《基于单片机温度控制系统设计（论文）》

基于单片机温度控制系统设计目录28974第1章绪论 第1章绪论1.1研究背景与意义关于温度，其为科技中极其基础的一项物理量，物理、生物等一系列相关科目均需要温度。在工业制造及试验探究过程内，比如电力、石油、冶金、酒类制造等产业范围中，温度通常是表明对象与流程形态的一项极关键的参变量。公元1593年，伽利略作为意大利的科学家，它研发出全球极早的温度计。第1只温度计的其中一侧是开口的玻璃管，另一侧含有核桃那么大的玻璃泡。起初运用的时候，先是需要对玻璃泡进行加热操作，之后将玻璃管插进水里。玻璃管内的水面将因为温度的改变而升高或降低，参照升降的具体数据能够判断出温度的改变或是具体的温度数。然而这种原始的温度计，非常容易受外界大气压强等环境因素，所以往往这样的温度计测量出来的数据跟实际数据的误差较大。因此荷兰的华伦海特在这个前提下实施改良，在公元1709年，他运用酒精，并且在公元1714年运用水银当作测定物质，研制出精细准确的温度计。关于华氏温度计，其实就是将0℉界说成某一浓度的盐水在凝固状态下的温度，将32℉界说成纯水在凝固状态下的温度，将标准大气压下水处在沸腾状态下的温度界说成212℉。当代信息技术持续健全并改良，温度传感设备同样随之改良，总线日渐规则化，基于它的牢靠性与安全性，人们越来越安心应用，其精度持续提升、性能持续增加，而且研发得到网络传感设备与虚拟传感设备，为研发较高技术的单片测温体系创建了牢靠的前提。所以研究基于单片机的数字温度计是非常的有意义。我们相信在不久的将来，会有越来越先进的数字温度计被生产制造出来。1.2单片机概述单片机微型计算机其实是微机的一项核心分支，极具发展空间。简写为单片机，非常适于调控方面，因此还叫做微调控器。一般情况下，单片机通过单块集成线路模块组成，内在涵盖计算机的基础性能构件，比如CPU、I/O口线路等一系列相关部分。所以，单片机仅用与适宜的软件和外围装备进行联合，就能变成一种单片机调控体系。单片机通过1、2、3、3代的开发，当前的开发趋于优质性能与较多的种类，其CPU的性能不断加强，内在资源持续增加，针脚的功能趋于多样化，且电压和功耗都偏低。第2章温度控制系统总体设计2.1系统方案选择创建单片机关于炉温的调控体系，能够选用STC8952当作调控的中心，模数转换装置选用极其广泛的ADC0809这个元件，调控方面会通过对电阻丝上电确保其温度升高。此方案简易可行，器件的价格便宜。单片机种类繁多，经过比较。此次设计方案采用STC8952单片机实现，与MCS-51系列单片机兼容。在单片机的相关课程内，我们已熟知51单片机，使用的时候比较顺手。并且此单片机在软件编程方面具有较大的自由度，能够支撑ISP线上编程，支撑串口的下载，确保编程作业较便利与自主地实施。能使用编程去完成各类调控算法及逻辑方面的调控。实施数据的转化，调控线路选用继电装置进行调控，具有高于89C51的运行频率，进而具有较快的核算速率。此方案电路简单并且可以满足题目中的各项要求的数据。关于温度传感装置，选用十分广泛的3DG6晶体管，低廉的电压/频率转化装置（V/F）LM331和STC8952模块构成的温度测定仪。但抗干扰性差，数据处理复杂，数据存放空间大，受市场限制。在策划过程内，普遍选用热电阻传感装置，关于铂电阻的温度传感装置，能够运用其电阻与温度呈现某一函数关联而制作的温度传感装置，因为其测定精确度较高、测定范畴较大等一系列相关特征，被普遍使用在中温（-200℃～+650℃）范畴的温度测定内。然而铂电阻的阻值和温度呈现非线性的关联，因此要求实施非线性的校对。校对划为模拟线路校对与微处理器的数字化校对，对于前者，具有许多现有的线路，其精度偏低，并且极易遭到温漂等要素的干预，对于后者，要求在微处理体系内进行应用，把Pt电阻的阻值与温度进行对照之后贮存至EEPROM内，参照线路内实际测定的AD值通过查表样式核算对应的温度数。