一定的容量滞后，其余环节可视为比例环节，因而一般可用一阶惯性环节加一个滞后环节来描述温控对象的数学模型，其传递函数表示为：G(三)=募YeS(2-1)式中K是对象的静态增益；T是对象的时间常数；T是对象的纯滞后时间。电烤箱模型参数的辨识常用的方法是阶跃响应法。电烤箱在不同功率下的阶跃响应曲线基本相同，所以可由某一功率下的系统阶跃响应曲线来取得系统的近似特征参数。在获得对象的飞升曲线后可用Cohn-Coon公式求对象参数。一阶惯性纯滞后对象飞升曲线如图2-1所示。图2-1一阶惯性纯滞后对象飞升曲线Cohn-Coon公式如下:“outK=in(2-2)T=1.5(t0632-，0.28)(2-3)L5(t,28_§%632)(2-4)式中心和%.632分别是飞升曲线为028y和0632y时对应的时间。本文的被控对象是深圳市伟科达电热设备有限公司生产的型号为WKD-298的电烤箱，工作频率50Hz,温度范围0-250度，总功率2000Wo在实验过程中对其给定输入180度，每30S采样一次，得到实验数据如表2.1所示：表2-1实验测得的电烤箱温度数据时间/S0306090120150180210240270300温度/°C20303750637594106120131141时间/s330360390420450480510540570600温度/°C152161168171175177178179180180将表2-1中的数据输入MATLAB进行仿真得到图2-2。图2-2系统阶跃响应响应曲线根据Cohn-Coon公式可得到系统模型的各参数：k=0.95,T=178s,=30so因此本文被控对象的传递函数为：(2-5)G(s)=0,95e30A178S÷12.2 控制策略研究1、PID控制的基本理论PID控制在生产过程中是一种被普遍采用的控制方法，是一种建立在经典控制理论基础上的控制策略，对于线性定常系统的控制是非常有效的，其调节品质取决于PID控制器的各个参数的确定。常规PID控制系统原理框图如图2-3所示。图2-3常规PID控制系统原理图理想的PID控制器根据给定值r与实际输出值c构成的控制偏差e(t)e(t)=r(t)-c(t)(2-6)将控制偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控其连续形式为：u(r)=Kf,M+亍工e(f)df+亲(2.7)其中，e为系统误差，K/,7；TL分别为比例系数、积分时间和微分时间。在图2-3的基础上简单分析一下PID控制器各校正环节的作用：比例环节的引入是为了及时成比例地反映控制系统的偏差信号e(t),以最快速度产生控制作用，使偏差向减小的方向变化。控制作用的强弱取决于比例系数K”随着KF的增大，稳态误差逐渐减小，但同时动态性能变差，超调量也增大，容易产生振荡，甚至会使闭环系统不稳定。因此K,选择必须适当，才能取得过渡时间少、稳态误差小而又稳定的效果。(2)积分环节的引入主要用于消除静差，即当闭环系统处于稳定状态时，此时控制输出量和控制偏差量都将保持在某一个常值上。积分作用的强弱取决于积分时间常数越大积分作用越弱，有利于系统减小超调，过渡过程不易产生振荡，但消除静差所需的时间较长。反之随着7；减小，静差也减小，但过小的7；会加剧系统振荡，甚至使系统失去稳定。(3)微分环节的引入是为了改善系统的稳定性和动态响应速度，微分控制能感应出偏差的变化趋势，增大微分控制作用可加快系统响应，减小超调量，克服振荡，提高系统的稳定性，但使系统抑制干扰的能力降低。微分部分的作用强弱由微分时间七决定。TL越大，则它抑制e变化的作用越强，心越小，它抗e(t)变化的作用越弱。它对系统的稳定性有很大的影响。在以微处理器为硬件核心的控制系统中，由于是以采样周期对输入和输出状态进行实时采样，故它是离散时间控制系统。在离散控制系统中，PID控制采用差分方程表示：U(Q=KP<e(k)+JZe(z)+与e(k)-e(k-1)>I/i=o/(2-8)令Ae(Q=e(Z)-e(D,K.=Kp9Kd=KP与即有kU(Z)=KFe(Q+KjXe(i)+K.Ae(幻(2-9)j=0其中K，Kd分别为积分系数和微分系数。