果蔬仓储温度控制系统设计

设计课题：果蔬仓储温度控制系统设计课程设计任务书学生姓名专业班级学号题目果蔬仓储温度控制系统课题性质课题来源指导教师主要内容针对果蔬对仓内温度的控制要求，设计一个计算机控制系统，通过在仓内放置温度传感器AD590，能够对仓内的温度进行采集，然后将采集的数据通过ADC0809经A/D转换器转换后，送入单片机AT89C52，并通过执行机构控制仓内的温度保持在控制要求范围内。任务要求撰写课程设计报告。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5000字。主要参考资料[3]高金源．计算机控制技术．北京：北京航空航天大学出版社，2001[4]张晋格．计算机控制原理与应用．北京：电子工业出版社，1995审查意见系（教研室）主任签字：年月日21引言采集控制器可接传感器，控制器报警输出以一个采集控制器为一个采集单元，报警输出参考值可以是采集点平均温或单点温度，平均温度报警输出更加合理，更加准确绝对避免温度突变误报。采集器防水处理可以安装在-5~+5ºC的仓储温度范围内，可壁挂式安装或嵌入式安装。温度控制系统主要适用于药品储藏、食品储藏、水果储藏、蔬菜储藏、疫苗储藏，血液储藏等，但本设计方案主要对于水果和蔬菜的储存温度进行控制设计。随着科学发展的进度和对水果蔬菜最适温度的研究，对仓储温度的要求也越来越高，为了让人类的生活更加完美，吃到的水果蔬菜既新鲜又美味，仓储温度的控制系统起着重要作用，为了使单片机控制温度更加精密，所以对系统的要求更高。2课程设计的方案2.1概述本次设计主要是综合应用所学知识，对果蔬仓储温度系统进行设计，并在实践的基本技能方面进行一次系统的训练。能够较全面地巩固和应用《计算机控制》课程中所学的基本理论和基本方法，并初步掌握小型单片机系统设计的基本方法。应用场合:应用于蔬菜、水果仓储储存，冷库温度控制系统有一个脉冲温度传感器，通过脉冲计数可以显示冷库中的温度值。控制器由12V蓄电池供电。系统功能介绍:利用传感器采集现场温度，并通过A/D转换器将模拟信号转化为数字信号送入单片机中，通过PID算法将温度控制在规定范围内，从而达到对仓储温度控制的目的。2.2系统组成总体结构仓储储存在我国北方是比较常见的一种对水果和蔬菜的储存方法，其主要是检测仓储内部的温度，并将温度控制在规定范围内，保证水果蔬菜新鲜。本设计温度控制以单片机为核心，选用AT89C52芯片作为控制器件。该温度控制系统分为三个部分，温度采样、主机部分和实现部分，在设计单片机结构的同时要通过PID算法求出当前仓储的温度值，利用专业知识来进行编程设计，软硬件相结合来完成本次设计，熟练掌握PID计算方法来完成温度值的求得，选用适当的单片机芯片，完成各接口的连接以及各部分的结构图和流程图，根据各部件要求及设计思路，可得系统结构框图如图2.1所示：3温度检测及变换电路控制对象继电器驱动电路单片机输出图2.1系统总体框图3硬件设计3.1单片机最小系统设计图3.2温度控制系统的结构框图，系统主要由单片机，检测系统及变换电路、键盘、显示器、继电器、执行机构组成，采用了模块化的设计方案，组建方式灵活，具有良好的扩展性。模拟量传感器显示界面空调机继电器单片机A/D转换器键盘按钮图3.2温度控制系统结构框图3.2核心芯片的选择目前，市场上以MCS-51系列单片机应用最广，配合其生产的芯片业最多，而且51系列以能完成本系统所需要求，价格较低，所以本系统选用51系列单片机AT89C52作为核心芯片。AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）接口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计时器，2个双全工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。将其通用的微处理器和Flash存储器结和再一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效的降低开发成本。43.3A/D转换器的选择A/D转换器采用ADC0809芯片，它是采用CMOS工艺制作的单片41/2位A/D转换器，只要附加译码器，数码显示器，驱动器及电阻电容元件等。组成一个满量程为2V的数字电压表，其引脚功能及芯片图如下图所示。ADC0809主要特点如下：1）在每次A/D转换前，内部电路都自行进行调零操作。2）具有自动极性转换功能。3）所以输出端与TTL电路相等。4）有过量程和欠量程标志信号输出，可用作自动量程转换的控制信号。5）输出为动态扫描BCD码。3.4模拟量传感器的选择一般情况下，一切随温度变化而物体性质也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使用的传感器物体可具备如下特点：（1）物体的特性随着温度的变化有较大的变化，且变化量易于测量。（2）对温度变化有较好的一一对应关系。（3）性能误差及老化小，重复性好，尺寸小。（4）有较强的耐机械、化学及热作用等特点。（5）与被检测的温度范围和精度像适应。（6）价格适宜，适合于批量生产。本系统采用的温度传感器是AD590，AD590是温度测量中最常用的传感器，其测温区宽，测量的准确度和灵敏度都较高，尤其在测温范围内，有较高的精度，AD590已经标准化，产品系列化，易于选用。3.5执行机构的选择本系统采用的单片机驱动直流低压继电器来控制空调机回路的通断从而达到温度控制的目的从而来改变仓储内部的温度，该系统所选用的交流变频器的普通型变频器，其主要特点是结构简单易于维护，操作简单，可靠性高。执行机构简图如图3.5所示：3.6LED显示与键盘电路本系统采样三位显示作用，第一位显示温度的正负，第二位显示温度的整数位，第三位显示的是温度的小数位，根据规定的温度范围所得。LED显示是由发光二极管组成的显示器，是智能化测量控制仪表中简单而又常用到的设备，常用来指示机器的状态或其他信息。他的优点是价格低，寿命长，对电压电流的要求低容易实现等，因而在智能化控制仪表中得到了广泛应用。