最新版基于单片机的温度控制系统毕业设计论文.docx

最新版基于单片机的温度控制系统毕业设计论文.docx

《最新版基于单片机的温度控制系统毕业设计论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《最新版基于单片机的温度控制系统毕业设计论文.docx（48页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

最新版基于单片机的温度控制系统毕业设计论文

基于单片机的恒温控制系统设计

摘要

近年来随着计算机在社会领域的渗透，单片机的应用正在不断深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。

在实时检测和自动控制的单片机应用系统时，经常作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及具体应用对象特点的软件结合，以作完善。

本文从硬件和软件两方面来讲述温度的自动控制过程，在控制过程中主要应用AT89C52、DS18B20、MAX232等，而主要是通过DS18B20数字温度传感器采集电热杯温度，以单片机为核心控制部件。

用单片机作下位机完成温度数据的采集和执行PC机发出的控制执行命令；用PC机作上位机接收单片机发送的数据,进行数据处理,向单片机发送控制命令。

PC机与单片机采甪串行通信,可实现远距离温度检测和控制。

本设计充分利用PC机VB6.0软件强大的数据处理功能和友好的人机界面,对温度进行实时曲线显示。

软件方面采用C语言来进行程序设计，可读性好，移植容易，是普通使用的一种计算机语言。

关键词：

单片机，VisualBasic6.0，温度控制，串行通信，DS18B20

DesignofConstantTemperatureControlSystemBase

onSingleChipMicrocomputer

ABSTRACT

Inrecentyears,withthecomputerpenetrationinthesocialfield,theapplicationofSCMistokeepatthesametime,traditionalcontroltestingupdateonCrescentbenefits.Inreal-timedetectionandautomaticcontrolsystemofsingle-chipapplications,oftenasasingle-chipcorecomponenttouseonlysingle-chipisnotenoughknowledge,butalsothespecificsoftwareobjectscombinetomakeperfect.

Inthispaper,boththeprocess,inthecontrolofthemainapplicationoftheprocessofAT89C52,DS18B20,MAX232andsoon,butmainlythroughthedigitaltemperaturesensorDS18B20collectingambienttemperaturetosingle-chipmicrocomputerasthecorecontrolcomponents.Usingsingle-chipcomputerasslavetemperaturedataacquisitionandimplementationofPCmachinecontrolcommandissued;WithPCforPCreceiveingsingle-chipcomputersendsdata,dataprocessing,totheMCUsendscontrolcommands.SerialcommunicationbetweenPCandsinglechip,canrealizeremotetemperaturemeasurementandcontrol.ThisdesigntakeadvantageofPCmachineVB6.0softwarepowerfuldataprocessingcapabilitiesandfriendly-machineinterface,torealtimetemperaturecurvedisplay.

KEYWORDS：

Single-chipMicrocomputer，VisualBasic6.0,Temperature-controlSerialcommunication，DS18B20

