基于AT89C2051单片机的温度控制系统的设计方案毕业论文设计.doc

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1、第一章 绪 论温度控制，在工业自动化控制中占有非常重要的地位。单片机系统的开发应用给现代工业测控领域带来了一次新的技术革命，自动化、智能化均离不开单片机的应用。将单片机控制方法运用到温度控制系统中，可以克服温度控制系统中存在的严重滞后现象，同时在提高采样频率的基础上可以很大程度的提高控制效果和控制精度。现代自动控制越来越朝着智能化发展，在很多自动控制系统中都用到了工控机，小型机、甚至是巨型机处理机等，当然这些处理机有一个很大的特点，那就是很高的运行速度，很大的内存，大量的数据存储器。但随之而来的是巨额的成本。在很多的小型系统中，处理机的成本占系统成本的比例高达20%，而对于这些小型的系统来说，

2、配置一个如此高速的处理机没有任何必要，因为这些小系统追求经济效益，而不是最在乎系统的快速性，所以用成本低廉的单片机控制小型的，而又不是很复杂，不需要大量复杂运算的系统中是非常适合的。温度控制，在工业自动化控制中占有非常重要的地位，如在钢铁冶炼过程中要对出炉的钢铁进行热处理，才能达到性能指标，塑料的定型过程中也要保持一定的温度。随着科学技术的迅猛发展，各个领域对自动控制系统控制精度、响应速度、系统稳定性与自适应能力的要求越来越高，被控对象或过程的非线性、时变性、多参数点的强烈耦合、较大的随机扰动、各种不确定性以及现场测试手段不完善等，使难以按数学方法建立被控对象的精确模型的情况。随着电子技术以及

3、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。1.1 设计指标设计一个温度控制系统具体化技术指标如下。1. 被控对象可以是电炉或燃烧炉，温度控制在0100，误差为0.5；2. 恒温控制；3. LED实时显示系统温度，用键盘输入温度；1.2 本文的工作详细分析课题任务，设计了电源电路，键盘电路，单片机系统，显示电路，执行器电路，

4、报警电路，复位电路，时钟电路，A/D转换电路等系统。然后根据课题任务的要求设计出实现控制任务的硬件原理图和软件，并进行访真调试。第二章 设计思想实现温度控制的方法有多种，可以用工控机作为控制器，用热电阻测量温度；也可以用单片机作为控制器，用热电偶进行温度测量。当然每一种方案都有其各自的优点。本章详细列举、说明了基于89C2051单片机的温度控制的方案、并画出了其原理方框图，对方案的优缺点进行了分析。2.1 设计思想方案 (1) 硬件组成：单片机、A/D转换器、LED显示器、集成的热电偶温度变送器、固态继电器、大功率发热器。(2) 工作原理：由集成的热电偶变送器对系统温度进行检测，并完成信号标准

5、化、变送功能。单片机执行控制功能、由固态继电器控制大功率发热器电源的导通与断开，从而达到控制温度的目的。TL255189C2051固态继电器LED显示DDZ热电偶温度变送器键 盘电炉温度图2-1 方案的原理框图(3) 系统原理框图 2.2 论证分析最终方案论述：很显然，方案较其它相比无论在经济上和实现容易程度上都要好。方案在实行控制的时候不像其它采用D/A转换后再控制调节阀的方法，而是直接外接一个固态继电器，通过内部改变定时器的中断时间来调节一个周期内电子开关的导通和断开时间。这样既节省了材料也可以很大程度上减少硬件电路的结构。综上所述方案有如下的特点：(1) 在完成所要求的任务的基础之上还有