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，5由一个8位I/O口控制，利用74LS573锁存器形成段选线的复用。而各位的共阳极和共阴极分别由相应的I/O口线控制，实现各位的分时选通。各位LED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，同时，段选线上数出相应的输出码，这样同一时刻，3位LED中只有选通的那位显示数值，本系统显示精确到小数点后一位，例如通过PID检测到当前温度为零上1.5ºC时，相应的显示为，百位+、十位1、各位5。显示电路如图3.6所示键盘电路利用其中一个I/O口做成一个4x4的行列式键盘，如图3.7所示键盘电路图：图3.7键盘电路3.7系统总电路图系统电路连接包括单片机，A/D转换，传感器，单片机，显示电路，键盘电路及执行单元，通过各引脚将各单元连接起来，其连接电路图附图所示。4软件设计4.1单片机软件设计本系统设计要求是能够实时的测温并显示所测得的温度以及根据要调节的温度，采用一定的算法使控制的温度与所调节的相符。在设计该系统时，根据控制系统的实时测量，实时决策，实时控制来完成，将程序分解成模块来处理。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的设置，对中断的优先级IP的设定，T0的初始化，等待中断。T0中断服务程序：T0中断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，数字虑波，越限温度报警和越限处理，计算等。从T0中断程序中，还需要用到一系列的子程序，如温度采用值的子程序，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。在制冷控制中，根据给定温度值)(tr与实际输出温度值)(tc构成控制偏差6)(te=)(tr-)(tc，然后将偏差按比例、积分、微分，通过线性组合构成控制量，控制被控对象，控制规律是：])()(/1)([)(dttdeTteTteKtudIp其中，PK是比例系数，IT是积分时间，dT是微分时间。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来空调机来确定。由于空调机是一个多参数，大惯性的对象，可将其看作延迟对象，应满足：TsKGes1/其中，sT是空调机的时间常数，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，因此时间常数sT反映了一个系统自动平衡的时间长短，为空调机的延时，表示输出量复现输入量所需要的延时一段时间，为空调机的增益，K反映了对象的自平衡性，s为拉普拉斯变换算子。空调机的特性参数K、T、将随着热负荷的大小变化而变化，可以通过实验反复曲线法求得。实验如下，给压缩机一个速度阶跃，空调机的制冷量将对应一个响应，可以测得空调机响应制冷的一个曲线。然后根据响应曲线求得T、K、分别为：)12/()12(/)(MMTTMTK)(5.128.0632.0ttT)3/(5.1632.028.0tt其中，M为空调机流量的阶跃变化，)(T为空调机制冷量的变化，28.0t是空调机响应曲线对应0.28时的时间，632.0t是空调机响应曲线对应0.632的时间。对应求得：5.0;2;/2.1dIPTTKTK根据求得的数据计算偏差值，并控制偏差值5%，若偏差值5%，采用PID参数整定法将偏差值控制在5%以内，这样才能够保证能够实现所要求的温度范围内，即将温度控制在-5~+5摄氏度。由此看出，空调机是一个多参数相互耦合的系统，各种干扰导致其右强烈的非线性，因此在采用滞后一个惯性环节时，进行了线性处理，才得到了PID控制参数，PID控制算法能使空调机的参数K、T、在一定范围内变化，仍具有一定的适应性，这也是很多制冷系统采用PID算法的原因。4.2系统设计流程图在整个系统的主程序中，利用顺次查询方式完成数据处理，逻辑运算，功能7块调试等。尽量减少跳转指令，增强系统的可靠性。同时，为增加数据存储的可靠性，可以采用冗余设计，对重要数据进行备份。增加一个软件定时器，当单片机受到各种干扰而失效，因此程序跑飞，也可能使程序进入死循环，因此，可以采用程序监控技术。故设计为如图4.2所示主程序流程图和如图4.3所示的中断服务程序：图4.3中断服务流程图参考文献[1]王丹，高精度温度测量仪的研究，电子测量与仪器学报，2001.1[2]李波，基于CAN总线冷库温度控制系统；科技文献出版社，2003.6[3]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，1990（2）:14-21[4]宋书峰，基于PLC单片机的测温网络开发：仪表技术，1992：53-58[5]刘斌.微型冷库系统研究，天津商学院.1994：23-30[6]杨勇，.数字温度传感器于单片机构成的测温系统的研究，现代电子技术，2001.6[7]黄金华，PID连续控制算法研究，自动化仪表与自动化装置，2001[8]陈宝江，MCS单片机应用系统指南，机械工业出版社，1997.6保护现场采样温度数字滤波是否超过上限PID算出温度温度转换达到温度标准恢复现场返回循环是恢复现场返回否是否超过下限是PID算出温度温度转换达到温度标准恢复现场返回否循环8[9]张兴国，增量式PID控制在温度系统中的应用，南通大学报，2000.4[10]丁国良，制冷空调装置仿真与优化，北京科学出版社，2003.8附图：系统总电路123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:5-Jul-2011SheetofFile:F:\学习\软件编程\Protell\MyDesign\MyDesign.ddbDrawnBy:20nFC110nFC320nFC2R110KX12.2MHZXTALP00P01P02P03P04P05P06P07P20P21P22P23P24P25P26P27EA/VppALE/PROGPSENVssP10P11P12P13P14P15P16P17RXD/P3.0TXD/P3.1INT0/P3