基于热电偶的温度控制系统毕业设计.doc
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XXXX大学2014届本科毕业设计
题目:
基于热电偶的温度控制系统
Title:
Thermocoupletemperaturecontrolsystembasedon
摘要
本设计是采用K型热电偶为温度检测元件的单片机温度控制系统。
硬件电路包括:
电源模块、温度检测模块、信号调理模块、A/D转换模块、键盘/显示电路模块、温度控制模块。
工作过程如下:
热电偶检测炉内温度,采集信号经过放大调理后送入0809进行模数转换,然后送入单片机并实时显示温度,同时从键盘输入系统温度设定值,将设定值与实际测量值进行比较会得到一个偏差值,将此偏差值进行PID处理,处理后的控制量送给继电器。
继电器内的双向可控硅在给定周期T内具有不同的导通时间,这是由双向可控硅控制极上的触发脉冲控制的,这个触发脉冲是8051的P1.3引脚上产生的,经过零同步脉冲同步后经光耦管和驱动电路输出到可控硅的控制极上,从而改变加热的时间,达到温度控制的目的。
软件部分包括主程序、中断服务程序、中断服务程序、显示程序、键盘扫描程序等。
通过实践操作表明,本设计在误差范围内实现了对控制对象的温度控制。
关键词:
AT89S51单片机,热电偶,A/D转换,直流电源,温度自动控制
I
Abstract
ThedesignoftemperaturecontrolsystemusingKtypethermocouplefortemperaturesensingelement.
Thehardwarecircuitincludes:
apowersupplymodule,temperaturedetectingmodule,signalconditioningmodule,A/Dconversionmodule,keyboardanddisplaycircuitmodule,temperaturecontrolmodule.Workprocessisasfollows:
thetemperaturethermocoupletestingfurnace,collectingsignalafteramplifyingandconditioninginto0809analogtodigitalconversion,andthensenttotheMCUandreal-timetemperaturedisplay,andkeyboardinputfromthesystemtemperaturesetting,thesettingvalueiscomparedtoadeviationvalueandtheactualmeasuredvalue,thedeviationvalueofPIDprocessing,controltheamountoftreatedforbidirectionalthyristor.AbidirectionalcontrolledsiliconwithdifferentguideinagivenperiodTtime,whichiscomposedofabidirectionalthyristorcontrolpoleofthetriggerpulsecontrol,thistriggerpulseis8051ontheP1.3pin,afterzerosynchronizationaftercontroloptocouplertubeanddrivecircuittothepoleofthecontrolledsilicon,therebychangingtheheatingtime,achievethepurposeoftemperaturecontrol.
Thesoftwaresystemincludesamainprogram,interruptserviceprogram,interruptserviceprogram,displayprogram,keyboardscanningprocedures.
Throughthepracticaloperationshowsthat,thedesignisintherangeoferrortoachievethecontrolobjecttemperaturecontrol.
Keywords:
AT89S51microcontroller,thermocouple,A/Dconversion,DCpowersupply,automatictemperaturecontrol
目录
摘要 I
ABSTRACT II
1引言 1
2设计要求 1
3方案论证 1
3.1温度采集模快 1
3.2A/D转换模块 2
3.3按键控制模块 2
3.4显示模块 3
3.5温度控制模块 3
4设计原理 3
4.1单片机模块 3
4.2系统电源模块 5
4.3信号采集模块 6
(1)热电偶简介 6
(2)热电偶测量电路 7
4.4A/D模块 8
(1)ADC0809简介 8
(2)ADC0809接口电路 9
4.5LED数码管显示模块 11
(1)数码显示管LED简介 11
(2)显示电路 11
4.6键盘电路模块 12
4.7执行电路模块 13
(1)固态继电器原理简介 13
(2)继电器接口电路 14
4.8报警路模块 15
5软件设计 15
5.1开发工具介绍 15
5.2程序框图 15
(1)PID算法流程图 16
(2)主程序流程图 17
(3)数码管显示流程图 17
(4)按键检测与处理流程图 18
(5)A/D转换结束中断服务程序流程图 18
6结论 19
7结束语 19
致谢 21
附录一:
电路图 22
附录二:
源程序 24
IV
1引言
电加热炉随着科学技术的发展和工业生产水平的提高,已经在冶金、化工、机械等各类工业控制中得到了广泛应用,并且在国民经济中占有举足轻重的地位[6]。
对于这样一个具有非线性、大滞后、大惯性、时变性、升温单向性等特点的控制对象,很难用数学方法建立精确的数学模型,因此用传统的控制理论和方法很难达到好的控制效果。
单片机以其高可靠性、高性能价格比、控制方便简单和灵活性大等优点,在工业控制系统、智能化仪器仪表等诸多领域得到广泛应用。
采用单片机进行炉温控制,可以提高控制质量和自动化水平。
2设计要求
设计并制作一个能够实时显示温度并自动控制温度的温度控制系统[12],具体要求如下:
(1)能够连续测量电热炉的温度值,用十进制数码管来显示实际温度。
(2)能够设定控制温度。
(3)温度控制精度为2℃。
3方案论证
分析本题,根据设计要求先确定了本系统的整体设计原理框图如图1:
放大、调理
模数转换
电
加
热
炉
温度采集
CPU
8051
加热
温度控制
电路
显示电路
降温
键盘电路
图1原理框图
3.1温度采集模块
方案一:
采用DS18S20数字温度计对温度检测,DS18S20温度检测范围较小,适用于温度低于100℃的条件下使用。
方案二:
采用WRN-130K型热电偶[9]对温度检测,WRN-130温度检测范围较大(0-1000℃),适用于温度较高的工业条件下使用。
本系统是对电热炉的温度控制,温度较高,所以应当选用WRN-130K型热电偶作为检测元件。
3.2A/D转换模块
AD574[7]和ADC0809[2]是常用的AD转换元件。
方案一:
采用AD574芯片,它的分辨率可设成8位也可以设为12位,且无需外接CLOCK时钟,转换时间达到25μs,输出模拟电压可以是单极性的0-10V或0-20V,也可以是双极性的±5V或±10V。
它具有功耗小、精度高等特点,可广泛应用在数据采集系统中。
由于AD574芯片内有三态输出缓冲电路,因而可直接与单片机的数据总线相连,而无须附加逻辑接口电路。
方案二:
采用ADC0809芯片,它的采样分辨率是8位,它是以逐次逼近原理进行模—数转换的器件,转换时间为100μs,输入模拟电压为单极性的0-5V。
其内部有一个8通道多路开关,它可以根据地址码锁存译码后的信号,只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。
它是A/D转换的基本的常用元件,被广泛应用于数据采集及转换中。
AD574和ADC0809都可以采用,其共同点是采样分辨率均为8位。
区别在于AD574可以扩展到12位,采样精度高,并行数据传送占用I/O口过多。
最主要的是因为AD574的采样频率高,且价格比较贵,本系统为实现对温度信号的A/D转换,而温度信号的变化十分缓慢,不必采用采样频率非常高的A/D转换元件。
又因本系统采用一个单片机作为核心控制系统,还需考虑到I/O接口有限,所以综上所述本系统采用ADC0809作为A/D转换元件。
3.3按键控制模块
方案一:
采用矩阵键盘,由于按键多可实现电压值的直接键入。
方案二:
采用一般的电平判键按钮,实现方法很简单,但一个端口最多只实现8个按键。
由于本温度控制系统需要的按键不多,一个功能选择键用来选择修改温度设定值、上限值、下限值、显示温度,一个位选键选择修改百位、十位、个位、十分位这四位的标志,一个加1键每按一次键,位选标志所指的当前位的值加1,一个减1键每按一次键,位选标志所指的当前位的值减1,一个确定键保存设置值并返回到显示温度状态。
5个按键就可实现本题的设计要求,故采用方案二。
3.4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。
此温度控制系统需要显示当前温度,以及设定的温度初始值、上下限值,只需显示出4个数字,采用数码管更加的实惠,故选择方案一。
3.5温度控制模块
本温度控制系统采用继电器输出控制加热执行机构的开与关。
4设计原理
本系统选用的模块包括:
单片机系统,温度采集模块,A/D转换模块,键盘设定模块,LED显示模块,温度控制模块,超限报警模块,直流电源模块,具体的电路图参照附录。
4.1单片机模块
AT89S51[2]是一个低功耗,高性能CMOS8位单片机,片内含4kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造,兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构,芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元,AT89S51在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。
主要性能特点:
1、4kBytesFlash片内程序存储器;
2、128bytes的随机存取数据存储器(RAM);
