计算机控制课程设计一路传输温度检测控制系统设计.doc

课程设计 计算机控制技术课 程 设 计成绩评定表设计课题 ： 一路传输温度检测控制系统设计 学院名称 ： 专业班级 ： 学生姓名 ： 学 号 ： 指导教师 ： 设计地点 ： 设计时间 ： 2011.6.272011.7.3 指导教师意见：成绩: 签名： 年 月 日计算机控制技术课 程 设 计设计课题 ： 一路传输温度检测控制系统设计 学院名称 ： 专业班级 ： 学生姓名 ： 学 号 ： 指导教师 ： 设计地点 ： 设计时间 ： 2011.6.272011.7.3 计算机控制技术 课程设计任务书学生姓名专业班级学号题 目一路传输温度控制测量系统课题性质工程设计课题来源自拟课题指导教师主要内容采用STC89C52RC单片机控制DS18B20数字温度传感器采集温度，最后在共阴极的LED灯上实时显示温度值的温度检测系统。系统从实际应用出发, 主要对硬件电路设计、电子元件选择、应用软件设计等方面进行探讨和研究。系统具有性能稳定、功耗低、成本低、测量准确、维护简单等优点，系统设计在实际中具有一定的借鉴意义。任务要求第1天：熟悉课程设计任务及要求，针对课题查阅技术资料。第2天：确定设计方案。要求对设计方案进行分析、比较、论证，画出方框图，并简述工作原理。第3-4天：按照确定的方案设计单元电路。要求画出单元电路图，元件及元件参数选择要有依据，各单元电路的设计要有详细论述。第5-7天：撰写课程设计报告。要求内容完整、图表清晰、文理流畅、格式规范、方案合理、设计正确，篇幅不少于5000字。主要参考资料1 李朝青.单片机原理及接口技术（第3版）M.北京：航空航天大学出版社，20052 王威嵌入式微控制器S08AW原理与实践M北京：北京航空航天大学出版社，20083 黄一夫微型计算机控制技术M北京：机械工业出版社，19984 张伟等.Protel 99SE实用教程 M.北京：人民电邮出版社，20085 熊静琪计算机控制技术北京：电子工业出版社，2003审查意见系（教研室）主任签字： 年 月 日目 录1 引言52 总体方案设计5 2.1系统原理及基本框图5 2.2温度控制方案6 2.3控制策略7 2.4设计任务73 硬件电路设计83.1 STC89C52RC简介83.2 DS18B20简介93.3 三极管9012103.4 共阴极数码管113.5 硬件部分电路图124 系统软件设计184.1 主程序流程图184.2显示电路框图204.3读出温度子程序 214.4 计算温度子程序225 个人心得体会23参考文献24附录：系统原理图251 引言随着计算机技术和传感器技术的飞速发展， 在科研、生产和日常活动中， 人们对温度、压力、流量等模拟物理量的测量要求越来越高。而这些物量中温度的应用是最为广泛的。如何将温度通过传感器变成电信号， 再经过处理转换成计算机能够识别的数字量， 输入到计算机中， 由计算机将采集到的数字量进行不同的处理， 然后在显示器显示出来，并进行实时监控。这已经为当前计算机测量与控制领域的一个重要研究方向。鉴于此， 本文提出一种基于89C52和DS18B20的低成本、远距离传输的温度检测系统设计方案。2 总体方案设计2.1系统原理及基本框图如图2.1所示，为系统的基本框图。图2.1 系统基本框图 该系统由六部分组成：STC89C52RC核心单片机，温度采集电路，LED显示电路，报警警电路，复位电路，晶振等，其中温度采集主要由DS18B20组成，在短时间内把热力学温度信号数字,送入单片机，由单片机控制显示电路显示，并且判断是否达到设定温度，若达到设定温度，由单片机启动报警电路，报警。2.2温度控制方案常用的控制算法有以下几种： 1.经典的比例积分微分控制算法； 2.根据动态系统的优化理论得到的自适应控制和最优控制方法；3.根据模糊集合理论得到模糊控制算法。水温控制系统的控制对象具有热储存能力大，惯性也较大的特点，水在容器内的流动或热量传递都存在一定的阻力，因而可以归于具有纯滞后的一阶大惯性环节。