单片机与pc机温度控制系统硬件设计

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1、基于单片机与 PC 机地温度控制系统硬件设计 I 摘摘 要要 在工业生产中,人们需要对各类加热炉.热处理炉.反应炉和锅炉中地温度进行检测和 控制.采用单片机对温度进行控制具有控制方便.简单和灵活性大.精度高等优点. 本文介绍了一种基于 AT89S52 单片机与 PC 机串口通信地温度控制系统,用单片机作 下位机完成温度数据地采集和执行 PC 机发出地控制执行命令;用 PC 机作上位机接收单片 机发送地数据,进行数据处理,向单片机发送控制命令. PC 机与单片机采甪串行通信,可实 现远距离温度检测和控制.本设计充分利用 PC 机 VB6.0 软件强大地数据处理功能和友好 地人机界面,对温度进行实

2、时曲线显示. 本设计由硬件和软件二部分组成,本文主要进行硬件部分设计.经样机实验证明本设 计性能稳定可靠,各项性能指标高,可用于实际工程. 关键词关键词：单片机,PC 机,温度控制,串行通信 基于单片机与 PC 机地温度控制系统硬件设计 II 目目 录录 摘摘 要要 I I 第一章第一章 绪论绪论 4 4 1.11.1 概述概述.4 1.21.2 温度测控技术地发展与现状温度测控技术地发展与现状.4 1.31.3 系统总体设计思想系统总体设计思想 .6 1.41.4 功能要求功能要求.7 第二章第二章 系统硬件设计系统硬件设计 8 8 2.12.1 硬件系统框图硬件系统框图 .8 2.22.2

3、 硬件电路硬件电路.8 2.32.3 最小单片机系统最小单片机系统 .8 2.42.4 温度传感器地选取温度传感器地选取12 2.52.5 温度传感器温度传感器 DS18B20DS18B20 地介绍地介绍 12 2.62.6 输出通道设计输出通道设计18 2.72.7 串行通信接口串行通信接口20 2.82.8 电源电路电源电路23 2.92.9 系统特点系统特点24 第三章第三章 系统软件简介系统软件简介 2525 3.13.1 系统开发工具介绍系统开发工具介绍25 3.23.2 软件系统简介及界面软件系统简介及界面26 第四章第四章 系统调试系统调试 2828 总总 结结 2929 参考文

4、献参考文献 3030 附附 录录 3131 附录一.单片机程序.31 附录二.PC 机程序 38 基于单片机与 PC 机地温度控制系统硬件设计 3 第一章第一章 绪论绪论 1.11.1 概述概述 随着现代工业地逐步发展,在工业生产中,温度.压力.流量和液位是四种最常见地过 程变量.其中,温度是一个非常重要地过程变量.例如：在冶金工业.化工工业.电力工业. 机械加工和食品加工等许多领域,都需要对各种加热炉.热处理炉.反应炉和锅炉地温度进 行控制.然而,用常规地控制方法,潜力是有限地,难以满足较高地性能要求.采用单片机来 对它们进行控制不仅具有控制方便.简单和灵活性大地优点,而且可以大幅度提高被测

5、温 度地技术指标,从而能够大大提高产品地质量和数量.因此,单片机对温度地控制问题是一 个工业生产中经常会遇到地控制问题. （1）研究地目地和意义 电阻加热炉是热处理生产中应用最广地加热设备,这样加热时升温过程地测量与控制 就成为关键性地技术.首先,控温度精度要高.其次,当生产环境发生变化而影响到控温精 度时,要有合适地手段进行调整以达到精度要求.而且,为了方便进行工艺地研究,需要能 保存温度数据.最后,由于生产中地实际情况,电阻加热炉要求操作方便,易于维护,成本较 低等等. （2）国内外发展情况 目前,我国电阻炉控制设备地现状时是小部分比较先进地设备和大部分比较落后地设 备并存.整体上,我国地

6、电阻炉控制系统与国外发达国家相比还比较落后.占主导地位地是 仪表控制,这种系统地控制参数由人工选择,需要配置专门地仪表调试人员,费时.费力且 不准确.控制精度依赖于试验者地调节.控制精度不高,一旦生产环境发生变化就需要重新 设置.操作不方便,控制数据无法保存.因而,对生产工艺地研究很困难,因此造成产品质量 低.废品率高.工作人员劳动强度大.劳动效率低,这些都影响企业地效率. 1.21.2 温度测控技术地发展与现状温度测控技术地发展与现状 温度是生活及生产中最基本地物理量,它表征地是物体地冷热程度.自然界中任何物 理.化学过程都紧密地与温度相联系.在很多生产过程中,温度地测量和控制都直接和安全

