基于单片机的石油化工温度监督控制系统设计与实现9700字论文

基于单片机的石油化工温度监督控制系统设计与实现伴随着时代的进步、产业生产的需求，自动化技术管理方法将产生更为关键的促进效用。在实际的生活里，温度是十分普遍的，针对温度的监督控制也在各个领域都具备着十分积极主动的实际意义。特别是在我国石油化工设备、建筑装饰材料、食品类、机械设备、原油等各行各业也是充分发挥着无法估量的关键作用，温度控制的效果好坏和使用效果将直接地会影响涉及到整个企业产品的使用质量，因此我们做出实际效果比较理想的温控系统也应该是极具实用性的，同时这种系统温度控制的操作快捷化、准确性也对不断提高企业产品品质也是十分重要的。本篇论文描述了测温显示及自动控制系统。整个系统都是基于一台单片机，然后再烧录程序使其完成预设的功能，再加入PID算法以保证其能够真正做到温度控制工作的准确性、高效率。整个过程中所设计的硬件主要包括STC89C52单片机、温度传感器、按键和显示电路、继电器等组成的。它既能够进行实的时显示和根据实际需要进行温度设置，又能够对温度做出自动化的控制。实验表明，在这个设计中，温度控制具有简单实用的特1.绪论 3 3 32.系统整体设计 3 3 33硬件部分 4 43.1.1STC89C52简介 43.1.2STC89C52单片机的工作模式 43.1.3引脚说明 5 63.2.1温度传感器的选择 63.2.2主要性能特点 7 7 93.3显示模块 3.3.1LCD液晶屏的基本参数和引脚功能 3.3.2显示电路图 2.1版图的设计 8设计总结 21参考文献 22 26温度控制是我国现代化工业生产的一个关键构成要素，我们在开展工业生产的过程中，温度控制始终是一个十分重要的环节。然而在现代工业生产过程中的控制难以准确把握，并且对于那些企业力求严谨的制造工艺，温度过高或者是太低都可能对其生产效率和质量造成难以想象的影响，从而导致生产效率降低。这就需要我们开发一种可以很好地控制温度的测量器件，它可以随时向客户提供温度。单片机同时具有与计算机一样的实现分析和处理大量数据的功能，再通过与PID相结合，可以大大提高程序控制的能力，从而提高生产的效率。温度的检测、控制与存储系统是基于单片机的温度计测量系统的重要组成部分，这也是我们在工业生产中最为必需的物理测量的量。测量温度最有效的手段之一就是通过单片机，因此单片机的温度测量系统已经能够得到广泛地应用于工业生产、电气工程、化学、机械、冶金等各个关键领域，在生活中也都可以得到有效地实现。就拿热带鱼缸来说，市场上各式各样的温水鱼缸中普遍存在系统设计不合理，结构简单，成本低廉等问题。大多数鱼缸在温度控制这一块都存在着多种多样的问题，例如温度控制不准确，并且在达到设定温度之前停止加热等。即便升温到指定的数值，也会出现能源浪费的缺陷，这是由于我们不能有效把握加热需要花费多少时间。此次的温控系统就是基于单片机与PID相结合，可达到相对准确的温控目标。具体能够实现的功有是温度设置，显示和控制。这种控制和显示相结合的装置具有成本低廉，显示的精度比较高，操作方式简单，性能稳定等好处，与以往相比，可提升能量使用率，在经济上也有很大的好处。在刚刚过去的一个世纪里，温度传感器的运用大概走过了有下列几个阶段：(1)传统矩阵式(2)模拟集成(3)智能。当前，世界范围内的温度传感器已从模拟到数字，从集成化发展到现代化的智能与互联在科学技术快速进步的同时，数字控制系统也扩展到日常生活中的许多领域。温度计是一种可靠的温度计测量设备，不仅在我国日常生活中得到了广泛的应用，而且适合于工农业技术(如谷物储存)也起到积极作用。但是大多数使用的温度计都是管状温度计，不仅不易阅读，而且容易损坏。因而，第4页共35页基于DS18B20数字温度传感器构建了一个数字温度计，它被广泛应用于温度控制和控制系统中2,因温度、变换器的时间、传送器的距离、分辨率等各个环节上均已经有了明显在温度控制电子设备发展越来越迅速的今天，温控电路的形式已经更加趋于多以用人工智能来涵盖，因为不管是模糊控制、神经网络还是遗传整需要加入PID,这样，它就可以适用于温度调节系统的非线性特性，过大的干扰，时间延长，时间变化和分布变化等一系列情况，温度控制系统的主要特点之一就是对2.