对于大惯性系统的过渡过程控制，一般可采用以下几种控制方案：开关量控制 这种方法通过比较给定值与被控参数的偏差来控制输出的状态，开通或关断，因此控制过程十分简单，也容易实现；但由于输出控制量只有两种状态，使被控参数在两个方向上变化的速率均为最大，因此容易引起反馈回路振荡，控制精度不高；这种控制方案一般在大惯性系统对控制精度和动态特性要求不高的情况下采用。比例控制(P控制) 比例控制的输出与偏差成比例关系，当负荷变化时，抗干扰能力强，过渡过程时间短，但过程终了存在余差；适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、允许被控量在一定范围内变化的系统。比例积分控制(PI控制) 控制器的输出与偏差的积分成比例，积分的作用使过渡过程结束时无余差，但降低了系统的稳定性；PI控制适用于滞后较小，负荷变匶不大，被控量不允许有余差的控制系统。比例积分加微分控制(PID控制 微分的作用使控制器的迓出与偏差变化的速度成比例，它对克服对象的容量滞后有著的畈果；在比例基础上加入微分作用，使稳定性提高，再加上积分作用，可滥消除余差；PID控制适用于负荷变化大容量滞后较大、控制品质要求又很高的控制系统。结合本设计任劣与要求，由庎水温系统的传递函數事先难以精确获得，因而很难判疭哪一种控制方法能够满足系统对控制瓁质的要求；但从以上控制方法的分析来看PID控匶方法最适合本例采用：一方，由可以采用单牗机实现控制程，无论哪种控制方法不弚增加系硬件成杬，而叺需对软件作相改变右实现不同的控制方案；另一方面，采用PID的控制方式可以朠大限度地满足统对诸如控制精廦、踃銂时间和趇调量等控制品质的要求。3 控制策略ID控制器是一种线性控制器，它樹据给定值rt）与实际输出值y（t）构成控制偏差e（t）： 将偏差g（聴）的比例P积分I和微分D通过线性组合成控制量，对袯控对象进行控制，因此成为PKD玧制。其揧制规律为或者写成传递函数形式： 式中： Kp：比例系数 耠 Kp/Ti：积分时间常数 Kp*Td：微分时间常異24 设计任媡利用卵片机与AD转换器设计一个八路温度巡回检淋系统，对柰粮库或冷冻厂八点（八个冷冻室或八个粮仓）进行温度巡回检测。能够测量耭0+50oC的温度范围，检淋精度要不大于±1oC。采用数码箥显示测量值；单片机和AD转换器型号自选（如单穇枺可选AT89S51或AT89C51等；AD转换器可选ADC08p9或ADC0804等）。（本文均基亞一路温度检测系统设计）。3 硬件电路设计3.1 STC89C52RC简介3.1.1 STC89C52RC介绍 单片机自问世以来，以其极高的性价比受到人们的重视和关泩，应用很广，发展很快。单片机的体积小，重量轻，抗干扰力强，环境要求不高，价格低可靠性强，灵活性好，开发较为容朓。埻于以上的优点，单片机已统广泛的应用在工业自动化控制，自动检测，智能仪器仪，机男一体化等各个方面扐以本系统采用单片机做为控制器。单片机中51/52系列最具有代表性。本设计核心采用了STÃ8952RC单片机。STC89C51/52单片机系列是在MCS51/52系列的基础上发展起来的,STC89C52RC 完全兼容MCS-51 系列单片机的所有功能，并且本身带有2K 的内存储器，可以在编程器上实现闪烁式的电擦写达几万次以上，比以往惯用的8031CPU 外加EPROM为核心的单片机系统在硬件上具有更加简单方便等优点，其外形如图3.1所示。图3.1 STC89C52RC芯片3.1.2 STC89C52引脚介绍 STC89C52RC的引脚图如图3.2所示. 图3.2 STC89C52引脚图单片机的引脚功能说明：电源引脚VCC（40 脚）：电源端，工作电压为5V。GND（20脚）： 接地端。时钟电路引脚XTAL1（19 脚）和XTAL2（18 脚）复位 RST（9 脚）.输入输出(I/O)引脚 P0.0-P0.7（39脚-32脚）：输入输出脚，称为P0 口，是一个8 位漏极开路型双向I/O 口，内部不带上拉电阻。 P1.0-P1.7（1脚 - 8脚）：输入输出脚，称为P1 口，是一个带内部上拉电阻的8 位双向I/0 口。 P2.0-P2.7（21脚28脚）： 输入输出脚，称为P2 口，是一个带内部上拉电阻的8 位双向I/O 口， P3.0-P3.7 (10脚17脚）：输入输出脚，称为P3 口，是一个带内部上拉电阻的8 位双向I/O 口。