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基于单片机的温度测量与控制系统
基于单片机的温度测量与控制系统
摘要
由于温度对生产、生活的特殊重要性，使得温度测量技术迅速发展。
而单片机由于其自身的优点，使得两者的结合成为了一种可能。
基于单片机的温度测控技术所涉及的问题主要有：
系统的整体设计，主芯片的选择，单片机基本系统的设计，人机交互系统的设计，信号的模/数转换与数/模转换，驱动电路的设计，各个模块与主芯片的接口电路，系统电磁兼容性问题，以及各个部分的软件的设计与制作。
以8051单片机为核心的电加热锅炉温度测控系统的设计采用“模块化”设计的思想，将整个系统分为前向通道，单片机基本系统和后向通道三个部分，分别进行设计，之后再进行综合就得到了一个完整的系统。
其中温度采集部分是整个系统的关键，对整个系统的设计方向起到制约性作用。
关键词：
单片机，温度测量，模数转换，人机交互
MCU-basedTemperatureMeasurementandControlSystem
Abstract
Asthespecialimportanceoftemperatureontheproductionandlife,temperaturemeasurementtechnologiesaremakingarapiddevelopment.Thesinglechip'sadvantagesasaresultofitsown,mayonedaymakeacombinationofthetwo.
Issues,thatTemperaturemeasurementandcontrol,basedonsingle-chiptechnology,involvingare:
theoverallsystemdesign,thechoiceofthemainchip,thebasicsingle-chipsystemdesign,human-computerinteractiondesign,theanalog-to-digitalsignalconversionanddigital-to-analogconversion,drivercircuitdesign,eachmodulewiththemainchipinterfacecircuit,thesystemelectromagneticcompatibility,aswellasthesoftwaredesignandproductionofvariousparts.
In8051asthecoreoftheelectricalheatingboilertemperaturemeasurementandcontrolsystemdesign"modular"designthinkingcanbeused,inwhichthewholesystemisdividedintothepriorchannel,single-chipmicrocomputersystemandthebasicthree-parttothechannel,respectivelydesign,andthenintegratedtoobtainacompletesystem.Temperatureacquisitionwhichisthekeytothewholesystemonthedirectionoftheoveralldesignconstraintsplayarole.
Keywords:
microcontroller,temperaturemeasurement,A/Dconverter,human-
computerinteraction
目录
第一章绪论1
1.1课题背景及实际意义1
1.2温度测量技术的发展及现状2
1.3本文内容及工作5
第二章系统总体设计6
2.1系统总体论证6
2.1.1设计任务与要求6
2.1.2控制方法选择6
2.2系统组成7
2.3温度采集方案9
2.3.1传感器的选择9
2.3.2不同方案比较9
第三章传感器与温度采集11
3.1传感器及其接口电路11
3.1.1温度传感器AD59011
3.1.2传感器的应用电路13
3.2模数转换电路设计14
第四章单片机与控制实现16
4.18051单片机16
4.1.18051单片机概述16
4.1.28051单片机内部结构16
4.1.38051单片机引脚特性18
4.1.48051单片机存储器组织19
4.2单片机基本系统设计19
4.3系统后向通道设计20
第五章显示及键盘接口21
5.1LED显示21
5.1.1LED显示器结构21
