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1、 计算机控制技术课程设计计算机控制技术课 程 设 计成绩评定表设计课题 ：基于单片机的冷藏库双重温度测控系统设计学院名称 ： 电气工程学院 专业班级 ： 学生姓名 ： 学 号 ： 指导教师 ： 设计地点 ： 设计时间 ： 指导教师意见：成绩: 签名： 年 月 日35计算机控制技术课程设计任务书学生姓名专业班级学号题 目基于单片机的冷藏库双重温度测控系统设计课题性质工程设计课题来源自拟指导教师主要内容（参数）初步探讨冷藏库的温度变化规律，找到最佳测控方案。也就是说通过对冷藏库进行多个点的温度测量，找到最佳测量点。然后由单片机为下位机对压缩机、冷凝器液体回路的电磁阀双重控制，二者组成高可靠冷藏库温
2、度测控系统，使得冷藏库温度分布均匀，提高产品冷藏的质量。为了便于观察测量的温度，该系统还利用Pc机作为上位机集中显示温度值和存储数据。任务要求（进度）第1天：熟悉课程设计任务及要求，针对课题查阅技术资料。第2天：确定设计方案。要求对设计方案进行分析、比较、论证，画出方框图，并简述工作原理。第3 - 4天：按照确定的方案设计单元电路。要求画出单元电路图，元件及元件参数选择要有依据，各单元电路的设计要有详细论述。第5天：撰写课程设计报告。要求内容完整、图表清晰、文理流畅、格式规范、方案合理、设计正确，篇幅不少于6000字。主要参考资料【1】齐怀琴，高精度温度测量仪的研究电子测量与仪器学报，2001
3、. 【2】李喜宏，微型节能保鲜冷库天津：科技文献出版社，2003 【33李波，基于CAN总线冷库温度测控系统电子测量技术，2002【4】李福良，基于模拟比较技术的高精度测温方法自动化与仪器仪表，5】李小波，多点、多分度号、远距离温度采集和记录系统自动化与仪表，2002.【6】朱华贵，分布式多路远程温度检测系统的设计与实现乐山师范学院学报，200412.审查意见系（教研室）主任签字： 年 月 日 摘 要 本文设计了一种基于单片机的冷藏库双重温度测控系统。该系统由单片机与PC机组成。此文首先分析了在冷藏货物时冷藏库的温度分布，找出了测温探头的两个最佳放置位置。在此基础上，设计了单片机温度测控电路和
4、相应的程序。 本设计中单片机的控制部分有两部分构成。第一部分是控制压缩机的制冷量，第二部分是控制冷凝器回路液体流动与否第一部分是由单片机进行PID运算，输出模拟信号送到变频器，来控制压缩机改变其制冷量；第二部分是通过上下限控制电路驱动电磁阀来控制冷凝器回路的液体。二者联级实现了双重控制的功能。从而达到了冷藏库最佳温度控制的目的。为了进一步观察到冷藏库的温度，将现场单片机显示的温度值利用VB编程软件设计了通信程序，由RS-485通信接口送到远程计算机显示。该系统在实际使用中，不但可以起到节能作用而且解决了冷藏库温度进行实时测控这项靠人力是难以完成的任务，提高了冷藏产品质量。尤其该设计是通过对冷藏
5、库的温度分布分析找出了测温探头的两个最佳放置位置，并采用双重温度测控法，解决了以前冷藏库温度分布不均匀的问题。该系统设计目标是通过对冷藏库的温度分布分析找出了测温探头的两个最佳放置位置，并采用双重温度测控法，解决了以前冷藏库温度分布不均匀的问题。最终设计出一套基于单片机的冷藏库温度铡控系统的产品。关键词：冷藏库，单片机，温度控制目 录1 引言62方案论证72.1总体方案72.2温度测控系统结构设计82.3 单片机温度测控系统硬件设计92.4 单片机的选择102.5传感器的选择112.6AD转换器的选择132.7AD转换电路模块143单元电路的设计153.1单片机扩展部分的设计153.2信号测量
6、功能模块163.3信号放大电路模块183.4LED显示器与键盘电路203.5上下限控制电路213.6串行通讯模块223.7单片机组成下位机总图234软件部分设计234.1单片杌部分软件设计总体思想234.2PID控制的算法244.3常规PID控制算法244.4测控系统程序流程图265结论306参考文献30附录311 引言当前胶东半岛地区蔬菜、果品冷藏加工企业很多，这些企业的原料、半成品、成品都需用冷藏，冷库的运行状况直接影响冷藏产品的质量指标，因此需要对冷库参数如温度等进行实时测控。这项任务靠人力是难以完成，且很难满足过程控制要求，迫切需要引进计算机系统进行实时监测与控制。由于冷藏库容积较大，
