四回路控制器硬件设计孙曙论文.docx
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四回路控制器硬件设计孙曙论文
温湿度控制系统
毕业论文设计
姓名：
张巍巍
学号：
06
班级：
540733
学校：
吉林大学应用技术学院
摘要
本课题介绍的是以单片机AT89S52为控制核心的四回路多点温度采集控制系统的设计。
该系统通过多个温度传感器同时采集温度信号，并将温度信号转换成数字信号经单片机处理并经输出驱动电路显示于共阴极数码管。
同时将控制规律预先设置，从而提出处理建议，自动判断出是否通过控制继电器动作来控制执行机构达到优化工业生产的目的。
同时，可以通过四路按键开关来选择显示某待测点温度，使得管理人员更好的掌握生产过程。
此外，只要对传感器类型进行改变和对程序做出调整，该系统可以满足其他生产控制的需要。
在本文中，首先介绍了当前计算机控制技术的发展及过单片机在过程控制中的应用.其次针对系统所使用的单片机的性能和发展情况做了简单介绍,同时对测量温度在-55～125之间的智能温度传感器DS18B20做了介绍。
其次，本文重点对测控硬件、软件的组成进行了分项、模块化逐步分析设计。
对各部分的电路进行了介绍，最终实现了该系统的硬件电路,绘制了电路原理图。
在焊接完元器件后，完成了硬件调试。
根据硬件的设计和测控系统所要实现的功能，本设计对软件也进行了一一设计，并经过反复的模拟运行、调试，修改简化了软件系统，最后形成了一套完整的程序系统。
整个论文共分为六部分，分别对四回路控制器做了较全面的叙述。
关键词：
四回路、单片机89S52、DS18B20、系统设计、硬件系统
第1章引言
1.1本文研究的目的和意义
在生产过程中，经常要对生产现场的工艺参数进行采集，监视和记录，达到提高产品质量，降低成本的目的。
在科学研究中，应用数据采集系统获得大量的动态信息，是研究瞬间物理过程的有力工具，也是获取科学奥秘的重要手段之一。
总之，不论在哪个应用领域中，数据采集与处理越及时，工作效率就越高，取得的经济效益就越大。
在工、农业生产和日常生活中，对温度的测量及控制占据着极其重要的地位。
首先让我们了解一下多点温度检测系统在各个方面的应用领域：
消防电气的非破坏性温度检测，电力、电讯设备之过热故障预知检测，空调系统的温度检测，各类运输工具之组件的过热检测，保全与监视系统之应用，医疗与健诊的温度测试，化工、机械…等设备温度过热检测。
温度检测系统应用十分广阔
由此可以看出，测量控制的作用就是从生产现场中获取各种参数，运用科学计算的方法，综合各种先进技术，使每个生产环节都能够得到有效的控制，从而不但保证了生产的规范化、提高产品质量、降低成本，还确保了生产安全。
但是由于历史原因和技术发展的瓶颈所限，计算机控制技术在当前生产过程中应用的还不是很广泛。
例如，我国目前的锅炉生产技术还比较落后，尤其是燃烧供热的锅炉的燃烧效率还相当低。
这使得锅炉的燃烧不充分，而造成大气污染加重，从而造成了我国社会主义现代化的建设中能源的增长大大落后于生产的增长。
这与当前所倡导建设节约型社会是相背离的。
这就要求通过节能措施，以提高能源的有效利用。
有效地的弥补能源供应方面的缺口，这是一个迫切的任务。
而我们此次设计的单片机四回路温度采集控制系统正是基于改善供热锅炉的热效率，挖掘其潜力，从而提高操作管理水平，减轻劳动强度。
众所周知，锅炉的生产过程要求对水温要进行实时采集，提供信息供管理人员控制生产过程。
但是传统的生产过程是通过值班人员轮流对测温点进行人工读取温度值，这样难免有时会由于读数失误或不及时，难以对生产过程做到实时监测。
这样不仅会造成管理人员劳动强度大，企业管理成本高，生产效率低。
更重要的会影响锅炉的正常运行，埋藏安全隐患。
此次设计的四回路控制器正是为了解决这个问题而设计。
通过系统的多个温度传感器采集多点的温度信息，一旦某点的温度超过设定值，通过继电器控制引风机或给水设备等执行机构，从而使水温降至正常值。
值班人员在值班室可通过开关选择需要的观测点，其温度也将实时显示于显示屏上。
这样生产过程的安全和效率都能够得到保障。
当然锅炉是一个及其复杂的系统，其输入量和输出量有多种，每个数据的变化都会给其它量造成影响，不能用简单的一对一控制规律来控制其生产过程。
此外锅炉的生产环境比较恶劣，对系统的抗干扰性能要求比较高。
所以本文只是基于计算机控制思想上进行模拟，对于实际的锅炉生产是有点鞭长莫及。
但是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，所以其应用也必将十分广泛。
相信不久的将来计算机控制技术将更好的与过程控制技术相结合。
而锅炉的生产过程也一定能够由于计算机的引入而焕发青春。
1.2过程控制系统的发展
自动化技术在工业、农业、科技以及人们的日常生活中发挥着重要的作用。