5.1.2LED数码显示方式22
5.2键盘22
5.3接口芯片及电路23
第六章结束语26
参考文献27
致谢28
第一章绪论
1.1课题背景及实际意义
测量控制的作用是从生产现场中获取各种参数，运用科学计算的方法，综合各种先进技术，使每个生产环节都能够得到有效的控制，不但保证了生产的规范化、提高产品质量、降低成本，还确保了生产安全。
所以，测量控制技术已经被广泛应用于炼油、化工、冶金、电力、电子、轻工和纺织等行业。
温度是一个非常重要的物理量，自然界中几乎所有的物理化学过程都与温度紧密相关，它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形、结晶以及空气流动等物理和化学过程。
温度控制失误就可能引起生产安全、产品质量不达标等一系列问题。
从微观上说，它反映物体分子运动平均动能的大小，而宏观上则表示物体的冷热程度。
在各种热工实验中几乎都离不开温度，因此温度是工农业生产、科学试验以及日常生活中需要普遍进行测量和控制的一个重要物理量，由此对温度进行检测的意义就越来越大。
温度采集控制系统在工业生产、科学研究和人们的生活领域中，得到了广泛应用。
在工业生产过程中，很多时候都需要对温度进行严格的监控，以使得生产能够顺利的进行，产品的质量才能够得到充分的保证。
使用自动温度控制系统可以对生产环境的温度进行自动控制，保证生产的自动化、智能化能够顺利、安全进行，从而提高企业的生产效率。
温度采集控制系统是在嵌入式系统设计的基础上发展起来的。
嵌入式系统虽然起源于微型计算机时代，但是微型计算机的体积、价位、可靠性，都无法满足广大对象对嵌入式系统的要求，因此，嵌入式系统必须走独立发展道路。
这条道路就是芯片化。
将计算机做在一个芯片上，从而开创了嵌入式系统独立发展的单片机时代。
自从1976年Intel公司推出第一批单片机以来，80年代单片机技术进入快速发展时期，近年来，随着大规模集成电路的发展，单片机继续朝快速、高性能方向发展，从4位、8位单片机发展到16位、32位单片机。
单片机主要用于控制，它的应用领域遍及各行各业，大到航天飞机，小至日常生活中的冰箱、彩电，单片机都可以大显其能。
单片机在国内的三大领域中应用得十分广泛：
第一是家用电器业，例如全自动洗衣机、智能玩具；第二是通讯业，包括电话、手机和BP机等等；第三是仪器仪表和计算机外设制造，例如软盘、硬盘、收银机、电表。
除了上述传统领域外，汽车、电子工业在国外也是单片机应用十分广泛的一个领域。
它成本低、集成度高、功耗低、控制功能多，能灵活的组装成各种智能控制装置，由它构成的智能仪表解决了长期以来测量仪器中的误差的修正、线性处理等问题。
单片机是将微处理器、存储器、定时/计数器、I/O接口电路等集成在一个芯片上的大规模集成电路，本身即是一个小型化的微机系统。
单片机技术与传感与测量技术、信号与系统分析技术、电路设计技术、可编程逻辑应用技术、微机接口技术、数据库技术以及数据结构、计算机操作系统、汇编语言程序设计、高级语言程序设计、软件工程、数据网络通信、数字信号处理、自动控制、误差分析、仪器仪表结构设计和制造工艺等的结合，使得单片机的应用非常广泛。
同时，单片机具有较强的治理功能。
采用单片机对整个测量电路进行治理和控制，使得整个系统智能化、功耗低、使用电子元件较少、内部配线少、成本低，制造、安装、调试及维修方便。
因此将单片机与温度测量技术相结合，利用单片机强大的数据处理和过程控制能力，实现一定的功能不但有重要的实际意义，而且已经成为一种趋势。
1.2温度测量技术的发展及现状
现实中的温度测量方法除了常用的温度计外，工业控制中使用的多是温度传感器。
按照所用方法之不同，温度测量分为接触式和非接触式两大类。
接触式测温的特点是测温元件直接与被测对象相接触，两者之间进行充分的热交换，最后达到热平衡，这时感温元件的某一物理参数的量值就代表了被测对象的温度值。
其优点是直观可靠；缺点是感温元件影响被测温度场的分布，接触不良等都会带来测量误差，另外温度太高和腐蚀性介质对感温元件的性能和寿命会产生不利影响。
非接触测温的特点是感温元件不与被测对象相接触，而是通过辐射进行热交换，故可避免接触测温法的缺点，具有较高的测温上限。
此外，非接触测温法热惯性小，可达千分之一秒，故便于测量运动物体的温度和快速变化的温度。
对应于两种测温方法，测温仪器亦分为接触式和非接触式两大类。
接触式仪器又可分为膨胀式温度计（包括液体和固体膨胀式温度计、压力式温度计）、电阻式温度计（包括金属热电阻温度计和半导体热敏电阻温度计）、热电式温度计（包括热电偶和P-N结温度计）以及其它原理的温度计。
