智能温度控制系统.docx

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智能温度控制系统

摘要

智能温度控制系统

近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。

在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，以作完善。

本系统是以单片机的基本语言汇编语言来进行软件设计编程的，其指令的执行速度快，节省存储空间。

为了便于扩展和更改，软件的设计采用模块化结构，使程序设计的逻辑关系更加简洁明了。

使硬件在软件的控制下协调运作。

根据本温度系统的设计要求，该系统是由单片机和温度传感器与一体的综合设计，由于是用单片机采集温度信号，所以在之前必须对温度信号进行放大和转换，就应该选择放大器和A/D转换器，本系统要实现人工智能化，就必须有对温度进行设定，所以还需要设计键盘与单片机系统进行沟通。

关键字：

单片机温度传感器键盘A/D转换器放大器

第一章绪论

计算机是人类有史以来最伟大的发明之一，人类经过几个世纪的努力，把计算机从中国古老的算盘发展到当代的计算机。

当代计算机并非仅用于计算，它更广泛地应用到社会生活中的各个领域，从宇宙飞船到人造卫星，从天气预报到地震预报，从办公自动化到生产过程自动化，都离不开计算机的应用，计算机已成为促进现代文明的进步，推动人类社会发展的“智能工具”。

单片微型计算机（singlechipmicrocomputer）被称为单片机，它是各类专用控制器而设计的通用或专用微型计算机系统，高密度集成了普通微机的微处理器、一定容量的RAM和ROM以及输入/输出接口，定时器等电路于一块芯片上构成的。

单片机的应用十分广泛，其具体有以下几个特点：

（1）小巧灵活、成本低，易于产品化。

它能方便地组装成各种智能化的控制设备及各种智能仪器仪表。

（2）面向控制，能针对性地解决从简单到复杂的各类控制任务，因而能获得最佳的性能价格比。

（3）抗干扰能力强，适应温度范围宽，在各种恶劣的环境条件下都能可靠地工作，这是其它机种无法比拟的。

可以很方便地实现多机和分布控制。

使整个系统的效率和可靠性他大为提高。

（4）单片机具有体积小、功耗低、价格便宜等优点，今年来还开发了一些以单片机母片（如8051），在片中嵌入更多的专用型单片机，因此单片机在计算机控制领域中应用越来越广泛。

单片机的应用意义不仅带来的巨大经济效益。

更重要的意义还在于单片机的应用正从根本上改变着传统的抗争系统设计思想和设计方法。

从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件的方法实现。

这种以软件取代硬件并提高系统性能的控制技术，称之为微控制技术。

微控制技术标志着一种全新概念的出现，是对传统控制技术的一次革命。

随着单片机应用的推广和普及，微控制技术必将不断发展，日益完善。

温度是工业控制对象中主要的被控参数之一,特别是在冶金,化工,建材,食品加工,机械制造等各类工业中广泛使用加热炉,热处理炉,反应炉等。

这些技术高精度高的自动控制可以使用计算机来完成。

但由于在工业生产中，生产的对象往往是复杂多变的，都用计算机控制可能增加生产成本，因此为了能够满足人们的生产需要，在很多生产控制中就运用到了单片机控制下面就是运用单片机控制元件生成的推舟设计系统。

第二章设计要求

设计一个温度控制系统，实现计算机控制自动推舟系统具体要求如下:

2.1设计课题工艺过程简介

随着现代社会的高速发展，在工业生产现场和电力电子技术领域中，半导体元器件得到广泛的利用。

在半导体产品的研制和生产过程中，有一道关系到半导体器件性能的关键工序——在外延片上均匀地生长若干不同厚度的掺杂层，生长的方法是：

首先，将待加工的外延片放在液相外延炉中预热，在推杆的前端并列放着几个小方框，小方框中装有不同的惨杂物。

当炉温达到一定温度值后，预热结束后炉温开始下降，根据半导体器件的要求，当炉温降到某个设定值时，便要将推杆推进一个舟的距离，使舟中的掺杂物对准外延片，并在外延片生长一片薄层。

