基于单片机的数字温控计.docx
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基于单片机的数字温控计
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摘要
随着控制理论和电子技术的发展,工业控制器的适应能力增强和高度智能化正逐步成为现实。
其中以单片机为核心实现的数字控制器因其体积小、成本低、功能强、简便易行而得到广泛应用。
PLD温度控制器作为一种重要的控制设备,在化工、食品等诸多工业生产过程中,得到广泛的应用。
本文主要讨论在过程控制中得到广泛应用的数字PLD控制在单片机温度控制系统中的应用。
本文详细阐述了基于单片机的温度控制系统的硬件组成、接口电路及程序编译。
并且充分考虑到系统的可靠性,采取相应的保护措施。
通过设计表明本文所论述的基于单片机的温度控制系统的设计的合理性及有效性。
关键字:
单片机;PLD温度控制器;温度控制系统
Abstract
Alongwithcontroltheoryandelectronicstechnicaldevelopment,theorientationabilityoftheindustrialcontrollerthetobuildupandhighintelligenceturntojustandgraduallybecomereality.Amongthemwithlistslicemachineforthecorecarryoutofthenumbercontrollergetanextensiveapplicationbecauseitsphysicalvolumeissmall,lowcostandstrongfunctionandsimpletoeasilygo.ThePLDtemperaturecontrollerisakindofimportantcontrolequipments,atchemicalengineering,andfood...etc.manyindustrialproductionlinein,getanextensiveapplication.ThistextmainlydiscussesintheprocesstocontrolinthenumberPLDcontrolofgettingtheextensiveapplicationtheapplicationwithinthemachinetemperaturecontrolsystemisatthelistslice.
Thistextelaboratedindetailthehardwarecontrollingsystemaccordingtothetemperatureofthelistslicemachineconstitute,connectsapeople'selectriccircuitandproceduretoeditandtranslate.Andfullinconsiderationofthecredibilityofthesystemadopthomologousprotectionmeasure.Passadesignenunciationoriginallywhattextdiscussesaccordingtolistthetemperatureoftheslicemachinecontrolsystemoftherationalityandusefulnessofdesign.
Keywords:
Thelistslicemachine,PLDtemperaturecontroller,temperaturecontrolssystem
1绪论
1.1概述
温度(temperature)是表示物体冷热程度的物理量,微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度。
温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量,而用来量度物体温度数值的标尺叫温标。
它规定了温度的读数起点(零点)和测量温度的基本单位。
目前国际上用得较多的温标有华氏温标(°F)、摄氏温标(°C)、热力学温标(K)和国际实用温标。
从分子运动论观点看,温度是物体分子平均平动动能的标志。
温度是大量分子热运动的集体表现,含有统计意义。
对于个别分子来说,温度是没有意义的。
自然界中任何物理过程、化学过程都和温度有着密不可分的联系;在日常生活中,温度也是关乎人们生活的方方面面。
因此,温度的测量和控制在国民经济各个领域中都受到了相当大程度的重视。
然而在实际生产实践环境中,由于系统内外热交换难以控制,以及其他方面干扰,因此对温度的测量起到不可预测的干扰。
为了能准确的测量与控制温度,因此就需要采用某些手段来达到热平衡效果。
由于在大部分情况下,增温比降温来的容易,因此,对温度的控制精度在一般情况下是不允许出现实际温度超过控制的目标的温度,这对控制温度的影响是很大的。
因为种种原因,想要达到高精度控制温度是很困难的,而且不同环境下又需要不同策略,因而就要从最初入手进行分析。
下面先介绍下温度测控技术的发展。
1.2温度测控技术的发展
近年来温度测量理论已发展的相当成熟,但在实际上如何能保证快速实时的对温度进行采样、确保数据的正确传输、并对所测温度场进行较精确的控制,仍然在不停的研究中。
温度测控技术包括了温度测量与温度控制这两个方面。
