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基于AT89S52的单片机与PC机串口温度控制系统设计
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更新于2024-06-23
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本篇毕业论文详细探讨了一种基于单片机AT89S52与个人计算机(PC)的温度控制系统的设计与实现。该系统的核心目标是在工业生产环境中,如加热炉、热处理炉等设备中,实现精确的温度检测和控制。单片机作为下位机,负责实时采集温度数据,并执行来自PC机的控制指令,其优点在于控制简便、灵活且精度高。 系统架构中,单片机与PC机通过串行通信技术相连,这种通信方式使得远程温度控制成为可能。利用PC机的VB6.0软件,设计师充分发挥其强大的数据处理能力和友好的用户界面,实现了温度数据的实时可视化,使得操作人员能够直观地监控和调整温度参数。 整个设计分为硬件和软件两大部分,论文主要聚焦于硬件设计部分,包括电路布局、传感器接入、接口设计等。经过样机制作和测试,证明了该设计具有稳定可靠的表现和出色的性能指标,适合应用于实际工业环境中的温度控制。 关键词:“单片机”、“PC机”、“温度控制”和“串行通信”揭示了论文的主要研究内容和技术焦点。论文作者还明确了原创性声明,保证了所提交的研究是独立完成的,未包含他人已发表成果,并对指导教师和其他贡献者表达了感谢。此外,作者还签订了使用授权说明,同意学校保留和使用论文的版权,以及在一定范围内公开论文内容。 这篇毕业论文深入研究了如何利用单片机和PC机的协同工作,提升工业生产过程中的温度控制效率和精度,展示了作者在嵌入式系统设计和计算机通信方面的扎实理论基础与实践能力。
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基于单片机与 PC 机的温度控制系统硬件设计
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来实现温度测量的方法,其优点是:不破坏被测温场,可以测量热容量小的物体,适于测
量运动温度,还可以测量区域的温度分布,响应速度较快。但也存在测量误差较大,仪表
指示值一般仅代表表观温度,结构复杂,价格昂贵等缺点。因此,在实际的测量中,要根
据具体的测量对象选择合适的测量方法,在满足测量精度要求的前提下尽量减少人力和物
力的投入。
温度控制技术按照控制目标的不同可分为两类:动态温度跟踪与恒值温度控制。动态
温度跟踪实现的控制目标是使被控对象的温度值按预先设定好的曲线进行变化。在工业生
产中很多场合需要实现这一控制目标,如在发酵过程控制,化工生产中的化学反应温度控
制,冶金工厂中燃烧炉中的温度控制等。恒值温度控制的目的是使被控对象的温度恒定在
某一数值上,且要求其波动幅度(即稳态误差)不能超过某一给定值。本课题所研制的电
阻炉智能温度控制仪就是要实现恒值温度控制的要求,故以下仅对恒值温度控制进行讨论。
从工业温度控制器的发展过程来看,温度控制技术大致可分以下几种:
(1)定值开关控温法
所谓定值开关控温法,就是通过硬件电路或软件计算判别当前温度值与设定目标温度
值之间的关系,进而对系统加热源(或冷却装置)进行通断控制。若当前温度值比设定温
度值高,则关断加热器,或者开动制冷装置;若当前温度值比设定温度值低,则开启加热
器并同时关断制冷器。这种开关控温方法比较简单,在没有计算机参与的情况下,用很简
单的模拟电路就能够实现。目前,采用这种控制方法的温度控制器在我国许多工厂的老式
工业电炉中仍被使用。由于这种控制方式是当系统温度上升至设定点时关断电源,当系统
温度下降至设定点时开通电源,因而无法克服温度变化过程的滞后性,致使系统温度波动
较大,控制精度低,完全不适用于高精度的温度控制。
(2)PID 线性控温法
这种控温方法是基于经典控制理论中的调节器控制原理,PID 控制是最早发展起来的
控制策略之一,由于其算法简单、鲁棒性好、可靠性高等优点被广泛应用工业过程控制中,
尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。由于 PID 调节器模型中考虑了系统的
误差,误差变化及误差积累三个因素,因此,其控制性能大大地优越于定值开关控温法。
