毕业设计论文-基于单片机的温度控制系统设计.doc

泰 山 学 院本科毕业论文基于单片机的温度控制系统设计 高云 2007080104 专 业 名 称 通 信 工 程 申请学士学位所属学科 工 科 指导教师姓名、职称 刘 磊 讲师 2011年 05月 30日摘 要温度是工业生产和科学实验中至关重要的一个因素, 在医药，冶金，航空和化工中都起着相当大的作用，温度的高低可以影响着许多产品的质量和使用的寿命!因此, 研究高性能的温度控制系统是现今的主要任务, 本文基于单片机的温度控制系统的开发与应用做出了相应的探讨，并且介绍了一种基于AT89C51单片机的温度检测及控制系统的设计与实现。本设计主要从硬件和部分软件介绍了AT89C51单片机温度控制系统的设计思路，简单说明如何实现对温度的控制，并对硬件原理图和程序框图作了简洁的描述。还介绍了在单片机控制系统的软硬件设计中的一些主要技术关键环节，该系统主要以AT89C51单片机为核心，由温度检测电路，模、数转换电路，过零检测电路, 报警指示电路，光电隔离与功率放大电路等组成。关键词：单片机；温度传感器；温度检测；温度控制IIAbstractABSTRACTTemperature in industrial production and scientific experiment as a factor crucial in the pharmaceutical and chemical metallurgy aviation plays a relevant role in temperature can affect the level of product quality and use of many of the life! Therefore, the study high-performance temperature control system is the main task of the present paper, based on a Temperature Control System to make the appropriate development and application of, and introduces the AT89C51 microcontroller based temperature measurement and control system design and implementation. The design of the main parts from the hardware and software introduces the AT89C51Temperature Control system design, a brief description of how to achieve temperature control, and hardware schematics and made a concise description of the block diagram. Also introduced in the SCM software and hardware design of some key technology areas, the system mainly in AT89C51 as the core, the temperature detection circuit, analog, digital conversion circuit, the zero detection circuit, the alarm indicating circuit, optical isolation and power amplifier circuit etc. Keywords: microcontroller; temperature sensor; temperature detection; temperature control泰山学院本科毕业论文目录1. 引言31.1 绪论31.2 课题展望21.3课题举例简介32 设计思想及系统结构42.1 系统的设计思想42.2 具体设计52.3元器件介绍52.3.1温度传感器DS18B2052.3.2 AT89C5172.3.3 ADC080992.3.4 DAC0832102.4 光电隔离电路112.5 PID控制算法113 各元器件设计123.1键盘单元123.2 温度控制及超温和超温警报单元133.3温度控制器件电路143.4 显示单元143.5接口通信单元154 电源输入175 程序设计185.1 程序结构分析185.2 主程序19结束语21参考文献22致 谢23221 引言1.1 绪论温度在工业自动化、家用电器、环境保护、安全生产和汽车工业中, 都是最基本的检测参数之一。特别是化学工业自动化系统中, 一般温度检测占全部检测点的50%以上, 可见温度检测的重要性所在。随着科学技术的不断发展, 各企业对温度检测技术提出了更高的要求, 希望利用新的检测方法, 制造出适应性更强、精度更高、性能更稳定,具有智能功能的新一代温度检测仪表。