单片机测温系统的设计说明

1、 . . . 引言随着高新科学技术飞速的发展，微型计算机的应用越来越广泛，尤其是单片机，已应用于全世界的各个领域，也广泛应用于温度测量中。温度测量是工业生产中的一个重要环节。因为单片机体积小，价格便宜，具有通用性和灵活性，利用单片机设计温度测量系统，既可满足功能要求，又经济实惠。他不但面向控制，可靠性高，抗干扰能力强，而且具有掉电保护功能，另外，他的I/O接口功能很强，便于系统的扩展，应用研制周期短，开发效率高，所以由单片机为处理器的温度检测系统以在越来越多的场合得到了广泛应用。温度是许多监控系统中的一个重要参数，尤其是对于粮仓，写字楼，工业生产中的各类加热炉、热处理炉、反应炉等地点，温度的测

2、量更是必不可少。比如在粮食存储过程中，为了保证粮食的存储品质，必须实施监测储存粮食的温度。过去粮食温度的监测是靠人工手测进行，不但测试速度慢、测试精度低，而且人员劳动强度非常大。由于粮库大部分是由数个容积较大的平仓、筒仓等组成，这些粮仓都高约二十米、直径达十米以上，对它的温度检测要求解决被测参数技术问题（如精度、可靠性等）。 而在许多传统行业中，高精度温度采集系统也是不可或缺的。在某些要求进行严格的温度监测的场合，也需要进行高精度温度测量。如加热炉、热处理炉、反应炉等使用了大量的各类测温器件，如热电阻、热电偶等。为此本文设计采用AT89C51单片机为核心的温度测量系统。 2国外研究现状自70年

3、代以来，由于工业过程控制的需要，特别是微电子技术和计算机技术的迅猛发展以与自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度测控系统发展迅速，尤其是控制方面，在智能化、自适应、参数自整定等方面取得显著成果。在这方面，以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器与温度测试仪器仪表，并在各行业广泛应用。 它们主要具有如下的特点： 1) 适应于大惯性、大滞后等复杂温度测试与控制系统的应用。2) 能够适应于受控系统数学模型难以建立的温度测试与控制系统的应用。3) 能够适应于受控系统过程复杂、参数时变的温度测试与控制系统的应用。4) 这些温度测试系统普遍采用智能化、高度集

4、成的理论与计算机技术，运用先进的算法，适应的围广泛。5) 温控器具有参数自整定功能。借助计算机软件技术，温控器具有对控制对象、控制参数与特性进行自动整定的功能。有的还具有自学习功能，能根据历史经验与控制对象的变化情况，自动调整相关控制参数，以保证控制效果的最优化。6) 温度控制系统具有控制精度高、抗干扰力强等特点。目前，国外温度控制系统与仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展。温度测控系统在国各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国生产的温度控制器与测温仪表来说，总体发展水平仍然不高，同国外的日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。目前，我国在这方面的总体技术水平还处于20世

5、纪80年代中后期水平，成熟产品主要以“点位”控制与常规的PID控制器为主，只能适应一般温度系统测控，难于控制滞后、复杂、时变温度系统。而适应于较高控制场合的智能化、自适应测控仪表，国技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表也较少目前，我国在温度等测控仪表业与国外的差距主要表现在如下几个方面：1) 行业企业规模小，且较为分散，造成技术力量不集中，导致研发能力不强，制约技术发展。2) 商品化产品以PID控制器为主，智能化仪表少，这方面同国外差距较大。目前，国企业复杂的与精度要求高的温度控制系统大多采用进口温度控制仪表。3) 仪表控制用关键技术、相关算法与控制软件方面的研究较国外滞后。例如：

6、在仪表控制参数的自整定方面，国外已有较多的成熟产品，但由于国外技术与我国开发工作的滞后，还没有开发出性能可靠的自整定软件；控制参数大多靠人工经验与现场调试来确定。这些差距是我们必须努力克服的。随着我国经济的发展与加入WTO，我国政府与企业对此都非常重视，对相关企业资源进行了重组，相继建立了一些国家、企业的研发中心，并通过合资技术合作等方式，组建了一批合资、合作与独资企业，使我国温度等测试仪表工业得到迅速的发展。3 单片机测温系统概述电子计算机只能处理数字信号，而实际世界存在大量的模拟信号，如温度、压力、语音、图像亮点的亮度等等。因此，用计算机对模拟世界实行控制时，首先必须把模拟信号转换为数字信

