单片机温度控制系统设计.docx

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单片机温度控制系统设计

哈尔滨理工大学

毕业设计

题目：

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院系：

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姓名：

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指导教师：

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系主任：

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年月日

单片机温度控制系统设计

摘要

本论文设计了一套温度控制实验装置，同时针对系统中的各种问题进行了控制方法研究。

首先给出了温度控制实验装置的结构，推导了控制对象的数学模型，并分析了控制系统的组成部分。

其中第一部分为硬件设计，要由控制电路（包括8031处理器、存贮器、键盘/显示接口）、测温及报警电路、调功电路等组成。

系统采用温度补偿和过零触发等技术，从硬件上保证了测温精度，为提高控制精度打下了基础。

第二部分建立了被控对象的数学模型，控制率采用比较成熟的变速积分分离PID算法，并通过仿真选择了控制率的参数。

利用8031单片机构成了控制器。

实现了实时控制。

系统控制程序则采用了模块化设计结构，主要包括主程序、中断服务子程序、控制算法子程序等。

整个系统模型在计算机上进行了仿真分析，取得了良好的控制效果。

第三部分叙述了模糊控制理论，在温控系统中构造了二维模糊控制器，利用查表法进行设计，并通过计算机仿真优化整定了控制器的参数，使系统具有良好的控制效果和动态稳定性。

关键词：

热电偶测温；8031单片机；变速积分分离PID算法；模糊控制

DesignofTemperatureControlSystemwithSingle-chipComputer

Abstract

Inthispaper,anexperimentalsystemoftemperaturecontrolwasdesigned.Atthesametime,thecontrolmethodsbasedondeadtimeofthesystemwerestudied.

Firstly,thestructureofexperimentalwaspresentedandthemathematicsmodelwasdeduced.Atthesametime,allofthecomponentswereanalyzed.Thehardwarehasbeendescribedinthefirstpartofthispaper.Itconsistsofthecontrol-circuit（included8031CPU,2764/2864Amemory,key-boardanddisplayunitinterface8279etc）,temperaturemeasurementandalarmcircuit（includedsound-lightalarm,temperaturemeasurementandA/Dconversioncircuit）andpowercontrolcircuitetc.Thetechniqueoftemperaturecompensationandzero-pointtrigginghasbeenusedinthesystem,andtheptecisionoftemperaturemeasurementguaranteededfromhardwarebuildsafoundadiontoupgradetheprecisionofcontrol.Themathematicalmodelofthecontrolobjecthasbeenfoundedinthesecondpartofthispaper.ThematurealgorithmofvariablespeedintegralseparationPIDhasbeenadoptedincontrolrule,andtheparameterofcontrolruleisselectedbythesimulationanalysisincomputer.Thereal-rimecontrolisusedtoorganizecontrolunitbythe8031Singlechip.Thesystemcontrolprogramhasadoptedthemoduleprogramconfiguration.Itconsistsofthemainprogram,interruptservicesubroutineandcontrolalgorithmsubroutineetc.thesimulationanalysisisdonefortheentiresystemmodelincomputer,asatisfactorycontroleffectisobtained.Inthethirdpartofthispaper,thefuzzycontroltheoryhasbeendiscussed.The2-dimensionfuzzycontrolunithasbeenconstructedinthistemperaturecontrolsystem.Themethodoflookupdatainthelisthasbeenusedinthisdesign,andtheparameterofthecontrolunithasbeenmadecertainthroughcomputersimulationoptimization,thesystemhasasatisfactorycontroleffectanddynamicstability.

Keywords：

ThermocoupleThemperaturemeasure;8031singlechip;Variable-integralseparationPIDalgorithm;Fuzzycontrol