选用DS18B20当作温度监测器件，其为数字可编程温度传感装置。它能够直接读取受测的温度数值。无需把它的导出信号连至A/D转换装置中，降低了体系硬件线路的本钱与全部体系的体积，用于数据的转化，调控线路模块会选用固态继电器实施调控，这个方案线路比较简洁，而且能够符合选题中各类条件的数据。因为选用具备一总线特征的温度传感装置，因此线路以简洁的方式进行连接；并且这个传感装置具有极强的通讯协定，经过数个简洁的操纵能够完成传感装置和单片机之间的互动，涵盖对传感装置实施复位、读写数据及写指令这些操作。软、硬件便于调整试验，制造的本钱偏低。同样导致体系测定成果的精度极大程度上获得提升。这个策划其实是对于电机绕组上绝缘漆的烘干温度实施调控，大概是100°，在其测定范畴中。联合多个部分进行思考，通过对比各类温度传感装置，这个策划确定选用DS18B20创建温度监测线路。2.2系统的组成和工作原理经常使用PID算法实施温度调控。这个策划从本钱、策划繁杂度、实际应用性和研发时间很多要素方面进行思考，最后选用DDC算法，首要展现在升降温的流程内。体系是经典的闭环反馈型温度调控体系。当中数字调控装置的相关功能通过单片机去完成。这个体系调控的对象是电炉等要求维持在某一区间恒温的装备，均要求存在升降温的作用，一些在温度高于一定最大值的时候会发出警报。某个时间的真实温度小于客户设置的最小值的时候，体系将处在升温形态，直至真实温度抵达最大值，体系会终止升温。否则，假如真实温度大于客户设置的最小值，那么体系处在降温形态。如果真实温度超出客户设置的最大、最小值，那么体系也将经过语音、警报灯去发出警报信号，与此同时开启对应的降升温举措。图2-1系统整体设计图体系基础硬件架构流程图参见图2-1的展示，其功能与运行的原理为下。（1）STC8952：用于中心计算与调控，协同体系各类板块的作业。（2）温度传感装置DS18B20：用于温度和数字量的转换。能够精确至小数点后四位。（3）驱动板块：选用固态继电器调控加热4000W加热装置的样式。固态继电器选用DC3～10V的低压导入样式，这个策划选用+5V导入样式。这样控制部分与大功率部分实现隔离，可抑制干扰。实现以弱控强。（4）键盘输入模块：用4*1独立的键盘。可以实现人工对温度上、下限值的设定。（5）LCD展示板块：选用普遍使用的LCD1602展示温度传感装置搜集获得的温度，而且展示搜集时的时间，还有温度的最大最小值。（6）红、蓝色LED，蜂鸣器：用于体系的警报。如果温度高于客户设置的最大、最小值，那么体系发出警报。LED灯会在单片机的调控下燃亮，与此同时蜂鸣器发送警报音，告知客户选取对应的举措。第3章温度控制系统硬件设计3.1单片机的最小应用系统关于单片机的极小体系涵盖晶振线路与复位线路。极小应用体系的策划为单片机应用体系策划的前提。在STC8952中，复位导入针脚RST用于单片机的初始化操作，能够确保程序从确定位置开始实施，在时钟线路运行之后，如果RST针脚中产生高于2个机器周期的高电平，就能够实时复位操纵，如果RST维持高电平，那么STC8952会实施循环复位，如果RST从高电位转为低电位，那么STC8952方可0000H这一地址起实施程序，这个体系选用上电加上按钮复位的线路。当振荡频率选用12MHZ时，下图3-1中的电解电容C3取10µF，R1取0.1K左右，R2取10K。图3-1单片机复位与时钟电路时钟电路是用来产生STC8952单片机工作时所必须的时钟信号，STC8952本身就是一个复杂的同步时序线路，想要确保完成运行样式，在独一的时钟信号调控下，STC8952能够严肃根据次序去执行命令，时钟频率会干扰模块的速率与平稳性。通常时钟由于两种形式：内部时钟和外部时钟。这个体系选用内置时钟样式去给体系供应时钟信号。