3、32个外部双向输入/输出(I/O)口;
4、5个中断优先级、2层中断嵌套中断;
5、6个中断源;
6、2个16位可编程定时器/计数器;
7、2个全双工串行通信口;
8、看门狗(WDT)电路;
9、片内振荡器和时钟电路;
10、与MCS-51兼容;
11、全静态工作:
0Hz-33MHz;
12、三级程序存储器保密锁定;
13、可编程串行通道;
14、低功耗的闲置和掉电模式。
管脚说明:
VCC:
供电电压。
GND:
接地
P0口:
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时,P0口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。
AT89S51管脚图如图3.1所示。
P1口:
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。
P2口:
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。
并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口:
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。
作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。
P3口除了作为普通I/O口,还有第二功能:
P3.0/RXD(串行输入口)
P3.1/TXD(串行输出口)
P3.2/INT0(外部中断0)
P3.3/INT1(外部中断1)
P3.4/T0(记时器0外部输入)
P3.5/T1(记时器1外部输入)
P3.6/WR(外部数据存储器写选通)
P3.7/RD(外部数据存储器读选通)
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
I/O口作为输入口时有两种工作方式,即所谓的读端口与读引脚。
读端口时实际上并不从外部读入数据,而是把端口锁存器的内容读入到内部总线,经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器。
只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线。
89C51的P0、P1、P2、P3口作为输入时都是准双向口。
除了P1口外P0、P2、P3口都还有其他的功能。
RST:
复位输入。
当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
PSEN:
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。
在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现。
EA/VPP:
当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时,/EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。
XTAL1:
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2:
来自反向振荡器的输出。
AT89C51的管脚图如图2:
图289CS51管脚图
4.2系统电源模块
主控电路所需的+5V电源[4];外围电路(如继电器、运算放大器)所需的+12V和-12V电源。
如图3系统供电电源电路原理图所示:
此电路采用“降压à整流à滤波à稳压à滤波”的线形电源模式。
这里选用了78M12、79M12、78M05三端稳压器。
系统供电电源电路原理图如图3所示。
图3系统供电电源电路原理图
电路中两个二极管IN4007是:
防止系统不稳定时,输出电压高于输入电压,从而导致三端集成稳压器被烧毁,起到保护作用。
上述电源中所用的电源变压器功率为10W。
电路中的压敏电阻VDR是防雷、抑制过电压作用,保护电路免受过电压的损害。
压敏电阻VDR在它上面的电压低于它的阀值UN=471V时,流过它的电流极小,相当于一只关死的阀门,当电压超过471V时,流过它的电流激增,相当于短路,这时FUSE会因为电流激增而烧毁,使电路断开。
4.3信号采集模块
(1)热电偶简介
热电偶是热电偶温度计的敏感元件,它测温的基本原理是基于热电效应。
如图4为热电偶回路[1]。
图4热电偶回路
经过研究分析表明,热电偶总电势与电子密度及两接点温度有关,电子密度不仅取决于热电偶材料特性,而且随温度的变化而变化,它们并非常数,所以,当热电偶材料一定时,热电偶的总电势就与热端温度和的函数差有关,即
这就要求冷端温度固定,为了保证固定,使热电偶与被测温度间成单值函数关系,就要对冷端温度进行补偿,本设计中采用的补偿方法为补偿电桥法,如图5所示,图6为电桥等效电路:
图5补偿电桥
图6补偿电桥等效电路
补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的电势来补偿冷端温度变化而引起的热电势的变化。
图中电桥由、、(均为锰铜电阻)和(铜电阻)组成,串联在热电偶电路中,热电偶冷端与电桥中处于相同温度。
