温度采集控制系统

微处理器与接口课程设计设计题目：基于单片机的温度采集控制系统学院：年级：专业：姓名：学号：指导教师：第一章绪论课题研究背景国内研究现状我国对模糊控制理论的研究与应用起步比较晚，然而发展很快，在各个领域取得了许多有影响的成果。诸如在模糊控制、模糊辨识、模糊聚类分析、模糊图像处理、模糊集合论、模糊模式识别等领域取得了不少有实际影响的结果。年哈尔滨工业大学在酒精厂工业染料煤链条路上实现鼓风量蒸汽压力双模控制。年模糊控制应用于电场过热汽温回路的自动控制。年模糊控制成功应用于镇海发电厂机组的主蒸汽压力及温度自控系统。目前，我国在温度等控制仪表业与国外的差距主要表现在如下几个方面：）行业内企业规模小，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。）商品化产品以控制器为主，智能化仪表少，这方面同外国差距较大。目前，国内企业复杂的及精度要求高的温度控制系统大多采用进口温度控制仪表。）仪表控制用关键技术、相关算法及控制软件方面的研究较国外滞后。例如：在仪表控制参数的自整定方面，国外已有较多的成熟产品，但由于国外技术保密及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。控制参数大多数靠人工经验及现场调试来确定。这些差距，是我们必须努力克服的。随着我国经济的发展及加入，我国政府及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、合作及独资企业，使我国温度等仪表工业得到迅速的发展。国外研究现状自年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果，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及仪器仪表，并在各行业广泛应用。它们主要具有如下特点：）适应于大惯性、大滞后性等复杂温度控制系统的控制。）能够适应于受控系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制。）能够适应于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统的控制。）这些温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、，模糊控制、人工智能等理论及计算机技术，运用先进的算法，适用的范围广泛。）普遍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及特性进行自动整定的功能。有的还具有自学习功能，它能够根据历史经验及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。）温度控制系统具有控制精度高、抗干扰能力强的特点。目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展。温度控制系统广泛应用于社会生活的各个领域如家电、汽车、材料、电力电子等常用的控制电路根据应用场合和所要求的性能指标有所不同在工业企业中如何提高温度控制对象的运行性能一直以来都是控制人员和现场技术人员努力解决的问题。这类控制对象惯性大滞后现象严重存在很多不确定的因素难以建立精确的数学模型从而导致控制系统性能不佳甚至出现控制不稳定、失控现象。传统的继电器调温电路简单实用但由于继电器动作频繁可能会因触点不良而影响正常工作。控制领域还大量采用传统的控制方式但控制对象的模型难以建立并且当扰动因素不明确时参数调整不便仍是普遍存在的问题。而采用数字温度传感器8因其内部集成了转换器，使得电路结构更加简单，而且减少了温度测量转换时的精度损失，使得测量温度更加精确。数字温度传感器只用一个引脚即可与单片机进行通信，大大减少了接线的麻烦，使得单片机更加具有扩展性。由于芯片的小型化，更加可以通过单跳数据线就可以和主电路连接，故可以把数字温度传感器做成探头，探入到狭小的地方，增加了实用性。更能串接多个数字温度传感器进行范围的温度检测。课题的研究内容和组织章节课题研究内容本次设计的目的在于学习基于单片机的多路温度采集控制系统设计的基本流程。本设计采用单片机作为数据处理与控制单元，为了进行数据处理，单片机控制数字温度传感器，把温度信号通过单总线从数字温度传感器传递到单片机上。单片机数据处理之后，将当前温度信息发送到进行显示。课题章节组织第一章：绪论，介绍课题的研究背景、目的及意义、研究内容和各章节组织；第二章：介绍系统总体设计及方案，及硬件设计；第三章：介绍软件系统设计方案及编程语言；第四章：对结果进行分析处理。