热敏电阻----单片机温度控制系统电路设计.doc
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引言
十年来计算机技术及微电子器件在微量技术中应用十分广泛。
单片机作为计算机技术的一个分支，广泛的应用于工业控制，智能仪器仪表，机电一体化等各个领域。
在此基础上发展起来的智能仪器无论是在测量、灵敏度、可靠性、自动化程度、运用功能方面或在解决测量技术问题的深度及广度方面都有了巨大发展，以一种崭新的面貌展示在人们的面前。
随着大规模集成电路及计算机技术的迅速发展，以及人工智能向测量技术的移植或应用，智能仪器将会有更大的发展。
测量仪器的智能化已是现代仪器仪表发展的主要方向，因而它已是当今测量工作者以及所有与测量技术有关的工程界、教育界以及科技界人士所普遍关注的问题，了解或熟悉这类仪器的发展概况，工作原理及设计思想无疑是十分重要的。
温度是生产过程中重要的被控参数之一，如冶金机械、化工、食品等各类生产过程中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉对工件的处理温度等均需要对温度严格控制，因此温度检测则显得尤为重要。
当今计算机控制技术在这方面的应用已经使温度检测达到自动化和智能化，模块处理方式的采用使系统更为简洁和方便。
本文针对89C51型单片机在温度控制方面的应用，对温度恒定系统进行了分析并给出了具体的解决方案。
文章分为硬件设计和软件编程两部分对该方案进行阐述，在硬件设计部分划分温度检测、温度数据PID算法实现、温度显示、执行机构控制、RS-232通信五个模块单元，并且简单叙述了该实例的物理工作原理和电路工作原理，只有在清楚地了解这些工作原理的基础上，才能恰当地选用单片机硬件电路和准确地编制软件，本系统在结合硬件的基础上对每一个模块进行了编程设计，使软硬件更好的结合来达到实现温度恒温控制的目的。
文章大篇幅主要介绍了此恒温控制系统的软件设计，在软件设计中划分为主程序、中断子程序、 PID算法子程序、滤波子程序、键盘与显示子程序和报警子程序六部分组成。
第1章概述
1．1系统功能
单片机温度控制系统实现恒温控制。
由键盘输入温度给定值，系统根据恒温炉的采集值与给定值的偏差，经过PID数据处理输出控制信息，实现温度自动控制，保证恒温炉的温度控制在一个固定值上。
系统功能如图1—1所示。
图1—1系统功能图
如图上图所示：
从键盘输入一个指定的温度值，键盘将所输入的数值通过8255送给单片机89C51。
然后单片机通过热敏电阻对恒温炉进行每秒五次采样，再经由放大电路放大，送入A/D转换芯片ADC0809进行模—数转换。
经处理的数字信号被送入单片机89C51进行处理，单片机通过核心PID算法对采集来的数据进行处理，并与从键盘所输入的数值进行比较。
处理之后得到的结果被送到LED进行显示，与此同时发出一个信号对固态继电器进行控制，固态继电器则控制加热炉对恒温炉进行或停止加热。
该系统被划分为四个部分进行设计，分别为：
系统电路的设计，系统软件设计，系统与PC机通讯设计，键盘和显示的软件和硬件设计。
1．2系统总体电路设计
1．2．1系统原理图
图1—2系统原理图
第2章系统扩展设计
2．1单片机与8255接口设计
2．1．18255芯片介绍
8255芯片的作用
为了实现人机交互功能，需要加入键盘和显示，用8255芯片来进行扩展。
图2—18255芯片引脚图
8255引脚功能
（一）RESET:
复位输入线，当该输入端外于高电平时，所有内部寄存器（包括控制寄存器）均被清除，所有I/O口均被置成输入方式。
（二）CS:
片选信号线，当这个输入引脚为低电平时，表示芯片被选中，允许8255与CPU进行通讯。
J（三）RD:
读信号线，当这个输入引脚为低电平时，允许8255通过数据总线向CPU发送数据或状态信息，即CPU从8255读取信息或数据。
