基于单片机的温度控制毕业论文.doc
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1、摘 要本设计以单片机STC89C52为核心部件,采用单总线型数字式的温度传感器DS18B20作为温度采集,以场效应管作加热控制的开关器件,设计制作了带键盘输入控制,动态显示和越限报警功能的恒温控制系统。该系统既可以对当前温度进行实时显示,又可以对温度进行控制,并使其恒定在某一温度范围。控制键盘设计使设置温度简单快捷,两位整数一位小数的显示方式具有更高的显示精度。建立在模糊控制理论上的控制算法,使控制精度完全能满足一般的电子产品的生产要求。通过对系统软件和硬件的合理规划,发挥单片机自身集成多系统功能单元的优势,在不减少功能的前提下有效降低了成本,系统操作简便。关 键 词:STC89C52;恒温控
2、制;模糊控制算法ABSTRACTThe design is consist of STC89C52, which adopts the the single-bus-type digital temperature transmission sensor DS18B20, and the mos relays for heating control 的开关器件the switching devices. The work is a perpetual temperature control with the function of the keyboard input control,dyna
3、mic display and the more limited alarm.本作品既可以对当前温度进行实时显示又可以对温度进行控制,以使达到The system could not only have real-time display of current temperature, but also control the temperature in a certain range. 用户需要的温度,并使其恒定在这一温度。人性化的行列式键盘设计使设置温度简单快Determinant of human design allows the keyboard to set the temper
4、ature a simple quick s速,两位整数一位小数的显示方式具有更高的显示精度peed, two integers and a decimal display of the display has a higher accuracy.The control of 算法,使控制精度完全能满足一般社会生产的要求algorithm, which建立在模糊控制理论上的控制 based on fuzzy control theory, so that can have the control accuracy to fully meet the requirements of social
5、 production in general. 通过对系统软件和硬件设计的合理Through the system software and hardware design reasonable 规划,发挥单片机自身集成众多系统级功能单元的优势,在不减少功能的前提下有效降planning plays their own microcontroller that integrates the advantages of system-level functional units, without reducing the function under the premise of an effe
6、ctive drop 低了硬件成本,系统操控简便lower hardware cost, the system control easy. 实验证明该温控系统能达到0.2的静态误差,0.45的控制精度,以及只有0.83% KEY WORDS: Stc89c52; Temperature control; Fuzzy control algorithm目 录1 引 言12 系统方案论证22.1 设计方案22.2 方案的论证23 系统硬件电路设计33.1 电路总体原理框图33.2 单片机的选择33.3 温度采集电路的设计43.4 键盘接口电路的设计53.5 显示接口电路的设计53.6 加热控制电路
7、的设计63.7 电源及报警指示电路的设计63.8 总电路的设计74 软件系统的设计94.1 主程序模块94.2 功能实现模块114.3 运算控制模块114.3.1标度转换114.3.2 模糊控制算法114.3.3控制算法子程序125 系统性能测试及分析135.1 设计所达到的性能指标135.1.1 温控系统的控制精度135.1.2 温度工作波形图135.2 结果分析论述145.3 设计方案评价145.3.1优点145.3.2 缺点146 结论与展望157 致 谢16参考文献17附 录 118附 录 2251 引 言随着国民经济的发展,温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制,人们需要对各种加
