单片机温控系统设计.docx

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单片机温控系统设计

摘要I

AbstractII

第一章概述1

1.1课题的目的与意义1

1.2课题的发展和现状1

1.3课题的主要内容和要求2

第二章总体设计及设计参数3

2.1总体方案3

2.1.1课题基本任务及要求3

2.1.2总体方案设计3

2.2方案论证4

第三章硬件电路的系统组成6

总结与致谢31

附录32

元件图32

程序清单33

摘要

温度控制器是很多企业常见的控制装置,如机械行业的零件热处理、塑料制品的注塑机上,粉末冶金行业烧结炉、还原炉等都有温度控制问题,尤以热处理加热炉的温度控制最为典型。

热处理加热炉是工厂热处理和高校热处理实验广泛使用的加热设备。

现在所使用的炉温控制方法很多仍是陈旧的动圈式两位指示调节仪（如XCT101型动圈式两位指示调节仪）。

这种炉温控制方法炉温波动范围大,保温时间靠人工计时,加热速度不能控制,温度不能全程动态跟踪显示。

这样的控制和显示方式不能满足日益发展的工业需求。

高校的发展同样要求用现代化手段提升现有的实验设备,为学生提供更多更好、更现代化的实验条件。

因此,我们就学校热处理实验用电阻加热炉进行现代化改革,将DS18B20测温传感器和AT89S52单片机优秀的实时控制功能、灵活的编程能力有机的结合起来,开发出热处理微机控制系统,实现温度控制的自动化。

不但能用于学校的实验教学及其它一些研究课题的开发,同样能用于工厂热处理、注塑机多点温度的控制,提高工业企业自动化水平。

关键字：

单片机AT89S52；传感器DS18B20；控温

Abstract

Temperaturecontrolleralwayscanbefoundinmanyenterprisesasakindofcontroldevices,suchasintheheat-treatmentofmechanicalindustry,themoldingmachineofplasticsinjection,theweldingfurnaceandthereducingfurnaceofpowdermetallurgyindustry,especiallyintheheattreatmentfurnace.Theheattreatmentfurnaceiswidelyusedinfactoriesandcollegeexperiments.ButpeoplestillusetheOn-offDynamicIndicatingControllerasthetemperaturecontroller,suchas,theOn-offDynamicIndicatingControllerXCT101.Ononehand,bythiskindofcontroller,thefurnacetemperatureswillwithalargerange,theheatingholdingtimemustrecordbymanualwork,theheatingratecannotbecontrolled,andthetemperaturechangescannotbeshowedontime.AllthisshowedthattheOn-offDynamicIndicatingControllercannotmeetthegrowingindustrialdemand.Ontheotherhand,thedevelopmentofcollegesanduniversitiesalsorequireimprovingtheexistinglaboratoryequipment,toprovidestudentswithabetterexperimentalcondition.Therefore,weexperimentwithheatresistancefurnaceinschooltomodernizetheheatingfurnace.Weintegratedtheexcellenttime-controlfunctionandtheflexibleprogrammingfunctionofthetemperaturesensorDS18B20andthemicrocontrollerAT89S52todevelopamicrocomputercontrolsysteminheattreatmentasautomatictemperaturecontroller.Thecontrolsystemnotonlycanbeusedforexperimentalteachingandthedevelopmentoftheresearchinschool,butalsocanbeusedforthetemperaturecontrolintheheat-treatmentofmechanicalindustryandthemoldingmachineofplasticsinjection,toincreasetheautomationlevelofindustrialenterprises.

Keywords:

MicrocontrollerAT89S52;TemperatureSensorDS18B20;TemperatureControl

第1章概述

1.1本课题研究的意义目的

温度控制是无论是在工业生产过程中，还是在日常生活中都起着非常重要的作用，过低的温度或过高的温度都会使水资源失去应有的作用，从而造成水资源的巨大浪费。

特别是在当前全球水资源极度缺乏的情况下，我们更应该掌握好对水温的控制，在环境恶劣或温度较高等场合下，为了保证生产过程正常安全地进行，提高产品的质量和数量，以及减轻工人的劳动强度、节约能源，要求对加热炉炉温进行测、显示、控制，使之达到工艺标准，以单片机为核心设计的水温控制系统，可以同时采集多个数据，并将数据通过通讯口送至上位机进行显示和控制。

1.2课题的发展现状和前景展望

自动控制系统在各个领域尤其是工业领域中有着及其广泛的应用，温度控制是控制系统中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今后自动控制领域的一个重要发展方向，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。

例如：

在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对工业及日常生活中的温度进行检测和控制系统的设计大体方案：