从式(29)可以看出，每次输出均与过去的状态有关，为了避免在求取计算机输出值u(k)时对e(k)量进行累加计算，在实际应用中常采用增量式PID控制算法：根据递推原理可得：上-1u(k-1)=Kpe(k-1)+KiEe+KQe*-1)(2-10)i=0用式(29)减式(210)可得u(Zz)=Kpe(k)-e-l)+Kie(Z)+Kde(k)-M(k-1)(2-11)2、PID控制器的优缺点现今在过程控制中接近90%仍是采用纯PID调节器，PID控制器能够适用于如此广泛的工业与民用对象，充分反映了其良好品质。概括地讲，PID控制的优点主要有以下两点：(1)原理简单、实现方便，是一种能够满足大多数实际需要的基本控制器。(2)控制器适用于多种截然不同的对象，其控制品质对被控对象的结构或参数变化不敏感，算法在结构上具有较强的鲁棒性。但从另一方面来讲，控制算法的简单性和普遍适用性也反映了PID控制器在控制品质上的局限性，主要体现在以下几方面：(1)PID控制只能确定闭环系统的少数主要零极点，闭环特性从根本上是基于动态特性的低阶近似假定的。(2)常规PlD控制器无法同时满足跟踪设定值和抑制扰动的不同性能要求。(3)PID控制比较适用于单输入单输出最小相位系统，对于大时滞、大惯性等难控对象时，需要通过多个PID控制器或与其它控制器组合，才能得到较好的控制.2.3仿真分析1、PID控制以下是在Simulink中创建的用pid算法控制电烤箱温度的仿真模型：Scope图2-4电烤箱PID控制系统仿真模型在图中的PID模块中对三个参数进行设定，在TransportDelay模块中设定滞后时间30秒。通过不断调整PID三参数，得到最佳仿真曲线，其中Kp=2,Ki=0.008,Kd=O.OOlo当给定值为150时，仿真结果如图25所示:25011111200-二XH150-100-50-H0111102004006008001000图2-5PID控制系统响应曲线可见性能指标为:调节时间ts约为750s,超调量。约为40%,稳态误差ess=0o2、模糊自整定PID控制以下是在Simulink中创建的用模糊自整定pid控制算法控制电烤箱温度的仿真模型：当给定值为150时，系统响应曲线如图27所示:200I1111150100*:50-H0111102004。0600800IOoo图2-7模糊自整定PID控制系统响应曲线由图可以看出性能指标:调节时间ts约为300s,超调量。%=0,稳态误差ess=Oo2.4本章小结本章通过实验数据，建立了以电烤箱为对象的数学模型，分析了PID控制、和模糊自整定PID控制的原理及优缺点，确定了模糊自整定PID控制为电烤箱的控制策略。最后通过对二种控制方案进行仿真研究和分析，证实了参数模糊自整定PID控制策略可实现调节时间短，超调量小，稳态误差小等较理想的性能指标，作为该温控系统的控制器是可行的。第三章温度测控系统的硬件设计电烤箱是一种具有纯滞后的大惯性系统，开关烤箱门、环境温度、加热材料以及电网等都影响控制过程，基于精确数学模型的常规控制难以保证加热要求。因此电烤箱的温度控制是一项关键性的技术，本章主要讨论电烤箱温度测控系统的硬件设计。首先介绍了测控系统的总体设计原则和设计方案，然后具体介绍了系统各部分外围硬件的设计。电烤箱图3-1系统总体设计框图串行通信3.1温度测控系统的硬件组成系统硬件框图如图3-2所示，由以下几部分组成：AT89S52单片机及其最小系统模块、温度检测模块、键盘模块、LED显示模块、输出控制模块等。图3-2系统硬件框图工作原理：电烤箱的温度由热电偶进行采集，经信号放大、冷端补偿、线性化处理、A/D转换后将所检测的温度信号转换成对应的数字量，通过SPI串口送入单片机，通过单片机软件对数据进行处理，该温度一方面经LED数码显示显示，另一方面与键盘输入的给定值进行比较，计算其偏差，通过参数模糊自整定PID控制算法进行运算，运算结果形成以PWM形式输出的温度控制信号，通过过零触发光电耦合器件进行光电耦合隔离后，通过控制晶闸管的通断来调节电烤箱平均功率的大小，以达到控制烤箱温度的目的。