基于单片机的温度控制系统设计和实现本科学位论文.doc

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1、中文摘要 本设计主要从硬件和部分软件介绍了MCS-51单片机温度控制系统的设计思路，简单说明如何实现对温度的控制，并对硬件原理图和程序框图作了简洁的描述。还介绍了在单片机控制系统的软硬件设计中的一些主要技术关键环节，该系统主要以8051单片机为核心，由温度检测电路，模、数转换电路，过零检测电路, 报警指示电路，光电隔离与功率放大电路，等。但用AT89C51单片机设计的温度检测电路是本次设计的主要内容，是整个单片机温度控制系统设计中不可缺少的一部分，该系统对温度进行实时采集与检测。本设计介绍的单片机自动控制系统的主要内容包括：系统方案、元器件选择、系统理论分析、硬件设计、部分软件设计及主要技术性

2、能参数。关键词：单片机；温度传感器；温度检测；温度控制；PID算法Title: Based on Monolithic Integrated Circuits Temperature Control Systems Design ABSTRACTThe design of single-chips temperature control system is introduced from hardware and some software,and simply explains how to actualize the temperature control.The hardware pri

3、nciple and software case fig are described.Some important techniques in a design scheme of the hardware and the software of the temperature control by single-chip microcomputer are introduced.The system mostly takes 8051 single-chip microcomputer as core,it is structured by temperature testing circu

4、it,A/Dswitch circuit,zero passage testing circuit,waring and indication circuit,optical-electrical isolation and power amplifier circuit and so on. The main content of this design is temperature testing circuit that uses AT89C51 sigle-chip microcomputer.It is a part of the whole design that cannot b

5、e lacked.The system is used to collect and control temperature in real time.The temperature automatic control system based on single-chip microcomputer is described in the article including system scheme, parts of an apparatus choice,theoretical analysis,the design of hardware and some software, and

6、 main technical performance parameters.KeyWords: Single-ChipMicrocomputer; Temperaturesensor; Temperature collecting; Temperature controlling; PID algorithm1 引言1、1绪论随着世界人口的不断增加和社会的不断发展进步，人们对农产品的要求从数量上和质量上都不断提高，尤其是新鲜蔬菜、观赏植物等需温室培育的植物更是如此。这就要求人为创造更加适合作物生长的环境。其中温室环境因子的调控占有很重要的地位。温室是一个相对较小的封闭环境，这个小环境的自调节

7、能力有限，经常会出现一个或多个环境因子超过作物的最适限制，影响了温室作物的生长和栽培效益。现代温室环境工程是指调节、控制温室内影响植物生长的环境因子的工程技术，可调控的环境因子包括温室内的空气温度、湿度、光照、二氧化碳浓度、土壤的水分、酸碱度、养份等。随着电子技术和轻工业技术的不断发展，利用廉价的单片机并综合现代传感器技术、智能控制技术等先进技术来实现全自动化的温室控制，进行蔬菜、花卉等作物的工厂化生产已经成为可能。1、2课题的应用与展望随着电子技术以及应用需求的发展，单片机技术取得了迅速的发展，在高级程度，高速度，低性能以及高性能方面取得了很大的进展。伴随着科学技术的发展，电子技术有了更高的

8、飞跃，我们现在完全可以运用单片机和电子温度传感器对某处进行温度检测，而且我们可以很容易地做到多点的温度检测，如果对此原理图稍加改进，我们还可以进行不同地点的实时检测和控制。温度是工业控制中主要的被控参数之一，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械等工业中，具有举足轻重的作用，因此，温度控制系统是典型的控制系统。对于不同场所、不同工艺、所需温度的高低，范围不同、精度不同，则采用的测量元件、测量方法以及对温度的控制方法也将不同；产品工艺不同、控制温度不同，因而，对温度的测量方法也是多种多样。随着电子技术和微型计算机的迅速发展，微机测量和控制技术也得到了迅速的发展和广泛的应用。利用微机对温度进行测控的

9、技术，也伴随之而生，并得到日益发展和完善，越来越显示出其优越性。目前，单片机以普遍的作用与生产过程的制动控制领域中，单片机以其体积小、价格低廉、可用其构成计算机控制系统中的智能控制单元和可靠性高等特点，受到广大工程技术人员的重视。温度是生产过程中最常见的物理量，许多生产过程是以温度作为其被参控的。因此，温度控制系统是典型的控制系统。1、3课题举例简介占在现代化的工业生产中，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、机械制造设计和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行监测和控制。采用

10、MCS-51单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组太简单和灵活性大的优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大的提高产品的质量和数量。因此，单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题。下面介绍一种功能简化后的温度控制系统的设计过程。假设某加热道采用通电电炉产生的热量为热源，并通过风机箱散热给烘箱对温室进行循环加热。电炉的温度变化范围为0120。根据工业的要求，系统需实现如下功能和指标：（1）、温度给定值在2540左右且现场可调；（2）、温度控制误差1000次）ISP Flash ROM 32个双向I/O口 4.5-5.5V工作电压 2个16位可编程定时/计数器

11、时钟频率0-33MHz 全双工UART串行中断口线 128x8 bit内部RAM 2个外部中断源 低功耗空闲和省电模式 中断唤醒省电模式 3级加密位 看门狗（WDT）电路 软件设置空闲和省电功能 灵活的ISP字节和分页编程 双数据寄存器指针 可以看出AT89S51提供以下标准功能：4K字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，看门狗（WDT），两个数据指针，两个16位定时器/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟。同时, AT89S51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定

12、时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式何在RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直接到一个硬件复位。3、2、3 AT89S51引角功能说明图3-5 AT89C51引脚图Vcc：电源电压GND：接地P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口，作为输出口用时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端口。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1口：P1

13、是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号校验期间，P1接收低8位地址。P2口：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流I。在访问位地址的外部数据存储器（如执行：MOVX Ri 指令）时，P2口线上的内（也即特殊功能寄存器

14、，在整个访问期间不改变。Flash 编程或校验时，P2也接收高位地址和其它控制信号。）P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端口时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流I。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，P3口的第二功能如下表3-6。 表3-6 P3口的第二功能： 端口功能第二功能端口引脚第二功能RXD（P3.0）串行输入口T0（P3.4）定时/计数器0外部输入TXD（P3.1）串行输出口T1（P3.5）定时/计数器

15、1外部输入INT0（P3.2）外中断0WR（P3.6）外部数据存储器写选通INT1（P3.3）外中断1RD（P3.7）外部数据存储器读选通RST：复位输入。当振荡工作时，RST引脚出现两个机器周期上高电平将使单片机复位。WDT益出将使该引脚输出高电平，设置SFR AUXR 的 DISRTO 位（地址8EH）可打开或关闭该功能。DISRTO 位缺省为RESET输出高电平打开状态。ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目地，要注

16、意的是：第当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位禁位后，只有一条MOVX 和MOVC指令ALE才会被激活。此外，该引脚伎被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。PSEN：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。当访问外部数据存储器，高有两次有效的PSEN信号。EA/VPP：外部访问允许。欲使CPU公访问外部程序存储器（地址0000HFFFFH），EA端必须保持低电平（接

17、地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。Flash存储器编程时,该引脚加上12V的编程电压Vpp。XTAL1：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。3、2、4 AT89S51单片机内部结构如3图所示为80C51单片机功能结构框图。从图中看到80C51芯片内部集成了CPU、RAM、ROM、定时器、计数器和I/O口等各功能部件，并有内部总线把这些部件连接起来。80C51单片机内部包含以下一些功能和部件：1）一个8位CPU；2）一个片内振荡器和时钟电路；3）4K

18、B ROM(80C51有4KB掩膜ROM，87C51有4KB EPROM,80C31片内无ROM)；4）128B内RAM;5)可寻址64KB的外ROM和RAM控制电路；6）两个16位定时/计数器；7）21个特殊功能寄存器；8）4个8位并行I/O口，共32条可编程I/O端线；9）一个可编程全双工串行口；10）5个中断源，可设置成2个优先级。图3-7 80C51单片机功能结构框图3、3 ADC0809模数转换器3、3、1 主要特性ADC0809的主要特性指标：分辨率：N=8；时钟频率：小于64赫兹；转换时间：大于等于100毫秒；不可调误差：1LSB；电源：单电源正5V；模拟输入量：8路；模拟输入范

19、围：05V；参考电压：Uref（+）=Uref（-）=5V；3、3、2 A/D转换电路 图3-8 A/D转换电路图ADC0809的IN0和变送器输出端相连，故IN0上输入的0V-+5V范围的模拟电压经A/D转换后可由8031通过程序从P0口输入到它的内部RAM单元。首先输入地址选择信号，在ALE信号作用下，地址信号被锁存，产生译码信号，选中一路模拟量输入。然后输入启动转换控制信号START启动转换。转换结束，数据送三态缓冲锁存器，同时发出EOC信号。在允许输入信号OE的控制下，再将转换结果输入到外部数据总线。3、3、3 ADC0809工作原理ADC0809为逐次逼近式A/D转换器，具有8个模量

20、输入通道。它能与微型计算机的大部分总线兼容，可在程序的控制下选择8个模入通道之一A/D转换，然后把得到的8位二进制数据送到微机的数据总线，供CPU处理。 转换器是ADC0809的核心部分，它由D/A转换、逐次逼近寄存器（SAR）、比较器等组成。其中，D/A转换电路采用了256RT型电阻网络（即2n个电阻分压器，此处N=8），它在启动脉冲的上升沿来到时被复位，在启动脉冲的下降沿A/D开始转换。如果在转换过程中接收到新的启动转换脉冲，则终止转换。转换结束信号EOC在A/D转换时为“1”。AD0809的内部结构如下图：图3-9 ADC0809内部结构图3、4 DAC0832模数传感器3、4、1 D/

21、A转换器主要性能指标1）转换速度D/A转换器从输入二进制数到转换成模拟量电压输出的过程，需要经历一定的时间，这就是D/A转换的速度，不同类型的D/A转换的速度是不相同的，但一般在几十微秒到几百微秒之间。2）转换精度D/A转换精度主要决定于输入D/A转换器的二进制位数，二进制位数越多，精度越高。3）分辨率D/A转换器的分辨率指满量程信号能分成的步数和解题的阶梯的尺寸，对于N位的D/A，其分辨率为1/2N.4)线性度通常用非线性误差的大小表示D/A转换器的线性度，并且理想的输入/输出特性的偏差与满刻度输出之比的百分数，定义为非线性误差。5)输出极性及范围D/A转换器的输出范围与参考电压有关。对于电

22、流输出型的D/A转换器，主要转换电路将其转换成电压，所以，输出范围与转换电路有关。输出极性有单极性和双极性两种。3、4、2 0832单片机的内部结构DAC0832是8位分辨率的D/A转换集成芯片，与微处理器完全相容。其以价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机内部结构中得到广泛应用。图3-10 DAC0832的内部结构图3、4、3 DAC0832的工作方式从图3-10可以看出，在DAC0832内部有两个寄存器，输入信号要经过两个寄存器，才能进入D/A转换器进行D/A转换。而控制这两个寄存器的控制信号有5个：输入寄存器、DAC寄存器组成，用软件控制可以有3种工作方式：直通工作方式、单缓冲

23、工作方式、双工作方式。3、5光电隔离电路光电隔离电路的作用是在电隔离的情况下,以光为煤介传送信号,对输入和输出电路可以进行隔离.因而能有效地抑制系统噪声，消除接地回路的干扰，有响应速度较快、寿命长、体积小耐冲击等好处，使其在强-弱电接口，特别是在微机系统的前向和后向通道中获得广泛应用。这部分电路时单片机与电阻丝加热器的接口。由于电阻丝的加热电压大于单片机的工作电压，为了避免烧坏单片机系统，采用光电隔离电路如图下：3、6 PID控制算法前面提到，大多数的温度控制系统可以看作一阶纯滞后环节，由于本系统纯滞后时间较小，故可采用PID控制算法实施控制。在工业上，偏差控制又称为PID控制，这是工业控制中

24、常用的控制形式，一般能收到令人满意的效果。控制论告诉我们，PID控制的理想方程是： （3.1）式中e 测量值与给定值之间的偏差;TD 微分时间:T - 积分时间; （3.2）KP 调节器的放大系数.将上式离散化得到数字PID位置式算法式中在位置式算法的基础之上得到数字PID增量式算法： （3.3）4 各元器件设计4、1键盘单元单片机应用系统中除了复位按键有专门的复位电路,以及专一的复位功能外,其它的按键或键盘都是以开关状态来设置控制功能或输入数据。 键开关状态的可靠输入 ：为了去抖动我采用软件方法，它是在检测到有键按下时，执行一个10ms的延时程序后，再确认该键电平是否仍保持闭合状态电平，如保

25、持闭合状态电平则确认为真正键按下状态，从而消除了抖动影响在这种行列式矩阵键盘非编码键盘的单片机系统中，键盘处理程序首先执行等待按键并确认有无按键按下的程序段。当确认有按键按下后，下一步就要识别哪一个按键按下。对键的识别通常有两种方法：一种是常用的逐行扫描查询法；另一种是速度较快的线反转法。对照图示的4*4键盘，说明线反转法工作原理。首先辨别键盘中有无键按下，有单片机I/O口向键盘送全扫描字，然后读入行线状态来判断。方法是：向行线输出全扫描字00H，把全部列线置为低电平，然后将列线的电平状态读入累加器A中。如果有按键按下，总会有一根行线电平被拉至低电平从而使行线不全为1。判断键盘中哪一个键被按下

