基于STC89C52单片机电机温控自动调节系统的设计
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基于STC89C52单片机电机温控自动调节系统的设计
基于STC89C52单片机电机温控自动调节系统的设计 基于STC89C52单片机电机温控自动调节系统的设计 丁志杰 （昆山供电公司，江苏 昆山 215300） 摘要：本文设计了一款用STC89C52单片机作为控制核心，集成温度传感器、L298d电机驱动。通过软件编程实现数据分析和控制，直接设定温度上、下限值，根据使用者设定的温度，自动在对应温度时做出低速档、高速档、停机动作。经过实验，该系统运行稳定，精确度高。 关键词：温度测量；电机；转速控制 智能温度控制系统在工业生产，特别是在电力、家电、材料、汽车电子等行业得到广泛应用。在现代化建设中，能源消耗非常大，但我国的能源利用率较低。因此实现智能温度控制，对提高能源利用率和现代化建设具有非常重要的现实意义。 1 电机温控自动调节系统的方案设计 本设计实现了一种电机温控自动调节系统，具有灵敏的温度感应和显示功能，本系统能通过温度的变化对电机的转速进行智能化控制，用户可以设置温度上、下限值。 系统总体设计思想是将整个复杂系统划分为各个简单的小模块，再由各个小模块功能组合，从而实现系统预期功能。通过分析可以将本系统划分为系统控制模块、温度测量模块、温度设置模块、显示模块、测速模块、电机驱动模块和直流电机等模块。 2 硬件电路设计 2.1 系统总体硬件组成 通过分析，最终确定本系统主要包括STC89C52单片机控制模块、单片机最小系统模块、DS18B20温度测量模块、按键设置温度模块、LCD液晶显示模块、L298电机驱动模块、光电传感器测速模块和被控的直流电机几个模块。 2.2 系统各模块设计 （1）STC89C52单片机最小系统。单片机最小系统又称为单片机最小应用系统，指用最少的元器件组成的可以工作的单片机系统。 对于一般单片机来说，最小系统模块应该包括：单片机、晶振电路和复位电路。具体电路设计如图1所示。 图1 STC89C52单片机模块电路图 本设计晶振电路选取的晶振为12MHz，单片机12个时钟周期为1个机器周期，机器周期的时间T为： 复位时间计算公式如下： 所以根据经验计算可得，电阻可取阻值10K，电容可取电容值10μF。 （2）DS18B20温度测量模块和温度设置模块。温度测量主要由DS18B20，一个电阻组成。将DS18B20采集的温度信号转换成二进制数，通过单片机处理然后在液晶显示器上显示。由于传感器连接到单片机P0口，单总线通常需要一个外部约为4.7～10k的上拉电阻，这样，当总线空闲时，其状态为高电平时，上拉电阻系统设计取10k。 温度设定模块电路图键端连接到地，另一端接入SCMP0.3，P0.4，P0.5端口，并连接一个上拉电阻器，其阻值为电阻10k。 （3）LCD液晶显示模块。CD液晶显示模块电路包括1个1602液晶显示屏、滑动变阻器等。其连接方式如下：数据线DB0～DB7连接单片机的P2口；3条控制线RS、RW、E、分别接P3.0、P3.3、P3.1；10k的滑动变阻器用来调节液晶显示的对比度。 （4）L298电机驱动模块。由于控制对象的系统设计中只有一个电机，并且两个正负交替，所以IN1-IN4只需要一个端口连接到所述单芯片微计算机，如图IN4连接到P1.0。为了确保L298芯片可以正常稳定的工作，需要稳定芯片的输入电压，所以芯片两个电源输入需要添加滤波电路。通过在平行一端的另一端接地电解电容器和陶瓷电容器的滤波电路后连接电源输入。其效果是减少滤波器电路的纹波系数，可消除一些通过正反馈形式纹波功率，也就是使电压稳定。电解电容器交流滤波低频分量，一般选择100uF的陶瓷电容比电源噪声滤波器的工作频率较高，一般选择0.1uF。 （5）直流电机模块。马达是电感性负载，中断或逆转时，可以产生反向感应，电动势非常高，如果不释放将击穿电路控制芯片。增加一个二极管，二极管导通感应电动势，电能释放后，起到了保护作用。因此电机两端要加入四个二极管。 （6）光电传感器测速模块。槽型光电开关是对射式光电开关的一种，又叫做U型光电开关，是一款红外线感应光电产品，槽型光电传感器模块检测距离长、响应速度快。光电传感器测速采用光电码盘测速法，通过测出转速信号的频率或周期来测量电机转速的一种无接触测速法。光电码盘安装在转子端轴上，随着电机的转动，光电码盘也跟着一起转动，如果有一个固定光源照射在码盘上，则利用光敏元件来接收到的光的次数就是码盘的编码数。若编码数为60，测量时间为t，测量到的脉冲数为N，则n=N/t。 