3.3温度检测电路的设计温度检测电路是温度测控系统中的重要部分，承担着检测电烤箱温度并将数据传输到单片机的任务在温度的采集测量过程中，热电偶因具有体积小、使用方便、测温范围宽、测温精度高、性能稳定、动态响应好、输出直接是电压信号，便于讯号的远传和记录，也有利于集中检测和控制等优点而成为工程上应用最广泛的温度传感器。K型热电偶的稳定性较高，可在氧化性和中性介质中长期测900度以下温度，其回复性较好，产生热电势较大，线性好，价格便宜，测量精度较高，是工业中最常用的一种热电偶。经综合考虑K型热电偶的测温范围、测温精度、测温特性及价格,本文设计的智能温度测控系统选择K型热电偶作为温度传感器，实物如图3-3所示。图3-3K型热电偶实物图K型热电偶是工业生产中被广泛应用的廉价测温组件，具有结构简单、使用方便、测量温度范围宽，测量精度高、稳定性好等特点，但将热电偶应用于单片机系统时，存在以下几个方面的问题：(D信号弱：测温时热电偶产生的模拟信号很微弱，故需要对其进行放大处理。(2)冷端补偿：热电偶输出的热电势为冷端保持为O度时与测量端的电势差值,而在实际应用中冷端的温度是随着环境温度变化而变化的，故需进行冷端补偿。(3)非线性：热电偶输出热电势与温度之间的关系为非线性关系，因此在应用时必须进行线性化处理。(4)数字化输出：与单片机系统接口要采用数字化输出及数字化接口,而作为模拟小信号测温元件的热电偶显然无法直接满足这个要求,需要进行A/D转换。因而，通常将热电偶应用于单片机系统时，都采用“传感器T滤波器T放大器冷端补偿一线性化处理TA/D转换”的模式，该模式具有转换环节多、电路复杂、抗干扰能力差、精度低、调试困难等缺点。如果能将上述的功能集成到一个集成电路芯片中，即采用单芯片来完成信号放大、冷端补偿、线性化及数字化输出功能，则将大大简化热电偶在单片机领域的应用设计。本文设计中选用了由Maxim公司生产的K型热电偶专用模数转换器MAX6675,来完成热电偶电势至温度的转换。它是一种高精度的集成芯片，体积极小，不需要其它任何的外围电路，就能独立完成信号放大、冷端补偿、线性化、A/D转换及SPI串口数字化输出功能，可以直接与单片机接口，大大简化了热电偶测量智能装置原本复杂的软硬件设计，大大减少了温度控制过程中的不稳定因素，保证了测温的快速、准确。1、MAX6675的特性和引脚功能MAX6675的性能特点如下：对K型热电偶输出直接进行数字转换；内部集成有冷端补偿电路；(3)简单的SPI串行口温度值输出；(4)0度1023.75度的测温范围，温度分辨率为0.25度；(5)内含热电偶断线检测电路；(6)高阻抗差动输入，低功耗；MAX6675采用SO-8封装形式，长6.2mm,宽5mm,高1.75mm,引脚功能如表3-3所列。表3-3MAX6675引脚功能引脚名称功能1GND接地端2T-K型热电偶负极3T÷K型热电偶正极4VCC正电源端5SCK串行时钟输入6cs片选端7SO串行数据输出8NC空脚2、MAX6675与单片机的通信MAX6675采用标准的SPI串行外设总线与单片机接口，通信过程如下：当单片机使MAX6675的CS引脚从低电平变为高电平时，MAX6675将进行新的转换；当单片机使MAX6675的CS引脚从高电平变为低电平时，MAX6675将停止任何信号的转换,同时在SCK时钟输入脉冲的作用下，从SO端输出串行转换数据，一个完整的数据输出过程需要16个SCK时钟周期，数据的读取约定在SCK的下降沿完成。MAX6675的输出数据为16位，输出时高位在前。D15位是伪标志位，始终为0；D14D3是由高位到低位顺序排列的转换温度值；D2用于检测热电偶是否断线，当D2为1时表明热电偶断开；Dl为MAX6675的标识符，始终为0；DO位为三态。断开；Dl为MAX6675的标识符，始终为0;DO位为三态。MAX6675的串行接口时序图如图3-4所示。三11L11JLnIUUWULnn图3-4MAX6675SPI接口时序图4、MAX6675与单片机的接口电路MAX6675与单片机的接口电路如图35所示，单片机的Pl.O、Pl、P1.2口分别接到MAX6675的SCK、CS、SO端。