第1章绪论

1.1课题背景

干燥箱是用于工厂、企事业单位及商业部门中用来干燥、烘烤、加热干化的装置。

为满足人们对其越来越高的要求，对干燥箱温度的控制指标也越来越高，要求其开温快、超调少、控制方便、灵活等。

为此我们采用了单片机作为微处理器来对其进行控制。

近几年来，由于超大规模集成电路的问世，微型计算机的发展也异常迅速。

其中单片机是微型计算机的一个主要发展方向之一。

1.2单片机发展过程及近况

1.2.1单片机发展过程

单片微型计算机简称单片机，又称为微控制器，使微型计算机的一个重要分支。

单片机是20世纪70年代中期发展起来的一种大规模集成电路芯片，是集CPU、RAM、ROM、I/O接口和中断系统于同一硅片的器件。

单片机的发展十分迅速，纵观整个单片机技术发展过程，可以分为一下三个主要阶段：

一、单芯片微机形成阶段

1976年，Intel公司推出了MCS－48系列单片机。

该系列单片机早期产品在芯片内集成有：

8位CPU、1K字节程序存储器（ROM）、64字节数据存储器（RAM）、27根I/O线和一个8位定时/计数器。

此阶段的主要特点是：

在单个芯片内完成了CPU、存储器、I/O接口、定时/计数器、中断系统、时钟等不见的集成，但存储器容量较小（不大于4K），无窜行接口，指令系统功能不强。

二、性能完善提高阶段

1980年，Intel公司推出MCS-51系列单片机。

该单片机在芯片内集成有：

8位CPU、4K字节程序存储器（ROM）、128字节数据存储器（RAM）、4个八位并行口、1个全双工窜行接口和2个16位定时/计数器。

，并集成有控制功能较强的布尔处理器完成位处理功能。

此阶段的主要特点是：

结构体系完善，性能已大大提高，面向控制的特点进一步入出，现在，MCS-51已成为公认的单片机经典机种。

三、微控制器化阶段

1982年，Intel公司推出MCS-96系列单片机。

该单片机在芯片内集成有：

16位CPU、8K字节程序存储器（ROM）、232字节数据存储器（RAM）、5个8位并行接口、1个全双工窜行接口2个16位定时/计数器。

寻址范围最大为64K。

片内还有8路10位ADC、1路PWM（D/A）输出及高速I/O部件等。

近年来，许多半导体产商以MCS－51系列单片机的8051为内核，将许多测控系统中的接口技术、可靠性技术及先进的存储器技术和工艺技术集成到单片机中，生产出多种功能强大、使用灵活的新一代80C51系列单片机。

