嵌入式系统开发-微控制器编程与PID算法实现-基于8051单片机的恒温控制系统设计与上位机通信-用于实验室环境温度精确控制与实时...

[toc] # 一个简易的报告 ## 0. 运行结果 恒温控制系统由上位机和下位机组成，通过串口通信实现温度控制。详细解释一下系统的运行过程和结果： 1. 系统初始化： - 下位机初始化串口和定时器0。 - 上位机初始化串口连接。 2. 温度设定： - 用户通过上位机界面设置目标温度。 - 上位机将设定温度发送给下位机，格式为：0x55 (起始字节), 0x01 (数据类型), 高字节, 低字节, 0xaa (结束字节)。 3. 下位机接收设定温度： - 串口中断服务函数 `serial_isr` 接收数据。 - `process_received_packet` 函数解析数据包，更新 `SetValue`。 4. PID控制循环： - `PID_Control` 函数读取当前温度，计算误差。 - 使用PID算法计算控制输出。 - 更新PWM值，控制加热元件。 5. 温度显示： - `update_display_buffer` 函数更新显示缓冲区。 - `update_display` 函数在数码管上显示当前温度。 6. 温度反馈： - 定时器0中断每50ms触发一次，设置发送标志。 - 主循环中每5个周期（约250ms）发送一次温度数据到上位机。 - `send_temperature` 函数发送格式为：0x55, 0x02, 温度高字节, 温度低字节, 0xaa。 7. 上位机接收和显示： - 上位机接收温度数据，解析并显示在界面上。 - 可能会绘制温度-时间曲线。 8. 循环控制： - 系统持续运行，不断调整PWM输出以维持设定温度。 运行结果： 1. 稳定性：系统应能在短时间内达到并维持设定温度，温度波动应较小。 2. 响应性：当设定温度改变时，系统应能迅速调整以达到新的目标温度。 3. 精确度：实际温度应与设定温度非常接近，误差应在可接受范围内。 4. 可视化： - 下位机数码管实时显示当前温度。 - 上位机界面显示设定温度、当前温度，可能还有温度变化曲线。 5. 抗干扰能力：系统应能应对外部温度变化，保持稳定控制。 6. 安全性：PWM输出有限幅保护，防止过热。 7. 通信稳定性：上下位机之间保持稳定的数据交换，确保控制的连续性。 总的来说，实现了一个闭环控制的恒温系统，通过PID算法实现精确的温度控制，并提供了良好的用户界面和反馈机制。系统的性能将取决于PID参数的调整、硬件的质量和环境因素。 ### 硬件原理图  ### 实时温度数据监控  ### 历史温度数据查询  ## 1. 使用的软件 在实现上位机和下位机的串口通信以构建恒温控制系统时，您使用了多种软件。每个软件都有其特定的用途和功能，下面是它们的简介： ### Keil Keil 是一个集成开发环境（IDE），用于嵌入式系统的开发，特别是针对基于 ARM 架构和 8051 微控制器的项目。 - **功能**： - **代码编辑和调试**：提供强大的代码编辑和调试工具，可以方便地编写、编译和调试嵌入式 C/C++ 代码。 - **模拟和仿真**：支持在仿真环境中运行和测试代码，减少了在实际硬件上进行测试的需求。 - **集成开发工具**：集成了编译器、链接器和其他开发工具，使开发过程更加高效。 ### Proteus Proteus 是一个电子设计自动化（EDA）工具，广泛用于电路设计、仿真和 PCB 设计。 - **功能**： - **电路仿真**：可以模拟实际电路的行为，支持各种模拟和数字元件，包括微控制器和传感器。 - **PCB 设计**：提供强大的 PCB 设计工具，能够从原理图直接生成 PCB 布局。 - **虚拟仪器**：提供虚拟示波器、信号发生器等工具，方便调试和测试电路。 ### VSPD (Virtual Serial Port Driver) VSPD 是一个虚拟串口驱动程序，用于创建虚拟串口对，允许在没有物理串口的情况下进行串口通信测试。 - **功能**： - **虚拟串口对**：创建成对的虚拟串口，两个虚拟串口之间可以互相通信，就像真实的物理串口一样。 - **调试和测试**：方便在软件开发和调试过程中模拟串口通信，特别是在上位机和下位机之间进行通信时。 ### 串口调试助手 串口调试助手是一种工具软件，用于测试和调试串口通信，广泛用于嵌入式系统开发和调试过程中。 - **功能**： - **发送和接收数据**：可以手动或自动发送和接收串口数据，监视串口通信情况。 - **数据格式化**：支持多种数据格式（如十六进制、ASCII）显示和编辑，方便调试和分析。 - **日志记录**：记录和保存通信数据日志，便于后续分析和故障排查。 ### PyCharm PyCharm 是一个专为 Python 开发设计的集成开发环境（IDE），由 JetBrains 开发。 ---------------------------- ## 2. 上位机程序简单分析 这个程序实现了一个温度控制系统，包含以下主要功能： 1. **串口通信**： - 初始化串口通信，尝试连接到指定的串口。 - 通过串口接收温度数据并发送设定温度。 2. **SQLite 数据库**： - 创建并连接到 SQLite 数据库，创建用于存储温度数据的表。 - 插入和查询温度数据。 3. **多线程处理**： - 使用多线程读取串口数据，防止主线程阻塞。 - 使用数据队列和数据锁管理并发数据访问。 4. **Pygame 音频**： - 初始化 Pygame 混音器，用于播放音频警告。 5. **Dash 图表**： - 使用 Dash 和 Plotly 实现实时温度数据图表的显示。 - 在浏览器中显示实时温度数据，并定期更新图表。 6. **Tkinter GUI**： - 使用 Tkinter 创建图形用户界面。 - 实现设定温度、打开/关闭串口、实时数据显示和查询历史数据的功能。 - 添加按钮和输入框用于用户交互。 - 美化界面，设置主题和样式。 以下是各个功能的详细分析： ### 串口通信 ```python def init_serial(): global ser try: ser = serial.Serial('COM3', 9600, timeout=1) except serial.SerialException as e: print(f"Serial error: {e}") ser = None ``` - 初始化串口，尝试连接到 `COM3`，波特率为 `9600`。 - 如果连接失败，捕获异常并输出错误信息。 ```python def send_set_temp(set_temp): global ser if ser and ser.is_open: if set_temp < 15: set_temp = 50 play_sound('low_temp_alert.wav') # 播放低温警告音频 update_status("温度过低! 调整为 50 °C 并播放警告音.") elif set_temp > 150: set_temp = 50 play_sound('high_temp_alert.wav') # 播放高温警告音频 update_status("温度过高! 调整为 50 °C 并播放警告音.") else: update_status(f"设定温度为 {set_temp} °C") set_temp = int(set_temp * 100) data = bytearray([0x55, 0x01, (set_temp >> 8) & 0xFF, set_temp & 0xFF, 0xaa]) ser.write(data) else: update_status("串口未打开") ``` - 发送设定温度数据至串口。 - 检测温度范围，并播放相应警告音频。 - 将温度值放大 100 倍，并转换为字节数组发送。 ### SQLite 数据库 ```python # 创建SQLite数据库连接 conn = sqlite3.connect('temperature_data.db', check_same_thread=False) cursor = conn.cursor() # 创建表 table_name = 'data_' + time.strftime('%Y%m%d%H%M%S') cursor.execute(f''' CREATE TABLE IF NOT EXISTS {table_name} ( timestamp TEXT, temperature REAL ) ''') conn.commit() ``` - 创建