压力闭环控制系统的研究与设计.docx

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压力闭环控制系统的研究与设计

第一部分设计说明书

一、设计说明书

第二部分外文资料翻译

一、外文资料原文

二、外文资料翻译

第三部分过程管理资料

一、毕业设计课题任务书

二、本科毕业设计开题报告

三、本科毕业设计中期报告

四、毕业设计指导教师评阅表

五、毕业设计评阅教师评阅表

六、毕业设计答辩评审表

2011届

本科生毕业设计资料

第一部分设计说明书

　　（2011届）

　　本科生毕业设计说明书

题目压力控制系统的研

究与设计

系　　　　部：

电子与通信工程

专业：

电气工程及其自动化

学生姓名：

班级：

学号

指导教师姓名：

职称

最终评定成绩

2011年5月

长沙学院本科生毕业设计

压力控制系统的研究与设计

系（部）：

电子与通信工程

专业：

电气工程及其自动化

学号：

学生姓名：

指导教师：

副教授

2011年5月

摘要

随着国民经济的发展，人们需要对各种加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中温度进行监测和控制。

采用单片机来对他们控制不仅具有控制方便，简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大的提高产品的质量和数量。

温度的检测与控制是工业生产过程中比较典型的应用之一，随着传感器在生产和生活中的更加广泛的应用，利用新型单总线式数字温度传感器实现对温度的测试与控制得到更快的开发，本文设计了一种基于AT89S52的温度检测及控制系统的恒温箱。

该系统将单总线温度传感器DS18B20接在控制器的一个端口上,对传感器温度进行采集,将采集到的温度值与设定值进行比较,进行加热到设定温度。

文中着重介绍了LCD液晶显示、键盘扫描及按键处理、温度信号处理、超温报警等程序及电路。

通过模块化的设计，最终仿真成功，能够快速调节温度，使恒温箱达到设定的温度并维持，并且整个过程伴随指示灯显示各状态。

关键词：

单片机，AT89S52，温度传感器，DS18B20，键盘，温度显示

ABSTRACT

Alongwithnationaleconomydevelopment,thepeopleneedtoeachheatingfurnace、theheat-treatmentfurnace、inthereactorandtheboilerthetemperaturecarryonthemonitorandthecontrol.Notonlyusesthemonolithicintegratedcircuittocometothemtocontrolhasthecontroltobeconvenient,simpleandflexibilitybigandsoonmerits,moreovermayenhancelargescaleisaccusedthetemperaturetechnicalspecification,thuscanbigenhancetheproductthequalityandquantity.

Temperaturedetectionandcontrolofindustrialproductionprocess,oneofthemoretypicalapplications,withsensorsinproductionandlifeismorewidelyused,usinganewsingle-busdigitaltemperaturesensortoachievethetestandcontrolthetemperaturemorerapidlydevelopment,thisincubatorisdesignedbasedonAT89S52temperaturedetectionandcontrolsystems.Thesystemwillbeasingle-bustemperaturesensorDS18B20andconnectedtoaportonthecontroller,.Thencollectthedatafromthetemperaturesensors.Thetemperaturewillbecollectedtocomparewiththesetvalue,andtobeheatedtothesettemperature.Inthearticleemphaticallyintroducedcircuitandprocedureoflcddisplay,keyboardscanningandpressedkeydisposal,temperaturesignalprocessingandexcesstemperaturewarning.Throughthemodulardesign,andfinally,toregulatethesimulation,theconstanttemperatureboxtemperaturetosettemperatureandmaintain,andthewholeprocessisthateachindicator.