用接触式方法测温时，感温元件需要与被测介质直接接触，液体膨胀式温度计、热电偶温度计、热电阻温度计等均属于此类。
接触式测温简单、可靠、测量精度高，但由于达到热平衡需要—定时间，因而会产生测温的滞后现象。
此外，感温元件往往会破坏被测对象的温度场，并有可能受到被测介质的腐蚀。
非接触式测温是通过热辐射来测量温度的，感温速度一般比较快，多用于测量高温，但由于受物体的发射率、热辐射传递空间的距离、烟尘和水蒸汽的影响，故测量误差较大。
常用的测温仪有：
一、膨胀式温度计
利用测温物质的体积（或长度）随温度发生变化的性质制作的温度测量仪表称为膨胀式温度计。
分两类：
玻璃管式温度计及双金属温度计。
l、玻璃管式温度计水银玻璃管温度计是热工过程中使用最为广泛的一种液体膨胀式温度计。
优点是结构简单、使用方便、准确度高，价格便宜；缺点是易损坏，读数较难且易产生误差，测量结果不能远距离传送和自动记录且有较大的热惯性。
水银玻璃管温度计按其结构可分为三种基本类型，即棒式、内标式和外标式。
热工测量用的水银温度汁按其测量精度可分成三种，即工业用的、实验室用的和标准温度计。
在热工实验中，还常常用到一种特殊的玻璃管温度计，称为电接触式水银温度计。
它可以作为温度信号发生器和自动温度调节仪表，它的原理是在所规定的温度下，通过水银柱将电路接通，从而使温度控制电路接通。
其内可移动的接点常通过外部磁铁来调节它的高度。
使用玻璃管式温度计测温时，其误差来源主要有：
（1）零点位移由于玻璃的热惯性较大，当加热以后再度冷却时，温度计的温包不能立刻恢复到起始容积，从而使零点产生位移。
此时如再用该温度计测量，就会引起附加的测量误差。
（2）插入误差玻璃管温度计标定时，是将它的全部液柱浸没到介质中，这就使温度计的指标值与介质的真实温度发生偏离。
（3）读数误差进行读数时，观察者的视线应与标尺垂直并与液柱端面保持同一水平面，否则将引起附加的读数误差。
2、双金属温度计利用两种膨胀系数非常不同的弹性金属薄片组合在一起，可构成另—类膨胀式温度计——双金属温度计。
这类温度计经常用于环境温度的自动测量和控制，测温范围为-80~600℃。
它的测量误差较大，通常不作为精密测量用。
二、压力表式温度计
压力表式温度计是根据在封闭容器中液体、气体或蒸汽受热后压力变化的原理而进行测温的。
由于压力的变化用压力表测出，所以称为压力表式温度计，根据压力的变化再推算出温度。
常用的压力表式温度计有气体温度计和蒸汽温度计两类。
三、电阻温度计
利用金属和半导体的电阻随温度的变化也可以用来测量温度。
其特点是准确度高，在低温下测量时，它的输出讯号比热电偶要大得多，灵敏度高。
电阻温度计输出的是电讯号，因此便于远距离传送和实现多点切换测量。
电阻温度计是电热电阻由显示仪表和连接导线所组成：
热电阻由电阻体、绝缘管和保护套等主要部件所组成。
热电阻是测温的敏感元件，它可由导体或半导体制成，大多数金属导体当温度升高时，其电阻值增大，而半导体的电阻值则要减小。
使用电阻温度计测量温度时，其测量误差的主要来源是：
（1）电阻自热效应引起的误差；
（2）引线误差；（3）安装误差。
四、热电偶温度计
热电偶温度计价格便宜，制作容易，结构简单，测温范围广（-260~1300℃），准确度高，而且可以把温度信号转变成电讯号进行远距离传送，所以应用很广泛。
其工作原理基于金属和合金的下列性质：
当在两种不同种类的导线的接头（接点）上加热时，会产生温差热电势。
这两种不同种类的导线连接起来就成为热电偶。
五、新型温度传感器
近年来，在温度检测技术领域，多种新的检测原理与传感器的开发应用，已取得了具有实用性的巨大进展。
新型检测元件与传感器有：
半导体集成电路温度计、石英温度计、核磁共振温度计、超声温度计、热噪声温度计、激光温度计、微波温度计等多种。
它们之间既相互竞争又相互补充。
热电偶、热电阻引人注目的发展是：
将温度传感器与变送器结合，并将变送器高度集成化，装在接线盒内构成一体。
将测得的信号毫伏值转换成4～20mA的标准信号，送到控制室，不仅节约了补偿导线的费用，而且还可克服远距离传送的不可靠性。
目前，一体化温度变送器已经系列化，规格齐全，既有热电偶型变送器，又有热电阻型变送器，既有温度变送器，又有毫伏变送器及温差变送器。
1.3本文内容及工作
本文的目的是针对传统测温元件（热电偶、热电阻）组成的测温电路复杂，软件调试也复杂的缺点，设计了基于ATMEL公司的AT89C51的温度采集控制系统，本设计用AT89C51单片机为主要硬件，设计了包括温度采集、温度显示、系统控制、串口通信等的外围电路。
在温度测量部分采用AD590与ADC0809相结合的方式，实现温度信号的采集与转换。
