数字式温度控制仪毕业设计论文.doc
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1、 数字式温度控制仪摘 要温度是工业生产和科学实验中的重要参数之一。在化工、 冶金、 医药、 航空等领域里,对温度的控制效果直接影响到许多产品的质量及使用寿命,因此,温度控制成为各个领域中的一项关键技术。温度控制的关键在于测温和控温两方面,温度测量是温度控制的基础。在温度测量方面,技术己经比较成熟,由于控制对象越来越复杂,而在温度控制方面,还存在着许多问题,人们还在寻找着更好的控制方法以提高控制性能,满足不同的控制要求。随着时代的进步和发展,单片机技术已经普及到我们生活,工作,科研,各个领域,已经成为一种比较成熟的技术,本文将介绍一种基于单片机控制的恒温锅炉烧水控制系统。本系统以AT89C51单
2、片机为控制核心,采用闭环控制装置,可自动控制要求环境下的温度,使被控对象温度保持在恒定的范围内。本系统温度信号由数字温度传感器DS18B20采集,送AT89C51单片机进行处理,并通过数码管显示。当温度低于或者高于设定值后,单片机将发出控制信号控制温度控制系统的通断电状态,以实现将温度稳定在目标温度至附近的要求。关键词:单片机,闭环控制,DS18B20,温度,数码管THE DIGITAL TEMPERATURE CONTROL METER ABSTRACTThe temperature is industrial production and scientific experiments of
3、 one of the important parameters. In the chemical industry, metallurgy, medicine, aviation and other fields, for the control of the temperature effect directly affect the quality of the many products and service life, therefore, temperature control in various areas of become a key technology. Temper
4、ature control key lies in the two aspects of the temperature, temperature measurement is the basis for the control of temperature. In temperature measurement, technology has been more mature, to control the object more and more complex, and the temperature control, there are many problems, people ar
5、e still looking for a better control method to improve the control performance, meet different control requirements.With the progress of The Times and development, microcontroller technology has spread to we live, work, scientific research, each domain, has become a mature technology, this paper int
6、roduces a kind of based on single chip microcomputer control constant temperature boiler heating water control system.This system to AT89C51 as control core, the closed-loop control device, it can automatic control requirements of the environment temperature, make be controlled object a constant tem
7、perature range. This system temperature signal by digital temperature sensor DS18B20 acquisition, send AT89C51 for processing, and through the digital pipe display. When the temperature is below or above the set value, single chip microcomputer control signals will be sent to control temperature con