P3 端口具有复用功能。表3.1 P3口端口引脚与复用功能表P3 引脚 兼用功能 P3.0串行通讯输入（RXD）P3.1 串行通讯输出（TXD）P3.2外部中断0（ INT0）P3.3 外部中断1（INT1）P3.4 定时器0 输入(T0)P3.5 定时器1 输入(T1)P3.6外部数据存储器写选通（WR)P3.7外部数据存储器读选通（RD）3.2 DS18B20简介 3.2.1 DS18B20性能DS18B20是Dallas公司推出的单线集成数字温度采集系统，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现912位的数字值读数方式。其实物如图3.3所示。图3.3 DS18B20 DS18b20内部主要有三个数字部件：64位激光ROM、温度传感器、非易失性温度报警触发器TH和TL。DS18B20 的性能特点如下：独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯；多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现多点组网功能；无需外部器件；可通过数据线供电，电压范围：3.05.5V；测温范围55125，在-10+85时精度为±0.5零待机功耗温度以9或12位数字量读出；用户可定义的非易失性温度报警设置；具有非易失性上、下限报警设定的功能，用户可方便地通过编程修改上、下限的数值；负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作；适用于DN1525， DN40DN250各种介质工业管道和狭小空间设备测温。8PVC电缆直接出线或德式球型接线盒出线，便于与其它电器设备连接。数字量的转换精度及转换时间可通过简单的编程来控制：9位精度的转换时间为9375 ms：10位精度的转换时间187.5ms：12位精度的转换时间750ms。3.2.2 DS18B20引脚图本文用的DS18B20的常用封装为3脚，如图3.4所示。：图3.4 DS18B20引脚图各脚功能描述如下: DQ：数字信号输入输出端。GND：电源地端。VDD：外接供电电源输入端(在寄生电源接线时此脚应接地)。3.3 三极管9012三极管的工作原理 三极管是一种控制元件，主要用来控制电流的大小，以共发射极接法为例（信号从基极输入，从集电极输出，发射极接地），当基极电压UB有一个微小的变化时，基极电流IB也会随之有一小的变化，受基极电流IB的控制，集电极电流IC会有一个很大的变化，基极电流IB越大，集电极电流IC也越大，反之，基极电流越小，集电极电流也越小，即基极电流控制集电极电流的变化。但是集电极电流的变化比基极电流的变化大得多，这就是三极管的放大作用。IC 的变化量与IB变化量之比叫做三极管的放大倍数（=IC/IB, 表示变化量。），三极管的放大倍数一般在几十到几百倍。 三极管在放大信号时，首先要进入导通状态，即要先建立合适的静态工作点，也叫建立偏置，否则会放大失真。9012是一种最常用的普通三极管。它是一种低电压,大电流,小信号的PNP型硅三极管:· 集电极电流Ic：Max -500mA · 集电极-基极电压Vcbo： -40V · 工作温度：-55 to +150 · 和9013（NPN）相对 · 主要用途： 1、开关应用 2、射频放大 3.4 共阴极数码管 数码管由8个发光二极管（以下简称字段）构成，通过不同的组合可用来显示数字0 9、字符A F、H、L、P、R、 U、Y、符号“-”及小数点“.”。数码管的外形结构如下图3.5所示。数码管又分为共阴极和共阳极两种结构。图3.5 共阴极四位一体数码管共阴极数码管的8个发光二极管的阴极（二极管负端）连接在一起。通常，公共阴极接低电平（一般接地），其它管脚接段驱动电路输出端。当某段驱动电路的输出端为高电平时，则该端所连接的字段导通并点亮，根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。此时，要求段驱动电路能提供额定的段导通电流，还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻。使用时，既可以用半导体三极管驱动，也可以直接用TTL与非门驱动。需要加限流电阻。数码管的工作电压一般为1.5至3伏，工作电流只需几到十几毫安。且寿命长，响应速度快。3.5 硬件部分电路图3.5.1复位电路在振荡器运行时，有两个机器周期（24 个振荡周期）以上的高电平出现在此引脚时，将使单片机复位，只要这个脚保持高电平，52 芯片便循环复位。复位后P0P3 口均置1 引脚表现为高电平，程序计数器和特殊功能寄存器SFR 全部清零。当复位脚由高电平变为低电平时，芯片为ROM 的0000H 处开始运行程序。该芯片的复位脚为9脚，所以复位电路接STC89C52RC的9脚，具体电路如下图3.6所示。当采用的晶体频率是6 MHZ时，可取C=22UF，R=1K；当采用的晶体频率为12MHZ时，可取C=10UF，R=8.2K。不过这都是最佳的组合，也可以有其它大小的电容电阻，只要符合电路要求就可以，如本文就采用22UF的电容和10K的电阻，经试验也满足要求。图3.6 复位电路3.5.2 晶振为了产生时钟信号，在8052 内部设置了一个反相放大器，XTAL1 是片内振荡器反相放大器的输入端，XTAL2 是片内振荡器反相放大器的输出端，也是内部时钟发生器的输入端。当使用自激振荡方式时，XTAL1 和XTAL2 外接石英晶振，使内部振荡器按照石英晶振的频率振荡，就产生时钟信号。晶振一般使用石英晶体，其频率由系统需要和器件决定，在频率稳定度要求不高时也可以使用陶瓷滤波器。使用石英晶体时C1、C2为C1=C2=30（±10）pF，使用陶瓷滤波器时，C1=C2=40（±10）pF。本系统用12MHZ的石英晶振，接STC89C52RC的18和19脚，具体电路如图3.7所示。图3.7 时钟信号电路(晶振)3.5.3 一路传输电路在传统的模拟信号远距离温度测量系统中，需要很好的解决引线误差补偿问题、多点测量切换误差问题和放大电路零点漂移误差问题等技术问题，才能够达到较高的测量精度。另外一般监控现场的电磁环境都非常恶劣，各种干扰信号较强，模拟温度信号容易受到干扰而产生测量误差，影响测量精度。因此，在温度测量系统中，本文采用抗干扰能力强的新型数字温度传感器是解决这些问题的最有效方案，新型数字温度传感器DS18B20具有体积更小、精度更高、适用电压更宽、采用一线总线、可组网等优点，在实际应用中取得了良好的测温效果。DS18B20有三个引脚。VDD管脚接 5V电压给传感器供电。DQ管脚为数据线 ，与STC89C51RC的 P1.0连接的同时，还要接一个 47K的上拉电阻，并接到 5V的电源上，使数据线在空闲状态下能自动上拉为高电平。GND管脚接地。具体电路如图3.8所示。之所以接P1口，是因为P1口的驱动力最强，完全可以驱DS18B20的正常运行。图3.8 一路传输电路3.5.4 LED显示电路显示电路采用静态显示，4位LED数码管。所谓静态显示，就是每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口用于比划段字形代码。这样单片机只要把显示的字形代码发送到接口电路，就不用管它了，直到要显示显示新的数据时，再发送心的字形码，因此，使用这种方法，单片机中的CPU的开销小。本文的显示电路如图3.9所示。其中P0口作为7断码和小数点的选择，P2口作为位码的选择，在断码和P0口之间还需加上1K的上拉电阻，以保证LED灯正常显示。. 图3.9 LED显示电路3.5.5 报警电路本文中当某一通道的温度测量值超出预先设定的上、下限报警值或系统运行出现故障时， 系统发出声光报警以提醒用户注意。报警电路中光报警采用发光二极管， 声报警采用蜂鸣器来设计，蜂鸣器电路中， 9012晶体管起开关作用， P2.6输出低电平时， 管脚输出电压经过lK限流电阻分压后， 到达9012基极的电压为使得晶体管发射结正偏，集电结反偏， 晶体管导通， 蜂鸣器上电而产生声响。