7、号，然后经计算机对数字信号进行处理后，把数字信号还原成模拟信号，输出到模拟世界。图3. 1表示了一个以微型机为基础的数据采集和处理系统框架图图3. 1微机控制的数据采集与处理系统各部分的作用如下:传感器将非电量转换为电量，若电信号太小，则用放大器进行放大。滤波器将信号中不希望的频率滤除。采样电路在指定时刻对输入信号进行采样，并由保持电路将采样电平保持下来成为时间离散信号。A/D转换器对离散信号的幅度进行量化，输出幅度和时间均离散的数字信号，存储于计算机的存储器中。至此，系统已完成了从实际世界获得模拟量，对它们进行预处理，转换成数字量并存于存储器等一系列操作。这一全过程称为数振采集或数据获取(D

8、ata Acquisition)。计算机将获取的数据进行种种处理后，由D/A转换器将数字信号转换成模拟信号，并输出到实际世界进行各种控制.将信号进行显示，记录等。4 系统硬件设计4.1系统硬件结构框图测温系统硬件结构框图4.2 数据采集模块4.2.1 温度传感器的选择与其特性热电偶传感器属于热电式传感器。热电式传感器是利用转换器的电磁参数随温度变化的特性来完成测量温度之目的。热电偶是种小型、牢固、相当便宜且能工作在极宽温度围地接触型温度传感器。特别适合于在恶劣环境中测量极高的温度与许多其他的传感器相比，热电偶的线性更好，而且非线性已得到精确确定。尽管它们只能产生毫伏级输出，需要进行精确放大供进

9、一步的处理，还要求采用冷端补偿技术，但是现在己有将完整仪表放大器和热电偶冷端接点补偿器集成的单一芯片，故热电偶的不足已得到良好的解决。考虑到热电偶的以上特性，传感器采用热电偶。尽管热电偶的热电势与温度关系为非线性关系，但K型热电偶在各种类型热电偶中是线性最好的一种。考虑K型热电偶线性度好，它的热电势较大，精度较高，价格便宜，抗氧化性也较好，可在高温的环境中长期使用，在工业环境应用较多。4.2.2信号放大电路设计本放大电路属于精密放大电路，这种电路不仅要求放大电路误差小，稳定性好，而且希望抗干扰性能好，噪声小。为此，采用共模抑制比很高的三运放差动放大电路。此电路简图如图3.4所示 图3.4信号放

10、大电路简图4.2.3滤波电路设计 滤波电路分为无源滤波电路和有源滤波电路。无源滤波又分为LC滤波和RC滤波。由于放大电路能将信号放大，因此可以设法用放大电路和RC网络组成有源滤波电路，以提高滤波性能。有源滤波电路中的集成运放加电压联负反馈，使输入阻抗高，输出阻抗低，输入和输出之间良好的隔离，因此只要将几个低阶滤波电路串联起来，就可以得到高阶滤波电路，很方便。有源滤波电路由于有了放大电路，因此除滤波外还可以将信号放大，而且放大倍数容易调节。于以上诸多优点，测温系统中选用有源滤波电路作为低通滤波器(LPF).具体应用于本系统中的二阶压控电压源LPF电路如图3. 4所示。图3.4本系统采用的二阶压控

11、电压源LPF 可见本LPF的滤波性能是很强的，由于温度信号是慢变化，而外界电磁十扰与噪声信号为快变化，因此杂散信一号通过滤波电路后基本上被滤掉，输出信号基本上反映了热电偶的热电势的变·化，既反映了热电偶的热端温度变化。4.2.4冷端补偿电路热电偶冷端补偿电路如图3.4所示，有PN结温度传感器、电压跟随器、电压放大器、低通滤波器等组成。具体电路分为两部分，第一部分为基于PN结温度传感器的电桥与放大电路;第二部分为二阶压控电压源LPF，其电路图和第(1)部分一信号放大与滤波电路中的LPF完全一样。所以，这里只需讨论第一部分。图3.4冷断补偿电路第一部分 (电桥与放大电路)图3.7冷端补偿