Keywords:

singlechip，AT89S52，temperaturesensor，DS18B20，keyboard,temperaturedisplay

第1章系统总体方案设计

1.1课题背景

随着单片机技术的迅速兴起与蓬勃发展，其稳定、安全、高效、经济等优点十分突出，所以其应用也十分广泛。

单片机已经无处不在、与我们生活息息相关，并且渗透到生活的方方面面。

单片机的特点是体积较小，也就是其集成特性，其内部结构是普通计算机系统的简化，增加一些外围电路，就能够组成一个完整的小系统，单片机具有很强的可扩展性。

它具有和普通计算机类似的、强大的数据处理功能，通过使用一些科学的算法，可以获得很强的数据处理能力。

所以单片机在工业中应用中，可以极大地提高工业设备的智能化、数据处理能力和处理效率，而且单片机无需占用很大的空间。

随着温度检测理论和技术的不断更新,温度传感器的种类也越来越多，在微机系统中使用的传感器，必须是能够将非电量转换成电量的传感器，目前常用的有热电偶传感器、热电阻传感器和半导体集成传感器等，每种传感器根据其自身特性，都有它自己的应用领域。

本设计所介绍的数字温度计与传统的温度计相比，具有读数方便，测温范围广，测温准确，其输出温度采用数字显示，主要用于对测温比较准确的场所，或科研实验室使用，该设计控制器使用单片机AT89S52，测温传感器使用DS18B20，用LCD液晶屏实现温度显示,能准确达到以上要求。

1.2温度检测与及报警系统的国内外状况

温度是一个非常重要的物理量，因为它直接影响燃烧、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、产品产量等一系列问题。

因此对温度的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道路。

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。

单片机诞生于二十世纪七十年代末，经历了SCM、MCU和SOC三大阶段

在现代化的工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。

例如：

在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。

采用MCS-51单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，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问题。

同时温度也是生活中最常见的一个物理量，也是人们很关心的一个物理量，它与我们的生活息息相关，有着十分重要的意义，在工业生产中，温度过高或过低会直接影响到产品的质量、对机械设备和控制系统中的各种元器件造成一定的损坏，严重的会影响到生产安全。

在日常生活中，温度过高或过低同样会造成一些不良影响。

在实际生产、生活等各个领域中，温度是环境因素的不可或缺的一部分，对温度及时精确的控制和检测显得尤为重要。

比如，农业上土壤各个层面上的温度将会影响植物的生长；在医院的监护中也用到温度的测量。

在工业中，料桶里外上限温度要求不一，以及热处理中工件各个部位的温度对工件形成后的性能至关重要等等。

现代电子工业的飞速发展对自动测试的要求越来越高。

采用单片机对温度进行控制,不仅具有控制方便和组态简单的优点,而且可以提高被控温度的技术指标。

针对以上情况，在控制成本的前提下，通过本设计设计一款能够实时检测控制温度，又具有对系统设定不同的报警温度的温度控制报警系统功能。

此系统能够满足现代生产生活的需要，效率高，具有较强的稳定性和灵活性。

因此，在生产和生活中要对温度进行严格的控制，使温度在规定的范围内变化。

通过本系统提高学生对于温度控制的认识。

在学习实践中提高对理论的认知能力和动手解决实际问题的能力，达到教学实践相结合的目的。

及采用先进的科学技术，加以丰富的保安实际经验和知识，向社会提供各种超值安全设备服务，给用户带来安全和放心。

随着人们生活水平的不断提高,单片机控制无疑是人们追求的目标之一，它所给人带来的方便也是不可否定的，其中数字温度计就是一个典型的例子，但人们对它的要求越来越高，要为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施就需要从数单片机技术入手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。

1.3确定系统任务

设计基于单片机的温度控制器，使恒温箱达到键盘设置温度，显示器要同时显示设置温度和恒温箱实际温度；温度调节范围：

室温到60℃；温度误差<2℃；温度上升调节时间<50秒；温度显示保留1位小数；恒温箱内放置一个灯泡加热，电源为220VAC。

1.4系统组成与工作原理

温度测量及加热系统控制的总体结构如图1.1所示。

系统主要包括现场温度采集、实时温度显示、加热控制参数设置、加热电路控制输出、与报警装置和系统核心AT89S52单片机作为微处理器。

图1.1系统总体原理框图

温度采集电路以数字量形式将现场温度传至单片机。

单片机结合现场温度与用户设定的目标温度，按照已经编程固化的模糊控制算法计算出实时控制量。

以此控制量控制固态继电器开通和关断，以决定温度控制电路的工作状态，使温度不超过目标值。

在温度接近或达到目标值时，单片机通过采样回的温度与设置的目标温度比较做出相应的控制，使恒温箱温度稳定在设置温度。

系统运行过程中的各种状态参量均可由液晶实时显示。

选用AT89S52单片机为中央处理器，通过温度传感器对恒温箱进行温度采集，将采集到的信号传送给单片机，在由单片机对数据进行处理控制显示器，并比较采集温度与设定温度是否一致，然后驱动恒温箱的加热或制冷。