发光二极管电路中， 主要是限流电阻的设计，由于发光二极管工作电流是3 mA-30 mA， 导通压降为1.8 V； 而单片机工作在5 V电压时， I/O口输出低电平的最大灌入电流是16 mA， 输出的低电平是Vss+0.6 V 这样在限流电阻上的压降就是5-1.8-0.6=2.6 V， 而电流要限定在8 mA左右， 所以电阻阻值为2.6 V/8 mA=325欧姆， 在实际电路中选用330欧姆的电阻即能满足要求。具体电路如图3.10所示。图3.10 报警电路3.5.6下载程序电路本文中将PC机上的程序拷贝到单片机中是通过如图3.11所示的，连接单片机的10和11脚串行接口到插件上，再和PC机之间进行通讯。.图3.11 下载程序电路3.5.7 键盘设置电路 图3.12键盘电路我用4*4键盘设计温度输入，如上图所示，S1S9分别对应19，S10对应03.5.8 完整电路完整电路如下图所示：图3.12 完整电路4 系统软件设计4.1 主程序流程图 由于模块化程序的设计，通过调用程序即可实现所需使用的功能，主程序流程图如下图：图4.1 系统主程序流程4.2 显示电路框图 显示数据刷新子程序主要是对显示缓冲器中的显示数据进行刷新操作，当最高位显示为0时将符号显示位移入下一位。程序流程图如图4.2所示。图4.2 显示电路框图4.3 读出温度子程序温度转换命令子程序主要是发温度转换开始命令，当采用12位分辨率时转换时间约为750ms，在本程序设计中采用1S显示程序延时法等待转换的完成。温度转换命令子程序流程图如图4.3所示：图4.3 温度转换流程图4.4 计算温度子程序计算温度子程序将RAM中读取值进行BCD码的转换运算，并进行温度值正负的判定，其程序流程图如图4.4所示。 图4.4 计算温度流程图5 个人心得体会在拿到一个课题时首先要做的事就是对课题的任务，要求和条件进行仔细的分析和研究，找出关键问题，根据关键问题提出实现的原理和方法，并画出原理框图。提出原理方案是一个关系到设计全局的问题，应广泛收集与查阅有关资料，广开思路，利用已有的各种理论知识，提出尽可能多的方案，以便、做出更合理的选择。所提出的方案中，对关键部分的可行性，一般应通过试验加以确认。根据整个课题的技术要求，明确该功能框对单元电路的技术要求，必要时应详细拟定单元电路的性能指标，然后进行单元电路结构形式的选择或设计，但满足功能框图要求的单元电路可能不止一个，因此必须进行分析比较，择优选择。然后是元器件的选择和参数的计算，值得指出的是，满足性能指标要求的参数值通常不是唯一的，这就要求对各组参数进行综合性的分析，仔细考虑元器件之间的参数配合、元器件价格、体积和货源等因素，恰当地选取一组适合的参数。在各单元电路确定后，还要考虑它们之间的级联问题，如电气特性的相互匹配、信号耦合方式、时序配合，以及相互干扰问题，经过硬件安装调试，以保证整个电路能正常工作。我通过实践课的综合练习，课程设计的实际操作，将课堂理论学习贯穿其中，全面系统的把单片机课程的知识联系在一起，做到融会贯通，使我真正感受到理论应用于实践的乐趣。这次设计是一次锻炼的好机会，使我在学习和巩固新、老知识的同时，训练了自己综合运用知识的能力、分析解决新问题的能力，同时也提高了自己工程实践能力；在设计的过程中，我与同学一同学习、一同讨论，大家集思广益，发扬了团队协作精神。在课程设计过程中，我发现了自己的不足，今后应加强学习,并且加强理论与实践的相结合，把所学的知识应用于实际当中。参考文献1 李朝青.单片机原理及接口技术（第3版）M.北京：航空航天大学出版社，20052 王威嵌入式微控制器S08AW原理与实践M北京：北京航空航天大学出版社，20083 黄一夫微型计算机控制技术M北京：机械工业出版社，19984 张伟等.Protel 99SE实用教程 J.北京：人民电邮出版社，20085 熊静琪计算机控制技术北京：电子工业出版社，20036 徐士良.计算机软件技术基础M北京：清华大学出版社，20077 张晋格计算机控制原理与应用北京：电子工业出版社，19958 张俊谟单片机的发展与应用J电子制作，20079 李红刚，方佳，王强，钱双艳.基于At89C51的八路温度巡回检测系统设计J.热带农业工程，2010年第34卷第1期10 白瑞青，金功伟.单片机温度巡回监测系统J.测试技术学报，98年第12卷第3期附录：系统原理图图1 一路传输温度测量控制系统完整电路图- 24 -