自20世纪90年代以来，作为信息科学技术的重要分支，自动化技术本身及其应用领域得到了迅速的提高和发展，其水平高低已成为国家科技实力和各个行业现代化水平的重要标志。
过程控制通常是指连续生产过程的自动控制，是自动化技术最重要的组成部分，其主要任务是对生产过程中的有关参数（温度、压力、流量、物位、成分、湿度、PH值和物性等）进行控制，使其保持恒定或按一定规律变化，在保证产品质量和生产安全的前提下，使连续生产过程自动地进行下去。
实际的生产过程千变万化，存在不确定性，影响生产过程的因素和条件诸多。
因此要解决生产过程的各种控制问题必须采用有针对性的特殊方法与途径。
这就是过程控制要研究和解决的课题。
20世纪40年代以前，工业生产技术水平相对落后，生产过程大多处于手工操作状态，操作工通过目测判断生产过程的状态，手动调整生产过程，生产效率很低。
40年代以来，特别是第二次世界大战以后，工业生产过程自动化技术发展很快，尤其是近些年来，在IT技术（自动化技术也是IT技术的组成部分）的带动下，过程控制技术发展十分迅猛。
过程控制装置与系统的发展过程，大致经过以下几个阶段：
1.局部自动化阶段（20世纪50—60年代）
20世纪50年代，过程控制技术开始得到发展。
这一阶段，过程控制系统绝大多数是单输入——单输出系统：
被控参数主要有温度、压力、流量和物位四种参数；控制的目的是保持这些工艺参数的稳定，确保生产安全。
受当时的生产规模所限，多用气动仪表进行测量与控制，压缩空气为动力的气动仪表实现就地的简单控制，主要解决在生产过程较为正常的情况下，为满足工艺要求的参数而进行的定制控制问题。
大多数测量仪表分散在各生产单元工艺设备上，操作人员在生产现场产看仪表及采取相应的操作。
20年代50年代后期-60年代，采用了集中监控与几种操作的控制系统，实现了工厂仪表化和局部自动化。
这对当时迫切希望提高设备效率和扩大生产过程规模的要求起到了有力的促进作用，适应了工业生产设备日益大型化与连续化的客观要求。
2.集中控制阶段（20世纪60—70年代）
20世纪60年代，工业生产规模不断扩大，生产过程越来越复杂，产品质量要求越来越高，对过程控制技术提出了新的要求，迫切需要生产过程集中控制与管理。
随着电子技术的迅速发展，半导体产品取代了电子真空管。
随后，集成电路取代了分立元件，电子仪表的可靠性迅速提高，逐步替代了气动仪表。
过程控制系统通过采用单元组合仪表和组装式仪表，实现了车间范围和大型系统的集中监控。
同时为了满足特殊工艺的控制要求，开发使用了多种控制系统方案，例如：
串级控制，前馈控制，比值控制。
更重要的是，计算机开始在过程控制领域应用成为里程碑标致。
3.集散控制系统（20世纪70年代中期至今）
20世纪70年代，随着大规模集成电路出现及微处理器的问世，计算机的性价比和可靠性大为提高，采用冗余技术和自诊断措施的工业计算机完全满足工业控制对可靠性的要求，为新的过程控制仪表，装置与系统的设计开发提供了强有力的支持。
大型生产过程一般都是分散系统，使生产过程控制分散进行（将发生故障和危险的风险分散），整个生产过程的监视、操作与管理相对集中的设计思想被被大型过程控制系统生产商和用户普遍接受。
随着数字化仪表和计算机与网络技术的发展，过程控制系统的结构也有单变量控制系统发展到多变量系统，由生产过程的定值控制发展到最优控制、自适应控制。
进入20世纪90年代以后，随着测量仪表数字化、通信系统网络化的集散型控制技术日益成熟，现场总线技术以及基于现场总线技术的网络化分布式控制系统逐步推广、使用，使过程控制系统的开放性，兼容性和现场仪表与装置的智能化水平发上了质的飞跃。
工厂自动化、计算机集成过程控制，计算机集成制造系统和企业资源综合规划等方案的通过和实施，为提高工业生产过程经济效益的关键手段。
第2章 系统总体设计及主控芯片介绍
2.1系统设计方案
此次设计的主要应用在粮食仓储系统、楼宇自动化、系统空调系统的温度检测、石化、机械等需要多点温度检测的场所。
其目的是及时提供准确的温度分析报告，供管理人员及时对生产过程进行控制，确保工业生产的效率和安全。
该课题主要是通过智能温度传感器满足温度测量，并将温度信号转换成数字信号经单片机处理并经输出驱动电路显示于共阴极数码管。
因此该系统可实现多点不同区域测量，单通道，循环测量。
此外还具有自动控制和超温报警和自动控制功能，当温度超过某一设定值时，系统控制继电器来关闭加温设备，同时做出声光报警。
该系统由硬件和软件两部分组成，硬件部分主要包括：
AT89S52主控芯片，智能温度传感器DS18B20，LED数码显示，继电器控制及声光报警电路，同PC机通信并口单元。
软件部分主要包括对传感器的程序编写，LED数码显示程序的编写，控制继电器动作子程序，按键动作子程序等。
系统的总体结构框图如下图2-1：
图2-1系统总体框图
2.2最小系统设计方案
2.2.1主控芯片的选择方案
