基于单片机的温度测量系统

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ANYANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY科毕业论文

基于单片机的温度测量系统

系（院）名称：电子信息与电气工程学院专业班级：09电气自动化技术1班学生姓名：学号：指导教师姓名指导教师职称：

2023年5月

目录

摘要关键词1第一章绪论1

1.1单片机温度测量系统的选题背景11.2单片机温度测量系统选题的现实意义21.3国内外研究现状及其发展21.3.1国外温室环境控制21.3.2国内温室控制技术31.3.3温室环境控制技术的三个发展阶段31.3.4温室控制存在的问题41.4单片机温度测量系统主要研究的内容4

其次章单片机温度测量系统总体设计6

2.1单片机温度测量系统的功能设计62.2单片机温度测量系统的设计的原则62.3单片机温度测量系统的组成与工作原理7

第三章系统硬件电路的设计8

3.1系统硬件电路构成及测量原理83.1.1系统硬件电路构成83.1.2系统工作原理93.1.3系统主要技术指标103.2温度传感器的选择103.2.1DS18B20的介绍113.2.2DS18B20的性能特点123.2.3DS18B20的控制方法133.2.4DS18B20的测温原理133.3单片机的选择143.3.1单片机的概述14-2-

3.3.2AT89C2051芯片的主要性能153.4输入通道的设计153.4.1Pt100温度传感器153.4.2A/D转换163.5输出通道设计183.5.1温控箱的功率调理方式183.5.2可控硅输出电路19

第四章系统调试20

4.1TKS仿真器与集成开发环境KEIL204.1.1TKS仿真器204.1.2集成开发环境KEIL204.2系统硬件调试224.3系统软件调试22

结论24致谢25

6.Vision2硬件调试器

Vision2调试器向您提供了几种在实际目标硬件上测试程序的方法。安装MON51目标监控器到目标系统并通过Monitor—51接口下载程序，使用高级GDI接口将Vision2调试器同TKS系列仿真器的硬件系统相连接，通过Vision2的人机交互环境指挥连接的硬件完成仿真操作。

4.2系统硬件调试

系统软硬件调试的目的是通过控制程序和硬件电路的协同工作，进行一些操作，以验证系统的软、硬件是否能够完成设计的功能。调试的过程是依照系统的设计功能来划分的。

硬件电路系统测试首先是保证各个元件之间以及各个模块之间的连接正确并且接触良好，这是整个硬件电路系统正常工作的前提。接着分别测试各个硬件模块的性能。依照测试性质的不同可分为电压测试和信号测试两种。

电源模块主要是电压测试。测试结果为：小型变压器输出为18v和8v的交流电，经过二极管整流桥整流，再通过稳压芯片7805和7815、7915输出的电压分别是+5v和+15v、-15v，电压测试的结果与预期目的一致，从而确保了提供给其它模块电压的稳定性。

单片机输入输出接口主要是信号测试。根据理论计算和软件仿真的预期结果，再通过对响应的信号进行测试。测试结果与预期结果基本一致，保证了系统依照设计的思路正常运行。

通过测试硬件电路系统中的几个测试点，确保关键的电压信号满足要求，确保系统正常运行。

4.3系统软件调试

系统的软件调试借助于TKS仿真器，在进行系统软件的连续调试之前要先进行软件的初调，就是要使各个子程序模块运行正确，程序的运行流程正确。软件调试主要分以下几个步骤进行：

1.功能子程序的调试

功能子程序的调试包括运算、采样、数字滤波以及PID运算等子程序的调试。在调试功能子程序时，大量参数都是未知的，要根据其所需的条件，给出假定的数据，使其运行，假使能完成预定的处理功能或与手工计算的结果相符，就说明22

该子程序己调试通过。调试时由小到大，由里到外。例如，调试PID算法子程序时，先调通其包含的各个运算子程序和参数处理子程序，然后将它们连起来进行通调。通调时，也是假定一些数据、参数和初始条件，然后运行程序。当运算结果与手工计算的结果一致时，该算法子程序则调试完成，反之，就要进行相应的修改。其它子程序的调试同理。

1.程序流程的调试

程序流程的调试主要是查看程序运行的步骤是否正确，在某时刻程序运行所处的位置是否正确，是否能正确运行各个中断服务程序。在调试过程中，先将PID算法子程序屏蔽，输出可控硅导通时间用一个固定的常数代替，在各个中断服务子程序设置断点，然后运行程序，查看程序是否能运行到所有的断点，若所有断点都能运行到，则程序流程基本正确。去掉所有断点，再一次运行程序，查看可控硅状态，从而判断程序流程正确，反之，若程序流程不正确，做相应的修改后，重新调试。

