单片机温度控制系统.docx
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单片机温度控制系统
摘要
温度控制系统的设计是为了满足市场对成本低、性能稳定、可远程监测控制现场温度的需要而做的课题。
本设计介绍的是单片机温度控制系统的开发工作，首先，对工业加热设备电炉相关技术理论做简单综述，在硬件选择方面，选择性价比高的AT89S52单片机，LM358放大器、LED显示器、TLC1549转换器；在软件方面，采用了功能模块化，为以后升级或者扩展而做准备。
同时采用间歇式，非采样期间只有显示器，稳压器等处于活动状态；在保证性能要求的情况下缩短A/D转换时间等一系列的措施，有效提高了元气件寿命。
为了降低整个系统的成本，在满足性能要求的前提下，选择低成本元器件，简化系统设计；本文从硬件和软件两方面介绍了AT89S52单片机温度控制系统的设计思路，对硬件原理图和程序框图作了简捷的描述。
关键字：
AT89S52单片机；温度控制；程序框图；汇编语言设计
1引言
1.1毕业设计的目的与意义
近几年来，在我国以信息化带动的工业化正在蓬勃发展，温度已成为工业对象控制中一种重要的参数，特别是在冶金、化工、机械等各类工业中，广泛使用各种加热炉、热处理炉、反应炉等。
由于炉子的种类及原理不同，因此所采用的加热方法及燃料也不同，如煤气、天然气、油电等。
对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，选用的燃料，控制方案也有所不同。
例如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等；燃料有煤气、天然气、油、电等；控制方案有直接数字控制（DDC），推断控制，预测控制，模糊控制（Fuzzy），专家控制（ExpertControl），鲁棒控制（RobustControl），推理控制等。
随着工业技术的不断发展，传统的控制方式以不能满足高精度，高速度的控制要求，如温度控制表温度接触器，其主要缺点是温度波动范围大，由于他主要通过控制接触器的通断时间比例来达到改变加热功率的目的，受仪表本身误差和交流接触器的寿命限制，通断频率很低。
近几年来快速发展了多种先进的温度控制方式，如：
PID控制，模糊控制，神经网络及遗传算法控制等。
这些控制技术大大的提高了控制精度，不但使控制变得简便，而且使产品的质量更好，降低了产品的成本，提高了生产效率。
1.2温度控制系统电炉相关技术
1.2.1电炉温度控制的特性
温控系统主要由温度传感器、温度调节仪、执行装置、被控对象四个部分组成。
被控制对象是大容量、大惯性的电热炉温度对象，是典型的多阶容积迟后特性，在工程上往往近似为包含有纯滞后的二阶容积迟后；由于被控对象电容量大，通常采用可控硅作调节器的执行器。
执行器的特性：
电炉的温度调节是通过调节剂（供电能源）的断续作用，改变电炉丝闭合时间Tb与断开时间TK的比值a，a=Tb/Tk。
调节加热炉的温度，在工业上是通过在设定周期范围内，将电路接通几个周波，然后断开几个周波，改变晶闸管在设定周期内通断时间的比例，来调节负载两端交流平均电压即负载功率，这就是通常所说的调功器或周波控制器；调功器是在电源电压过零时触发晶闸管导通的，所以负载上得到的是完整的正弦波，调节的只是设定周期TC内导通的电压周波。
1.2.2电炉的电加热原理
当电流在导体中流过时，因为任何导体均存在电阻，电能即在导体中形成损耗，转换为热能，按焦耳楞次定律：
Q＝0．2412RTQ—热能，卡；I-电流，安9R-电阻，欧姆，t一时间，秒。
按上式推算，当1千瓦小时的电能，全部转换为热能时Q＝（0．24×1000×36000）／1000=864千卡。
在电热技术上按l千瓦小时＝860千卡计算。
电炉在结构上是使电能转换为热能的设备，它能有效地用来加热指定的工件，并保持高的效率。
1.2.3电炉加热方式的分类
电阻炉按热量产生的方法不同，可分为间接加热式和直接加热式二大类。
间接加热式电阻炉、就是在炉子内部有专用的电阻材料做的发热元件。
电流通过加热元件时产生热量，再通过热的传导、对流、辐射而使放置在炉中的炉料被加热。
直接加热式电阻炉，电源直接接在所需加热的材料上，使强大的电流直接流过所需加热的材料而使材料自己发热达到加热效果。
工业电阻炉，大部分是采用间接加热式的，只有一部分因加热工艺人的特殊需要而采用直接加热式。
1.3嵌入式系统的现状及技术简介
嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁减，对功能、可靠、成本、功耗要求非常严格的专用计算机系统。
嵌入式系统广泛于国民经济和国防各个领域，制造工业、过程控制、通讯、仪器、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费类产品等方面均是嵌入式计算机的应用领域。
嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的新的知识集成系统。