7、储藏技术的研究主要集中在库内空气参数对贮藏果蔬的影响及库内气流组织的分布，而对库体结构没有较多的研究。RobeftEPauH和AL6pez对温度和相对湿度对果蔬质量的影响进行了研究，认为在一定温度和相对湿度范围内，降低温度和升高库内相对湿度有利于库内储藏果蔬品质的提高。随着微型节能冷库在果蔬产地的大量推广应用，国内也对其结构进行了优化设计和分析。本课题主要从温控方面研究以提高冷藏的质量。目前许多这类企业已经在生产中引进计算机系统，但绝大多数只能进行监测，不能用以控制，同时还存在下列问题：采用单片机系统，可扩充性，可修改性差，不能随时调整有关参数。精确度低，抗干扰性差。从许多企业安装的系统看，存
8、在着抗干扰性差，工作不稳定，测量数据与实际相比大起大落问题较普遍且严重，这使的系统生产厂家和客户企业都大伤脑筋，同时也给客户企业造成一些不必要的经济损失。 从总体看，由于经济和技术方面的原因(硬件较贵，通用、高可靠、使用方便的配套软件贫乏)计算机控制系统发展较慢，应用还不广，尤其是在中小企业更是如此。在国外，计算机监控系统的应用已显示出其节能，节省人力和控制效果好等巨大优越性。目前，胶东半岛乡镇企业在这方面发展落后。虽有企业引进，但因可靠性很差，仍不能付诸使用，这就使得一些新企业望“自动控制”而却步。因此本课题的研究对推动企业的生产加工自动化，促进科技进步，提高生产效率，具有现实的经济意义2方
9、案论证2.1总体方案现场制冷状况：三个低温库(-18)分别为两个l5吨，一个25吨采用三洋低温并联压缩机组DCR-BLD375型制冷降温。该机组有三个25KW压缩机并联组成，也就是说每一个压缩机都能对这三个库制冷，而每一个库房的冷凝器均设有液体回路电磁阀。要达到有效控制温度，就必须对压缩机、液体回路电磁阀进行合理控制。 下位机是由多台单片机完成，现以三个库一个制冷机组说明其测控方法。每个库两个点测量由单片机进行运算取其平均值并在现场显示即为其测量值，这样大大提高了其测量的准确度。再由单片机进行PID运算输出模拟信号送到变频器的模拟量输入端子，由变频器根据模拟量输入大小该变电机的转速从而改变制冷
10、机组的一个压缩机制冷量；同时由单片机上下限设定温度控制各自的冷凝器的液体回路电磁阀，避免了其它压缩杌的制冷量对该库房的冷凝器的液体回路的影响，实现了对压缩机、冷凝器的液体回路二者连级双重控制的功能，从而能达到库房最佳温度控制的目的。为了进一步观察到冷藏库的温度。将现场单片机显示的温度值通过RS-485通信送到上位计算机显示。总体框图如图2-1所示。图2-1总体框图2.2温度测控系统结构设计1. 温度测控系统的总体构成图2-2温度测控系统结构框图 图2-2为温度测控系统的结构框图，系统主要由单片机测控平台、温度检测及变换电路、键盘和显示器、变频器、电磁阀、通讯电路、测控制软件组成，采用了模块化的
11、设计方法，组建方式灵活，具有良好的扩展性。2性能特点 (1)可靠性高 在系统设计中对系统可靠性作了充分的讨论，同时采取了相应的解决措施，接个系统的可靠性提高，使运行安全、可靠。 (2)控制精度高由于通过对库房温度分布进行分析，找出最佳测量点，在电路设计方案上我们采用了开关量粗控和模拟量精控二者联级控制以提高精确度，在硬件上采用了高精度的温度传感器和性能良好的集成芯片。使温度精度进一步提高，足以满足用户对温度控制的要求。(3)可控点多，扩展性能良好采用两点取平均测量方法，克服了在以往温度控制中，只能单点测量某一区域的实际温度，出现偏差的现象，能够对库房的不同位置进行测量，了解整个设备的运行状态，