此阶段的主要特点是：

片内面向测控系统的外围电路增强，使单片机可以方便灵活地应用于复杂地自动测控系统及设备。

因此，“微控制器”的称谓更能反映单片机的本质。

1.2.2单片机产品近况

随着微电子设计技术及计算机技术的不断发展，单片机产品和技术日新月异。

单片机产品可以归纳谓为以下两方面。

一、80C51系列单片机产品繁多，主流地位已经形成

通用微型计算机计算速度的提高主要体现在CPU位数的提高（16位、32位乃至64位）、而单片机更注重的是产品的可靠性、经济性和嵌入性。

所以，单片机CPU位数的提高需求并不十分迫切。

而多年来的应用实践已经证明，80C51单片机产品的综合功能，从而形成了80C51的主流产品地位。

近年来推出的与80C51兼容的主要产品有：

•ATMEL公司融入FLASH存储器技术推出的AT89系列单片机；

•Philips公司推出的80C51、80C552系列高性能单片机；

•华邦公司推出的W78C51、W77C51系列高速低价单片机；

•ADI公司推出的ADuC8**系列高精度ADC单片机；

•LG公司推出的GMS90/97系列低压高速单片机；

•Maxim公司推出的DS89C42高速（50MIPS）单片机；

•Cygnal公司推出的C8051F系列高速SOC单片机。

由此可见，80C51已经成为事实上的单片机主流系列。

本文采用的就是80C51系列单片机。

二、非80C51结构单片机新品不断推出，给用户提供了更位广泛的选择空间

在80C51及其兼容产品流行的同时，一些单片机芯片生产商也推出了一些非80C51结构的产品，影响比较大的有：

•Intel公司推出的MCS-96系列16位单片机；

•Microchip公司推出的PIC系列RISC结构单片机；

•TI公司推出的MSP430F系列16位低电压、低功耗单片机；

•ATMEL公司推出的AVR系列RISC结构单片机等。

1.3本课题系统简介

本系统中，我们采用MCS—51系列单片机的8031。

系统上电复位后，一经输入预置量即可开始工作，直到改变预置量后继续工作或强行输入停止信号恢复到上电复位状态。

在正常工作期间，能使干燥箱内温度迅速地靠近预置量并保持之。

在各种扰动下能自动回复到预置量。

其显示部分能显示出当前的箱内温度值，亦可从键盘输入命令显示当前预置值。

1.4本章小结

本章主要论述了课题背景、单片机的发展过程及产品近况和本系统的简要介绍。

第2章干燥箱温度控制系统的基本设计思路

2.1概述

在许多部门中，干燥箱是一种很长用的干燥、烘烤、加热装置。

对干燥箱温度的控制指标也越来越高，要求开温快，超调少。

显然，以往采用的常规仪表加热触发器的短须控制方式已难以达到现在的控制指标。

然而随着文电子的发展，特别是单片机微型机的出现，对上述被控对象采用功能强、体积小，价格低的智能温度控制装置进行控制已成为现实。

本系统采用MCS—51系列单片机8031作为微控制器、显示器、键盘与微控制器之间的接口芯片采用可编程接口芯片8279。

控制系统的温度检测元件采用热电偶。

其测试信号经模拟电路（运算放大器）放大为0—5V的电压信号通过0809转换成数字量输入微处理器。

输出采用双向晶闸管应用过零触发方式，即采用数字调功方式已达到温度控制的目的。

此种过零触发方式使晶闸管输出正弦波，避免了移相出发输出非正弦而造成的电网功率因素降低产生的公害。

此系统稍加修改即可用于机械行业中广泛应用的用电进行加热的设备。

在软件上稍加改进即可实现一台控制器对各个设备进行群控。

2.2主要设计思路

2.2.1系统总体结构说明

1.干燥箱：

是本系统的控制对象，是利用电热丝加热的。

箱内温度范围为0oC—300oC

2.热电偶：

检测元件，安装在干燥箱内，将温度值转化为电量值。

3.运放电路：

它将热电偶输出的检测信号转化成A/D转换所需要的信号。

主要是起到信号放大的功能。

4.A/D转换：

模/数转换。

它将运放所输出的表示相应温度值的模拟信号转变成微处理器能接受的数字信号。

5.微处理是整个系统得核心，它的功能有以下几点：

（1）定时地发出采样信号，并存储各个采样值。

（2）采样结束后，马上将采样信号进行数字滤波。

从一组采样值中取得一个滤波值并进行线性化处理

（3）滤波后，将滤波值转换成十进制数的摄氏温度值并显示比值。

（4）根据测得的值和预置量进行PID算法，且输出控制量。

（5）负责接收键盘键入的信息，并在内部进行处理。

6.显示部分：

由三个LED组成，用于显示当前温度值和预置值。

7.键盘：

用于输出命令和输入数据。

8.双向晶闸管：

控制干燥箱电热丝的通断，使控制系统的执行元件，其控制信号由微处理器发出

2.2.2系统总体结构框图

2.2.3其它

1.由于此系统的软件并不复杂，所以滤波、PID等均由软件完成。

2.该系统得控制方式采用数字调功方式，也就是通过控制干燥箱的平均功率的大小以达到控制温度的目的，采用此方法控制的好处是使晶闸管工作于过零触发方式，输出为正弦波，可避免移相触发输出非正弦而造成的对电网的公害。

3.采样周期为5秒钟，每次采样9个值，滤波采用中值滤波方式。

主要根据以下几点来选择。

（1）因为A/D转换0809的精度为8位。

控制信号的精度过高已无意义，因为5秒钟内，工频交流电共有500个过零点，已超过8位采样值的精度。

（2）采样周期若是过长，对系统得灵敏度和跟随性有影响，而且影响在稳定运行时的性能。

（3）每次采样时在连续采样9次，不分开在5秒钟内采样，主要因为在PID算法中只需要上个周期结束时的温度值而不需要上个周期的平均值。

另外，采样中值滤波也是考虑到扰动影响可能导致个别数据的准确度，而且温度值变化电极为缓慢，在连续的9次采样时间内可以认为是毫无变化的，因而采用中值滤波，只取9个值中的中间值。