12、电路的滤波电路与最终求和电路4.2.5最终求和电路 点OUT2的信号和从第一部分输出的信号OUT2，经运算放大器A8差分放大，求和后，从OUT点输出。当温度升高时，图3.6中A点的电位升高，所以B点电位也升高，因从A6的反向端输入，所以Uo。端电位降低。接着，在图3.7中，因Uo。从A7得同相端输入，所以OLTTZ端电位降低，又因OUT:从A8得反向输入端输入，所以冷端补偿信号最终将其绝对值和热电偶信号放大和滤波电路的输出信号实现相加，这样，才可能满足两部分信号的极性匹配。其最终求和电路如图3.8所示。图3.8最终求和电路从our点出来的总的信号进入微机系统的A/D转换接口，进行数据的运算与处

13、理，从而完成了数据的采集。4.3 MCS一51性能简介 单片机是整个系统的核心，对系统起监督作用，并进行复杂的信号处理，产生测试信号与控制整个检测过程。所以在选择单片机时，参考了以下标准。 (1)运行速度，单片机速度一般和系统匹配即可。 (2)存储空间。单片机部存储器容量，外部可以扩展的存储器(包括I10)空间。 (3)单片机部资源。单片机部存储资源越多，系统外接的部件就越少，这可提高系统的许多技术指标。 (4)可用行。指单片机是否能很容易地开发和利用，具体包括是否有合适地开发工具，是否适合大批量生产、性能价格比，是否有充足的资源，是否有现成的技术资源等。 (5)特殊功能。一般指可靠性、功耗、

14、调电保护、故障监视等。MCS-51是一种高性能的八位单片机，MCS-51主要由微处理器、数据存储器(RAM) ,程序存储器(ROM/EPROM)、特殊功能寄存器和P1, P2, P3, P4四个并行接口组成，它们在芯片部通过总线连到一起，组成一个小小的微机系统，与外界的联系大为减少单片机的引脚也只剩下与外部世界有关的几根。 MCS-5上系列单片机具有一以下基本特性: (I)中央处理器CPU CPU由运算器和控制器两部分组成。运算器包括:算术逻辑部件A LU，累加器A,寄存器B，暂存器1.暂存器2、程序计数器PC,程序状态寄存器PSW、堆栈指针SP、数据指针寄存器DPTR、以与布尔处理器等。控制

15、部件包括指令寄存器、指令译码器与控制逻辑阵列PLA和时钟振荡器等。 (2)存储器 MCS-51系列单片机总线结构属于一诺依曼结构，计算机在同一个存储空间取指令和数据，两者不能同时进行。存储器又分为片和片外两部分。一是程序存储器;程序存储器主要用于存放程序与一些常数。程序存储器以程序计数器PC为地址指针,它有16位，故可寻址空间为64K. 8051片有4K字节的程序存储器，当用到片外扩展RAM和ROM时，由EA引脚控制选择片或片外，EA为低电平时选片外。另外，当从片外取指令时会产生引脚信号PSEN作为选通信号。数据存储器主要用于暂存程序执行过程中需要经常存放的一些数据，分为片和片外两部分。(1)

16、片数据存储器:8051片数据存储器RAM为128个字节，地址为OOH-7FH，特殊功能寄存器也有128个字节，地址为80H-FFH。为了区分它们，在指令中使用不同的寻址方式:特殊功能寄存器用直接寻址;RAM区则用寄存器间址。部数据存储器按其功能又可分为工作寄存器、直接位寻址单元和一般数据存储器。二是片外数据存储器:MCS-51单片机可以在片外扩充64KRAM区，凡访问片外数据存储器，一定得用访问片外RAM的指令(MOVX)进行，这种指令有两种寻址方式:用数据指针DPTR间接寻址:用R0, R1间接寻址，只可访问256个字节空间。(3)并行接口MCS-51单片机有四个双向的8位Ij0端口:PO口