摘要I

ABSTRACTII

1绪论1

1.1选题背景1

1.2研究的目的和意义1

1.3国内外发展情况2

1.4本文主要研究内容3

2温度控制系统总体设计4

2.1系统设计目标4

2.2系统功能4

2.3系统整体结构4

2.4系统工作过程5

3硬件电路设计6

3.1系统模块设计6

3.2单片机模块6

3.2.1AT89C52单片机6

3.2.2单片机最小系统9

3.3温度采集电路9

3.3.1温度传感器介绍9

3.3.2DS18B20与单片机的硬件接口设计12

3.4控制输出电路设计12

3.4.1光电耦合继电器12

3.4.2控制输出电路13

3.5蜂鸣器报警电路14

3.6液晶显示电路14

3.6.1液晶模块介绍14

3.6.2硬件接口电路15

3.7串行通信电路15

3.7.1RS232介绍16

3.7.2串行通信接口电路17

3.8电源电路17

3.9系统特点18

4系统的软件与算法实现19

4.1系统软件设计19

4.1.1主程序流程图19

4.1.2温度采集流程图20

4.1.3中断流程图21

4.1.4执行模块流程图22

4.2系统的控制算法的选择22

4.2.1PID控制算法22

4.2.2增量式PID程序流程图25

4.3VB6.0开发软件26

4.4PC机通信程序设计26

5系统调试28

5.1硬件调试28

5.2软件调试28

5.2.1下位机软件调试28

5.2.2串口通信模块调试28

5.3PID参数整定29

结语30

致谢31

参考文献31

附录Ⅰ程序流程图33

附录Ⅱ电路图41

1绪论

1.1选题背景

随着现代工业的逐步发展，在工业生产中，温度、压力、流量和液位是四种最常见的过程变量。

其中，温度是一个非常重要的过程变量。

例如：

在冶金工业、化工工业、电力工业、机械加工和食品加工等许多领域，都需要对各种加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉的温度进行控制。

然而，用常规的控制方法，潜力是有限的，难以满足较高的性能要求。

采用单片机来对它们进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大的优点，而且可以大幅度提高被测温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。

因此，单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的控制问题。

1.2研究的目的和意义

电阻加热炉是热处理生产中应用最广的加热设备，这样加热时升温过程的测量与控制就成为关键性的技术。

首先，控温度精度要高。

其次，当生产环境发生变化而影响到控温精度时，要有合适的手段进行调整以达到精度要求。

而且，为了方便进行工艺的研究，需要能保存温度数据。

最后，由于生产中的实际情况，温度控制系统需要较高的控制精度以及降低成本等因素，因此本系统采用单片机温度控制系统。

随着单片机和传感技术的迅速发展，自动检测领域发生了巨大变化，温度自动检测控制方面的研究有了明显的进展，并且必将以其优异的性能价格比，逐步取代传统的温度控制措施。

传统的测控方法是：

采用温度感应元件，提取电信号，放大调理，A∕D变换，将温度相关数字信号传送到计算机，进行数据处理及显示得到温度检测数据。

这种检测方法在工程应用中很麻烦，尤其在分布式多点检测、集中控制采集、检测现场远离集中控制中心的场合，这种温度采集系统需要布置大量的测温电缆，才能把现场传感器的信号送到采集卡上，安装和拆卸繁杂，同时线路上传送的是模拟信号，将造成技术复杂、设备成本高、数据传输易受干扰、测量精度低、系统误差大等缺点。

传统系统方案如图1-1所示。

图1-1传统系统方案

为了克服这些缺点，本文参考了一种基于单片机并采用数字化单总线技术的温度测控系统应用于电阻炉的设计方案，根据使用者提出的问题进行了改进，提出了一种新的设计方案。

数字化单总线技术系统方案如图l-2所示。

图1-2数字化单总线技术系统方案框图

本系统介绍的温度控制系统是基于单总线技术及其器件组建的。

该系统对电阻炉的温度进行采集，利用温度传感器采集的温度值送入单片机与设定值进行处理，最后由单片机去控制，显示电阻炉的实际温度，同时通过比较，对电阻炉是否超过温度限制范围进行分析。

根据分析对电阻炉控制设备进行通断控制，从而达到控制温度的目的。

1.3国内外发展情况

随着社会的发展，科技的进步，以及测温仪器在各个领域的应用，智能化已是现代温度控制系统发展的主流方向。

特别是近年来，温度控制系统已经应用到人们生活的各个方面。

然而就目前而言，国外温度控制系统及仪表已经朝着高精度智能化，小型化等方面快速发展。

温度控制系统在国内各行业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同国外的一些先进国家相比，仍有较大差距。

我国的一些成熟产品只能适应一般的温度系统控制。

近年来温度控制的方法越来越多，常见的温度控制技术有采用专门的温度控制器控制，定值开关控温技术，PID线性控温技术及智能温度控制技术等。

而控制算法也有很多，如模糊控制，神经网络控制，常规PID控制，广义预测控制等。

而现在PID控制技术最为成熟，在本世纪40年代以前，除在最简单的情况下可采用开关控制外，PID控制是唯一的控制方法。

其控制结构简单，参数容易调整，不必求出被控对象的数学模型就可进行调节，所以在众多随着科技发展而产生的新的控制方法中，PID控制仍是运用最广泛的基本控制方式[1]。

