温度闭环控制系统.docx

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温度闭环控制系统

本科生毕业论文（设计）

系（院）物理与电子工程学院　专业电子信息工程     

论文题目  温度闭环控制系统         

学生姓名    

指导教师  （讲师）

（姓名及职称）

班  级 08级电信4班

学  号 08309132   

完成日期：

2012年4月

温度闭环控制系统

徐凤羽

物理与电子工程学院电子信息工程08309132

[摘要]以AT89S52单片机为核心设计了一个温度闭环控制系统。

系统利用DS18b20对外界温度进行采集，得到相应的数字量，并显示在液晶显示器上。

当外界温度高于设定温度时启动带风扇的电动机进行降温,低于设定温度时带风扇的电动机停止转动。

其主要功能模块包括温度采集电路、单片机控制器、液晶显示电路和降温系统。

[关键词]AT89S52 DS18B20 LCD1602

前言

机械制造行业中，用于金属热处理的加热炉，需要消耗大量的电能，而且温度控制是纯滞后的一阶惯性环节。

随着科技进步和生产的发展，自动控制系统在各个领域尤其是工业领域中有着及其广泛的应用，温度控制是控制系统中最为常见的控制类型之一。

随着单片机技术的飞速发展，通过单片机对被控对象进行控制日益成为今后自动控制领域的一个重要发展方向。

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。

对工件的处理温度要求严格控制，计算机温度控制系统使温度控制指标得到了大幅度提高。

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。

科学的运用单片机来控制温度不仅会为企业创造更好的利润，还能给人们的生活到来诸多便捷。

1.方案的选择与论证

简单的一个温度闭环控制系统由软件和硬件两个部分构成。

硬件系统采用AT89S52单片机作为主控器，用18B20温度传感器实现温度采集和LCD1602液晶显示温度等功能。

软件系统采用模块化设计，包括电源模块，信号采集模块，单片机控制模块，显示模块以及系统降温模块。

1.1控制器模块

方案一：

采用FPGA作为系统控制器。

FPGA功能强大，可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高，它将所有器件集成在一块芯片上，减少了体积，提高了稳定性，并且可应用EDA软件仿真、调试，易于进行功能扩展。

FPGA采用并行的I/O口方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统控制核心。

但本设计对数据处理的速度要求不高，FPGA的高速处理的优势得不到充分体现，并且其成本偏高，引脚较多，硬件电路布线复杂。

方案二：

采用AT89S52系统控制器。

AT89S52是一种低电压、高性能的COMS8位单片机，片内含4Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器和128bytes的随机存取数据存储器，器件采用ATEML公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容MCS—51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89S52功能强大，性价比高且具有算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点。

基于以上分析拟订方案二，有AT89S52作为控制核心，对温度进行处理和显示进行控制。

1.2温度采集模块

方案一：

负温度系数热敏电阻。

它具有非常大的负温度系数,电阻值随环境温度或因通过电流而产生自热而变化，即在一定的测量功率下，电阻值随着温度上升而迅速下降。

但在传统的模拟信号远距离温度测量系统中，需要很好的解决引线误差补偿问题、多点测量切换误差问题和放大电路零点漂移误差问题等技术问题，才能够达到较高的测量精度。

另外一般监控现场的电磁环境都非常恶劣，各种干扰信号较强，模拟温度信号容易受到干扰而产生测量误差，影响测量精度。

方案二：

在温度测量系统中，采用抗干扰能力强的新型数字温度传感器是解决这些问题的最有效方案，新型数字温度传感器DS18B20具有体积更小、精度更高、适用电压更宽、采用一线总线、可组网等优点，在实际应用中取得了良好的测温效果。

新的"一线器件"DS18B20体积更小、适用电压更宽、更经济。

DS18B20可以程序设定9～12位的分辨率，精度为±0.5°C。

可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。

分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。

DS18B20的性能是新一代产品中最好的！

性能价格比也非常出色！

基于以上分析拟订方案二，选择这个方案电路更简单，测量更加精确。

1.3显示模块

方案一：

采用液晶显示屏。

液晶显示屏具有功耗小、轻薄短小无辐射危险，平直、显示以及影象稳定不闪烁，可视面积大，画面效果好，抗干扰能力强等特点

方案二：

采用三位LED七段数码管。

数码管具有：

低能耗、低损耗、低压、寿命长、耐老化，对外界环境要求较低。

同时数码管显示信息少，动态扫描占用太多CPU

资源等。

基于以上分析拟订方案一。

为了使系统更加简便，显示更方便，选择方案一采用液晶显示器。

1.4降温模块

降温系统的作用主要是在温度超过规定的温度或低于下限温度或达到预定温度时，发动机子程序就会控制信号的输出，温度高于规定的温度范围以及达到规定的温度时，发动机就会转动启动风扇降温，达到降温的效果，同时显示器显示当前温度。

