基于单片机的温度控制系统课设报告.docx
《基于单片机的温度控制系统课设报告.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的温度控制系统课设报告.docx（31页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
基于单片机的温度控制系统课设报告
基于单片机的温度控制系统
摘要：
该实验设计基于飞思卡尔MC9S12DG128开发板平台，根据实验任务要求，完成了水温自动控制系统的设计，该系统的温度给定值可由人工通过键盘进行设定，测量温度经过A/D转换由数码管显示，通过PID控制算法对温度进行调节，使温度输出值在给定值上下波动，控制该系统的静态误差为1℃，用LED灯模拟加热强度，并用串口将输出的水温随时间的变化数值发到PC机上。
关键字：
飞思卡尔单片机水温控制MC9S12DG128
1、设计题目与设计任务
要求：
1温度连续可调范围是30-150摄氏度；2超调量
；3.温度误差
；4尝试使用能预估大滞后的方法，如史密斯预估，或大林算法；也可用PID及改进算法。
内容：
1．根据题目的技术要求，画出系统组成的原理框图；2.给出系统硬件电路图；3．确定温度控制方案；4.给出控制方法及控制程序；5．整理设计数据资料，课程设计总结，撰写设计计算说明书。
2、前言：
随着电子技术和计算机的迅速发展，计算机测量控制技术拥有操作简单、控制灵活、使用便捷以及性价比较高的优点，从而得到了广泛的应用。
单片机是一种集CPU、RAM、ROM、I/O接口和中断系统等部分于一体的器件，只需要外加电源和晶振就可以实现对数字信息的处理和控制，因此，单片机广泛应用于现代工业控制中。
利用单片机对温度测量控制会大大提高系统的可靠性和准确性。
该设计实验是在实验室完成，实验任务是设计制作一个水温自动控制系统，控制对象为1L净水，容器为搪瓷器皿。
水温由人工通过4*4的键盘设定，并能在环境温度改变时实现对水温的自动控制，采用PWM技术控制电阻丝的加热，加热强度由8个LED小灯模拟，以保持设定的温度基本不变，测量温度经过A/D转换在4位数码管上显示（保留一位小数），并将温度每秒钟向计算机发送一次。
一、系统设计的功能
该系统的闭环控制系统框图如图1.1所示。
输出
给定温度值
-
图1.1水温控制系统结构框图
单片机对温度的测量控制是基于传感器、A/D转换器以及扩展接口和执行机构来进行的。
在闭环过程控制系统中，过程的实时参数由传感器和A/D转换器来进行实时采集，并由单片机自动记录、处理并控制执行机构来进行调节和控制。
1.电源电路：
提供HCS12MCU的芯片内部电压，I/O端口和外部供电电压。
2.复位电路：
响应各种外部或侦测到的内部系统故障时进行系统复位。
3.晶振电路：
产生总线时钟。
4.BDM接口电路：
背景调试模式（BDM）是由Freescal半导体公司自定义的片上调试规范[1]。
5.键盘：
用于设定温度。
6.数码管：
显示模拟的外界环境温度值。
7.Pt100：
热电阻传感器，检测温度。
8.SSR：
过零导通继电器，通过继电器的闭合断开对电阻丝进行加热或是不叫热。
二、硬件设计原理及内容
图2.1实验电路原理图
本系统软件设计包括两个部分：
管理程序和控制程序。
管理程序包括LED显示动态刷新、控制指示灯、处理键盘的扫描和响应、执行中断服务操作等等。
控制程序包括A/D转换、数据采样、数字处理、PID计算等等。
2.1单片机：
单片机是整个控制系统的核心，在此我们用MC9S12DG128可以提供系统控制所需要的I/0口、中断、定时以及存放中间结果的RAM电路。
2.2电源电路：
电路图如图2.2所示。
图2.2电源电路
电源电路部分的C21和C22构成的滤波电路，可以改善系统的电磁兼容性，降低电源波动对系统的影响，增强电路工作的稳定性。
2.3复位电路：
电路图如图2.3所示。
正常工作时，复位引脚通过4.7k电阻接到电源征集，所以应为高电平。
若按下复位按钮RST1,则复位引脚为低电平，芯片复位。
2.4晶振电路：
电路图如图2.4所示。
2.5键盘设置电路：
电路图如图2.5所示。
图2.5键盘电路
用4*4键盘设计温度输入，如上图所示，4条行线分别接P口的PP7～PP4，4条列线分别接P口的PP0～PP3，用扫描法获取键值，例如识别“1”键，编程时将PP0～PP3定义为输入并有上拉电阻，PP4～PP7定义为输出，那么当键按下时对应键值11101110，同理2键对应的键值11011110……编程实现当图中A键按下时，进入温度设定状态，设定完成后，按下B键，确定设定温度[2]。
2.6数码管显示电路：
电路图如图2.6所示。
图2.6数码管显示电路
数码管的a、b、c、d、e、f、g、DP分别接A口的PA0～PA7,上图中的3引脚作为片选线号引脚，外加驱动电路，驱动电路的输入接T口的PT0～PT3,七段式数码管，每一段相当于一个二极管，当PT0为高电平时，三极管导通，DS3为低电平，即被选中，此时判断A口状态，为低电平的那一段亮，高电平的段不亮，例如PORTA=11111110，数码管显示0[3]。
2.7温度检测电路：
电路如图2.7所示。
图2.7温度检测电路
Pt100与前置放大电路组成温度检测电路，Pt100作为温度传感器，测温范围主要在中低温区（-200～630℃），利用导体的电阻值随温度变化的特性对与温度相关的参量进行检测[4]。