第二章系统方案设计与论证主控方案是一种低功耗、高性能位微控制器，具有在系统可编程存储器。使用公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业产品指令和引脚完全兼容。片上允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的位和在系统可编程，使得为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。具有以下标准功能：字节，字节，位口线，看门狗定时器，个数据指针，三个位定时器计数器，一个向量级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，可降至静态逻辑操作，支持种软件可选择节电模式。空闲模式下，停止工作，允许、定时器计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。止匕外，设计和配置了振荡频率可为并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，暂停工作，而定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活

或硬件复位。同时该芯片还具有同产品的需求。和或硬件复位。同时该芯片还具有同产品的需求。和等三种封装形式，以适应不由于系统控制方案简单，数据量也不大，考虑到电路的简单和成本等因素，因此在本设计中选用ATMEL公司的AT89S52单片机作为主控芯片。主控模块采用单片机最小系统是由于AT89S52芯片内含有4kB的E2PROM，无需外扩存储器，电路简单可靠，其时钟频率为0〜24MHz，并且价格低廉，批量价在10元以内。介绍引角功能说明电源地口：口是一个位漏极开路的双向口。作为输出口，每位能驱动个逻辑电平。对端口写“”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，口也被作为低位地址数据复用。在这种模式下，具有内部上拉电阻。在编程时，口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。口：口是一个具有内部上拉电阻的位双向口，输出缓冲器能驱动个逻辑电平。对端口写“”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（）逻此外，和分别作定时器计数器的外部计数输入（）和定时器计数器的触发输入（），具体如表所示。在编程和校验时，口接收低位地址字节。表口功能定义弓|脚号第二功能（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）（在系统编程用）（在系统编程用）（在系统编程用）口：口是一个具有内部上拉电阻的位双向口，输出缓冲器能驱动个逻辑电平。对端口写“”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（）L在访问外部程序存储器或用位地址读取外部数据存储器（例如执行）TR口送出高八位地址。在这种应用中，口使用很强的内部上拉发送1在使用位地址（如）访问外部数据存储器时，口输出锁存器的内容。在编程和校验时，口也接收高位地址字节和一些控制信号。口：口是一个具有内部上拉电阻的位双向口，输出缓冲器能驱动个逻辑电平。对端口写“”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（）。口亦作为特殊功能（第二功能）使用，如表所示。在编程和校验时，口也接收一些控制信号。表口功能定义弓|脚号第二功能（串行输入）（串行输出）外部中断0）外部中断0）（定时器0外部输入）（定时器1外部输入）外部数据存储器写选通）DE（外部数据存储器写选通）复位输入。晶振工作时，脚持续个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后，脚输出个晶振周期的高电平。特殊寄存器

