单片机温度控制系统.docx

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单片机温度控制系统

题目单片机温度控制系统

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、石油等工业中，具有举足重轻的作用。

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得到了迅速的发展和广泛的应用。

单片机具有处理能强、运行速度快、功耗低等优点，应用在温度测量与控制方面，控制简单方便，测量范围广，精度较高。

本文介绍了一种基于STC89C52单片机的温度控制系统。

该系统可实现对工业电热炉温度的测量，并能根据设定值对电热炉温度进行控制。

本系统通过热点偶加温度传感器的形式，利用集成温度测量芯片max6675转换将单片机无法测量的温度信号转换为可测量的电信号，然后再将温度值在数码管上显示出来，其次就是借助此温度值利用定时器中断控制电热丝的加热时间，以此达到反馈温

度并控制温度的目的。

控制算法基于数字PID算法。

关键词：

单片机；温度控制；温度传感器；数码管；PID算法。

issystemthroughthehotspotincreasestemperaturesensor,usinganintegratedtemperaturemeasurementchipm2006级自动化专业毕业设计任务书-1-

摘要-3-

abstract-4-

第1章绪论-8-

第2章系统设计方案-10-

2.1设计主要思想-10-

2.2设计思想论证-11-

第3章元器件介绍-12-

3.1STC89C52单片机简介-12-

3.1.1STC89C52单片机概述-12-

3.1.2STC89C52单片机特性-13-

•低功耗闲置和掉电模式-13-

3．1．3STC89C52单片机引脚功能-13-

3.2MAX6675特性-15-

3.2.1Ｋ型热电偶变换器简介-15-

3.2.2Ｋ型热电偶变换器特性-15-

3.2.3Ｋ型热电偶变换器引脚功能-16-

3.2.4Ｋ型热电偶变换器内部介绍-16-

3.3高性能晶闸管三相移相触发集成芯片TC787-17-

3.3.1TC787简介-17-

3.3.2TC787引脚排列、引脚功能-18-

第4章温度控制系统硬件设计-21-

4.1系统工作原理-21-

4.2温度传感器电路-22-

4.2.1温度传感器电路图-22-

4.2.2测温流程图-23-

4.3显示电路-24-

4.4键盘电路-25-

4.5脉冲触发电路-26-

4.6光电耦合电路-27-

第5章单片机温度控制软件设计-28-

5.1.PID调节器控制原理-28-

5.2位置式PID算法-29-

5.3数字PID参数的整定-29-

PID参数对系统性能的影响如下：

-30-

5.4PID计算程序-30-

第6章系统仿真-33-

6.1RTWJ-1微机接口技术操作台介绍-33-

6.1.1操作台组成-33-

6.1.2专用开发工具-35-

6.2仿真介绍-35-

本系统的仿真主要基于一下仿真内容：

-35-

6.3温度控制系统仿真-36-

6.4PID仿真-39-

6.4.1稳定边界法整定PID参数-39-

总结-43-

参考资料-45-

致谢-46-

附录一-47-

系统程序：

-47-

附录二-54-

附录三-55-

英文翻译：

-55-

中文翻译：

-59-

温度是一个和人们生活环境有着密切关系的物理量，也是一种在生产、科研、生活中需要测量和控制的重要物理量，是国际单位制七个基本量之一。

温度的变化会给我们的生活、工作、生产等带来重大影响，因此对温度的测量和控制至关重要。

然而在工业领域温度的控制常由单片机控制。

冶金、化工、建材、机械、食品、石油温度是工业对象中的一个重要的被控参数。

然而所采用的测温元件和测量方法也不相同；产品的工艺不同，控制温度的精度也不相同。

因此对数据采集的精度和采用的控制方法也不相同。

本系统所使用的加热器件是电炉丝，功率为五十千瓦，要求温度在400～800℃。

单片机具有集成度高，通用性好，功能强，特别是体积小，重量轻，耗能低，可靠性高，抗干扰能力强和使用方便等独特优点，在数字、智能化方面有广泛的用途。

因而单片机控制系统在各个领域尤其是工业领域有着十分广泛的应用，而单片机温度控制系统是单片机控制系统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自动控制领域的一个重要发展方向，电流，电压，压力，流速，流量和开关量都是常用的被控参数。

例如：

在化工生产，冶金工业，电力工程，造纸行业，机械制造和食物加工等领域中，人们都需要对各种加热炉，热处理炉，反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。

本设计使用STC89C52单片机作为核心进行控制，不仅具有控制方便，组态灵活和简单等优点，而且可以大幅提高被控温度的技术指标，从而可以大大提高控制效率，因此单片机控制技术是工业生产中经常用到的控制技术，本文以单片机温度控制为例讲述了单片机的基本功能和应用。

该温度控制系统是以STC89C52单片机，TC787脉冲触发电路为控制核心设计的，系统主要由温度传感器电路、显示电路、键盘电路、脉冲触发电路、脉冲变压器电路、光电隔离电路组成。