将检测到的温度小信号，经过前置运算放大器进行信号放大。
3、系统软件设计流程
系统软件设计流程图如图3.1所示。
其中初始化包括串口初始化、键盘初始化、数码管初始化、A/D转换初始化、PWM初始化。
继电器控制为当检测温度小于设定温度，使继电器闭合给电阻丝加热；当检测温度大于设定温度，使继电器断开，停止给电阻丝加热。
4、调试过程及数据
在开始做这个设计的时候，先是把系统的每一部分都分成不同模块，每一个模块先单独作为一个工程建立，每一个模块调试成功之后才将各部分组合在一起，最终调试成为一个系统的。
系统的模块分为：
SCI串行口输入输出模块、LED数码管显示模块、KB键盘输入模块、AD转换输入模块、PWM模块、定时器模块。
4.1SCI串口调试
编写串口程序，包括SCI的初始化函数、发送数据函数、接收数据函数，通过BDM将编好的程序下载到单片机里，使程序编译通过，在SCI的调试主程序中通过输入字符，并让其在电脑自带的超级终端上显示，如果超级终端成功显示我们在键盘上输入的字符，则说明SCI串行口模块可以调用，如果显示不成功则需要继续对程序进行修改和编译。
问题：
键盘输入的字符不在超级终端显示。
解决过程：
首先直接在SCI调试主程序中直接调用发送数据函数，但是超级终端上仍然没有显示，然后检查程序发现所设SCI0BDL过大，因为实验板的晶振16M,但是单片机MC9S12DG128中未启用锁相环，故单片机的内部总线实际上只有16M/2，所以在串行口波特率要求9600时，需要在程序的串口初始化中将SCI0BDL=0X80改为SCI0BDL=0X34。
4.2数码管调试
编程实现，用四个共阴极8段数码管显示要显示的四位数。
问题1：
数码管不显示
解决过程：
检查硬件连接，发现所用引脚和课本给出的不一致，通过修改连线，数码管显示正常数字。
问题2：
数码管显示亮度不一致，现象如下图所示。
解决过程：
发现延时时间比较短，增加延时时间，显示的亮度基本接近但还是有差异，因此该用定时中断的方式，此问题彻底得到解决，正常显示如下图所示。
4.3键盘输入模块调试
在理解了4*4矩阵键盘的编程原理后，自己结合课本成功编译通过键盘程序。
将按键值通过实验板上的八个LED等显示。
问题：
有些按键对小灯没有影响。
解决过程：
单步运行程序，发现那些对小灯没有影响的按键不会使PTP口的值改变，于是换个实验板，运行正常。
4.4A/D转换输入调试
在编译通过AD转换程序后，联系数码管显示模块，用一个电位器的检测采样，用单片机的AD转换通道AN6输入采样信号，将其转化为30~150可变数字，用以模拟温度30~150度的变化，并在数码管上显示。
问题：
改变电位器，但是显示的值不变
解决过程：
检查硬件电路，发现0～5V输出接到了AD7口上，而程序中采样信号是由A/D转换通道AN6输入的，改变接线，问题得到解决。
5、实验结果与心得
5.1最终调试结果：
1.通过键盘能够设定温度值；2.用电位器模拟温度变化时数码管及时显示30到150摄氏度的变化，并且数码管的最后一位为小数部分；3.用8个LED灯模拟加热强度。
4.此系统为自动控制系统，通过PID对其进行调节，使输出温度在设定温度范围内波动。
5.2实验心得：
通过本次的设计性实验，实验过程中设计到了很多学科的东西，例如计算机控制技术、检测技术、C语言、模拟电子技术、最主要的是嵌入式系统。
实验前的准备工作是我学会了AltiumDesigner的使用，自己能过完成简单电路的绘制。
这次设计实验虽然只是模拟一个简单的水温控制系统，但是设计思路是相同的，由于老师给出了例子，这个我们提供了很大的帮助，使我们更快的着手实验，实验过程中遇到了很多问题，也使我认识到自己在嵌入式系统设计和编程方面的不足，让我意识到即使再简单的任务，我都要全力以赴的去完成，而不是在学习上投机取巧，要踏踏实实，一步一个脚印的去学习。
或许学习的过程很漫长、很艰辛，但是会受益匪浅。
对于一个系统而言它是由多个功能模块组成的，实验中将整个系统分解开来，将每一个涉及的功能模块化，然后又逐步整合逐渐向最终目标靠拢的这种思维，这次实验的思维方式和实验过程，为复杂的系统设计提供了很好的借鉴作用。
6、参考资料
[1]嵌入式系统——使用HCS12微控制器的设计与应用.王宜怀P30最小系统设计
[2]嵌入式系统——使用HCS12微控制器的设计与应用.王宜怀P134键盘处理函数
[3]嵌入式系统——使用HCS12微控制器的设计与应用.王宜怀P139扫描法LED显示
[4]检测技术——使用现代检测技术.金伟P46热电阻传感器
[5]计算机技术——使用计算机控制技术.顾德英P107数字PID控制算法的计算机实现
附录：
1、源程代码
头文件
#include
//----------------------------------------------//
ucharFlag_Send=0,Flag_ADC=0;
uintNUM=0;
uintTemperature_Set=600;
ucharRCVData[16];
//----------------------------------------------//
#defineReSendStatusRSCI0SR1
#defineReTestBit5
#defineSendTestBit7
#defineReSendDataRSCI0DRL
#defineEnableSCIReIntSCI0CR2|=0x20
