单片机的远程温度控制仪表的设计方案.pdf

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1、1/42 单片机的远程温度控制仪表的设计摘要当今世界已经进入信息时代，信息技术成为推动国民经济和科学技术高速发展的关键技术。数字技术的出现把模拟仪器的精度、分辨力与测量速度提高了几个量级，为实现测试自动化打下了良好的基础。许多领域都需要对温度的监控，如何将单片微处理器应用到温度控制领域，成为目前温度自动化的焦点课题之一，为越来越多的科研机构所重视。目前，一个学习与应用单片机的高潮在全社会大规模地兴起。本课题的研究设计是完成单片机的远程温度控制仪表的设计。设计首先对温度测控系统各环节进行了功能需求分析，明确了本温控系统所要达到了技术要求；然后又根据系统所要实现的功能进行了硬件元器件的选择和软件算

2、法的确定；最后，本设计最终给出了基于单片机的远程温度控制仪表的整套软硬件设计方案。关键词：单片机，远程，温度控制Abstract With the rapid development of the computer technology,measuring instruments and controltechnology,a growing number of advanced measurement and control technology、equipment and methods are used in modern automation field.How to use sing

3、le-chip microprocessor in the area of temperature control system is one of the focus topics on the current temperature automation,which attracts more and more scientific research institutionsattention.The topic of study is adapted to this trend of development,SCM are applied to remote temperature co

4、ntrol panel.Firstly,the desigh analyzesthe functional requirements of the temperature measurement and control system components,and make clear the techncal requirements for the temperature control system。Then the desigh choicesthe hardware components and software algorithms based on the func-tion of

5、 the system。Finally,the package of hardware and software design are accomplished based on SCM remote temperature control instrumentation.Key Word:SCM Long-distance Temperature control 2/42 目录第一章 概述1 1.1选题背景 11.2 设计意义 1 1.3 设计内容.2 1.4 技术指标.2第二章 设计思想与方案论证.32.1设计思想.3 2.1 方案论证.4 第三章 硬件电路设计.5 3.1 温度采集电路.

6、5 311 温度测量元件.5 312 温度测量电路 5 3.2A/D转换电路.6 3.2.1 A/D转换芯片的选择.6 3.2.2 MC14433外接电路设计.9 3.3 8031主机模块的设计 10 3.3.1 8031芯片介绍 10 3.3.2 主机模块设计 11 3.3.3 看门狗电路设计 13 3.4 温度控制输出模块设计.13 3.5 显示模块设计 14 3.6 串行通信接口设计 153.6.1 RS-485标准介绍 15 3.6.2 通信协议 17 3.7 开关电源的设计.18 3.7.1 参数计算 18 3.7.2 电源电路图 25 第四章 软件设计.264.1 流程图设计.26

7、 4.1.1 软件设计思想 26 4.1.2 主程序流程图 26 4.1.3 键盘扫描子程序 27 4.1.4 数据采集子程序 28 4.1.5 温度控制子程序 29 文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8

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9、U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8

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13、U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W53/42 第一章概述1.1 选题背景当今社会，计算机的引入，使仪器的功能发生了质的变化，以个别参数的测量转变成整个系统特征参数的测量；从单纯的接收显示转变为控制、分析、处理、计算与显示输出；四

14、十年代发展和逐步成熟起来的经典控制理论在解决较简单的自动控制系统设计方面是很有力的工具。在这个基础上发展起来的模拟式自动控制系统也达到了相当完善的程度。尽管这种控制系统对单输入单输出系统是很有效的，对一些较复杂的多输入多输出的参数相互藕合的系统也曾起过积极的作用。但是，它的进一步发展受到了限制，在控制规律的实现，系统的最优化，可靠性等方面越来越不能满足更高的要求。现代仪器仪表是对物质世界的信息进行测量与控制的基础手段和设备，是信息产业的源头和组成部分。计算机技术的发展给控制系统开辟了新的途经。随着计算机技术的不断完善，使它在工业控制方面得到越来越广泛的应用。数字技术的出现把模拟仪器的精度、分辨

15、力与测量速度提高了几个量级，为实现测试自动化打下了良好的基础。在工业生产和日常生活中，对温度控制系统的要求，主要是保证温度在一定温度范围内变化，稳定性好，不振荡，对系统的快速性要求不高。单片机的出现，由于其集成度高，功能强，可靠性高，体积小，价格低廉，灵活方便等一系列的优点，为工业过程控制提供了十分广阔的应用前景。可以说智能控制与自动控制的核心就是单片机。1.2 设计意义在现代工业生产中，电流、电压、流量、流速和开光量都是常用的主要被控参数，例如在冶金工业、化工工业、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理器、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。采用

16、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，从而能够大大提高产品的质量和数量。MCU 微控制器或单片机）、DSP 数字信号处理器）、潜入式系统等的问世和性能的不断改善，大大加快了仪表微机化和智能化的进程。它们具有体积小、功耗低、价格便宜等优点，另外用它们开发各类智能产品周期短、成本低，在计算机和仪表的一体化设计中有着更大的优势和潜力。许多领域都需要对温度的监控,如工厂的生产设备、化工领域、农作物的种植和储存、实验室等等.有很多领域的温度可能较高或较低,人无法靠近或现场无需人力来监控，我们可以用远程监控,坐在办公室里就可以

17、对现场进行监控,又方便又节省人力。文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编

18、码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y

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23、9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W54/42 1.3 设计内容本设计是完成单片机的远程温度控制仪表的设计，主要设计要求有：1、完成当前控制器状态信号控制。2、完成上位计算机命令执行，并设有就地和上位控制方式。3、电源：除供给系统供电，还可以向外部提供24V1A 的隔离电源，以备外部开关量输入使用，应设计为开关电源。4、根据系统要求选用适当的CPU 模块，具有一