本设计说明书分别讲述了该系统的软件实现和硬件组成及具体的控制方法，又进一步从该系统的方案简介，单片机的选型和主芯片的选择，主芯片的介绍，温度采集和温度控制等层面展开详细叙述。

2.1设计主要思想

该系统以STC89C52单片机为控制核心，由温度采集，信号放大，滤波，温度控制和温度调节等环节组成。

在系统中，温度和时间的设置、温度值显示、控制参数得设置、运行、暂停及复位等功能由键盘及显示电路完成。

通过热点偶加温度传感器的形式，利用具有冷端补偿的单片K型热电偶数字转换器max6675转换将单片机无法测量的温度信号转换为可测量的电信号，然后再将温度值在数码管上显示出来，其次就是借助此温度值根据相应的PID控制算法利用单片机控制电热丝的加热时间，以此达到反馈温度并控制温度的目的。

其中主电路采用三相交流晶闸管调压电路，晶闸管触发脉冲由集成触发芯片TC787供给。

单片机控制电热丝加热与否的过程实际上也就是触发芯片TC787是否给三项交流晶闸管调压电路供给触发脉冲的过程。

单片机温度控制系统控制框图如下所示：

图2.1控制系统方框图

如上图中，温度采集是温度传感器将温度信息变换为模拟电压信号的过程。

信号放大是将温度采集所获得的模拟电压信号放大到单片机可以处理的范围内。

滤波是经过低通滤波，滤掉干扰信号。

温度控制和温度调节是单片机将检测到的温度信息与设定值进行比较，如果不相符，数字调节程序根据给定值与测得值的差值按PID控制算法设计控制量，触发程序根据控制量控制执行单元。

如果检测值高于设定值，则停止加热系统，降低电热丝温度；如果检测值低于设定值，则启动加热系统，提高电热丝温度，达到控制温度的目的。

其中温度采集，信号放大和滤波环节由集成芯片max6675和热电偶完成。

2.2设计思想论证

无论是工农业生产中，还是日常生活中，对温度的检测和控制都是必不可少的，对于温度的检测通常是采用热敏电阻在通过A/D（模/数）转换得到数字信号，但由于信号的采集对整个系统的影响很大，如果采样精度不高，会使这个系统准确性下降。

因此本次设计采用高精度的具有冷端补偿的单片K型热电偶数字转换器。

这种数字转换器是MAXIM公司推出的具有冷端补偿的单片K型热电偶数字转换器。

而对于温度控制的方法也有很多：

如单片机控制、PLC控制、模拟PID调节器和数字PID调节器等等。

综合各方面的意见，本设计采用单片机来实现温度的控制。

由于单片机具有集成度高，通用性好，功能强，特别是体积小，重量轻，耗能低，可靠性高，抗干扰能力强和使用方便等独特优点，所以采用单片机进行温度的控制操作比较简便运行起来也比较安全可靠。

3.1STC89C52单片机简介

3.1.1STC89C52单片机概述

STC89C52单片机是由美国设计生产的一种低电压，高性能CMOS8位单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时3个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口。

片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。

STC89C51单片机的结构与80C51单片机的结构基本相同，不同之处有：

（1）具有CHMOS工艺的节能运行方式；

（2）增加了一个16位的定时器；

（3）ROM类型属于flash存储器；

（4）中断源由5个增加到6个；

（5）片内ROM增加到8K;

（6）片内RAM从128字节增加到256字节；

3.1.2STC89C52单片机特性

STC89C52单片机的主要特性如下：

•寿命达1000写/擦循环

•数据保留时间：

10年

•全静态工作：

0Hz－24MHz

•三级程序存储器锁定

•256bytes内部RAM

•32可编程I/O线

•3个16位定时器/计数器

•6个中断源

•可编程串行通道

•低功耗闲置和掉电模式

3．1．3STC89C52单片机引脚功能

STC89C52单片机引脚排列如图3.1.3所示，引脚功能如下：

图3.1.3STC89C52单片机

VCC（40）：

＋5V

VSS（20）：

接地

P0口（39－32）：

P0口为8位漏极开路双向I/O口，每个引脚可吸收8个TTL门电流。

P1口（1－8）：

P1口是从内部提供上拉电阻器的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收和输出4个TTL门电流。

P2口（21－28）：

P2口为内部上拉电阻器的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收和输出4个TTL门电流。

P3口（10－17）：

P3口是8个带有内部上拉电阻器的双向I/O口，可接收和输出4个TTL门电流，P3口也可作为AT89C51的特殊功能口。

RST（9）：

复位输入。

当振荡器复位时，要保持RST引脚2个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG（30）：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节，在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6，它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的，要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过1个ALE脉冲。

PSEN（29）：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取值期间，每个机器周期2次PSEN有效，但在访问外部数据存储器时，这2次有效的PSEN信号将不出现。

EA/VPP（31）：

当EA保持低电平时，