其具体电路可以采用模拟电路或计算机软件方法来实现 PID 调节功能。前者称为模拟 PID
调节器,后者称为数字 PID 调节器。其中数字 PID 调节器的参数可以在现场实现在线整定,
因此具有较大的灵活性,可以得到较好的控制效果。采用这种方法实现的温度控制器,其
控制品质的好坏主要取决于三个 PID 参数(即比例值、积分值、微分值)。只要 PID 参数
选取的正确,对于一个确定的受控系统来说,其控制精度是比较令人满意的。但是,它的
不足也恰恰在于此,当对象特性一旦发生改变,三个控制参数也必须相应地跟着改变,否
则其控制品质就难以得到保证。
(3)智能温度控制法
为了克服 PID 线性控温法的弱点,人们相继提出了一系列自动调整 PI 参数的方法,
如 PID 参数的自学习,自整定等等。并通过将智能控制与 PID 控制相结合,从而实现温度
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基于单片机与 PC 机的温度控制系统硬件设计
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的智能控制。智能控温法
[1]
采用神经元网络和模糊数学为理论基础,并适当加以专家系统
来实现智能化。其中应用较多的有模糊控制、神经网络控制以及专家系统等。尤其是模糊
控温法在实际工程技术中得到了极为广泛的应用。目前已出现一种高精度模糊控制器,可
以更好的模拟人的操作经验来改善控制性能,从理论上讲,可以完全消除稳态误差。所谓
第三代智能温控仪表,就是指基于智能控温技术而研制的具有自适应 PID 算法的温度控制
仪表。
目前国内温控仪表的发展,相对国外而言在性能方面还存在一定的差距,它们之间最
大的差别主要还是在控制算法方面,具体表现为国内温控仪在全量程范围内温度控制精度
低,自适应性较差。这种不足的原因是多方面造成的,如针对不同的温控对象,由于控制
算法的不足而导致控制精度不稳定等。
针对上述不足,本文以探索新的 PID 自整定方法为目的,设计和开发一种新型电阻炉
智能温度控制仪,以简化控制电路,提高系统运行的可靠性。
1.3 系统总体设计思想
(1)系统硬件方案分析
目 前 , 温 度 控 制仪 的 硬 件 电 路一 般 采 用 模 拟电 路
[2]
(Analog Circuit) 和 单 片 机
(Single-chip Computer)两种形式。
模拟控制电路的各控制环节一般由运算放大器、电压比较器、模拟集成电路及电容、
电阻等外围元器件组成。它的最大优点是系统响应速度快,能实现对系统的实时控制。根
据计算机控制理论可知,数字控制系统的采样速率并非越快越好,还取决于被控系统的响
应特性。在本系统中,由于温度的变化是一个相对缓慢的过程,对温控系统的实时性要求
不高,所以模拟电路的优势得不到体现。另外,模拟电路依靠元器件之间的电气关系来实
现控制算法,很难实现复杂的控制算法。
单片机是大规模集成电路技术发展的产物,属于第四代电子计算机。它是把中央处理
器 CPU(Centeral Processing Unit)、随机存取存储器 RAM(Random Access Memory)、只读
存储器 ROM(ReadOnly Memory)、定时器/计数器以及 I/0(Input/Output)接口电路等主要计
算机部件集成在一块集成电路芯片上的微型计算机,它的特点是:功能强大、运算速度快、
体积小巧、价格低廉、稳定可靠、应用广泛。由此可见,采用单片机设计控制系统,不仅
可以降低开发成本,精简系统结构,而且控制算法由软件实现,可以提高系统的兼容性和
可移植性。
另外,随着微电子技术和半导体工业的不断创新和发展,SoC(System on chip,片上
系统)得到了十足的发展。一些厂家根据系统功能的复杂程度,将这种 Soc 芯片应用到先
进的控制仪表中。SoC 芯片通常含有一个微处理器核(CPU),同时,它还含有多个外围特殊
功能模块和一定规模的存储器(RAM,ROM),并且这种片上系统一般具有用户自定义接口模
块,使得其功能非常强大,适用领域也非常广。它不仅能满足复杂的系统性能的需要,而
且还使整个系统的电路紧凑,硬件结构简化。从实现复杂系统功能和简化硬件结构的角度
出发,SoC 是实现电阻炉智能温度控制仪的最佳选择,但目前市场上 SoC 的价格还比较昂
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