基于单片机的温控毕业设计 定稿篇.docx
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基于单片机的温控毕业设计定稿篇
摘要
随着时代的进步和发展,单片机技术已经普及到我们生活、工作、科研、各个领域,已经成为一种比较成熟的技术,本文主要介绍了一个基于89S51单片机的测温系统,详细描述了利用数字温度传感器DS18B20开发测温系统的过程,重点对传感器在单片机下的硬件连接,温度控制系统有两个部分组成:
硬件部分和软件部分。
其中硬件部分包括:
单片机电路、传感器电路、放大器电路、转换器电路、以及显示电路。
软件部分包括:
主程序、运算控制程序、以及各功能实现模块的程序。
软件编程以及各模块系统流程进行了详尽分析,对各部分的电路也一一进行了介绍,该系统可以方便的实现温度采集和显示,并可根据需要任意设定上下限报警温度,它使用起来相当方便,具有精度高、量程宽、灵敏度高、体积小、功耗低等优点,适合于我们日常生活和工、农业生产中的温度测量,也可以当作温度处理模块嵌入其它系统中,作为其他主系统的辅助扩展。
该系统结构简单,抗干扰能力强,适合于恶劣环境下进行现场温度测量,有广泛的应用前景。
第一章绪论
温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛,但从国内生产的温度控制器来讲,总体发展水平仍然不高,同日本、美国、德国等先进国家相比,仍然有着较大的差距。
成熟的温控产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主,它们只能适应一般温度系统控制,而用于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表,国内技术还不十分成熟,形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。
随着我国经济的发展及加入WTO,我国政府及企业对此都非常重视,对相关企业资源进行了重组,相继建立了一些国家、企业的研发中心,开展创新性研究,使我国仪表工业得到了迅速的发展。
随着新技术的不断开发与应用,近年来单片机发展十分迅速,一个以微机应用为主的新技术革命浪潮正在蓬勃兴起,单片机的应用已经渗透到电力、冶金、化工、建材、机械、食品、石油等各个行业。
传统的温度采集方法不仅费时费力,而且精度差,单片机的出现使得温度的采集和数据处理问题能够得到很好的解决。
温度是工业对象中的一个重要的被控参数。
然而所采用的测温元件和测量方法也不相同;产品的工艺不同,控制温度的精度也不相同。
因此对数据采集的精度和采用的控制方法也不相同。
传统的控制方式以不能满足高精度,高速度的控制要求,如温度控制表温度接触器,其主要缺点是温度波动范围大,由于他主要通过控制接触器的通断时间比例来达到改变加热功率的目的,受仪表本身误差和交流接触器的寿命限制,通断频率很低。
近几年来快速发展了多种先进的温度控制方式,如:
PID控制,模糊控制,神经网络及遗传算法控制等。
这些控制技术大大的提高了控制精度,不但使控制变得简便,而且使产品的质量更好,降低了产品的成本,提高了生产效率。
本系统所使用的加热器件是电炉丝,功率为三千瓦,要求温度在400~1000℃。
静态控制精度为2.43℃。
本设计使用单片机作为核心进行控制。
单片机具有集成度高,通用性好,功能强,特别是体积小,重量轻,耗能低,可靠性高,抗干扰能力强和使用方便等独特优点,在数字、智能化方面有广泛的用途。
第二章温度控制系统及相关器件简介
2.1温度控制系统
单片机温度控制系统是数控系统的一个简单应用。
在冶金、化工、建材、机械、食品、石油等各类工业中,广泛使用着加热炉、热处理炉、反应炉等,因此,温度是工业对象中一个主要的被控参数。
由于炉子的种类不同,因而所使用的燃料和加热方法也不同,例如煤气、天然气、油、电等;由于工艺不同,所需要的温度高低不同,因而所采用的测温元件和测温方法也不同;产品工艺不同,控制温度的精度也不同,因而对数据采集的精度和所采用的控制算法也不同。
单片微型计算机的功能不断的增强,为先进的控制算法提供的载体,许多高性能的新型机种应运而生。
本系统所使用的加热炉为电加热炉,炉丝功率为2kw,系统要求炉膛恒温,误差为士VC,超调量可能小,温度上升较快且有良好的稳定性.[6]
本设计中的DS18B20温度计,温度测量范围0~99.9摄氏度,可设置上限报警温度、下限报警温度,即高于上限值或者低于下限值时蜂鸣器报警,默认上限报警温度为38℃、默认下限报警温度为5℃,报警值可设置范围:
最低上限报警值等于当前下限报警值,最高下限报警值等于当前上限报警值。