当炉温再降到另一个规定值时，直到掺杂完所有层，生成半导体器件。

根据该半导体器件的掺杂层数的不同推舟的距离在20mm-170mm之间。

同样，推舟的速度也各有不同的要求，大约介于7mm/s-25mm/s之间。

2.2控制任务指标及要求：

掺杂推舟工作温度范围：

700-400℃

推舟总距离：

小于170mm

一次推舟距离：

20mm-170mm

推舟的速度（可转化为时间）：

7mm/s-25mm/s

一次工序推舟次数：

1-6个舟

第三章系统设计思想

由于每种半导体器件在掺杂推舟中，其生长层数、舟长度、推舟速度以及推舟温度都不完全相同，因而，在控制系统中必须配备简易的键盘和显示器，以便能够输入和显示各种控制参数，以及控制系统的启动和停止。

该控制系统应该能够接受采集温度信号，并完成信号的非电量到电量的转换，A/D转换，根据对应的温度值来执行相应的动作。

在本推舟控制系统中，拟采用步进电机与滚珠丝杆相结合的方法来带动推杆的运动。

因而推杆的运动是步进式的。

控制步进脉冲的个数和时间间隔，便可以精确的控制位移和时间。

为了便于控制，系统软件应该具备简易的监控功能，以管理显示和键盘。

要对接受到的数据进行转换、存储和各种换算，还要将检测到的给定值进行比较，比较值相符合，发出相应的换算的步进脉冲，以达到控制目的。

依据设计的要求，可以有以下的硬件设计框图：

通过上面框图我们可以划分为几个模块来进行硬件设计，通过模块话设计将使设计思路能够清晰明了的展现出来，便于分析和编程。

第四章硬件的选择

4.1单片机的选择

在当今的单片机世界里，现在世界上用量最大的几种单片机是MCS-51系列。

该系列单片机以其高性价比，兼容性强，软硬件资源丰富，得到了广泛的应用。

针对本设计，选用对于存储空间的要求不是很高，4K的程序存储空间已经够用，没有必要使用其他存储空间扩展的单片机。

4.2温度传感器的选择

根据设计要求，由于此设计属于工业生产范围，所以对传感器的要求也很高。

在推舟过程中炉温在400～700℃之间，所以要求温度传感器的测量范围在这个之间或有结余。

经过对资料的查找本设计选择装配式镍镉-铜镍热电偶传感器。

工业用的装配式热电偶作为测量温度的变送器通常和显示仪器、记录仪表和电子调节器配套使用。

它可以直接测量各种生产过程中从0℃到1800℃范围的液体、气体和蒸汽介质以及固体的表面温度，在测量过程中热电偶传感器能够至于炉温中直接检测到炉温，所以选择热电偶式传感器较为合适。

（设计中选择了型号的传感器）

4.3显示器的选择

题目要求能够显示所测得的温度值实现实时监控。

并且可以根据需要，既要能够显示炉温的温度还要能够显示设定值温度。

同时为了节约成本我们采用三支LED数码显示管，并且要使显示器呈动态显示状态。

4.4键盘的选择

根据设计思路知道，设计要求能够实现人机对话，也就是可以根据不同元器件的生产需要进行人为的设置温度，控制温度上限、下限以及对各个温度点的设置，从而来控制电动机的运行实现推舟生产过程。

所以为了更方便的进行操作，我们选择4×4式键盘，

4.5温度控制部分

我们要通过单片机的引脚来对温度进行控制，显然，直接通过引脚对温度的加热设备进行控制，不是很现实，我们只有通过驱动器来对引脚的信号进行处理，来对温度进行检测和控制。

