基于单片机控制的智能温度控制系统的毕业设计论文.docx

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基于单片机控制的智能温度控制系统的毕业设计论文

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:

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。

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

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。

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）

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。

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，

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。

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。

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：

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

●5个中断源，2个中断优先级

8051引脚说明:

I/O端口:

～,～,～,～.

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,其输出缓冲器可驱动8个LSTTL（外部的上拉电阻）.

VDD:

电源+5V.

VSS:

GND接地.

（5）ALE/PROG（ADDRESSLATCHENABLE）地址锁存器使能信号端有三种功能:

8051外接RAM/ROM:

ALE接地址锁存器8282（8212）的STB脚,74373的EN脚,当CPU对外部存储器进行存取时,用以锁住地址的低位地址.

8051未外接RAM/ROM:

在系统中未使用外部存储器时,ALE脚也会有1/6石英晶体的振荡频率,可作为外部时钟。

在烧写EPROM：

ALE作为烧写时钟的输入端。

（6）PSEN（PROGRAMSTORENABLE）：

程序储存使能端。

内部程序存储器读取：

不动作。

外部程序存储器读取（ROM）；在每个机器周期会动作两次。

外部数据存储器读取（RAM）：

两个/PSEN脉冲被跳过不会输出。

外接ROM时，与ROM的/OE脚连接。

（7）RESET此脚为高电平时（约2个机器周期）,.可将CPU复位,CPU复位后其累加器及存储器的内容如表：

（8）EA/VPP:

①接高电平时：

℃CPU读取内部程序存储器（ROM），如8051/8052。

扩充外部ROM：

当读取内部程序存储器超过0FFFH（8051）、1FFFH（8052）时，自动读取外部ROM。

②接低电平时：

CPU读取外部程序存储器（ROM），如8031/8032。

③8751烧写内部EPROM时，利用此脚输入21V的烧写电压。

（9）XTAL1，XTAL2：

接石英晶体振荡器。

机器周期=石英晶体×12，如12MHz石英晶体/12=1微秒。

8051硬件如下图：

综上所述：

单片机的4个并行口线，除P1口可以作为用户使用的I/O口线，在需要扩展片外存储器时，P0，P2口只能用作数据总线和地址总线，由于P0口在扩展时，既可作为数据总线又可作为地址总线，所以它作为地址总线时，需要外加地址锁存器。