将下限报警值调为0时为关闭下限报警功能[6]。
2.2单片机
单片机是单片微型计算机SCM(singlechipmicro-computer)的译名简称,在国内也常简称为“单片机”。
它包括中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、中断系统、定时器/计数器、串行口和I/O等等。
单片机主要应用于工业控制领域,用来实现对信号的检测、数据的采集以及对应用对象的控制。
它具有体积小、重量轻、价格低、可靠性高、耗电少和灵活机动等许多优点,单片微型计算机(简称单片机)是微型计算机的一个重要分支,也是一种非常活跃和颇具生命力的机种,特别适合用于智能控制系统。
2.2.1AT89S51单片机介绍
兼容MCS51微控制器,4K字节FLASH存储器支持在系统编程ISP1000次擦写周期,128字节片内RAM,工作电压4.0V到5.5V,全静态时钟0Hz到33MHz,三级程序加密,32个可编程IO口,2/3个16位定时/计数器,6/8个中断源,全双工UART,低功耗支持Idle和Power-down模式,Power-down模式支持中断唤醒,看门狗定时器,双数据指针,上电复位标志
AT89S51具有如下特点:
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。
引脚图如图3—5.
2.2.2主要功能特性:
兼容MCS-51指令系统:
4k可反复擦写(>1000次)ISPFlashROM
4.5-5.5V工作电压
时钟频率0-33MHz
3级加密位
128x8bit内部RAM
2个16位可编程定时/计数器
32个双向I/O口图2.1AT89S51引脚
6个中断源
全双工UART串行中断口线
低功耗空闲和省电模式
中断唤醒省电模式
看门狗(WDT)电路
双数据寄存器指针
上电复位标志
灵活的ISP字节和分页编程[4]。
AT89S51引脚见图2.1所示。
2.2.3引脚图与引脚说明
VCC(40脚):
供电电源
GND(20脚):
地
P0口:
P0口为一个8位漏极开路双向I/O口,作为输出端,每脚可吸收8个TTL门电流,当P0口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入,P0口当用于外程序数据寄存器它可以被定义为数据/地址的低八位。
P1口:
P1口是一个内部提供上拉的8位双向I/O口。
P1口缓冲器能接收或输出4个TTL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口作为低八位地址接收。
P2口:
P2口为带内部上拉的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收或输出4个TTL门电流,当P2口被写为“1”时,其管脚被内部电路拉高,作为输入。
P2口管脚被外部拉低,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(MOVXQRI)时,P2口输出地址的高八位,在给出地址“1”时,它利用内部上拉的优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时(MOVXQRL)P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P3口:
P3口管脚是8个带内部上拉的双向I/O口,可接收或输出4个TTL门电流。
P3口写入“1”时,被内部上拉为高电平,并用作输入。
P3口管脚被外部拉低,将输出电流(
),这是由于内部上拉的缘故。
P3口也可用作AT89S51的一些特殊功能口,如下所列:
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):
计数器0外部输入端
P3.5(T1):
计数器1外部输入端
P3.6(
):
外部数据存储器写选通
P3.7(
):
外部数据存储器读选通
P3口同时为闪速编程和编程校验接收一些控制信号。
RST:
复位输入,当要使器件复位时,要在RST脚保持两个机器周期的高电平时间。
ALE/
:
当访问外部存储器时,地址锁存允许输出电平,用于锁存地址的低位字节。
:
此输出为外部程序存储器的读选通信号。
:
当
保持低电平时,则只访问外部程序存储器(0000H~FFFFH),不管是否有内部存储器。
XTAL1:
反向振荡器放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2:
来自反向振荡放大器的输出[2]。