6、着结构简单、明了的特点，很容易实现，而且在一定的程度上节约成本。(2) 由于采用了离线的方法，很大程度上的减少了编程的麻烦，实现起来较容易。(3) 采用了无污染能源，保护环境。同时也省去了为建造燃料供应子系统的费用，节约了成本。采用了模拟的PWM变换，和固态继电器。可以将采样频率提高到很多的水平，使控制结果更准确，实时性、控制效果更好。第三章 系统设计整个系统由软件和硬件两部分组成。本章详细介绍了系统的硬件和软件设计，并对硬件和软件的每一个部分进行了分析，在后半部分还对系统模型进行了访真与程序调试。硬件和软件的每一个坏节都是深思熟虑而成，各自完成相应的功能并组成一个统一的整体。3.1 硬件设计

7、系统硬件由电源电路，温度检测变送电路、模数接口转换电路、单片机系统和人机接口等部分组成。系统电源为整个系统提供电能；温度检测变送电路将检测到的温度信号转换成标准的电压信号输入到模数接口转换电路；模数接口转换电路输出的数字信号进入单片机系统；单片机系统根据输入的数字信号以模糊控制算法为基础求出控制值，控制执行器的运行及温度的显示。原理框图见图2-1。3.1.1 电源电路由于整个系统都是用单片机和各类芯片及电阻、电容组成的，其工作电压为5V，不需要负电压，可采用三端固定正电压集成稳压器7805系列的芯片6。其输出电压5V，按输出电流不同可分为78M05、78L05，输出电流分别为0.5A和1.0A

8、，转换成功率分别为2.5W和5W。从整个系统的设计来看，其中有几块集成芯片和多个电阻、电容等器件，其功率总和应在2W左右，所以考虑整个系统的功率裕量，采用78M05作为整个系统的供电芯片。其主要电路如附图中的电源电路图所示。其中输入电压为交流220V，经过变压器其输出为9.5V，再进行整流。整流可通过四个二极管进行全波整流，也可以利用集成整流堆来进行（同原理）。后面接电容C1、C2为滤波电容进行滤波，注意电解电容应该要有一定裕量，否则不能起到很好的滤波效果。本电路中使用的电容大小为470uf,耐压为25伏。78L05的输出级接入两个滤波电容，用于减小因为电源波动对系统造成的影响和滤波。其不需要

9、采用大容量的电解电容器，容量大小为100uf耐压为25伏，再接入0.1F的电容器，便可减少因为电源波动的影响和滤去纹波，很好地改善负载的瞬态响应。然而，随之产生一个弊端，即一旦78M05的输入出现短路时，输出端大电容上存储的电荷，将通过集成稳压器内部放电，可能会造成内部电路的损坏，故在其间跨接一个二极管，为放电提供放泄通路，对集成稳压器起到了分流保护作用。3.1.2 温度检测与变送环节信号的检测变送包含两个方面，一是检测环节，另一个是变送环节。检测环节至关重要，检测元件的选型关系到检测的精度和变送环节中信号变送的容易程度。在温度的检测过程中一般用热电阻和热电偶完成，热电阻一般用在检测精度要求不

10、是很高的地方，而热电偶则在灵敏度上比热电偶更好，检测精度能比热电阻有一个数位的差异检测与变送设备主要根据被检测参数的性质与系统设计的总体考虑来决定。被检测参数性质的不同，准确度要求、响应速度要求的不同以及对控制性能要求的不同都影响检测、变送器的选择，要从工艺的合理性、经济性加以综合考虑。应遵循以下原则：1. 可能选择测量误差小的测量元件。2. 尽可能选择快速响应的测量元件与变送设备。3. 对测量信号作必要的处理。a测量信号校正。 b测量信号噪声（扰动）的抑制。对测量信号进行曲线线性化处理。温度是工业生产过程中最常见、最基本的参数之一。所以，温度的检测与控制是自动控制工程的重要任务之一。测量温度

11、的方法有两种，一种是接触式、另一种是非接触式。接触式测量的主要特点是：方法简单、可靠，测量精度高。但是由于测温元件要与被测介质接触进行热交换，才能达到平衡，因而产生了滞后现象。同时测量体可能与被测介质产生化学。此外测量体还受到耐温材料的限制，不能应用于很高温度的测量。非接触式测温是通过接收被测介质发出的辐射热来判断的。其主要特点是：测温原则上不爱限制；速度较快，可以对运动休进行测量。但是它受到物体的辐射率、距离、烟尘和水汽等因素影响，测温误差较大。由于本系统中测量的对象为电炉，测量温度在0100左右，且介质为水，不易与测量体发生化学反应。所以理所当然选择接触式的温度测量方式更为理想。目前工业生