#defineDisableSCIReIntSCI0CR2&=0xdf
//----------------------------------------------//
#defineLEDduanPORTA
#defineLEDduan_DDRADDRA
#defineLEDweiPTT
#defineLEDwei_DDRTDDRT
//----------------------------------------------//
#defineKB_PPTP
#defineKB_DDDRP
#defineKB_PEPERP
#defineKB_PSPPSP
#defineKB_IEPIEP
#defineKB_IFPIFP
//----------------------------------------------//
#defineSCFBit7
#definekp10000
#defineki1000
#definekd2000
//----------------------------------------------//
ucharKB_Table[33]=
{
0xee,'1',0xde,'2',0xbe,'3',0x7e,'4',
0xed,'5',0xdd,'6',0xbd,'7',0x7d,'8',
0xeb,'9',0xdb,'0',0xbb,'A',0x7b,'B',
0xe7,'C',0xd7,'D',0xb7,'E',0x77,'F',
0x00
};
ucharDuantable[11]=
{
0x3f,0x06,0x5b,0x4f,
0x66,0x6d,0x7d,0x07,
0x7f,0x6f,0x00
};
ucharWeitable[4]={0xf7,0xfb,0xfd,0xfe};
uintAD_wData=0;
ucharLEDbuf[4]={'0','0','0','0'};
//----------------------------------------------//
voidAD_Init（void）;
voidADCInit（void）;
voidSample（void）;
voidKB_Init（void）;
voidKey_Del（void）;
voidLEDInit（void）;
voidLEDShow（uchar*data,ucharwei）;
voidLEDShow1（uchari,ucharc）;
voidSCIInit（void）;
voidSCISend1（uchardata）;
voidSCISendN（ucharn,ucharch[]）;
voidSendToSCI（void）;
voidECT_Init（void）;
voidinterruptInt_TimerOverFlow（void）;
uintADCvalue（ucharchannel）;
bytePID（dwordresult）;
ucharKB_Scan1（void）;
ucharKB_Def（ucharKB_valve）;
ucharKB_ScanN（ucharKB_count）;
主函数
#include
#include
//----------------------------------------------//
voidLEDInit（void）//LED初始化
{
LEDduan_DDRA=0xff;//段选PA口输出
LEDwei_DDRT|=0x0f;//位选PT（低4位）位口输出
}
//----------------------------------------------//
voidLEDShow（uchar*shuzi,ucharwei）//LED显示
{
uchartemp=0;
for（wei=0;wei<=3;wei++）//循环显示4位数码管
{
temp=shuzi[wei]-'0';
LEDShow1（3-wei,temp）;//调用1位显示函数
}
}
//----------------------------------------------//
voidLEDShow1（ucharwei,uchardata）//1位数码管显示
{
LEDwei=Weitable[wei];
if（wei==2）//第2位数码管加小数点
{
LEDduan=（~Duantable[data]）&0x7f;
}
else
{
LEDduan=~Duantable[data];
}
}
//----------------------------------------------//
voidKB_Init（void）//矩阵键盘I/O口初始化
{
KB_P=0x00;
KB_D=0x0f;
KB_PE=0xf0;
KB_PS=0x00;
KB_IE=0x00;
KB_IF=0xff;
}
//----------------------------------------------//
ucharKB_Scan1（void）//矩阵键盘扫描
{
ucharline,i,temp;
line=0xfe;//第一行扫描
for（i=0;i<4;i++）//循环扫描矩阵键盘
{
temp=KB_P;
temp|=0x0f;
KB_P=temp&line;
asm（"nop"）;asm（"nop"）;asm（"nop"）;
temp=KB_P;
temp&=0xf0;
if（temp!
