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温室温度控制毕业设计论文
摘要
温度是生产过程和科学实验中普遍而且重要的物理参数。
在工业生产过程中为了高效地进行生产,必须对生产工艺过程中的主要参数,如温度、压力、流量、速度等进行有效的控制。
其中温度的控制在生产过程中占有相当大的比例。
准确测量和有效控制温度是优质、高产、低耗和安全生产的重要条件。
在工业的研制和生产中,为了保证生产过程的稳定运行并提高控制精度,采用微电子技术是重要的途径。
它的作用主要是改善劳动条件,节约能源,防止生产和设备事故,以获得好的技术指标和经济效益。
本课题是结合生产实际和科研工作,运用PID算法对温度进行控制,以求达到较好的控制效果。
本系统以MCS-51系列单片机8031为核心,主要包括传感器温度采集,A/D模/数转换,按扭操作,单片机控制,数码管数字显示等部分。
本系统采用PID算法实现温度控制功能。
本设计还可以通过串口与电脑连接,实现电脑控制。
系统设计有体积小、交互性强等优点。
为了实现一般温室温度控制,本单片机系统采用PID算法控制,通过控制继电器改变电炉和电源的接通、断开,从而改变气温加热时间的方法来实现对气温的控制。
通过模块间的通信完成温度设定、实温显示、气温升降等功能。
具有电路结构简单、程序简短、系统可靠性高、操作简便等特点。
关键词:
单片机;温度传感器;温度控制;数/模转换器
第一章概述
随着“信息时代”的到来,作为获取信息的手段——传感器技术得到了显著的进步,其应用领域越来越广泛,对其要求越来越高,需求越来越迫切。
传感器技术已成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。
因此,了解并掌握各类传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。
温度是生产过程和科学实验中普遍而且重要的物理参数。
在工业生产过程中为了高效地进行生产,必须对生产工艺过程中的主要参数,如温度,压力,流量,速度等进行有效的控制。
其中温度的控制在生产过程中占有相当大的比例。
准确测量和有效控制温度是优质,高产,低耗和安全生产的重要条件。
在工业的研制和生产中,为了保证生产过程的稳定运行并提高控制精度,采用微电子技术是重要的途径。
它的作用主要是改善劳动条件,节约能源,防止生产和设备事故,以获得好的技术指标和经济效益。
本课题是结合生产实际和科研工作,运用PID算法对温度进行控制,以求达到较好的控制效果。
目前先进国家各种炉窑自动化水平较高,装备有完善的检测仪表和计算机控制系统。
其计算机控制系统已采用集散系统和分布式系统的形式,大部分配有先进的控制算法,能够获得较好的工艺性能指标。
单片微型计算机是随着超大规模集成电路的技术的发展而诞生的。
由于它具有体积小,功能强,性价比高等优点,所以广泛应用于电子仪表,家用电器,节能装置,军事装置,机器人,工业控制等诸多领域,使产品小型化,智能化,既提高了产品的功能和质量又降低了成本,简化了设计。
本设计应用性比较强,设计系统可以作为温室温度监控系统,如果稍微改装可以做热水器温度调节系统、实验室温度监控系统等等。
课题主要任务是完成环境温度检测,利用单片机实现温度调节并通过计算机实施温度监控。
设计后的系统具有操作方便,控制灵活等优点。
本设计系统包括温度传感器,A/D转换模块,输出控制模块,数据传输模块,温度显示模块和温度调节驱动电路六个部分。
文中对每个部分功能、实现过程作了详细介绍。
整个系统的核心是进行温度监控,完成了课题所有要求。
1.1控制要求
利用电炉加热的方法保持温室的温度。
利用温度传感器检测室内温度,利用市电给电炉供电。
将设定温度所对应的参考电压对温度传感器所给的电压信号进行比较,当温室内温度高于所设温度时,电炉发热减少,温室温度低于所设温度时发热增多。
从而使温室温度基本保持不变。
1.2受控对象的要求
温室主要用于反季节蔬菜的生产和名贵花卉的栽培,而温度是影响植物生长繁殖的重要因素。
本系统要求长时间监视温室的温度,并对当前的温度进行控制。
本控制对象为温室的温度,采用继电器进行控制。
第二章温度控制系统结构图及总述
图2-1中温度传感器和ADC0809转换器构成输入通道,用于采集温室内的温度信号。