8、热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中温度进行监测和控制。特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中,具有举足重轻的作用,其温度的控制效果直接影响着产品的质量,因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。工业生产中温度控制具有单向性、时滞性、大惯性和时变性的特征,同时要实现温度控制的快速性和准确性,对于提高产品质量具有很重要的现实意义。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,对温度的测控方法要多种多样。随着电子技术和微型计算机
9、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。然而现有的温度传感元件大多为模拟器件(热电耦)体积大、应用复杂、而且不容易实现数字化等缺点,阻碍了应用领域的扩展。 实现恒温控制的方法有很多,传统的有利用PLC自适应控制加热丝实现恒温控制,还有利用模拟PID调节的恒温控制,其算法需要查表转换。而基于单片机的控制系统,为闭环系统,工作稳定性高,控制精度高,利用模糊控制算法1使超调量大大降低。软件采用模块化结构,提高了通用性。本设计的目的不仅仅使温度控制本身,主要提供了单片机外围电路及软件包括控制算
10、法设计的思想,应该说,这种思想比控制系统本身更为重要。因此本设计从实际应用出发选取了体积小、精度相对高的数字式温度传感元件DS18B20作为温度采集器,单片机STC89C52作为主控芯片,液晶显示屏1602作为显示输出,实现了对温度的实时测量与恒定控制。2 系统方案论证对于温度的检测通常是采用热敏电阻在通过A/D(模/数)转换得到数字信号,但由于信号的采集对整个系统的影响很大,如果采样精度不高,会使这个系统准确性下降。2.1 设计方案对于温度控制的方法也有很多:如单片机控制、PLC控制、模拟PID调节器和数字PID调节器等等。而PID调节器的算法复杂,其成本也相对较高。方案一:利用单片机实现恒
11、温控制利用单片机实现温度恒定的控制,系统主要包括现场温度采集、实时温度显示、加热控制参数设置、加热电路控制输出、报警装置和系统核心STC89C52单片机作为微处理器。温度采集电路以数字形式将现场温度传至单片机,单片机结合现场温度与用户设定的目标温度,按照已经编程固化的模糊控制算法计算出实时控制量。以此控制量控制场效应管开通和关断,决定加热电路的工作状态,使温度逐步稳定于用户设定的目标值。在温度达到设定的目标温度后,由于冷却温度降低,单片机通过检测到的温度与设置的目标温度比较,作出相应的控制开启加热片。方案二:利用PLC实现恒温控制 这用恒温控制,采用PLC控制实现电热丝加热全通、间断导通和全断
12、加热的自控式方式,来达到温度的恒定。智能型电偶温度表将置于被测对象中,热电偶的传感器信号与恒定温度的给定电压进行比较,生成温差,自适应恒温控制电路根据差值大小控制电路的断开。2.2 方案的论证对于方案二,采用的PLC实现恒温控制,由于其PLC成本高,且PLC外围系统配置复杂,不利于我们的设计。由于数字调节和运算量大,相反对于STC89C52单片机只要选择合适的参数对于温度的控制精度往往能达到比较好的效果。对于方案一,采用单片机实现恒温控制,该方案成本低,可靠性高,抗干扰性强,对于系统动态性能与稳定性要求不是很高的场合时非常合适的。采用高精度的温度传感器:数字温度传感器DS18B20。这种数字温
13、度传感器是DALLAS公司生产的单总线。在这种前提下,通过单片机对偏差进行模糊控制运算,对调节加热可达到控制温度恒定。综合各方面的意见,本设计采用单片机来实现温度的控制。Equation Chapter (Next) Section 13 系统硬件电路设计3.1 电路总体原理框图温度测量及加热系统控制的总体结构如图3-1所示。体统主要包括现场温度采集、实时温度显示、加热控制参数设置、加热电路控制输出、报警装置和系统核心STC89C52单片机作为微处理器。数字式温度传感器加热器控制器单片机显示器越线报警键盘 图3-1 恒温控制系统设计方案框图温度采集电路以数字量形式将现场温度传至单片机。单片机结
14、合现场温度与功能要求设定的目标温度,按照已经编程固化的模糊控制算法计算出实时控制量。以此控制量控制MOS管开通和关断,决定加热电路的工作状态,使水温逐步稳定于要求设定的目标值。在水温到达设定的目标温度后,由于自然冷却而使其温度下降时,单片机通过采样回的温度与设置的目标温度比较,作出响应的控制,开启加热器。系统运行过程中的各种状态均可由液晶显示器1602实时显示。3.2 单片机的选择用STC 89C52的单片机作为控制主机。 之所以选择89C52作为主机,是因为89C52作为51系列单片机的一种,其使用性能稳定,价格便宜,完全能够满足此次设计的需求。而且89C52内部集成了程序存储器,可以装载用