系统整体设计选取STC89C52作为作为本次测试温度控制系统的主要温度控制电路和计算核心，结合温度传感(1)可以对水温进行连续的检测，另外把数据显示在LCD显示屏幕上。(2)能够在25至70摄氏度之间手动设置温度。(3)可以水的温度保持在目标温度值而不会随之冷却。(4)核心使用STC89C52,以按键形式设置水温，LCD显示屏来显示温度。独立单片机的核心、温度数据的收集、显示电路、继电器等几个部分共同统的总框图2.1所示。选择STC89C52单片机充当主要核心，再使用温度传感器来实现实时的随机温前温度。再将温度信号经过按键控制模块传送给单片机令，在这个时候1602显示屏接收由按键传送给单片机的信号指令并显示指定温度。经过传感器DS18B20的转换，然后把它们数据，以此来控制继电器的工作，以启动加热器，本设计使用继电器来控制‘热得快’加热，来完成对水温的保持。DS18820模块LCD1602DS18820模块3硬件部分3.1单片机控制模块本控制系统的主控芯片选择了STC89C52单片机，再加上12MHZ的晶体振荡器[4,促使单片机可以具备适合的工作中速率，校准控制回路是根据功能键的上拉电阻校准。STC89C52单片机最小控制器系统的集成电路设计框图如图3.1所示：P0.7(AD7)P2.1(A9)P2.0(A8)123456789XT22~图3.1单片机最小系统框STC89C52单片的主机它所采用的技术是由公司中国宏晶科技公司自主推出的新型第二代高速/低负载功耗/性能超强抗干扰监控单片机，指令和可编程主机代码与我们传统8051单片的主机代码完全相同，12时钟/每个工作处理周期和6时钟/每个工作处理周期都可以随心所欲的选择。3.1.2STC89C52单片机的工作模式(1)掉电时唤醒模式：典型的功耗<0.1μa,可由外部故障中断进行唤醒，故障中断退出后继续进行原来的程序5。(2)工作空闲功耗模式：一般为正常典型的工作功耗2ma;正常工作运行的时间工作功耗模式：一般典型的工作功耗为4ma-7ma。(3)不断电间歇的自动掉电激活模式使它能够被外部充电控制器自动中断电并进行充电激活，可以用在水表等自动蓄电池的自动供电控制系统和便携式充电装置上。STC89C52单片机的引脚图如图3.2:(1)主电源引脚：VCC(40引脚):电源电压。VSS(20引脚):接地。(2)外接晶振引脚XTAL1(19引脚):作为板上振荡电路的输入。XTAL2(18引脚):作为板上振荡电路的输出。(3)控制引脚RST(9引脚):具有复位功能，引脚上的两个周期的高电平可以使微控制器重置6。ALE(30引脚):地址锁存使能信号。PSEN(29引脚):根据外界储存器来载入选通讯号7。EA(31引脚):程序存储器有低电平就可以从外部接收指令，假如有了高电平，指令就可以内部程序存储器中接收8]。(4)可编程引脚(输入/输出)STC89C52单片机一共有着4组8位的能够用于程序流程撰写的I/O端口号，分别是PO、P1、P2以及P3端口，每个端口具有8位(8个引脚),一共32个端口。PO端□(39引脚-32引脚):具有8位双向I/O口线(PO.0-P0.7)P2端口(21引脚-28引脚):具有8位准双向I/O□线(P2.0-P2.7)P3端口(10引脚-17引脚):具有8位准双向I/O□线(P3.0-P3.7)P3端口不仅拥有普通I/O□的功能，而且还具有其他的一些复用功能191,如图3.3:引脚号复用功能RXD(串行输入口)TXD(串行输出口)INTO(外部中断0)INT1(外部中断1)TO(定时器0的外部输入)T1(定时器1的外部输入)WR(外部数据存储器写选通)RD(外部数据存储器读选通)3.2温度采集模块DS18B20温度传感器是DALLASsemiconductor公司在美国新推出的全新一代具备智能化的温度由一个DS18B20数字温度传感器和其与一个单片机的数据接口所组合构成I。