基于AT89S51单片机的温度控制系统设计.pdf

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1、学术交；赢基于A T 8 9 S 51 单片机的温度控制系统设计陈妙芳，胡晓东(浙江工业职业技术学院，浙江绍兴3 1 2 0 0 0)摘要：介绍了单片机A T 8 9 S 5 1 单片机在温度控制上的应用，从软硬件两方面阐述了温度控制系统的设计方案，并对系统的A D 转换电路与D A 转换电路作了详细的说明，同时对数字增量式P l D 控制算法以及实现程序作了介绍。关键词：温度控制系统；单片机；P I D 控制中图分类号：T P 2 7 3文献标识码：A文章编号：1 0 0 2 2 3 3 3 2 0 0 9)0 1 0 1 3 6 0 2D e s i g no fT e m p e r a

2、 t u r eC o n t r o lS y s t e mB a s e do nA T 8 9 S 5 1S i n g l e c h i pM i c r o c o m p u t e rC H E NM i a o _ f a n g，H UX i a o _ d o n g(z h e j i a“gI n d u s r yP o l y t e c h n i cC o e g e，s h a o x i n g3 1 2 0 0 0，C h i n a)A b s t r a c t：T h i sp a p e rj n t r o d u c e st h ea p

3、 p l i c a t i o no fS i n g l e C h i pM i c r o c o m p u t e ri nt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m T h ed e s i g no ft e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mw a sd i s c u s s e df r o mb o t ht h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e T h eA Dc o n v e r s i o nc i r c u i ta n d

4、t h eD，Ac o n v e r s i o nc i r c u i tw e r eg i v e n A tt h es a m et i m et h ei n c r e m e n t a ld 培i t a lP I Dc o n t r o la l g o t h ma n dr e a l i z a t i o no ft h ep r o g r a mw e r ei n I o d u c e d K e yw o r d s：t e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m；m i c r o c o m p u t

5、 e r；P I Dc o n t r 0 1a l g o r i t h m在对各种加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中温度进行监测和控制中，采用单片机控制不仅具有控制方便、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。本文主要对英联公司生产的Y L 2 0 0 0 型传感器与检测技术实验台一温度控制系统设计方案进行介绍。该控制系统以M S 一5 l 单片机为控制核心，采用增量式P I D 控制算法，实现对温度的智能控制，测程为o 一1 0 0，测量范围0 2。同时，具有超调量小、温度上升较快、稳定性好等优点。温度控制箱结合其它控制器件可以完成c

6、 u 5 0 温度传感器的温度特性实验、热电阻P t l 0 0 温度特性实验、热电偶测温实验、温度仪表P I D 控制实验、外部温度控制实验系统、计算机温度P I D 控制实验等系列实验。1 温度控制系统设计方案温度控制系统是以M s 一5 l 单片机为控制核心，辅以采样反馈电路、驱动电路、晶闸管主电路对电炉炉温进行控制的微机控制系统，系统所用的加热方式为电炉加热。温度控制系统采用单闭环控制形式，其系统结构框图如图1 所示。具体工作过程为：将温度设定值(即输入控制最)和温度反馈值送入控制电路，然后经过调节器运算得到输出控制量，输出控制量控制驱动电路得到控制电压施加到被控对象卜，从而控制电加热

7、炉内温度。2 温度控制系统硬件设计温度控制系统硬件包括：A T 8 9 s 5 1 单片机最小系统模块、D 转换模块、D，A 转换模块、晶闸管电路、驱动电路以及其它外围电路。13 6i 机械工程师2 0 0 9 年第1 期2 J 单片机选型本文设计的温度控制系统辛要应用于高校的实验课堂教学，因此，该温度控制系统单片机采用A T M E L 公司生产的低功耗、高性能C M O S8 位单片机A T 8 9 S 5 l。A T 8 9 s 5 l 完全兼容传统8 0 5 1 的指令系统和引脚，是一款非常适合单片机初学者学习的机型，其网络资源丰富，应用领域广泛，又与单片机教学课程学习紧密相关，选用该

8、单片机有利于学生对5 1 系列单片机的进一步学习与灵活应用。同时A T 8 9 S 5 1 型单片机具有在线编程功能，不再需要启动像8 9 c 5 1 那样的1 2 v 的v P P 编程高压。2 2A，D 转换电路设计温度控制系统的加转换模块采用A D C 0 8 0 4 型8 位全M O S 刖D 转换器。A D C 0 8 0 4 芯片内有i 态数据输出锁存器，电平与微处理器兼容。输入方式为单通道，转换时间约为1 0 0 s，转换时钟信号可以南内部施密特电路和外接R C 电路构成的震荡器产生，也可以直接由外部输入，频率范围为：1 0 0 1 4 6 0 k H z，在本设计中A D C