1.5系统模块最终方案

根据以上分析，结合器件和设备等因素，确定如下方案：

1.采用AT89S52单片机作为中央控制器，分别对信号分析处理、LCD液晶显示进行控制。

2.温度的采集用高精度的DS18B20温度传感器作为温度检测元件。

3.显示模块采液晶显示屏，实现温度显示结果。

4.到设定温度启动发动机，实现降温结果。

2.硬件的设计与实现

2.1系统硬件模块关系

系统总体分为：

中央控制芯片，温度采集电路，LCD显示电路，电动机电路，电源电路等部分。

系统总体方框如图2.1所示。

图2.1系统方框图

2.2温度采集与控制电路

温度采集部分采用的是温度的采集用高精度的DS18B20温度传感器作为温度检测元件。

我们采用DS18B20温度传感器作为外部温度感受器件。

因为温度传感器DS18B20具有体积更小、精度更高、适用电压更宽、采用一线总线、可组网等优点，在实际应用中取得了良好的测温效果。

新的"一线器件"DS18B20体积更小、适用电压更宽、更经济。

DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s减为750ms。

DS18B20外形及引脚如图3

图2.2DS18B20外形及引脚

DS18B20引脚定义：

第一引脚：

DQ为数字信号输入、输出端。

第一引脚：

GND为电源地。

第一引脚：

VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。

2.3单片机电路

AT89S52是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4KBYTES的可系统编程Flash程序存储器，器件采用ATEML公司的高密度，非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。

它集Flash程序存储器，既可在线编程也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中。

  设计采用的AT89S52具有以下标准功能：

8K字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

其最小系统只需要在外部接上复位和石英晶体。

电路原理如图5所示。

最小系统的特点是外部无扩展，可为用户提供最大I/O口。

图2.3单片机电路原理

2.4液晶显示器电路

LCD1602是工业字符型液晶，能够同时显示16×02即32个字符。

1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：

阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等。

其引脚平面图如图2.4.1所示。

图2.4.1LCD1602引脚平面图

其与单片机连接电路如下图2.4.2所示。

图2.4.2LCD与单片机连接电路

2.5按键电路

在本设计中，主芯片的P1口的四个引脚P1.0，P1.1，P1.7分别与三个按键S2，S3，S4相连接，且分别外接了10K的上拉电阻。

三个按键在设计中作为设定闭环控制系统的温度时的控制按键，S2是功能键，按一次，可以进行上限温度设置按两次，可以进行下限温度设置，按第三次恢复正常温度显示。

按键S3减小键，可以对上限温度或下限温度进行减小调整。

按键S4是增加键，可以对下限温度或下限温度进行增大调整。

图2.5按键电路

2.6电机电路

在设计中，降温系统采用的是有电机进行降温。

当温度传感器测得的温度高于设置温度时，启动带风扇的电机；测得的温度低于设置温度时，带风扇的电机停止运动。

图2.6电机电路

2.7电源电路

电源的作用是给电路各个部分提供能源,本设计本设计中需要+5V电源电路，由于单片机和液晶显示器需要+5V供电,而日常家用电为220V的交流电压,所以需要由变压器和稳压芯片7805将其转换成+5V的输出电压。

温度采集模块输出电压是一个0~5V的变化电压值,为使输出电压更加准确和稳定,我们采用一个+12V的电压经过一个9.1V的稳压管给来采集模块供电.

提供+12V电压的电源由变压器和芯片7812构成。

7812为3端正稳压电路，将一个高于12V的直流变成一个稳定的12V直流电,并且输出电流很高,可以带动较大的负载。

提供-12V电压的电源由变压器和芯片79L12构成。

79L12为3端正稳压电路，将一个低于12V的直流变成一个稳定的12V直流电.