本系统以AT89C51，AT89S52单片机为核心，主要包括传感器温度采集，A/D模/数转换，按扭操作，单片机控制，数码管数字显示等部分。

本系统采用PID算法实现温度控制功能，通过串行通信完成两片单片机信息的交互而实现温度设定、控制和显示。

本设计还可以通过串口与上位机（电脑）连接，实现电脑控制。

系统设计有体积小、交互性强等优点。

为了实现高精度的水温控制，本单片机系统采用PID算法控制和PWM脉宽调制相结合的技术，通过控制双向可控硅改变电炉和电源的接通、断开，从而改变水温加热时间的方法来实现对水温的控制。

本系统由键盘显示和温度控制两个模块组成，通过模块间的通信完成温度设定、实温显示、水温升降等功能。

具有电路结构简单、程序简短、系统可靠性高、操作简便等特点。

经济效益：

1）适用性强，用户只需对界面参数进行设置并启动系统正常运行便可满足不同用户水温的要求，实现对水温的实时监控。

避免了电力资源的浪费，节省了能源。

2）将单片机以及温度传感器引入对水温的分析和处理中，单片机控制决策无需建立被控对象的数学模型，系统的鲁棒性强，适合对非线性、时变、滞后系统的控制，对水温控制系统采用单片机控制非常适合。

3）系统成本低廉，操作非常简单，可扩展性强，只要稍加改变，即可增加其他使用功能。

1.3课题主要内容和要求

1）任务：

随着社会的发展、科技的进步以及人们生活水平的逐步提高，各种方便于生活的控制系统开始进入了人们的生活，本文介绍一种用单片机AT89S52作为核心控制器件的电热水器水温控制系统。

2）内容：

1.系统组成与工作原理；

2.主电路设计；

3.控制电路设计；

4.元器件选型及参数计算；

5.软件设计；

6.应用与调试说明。

3）要求：

（1）掌握单片机控制系统组成与工作原理；

（2）掌握主电路与控制电路设计；

（3）掌握系统的调试。

第2章总体设计及技术参数

2.1总体设计方案

2.1.1课题基本任务及要求

随着社会的发展、科技的进步以及人们生活水平的逐步提高，各种方便于生活的控制系统开始进入了人们的生活，本文介绍一种用单片机AT89S52作为核心控制器件的电热水器水温控制系统，主要包括：

1.系统组成与工作原理；2.主电路设计；3.控制电路设计；4.元器件选型及参数计算;5.软件设计;6.应用与调试说明通过本系统的设计，本课题要求达到以下效果：

（1）掌握单片机控制系统组成与工作原理；

（2）掌握主电路与控制电路设计；（3）掌握系统的调试。

2.1.2总体方案设计

单片机在电子产品中的应用已经越来越广泛,在很多的电子产品中也用到温度检测和温度控制。

随着温度控制器应用范围的日益广泛和多样性,各种适用于不同场合的智能温度控制器应运而生。

在科研、生产中,常需要对某些系统进行温度的监测和控制。

需检测和控制的温度系统一旦确定,其热惯性大小和散热等各项硬件条件就确定了。

下面介绍如何用“单片机模型法”实现系统温度的自动控制。

这种方法控温,使整个系统灵活、可靠性高,系统达到热平衡较快,而且精度也比较高,融合了前面列举方法的优点,而且更加简单方便。

此方案优点是电路简单并且可以满足题目中的各项要求的精度。

系统设计总体框图如图1

图2.1系统的结构框图

2.2方案论证

本课题的目的是设计一个用单片机AT89S52作为核心控制器件的电热水器水温控制系统，并具有较好的快速性与较小的超调，以及十进制数码管显示、温度曲线打印等功能。

1）网络连接部分：

方案一：

采用RS－232通信协议，其特点为它适用于设备之间的通讯距离可达15m，传输速率最大为20kb/s。

RS-232C标准规定了数据和控制信号的电压范围。

由于RS-232C是在TTL集成电路之前研制的，所以它的电平不是+5V和地，而是采用负逻辑，规定+3V-+15V之间的任意电压表示逻辑“0”电平，-3V--15V之间的任意电压表示逻辑“1”电平，该标准可以与上位机PC直接向连接，如果延长传输距离需加中继器，增加了成本。

方案二：

采用RS-485通信协议，其特点为工作于半双工方式，最大传输速率可达10Mbit/s，最大传送距离300M，如果降低数据传送速率，可传送距离可达到1200M。

同时RS-485标准还允许双绞线上一个发送器驱动32个负载设备，负载设备可以是被动发送器、接受器或收发器。

在与PC机连接时需加转换器。

从实际中考虑由于每个子系统之间将会距离很远，所以采用该协议

2）测量部分：

方案一：

测量温度采用模拟传感器，该类型的传感器的类型很多，包括热敏电阻、铂电阻等等，现阶段其应用领域很广，并且倍受广大用户喜欢，但是如果应用到计算机控制电路中，在采样的时候需要另外加A/D转换器，才能达到模数之间的转换，从而增加了电路之间的复杂程度。