8、trol system of the state power.KEY WORDS:MCU,Temperature,control,signals,PID,DS18B20IV目录前言1第1章 系统原理分析21.1 主要研究内容与技术指标21.1.1 主要研究内容21.1.2 主要技术指标21.2 总体设计方案21.2.1 方案的提出21.2.2 总体设计框图21.1 1.3 系统工作基本原理31.3.1 PID算法31.3.2 DS18B20温度传感器工作原理4第2章 系统硬件设计62.1 数码管显示模块62.2 键盘输入模块72.3 温度采集模块82.4 温度控制模块9第3章 系统软件设计10
9、3.1 主程序流程图103.2 采样子程序流程图103.3 显示子程序流程图113.4 控制字程序流程图13第4章 系统调试与结果分析144.1 系统各模块仿真144.1.1 数码管显示模块仿真144.1.2 键盘输入模块仿真144.1.3 温度采集模块仿真154.1.4 温度控制模块仿真164.2 系统整体调试结果与仿真17结论19参考文献20致谢21附录22前言随着现代工业生产和科学研究的发展,人们对温度过程控制的要求越来越高,具体表现在温控的精度、稳定性、可靠性和多功能性等方面。传统的国产温控设备已经不能满足这些要求,特别在一些精密器件的生产线和标准检测领域方面,经常需要配套相应的测温设
10、备。国内的温度控制仪发展经历了个阶段:第一阶段为动圈式控温仪,主要缺点是控温精度差,其最小刻度为20,升温速度和加热时间都不能自动控制;第二阶段为数字式控温仪,显示精度有所提高,但控制精度低,反应迟钝,并需人工设定所控温度;第三阶段为智能型控温仪,带有专用程序,控制精度高,基本事实现升温、控温的自动化,减少了认为误差。在一些测温产品实现标准化、保证产品质量的过程中,就需要提供更高要求的温度控制仪。就目前我国的技术水平和生产设备来看,我们已经有能力研制和生产出高标准的控温仪表。为此,国内许多科研机构及厂家纷纷投入这类仪表的研制和生产。近年来,已取得了许多可喜的成果。综观当前国内温控仪的研制和生产
11、水平,有两个主要问题明显地摆在我们面前:其一是温控仪的高精度测量问题:其二温度的高精度控制的问题。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异更新。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,加以完善。本系统设计一个单片机为核心的烧水炉温度监控系统,能在一定的范围内采集监控水温,控制精度有所提升,同时具有较好的快速性,报警,八段数码管显示等功能。并且价格低廉,具有很高的工程应用价值和现实意义。第1章 系统原理分析1.1 主要研究内容与
12、技术指标1.1.1 主要研究内容熟悉和掌握单片机的结构和工作原理,了解以单片机为核心的电路设计的基本方法。设计一个能够显示当前温度和目标温度的温度控制系统。1.1.2 主要技术指标 通过温度传感器采集烧水炉中的当前温度值,并显示。 通过按键给定目标温度值,并显示。 设计控制电路对烧水炉的通断电状态进行控制,使烧水炉中的温度稳定在设定值。 温度测量范围在3090,测量精度为0.5,控制精度为3。1.2 总体设计方案1.2.1 方案的提出考虑到用温度传感器,在单片机电路设计中,大多都是使用传感器,所以这是非常容易想到的,所以可以采用一只温度传感器DS18B20,此传感器,可以很容易直接读取被测温度
13、值,进行转换,就可以满足设计要求。同时本系统采用AT89C52作为温度控制系统主控单元。AT89C52是一种带4 kB闪存可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能CMOS的8位微处理器。指令系统和引脚与典型的MCS-51系列完全兼容,方便软件的编写。系统整体电路包括:主控电路、键盘输入、数码管显示、控制输出、控制对象。1.2.2 总体设计框图温度控制电路设计总体设计方框图如图1-1所示,控制器采用单片机AT89C52,温度传感器采用DS18B20,用6位LED数码管实现测量温度显示与目标设定温度显示功能,用43矩阵键盘对目标温度进行输入设定。DS18B20温度传感器43矩阵键盘AT89C52单片
14、机6位数码管显示控制输出控制对象信号处理图1-1 数字式温度控制仪总体设计框图1.3 系统工作基本原理1.3.1 PID算法在模拟控制系统中,控制器最常用的控制规律是PID控制。工业控制算法常用位置型PID算法,经离散化后的算式为 式中,U(n)为第n个采样时刻控制器的输出量,e(n)第n个采样时刻的偏差值,为比例系数,为积分作用系数,为微分作用系数。由于位置式算法每次输出与整个过去状态有关,算式中用到过去偏差的累加值 ,容易产生较大的累计误差。而增量式中只需计算增量,算式中不需要累加,控制增量的确定仅与几次偏差采样值有关,当存在计算误差或精度不足时,对控制量计算的影响较小,且容易通过加权处理
15、获得较好的控制效果。由于计算机只输出控制增量,所以误动作时影响较小,且必要时可用逻辑判断的方法去掉,对系统安全运行有利。1.3.2 DS18B20温度传感器工作原理DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器,与传统的热敏电阻等测温元件相比,它能直接读出被测温度,并且可根据实际要求通过简单的编程实现位的数字值读数方式。DS18B20的测温原理是这这样的,器件中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小,用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器;高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变,所产生的信号作为减法计数器的脉冲输入。器件中还有一个计数门,当计数门
