单片机温度控制系统的设计与实现.pdf

目录摘要：.3Abst r a ct.3第一章绪论.41.1课题的背景与意义.41.2课题的应用与展望.41.3课题举例简介.5第二章总体方案.62.1系统结构.62.2具体设计考虑.6第三章元器件简介.73.1 AT89C51 单片机.73.1.1 概述.73.1.2主要特性.83.1.3引脚功能.83.2 AD590温度传感器.103.2.1 概述.103.2.2主要特性.113.2.3 AD590 工作原理.113.3 ADC0809模数转换器.133.3.1主要特性.133.3.2 ADC0809 工作原理.13第四章硬件设计.144.1扩展外围接口.144.2温度控制电路.154.3温度检测电路设计.154.3.1设计目标.154.3.2设计的出发点.164.3.3设计原理.164.3.4转换电路.164.3.5信号处理电路.174.3.6主电路.184.4光电隔离电路.194.5过零检测电路.194.6 PID控制算法.204.6.1 PID控制作用.204.6.2 PID算法的微机实现.204.6.3 PID算法的程序设计.21第五章软件设计.225.1设计步骤.235.1.1画出系统的程序框图.235.1.2内存分配.24第六章系统调试.266.1硬件调试方法.266.1.1常见的硬件故障.266.1.2联机调试.276.1.3脱机调试.286.2软件调试方法.286.3误差分析.29第七章结论.29参考文献.30致谢.31附录A.32外文原文.32中文翻译.39附录B.45附录C.55单片机温度控制系统的设计与实现 摘要：本文主要从硬件和软件两方面介绍了MCS-51单片机温度控制 系统的设计思路，简单说明如何实现对温度的控制，并对硬件原理图 和程序框图作了简洁的描述。还介绍了在单片机温度控制系统的软硬 件设计中的一些主要技术关键环节，该系统主要以8031单片机为核心,由温度检测电路，模/数转换电路，过零检测电路，报警与指示电路，光电隔离与功率放大电路等构成。但用AT89c51单片机设计的温度检测电路是本次设计的主要内 容，是整个单片机温度控制系统设计中不可缺少的一部分，该系统对 温度进行了实时采集与检测。本设计介绍的单片机温度自动控制系统 的主要内容包括：系统方案、元器件选择、系统理论分析、硬件设计、软件设计、系统调试及主要技术性能参数。关键词：单片机；温度传感器；温度检测；温度控制；P ID算法 Abstract:The design of sin gle-chip s temperature con trol system is in troduced from hardware an d software,an d simply explain s how to actualize the temperature con trol.The hardware prin ciple an d software case fig are described.Some importan t techn iques in a design scheme of the hardware an d the software of the temperature con trol by sin gle-chip microcomputer are in troduced.The system mostly takes 803 1 sin gle-chip microcomputer as core,it is structured by temperature testin g circuit,A/D switch circuit,zero passage testin g circuit,warn in g an d in dication circuit,optical-electrical isolation an d power amplifier circuit an d so on.The main con ten t of this design is temperature testin g circuit that uses AT89C5 1 sin gle-chip microcomputer.It is a part of the whole design that can n ot be lacked.The system is used to collect an d con trol temperature in real time.The temperature automatic con trol system based on sin gle-chip microcomputer is described in the article in cludin g system scheme,parts of an apparatus choice,theoretical an alysis,the design of hardware an d software,system testin g,an d the main techn ical performan ce parameters.Key Words：Sin gle一Chip Microcomputer；Temperature sen sor；Temperature collectin g；Temperature con trollin g；P ID algorithm第一章绪论1.1课题的背景与意义在近四十年的时间里，电子计算机的发展经历了从电子管、晶体管、中小规 模集成电路到大规模集成电路这样四个阶段，尤其是随着半导体集成技术的飞跃 发展，七十年代初诞生了一代新型的电子计算机微型计算机，使得计算机应 用日益广泛；而单片微型计算机的问世，则更进一步推动了这一发展趋势，使计 算机应用渗透到各行各业，达到了前所未有的普及程度。