12、准确实现对温度的测控，具有较强的合理性，同时具有良好的扩展性能，可以很方便的扩展到多回路。2.3 单片机温度测控系统硬件设计 图2-3为单片机温度测控系统的组成框图，它由传感器、多路选择开关、放大电路、AD转换器、单片机、键盘控制、显示器等部分所组成。图2-3单片机温度测控框图 温度测控系统采用8位AT89C52单片机作为控制核心，两路温度传感器热电阻将温度信号转换为电压信号，经8通道模拟多路开关CD4051送入放大电路，8路通道模拟开关由单片机进行两个回路的选通，温度信号经集成运算放大器OP-07与CD4051组成的放大电路进行放大，然后进入双积分电路l4位AD转换器ICL7135进行转换，
13、单片机读取转换结果，将结果运算后送入显示区，显示其平均温度，通过4个按键输入设定温度并进行显示，在单片机内读取测量温度和设定温度，进行误差计算和PID运算，运算结果通过转换电路变换为模拟量，输入变频器实现控制，调节库房温度。同时单片机还根据上下限设定值输出信号给控制电路以驱动电磁阀，实现对冷凝器的液体回路通断控制，起到压缩机的制冷量并联运用和隔离作用。2.4 单片机的选择 目前，市场上以MCS-51系列单片机应用最广，配合其生产的芯片也最多。而且51系列已能完成本设计所需要求，价格较低，所以本设计选用51系列单片机AT89C52作为核心芯片。 兼容标准MCS-51指令系统的AT89C52单片机
14、是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8K bytes的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的89C52单片机可为您提供许多高性低比的系统控制应用领域。 其主要功能特性如下：兼容MCS51指令系统8k可反复擦写(1000次)Fkbh ROM32个双向I/O口256X 8bit内部RAM3个l6位可编程定时计数器中断钟频率024MHz2个串行中断可编程UART串行通道2个外部中断源共6个中断源2个读写中断口线3级加密位低功耗
15、空闲和掉电模式2.5传感器的选择热敏电阻的传统优势 1、价格毫无疑问，在大多数情况下，就单个组件进行比较，热敏电阻的价格低于IC温度传感器。但为了将热敏电阻的阻值转换成电压值，需要一个精度为1的上拉电阻，以便获得准确的读数。如果需要以数字方式读出热敏电阻的值，必须再加用带有不同接口(如I2C或SPI)的模数转换器(ADC) 。对于模拟输出的IC温度传感器，单独一颗芯片即可读出电压值，不需外加器件。而对于需要数字化的设计来说，我们能很容易的找到具备不同输出接口的单芯片数字IC温度传感器。以整体系统价格来说，IC温度传感器并不一定较高。 另一方面，随着工艺的改进，美国国家半导体最近宣布了全球最低成
16、本的模拟温度传感器LM19，其价格可与热敏电阻相媲美。 2、各种各样的封装如果就传感器无法安装在电路板上的情况而论，热敏电阻具有优势，但仅限于这种情况。如果传感器需要安装在电路板上，则没有差别，甚至当采用具有良好导热性能的LLP封装的IC温度传感器，如LM20或LM74时，则能获得更准确的读数。 3、精度 在这点上的争论取决于它的用途。在小范围内测量温度，例如体温计，热敏电阻具备输出微调能力，配合精确的外加线路，可以得到精确的读数。由于安装在电路板上受到的限制，IC温度传感器可能因无法直接碰触测量物，精度会有所影响。但是如果在一个允许在电路板上测量温度，而且范围较大的应用领域时，IC温度传感器
17、比热敏电阻更精确。 另一方面，使用热敏电阻时为了达到一致的精度，需要对每批热敏电阻或每颗热敏电阻进行调校。然而IC温度传感器在出厂时即完成测试，保持了系统生产时的稳定性。 温度读取误差的来源 4、读取网络和功耗 热敏电阻是一个电阻随着温度变化的器件。通常设计人员需要建立一个电阻网络以把电阻变化转化成电压变化。 位于上部的电阻是读取数据的第一个误差来源。如果你想读取一个准确的结果，那幺，上部电阻的精度必须不低于1。同样，上部电阻的阻值将影响整个网络的线性度和功耗。 与热敏电阻相比较，IC温度传感器更易于使用。IC温度传感器中有三个引脚，分别是Vcc、GND和Vout。一般而言，Vout与温度呈线