3 主程序软件设计 整体软件部分的设计主要包括主程序模块、DS18B20测温模块、温度模块设置、LCD液晶显示模块、L298电机驱动模块、光电速度传感器模块。主程序模块的功能是为几个模块的整体框架和初始化工作的其余部分；DS18B20测温模块，用于实时检测环境温度，并转换由液晶显示器；密钥设定温度是通过模块子程序实时改性温度上限和下限，并在液晶显示器；LCD液晶显示模块，用于实时温度，温度上限和下限和速度；L298电机驱动模块所使用的驱动程序，实现电动机的速度控制；单片机光电传感器测速模块用于电机脉冲计数，来测量电机速度和液晶显示器（LCD）相结合。 划分成模块，确定每个模块的功能，确定模块之间的调用关系，确定模块之间的接口和模块之间传递的信息。方案实施功能检测时，电量传感器读取 温度命令后正常工作，会从LCD上显示的DS18B20温度值读取。同时，用户可通过按钮来设置温度下限，并显示在LCD上。单片机通过比较温度传感器测试的当前温度和设定的温度值，从而驱动电机开始不同方式的工作。为更直观地看到电机转速的变化与光电传感器的旋转速度，在LCD显示的单块芯片进行实时测量。电机温度功能由温度和速度显示子程序模块的设置，通过工具按钮来显示。 4 仿真和分析 4.1 仿真 KEIL编程软件提供了一个完整的发展计划，其中包括C语言编辑器、宏汇编、连接器、库管理，以及强大的调试器的原理等。 （1）打开KEIL软件，编写好相应的程序进行编译。（2）点击“项目”选项，打开“为目标选项”中选择“输出”键，那么“科瑞HEX文件”勾选上，生成可以在PROTUES仿真图中使用的HEX文件。（3）打开软件PROTUES，得出相应的模拟图，在单片机上双击，在出现的选项中选定刚才生成的“程序文件”选项。最后选择确定按钮即可仿真成功。 4.2 结果分析 本次设计的是电机温控自动调节系统，由于仿真图上需要运行的器件繁多，仿真量大，在运行时发现仿真出现卡顿和液晶乱码现象。尤其在测速时液晶显示速度值有时候没有明显变化。 仿真结果表明，模拟仿真设置时的最高温度为40.0℃。当实际温度高于设定温度时，即电动机温度升高至42.0℃，电机速度逐渐变快，达303转每分钟。当实际温度低于设定温度时，电机转速下降，当温度进一步下降，电机会停止运行。 仿真结果分析表明，本文设计的单片机电机温控自动调节系统运行流畅、稳定可靠、功率较小、实现了预期的控制要求。 4.3 硬件调试 根据电路原理图将系统各模块用硬件器材分别焊接组装出来，最终将各个模块与单片机接口连接，这样硬件系统就初步完成。按照整个电路图用肉眼观察实物的焊接是否与原理图一样，有没有漏焊、错焊和松焊的地方。检查无问题后，可以用万用表对硬件电路进行进一步检查。首先检查系统电源和地线的接通是否正常，然后检测各器件之间是否有短路、断路等现象。接下来可以上电查看液晶是否正常运行，然后下载一段液晶显示程序对液晶进行测试，检查液晶是否能正常显示字符，同时也可以看出温度传感器等是否能正常工作。通过以上测试结果表明，本系统实现了预期功能。 参考文献： [1]徐漫琳，李立成，郑涛，高天露，段开宇. 基于STC89C52单片机的正三棱柱翻转黑板控制系统[J]. 机电工程，1～1446. [2]金琦淳，李寒霜，陈炜炜. 基于单片机的智能温控散热器设计[J]. 现代电子技术，～115. 中图分类号：TM383.6;TP368.12 文献标识码：A 文章编号：（2017）04（上）-0128-02
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　　温度控制技术不仅在工业生产有着非常重要的作用，而且在日常生活中也起着至关重要的作用。本文对系统进行硬件和软件的设计，在建立温度控制系统数学模型的基础之上，通过对PID控制的分析设计了系统控制器，完成了系统的软、硬件调试工作。算法简单、可靠性高、鲁棒性好，而且PID控制器参数直接影响控制效果。
　　1. 系统概述
　　1.1 系统总体结构
　　该系统利用丰富的外设模块搭建硬件平台。系统的硬件电路包括：模拟部分和数字部分，基本电路由核心处理模块、温度采集模块、键盘显示模块及控制执行模块等组成。
　　1.2 系统工作流程
　　系统开始工作时，首先由控制软件发出温度读取指令，通过数字温度传感器采集被控对象的当前温度值并送实时显示。然后，将该温度测量值与设定值T比较，其差值送PID控制器。PID控制器处理后输出一定数值的控制量，经D/A转换为模拟电压量，控制被控对象进行加热。
　　1.3 系统软件设计方法
　　整个系统软件设计包括管理程序和控制程序两部分，管理程序包括LED显示的动态刷新、控制指示灯、处理键盘的扫描和响应。控制程序包括A/D转换、中值滤波、越限报警处理、PID计算等。