若是采样平均值滤波则会把干扰造成影响计算在内，而只不过是稍微减弱而已。

至于每次采样9次，是无所谓的，也可以量7次，也可以是11次。

但考虑到计算机大部分时间是空闲的，而且为确保滤波后得到的有效值无误差，还是尽量多几次为好，但因为单片机的内部RAM有限，所以在实际上太多了也是行不通的。

综合考虑还是一取9次为好。

第3章测试单元与模数转换

3.1电偶传感器

热电偶是一种大量使用的传感器，它是利用热电势效应来工作的。

3.1.1热电偶的优点

当组成热电偶的热电极的材料均匀时，其热电势的大小与热电极本身的长度和直径无关，只与热电极的成分和二端温度有关。

热电偶的优点如下：

（1）具有较高的精确度，因为它直接同被测对象接触；

（2）测量范围广，从-50度至+1600度均可进行连续测量；

（3）构造简单，使用方便，且不受大小和温度的限制。

3.1.2热电偶的种类

按组成材料分：

（1）廉价金属电偶：

铁-康铜，铜-康铜，镍铬-考铜；

（2）珍贵金属电偶：

铂铑-铂，铂铑-铂铑，以及铂铑系；

（3）难熔金属电偶：

钨-铼，钨－钼；

（4）非金属热电偶：

二碳化钨，石墨-炭化物。

按用途和结构分：

（1）普通工业电偶：

直形，角形，锥形；

（2）专用工业电偶：

消耗式热电偶，多点式热电偶。

3.1.3热电偶的使用特点

理论上任何二种导体均可配成热电偶。

但因实际测温时对测量精度及使用等有一定要求，故对热电偶的电极材料也有要求。

除满足上述对温度传感器的一般要求外，还应注意如下要求：

在高温下材料要有稳定的物理化学性能，不容易被氧化和腐蚀变质。

热电极间不容易互相渗透污染，材料的电阻系数要小，熔点要高，电导率要高，热容量要小。

完全满足上述条件要求的材料很难找，故一般根据被测温度的高低，选择适当的热电偶材料。

3.2热电阻温度传感器

热电阻温度传感器，是利用导体或半导体的电阻率随温度的变化而变化的原理制成的，这种现象称为热电阻效应。

2.2.1热电阻温度传感器

热电阻大都由纯金属材料制成，应用最多的有铂、铜等。

铂电阻的阻值与温度之间的关系接近于线性。

目前，国内统一设计的一般工业用标准铂电阻，阻值用100欧姆和10欧姆两种。

铂是贵电阻，所以在一些测量精度要求不高，测量范围比较小的情况下，采用铜热电阻测温度。

2.2.2热敏电阻温度传感器

热敏电阻是最近几年发展起来的一种半导体新型元件，它的电阻特性与上边讲的普通热电阻不同，具有负的电阻温度系数。

当温度升高时，其电阻值减小。

热敏电阻温度传感器的特点是：

（1）电阻温度系数绝对值大，灵敏度高，线路简单；

（2）体积小、重量轻、热惯性小，适合温度和热容量小的地方；

（3）本身电阻值大，不需要象热电阻那样考虑接线方式；

（4）制作简单、寿命长，而且价廉；

（5）非线性度大、稳定性和重现性差；

3.3集成温度传感器

3.3.1SL134M

这是一种电流型三端器件，是利用晶体管的电流密度差来工作的。

该器件是利用运放作比较器，将传感器的输出电压与传感器在0度时的输出电压作比较，使比较器的输出电压正比于摄氏温度。

可变电阻的选择可使输出斜率为100mV每度。

当阻值较小时线性较好。

3.3.2SLT-1

这种传感器探头属电流型PTAT二端器件，它能将环境温度变化转换为与之相应的电流变化信号输出，绝对零度时输出为零。

探头从室温状态置入冰水混合体中，60秒内达到零度时对应的电流值。

工作电流对外电压每伏变化率小于2%。

3.3.3SL616

这是一种电压输出型四端器件，由基准电源、温度传感器、运放三部分组成，整个电路可在7V以上的电源电压范围内工作。

它是利用工作在不同的电流密度的晶体管结压之差作为基本的温度敏感元件，经变换后，输出100mV/C的温度电压信号，并经高增益运放，提供的信号的放大和阻抗变换。

3.3.4AD590

这是一种电流型二端器件，特点：

（1）AD590是已作过校正的二端温度传感器，使用直流电源范围比较宽，也不需要线性补偿和零点等外围器件；

（2）由于已对芯片上的薄电模电阻进行了激光修正，最终对产品又进行了各方面的试验，故器件互换性好，具有良好绝对精度；

（3）线性度好，常温下基本上误差很小；

（4）由于输出阻抗非常高，能很好地消除电源的变动和交流纹波对器件引起的影响；

（5）电路正向电源高达+44V，反向耐压达20V，因此即使电源反接，也不容易损坏。

3.4ICL7135简介

3.4.1ICL7135的结构和引脚

ICL7135为4位半双积分A/D转换器，具有精度高（精度相当于14位二进制数）价格低的优点，而且和MCS-51连接方便。

