基于单片机的温度控制系统的设计监测控制系统设计报告.docx
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基于单片机的温度控制系统的设计监测控制系统设计报告
监测控制系统设计报告
题目:
基于单片机的温度控制系统
摘要:
本设计以AT89S51单片机为核心的温度控制系统的工作原理和设计方法。
温度信号由温度芯片DS18B20采集,并以数字信号的方式传送给单片机。
文中介绍了该控制系统的硬件部分,包括:
温度检测电路、温度控制电路、PC机与单片机串口通讯电路和一些接口电路。
单片机通过对信号进行相应处理,从而实现温度控制的目的。
文中还着重介绍了软件设计部分,在这里采用模块化结构,主要模块有:
数码管显示程序、键盘扫描及按键处理程序、温度信号处理程序、继电器控制程序、超温报警程序。
关键词:
AT89S51单片机DS18B20温度芯片温度控制串口通讯
1引言
温度控制系统广泛应用于社会生活的各个领域,如家电、汽车、材料、电力电子等,常用的控制电路根据应用场合和所要求的性能指标有所不同,在工业企业中,如何提高温度控制对象的运行性能一直以来都是控制人员和现场技术人员努力解决的问题。
这类控制对象惯性大,滞后现象严重,存在很多不确定的因素,难以建立精确的数学模型,从而导致控制系统性能不佳,甚至出现控制不稳定、失控现象。
传统的继电器调温电路简单实用,但由于继电器动作频繁,可能会因触点不良而影响正常工作。
控制领域还大量采用传统的PID控制方式,但PID控制对象的模型难以建立,并且当扰动因素不明确时,参数调整不便仍是普遍存在的问题。
而采用数字温度传感器DS18B20,因其内部集成了A/D转换器,使得电路结构更加简单,而且减少了温度测量转换时的精度损失,使得测量温度更加精确。
数字温度传感器DS18B20只用一个引脚即可与单片机进行通信,大大减少了接线的麻烦,使得单片机更加具有扩展性。
由于DS18B20芯片的小型化,更加可以通过单跳数据线就可以和主电路连接,故可以把数字温度传感器DS18B20做成探头,探入到狭小的地方,增加了实用性。
更能串接多个数字温度传感器DS18B20进行范围的温度检测。
2设计要求
设计基于单片计算机的温度控制器,用于控制温度。
具体要求如下:
1.基于单片机电路实现数据的采集,提取、存储及后期的处理;
2.温度连续可调,范围为0℃-40℃;
3.超调量σ%≤20%;
4.温度误差≤±0.5℃;
5.基于通信端口实现数据的回传,方便人-机对话;
3工作原理
温度传感器DS18B20从设备环境的不同位置采集温度,单片机AT89S51获取采集的温度值,经处理后得到当前环境中一个比较稳定的温度值,再根据当前设定的温度上下限值,通过加热和降温对当前温度进行调整。
当采集的温度经处理后超过设定温度的上限时,单片机通过三极管驱动继电器开启降温设备(压缩制冷器),当采集的温度经处理后低于设定温度的下时,单片机通过三极管驱动继电器开启升温设备(加热器)。
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。
系统中将通过串口通讯连接PC机存储温度变化时的历史数据,以便观察整个温度的控制过程及监控温度的变化全过程。
图3.1工作原理图
4方案设计
4.1温度测量部分方案
DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器,它具有微型化、低功耗、高性能抗干扰能力、强易配处理器等优点,特别适合用于构成多点温度测控系统,可直接将温度转化成串行数字信号(按9位二进制数字)给单片机处理,且在同一总线上可以挂接多个传感器芯片,它具有三引脚TO-92小体积封装形式,温度测量范围-55~+125℃,可编程为9~12位A/D转换精度,测温分辨率可达0.0625℃,被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出,其工作电源既可在远端引入,业可采用寄生电源方式产生,多个DS18B20可以并联到三根或者两根线上,CPU只需一根端口线就能与多个DS18B20通信,占用微处理器的端口较少,可节省大量的引线和逻辑电路。
从而可以看出DS18B20可以非常方便的被用于远距离多点温度检测系统。
综上,在本系统中我采用温度芯片DS18B20测量温度。
该芯片的物理化学性很稳定,它能用做工业测温元件,且此元件线形较好。
在0—100摄氏度时,最大线形偏差小于1摄氏度。
该芯片直接向单片机传输数字信号,便于单片机处理及控制。
图4.1温度芯片DS18B20
4.2主控制部分方案
AT89S51是一个低功耗,高性能CMOS8位单片机,片内含8kBytesISP(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,功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
AT89S51具有如下特点:
40个引脚,4kBytesFlash片内程序存储器,128bytes的随机存取数据存储器(RAM),32个外部双向输入/输出(I/O)口,5个中断优先级2层中断嵌套中断,2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,看门狗(WDT)电路,片内时钟振荡器。
此外,AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。
空闲模式下,CPU暂停工作,而RAM定时计数器,串行口,外中断系统可继续工作,掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据,停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。
同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式,以适应不同产品的需求。
由于系统控制方案简单,数据量也不大,考虑到电路的简单和成本等因素,因此在本设计中选用ATMEL公司的AT89S51单片机作为主控芯片。
主控模块采用单片机最小系统是由于AT89S51芯片内含有4kB的E2PROM,无需外扩存储器,电路简单可靠,其时钟频率为0~24MHz,并且价格低廉,批量价在10元以内。
图4.2AT89S51单片机引脚图
5各单元的设计
5.1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。
5.2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。
…,数字按键,输入数字0----9;
,设置的确认,修改设置温度时进行确认;
设置的清除,修改设置温度时进行删除;
开启电源
关闭电源
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;
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5.1键盘的按键分布
P2.0
0
1
2
3
P2.1
4
5
6
7
P2.2
8
9
F1
F2
P2.3
清除
开启
关闭
确定
P2.4
P2.5
P2.6
P2.7
图5.1键盘设计图
5.3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5.2所示。
图5.2温度控制及超温和超温警报单元图
5.4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5.3所示。
图5.3单片机控制信号
其原理是:
当继电器突然断电时,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。
5.5七段数码管显示单元
本部分电路主要使用七段数码管和移位寄存器芯片74LS164。
单片机通过I2C总线将要显示的数据信号传送到移位寄存器芯片74LS164寄存,再由移位寄存器控制数码管的显示,从而实现移位寄存点亮数码管显示。
由于单片机的时钟频率达到12M,移位寄存器的移位速度相当快,所以我们根本看不到数据是一位一位传输的。
从人类视觉的角度上看,就仿佛是全部数码管同时显示的一样。
具体见实际连线图如图5-3。
当清除端(CLEAR)为低电平时,输出端(QA-QH)均为低电平。
串行数据输入端(A,B)可控制数据。
当A、B任意一个为低电平,则禁止新数据输入,在时钟端(CLOCK)脉冲上升沿作用下Q0为低电平。
当A、B有一个为高电平,则另一个就允许输入数据,并在CLOCK上升沿作用下决定Q0的状态,逻辑封装图如图5.4:
图5.4逻辑封装图
引出端符号:
CLOCK时钟输入端;CLEAR同步清除输入端(低电平有效);A,B串行数据输入端;QA-QH输出端。
真值表:
表5-2
表5.2真值表
图5.5显示单元图
5.6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-VTTL/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
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