温度控制器是工农业生产中常用的加热控制设备,旧式的控温器其控温方式多数采用通断控制方式,存在着温度控制精度较差,控温效果不佳,特别是当被控温度接近1 000 时,更难达到高精度的要求。本课题设计了一种利用单片机芯片构成的调温控制电路,其温度控制方式采用PID调节,通过控制晶闸管的导通角来实现对温度的精密调节,能同时设计出粗调及微调两个温度设定按钮,能方便地进行大范围温度设定,控制效果很好,完全能满足工农业生产过程中的各类恒温需要。目前, 温度的自动控制系统大多采用的电子式控制方式,主要存在以下两个明显缺点:采用的元器件比较落后, 导致电路较为复杂, 使用的逻辑元器件也较多, 增加了备件管理和维护工作的难度; 由于系统整体比较复杂, 同时模拟仪表的实现功能的限制, 因此这些温度控制器都采用了最简单的控制规律, 不能提供很好的控制性能。综合以上的各种不利因素, 我们认为, 此类控制系统己经无法满足日益提高的控制性能需求, 必须采用新的控制方式。1.2 课题展望随着电子技术以及应用需求的发展，单片机技术取得了迅速的发展，在高级程度，高速度以及高性能方面取得了很大的进展。伴随着科学技术的发展，电子技术有了更高的飞跃，我们现在完全可以运用单片机和电子温度传感器对某处进行温度检测，而且我们可以很容易地做到多点的温度检测，还可以进行不同地点的实时检测和控制。温度是工业控制中主要的被控参数之一，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械等工业中，具有举足轻重的作用，因此，温度控制系统是典型的控制系统。对于不同场所、不同工艺、所需温度的高低，范围不同、精度不同，则采用的测量元件、测量方法以及对温度的控制方法也将不同；产品工艺不同、控制温度不同，因而，对温度的测量方法也是多种多样。随着电子技术和微型计算机的迅速发展，微机测量和控制技术也得到了迅速的发展和广泛的应用。利用微机对温度进行测控的技术，也随之而生，并得到日益发展和完善，越来越显示出其优越性。目前，单片机以普遍的作用与生产过程的制动控制领域中，单片机以其体积小、价格低廉、可用其构成计算机控制系统中的智能控制单元和可靠性高等特点，受到广大工程技术人员的重视。温度是生产过程中最常见的物理量，许多生产过程是以温度作为其被参控的。因此，温度控制系统是典型的控制系统。1.3课题举例简介在现代化的工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。例如：在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造设计和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行监测和控制。采用AT89C51单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组成简单和灵活性大的优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大的提高产品的质量和数量。因此，单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题。下面介绍一种功能简化后的温度控制系统的设计过程。假设某加热道采用通电电炉产生的热量为热源，并通过风机箱散热给烘箱对温室进行循环加热。电炉的温度变化范围为0120。根据工业的要求，系统需实现如下功能和指标：（1）温度给定值在2540左右且现场可调；（2）温度控制误差1000次）ISP Flash ROM 32个双向I/O口 4.5-5.5V工作电压 2个16位可编程定时/计数器 时钟频率0-33MHz 全双工UART串行中断口线 128x8 bit内部RAM 2个外部中断源 低功耗空闲和省电模式 中断唤醒省电模式 3级加密位 看门狗（WDT）电路 软件设置空闲和省电功能 灵活的ISP字节和分页编程 双数据寄存器指针 可以看出AT89C51提供以下标准功能：4K字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，看门狗（WDT），两个数据指针，两个16位定时器/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟。同时, AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式何在RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直接到一个硬件复位。2.3.3 ADC0809主要特性：ADC0809的主要特性指标：分辨率：N=8； 时钟频率：小于64赫兹；转换时间：大于等于100毫秒； 不可调误差：1LSB；电源：单电源正5V； 模拟输入量：8路；模拟输入范围：05V； 参考电压：Uref（+）=Uref（-）=5VA/D转换电路： 图3 A/D转换电路ADC0809的IN0和变送器输出端相连，故IN0上输入的0V+5V范围的模拟电压经A/D转换后可由8031通过程序从P0口输入到它的内部RAM单元。