在本计中，为了采集温度信号，使温度能够准确的采集和处理，我采用了热电偶式温度传感器。

通过它的外围器件，能够以小的信号控制比较大的信号。

由于热电偶传感器的测量点可以放置在被测对象上或周围，因此检测到的信号比较准确。

为了补偿热电偶在测量过程中损失的热电势，我采用了电桥冷端补偿法。

具体信息将在后面进行介绍。

4.6自动推舟控制部分

由于自动推舟控制过程中，根据生产需要实现定位控制，因此在设计中采用性能良好的步进电动机作为执行元件，当电机旋转时通过丝杆把电机的旋转运动转化为直线位移，从而推动舟的运动。

我们之所以选用步进电机是因为其具有可靠的快速启动和停止的功能，如果负荷不超过其所提供的动态转矩值，就能够在一刹那间启动与停止，符合系统设计的需要。

由于时间比较仓促的关系在本设计中我就对其软件部分进行了省略。

4.7实现方案

方案一：

由于设计题目要求选用8031单片机来实行系统的控制，但受到8031的内存限制，在设计过程中需要对8031进行扩展，因此增加了硬件需求，同时增加了成本。

方案二：

8051和8031具有相同的功能，但8051内部增加了ROM/EPROM从而使存储的空间加大，在设计中不许要扩展其他硬件。

通过以上比较，选用8051作为次设计系统的控制核心比较理想。

具体的实现过程，将会在硬件，软件部分详细的进行说明

第五章硬件设计

在实现硬件设计中需要用到单片机、A/D转换、步进电机、键盘、显示器、传感器、电阻、电容等，具体器件介绍如下：

5.1单片机基本系统：

单片机系统是整个控制系统的核心，它完成整个系统的信息处理及协调控制功能。

由于系统对控制速度、精度及功能要求都无特别之处，因此可以选用目前广泛使用的MCS--51系列单片机8051。

8051可以提供系统控制所需的中断、定时及存放中间结果的RAM电路但片内没有程序存储器，因此单片机基本系统中除了应包括复位电路和晶体振荡电路以外，还应扩充程序存储器。

5.1.1单片机8051

8051是MCS-51系列单片机中的一个产品，MCS-51系列单片机是Intel公司推出的通用型单片机。

MCS-51系列单片机的各种型号都是以8051为核心电路发展起来的，因此他们都具有MCS-51的基本结构与软件特征。

8051的特点：

●8位的CPU

●

●

●具有布尔处理功能

●

●

●4K字节片内程序存储器（ROM）

●

●

●128字节片内数据存储器（RAM）

●

●

●21个特殊功能寄存器（SFR）

●

●

●4个8位的并口、32根口线

●

●

●两个16位的定时计数器

●

●

●一个全双丁的串口

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●

●5个中断源，2个中断优先级

●

●

8051引脚说明:

I/O端口:

P0.0～P0.7,P1.0～P1.7,P2.0～P2.7,P3.0～P3.7.

8051共有4个I/O端口,为P0,P1,P2,P3,4个I/O都是双向的,且每个口都具有锁存器.每个口有8条线,共计32条I/O线.各端口的功能叙述如下.

（1）P0有三个功能:

外部扩充存储器时,当作数据总线（D0~D7）.

外部扩充存储器时,当作地址总线（A0~7）.

不扩充时,可做一般I/O使用,但内部无上拉电阻,作为输入或输出时应在外部接上拉电阻.

（2）P1只做I/O口使用,起内部有上拉电阻.

（3）P2有两个功能:

扩充外部存储器时,当作地址总线（A8~A15）.

做一般I/O使用,起内部有上拉电阻.

（4）P3有两种功能.

除了作为I/O使用外（内部有上拉电阻）,还有一些特殊功能,（略）端口1,2,3有内部上拉电阻,当作为输入时,其电位被拉高,若输入为低电平可提供电流源;起作为输出时可驱动4个LSTTL.而端口0当作输入时,出在高阻抗的状态,其