（四）WR:
写入信号，当这个输入引脚为低电平时，允许CPU将数据或控制字写入8255。
D0～D7:
三态双向数据总线，8255与CPU数据传送的通道，当CPU执行输入输出指令时，通过它实现8位数据的读/写操作，控制字和状态信息也通过数据总线传送。
（五）PA0～PA7:
端口A输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器，一个8位的数据输入锁存器。
（六）PB0～PB7:
端口B输入输出线，一个8位的I/O锁存器，一个8位的输入输出缓冲器。
（七）PC0～PC7:
端口C输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器，一个8位的数据输入缓冲器。
端口C可以通过工作方式设定而分成2个4位的端口，每个4位的端口包含一个4位的锁存器，分别与端口A和端口B配合使用，可作为控制信号输出
或状态信号输入端口。
（八）A1、A0:
端口地址总线，8255中有端口A、B、C和一个内部控制字寄存器，共4个端
口，由A0、A1输入地址信号来寻址。
A1
A0
RD
WR
CS
输入操作（读）
0
0
0
1
0
A口——数据总线
0
1
0
1
0
B口——数据总线
1
0
0
1
0
C口——数据总线
输出操作（写）
0
0
1
0
0
数据总线——A口
0
1
1
0
0
数据总线——B口
1
0
1
0
0
数据总线——C口
1
1
1
0
0
数据总线——控制口
禁止操作
X
X
X
X
1
数据总线为三态
1
1
0
1
0
非法状态
X
X
1
1
0
数据总线为三态
表2—18255的口操作状态
2．1．28255与单片机接口电路设计
（一）8255与单片机接口电路原理图
图2—38255与单片机接口电路原理图
如图2—3所示为8255与单片机接口原理图。
单片机的P0口与8255的D0~D7连接，作为数据总线。
单片机WR和RD分别与8255WR和RD连接对8255进行读写控制；P2.7,P2.6分别与8255A0，A1连接；P2.4与8255CS片选端连接；这5条线构成控制总线和地址总线，具体操作见表2—1。
第3章前向通道设计
3．1前向通道电路结构
3．1．1前向通道原理图
图3—1前向通道原理图
如图所示为前向通道的原理图，放大电路将热敏电阻产生的电阻转换为能被0809处理的适合电压，然后由0809进行A/D转换。
下面是对各部分具体介绍。
3．2传感器工作原理与性能
3．2．1传感器的工作原理
传感器的核心元件是热敏电阻。
热敏电阻是双端型温度敏感元件。
当温度发生变化时热敏电阻的阻值也发生变化，在不同的温度下，热敏电阻都有一个固定的电阻值与温度值相应，并且只要热敏电阻没有损坏，这种对应关系具有重复性。
热敏电阻阻值随温度变化的响应是高度的非线性响应。
在热敏电阻的量程范围内，温度较小的变化都会引起热敏电阻阻值相对较大的变化，绝大多数热敏电阻具有负温度系数特性，即随着温度的升高，电阻值下降。
3．2．2传感器的特性
RadioShack热敏电阻（#271—110A）就具有负温度系数特性。
这种传感器工作在低温端时，负温度系数引起电阻阻值的相对变化大约是-5%。
随着温度的升高，负温度系数也有所下降，当热敏电阻工作在量程的高温端时，负温度系数引起电阻阻值的相对变化大约只有-2%。
热敏电阻的有效输出为电阻值，由于A/D转换器转换的是电压信号，因此首先要将热敏电阻的电阻转换为电压信号，这一转换通常可以用电流源构成的激励电路来完成。
将热敏电阻安装在电流源所在的支路中，在热敏电阻两端就会产生与其电阻值成比例的电压值。
由于电流流过电阻会产生热效应，我们要注意不能由于热效应而使热敏电阻自身产生很大的热量，从而引起热敏电阻阻值的变化。
一般情况下，当电流源电流足够小时，电流流过热敏电阻所产生的热量可以忽略不计。
