51 单片机水温度控制系统Word文档格式.docx
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2.1总体方案论证4
2.2各部分电路方案论证5
三.硬件电路设计6
3.1温度检测和变送器7
3.2接口电路8
3.3温度控制电路10
3.4键盘及数字显示结合10
3.5温度设定和传送电路11
3.6单片机控制部分12
3.7键盘及数字显示部分12
结束语13
参考文献14
一.引言
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、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。
因此,单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题。
本文以它为例进行介绍,希望能收到举一反三和触类旁通的效果。
图1,单片机控制系统原理框图
该水温控制系统主要由AT89C51单片机控制系统、前向通道(温度采样转换电路)、后向通道(温度控制电路)、键盘显示电路等四部分组成,其总体设计框图如上图所示。
二.基于单片机水温控制系统设计过程
2.1总体方案论证
(一)、方案论证与比较
本题目是设计制作一个水温控制系统,对象为一升净水,加热器为1KW的电炉。
要求能在35℃--95℃范围内设定控制水温,并具有较好的快速性和较小的超调,以及十进制数码管显示等功能。
1、总体方案设计及论证
根据题目的要求,我们提出了以下的两种方案:
方案1:
此方案是采用传统的二位模拟控制方法,选用模拟电路,用电位器设定给定值,采用上下限比较电路将反馈的温度值与给定的温度值比较后,决定加热或者不加热。
由于采用模拟控制方式,系统受环境的影响大,不能实现复杂的控制算法使控制精度做得教高,而且不能用数码显示和键盘设定。
方案2:
采用51单片机为核心。
采用了温度传感器AD590采集温度变化信号,A/D采样芯片ADC0804将其转换成数字信号并通过单片机处理后去控制温度,使其达到稳定。
使用单片机具有编程灵活,控制简单的优点,使系统能简单的实现温度的控制及显示,并且通过软件编程能实现各种控制算法使系统还具有控制精度高的特点。
比较上述两种方案,方案2明显的改善了方案缺点,并具有控制简单、控制温度精度高的特点,因此本设计电路采用方案2。
2.2各部分电路方案论证
本电路以单片机为基础核心,系统由前向通道模块、后向控制模块、系统主模块及键盘显示摸块等四大模块组成。
现将各部分主要元件及电路做以下的论证:
(1)、温度采样部分
方案1:
采用热敏电阻,可满足35℃--95℃的测量范围,但热敏电阻精度、重复性和可靠性都比较差,对于检测精度小于1℃的温度信号是不适用的。
方案2:
采用温度传感器AD590。
:
AD590具有体积小、质量轻、线形度好、性能稳定等优点。
其测量范围在-50℃--+150℃,满刻度范围误差为±
0.3℃,当电源电压在5—10V之间,稳定度为1﹪时,误差只有±
0.01℃,其各方面特性都满足此系统的设计要求。
此外AD590是温度-电流传感器,对于提高系统抗干扰能力有很大的帮助。
经上述比较,方案2明显优于方案1,故选用方案2。
(2)、键盘显示部分
控制与显示电路是反映电路性能、外观的最直观部分,所以此部分电路设计的好坏直接影响到电路的好坏。
采用可编程控制器8279与数码管及地址译码器74LS138组成,可编程/显示器件8279实现对按键的扫描、消除抖动、提供LED的显示信号,并对LED显示控制。
用8279和键盘组成的人机控制平台,能够方便的进行控制单片机的输出。
采用51单片机与地址译码器74LS138组成控制和扫描系统,并用2051的串口对主电路的单片机进行通信,这种方案既能很好的控制键盘及显示,又为主单片机大大的减少了程序的复杂性,而且具有体积小,价格便宜的特点。
对比两种方案可知,方案1虽然也能很好的实现电路的要求,但考虑到电路设计的成本和电路整体的性能,我们采用方案2。
(3)、控制电路部分
采用8031芯片,其内部没有程序存储器,需要进行外部扩展,这给电路增加了复杂度。
本方案的CPU模块采用2051芯片,其内部有2KB单元的程序存储器,不需外部扩展程序存储器。
但由于系统用到较多的I/O口,因此此芯片资源不够用。
方案3:
采用AT89C51单片机,其内部有8KB单元的程序存储器,不需外部扩展程序存储器,而且它的I/O口也足够本次设计的要求。
比较这3种方案,综合考虑单片机的各部分资源,因此此次设计选用方案3。
三.硬件电路设计
以热电偶为检测元件的单片机温度控制系统电路原理图如图1所示。
图2,单片机温度控制系统电路原理图
3.1温度检测和变送器
温度检测元件和变送器的类型选择与被控温度的范围和精度等级有关。
镍铬/镍铝热电偶适用于0℃-1000℃的温度检测范围,相应输出电压为0mV-41.32mV。
变送器由毫伏变送器和电流/电压变送器组成:
毫伏变送器用于把热电偶输出的0mV-41.32mV变换成4mA-20mA的电流;
电流/电压变送器用于把毫伏变送器输出的4mA-20mA电流变换成0-5V的电压。
为了提高测量精度,变送器可以进行零点迁移。
若温度测量范围为500℃-1000℃,则热电偶输出为20.6mV-41.32mV,毫伏变送器零点迁移后输出4mA-20mA范围电流。
这样,采用8位A/D转换器就可使量化温度达到1.96℃以内。
3.2接口电路
接口电路采用MCS-51系列单片机8031,外围扩展并行接口8155,程序存储器EPROM2764,模数转换器ADC0809等芯片。