17、为8位双向并行工/0端口，在使用片外存储器时作为8位数据总线和低8位地址总线的复用接口:Pl, P2, P3均为8位准双向并行I!Ofl; P2日在使用外存储器时，作为高8位地址输出端口;P3口每一引脚还具有第一功能。对8051, PO口只能作“数据地址总线用”，P2口只能作高位“地址总线”用。(4)定时计数器8051单片机部设有两个定时/计数器 T0, T1. T0, Tl都是16位计数器，既可用于定时，也可用来对外部脉冲计数。8051单片机定时计数器系统由IO (THO, TLO) ,T1 (TH1, TL1), TMOD, TCON组成。TMOD为定时器方式寄存器，用于确定工作方式。TC

18、ON为定时器控制寄存器，用于控制定时计数器的运行。定时计数器有方式0, 1, 2, 3四种工作方式:方式0为13位定时一计数器;方式1为16位定时计数器;力一式2为自动恢复初值的8位定时计数器;方式3只适用十T0, TLO和THO分开，变为两个独立的8位定时器。 （5）串行I/U接口 MCS-51单片机有一个串行接口，可以连接串行打印机、CRT终端等，也可用此接口组成多机系统或计算机网络。此串行口是可提供同步或异步两种通讯方式的全双工串行接口，它包括以下几个特殊功能寄存器:发送寄存器(SBUF)、接收寄存器(SBUF) ,串行控制寄存器(S CO:V)和电源控制寄存器(PCON) o (6)中

19、断系统 8051是由5个中断源:外部中断0请求(INTO)、外部中断1请求(工NT 1 )、定时器0溢出中断(TFO)、定时器1溢出中断(TF1)、串行口中断RI, TIO与中断有关的特殊功能寄存器有4个:定时器控制寄存TCON，串行控制寄存器SCON、中断允许寄存器IE、中断优先级寄存器工P、丁E用于允许或禁止各中断请求。工P用于设置各中断源的优先级，可设两级，当多个中断源同时请求服务，选级别最高者先服务，同级优先级从高到低按以下次序进行:工E0, TFO，工E1, TF1, RI, TIo (7)工作方式 8051的工作方式主要有有以下几种方式:单步操作、掉电保护操作、复位方式、程序连续执

20、行 (8)指令系统 8051单片机的指令系统用汇编语言表示有40多种助记符，共30多种，111条指令，可以实现51种基本操作，因为有些指令用于不同场合，可以表示成不同形式，如MOV,MOVX. MOVC等，所以不是一个助记符表示一条指令。按指令码的字节来分，可分为单字节(49条)、双字节(46条)、三字节(16条)。按功能可分为五类:数据传送指令(28条)、算术运算指令(24条)、逻辑操作和环移指令(25条)、控制转移指令(17条)、位操作指令(17条)0 8051指令系统共有7种寻址方式:寄存器寻址、直接寻址、立即寻址、寄存器间址、变址寻址、相对寻址、位寻址。4. 4程序存储器扩展 本系统采

21、用Intel公司的电擦除电可编程只读存储器EPROM2864A，它是近年来被厂泛应用的一种新产品。其优点是能使CPU在线修改其中的数据，并在断电情况下保存数据，集EPROM和ROM功能于一身。Inte12864A的容量为8K×8位EPROM，单一+5v供电，最大工作电流为I40mA，维持电流6UmA，其24脚的管脚图见图4. 2。由于片设有编程所需的高压脉冲产生电路，因此无需外加编程电源和写入脉冲。2864A和8051的连接图如图4.4所示。图 4.4 并行接口电路4.5数据采集模块 A/D转换器把采集到的采样模拟信号量化和编码后，转化成数字信号并输出。ADS7824 是美国 BB

22、公司推出的一种低功耗 4 通道 12 位并行/串行模数转换芯片。该芯片是一种开关电容式逐次逼近模数转换芯片，其部自带采样保持器(SHA)、时钟源、+2.5 V 参考电压与与微处理器的并行/串行接口。同时，它还可以在连续转换模式下对外部 4 通道模拟输入信号进行顺序转换。与其它 ADC 相比，ADS7824 具有非常低的功耗和丰富的片上资源，且部结构紧凑，集成度高，工作性能好.其与51单片机的并行接口电路如图4-3所示。图4. 3 2864A和8051的连接4.6看门狗模块 由于单片机无人操作系统，如果程序出现异常情况(如出现死循环)就无常运行，因此，本系统采用了一个硬件看门狗来监视程序的运行。