当冷端=0℃时,,这时电桥平衡,无电压输出,回路中的电势就是热电偶产生的电势,即为(,0);当变化时,也随之改变;于是电桥两端a、b就会输出一个不平衡的电压。
如适当选择使电桥的输出电压=(,0),从而使回路中的总电势仍为(,0),起到了冷端温度的自动补偿。
而图中的稳压二极管,是为了保证补偿电桥两端有恒定不变的工作电压,进而保证电桥的正常工作。
(2)热电偶测量电路
本设计中采用的镍铬/镍铝热电偶(WRN-130)适用于0~1000℃的温度测量范围,相应的输出电压为0~41.32mV。
但是整个单片机温度控制系统需要采用+5V的工作电压,所以要保证系统的工作正常进行,就要将热电偶的输出电压进行放大,其放大电路如图7所示
图7电压放大电路
根据运算根据运放的两个根本特性“虚短”“虚断”,选取==100K,=1K,=50K,=1K,会得到的输出电压范围为0~+5V,此电压值传输到ADC0809。
4.4A/D模块
(1)ADC0809简介
ADC有两大类:
一类在电子线路中使用,不带使能控制端;另一类带有使能控制端,可与微机直接接口。
ADC0809由8位逐模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、256电阻阶梯、树状开关、逐次逼近式寄存器SAR、控制电路和三态输出锁存器等组成。
ADC0809内部有一个8位“三态输出锁存器”可以锁存A/D转换后的数字量,故它本身既可看作一种输入设备,也可认为是并行I/O接口芯片。
因此,ADC0809可以直接和MCS-51接口,也可通过像8255这样的其他接口芯片连接。
大多数情况下,8031是和ADC0809直接相连的。
ADC0809芯片有28条引脚,采用双列直插式封装,如图8所示[11]。
图8ADC0809管脚图
下面说明各引脚功能:
IN0~IN7:
8路模拟量输入端。
2-1~2-8:
8位数字量输出端。
ADDA、ADDB、ADDC:
3位地址输入线,用于选通8路模拟输入中的一路。
ALE:
地址锁存允许信号,输入端,高电平有效。
START:
A/D转换启动脉冲输入端,输入一个正脉冲(至少100ns宽)使其启动(脉冲上升沿使0809复位,下降沿启动A/D转换)。
EOC:
A/D转换结束信号,输出端,当A/D转换结束时,此端输出一个高电平(转换期间一直为低电平)。
OE:
数据输出允许信号,输入端,高电平有效。
当A/D转换结束时,此端输入一个高电平,才能打开输出三态门,输出数字量。
CLK:
时钟脉冲输入端。
要求时钟频率不高于640KHz。
REF(+)、REF(-):
基准电压。
Vcc:
电源,单一+5V。
GND:
地。
(2)ADC0809接口电路
经过温度信号测量处理电路后所得到的0—5V电压模拟信号要经过AD转换后才能送给单片机,经A/D转换电路,转换完成后,输送给单片机的P0口。
A/D转换电路如图9所示。
图9A/D转换电路
其中ADC0809的A、B、C三个端口作为它IN0-IN八个输入通道的选择信号,由于此处只用到了IN0通道,所以将此A、B、C三个端口全部接地,电路中ADC0809的转换结束信号引脚EOC接在单片机P3.5上,单片机启动ADC0809的转换后,延时一段时间,然后程序采取扫描方式检测ADC0809是否转换结束,单片机然后去检测P3.5电平,当接收到一个高电平时,发出一个READ信号,使得ADC0809输出锁存缓冲器开放,将数据输送到数据线上,从而完成温度数字信号的采集过程。
4.5LED数码管显示模块
(1)数码显示管LED简介
图10数码显示管LED引脚图
LED数码管作为显示字段的数码型显示器件,它是由若干个发光二极管组成的。
当发光二极管导通时,相应的一个点或一个笔画发亮,控制不同组合的二极管导通,就能显示出各种字符,常用的LED数码管有7段和“米”字段之分。
这种显示器有共阳极和共阴极两种。
共阴极LED显示器的发光二极管的阴极连在一起,通常此共阴极接地。
当某个发光二极管的阳极为高电平时,发光二极管点亮,相应的段被显示。
同样,共阳极LED显示器的发光二极管的阳极接在一起,通常此共阳极接正电压,当某个发光二极管的阴极接低电平时,发光二极管被点亮,相应的段被显示。
本次设计所用的LED数码管显示器为共阳极。
LED数码管的使用与发光二极管相同,根据材料不同正向压降一般为1.5~2V,额定电流为10mA,最大电流为40mA。
静态显示时取10mA为宜,动态扫描显示可加大脉冲电流,但一般不超过40mA。
(2)显示电路
用于显示用户设定的温度、上限温度、下限温度和当前温度值等,精确到小数点后一位。
如图11所示[7],单片机的P2口输出段选编码,P3.0、P3.1、P3.2、P3.3分别为四位数码管的位选编码。
当其中位选编码输出低电平时,三极管8550导通,使得共阳极数码管公共端得到一个高电平,同时P2口输出相应的要显示的数字共阳极字型码并通过74HC573将段码信号锁存输出[5]。
图11温度数码管显示
4.6键盘电路模块
键盘是用来给用户提供设置设定温度上限值、下限值、显示温度等功能。
键盘电路如图12所示[7]。
键没有被按下时,P1.3-P1.7通过下拉电阻接地,单片机此时检测的电平是低电平,当
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