毕业设计论文基于单片机的温度控制系统设计.docx
《毕业设计论文基于单片机的温度控制系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计论文基于单片机的温度控制系统设计.docx（23页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
毕业设计论文基于单片机的温度控制系统设计
毕业设计论文-基于单片机的温度控制系统设计
基于单片机的温度控制系统设计
高云
2007080104
专业名称通信工程申请学士学位所属学科工科指导教师姓名、职称刘磊讲师
2011年05月30日
摘要
摘要
温度是工业生产和科学实验中至关重要的一个因素,在医药，冶金，航空和化工中都起着相当大的作用，温度的高低可以影响着许多产品的质量和使用的寿命!
因此,研究高性能的温度控制系统是现今的主要任务,本文基于单片机的温度控制系统的开发与应用做出了相应的探讨，并且介绍了一种基于AT89C51单片机的温度检测及控制系统的设计与实现。
本设计主要从硬件和部分软件介绍了AT89C51单片机温度控制系统的设计思路，简单说明如何实现对温度的控制，并对硬件原理图和程序框图作了简洁的描述。
还介绍了在单片机控制系统的软硬件设计中的一些主要技术关键环节，该系统主要以AT89C51单片机为核心，由温度检测电路，模、数转换电路，过零检测电路,报警指示电路，光电隔离与功率放大电路等组成。
关键词:
单片机;温度传感器;温度检测;温度控制
I
Abstract
ABSTRACT
Temperatureinindustrialproductionandscientificexperimentasafactorcrucialinthepharmaceuticalandchemicalmetallurgyaviationplaysarelevantroleintemperaturecanaffectthelevelofproductqualityanduseofmanyofthelife!
Therefore,thestudyhigh-performancetemperaturecontrolsystemisthemaintaskofthepresentpaper,basedonaTemperatureControlSystemtomaketheappropriatedevelopmentandapplicationof,andintroducestheAT89C51microcontrollerbasedtemperaturemeasurementandcontrolsystemdesignandimplementation.
ThedesignofthemainpartsfromthehardwareandsoftwareintroducestheAT89C51TemperatureControlsystemdesign,abriefdescriptionofhowtoachievetemperaturecontrol,andhardwareschematicsandmadeaconcisedescriptionoftheblockdiagram.AlsointroducedintheSCMsoftwareandhardwaredesignofsomekeytechnologyareas,thesystemmainlyinAT89C51asthecore,thetemperaturedetectioncircuit,analog,digitalconversioncircuit,thezerodetectioncircuit,thealarmindicatingcircuit,opticalisolationandpoweramplifiercircuitetc.
Keywords:
microcontroller;temperaturesensor;temperaturedetection;temperaturecontrol
II
1.引言.................................................................................................................................................2
1.1绪论.......................................................................................................................................2
1.2课题展望...............................................................................................................................2
1.3课题举例简介.........................................................................................................................32设计思想及系统结构.......................................................................................................................5
2.1系统的设计思想................................................................................................................5
2.2具体设计...............................................................................................................................5
2.3元器件介绍.............................................................................................................................6
2.3.1温度传感器DS18B20.................................................................................................6
2.3.2AT89C51......................................................................................................................7
2.3.3ADC0809.....................................................................................................................9
2.3.4DAC0832...................................................................................................................10
2.4光电隔离电路......................................................................................................................11
2.5PID控制算法.......................................................................................................................113各元器件设计.................................................................................................................................13
3.1键盘单元..............................................................................................................................13
3.2温度控制及超温和超温警报单元......................................................................................14
3.3温度控制器件电路...............................................................................................................14
3.4显示单元.............................................................................................................................15
3.5接口通信单元.......................................................................................................................154电源输入......................................................................................................................................185程序设计.....................................................................................................................................19
5.1程序结构分析......................................................................................................................19
5.2主程序.................................................................................................................................19结束语................................................................................................................................................21参考文献............................................................................................................................................22致谢................................................................................................................................................23
III
泰山学院本科毕业论文
1引言
1.1绪论
温度在工业自动化、家用电器、环境保护、安全生产和汽车工业中,都是最基本的检测参数之一。
特别是化学工业自动化系统中,一般温度检测占全部检测点的50%以上,可见温度检测的重要性所在。
随着科学技术的不断发展,各企业对温度检测技术提出了更高的要求,希望利用新的检测方法,制造出适应性更强、精度更高、性能更稳定,具有智能功能的新一代温度检测仪表。
温度控制器是工农业生产中常用的加热控制设备,旧式的控温器其控温方式多数采用通断控制方式,存在着温度控制精度较差,控温效果不佳,特别是当被控温度接近1000?
时,更难达到高精度的要求。
本课题设计了一种利用单片机芯片构成的调温控制电路,其温度控制方式采用PID调节,通过控制晶闸管的导通角来实现对温度的精密调节,能同时设计出粗调及微调两个温度设定按钮,能方便地进行大范围温度设定,控制效果很好,完全能满足工农业生产过程中的各类恒温需要。
目前,温度的自动控制系统大多采用的电子式控制方式,主要存在以下两个明显缺点:
?
采用的元器件比较落后,导致电路较为复杂,使用的逻辑元器件也较多,增加了备件管理和维护工作的难度;?
