《基于单片机的温度控制系统的设计》.docx

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1、ft91第一章trr31.1课一背景与总义31.2度限制系统的应用31. 3毕业设计任务1其次章系线方案52. 1水温限制系统设计任务和要求53. 2水温限制系统部分54. 3限制方式7第三章系件硬件设计85. 1总体设计框图及说明86. 2外部电路设计S7. 3单片机系统电路设计9第四章系统软件设计与调试134.1 程序框架结构134.2 2程序流程图及部分程序134.3 系统安装调试与测试17第五章结论18致青Ig参考文献”-20附件1程序代码）20附件2电路原理图）27基于单片机的水温限制系统【摘要】温度是工业限制对象主要被控参数之一，在温度限制中，由于受到温度被控对象特性（如惯性大、滞

2、后大、非线性等）的影响，使得限制性能难以提高，有些工艺过程其温度限制的好坏干脆影响着产品的质量，因而设计一种较为志向的温度限制系统是特别有价值的。为了实现高精度的水温测量和限制，本文介绍了一种以Almel公司的低功耗高性能CMOS单片机为核心，以PID克法限制以及PID参数整定相结合的限制方法来实现的水温限制系统，其硬件电路还包括温度采集、温度限制、温度显示、键盘输入以及RS232接口等电路。该系统可实现对温度的测量，并能依据设定值对温度进行调整，实现控温的目的。【关键词】单片机AT89C51；温度限制：温度传感器PTK）O0；PlD调整算法Thesummary:Temperatureisth

3、emaincontrolofindustrialcontrolofparameters,Intemperaturecontrol,duetotemperaturecontrolledobjectproperties(suchasinertiabig,big,laggingeffectofnonlinear,etc.),toimproveperformance,someprocesstemperaturecontrolofitsdirectimpactonthequalityoftheproduct,anddesignedakindofidealtemperaturecontrolsystemi

4、saveryvaluable.Inordertorealizehighprecisiontemperaturemeasurementandcontrol,thispaperintroducesametertakingAlmelcompanylow-powerhigh-performanceCMOSchipasthecore,andthePIDcontrolalgorithmwithPIDparameterscombinationofcontrolmethodtorealizethetemperaturecontrolsystem,thehardwarecircuitincludingtempe

5、rature,temperaturecontrol,temperaturegathering,keyboardinputandRS232interfacecircuits,etc.Thesystemcanrealizethemeasurementfortemperature,andcanaccordingtovalueoftemperatureadjustment,andrealizetheobjectivetemperaturecontrol.Keywords:AT89C51InicrocontrolIer1Temperaturecontrol,BTlOOOtemperaturesensor

6、,PlDalgorithm第一章前言1.1课题背景与意义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，人们都须要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和限制。采纳MCS-51单片机来对温度进行限制，不仅具有限制便利、组态简洁和敏捷性大等优点，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。目前，温度限制系统在国内各行各业的应用虽然已经特别广泛，但从国内生产的温度限制器来讲，总体发展水平仍IH不高，同国外的口本、美国、德国等先进国家相比，

7、仍旧有着较大的差距。现在，我国在这方面总体技术水平处于20世纪80年头中后期水平。成熟产品主要以“点位”限制及常规的PID限制器为主，它只能适应一般温度系统限制，难于限制滞后困难时变温度系统限制，而且适应于较高限制场合的智能化、自适应限制仪表国内技术还不特别成熟，形成商品化并广泛应用的限制仪表较少。随着嵌入式系统开发技术的快速发展及其在各个领域的广泛应用，人们对电广产品的小型化和智能化要求越来越高，作为高新技术之一的单片机以其体积小、价格低、牢毒性高、适用范围大以及本身的指令系统等诸多优势，在各个领域、各个行业应用广泛。1.2温度限制系统的应用盐浴炉温度限制系统利用S型的钱-钱热电偶检测温度，

8、热电偶进行冷端补偿，热电偶检测的信号通过放大、采样保持、模数转换再送单片机保存，采纳分段查表法获得各点温度。选用可控硅过零触发H动限制盐浴炉温度，限制周期为100个三相沟通市电周期，即2s。由单片机限制可按预设温度曲线进行加热，并可实时显示加温曲线。大型粮库采纳主机为PC上位机，从机为68HCO8GP32为主控芯片的分机（下位机）。下位机采纳DA1.1.AS的数字式温度传感器芯片DS1820,可以在三根线（电源线、地线、信号线）上同时并联多个温度探测点。每个分机上可以连接10跟其次章系统方案2.1水温限制系统设计任务和要求设计个水温自动限制系统，限制对象为1升净水，水温可以在肯定范困内由人工设