一个由微电子技术为先 导，计算机技术为标志，包括新材料、宇航、生物工程、海洋工程等多种学科在 内的新技术革命正在兴起。在国内，由于单片机具有功能强、体积小、可靠性好、和价格低廉等独特优 点，因此，在智能仪器仪表、工业自动控制、计算机智能终端、家用电器、儿童 玩具等许多方面，都已得到了很好的应用，因而受到人们高度重视，取得了一系 列科研成果，成为传统工业技术改造和新产品更新换代的理想机种，具有广阔的 发展前景。1.2课题的应用与展望随着电子技术以及应用需求的发展，单片机技术得到了迅速的发展，在高集 成度，高速度，低功耗以及高性能方面取得了很大的进展。伴随着科学技术的发 展，电子技术有了更高的飞跃，我们现在完全可以运用单片机和电子温度传感器 对某处进行温度检测，而且我们可以很容易地做到多点的温度检测，如果对此原 理图稍加改进，我们还可以进行不同地点的实时温度检测和控制。温度是工业控制中主要的被控参数之一，特别是在冶金、化工、建材、食 品、机械等工业中，具有举足重轻的作用，因此，温度控制系统是典型的控制系 统。对于不同场所、不同工艺、所需温度高低 范围不同、精度不同，则采用的 测温元件、测温方法以及对温度的控制方法也将不同；产品工艺不同、控制温度 的精度不同、时效不同，则对数据采集的精度和采用的控制算法也不同，因而，对温度的测控方法多种多样。随着电子技术和微型计算机的迅速发展，微机测量和控制技术也得到了迅 速的发展和广泛的应用。利用微机对温度进行测控的技术，也便随之而生，并得 到日益发展和完善，越来越显示出其优越性。目前，单片微机已普遍地作用于生 产过程的自动控制领域中。单片机以其体积小、价格低廉、可用其构成计算机控 制系统中的智能控制单元和可靠性高等特点，受到广大工程技术人员的重视。温 度是生产过程中最常见的物理量，许多生产过程是以温度作为其被控参数的。因 此,温度控制系统是典型的控制系统。1.3课题举例简介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。下面介绍一种功能简化后的温度控制系统的设计过程。假设某烘干道采用过热蒸汽为热源，蒸汽管道经热交换器加热空气并通过风 机向烘箱送热风实现对胶布（带）的循环加热，烘箱的温度变化范围为0120。根据工艺要求，系统需实现如下功能和指标：温度给定值在85 c左右且现场可调；温度控制误差W2；实时显示温度值，保留1位小数；温度超过给定值 10时声光报警；控制参数可在线修改。第二章总体方案根据功能和指标要求，本系统可以从元件级开始设计，选用MCS-5 1单片机为 主控机。通过扩展必要的外围接口电路，实现对烘箱温度的测量和控制。2.1系统结构该系统以89c51单片机为核心，由温度测量变换、测量放大、大功率运放、A/D与D/A转换器、输入光电隔离、驱动电路、键盘显示、存储器共同组成。在系 统中，温度和时间的设置、温度值及误差显示、控制参数得设置、运行、暂停及 复位等功能由键盘及显示电路完成。执行部件加热片大功率 运行温度测1 量变换D/A驱动电路M大功率运放IT A/D H一ADC 0832键盘显示ADC 0809存储器3S与止 P2.4(A12)P2.3/(A11)P2.2/(A10)P2.1/(A9)P2.0/(A8)，排列1脚排列VCC(4 0)：+5 VGND(2 0)：接地P 0 0(3 9-3 2)：P O 口为8位漏极开路双向I/O 口，每个引脚可吸收8个TTL 门电流。P 1 口(1-8)：P 1 口是从内部提供上拉电阻器的8位双向I/O U,P 1 口缓冲器 能接收和输出4个TTL门电流。P 2 U(2 1 28)：P 2 口为内部上拉电阻器的8位双向I/O 口，P 2 口缓冲器可接 收和输出4个TTL门电流。P 3 U(10-17)：P 3 口是8个带有内部上拉电阻器的双向I/O 口，可接收和输 出4个TTL门电流，P 3 口也可作为AT89c51的特殊功能口。RST(9)：复位输入。当振荡器复位时，要保持RST弓|脚2个机器周期的高电平 时间。ALE/P ROG(3 0)：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址 的低位字节，在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以 不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6,它可用作对外部 输出的脉冲或用于定时目的，要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过 1个ALE脉冲。