基于单片机噪音检测系统的设计.doc

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基于单片机的温度控制系统设计

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基于单片机的温度控制系统设计

摘要：

温度是工业对象中一个主要的被控参数，它是一种常见的过程变量，在现代化的电力工程领域中，人们需要对温度进行检测和控制。

采用MCS-51单片机来对温度进行控制不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高质量。

本文利用单片机结合传感器技术而开发设计了这一温度监控系统。

课题主要任务是完成环境温度检测，系统主要以8031单片机为核心，由温度传感器，A/D转换模块，过零检测电路，报警与指示电路，光电隔离与功率放大电路等构成。

本文对每个部分功能、实现过程作了详细介绍。

本文设计的单片机温度控制系统的主要内容包括：

系统方案、元器件选择、系统理论分析、硬件设计、软件设计、系统调试等

关键词：

温度，单片机，控制，传感器

目录

摘要：

2

第一章绪论 5

第二章设计方案 5

2．1系统结构 5

2．2设计思路 6

第三章主要元器件介绍 7

3．1AT89C51单片机 7

3．1．1概述 7

3．1．2主要特性 7

3．1．3引脚功能 8

3．2AD590温度传感器 9

3．2．1概述 9

3．2．2主要特性 10

3．2．3工作原理 11

3．3ADC0809模数转换器 12

3．3．1主要特性 12

3．3．2工作原理 13

第四章硬件设计 14

4．1外围接口选择 14

4．2温度控制电路 16

4．3温度检测电路设计 16

4．3．1设计目标 16

4．3．2设计原理 17

4．3．3转换电路 17

4．3．4信号处理电路 18

4．3．5主电路 19

4．4光电隔离电路 20

4．5过零检测电路 20

4．6PID控制算法 21

4．6．1PID控制作用 21

4．6．2PID算法的微机实现 21

4．6．3PID算法的程序设计 22

第五章软件设计 23

5．1设计步骤 24

5．1．1画出系统的程序框图 24

5．1．2内存分配 25

第六章系统调试 27

6．1硬件调试方法 27

6．1．1常见的硬件故障 27

6．1．2联机调试 28

6．1．3脱机调试 29

6．2软件调试方法 29

6．3误差分析 30

第七章结论 30

参考文献 31

致谢 32

附录 33

第一章绪论

单片机具有体积小、功能强、可靠性好以及价格低等优势，在电子产品中的应用已经越来越广泛，并且在很多电子产品中也将其用到温度检测和温度控制。

为此在本文中作者设计了基于Atmel公司的AT89C2051单片机的温度控制系统。

利用MCS-51单片机来对温度进行控制，具有控制方便、设计简单、灵活性强等优点，可以大幅度提高产品的质量和数量。

并且设计的系统还可以根据实际的应用加以扩展实现更多的功能。

温度是生产过程中最常见的物理量,许多生产过程是以温度作为其被控参数的。

因此,因此，单片机对温度的控制问题是一个工业生产包括许多电力工程中经常会遇到的问题。

本文介绍一种功能简化后的温度控制系统的设计过程。

假设某一烘干道采用过热蒸汽为热源，蒸汽管道经热交换器加热空气并通过风机向烘箱提供热风以实现对胶布（带）的循环加热，烘箱中的温度变化范围为0～120℃。

要求实现如下功能和指标：

①温度给定值在85℃左右且现场可调；

②温度控制误差≤±2℃；

③实时显示温度值，保留1位小数；

④温度超过给定值±10℃时声光报警；

⑤控制参数可在线修改。

第二章设计方案

2．1系统结构

该系统以89C51单片机为核心，由温度测量变换、测量放大、大功率运放、A/D与D/A转换器、输入光电隔离、驱动电路、键盘显示、存储器共同组成。

在系统中，温度和时间的设置、温度值及误差显示、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。

图2-1单片机温度控制系统方案原理示意图

传感器把测量的温度信号转换成弱电压信号，经过信号放大电路，送入低通滤波电路，以消除噪音和干扰，滤波后的信号输入到A/D转换器转换成数字信号输入单片机。

2．2设计思路

1、设计测量的温度范围为0～120℃，控制精度也不高，可选用8路8位ADC0809作A/D转换器，分辨率可达0.5℃；为了方便操作，系统可不扩展专用键盘，温度给定输入可用2位BCD码拨盘开关置数；温度显示可用4位LED；为了实现通过调节蒸汽流量控温，可扩展8位DAC0832作D/A转换器。