23、美信公司的MAX692具有后备电池切换、掉电判别、看门狗监视、主电源检测等功能。其中WDI是看门狗检测输入端，接到CPU的一个专用I/O口或一个总线接口上。是复位信号输出端，接CPU的复位端。MAX692的WDI定时周期是1. 6s，复位脉冲宽度是200ms。如果WD工保持高或低超过看门狗定时周期(1.6s)，端将发生200ms宽(最小140ms)的负脉冲使CPU复位。4.7数据显示与键盘设计4.7.1 数据显示数码显示有静态和动态两种方式可以点亮。所谓的静态显示，就是当数码管显示某一个字符时，相应的发光二极管恒定的导通或截止。这种显示方式每一位都需要有一个 8 位输出口控制，静态显示的优点是

24、较小的电流能得到较高的亮度且字符不闪烁。所谓动态显示就是一位一位地轮流点亮数码管各个位(扫描)，对于数码管的每一位来说，每隔一段时间点亮一次。利用人的视觉暂留功能可以看到整个显示，但必须保证扫描速度足够快，字符才不闪烁。LED数码管采用动态扫描方式,集电极开路的7407驱动LED的段码;具有达林顿输出结构的MC1413驱动LED的位码;74LS138对LED数码管的位码进行地址译码,以实现动态扫描方式。74lS138的引脚图4.7.1如下图4.7.1 74lS138的引脚图数据显示LED与8051连接图如4.7.2图4.7.2 数据显示连接图4.7.2键盘设计定义4个有效键的功能如表1所示。表

25、1有效键功能表5 系统软件设计5.1系统控制算法PID控制是指比例、积分、微分控制,实现PID控制的装置称为PID调节器。传递函数为:GC(S)=K(KP+Ki1S+KdS)=KKP(1+1iS+DS)式中:K为其它环节总增益;Kp为比例系数;Ki为积分系数;Kd为微分系数;i=Kp/Ki;D=Kd/Kp。比例控制可快速、与时、按比例调节偏差,提高控制灵敏度。但有静差,控制精度低。积分控制能消除偏差,提高控制精度、改善稳态性能,但易引起震荡,造成超调。微分控制是一种超前控制,能调节系统速度、减小超调量、提高稳定性,但其时间常数过大会引入干扰、系统冲击大,过小则调节周期长、效果不显著。比例、积分

26、、微分控制相互配合,合理选择PID调节器的参数,即比例系数Kp、积分时间常数i和微分时间常数D,可迅速、准确、平稳的消除偏差,达到良好的控制效果。采用增量式算法位置式输出的PID算法:Ui= Ui-1+Ui=Ui-1+Kpei+i·ei+D·2ei式中:ei=ei-ei-1,2ei=ei-ei-1; ei=W-Yi为设定值与i次实测值的偏差;i=TTi;D=TdT;T为采样周期,Ti为积分时间,Td为微分时间。上式为PID控制软件的编制依据。参数的选取是在参考经验数据的基础上用实验法确定,本系统中取T=10 s,Ti=5 min,Td=1.5 min,Kp=4,这些参数在运

27、行时可适当调整,以获得满意的效果。5. 2主程序设计主程序主要处理系统初始化、扫描键盘、采样温度值和对采样数值进行数字处理等工作。主程序的流程图如图6所示。图6主程序流程图参考文献:1光飞,楼然苗.单片机课程设计-实例指导M.:航空航天大学, 2004.2胡汉才.单片机原理与系统设计M.:清华大学, 2002.3志良.单片机原理与控制技术M.:机械工业, 2002.4新民，王燕芳.微型计算机控制技术J，人民邮电，19995令奇.机械系统实用计算机控制技术M，：东北大学，20036王福瑞.单片微机测控系统设计大全M：航空航天大学.1998.474-4757何立民.系列单片机应用系统设计，系统配置与接口技术M.：航空航天大学.1990.29-528万福君.单片机原理系统设计与应用,（第2版）M：中国科学技术大学.2001.29-52 12卫晓娟，远.基于AT89C2051的数据采集通信系统设计J,工业控制计算机，2004