9、0 8 0 4 的时钟为最大输入频率。A D C 0 8 0 41 仁线性误差为lL S B，电源电压采用单+5 V。其控制信号时序如图2 所示。A D 0 8 0 4 由于具有i 态输m 锁存器，可直接驱动数据总线，故与A T 8 9 S 5 l 接几电路十4 分简单，直接连接成如图3 即町。当C S 与w R 同时有效时便启动A，D 转换，延时，等待转换结束，经D A T A 口送入单片机，再采集第二个模拟量进行转换。万方数据A D 0 8 0 4 转换器的零点无需调整，而输入电压的范围可以通过调整矿。啪端处的电压加以改变。y。耽端电压应为输入电压的1 2。例如该系统中输入电压为5 v，则

10、在y 哪圮端应加上2 5 V 电压。根据A D 0 8 0 4 的外围电路所示得：y n 吁孟旨2 争(1)由于该系统测量的温度范围足0 一1 0 0，由变送器把温度信号转换为0 5 v 的电信号，送入0 8 0 4，由于0 8 0 4是8 位模数转换器，即0 5 V 被线性转换0 2 5 5 字节变化，凶此其中具体的转换过程为：每增加1，电压变化0 0 5 V：5 v 1 0 0=0 0 5 V(2)每变化l v。A D 0 8 0 4 数据输出变化5 1 字：2 5 5 b i t，5 V=5 1 b i t，V(3)A D C 0 8 0 4 与A T 8 9 S 5 1 的接【J 电路

11、如图3 所示。2 3D A 转换电路设计温度控制系统D 从转换芯片采用D A C 0 8 3 2。D A C 0 8 3 2芯片是8 位分辨率的D A 转换集成醛片，与微处理器完全兼容，这个系列的芯片以其价格低廉、接L J 简单、转换控制容易等臼己氡，在单片机J d 佣系统中得到了广泛的应用。图4 为单片机和D A C 0 8 3 2 直通方式输出连接图，运放输出电路输出电压为o U r 一(别2 5 6)t y 唧。如向D A C 0 8 3 2 传送的8 位数据量4 0 H(0 1 0 0 0 0 0 0 B)，则输出电压庐一(6 4 2 5 6)5 v=一1 2 5 V，其输出过程可用M

12、 O VP 0，槲0 H 一条指令完成。3P I D 温度控制算法程序3 JP I D 温度控制的算法P I D 控制算法是温度控制系统软件的核心部分。设计采用增量式P I D 控制算法，其算式如下：学木交；赢值；K。、兀、乃分别为比例系数、积分系数和微分系数；r 为采样周期。控制模块工作过程为：单片机每隔同定时问r 将现场温度与用户设定目标温度的差值带入增量式P 1 D 算法公式，南公式输出量决定加热器功率大小。根据现场温度与目标温度的偏差大则电压导通个数多，加热电路的加热功率大，使温度的实测值与设定值的偏差迅速减少；反之，二者的偏差小则电压导通个数小，加热电路加热功率减少，直至目标值与实测

13、值相等。形成一个闭I环调节系统。3 2P I D 温度控制l程序增量式数字IP I D 控制算法程序流I程图，如图5 所示。数字赠量式P I D控制子程序如下：Lt y p e d e fs l r u c tP I D d o u b l eS e t P o i n t：d o u b l eP r o p o r t i o n；d o u b l eI n t e g r a l；d o u b l eD er i v a t i v e：d o u b l eL a s t E r r o r：d o u b J eP r e v E r r o d o u b l eS u m I

14、 r r o r：梭拧对囊、丑型匝孛I 求r(J(k!兰型篮望苴些!q 四型L 匝章巫囹匝至巫固愿图5 增量式P I D 控制算法的流程图，没定日标D e s i r e dV a l u e，I=I 二例常数P m p o n i o n a lc o n 8 t，积分常数I n t e g r a lc o n s t，微分常数D e“v a t i v eC o n s t，E r r o 玎一l】坍j n f t 一2】S u m so fE m)r s P T D：d o u b l eP I D C a l c(B t m c tP I D+p p，d o u b l eN e x

15、 t P o i n t)d o u b l ed F r m r，E r r o r：E r r o r=p p 一 s P t P o i n t N e x t P o i n t；偏差p p 一 s u m E r r o r+=E r r o r；，艰 分d E r r o r=p p 一 S u m E r f o 卜2+p p 一 L a s t E r m r+p p 一 P r e V E r r o r；，当前微分p p 一 P r e v E r r o r=p p 一 L a s t E r r o r；p p 一 L a s t E r r o r=E r r o r