嵌入式系统产业是二十一世纪信息产业新的经济增长点。
式系统是将计算机硬件和软件结合起来，构成一个专门的计算装置，完成特定的功能或任务。
它是一个大系统或大的带脑子设备的部分，工作在一个与外部进行交换并受到时间约束的环境中，在没有人工干预的情况下进行实时控制。
其中，软件实现有关功能并使其系统具有适应性和灵活性；硬件用于满足性能和安全的需要。
到嵌入式系统软硬件结合的时间限制、性能约束和对外交互的特点，实时应用通常是一个特殊的过程。
他常常被软件体系结构、硬件体系结构，操作系统特性，应用需求，编程语言的开发和调试环境的变化所驱动。
因此，嵌入式系统与通常的计算机应用有很大的区别。
它不但要考虑软件的设计，还要考虑硬件的设计；不但要满足功能需要，还要满足性能需要，甚至要把性能需求放在第一位。
设计包括硬件设计和软件设计。
硬件设计主要是根据性能参数要求为各种功能模块所需要的元器件进行选择和组合，其选择的基本原则就是市场可以购买到的性价比最高的通用元器件。
必要时，必须分别对各个没有把握的部分进行搭试、功能验证和性能测试，从模块到系统找到最优化的方案，画出电路原理图。
硬件设计的关键一步就是，利用引制板计算机辅助设计软件对系统的元器件进行布局和布线，接着试印、制板加工、装配和硬件调试。
量最大的部分是软件设计。
软件设计贯穿整个系统的设计过程，主要包括任务分析、资源分配、模块划分、流程设计和细化、编码调试等。
软件设计的工作量主要集中在程序调试，所以软件调试工具就是关键。
最常用和最有效的工具就是在线仿真器。
1.4本人的主要工作
本人针对单片机温度控制系统若干关键技术展开研究工作，主要集中在以下几个方面：
1．分析项目要求，介绍以低成本为核心指导思想的温度控制系统的总体方案设计，系统的组成和工作原理，阐述多点校准技术和线型插值技术在系统设计中的应用，以及这些技术的应用对降低成本的作用。
2．系统的硬件设计，介绍主要硬件的选型及其主要特点，温度传感器PT100采样取值及信号放大处理，信号调理与A/D转换电路的设计，低压线性稳压器的电路设计，单片机接口电路的设计以及电路的总体设计等。
3．模块功能设计及实现，详细介绍在温度控制系统中应用到的各个模块的功能和应用方法，涉及到各个模块的功能和工作原理，各个控制寄存器的设定，模块之间的关系和协作方式等。
包括基本始终模块的应用，ADC0809的应用，数码显示管的应用以及按键等的实现。
4．系统的总体设计和主要程序模块，程序设计采用汇编语言，并将低成本高精度思想融入其中，介绍的程序模块包括：
系统初始化程序，程序的主循环框架，校准程序，LED数码显示程序，并给出了程序的设计流程图和部分程序源代码。
5．总结温度控制系统的设计，介绍了使用现状以及未来的改进和发展方向。
2智能控制理论
2.1自动控制系统概述
自动控制系统是一个集合体，他通常由被控对象、测量装置、控制器和执行机构等部件组成。
这种系统在完成预定的任务时，可以不需要人的直接参与，有测量装置代替人的感知机能来观测被控制量或状态的实时变化，右控制器给定量与被测量进行比较、综合和信息（模拟的或数字的）处理，并给出控制量，最后有执行机构来对被控对象施加某种设置或调整。
这个过程在人工操作系统中，都是由操作人员通过“感觉器官”的观测（获取信息）——人脑的思维、判断（存储和处理信息）——手动的调整（信息的实施）来完成的。
经典控制理论和现代控制理论几十年的发展和应用，在空间技术、军事科学和工业控制等各个领域都活动了较为显著的成效。
2.2PID控制的原理及特点
在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。
PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。
当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。
即当我们不完全了解一个系统和被控对象﹐或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。
PID控制，实际中也有PI和PD控制。
PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
1.比例（P）控制比例控制是一种最简单的控制方式。
其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。
当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-stateerror）。
2．积分（I）控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（SystemwithSteady-stateError）。
为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。
积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项就会增大。