3.功能程序与算法程序的通调

在完成整个程序流程的调试后，将PID等算法子程序参与，在算法子程序前或后设置断点，运行整个程序。当程序在断点处暂停时，查看PID计算的控制量与手工计算的值是否一致。多运行几次，若每次的结果都正确，则说明程序各个部分相互没有矛盾，反之，则说明算法子程序和其它子程序之间有影响，需要做相应的修改后重新调试。23

结论

温度控制在工业生产中起着十分重要的作用。本文完成了基于单片机的温度控制系统的开发。包括系统的硬件开发、软件编程与仿真调试等。在论文完成过程中，主要做的工作有：

1.以ATMEL公司的AT89C51单片机为核心进行系统硬件设计，输入通道采用Pt100铂电阻温度传感器，AD7705作为A/D转换器；输出通道采用可控硅作为输出单元，大大地简化了系统硬件电路。通过对占空比的调理可实现温控箱温度的自动控制。由于输入端与输出端有光电隔离，能够有效地抑制干扰。2.在温度控制系统中采用常规的PID控制方法，这需要知道被控对象的数学模型，以及对PID控制器的参数进行整定。因此，在分析了温控箱的特性的基础上，利用MATLAB系统辨识工具箱这个有力的工具对温控箱的模型参数进行辨识，然后对PID控制器的参数进行整定，并且做了仿真试验。

3.采用C语言对系统的软件编程，在开发过程中使用了TKS仿真器，这些都大大缩短了软件的开发周期。为了便于编写、调试、修改和增删，系统软件的编制采用了模块化的设计方法。24

致谢

本论文是在电子信息与电气工程学院赵艳春、李正斌导师精心指导下完成的。从论文选题到课题难点的解决，都给予了本人悉心地指导。赵老师严谨的治学态度、很深的专业造诣和顽强的敬业精神都使我收益非浅，终身难忘。在此，我首先向赵老师致以深深的敬意和衷心的感谢!

在课题完成过程中，还得到了赵、李老师的指导和帮助，李老师给我提供了好多思路与经验，对我深入理解课题的有关知识与方法起到了重要作用。在此，我对李老师也表示诚挚的谢意。

同时，也十分感谢学习期间的授课老师和同学在学习中给我的指导和帮助，感谢!

最终，向在论文研究过程中给予我帮助的所有朋友表示衷心感谢!25

可编程放大器(PGA)组成的前端模拟调理电路、∑-△调制器、可编程数字滤波器等部件组成。能直接将传感器测量到的多路微小信号进行A/D转换。AD7705采用三线串行接口，具有两个全差分输入通道，能达到0.003%非线性的16位无误码输出，其增益和输出更新率均可编程设定，还可以选择输入模拟缓冲器，以及自校准和系统校准方式。工作电压3V或5V，在3V工作电压时，器件的最大功耗仅为1mW。AD7705引脚如图3.3所示。

图3.3AD7705引脚图

AD7705引脚功能描述如下：

1.SCLK串行时钟，将一个外部的串行时钟加于这一输入端口，以访问AD7705的串行数据。该串行时钟可以是连续时钟以连续的脉冲串传送所有数据，反之，它也可以是非连续时钟，将信息发送给AD7705；

2.MCLKIN为转换器提供主时钟信号，能以晶体/谐振器或外部时钟的形式提供。晶体/谐振器可以接在MCLKIN和MCLKOUT两引脚之间，时钟频率的范围为500kHz—5MHZ；

3.MCLKOUT，当主时钟为晶体/谐振器时，晶体/谐振器被接在MCLKIN和MCLKOUT之间，假使在MCLKIN引脚处接上一个外部时钟，MCLKOUT将提供一个反向时钟；

4.CS片选信号，低电平有效；5.RESET复位输入，低电平有效；

6.AIN2(+)差分模拟输入通道2的正输入端；7.AIN1(+)差分模拟输入通道1的正输入端；8.AIN1(-)差分模拟输入通道1的负输入端；17

9.AIN2(-)差分模拟输入通道2的负输入端；

10.REFIN(+)差分基准输入的正输入端，基准输入是差分的，并规定REFIN(+)必需大于REFIN(-)，REFIN(+)可以取VDD和GND之间的任何值；

11.DRDY规律输出，这个输出端上的规律低电平表示可以从AD7705的数据寄放器获取新的输出字。完成对一个完全的输出字的读操作后，该引脚马上回到高电平。当该引脚处于高电平日，不能进行读操作，当数据更新后，该引脚又返回低电平；

12.DOUT串行数据输出端，从片内的输出移位寄放器读出的串行数据由此端输出。根据通信寄放器中的寄放器选择位，移位寄放器可以容纳来自通信寄放器、时钟寄放器或数据寄放器的信息；