P2口作为第二功能时，其中的许多口线是作为控制信号线使用的。

只有在不使用P0，P1，P3口的第二功能时，它们可以作为一般的I/O口使用，如不需要扩展存储器和I/O

口时，P0、P2可作为一般的双向口。

2.控制口线：

EA/VPP，PSEN，ALE，RST

EA/VPP：

片内外程序存储器选择/编程电压

EA/VPP=1，CPU从片内程序存储器开始执行程序，即PC首先指向片内ROM。

EA/VPP=0，CPU指向片外程序存储器中的程序，即PC只指向片外ROM。

EA/VPP=21V，编程电压，对于片内EPROM进行编程。

片外程序存储器的读选通信号，当PSEN=0时，CPU从片外程序存储器取指令。

ALE/PRG：

地址锁存信号/编程脉冲

访问外部存储器时，ALE用于锁存地址的低8位。

即使不访问外部存储器，ALE仍然以震荡频率的1/6周期性的向外输出正脉冲，用它作为外部定时基准。

ALE端的负载能力为8个LSTTL。

在对片内EPROM进行编程时，作为编程脉冲输入端。

RST/VPD：

复位信号/掉电保护

此端保持两端周期的高电平，可以使单片机复位。

在VCC掉电期间，此引脚接上备用电源，可保持片内RAM中的信息

8155简介

8155为Intel公司的一种功能可编程接口芯片，它具有两个8位和一个6位可编程的I/O接口、256字节的RAM存储器、一个14位的计数/定时器。

在单片机中有广泛的应用。

8155的特点如下：

AD7～AD0，三态地址/数据总线；

PA7～PA0，A口输入/输出线；

PB7～PB0，B口输入/输出线；

PC5～PC0，C口输入/输出线或为A，B口的控制信号线

当C口作为控制信号线时，其功能如下；

PC0，A口中断请求信号线。

PC1，A口缓冲器信号线。

PC2，A口选通信号线

PC3，B口中断请求信号线。

PC4，B口缓冲器信号线。

PC5，B口选通信号线

CE，片选信号线，低电平有效

RD，存储器读信号线

WR，存储器写信号线，低电平有效

ALE，地址锁存信号线

IO/M，I/O口与存储器选择信号线。

IO/M为1时，选择I/O口；I/O为0时，选择存储器。

TIMEIN，计数/定时器脉冲输入有效。

TIMEOUT，计数/定时器输出端。

RESET，复为信号线。

VCC，+5V电源。

VSS，接地端。

8155的外型结构如图5.2.3所示：

8155的芯片内部结构：

8155的内部结构包括两个8位的并行输入/输出端口，256个字节的静态RAM，，一个地址锁存器，一个14位的计数/定时器和控制逻辑电路。

8155的工作方式：

8155的控制逻辑中设置了一个命令/状态寄存器，它实际上使两个不同的寄存器，分别存放命令字和状态字，对控制命令寄存器只能进行写操作，而对一起称为命令/状态字寄存其。

其中，命令字用于选择I/O口的工作方式，状态字用于选择A口和B口和定时器当前的工作状态，其格式如下：

在控制信号中，IO/M=1时，CPU选择对存储器进行读/写操作。

256个字节的存储

器地址范围为00H~FFH，I/O口和寄存器的地址分配如下表：

命令字寄存器：

8155的A口和B口具有基本输入输出和选通输入输出两种工作方式，这个方式选择由C口的工作方式决定，当C口的工作方式作为一般输入/输出口时，A、B口工作于基本输入输出方式；当C口用于提供控制/状态信号时，A、B口工作于选通工作方式。

A、B口具体工作于输入还是输出，又命令字的的D1、D0位决定。

8155的C口既可用作基本输入/输出口，也可以用于提供A、B的控制/状态信号，

具体地说，有ALT1、ALT2、ALT3、ALT4四种工作方式，如图三所示。

C口的前两种工作方式分别为输入输出方式。

C口工作于ALT3方式时，B口工作于基本输入/输出，A口工作于选通工作方式。

C口为A口提供3根控制/状态信号线（C口的另3位输出）。

C口工作于ALT4方式时，A口和B口均工作于选通方式，C口位A、B口提供6根控制/状态信号（C口全为控制/状态线）。

C口的工作方式与A、B口工作关系如表：

8155片内设置了一个14位的减法计数器，用于对外部输入的脉冲信号进行减1计数。

定时计数器的外部脉冲信号由TIMERIN引脚输出，定时器的输出引脚位TIMEROUT。

计数/定时器的计数值和工作方式，由8位计数/定时器寄存器设定，如下图5.1.5所示：

其中，T13~T0为计数器值，范围为0002H~3FFFH，M2、M1用于设置定时器的工作方式。

定时器的工作方式有四种，每一种的区别主要在于输出波形不同，方式00和01常用于对脉冲进行分频，方式10和11为计数/定时到，输出负脉冲信号，具体波形如下图5.1.6所示：

对定时器进行编程时，应该先将技数初值和定时器工作方式装入寄存器，计数是否启动由命令字的最高二位控制，具体控制方式如下。

TM2TM1

10：

空操作，不影响计数

11：

停止定时器计数，若计数器没有启动，则相当于空操作

20：

定时器值减为0时，停止计数

11：

启动，置方式和初置后立即启动；若正在计数则表示置新的方式和初置，计数结束后，按新的方式和初值计数。

任何时刻都可以设置定时器的初值和工作方式，但是必须将启动命令写入命令寄存器。

如何定时器正在计数，那么，只有写入启动命令之后，定时器才接收新的计数初值并按新的工作方式计数。

由于8155内部带有地址锁存器，因此，它与8031的接口电路非常简单，不需任何附加的电路。

图7是8031与8155的接口电路，存储器RAM和I/O口的地址分配如下。

存储器的地址：

7E00H~7EFFH。

I/O的地址

命令/状态寄存器7FF8H

PA口7FF9H

PB口7FFAH

PC口7FFBH

定时器底8位7FFCH

定时器高8位7FFDH

前向通道

前向通道是信息采集的通道，主要包括传感器、信号放大、A／D转换等电路。

由于温度变化是一个相对缓慢的过程，固此前向通道中没有使用采样保持电路。

按设计要求，温度控制静态误差≤l0C，炉温给定范围为400～700℃，而对炉温的检测范围应适当大于此范围，设为400～7500C，则系统的控制总误差应不大于1／（95—35）X100％＝1．67％，分配到前向通道的信号采集总误差应不大于系统总误差的1／2，即精度应为o．83％，可以采用8位A／D转换器实现。

