1、PWM控制在恒溫控制系統中的應用摘 要隨著人類社會不斷邁向智能化，和新興科技的不斷發展，自動控制在人們的生產生活中發揮著越來越重要的作用，特別是恒量控制在科研、生產中的應用越來越廣泛。本文針對恒溫控制這一需求，對PWM以及單片機在自動化控制中的應用進行了廣泛深入的研究，使用PWM控制技術并結合一定的軟硬件設計進行試驗，完成了PWM控制技術在恒溫控制系統中的應用，主要研究內容如下：（1）介紹并研究了PWM控制技術的相關概念、應用領域、未來的應用前景與技術特點。（2）介紹并研究了MCS-51單片機在自動控制中的應用、應用領域、應用前景與應用特點。（3）介紹了常見溫度傳感器及其應用。（4）介紹了常用

2、的隔離技術及其應用。關鍵字： PWM控制技術，MCS-51單片機，溫度傳感器，恒溫控制，隔離技術1引言溫度是工業生產、科學實驗中主要的被控制參數之一，與之相關的各種溫度控制系統廣泛應用于冶金、化工、機械、食品、科研實驗等領域。首先溫度控制是工業生產過程中經常遇到的恒量控制,有些生產過程對其溫度的控制效果直接影響著產品的質量；其次在科學實驗中，尤其在生化實驗中，溫度控制在很大程度上決定了實驗的結果和實驗的成敗，因而設計一種較為理想的溫度控制系統對工業生產以及科研實驗有著非常實用的價值。2關鍵技術的研究與分析21PWM技術的研究與分析PWM是英文“Pulse Width Modulation”的縮

3、寫，其含義為脈沖寬度調制，簡稱脈寬調制。它是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用于測量、通信、功率控制與變換領域。211PWM控制的基本原理理論基礎：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時，其效果基本相同。沖量指窄脈沖的面積。效果基本相同，是指環節的輸出響應波形基本相同。低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。圖1 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖面積等效原理：分別將如圖1所示的電壓窄脈沖加在一階慣性環節（R-L電路）上，如圖2a所示。其輸出電流i(t)對不同窄脈沖時的響應波形如圖2b所示。從波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形狀也略有不同，但

4、其下降段則幾乎完全相同。脈沖越窄，各i(t)響應波形的差異也越小。如果周期性地施加上述脈沖，則相應i(t)也是周期性的。用傅里葉級數分解后將可看出，各i(t)在低頻段的特性將非常接近，僅在高頻段有所不同。如圖2圖2 沖量相同的各種窄脈沖的響應波形212PWM相關概念占空比：輸出的PWM中，高電平保持的時間與該PWM的時鐘周期的時間之比分辨率：占空比最小能達到的量級。P=1/8n（n為位數）。2.1.3. 常見PWM波形變換（1）等幅波變換 其變換出的PWM波形的振幅相等，如圖3所示： 圖 3（2）不等幅波變換 其變換出的PWM波形的振幅不相等,如圖4所示：圖 422AT89S51單片機的研究2

5、21AT89S51單片機的基本概述AT89S51是美國ATMEL公司生產的低功耗，高性能CMOS8位單片機，片內含4k bytes的可系統編程的Flash只讀程序存儲器，兼容標準8051指令系統及引腳。它集Flash程序存儲器既可在線編程（ISP）也可用傳統方法進行編程及通用8位微處理器于單片芯片中。222主要性能參數及功能：與MCS-51產品指令系統完全兼容4k字節在系統編程（ISP）Flash閃速存儲器4.05.5V的工作電壓范圍全靜態工作模式：0Hz33MHz 1288字節內部RAM32個可編程IO口線2個16位定時計數器6個中斷源全雙工串行UART通道低功耗空閑和掉電模式 中斷可從空閑