温度传感器输出电压经过A/D转换后的数字量与温室内的温度给定值数字。
图2-1温度控制系统结构图
2.1单片机及计算机系统
单片机:
MCS-51系列单片机8031。
商用计算机操作系统:
WindowsXP。
2.2温度传感器
温度传感器采用AD590.AD590是一款2端口集成电路温度传感器,可产生与绝对温度成比例的输出电流。
在4V至30V的电源电压范围内,AD590以1μA/K的比例,可作为高阻抗﹑恒定电流的调节器。
芯片中薄膜电阻的激光微调可用于校准器件的电流输出。
AD590须被用于150℃以下的温度传感应用中,这是目前常规电子温度传感器的工作范围。
单片集成电路的天生低成本,加上无需外围支持电路,使得AD590成为许多温度测量场合最具吸引力的选择方案。
线性电路,精确电压放大器,热阻测量电路以及冷接点补偿等等,在AD590应用中都不再需要。
除了温度测量以外,AD590的应用还包括温度补偿﹑分立器件校正﹑恒定误差的绝对温度比例﹑流速测量﹑液体水平检测和风速测定。
AD590提供可选的芯片封装,适用于混合电路以及受保护环境中的快速温度测量。
AD590在遥感应用中尤其有效。
因其高阻抗电流输出,器件对远程传输的压降并不敏感。
任何良好绝缘的双绞线都足以应付距离接收电路数百英尺以外的操作。
AD590的输出特性也让其轻松实现复用:
电流可由CMOS多路复用器选择,而供压则可被逻辑门输出任意切换。
AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。
它的主要特性如下:
流过器件的电流(μA)等于器件所处环境的热力学温度(开尔文)度数,AD590的测温范围为-55℃~+150℃。
AD590的电源电压范围为4V~30V。
电源电压可在4V~6V范围变化,电流变化1mA相当于温度变化1K。
AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压,因而器件接反也不会被损坏。
精度高。
AD590共有I、J、K、L、M五档,其中M档精度最高,在-55℃~+150℃范围内,非线性误差为±0.3℃。
AD590特性:
线性电流输出;1μA/K宽温度范围:
-55℃to+150℃,可选陶瓷传感器封装;2-端口器件:
电压输入/电流输出;宽电压范围:
4V至30V;传感器与具体情况隔离;低成本。
AD590引脚及外形如图2-2。
图2-2温度传感器外形及管脚
2.3MCS-51系列单片机8031引脚功能
图2-351单片机8031管脚图
Vcc:
+5V电源电压。
Vss:
电路接地端。
P0.0~P0.7:
通道0,它是8位漏极开路的双向I/O通道,当扩展外部存贮器时,这也是低八位地址和数据总线,在编程校验期间,它输入和输出字节代码,通道0吸收/发出二个TTL负载。
P1.0~P1.7:
通道1是8位拟双向I/O通道,在编程和校验时,它发出低8位地址。
通道1吸收/发出一个TTL负载。
P2.0~P2.7:
通道2是8位拟双向I/O通道,当访问外部存贮器时,用作高8位地址总线。
通道2能吸收/发出一个TTL负载。
P3.0~P3.7:
通道3准双向I/O通道。
通道3能吸收/发出一个TTL负载,P3通道的每一根线还有另一种功能:
P3.0:
RXD,串行输入口。
P3.1:
TXD,串行输出口。
P3.2:
INT0,外部中断0输入口。
P3.3:
INT1,外部中断1输入口。
P3.4:
T0,定时器/计数器0外部事件脉冲输入端。
P3.5:
T1,定时器/计数器1外部事件脉冲输入端
P1.0--140--VCC
P1.1--239--P0.0/AD0
P1.2--338--P0.1/AD1
P1.3--437--P0.2/AD2
P1.4--536--P0.3/AD3
P1.5--635--P0.4/AD4
RTSP1.6--734--P0.5/AD5
CTSP1.7--833--P0.6/AD6
RST/Vpp--932--P0.7/AD7
I/ORXD/P3.0--1031--EA/VPP
DATATXD/P3.1--1130--ALE/PLOG
INT0/P3.2--1229--PSEN
INT1/P3.3--1328--P2.7/A15
T0/P3.4--1427--P2.6/A14
SCLKT1/P3.5--1526--P2.5/A13
WR/P3.6--1625--P2.4/A12
