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计算机控制技术课程设计

课程设计名称：

基于单片机的粮仓温度控制系设计

专业班级：

学生姓名：

学号：

指导教师：

设计地点：

课程设计时间：

目录

1引言

1.1课题背景

粮食的储备是关系到国家危亡、百姓生活的大事，粮食只有在一定的环境条件下才能长期存放，才能保证不发芽不变质，保持粮食的新鲜品质，延缓粮食品质的劣变，减少经济和数量上的损失，所以对于贮存粮食的粮仓，除了在结构形式上有许多要求外，在温度控制上有着较高的要求。

一般来说，对于不同的地区，不同的贮存物，粮仓分常温仓、准低温仓和低温仓。

准低温仓的温度要求为15℃＜t＜20℃，低温仓的要求为t＜15℃。

目前，在我国的北方地区，粮仓主要利用机械通风设备进行粮仓内、外空气的交换来达到降低仓内温度，用来实现粮食的低温保存。

以前通风设备的开启和关停，均是由人手动控制的，即由仓管人员定时查看仓内外的温度、湿度情况，按要求开关通风设备，这样仓管人员的劳动强度大，可靠性差，而且管理人员多，管理成本高，造成很多不必要的浪费。

另外，办事效率也不高，不能做到实时控制。

尤其是在遇到恶劣天气或其他情况时，将不能得到有效、及时的控制。

为此，我想到了基于单片机的粮仓温度控制系统设计，单片机能够对粮仓内的温度进行多点采集，然后将采集的数据通过DS18B20内部的A/D转换器转换后，送入单片机AT89S51，并通过执行机构控制粮仓内的温度保持在控制要求范围内，从而实现温度控制的目的。

1.2系统功能

通过在粮仓内放置多个温度传感器DS18B20，能够对粮仓内的温度进行多点采集，然后将采集的数据通过DS18B20内部的A/D转换器转换后，送入单片机AT89S51，并通过执行机构控制粮仓内的温度保持在控制要求范围内。

当采集的温度经处理后超过规定温度上限时，单片机通输出控制信号，使继电器开启降温设备（压缩制冷设备），使粮仓内的温度下降到给定值范围内；当采集的温度经处理后低于设定温度下限时，单片机输出控制信号，使继电器开启升温设备（加热器），使粮仓内的温度上升到给定值范围内。

当由于环境温度变化太剧烈或由于加热或降温设备出现故障，或者温度传感器出现故障导致在一段时间内不能将粮仓环境温度调整到规定的温度范围内的时候，单片机通过三极管驱动扬声器发出警笛声，实现报警。

2总体方案设计

2.1计算机的选择

2.1.1PLC

早期处理顺序逻辑和开关信息量问题时一般采用继电器电路来实现。

但当信号较多、逻辑复杂时，使用继电器数量很大，造成线路设计和调试都相当困难，可靠性也差。

随着PLC的出现，他逐渐取代了继电器电路，随着计算机的发展和渗透，PLC技术也在不断提高和完善，有以下优点：

可靠性高，抗干扰能力强；编程简单，易于实现；功能强大，易于掌握等。

但是当前在国内PLC的价格比较高，也在一部分程度上阻碍了它的发展。

我们这次计算机控制课程设计用不到PLC，因此，PLC不会选。

2.1.2工业PC

对于一个任务不算小的系统设计来说，工业PC是首选。

它是专门考虑了生产现场环境条件差及各种干扰大而设计的，可以长期可靠运行，可靠性和可维护性都可达到要求。

另外，除了有多种模块的主机系统板外看，还配备有多种接口板，如多路模拟量输入/输出板、开关量输入输出板、图形板，以及扩展用的RS-232C、RS-422、RS-485、总线接口板和EPROM编程板等。

总之，可扩充性不成问题。

此外，模拟量输入输出、开关量输入输出的接口很多，并有大量的软件支持，如汇编、高级语言和中文等。

但是，工业PC体积较大，重量大，同样也不适用于计算机控制课程设计。

2.1.3单片机

现今的单片机正向着提高工业环境下控制系统的可靠性和灵活方便地构成应用系统界面的方向发展，并且控制功能越来越丰富。

在CPU芯片上，除嵌入RAM、ROM、和IO外，还有A/D、D/A、PWM、DMA、看门狗、串行接口和定时器/计数器等，另外还有显示驱动、键盘控制、比较器和函数发生器等，能构成功能强大的应用系统。

单片机比专用处理器最适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。

特别是它体积小，集成度高。

性能稳定，可靠性高，抗干扰能力较强。

有较高的性价比。

他越来越得到人们的信赖。

通过比较论证，从经济和实用的因素，以及我们本次做课程设计的需要等因素考虑，选用单片机AT89S51作为粮仓通风系统设计的控制器，再结合温度传感器DS18B20等其它器件就可以实现对粮仓温度的控制，使其维持在设定范围内，从而实现对温度的控制。