随着微控制器开发技术的快速发展及其在各个领域的广泛应用，人们对电子产品的小型化和只能化要求越来越高，作为高新技术之一的单片机以其体积小，价格低，适用范围大以及本身的指令系统等诸多优势，在各个领域，各个行业都得到了广泛应用。

1.4本文主要研究内容

本文以研究控制精确、操作简单、成本低的恒温控制系统为目的，开发温度控制系统。

主要研究工作如下：

（1）研究分析电阻炉实际控制效果以及电阻炉温度参数调节控制的方法。

（2）针对电阻炉温度特点，运用传感器技术、通讯技术、自动检测技术和微型计算机技术，研制能实现对电阻炉多点实时温度监测与控制。

（3）研究并实现上位机系统。

采用VisualBasic6.0开发上位机系统管理软件为用户提供良好的界面，方便进行人机交流，实现数据处理和参数设置。

（4）研究并实现下位机系统。

下位机是电阻炉温度采集系统，它以AT89C52单片机为核心，完成温度的采集、输出控制和显示功能，并可实现超限报警等功能。

（5）完成RS-232接口的方案设计，可以方便的进行温度检测和控制，实现多点的温度检测。

2温度控制系统总体设计

2.1系统设计目标

本系统的设计方案采用DS18B20单总线数字温度传感器，采集电阻炉的温度信号，通过继电器机构的控制，对电阻炉的温度进行控制，已达到恒定温度的目标。

本系统以一台PC机作为上位机，以AT89C52单片机作为下位机控制系统。

下位机实现对电阻炉温度检测和控制，把由温度传感器采集的温度信号与给定值比较，经过PID控制算法，输出相应的控制信号去控制继电器的通与断来进行调节；同时通过串行通信接口将数据送至上位机，由上位机完成数据的处理，并显示其温度曲线。

