基于8051单片机的温度控制系统.docx

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基于8051单片机的温度控制系统

基于8051单片机的温度控制系统

姓名：

尹刘军

学号：

B11040104

日期：

2014年5月13

目录

摘要1

第一章概述2

1.1课题研究的背景2

1.2温度控制系统需求分析2

1.3温度控制的应用现状分析2

1.4单片机的发展现状3

第2章基于8051的温控系统总体设计4

2.1系统设计任务4

2.2系统性能要求4

2.3系统硬件方面4

2.4系统软件方面5

第3章基于8051的温控系统硬件设计5

3.1单片机8051接口电路设计5

3.28155并行接口芯片简介及在设计中的应用6

3.3LED显示和键盘输入电路7

3.4信号处理电路7

3.5滤波电路的设计8

3.6温度控制电路9

3.7A/D转换电路9

3.8信号放大电路10

3.9过零检测11

3.10硬件抗干扰措施12

第四章总结及结论13

参考文献14

摘要

计算机行业兴起的几十年里，在国民经济中起到了主导作用。

作为微型计算机的一个重要分支，单片机的发展迅速，应用范围口趋扩大，重要程度也逐渐提高。

特别是在工业测控、智能仪表、机电一体化产品、家电等方面尤为突出。

本设计以微处理器为中心，设计、调试一个温度控制系统，实现温度的智能控制。

论文介绍了以单片机8os1为核心的用于测量温度的控制系统的整体设计（包括硬件部分）。

MCS-5l单片机具有结构体系完整、指令系统功能完善和内部寄存器的规范化等特色，在中国市场上一直是主流芯片。

学习与掌握它的应用将为今后的工作和学习打下良好的基础。

而接口技术在其中起着沟通外围设备与中央处理器的桥梁作用。

正是接口技术的使用使计算机广泛应用于社会生产部门的各个领域。

系统的主要设计目的是对温度的自动控制。

系统能通过PN结温度传感器和8位A/D转换器对温度进行实时检测和转换，然后送入CPU与预设值比较，通过可控硅对温度调节，实现其闭环控制。

其中键盘可以实现人机交互，四位LED显示可显示温度值。

系统功能主要有信息采集、数据处理、输出控制。

能对0°到100°范围内的各种加热炉的温度进行精密测量，最终以显示器直接显示被控对象的温度值，稳定可靠，显示清晰，准确度高，使用方便。

本文详细介绍了该系统硬件部分各个接口电路的工作原理和电路原理图的设计，总体设计方案本着实用性强、性价比较高、易于扩展的指导思想进行设计。

运用温度传感器采集温度，通过转换、处理与设定值进行比较，输出控制脉冲，从而改变可控硅的导通时间，达到调温的目的。

同时，系统还可通过人机交互输入预置值并对温度进行显示。

第一章概述

1.1课题研究的背景

工业控制是计算机的一个重要应用领域，计算机控制系统正是为了适应这一领域的需要而发展起来的一门专业技术，它主要研究如何将计算机技术、通过信息技术和自动控制理论应用于工业生产过程，并设计出所需要的计算机控制系统。

随着微机测量和控制技术的迅速发展与广泛应用，以单片机为核心的温度采集与控制系统的研发与应用在很大程度上提高了生产生活中对温度的控制水平。

本设计就是基于单片机STC89C52温度控制系统的设计，通过本次课程实践，我们更加的明确了单片机的广泛用途和使用方法，以及其工作的原理。

随着社会的发展，温度的测量及控制变得越来越重要。

本文采用单片机

STC89C52设计了温度实时测量及控制系统。

单片机STC89C52能够根据温度传感器DS18B20所采集的温度在液晶屏上实时显示，通过控制从而把温度控制在设定的范围之内。

所有温度数据均通过液晶显示器LCD显示出来。

系统可以根据时钟存储相关的数据。

1.2温度控制系统需求分析

温度是生活中非常重要的物理量之一。

自然界中任何物理、化学过程都紧密地与温度相联系。

在国民经济各部门，如电力、化工、机械、冶金、农业等，温度检测与控制是十分重要的。

温度控制作为工业控制领域的控制对象，尤其是对液体、气体温度的测量，对炉温以及化学、物理变化过程中温度的控制都有重要的作用，温度控制精度、控制的灵活性、简单性会直接影响到设备的运行效率。

检测温度的传感器元件很多。

但随着微处理器技术的口益普及，智能化温度控制系统在工业中的应用越来越广泛。

本设计以微处理器为中心，设计、调试一个温度控制系统，实现温度的智能控制，对于综合运用所学过的硬件设计知识，以及口后进行其它类似的智能仪器的设计、开发是大有裨益的，对于工业控制领域的智能化发展也是必要的。

下面就温度控制领域应用现状、单片机发展进行详细介绍。

1.3温度控制的应用现状分析

温度控制的主要应用：

当前，温度控制在冶金、化工、检测等工业领域得到广泛应用。

在实际生产中，为保证化学反应的顺利进行，需将各种原材料需要一个固定的温度进入到反应室。

例如钢铁的水溶温度，不同等级的钢铁要通过不同温度的铁水来实现。

所以广泛应用于诸多领域，提高产品的功能和质量的同时，又降低了成本，简化了设计。

随着智能化控制的产生和发展，温度控制将更好的服务于社会。

温度控制系统主要控制方法：

如采用单一的机械或人工的方法。

其缺点是功能少大、控制精度不高，加工出的产品的质量和稳定性差，但是具有成本低，工作可靠的优点。

因此仅仅能应用于一些对控制要求不高的场合。

采用计算机芯片的智能化控制方式。

它具有精度高、易操作的优点。

主要应用于精密加工和控制等领域。

本系统就是利用计算机芯片智能化，进行对温度的控制。

目前智能化系统主要以单片机芯片为核心。

随着各种不同类型的计算机、单片机和电子元件的不断推出，使控制系统、智能化仪表的总体设计随之发生变化，像过程控制系统的控制核心由早期的8048单片机发展到二十世纪九十年代推出的八位单片机2051,8951及现在的PIC十六位、三十二位功能越来越强大的单片。