例如采用热敏电阻，可满足40～90°C的测量范围，但热敏电阻精度、重复性、可靠性都比较差，对于检测小于1°的温度信号是不适用的。

方案二：

采用数字传感器，采用数字传感器可以简化电路，并且在程序设计上减少A/D之间的转换，程序上也得到了简化，大大提高了系统的稳定性。

在本次设计中我们对温度的测量采用数字传感器DS18B20。

DS18B20具有较高精度和重复性，测量范围-50℃～125℃,精度0.5℃;在93175ms和750ms内将温度值转化9位的数字量。

并且具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强等优点，可以简化电路并使系统更稳定。

在湿度测量上我们依旧使用模拟器件，虽然电路比较烦琐，但有其稳定的特点。

考虑到温度与湿度之间的关系，温度的传感器精度较高，我们降低湿度传感器的精确度，并从实际经济中考虑，而使用模拟的ZHG型传感器，来实现我们的要求。

3）控制部分:

方案一：

该方案的系统原理框图如图2.2所示，此方案采用89C51单片机实现，单片机软件编程自由度大，可用编程实现各种控制算法和逻辑控制，它能完成所要求的功能。

但是存在不足之处是：

编程不方便，主要是A/D接口和RS-485接口编程不方便，同时89S52需外接模数转换器来满足数据采样，对外围电路来说也比较复杂，并且软件实现也较麻烦。

另外，51单片机需要用仿真器来实现软硬件调试，较为繁琐。

图2.2方案一系统框图

方案二:

该方案的系统原理框图如图2.3所示，它使用SPCE061A单片机作CPU，该CPU内核具有模块化的结构。

此方案采用SPCE061A单片机实现，此单片机内置8路ADC,2路DAC,且集成开发环境中，配有很多语音播放函数，用SPCE061A实现语音播放极为方便。

另外，比较方便的是该芯片内置在线仿真、编程接口，可以方便实现在线调试，这大大加快了系统的开发与调试。

图2.33方案二系统框图

第三章　硬件电路的系统组成

3.1硬件设计概要

根据需求，我的系统需要温度采集电路、控制电路、报警电路。

当然这些要一起工作我们就需要一块单片机来协调它们！

温度采集我们使用18B20，使用它可以是电路简化。

控制电路我们用外部中断来调节温度，为了使操作方便，我们加入了一个显示控制温度值的数码管，来便于使用。

报警电路，这个电路我们用一个三极管这为放大器去驱动一个喇叭。

所有电路结构如下

图3-1总体硬件设计示意图

3.2　AT89S52单片机系统

AT89S52是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可系统编程的Flash只读程序存储器,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8051指令系统及引脚。

它集Flash程序存储器既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，ATMEL公司的功能强大，低价位AT89S52单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。

由于AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含8kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器。

器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

因此，本系统使用AT89S52单片机作为微处理器，如图3-3。

AT89S52引脚图如图3-2。

它主要具有如下特点：

39个引脚，8kBytesFlash片内程序存储器，256bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。

AT89S52设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。

空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作掉电模式冻结振荡器，因而可以保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。

下面列出了AT89S52的一些性能参数：

·与MCS-51产品指令系统完全兼容

·4k字节在系统编程（ISP）Flash闪速存储器

·1000次擦写周期

·4.0－5.5V的工作电压范围

·全静态工作模式：

0Hz－33MHz

·三级程序加密锁

·128×8字节内部RAM

·32个可编程I／O口线

·2个16位定时／计数器

·6个中断源

·全双工串行UART通道

·低功耗空闲和掉电模式

·中断可从空闲模唤醒系统

·看门狗（WDT）及双数据指针

·掉电标识和快速编程特性

·灵活的在系统编程（ISP字节或页写模式）

如下图AT89S52引脚图。

图3-2AT89S52引脚图

图3-3微处理器电路图

整个单片机系统接口分配情况如下：

P0口复用于传输LED位数据以及值数据传输、P2口的P2.0-P2.1作为六位LED的公共端的控制信号、P1口分配做键盘接口、P3.0和P3.1分别用于串口通信的数据的接收端和发送端、P3.2用于温度数据接口。