RD/P3.7--1724--P2.3/A11
XTAL1--1823--P2.2/A10
XTAL2--1922--P2.1/A9
VSS2021--P2.0/A8
P3.6:
WR,外部数据存贮器写脉冲。
P3.7:
RD,外部数据存贮器读脉冲。
RST/VpD:
引脚9,复位输入信号,振荡器工作时,该引脚上2个机器周期的高电平可以实现复位操作,在掉电情况下(Vcc降到操作允许限度以下),后备电源加到此引脚,将只给片内RAM供电。
ALE/PROG:
引脚30,地址锁存有效信号,其主要作用是提供一个适当的定时信号,在它的下降沿用于外部程序存储器或外部数据存贮器的低8位地址锁存,使总线P0输出/输入口分时用作地址总线(低8位)和数据总线,此信号每个机器出现2次,只是在访问外部数据存储器期间才不输出ALE。
所以,在任何不使用外部数据存贮器的系统中,ALE以1/6振荡频率的固定速率输出,因而它能用作外部时钟或定时,8751内的EPROM编程时,此端输编程脉冲信号。
PSEN:
引脚29,程序选通有效信号,当从外部程序存贮器读取指令时产生,低电平时,指令寄存器的内容读到数据总线上。
EA/VPP:
引脚31,当保持TTL高电平时,如果指令计数器小于4096,8051执行内部ROM的指令,8751执行内部EPROM的指令,当使TTL为低电平时,从外部程序存贮器取出所有指令,在8751内的EPROM编程时,此端为21V编程电源输入端。
XTAL1:
引脚18,内部振荡器外接晶振的一个输入端,HMOS芯片使用外部振荡源时,此端必须接地。
XTAL2:
引脚19,内部振荡器外接晶振的另一个输入端,HMOS芯片使用外部振荡器时,此端用于输入外部振荡信号。
2.4外围扩展并行接口8155
2.4.18155的结构和引脚
8155有40个引脚,采用双列直插封装,其引脚图和组成框图如图2-4所示。
图2-48155结构引脚图和组成框图
地址/数据线:
AD0~AD7(8条)。
I/O口总线(22条):
PA0~PA7、PB0~PB7、PC0~PC5。
控制总线:
8条。
ALE:
地址锁存(输入)。
IO/
:
IO口/RAM选择,0:
选内RAM;1:
选内IO口。
:
片选线。
.
:
读、写控制
TIMERIN:
定时器输入(输入定时器所需时钟)
TIMEROUT:
定时器输出(输出所产生的方波脉冲)
2.4.28155的RAM和I/O口地址编码
2.4.38155的工作方式与基本操作
1.作单片机片外256B数据存储器
IO/
=0,与其它数据存储器统一编址。
用MOVX访问。
2.作扩展I/O口使用
IO/
=1,PA口、PB口、PC口,可通过编程决定如何使用。
IO口工作方式有四种:
A口、B口 基本I/O口, C口输入;
A口、B口 基本I/O口, C口输出;
A口选通I/O、B口基本I/O、C口作联络线;
A口、B口选通I/O、C口作联络线。
状态标志寄存器:
BF——缓冲器满标志;
INTR——端口中断请求标志;
INTE——端口中断允许标志;
TIMER——定时器中断请求。
命令寄存器,只写不读;
状态标志寄存器,只读不写,这二者使用同一地址
3.作定时器扩展使用
可以通过编程决定输出4种信号,即有四种工作台方式:
单方波、连续方波、单脉冲、连续脉冲。
由两个8位寄存器,决定14位定时器计数常数及四种工作方式。
由命令寄存器的最高两位对定时器进行四种控制。
2.4.4单片机与8155的接口
8155内部RAM的地址范围为:
0000H~00FFH,8155各端口的地址(设无关位为0,这些地址都不是惟一的)为:
命令/状态口 0400H
A口 0401H
B口 0402H
C口 0403H
定时器低字节 0404H
定时器高字节 0405H
2.5程序存储器EPROM2764和EEPROMAT24C01
2764为NMOS产品,输入输出均与TTL兼容,三态输出,与2732的引脚兼容,数据可用紫外线擦除,有维持工作方式,单+5V电源,当oe和cs同时为低电平时,读输出选择有效。
27C64为CMOS产品。
功耗比2764要小。
2746引脚如图2-5所示。
图2-6AT24C01管脚图
图2-5Rprom2764管脚图
AT24C01是美国ATMEL公司的低功耗CMOS串行EEPROM,它内含128×8位存储空间,具有工作电压宽(2.5~5.5V)、擦写次数多(大于10000次)、写入速度快(小于10ms)等特点。