18、性关系，而CMOS工艺能最大程度地降低功耗。再者 ，IC温度传感器一般都可承受一定范围的Vcc变化而不影响输出值。(例如图2的 LM20 可稳定地在2.4V 至5.5V的Vcc下工作) 5、线性度 如读取网络中所示，线性度是造成温度读取误差的另一个因素，特别是当温度读数的范围较宽时。因而热敏电阻在完成数字化过程后总是需要一个查阅表，或增加一些模拟电路，以对线性度进行补偿，这再次增加了成本。 IC温度传感器以线性方式指示温度，而且不需要进行线性度补偿。 图3是热敏电阻与IC温度传感器响应性能的示例。 6、数字化误差 为了读出数字世界中的温度值，我们需要用模数转换器将模拟输出转换为数字量。在这一过
19、程中，模数转换器的线性误差、量化误差、偏移误差、PSRR误差与温度的关系也将造成整体系统的温度读取误差。 因此，如果设计人员认为最终系统的全部参数和误差都依赖于多个因素，那么设计工作将大为复杂。我们可能还需要在生产现场进行系统校准。 IC数字温度传感器将传感器和数字化功能集成在一块芯片内。这种芯片的数字输出级在最后出厂前都经过测试，以排除一切误差来源。整块芯片的精度得到了保证，因而非常容易即行采用。例如，LM92的技术规格为30时的精度为0.33。这时，你可以立即从I2C总线获得准确的数字读数而无须校准！ 2.6AD转换器的选择AD转换我们采用ICL7135芯片，它是采用CMOS工艺制作的单片
20、4 12位AD转换器，只要附加译码器，数码显示器，驱动器及电阻电容等元件，就可组成一个满量程为2V的数字电压表 ICL 7135主要特点如下：1、在每次AD转换前，内部电路都自动进行调零操作。2、在2000字(2V满量程)范围内，保证转换精度1字。3、具有自动极性转换功能。4、输出电流典型值IPA。5、所有输出端和rIL电路相容。6、有过量程(oR)和欠量程CUR)标志信号输出，可用作自动量程转换的控制信号7、输出为动态扫描BCD码。8对外提供六个输入，输出控制信号(WH，BUSH，ST，POL，OR，UR)，因此除用于数字电压表外，还能与异步接收，发送器，微处理器或其它控制电路连接使用。9、
21、采用28外引线双列直插式封装，在电路内部，CLK和RH两个输入端上分别设置了非门和场效应管的输入电路，以保证该两端在悬空时为高电平。 10、数字部分主要由计数器、锁存器、多路开关及控制逻辑电路等组成。7135一次AD转换周期分为四个阶段：(1)自动调零(Az)；(2)被测电压积分(IM)； (3)基准电压反积分(DE)： (4)积分回零(Z1)。 2.7AD转换电路模块 在温度测控系统中，由于单片机AT89C52只能处理数字信号，传感器检测到的温度转变成电压信号经放大后，得到的是连续变化的模拟信号，经过AD转换器将检测到的连续变化的模拟量转换成离散的数字量，才能输入到单片机中进行处理。AD转换
22、器按照输出代码的有效位数分为4位、6位、8位、10位、12位、14位、16位等多种。 双积分式AD转换器工作原理 电路先对未知的输入模拟电压进行固定时间的积分，然后转为对标准电压进行反向积分，直至积分输出返回起始值。则对标准电压积分的时问正比于模拟输入电压，输入电压大，则反向积分时间长，用高频率标准时钟脉冲来测量时间，即可以得到相应模拟电压的数字量。 在实际应用中考虑到可靠性，应使积分器的输出电压摆幅小一点，所以常取C=047A 自动调零电阻CAZ的大小对系统的噪声有些影响，选用较大的电容可以减小噪声，一般为lF。基准电容CREF应大到足以使结点对地的寄生电容可以忽略为止，一般为lF。 在IC
23、L7135与单片机系统进行连接时，如果采用ICL7135的并行采集方式，不但要连接BCD码数据输出线，又要连接BCD码数据的位驱动信号输出端，这样至少需要9根IO口线。因此系统的连接方式比较麻烦，且编程也非常复杂。 ICL7135的串行接法，是通过计数脉冲数的方法来获得测量转换结果的，其脉冲数与转换结果具有一一对应的关系。通过AT89C52的定时器T0来计脉冲器，定时器T0所用的CLK频率是系统晶振的l12。ICL7135的时钟信号输入由74HC4060计数分频器得到，经过6分频之后得到时钟频率为125KHz，74HC4060的输入频率由单片机的晶振频率提供。从而可以得到定时器所使用的频率与单