控制系统工作过程如下：

上位机向单片机发出启动信号，启动单片机及其被控的机构，同时准备接收单片机发送来的信号和数据。

传感器将采集到的信号送入单片机进行数据预处理判断分析；另一方面把上次采集到的数据向上位机发送，同时依据计算机发出的控制信号去控制执行机构以便控制调节电阻炉温度。

测量值与设定值进行比较运算，然后把运算结果送入单片机得出控制信号以此控制执行机构的动作。

然后等待下一个时钟中断信号的到来后再向上位机传送数据，如此不断的循环，以保证电阻炉温度值恒定不变。

2.2系统功能

基于单片机与PC机的温度控制系统应能达到以下功能要求：

（1）可以人为改变设定温度值，温控仪器能自动将电炉加热至此设定值并能保持，直至重新设定为另一温度值，即能自动控制温度；

（2）采用适当的控制方法，当设定温度突变时，减小系统的调节时间和超调量；

（3）温度控制范围为0℃―100℃，温度检测分辨率为0.1℃；

（4）改进控制方法，控制精度达到±0.5℃或更高；

（5）当温度超过上限值时具有自动断电保护功能，如果实际测得的温度值超过了系统要求的温度范围，单片机就会发出断电指令，并进行报警；

（6）系统可将温度数据通过串口送到上位机，上位机软件将接收到温度数据并显示温度变化曲线。

2.3系统整体结构

本系统以单片机为核心，组成一个温度采集、处理、显示、自动控制为一身的闭环控制系统，其原理图如图2-1所示。

系统的整体结构有温度传感器、单片机、液晶显示、RS-232串口通信、控制电路和上位机组成[9]。

图2-1系统硬件框图

2.4系统工作过程

（1）加电以后微控制器首先初始化各个外部设备，包括显示器、数字温度传感器DS18B20、片外EEPROM和接口电路；

（2）从传感器读入当前的温度，从EEPROM读入系统的默认参数设置，处理数据并将对应的内容显示在初始化界面上。

至此，初试化完成；

（3）如果用户需要更改参数只需要进入PC机界面就可以进行参数设置，设参完成后，系统将参数写入EEPROM并自动设置为当前参数；

（4）通过单片机可以将数字温度传感器采集的温度信号在上位机VB界面上显示其当前温度以及温度曲线等；

（5）当温度超过设定值时，单片机P1.4口给一个高电平，固态继电器就自动断开，温度低于设定值时根据PID的调节来控制继电器的通断从而达到控制的效果；

（6）根据上位机的设定温度值与数字温度传感器的测量温度值进行比较，通过PID控制算法来实现恒温目标；

（7）当系统发生异常状况时，报警系统会自动报警，并停止对电热器加热。

3硬件电路设计

3.1系统模块设计

本系统的硬件设计主要包括单片机的最小系统、温度采集电路、液晶显示电路、温度控制电路、蜂鸣器报警电路、串口通信电路等，硬件电路图绘制采用Proteus软件。

（1）单片机：

AT89C52是整个系统的CPU，首先采集得到的当前温度值，用设定值与采集值计算温度偏差，然后进行PID运算，控制电阻炉工作，从而实现温度控制。

AT89C52还负责按键处理、LCD显示、报警处理以及串口通信等工作。

（2）温度采集电路：

本系统采用DS18B20来测量电阻炉的温度，将其转换值直接送到单片机的P3.7口。

（3）温度控制电路：

本温度控制系统采用通断控制，通过给定控制周期内加热器的导通和关断时间，达到调节温度的目的。

（4）液晶显示电路：

显示电路采用LCD1602显示模块，P0口的8根线作为液晶显示器的数据线，用P2.5、P2.6和P2.7作为3根控制线。

（5）蜂鸣器报警电路：

蜂鸣器报警电路由三极管和蜂鸣器组成。

由单片机P1.5口输出高低电平信号控制三极管的导通或截至，三极管道通，则蜂鸣器报警。

（6）串口通信电路：

本系统采用RS232标准总线接口实现单片机和PC机的通信，以实现PC机对单片机的实时监控，可以通过PC机向下位机发送设定温度值。

3.2单片机模块

单片机是本温度控制系统的核心部件，负责数据处理，分别控制通信模块、温度控制模块和温度采集模块。

单片机是单片微型计算机的简称。

它把组成微型计算机的各功能部件：

中央处理器CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、IO接口电路、定时器计数器以及串行通讯接口等部件制作在一块集成芯片中，构成的一个完整的微型计算机[2]。

3.2.1AT89C52单片机

本次设计采用AT89C52单片机。

AT89C52是一种低功耗，高性能CMOS微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash。

AT89C52可提供以下标准功能：

8K字节闪存器，256字节内部RAM，32个IO口线，看门狗定时器，2个数据指针，3个16位定时计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。

AT89C52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。

掉电方式保存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到下一个中断或硬件复位为止。

AT89C52引脚图如图3-1所示。

图3-1AT89C52引脚图

各引脚功能叙述如下：

电源和晶振

 VCC——运行和程序校验时加+5V

 GND——接地

 XTAL1——输入到振荡器的反向放大器

 XTAL2——反向放大器的输出，输入到内部时钟发生器

 （当使用外部振荡器时，XTAL1接地，XTAL2接收振荡器信号）

1．RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，需要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