13.DIN串行数据输入端，向片内的输入移位寄放器写入的串行数据由此输入。

3.5输出通道设计

3.5.1温控箱的功率调理方式

目前多数温控系统均采用可控硅来实现功率调理。可控硅的控制模式有两种：相位控制和零位控制(分派式零位控制、时间比例零位控制)。

1.相位控制：作用于每一个交流正弦波，改变正弦波每个正半波和负半波的导通角来控制电压的大小，进而可以调理输出电压和功率的大小。采用相位控制模式的可控硅控制器可以叫做调压器，它可以便利的调理电压有效值，可用于电炉温度控制、灯光调理、异步电机降压软启动和调压调速等。

2.零位控制：在设定的周期TC内，触发信号使主回路接通几个周波(几个完整的正弦波)，再断开几个周波，改变可控硅在设定周期内的通断时间比例，以调理负载上的交流电的平均功率，即可达到调理负载功率的目的。根据输出电压分布的不同，零位控制又分为分派式零位控制(在TC周期内根据输出百分比平均分布周波)和时间比例零位控制(在双周期内根据输出百分比连续接通几个周波，然后在TC周期剩余的时间内连续关断几个周波)。它多用于大惯性的加热器负载，采用这种控制，既实现了温度控制，又消除了相位控制时带来的高次谐波污染电网。

本系统采用分派式零位控制的模式，控制温控箱的加热电阻的平均加热功率，进而控制温控箱的温度。18

3.5.2可控硅输出电路

可控硅是一种功率半导体器件，简称SCR，也称晶闸管。它分为单向可控硅和双向可控硅，在微机控制系统中，可作为功率驱动器件。可控硅具有控制功率小、无触点、长寿命等优点，在交流电机调速、调功、随动等系统有着广泛的应用。双向可控硅相当于两个单向可控硅反向并联。双向可控硅与单向可控硅的区别是：

1.它在触发之后是双向导通。

2.在控制极上不管是加正的还是负的触发信号，一般都可以使双向可控硅导通。因此双向可控硅特别适合用作交流无触点开关。

本系统中与可控硅配套使用的是MOC3041光电藕合双向可控硅驱动器，与一般的光藕器件不同之处是MOC3041输出部分是硅光敏双向可控硅，还带有过零触发检测器，以保证电压接近零时触发可控硅。

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第四章系统调试

4.1TKS仿真器与集成开发环境KEIL

4.1.1TKS仿真器

仿真的概念其实使用十分广，最终的含义就是使用可控的手段来模仿真实的状况。单片机系统开发中的仿真包括软件仿真和硬件仿真。

1.软件仿真这种方法主要是使用计算机软件来模拟实际的单片机运行，因此仿真与硬件无关的系统具有一定的优点。用户不需要搭建硬件电路就可以对程序进行验证，特别适合于偏重算法的程序。软件仿真的缺点是无法完全仿真与硬件相关的部分，因此最终还要通过硬件仿真来完成最终的设计；

2.硬件仿真使用附加的硬件来替代用户系统的单片机并完成单片机全部或大部分的功能。使用了附加硬件后用户就可以对程序的运行进行控制，例如单步、全速、查看资源断点等。

在单片机应用系统的开发过程中，程序的设计是最为重要的但也是难度最大的工作，一种最简单和原始的开发流程是：编写程序，烧写芯片并验证功能，这种方法对于功能简单的小系统是可以对付的，但在比较大的系统中使用这种方法则是完全不可能的。此时就需要用到仿真器。在本系统软件设计调试的过程中使用的是TKS58型仿真器。

TKS系列仿真器是广州致远电子有限公司推出的高性能实时在线仿真器。可以实时在线仿真PHILIPS半导体公司的80C51系列单片机，同时还能够实时在线仿真ATMEL和Winbond等公司的兼容MCS—51内核的标准80C51单片机。完全解决80C51开发中仿真工具的瓶颈问题。

TKS系列仿真器在硬件上采用了PHILIPS授权的HOOKS/Bondout仿真技术，并加以改进，几乎支持所有的80C51系列单片机的实时仿真，能保证用户更加便利的操作和更加真实的仿真效果并能直接或通过简单的升级支持仿真PHILIPS不断推出的全系列80C51内核单片机，每种型号的仿真器均能支持多种不同型号80C51单片机的仿真。TKS系列仿真器还可以同KEIL调试软件无缝衔接并得到KEIL公司的强力技术援助具备强大的调试功能。4.1.2集成开发环境KEIL

KEILIDEVision2集成开发环境是德国KEILSoftwareInc/KEILElektronik20

Gmb开发的基于80C51内核的微处理器软件开发平台。它内嵌多种符合当前工业标准的开发工具，可以完成从工程建立和管理、编译连接目标代码的生成、软件仿真、硬件仿真等完整的开发流程。特别它的C编译工具在产生代码的确凿性和效率方面达到了很高的水平，而且可以附加灵活的控制选项，在开发大型项目时十分理想。KEILIDEVision2集成开发环境主要由以下部分组成：

1.uVisio