数字温度DS18B20通过一个数据引脚将主机收集后得到的数字温度数据发送给一个单片化主机中的P3.2端口，NCNCNCNCDS183202④DQ为数字信号输入/输出端GND为电源地VDD为外接供电电源输入端3.2.2主要性能特点(1)使用者可以自己选择报警温度和上下限控制。(2)不用外部元件，可以准确的测量-55度到+125度之间区域内气体的温度。(3)10度到85度，准确度约为0.5C。该程序流程容许9-12位数据载入，并在750Ms范畴内将温度信号变换为12位数据信号。(4)在特殊的接口模式下，与微处理器的双向通信仅仅加入一根线就可以实现。(5)通过根据测量后的校验结果直接将其发送为一个数字化的温度控制校验信号，以"一线总线"的数字串行传输方式直接传送数据到CPU,同时也因为可以向CPU进行传送关于CRC的校验码，具有极强的温度抵御电磁干扰和温度纠错控制性能。(6)通用电源的三相负压工作特点：电源当与通用电源的两个极性相互电压接反时，芯片虽然本身不会因为电源发热而被电源烧毁，但是却不能进行正常的工作运行。3.2.3工作原理DS18B20拥有独特的通信协议，如果主机想要根据操纵DS18B20来进行温度换算的话，以下三个过程必不可少：(1)必须在每次读写之前将DS18B20复位。(2)复位成功后发送一条ROM指令。(3)最后，发送RAM命令，以便DS18B20可以按计划运行。想要成功重置，主CPU必须将数据线降低500分秒，随后放开。在接收到信号后，DS18B20将等候15-60分秒，随后发送60-240分秒的低输出功率单脉冲。主CPU接收到一个信号，表明重置的成功。它工作的具体流程包括初始化时序，写时序和读时序，具体的工作进行步骤顺序如图3.5,3.6,3.7所示：(1)初始化时序最小480US—(2)写时序(3)读时序在该系统中，只需要在总线上使用单个DS18B20设备。将DS18B20连接到P3.2端口。因为我们只使用一个传感器，所以我们不用读取DS18B20温度传感器的序列号，而是直接在程序中跳过ROM[12]。温度采集电路如图3.8所示：3.3显示模块LCD液晶显示器主要使用其化学和物理特性运作，屏幕显示器部分由特定的电压调整，并在正常情况下进行显示，因此我们就可以看到清晰显示的图形。厚度薄是这种显示器本身所具有的优势，很适合在各种场所和地方使用，并且可以实现完整的色彩显示。它已经被普遍地应用在许多场合，例如便1602LCD的种类大致分为两种：带背光的和不带背光的。大多数基本控制器为HD44780。具有背光效果的灯比不具有背光效果的灯更厚。无论是使用背光还是使用不带背光的，应用程序都没有区别。两者之间的大小区别如图3.9所示：图3.91602LCD1602LCD基本数值：显示大小：16×2个字符。芯片运行时电压：4.5-5.5V。运行时电流：2.0mA(5.0V)。部分最优运行电压：5.0V。引脚功能描述：1602LCD的标准有两种，分别是：14针(无背光)和16针(有背光)接口。每个引脚的说明如图3.10所示：第13页共35页编号符号引脚说明编号符号引脚说明1电源地9数据2电源正极数据3液晶显示偏压数据4数据5数据6E使能信号数据7数据背光源正极8数据背光源负极第3脚：VL是LCD在进行比较时用来调节的。与正向电源相连时，对比度较低，在与操作；当它为低电平和高电平时，对其实行2次载入操作和载入操作。比如当假如RS和新的R/W-据信息详细地址。当RS是旧的低电平或R/W是新的高电平时，它们也可用作繁忙的读写。第7-14脚：具有8位能够相互传输数据的线。第15脚：正背光。第16脚：负背光。如图3.11所示：E123459Ipo12vcc图3.11显示电路图3.4继电器模块外部的组件是由继电器控制，但是电流不够足以直接驱动继电器，因此我们可以使用晶体管来对电流进行增加以确保继电器正常运行。电磁式电机继电器通常主要包括电机铁芯，线圈，电机驱动中枢，接触马达簧片和其他零件组成。只要我们在电子线圈的两端之间加入合适的谐波电压，一定的谐波电流就很有可能会直接使其流过整个电子线圈，从而对其两端产生一个相应的谐波电磁振动响应。在电磁力的相互影响和制动作用下，电机的中枢将制动能够有效克服电机复位制动弹簧的外部反向拉力并将其迅速吸引至电机铁心，从而能够驱动整台电机运转枢。