15、户程序,方便后续的课程设计需要,不像8031因为要外接程序存储器而是电路相对麻烦了。其实物图如图3-2:图3-2 STC89C52实物图3.3 温度采集电路的设计由于本设计是精确控制系统,并且有控制范围上的要求,所以在选择传感器上要着重考虑其精度和测试范围。AD590和DS18B20都包含一个可以精确测量环境温度的片内温度传感器,但AD590是模拟传感器,需对温度模拟信号进行数字化处理,在调理和放大信号时,又会带来新的误差,影响精度,而DS18B20包含一个10位AD转换器,是一个以0.25的分辨力将温度数字化的数字式温度传感器,并且其测温理论范围为-55度到125度,因其精确度高,范围可选这
16、两大特点,故本设计的传感器选为DS18B20。温度采集电路模块如图3-3所示。DS18B20内部结构主要有四个部分组成:1)64为光刻ROM;2)温度传感器;3)非易失性温度报警触发器TH和TL;4)配置寄存器。其中DQ为数字信号输入/输出端;GND为电源地;VDD为外接供电电源输入端。器件用如下方式从单线通讯线上汲取能量:在信号线处于高电平期间把能量存储在内部电容里,在信号线处于低电平期间消耗电容上的电能工作,直到高电平到来再给寄生电源(电容)充电。DS18B20也可以用外部5V电源供电。图3-3 温度采集电路DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量,用12位存储温值度,用16位符号扩
17、展的二进制补码读数形式提供,以0.0625/LSB形式表达,其中S为符号位,负温度S=1,正温度S=0。如下图3-4为18B20的温度存储方式:图3-4 18B20的温度存储方式这是12位转化后得到的12位数据,存储在18B20的两个8比特的RAM中,二进制中的前面5位是符号位,如果测得的温度大于0,这5位为0,只要将测得的数值乘以0.0625即可得到实际温度。例如:0550H为+85, 0191H为+25.0625, FC90H为-553.4 键盘接口电路的设计键盘采用对称排列和外部中断相结合的方法,图3-5中各按键的功能定义如下表3-1 。其中设置键RET与单片机的INT0脚相连,KEY1
18、KEY3接单片机P2口,REST键为硬件复位键,与R、C构成复位电路。模块电路如下图3-5:表3-1 按键功能按 键 键 名 功 能RESET 复位键 使系统复位RET 设置键 使系统产生中断,进入设置状态KEY1KEY3 数字键 设置用户需要的温度OK 确定键 设置温度后确定图3-5 按键模块接口电路3.5 显示接口电路的设计显示电路采用字符型液晶显示模块,它是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式的LCD2,本设计采用的是SMC1602A LCM,其显示容量162个字符。模块电路如下图3-6:图3-6 显示接口电路的设计液晶显示模块是一个慢显示器件,所以在执行每条指令之前一定要确认模块的
19、忙标志为低电平,表示不忙,否则此指令失效。要显示字符时要先输入显示字符地址,也就是告诉模块在哪里显示字符,图3-7是1602的内部显示地址。图3-7 1602的内部显示地址3.6 加热控制电路的设计用于在闭环控制系统中对被控对象实施控制,被控对象为加热片,采用对加在电热片两端的电压进行通断的方法进行控制,以实现对水是否加热的调整,从而达到对水温控制的目的。对加热片通断的控制采用MOSFET管控制,它的使用非常简单,只要在控制端TTL电平,即可实现对MOS管的开关,使用时完全可以用1.5K电阻接成电压跟随器的形式驱动。当单片机的P1.5为高电平时,电阻驱动MOS管导通,接通加热片工作,当单片机的
20、P1.5为低电平时MOS管不导通关断,加热片停止工作。控制电路图如下图3-8:图3-8 加热控制电路3.7 电源及报警指示电路的设计在本系统中我设计了越线报警装置,控制目标温度范围。当设定的目标温度线达到时,需用声音的形式提醒使用者,此时报警器开始发出报警声。在本系统中,当温度低于设置的最低目标温度或高于设置的最高目标温度时报警器为连续不断的滴答滴答叫声。当单片机P1.7输出高电平时,三极管导通,报警器工作发出报警声。P1.7为低电平时三极管关断,报警器不工作。当温度低于设置的最低温度时,温度传感器检测到实时温度,发送信息给单片机,P0.4低电平有效,D4为加热片加热指示灯;同理,当温度加热到
21、高于设置的最高温度时,P0.6低电平有效,D5为降温指示灯。D1为检测到电源和液晶显示器共同的显示灯,高电平有效;D6为检测到DS18B20的指示灯,低电平有效;指示灯电路如下图3-9所示:图3-9 电源指示灯和报警指示灯电路Equation Chapter (Next) Section 13.8 总电路的设计恒温控制的总电路图如图3-10: 图3-10 总电路图的设计4 软件系统的设计系统的软件由三大模块组成:主程序模块、功能实现模块和运算控制器模块。4.1 主程序模块主程序主要完成加热控制系统各部件的初始化和实现各功能子程序的调用,以及实际测量中各个功能模块的协调在无外部中断申请时,单片机
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