2.2系统组成框图及工作原理

2.2.1系统组成框图

系统的组成框图如图2.1所示。

它有以下几部分组成。

（1）键盘用于设置参数，设置粮仓内的温度给定值。

（2）传感器：

使用多个温度传感器，分别放于粮仓环境现场，对粮仓内环境的温度进行多点测量，以便更好的控制。

（3）变换电路将温度传感器检测到的模拟信号转换成标准模拟信号，并将其送到温度传感器DS18B20内的A/D转换芯片；或者将单片机的输出信号经过变换控制继电器的动作。

（4）A/D转换电路，将标准模拟信号转换成数字信号，送入计算机。

（5）计算机AT89S51对数据进行计算和处理，并让其显示。

（6）串并转换将串口输出转换成并口形式，便于与LED连接，用于显示温度，这样可以更直观的观察温度的变化。

（7）对计算机处理的结果进行直观的显示，便于我们进行直观的了解当前情况，以便采取措施进行控制。

（8）继电器用于开启和停止升降温设备，当粮仓内的温度在给定范围以外时，便会采取措施，对结果直接产生影响，进而维持粮仓内的温度在给定范围以内。

系统硬件框图如下：

图2.1系统硬件框图

2.2.2系统工作原理

温度传感器DS18B20从设备环境的不同位置采集温度，单片机AT89S51获取采集的温度值，经处理后得到当前环境中一个比较稳定的温度值，再根据当前设定的温度上下限值，通过加热和降温对当前温度进行调整。

当采集的温度经处理后超过设定温度的上限时，单片机通过三极管驱动继电器开启降温设备（压缩制冷器），当采集的温度经处理后低于设定温度的下时,单片机通过三极管驱动继电器开启升温设备（加热器）。

当由于环境温度变化太剧烈或由于加热或降温设备出现故障，或者温度传感头出现故障导致在一段时间内不能将环境温度调整到规定的温度限内的时候，单片机通过三极管驱动扬声器发出警笛声。

系统中将通过串口通讯连接PC机存储温度变化时的历史数据，以便观察整个温度的控制过程及监控温度的变化全过程。

系统工作原理框图如下:

图2.2系统工作原理框图

2.3控制方案的论证和比较

一个控制系统，应按物理可实现性、稳定性、准确性、快速性等指标进行设计。

通过分析控制器和执行器的关系，选用位置式PID控制作为控制系统的控制策略。

控制算法如式2.1:

（2.1）

式中：

Ki：

积分系数、Kd：

微分系数

3硬件电路设计

3.1系统设备选型

3.1.1键盘

在计算机控制系统中，通常都有人机对话功能，主要包括人对计算机控制系统的状态干预与参数设定，以及计算机控制系统向人报告运行状态与运行结果。

而人对计算机控制系统的状态干预与参数设定大部分都是通过键盘来完成的。

本课程设计的控制系统选用行列式键盘。

该键盘由行线和列线组成，按键设置在行、列结构的交叉点上，行列线分别连在按键开关的两端。

行线通过上拉电阻接至正电源，以便无键按下时行线处于高电平状态。

3.1.2温度传感器DS18B20

系统选用DS18B20作为温度传感器。

DS18B20是美国DALLAS公司生产的新型单总线数字温度传感器，供电电压为3.0~5.5V，测温范围为-55~125℃，可以直接与微机系统进行接口。

分辨率认为12位。

读出数据或写入命令只需一根I/O端口线，以串行方式与微控制器通信，并进行CRC校验。

该电路将半导体温敏元件、A/D转换器、存储器等集成在一个很小的芯片上。

一条单总线上可以挂断若干个数字温度传感器，每个传感器对应有一个唯一的地址编码。

传感器直接输出的就是温度信号数字值，使用非常方便。

DS18B20的主特性参数如下：

1、适用电压：

3~5V

2、9~12位分辨率可调

3、TO-92、SOIC及CSP封装可选

4、测温范围：

-55℃~125℃

5、精度：

-10℃~85℃范围内为±0.5℃

6、无需外部元件，独特的一线接口，电源和信号复合在一起

7、每个芯片唯一编码，支持联网寻址，零功耗等待

3.1.3A/D转换

A/D转换可以选用ADC0809芯片实现，ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。

它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。

但是，如果单独使用A/D转换器，由于各方面的干扰，会使得在应用过程中，转换精度不够，分辨率达不到要求，造成一定的误差，从而给粮仓的温度控制带来一定的困难。

而采用数字温度传感器DS18B20内部的A/D转换器，可以使得电路结构更加简单，而且减少了温度测量转换时的精度损失，使得A/D转换更加精确，测量温度更加精确。

使用集成芯片DS18B20，能够有效的减小外界的干扰，提高测量的精度，简化电路的结构。

因此，本课程设计中的A/D转换器使用温度传感器DS18B20内部的A/D转换器。

综上，在本控制系统中，A/D转换器采用温度芯片DS18B20内部的A/D转换器。

而且，该芯片的物理化学性很稳定，它能用做工业测温元件，且此元件线形较好。

在0—100摄氏度时，最大线形偏差小于1摄氏度。

该芯片直接向单片机传输数字信号，便于单片机处理及控制。

图3.1温度芯片DS18B20

3.1.4控制器选择

在控制系统设计中，我选用高性能、低成本的AT89S51单片机。

AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含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80C51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AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