1.5实验方案

用按键输入标准温度值，用LCD实时显示恒温箱温度，驱动固态热继电器通电，启动加热器加热，基于proteus和wave6000的联合调试仿真测试平台，对所设计的软、硬件进行调试和仿真，Proteus的ISIS是一款专业的单片机软件仿真系统该软件的特点：

①全部满足我们提出的单片机软件仿真系统的标准，并在同类产品中具有明显的优势。

②具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS-232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。

③目前支持的单片机类型有：

68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。

④支持大量的存储器和外围芯片。

总之该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大，可仿真51、AVR、PIC。

第2章恒温箱温度控制系统硬件设计

考虑到尽量降低成本和避免与复杂的电路，此系统所用到的元器件均为常用的电子器件。

而主控器采用低功耗、高性能、片内含8kbyte可反复檫写的Flash、只读程序器CMOS8位单片机AT89S52；温度传感器采用DALLAS公司生产的单总线数字温度传感器DS18B20；采用控制端TTL电平，即可实现对继电器的开关，使用时完全可以用NPN型三极管接成电压跟随器的形式驱动；单片机所需要的+5V工作电源是通过220V交流电压通过变压、整流、稳压、滤波得到。

实时控制的显示器、键盘通过单片机来完成键盘扫描与输出动态显示。

2.1AT89S52单片机简介

2.1.1AT89S52单片机资源简介

AT89S52的结构如图2.1所示。

由于它的广泛使用使得市面价格较8155、8255、8279要低，所以说用它是很经济的。

该芯片具有如下功能：

①有1个专用的键盘/显示接口；②有1个全双工异步串行通信接口；③有2个16位定时/计数器。

这样，1个AT89S52，承担了3个专用接口芯片的工作；不仅使成本大大下降，而且优化了硬件结构和软件设计，给用户带来许多方便。

图2.1AT89S52芯片

89S52有40个引脚，有32个输入端口（I/O），有2个读写口线，可以反复插除。

所以可以降低成本。

主要功能特性：

（1）兼容MCS51指令系统

（2）32个双向I/O口线

（3）3个16位可编程定时/计数器中断

（4）2个串行中断口

（5）2个外部中断源

（6）2个读写中断口线

（7）低功耗空闲和掉电模式

（8）8k可反复擦写（>1000次）FlashROM

（9）256x8bit内部RAM

（10）时钟频率0-24MHz

（11）可编程UART串行通道

（12）共6个中断源

（13）3级加密位

（14）软件设置睡眠和唤醒功能。

2.1.2AT89S52单片机信号引脚介绍

输入输出口线

～

口8位双向口线

～

口8位双向口线

～

口8位双向口线

～

口8位双向口线

ALE地址锁存控制信号

在系统扩展时,ALE用于控制把

口输出的低8位地址送入锁存器锁存起来,以实现低位地址和数据的分时传送。

此外由于ALE是以六分之一晶振频率的固定频率输出正脉冲,因此可作为外部定时脉冲使用。

外部程序存储器读选通信号

在读外部ROM时,

有效（低电平）,以实现外部ROM单元的读操作。

访问程序存储趋控制信号

但

信号为低电平时,对ROM的读操作限定在外部程序存储器；而当

信号为高电平时,则对ROM的读操作是从内部程序存储器开始,并可延续至外部程序存储器。

RST复位信号

当输入的复位信号延续2个机器周期以上高电平时即为有效，用以完成单片机的复位操作。

和

外接晶体引线端

当使用芯片内部时钟时，此二引线端与外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。

地线

+5V电源

2.1.3AT89S52单片机时钟和复位电路

时钟电路

时钟电路用于产生单片机工作时所需的时钟信号。

单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为保证同步工作方式的实现，单片机应该在唯一的时钟信号控制下工作，严格按照时序执行指令进行工作，而时序所研究的是指令执行中各个信号的关系。