16、；r e t u m(p p 一 P r o p o r I i o n 幸E n o r，比例项+p p-I n t e ；r a l+p p 一 s u m E r r o r，积分项+p p 一 D e r i v a t i v e 枣d E r r o r，微分项)；4 结论本文设计的温度控制系统具有成本低、控制可靠等优点。经过实验验证该温度控制系统达到r 预期的设计要求。同时，该控制系统作为一个嵌入式温度控制系统也适合其它的小型温度控制场合。【参考文献 1 胡伟，季晓衡单片机c 程序设计及应用实例 M 北京：人民邮电出版社，2 0 0 3 士 2 潘新民，王燕芳微型计算机控制技术

17、M 北京：电子T 业出版不社2 0 0 6(编辑明涛)7 F K，(e，I 吧，1)+(Zk 一(乃旧)(e 柚术e，l 托越)(2)式中，e。、e。、e。之分别为第n 次、n 1 次和n 一2 次的偏差作者简介：陈妙芳(1 9 8 2 一)，女。助理讲师，研究方向为机电一体化。收稿日期：2 0 0 8 一I 睢2 8机械工程师2 0 0 9 年第1 期；13 7万方数据基于AT89S51单片机的温度控制系统设计基于AT89S51单片机的温度控制系统设计作者：陈妙芳，胡晓东，CHEN Miao-fang，HU Xiao-dong作者单位：浙江工业职业技术学院,浙江,绍兴,312000刊名：机械

18、工程师英文刊名：MECHANICAL ENGINEER年，卷(期)：2009，(1)引用次数：0次 参考文献(2条)参考文献(2条)1.胡伟.季晓衡 单片机C程序设计及应用实例 20032.潘新民.王燕芳 微型计算机控制技术 2006 相似文献(10条)相似文献(10条)1.期刊论文 赵鸿图.ZHAO Hong-tu 基于单片机的温度控制系统的设计与实现-微计算机信息2008,24(26)本文介绍了基于单片机AT89C51的温度控制系统的设计方案与软硬件实现.采用温度传感器DS18B20采集温度数据,液晶显示屏LCM1602显示温度数据,AT24C02B存储温度上下限设定值,按键设置温度上下限

19、并可改变加热器与致冷器的温控状态,当温度低于设定的下限时,单片机启动加热器加热,同时点亮绿色发光二极管,当温度高于设定的上限时,单片机启动致冷器降温,同时点亮红色发光二极管.给出了系统总体框架、程序流程图和Proteus仿真结果,并在硬件平台上实现了所设计的功能.2.期刊论文 罗云松.李丹 基于单片机AT89C51的温度控制系统的设计-中国科技信息2009(12)本文以单片机AT89C51为控制核心,温度信号经输入模数转换器ADC0809,转换后的数字量输入到单片机.单片机中采用PID控制算法对测量数据和设定数据进行处理,处理后的数据经数模转换器DAC0832转换为模拟量,双此来控制全隔离单相

20、交流调压模块,从而控制锅炉水温稳定于设定位.3.期刊论文 刘绿山.刘建群.李仕勇.王飞.LIU LVSHAN.LIU JIANQUN.LI SHIYONG.WANG FEI 基于AT89S52单片机的温度控制系统-微计算机信息2007,23(17)本文介绍了一种基于AT89S52单片机的电阻炉温度控制系统,阐述了系统的工作原理、硬件电路以及软件设计.详细论述了数字PID控制器的原理及其在电阻炉温控系统中的应用,采用Ziegler-Nichols参数整定法与经验法对PID控制参数进行整定,并且在PC机上开发了一套温度监控软件,通过串口实时监控系统的温度.该系统经过实验,取得了较为满意的控制效果.