温度控制系统是利用键盘设置温度，传感器实现实时温度的采集，并将结果传输到主芯片，以达到对温度的比较、控制。
通过本课题设计，综合运用单片机及接口技术、微机原理、微电子技术，锻炼动手操作能力，综合运用能力。
第二章系统总体设计
系统总体设计的任务是将系统的总要求分解为不同的子功能，再根据不同的子功能确定出能完成各个子功能的模块单元，并为各个模块确定具体的技术指标。
或者说，将系统总要求划分为不同的子模块，并为各个子模块确定技术指标的工作，也称为系统级设计。
系统总体设计是从总体上提出实现的方案，不一定涉及到具体的电路。
由于各个系统间差别很大，它们的构成和原理各不相同，所以并不存在一种适用于所有系统的统一规范的设计方法，但它们的设计步骤是大致相同的。
2.1系统总体论证
2.1.1设计任务与要求
本文以实际生活为背景，通过对由单片机控制的电加热锅炉系统的设计，来探讨基于单片机的温度测量与控制系统。
一个完整的电炉系统应具有温度测量、A∕D转换、控制计算、功率输出等多个环节，而电炉中的加热也采用电加热的方法，易于控制。
下面对本次设计的基本任务介绍如下：
一、基本要求
水由电炉加热，要求水温可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度变化时实现自动调整，以保持设定的温度基本保持不变；可以实时显示给定温度与水温实测值。
二、主要性能指标
温度设定范围为40至100摄氏度。
用十进制数码显示实际水温和要求水温。
2.1.2控制方法选择
由于水温控制系统的控制对象具有比热容大，惯性也较大的特点，水在容器内的流动或热传播都存在一定的阻力，因而热过程大多有较大的滞后，它对任何信号的响应都会推迟一些时间，使输出与输入之间产生相移。
对于这样存在大滞后的过渡过程控制，一般可以采用一下几种控制方案：
一、输出开关量控制
这种方法通过比较给定值与被控参数的偏差来控制输出的状态：
开通或关断，所以控制过程十分简单也容易实现。
但由于输出控制量只有两种状态，这就使得被控参数在两个方向上的变化速率均是最大的，因此容易引起反馈回路的振荡，从而对整个系统的控制产生十分不利的影响。
所以这种方案一般在大惯性系统对控制精度和动态特性要求不高的情况下采用。
二、比例控制（P控制）
比例控制的特点是控制器的输出与偏差成正比，输出量的大小与偏差之间有对应关系，当负荷变化时，抗干扰能力强，过渡过程时间短，但过程终了存在误差。
因此它适合于控制通道滞后较小，负荷变化不大，允许被控量在一定范围内变化的系统，并且需要注意应用过程中消除积累误差。
三、比例积分控制（PI控制）
比例积分控制的特点是控制器的输出与偏差的积分成正比，积分的作用使过渡过程结束时无余差，但系统的稳定性也因此而降低。
虽然加大比例度可以使稳定性增加，但又使过渡过程时间加长。
因此该控制方法适用于滞后较小，负荷变化不大，被控量不允许有余差的控制系统。
四、比例积分加微分控制（PID控制）
PID控制的特点是微分的作用使控制器的输出与偏差变化的速度成比例，它对克服对象的容量滞后有显著的效果。
在比例基础上再加入微分作用，使稳定性提高，再加上积分作用，可以消除误差。
因此PID控制适用于负荷变化大、容量滞后较大、控制品质要求高的控制系统。
结合本次设计的任务与要求，由于水温系统的传递函数事先难以精确获得，因而很难确定哪一种控制方法更加适合，但从以上的分析来看，显然PID控制更加适合。
另一方面，由于是采用单片机实现过程控制，无论采用上述哪一种控制方法都不会增加系统硬件成本，而只需对软件作相应的改变即可实现不同的控制。
因此，本系统采用PID的控制方法。
2.2系统组成
就控制器本身而言，控制电路可以采用经典控制理论和常规模拟控制系统实现水温的自动控制。
但以单片机为中心，辅以必要的芯片的自动控制系统在实际应用中越来越广泛，已经成为一种趋势。
本次设计的是一个典型的检测、控制型应用系统。
它要求系统完成从水温检测、信号处理、输入、运算到输出控制电炉加热功率以实现水温控制的全过程。
因此应以单片微型计算机为核心组成一个专用计算机应用系统，以满足检测、控制应用类型的功能要求。
另外，单片机的使用也为实现水温的智能化控制以及提供完善的人机界面及多机通信接口提供了可能，而这些功能在常规数字逻辑电路中往往是难以实现或不能实现的。
所以，本次设计将采用以单片机为核心的直接数字控制系统（DDC）。
为了简化系统硬件、降低硬件成本、提高系统的灵活性和可靠性，有关PID运算、输入信号滤波及大部分控制过程都可以通过软件来完成，硬件的主要功能是温度信号的传感、放大、A∕D转换及输出信号的功率放大。
因此，系统要由四部分组成，总框图如图2.1。
图2.1系统总体框图