首先输入地址选择信号，在ALE信号作用下，地址信号被锁存，产生译码信号，选中一路模拟量输入。然后输入启动转换控制信号START启动转换。转换结束，数据送三态缓冲锁存器，同时发出EOC信号。在允许输入信号OE的控制下，再将转换结果输入到外部数据总线。2.3.4 DAC0832D/A转换器主要性能指标：1）转换速度D/A转换器从输入二进制数到转换成模拟量电压输出的过程，需要经历一定的时间，这就是D/A转换的速度，不同类型的D/A转换的速度是不相同的，但一般在几十微秒到几百微秒之间。2）转换精度D/A转换精度主要决定于输入D/A转换器的二进制位数，二进制位数越多，精度越高。3）分辨率D/A转换器的分辨率指满量程信号能分成的步数和解题的阶梯的尺寸，对于N位的D/A，其分辨率为1/2N.4)线性度通常用非线性误差的大小表示D/A转换器的线性度，并且理想的输入/输出特性的偏差与满刻度输出之比的百分数，定义为非线性误差。5)输出极性及范围D/A转换器的输出范围与参考电压有关。对于电流输出型的D/A转换器，主要转换电路将其转换成电压，所以，输出范围与转换电路有关。输出极性有单极性和双极性两种。2.4 光电隔离电路光电隔离电路的作用是在电隔离的情况下,以光为煤介传送信号,对输入和输出电路可以进行隔离.因而能有效地抑制系统噪声，消除接地回路的干扰，有响应速度较快、寿命长、体积小耐冲击等好处，使其在强-弱电接口，特别是在微机系统的前向和后向通道中获得广泛应用。2.5 PID控制算法前面提到，大多数的温度控制系统可以看作一阶纯滞后环节，由于本系统纯滞后时间较小，故可采用PID控制算法实施控制。在工业上，偏差控制又称为PID控制，这是工业控制中常用的控制形式，一般能收到令人满意的效果。控制论告诉我们，PID控制的理想方程是： （1）式中e 测量值与给定值之间的偏差;TD 微分时间:T - 积分时间； (2)KP 调节器的放大系数.将上式离散化得到数字PID位置式算法式中在位置式算法的基础之上得到数字PID增量式算法： (3)3 各元器件设计3.1键盘单元单片机应用系统中除了复位按键有专门的复位电路,以及专一的复位功能外,其它的按键或键盘都是以开关状态来设置控制功能或输入数据。 键开关状态的可靠输入 ：为了去抖动我采用软件方法，它是在检测到有键按下时，执行一个10ms的延时程序后，再确认该键电平是否仍保持闭合状态电平，如保持闭合状态电平则确认为真正键按下状态，从而消除了抖动影响在这种行列式矩阵键盘非编码键盘的单片机系统中，键盘处理程序首先执行等待按键并确认有无按键按下的程序段。当确认有按键按下后，下一步就要识别哪一个按键按下。对键的识别通常有两种方法：一种是常用的逐行扫描查询法；另一种是速度较快的线反转法。对照图示的4*4键盘，说明线反转法工作原理。首先辨别键盘中有无键按下，有单片机I/O口向键盘送全扫描字，然后读入行线状态来判断。方法是：向行线输出全扫描字00H，把全部列线置为低电平，然后将列线的电平状态读入累加器A中。如果有按键按下，总会有一根行线电平被拉至低电平从而使行线不全为1。判断键盘中哪一个键被按下是通过将列线逐列置低电平后，检查行输入状态来实现的。方法是：依次给列线送低电平，然后查所有行线状态，如果全为1，则所按下的键不在此列；如果不全为1，则所按下的键必在此列，而且是在与零电平行线相交的交点上的那个键。键盘共有16个按键，用于方便设定温度。P2.00123P2.14567P2.289F1F2P2.3清除开启关闭确定P2.4P2.5P2.6P2.7 图4 键盘图3.2 温度控制及超温和超温警报单元当采集的温度经处理后超过规定温度上限时，单片机通过 P1.4 输出控制信号驱动三极管 D1 ，使继电器 K1 开启降温设备 ( 压缩制冷设备 ) ：当采集的温度经处理后低于设定温度下限时，单片机通过 P1.5 输出控制信号驱动三极管 D2 ，使继电器 K2 开启升温设备 ( 加热器1) 。当由于环境温度变化太剧烈或由于加热或降温设备出现故障，或者温度传感头出现故障导致在一段时间内不能将环境温度调整到规定的温度限内的时候，单片机通过三极管驱动扬声器发出警笛声。具体如图所示：图5 具体电路连接图3.3温度控制器件电路单片机通过三极管控制继电器的通断，最后达到控制电热器的目的。当温度未达到要求时，单片机发送高电平信号使三极管饱和导通，继电器使电源与电热器接通，电热器加热。温度慢慢升高。当温度上升到预定温度时，单片机发送低电平信号三极管进入截止状态，继电器的弹片打到另一侧，使电热器与电源断开，电热器停止加热。继电器电路中有一个三极管8050的保护电路，即将一个二极管反向接到三机管的两端。3.4 显示单元显示部分采用数码管显示方式，数码管用四位一体共阳数码管。位选直接由单片机的P2.4、P2.5、P2.6、P2.7控制，段选通过单片机P0口接上74LS254进行驱动。图6 显示电路3.5接口通信单元max232资料简介：该产品是由德州仪器公司（TI）推出的一款兼容RS232标准的芯片。