地址上的高电平有效。位可以使此功能无效。地址上的高电平有效。位可以使此功能无效。默认状态下，复位:地址锁存控制信号（）是访问外部程序存储器时，锁存低位地址的输出脉冲。在编程时，此引脚（）也用作编程输入脉冲。在一般情况下，以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址为的的第位置“”，操作将无效。这一位置“”，仅在执行或指令时有效。否则，将被微弱拉高。这个使能标志位（地址为的的第位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。外部程序存储器选通信号（）是外部程序存储器选通信号。当从外部程序存储器执行外部代码时，在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，将不被激活。访问外部程序存储器控制信号。为使能从到的外部程序存储器读取指令，必须接N为了执行内部程序指令，应该接C在编程期间，也接收伏电压。振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。振荡器反相放大器的输出端。单片机内部构造及功能：特殊功能寄存器并不是所有的地址都被定义了。片上没有定义的地址是不能用的。读这些地址，一般将得到一个随机数据；写入的数据将会无效。用户不应该给这些未定义的地址写入数据“”。由于这些寄存器在将来可能被赋予新的功能，复位后，这些位都为“”。定时器寄存器：寄存器和包含定时器的控制位和状态位，寄存器对和是定时器的捕捉自动重载寄存器。中断寄存器：各中断允许位在寄存器中，六个中断源的两个优先级也可在中设置。存储器结构器件有单独的程序存储器和数据存储器。外部程序存储器和数据存储器都可以寻址。程序存储器：如果引脚接地，程序读取只从外部存储器开始。对于，如果接，程序读写先从内部存储器（地址为〜）开始，接着从外部寻址，寻址地址为：〜F数据存储器：有字节片内数据存储器。高字节与特殊功能寄存器重叠。也就是说高字节与特殊功能寄存器有相同的地址，而物理上是分开的。当一条指令访问高于的地址时，寻址方式决定访问高字节还是特殊功能寄存器空间。直接寻址方式访问特殊功能寄存器（）R例如，下面的直接寻址指令访问（口）存储单元使用间接寻址方式访问高字节。M如，下面的间接寻址方式中，内容为，访问的是地址的寄存器，而不是口（它的地址也是）。堆栈操作也是简介寻址方式。因此，高字节数据也可用于堆栈空间。看门狗定时器是一种需要软件控制的复位方式。由位计数器和特殊功能寄存器中的看门狗定时器复位存储器（）构成。在默认情况下无法工作;为了激活，用户必须往寄存器（地址：6中依次写入和1当激活后，晶振工作，在每个机器周期都会增加。计时周期依赖于外部时钟频率。除了复位（硬件复位或溢出复位），没有办法停止工作。当溢出，它将驱动引脚一个高个电平输出。的使用为了激活，用户必须向寄存器（地址为的）依次写入和和当激活后，用户必须向写入和喂狗来避免溢出。当计数达到时，位计数器将会溢出，这将会复位器件。晶振正常工作、激活后，每一个机器周期都会增加。为了复位，用户必须向写入和（是只读寄存器）。计数器不能读或写。当计数器溢出时，将给引脚产生一个复位脉冲输出，这个复位脉冲持续个晶振周期（），其中。为了很好地使用，应该在一定时间内周期性写入那部分代码，以避免复位。掉电和空闲方式下的在掉电模式下，晶振停止工作，这意味这也停止了工作。在这种方式下，用户不必喂狗。有两种方式可以离开掉电模式：硬件复位或通过一个激活的外部中断。通过硬件复位退出掉电模式后，用户就应该给喂狗，就如同通常复位一样。通过中断退出掉电模式的情形有很大的不同。中断应持续拉低很长一段时间，使得晶振稳定。当中断拉高后，执行中断服务程序。为了防止在中断保持低电平的时候复位器件，直到中断拉低后才开始工作。这就意味着应该在中断服务程序中复位。为了确保在离开掉电模式最初的几个状态不被溢出，最好在进入掉电模式前就复位。在进入待机模式前，特殊寄存器的位用来决定是否继续计数。默认状态下，在待机模式下，位L继续计数。为了防止在待机模式下复位，用户应该建立一个定时器，定时离开待机模式，喂狗，再重新进入待机模式。是公司生产的一线式数字温度传感器，它具有微型化、低功耗、高性能抗干扰能力、强易配处理器等优点，特别适合用于构成多点温度测控系统，可直接将温度转化成串行数字信号（按位二进制数字）给单片机处理，且在同一总线上可以挂接多个传感器芯片，它具有三引脚小体积封装形式，温度测量范围一〜十℃,可编程为〜位转换精度，测温分辨率可达℃,被测温度用符号扩展的位数字量方式串行输出，其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生，多个可以并联到三根或者两根线上，只需一根端口线就能与多个通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。从而可以看出可以非常方便的被用于远距离多点温度检测系统。综上，在本系统中我采用温度芯片测量温度。该芯片的物理化学性很稳定，它能用做工业测温元件，且此元件线形较好。在一摄氏度时，最大线形偏差小于摄氏度。该芯片直接向单片机传输数字信号，便于单片机处理及控制。