9、定,并能在环境温度降低时实现自动调整，以保持设定的温度基本不变，系统设计详细要求：温度设定范围为40C,H标温度的5C：加热棒功率2KV,限制器为继电器；用十进制数码管显示水的实际温度.2.2水温限制系统部分水温限制系统是一个过程限制系统,组成框图如图I所示，由限制器、执行器、被控对象其反馈作用的测量变送组成,测量变送试通过温度传感器Ptl(XX)来传送的。限制器是通过单片机来完成，图I限制系统框图CPU中心处理器方案一：采纳8031作为限制核心，运用最为普遍的耦件ADCO804作模数转换，限制上运用对加热棒加电对水槽里的水升温。此方案简易可行，器件价格便宜，但8031内部没有程序存储器需扩展

10、，增加/电路的困难性。方案二：此方案采纳8951单片机实现，可用编程实现各种限制算法和逻辑限制。进行数据转换，限制电路部分采纳SSR固态继电器限制加热棒的通断，此方案电路简洁并且可以满意题目中的各项要求的粘度。比较两个方案可知，采纳Almel单片机来实现本题目，不管是从结构上，逐是从工作量上都占有很大的优势，所以最终确定运用AT8vnZHJd?AGNDCEIUD：VRIlF芝匚TTIDlDGNDGKHJn“图8l)C0804弓I脚图.图9ADC0804限制信号的时序图采桀数据时，首先做处理器执行一条传送指令，在指令执行过程中，做处理器在限制总线的同时产生CSKWRl低电平信号,启动D转换活工作

11、，ADC0804经I(X)US后将输入模拟信号转换为数字信号存于输出锁存器，并在INTR端产生低电平表示转换结束，并通知微处理器可来取数，当微处理器通过总线行询到INTR为低电平常，马上执行输入指令，以产生CS、RD2低电平信号到ADCo804相应引脚，将数据取出并存入存储器中.整个数据采桀过程中，由微处理器有序地执行若干指令完成，ADO8O4的连接图如图100图10AD0804连接图键盘设置电路单片机上的P25口接SI.P26口接S2,P27口接S3。S1：设置温度的十位数：0-9S2：设置温度的个位数：09S3：工作模式选择键，共有两种工作模式：正常工作状态、温度重新设S.系统上电后，数码

12、管全部显示为零，依据按SI次数，十位的数码管依次增加。同样S2,也如此。按S3后，系统起先测温，并与采集的温度进行比较，通过软件来限制加热棒的开关。数码显示电数码管作用的输出器件,和少量字母组统中应用特别最小系统以及DIG(),DIGI、片机的P21、每个都拥有而可以通过单数码管。路为单片机系统最为常在显示时可以由数字合完成输出功能的系便利。图23为AT89C5I一个四位共阻数码管，DlG2、DIG3分别与单P22、P23、P24相连，个共阴的位选端。从片机选通所需显示的ScgA-ScgDp口传输要显示的数据，利用其串/并转换功能，送入数码管显示。在此外接了一个IOK的排阻来爱护1.ED.第四

13、章系统软件设计3.1 程序框架结构一个整体的系统软件设计是由各个在系统里起着不同作用的模块整合在一起，从而实现系统的所耍实现的功能。本系统硬件接口如下：PI-AD：POoP07-1.EDa-1.EDdp.:P25P27-SI-S3：P20-P23-COMI-COM3；此系统包括主限制程序，A/D采样数据处理程序，PlD算法程序，1.ED显示及按键处理程序。结构框架图如图13所示。图13程序结构图主程序模块对子程序模块的调用进行管理，它主要负责初始化IO11:等待键盘的被按下，并调用相应的模块进行处理；在适当的时候接受AQ采样的数据，并与所设定的值进行比较，然后通过调用PID律法处理数据，处理后

14、来限制继电器的通断，从而限制热电管达到限制水温的目的。4. 2程序流程图及部分程序主程序模块由于模块化程序的设计，通过调用程序即可实现所用功能，主程序流程图如图14所示。写程序时,调用程序前即系统运行首要先对系统进行初始化.然后对按键进行扫描，对按健事务做出相应的反应。接下来看是否有温度数据采集到，假如有就进行A/D采样及PlD处理数据，最终所得结果与设定值比较从而限制维电器通断。图14生程序流程图系统初始化系统初始化包括A/D口初始化、按键初始化等。对端口的初始化即是对端口相应位进行设置,这些初始化程序都嵌入在各个子程序里面。按键程序按键扫描：由于机械触点有弹性，在按卜或弹起按键时会出现弹跳

