温度测试与控制

1、基于单片机的温度检测与控制摘要：课题针对温度控制的特点及实现准确温度控制的意义，设计了一种基于单片机的控制系统。电路以AT89S52单片机为微处理器，详细设计了温度信号采样电路，键盘及显示电路，温度控制电路，报警电路。本设计由键盘电路输入设定温度信号给单片机，温度信号采集电路采集现场温度信号给单片机，输出控制信号给温度控制电路，实现降温。显示电路实现现场温度的实时监控。关键词：温度控制 采集电路 实时监控ABSTRACT：Subject to the characteristics of temperature control and realize accurate temperature

2、control of the significance, and designed a kind of control system based on single chip. Circuit AT89S52 SCM in to micro processor, and detailed design temperature signal sampling circuit, the keyboard and display circuit, temperature control circuit, alarm circuit. This design by the keyboard input

3、 circuit set temperature signals to the microcontroller, temperature signal acquisition circuit collection site temperature signals to the microcontroller, output control signals to the temperature control circuit, realize the cooling. The display circuit realize real-time monitoring of temperatureK

4、eywords: temperature control acquisition circuit real-time monitoring 目录1 前言12整体方案设计22.1 方案论证2方案一：利用单片机实现温度控制系统2方案二：利用PLC实现恒温控制系统32.2方案比较33单元模块设计33.1 AT89S52单片机简介43.1.1 AT89S52单片机资源简介43.1.2 AT89S52单片机信号引脚介绍53.2 温度传感器63.2.1 温度传感器PT10063.2.2 温度变送器SWB72.2.3 模数转换单元83.3 键盘和显示电路103.3.1 键盘电路103.3.2 LED显示电路

5、113.4 报警电路123.5 温度控制电路134软件设计144.1 主程序的设计144.2 主程序的起始地址及初始化144.3 LED的显示子程序144.4 键盘处理子程序设计144.5 报警电路和加温电路程序设计154.6 传感器电路程序设计155系统技术指标及精度和误差分析166结论167设计小结168参考文献18附录1：电路总图19附录2：软件代码201 前言电加热温度控制具有升温单向性、大惯性、大滞后性和时变性的特点。例如：其升温单向性是由于电加热的升温、保温主要是通过电阻加热；降温则通常是依靠自然冷却，当温度一旦超调，就很难用控制手段使其降温，因而很难用数字方法建立精确的模型，并确

6、定参数。应用传统的模拟电路控制方法，由于电路复杂，器件太多，往往很难达到理想的控制效果。目前工业自动化水平已成为衡量各行业现代化水平的一个重要标准，同时控制理论的发展也经历了经典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等；而自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。控制器的输出经过输出接口、执行机构加在被控系统上，控制系统的被控量经过传感器、变送器通过输入接口送到控制器。不同的控制系统，其传感器、变送器和执行机构都不一样。比如压力控制系统要采用压力传感器，而温度控制系统要采用温度传感器

7、。随着集成电路技术的发展，单片微型计算机的功能也不断地增强，许多高性能的新型机种不断的涌现出来，单片机以其集成度高、功能强、体积小可靠性高、价格低和开发周期短等特点，成为自动化和各个测控领域中应用广泛的器件，在工业生产中，称为必不可少的器件，尤其是在当要求控制精度高，而成本低的社会里，往往都是采用单片机作为数字控制器取代模拟控制器。在温度控制系统中，单片机最是起到了不可替代的核心作用。2整体方案设计无论是工农业生产中，还是日常生活中，对温度的检测和控制都是必不可少的，对于温度的检测通常是采用热敏电阻在通过A/D（模/数）转换得到数字信号。而对于温度控制的方法也有很多：如单片机控制、PLC控制和

8、数字PID调节器等等。本设计采用单片机来实现温度的控制。2.1 方案论证方案一：利用单片机实现温度控制系统利用单片机系统实现温度恒定的控制，其总体结构图如图2-1所示。系统主要包括现场温度采集、实时温度显示与报警装置和系统核心AT89S52单片机作为微处理器。 温度传感器单片机LED 显 示键 盘报 警控 制 电 路图2-1 方案一的系统总体结构框图温度采集电路以数字量形式将现场温度传至单片机。单片机结合现场温度与用户设定的目标温度，按照已经编程固化的模糊控制算法计算出实时控制量。以此控制量控制固态继电器开通和关断，以决定温度控制电路的工作状态，使温度不超过目标值。在温度接近或达到目标值时，单