24、片机系统的频率的关系，以及ICL7135所需的频率输入与单片机系统的频率的关系。为了使T0的计数脉冲与lCL7135工作所需的脉冲同步，将ICL7135的BUSY信号接至AT89C52的P3.2口，此时定时器T0是否工作由BUSY控制，当BUSY信号跳高时，T0才开始工作。在这种情况下，由于定时器TOICL7135所用的时钟不是同一路，因此应找到TO所记录的数据和ICL7135的测量脉冲之间的比例关系，如下： FTime=Fosc12 FcLk=Fosc6FTiMe是定时器所用系统晶振频率，FclK是ICL7135输入频率3单元电路的设计3.1单片机扩展部分的设计 在单片机实现的温度测控系统中
25、，对某些状态参数，要求不仅能够在线修改，而且断电后能保持，以各上电后恢复系统的状态。断电数据保护方法可选用电可擦存储器EEPROM。EEPROM适合数据交换量较少，对传送速度要求不高的场合。EEPROM有并行和串行之分。并行EEPROM速度比串行快，容量大，但是很多情况下并不需要这麽大的容量，可选用串行EEPROM。串行芯片成本低，线路简单，工作可靠，占用单片机旦垡资源少。24系列串行EEPROM是目前单片机应用系统中使用较多的EEPROM芯片。24系列串行EEPROM除具有体积小、功耗低，工作电压允许范围宽等特点外，还具有型号多，容量大，总线协议，占用口线少，芯片扩展配置方便灵活，读写操作相
26、对简单等优点。24系列串行EEPROM为串行的用电擦除的可编程CMOS只读存储器。自定时写周期包括自动擦除时间不超过10ms，典型时间为5ms。擦除写入周期寿命一般都可达到l0万次以上。片内数据保存寿命可达40年以上。采用单一电压+5v，低功耗工作电流lmA，端口为三态门输出，与TTL电平兼容支持IIC总线传输规约。串行在EEPROM系统中总是作为从机工作，总线必须由一片可以产生串行时钟的主器件控制，通常这个主器件是单片机，控制总线访问和产生启动和停止信号。对EEPROM进行写操作时，单片机是发送机，EEPROM是接收器；读操作时则相反AT24C02与AT89C52接口非常简单，将AT89C5
27、2的P3.5接AT24C02的SDA端，P3.6接AT24C02的SCL端，Wp接AT89C52的RST端，起复位的作用，Vcc接+5v。图3-1AT24C02与AT89C52接口电路3.2信号测量功能模块 当将单片机用做测控系统时，系统总要有被测量信号的输入通道，由计算机拾取必要的输入信息。对测控系统来讲，对被控对象状态的测试和对控制条件的监察也是不可缺少的环节对被测对象状态的拾取，一般都离不开传感器，这是因为被测对象的状态参数往往是一种非电物理量，而计算机只是一个能识别和处理电信号的数字系统，因此利用传感器将非电物理量转换成电信号才能完成测量和控制任务。1温度传感器 广义上讲，一切随温度变
28、化而物体性质亦发生变化的物质均可作为温度传感器。一般真正能作为实际中可使用的温度传感器的物体一般需要具备下述条件： (1)物体的特性随温度的变化有较大的变化，且该变化量易于测量： (2)对温度的变化有较好一一对应关系； (3)性能误差及老化小，重复性好，尺寸小； (4)有较强的耐机械，化学及熟作用等的特点； (5)与被检测的温度范围和精度相适应； (6)价格适宜，适合于批量生产； 本系统中选用的温度传感器是热电阻。热电阻是温度测量中使用最广泛的传感器，其测温区宽，测量的准确度和灵敏度都较高，尤其在高温范围内，有较高的精度。熟电阻已经标准化，产品系列化，易于选用。2CD4051 在用单片机进行温
29、度的测量和控制中，经常需要有多路和多参数的采集和控制，如果每一路都单独采用各自的输入回路，即每一路采用放大，采样、保持、AD等环节，不仅成本比单路成倍的增加，而且会导致系统体积庞大，且由于模拟器件、阻容元件参数特性不一致，对系统的校准带来很大的困难，因此，除特殊的情况下采用多路独立的放大、AD外，通常采用公共的采样保持及转换电路，而要实现这种设计，往往采用多路开关。多路开关的作用主要是用于信号切换，如在某一时刻接通某一路，让该路信号输入而让其它路断开，从而达到信号切换的目的。模拟集成开关是指在一个单片上包含多路开关的集成开关，具有切换速度高、无抖动、易于集成等特点，COMS开关，其通道电阻基本