STC8952内置1个用来组成振荡器的高放大倍数的反向放大装置，它的导入导出针脚分别是XTAL1与XTAL2，跨接在晶振与用来微调的电容，这样组成1个自激励振荡装置。线路内的C1、C2选33pF，然而电容偏小将干扰振荡的频率、平稳性与迅速性。晶振频率是12MHZ，单片机的速度随频率的升高而加快，这样对于贮存器的速率要求比较高。想要提升平稳性，会选用温度平稳性较佳的NPO电容，它是一类极其通用的具备温度补给属性的单片陶瓷电容。3.2温度采集转换系统在设计此类系统时，传统的方法是通过热敏电阻或模拟集成温度传感器采集温度的模拟量，再用A/D器将转换后的数字量送给单片机，这些方案的主要缺点是精度差，（例如典型的模拟集成温度传感器AD590的精度仅为0.5℃）并且因为采用了A/D转换器使电路过于复杂。以精简线路为基础，由于需要提升性价比，因此这个策划选用DS18B20这一集成型的智能温度传感装置去实现实地温度的搜集。系统电路图如图3-2所示。图3-2温度转换采集系统电路图关于DS18B20，其为美国DALLAS企业研制的单线式智能化的温度传感装置，其选用DALLAS企业独有的“单线（1—Wire）总线”这一技术，经过串行通讯端口（I/O）去直接导出受测温度数（9～12位的2进制数，包含符号位）。其工作在在12位模式下时，所对应的温度分辨力高达0.0625℃。温度/数字转换时间的典型值为93.75ms。依照界说，单线总线仅有1根线，这表明总线中每只元件仅可分时对单线总线实施驱动，并且任意1只元件务必具有漏极开路导出或三态导出的属性。DS18B20的单线端口I/O其实就是漏极开路导出。在单线总线中务必连接上拉电阻，其阻值大概是5KΩ（额定值选5.1KΩ或4.7KΩ）。当单线总线上挂有多个从属器件时，也称之为多点总线。对于单线总线，如果其处在闲置形态，那么呈现出高电平。操纵单线总线的时候，务必从闲置形态着手。单线总线加上低电平的转化时间超出480µs的时候，总线中全部的元件都被复位。主CPU有复位脉冲产生以后，从属元件会产生回答脉冲（PRESENCEPULSE），告知主CPU它已准备就绪，可以接受数据与指令。3.3升温驱动控制系统这个体系运用DDC调控技术，其实是直接数字调控体系。DDC调控是电脑用在工业调控中极其广泛的一类样式。电脑经过导入通路对于参变量实施巡回监测，并且参照界定的调控规则实施计算，之后发送调控信号，经过导出通路直接调控调节阀等实行机构。如果实地温度在客户设置的最大、最小值范畴内，那么加热器的运行因为温度贴近边界值而对应进行调节的一类调控样式，一般情况下，DDC段设为±5℃，如果温度的改变超出这一范畴，那么加热器选用DDC调控，通常包含下面二种控制方式：时间DDC型、电流DDC型，DDC控制能消除“开关”型控制产生的锯齿波形，减少对电网的冲击，如图3-3的DDC控制一般不用在负载变化范围较大而控制精度又较高的场合。图3-3DDC控制下的现场温度曲线升温控制系统使用固态继电器来进行控制。固态继电器采用低电压输入方式，一般为DC3～10V。本设计采用直流+5V输入方式。固态继电器内部有光电隔离，这样控制部分与大功率部分实现隔离，可抑制干扰。输出接交流220V电源，加热4000W的电热丝。本设计实现以弱电控强电。系统可通过键盘对温度进行预先设置，单片机会参照目前的温度与预先设置的温度实施对比，调控固态继电器的通断去调整电热丝的加热功率，进而确保温度快速实现预先设定的数值，并且维持原状。当P1.4口输出一个高电平时，固态继电器导通工作，进行加热升温工作。如图3-4所示。图3-4驱动控制电路图在程序设计中用P1.4控制送出脉冲信号。P1.4为“1”时，输出5V；P1.4为“0”时，输出0V。3.4键盘显示系统这个体系的客户页面运用人机工程学的机理，利用系统科学的思想与办法实施策划，确保其可以适宜操纵者的使用需要。