P SEN(29)：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取值期间，每个 机器周期2次P SEN有效，但在访问外部数据存储器时，这2次有效的P SEN信号 将不出现。EA/VP P(31)：当EA保持低电平时，外部程序存储器地址为(OOOOH-FFFFH)不管是否有内部程序存储器。FLASH编程期间，此引脚也用于施加12 V编程电源(VP P)OXTAL1(19)：反向振荡器放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2(18)：来自反向振荡器的输出。3.2 AD5 90温度传感器3.2.1概述AD5 90是AD公司利用P N结正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温 度传感器。实际上，中国也开发出了同类型的产品SG5 90。这种器件在被测温度 一定时，相当于一个恒流源。该器件具有良好的线性和互换性，测量精度高，并 具有消除电源波动的特性。即使电源在5-15 V之间变化，其电流只是在以下 作微小变化。AD5 90是电流型温度传感器，通过对电流的测量可得到所需要的温度值。根 据特性分档，AD5 90后缀以I、J、K、L、M表示。AD5 90L、AD5 90M一般用于精密 温度测量电路，其电路外形如图所示，它采用金属壳3脚封装，其中1脚为电源 正端V+,2脚为电流输出端10,3脚为管壳，一般不用。集成温度传感器的电路 符号如图3-2所示。图3-2 AD5 90的外形电路图及电路符号3.2.2主要特性AD5 90的主要特性参数如下：工作电压：43 0V 工作温度：-55+15 0C 保存温度：-65+175 C 正向电压：+4 4 V 反向电压:-2 0V 焊接温度（10秒）：300 灵敏度：1M/K3.2.3 AD5 90工作原理在被测温度一定时，AD5 90相当于一个恒流源，把它和5-3 0V的直流电源相 连，并在输出端串接一个1KQ的恒值电阻，此电阻上流过的电流与被测温度成 正比，此时电阻两端将会有ImV/K的电压信号。其基本电路如图3-3所示。图3-3感温部分的核心电路图3是利用如特性的集成P N结传感器的感温部分核心电路。其中Tl、T2起 恒流作用，可用于使左右两支路的集电极电流H和12相等；T3、T4是感温用的晶 体管，两个管的材质和工艺完全相同，但T3实质上是由n个晶体管并联而成，因 而其结面积是T4的n倍。T3和T4的发射结电压URE3和URE4经反极性串联后加在电 阻R上,所以R上端电压为AUre。因此，电流L为：IlAUre/R=(KT/q)(In n)/R对于AD5 90,n=8,这样，电路的总电流将与热力学温度T成正比,将此电流引至 负载电阻RL上便可得到与T成正比的输出电压。由于利用了恒流特性，所以输出 信号不受电源电压和导线电阻的影响。图3中的电阻R是在硅板上形成的薄膜电 阻，该电阻已用激光修正了其电阻值，因而在基准温度下可得到1M/K的I值。AD5 90的内部结构电路如图3-4所示。3.3 ADC0809模数转换器3.3.1主要特性 ADC0809的主要特性指标：分辨率：n=8 时钟频率：小于64 0KHz 转换时间：大于等于100微秒 不可调误差：1LSB 电源：单电源正5 V 模拟输入量：8路 模拟输入范围：。5 V 参考电压：Uref(+)-Uref(-)=5 V3.3.2 ADC0809工作原理ADC0809为逐次逼近式A/D转换器，具有8个模拟量输入通道。它能与微型计 算机的大部分总线兼容，可在程序的控制下选择8个模入通道之一进行A/D转换,然后把得到的8位二进制数据送到微机的数据总线，供CP U处理。转换器是ADC0809的核心部分，它由D/A转换、逐次逼近寄存器（SAR）、比 较器等组成。其中，D/A转换电路采用了2 5 6RT型电阻网络（即2rl个电阻分压器，此处n=8）,它在启动脉冲的上升沿来到时被复位，在启动脉冲的下降沿A/D开始 转换。如果在转换过程中接收到新的启动转换脉冲，则终止转换。转换结束信号 EOC在A/D转换完成时为“1”。ADC0809的内部结构如图3-5所示。CND图3-5 ADC0809的内部结构第四章硬件设计4.1扩展外围接口根据总体方案，采用8031外扩2764作程序存储器；外扩8255用于4位LED显示 温度、声光报警和扩展光电隔型DAC产生010mA可调电流控制电动阀；外扩8路8 位ADC0809作温度测量和通过3个电位器产生3个可调控制参数；2位B CD码给定拨 盘则和8031的P 1 口相连。完整的硬件电路组成如图4-1所示（附录B）。