动触头与静触头(常开触头)被拉在一起。当驱动线圈工作停止或自动断电时，电磁弹簧的吸引力将自动逐渐消失，并且在电磁弹簧的力和力的相互作用下，电机驱动中心将自动返回到原始移动位置。从而可以产生自动释放停止移动的静触头和恢复原有静触头(一般也称为常规关闭移动触头)。这拉入并释放，来实现电路的连接和断开。继电器触点可以进行如下区分：当继电器线圈内没有电流通过的时候，保持断开的触点称为“常开触点”[14];保持打开的触点称为“正常闭合触点”。继电器通常有两个电路，一个在低压的时进行控制的电路和一个在高压的时候进行工作的电路。选择继电器时，固态继电器是我们的第一选择，继电器连接单片机P1.0□,在它工作时需要接入220V的外部电源。通过人工手动进行温度数值设置之后，当温度大于警戒值以后，继电器的指示灯将会自动点亮，然后控制加热器运行。固态继电器具备许多的优势，例如，有比较高的可靠性，使用周期长，敏锐度高，切换速率快以及电磁影响小。图3.12继电器电路图在检测过程中，由于受到外界不断地产生的各种干扰，在此情况下想要更好地达到维护和调节恒定频率的电磁波检测对象的目标，必须对其进行连续控制。如果干扰导致控制对象的偏差发生变化，这个时候现场检测组件将收集此偏差的变化情况，并将其通过信号发送器接口发送到PID控制器的输入端□,进行偏差值的运算，在运算的时候应该与预设值进行比较，然后由一个调节器根据该偏差值来计算，该偏差根据一个提前规定的数据规律发送一个信号去实现控制，以控制调节器的启动和开度，使实际控制物体的值产生了变动15,并逐渐靠近一个给定值来实现控制。温控PID算法就是把温度传感器的输入变成实际输入，从一个设定值中删除或者减去它以获取偏差。之后输出一个由PID算法产生的FOUT。FOUT的一个数值来确定是否要加热，在这个时候加热的持续时间是多少，然后就可以控制一个加热器。比例比例积分++比例控制虽然在设计的过程中最常见和使用的方法，但是许多被控制的对象均有一个滞后的现象，实际的温度将会在70度附近的某个区间范围内发生波动。因而我们引入积分控制到整个比列控制的基础部分之中。积分控制的应用可以有助于帮助我们减少静态误差，达到精细化和控制高温的目标。但是同时，它也可能会给系统带来一些不良的负面影响，这将导致降低整个控制系统的反应速率。因而我们新增了一个微分项，是用于处理系统响应速率的问题。完整公式如下：在PID调试的过程中，我们首先需要考虑几个简单的步骤：首先是关闭I和D,即将它们设置为0。然后通过减小P以寻找到一个振荡的临界点，然后再增加I以便使之能够达到目标。注意检验过冲、振荡和稳定的时间是否能够达到我们的需求；对于他们的特殊情况，我们甚至可以适当地给他们添加一些进行微分的项目；为了可以保证所有的调试结果在完整的区域内是有效地，我们必须在最高负载的条件下多次进行调试。依据偏差的比例、积分以及微分来实现控制效果，是在目前整个过程控制领域里使用的最多的方式方法。5软件设计总程序流程图如下：是否刚开始，在我们测量即时温度的情况下，选择的是DS18B20温度感应器，随后用LCD来显示数据，使用按键手动式来设定总体目标温度数值，该数值也会显示在LCD上。另外，分辨设定温度与具体精确测量温度中间的差别。例如，当设定温度超过其实际温度时，继电器由PWM占空比控制，然后由继电器控制加热机将水温持续增长，最后升温到设定的温度。假如设定温度低于实际数值，那么继电器将发出信号停止‘热得快’在水中的工作。当‘热得快’停止工作时间过长水的温度开始下降的时候，传感器将在此过程中将会保持自动采集其温度并向系统发送信号，从而再次让‘热得快’开始运行以确保其始终处于设置的数值。保持这样的循环。系统管理软件主要是使用C语言和KEIL软件开展编写。主处理程序首先将模块进行初始化，然后再次调用模块，例如读出温度，处理过程中的温度，显示温度和键盘。循环温度检测控制方法目前可以被广泛用来用于显示和检测控制气体温度。主程序的主要核心功能之一是那就是实时自动温度显示设定温度，读取和分析处理通过DS18B20测量的当前设定温度值的数据平均值，并由温度系统自动匹配调用多个温度子程序。