　　2. 系统硬件结构
　　2.1 电路的设计
　　系统所用直流电源由三端集成稳压器组成的串联型直流稳压电源提供。设计中选用了 和三个三端集成稳压器，提供+5V直流电压，输出电流均为1A.变压器将220V的市电降压后再通过整流桥整流之后采用了大容量的进行滤波，以减小输出电压纹波。电源电路图如图1所示。
　　&&&&&&&&&&&&&&&&& 图1 电源电路图
　　2.2 复位电路设计
　　单片机复位电路设计的好坏，直接影响到整个系统工作的可靠性。只有一个可靠的复位电路才能使系统避免出现了“死机”、“程序走飞”等现象。电路图如图2所示。
　&&&&&&&&&&&&&&&&& 　图2 复位电路图
　　2.3 时钟电路设计
　　本控制器采用的是内部振荡方式得到单片机的时钟信号，这种方式得到的时钟信号比较稳定。图3为时钟电路。
　　&&&&&&&&&&&&&&&&& 图3 时钟电路图
　　2.4 输出电路
　　可控硅是一种功率半导体器件，简称SCR,也称。本部分为控制电加热炉功率的双向可控硅驱动电路，采用作为驱动电路。如图4所示。
　　&&&&&&&&&&&&&&&&& 图4 可控硅输出电路
　　2.5 声光报警电路模块
　　某一通道的温度测量值超出预先设定的上、下限报警值或系统运行出现故障时，系统发出声光报警以提醒用户注意。如图5所示。
　　&&&&&&&&&&&&&&&&&& 图5 声光报警电路图
　　3.系统软件设计
　　3.1 系统主程序设计
　　在反应器系统中，主程序的功能主要是设定程序执行过程中用到的相关变量，分配寄存器，对所需要的参数初始化，根据定时中断程序，调用相应的功能模块，完成一定的任务。
　　3.2 系统子程序设计
　　3.2.1 显示子程序
　　LED显示方式包括有静态和动态显示两种，动态扫描显示电路是将显示各位的所有相同字段线连在一起，由一个8位I/O口控制，而每一位的公共端（共阳或共阴COM）由另一个I/O口控制。由于这种连接方式将每位相同字段的字段线连在一起，当输出字段码时，每一位将显示相同的内容。因此，要想显示不同的内容，必须采取轮流显示的方式。
　　3.2.2 定时子程序
　　定时程序主要是用于完成查表的占空比控制。总体思想是根据控制表中占空比控制变量U的不同取值，采用不同的定时来改变继电器的通断，根据继电器的特性，要求不能频繁通断，所以通断要有一定长的时间，但又要考虑到控制能够及时的根据新的采集值和设定值的变化来做出相应的动作。
　　4.控制方案
　　4.1 PID控制
　　PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差，将偏差比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。
　　4.2 PID参数整定
　　由于PID控制器的输出为系统偏差的比例、微分和积分作用后的线性组合，所以调整各个部分的线性系数就是PID控制器控制性能好坏的关键。必须针对具体被控对象对PID控制器参数进行整定，采取扩充临界比例度法：
　　（a）选择合适的采样周期T.所谓合适是指周期足够小，一般应选它对象的纯滞后时间的1/IO以下；
　　（b）仅让控制器作纯比例控制，由小到大逐渐增大比例系数Kp,直至使系统出现临界振荡，记下此时的临界振荡周期Ts和临界振荡增益Ks;
　　（c）选择合适的控制度。所谓控制度，就是数字控制器和模拟调节器所对应的过渡过程的误差平方的积分之比；
　　（d）根据控制度查表。
　　4.3 Matlab仿真
　　通过对上述的整定方法的综合运用，整定后得到PID控制器的参数为：Kp=1.75,Ki=0.0125,Kd=3,在MATLAB/Simulink环境下建立温度控制系统的仿真模型，如图6示。仿真后得到系统阶跃响应曲线。
　　&&&&&&&&&&&&&&&&& 图6 仿真模型
　　仿真后得到的系统阶跃响应的动态性能还是比较理想的，超调很小（响应峰值为1.017,超调量Q%=1.7%）。统的响应误差是也是比较小的（稳态误差为0.005），在系统要求的精度范围之内。
　　5.总结
　　系统采用模块化设计，扩展性强。模块化设计，使控制器具有一定的通用性，而且运行安全可靠。成本低，操作简单，体积小，安装方便，反应灵敏，控制精度高。
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把你设定的温度存在一个寄存器中
把测得的温度进行比较
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