微型计算机渗透到测试领域并得到充分发挥，是现代测试技术发展的必然趋势，也是目前作为智能仪表的设计的一般方法，目前市场上的单片机从数据总线宽度上来分主要有8位机、16位机、32位机，其中的32位单片机近年来在信号分析与处理、语音处理、数字图象处理等数字信号处理运用领域得到广泛的运用，但在工业测控现场，占主导地位的还是8位机和16位机，对本课题涉及的多路温度的测量，运用单片机的主要目的是构成一个具有一定判断、运算能力以及具有存储、显示、通信等功能的智能测量仪表，它所处理的信息量和复杂程度由于是温度，因而用8位机已经足够了。
目前，生产单片机的厂商有很多，尤其是近年来微电子技术、计算机技术的飞速发展，比较著名的有Intel、Philips、Microchip、Motorola、Atmel等半导体企业。
在上述著名的半导体企业产品中，尤其在工业测控场合，运用较多的为Intel公司的MCS-51系列，Microchip公司的PIC系列，近年来，随着Intel公司对8031内核的公开以及各半导体企业在关键技术上的相互渗透，不仅Intel公司，而且Philips公司、Atmel公司等企业目前都生产MCS-51系列的CPU。
近十年来在工业测控领域，国内运用最多的恐怕是Atmel公司的AT89系列，它的标准型产品不仅在指令上，而且在管脚上都兼容Intel公司的MCS-51系列的第一代CPU8031，并在片内存储器、振荡电路、功耗、软件加密以及内置看门狗等技术水平上均有很大程度的提高，使国内的智能仪表行业的设计与开发者越来越感到使用和设计上的方便。
因此主控芯片的选择方案有二种：
方案一：
此方案采用AT89C528位单片机实现。
单片机编程的自由度大，可通过编程实现各种算术算法和逻辑控制。
但是，AT89C52单片机需要用仿真器来实现软硬件的合成在线调试，较为繁琐，很不方便。
而且AT89C52的地位已经渐渐的被AT89S52所取代，逐渐成为历史。
事实也证明了AT89S52在工业控制上有着更为广泛的应用。
方案二：
此方案采用AT89S52八位单片机实现。
它除了89C52所具有的优点外，还具有可在线编程，可在线仿真的功能，这让调试变得方便。
与凌阳十六位单片机相比，AT89S52八位单片机的价格便宜，在线编程方便，而且AT89S52在工业控制中有广泛的应用，编程技术及外围功能电路的配合技术发展都很成熟。
这对于我们查找相关资料非常方便。
综合比较本设计最终选用ATMEL最新的8位单片机AT89S52作为本系统的主控制器。
2.2.2AT89S52的功能性能描述
●与MCS-51单片机产品兼容
●8K字节在系统可编程Flash存储器
●1000次擦写周期
●全静态操作：
0Hz～33Hz
●三级加密程序存储器
●32个可编程I/O口线
●三个16位定时器/计数器
●八个中断源
●全双工UART串行通道
●低功耗空闲和掉电模式
●掉电后中断可唤醒
●看门狗定时器
●双数据指针
●掉电标识符
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51的指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
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。
另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
2.2.3AT89S52的引脚结构
图2.2AT89S52引脚图
AT89S52引脚图，如图2.2所示
VCC:
电源
GND:
地
P0口：
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。
作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。
对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。
当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。
在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。
在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。
程序校验时，需要外部上拉电阻。
P1口：
P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。
此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如表2.1所示，在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。