我们假定热敏电阻的耗散常数为典型值，一般在1mV/℃左右，为了使测量精度保证在1.0℃以内，电流源的电流必须足够小，以保证电流流过热敏电阻产生的热量在1mW以下。
根据以上分析，当电流源电流值不超过10uA时，可以满足以上要求。
总而言之，只要电流源的电流足够小，热敏电阻两端产生的电压就与其阻值成比例关系而不会由于电阻的热效应引起太大的测量误差。
接下来用仪用放大器AD524读取热敏电阻两端的电压差值，并且设置合适的增益，将电压差值调节到与A/D转换器的转换范围相匹配。
热敏电阻的激励电路与信号调节电路的原理如图3—2所示。
本系统采用的是RadioShack271—110A型热敏电阻，温度变化与热敏电阻阻值变化为非线性的关系，其不同温度的电阻值如下表所示：
RadioShack271 ——110A型热敏电阻在其温度范围内的输出值：
温度
热敏电阻阻值
温度
热敏电阻阻值
-50℃
329.2Ω
25℃
10.00Ω
-45℃
247.5Ω
30℃
8.313Ω
-40℃
188.4Ω
35℃
6.941Ω
-35℃
111.3Ω
40℃
5.828Ω
-25℃
86.39Ω
45℃
4.912Ω
-20℃
67.74Ω
50℃
4.161Ω
-15℃
53.39Ω
55℃
3.537Ω
-10℃
42.45Ω
60℃
3.021Ω
-5℃
22.05Ω
65℃
2.589Ω
0℃
27.28Ω
70℃
2.229Ω
5℃
22.05Ω
75℃
1.924Ω
10℃
17.96Ω
80℃
1.669Ω
15℃
14.68Ω
85℃
1.451Ω
20℃
12.09Ω
90℃
1.108Ω
表3-1
3．3放大电路设计
3．3．1放大电路的原理
传感器辅助电路两端电压变化很小，有时是不足以驱动下一级电路的，所以要对其进行放大，使信号足以驱动下一级电路。
热敏电阻的电流源电路由一个参考电压，一个运算放大器及三个电阻组成。
这些元件可以提供0.001mA的电流。
0.001mA的电流流过热敏电阻，使得其两端的电压值为热敏电阻阻值的1/100000。
在-50℃时，热敏电阻两端的电压为3.292V，当温度达到100℃时，电压为0.0675975V。
该电压输入到仪用放大器AD524BD中，由于热敏电阻上有大小为1V的浮地电压，因此仪用放大器可以读出热敏电阻两端的电压，该电压值其实是热敏电阻两端的电压差值，抵消了1V的浮地电压。
只要输入电压不超出仪用放大器的工作电压容限，热敏电阻两端的电压差都能测量出来。
将仪用放大器的第6个管脚接地，就可以将信号的参考点准确接地。
图中仪用放大器的增益设为10，因此，它的输出为热敏电阻两端电压的10倍，也就是说，对于理想的仪用放大器，在-50℃时，其输出为32.92V，当温度为100℃时，其输出为0.075957V。
仪用放大器的工作电压输入容限为±10V，A/D转换器的最大输入是0—5V。
而温度为-50℃时，32.92V的输出已大大超出了放大器的工作容限，因此该温度测量系统能有效测量的温度下限为-10℃，此时仪用放大器送到A/D转换器的输出为4.245V，在放大器的工作容限之内。
温度量程的上限对应于最小的电压值，因此不受放大器工作电压容限及A/D转换器转换量程的影响。
图3—2放大电路的原理图
3．4A/D转换电路设计
3．4．1A/D转换电路作用
该系统的核心部分是单片机，单片机只能处理数字信号。
通过传感器再放大所采集的信号为模拟电压信号，直接送入单片机是无法进行处理的。
所以要加入一块A/D转换芯片ADC0809来进行模——数转换，得到的数字信号被送入单片机进行处理。
3．4．2ADC0809芯片功能与性能指标
ADC0809的管脚图
图3—3
ADC0809采用双列
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