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1、单片机原理与应用课程设计说明书题目：基于单片机的温度控制系统设计系部:信息与控制工程学院专业：电气自动化班级：2008级4班学生姓名：孙连强 学 号:指导教师：戴曰章2010年 12月10日指导老师评语:成绩：指导老师签字：年 月 日第一章前言01.1课题背景与意义01.2温度控制系统的应用01.3课程设计任务1第二章系统方案12.1水温控制系统设计任务和要求12.2水温控制系统部分22.2.1 CPU中央处理器22.3控制方式3第三章系统硬件设计 33.1总体设计框图及说明33.2外部电路设计4温度采集电路43.2.2 温度控制电路 43.3单片机系统电路设计5系统框图53.3.2 A/D
2、转换电路6键盘设置电路7数码显示电路7第四章系统软件设计 84.1程序框架结构84.2程序流程图及部分程序9主程序模块9系统初始化10423按键程序10423 A/D 采样数据处理10425 PID 计算 11426继电器控制12427单片机最小系统134.3系统安装调试与测试14第五章结论15参考文献15附件1 （程序代码）：16附件2 （电路原理图）：24第一章前言1.1 课题背景与意义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、
3、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。采用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。目前，温度控制系 统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同国外的日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有 着较大的差距。现在，我国在这方面总体技术水平处于20世纪80年代中后期水平。成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，它只能适应一般温度系统控制，难于控制滞后复杂时变温度系统控制，而且适应于较高控制 场合的智能化、自适应控制仪表国内技术还
4、不十分成熟，形成商品化并广泛应 用的控制仪表较少。随着嵌入式系统开发技术的快速发展及其在各个领域的广 泛应用，人们对电子产品的小型化和智能化要求越来越高，作为高新技术之一 的单片机以其体积小、价格低、可靠性高、适用范围大以及本身的指令系统等 诸多优势，在各个领域、各个行业应用广泛。1.2 温度控制系统的应用盐浴炉温度控制系统利用 S型铂铑-铑热电偶检测温度，热电偶进行冷端补偿， 热电偶检测的信号通过放大、采样保持、模数转换再送单片机保存，采用分段 查表法获取各点温度。选用可控硅过零触发自动控制盐浴炉温度，控制周期为 100个三相交流市电周期，即2s。由单片机控制可按预设温度曲线进行加热，并可实
5、时显示加温曲线。大型粮库采用主机为PC上位机，从机为 68HC08GP32为主控芯片的分机（下位机）。下位机采用 DALLAS的数字式温度传感器芯片 DS182Q可以在三根线（电源线、地线、信号线）上同时并联多个温度探测点。 每个分机上可以连接10跟电缆，每根电缆上可并联几十个点。分机利用了68HC08GP32勺片内FLASH功能，实现了 DS1820的序列号在 68HC08GP3冲的动 态存取，从而节省了大量存储器。 温度数据保存在68HC08GP32勺片内RAM里并 且利用了充分利用了 68HC08GP32勺片内的A/D实现了湿度数据的测量。有的还 用PLC来控制总之温度控制系统的控制方式
6、是多种多样的。1.3 课程设计任务本文主要介绍单片机温度控制系统的设计过程，其中涉及系统结构设计、元器件的选取和控制算法的选择、程序的调试和系统参数的整定。以AT89C51为CPU温度信号由PT1000和电压放大电路提供。电压放大电路用超低温漂移 高精度运算放大器OP07将温度-电压信号进行放大，用单片机控制SSR固态继 电器的通断时间以控制水温，系统控制对象为1升净水，容器为搪瓷器皿。水温可以在环境温度降低时实现自动控制，以保持设定的温度基本不变，具有较 好的快速性与较小的超调。第二章系统方案2.1水温控制系统设计任务和要求设计一个水温自动控制系统，控制对象为1升净水，水温可以在一定范围内由
7、人工设定，并能在环境温度降低时实现自动调整，以保持设定的温度基本不变，系统设计具体要求：温度设定范围为40 C，目标温度的土 5C；加热棒功率2KV，控制器为继电器；用十进制数码管显示水的实际温度。2.2水温控制系统部分水温控制系统是一个过程控制系统，组成框图如图1所示，由控制器、执行器、被控对象其反馈作用的测量变送组成。测量变送试通过温度传感器Pt1000来传送的。控制器是通过单片机来完成。图1控制系统框图中央处理器方案一：采用8031作为控制核心，使用最为普遍的器件 ADC0804作模数转 换，控制上使用对加热棒加电对水槽里的水升温。此方案简易可行，器件价格 便宜，但8031内部没有程序存