各引脚功能如下：

V+：

正电源输入端，电压通常取+5V。

V-：

负电源输入端，电压通常取-5V。

VREF：

基准电源输入端，基准电压为1V。

D1-D5：

BCD码数据的位驱动信号输出端。

ALOG：

模拟地。

DGND：

数字地。

INTOUT：

积分器输出端。

REF-REF+：

外接基准电容。

INL0：

信号输入端（低端）。

INH0：

信号输入端（高端）。

CLK：

时钟输入端。

工作于双极性情况下，时钟最高频率为125kHz，这时转换速度为3次每秒左右，如果输入信号为单极性的，则时钟频率可增加到1MHz，这时的转换速度为25次每秒左右。

BUSY：

积分器在积分过程中（对信号的积分和反向积分）BUSY输出高电平，积分器反向积分过零后输出低电平。

POL：

极性输出端。

当输入信号为正时，POL的极性输出为高电平；输入信号为负时，POL的极性输出为低电平。

OVER：

过量程标志输出端。

当输入信号超过转换器记数范围时，该端输出高电平。

UNDER：

欠量程标志输出端。

当输入信号读数小于量程的9%或更小时，该端输出高电平。

STROBE：

数据输出选通脉冲，宽度为时钟脉冲宽度的1/2，一次A/D转换结束后，该端输出5个负脉冲，分别选通高位到低位的BCD码数据输出，可由该信号把数据打入到并行接口中。

RUN/HOLD：

启动A/D转换控制端。

该端接高电平时，7135为自动连续转换，每隔40002个时钟完成一次A/D转换，该端为低电平时，转换结束后保持转换结果，输入一个正脉冲后，启动7135开始另一次转换。

第4章系统的硬件设计

4.18031及其外接电路

单片机内部具有计算机所不可缺少的部分结构，如RAM，ROM（8031内部没有）,I/O口等。

但是由于应用系统中有一部分功能器件不能集成到芯片，如晶振、复位电路等。

另外片内RAM、ROM/EPROM极为有限，还需在偏外扩展。

4.1.1单片机的时钟芯片

在测量系统中，特别是长时间无人职守的测控系统中，经常把需要记录某些具有特殊意义的数据及其出现的时间。

记录及分析这些特殊意义的数据，对测控系统的性能分析及正常运行具有重要的意义。

传统的数据记录方式是隔时采样或定时采样，没有具体的时间记录，因此只能记录数据而无法准确记录其出现的时间；若采用单片机计时，一方面需要采用计数器，占用硬件资源，另一方面需要设置中断、查询等，同样耗费单片机的资源，而且默写测控系统可能不允许。

而在系统中采用DS1302则能很好地解决这个问题。

4.1.1.1DS1302的结构及工作原理

DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟芯片，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿功能，工作电压宽达2.5—5.5V。

采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。

DS1302内部有一个31X8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。

DS1302室DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后备电源双电源引脚，同时提供了对后备电源进行涓细电流充电的能力。

DS1302管脚图

引脚号引脚名称功能

1、Voc2主电源

2、3X1，X2振荡源，外接32768Hz晶振

4、GND地线

5、RST复位/片选线

6、I/O串行数据输入/输出端（双向）

7、SCLK串行数据输入端

8、Voc1后备电源

DS1302引脚功能表

4.1.1.2DS1302的控制字节说明

控制字节的最高有效位（位7）必须是逻辑1，如果它为0，则不能把数据写入到DS1302中；位6如果为0，则表示存取日立时钟数据，为1表示存取RAM数据；位5至位1只是操作单元的地址；最低有效位（位0）如为0表示要进行写操作，为1表示进行操作，控制字节总是从最低位开始输出。

4.1.1.3复位

通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。

RST输入有两种功能：

RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供了终止单字节或多字节数据的传送手段。

当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS