基于单片机的温度控制系统毕业(设计)论文.doc
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1、本科毕业设计题目: 基于单片机的温度控制系统Title: Temperature control system based on MCU 毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺:所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名: 日 期: 指导教师签名: 日期: 使用授权说明本人完全了解 大学关于
2、收集、保存、使用毕业设计(论文)的规定,即:按照学校要求提交毕业设计(论文)的印刷本和电子版本;学校有权保存毕业设计(论文)的印刷本和电子版,并提供目录检索与阅览服务;学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文;在不以赢利为目的前提下,学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名: 日 期: 学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名
3、: 日期: 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名:日期: 年 月 日导师签名: 日期: 年 月 日注 意 事 项1.设计(论文)的内容包括:1)封面(按教务处制定的标准封面格式制作)2)原创性声明3)中文摘要(300字左右)、关键词4)外文摘要、关键词 5)目次页(附件不统一编入)6)论文主体部分:引言(或
4、绪论)、正文、结论7)参考文献8)致谢9)附录(对论文支持必要时)2.论文字数要求:理工类设计(论文)正文字数不少于1万字(不包括图纸、程序清单等),文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括:任务书、开题报告、外文译文、译文原文(复印件)。4.文字、图表要求:1)文字通顺,语言流畅,书写字迹工整,打印字体及大小符合要求,无错别字,不准请他人代写2)工程设计类题目的图纸,要求部分用尺规绘制,部分用计算机绘制,所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁,布局合理,文字注释必须使用工程字书写,不准用徒手画3)毕业论文须用A4单面打印,论文50页以上的双面打印4)图表应绘制于无格子的页面上5)软
5、件工程类课题应有程序清单,并提供电子文档5.装订顺序1)设计(论文)2)附件:按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文(复印件)次序装订3)其它摘要本文主要介绍了基于单片机的温度控制系统的工作原理、硬件电路的设计和软件设计。该温度控制系统由单片机核心处理模块、温度采集模块、控制执行模块,LCD显示模块组成。能够完成温度的设定、采集、显示、控制等功能。关键词:温度控制,单片机,PIDAbstractThis paper is specification of a design of temperature control system based on the single-chip, main
6、ly introduced the work principle of temperature control system, the design of the hardware circuit and the C51 software design . The temperature control system is composed of a single-chip microcomputer core processing module, a temperature acquisition module, a keyboard input module, LCD module, co
7、ntrol module, serial communication module . It can realize the temperature acquisition ,setting, display , control and other functions.Key words: temperature control, MCU, PID V目录摘要IAbstractII1引言32设计要求33 方案论证33.1 方案论证与比较43.2 核心处理模块的方案43.3温度采集模块的方案53.4控制执行的方案53.5 显示模块64 系统设计64.1单片机模块64.1.1复位电路的设计64.1
8、.2 时钟电路设计74.1.3单片机的I/O口的分配74.2 LCD 1602显示模块74.2.1 1602接口信号说明94.2.2 1602操作时序94.3 DS18B20温度采集模块的设计104.3.1 DS18B20的分辨率114.3.2 DS18B20工作时序图114.4控制执行模块124.5加热模块134.6 PID控制算法134.7 增量式PID算法的参数确定145 软件设计155.1 主程序流程图155.2子程序设计165.2.1温度采集模块子程序165.2.2 LCD显示程序176 实测结果177 总结20参考文献21附录一:电路图22附录二:源程序22附录三:实物图281引言
9、温度作为一个基本的物理量,它是一个与人们生活环境、生产活动密切相关的重要物理量。在现代冶金、石油、化工及电力生产过程中,温度是极为重要而又普遍的热工参数之一。在现代化工业生产过程中温度作为一种常用的被控参数,在很多生产过程中我们需要对温度参数进行检测。在环境恶劣或者温度较高等场合下,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,要求对温度进行测、显示、控制。使之达到工艺标准,以单片机为核心设计的水箱温度控制系统,采用单片机来对温度进行控制,不仅具有组态简单、控制方便和灵活性大等优点,而且可以大幅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。
10、 因此单片机对温度的控制是一个工业生产中经常会遇到的问题。1随着电子行业的迅猛发展,传感器技术和计算机技术的不断进步,而且微型计算机和传感器的价格也慢慢的变低,可靠性也逐步的提高,用信息技术来实现温度的控制并且提高温度控制的精确度不但是可以达到的而且是不难实现的。用高新技术来解决工业生产中遇到的问题,以此来加强我国工业化的建设,提高人民的生活水平和生活质量。温度的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资源浪费而失去相关的作用。特别是在当前全球能源极度缺乏的情况下,我们更应该好好把握对温度的控制,合理的利用身边的资源。32设计要求设计并制
11、作一个基于单片机的温度控制系统,基本要求如下:设定一个合适的温度(如30),让水箱温度达到设定值;实际温度与设定值误差在1.5以下。3 方案论证 根据本题设计要求,确定了本系统的原理框图如图3-1所示。控制执行模块kuai块51单片机核心模块LCD显示模块温度采集模块键盘输入模块温度控制加热模块 图3-1 原理框图3.1 方案论证与比较 根据题目的要求,我提出了以下的两种系统设计方案供选择:方案1:该方案采用的是传统的模拟控制方法,选用传统的模拟电路,用电位器设定给定的目标温度值,采用上下限比较电路将反馈的温度值与给定的目标温度值进行比较之后,然后由加热控制器决定加热或者不加热。由于采用模拟控
12、制方式,温度控制系统受环境温度的影响大,不能够实现复杂的控制算法和相对比较精确的温度控制精度,而且不能用显示和键盘设定及上位机传输信息。6方案2:采用单片机为核心。采用了温度传感器采集温度信号并通过单片机进行一定的计算产生控制信号去控制加热模块。使用单片机控制具有编程简单灵活,控制方便等优点,较为容易的实现温度的控制及显示。通过软件编程能够实现各种控制算法使系统具有控制精度相对较为高的优点。通过上述两种方案的比较,方案2明显改善了方案1中的不足,并具有控制温度精度高、控制简单的特点,因此本温度控制系统的设计采用方案2。3.2 核心处理模块的方案方案1:采用PIC单片机。PIC单片机的各个型号的
13、兼容性强,功能全,型号多,抗干扰能力强。缺点:PIC单片机价格贵,烧写器较贵,烧写程序比较麻烦。方案2:采用MCS-51单片机。MCS-51系列单片机是8位增强型。51单片机具有功能强,体积小,可靠性好和价格便宜的优点,并且编程较为容易,程序的烧写也较为简单。综合上面两个方案以及本人日常学习到的单片机,选择方案二作为本设计的核心处理模块。3.3温度采集模块的方案采用温度传感器DS18B20。DS18B20具有体积小、质量轻、精密度高、全数字化、性能稳定等优点。它的测量范围在-50至+125,在-10至+85范围内精度为0.5,当电源电压在5-10V之间,稳定度为1时,其各方面特性都满足了本系统
14、的设计要求。此外DS18B20可直接将温度转化成串行数字信号供处理器处理,可以简化硬件电路和提高可靠性。2 3.4控制执行的方案 方案1:由单片机I/O口输出高低电平控制电磁继电器的通断。当I/O口输出低电平时,三极管不导通,继电器无电流通过,开关断开,电阻丝不加热。当I/O口输出高电平时,三极管导通,继电器有较大的电流通过,开关闭合,电阻丝开始加热。4方案2:采用固态继电器进行控制。首先单片机进行PID算法,实时的更新PWM脉冲的输出参数,来控制PWM波的产生,从而控制固态继电器的导通和断开,进而控制电阻丝的加热来实现温度的控制。用单片机实现了自适应的控制,更好的减少了温度的迟滞性,改进了传
15、统的直接输出高低电平控制的方法。而且固态继电器的性能满足控制的高频频率的要求。比较了上面的种方案,方案1虽然电路比较简单,控制比较容易,但是无法满足温度控制系统的较小的温度波动和频繁的开关普通的电磁继电器从而产生较大的噪音和器件寿命的损耗。所以我最终采用固态继电器为控制执行的方案。3.5 显示模块方案一:选用数码管显示,用普通的数码管显示简单的数字、符号、字母。方案二:选用液晶显示,显示的内容更加的丰富。根据所学知识与方案显示内容的设定,我选择了方案二。4 系统设计 本系统选用的模块包括:单片机系统,LED显示模块,温度采集模块,控制执行模块,加热模块。4.1单片机模块 此次的毕业设计的核心部
16、分是单片机的控制,本次选用的是ATMEL公司生产的芯片AT89C52,主要是它的价格便宜,而且在学习中接触较多比较熟悉,容易获得。 4.1.1复位电路的设计复位使单片机处于起始状态,并从该起始状态开始运行。STC89C52的RST引脚为复位端,该引脚连续保持2个机器周期(24个时钟振动周期)以上高电平,就可以使单片机复位。单片机的外部复位有上电复位和按键电平复位。由于单片机运行过程中,其本身的干扰或外界干扰会导致出错,此时我们可按复位键重新开始运行。考虑到本系统的运行和调试,复位电路采用按键复位方式,如图4-1所示。 图4-1 复位电路4.1.2 时钟电路设计时钟电路是单片机的心脏,它控制着单
17、片机的工作节奏。STC89C52内部有一个反相振荡放大器,XTAL1和XTAL2分别是该反向振荡放大器的输入端和输出端。本设计采用的晶振频率为11.0592MHZ。因为可以准确得到9600波特率和19200波特率,用于有串口通讯的场合。51系列单片机还可使用外部时钟。在使用外部时钟时,外部时钟必须从XTAL1输入,而XTAL2悬空。图4-2为晶振电路图4-2 晶振电路4.1.3单片机的I/O口的分配首先对LCD和单片机的连接分配I/O口,LCD的E,RW,RS端分别为P0.5-P0.7,P2.0-P2.7为LCD1602的数据输入端。然后再对独立键盘进行I/O口分配,本设计中的独立按键只需要四
18、个端口,设置P3.4-P3.7分别为功能键,加一键,减一键,确定键。DS18B20温度传感器是单总线的结构,和单片机的通讯只需要一个I/O口,可以设置P1.3为DS18B20温度传感器的总线和单片机的通讯接口。同样的,系统对温度的控制的信号的输出也是一个I/O口就能实现的,那么就设置P2.0为温度控制信号输出端。4.2 LCD 1602显示模块在本设计中采用LCD 1602来充当显示的作用,对LCD模块的电路的设计得先了解LCD的各个引脚然后再设置其各个引脚和单片机连接的的I/O口。LCD1602液晶显示模块的读写操作,屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。1602液晶模块内部的控制器共有
19、11条控制指令,如表4-3所示:表4-3 LCD1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令序号指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清显示00000000012光标返回000000001*3置输入模式00000001I/DS4显示开/关控制0000001DCB5光标或字符移位000001S/CR/L*6置功能00001DLNF*7置字符发生存贮器地址0001字符发生存贮器地址8置数据存贮器地址001显示数据存贮器地址9读忙标志或地址01BF计数器地址10写数到CGRAM或DDRAM)10要写的数据内容11从CGRAM或DDRAM读数11读出的数据内容根据LCD1602的引脚定义和
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