12、产过程中常用的接触式温度测温原理、与使用场合如表3-1：表3-1 各类传感元件的特点和使用场合测温原理温度计名称测温范围主要特点体积变化固体热膨胀双金属温度计-200700结构简单，价格便宜，适用于就上测量，传送距离不很远气体热膨胀玻璃液体温度计液体热膨胀压力式温度计-200600电阻变化利用尸体或半导体的电阻值随温度变化的性质铂、铜、镍、铑、铁热敏电阻-270900准确度高，能远传，适用于低、中温测量锗、碳、金属氧化物热敏电阻利用金属的热电效应热电效应普通金属热电阻-2001800测量范围广，精度高，能远传，适用于中、高温测量贵重金属热电阻难熔金属热电阻非金属热电阻从表中所列的各种温度测量仪

13、表中，机械式大多用于就地指示；辐射式的精度较差，只有电的测温仪表精度较高，信号又便于传送。所以热电偶和热敏电阻温度计在工业生产和科学研究领域中得到了广泛地应用。热电偶温度计在工业生产过程中极为广泛。它具有测温精度高，在小范围内热电动势与温度基本呈单值、线性关系，稳定性和复现性较好，测温范围宽，响应时间较快等特点。其使用时一定要注意冷端温度补偿，在一般情况下采用补偿电桥的方法较多。其具体实现过程见下面的分析过程。热电阻温度计是利用导体或半导体的电阻值随温度而变化的性质来测量温度的。常用的有铂电阻、铜电阻、半导体热敏电阻等，但与热电偶相比较，在精度上，热电偶精度比热电阻高。变送器在数据采集过程中担

14、任了把传感器检测到的信号变成统一标准信号（DC 420mA或DC 15V），从而使处理器能够识别数据的级别，便于在自运控制过程中进行运算和做出相应的处理决策。DDZ热电偶温度变送器可以把温度转换成统一的标准信号（DC420mA或DC15V），其输出送显示仪表或调节器，调节器实现对温度的显示或自动控制。DDZ-热电偶温度变送器具有热电偶冷端温度补偿、零点调整、零点迁移、量程调整以及线性化等重功能。其具有以下几个特点：(1) 采用了线性集成电路，提高了仪表的可靠性、稳定性及各项技术性能。(2) 热电偶温度变送器中采用了线性化电路，使变送器的输出电流。或电压信号和被测温度（输入信号）成线性关系。(3

15、) 线路中采用了安全火花防爆措施，帮可用于危险场所中的温度测量变送。由以上分析，我们可以得出结论，DDZ-热电偶温度变送器是一种集成的自动化温度传感变送器，在量程和精度上都完全满足设计中温度测量、变送的要求。3.1.3 模数转换接口电路因为单片机不能直接处理模拟信号，所以必须将热电偶检测到的温度模拟信号变化成数字信号,单片机才能做出相应的处理。按照设计指标，精度要求在0.5。采用8位A/D转换器如果设定其成比例关系，即0255，0100。则其精确度为0.39，完全满足要求，但考虑要留有一定的裕量，即100不能为255，虽然这个问题可以用调整变送器的方法来解决。但这其中又隐含了另外一个问题即将温

16、度的检测值到十进制温度转换的计算，A/D转换结果每增加一个单位值，十进制温度增加0.39度，这需要用二进字浮点数运算。意味着在有限的存储空间里面要存储浮点数的加、减、乘、除和二进制数与十进制数的转换程序等；并且因为温度是通过键盘输入到存储器中的所以输入的温度值也要经过转换，这就大大的加长了程序运行的时间同时也就减短了A/D转换所占用的时间和温度的采样点数，直接影响了其控制精度。同时很大程度上加大了编程的难度，其在逻辑思维上、程序转换上都有较大的难度。要满足精度要求，而且还要在运算上、数值转换上不困难，可以通过调整变送器的量程和A/D转换器的分辨率来解决。用12位A/D器，其输入电压为05V时对