这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。
因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
3．微分（D）控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。
自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。
其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。
解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。
这就是说，在控制器中仅引入“比例”项，往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。
所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
PID控制属于常规的控制技术，在当今社会，随着计算机技术的广泛发展，许多复杂的控制技术正在研究当中。
这些负责的控制技术有纯滞后控制技术：
施密斯（Smith）预估控制、达林（Dahlin）算法：
串级控制技术；前馈-后馈控制技术；解耦控制技术和模糊控制技术等。
实际运行的经验和理论分析都表明，运用这种控制规律对许多工业过程进行控制时，都能得到满意的效果。
不过，用计算机实现PID控制，不是简单的把模拟PID控制规律数字化，而是进一步与计算机的逻辑判断功能相结合，使PID控制更加灵活，更能满足生产过程读出的要求。
2.3PID控制器的参数整定
PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。
它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。
PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：
一是理论计算整定法。
它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。
这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。
二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。
PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。
三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。
但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。
现在一般采用的是临界比例法。
利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下：
（1）首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；
（2）仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；（3）在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。
2.4PWM控制技术
PWM（PulseWidthModulation）控制技术是指对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值）。
冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上是，其效果基本相同；冲量即窄脉冲的面积，所说的效果基本相同是指环节的输出波形基本相同。
低频段非常接近，仅在高频段略有差异。
PWM控制的基本原理很早就已经提出,但是受电力电子器件发展水平的制约,在上世纪80年代以前一直未能实现。
直到进入上世纪80年代,随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展,PWM控制技术才真正得到应用。
随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法,如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用,PWM控制技术获得了空前的发展。
到目前为止,已出现了多种PWM控制技术。
本文采用等面积法方案，该方案实际上就是SPWM法原理的直接阐释,用同样数量等幅不等宽的矩形脉冲序列代替一个正弦波,然后计算各脉冲的宽度和间隔,并把这些数据存于微机中,通过查表的方式生成PWM信号控制开关器件的通断,以达到预期的目的。