15、抖动过程，从最初按下到接触稳定要经过数本秒的弹跳时间，因此为了保证探险键识别的精确性，必需消退抖动。键值处理：图15是对键值的处理流程图.4.2.3A/D采样数据处理当采样到温度数据时，为了防止在采样过程中外界干扰而造成采样数据的不精确,必需调用温度均值处理程序，然后确定温度系数使采样转换得到的电压信号转换成温度（ft,并进行十进制转换，用于显示和PID计兑,其中均值处理是个重要的环节，是JVD转换前必不行少的工具，流程图如图16所示。图15堆值处理图16A/D转换流程图4.2.5PlD计算由于单片机限制是一种采样限制，系统中PlD调整规律可通过数值公式近似计算.=KJ。+J-心）+,G1（式

16、4-1）m.I=k-I+7+AI+1.i,（4-2）由此可得增域式算法公式：（式4-3）=K,Kc-4_|）+法+（e,-2e,+e,-JJ=Kpe,+IelDArei（A4-4）=Kl.ei+Kiei+Ktlei这个计算的过程可用一个简洁的程序来实现。继电器限制继电器是和AT89C51单片机的P25口相连的，它的开断完全取决丁P25口的输出，即PII）计算的结果“当输出小于零说明设定值小丁实际输出值，这是就要关闭电炉，同时关闭定时器的计时。假如输Hl值大于设定值5摄氏度时就可以开电炉对水起先加热。假如设定值与实际输出值差值在5摄氏度以内时，我们就调用中断程序定时加热。图17数据采样中断服务程

17、序的流程图，此中断程序采纳的是2Hz中断定时0.5秒钟采样一次。图18限制程序的中断眼务程序，用来对继电器定时加热0它利用中断定时器IOmS确定加热时间，当加热时间未到时，接着时间累枳,若加热时间到时,就调用关定时器子程序,停止计时。图17数据采样中断程序流程图图18限制程序中断程序流程图单片机最小系统在以单片机为限制核心的限制系统中，单片机担负着接受外部信号，发出限制指令等重要作用，是构建限制系统的前提,所以在起先直流电机限制系统的设计之前必需首先搭建起一套能正常工作的雎片机最小系统。最小系统是实现试脸的一个最基本的关键环节，它的好坏确定了一个系统的好坏，所以说最小系统是单片机里最基本的系统

18、，也是重:要的系统。4.3系统安装调试与测试1测触点电阻用万能表的电阻档，测量常闭触点与动点电阻，其阻值应为0：而常开触点与动点的阻值就为无穷大。由此可以区分出那个是常闭触点，那个是常开触点。经测试本系统运用的维电器为常开式。2测线图电阻可用万能表RX200Q档测量继电器线圈的阳值，从而推断该线圈是否存在着开路现象，3测量吸合电压和吸合电流找来可调稳压电源和电流表，给继电器输入一组电压，且在供电回路中串入电流表进行监测。渐渐调高电源电压，听到维电器吸合声时，登记该吸合电压和吸合电流.为求精确.可以试多几次而求平均值.4测量释放电压和释放电流进行连接测试，当继电静发生吸住后，再渐渐降低供电电压，

19、当听到继电器发生将放声音时，登记此时的电压和电流，亦可尝试多几次而取得平均的解放电压和择放电流。一般状况下，维电器的解放电压约在吸合电压的IO5O%,假如释放电压太小（小于1/I0的吸合电压，则不能正常运用了，这样会对电路的稔定性造成或逼，工作不行靠.第五章结论此课程设计是水温限制系统，首先是方案的选择，这是课程设计的最主要的环节。然后进行软件编程，通过数据线连接电脑下载编好的程序，进行调试。再接下来是添加单元电路，并进行调试。调试过程中，遇到不少问题，主要是阅历不足，经过不停的摸索，问题基本上得到了解决。我也懂得了系统要有良好的限制效果，其前端采集温度信号须要足够精确，其次系统的构成要简洁好

20、用，实时监控系统状态参数，并且运用多种算法使得数据更为接近真实值。此次系统设计中主要难题为限制系统输出限制和PlD控件，系统PlD输出为模拟信号而该系统的限制对象为一加热棒，因此一般的执行器无法满意限制需求，而运用一般的触点式继电器会因频繁开关而产生电弧，可能导致事故发生。所以在系统执行部分选取了SSR固态继电器作执行部件，从而克服了触点式继电器的不足。PlD控件的难题在于参数整定，刻于本系统来说参数整定只能运用阅历凑试，而且调试的时候肯定要耐性。总的来说通过这次设计试验，学到了许多东西，无论是动手实力，分析问题的实力都得到了提高，重要的是建立了对电子设计爱好。最大的体会还是理论运用到实践还是

