《基于单片机的温度控制系统设计与实现》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的温度控制系统设计与实现（50页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、精选优质文档-倾情为你奉上基于单片机的温度控制系统设计与实现下位机系统摘 要温度的测量与控制在工业生产和日常生活中应用广泛。本文介绍了一个基于单片机STC89C52的简单温度控制系统，该系统由上下位机两级组成，上位机采用PC机运行温度监控程序，对温度进行实时监控，同时设定下位机的控制参数，可实现对温度数据的存储管理。下位机由单片机构成温度现场采集与控制终端，负责现场温度的采集与控制。本文着重介绍了下位机系统的设计方案与软硬件实现。下位机系统采用8051单片机组成温度现场测控单元，使用DS18B20数字式温度传感器进行温度测量，温度的实时测量数据通过RS-232上传至上位机，进行实时监视，同时接
2、收上位机的控制指令，通过继电器控制电加热丝的通断，实现对温度的控制。实验表明该系统能够实现对温度的控制，具有一定的控制精度。该系统测温电路简单、连接方便，可用于简单温度控制的场合。关键词：单片机；温度控制；温度传感器；串口通讯Based on a Temperature Control System Design and Implementation - Controller SystemAbstractThe application about temperature measurement and control is normal in the area of industry and
3、daily life. A simple temperature control system, based on the STC89C52 MCU，is introduced in this paper, which include host computer and slave one. The host one, that is PC, runs temperature monitor software which monitors real-time temperature value, sets the control parameters to the slave, and sav
4、e the data. The slave is temperature field collection and control unit composed by MCU, the digital temperature sensor, DS18B20, is used for the temperature measurement, the real-time data is transferred to the host computer by RS-232 for the online monitoring, the control instruction downloaded fro
5、m the host is used to control temperature by means of heating wire make-break controlled by relay. The experiment shows that the system can control the temperature with the better control precise. With the simplicity of the temperature measurement circuit and the convenient connection , this system
6、may be adaptable for the situations needed simple temperature control.Keywords: MCU; Temperature control; Temperature sensor; Serial communication目 录1 绪论11.1 温度控制系统的发展现状11.2 课题的内容及要求31.3 论文的内容及安排42 温度控制系统总体方案设计52.1 系统总体方案设计52.2 硬件总体方案设计52.3 软件总体方案设计73 温度控制系统硬件系统设计83.1 单片机最小系统设计83.2 测温电路设计103.2.1 DS1
7、8B20的介绍103.2.2 测温电路设计133.3 控温电路设计143.4 电平转换及串口通信电路153.4.1 电平转化电路163.4.2 串口通信电路164 温度控制系统的软件方案设计194.1 初始化子程序设计194.2 DS18B20测温子程序设计194.3 串口通信子程序设计224.4 控制部分子程序设计245 系统调试255.1 硬件部分调试255.2 软件部分调试265.3 系统联调27结论29社会经济效益分析30参考文献31致谢33附录 电路图34附录 程序清单35附录 元器件清单44专心-专注-专业1 绪论温度是生活及生产中最基本的物理量，它表征的是物体的冷热程度。自然界中
8、任何物理、化学过程都紧密的与温度相联系。在很多生产过程中，温度的测量和控制都直接和安全生产、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，温度的测量与控制在国民经济各个领域中均受到了相当程度的重视。在实际的生产实验环境下，由于系统内部与外界的热交换是难以控制的，其他热源的干扰也是无法精确计算的，因此温度量的变化往往受到不可预测的外界环境扰动的影响。为了使系统与外界的能量交换尽可能的符合人们的要求，就需要采取其他手段来达到这样一个绝热的目的，例如可以让目标系统外部环境的温度与其内部温度同步变化。根据热力学第二定律，两个温度相同的系统之间是达到热平衡的，这样利用一个与目标系统