AT24C01具有PDIP、MSOP/TSSOP及SOIC等三种封装形式,以适应不同产品的需求。
下图是PDIP封装的AT24C01(图2-6)引脚图及于单片机连线图(图2-7):
图2-7AT24C01引脚及接线图
2.6模数转换器ADC0809
ADC0809是采样频率为8位的、以逐次逼近原理进行模—数转换的器件。
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个单断模拟输入信号中的一个进行A/D转换。
2.6.1主要特性
1.8路8位A/D转换器,即分辨率8位。
2.具有转换起停控制端。
3.转换时间为100μs。
4.单个+5V电源供电。
5.模拟输入电压范围0~+5V,不需零点和满刻度校准。
6.工作温度范围为-40~+85摄氏度。
7.低功耗,约15mW。
2.6.2内部结构
ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器,内部结构如图2-8所示,它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型D/A转换器、逐次逼近。
2.6.3外部特性(引脚功能)
ADC0809芯片有28条引脚,采用双列直插式封装,如图2-9所示。
下面说明各引脚功能。
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。
ADC0809的工作过程是:
首先输入3位地址,并使ALE=1,将地址存入地址锁存器中。
此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。
START上升沿将逐次逼近寄存器复位。
下降沿启动A/D转换,之后EOC输出信号变低,指示转换正在进行。
直到A/D转换完成,EOC变为高电平,指示A/D转换结束,结果数据已存入锁存器,这个信号可用作中断申请。
当OE输入高电平时,输出三态门打开,转换结果的数字量输出到数据总线上。
图2-8AD转换器内部结构
图2-9AD转化器外部管脚
2.7过零触发型交流固态继电器
固态继电器由三部分组成:
输入电路、隔离(耦合)和输出电路组成,在输入电路控制端加入信号后,IC1光电耦合器内光敏三极管呈导通状态,R1串接电阻对输入信号进行限流,以保证光耦合器不致损坏。
LED发光二极管指示输入端控制信号,VD1可防止当输入信号正负极性接反时以保护光耦IC1。
V1在线路中起到交流电压检测作用,使固态继电器在电压过零时开启、负载电流过零时关断。
当IC1光敏三极管截止时(控制端无信号输入时),V1通过R2获得基极电流使之饱和导通,从而使SCR可控硅门极触发电压UGT被箝在低电位而处于关断状态,最终导致BTA双向可控硅在门极控制端R6上无触发脉冲而处于关断状态。
当IC1光敏三极管导通时(控制端有信号输入时),SCR可控硅的工作状态由交流电压零点检测三极管V1来确定其工作状态。
如电源电压经R2与R3分压,A处电压大于过零电压时(VA>VBE1),V1处饱和导通状态,SCR、BTA可控硅都处于关断状态;如电源电压经R2与R3分压,A处电压小于过零电压时(VA>VBE1)V1处截止状态,SCR可控硅通过R4获得触发信号而导通,从而使BTA在R6上也获得触发信号也呈导通状态,对负载电源进行关断控制。
如此时控制端信号关断后,负载电流也随之减小至BTA双向可控硅的维持电流IH时可自行关断,切断负载电源。
图2-10交流固态继电器(过零型)原理图
2.8小型百叶排气扇和小功率电炉
温室用百叶排气扇,必要时手动开启利用空气流通降低温室内的温度.本控制系统是对温室进行温度监控,故太快的温度变化对植物生长繁殖显然是不利的,因此在本系统中采用的是小功率电炉进行温度的小范围调节。
2.9温度检测
检测元件的选择与被控温度的精度有关。
。
()_____________________________________________________________________________________________________________________________本
本设计采用传感器AD590,其在25℃时输出电流为298.2μA相应的电压为298.2mV。