由图1可见,在P2.0=0和P2.1=0时,8155选中它内部的RAM工作;
在P2.0=1,P2.1=0时,8155选中它内部的三个I/O端口工作。
相应的地址分配为:
0000H-00FFH8155内部RAM
0100H命令/状态口
0101HA口
0102HB口
0103HC口
0104H定时器低8位口
0105H定时器高8位口
8155用作键盘/LED显示器接口电路。
图2中键盘有30个按键,分成六行(L0-L5)五列(R0-R4),只要某键被按下,相应的行线和列线才会接通。
图中30个按键分三类:
一是数字键0-9,共10个;
二是功能键18个;
三是剩余两个键,可定义或设置成复位键等。
为了减少硬件开销,提高系统可靠性和降低成本,采用动态扫描显示。
A口和所有LED的八段引线相连,各LED的控制端G和8155C口相连,故A口为字形口,C口为字位口,8031可以通过C口控制LED是否点亮,通过A口显示字符。
图3,8155用作键盘/LED显示器接口电路
2764是8KEPROM型器件。
8031的PSEN和2764的OE相连,P2.5和CE相连,所以2764的地址空间为:
0000H---1FFFH,ADC0809的0通道(IN0其他输入端可作备用)和变送器的输出端相连,所以从通道0(IN0)上输入的0V--+5V范围的模拟电压经A/D转换后可由8031通过程序从P0口输入到它的内部RAM单元,在P2.2=0和WR=0时,8031可使ALE和START变为高电平而启动ADC0809工作;
在P2.2=0和RD=0时,8031可以从ADC0809接收A/D转换后的数字量。
也就是说ADC0809可以视为8031的一个外部RAM单元,地址为03F8H(地址重复范围很大),因此,8031执行如下程序可以启动ADC0809工作。
MOVDPTR,#03F8H
MOVX@DPTR,A
若8031执行下列程序:
MOVXA,@DPTR
则可以从ADC0809输入A/D转换后的数字量。
3.3温度控制电路
8031对温度的控制是通过双向可控硅实现的。
如图所示,双向可控硅管和加热丝串接在交流220V、50Hz市电回路。
在给定周期T内,8031只要改变可控硅管的接通时间即可改变加热丝的功率,以达到调节温度的目的。
可控硅接通时间可以通过可控硅控制极上触发脉冲控制。
该触发脉冲由8031用软件在P1.3引脚上产生,在过零同步脉冲同步后经光电耦合管和驱动器输出送到可控硅的控制极上。
图4,温度采样和转换电路原理图
3.4键盘及数字显示结合
编一小程序,实现键盘及数字显示结合——按键盘1数码管显示1,按键盘2数码管显示3,按键盘3数码管显示3,按键盘4数码管显示4,按键盘5数码管显示5,按键盘6数码管显示6,按键盘7数码管显示7,按键盘8数码管显示8,按键盘9数码管显示9,按键盘10数码管显示A,按键盘11数码管显示b,按键盘12数码管显示C,按键盘13数码管显示d,按键盘14数码管显示E,按键盘15数码管显示F。
3.5温度设定和传送电路
编一小程序,实现温度设定和传送电路——以下是双机串口通讯主程序流程图:
图5,双机串口通讯流程
3.6单片机控制部分
此部分是电路的核心部分,系统的控制采用了51单片机。
单片机51单片机内部有8KB单元的程序存储器及256字节的数据存储器。
因此系统不必扩展外部程序存储器和数据存储器这样大大的减少了系统硬件部分。
电路原理图如图所示:
图6,单片机控制电路部分原理图
3.7键盘及数字显示部分
在设计键盘/显示电路时,我们使用单片机2051作为电路控制的核心,单片机2051具有一个全双工的串行口采用串口,利用此串行口能够方便的实现系统的控制和显示功能。
键盘/显示接口电路如图所示
图7,键盘/显示部分电路
图中单片机2051的P1口接数码管的8只引脚,这样易于对数码管的译码,使数码管能显示设计者所需的各数值、符号等等。
单片机2051的P3.3、P3.4、P3.5接3-8译码器74L138,译码器的输出端直接接八个数码管的控制端和键盘,键盘扫描和显示器扫描同用端口这样能大大的减少单片机的I/O,减少硬件的花费。
键盘的接法的差别直接影响到硬件和软件的设计,考虑到单片机2051的端口资源有限,所以我们在设计中将传统的4*4的键盘接成8*2的形式(如图3-4),键盘的扫描除了和显示共用的8个端外,另外的两个端直接和2051的P3.2和P3.7相连。
图8,译码显示部分
如图的接法已经完全用完了单片机的15个I/O口,有效的利用了单片机的资源。
结束语
MCS-51单片机,体积小,重量轻,抗干扰能力强,对环境要求不高,价格低廉,可靠性高,灵活性好,即使是非电子计算机专业人员,通过学习一些专业基础知识以后也能依靠自己的技术力量,来开发所希望的单片机应用系统。
本文的温度控制系统,只是单片机广泛应用于各行各业中的一例,相信读者会依靠自己的聪明才智,使单片机的应用更加广泛化。
参考文献
[1]《8051单片机实践与应用》吴金清华大学出版社2002.9
[2]《全国大学生电子设计竞赛获奖作品精选》北京理工大学出版社2003.3
[3]《全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编》北京理工大学出版社2004.8
[4]《单片微型机原理、应用与实验》张友德复旦大学出版社2003.6
[5]《电子系统设计》何小艇浙江大学出版社2004.6
[6]《电路原理图与电路板设计教程Protel99SE》石宗义北京希望电子出版社2002.6
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