AT89S51具有如下特点：

40个引脚，4kBytesFlash片内程序存储器，128bytes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，AT89S51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。

由于系统控制方案简单,数据量也不大,考虑到电路的简单和成本等因素,因此在本设计中选用ATMEL公司的AT89S51单片机作为主控芯片。

主控模块采用单片机最小系统是由于AT89S51芯片内含有4kB的E2PROM,无需外扩存储器,电路简单可靠,其时钟频率为0～24MHz,并且价格低廉,批量价在10元以内。

其主要功能特性：

兼容MCS-51指令系统4k可反复擦写（>1000次）ISPFlashROM

32个双向I/O口4.5-5.5V工作电压

2个16位可编程定时/计数器时钟频率0-33MHz

全双工UART串行中断口线128x8bit内部RAM

2个外部中断源低功耗空闲和省电模式

中断唤醒省电模式3级加密位

看门狗（WDT）电路软件设置空闲和省电功能

灵活的ISP字节和分页编程双数据寄存器指针

可以看出AT89S51提供以下标准功能：

4K字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，看门狗（WDT），两个数据指针，两个16位定时器/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟。

同时,AT89S51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。

空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。

掉电方式何在RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直接到一个硬件复位。

复位电路如下：

图3.2复位电路

3.1.5LED显示

系统选用LED对所处理的结果进行显示。

采用动态LED显示器接口技术。

动态显示，就是微处理器定时地对显示器件所显示的内容进行扫描。

在这种方法中，各显示器件是分时工作的，任一时刻只有一个显示器件在显示，但由于人眼的视觉暂留现象，当扫描显示每一个器件达到一定的速度时，人看到的就是所有的器件都在显示。

3.1.6继电器

选用电流继电器作为此次设计的继电器，电流继电器的输入电流x从零连续增加达到衔铁开始吸合时的动作值xx,继电器的输出信号立刻从y=0跳跃到y=ym,即常开触点从断到通。

一旦触点闭合，输入量x继续增大，输出信号y将不再起变化。

当输入量x从某一大于xx值下降到xf,继电器开始释放，常开触点断开。

3.2部分系统硬件电路设计

3.2.1温差测量电路

为了简化测量电路，降低成本，本次设计没有采用传统测量库内外温度再求其差的方法。

测量电路如图7所示。

直接采用DS18B20温度传感器进行测温，分别置于库内外，利用图7直接测量温差。

显然VT正比（T1－T2），其中T1，T2分别为粮库内、外的温度。

温差测量电路：

图3.3温差测量电路

3.2.2串并转换

系统选用ZQL9712S作为串并转换芯片。

ZQL9712S是专门为LED驱动应用设计的串并转换芯片，采用了先进的CMOS工艺，具有低功耗的优点。

ZQL9712S具备通用串并转换控制接口，本地3位并行驱动输出，特别适合于多离散点的级连应用。

ZQL9712S串移时钟频率可达15MHz，且提供最大30mA的驱动电流。

ZQL9712S包括串行移位寄存器和输出锁存器。

经串行移位寄存器，串移输入信号转换为3位并行输出，并把该输出作为输出寄存器的输入。

串移寄存器和输出寄存器由不同的时钟信号控制，并且都是在时钟信号的上升沿有效。

ZQL9712S将控制信号驱动后输出，该输出可作为后级电路的输入信号。

3.2.3部分系统原理图

系统的部分硬件组成原理如图3.4所示。

当采集的温度经处理后超过规定温度上限时，单片机通过P1.4输出控制信号驱动三极管D1，使继电器K1开启降温设备（压缩制冷设备）：

当采集的温度经处理后低于设定温度下限时，单片机通过P1.5输出控制信号驱动三极管D2，使继电器K2开启升温设备（加热器1）。

当由于环境温度变化太剧烈或由于加热或降温设备出现故障，或者温度传感头出现故障导致在一段时间内不能将环境温度调整到规定的温度限内的时候，单片机通过三极管驱动扬声器发出警笛声。

而温差的设定值可由用户根据季节气候随时修改，自由调整，以适应不同环境的需要，节约成本，提高效益。

系统的部分硬件组成原理下图所示：

图3.4系统部分硬件原理图

4软件设计

4.1主程序流程图

主程序用于完成系统初始化、键盘管理以及设定粮仓系统的初始温度值，并进行粮仓内外温差的测量。

程序流程图见图4.1.通过键盘我们设置给定，通过中断处理对系统进行处理。

图4.1主程序流程图

4.2中断程序流程图

中断服务程序，主要用于判定测量时间是否已到，时间没到，继续等待；时间到了，进行采集温度、温差测量与换算；进一步判定是否启动升降温设备。

若满足启动升温设备条件P1.5置位，启动升温设备；若满足启动降温设备条件P1.4置位，启动降温设备，最终维持粮仓内温度在给定值范围内。

程序流程图如下图所示：

图4.2中断

参考文献

[1]何立民．单片机初级教程[M]．北京：

北京航天航空大学出版社，2004

[2]赵建领．51单片机开发与应用技术详解[M]．北京：

电子工业出版社,2009