30、不随输入电压变化而变化，且为线性电阻，传输非线性小，精度高，功耗低，具有较其他电子开关明显的特性好，成本低等优点，因此是一种应用最广泛的模拟开关。CD4051该芯片是8通道双向多路开关，国产型号CC4051或5G4051。 使用时VCC接地。VDDVEE最大电压范围为1318V。当需要传送负的模拟信号时，VEE接负电源电压；否则VEE接地。传送的模拟信号峰一峰值最大为15VINH为禁止端，当外加低电平时，允许开关选通工作；当外加高电平时，开关均断开，A、B、C为地址线。也是通过38译码来选通。图3-5所示为温度信号测量部分。单片机通过控制多路模拟开关CD4051用来选择两路由传感器送来的温度信
31、号，当P2.4P1.6P1.1=110时，传感器一被选通，此时第一回路温度测控系统工作；当P2.4P1.6P1.1=100时，传感器二被选通。 图3-5温度测量电路3.3信号放大电路模块 在温度测控系统中，根据被测控对象选择了合适的温度传感器，从而完成非电物理量到电量的转换。经温度传感器转换后的量，如电流，电压等，往往信号幅度很小，很难直接进行模数转换，因此需对这些模拟信号进行放大处理。随着半导体微电子技术的发展，集成运算放大器以其精度高，体积小，重量轻，互换性好等优越性能逐渐代替了传统的晶体管放大器，从运算放大器的角度来看，集成运算放大器是一种具有高放大倍数带深度负反馈的直接耦合放大器其输入
32、网络和反馈网络由线性或非线性元件组成，可对输入信号进行多种数学运算和处理。 OP-07是一种具有低失调电压，低失调电流和低漂移的超低失调运算放大器。它采用超高工艺和齐纳微调技术，使其输入失调电压温漂和输入失调电流温漂都很小它的主要特征是增益和共模抻制比很高，而其失调电压和失调电流，温漂以及噪声又很小。其广泛的应用于稳定积分，精密加法，比较，阈值电压检测，微弱信号精确放大等场合，如将热电偶输出的信号放大。是一种通用性极强的运算放大器。 OP-07一般不需要调零，电源电压范围为-/+3-/+18V，输入电压为0-+14V，增益带宽GB=600KHz，偏置电流为700pA 在信号检测过程中，多个通道
33、共用一个放大器，经过放大处理后送至AD转换器。由于各个输入量送到放大器的信号电平不同，放大器的增益亦不同。一般情况下，应使被转换量落在AD转换线性特性区间之内，并尽可能使模拟量在1趁到接近满度的区域中转换。解决的办法就是对小信号输入采用高放大倍数，对大信号输入采用小放大倍数，即根据未知参数量值的范围。自动的选择合适的增益和衰减，以切换到合适的量程。量程自动设定的方法是在采集通道中设置可变增益放大器，借助量程开关，控制其通断，获得所需的量程。工程上常采用通过改变放大器放大增益的方法，来实现不同幅度信号的放大，以解决这个问题。通常程控增益放大器采用多路模拟开关与不同的反馈电阻相配合来。图3-6所示
34、为单通道数据采集自动转换量程图。图中量程部分采用反馈式程控增益放大器多路模拟转换开关CD4051用来改变放大器的增益当P37P20=11时，第4个IO口接通，此时放大器增益为Al=1;当P3.7P2.0=10时， 第3个IO 口接A2=(R13+R14+R15+R16)/(R14+R15+R16)，当P3.7P2.0=01时，第2个IO口接通，此时放大器增益为A3=(13+R14+R15+R16)/(Rl5+R16)，当P37P20=00时，第1个IO口接通此时A4=(R13+R14+R15+R16)Rl6 图3-6自动转换量程圈 上述量程控制方法存在一些缺点，主要是当量程开关CD4051转换