时钟是单片机的心脏，单片机的各功能部件的运行都是以时钟频率为基础，有条不紊地一拍一拍地工作。

因此，常用的时钟电路有两种方式，一种是内部时钟方式，一种是外部时钟方式。

单片机内部有一个高增益反向放大器，输入端为芯片引脚

，输出端为引脚

。

而在芯片外部

和

之间跨接晶体振荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器。

晶体震荡频率高，则系统的时钟频率也高，单片机运行速度也就快，但反过来运行速度快对存储器的速度要求就高，对印制电路板的工艺要求也高，所以，这里使用震荡频率为12MHz的石英晶体。

震荡电路产生的震荡脉冲并不直接是使用，而是经分频后再为系统所用，震荡脉冲经过二分频后才作为系统的时钟信号。

电路中的电容典型选择通常是30pF左右。

对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容值的大小会影响振荡频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。

晶体的振荡频率通常为1.2MHz—12MHz之间。

晶体的频率越高，则系统的时钟频率也越高，单片机的运行速度也就越快。

但运行越快对存储器的速度要求就越高，对电路板的工艺要求也就更高，即要求线间的寄生电容要小，晶体和电容应该尽量安装在单片机附近，以减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定和可靠地工作。

为了提高温度稳定性，应该采用温度稳定性能好的NPO高频电容。

在设计电路板时，振荡器和电容应尽量靠近单片机，以避免干扰。

需要注意的是：

电路板时，振荡器和电容应尽量安装得与单片机靠近，以减小寄生电容的存在更好的保障振荡器稳定、可靠的工作电路图如图2.2所示。

图2.2时钟电路

复位电路

单片机的复位电路分上电复位和按键复位两种方式。

（a）上电复位：

在加电之后通过外部复位电路的电容充电来实现的。

当

的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就完成了系统的初始化电路原理图。

RST上的电压必须保证在斯密特触发器的阀值电压以上足够长时间，满足复位操作的要求。

（b）按键复位：

程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为了摆脱困境，也需按复位键以重新启动。

RST引脚是复位信号的输入端，复位信号是高电平有效。

按键复位又分按键脉冲复位（图2.3）和按键电平复位。

电平复位将复位端通过电阻与

相连，按键脉冲复位是利用RC分电路产生正脉冲来达到复位的。

图2.3复位电路

（c）注意：

因为按键脉冲复位是利用RC微分电路产生正脉冲来达到复位的。

所以电平复位要将复位端通过电阻与

相连.如复位电路中R、C的值选择不当，使复位时间过长，单片机将处于循环复位状态。

故本设计采用按键复位。

2.2温度传感器选择

温度检测方法根据敏感元件和被测介质接触与否，可以分为接触式和非接触式两大类。

接触式检测方法主要包括基于物体受热体积膨胀性质的膨胀式温度检测仪表，基于导体和半导体电阻值随温度变化的热电阻温度检测仪表，基于热电效应的热电偶检测仪表。

而非接触式的主要是利用物体的热辐射特性与温度之间的对应关系对温度进行检测。

由于此系统中被测物体为金属和空气，所以没用必要使用非接触式的传感器。

温度是非电量信号，要想测量温度信号必须将其转化为可以方便处理的电信号。

温度传感器依据自身材料的特点可以将温度信号转变为电信号，目前我们常见的温度传感器主要有热电偶、热敏电阻、电阻式温度探测器（RTD）和集成温度传感器。

1、热电偶

热电偶是利用热电效应原理（将两种不同材料的导体组成一个闭环回路，如果两个结点的温度不同，则回路中将产生一定的电势，其大小与材料性质及结点温度有关，称这种现象为热电效应）将温度转换成电势变化的热敏传感器。