当AT89S52的PLl为低电平且PLO产生时钟脉冲时，MAX6675的SO脚输出转换数据，每一个SCK的脉冲信号下降沿SO输出一个数据，16个脉冲信号完成一串完整的数据输出，先输出高电位D15,最后输出的是低电位DO,D14D3为相应的12位温度转换数据，转换值的变化范围是04095,对应表示实际温度为0度1023.75度，分辨率为0.25度。由于MAX6675内部经过了激光修正，因此，其转换结果对应温度值具有较好的线性关系。温度值与数字量的对应关系为：温度值二IO2375X转换后的数字量/4095=转换后的数字量/4。当PLl为高电平时，MAX6675开始进行新的温度转换。图3-5MAX6675与单片机的接口电路为了正确使用MAX6675芯片，在进行电路硬件设计时，还应该注意以下几点：(1)MAX6675的测量精度对电源耦合噪声比较敏感，设计时需要在MAX6675的电源引脚与地线之间接一个0.1UF的陶瓷旁路电容,同时尽量将MAX6675布置在远离其他DO芯片的地方，以降低电源噪声的影响。(2)MAX6675的端必须接地，并使接地点尽可能接近GND脚，否则读出数据为无规律的乱码。(3)由于MAX6675是通过冷端补偿来校正周围温度变化的。只有当热电偶的冷端和芯片温度相等时，才可获得最佳的测量精度，所以在进行PCB设计时,要尽量避免在MAX6675附近放置易发热元件或器件。同时，要采用大面积接地技术来降低芯片自热引起的测量误差，提高温度测量精度。(4)MAX6675完成温度的放大、滤波、A/D转换以及SIP输出等一系列过程要一个最小转换时间,约0.17-0.22秒,所以一般应使系统的采样周期大于250毫秒。(5)尽量采用大截面积的热电偶导线，长距离传输时，可采用双绞线作为信号传输线。3.4 AT89S52单片机及其最小系统单片机又称微处理器，具有体积小、功耗低、价格低廉、抗干扰能力强且可靠性高等特点，适用于工业过程控制、智能仪器仪表和测控系统的前端装置。本课题中运用单片机的目的是构成一个具有一定判断、运算、存储、显示和控制等功能的智能温度测控仪表，单片机型号的选择主要从有较强的抗干扰能力和较高的性价比两方面考虑。由于52系列单片机在我国使用最广，并且该系列单片机的资料和能够兼容的外围芯片也比较多，特别是美国ATMEL公司2003年推出的新一代89S系列单片机,其典型产品AT89S52单片机具有较高的性价比，因此本系统采用ATMEL公司生产的8位单片机AT89S52作为下位机的控制器。AT89S52单片机具有以下特性：(1)与MCS-51单片机产品兼容；(2)8K字节在系统可编程FLASH存储器；(3)256字节内部RAM；(4)1000次擦写周期；(5)全静态时钟：0HZ33MHZ;三级加密程序存储器；(7)32个可编程I/O口线；(8)3个16位定时/计数器；(9)8个中断源；(10)全双工UART串行通道；(11)双数据指针；(12)看门狗定时器；(13)低功耗空闲和掉电模式，掉电后中断可唤醒；本系统中AT89S52单片机及其最小系统如图3-8所示。为了提高单片机系统的可靠性，在本课题采用专门的监控芯片MAX813LoMAX813L是一个看门狗与电源监控芯片，在系统加电、掉电以及供电电压降低情况下的复位输出，复位脉冲宽度典型值为200ms,高电平有效，复位门限的典型值4.65VoMAX813L具有独立的看门狗输出，如果在1.6s内6脚没有收到MCU的触发信号，则8脚输出一个低电平信号。另外MAX813L具有电源监控功能，内置1.25V门限值检测器，用于电源故障报警。PLO 1PLI 2PL2 3PT3 4PL4 5PL5 6PL6 7PT? 8RESET 9I=S31PlOPllP12P13P14P15P16P17P33NTTP32iNT0P351P34,0直/VPXlX2RESETP37而 P36/WR39 PO O383736353433320 12 3 4 5 62 222 2 2 2 PppppppP30/RXD P3 IfTXD ALE/PROG PSEN21P2.022 P2.123 P2224P2325 P2.426 P2.527 P2628PZ710 RXD11 TXD30图3-6AT89S52单片机及其最小系统图中MAX813L的1脚与8脚相连，7脚与单片机的9脚RESET相连，6脚与单片机的P1.6脚相连。