关于LCD的使用，可以确保操纵者使用极易认知的样式去展示调控体系的目前形态与操纵者关注的数据，比如目前的时间、温度、最高温度、最低温度。体系开启的时候，LCD的时间展示成“00—00—00”，目前温度展示的是目前的环境温度数，客户设置的最大、最小温度依次默许成30℃与10℃。表示系统已经正常启动，可以工作。体系为操纵者供应了极易认知且足够的信息提醒，便于操纵者准确进行应用。与此同时，顾及到客户操纵页面具有较佳的容措实力，提升了体系的总体综合实力。系统的连接图如图3-5和3-6所示。本设计由STC8952芯片控制的4键键盘和液晶显示器组成，以实现用户的输入与数据输出。第一个键用于协同加1键和减1键实施时间的设置，第二个键用于协同加1键和减1键实施最大、最小温度值的设置。图3-5键盘输入模块电路图图3-6键盘显示系统电路图3.5报警系统关于报警体系包含声报警与光报警这2个部分。此次策划中，声报警模块选用蜂鸣器发出警报。蜂鸣器就是喇叭，普遍使用在各类电子商品中，用在提醒、警报等一系列相关的很多应用场所。它和家庭使用的相关设备中的喇叭在使用方面具有近似的部分，一般运作电流偏大，线路中的TTL电平差不多无法驱动蜂鸣器，要求增添1个电流扩大的线路，换言之，这只针脚极难驱动蜂鸣器发声，因此增添1只三极管去升高经过蜂鸣器的电流值。使用单片机调控P1.6并形成某一频率的方波，这样能够确保声报警板块发出声音。相关的线路图在图3-7展示。图3-7声报警电路图光报警由1个红色发光二极管和1个蓝色发光二极管组成，一共需要2根数据线，使用单片机直接控制。需要完成的功能为，如果实地温度大于客户设置的最大值，那么红色发光二极管燃亮；如果实地温度小于客户设置的最小值，那么蓝色发光二极管燃亮。在恒温工作模式下，保持恒久熄灭状态。光报警电路图如图3-8所示。图3-8光报警电路图3.6系统电源模块在电源板块，滤波和保护线路具有关键的效用，体系是不是可以安全运用，极大层面上由电源的平稳性来确定。无论是STC8952单片机的工作电源，还是二极管、数码管的驱动，都要用到+5V的直流电源，所以一个稳定的、持续的+5V直流电源对本系统十分重要。因为缺少直接的+5V电压，至于直流电源，其导入电压是220V的电网电压，在常规状况下，这一电压高出这个策划中需要的电压值很多，故而应当先运用变压器，把这一电压减小之后，实施下个环节的处置。变压器为这个电源线路的开始，把这一电压转成这个策划中需要的较小值，能够实施下个环节的整流。这个策划使用桥式整流线路，把交流型的电网电压转成需要的直流型电压，给各个线路供应固定的直流+5V电压。从端口J1导入的约220V的交流电压，通过变压装置转成约15V的直流型电压，然后通过全波整流桥BR1实施整流，之后获得一个幅值是0～8V上下的波动直流。它通过C11、C12滤除杂波之后，获得一个相对稳定的直流，之后通过LM7805实施稳压输出+5V电压，C10再次滤波后，得到稳定的+5V直流电流，为系统提供稳定电压，保证电路的稳定性和抗干扰性，如图3-9所示。图3-9电源系统电路图第4章温度控制系统软件设计4.1软件总体设计软件设计是为了满足系统功能的需要。其总体流程图如图4-1所示。图4-1软件总体流程图本系统的软件设计采用了模块化设计方法，对每一个功能编写了一个或几个功能函数，表4-1说明了功能所对应的函数。表4-1本设计各项功能函数表4.2Protues7软件概况PROTUES是基于标准仿真和精心设计的SOICE3F5的混合电路仿真工具。它可以模拟模拟电路，数字电路以及混合的数字和模拟电路。它的主要功能是能够模拟基于控制器的系统。目前，它是模拟微控制器和外围设备的最佳工具。尽管国内研发才刚刚开始，但它一直受到SCM爱好者，从事SCM教学的教师以及致力于SCM开发和应用的科技人员的青睐。