一、单片机基本系统
单片机系统是整个控制系统的核心，由它完成整个系统的信息处理和协调控制功能。
由于本系统对控制速度、精度和功能要求都没有什么特别之处，因此可以选用与MCS—51系列单片机兼容的AT89C51。
它可以提供系统控制所需要的中断和RAM等电路，但是它的片内的程序存储器只有4KB，有可能会不足或会限制日后的功能改进，因此需要进行扩展。
二、前向通道
前向通道是信息采集的通道，主要功能是实现温度的测量与转化，主要包括传感器、信号放大器、A∕D转换等电路。
由于水温变化是一个相对缓慢的过程，因此前向通道中没有使用采样保持电路。
另外，信号的滤波等可以通过软件的方式实现，可以简化软件，降低成本。
三、后向通道
后向通道是实现控制信号输出的通道。
该部分可以通过D/A转换实现，也可以不通过D/A转换实现，而通过由单片机输出控制的电子开关实现。
单片机系统产生的控制信号经功率放大电路来控制电加热器的功率，实现水温控制的目的。
四、人机对话通道
人机对话通道主要由键盘和显示两部分组成。
键盘可由十个数字键和四个功能键（确认、取消、设定温度、运行）组成。
显示部分由LED显示完成，由两个3数码管组成，分别显示给定温度和实测温度，显示范围为00.0～99.9℃。
2.3温度采集方案
2.3.1传感器的选择
对于系统前向通道和后向通道的设计有多种方案，这主要取决于所选择的温度传感器和控制方式。
温度传感器主要有4种类型：
热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器（RTD）和集成（IC）温度传感器。
热电偶非常坚固并且价格便宜，因此应用广泛。
其特点是：
低灵敏度、低稳定性、中等精度、响应速度慢、高温度下易老化和漂移，并且需要一个外部参考源。
RTD精度极高，并且具有中等线性度，它们特别稳定，并有很多配置，但价格昂贵，还需要一个外部参考源。
模拟输出IC温度传感器具有很高的线性度，如果配合一个模数转换器还可以产生数字输出，并且它们成本低、精度高、尺寸小、分辨率高，不足在于测温范围有限，并需要一个外部参考源。
数字输出IC温度传感器自带一个内部参考源，但其响应速度相当慢，并且自身会发热。
与热敏电阻、RTD和热电偶传感器相比，IC温度传感器具有很高的线性度。
对于对测温范围不是太高的系统，使用集成的数字温度传感器，能够很方便地获取温度信息。
2.3.2不同方案比较
根据被测对象的温区范围和测量精度的要求，系统前向通道元件的选择不同，则设计出来的电路就不相同。
比如，对于传感器的选择，既可以选择AD590，实现信号由非电量到电量的转换，再由A∕D转换器实现采样信号由模拟信号到数字信号的转换。
还可以选择由集成度较高的DS18B20充当前向通路。
AD590是利用PN结正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器，DS18B20是数字温度计，提供9位到12位的温度度数，指示器件的温度。
这两者之间的区别在于，使用AD590时的硬件电路比较复杂，但是针对前向通路的编程较为简单，而使用DS18B20时的硬件电路要简单的多，但对DS18B20要进行独立的编程，因此其软件设计比较复杂。
本次设计更多地将精力放在了硬件的设计和对各个模块的探讨上，因此本次设计选用AD590加A∕D转换器的设计方法。
对于后向通道，设计思路有两种，一种是用单片机的输出直接控制加热器输入电路电压平均值的方法；另一种是采用D/A转换器的方法。
为了简化后向通路，本次设计采用第一种方法。
第三章传感器与温度采集
如图3.1所示为系统前向通道的基本组成。
其中传感器和A∕D转换器是该部分的重点。
温度信号只有通过该部分的测量与转换后才能成为单片机系统能够接受和处理的数字信号，最终在应用程序的要求下，由单片机反馈温度测量结果，单片机应用程序对温度结果进行分析，进而决定控制系统的动作。
图3.1前向通道基本组成
本次设计温度传感器采用模拟温度传感器AD590，将环境温度转变为电流信号，再通过适当的电路转化为A∕D转换芯片能够识别的电压信号，然后通过数字接口传给主控芯片AT89C51。
3.1传感器及其接口电路
3.1.1温度传感器AD590
AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。
该器件具有良好的线性和互换性，测量精度高，并且具有消除电源波动的特性，即使电源电压在5V～15V之间变化，其电流只是在1微安以下作微小变化。
并且由于AD590
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