由于此方法是以SPWM控制的基本原理为出发点,可以准确地计算出各开关器件的通断时刻,其所得的波形很接近正弦波,但其存在计算繁琐,数据占用内存大,不能实时控制的缺点。
3温度控制系统总体设计
3.1项目总体设计
设计工业现场的温度控制系统，采用Pt100温度传感器，远距离传输方式，LED数码管显示，自动切换变频、工频状态，具有超限报警、切断变频器保护，可持续工作，高可靠性和较底的生产成本性能。
3.2低成本设计思路
系统的总体设计思路是围绕着如何实现底功耗、低成本、高精度展开的。
对于数字化的测量系统，虽然数据采集，A/D转换的过程消耗的电流较大，但这一过程很快，一般在毫秒级甚至微秒级就可以完成，这样可以适当的选择采样周期，在一个采样周期内，迅速的测量压力，然后进入电流消耗较低“休息”状态，那样就可以大幅度减少整个系统的电流功耗；这就像一个人每天工作不到半小时，而其他时间都在休息一样，当然能量功耗要小多了，寿命自然就会提高很多了。
3.3方案总体设计
一般来说，温度控制系统至少由如图3.1的几个模块组成。
总体设计应该是全面考虑系统的总体目标，进行硬件初步选型，然后确定一个系统的草案，同时考虑软硬件实现的可行性，总体方案经过反复推敲，确定了以ATMEL公司生产的AT89S52为温度控制系统核心，并选择低功耗和低成本的传感器、放大器、数码显示器等元件，总体方案如图3.2。
系统基本组成部分如图3.2，以单片机为核心，通过单片机来控制温度传感器和放大器的供电，传感器感受的温度信号转换为电信号后，经过放大器放大转换为适合于A/D转换的电压范围，然后通过A/D转换器进行A/D转换，温度信号转换为数字量。
然后单片机根据存储于外部存储器（24C02）或自身FLASH中的校准数据进行校准再通过计算得出温度，计算出的温度值再送显示器显示，在校准过程中建立起测量值与标准温度的对应关系，校准数据保存于存储器中。
其中人工输入是指操作人员可以通过键盘来输入校准值，输入的校准值被记忆在ROM中。
根据温度的范围，可以选择对外部操作，这一部分在D/A转换和功率放大器电路里实现对外部的电炉进行操作。
同时为了实现远程操作，还给单片机加上机遇RS232-485的串行通讯功能，使单片机里的数据能够远程传输到PC机里，实现远程监测。
同时。
计算机可以对单片机进行操作，实现远程控制温度的操作。
4系统硬件设计
4.1元件的选择
元件的选择同样是以模块化、低成本为原则。
4.1.1单片机的选择
单片机的选择在整个系统设计中至关重要，要满足大内存、高速率和通用性的要求，本课题选择了时下非常流行的ATM98S52（为了方便，以下简称S52），该产品属于ATMEL公司51系列高性能单片机，该型号单片机简介：
AT89S52单片机是一个低功耗,高性能CMOS8位单片机,片内8kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造,兼容标准MCS-51指令系统及AT89S52引脚结构,芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元,功能强大的微型计算机的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
AT89S52具有如下特点：
40个引脚,8kBytesFlash片内程序存储器,256bytes的随机存取数据存储器（RAM）,32个外部双向输入/输出（I/O）口,5个中断优先级2层中断嵌套中断,2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,看门狗（WDT）电路,片内时钟振荡器。
此外,AT89S52设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。
空闲模式下,CPU暂停工作,而RAM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RAM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PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式,以适应不同产品的需求。
4.1.2外部存储器的选择
在温度控制中，为了记录用户的设定值以及其他参数（如用户设定值、PID参数以及报警限设定等），通常需要用FLASH或EEPROM器件来保存，使其即使在掉电后仍能保持数据。
AT24C02是美国ATMEL公司的低功耗CMOS串行EEPROM，它是内含256×8位存储空间，具有工作电压宽（2.5～5.5V）、擦写次数多（大于10000次）、写入速度快8G'J;u7g#b&o4C（小于10ms）、抗干扰能力强、数据不易丢失、体积小等特点。
而且他是采用了I2C总线式进行数据读写的串行器件，占用很少的资源和I／O线，并且支持在线编程，进行数据实时的存取十分方便。
AT24C02的1、2、3脚是三条地址线，用于确定芯片的硬件地址。
第8脚和第4脚分别为正、负电源。