9、温度同步的隔离层，就可以把目标系统与外界进行热隔离。另外，在大部分实际的环境中，增温要比降温方便得多。因此，对温度的控制精度要求比较高的情况下，是不允许出现过冲现象的，即不允许实际温度超过控制的目标温度。特别是隔热效果很好的环境，温度一旦出现过冲，将难以很快把温度降下来。这是因为很多应用中只有加热环节，而没有冷却的装置。同样道理，对于只有冷却没有加热环节的应用中，实际温度低于控制的目标温度，对控制效果的影响也是很大的。鉴于上述这些特点，高精度温度控制的难度比较大，而且不同的应用环境也需要不同的控制策略。下面就简要的讨论一下温度测控技术的发展与现状。1.1 温度控制系统的发展现状近年来，温度的检
10、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对温度进行采样，确保数据的正确传输，并能对所测温度场进行较精确的控制，仍然是目前需要解决的问题。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。在温度的测量技术中，接触式测温发展较早，这种测量方法的优点是：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的影响，响应时间较长，对热容量小的物体难以实现精确的测量，并且该方法不适宜于对腐蚀性介质测温，不能用于超高温测量，难于测量运动物体的温度。另外的非接触式测温方法是通过对辐射能量的检测来实现温度测量的方法，其优点是：不破坏被测温场，可以测量热容量小的物体
11、，适于测量运动物体的温度，还可以测量区域的温度分布，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物体表观温度，测温装置结构复杂，价格昂贵等缺点。因此，在实际的温度测量中，要根据具体的测量对象选择合适的测量方法，在满足测量精度要求的前提下尽量减少投入。温度控制技术按照控制目标的不同可分为两类：动态温度跟踪与恒值温度控制。动态温度跟踪实现的控制目标是使被控对象的温度值按预先设定好的曲线进行变化。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，化工生产中的化学反应温度控制，冶金工厂中燃烧炉中的温度控制等；恒值温度控制的目的是使被控对象的温度恒定在某一给定数值上，且要求其波动幅
12、度（即稳态误差）不能超过某允许值。本文所讨论的基于单片机的温度控制系统就是要实现对温控箱的恒值温度控制要求，故以下仅对恒值温度控制进行讨论。从工业控制器的发展过程来看，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的关系，进而对系统加热装置（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，在没有计算机参与的情况下，用很简单的模拟电路就能够实现。目前，采用这种控制方法的温度控制器在我国许多工厂
13、的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的滞后性，致使被控对象温度波动较大，控制精度低，完全不适用于高精度的温度控制。2. PID线性控温法这种控温方法是基于经典控制理论中的PID调节器控制原理，PID控制是最早发展起来的控制策略之一，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过程控制中，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。由于PID调节器模型中考虑了系统的误差、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。其具体控制电路可以采用模拟电路或计算机软件方法
14、来实现PID调节功能。前者称为模拟PID控制器，后者称为数字PID控制器。其中数字PID控制器的参数可以在现场实现在线整定，因此具有较大的灵活性，可以得到较好的控制效果。采用这种方法实现的温度控制器，其控制品质的好坏主要取决于三个PID参数（比例值、积分值、微分值）。只要PID参数选取的正确，对于一个确定的受控系统来说，其控制精度是比较令人满意的。但是，它的不足也恰恰在于此，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线性控温法的弱点，人们相继提出了一系列自动调整PID参数的方法，PID参数的自学习，自整定等等。并通
15、过将智能控制与PID控制相结合，从而实现温度的智能控制。智能控温法以神经网络和模糊数学为理论基础，并适当加以专家系统来实现智能化。其中应用较多的有模糊控制、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的应用。目前已出现一种高精度模糊控制器，可以很好的模拟人的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的具有自适应PID算法的温度控制仪表。目前国内温控仪表的发展，相对国外而言在性能方面还存在一定的差距，它们之间最大的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比较低，自适应性较差。这种不足的原因是多方面造成的，如针对不同的被控对象，由于控制算法的不足而导致控制精度不稳定。1.2 课题的内容及要求1.课题内容本课题拟设计一个基于单片机的温度控制系统，控制对象基于电热装置，进行水温的控制，本设计为控制系统的下位机设计，主要由单片机构成温度采集与控制终端，实现温度的采集与控制，其控制器参数由上位机设定。具体设计方案如下：(1) 了解和掌握温度控制系统设计原理及方法。(2) 查阅文献，掌握单片机数据采集、控制技术现状。(3) 进行系统方案设计。 (4) 构建硬件平台，编制采集及通信程序，进行联机调试，完成系统功能。2.课题要求(1) 实现温