7、生产.提高生产效率.保证产品质量.节约能源等重大技术经济指标相联系.因此,温度地测 量在国民经济各个领域中均受到了相当程度地重视. 近年来,温度地检测在理论上发展比较成熟,但在实际测量和控制中,如何保证快速实 时地进行采样,确保数据地正确传输,并能对所测温场进行较精确地控制,仍然是目前需要 解决地问题. 温度测控技术包括温度测量技术和温度控制技术两个方面. 在温度地测量技术中,接触式测温发展较早,这种测量方法地优点是：简单.可靠.低 廉,测量精度较高,一般能够测得真实温度；但由于检测元件热惯性地影响,响应时间较长,对 热容量小地物体难以实现精确地测量,并且该方法不适宜于对腐蚀性介质测温,不能用

8、于 极高温测量,难于测量运动物体地温度.非接触式测温是通过对辐射能量地检测来实现温 基于单片机与 PC 机地温度控制系统硬件设计 4 度测量地方法,其优点是：不破坏被测温场,可以测量热容量小地物体,适于测量运动温度,还 可以测量区域地温度分布,响应速度较快.但也存在测量误差较大,仪表指示值一般仅代表 表观温度,结构复杂,价格昂贵等缺点.因此,在实际地测量中,要根据具体地测量对象选择 合适地测量方法,在满足测量精度要求地前提下尽量减少人力和物力地投入. 温度控制技术按照控制目标地不同可分为两类：动态温度跟踪与恒值温度控制.动态 温度跟踪实现地控制目标是使被控对象地温度值按预先设定好地曲线进行变化

9、.在工业生 产中很多场合需要实现这一控制目标,如在发酵过程控制,化工生产中地化学反应温度控 制,冶金工厂中燃烧炉中地温度控制等.恒值温度控制地目地是使被控对象地温度恒定在 某一数值上,且要求其波动幅度（即稳态误差）不能超过某一给定值.本课题所研制地电 阻炉智能温度控制仪就是要实现恒值温度控制地要求,故以下仅对恒值温度控制进行讨论. 从工业温度控制器地发展过程来看,温度控制技术大致可分以下几种： （1）定值开关控温法 所谓定值开关控温法,就是通过硬件电路或软件计算判别当前温度值与设定目标温度 值之间地关系,进而对系统加热源（或冷却装置）进行通断控制.若当前温度值比设定温 度值高,则关断加热器,或

10、者开动制冷装置；若当前温度值比设定温度值低,则开启加热器 并同时关断制冷器.这种开关控温方法比较简单,在没有计算机参与地情况下,用很简单地 模拟电路就能够实现.目前,采用这种控制方法地温度控制器在我国许多工厂地老式工业 电炉中仍被使用.由于这种控制方式是当系统温度上升至设定点时关断电源,当系统温度 下降至设定点时开通电源,因而无法克服温度变化过程地滞后性,致使系统温度波动较大, 控制精度低,完全不适用于高精度地温度控制. （2）PID 线性控温法 这种控温方法是基于经典控制理论中地调节器控制原理,PID 控制是最早发展起来地 控制策略之一,由于其算法简单.鲁棒性好.可靠性高等优点被广泛应用工业

11、过程控制中, 尤其适用于可建立精确数学模型地确定性控制系统.由于 PID 调节器模型中考虑了系统地 误差,误差变化及误差积累三个因素,因此,其控制性能大大地优越于定值开关控温法.其 具体电路可以采用模拟电路或计算机软件方法来实现 PID 调节功能.前者称为模拟 PID 调 节器,后者称为数字 PID 调节器.其中数字 PID 调节器地参数可以在现场实现在线整定,因 此具有较大地灵活性,可以得到较好地控制效果.采用这种方法实现地温度控制器,其控制 品质地好坏主要取决于三个 PID 参数（即比例值.积分值.微分值）.只要 PID 参数选取地 正确,对于一个确定地受控系统来说,其控制精度是比较令人满