2.2.4AT89C51单片机的存储器结构
AT89C51单片机的存储器物理结构上分为片内数据存储器、片内程序存储器、片外数据存储器和片外程序存储器4个存储空间。
2.3温度传感器
2.3.1DS18B20介绍
测量温度的关键是温度传感器。
随着技术飞速发展,传感器已进入第三代数字传感器。
本测温系统采用的DS18B20就是属于这种传感器。
DS18B20是美国DALLAS半导体公司生产的单总线数字温度传感器,它可以实现数字化输出和测试,并且有控制功能强、传输距离远、抗干扰能力强、接口方便、微功耗等优点,因而被广泛应用在工业、农业、军事等领域的控制仪器、测控系统中[1]。
DALLAS最新单线数字温度传感器DS18B20是一种新型的“一线器件”,其体积更小、更适用于多种场合、且适用电压更宽、更经济。
DALLAS半导体公司的数字化温度传感器DS18B20是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。
温度测量范围为-55~+125摄氏度,可编程为9位~12位转换精度,测温分辨率可达0.0625摄氏度,分辨率设定参数以及用户设定的报警温度存储在EEPROM中,掉电后依然保存。
被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出;其工作电源既可以在远端引入,也可以采用寄生电源方式产生;多个DS18B20可以并联到3根或2根线上,CPU只需一根端口线就能与诸多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。
因此用它来组成一个测温系统,具有线路简单,在一根通信线,可以挂很多这样的数字温度计,十分方便。
DS18B20内部结构主要由四部分组成:
64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。
图2.2外部封装形式图2.3传感器电路图
2.3.2DS18B20内部结构
图为DS1820的内部框图,它主要包括寄生电源、温度传感器、64位激光ROM单线接口、存放中间数据的高速暂存器(内含便笺式RAM),用于存储用户设定的温度上下限值的TH和TL触发器存储与控制逻辑、8位循环冗余校验码(CRC)发生器等七部分。
DS18B20采用3脚PR-35封装或8脚SOIC封装,其内部结构框图如图2.4所示。
图2.4DS18B20内部结构框图
DS18B20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EERAM。
高速暂存RAM的结构为8字节的存储器,结构如图2.6所示。
2.3.3DS18B20的原理及特性介绍
1.DS18B20的几个特点:
a. DS18B20因为采用了单总线技术,可通过串行口线,也可通过其他I/O口线与微机直接接 传感器直接输出被测温度值(二进制数)。
b.其测量温度范围为:
-55℃————+125℃,
c.测量分辨率为:
0.0625℃,是其他传感器无法相比的。
d.内含64位只读存储器ROM,(内存出厂序列号,是对应每一个器件的唯一号),还又RAM 存有温度当前转换值及符号。
e.用户可分别设定每个器件的温度上、下限。
f.内含寄生电源。
2. DS18b20的结构:
a. 64位光刻ROM ,可以看作是DS18B20的地址序列号,如表2-9所示。
表2-9DS18B20的地址序列号
b.高速暂存器RAM共占0、1两个单元,见表2-10所示.
表2-10高速暂存器RAM
第三章系统设计
3.1总体设计方案
温度传感器将温度信息变换为模拟电压信号后,将电压信号放大到单片机可以处理的范围内,经过低通滤波,滤掉干扰信号送入单片机。
单片机将检测到的温度信息与设定值进行比较,如果检测值高于设定值,报警系统自动报警提示温度过高。
从而实现对温度的一个控制功能
该单片机温度控制系统是以AT89C51单片机为控制核心,用温度传感器DS18B20进行温度采集。
整个系统硬件部分包括温度检测系统、单片机、I/O设备系统等。
温度检测报警器是能够检测环境中的温度,并具有报警功能的仪器,仪器的最基本组成部分应包括:
温度信号采集电路、单片机控制电路、数字显示电路及控制报警电路。
温度信号采集电路一般由温度传感器将温度信号送入单片机。
单片机对该数字信号进行滤波处理,并对处理后的数据进行分析,是否大于或等于某个预设值(也就是报警限),如果大于则启动报警电路发出报警声音,反之则为正常状态。
为方便检测与监控,使仪器测试人员及用户能够直观地观察到环境中的温度值,可将温度值送到显示屏中。