介绍的2要特征：全数字温度转换及输出。先进的单总线数据通信。最高位分辨率，精度可达摄氏度。位分辨率时的最大工作周期为毫秒。可选择寄生工作方式。检测温度范围为一〜十℃（。〜°）内置，限温报警功能。位光刻，内置产品序列号，方便多机挂接。引脚功能：电压地单数据总线电源电压：空引脚工作原理及应用：的温度检测与数字数据输出全集成于一个芯片之上，从而抗干扰力更强。其一个工作周期可分为两个部分，即温度检测和数据处理。在讲解其工作流程之前我们有必要了解的内部存储器资源。共有三种形态的存储器资源，它们分别是：只读存储器，用于存放编码，其前位是单线系列编码C的编码是），后面位是芯片唯一的序列号，最后位是以上位的码（冗余校验）。数据在出产时设置不由用户更改。共位。数据暂存器，用于内部计算和数据存取，数据在掉电后丢失，共个字节，每个字节为位。第、个字节是温度转换后的数据值信息，第、个字节是用户（常用于温度报警值储存）的镜像。在上电复位时其值将被刷新。第个字节则是用户第个的镜像。第、、个字节为计数寄存器，是为了让用户得到更高的温度分辨率而设计的，同样也是内部温度转换、计算的暂存单元。第个字节为前个字节的码。非易失性记忆体，用于存放长期需要保存的数据，上下限温度报警值和校验数据，共位，并在都存在镜像，以方便用户操作。控制器对操作流程：1复位：首先我们必须对芯片进行复位，复位就是由控制器（单片机）给单总线至少的低电平信号。当接到此复位信号后则会在〜后回发一个芯片的存在脉冲。2存在脉冲：在复位电平结束之后，控制器应该将数据单总线拉高，以便于在后接收存在脉冲，存在脉冲为一个〜的低电平信号。至此，通信双方已经达成了基本的协议，接下来将会是控制器与间的数据通信。如果复位低电平的时间不足或是单总线的电路断路都不会接到存在脉冲，在设计时要注意意外情况的处理。、控制器发送指令：双方打完了招呼之后最要将进行交流了，指令共有条，每一个工作周期只能发一条，指令分别是读数据、指定匹配芯片、跳跃、芯片搜索、报警芯片搜索。指令为位长度，功能是对片内的位光刻进行操作。其主要目的是为了分辨一条总线上挂接的多个器件并作处理。诚然，单总线上可以同时挂接多个器件，并通过每个器件上所独有的号来区别，一般只挂接单个芯片时可以跳过指令（注意：此处指的跳过指令并非不发送指令，而是用特有的一条“跳过指令”）。4控制器发送存储器操作指令：在指令发送给之后，紧接着（不间断）就是发送存储器操作指令了。操作指令同样为8立，共条，存储器操作指令分别是写数据、读数据、将数据复制到、温度转换、将中的报警值复制到、工作方式切换。存储器操作指令的功能是命令作什么样的工作，这是芯片控制的关键。5执行或数据读写：一个存储器操作指令结束后则将进行指令执行或数据的读写，这个操作要视存储器操作指令而定。如执行温度转换指令则控制器（单片机）必须等待执行其指令，一般转换时间为0如执行数据读写指令则需要严格遵循的读写时序来操作。若要读出当前的温度数据我们需要执行两次工作周期，第一个周期为复位、跳过指令、执行温度转换存储器操作指令、等待温度转换时间。紧接着执行第二个周期为复位、跳过指令、执行读的存储器操作指令、读数据（最多为个字节，中途可停止，只读简单温度值则读前个字节即可）。硬件电路图硬件设计中需注意的问题系统设计时用考虑能适应各种不同设备和各种不同控制对象，是系统不必作重大改动就能很快应用于新的控制对象。这就要求系统的通用性好，能灵活的进行扩充。要使控制系统达到这样的要求，设计时必须使系统设计标准化、模块化。在速度允许的情况下，设计接口硬件部分时，操作功能尽可能用软件来实现，以减少系统的复杂程度。硬件设计过程中，器件应选择和筛选，在布线和安排时，要注意制作技术和装配技术，以克服电气干扰。另外，随着微机控制技术迅速发展，各种新技术和产品不断出现，在满足精度、速度和其他性能要求的前提下，应缩短设计周期和尽可能采用价格低的器件，以降低整个控制系统的费用。第三章系统软件设计编程语言汇编语言assemblylanguage是一一种用于电子计算机、微处理器、微控制器或其他可编程器件的低级语言，亦称为符号语言。在汇编语言中，用助记符Mnemonic代替机器指令的操作码，用地址符号ymbo1或标号Label代替指令或操作数的地址。在不同的设备中，汇编语言对应着不同的机器语言指令集，通过汇编过程转换成机器指令。普遍地说，特定的汇编语言和特定的机器语言指令集是一一对应的不同平台之间不可直接移植。许多汇编程序为程序开发、汇编控制、辅助调试提供了额外的支持机制。有的汇编语言编程工具经常会提供宏，它们也被称为宏汇编器。汇编语言不像其他大多数的程序设计语言一样被广泛用于程序设计在今天的实际应用中，它通常被应用在底层，硬件操作和高要求的程序优化的场合。