由于电脑串口rs232电平是-10v +10v，而一般的单片机应用系统的信号电压是ttl电平0 +5v,max232就是用来进行电平转换的,该器件包含2驱动器、2接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。该器件符合TIA/EIA-232-F标准，每一个接收器将TIA/EIA-232-F电平转换成5-V TTL/CMOS电平。每一个发送器将TTL/CMOS电平转换成TIA/EIA-232-F电平。主要特点 ：1、单5V电源工作2、 LinBiCMOSTM工艺技术3、 两个驱动器及两个接收器4、 30V输入电平5、低电源电流：典型值是8mA6、符合甚至优于ANSI标准 EIA/TIA-232-E及ITU推荐标准V.287、ESD保护大于MIL-STD-883（方 法3015）标准的2000V5 1单片机有一个全双工的串行通讯口，所以单片机和电脑之间可以方便地进行串口通讯。进行串行通讯时要满足一定的条件，比如电脑的串口是RS232电平的，而单片机的串口是TTL电平的，两者之间必须有一个电平转换电路，我采用了专用芯片MAX232进行转换，虽然也可以用几个三极管进行模拟转换，但是还是用专用芯片更简单可靠。在本设计中采用了三线制连接串口，也就是说和电脑的9针串口只连接其中的3根线：第5脚的GND、第2脚的RXD、第3脚的TXD。这是最简单的连接方法，但是对我来说已经足够使用了，电路如下图所示，MAX232的第10脚和单片机的11脚连接，第9脚和单片机的10脚连接，第15脚和单片机的20脚连接，具体如图所示：图7 通信接口连接图4 电源输入控制系统主控制部分电源需要用5V直流电源供电，把频率为50Hz、有效值为220V的单相交流电压转换为幅值稳定的5V直流电压。其主要原理是把单相交流电经 过电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路转换成稳定的直流电压。 由于输入电压为电网电压，一般情况下所需直流电压的数值和电网电压的有效值相差较大，因而电源变压器的作用显现出来起到降压作用。降压后还是交流电压，所以需要整流电路把交流电压转换成直流电压。由于经整流电路整流后的电压含有较大的交流分量，会影响到负载电路的正常工作。需通过低通滤波电路滤波，使输出电压平滑。稳压电路的功能是使输出直流电压基本不受电网电压波动和负载电阻变化的影响，从而获得稳定性足够高的直流电压。本电路使用集成稳压芯片7805解决了电源稳压问题。图8 电源部分连接图5 程序设计5.1 程序结构分析主程序调用了5个子程序，分别是数码管显示程序、键盘扫描及按键处理程序、温度信号处理程序、继电器控制程序、单片机与PC机串口通讯程序。键盘扫描电路及按键处理程序：实现键盘的输入按键的识别及进入相应的程序。温度信号处理程序：对温度芯片送过来的数据进行处理，进行判断和显示。数码管显示程序：向数码的显示送数，控制系统的显示部分。继电器控制程序：控制继电器动作串口通讯程序：实现PC机与单片机通讯，将温度数据传送给PC机。 图9 程序结构图5.2 主程序程序开始的时候先设置初始化，然后就控制数码管显示当前温度。接着就判断F1、F2按键是否被按下。按下F1进入温度控制点1的程序、按下F2进入温度控制点2的程序。程序控制设置温度的两个数码管闪烁的，此时键盘输入有效。有按键按下的时候进入按键处理程序。按下“确定”按键后，程序进入判断程序和继电器控制程序。继电器动作后，程序回到显示当前程序，并开始循环图10 主程序框图结束语在工业生产和日常生活中，对温度控制系统的要求，主要是保证温度在一定温度范围内变化，稳定性好，不振荡，对系统的快速性要求不高。在论文中简单分析了单片机温度控制系统设计过程及实现方法。本系统的测温范围为2540，温度检测系统根据用户设定的温度范围完成一定范围的温度控制。AT89C51单片机，体积小，重量轻，抗干扰能力强，对环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活型好，即使是非电子计算机专业人员，通过学习一些专业基础知识以后也能依靠自己的技术力量，来开发所希望的单片机应用系统。本文的温度控制系统，只是单片机广泛应用于各行各业的一例，相信单片机的应用会更加广泛化。本系统的设计方案有很多种，上述方案是多种方案中的一种，其具有功能强、成本低、元件少、精度高、可靠性好、稳定性高、抗干扰能力强、执行速度快、简单易行、具有实效性、使用范围广等特点，故具有推广价值。参考文献 1 李群芳.单片机原理、接口及应用M . 北京:清华大学出版社,2005,27-30 2 张志良.单片机原理与控制技术M . 北京:机械工业出版社,2005,217-218 3 沙占友,王彦朋,孟志勇. 单片机外围电路设计M . 北京:电子工业出版社,2003,78-80 4 高峰.单片机微机应用系统设计及实用技术M.北京：机械工业出版社,2002,138-140. 5 何立明编著.AT89C51系列单片机应用系统设计M.第一版.北京:北京航空航天大学出版社,1990,18-19.6 劳动和社会保障部教材办公室主编.单片机应用技术（汇编语言）M.北京：中国劳动社会保