2．IO（4个口，32根）

P0口：

P0口是一组8位漏极开路型双向IO口，即地址数据总线复用口。

作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入电阻。

在访问外部数据存储器或程序存储器是，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。

在Flash编程时，P0口接收指令字节。

而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。

P1口：

P1是一个带内部上拉电阻的8位双向IO口，P1的输出缓冲级可驱动4个TTL逻辑门电路。

Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。

表3-1P1.0和P2.0的第二功能

引脚口

功能特性

P1.0

T2（定时计数器2外部计数脉冲输入），时钟输出

P1.1

T2EX（定时计数2捕获重装载触发和方向控制）

P2口：

8位、准双向IO口。

当使用片外存储器（ROM及RAM）时，输出高8位地址。

在编程校验的时候，接收高位字节地址。

P2口可以驱动4个LSTTL负载。

P3口：

8位、准双向IO口，具有内部上拉电路。

P3口可以提供各种替代功能。

在提供这些功能的时候，其输出锁存器应由程序置1。

P3口可以输入输出4个LSTTL负载。

P3口除了作为一般的IO口外，更重要的用途是它的第二功能，如表3-2所示：

表3-2P3口第二功能

端口引脚

第二功能

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

INT0（外中断0）

P3.3

INT1（外中断1）

P3.4

T0（定时计数器0外部输入）

P3.5

T1（定时计数器1外部输入）

P3.6

WR（外部数据存储器写选通）

P3.7

RD（外部数据存储器读选通）

ALEPROG：

地址锁存允许信号，输出。

在ALE以16的振荡频率稳定速率输出时，可用作对外输出的时钟或用于定时。

在EPROM编程的时候，作输入，输入编程脉冲（PROG）。

ALE可以驱动8个LSTTL负载。

当访问外部存储器的时候，地址锁存所允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。

在FLASH编程的时候，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时的时候，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的16。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

注意：

每当用作外部数据存储器的时候，将跳过一个ALE脉冲。

如果想要禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX指令，而MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚会被略微的拉高。

如果微处理器处于外部执行状态ALE禁止，置位无效。

PSEN：

片外程序存储器选通信号，低电平有效。

在从片外程序存储器取址的时候，在每个机器周期中，当PSEN有效的时候，程序存储器的内容被送上P0口（数据总线）,PSEN可以驱动8个LSTTL负载。

3.2.2单片机最小系统

11.0592MHZ外接晶振与两个30pF的电容C1和C2构成并联谐振电路。

复位电路为上电复位和开关复位组合电路，可以通过重新给单片机上电或者通过按键对单片机进行复位。

图3-2单片机最小系统电路图

3.3温度采集电路

3.3.1温度传感器介绍

DSl8B20是该公司继DSl820之后最新推出的一种数字化单总线器件，属于新一代适配微处理器的改进型智能温度传感器。

其内部使用了在板（ON—BOARD）专利技术。

单总线技术是该公司近年推出的新技术。

它将地址线、数据线、控制线、电源线合为一根信号线，允许在这根信号线上挂数百个测控对象，这些测控对象所用芯片均由该公司提供。

单总线技术具有以下特点：

测控对象越多越显示其优越性，性价比高，硬件施工、维修方便，抗干扰性能好，具有CRC校验功能，可靠性高，软件设计规范，系统简明直观，易于掌握。

因此，积极推广单总线技术的应用会有较好的经济效益和社会效益[4]。

（1）DS18B20的特点

（a）独特的单线接口，只需1个接口引脚即可通信。

采用单总线专用技术，既可通过串行口线，也可通过其它IO口线与微机接口，无须经过其它变换电路，直接输出被测温度值；

（b）多点能力使分布式温度检测应用得以简化；

（c）可用数据线供电，供电电压：

+3.0V～+5.5V；

（d）测量范围从–55℃至+125℃。

固有测温分辨率为0.5℃。

当在–10℃～+85℃范围内，可确保测量误差不超过0.5℃，在–55℃～+125℃范围内，测量误差也不超过2℃；

（e）通过编程可实现9-12位的数字读数方式。

转换速率高，进行9位的温度转换仅需93.75ms，而分辨率为12位时该值最大为750ms；

（f）内含寄生电源。

（2）DS18B20的测温原理

DS18B20的测温原理如图3-3所示：

图3-3DS18B20内部测温电路原理框图

图中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，高温度系数晶振的振荡频率随温度变化而明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入。

图中还隐含着计数门，当计数门打开时，DSl8B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数，进而完成温度测量。

测量值以16位二进制补码的形式存放在便笺式存储器中，温度值由主机通过发送读存储器命令读出，经过取补和十进制转换，得到实测的温度值。

图中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值，这就是DSl8820的测温原理。

（3）DS18B20工作过程

由于DS18B20采用的是单总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输，而对STC89C52单片机来说，硬件上并不支持单总线协议，因此，我们必须采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对DS18B20芯片的访问。

由于DS18B20是在一根IO线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。

DS18B20有严格的通信