于是，单片机基本系统应为：

8031+2764+8255+ADC0809+DAC0832+4位LED。

2、温度测量可以选用半导体集成温度传感器AD590，它的响应速度快，与单片机接口简单。

其测温范围为-55～+150℃，工作电压4～30V，输出电流与绝对温度成正比，即为1µA/K。

执行机构可选用ZKZP-Ⅱ型线性电动单座调节阀，用它来调节通入烘箱的蒸汽流量。

调节阀用D/A转换器输出的可调电流控制，0mA对应阀门完全关闭，10mA对应阀门全打开。

3、可采用带死区的比例积分（PI）控制算法实现对温度的控制。

温度与给定值的偏差小时，调节阀不动作，以减少阀的机械磨损；偏差较大时，经PI算法运算后，单片机通过D/A输出控制信号控制阀门的开度，为了使控制参数现场可调，可用3个电位器产生3路可调电压经过A/D转换实现对A/D转换，实现对PI算法的3个参数（比例系数Kp、积分系数KI、控制周期Tc）在线整定。

这种方法不仅可使参数调整方便，而且具有掉电保护功能。

4、为了提高系统的抗干扰能力，D/A转换器与单片机之间进行光电隔离。

使电动阀和单片机之间不共地。

第三章主要元器件介绍

3．1AT89C51单片机

3．1．1概述

AT89C51是一个低电压，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，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口。

片内含4kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128bytes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。

器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案。

3．1．2主要特性

AT89C51的主要特性如下：

•三级程序存储器锁定

•寿命达1000写/擦循环

•全静态工作：

0Hz－24MHz

•128×8位内部RAM

•低功耗闲置和掉电模式

•32可编程I/O线

•2个16位定时器/计数器

•6个中断源

•可编程串行通道

•片内振荡器和时钟电路

3．1．3引脚功能

AT89C51引脚排列如图3-1所示：

图3-1AT89C51的引脚排列

引脚功能如下：

VCC（40）：

＋5V

GND（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，外部程序存储器地址为（0000H－FFFFH）不管是否有内部程序存储器。

FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1（19）：

反向振荡器放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2（18）：

来自反向振荡器的输出。

3．2AD590温度传感器

3．2．1概述

AD590是AD公司利用PN结正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器。

这种器件在被测温度一定时，相当于一个恒流源。

该器件具有良好的线性和互换性，测量精度高，并具有消除电源波动的特性。

即使电源在5-15V之间变化，其电流只是在1µA以下作微小变化。

AD590是电流型温度传感器，通过对电流的测量可得到所需要的温度值。

根据特性分档，AD590后缀以I、J、K、L、M表示。

AD590L、AD590M一般用于精密温度测量电路。

它采用金属壳3脚封装，其中1脚为电源正端V+，2脚为电流输出端I0，3脚为管壳，一般不用。

图3-2AD590实物图及电路符号

3．2．2主要特性

AD590的主要特性参数如下：

•工作电压：

4～30V

•工作温度：

-55～+150℃

•保存温度：

-65～+175℃

•正向电压：

+44V

•反向电压：

-20V

•焊接温度（10秒）：

300℃

•灵敏度：

1µA/K

3．2．3工作原理

在被测温度一定时，AD590相当于一个恒流源，把它和5-30V的直流电源相连，并在输出端串接一个1KΩ的恒值电阻，此电阻上流过的电流与被测温度成正比，此时电阻两端将会有1mV/K的电压信号。

其基本电路如图3-3所示。

图3-3感温部分的核心电路

图3是利用ΔURE特性的集成PN结传感器的感温部分核心电路。

其中T1、T2起恒流作用，可用于使左右两支路的集电极电流I1和I2相等；T3、T4是感温用的晶体管，两个管的材质和工艺完全相同，但T3实质上是由n个晶体管并联而成，因而其结面积是T4的n倍。

T3和T4的发射结电压URE3和URE4经反极性串联后加在电阻R上，所以R上端电压为ΔURE。

因此，电流II为：

II=ΔURE/R=（KT/q）（Inn）/R

对于AD590,n=8,这样,电路的总电流将与热力学温度T成正比,将此电流引至负载电阻RL上便可得到与T成正比的输出电压。

由于利用了恒流特性，所以输出信号不受电源电压和导线电阻的影响。

图3中的电阻R是在硅板上形成的薄膜电阻，该电阻已用激光修正了其电阻值，因而在基准温度下可得到1µA/K的I值。

AD590的内部结构电路如图3-4所示。

图3-4AD590的内部结构

3．3ADC0809模数转换器

3．3．1主要特性

•ADC0809的主要特性指标：

•分辨率：

n=8

•时钟频率：

小于640KHZ

•转换时间：

大于等于100微秒

•不可调误差