26、是通过将列线逐列置低电平后，检查行输入状态来实现的。方法是：依次给列线送低电平，然后查所有行线状态，如果全为1，则所按下的键不在此列；如果不全为1，则所按下的键必在此列，而且是在与零电平行线相交的交点上的那个键。键盘共有16个按键，用于方便设定温度。90 ， 数字按键，输入数字0-9；确认 ， 设置的确认，修改设置温度时进行确认；清除 设置的清除，修改设置温度时进行删除；开启 开启电源关闭 关闭电源F1 显示及设置转换到温度点1，按此按键后，显示预设置温度的数码管闪烁；F2显示及设置转换到温度点2，按此按键后，显示预设置温度的数码管闪烁；表4-1键盘的按键分布P2.00123P2.14567P

27、2.289F1F2P2.3清除开启关闭确定P2.4P2.5P2.6P2.74、2温度控制及超温和超温警报单元当采集的温度经处理后超过规定温度上限时，单片机通过 P1.4 输出控制信号驱动三极管 D1 ，使继电器 K1 开启降温设备 ( 压缩制冷设备 ) ：当采集的温度经处理后低于设定温度下限时，单片机通过 P1.5 输出控制信号驱动三极管 D2 ，使继电器 K2 开启升温设备 ( 加热器1) 。当由于环境温度变化太剧烈或由于加热或降温设备出现故障，或者温度传感头出现故障导致在一段时间内不能将环境温度调整到规定的温度限内的时候，单片机通过三极管驱动扬声器发出警笛声。具体电路连接如图 4-2 所示

28、。 图4-2具体电路连接图4、3温度测试单元采用温度芯片DS18B20。使用集成芯片，能够有效的减小外界的干扰，提高测量的精度，简化电路的结构。4、4温度控制器件电路单片机通过三极管控制继电器的通断，最后达到控制电热器的目的。当温度未达到要求时，单片机发送高电平信号使三极管饱和导通，继电器使电源与电热器接通，电热器加热。温度慢慢升高。当温度上升到预定温度时，单片机发送低电平信号三极管进入截止状态，继电器的弹片打到另一侧，使电热器与电源断开，电热器停止加热。继电器电路中有一个三极管8050的保护电路，即将一个二极管反向接到三机管的两端。连接方法如图5-2所示。图4-3 单片机控制信号其原理是：当

29、继电器突然断电时，继电器产生很大的反向电流。二极管的作用是将反向电流分流，使流过三级管8050的电流比较小，达到保护三极管8050的作用。4、5 显示单元 显示部分采用数码管显示方式，数码管用四位一体共阳数码管。位选直接由单片机的P2.4、P2.5、P2.6、P2.7控制，段选通过单片机P0口接上74LS254进行驱动。 图4-4 显示电路4、6接口通讯单元 max232资料简介：该产品是由德州仪器公司（TI）推出的一款兼容RS232标准的芯片。由于电脑串口rs232电平是-10v +10v，而一般的单片机应用系统的信号电压是ttl电平0 +5v,max232就是用来进行电平转换的,该器件包含

30、2驱动器、2接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。该器件符合TIA/EIA-232-F标准，每一个接收器将TIA/EIA-232-F电平转换成5-V TTL/CMOS电平。每一个发送器将TTL/CMOS电平转换成TIA/EIA-232-F电平。主要特点 ：1、单5V电源工作2、 LinBiCMOSTM工艺技术3、 两个驱动器及两个接收器4、 30V输入电平5、低电源电流：典型值是8mA6、符合甚至优于ANSI标准 EIA/TIA-232-E及ITU推荐标准V.287、ESD保护大于MIL-STD-883（方 法3015）标准的2000V5 1单片机有一个全双工的串行通讯

31、口，所以单片机和电脑之间可以方便地进行串口通讯。进行串行通讯时要满足一定的条件，比如电脑的串口是RS232电平的，而单片机的串口是TTL电平的，两者之间必须有一个电平转换电路，我采用了专用芯片MAX232进行转换，虽然也可以用几个三极管进行模拟转换，但是还是用专用芯片更简单可靠。在本设计中采用了三线制连接串口，也就是说和电脑的9针串口只连接其中的3根线：第5脚的GND、第2脚的RXD、第3脚的TXD。这是最简单的连接方法，但是对我来说已经足够使用了，电路如下图所示，MAX232的第10脚和单片机的11脚连接，第9脚和单片机的10脚连接，第15脚和单片机的20脚连接，串口通讯具体如图4-6。图.4-5 通讯接口连线图5 电源输入部分 控制系统主控制部分电源需要用5V直流电源供电，其电路如图6-1所示，把频率为50Hz、有效值为220V的单相交流电压转换为幅值稳定的5V直流电压。其主要原理是把单相交流电经 过电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路转换成稳定的直流电压。