6PCB的制作AltiumDesigner是板级设计系统软件，它将所有特定于设计的工具集成到了一个工具中。电子设备设计人员可以完成他们的设计方法，从新项目控制模块的初始总体规划到最终的生产和制造数据信息。AltiumDesigner在经过改进的服务平台上运转，同时拥有目前绝大部分出色的设计功能，可以解决各种各样的PCB设计流程。所以我选择使用AltiumDesigner来进行版图的设计。首先，应该启动软件以创建PCB工程项目，随后创建新的原理图到工程项目中去，来产生一个原理图设计的环境。接下来就是在原理图中加入所需要的元器件，有些元器件可以从网上下载的库里直接选取，有些需要我们手动去制作一个器件库。在完成电路图的绘制后还需要对原理图进行查错，看看原理图是否正确，在确保原理图无误后，再创建新的PCB,并为PCB生产创建一个可以用于制作的环境；然后返回电路原理图设计对话框，去生成PCB的图纸。再对PCB图纸中的元器件进行合理的排布，对参数进行合理的设置，再机械层对板的形状进行设计，既能够进行全自动化的布线，也能够进行人工手动的方式。在布线结束以后，可以描出板子的轮廓，最后选择"智能PDF"选项，去生成一个PDF文件。如图6.1所示：006首先进行初始稿的制作，把我们用Altiumdesigner设计好的版图用透明、半透明或者复印纸使用激光打印出来。第二步进行曝光，把PCB板剪裁出我们需要的形状大小，撕下起保护作用的薄膜，再把印刷出来的图纸的印刷面粘贴到感光的那一面，然后放入曝光箱中进行曝光，这个环节需要把握好时间的长短。再进行显影，用显影剂和水调配成溶液，再将PCB板膜面向上放入溶液中。还需要我们进行化学蚀刻，使用一份三氯化铁加上三分热水进行混合，再把板子放入我们调配的溶液当中。在进行蚀刻之后，进行第二次曝光。这种曝光是要曝光已经蚀刻过的PCB板上的线，还需要进行二次显影，在PCB板上显影线路，并拆除能够感光的薄膜，让铜线能够为肉眼所见。最后，选择手动打孔机对板子进行操作，钻出我们所需要的孔。进行到这一步，PCB的制作已基本完成。第21页共35页7调试整个设计在所有元器件焊接完成以后，我使用万用表对各个线路进行了检测，所有的电路都可以正常导，在通接电源能够正常运行。在不给加热器接入220V电源以前，整个设计能够正常检测并且显示周围环境的温度，与家里的室内温度计的所显示的数值误差不超过0.2。在给加热器接入220V电源以后，整个设计的温度控制功能便开始执行，自行设置温度以后，系统根据设置温度开始控制加热器开始工作，由于我接入的加热器功率很大，能够快速使水温升高，这样就会造成一些误差，所以我对设定温度的数值进行了测试，测试结果如表7.1所示：设定的温度实际的温度在设定温度为50摄氏度时，经过了30分钟测试，在30分钟内整个系统都能够使水温保持在50.1度。所以说本设计在完成对于周围环境的检测与显示的同时也能够完成对于温度的控制，实物如图7.1、7.2所示：第22页共35页图7.2实物图毕业设计就要完成了，这同时也代表着我的大学生活即将画上句号。回想过去，我的内心充满了感触。当我完成这个毕业设计论文时，我感到自己卸下了了很大的负担，并且感受非常深刻。再整个毕业设计的过程中，我学到了许多在书本上难以学会的知识。在一定程度上，我们增强了个人能力，提高了思维的广度，并丰富了我们的专业知识。尽管完成设计的过程非常艰巨，但我们也深刻地理解到这项工作的并不容易，并且在不断努力下最终完成设计的满足感是无法言喻的。经过这样的旅程，我在接下来的生活中面对各种各样的工作也可以做得更好。我设计的基于单片机的PID温度控制系统是基于节能环保的要求，顺应国内外水温工业生产的发展趋势，并且采用了一种新的自动化温度设计模，,实现了针对水温的实时自动化温度检测和自动控制。该系统核心控制部件主要采用STC89C52单片机，并借助它完成水温信号的接收处理和显示。并通过PID算法达到精确控制的目的。该系统具有以下几个特点：(1)适用范围广。针对不同类型和场合用户的水温监测需求，只仅仅在自己的设定界面中