21、有很大差距，理论学得再好到了实际运用的时候还是会出现许多问题，这些问题通过多实践积累阅历可以得到解决O致谢人间五月天，新柳梳妆小池边，细雨点洒在花前。完成这篇课程设计时，心中没有成就感，却徒添几分歉疚。这篇别业设计从选题到完成初稿，历时近5个月，还记得元月定选题时，我对于我要做什么、怎么做一片茫然，到今日看到成篇的文字时，几许释然。人都说一生中最美妙的时间是在高校校内，三载光阴似水而过，来不及回忆却叫时间冲淡了酸甜苦辣，带走了悲欢离合。我们最热忱最美妙的时间，就像这人间五月天，有着最绚丽的风景、最多情的细雨、最暖和的和风，也有着最短暂的花景、最感伤的泥泞、最健忘的飞絮。转瞬间，夏来了，它“烤”

22、验万物，一如人生，起先接受最大的生存考验，用完最热情的青春去换取一个将来祥和的秋、暖和的冬。从学校走入社会，亦如从春到熨。特别感谢在我结束学校生活最终是一段时间了张老师对我的学习和毕业设计上的帮助，在这里真心的说一句：老师，您辛苦了。参考文献口黄智伟.全国高校生电子设计竞赛电路设计.北京：北京航天航空高校出版社，20072黄智伟.全国高校生电子设计竞赛技能训炼.北京：北京航天航空高校出版社，20073黄智伟.全国高校生电子设计竞赛制作实训.北京：北京航天航空高校出版杜，20074津浩强.C程序设计.北京：清华高校出版社，20025胡寿松.自动限制原理(第四版).北京：科学出版社，2000,P2

23、20236附件1(程序代码)：include#includc#dcfineuintunsignedint#defineucharunsignedcharsbi(SI=P25;sbitS2=P26;sbitS3=P27;unsignedGctCh(void)unsignedchars=().k=0：if(!S)s=l;对于不同按键按下给予不同数值，以供后面程序推断if(!S2)s=2;if(!S3)s=3;k=s;if(三)whilc(三)(delay(1(X)0);s=0;if(!Sl)s=1;if(!S2)s=2;if(!S3)s=3;rclumk;I以下是A/D传换程序/=voidSyst

24、cniJniiial(void)(CS=1;WR=1;RD=I;)voidGclAD(Void)CS=O;nop();空操作WRI=0;DeIay(KX):WRI=1;nop();CS=1;WhiIc(JINTR);nop();CS=O;nop();RDl=0;11op();dat=P2;RDl-1;nop();CS=I;ch=dat;/ch是全局变量intadc_data;if(G_ADC_flag)/推断是否有温度采样I.有0,无G_ADC_llag=O:adc-data=adc_data_cinp();adc.data/=SET_ADC1.TIME:计算温度平均值if(adc_data0

25、x0255)K=0.079;确定烟度系数elseK=0.076;tT=adc_data*K;换算成温度值将温度值转换成十进制用于1.ED显示gui1.ED.ValuclO=(int)fTO;gui1.ED_Value(11=(ini)f%10;gui1.ED_Vahic(2=(intXfIO)%JO;stPID.Proportion=1;设置PID比例值SiPIDJntegral=0.5;/设理PlD枳分值SlPID.Dcrivaiivc=0.0;/设置PID微分值Out=100+PlDCalc(stPID.(intf*10);/PlD计算)=函数：intadc_data_cmp()语法：in

26、iadc_daa_cmp()描述：ADC采样数据的均值处理，抗干扰作用参数：无返回：无intadc_data_cinp()intmax;intmin:intSum;inii;max=DC-DataSave(O:fbr(i=0;inax)max=ADC?_DataSave|i);)min=ADC_DalaSaVei:fbr(i=0;i10;i+)if(ADC-DataSavcimin)min=DC-DataSavei:)forti=0：iSetPoint*IO-NcxtPoint;/偏差p-SumError+=Eor;积分dError=-1.astError-pp-PrevError;/当前微分

27、pp-PrcvError=pp-1.astError;p-1.astError=Error：return(pp-Proportion*Error/比例项+pp-lntcgral*pp-SumError/枳分项+pp-Derivative*dErrorH微分项)继电器限制子程序=：函数：VOidaCIiVeO语法：voidactive描述：PlD输出值的处理参数：无返回：无/=voidactivc()if(Out30*stP!D.Proortion)-温度低于设定值2摄氏度tum_on_rclay();开电炉加热elseturn_on_relay();SP_INT_TIMEBO)初始化定时器，起

28、先定时加热J)=-=函数：主程序语法：ininain(void)描述：键盘扫描、温度限制参数：无返回：无/=ininain(void)intKcyVaIuc;status=IemPerature_set：SyStenUnmaI();PIDJnitiaK);/PID初始化while(1)KcyValuc=Gc(Ch();键盘扫描、去抖动处理、取键值kcy_valuc_proccss(KcyVaIuc):键值处理if(status=temerature-control)display_ADjcmpcraturcO;测量温度显示、PID计兑if(Out=0)tum_off_timer();I)附件2（电路原理图）：