9、片机通过采样回的温度与设置的目标温度比较做出相应的控制，使设备温度下降。系统运行过程中的各种状态参量均可由LED实时显示。方案二：利用PLC实现恒温控制系统利用PLC实现对酒槽温度的控制，其控制系统采用PLC控制实现自动控制方式，来达到控制温度的恒定。智能型电偶温度表将置于被测对象中，热电偶的传感器信号与恒定温度的给定电压进行比较，构成闭环系统，生成温差电压Vt，PLC自适应恒温控制电路，根据Vt的大小计算出全通、间接导通和全断的自适应恒温控制电路，并将占空比可调的控制电平经输出隔离电路去控制可控硅门极的通断，实现自适应的恒温控制。若温度升的过快，PLC也将输出关断电平信号转换为可控硅电路相匹

10、配的输入信号。2.2方案比较对于方案二，采用PLC实现恒温控制，由于PLC成本高，且PLC是外围系统配置复杂，不利于我们的设计。而对于方案一，采用单片机实现恒温控制，该方案成本低，可靠性高，抗干扰性强。因此采用方案一。3单元模块设计考虑到尽量降低成本和避免与复杂的电路，此系统所用到的元器件均为常用的电子器件。而主控器采用低功耗、高性能、片内含8k byte可反复檫写的Flash 、只读程序器CMOS8位单片机AT89S52；温度传感器采用PT100热电阻；采用控制端TTL电平，即可实现对继电器的开关，使用时完全可以用 NPN型三极管接成电压跟随器的形式驱动；单片机所需要的+5V工作电源是通过2

11、20V交流电压通过变压、整流、稳压、滤波得到。实时控制的显示器、键盘通过单片机来完成键盘扫描与输出动态显示。3.1 AT89S52单片机简介3.1.1 AT89S52单片机资源简介图3-1AT89S52AT89S52的结构如图3-1所示。由于它的广泛使用使得市面价格较8155、8255、8279要低，所以说用它是很经济的。该芯片具有如下功能：有1个专用的键盘/显示接口；有1个全双工异步串行通信接口；有2个16位定时/计数器。这样，1个89S52，承担了3个专用接口芯片的工作；不仅使成本大大下降，而且优化了硬件结构和软件设计，给用户带来许多方便。AT89S52有40个引脚，有32个输入端口（I/

12、O），有2个读写口线，可以反复擦除。所以可以降低成本。主要功能特性： （1）兼容MCS51指令系统（2）32个双向I/O口线（3）3个16位可编程定时/计数器中断 （4）2个串行中断口 （5）2个外部中断源（6）2个读写中断口线（7）低功耗空闲和掉电模式（8）8k可反复擦写(1000次)Flash ROM（9）256x8 bit内部RAM（10）时钟频率0-33MHz（11）可编程UART串行通道（12）共6个中断源（13）3级加密位（14）软件设置睡眠和唤醒功能。3.1.2 AT89S52单片机信号引脚介绍输入输出口线 口8位双向口线 口8位双向口线 口8位双向口线 口8位双向口线ALE 地

13、址锁存控制信号在系统扩展时,ALE用于控制把口输出的低8位地址送入锁存器锁存起来,以实现低位地址和数据的分时传送。此外由于ALE是以六分之一晶振频率的固定频率输出正脉冲,因此可作为外部定时脉冲使用。 外部程序存储器读选通信号在读外部ROM时, 有效(低电平),以实现外部ROM单元的读操作。 访问程序存储器控制信号但信号为低电平时,对ROM的读操作限定在外部程序存储器；而当信号为高电平时,则对ROM的读操作是从内部程序存储器开始,并可延续至外部程序存储器。RST 复位信号当输入的复位信号延续2个机器周期以上高电平时即为有效，用以完成单片机的复位操作。和 外接晶体引线端当使用芯片内部时钟时，此二引