6、模喚醒系統看門狗（WDT）及雙數據指針掉電標識和快速編程特性靈活的在系統編程（ISP字節或頁寫模式）223AT89S51方框圖與功能介紹方框圖如圖5所示：圖 5中央處理器（CPU）CPU是單片機的主要核心部件，在CPU里面包含了運算器、控制器以及若干寄存器等部件組成。MCS-51的CPU能處理8位二進制數或代碼。內部數據存儲器（RAM）MCS-51單片機芯片共有256個字節的RAM單元，其中后128單元被專用寄存器占用，能作為寄存器供用戶使用的只是前128單元，用于存放可讀寫的數據。因此通常所說的內部數據存儲器就是指前128單元，簡稱內部RAM。地址范圍為00HFFH（256B）。是一個多用多

7、功能數據存儲器，有數據存儲、通用工作寄存器、堆棧、位地址等空間。內部程序存儲器（ROM） MCS-51內部有4KB/8KB字節的ROM（51系列為4KB，52系列為8KB），用于存放程序、原始數據或表格。因此稱之為程序存儲器，簡稱內部ROM。地址范圍為0000HFFFFH（64KB）。定時器/計數器 51系列共有2個16位的定時器/計數器以實現定時或計數功能，并以其定時或計數結果對計算機進行控制。定時時靠內部分頻時鐘頻率計數實現，做計數器時，對P3.4（T0）或P3.5（T1）端口的低電平脈沖計數。并行I/O（輸入/輸出）接口 MCS-51共有4個8位的I/O口（P0、P1、P2、P3）以實現

8、數據的輸入輸出。串行接口 MCS-51有一個可編程的全雙工的串行口，以實現單片機和其它設備之間的串行數據傳送。該串行口功能較強，既可作為全雙工異步通信收發器使用，也可作為移位器使用。RXD（ P3.0）腳為接收端口，TXD（P3.1）腳為發送端口。中斷控制系統 MCS-51單片機的中斷功能較強，以滿足不同控制應用的需要。51系列有5個中斷源（52系列有6個中斷源），即外中斷2個，定時中斷2個，串行中斷1個，全部中斷分為高級和低級共二個優先級別。定時與控制部件MCS-51單片機內部有一個高增益的反相放大器，基輸入端為XTAL1輸出端為XTAL2。MCS-51芯片的內部有時鐘電路，但石英晶體和微調

9、電容需外接。時鐘電路為單片機產生時鐘脈沖序列。224引腳圖及引腳功能說明引腳圖見圖6 圖 3圖 6Vcc：電源電壓GND：地P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I0口，也即地址數據總線復用口。作為輸出口用時，每位能驅動8個TTL邏輯門電路，對端口寫“l”可作為高阻抗輸入端用。P1口：Pl 是一個帶內部上拉電阻的8位雙向IO口，Pl的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“l”，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。端口引腳第二功能P1.5 MOSI（用于ISP犏程）P1.6 MISO（用于ISP犏程）P1.7 SCK （用于ISP犏程）P2 口：P2

10、是一個帶有內部上拉電阻的8 位雙向IO 口，P2 的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4 個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。P3 口：P3 口是一組帶有內部上拉電阻的8 位雙向I0 口。P3 口輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4 個TTL邏輯門電路。對P3口寫入“l”時，它們被內部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。注：端口引腳第二功能P3.0 RXD（串行輸入口）P3.1 TXD（串行輸出口）P3.2 INT0（外中斷0）P3.3 INT1（外中斷1）P3.4 T0（定時計數器0外部輸入）P3.5 T1（定時計數器1外部輸入）P3.6 WR（

11、外部數據存儲器寫選通）P3.7 RD（外部數據存儲器讀選通）RST：復位輸入。當振蕩器工作時，RST引腳出現兩個機器周期以上高電平將使單片機復位。WDT 溢出將使該引腳輸出高電平，產生復位。ALEPROG：當訪問外部程序存儲器或數據存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節。即使不訪問外部存儲器，ALE 仍以時鐘振蕩頻率的16 輸出固定的正脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部數據存儲器時將跳過一個ALE脈沖。PSEN：程序儲存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當AT89S51由外部程序存儲器取指令（或數據）時，每個機器周期