选用AT89S52作为主芯片,因为此芯片有8KB的程序存储器和256B的数据存储器不用扩展芯片,以降低硬件电路复杂度，如图3.4AT89S52单片机控制电路图，

图3.4AT89S52单片机控制电路图

3.2.1输入键盘设计

N这里采用的键盘是4×4的,其中有0～F,可以在40～90℃之间任意设定值。

系统要求第一次输入的值要在4～9之间,当小于4或大于9时系统不处理,等待输入正确的值。

当系统得到正确的输入值时键盘锁定,随后的输入系统必须复位。

键盘是用AT89S52的P0口来控制。

3.2.2输出显示设计

显示是应用LED来显示的,通过ATF1508设计编码。

其实质就是为了程序在一定的条件下更加的合理与简洁。

在单片机AT89S52与ATF1508通信是应用到AT89S52的P2口。

LED的前4位为实时采样取回的温度,后3位为想要的目标温度。

显示功能是由3个数码管来完成，它们显示的数据分别代表个位、十位和小数点后一位。

所显示的数据由单片机以并行位选方式直接以BCD码送给数码管。

显示电路如下图3.5所示。

图3.5三数码管的显示电路

3.2.3与上位机的串口通信

为了实时地对温度的变化更加直观的显示还用上位机的串口通信,用计算机来打印数据。

我们通过2个外部来控制温度，只要在中断口接2个开关接地。

然后把调节后的温度显示出来。

我们通过数码管了显示。

LED显示器结构与原理：

LED显示器由7条发光二极管组成显示字段，有的还带有一个小数点dp将7段发光二极管阴极连在一起，成为共阴极接法，当某个字段的阳极为高电平时，对应的字段就点亮。

共阳极接法是将LED的所有阳极并接后就连到+5V上，当某一字段的阴极为0时，对应的字段就点亮。

静态串行显示器的结构图如3.6所示。

共阴极共阳极

图3.6静态串行显示器的结构图

点亮LED显示器有静态和动态两种方法。

所谓静态显示，就是显示某一字段时，相应的发光二极管恒定的导通或截止，这种方式，每一位显示位都需要一个8位输出口控制，占用硬件较多，一般仅用于显示器位数较少的场合。

所谓动态显示，就是一位一位地轮流点亮各位显示器。

对每为显示器而言，每隔一段时间显示一次，显示管的亮度既跟导通的电流有关，也和点亮时间与间隔时间的比例有关。

动态显示器因硬件成本较低而被采用。

为了显示字符，要为LED显示器提供显示段码，组成一个“8”字形的7段，再加上1个小数点位，共计8段，因此提供LED显示器的显示段数码为一个字节。

LED显示器与单片机的接线图：

本设计通过单片机P0口并经总线驱动器74LS245控制6位数码管的段码，通过位选线P2.0-2.1经三极管逐位逐位去控制数码管扫描显示。

由于采用动态显示，其优点是占用硬件资源少，功耗小。

但必须注意：

扫描周期必须控制在视觉停顿时间内，一般在20ms以内，否则会出现闪烁或跳动现象。

如图3.7所示为LED与单片机的接线图。

图3.7LED与单片机的接线图

显示器有两个LED数码管组成。

输入串行数据线DIN和位移信号CLK，两个串/并移位寄存器芯片74LS245连。

每片的并行输出作为LED数码管的码段。

采用74LS245是为了放大电压，在这边74LS245是这为放大电路。

74LS245的电路如图3.8

图3.874LS245电路示意图

3.3　传感器和测温电路的设计

本次设计采用DS18B20对温度进行采样,DS18B20是全数字的,其分辨率达到0.0625℃,并且他的外围电路十分简单,工作效率高。

温度传感器是整个控制系统获取被控对象特征的重要部件，它的特性直接影响系统的精度，数字式温度传感器DS18B20是最新的“一线器件”.它具有体积小、适用电压宽、经济，实用、线性度很好，精度较高、且其本身已经进行了校正，使用时不需再进行调整等特点。

本系统采用DS18B20作为温度传感器，采集的数据直接送到单片机中。

现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性.适合于恶劣环境的现场温度测量。

温度测量范围为－55℃～＋125℃，可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出;其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生;多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。

以上特点使DS18B20非常适用于远距离多点温度检测系统。

性能价格比也非常出色！

因此选择18B20作为本电路的温度传感器。

DS18B20的接法如图3.9所示。

DQ为数字信号输入/输出端；

GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端。

图3.9DS18B20的使用接线图

3.4温度检测电路

DALLAS最新单线数字温度传感器DS18B20简介新的“一线器件”体积更小、适用电压更宽、更经济Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。

一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。

DS18B20、DS1822“一线总线”数字化温度传感器同DS1820一样，DS18B20也支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55°C~+125°C，在-10~+85°C范围内,精度为±0.5°C。

DS1822的精度较差为±2°C。

现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。

适合于恶劣环境的现场温度测量，如：

环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。

与前一代产品不同，新的产品支持3V~5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。

而且新一代产品更便宜，体积更小。

DS18B20、DS1822的特性DS18B20可以程序设定9~12位的分辨率，精度为±0.5°C。

可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。

分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。

DS18B20的性能是新一代产品中最好的！

性能价格比也非常出色！

DS1822与DS18B20软件兼容，是DS18B20的简化版本。

省略了存储用户定义报警温度、分辨率参数的EEPROM，精度降低为±2°C，适用于对性能要求不高，成本控制严格的应用，是