在软件设计中，P1.6不断输出脉冲信号，如果因某种原因单片机进入死循环，则P1.6无脉冲输出，于是1.6s后在MAX813L的第8脚输出低电平，该低电平加到第1脚，使MAX813L产生复位输出，使单片机有效复位，摆脱程序“跑飞”或死循环的困境。另外，当电源电压低于复位门限值4.65V时，MAX813L也产生复位输出，使单片机处于复位状态，不执行任何指令，直至电源电压恢复正常，可有效防止单片机因电源电压较低时而产生的误动作。为了建立一个电源故障预警电路，可以在4脚电源故障输入PFI上连接一个电阻分压支路，该支路连接的监视点通常是未经稳压的直流电源。通过调节电阻值，合理地选择分压比，电源正常时，确保R2上的电压高于1.25V,即保证MAX813L的PFl输入端电平高于1.25Vo当电源发生故障，PFI输入端的电平低于1.25V时，电源故障输出端电平由高变低，引起单片机中断，CPU响应中断，执行相应的中断服务程序，保护数据，断开外部用电电路等。3.5 人机交互接口电路设计3.5.1 键盘电路键盘接口按不同标准可有不同分类方法，按键盘排布方式可分为独立方式和行列方式；按CPU响应方式可分成中断方式和查询方式；按读入键值的方式可分为宣读方式和扫描方式；按是否进行硬件编码可分成非编码方式和硬件编码方式。将以上各种方式组合可构成很多不同的键盘接口方式。本系统设计中采用4X4行列式矩阵键盘接口，其电路如图3-9所示，行线由P2.0P23口控制，列线由P2.4-P2.7口控制，采用查询扫描的方式进行工作。键盘有16个键，其中有09共10数字键，1个功能键，1个确认键,1个取消键，1个左移键，1个右移键和1个停机键。在输入温度时先按下功能键，然后输入相应的数字键，如果某一位输入有误，可以通过左移或右移键来进行个别位修改，然后按确认键完成输入。系统在程序初始化时控制键盘行线的P2.0-P2.3口输出高电平，控制键盘列线的P2.3-P2.7口输出低电平。在判断电路是否有键按下时，读P2.0-P2.7端口值，若值不是OOOoInL则说明电路中有键按下，然后根据程序进行去抖动处理和计算键值。显示电路是实现人机联系的主要途径，用于显示用户设定的温度、当前的温度值、上限温度、下限温度等。从理论上讲，如果要很明了的显示各种数值的话，应该加上汉字显示模块，这样更一目了然，LCD在这方面占了很多优势,但LCD显示器一般都有8根数据线和5根控制线，即使是串行的情况下也要占用单片机的8个DO或6根线和几个逻辑门，使用LED显示器可以很容易的解决I/O口的问题，而且LED显示方式具有高亮度、显示醒目、使用寿命长、方便、价格低廉等优点，综合考虑设计的几个原则，本设计采用8位LED显示，分别用于显示设定温度和实测温度的百、十、个和小数位，显示的温度可精确到04度。常用的专用数码管显示驱动芯片有8279和MAX7219两种，8279由于近年停产而很少有人使用；MAX7219因使用起来方便灵活，连线简单，不占用数据存储器空间，使用的人越来越多。LED驱动方式有多种形式，在采用并行显示方式时，显示电路的段码与位控码要占用单片机的较多口线，尽管可以采用8255等接口芯片进行扩展,但口线利用率仍较低。采用串行显示方式只需占用2至3根口线，节约单片机大量的I/O口，为单片机扩展其它的功能提供了方便。一般要求控制芯片使用简单、功能多样化、多级灰度调节、外围电路精简可靠、译码与功率驱动于一体。本课题采用一种基于MAX7219芯片的LED串行显示技术。MAX7219与单片机之间的数据传送最快最有效的方法是串行外设接口SPI,对不带SPI接口能力的单片机，需要软件合成SPI操作与MAX7219接口。硬件连接电路如图3-10所示，其中AT89S52单片机的P1.3口作串行数据输出，连接到MAX7219的DIN引脚，P1.4和P1.5分别连接时钟脉冲CLK和数据加载LOAD信号。SEGASEGF是7段驱动输出端，与LED对应的7个段a,b,c,d,e,f和g连接，SEGDP为小数点dp驱动输出端。DIG7-DIG0分别接8个LED显示器的共阴极，以实现位选。显示数据串行输入MAX7219,移位存入数据寄存器，片内多路扫描电路顺