16、打开时,DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定,每次测量前,首先将55所对应的一个基数分别置入减法计数器、温度寄存器中,计数器和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。表1-1一部分温度对应值表温度/二进制表示十六进制表示+1250000 0111 1101 000007D0H+850000 0101 0101 00000550H+25.06250000 0001 1001 00000191H+10.1250000 0000 1010 000100A2H+0.50000 0000 0000 00100008H0000
17、0 0000 0000 10000000H-0.51111 1111 1111 0000FFF8H-10.1251111 1111 0101 1110FF5EH-25.06251111 1110 0110 1111FE6FH-551111 1100 1001 0000FC90H预置值减到0时,温度寄存器的值将加1,减法计数器1的预置将重新被装入,减法计数器重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数,如此循环直到减法计数器计数到0时,停止温度寄存器的累加,此时温度寄存器中的数值就是所测温度值。其输出用于修正减法计数器的预置值,只要计数器门仍未关闭就重复上述过程,直到温度寄存器值大致被测温度值
18、。另外,由于DS18B20单线通信功能是分时完成的,它有严格的时隙概念,因此读写时序很重要。系统对DS18B20的各种操作按协议进行。操作协议为:初使化DS18B20(发复位脉冲)发ROM功能命令发存储器操作命令处理数据。第2章 系统硬件设计2.1 数码管显示模块八段就是指数码管里有八个小LED发光二极管,通过控制不同的LED的亮灭来显示出不同的字形。共阴极就是将八个LED的阴极连在一起,让其接地,这样给任何一个LED的另一端高电平,它便能点亮,相应的段被显示出来。数码管的显示有静态显示和动态扫描显示两种方法。所谓静态显示,就是当数码管显示某一字符时,相应的发光二级管恒定的导通或截止。数码管的
19、每一个段码都可以由一个单片机的I/O口进行驱动。静态显示的优点是编程简单,显示亮度高,但缺点是占用I/O口多,容易造成I/O接口的浪费,不易控制成本。所谓动态扫描显示就是通过分时轮流控制各个LED数码管的DPY端,使各个数码管轮流受控显示。在轮流显示过程中,每位元数码管的点亮时间为12ms,由于人的视觉暂留现象及发光二极体的余辉效应,尽管实际上各位数码管并非同时点亮,但只要扫描的速度足够快,给人的印象就是一组稳定的显示资料,不会有闪烁感,动态显示的效果和静态显示是一样的,能够节省大量的I/O口,而且功耗更低。本系统采用6个共阴极8段数码管对采集到的温度值以及键盘输入的目标值进行显示,接口电路如
20、图2-1所示。其中74LS373锁存器起到对输出数据所存的作用,74LS138则是将P22、P23、P24三个管脚输出数据进行译码转换为8位数据,控制数码管DPY端。该系统采用动态扫描显示方法,虽然这种方法占用CPU资源较多,但是6个数码管共占用8个I/O接口,不存在I/O接口浪费的情况,可以有效的降低成本,故采用此种方法。图2-1 数码管显示接口电路2.2 键盘输入模块此模块采用10个按键,分别可以输入0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、这10个数值以满足通过键盘输入目标温度设定值的任务要求。图2-2 矩阵键盘矩阵键盘又称行列键盘,如图2-2所示,它是用三条I/O线作为行线,四条I/O线
21、作为列线组成的键盘。在行线和列线的每个交叉点上设置一个按键。这样键盘上按键的个数就为3*4个。这种行列式键盘结构能有效地提高单片机系统中I/O口的利用率。当无按键闭合时,P10P13与P14P17之间开路。当有键闭合时,与闭合键相连的两条I/O口线之间短路。判断有无按键按下的方法是:第一步,置列线P14P17为输入状态,从行线P10P13输出低电平,读入列线数据,若某一列线为低电平,则该列线上有键闭合。第二步,行线轮流输出低电平,从列线P14P17读入数据,若有某一列为低电平,则对应行线上有键按下。综合一二两步的结果,可确定按键编号。但是键闭合一次只能进行一次键功能操作,因此须等到按键释放后,
22、再进行键功能操作,否则按一次键,有可能会连续多次进行同样的键操作。2.3 温度采集模块温度采集模块采用DS18B20这款温度传感器,其与单片机连接如图2-3所示。图2-3 温度传感器DS18B20接口电路DS18B20内部结构主要由四部分组成:64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的,它可以看作是该DS18B20的地址序列码。64位光刻ROM的排列是:开始8位(28H)是产品类型标号,接着的48位是该DS18B20自身的序列号,最后8位是前面56位的循环冗余校验码(CRC=X8+X5+X4+1)。光刻ROM的作用是
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