14、线端用语外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。 地线 +5V电源3.2 温度传感器3.2.1 温度传感器PT100本系统以PT100为温度传感器获取温度信号。PT100温度传感器为正温度系数热电阻传感器，主要技术参数如下： 测量范围：-200+850； 允许偏差值： A级 ， B级 ； 响应时间30s； 最小置入深度：热电阻的最小置入深度200mm； 允通电流5mA。另外，PT100温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。铂热电阻的线性较好，在0100摄氏度之间变化时，最大非线性偏差小于0.5摄氏度。铂热电阻阻值与温度关系为： -200t0时，；

15、0t850时，；式中，A=0.；B=-0.；C=0.42735。可见PT100在常温0100摄氏度之间变化时线性度非常好，其阻值表达式可近似简化为：，当温度变化1，PT100阻值近似变化0.39。3.2.2 温度变送器SWB本次设计中采用的温度变送器为SWB系列的温度变送器模块。此模块是为热电阻型温度传感器配套的4-20mA、二线制直流输出专用模块，性能稳定可靠，体积小巧，且安装方便。此模块书安全防爆型，具有较强的保护功能。由于两线制接法对测温精度影响较大，因此在本次设计中采用三线制接法。接线图如图3-2 图3-2 温度采集模块 1、刚使用时变送器模块输出有微量偏差，属正常现象，微量校准即可。

16、校准应加电5分钟后进行。 2、校准方法：（1）用电阻箱或其他信号源发生器代替热电阻按图1接线 。（2）按分度表。将电阻箱调至量程下限所对应的阻值，微调零点电位器，使电流表读数为4mA 。（3）按分度表，将电阻箱调至量程上限所对应的阻值，微调满肚电位器，使电流表读数为20mA 。（4）调试完毕（必要时重复（2）（3）步骤，使之满足要求）。3、变送器模块与测温度点应保持一定距离，以保证模块的工作温度范围不超过-25+85的范围。2.2.3 模数转换单元 8位串行A/D转换器ADC0809ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式A/D

17、转换器，可以和单片机直接接口。它是美国国家半导体公司的产品，是目前国内最广泛的8 位通用的A/D转换的芯片。 ADC0809的内部逻辑结构ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。 引脚结构如图3-3所示。图3-3引脚结构IN0IN7：8条模拟量输入通道 ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是05V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过

18、程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。 地址输入和控制线：4条 ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量送入转换器进行转换。A，B和C为地址输入线，用于选通IN0IN7上的一路模拟量输入。通道选择表如表2-1。表2-1通道选择CBA选择的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7数字量输出及控制线：11条 ST为转换启动信号。当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间

19、，ST应保持低电平。EOC为转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE1，输出转换得到的数据；OE0，输出数据线呈高阻状态。D7D0为数字量输出线。 CLK为时钟输入信号线。因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ。VREF（），VREF（）为参考电压输入。ADC0809应用注意事项 ： ADC0809内部带有输出锁存器，可以与AT89S52单片机直接相连。 初始化时，使ST和OE信号全为低电平。 送要转换的哪一通道的地址到A，B，C端

20、口上。 在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。 是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断。 当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就输出给单片机了。ADC0809工作电路图如图3-4图 3-4 ADC0809接线图3.3 键盘和显示电路3.3.1 键盘电路由于本次设计中所需按键不多，因此键盘采用14的独立键盘。分别为设置键、+键、-键和确认键。通过检测输入线的电平状态即可很容易的判断哪个键被按下。设置键用来设置显示数据的位，也用来开始键盘处理程序，+键将显示数字在原有基础上加1，-键作用和+键相反，确认键用来结束键盘处理程序。键盘的原理图如图 3-5图 3-5键盘电路3.