17、应的输出为04096，设计要求温度控制在0100。我们可以将100时A/D输出为1000，这样其精度可以达到0.1，完全满足设计的要求。前面已经说明变送器的输出为15V，所以可以调节送器的量程，0时变送器输出为1.22V,而A/D转换的输出为1000;100时输出2.44V，A/D输出为2000。通过以上设定，在保证了很大的裕量的同时又减小了其计算的复杂性。其输出值=温度10，运算的时候根本不用采用浮点数运算，只要一个双字节无符号数减法、除法即可以完成，且在显示的时候也可以精确显示到小数点后面一位。TLC2551/2541是TI公司生产的串行12位A/D转换器8，其采用DIP-8封装，简单的微

18、处理器接口，单通道差分输入，转换时间在Flock=400KHz时为3.2us，5V供电时输入范围：05V，输入输出完全兼容TTL和CMOS电路，全部非校准误差：1LSB。单5V供电，工作温度范围：070；其接口电路如图3-2。图3-2模数转换电路3.1.4单片机最小系统1 单片机选型整个系统采用最小化设计，其外部所接组件大多采用了串行通信，所以在单片机选型时不需要很多的并行口，有一定的程序存储器和定时器、外部中断即可。图3-389c2051及其引脚与网标由ATMEL公司生产的AT89C2051，除了在外部引脚上少了两个并行口外，其它内部资源与AT89C51完全相同，且其内部的2KFLASH R

19、OM能够很方便的进行擦写，汇编指令与80C51完全兼容的特点，成为了首选。其基本特征如下：(1) 具有适于控制的8位CPU和指令系统；(2) 128字节的片内RAM；2KB片内ROM；(3) 15线并行I/O口；(4) 两个16位定时/计数器；(5) 一个全双工串行口；(6) 6个中断源，两个中断优先级的中断结构；2 晶振电路的设计单片机内部带有时钟电路，因此，只需要在片外通过X1、X2引脚接入定时控制单元（晶体振荡和电容），即可构成一个稳定的自激振荡器。振荡器的工作频率一般在1.212MHz之间，当然在一般情况下频率越快越好。可以保证程序运行速度即保证了控制的实时性。一般采用石英晶振作定时控

20、制元件；在不需要高精度参考时钟时，也可以用电感代替晶振，有时也可以引入外部时钟脉冲信号。C9、C10虽然没有严格要求，但电容的大小影响振荡器的振荡的稳定性和起振的快速性，通常选择在1030PF左右。在设计电路板时，晶振，电容等均应尽可能靠近芯片，以减小分布电容，保证振荡器振荡的稳定性。图3-4复位电路和时钟电路3.1.5片外数据辅助存储器在系统的设计过程中，考虑到加热器在加热过程中出现断电的情况。当这种情况发生时，系统应该继续加热到断电前设定的温度。而设定的温度存储在单片机的数据在存储器中，单片机断电重启动后存储的设定温度已经消失。为了达到此功能，在单片机外部加入了一个基于I2C总线的E2PROM，完成对设定温度的存储。I2C总线简介：I2C总线由PHILIPS提出，是一种用于IC器件之间连接的二线制总线。它通过SDA（串行数据线）及SCL（串行时钟线）两根线在连到总线上的器件之间传送信息，并根据地址识别每个器件：不管是单片机、存储器、LCD驱动器还是键盘接口。采用I2C总线标准的单片机或IC器件，其内部不仅有I2C接口电路，而且将内部各单元电路按功能划分为若干相对独立的模块，通过软件寻址实现片选，减少了器件片选线的连接 。