80年代以来，Intel公司的MCS-51系列单片机在8位市场上占有的份额最大，达50%以上，配套的开发系统完备、可靠。

由于其较高的性能价格比，它己是我国在工业检测、控制领域的首选机型。

1.4单片机的发展现状

单片机的概况

单片微型计算机以极高的性能价格比，（简称单片机）作为微型计算机的一个分支，自70年代问世以来，受到人们的重视和关注，应用很广，发展也很快。

广大工程技术人员通过学习有关单片机的知识后，也能依靠自己的力量来开发所希望的单片机系统，并可获得较高的经济效益。

单片机以其卓越的性能，得到了广泛的应用，己深入到各个领域。

单片机应用在检测、控制领域中，具有以下特点：

1：

小巧灵活、成本低、易于产品化。

2：

可靠性好，适应温度范围广。

3：

易扩展，控制功能强。

单片机的逻辑功能很强。

4：

可以很方便的实现多机和分布式控制。

单片机的应用

单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴:

智能仪器：

单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、电流、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。

采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。

例如精密的测量设备（电压表、功率计，示波器，各种分析仪）。

工业控制：

单片机具有体积小、控制功能强、功耗低、环境适应能力强、扩展灵活和使用方便等优点，用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统、通信系统、信号检测系统、无线感知系统、测控系统、机器人等应用控制系统。

例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等

家用电器：

现在的家用电器广泛采用了单片机控制，从电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备和白色家电等。

网络和通信：

现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到口常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。

医用设备领域:

单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。

第2章基于8051的温控系统总体设计

2.1系统设计任务

本章主要介绍了控制系统的设计任务、技术指标，简要说明了控制系统设计思想以及工作芯片的选择，并给出了原理框图。

2.2系统性能要求

本温度控制系统要求具备如下的性能指标:

1.本系统数据采集部分能完成对被测信C7的采样，控制精度为0.5，误差为1。

2.可以实现温度信号的放大及A/D转换，并自动进行过零检测，同时按设定值、所测温度值，自动进行PID参数自整定和运算。

3.输出0-10mA控制电流，配以主回路实现温度的控制。

4.数据处理分为预处理、功能性处理、抗干扰等子功能。

控制系统原理框图如图2.1所示

图2.1温控系统电路原理框图

2.3系统硬件方面

根据所设计的控制系统要完成的工作任务的性能指标，有针对性的选择了主要元件及确定了相关的参数。

2.3系统硬件方面

CPU：

微处理器，是整个控制系统的核心，完成温度的监测、当前温度显示等基本功能。

由于本系统的功能并不是很复杂，而且对CPU速度要求并不是很高，选用8位CPU的8051单片机。

存储器：

存储器选用集成度高、价格低廉的6264型EPROMo

I/O接口:

选用1片可编程的并行工//O接口8155用作键盘显示器的接口。

抗干扰电路:

在系统的弱电部分的电源入口处对地跨接1个100uf电容与1个

O.luf电容，在系统内部各芯片的电源端对地跨接1个小电容（0.01uf--0.1uf）o

模入通道:

被采样的模拟信号经传感器后经放大滤波后进入A/D转换器。

开出通道:

主要部分为可控硅控制温度和过零检测。

复位/监控:

管理CPU复位，（包括上电复位和手动复位），同时对CPU的工作

状态进行检测，避免出现死机，提高抗干扰能力。

键盘:

人机接口，包括运行、返回等加工控制功能。

显示:

用LED数码显示当前温度

通过以上器件的选择能够保证精度为0.5的要求及所有功能的完成。

2.4系统软件方面

1.温度控制的算法选择

根据实际运行效果和理论分析，系统中采用PID控制。

即采用反馈调节，比较采样温度和实需温度的差值，通过偏差处理获得控制信号，进而实现对温度的控制。

2.数字滤波方法的选择

通过模拟量输入通道采集到的温度量，可能混杂了干扰噪声需要进行数字滤波。

数字滤波的算法很多，在这里采用中值滤波法，就是连续采集N个数据，从中选取一个中间值作为该点的采样结果。

本系统中采取连续三次取样，此算法较为适宜。

3.控制程序

温度控制系统要有一个能够用于控制的主体程序。

这个主体程序我们可以由中断服务程序来实现。

控制程序里包括键盘和显示部分。

综上所述，本系统设计总体方案本着实用性强、性价比较高、易于扩展的指导思想进行设计。

同时，在设计中还加入了人机交互输入预置值并对温度进行显示。

第3章基于8051的温控系统硬件设计

3.1单片机8051接口电路设计

8051基本特征:

1.面向控制的8位CPU和指令系统

2.4K字节的程序存储器

3.128字节的数据存储器

4.可编程的并行工I/O口P0-P3，有32位双向输入/输出线

5.一个全双工串行口

6.两个16位定时器/计数器

7.五个中断源，两个中断优先级的中断结构

8.一个片内时钟电路和一个时钟振荡器

9.可以访问64K字节的程序存储器和64K字节的外部数据存储器

8051各管脚的分配使用

MCS-51单片机采用40引