12、兩次PSEN有效，即輸出兩個脈沖。當訪問外部數據存儲器，沒有兩次有效的PSEN信號。EAVPP：外部訪問允許。欲使CPU僅訪問外部程序存儲器（地址為0000HFFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復位時內部會鎖存EA端狀態。如EA端為高電平（接Vcc端），CPU則執行內部程序存儲器中的指令。XTALl：振蕩器反相放大器及內部時鐘發生器的輸入端。XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。3系統整體方案設計3.1系統結構 在實際的恒溫控制系統中，需要對所控制的環境溫度進行跟蹤控制，本設計采用AD7416溫度傳感器進行溫度的采集，然后將所采集得到的數據傳送給單片

13、機進行處理，處理的結果一方面用于人機交互，通過4個數碼管顯示到人機交互界面上，并可通過3個按鍵進行所控制溫度的設定，使其適合實際的生產或科研的應用；另一方面將處理的結果用于控制輸出的PWM脈寬波形，來對溫度進行自動控制。當所控制環境的溫度升高或降低時，溫度傳感器所采集到的溫度就會隨之升高或降低，此時單片機所接收到的來自溫度傳感器的值和所設定的溫度值必然會出現偏離，當所采集到的溫度高于設定的溫度時，單片機所控制輸出的脈寬就減小，使固態繼電器的吸合時間變短，從而使加熱的時間減小，同時使輔助風扇轉速加快，而使溫度下降；當所采集到的溫度低于設定的溫度時，單片機所控制輸出的脈寬就增大，使固態繼電器的吸合

14、時間變長，從而使加熱的時間增大，同時使輔助風扇轉速減慢，而使溫度升高，由此實現了恒溫控制。 3.2系統開發的軟硬件平臺3.2.1軟件平臺操作系統平臺：Windows xp/7集成開發平臺：Keil uVision4硬件設計平臺：Altium Designer Winter 093.2.2硬件設計思想及產品選型（1）恒溫控制系統采用模塊化、集成化、標準化結構。便于環境多角度溫度的監控。恒溫控制系統設計需要滿足以下條件：（2）低成本：低成本是大規模恒溫控制系統廣泛應用的前提，因此必須保證其應用的成本低。（3）擴展性：主控制器應具備良好的可擴展性，以滿足以后系統的改進和新的監控點的加入。（4）可靠性

15、：主控制器和溫度采集器是整個系統的關鍵部分，可靠性必須得到保證。（5）功能強：微控制器應配有豐富的外設，滿足各種功能需求。考慮到以上因素，在系統開發中，主要使用了AD7416溫度傳感器和AT89S51單片機作為系統的控制中心，并使用了較成熟的PWM控制技術進行溫度的控制。AD7416是裝在一個芯片中的完整的溫度控制系統，它包括一個帶隙溫度傳感器和一個用來監視并將溫度高低數字化的10位AD轉換器，精度可達0.25度，其寬的電源電壓范圍（2.7V-5.5V）和低的電流（典型值為0.35mA），并和I2C兼容的接口，使其對多種低功耗的應用是很理想的。AT89S51單片機是低功耗，具有較強的處理能力，

16、集成模擬外設、數字外設的控制器，能夠適用于多種工業應用場合；在此設計中通過軟件的設計很好的實現了PWM控制。3.3系統設計方案本次設計的恒溫控制系統由輸入輸出系統（包括數字信號量輸入、按鍵輸入、數碼管輸出、LED輸出等）、微處理器模塊、PWM控制模塊和能量供應模塊四部分組成，系統結構如圖7所示。系統電源AT89S51微控制器 人機交互界面 數碼管輸出 按鍵輸入AD7416溫度采集量輸入 加熱器PWM控制輸出 加熱器、冷卻風扇圖7 恒溫控制系統結構圖3.4.軟件設計流程 系統程序分為主程序，溫度采集處理子程序，PWM波形控制輸出子程序，溫度設定子程序，顯示子程序。主程序完成微處理器的初始化，全局

17、變量的初始化，及系統程序執行的全過程。溫度采集處理子程序完成對AD7416數據的采集與處理，處理結果一方面用于顯示子程序，一方面用于PWM波形控制子程序；PWM波形控制子程序用于產生PWM波形。每完成一次轉換，程序查詢是否有溫度重新設定，如果有，則返回到溫度設定子程序處開始執行，如果沒有，則回到溫度采集處理子程序處進行執行，循環的完成整個系統任務。其執行流程如圖8所示。開 始微處理器初始化 設定溫度值 是否超出范圍是否溫度采集值計算顯示子程序PWM波形產生子程序否是否重設定溫度是圖 84關鍵技術設計實現4.1.AD7416溫度傳感器的應用芯片的硬件連接如圖9所示，該芯片通過I2C接口和微控制器