Proteus是举世闻名的EDA工具（仿真软件），其范围从原理图布局到调试代码再到单芯片和外围电路的协同仿真，一键式切换到PCB设计以及从概念到设计的整个设计实施给产品就足够了。它是世界上唯一结合电路仿真软件，PCB设计软件和虚拟模型仿真软件的设计平台。程序界面如图4-2所示。图4-2Protues7工作界面PROTUES软件的功能特点介绍如下：1．原理布图2．PCB自动或人工布线3．SPICE电路仿真革命性的特点：1．交互式电路仿真。用户还可以使用实时数据，如RAM，ROM，键盘，电机，LED，LCD，AD/DA，一些SPI设备，一些IIC设备。2.模拟处理器及其外围设备。它可以模拟51系列，AVR，PIC，ARM和其他常用的主流微控制器。还可以根据原理图直接编程到虚拟原型中。然后，您可以通过显示和输出查看输入和输出的效果。Protues创建了一个完整的电子设计开发环境，其中包含系统中的虚拟逻辑分析仪和示波器。同时，它还有4个主要功能模块：智能原理图设计（ISIS），完善的电路仿真功能（Prospice），独特的MCU协同仿真功能（VSM），实用的PCB设计平台。Protues提供了丰富的资源：1.PROTUES提供仿真组件资源：数字和模拟，交流和直流等几千组件，以及超过30的组件库模拟。2.PROTUES可以提供模拟仪器资源：示波器，逻辑分析仪，虚拟终端，SPI调试器，调试器I2C，信号发生器，图案生成器，AC和DC电压表，交流和直流电流计。从理论上说，相同的仪器可以自由地的电路调用。3.除了真正的仪器，Protues还提供图形显示，以图形方式实时显示在线上变化的信号。它的工作原理类似于示波器，但具有更多功能。这些虚拟仪器具有理想的参数规格，例如非常高的输入阻抗和极低的输出阻抗。这些可以最大限度地减少仪器对测量结果的影响。4.Protues提供了一种调试方法Protues为电路测试提供了丰富的测试信号。这些测试信号包括模拟和数字信号。4.3WAVE6000软件简介4.3.1软件概况WAVE6000是南京威孚公司的微机开发和编译软件，使用中文界面。用户源程序的大小不受限制，并且存在广泛的窗口显示模式，这些模式允许程序执行过程在多个方向上动态显示。得益于强大的项目管理功能，可以简单，轻松地管理单片机程序。4.3.2程序界面WAVE6000界面如图4-3所示。图4-3WAVE6000界面4.4程序流程各个程序的流程图如下。4.4.1主程序流程图主程序主要实现系统的初始化，并通过调用子程序来确定跳转方向和实现该系统的报警功能和计算功能的运算结果与限制值进行比较。主程序流程图如图4-4所示。图4-4主程序流程图4.4.2采样子程序流程图采样子程序是A/D0808的模拟电压信号转换成数字信号。数字系统会产生由于各种干扰错误。为了减小误差，它被采样三次，并且将采样值被存储在2CH，2DH，2EH。采样子程序流程图如图4-5所示。图4-5采样子程序流程图4.4.3滤波子程序流程图它可以从上面可以看出，取样是为了减少系统误差减小三次，并过滤子程序比较三个采样值，取中间值作为实时温度的值，并将其用于显示和后续操作。滤波子程序流程图如图4-6所示。图4-6滤波子程序流程图4.4.4显示子程序流程图实时温度和设定温度在51H50H和分别存在。显示子程序这两个温度转换成BCD码，并认为它们在70H-75H。它把它们转换成由查表的手段对应段代码，以及最后用动态。显示方法进行显示。显示子程序流程图如图4.7所示。图4-7显示子程序流程图4.4.5按键选择流程图延时程序确定是否按下按钮，从而执行条件转换并改变设定值。设定值在50-150度范围内。当温度超过此范围时，按钮将不起作用。按键选择流程图如图4-8所示。图4-8按键选择流程图4.4.6PID控制子程序流程图根据PID算法公式，PID算法程序使用两个字节的追加程序，两个字节的补程序，双字节的无符号乘法的运算程序，以及两个字节符号乘法程序来实现PID式的编程。