24、定的抗干扰能力。5、系统应具有复位电路，并在复位后保持现有输出的开关状态不变。6、系统提供 E2PROM，并能够保留上位计算机分配的地址信号。7、提出综合自动化系统的硬件方案和方案论证优化。8、完成软件需求的系统分析，并等待上位计算机通信信号，根据上位计算机通信信号变化输出状态。1.4 技术指标主要设计参数及技术指标为：1、温度信号检测误差12、控制信号输出开关量3、信号转换电路设计4、智能识别系统设计文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8

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26、7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8

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31、HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W55/42 第二章设计思想与方案论证2.1 设计思想本设计用温度传感器将被测温度转换为电量，经过放大滤波电路处理后，由模数转换器将模拟量转换为数字量，再与单片机相连，通过可编程键盘显示接口芯片实现温度限值的设定。最后通过小键盘控制数码管显示所需要的某路温度值。远程温度控制仪表顾名思义就是对加热设备这里指电热丝）采用单片机进行升温、降温控制，它将温度变送、显示和数字控制集成一体，用软件实现程序升、降温的PID调节，并且通过通信接口实现单片机与上位机的远程通讯，而且为32多机通信，因此具有一定的智能识别能力。其温度控制工艺为：系统工作时先由使用者设定预期

32、达到的两位温度值该值为十进制，单位为摄氏度 1），即一个最高限maxT，一个最低限minT。温度值输入完毕后，打开电源，单片机自动复位，进行初始化，此时LCD 显示器显示设定温度，以便操作人员核对设定温度并且检查拨码盘显示的温度是否与显示器显示的相符，然后温度检测电路将测试温度输入单片机，经软件滤波后取其平均值作为实测温度，此后显示器将一直显示实测温度。若实测温度高于温度最高限maxT1以上，则关加热器；若实测温度低于设定温度minT1以内，则打开加热器；若实测温度在maxT和minT之间，则系统进行PID调节，自动打开加热器并以10s为一个控制周期，其中每个周期有2s加热时间；若实测温度低于

33、设定温度在1以上，则系统自动打开加热器并以10s为一个控制周期，其中每个控制周期内加热器全部在工作。负载以加热丝为例）温度控制系统如图1）所示：文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2

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36、 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3

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38、 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3

39、P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W56/42 控制过程为：负载温度由热电阻测量，其信号送入放大器，毫伏信号经放大后由A/D 电路转换为相应的数字量，最后进入主机电路。由主机进行数据处理、判断分析，并对偏差按PID 规律运算后输出数字控制量。与此同时，单

40、片机还检测通讯口是否有通讯信号，并判断是接收还是发送。假如有通讯信号，就进行中断处理，没就进行控制处理。最后数值信号来控制三极管的导通与关断，最终通过SSR对负载温度进行控制。另一方面，主机电路还输出开关量信号，发生相应的开关动作，以驱动显示器，进行数字显示。同时系统还可以通过软件分析控制信号，并等待上位机通信信号，根据上位计算机通信信号变化输出状态。本系统是以MCS-51 系列单片机为控制单元,并采用热电阻的桥式电路形式采集现场温度数据而设计的远程温度控制系统.该系统具有结构新颖、电路简单和控制方便等优点,温度值显示的精度1,并可根据需要设置控制温度的上、下限,系统具有超过设置上、下限温度自

41、动报警等功能.系统可以被广泛地用于生产中的各领域,特别适合于人体无法接近的高温或危险场所的温度控制。2.2 方案论证目前检测温度一般采用热电偶或热敏电阻作为传感器，这种传感器至仪表之间一般都要用专用的温度补偿导线，而温度补偿导线价格很贵，并且线路太长也会影响测量精度。在实际应用中往往需要对较远处1.385.3.1.2 温度测量电路本设计采用其桥式测量方法，电路图如图2）所示：图2）用热电阻传感器进行测量时，一般与检测仪表距离一般较远，因此热电阻的引线对测量结果有很大影响。铂电阻接入采用三线接法，正好消除引线电阻对测量精度的影响。图中U8构成增益可调的差动运算放大器，其中 R5=R6=Rf=5K

42、 文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM

43、6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W

44、5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM

45、6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W

46、5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM

47、6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W

48、5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W58/42 R8=R9=R10=R11=RF=50K AW 接入系数，该电路的理想闭环增益为AwRRAwKfFF1120118在调试时适当选取 AW 的值，可使增益在一定范围内变化，在本设计中，取AW=1，则8FK=40。U9 构成反向比例运算放大器151179RWRKF调节W1 的值，可调节其增益，两个二极管D1 和D2起限幅作用，使输出控制在0+5V内变

49、化，该电压范围即为单片机允许的模拟电压输入信号。3.2 A/D转换电路3.2.1 A/D转换芯片的选择在选择 A/D时，分辨率和转换时间是首先考虑的指标。选用高分辨率和转换时间短的A/D，可提高仪表的精度和响应速度，但仪表的成本也会随之提高。在确定分辨率指标时，应留有一定的余量，因为多路开关、放大器、采样保持器以及转换器本身都会引入一定的误差。A/D转换器的输入/输出方式和控制信号也是设计中应注意的。不同的芯片，其输入端的连接方式不同。有单端输入的，也有差动输入的。差动输入方式有利于克服共模干扰。有些芯片既可以单极性输入，也可以双极性输入，这由极性控制端的接法来决定。在本设计中要求温度的精度为

50、1，并具有一定的抗干扰能力，鉴于此，这里选用MC14433 芯片，其引脚图如图 3）所示：文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L8 HM6C6Y9G7E2 ZH3F7L6U7W5文档编码:CP3P1L6U7L