表2.1P1口第二功能
引脚号
第二功能
P1.0
T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出
P1.1
T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）
P1.5
MOSI（在系统编程用）
P1.6
MISO（在系统编程用）
P1.7
SCK（在系统编程用）
P2口：
P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。
在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR）时，P2口送出高八位地址。
在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。
在使用8位地址（如MOVX@RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。
在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。
P3口：
P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。
P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如表2.2所示。
在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。
表2.2P3口第二功能表
引脚
第二功能
P3.0
RXD（串行口输入端）
P3.1
TXD（串行口输出端）
P3.2
（外中断0，低电平有效）
P3.3
（外中断1，低电平有效）
P3.4
T0（定时/计数器0计数脉冲输入端）
P3.5
T1（定时/计数器1计数脉冲输入端）
P3.6
（外部数据存储器写选通，低电平有效）
P3.7
（外部数据存储器读选通，低电平有效）
RST:
复位输入。
晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。
看门狗计时完成后，RST脚输出96个晶振周期的高电平。
特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO位可以使此功能无效。
DISRTO默认状态下，复位高电平有效。
ALE/PROG：
地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。
在flash编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲。
在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。
然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。
如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作将无效。
这一位置“1”，ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。
否则，ALE将被微弱拉高。
这个ALE使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。
:
外部程序存储器选通信号（
）是外部程序存储器选通信号。
当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，
在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，
将不被激活。
/VPP:
访问外部程序存储器控制信号。
为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，
必须接GND。
为了执行内部程序指令，
应该接VCC。
在flash编程期间，
也接收12伏VPP电压。
XTAL1:
振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。
XTAL2:
振荡器反相放大器的输出端。
2.2.4存储器结构
单片机AT89S52有单独的程序存储器和数据存储器。
外部程序存储器和数据存储器都可以进行64K寻址。
（1）程序存储器：
如果
引脚接地，程序读取只从外部存储器开始。
对于89S52，如果
接VCC，程序读写先从内部存储器（地址为0000H～1FFFH）开始，接着从外部寻址，寻址地址为：
2000H~FFFFH。
（2）数据存储器：
AT89S52有256字节片内数据存储器。