第5脚SDA为串行数据输入／输出，数据通过这根双向I2C总线串行传送。
第6脚SCL为串行时钟，SDA和SCL为漏极开路端，在实际的应用当中都需要和正电源间各接一个5.1kΩ的电阻上拉。
第7脚为WP写保护端，接地时允许芯片执行一般的读写操作；接通电源时只允许对器件进行读操作。
I2C总线简介：
I2C总线是一种用于IC器件之间连接的二线制总线。
他通过SDA（串行数据线）及SCL（串行时钟线）两根线在连到总线上的器件之间传送信息，并根据地址识别每个器件。
AT24C02正是运用了I2C规程，使用主／从机双向通信，主机（通常为单片机）和从机（AT24C02）均可工作于接收器和发送器状态。
主机产生串行时钟信号（通过SCL引脚）并发出控制字，控制总线的传送方向，并产生开始和停止的条件。
无论是主机还是从机，接收到一个字节后必须发出一个确认信号ACK。
4.1.3A/D转换器的选择
1．TLC1549是美国德州仪器公司生产的10位模数转换器，如图4.2所示。
TLC1549采用CMOS工艺，具有内在的采样和保持，采用差分基准电压高阻输入，抗干扰，可按比例量程校准转换范围，总不可调整误差达到±1LSBMAX（4.8mV）等特点。
电源电压范围：
-0.5～6.5V
输入电压范围：
-0.3～VCC+0.3V
输出电压范围：
-0.3～VCC+0.3V
正基准电压：
VCC+0.1V
负基准电压：
-0.1V
峰值输入电流（任何输入端）：
±20mA
峰值总输入电流（所有输入端）：
±30Ma
工作温度范围（自然通风）：
TLC1549C0～70℃
TLC1549I-40～80℃
TLC1549M-65～125℃
2．工作原理：
在芯片选择（CS）无效的情况下，I/OCLOCK最初被禁止且DATAOUT处于高阻状态。
当串行接口把CS拉至有效时，转换时序开始允许I/OCLOCK工作并使DATAOUT脱离高阻状态。
串行接口然后把I/OCLOCK序列提供给I/OCLOCK并从DATAOUT接收前次转换结果。
I/OCLOCK从主机串行借口接收长度在10和16个时钟之间的输入序列。
开始10个I/O时钟提供采样模拟输入的控制时序。
在CS的下降沿，前次转换的MSB出现的DATAOUT端。
10位数据通过DATAOUT被发送到主机串行接口。
为了开始转换，最少需要10个时钟脉冲。
如果I/OCLOCK传送大于10个时钟长度，那么在的10个时钟的下降沿，内部逻辑把DATAOUT拉至低电平以确保其余位的值为零。
在正常进行的转换周期内，规定时间内CS端高电平至低电平以确保其余位的值为零。
在正常进行的转换周期内，内部逻辑把DATAOUT拉至低电平的跳变可终止该周期，器件返回初始状态（输出数据寄存器的内容保持为前次转换结果）。
由于可能被破坏输出数据，所以在接近转换完成时要小心防止CS被拉至低电平。
时序图如图4.3
4.2信号调理与A/D转换电路的实现
由于温度传感器的输出为MV级信号，而且传感器的灵敏度和零点都存在差异，必须进行信号调理，以适合A/D转换器的输入范围。
如图4.4，S1为传感器的输出范围，S2为由于传感器的差异造成的输出可能的最大范围，S4为A/D转换器输入的范围，S3是为了适应各种条件的变化，已经留有安全区的输入范围，信号调理电路的作用是将S2与S3进行匹配。
信号调理的最佳状态是调整到放大器的输出与A/D转换器的输入范围相匹配，这时系统的精度最高，否则，如果放大器的输出范围大于A/D转换器的输入，就会使系统的测量范围减小，如果放大器的输出范围小于A/D转换器的输入，则会使系统测量精度降低，但是考虑到传感器、放大器、A/D转换器等元件的温漂和时漂等因素造成的变化，应该给这些变化留有一定的空间，使系统有更好的适应性。
对于数字温度表的设计来说，由于温度传感器都存在一定的超温安全系数，因此，应该在满量程以上留有一部分空间，仍然可以测量并显示温度。
我们选择满量程的10%，超出之后显示超压错误。
同样在零点也应该留有一定的安全余量，保证在零点漂移后仍能够有数据显示，这些都需要在校准过程中给予注意。
传感器的输出为一个电阻桥路，数字温度表的精度目标社定在1%，因为Pt100传感器本身是一个电阻传感器，靠电阻的变化来测量温度的变化，而工业现场要求的远程测量需要远距离的导线，因为导线本身就存在电阻，如果不考虑这些因素的话，就会对测量精度造成很大的影响，甚至测量错误，因为必须进行温度补偿。
本课题采用对放大器的正端输入测量信号，负端输入补偿信号，对远距离传输进行温度补偿。
电路部分的工作原理如图4.5。
一般Pt100电阻范围为100Ω～175Ω左右，所以在温度补偿一端接一个100Ω的电阻，使正端与负端互相平衡，这样就可以实现温度补偿了。
在传感器的上端接一个2K的电阻，使传感器的输出端V1约为0.25V～0.5V，因为信号放大器的基准电压为5V，此可以使正端电压V1减去负端的0.25V然后放大20倍，就可以得到A/D转换所需要的电压值V2
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