驱动程序、嵌入式操作系统和实时运行程序都需要汇编语言。主要特点面向机器的低级语言，通常是为特定的计算机或系列计算机专门设计的。保持了机器语言的优点，具有直接和简捷的特点。可有效地访问、控制计算机的各种硬件设备，如磁盘、存储器、、端口等。目标代码简短，占用内存少，执行速度快，是高效的程序设计语言。经常与高级语言配合使用，应用十分广泛。简捷性汇编语言由于采用了助记符号来编写程序，比用机器语言的二进制代码编程要方便些，在一定程度上简化了编程过程。汇编语言的特点是用符号代替了机器指令代码，而且助记符与指令代码一一对应，基本保留了机器语言的灵活性。使用汇编语言能面向机器并较好地发挥机器的特性，得到质量较高的程序。执行过程用汇编语言编制的程序输入计算机，计算机不能象用机器语言编写的程序一样直接识别和执行，必须通过预先放入计算机的汇编程序中进行加工和翻译，才能变成能够被计算机直接识别和处理的二进制代码程序。用汇编语言等非机器语言书写好的符号程序称为源程序，运行时汇编程序要将源程序翻译成目标程序。目标程序是机器语言程序，当它被安置在内存的预定位置上，就能被计算机的处理和执行。独特性汇编语言是面向具体机型的，它离不开具体计算机的指令系统，因此，对于不同型号的计算机，有着不同的结构的汇编语言，而且，对于同一问题所编制的汇编语言程序在不同种类的计算机间是互不相通的。设计目标根据温度控制系统硬件设计的软件程序，实际上就是对系统的管理程序和控制程序进行设计。管理程序是对显示进行动态刷新、控制指示灯、处理键盘的扫描和响应等。控制程序是对被控制过程进行采样、数据处理，根据控制算式进行计算和输出等。由于整个系统软件相当庞大，为便于编写、调试和修改，系统软件的编制采用了模块化结构，及整个控制软件由许多独立的小模块组成，他们之间通过软件接口连接，主控程序主要包括条件判断和子程序调用等关键部分。在进行微机控制系统设计时，系统设计人员必须把系统要执行的任务和应具备的功能合理地分配给硬件和软件来实现，既要考虑系统的价格，又要考虑系统满足实时性要求的工作进度，做到硬件、软件合理权衡，并尽量节省机器时间和内存空间。结构分析主程序调用了个子程序，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：实现机与单片机通讯，将温度数据传送给机。程序结构见图图-

程序结构LED显示数码管显示程序盘描序键扫程值理序键处程串口

程序结构LED显示数码管显示程序盘描序键扫程值理序键处程串口

通讯

程序温度芯片

传数据程序i^常与当前温度相比较程序—报警继电器控制程序图3-1程序结构图3.3.1主程序分析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、按键是否被按下。按下进入温度控制点的程序、按下进入温度控制点的程序。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。主程序结构图见图3-2。系统软件设计中应注意的问题在进行系统的软件设计时，在保证程序功能前提下，尽量采用指令字节少和执行时间短的指令，以减少程序占用空间和程序执行时间。开始图3-2主程序结构图第四章测试结果分析1测试环境环境温度摄氏度，室内面积平方米测试仪器：数字万用表，温度计摄氏度2测试方法使系统运行，采用温度计同时测量室内度变化情况，得出系统测量的温度。3测试结果设定温度由摄氏度到摄氏度标定温差摄氏度调节时间（具体视现场情况）静态误差摄氏度最大超调量摄氏度4通过测试分析，对于实际室内的温度控制，可以再提出以下点方法：I增加传感器个数，对各个温度传感器采集的数据进行求算术平均，可得到较为准确的温度值。II对实际室内的温度控制，可采用功率较大的电炉，并且通过风扇对箱内温度进行充分搅和，降温设备可采用空气压缩机等制冷设备。5通过实验测试和分析，发现虽然传感器的温度采集精度最高可得到℃，但测试得到的数据最小间隔为O。通过分析，当对浮点数求平均处理时，遇到同一时刻两个传感头采集的温度相差不大，使℃时求出平均温度变为℃。为了解该数据是否真实，可采用一个高精度的数字温度计测试，发现读出的值与其基本一致，由此推断如果在同一时间增加采集温度的个数，则可以进一步提高温度的精度。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℃—℃,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。的时钟最高可达2口可达个，高的时钟频率和丰富的,都为我们实现电路功能提供了非常有利的条件。同时也因为开发环境友好，易用，方便