PID控制子程序流程图如图4-9所示。图4-9PID算法程序流程图当中断到来时，关闭计数器，清F0标志位，返回主程序。T1中断程序流程图如图4-10所示。图4-10T1中断子程序流程图第5章结论这个设计选用总线技术及板块化架构，完成了通过型号为STC8952的单片机与型号为DS18B20的单线型智能化温度传感装置构成的智能型温度测控体系，经过P3.2口，单片机和温度传感装置能够互相发生数据，进而一同实施对应的数据处置。通过配套程序的驱动，单片机端设定并且传送最高温度值HT与最低温度值LT给温度传感装置，与此同时获取温度传感装置传送来的目前温度CT，实施对应展示和相关处置。如果CT高于HT，那么燃亮红色LED并且驱动关停对照的继电器，进而实施报警提醒和终止加热。如果CT小于LT，温度调控装置会燃亮蓝色LED并且驱动继电器合上，进而实施报警提醒和相关的加热调控。以上能够把实地温度保持在最大值与最小值之间的某一范畴中除外，如果设定的最大值HT与最小值LT是相同的温度值，那么温度测控体系会确保实地温度维持在对应的恒温形态。LCD会展示目前的时间和温度、还有温度的最大值与最小值。按钮模块能够设置温度的最大、最小值及对应的调整时间。参考文献[1]顾海林.基于单片机的温度控制系统设计探索[J].好家长,2017(56):256-256.[2]陈永禄,张莉.基于单片机的温度控制系统设计与实现[J].现代电子技术,2015(2):73-76.[3]王斌.基于单片机的室内温度控制系统设计[J].现代商贸工业,2016,037(016):182-183.[4]邢睦绅.基于单片机的温度控制系统设计分析[J].中国新通信,2015(13):109-109.[5]徐博.基于单片机的温度控制系统设计[J].数码世界,2016(12):160-161.[6]康妙,都广玉.基于单片机的温度控制系统设计及其应用[J].中国电子商务,2014(19):72-72.[7]熊浚儒,何文孝.基于单片机的温度控制系统的设计[J].科技资讯,2019(12):16-18.[8]房驰,单文增.基于单片机的温度控制系统的设计研究[J].读天下,2016(23).[9]陈剑.基于单片机的温度控制系统[J].黑龙江科技信息,2015(24):142-142.[10]张建兴,任沁,王州强.基于单片机技术的温度控制系统设计与实现[J].信息与电脑(理论版),2018,No.409(15):104-106.[11]雷路路.基于单片机的温度控制系统的设计探讨[J].神州旬刊,2018,000(010):215.[12]刘泽群,江世明.基于单片机的温度控制系统的分析与设计[J].湖南科技学院学报,2013(04):32-33+45.[13]熊攀.基于单片机的温度控制系统[J].通讯世界,2017,000(019):298.

附录（部分代码）typedefstructPID{floatSetPoint;//设定目标DesiredValuefloatProportion;//比例系数ProportionalConstfloatIntegral;//积分系数IntegralConstfloatDerivative;//微分系数DerivativeConstintLastError;//上次偏差intSumError;//历史误差累计值}PID;PIDstPID;//定义一个stPID变量下面是PID运算的算法程序，通过PID运算返回fOut，fOut的值决定是否加热，加热时间是多少。PID运算的C实现代码：floatPIDCalc(PID*pp,intNextPoint){intdError,Error;Error=pp->SetPoint*10-NextPoint;//偏差，设定值减去当前采样值pp->SumError+=Error;//