由于系统整体比较复杂,同时模拟仪表的实现功能的限制,因此这些温度控制器都采用了最简单的控制规律,不能提供很好的控制性能。
综合以上的各种不利因素,我们认为,此类控制系统己经无法满足日益提高的控制性能需求,必须采用新的控制方式。
1.2课题展望
随着电子技术以及应用需求的发展，单片机技术取得了迅速的发展，在高级程度，高速度以及高性能方面取得了很大的进展。
伴随着科学技术的发展，电子技术有了更高的飞跃，我们现在完全可以运用单片机和电子温度传感器对某处进行温度检测，而且我们可以很容易地做到多点的温度检测，还可以进行不同地点
2
泰山学院本科毕业论文
的实时检测和控制。
温度是工业控制中主要的被控参数之一，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械等工业中，具有举足轻重的作用，因此，温度控制系统是典型的控制系统。
对于不同场所、不同工艺、所需温度的高低，范围不同、精度不同，则采用的测量元件、测量方法以及对温度的控制方法也将不同;产品工艺不同、控制温度不同，因而，对温度的测量方法也是多种多样。
随着电子技术和微型计算机的迅速发展，微机测量和控制技术也得到了迅速的发展和广泛的应用。
利用微机对温度进行测控的技术，也随之而生，并得到日益发展和完善，越来越显示出其优越性。
目前，单片机以普遍的作用与生产过程的制动控制领域中，单片机以其体积小、价格低廉、可用其构成计算机控制系统中的智能控制单元和可靠性高等特点，受到广大工程技术人员的重视。
温度是生产过程中最常见的物理量，许多生产过程是以温度作为其被参控的。
因此，温度控制系统是典型的控制系统。
1.3课题举例简介
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、机械制造设计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监测和控制。
采用AT89C51单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组成简单和灵活性大的优点，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。
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。
下面介绍一种功能简化后的温度控制系统的设计过程。
假设某加热道采用通电电炉产生的热量为热源，并通过风机箱散热给烘箱对温室进行循环加热。
电炉的温度变化范围为0~120?
。
根据工业的要求，系统需实现如下功能和指标:
（1）温度给定值在25~40?
左右且现场可调;
3
泰山学院本科毕业论文
（2）温度控制误差<=?
2?
;
（3）实时显示温度值，保留1位小数;（4）温度超过给定值?
5?
时声光报警;5）控制参数可现场修改。
（
4
泰山学院本科毕业论文
2设计思想及系统结构
2.1系统的设计思想
该系统以AT89C51单片机为核心，由温度测量变换、测量放大、大功率运放、A/D与D/A转换器、输入光电隔离、驱动电路、键盘显示、存储器共同组成。
在系统中，温度和时间的设置、温度值及误差显示、控制参数的设置、运行、暂停复位等功能由键盘及显示电路完成。
传感器把测量的烘箱温度转换成弱电压信号，经过信号放大电路，送入低通滤波电路，以消除噪音和干扰，滤波后的信号输入到A/D转换器（ADC0809）转换成数字信号输入主机（单片机0831）。
2.2具体设计
1、由于温度测量范围为0~120?
，控制精度也不高，可选用8路8位ADC0809作A/D转换器，分辨率可达0.5?
;为了方便操作，系统可不扩展专用键盘，温度给定输入可用2位BCD码拨盘开关置数;温度显示可用4位LED显示器。
为了实现通过调节电流量控温，可扩展8位DAC0832作D/A转换器。
于是，单片机基本系统应为:
8031+2764+8255+ADC0809+DAC0832+4位LED。
2、温度测量可选用温度芯片DS18B20测量温度。
该芯片的物理化学性能稳定，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。
执行机构可选用ZKZP-II型线性电动单座调节控制，0毫安対应阀门完全关闭，10毫安対应阀门完全打开。
3、可采用比例积分控制算法实现对温度的控制。
烘箱温度与给定的偏差小时，调节阀不动作，以减少阀的机械磨损;偏差较大时，经比例积分算法后，单片机通过D/A输出控制信号控制阀门的开度，为了使控制参数现场可调，可采用3个电位器产生3路可调电压经过A/D转换实现对模数转化，实现比例积分算法的3
5
泰山学院本科毕业论文
个参数（比例系数KP、积分系数KT、控制周期TC）在线整定、这种方法不仅可使参数调节方便，而且具有掉电保护功能。
4、为了提高系统的抗干扰能力，D/A转换器与单片机之间惊醒光电隔离，使电动阀和单片机之间不共地。
2.3元器件介绍
2.3.1温度传感器DS18B20
DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，它具有微型化、低功耗、高性能抗干扰能力强、易配处理器等优点，特别适合用于构成多点温度测控系统，可直接将温度转化成串行数字信号（按9位二进制数字）给单片机处理，且在同一总线上可以挂接多个传感器芯片，它具有三引脚TO-T2小体积封装形式，温度测量范围25,35?
，可编程为9,12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625?
，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出，其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生，多个DS18B20可以并联到三根或者两根线上，CPU只需一根端口线就能与多个DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。
从而可以看出DS18B20可以非常方便的被用于远距离多点温度检测系统。
综上，在本系统中我采用温度芯片DS18B20测量温度。
该芯片的物理化学性能很稳定，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。
温度传感器DS18B20从设备环境的不同位置采集温度，单片机AT89C51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限时,单片机通过三极管驱动继电器开启升温设备（加热器）。
6
泰山学院本科毕业论文
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。
图1工作原理图
2.3.2AT89C51
AT89C51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
7
泰山学院本科毕业论文
（WDT）电路，片内时钟振荡器。
此外，AT89C51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AT89C51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AT89C51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。
图2AT89C51结构框图
8
泰山学院本科毕业论文
AT89C51的功能:
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AT89C51提供以下标准功能:
4K字节Fla
升级会员 