前向通道包括：

A/D转换器、传感器、放大器

5.2.3温度传感器：

我们知道，在推舟工作区中，推舟掺杂的工作温度范围为700℃~400℃。

为了检测温度并控制推舟，这里采用了接触式的温度测量方法，以热电偶作为测温元件，置于工作区中。

考虑到测温范围和精度，以及价格因素的影响，这里选用装配式热电偶WRE2型传感器。

其测温上限长期为900℃，短期可达700℃。

1.热电偶特点及应用范围

①特点

●热电偶可将温度直接转换成电量信号,便于监测；

●结构简单,制造容易,价格便宜；

●惰性小,准确度高,测量范围广；

●可做成多种结构,以满足各种测量对象的要求；

●适用于远距离测量与控制；

●但其准确度难以超过0.2℃；

●参考端温度影响测量,必须进行补偿；

●在高温或长期使用时,因受被测介质的影响或环境气氛的腐蚀作用而发生劣化。

②应用范围：

　　热电偶适用于各行各业各个领域生产过程中－200℃～1300℃范围内的温度测量，在特殊情况下，可测量2800℃的高温和4K的低温。

2.热电偶传感器工作原理

热电偶是一种使用最多的一种传感器，它的工作原理是由两种不同的导体或半导体A和B组成的一个回路，其两端相互连接，只要结点处的温度不同，一端的温度为T，另一端的温度为T0，则回路中就有电流产生，即回路中存在电动势，该电动势称为热电势。

当回路断开时，在断开处a,b之间便有一电动势ET,其极性和量值与回路中的热电势一致，规定为冷端，当电流由A流向B时，称A为正极，B为负极。

热电势ET与温度差（T–T0）成正比，即

ET=SAB（T–T0）

SAB为赛贝克西蜀，又称为热电势率，它是热电偶的最重要的特征量，其符号和大取决于热电极材料的相对特性。

  两种导体的接触电势

不同金属自由电子密度不同，当两种金属接触在一起时，在结点处会发生电子扩散，

浓度大的向浓度小的金属扩散。

浓度高的失去电子显正电，浓度低的得到电子显负电。

当扩散达到动态平衡时，得到一个稳定的接触电势。

温度T时热端接触电势：

冷端接触电势：

式中：

A、B代表不同材料；

在闭合回路中，总的接触电势为：

3.热电偶传感器的主要技术参数

热电偶的主要技术参数有型号、分度号、测量范围、允许误差、热响应时间、公称压力、热电动势率、长期稳定性、热电偶的电阻R0等。

WRE2温度型传感器属于装配式镍镉-康铜热电偶传感器，其工作范围为333～900℃，允许误差在0.0075℃，时间常数t〈90，该型号在系统中测量400～700℃之间的温度，经查表知在400℃时，其热电动势为,在700℃时其电动势为

热电偶的的热电动势计算公式：

E=∑biti

热响应时间：

热响应时间也称时间常数，它是用来表示热电偶对温度变化感应快慢的惰性参数，在温度出现阶跃变化时，热电偶的输出变化至相当于该阶跃变化的℅所需的时间。

冷端补偿：

 本系统使用镍铬—康铜热电偶，被测温度范围为400～700℃，冷端补偿采用补偿电桥法，采用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值。

不平衡电桥由电阻R1、R2、R3（锰铜丝绕制）、Rcu（铜丝绕制）四桥臂和桥路稳压源组成，串联在热电偶回路中。

Rcu与热电偶冷端同处于±0℃,而R1=R2=R3=1Ω，桥路电源电压为4V，由稳压电源供电，Rs为限流电阻，其阻值因热电偶不同而不同，电桥通常取在20℃时平衡，这时电桥的四个桥臂电阻R1=R2=R3=Rcu，a、b端无输出。

当冷端温度偏离20℃时，例如升高时，Rcu增大，而热电偶的热电势却随着冷端温度的升高而减小。

Uab与热电势减小量相等，Uab与热电势迭加后输出电势则保持不变，从而达到了冷端补偿的自动完成。

5.2.4运算放大器

运算放大器（常简称为“运放”），是广泛应用的、具有超高放大倍数的电路单元。

可以由分立的器件组成，也可以实现在半导体芯片当中。

随着半导体技术的发展，如今绝大部分的运放是以单片的形式存在。

现今运放的种类繁多，广泛应