8、储器需扩展，增加了电路的复杂性。方案二：此方案采用8951单片机实现，可用编程实现各种控制算法和逻辑 控制。进行数据转换，控制电路部分采用 SSR固态继电器控制加热棒的通断， 此方案电路简单并且可以满足题目中的各项要求的精度。比较两个方案可知，采用 Atmel单片机来实现本题目，不管是从结构上，还 是从工作量上都占有很大的优势，所以最后决定使用AT89C51作为该控制系统的核心。根据温度变化慢，并且控制精度不易掌握的特点，设计了水箱温度自动控制系统，总体框图如图 2所示。温度控制采用改进的 PID数字控制算法,显示采用用3位LED静态显示。PT1000前置放丈图2总体AT89C51AD0S04
9、LED显示控制器设计框图2.3控制方式该控制系统是把输出量检测出来，经过物理量的转换，再反馈到输入端去与给定量进行比较（综合），并利用控制器形成的控制信号通过执行机构SSR对控制对象进行控制，抑制内部或外部扰动对输出量的影响，减小输出量的误 差，达到控制目的。在此控制系统中单片机就相当于常规控制系统中的运算器 控制器，它对过程变量的实测值和设定位之间的误差信号进行运算然后给出控 制信息，单片机的运算规则称为控制法则或控制算法。第三早系统硬件设计3.1总体设计框图及说明本系统是一个简单的单回路控制系统，总体框图如图2所示。单片机系统是整个控制系统的核心，AT89C51可以提供系统控制所需的I/O
10、口、中断、定时及存放中间结果的 RAM电路；前向通道是信息采集的通道，主 要包括传感器、信号放大、 A/D转换等电路；由于水温变化是一个相对缓慢的 过程，因此前向通道中没有使用采样保持电路；信号的滤波可由软件实现，以 简化硬件、降低硬件成本。键盘设定：用于温度设定，共三个按键。数据采样：将由传感器及相关电路采集到的温度转为电压信号，经A/D转换后，送入AT89C51相应接口中，换算成温度值，用于控制和显示。数据显示：采用了共阴极数码管LED进行显示设置温度与测量温度。继电器/加热棒：通过三极管控制继电器的开关来完成对加热棒的控制。3.2外部电路设计温度采集电路采用温度传感器铂电阻PtIOOO,
11、对于温度的精密测量而言，温度测量部分是整个系统设计的第一步。温度传感器的选择是这块电路的关键，它是直接影 响整个系统的性能与效果的关键因素之一。这里采用的是精密级铂电阻温度传 感器PtIOOO，它的金属铂含量达 99. 9999%，因为铂电阻的物理和化学性能在 高温和氧化介质中很稳定、价格又便宜，常用作工业测量元件，以铂电阻温度 计作基准器线性好，温度系数分散性小，在01OO摄氏度时，最大非线性偏差小于O.5摄氏度，性能稳定，广泛用于精密温度测量和标定。铂热电阻与温度关系式 Rt = R/1 At - Bt2），其中：Rt-温度为t摄氏度时的电阻；Ro-温度为O摄氏度时的电阻；A B-温度系数
12、 A=3.94*102/ C；其中 B=-5.84*10”“ 厂C； T-任意温度。3.2.2 温度控制电路此部分通过控制继电器的通断从而控制加热棒，采用对加在加热棒两端的 电压进行通断的方法进行控制，以实现对水加热功率的调整，从而达到对水温 控制的目的，即在闭环控制系统中对被控对象实施控制。此部分的继电器采用的是 SSR继电器，即固态继电器，主要由输入（控制） 电路，驱动电路和输出（负载）电路三部分组成。固态继电器的输入电路是为 输入控制信号提供一个回路，使之成为固态继电器的触发信号源。固态继电器 的输出电路是在触发信号的控制下，实现固态继电器的通断切换。输出电路主要由输出器件（芯片）和起瞬
13、态抑制作用的吸收回路组成，固态继电器（SSR是一种全电子电路组合的元件，它依靠半导体器件和电子元件的电、磁和光特 性来完成其隔离和继电切换功能。图3是它的工作原理框图，图9中的部件-构成交流SSR的主体，从整 体上看，SSR只有两个输入端（A和B）及两个输出端（C和D），是一种四端器 件。工作时只要在 A、B上加上一定的控制信号，就可以控制 C、D两端之间的“通”和“断”，实现“开关”的功能。图3 SSR结构图由于开关电路在不加特殊控制电路时，将产生射频干扰并以高次谐波或尖 峰等污染电网，为此特设“过零控制电路”。为使其实现过零控制，就是要实 现工频电压的过零检测， 并给出脉冲信号，由单片机控
14、制可控硅过零脉冲数目 当在其输入端加入控制信号时，输出端接通，从而使得加热棒加热以致温度上 升；当此时撤离控制信号时， 输出端断开，而使加热棒停止加热从而温度下降图4加热棒控制电路3.3单片机系统电路设计系统框图LET）显示AT89C51单片机*控制信号图5系统框图3.3.2 A/D 转换电路ADC0804是CMOSI成工艺制成的逐次比较型A/D转换器芯片。分辨率为 8位，转换时间为100卩s，输出电压范围为05V,增加某些外部电路后，输入 模拟电压可为土 5V。该芯片内有输出数据锁存器，当与计算机连接时，转换电 路的输出可以直接连接到 CPU的数据总线上，无需附加逻辑接口电路。csl 1rd
15、 E2ZWR | 3CLKIN l4INTR5VIN+ |6VIN-7AGND l8-VREF/2 9DGND 匝20 JVCC19 CLKRZEID717 D6ADC080415 D414D313 D2莎D111JD0CS数据 输出咼阻读数图6 ADC0804引脚图 图7 ADC0804控制信号的时序图采集数据时，首先微处理器执行一条传送指令，在指令执行过程中，微处理器在控制总线的同时产生CS1WR低电平信号，启动A/D转换器工作，ADC0804经100卩S后将输入模拟信号转换为数字信号存于输出锁存器，并在INTR端产生低电平表示转换结束，并通知微处理器可来取数。当微处理器通过总线查询到INTR为低电平时，立即执行输入指令，以产生CS RD2低电平信号到 ADC0804相应引脚，将数据取出并存入存储器中。整个数据采集过程中，由微处理器有序地执行若干