35、到不同挡级时会引起失调电流，造成放大器的零漂。一般采用两个多路模拟开关同步改变的方式，解决此向题。3.4LED显示器与键盘电路 LED显示器是由发光二极管显示的字段组成的显示器，是智能化测量控制仪表中简单而又常用到的输出设备，常用来指示机器的状态或其他信息。它的优点是价格低、寿命长，对电压电流的要求低及容易实现等，因而在智能化测量控制仪表中得到了广泛的应用。有7段和米字段之分。这种显示块有共阳极和共阴极两种。 在多位LED显示时，为了简化电路，通常将所有位的段选线相应的并联在一起，由一个8位IO口控制，形成段选线的复用。而各位的共阳极和共阴极分别由相应的IO口线控制，实现各位的分时选通。各位L
36、ED能够显示出与本位相应的显示字符，必须采用扫描显示方式。即在某一时刻，只让某一位的位选线处于选通状态，而其它各位的位选线处于关闭状态，同时，段选线上输出相应位要显示字符的字型码，这样同一时刻，8位LED中只有选通的那一位显示字符，而其它位则是熄灭的。同样，下一时刻，只让下一位的位选线处于选通状态，而其它各位处于关闭状态， 同时，在段选线上输出相应位将要显示字符的字型码，这样同一时刻。只有选通的那一位显示字符，而其它位则是熄灭。如此循环下去，就可以使各位显示出将要显示的字符，虽然这些字符是在不同时刻出现的。而在同一时刻，只有一位显示。其它各位熄灭，但由于人眼有视觉暂留现象。只要每位显示问隔足够
37、短，则可造成多位同时亮的假象，达到显示目的。动态显示是由段和位选信号共同配合完成的，因此必须同时考虑段和位的驱动能力图3-7所示为显示与键盘电路。74HCl64为8位串行移位寄存器，它将单片机送来的8位串行数据变成8位并行数据。经驱动器三极管送往显示器与键盘，作键盘的控制信号和显示器的位控信号，单片机8个F0口输出数据送往显示器，作段码信号。图3-7显示与键盘电路3.5上下限控制电路 为了系统的安全和节能运行，我们对温度进行上限和下限控制冷凝器的液体回路电磁阀。它是单片机Pl0输出控制信号经光耦隔离驱动电磁阀。以控制温度设定值为邗为参考数值。则温度变化的上限是TI=T0+DF，下限是T2=T0
38、-DF。其中DF为设定回差，当测量到的温度商于上限T1时。即TT1时，则Pl0口无输出信号电磁阀关闭，当测量到的温度低于下限T2时，即T12时，则Pl0口输出信号驱动电磁阀工作3.6串行通讯模块 在自动测试系统中，各硬件部分之间要不断的进行各种信息的交换和传输，常用的通信有两种：串行通信和并行通信。并行通信是一次的数据传输量为8位；串行通信是将数据一位一位的传送。并行通信虽然可以在一次的数据传送中传输8位，但在传输过程中，容易因为线路的因素而使得电压基准发生变化，从而使得传输的数据发生错误，如果传输线较长，则电压衰减问题和信号间互相干扰问题会更加明显。相比之下，串行通信一次只传输1位，因它处理
39、的数据只有一个基准电压，数据不容易丢失，但它只需要一根数据线，硬件成本低，而且可以利用现有的通信通道。因此通常采用串行通信来完成数据的传输。RS485还有如下特性： 1、RS485的数据最高传输速率为lOMbps，但由于过高的速率会使RS485传输距离减小，RS485接口的最大传输距离标准值为1200米(9600bps)，实际上在通信速度可降低的场合，如波特率在1200bps或更低的场合。通信距离可达3000米甚至更远。 2、RS485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗干扰性能好，尤其抗共模干扰能力强。 RS485能构成点对多点的网络，实际上RS485接口在总线上能连接多达128个收发
40、器，用户可以利用单一的RS485接口可方便地建立起通信网络。因RS485接口组成的半取工网络，用2根信号线来传输2个平衡的差分信号，考虑抗干扰的因素，一般RS485接13信号采用屏蔽双绞线进行传输。 MAX485是由MAXIM公司生产的一种低功率RS485接收发送器。它将rrL电平与RS485标准电平相互转换。由于本系统的通信采用RS485标准，因而。在硬件电路中采用MAX485芯片。由于RS485是半双工的通信方式，因此除了RO线与CPU的串行接收端RXD相连，DI线与CPU的串行发送端TXD相连外，MAX485的通信方向控制端/RE和DE端还要与CPU的一控制端口相连，CPU程序工作时，一