使用热电偶测量温度时容易引起误差，由于热电势是因不同金属材料的结合产生的，故不同材料连接形成的其它结合也会在电路中引入电压变化，这一误差信号称为冷端误差。

因此在测量中需要冷端补偿环节来消除这一误差。

热电偶的测温范围很宽，一般在－200℃—+2000℃之间，常用的测温区段是500℃的高温区。

2.、电阻式温度探测器

RTD的电阻随温度增加而增加，常见的RTD的构成材料是铂、镍、铜。

RTD的基本结构十分简单，其敏感部分由玻璃、云母、陶瓷等绝缘材料支撑并与导线相连，外部包裹保护性外套。

RTD的引线结构有2线、3线和4线三种。

当RTD直接与接收信号的仪器端连接以防止导线长度引入的误差时，可以采用2线RTD。

若传感器与接受仪器之间距离较长互连的导线长度必须予以考虑时，则应采用3线RTD。

这种方法的精度对于许多工业应用已经足够。

若需要更高的精度，则可以采用4线RTD。

这种RTD的两对引线中，一对用于对RTD提供激励电流，而另一对则用于测量其两端电压。

这种方法可显著地减小导线的电压降，从而保证高精度。

3、热敏电阻

热敏电阻是一种用半导体材料制成的敏感元件，它是电阻随温度变化的热敏器件，因此它又可以分为正温度系数热敏电阻（PTC，电阻值随温度的升高而增大）和负温度系数热敏电阻（NTC，电阻值随温度的升高而减小）。

PTC热敏电阻主要采用BTaO3系列材料制成的，当温度超过某一数值时，其电阻值朝正方向决速变化。

PTC的工作温度范围较窄，在工作区两端，电阻—温度曲线上有两个拐点Tpl和Tp2,当温度低于TPI时，温度灵敏度低;当温度升高到Tp2后，电阻值随温度的升高按指数规律迅速增大。

因此PTC主要用于彩电消磁，各种电器设备的过热保护，发热源的定温控制，也可作限流元件使用。

NTC在很高的温度范围（一般在－55℃—300℃）内，电阻值随温度是按指数规律变化的。

NTC的主要优点有:

电阻温度系数达，灵敏性高;结构简单，体积小，可测点温度;电阻率高，热惯性小，适用于动态测量;易于维护和进行远距离控制;制造简单，使用寿命长。

缺点是非线性严重。

4、集成温度传感器

按照温度传感器输出信号的模式，可大致分为模拟式集成温度传感器和数字式集

成温度传感器。

（1）模拟式集成温度传感器

模拟式集成温度传感器是在半导体PN结测温基础上迅速发展起来的一种新型测温元件，常见的型号有AD590和LM335。

AD590在－50℃—+l50℃范围内相当于一个高阻抗电流源，它的输出电流与温度呈线性关系:

Io=luA/K，测温精度是士0.5℃。

LM335在－40℃—+l00℃范围内相当于一个电压源，输出电压与温度的关系为:

UO=10mV/K。

模拟式集成温度传感器具有优良的线性特性，并具有抗干扰能力强，可远距离测温等特点，但是体积比NTC稍大，不适合于点测温的场合。

（2）数字式集成温度传感器

数字温度传感器对于更紧密控制能力、更高精度和更大分辨率的需求带动了数字温度传感器的发展。

被测温度信号从敏感元件接收的非电量到转换为微处理器可处理的数字信号,环节较多,而且模拟信号在长距离传输的过程中,受到的干扰较多,误差较大。

因此,从非电量转换到数字信号,一般将其处理过程集成在单片IC器件体内部,这样就形成了功能强大,精确的数字传感器。

5、方案选择

方案1：

采用热敏电阻，这种电阻是利用对温度敏感的半导体材料制成的，其阻值随温度变化有明显的改变。

负温度系数热敏阻电通常是、钴的氧化物烧制成半导体由陶锰瓷制成。

其特点是，在工作范围内阻值随温度声高而降低。

可满足40℃~90℃测量范围。

但热敏电阻精度、重复性、