18、連接，通過該接口，使其可以使用在任何兼容I2C接口或軟件模擬I2C接口的微處理器上，以實現溫度的采集。該芯片還可以通過其A0、A1、A2三個引腳進行地址選擇，同一條I2C總線上最多可以接8個這樣的溫度傳感器，進行所控制環境溫度的多角度監控，具有很好的擴展性。本設計采用4個溫度傳感器，對控制環境的溫度進行多角度的監控。 圖 94.2人機交互界面的設計系統設計為4個數碼管輸出和3個按鍵輸入，如圖10所示。因為所用的溫度傳感器的精確度可以達到0.25度，故用四個數碼管來顯示環境的溫度，考慮到微處理器的I/O的驅動能力，我們采用共陽數碼管，并上拉1K歐姆的電阻，保證數碼管顯示的亮度。在按鍵輸入設計上，

19、我們用3個按鍵進行溫度的高低設定，其名稱分別為SET、UP、DOWN，考慮到按鍵的不穩定性，我們采用軟件延時的方法進行按鍵消抖，以達到輸入的穩定。圖 104.3PWM輸出控制的設計該部分設計的輸出脈寬由微處理器來提供，考慮到外電路與控制電路的隔離和抗干擾，隔離的主要作用是：外部現場電路與控制系統同數字電路隔離，以免微控制器受損；限制地回路電流與地線的錯接而帶來的干擾；多個輸出電路之間的隔離。常用的隔離方法有光電隔離和繼電器隔離，這里采用光電隔離方法，將PWM控制輸出的信號加在由運算放大器構成的電壓跟隨器上，以提高其帶負載的能力，來驅動固態繼電器，再由固態繼電器來控制加熱器，很好的實現了PWM控

20、制技術對溫度的控制。同時微處理器輸出另一路脈寬信號，采用同樣的隔離技術來控制冷卻風扇的，使得該設計具有更優越的恒溫控制效果，其原理如圖11所示。圖 114.4. 加熱器的設計此加熱器由普通的加熱電爐絲和冷卻風扇構成，用固態繼電器來控制加在電爐絲上的220V交流市電，通過間斷性方式來控制電爐絲的加熱時間，進而控制加熱的狀態。用冷卻風扇進行加熱的輔助控制，使得溫度的控制更為迅速與精確。原理如圖12所示。圖 125系統調試與結果分析本恒溫控制系統從以下兩個方面進行測試。首先對主控電路進行測試；其次對整個系統進行全面的測試。5.1主控電路測試主控電路的測試，是在切斷加熱電路的條件下，對主控部分進行測試

21、，包括微處理器的配置調試，溫度傳感器數據采集，人機交互，PWM控制波形輸出等四部分，通過對軟件的不斷改進和求平均值法，使得4路溫度傳感器所采集到的溫度能穩定的輸出顯示在數碼管上，并能很好的通過按鍵進行溫度的設置。PWM控制輸出的波形通過示波器來進行跟蹤與在線調試，使微處理器輸出的波形穩定，并很好的通過隔離電路輸出到加熱電路。5.2系統全面測試系統全面測試是在完成主控電路測試通過的基礎上進行的，試驗中，給加熱器通上220V交流市電，并讓加熱器對水進行加熱，把溫度傳感器固定到所盛水容器的四面，進行多方位的溫度采集，為便于輔助風扇發揮很好的效果，把輔助風扇安裝在易于通風的地方；為了獲得與設計目的相符合的結果，我們進行現場標定，用水銀溫度計對水的溫度進行測量，并與系統設定的溫度進行比較，計算其相對誤差。其結果如表1所示：測量次數系統設定溫度/溫度計溫度/相對誤差120.0021.05.00%230.0030.93.00%340.0040.82.00%450.0050.61.20%560.0060.50.