AD590温度传感器输出信号经放大电路放大10倍,再送入模/数转换器ADC0809,转换后送单片机。
即25℃是电压信号为2.98V,取整为3V。
放大器选用μ741,R1为1千欧RW为10千欧可变电阻。
传感器电路如图2-12所示,放大电路如图2-11所示。
图2-11放大电路原理
2.10接口电路
0105H 定时器高8位口
8155用作键盘/LED显示器接口电路。
图6-4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2-13单片机温度控制系统电路原理图
图2-148155用作键盘/LED显示器接口电路
2.11温度控制电路
8031对温度的控制是通过过零触发型交流固态继电器(Z型SSR)实现的。
如图6-5所示,SSR和加热丝串接在交流220V、50Hz市电回路。
在给定周期T内,8031只要改变可继电器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。
Z型SSR内部含有过零检测电路,当加入控制信号,且负载电源电压过零时,SSR才能导通;而控制信号断开后,SSR在交流电正负半周交界点处断开。
也就是说,当Z型SSR在1秒内为全导通状态时,其被触发频率为100HZ;当Z型SSR在1秒内导通时间为0.5秒时,其被触发频率为50H。
该触发脉冲由8031用软件在P13引脚上产生。
图2-15温度控制电路
第三章温度控制系统软件设计
3.1MCS-518031单片机温度控制系统软件结构图
图3-1单片机温度控制系统软件结构图
3.2温度变换程序模块
温度传感器在25℃理想输出电流298.2μA,相对应的电压为298.2mV.但实际上存在一定的误差可在外电路中进行修正、将AD590串联一个可调电阻在已知温度下调整电阻值使电压满足1mV/K关系。
(25℃时电压应为298.2毫伏)ADC0809的8位A/D转换器对应输出的数字量为00000000B~11111111B(0-5V)。
AD590温度传感器、ADC0809数模转换器,转换后送单片机,取整为3V。
此时AD转换器信号为10011001。
3.3单片机控制流程图
图3-2单片机控制流程图
3.4主程序清单
ORG0000H
LJMPMAIN
ORG000BH
LJMPT00
ORG001BH
LJMPT100
ORG0030H
MAIN:
MOVR0,#7FH
MAIN1:
MOV@R0,#00H
DJNZR0,MAIN1
MOVSP,#60H
MOV08H,#32H
MOV0FH,#20H
;MOV10H,#20H
MOVTMOD,#11H;使T0工作在方式1T1工作于方式1
MOVTH0,#0FCH
MOVTL0,#18H;设置定时初值1000us
SETBTR0
SETBET0
;SETBIT0
;SETBEX0
SETBEA;开中断
SETB2FH.4
;********************************************************************
BEGIN:
DIS00:
MOVA,09H
MOVB,#64H
DIVAB
MOV35H,A
MOVA,B
MOVB,#0AH
DIVAB
MOV36H,A
MOV37H,B
MOVA,43H;主程序循环起点
CJNEA,#3aH,OUT01
MOVA,42H
CJNEA,#98H,OUT01
MOV42H,#00H
MOV43H,#00H
LCALLSAMP;15S时间到则启动A/D
SETB2FH.1
;********************************************************************
OUT01:
JNB2FH.1,OUT02
LCALLFILTER
CLR2FH.1
SETB2FH.2
MOVR2,25H;设定值U送R2
MOVR3,24H;采样平均值R送R3
LCALLCPL1
LCALLSUM
MOVA,R2
CJNEA,#01AH,OUT04
LJMPOUT05
OUT04:
JCOUT05
SETBP1.2
LJMPOUT06
OUT05:
MOV26H,#12H
MOV27H,#1H
MOV28H,#1H
LCA
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