21、4.学位论文 许丽川 过程控制调节规律的研究-单片机温度控制系统的设计制作 2000 论文主要讨论了在过程控制中得到广泛应用的数字PID控制算法单片机温度控制系统中的应用.5.会议论文 郭向亮.王继祥.张庆范 基于单片机的PID温度控制系统的设计与实现 2004 介绍一种新型的PID温度控制系统.该系统采用高性能PHILIPS单片机芯片,可以方便地对系统加热周期T及PID中的各个参数进行在线修改设定;具有对水位、温度的高低进行报警的功能.本文提出了一种简单可行的高精度低成本的新型V/F转换电路的设计.该系统已经广泛用于医疗及家庭器件的高温杀菌,温度控制精度可达0.1.6.期刊论文 黄祯祥.邓怀

22、雄.郭延文.周书.HUANG Zhenxiang.DENG Huaixiong.Guo Yanwen.ZHOU Shu 基于MCS-51单片机的温度控制系统-现代电子技术2005,28(6)从硬件和软件两个方面介绍了以MCS-51单片机为核心温控系统的组成,阐述了PID参数采用模糊整定的控制算法,用此系统对电炉加热实验装置进行控制取得了较好的效果.7.会议论文 贾义侠.王捷 MCS-51系列单片机电阻炉温度控制系统 2000 使用计算机控制，实现了热处理工艺过程的控制自动化，不但大大提高了生产效率，节省了大量人力，更重要的是确保了产品质量及其稳定性，给工厂带来显著的经济效益和社会效益。8.学位

23、论文 张杰 基于MSP430F1111A单片机的温度控制系统的研究 2008 温度是与人类生活密切相关的物理量，在众多的行业中都需要对温度进行测控。随着半导体技术的飞速发展，各种数字化、智能化温度测量技术的应用范围越来越广。因此，掌握温度测控系统的硬件组成及系统软件设计尤为重要。通过该课题的研究将对自己的动手能力和创新精神有很大的促进作用。目前中央空调在各大商场、宾馆、饭店已迅速普及。随着人们生活水平的提高，户式中央空调也走进了家庭。为了独立控制各个房间的温度，就需要使用温度控制器，为此设计了一款基于MSP430F1111A单片机的温度测控系统，该系统具有低功耗、低成本、方便用户操作等特点。M

24、SP430F1111A单片机是一种具有集成度高、外围设备丰富、超低功耗等优点的16位单片机，因此在许多领域都得到广泛的应用。特别是它的超低功耗的特点是其他单片机不可比拟的。另外，MSP430系列单片机支持采用汇编语言和C语言进行开发，采用C语言可以大大提高开发效率，缩短开发周期，并且采用C语言开发程序具有非常好的可读性和移植性，因此采用C语言开发MSP430F1111A单片机非常方便。论文首先对国内外温度测控技术的现状作了简介，包括温度检测技术的发展与创新，目前常用的检测方法和课题的目标；然后对课题所用的主要芯片和元件做了简单的介绍，阐述课题的设计原理和方法；在论文的第三部详细讲述了课题所使用

25、的热敏电阻的非等距离插值非线性补偿算法；第四部分介绍了课题的硬件部分设计；第五部分讲述了软件设计方法与过程；最后介绍了课题所设计的系统在设计过程中注意的事项以及系统的调试。9.学位论文 陈伟 基于温度器件检定的高精度温度控制系统的研究与实现 2006 随着现代化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。这就要求计量部门具有能建立具有更高的精度、稳定性和可靠性的恒定的温度场环境的温度控制系统。本文首先简要介绍了测温的方法、特点及测温铂电阻的特性。在此基础上结合系统的实际指标和要求设计开发了以单片机为核心的低成本高精度温度控制系统。在硬件上，采用增强型MCS-51单片机(：P89C5

26、1RD2)作为控制仪的核心控制器件，并选用AD7710为系统的AD转换器，通过该器件完成了测温通道的自调零与自校正，使仪表的测温精度及准确度基本上不依赖于零点失调和增益等因素；同时采用锁相环HEF4046与分频器相结合，跟踪电网频率，从硬件上消除了电网频率变化对电阻炉输出的影响；采用LCD显示器件，使人机交互更加的友好。在软件上，温度控制采用传统的PID控制算法实现，由于51系列的单片机运算能力、运算速度较低。在计算程序设计中，全部采用了分段线性插值的方法来代替复杂的数据运算，以程序代码空间来换取运算的速度以及精度。温度控制仪表通过485总线把数据传送到PC机上，上位机可以弥补下位机由于单片机内部资源的限制，不能保存大量的数据的缺陷。系统的上位机软件除了可以实现历史数据保存的功能之外，还有查看数据和打印等功能。10.会议论文 李晓东 智能温度控制系统 2001 本文介绍了智能温度控制系统运用89C51单片机及其接口扩展技术、高级C语言编程技术、PID控制理论,对恒温箱的温度进行连续实时检测采集,并显示其当前的最新温度值,同时程序中的PID算法控制器根据所采集到的温度数据生成温控代码,控制加热过程中的升温和降温速率,最大限度地减小温度的上下摆动,进而达到恒定温度的目的.本文链接：http:/