图4-1中，通过8255的P AU和 P COP C3口扩展4位LED；通过P B U和P C5扩展光电隔型D/A,DAC083 2设置为单缓 冲方式，Vref二-5 V,于是经运算放大器A1后产生05 V可调直流电压，再经运算 放大器A2在复合三极管T的集电极和+12 V电源之间产生010mA可调电流，以便控 制电动阀的动作（图4-1中，RW1于调整满量程值，D1用于保护三极管T）；通过 总线直接扩展ADC0809,由于仅使用4路，故选择通道的C端直接接地，由于温度 传感器是输出电流信号且与绝对温度成正比，故采用电平移动电路及放大电路使 运算放大器A3输出电压值与摄氏温度成正比（图4 T中RW2,RW3分别用语温度测 量电路的零点调节和满量程调节）；声音报警电路中，蜂鸣器采用长鸣形式，由 门电路构成1s振荡器产生的响音；2位B CD码给定拨盘则和8031的P 1 口直接接口，各位又通过2 k。电阻接地。由于各扩展芯片用线选发产生片选信号，故他们的接口地址分别为：2764：0000H-1FFFH8255：7000H-7003 HADC0809：B 000H-B 003 H4.2温度控制电路8031对温度的控制是通过双向可控硅实现的。如单片机温度控制系统电路原 理图所示，双向可控硅管和加热丝串接在交流2 2 0V、5 0Hz是电回路。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 山8031用软件在P 3.1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。4.3温度检测电路设计4.3.1设计目标用单片机对温度进行实时检测和控制，以解决工业及日常生活中对温度的及 时自动控制问题；用十进制数码显示实际温度值，方便人工监视；用键盘输入温 度控制范围值，便于在不同应用场所设置不同温度范围值。当实际温度值不在该 范围时，系统能自动调节温度，以保持设定的温度基本不变，达到自动控制的 目的。系统的温度最小区分度为1。在环境温度变化时，温度控制的静态误差 小于等于0.5。4.3.2设计的出发点在达到对温度的检测和控制的基础上，达到一定的测控精度，并尽量使系统 的可靠性高、稳定性好、性价比高、速度快、使用灵活、实现容易、便于扩充。4.3.3设计原理本设计采用89c51单片机应用系统来实现设计要求，因89c51在片内含4 KB的 EEP ROM,不需外扩展存储器，可使系统整体结构简单。利用89c51串行口输出工 作方式，使89c51的利用率大大提高，外部电路得以简化。89c51可直接对键盘进 行扫描读数，可直接用串/并转换模块驱动LED显示温度值。因其利用率高，负载 重，后相电路只需加一块同相驱动器即可正:常工作。在串行传输数据时，频率可 达到1MHz,对温度的显示完全达到测控精度要求。4.3.4转换电路在设计测温电路时，首先应将电流转换成电压。由于AD5 90为电流输出元件,它的温度每升高1K,电流就增加1P A。当AD5 90的电流通过一个10K的电阻时，这 个电阻上的压降为10mV即转换成10mV/K,为了使此电阻精确（0.1%）,可用一个 9.6K的电阻与一个1K电位器串联，然后通过调节电位器来获得精确的10K。图 所示是一个电流/电压和绝对/摄氏温标的转换电路，其中运算放大器A1被接成电 压跟随器形式，以增加信号的输入阻抗。而运放A2的作用是把绝对温标转换成摄 氏温标，给A2的同相输入端输入一个恒定的电压（如1.2 3 5 V）,然后将此电压放图4-2 电流/电压和绝对/摄氏温标的转换电路大到2.73 V。这样，A1与A2输出端之间的电压即为转换成的摄氏温标。将AD5 90 放入0C的冰水混合溶液中，A1同相输入端的电压应为2.73 V,同样使A2的输出电 压也为2.73 V,因此A1与A2两输出端之间的电压：2.73-2.73二0即对应于0。4.3.5信号处理电路温度检测的小信号放大与绝对/摄氏温度转换采用图电路，其中Rw用来完成 绝对/摄氏温度转换及调零功能，运放要求采用一片集成普通四运放LM3 2 4来完成 图的信号处理功能，其工作电源取单电源Vcc=9V。设计中电阻元件可参考下列取 值：Rl=R2=10K、R3=R4=2 0K、R5=R6=2 0K、Rg=5 K、Rw=10K；高频滤波电容可取C=0.OlliFo图4-3信号处理电路4.3.6主电路主电路如图4-4所示，温度检测信号输入ADC0809的IN3引脚，经过模数转换 结果输入AT89c51,结果从P l 口输出驱动2个LED实现数据显示功能。1?”.7 何Ifi PJtiUWis pasmi.P3.4nnu paaWTT12 PJJWTni.i FaIDpzjrtte PZffMU0 PZ5TAOALE PZ.4/A2.G+5 VI74LS06PAOPA7PCOPCIEAPC20+3 VI+5VI5声报警220 n4.7kn.4.7kil IL14O*5V2CD-O-I2V212V2光报警33pF=j=_Mlb47 让*,|RWl-1ssp-nIQ-8Q 74LS373 8D4.7kn.47kn-LA0-A7 A&-A12广用2764 _D(D7 CE471VAO.AlrRD12V；12V2AD590lOkflPI.IPl.Gc低3C位2Pl.7Pl.6 WK2 k,IN61N7TXAL1P5ER P0.0-P07TXAL2RI-SI-TO I)LTS5 4 7RD7 CLKrO5VISTARTWRIXFERRW2LiOkft47kn0*10 mA图4 T 温度控制系统的硬件组成电路图