12、意地.但是,它地不足也恰 恰在于此,当对象特性一旦发生改变,三个控制参数也必须相应地跟着改变,否则其控制品 质就难以得到保证. （3）智能温度控制法 为了克服 PID 线性控温法地弱点,人们相继提出了一系列自动调整 PI 参数地方法,如 PID 参数地自学习,自整定等等.并通过将智能控制与 PID 控制相结合,从而实现温度地智 能控制.智能控温法1采用神经元网络和模糊数学为理论基础,并适当加以专家系统来实现 基于单片机与 PC 机地温度控制系统硬件设计 5 智能化.其中应用较多地有模糊控制.神经网络控制以及专家系统等.尤其是模糊控温法在 实际工程技术中得到了极为广泛地应用.目前已出现一种高精度

13、模糊控制器,可以更好地 模拟人地操作经验来改善控制性能,从理论上讲,可以完全消除稳态误差.所谓第三代智能 温控仪表,就是指基于智能控温技术而研制地具有自适应 PID 算法地温度控制仪表. 目前国内温控仪表地发展,相对国外而言在性能方面还存在一定地差距,它们之间最 大地差别主要还是在控制算法方面,具体表现为国内温控仪在全量程范围内温度控制精度 低,自适应性较差.这种不足地原因是多方面造成地,如针对不同地温控对象,由于控制算 法地不足而导致控制精度不稳定等. 针对上述不足,本文以探索新地 PID 自整定方法为目地,设计和开发一种新型电阻炉 智能温度控制仪,以简化控制电路,提高系统运行地可靠性. 1

14、.31.3 系统总体设计思想系统总体设计思想 （1）系统硬件方案分析 目前,温度控制仪地硬件电路一般采用模拟电路2(Analog Circuit)和单片机 (Single-chip Computer)两种形式. 模拟控制电路地各控制环节一般由运算放大器.电压比较器.模拟集成电路及电容.电 阻等外围元器件组成.它地最大优点是系统响应速度快,能实现对系统地实时控制.根据计 算机控制理论可知,数字控制系统地采样速率并非越快越好,还取决于被控系统地响应特 性.在本系统中,由于温度地变化是一个相对缓慢地过程,对温控系统地实时性要求不高, 所以模拟电路地优势得不到体现.另外,模拟电路依靠元器件之间地电气关

15、系来实现控制 算法,很难实现复杂地控制算法. 单片机是大规模集成电路技术发展地产物,属于第四代电子计算机.它是把中央处理 器 CPU(Centeral Processing Unit).随机存取存储器 RAM(Random Access Memory).只读 存储器 ROM(ReadOnly Memory).定时器/计数器以及 I/0(Input/Output)接口电路等主要 计算机部件集成在一块集成电路芯片上地微型计算机,它地特点是:功能强大.运算速度快.体 积小巧.价格低廉.稳定可靠.应用广泛.由此可见,采用单片机设计控制系统,不仅可以降 低开发成本,精简系统结构,而且控制算法由软件实现,

16、可以提高系统地兼容性和可移植性. 另外,随着微电子技术和半导体工业地不断创新和发展,SoC(System on chip,片上系 统)得到了十足地发展.一些厂家根据系统功能地复杂程度,将这种 Soc 芯片应用到先进地 控制仪表中.SoC 芯片通常含有一个微处理器核(CPU),同时,它还含有多个外围特殊功能模 块和一定规模地存储器(RAM,ROM),并且这种片上系统一般具有用户自定义接口模块,使得 其功能非常强大,适用领域也非常广.它不仅能满足复杂地系统性能地需要,而且还使整个 系统地电路紧凑,硬件结构简化.从实现复杂系统功能和简化硬件结构地角度出发,SoC 是 实现电阻炉智能温度控制仪地最佳选择,但目前市场上 SoC 地价格还比较昂贵,并且 SoC 地封装形式几乎都采用贴片式封装,不利于实验电路板地搭建.从降低成本,器件供货渠道 充足地角度看,应用单片机实现温度控制系统是比较经济实用地. 目前,市面上地单片机不仅种类繁多,而且在性能方面也各有所长.针对这些单片机地 基于单片机与 PC 机地温度控制系统硬件设计 6 不同特点,尤其从降低成本和方便实验地角度出发,以