21、3.2 LED显示电路LED数码管是由发光二极管作为显示字段的数码型显示器件。LED数码管按电路中的连接方式可以分为共阴极和共阳极两大类。共阳型是将各段发光二极管的正极连在一起，作为公共端COM，公共端COM接高电平，ag、dp各笔段通过限流电阻接控制端。某笔段控制端低电平时，该笔段发光，高电平时不发光。控制这几段笔段发光，就能显示出某个数码或字符。共阴型是将各数码发光二极管的负极连在一起，作为公共端COM接地，某笔段通过限流电阻接高电平时发光。LED数码管显示原理图如图3-6。图3-6 LED数码管显示原理图3.4 报警电路报警电路分声报警和光报警，当P2.5口输出低电平时，发光二极管导通，

22、光报警启动，当P2.4口输出高电平是，蜂鸣器发声，声报警启动，反之，报警电路停止。报警电路原理如图3-7。图3-7声光报警电路原理图3.5 温度控制电路 本次设计的温度控制主要通过调节固态继电器的通断时间来完成，当系统的温度过高时，通过停止加热器工作和水冷降温，是否通水由直动式电磁阀控制，电磁阀的工作状态与加热器正好相反，因此还需加一个常闭型的继电接触器，温度控制电路图如图3-8所示。图3-8温度控制电路 直动式电磁阀原理：通电时，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，阀门打开；断电时，电磁力消失，弹簧把关闭件压在阀座上，阀门关闭。在真空、负压、零压时能正常工作，但通径一般不超过25mm。固

23、态继电器的使用非常简单，只要在控制端加TTL 电平，即可实现对继电器的开关，使用时完全可以用NPN 型三极管接成电压跟随器的形式驱动。当单片机的P2.6 为高电平时，三极管驱动固态继电器工作接通加热器工作，当单片机的P2.6 为低电平时固态继电器关断，加热器不工作。4软件设计4.1 主程序的设计主程序的设计内容一般包括：主程序的起始地址，中断服务程序的起始地址，有关存储单元及相关部件的初始化和一些子程序调用等等。4.2 主程序的起始地址及初始化MCS-51系列单片机复位后，（PC）=0000H，而0003H002BH分别为各中断源的入口地址.所以编程时应在0000H处写一条跳转指令。 4.3

24、LED的显示子程序 LED显示程序的设计，是在AT89S52内部RAM中设置4个显示缓冲单元79H-7CH,分别存放显示器要显示的4位数据。片选口扫描输出总是只有1位为高电平，即显示器的4位中只有公共阳极为高电平，AT89S52的P0口输出相应位的显示数据的段码，使某一位显示某一字符，其他位为暗。依次的改变片选口输出为高电平位，P0口输出对应的段码，显示器的4位就动态地显示出由缓冲区中显示数据所确定的字符。4.4 键盘处理子程序设计 本次设计采用只有四个按键的独立键盘，分别为设置键、+键、-键和确认键。通过检测输入线的电平状态即可很容易的判断哪个键被按下。设置键用来设置显示数据的位，也用来开始

25、键盘处理程序，+键将显示数字在原有基础上加1，-键作用和+键相反，确认键用来结束键盘处理程序。4.5 报警电路和加温电路程序设计因为报警电路和加温电路都是根据温度进行控制，因此将报警程序和温度控制程序联合设计，报警电路和温度控制电路是否工作取决于温度是否高于上限温度，若高于上限温度，报警电路和降温电路工作，若低于上限温度，加温电路工作。4.6 传感器电路程序设计由于传感器电路经过模数转换输出的数字信号，可以直接被单片机使用，单片机接收数据并且校准后将数据存在温度暂存器里，等待使用。否否是开始 初始化 报警降温 键值处理 结束 显示 0809采样 数据处理超出上限值？有按键？图4-1 系统主程序

26、流程图5系统技术指标及精度和误差分析随着各种高精度传感器的应用与普及，这一技术在科学研究，生产过程等领域中发挥着越来越重要的作用。人类步入信息社会的今天，人们对信息的提取，处理，传输以及综合利用等要求愈加。6结论 此次设计是对大学所学知识的一个综合测评，通过这次设计的制作，使我们对所学知识有了更进一步的理解和掌握。我所做的温度检测与控制系统能实现以下功能：1）能够通过传感器采集当前温度，使当前温度显示在LED显示屏上。2）能够通过PID算法控制当前温度不超过上限温度并且在一定范围内发出警报。3）能够通过键盘设定目标温度。结果表明，当系统施加给定升温时，具有准确性和快速性。本次设计的恒温控制系统