高128字节与特殊功能寄存器重叠。
也就是说高128字节与特殊功能寄存器有相同的地址，而物理上是分开的。
当一条指令访问高于7FH的地址时，寻址方式决定CPU访问高128字节RAM还是特殊功能寄存器空间。
直接寻址方式访问特殊功能寄存器。
（3）看门狗定时器：
WDT是一种需要软件控制的复位方式。
WDT由13位计数器和特殊功能寄存器中的看门狗定时器复位存储器（WDTRST）构成。
WDT在默认情况下无法工作；为了激活WDT，户用必须往WDTRST寄存器（地址：
0A6H）中依次写入01EH和0E1H。
当WDT激活后，晶振工作，WDT在每个机器周期都会增加。
WDT计时周期依赖于外部时钟频率。
除了复位（硬件复位或WDT溢出复位），没有办法停止WDT工作。
当WDT溢出，它将驱动RSR引脚一个高个电平输出。
为了激活WDT，用户必须向WDTRST寄存器（地址为0A6H的SFR）依次写入0E1H和0E1H。
当WDT激活后，用户必须向WDTRST写入01EH和0E1H喂狗来避免WDT溢出。
当计数达到8191（1FFFH）时，13位计数器将会溢出，这将会复位器件。
晶振正常工作、WDT激活后，每一个机器周期WDT都会增加。
为了复位WDT，用户必须向WDTRST写入01EH和0E1H（WDTRST是只读寄存器）。
WDT计数器不能读或写。
当WDT计数器溢出时，将给RST引脚产生一个复位脉冲输出，这个复位脉冲持续96个晶振周期（TOSC），其中TOSC=1/FOSC。
为了很好地使用WDT，应该在一定时间内周期性写入那部分代码，以避免WDT复位。
在掉电模式下，晶振停止工作，这意味这WDT也停止了工作。
在这种方式下，用户不必喂狗。
有两种方式可以离开掉电模式：
硬件复位或通过一个激活的外部中断。
通过硬件复位退出掉电模式后，用户就应该给WDT喂狗，就如同通常AT89S52复位一样。
通过中断退出掉电模式的情形有很大的不同。
中断应持续拉低很长一段时间，使得晶振稳定。
当中断拉高后，执行中断服务程序。
为了防止WDT在中断保持低电平的时候复位器件，WDT直到中断拉低后才开始工作。
这就意味着WDT应该在中断服务程序中复位。
为了确保在离开掉电模式最初的几个状态WDT不被溢出，最好在进入掉电模式前就复位WDT。
在进入待机模式前，特殊寄存器AUXR的WDIDLE位用来决定WDT是否继续计数。
默认状态下，在待机模式下，WDIDLE＝0，WDT继续计数。
为了防止WDT在待机模式下复位AT89S52，用户应该建立一个定时器，定时离开待机模式，喂狗，再重新进入待机模式。
2.2.5中断系统
AT89S52有6个中断源：
两个外部中断（INT0和INT1），三个定时中断（定时器0、1、2）和一个串行中断。
每个中断源都可以通过置位或清除特殊寄存器IE中的相关中断允许控制位分别使得中断源有效或无效。
IE还包括一个中断允许总控制位EA，它能一次禁止所有中断。
IE.6位是不可用的。
对于AT89S52，IE.5位也是不能用的。
用户软件不应给这些位写1。
它们为AT89系列新产品预留。
定时器2可以被寄存器T2CON中的TF2和EXF2的逻辑“或”触发。
程序进入中断服务后，这些标志位都可以由硬件清0。
实际上，中断服务程序必须判定是否是TF2或EXF2激活中断，标志位也必须由软件清0。
定时器0和定时器1标志位TF0和TF1在计数溢出的那个周期的S5P2被置位。
它们的值一直到下一个周期被电路捕捉下来。
然而，定时器2的标志位TF2在计数溢出的那个周期的S2P2被置位，在同一个周期被电路捕捉下来。
2.3 输入电路的设计
2.3.1温度采集方案
方案一：
采用热敏电阻，可满足40℃至90℃测量范围，但热敏电阻精度、重复性、可靠性较差，对于检测1℃的信号是不适用的。
而且在温度测量系统中,采用单片温度传感器,比如AD590,LM35等.但这些芯片输出的都是模拟信号,必须经过A/D转换后才能送给计算机,这样就必须采用高速高位的A/D转换器，使得测温装置的结构较复杂.另外,这种测温装置的一根线上只能挂一个传感器,不能进行多点测量.即使能实现，也会造成成本的加大。
此外，用到的算法也比较复杂，一定程度上也增加了软件实现的难度。
方案二：
在多点测温系统中，传统的测温方法是将模拟信号远距离采样进行AD转换，而为了获得较高的测温精度，就必须采用措施解决由长线传输，多点测量切换及放大电路零点漂移等造成的误差补偿问题。
采用数字温度芯片DS18B20测量温度，输出信号全数字化。
便于单片机处理及控制，省去传统测温方法的复杂外围电路。
且该芯片的物理化学性很稳定，它能用做工业测温元件，此元件线形较好。
在0—100℃时，最大线形偏差小于1℃。
DS18B20的最大特点之一
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