在温度测量技术中,主要有接触式测量与非接触式测量两种:
(1)接触式测量:
也就是通过接触对物体进行温度测量。
它的优点是简单、可靠、廉价、测量精度高。
但又由于检测元件热惯性的影响,响应时间长,对某些热容量小的物体则难以精确的测量。
又由于某些材质关系,并不能对所有的物体进行接触式测量。
(2)非接触式测量:
这类测量通常是通过对热辐射的检测来实现温度测量。
其优点是不破坏被测量场,可以测量热容量小的物体,也适合对运动物体进行温度测量,不惧腐蚀,还可以测量区域温度分布,响应时间较快。
但它的缺点也同样明显,那就是测量的精确度不高、误差大。
因此,在实际测量过程中,要通过判断测量对象的特性从而来选择测量的方式。
通常在工业生产中,温度控制器可以分为以下几种:
1、定值开关控温法:
即通过硬件电路或软件计算判别当前温度值与设定值之间的关系,从而对系统加热装置进行通断控制。
由于这种方法无法克服温度变化过程中的滞后性,被控对象温度波动太大,控制精度低,故而不适合用于高精度温度测量。
2、PLD线形控温法:
这种方法是基于PLD调节控制原理。
PLD控制是最早发展起来的控制方法之一,因其算法简单、可靠性高等优点,从而被广泛采用于工业控制过程中。
尤其适合用于建立精确的数学模型的确定性控制系统。
但PLD控温法主要的精确度主要取决于三个PLD参数(比例值、积分值、微分值),当对象特性发生改变时,三个控制参数也将进行相应的改变,不然就将难以保证其控制品质。
3、智能温度控制法:
此种方法是基于PLD线形控温法上建立的方法,通过一系列自动调整PLD参数的方法,从而实现智能控制。
从理论上说,此种方法可以完全的消除稳态误差。
而第三代温控仪表就是基于智能控稳技术而研制的自适应PLD算法的温度控制仪表。
目前我国国内温控仪表的发展相对其他国家而言,在性能上还有不小的差距,主要的差别就在于控制算法上面。
我国的温控仪表在自适应性上比较差,温度控制精度比较低,当然这与许多方面的原因而造成的。
1.3系统方案设计思路
本篇论文是基于单片机的数字温度控制系统设计,通过MCS-51单片机来对温控硬件系统进行设计。
通过对硬件电路的设计以及程序控制,从而达到系统温度控制。
秉承着设计的合理化,简洁化,可靠化,模块化,高效化,并且能使设计出的系统体积小,成本低,功能强,抗干扰能力强并尽可能达到高精度的要求。
1.4论文主旨及章节安排
本文主旨即是通过对单片机技术的理解以及单片机程序编辑从而达到温度控制设计的目的,主要针对系统进行硬件设计,电路设计,程序设计以及抗干扰性设计,并对其进行调试。
本文主要章节安排:
第一章绪论:
主要是对本文一些先行背景知识进行介绍,并就设计思路进行简要概括。
同时对本文的主要工作进行简介。
第二章单片机技术简介:
主要就单片机技术进行初步的讲解,从而一步步深化,并对硬件设计做出铺垫。
第三章硬件实现:
就基于单片机技术对温度控制系统进行设计,主要包括硬件设计,电路设计,程序设计以及抗干扰性设计。
并对所设计的系统进行调试。
第四章论文总结:
通过对系统的设计对大学四年来的知识做一个概括性的总结,并对所设计系统的设计与展望,同时表达对论文指导老师的敬意。
第五章参考文献:
主要罗列出在我做论文期间所翻阅的书籍及各类文章。
2单片机技术简介
2.1单片机介绍
单片机是将计算机的中央处理器(CPU)、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、多中输入输出接口(I/O)、定时器/记数器(TIMER/Counter)、中断(Interruption)系统等集成在一块芯片上,因此,被称为单片机微型计算机,简称单片机。
单片机是针对控制与检测应用而设计的,又称为微控制器(MCU)。
另外,由于它可以很容易的嵌入到各种仪器和现场控制设备中,因此也叫嵌入式微控制器。
单片机具有以下几个特点:
(1)集成度高、功能强。
单片机在一块芯片上集成了CPU、RAM、ROM、I/O接口等资源,在芯片上还包含了中断系统、串行通信接口、定时器/计数器等功能部件,芯片功能强、体积小、集成度高。
(2)具有较高的性价比。
单片机尽可能的把应用所需要的各种资源集成在一块芯片内,性能高,但是价格却相对低廉。
(3)抗干扰能力强。
单片机是面向工业检测控制环境设计的,因此,抗噪声干扰能力较强。
程序固化在ROM类型的存储器中不易被破坏;许多资源集成在一个芯片上,可靠性高。
自20世纪70年代单片机问世以来,它共经历了5个发展阶段。
(1)第一阶段:
单片机的萌芽阶段,由Intel公司推出了4位微处理器Intel4004,并且配有随机存储器,只读存储器和移位寄存器芯片,构成了第一台MCS-4微型计算机。
随后又研制了8位微处理器Intel8008。
(2)第二阶段:
初级单片机阶段,1976年Intel公司推出了真正意义上的单片机MCS-48系列,采用了8位VPU、8位并行I/O接口\8位定时记数器,RAM和ROM等集成于一块半导体芯片上的单片结构。
(3)第三阶段:
高性能单片机阶段,这一阶段推出的高性能8位单片机,不仅存储容量和寻址范围大,而且普遍带有串行口、多级中断处理系统、多个16位定时器/记数器,有的单片机的片内还带有A/D转换接口。
指令系统普遍增设了乘除法。
(4)第四阶段:
8位单片机巩固发展及16位单片机推出阶段。
(5)第五阶段:
单片机在集成度、功能、速度、可靠性、应用领域等方面全方位的向更高水平发展。
2.2MCS-51单片机组成及结构
MCS-51系列单片机的硬件结构基本相同,主要区别在于芯片上ROM的形式和配置。
8031上不含ROM,8051上含有KBROM,8751上含有4KBEPROM。
8051是MCS-51系列单片机的早期产品之一,也是其他8051系列单片机的核心。
MCS-51单片机有多种封装形式,用HMOS工艺制造的单片机通常采用双列直插式(DIP)封装形式,共40个引脚,如图2.1。
图2.1C51单片机引脚图
8051内置最高频率达12MHz的时钟电路,用于产生整个单片机运行的脉冲时序,但8051单片机需外置振荡电容。
单片机的结构有两种类型,一种是程序存储器和数据存储器分开的形式,即哈佛(Harvard)结构,另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为一的结构,即普林斯顿(Princeton)结构。
INTEL的MCS-51系列单片机采用的是哈佛结构的形式,而后续产品16位的MCS-96系列单片机则采用普林斯顿结构。
图2.2是MCS-51系列单片机的内部结构示意图。
图2.2MCS-51结构框图
2.3MCS-51单片机的指令系统
指令是人们给计算机的命令,是芯片制造厂家提供给用户使用的软件资源,一台计算机所有指令的集合称为指令系统。
由于计算机只能识别二进制数和二进制编码,而对用户来说,二进制编码可读性差,难以记忆和理解,因此,一条指令有两种表示方式:
一种是计算机能够识别的机器码,即机器语言;另一种是采用人们容易理解和记忆的助记符形式,即汇编语言汇编语言便于用户编写、阅读和识别程序,但不能直接被计算机识别和理解,必须汇编成机器语言才能被计算机识别和执行。
MCS-51单片机的指令由标号、操作码、操作数和注释4个部分组成:
(1)标号:
表示该指令代码的第一个字节所在单元地址,由用户自行定义,标号必须以英文字母开头。
(2)操作码助记符:
规定指令所执行的操作,描述只的功能。
它在指令中不可缺少。
(3)操作数:
参与操作的数据信息。
(4)注释:
用户对指令的操作说明,便于阅读和理解程序。
注释部分可有可无。
2.4单片机温度控制系统的组成及工作原理
在工业生产和日常生活中,对温度控制系统的要求,主要是保证温度在一定温度范围内变化,稳定性好,不振荡,对系统的快速性要求不高。
以下简单分析了单片机温度控制系统设计过程及实现方法。
现场温度经温度传感器采样后变换为模拟电压信号,经低通滤波滤掉干扰信号后送放大器,信号放大后送模/数转换器转换为数字信号送单片机,单片机根据输入的温度控制范围通过继电器控制加热设备完成温度的控制。
启动单片机温度控制系统后首先按下第一个按键开始最低温度的设置,这时数码管显示温度数值,每隔一秒温度数值增加一度,当满足用户温度设置最低值时再按一下第一个按键完成最低温度的设置,依次类推通过第二个按键完成最高温度的设置。
然后温度检测系统根据用户设定的温度范围完成一定范围的温度控制。
2.5AT89C52概述
AT89C52是51系列单片机的一个型号,它是ATMEL公司生产的。
AT89C52是一个低电压,高性能CMOS8位单片机,片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元,功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。
AT89C52有40个引脚,32个外部双向输入/输出(I/O)端口,同时内含2个外中断口,3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,2个读写口线,AT89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程(S系列的才支持在线编程)。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起,特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
AT89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式,以适应不同产品的需求。
图2.3AT89C52引脚图
主要功能特性:
1、兼容MCS51指令系统,8k可反复擦写(>1000次)FlashROM
2、32个双向I/O口,256x8bit内部RAM
3、3个16位可编程定时/计数器中断,时钟频率0-24MHz
4、2个串行中断,可编程UART串行通道
5、2个外部中断源,共6个中断源
6、2个读写中断口线,3级加密位
7、功耗空闲和掉电模式,软件设置睡眠和唤醒功能
AT89C52各引脚功能及管脚电压:
概述:
AT89C52P为40脚双列直插封装的8位通用微处理器,采用工业标准的C51内核,在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52相同,其主要用于会聚调整时的功能控制。
功能包括对会聚主IC内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化,会聚调整控制,会聚测试图控制,红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。
主要管脚有:
XTAL1(19脚)和XTAL2(18脚)为振荡器输入输出端口,外接12MHz晶振。