27、不仅能满足各项设计指标，并且具有体积小，结构简单，价格便宜，准确性高、可行性强等优点。7设计小结在这次设计过程中，我接触到了更多平时没有接触到的电路知识、元器件以及相关的使用调试经验，发现了自己很多不足之处。我还体会到了所学理论知识的重要性：知识掌握得越多，设计得就更全面、更顺利、更好。同时我知道光靠我个人的力量是不可达到的，同时要有学校给我们这个机会，老师对我们的耐心指导，我的同学给我的帮助与大力支持这样我才能将课程设计顺利地做完。也让我了解平时课堂上所学习的知识大多比较陈旧，作为电子类专业的学生，由于专业特点自己更要积极查阅当前的最新通信电子资料。一个人不可能什么都学过，什么都懂，因此，当

28、你在设计过程中需要用一些不曾学过的东西时，就要去有针对性地查找资料，然后加以吸收利用，以提高自己的应用能力，而且还能增长自己见识，补充最新的专业知识。经过此次的毕业设计，我受益非浅，也翻阅了大量的书籍和浏览了无数的网页。这次的设计是我的一次实践，也刚刚打开科技的大门，今后我还想拥有更多的机会去实践，让我得到更多的锻炼！8参考文献1 康华光，陈大钦. 模拟电子电路M北京：高教育出版社，2004：335-336.2 赵茂泰. 智能仪器原理及应用M北京：电子工业出版社，2006：130-132.3 黄贤武，郑筱霞. 传感器原理与应用M成都:电子科技大学出版社,高等教育出版社,2005:76-108.

29、4 清源计算机工作室. Protel99SE原理图与PCB及仿真M北京：机械工业出版社，2005：113-1225 黄坚. 自动控制原理及其应用M北京:高等教育出版社,2004:246-273.6 张晓华. 控制系统数字仿真欲CADM北京：机械工业出版社，2003：124-140.7 王幸之,钟爱琴,王雷,王闪. AT89系列单片机原理及接口技术M北京：北京航天大学出版社，2004：489-504.8 李广弟，朱月秀，王秀山. 单片机基础M.北京：北京航空航天大学出版社，2006：15-40.9 赖寿宏. 微型计算机控制技术M.北京：机械工业出版社，2006：91-111.10 张毅刚主编。单

30、片机原理及应用。北京：高等教育出版社，2009.11 夏德钤、翁贻方编著。自动控制理论。北京:机械工业出版社，2009.12 王化祥编著。自动检测技术。北京：化学工业出版社，2009.附录1：电路总图附录2：软件代码#include #include intrins.h#define uchar unsigned char #define uint unsigned int #define fl floatuchar out0=0x7f ; /赋初值uchar buf3=0,0,0;/全局数组uchar pr=0x57,0x6E,0x5E,0x3E,0x6D,0x5D,0x3D,0x6B,0x

31、5B,0x3B;uchar discode=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;uint AD; /转换结果，十六进制uint uuu,sc=0; /带小数部分数据处理结果int Int_result,float_result; /Int_result 整数部分，float_result 小数部分sbit Dataout=P10; /数据线sbit cs=P11; /片选sbit sclk=P12; /io口时钟sbit dx=P13; /段码显示控制锁存sbit wx=P14; /位控控制锁存sbit sw=P17;sbit P

32、WM=P15;void delay1ms(uchar T) /单位时间1ms延时 uchar time; while(T-) for(time=0;time0) wx=0; P0=0xfb; wx=1; dx=0; P0=discodeshi|0x80; /显示十位 dx=1;delay1ms(1); wx=0; P0=0xfd; wx=1; dx=0; P0=discodebai; /显示百位，带小数点 dx=1;delay1ms(1); /*AD转换程序*/AD_val() /ADC0809处理 uchar i,temp=0; cs=1;/初始化，启动 sclk=0; cs=0; _nop_(); for(i=0;i8;i+)/读取采集数据，读取的是上一次采集数据 sclk=1; temp=temp1; if(Datao