41、般本机处于接收状态，即RE有效，Dl无效，等待上位机发来的指令，而一旦确定要向上位机发送信息时，通过改变控制口的逻辑状态，使MAX485芯片处于发送有效状态，主动发送完后，再将控制口的逻辑改为接收数据状态，这里。用P3.4口作为通信方向控制口。具体的通信电路见下图3-8所示。MAX485 图3-8通信电路 3.7单片机组成下位机总图根据以上方案和模块设计得到单片机电路总图，详见附录中的电路图。4软件部分设计4.1单片杌部分软件设计总体思想温度控制程序的设计应考虑如下问题： 软件程序所要完成的任务： 1利用CD4051完成对两个通道的选择 2键盘扫描、识别、温度显示 3温度采样、数字滤波 4数据
42、处理 5越限处理 6 PID运算 本设计的要求是能够实时的测温并显示所测得温度以及根据要调节的温度，使用一定的算法使所控制的温度和所调节的相符。在软件设计时，根据控制系统工作由实时测量，实时决策，实时控制组成，将程序分解成模块来处理： (1)主程序：主程序只需要进行一些AT89C52本身的初始化，然后等待中断的产生。初始化包括中断允许寄存器m的设置，对中断优先级口的设定，TD初始化，等待中断。 (2)T0中断服务程序 T0中断服务程序是温度控制系统的主体程序，用于启动转换，读入采样数据，数字滤波，越限温度报警和越限处理，计算等。从T0中断服务程序中，还需要用到一系列的子程序。如温度采样值的子程
43、序，数字滤波子程序，限处理子程序，计算子程序，标度转换程序和温度显示程序。4.2PID控制的算法 通常，温度控制采用偏差控制法。偏差控制的原理是先求出实测温度对设定温度的偏差值，然后对偏差值处理而获得控制信号去调节执行机构，以实现对温度的控制。由于不同的制冷系统的特点不同，因此，必须根据各自的特点采用不同的控制算法，以准确控制蒸发器的过热度，使系统在任何情况下均处于最佳运行状态。一般地，PID控制算法分为常规PID控制和模糊PID控制。4.3常规PID控制算法 1控制原理常规PID控制是一种线性控制，如图4-1 图4-1 PID控制原理图在制冷控制中，根据给定温度值r(t)与实际输出温度值c(
44、t)构成控制偏差e(t)=r(t)-c(t)，然后将偏差按比例(P)、积分(I)、微分(D)，通过线性组合构成控制量, 控制控被控对象。控制规律是： 其中：Kp为比例系数；Ti为积分时问：Td为微分时间。对于制冷机来说，采用变频器来控制，因此其PID控制规律可采用PID增量式离散方程,Au(k)=u(k)-u(k-1)=Kpe(k)-e(k-1)+T*e(k)/Ti+Td*e(k)-2e(k-1)+e(k-2) 其中：K为采样序号；u(k)为第k次时计算机输出值：e（k）为第k次采样输入偏差值e(k-1)为第k一1次采样输入偏差值。 把测得的库房温度，与设定温度对比，便可以得到二者的偏差；然后
45、经过PID运算，得到控制器的输出量，驱动变频器改变压缩机的功率，也就是说改变蒸发器液化量。 2 PID参数的整定 控制系统质量的好坏取决于控制器与被控对象之间的特性配合是否恰当。因此PID控制器的参数应由被控对象一蒸发器的特性来确定。由于蒸发器是一个多参数、强藕合，大惯性的对象，因此可将其看成一阶惯性延迟对象，应满足：G(s)=Ke/(1+To) 其中：Ts为蒸发器的时间常数，由于被控对象中有储能环节，对于突变的输入，其输出不能立即复现，因此时问常数To反映了一个系统自平衡过程时问的长短；a为蒸发器的延迟，表示输出量复现输入量所需延迟的一段时间；为蒸发器的增益，Ke反映了对象的自平衡性；s为拉普拉斯变换算子。 蒸发器的特性参数T，a,K将随着热负荷的大小、运行工况、制冷剂流动状态的变化而变化t可以通过实验，采用反应曲线法求得。如下实验：给压缩机一个速度阶跃，蒸发器的制冷量将对应有一个响应，可以测褥蒸发器制冷的响应曲线p8l 然后根据此响应曲线，利用Colin-Coon公式，计算得出T,a,K分别为：K=A(AT)/AM=(AT2-AT1)/(M2-M1) T=1.5t(0.632)-t(0.28)a=1.5t(0.28)- t(0.632)/3 其中