=0xf0）
{
temp=KB_P;
break;
}
else
line=（line<<1）|0x01;//准备扫描下一行
}
if（i==4）
{
temp=0xff;
}
return（temp）;
}
//----------------------------------------------//
ucharKB_Def（ucharKB_valve）
{
ucharKeyPress=0;
uchari=0,j=0;
for（;;）
{
j=KB_Table[i];
if（j==0）
{
KeyPress=0xff;
break;
}
else
{
if（j==KB_valve）
{
KeyPress=KB_Table[i+1];
break;
}
else
{
i+=2;
}
}
}
returnKeyPress;
}
//----------------------------------------------//
ucharKB_ScanN（ucharKB_count）
{
uchari,KB_value_last,KB_value_now;
if（KB_count==0||KB_count==1）
{
returnKB_Scan1（）;
}
KB_value_now=KB_value_last=KB_Scan1（）;
for（i=0;i{
if（KB_value_now==KB_value_last）
{
returnKB_value_now;
}
else
{
KB_value_last=KB_value_now;
}
}
return0xff;
}
//----------------------------------------------//
ucharGet_Key（void）
{
ucharkeynum,temp;
temp=KB_ScanN（8）;
if（temp!
=0xff）
{
keynum=KB_Def（temp）;
while（KB_ScanN（8）!
=0xff）;
}
else
{
keynum=0xff;
}
returnkeynum;
}
//----------------------------------------------//
voidKey_Del（void）
{
ucharkeynum;
keynum=Get_Key（）;
if（keynum=='A'）
{
LEDbuf[3]=Temperature_Set/1000+'0';
LEDbuf[2]=（Temperature_Set%1000）/100+'0';
LEDbuf[1]=（Temperature_Set%100）/10+'0';
LEDbuf[0]=Temperature_Set%10+'0';
for（;;）
{
keynum=Get_Key（）;
if（keynum=='B'）
{
Temperature_Set=（LEDbuf[3]-'0'）*1000+（LEDbuf[2]-'0'）*100+（LEDbuf[1]-'0'）*10+（LEDbuf[3]-'0'）;
break;
}
if（（keynum>='0'）&&（keynum<='9'））
{
LEDbuf[3]=LEDbuf[2];
LEDbuf[2]=LEDbuf[1];
LEDbuf[1]=LEDbuf[0];
LEDbuf[0]=keynum;
}
}
}
}
//----------------------------------------------//
voidAD_Init（void）
{
ATD0TEST1=0b00000000;//禁止特殊通道
ATD0CTL2=0b11000010;//快速清除模式，完成中断允许
ATD0CTL3=0b00001000;//队列长度为1
ATD0CTL4=0b01000011;//ATDclock=1M
ATD0CTL5=0b10100110;
}
//----------------------------------------------//
voidADCInit（void）
{
ATD0CTL2=0XC0;
ATD0CTL3=0X0B;
ATD0CTL4=0X07;
ATD0CTL4&=0X7F;
}
//----------------------------------------------//
uintADCvalue（ucharchannel）
{
uinttemp;
ATD0CTL5=（0x20|channel）;
for（;;）
{
if（（ATD0STAT0&（1<=0）
{
temp=ATD0DR0;
temp=（temp>>6）;
break;
}
}
returntemp;
}
//----------------------------------------------//
bytePID（dwordresult）
{
intek1,Pik1;
intek,Ppk,Pik,Pdk,Pk;
unsignedchartmp;
ek=（int）result-Temperature
升级会员 