为使报警装置更加完善,可以在声音报警基础上,加入光闪报警,变化的光信号可以引起用户注意,弥补嘈杂环境中声音报警的局限。
以上是根据报警器应具备的功能,提出的整体设计思路。
温度报警器的方案如图3.1所示。
图3.1温度报警器的方案图
温度传感器及单片机是温度检测报警器的两大核心,根据报警器功能的需要,选择合适、精确、经济的温度传感器及单片机芯片是至关重要的。
温度传感器的选型在下一节详细介绍。
单片机作为硬件电路的核心,它的选型将在下面进行详述。
3.2硬件设计
3.2.1显示模块
显示电路采用4位共阳LED数码管,从P3口RXD接收检测信号,再由P0口发出字形段码至LED显示装置,有P2口控制LED显示的暗灭。
显示电路如图3.2所示。
图3.2显示电路
同时为保证显示质量,各口采用灌电流带阻,加入上拉电阻低电平有效。
保证LED显示器的亮度。
3.2.2系统时钟
晶振采用了内部时钟信号源的方式。
对于时间要求不是很高的系统,只要按图进行设计就能使系统可靠起振并稳定运行。
但由于图中的C1、C2电容起着系统时钟频率微调和稳定的作用,因此,在本系统的实际应用中一定要注意正确选择参数(30±10PF),并保证对称性(尽可能匹配)。
系统时钟电路如图3.3所示。
图3.3系统时钟电路
3.2.3温度报警
本设计采软件处理报警,利用有源蜂鸣器进行报警输出,采用直流供电。
当所测温度超过获低于所预设的温度时,数据口相应拉高电平,报警输出。
(也可采用发光二级管报警电路,如过需要报警,则只需将相应位置1,当参数判断完毕后,再看报警模型单元ALARM的内容是否与预设一样,如不一样,则发光报警)报警电路硬件连接[3]。
报警电路如图3.4所示。
图3.4系统报警电路
3.2.4键盘设定模块
温度上下限设置模块包括三个按键:
(1)模式切换键:
进行模式之间的切换,模式包括设置温度上限模式、设置温度下限模式,每次按下该键就在这两种模式之间切换。
(2)温度上下限增加键:
增加温度上下限的值。
(3)温度上下限减少键:
减少温度上下限的值。
键盘设定温度模块如图3.5所示。
图3.5键盘设定温度模块
3.3软件设计
3.3.1主程序流程
主程序的主要功能是负责温度的实时显示,读出并处理DS18B20的测量温度值。
其主要包括4个部分,即初始化部分、读取温度值部分、调用显示子程序以及结束返回部分[5]。
主程序流程如图3.5所示。
第四章调试
4.1软件调试
Proteus软件用于系统的仿真,编译软件采用keilUV3。
程序的仿真用英国的labcenter公司的ProtensV7.13。
利用Keil软件和Proteus软件的结合对功能进行初步调试,在运行时检查数码管显示温度是否超过额定温度,调试成功的仿真如图4.1所示。
根据键盘设定温度模块可知,通过此模块可以调处该温度控制系统的上限温度和下限温度,通过调试,该硬件系统成功的显示出了该功能。
该温度控制系统的上限温度分别为38℃跟5℃,系统的上限温度跟下限温度见图
总结
该单片机温度控制系统是以AT89C51单片机为控制核心,用温度传感器DS18B20进行温度采集。
整个系统硬件部分包括温度检测系统、单片机、I/O设备等系统来实现对温度的智能控制。
首先要了解单片机,温度传感器等器件的应用原理,结构及单片机AT89C51的编程原理等,从而实现本单片机对温度的控制,然后再结合软硬件对整个系统电路进行仿真调试。
本控制装置充分应用AT89S51单片机的软硬件资源,通过数码管的检测实时温度,当温度高于额定温度时,报警系统就会启动,即蜂鸣器就会鸣叫,反之则不会。
该系统利用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,灵活性好等特点,技术先进,功能齐全,使用方便,对现场使用环境且工作稳定可靠,能满足现场的实际需要,具有很重要的应用价值。
,这对比以往的人工现场手动设限、抄实时数据而言,为管理和值班人员带来了极大的方便,使得现场温度监测真正无人值守变为现实,提高了温室温度安全管理的现代化,对对温室的自动化管理具有重要的意义。
并且对于实时检测一些机电设备运行过程中的温度状况带来了极大的方便,使得监控人员能够及时、迅速的监控温度情况,适时做出处理,避免更大的经济损失。
但是该设计的限制因素也很多,像必须要有工作人员在场监控,还有很多由于火灾系统需对火灾报警相关因素如烟雾、温度、湿度等多方面进行判别设定等等都不能很好的体现,以后将该系统改进为能够通过系统的地面计算机遥控变更报警数据和获得实时温度数据,及对其他火灾报警因素能够实时报警是以后的主要研究目标
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