RST/Vpd(9脚)为复位输入端口,外接电阻电容组成的复位电路。
VCC(40脚)和VSS(20脚)为供电端口,分别接+5V电源的正负端。
P0~P3为可编程通用I/O脚,其功能用途由软件定义,在本设计中,P0端口(32~39脚)被定义为N1功能控制端口,分别与N1的相应功能管脚相连接,13脚定义为IR输入端,10脚和11脚定义为I2C总线控制端口,分别连接N1的SDAS(18脚)和SCLS(19脚)端口,12脚、27脚及28脚定义为握手信号功能端口,连接主板CPU的相应功能端,用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。
1、P0口:
P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口,也即地址/数据总线复用口。
作为输出口用时,每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路,对端口P0写“1”时,可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时,这组口线分时转换地址(低8位)和数据总线复用,在访问期间激活内部上拉电阻。
在Flash编程时,P0口接收指令字节,而在程序校验时,输出指令字节,校验时,要求外接上拉电阻。
2、P1口:
P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口,P1的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口。
作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。
与AT89C51不同之处是,P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入(P1.0/T2)和输入P1.1/T2EX)
3、P2口:
P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对端口P2写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口,作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。
在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器(例如执行MOVX@DPTR指令)时,P2口送出高8位地址数据。
在访问8位地址的外部数据存储器(如执行MOVX@RI指令)时,P2口输出P2锁存器的内容。
4、P3口:
P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P3口输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对P3口写入“1”时,它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。
此时,被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流(IIL)。
P3口除了作为一般的I/O口线外,更重要的用途是它的第二功能
5、RST:
复位输入。
当振荡器工作时,RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
6、ALE/PROG:
当访问外部程序存储器或数据存储器时,ALE(地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
一般情况下,ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号,因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
要注意的是:
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
7、PSEN:
程序储存允许(PSEN)输出是外部程序存储器的读选通信号,当AT89C52由外部程序存储器取指令(或数据)时,每个机器周期两次PSEN有效,即输出两个脉冲。
在此期间,当访问外部数据存储器,将跳过两次PSEN信号。
8、EA/VPP:
外部访问允许。
欲使CPU仅访问外部程序存储器(地址为0000H—FFFFH),EA端必须保持低电平(接地)。
需注意的是:
如果加密位LB1被编程,复位时内部会锁存EA端状态。
如EA端为高电平(接Vcc端),CPU则执行内部程序存储器中的指令。
9、XTAL1:
振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。
10、XTAL2:
振荡器反相放大器的输出端。
11、特殊功能寄存器:
在AT89C52片内存储器中,80H-FFH共128个单元为特殊功能寄存器(SFE),并非所有的地址都被定义,从80H—FFH共128个字节只有一部分被定义,还有相当一部分没有定义。
对没有定义的单元读写将是无效的,读出的数值将不确定,而写入的数据也将丢失。
不应
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