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完整毕业论文 智能温度控制电路设计完整毕业论文智能温度控制电路设计2011-06-21 16：52智能温度控制电路设计摘要温度参数是工业生产和社会生活中常见的被控参数，在各种领域中温度控制占有重要比例，因此温度的测量与控制在生产过程自动化中占有很大比重。本文介绍的电路由单片机AT89C51控制实现对温度信号的检测与数据处理。该电路主要由下面三个部分组成：温度检测、信号处理、信号转换与温度控制。温度检测电路的核心是温度传感器AD590，AD590具有抗干扰能力强、线性好等优点；采集的信号经过调零、放大处理后送入AD转换器，AD转换器使用的是CDA0804；单片机AT89C51作为测量与控制核心使整个电路简单、紧凑，且具有智能性；温度显示部分采用三个数码管可以直观显示温度值；通过4*3键盘与74c922设定目标温度。该电路完全能够实现温度检测和控制的功能，同时还可以根据生产需要输入设定值。关键词：传感器单片机温度控制A/D转换The Design of Intellectual Temperature-control Circuit ABSTRACT In industrial production and social life,temperature parameter is common control parameters,which possess an important position,so the measurement and controls of the temperature are one of the important missions of the production line automation.The text mainly introduce the data control and deal to the temperature which is realized by AT89C51 single chip computer.The system is consist of those parts：temperature measurement,signal processes,signal reservation,temperature control.AD590 sensors,which have ahigh ability VS disturbance,and good linear character realize temperature measurement.Gathered signal is delayed to AD translators after rectified and amplified.AD translator is CDA0804,as ameasurement and control core,single chip computer AT89C51 can make the whole circle simple,compacted,intellectual and the AT89C51 single chip computer has ahigh compatibility which make the temperature control to be realization.The display party of temperature can be read directly by three digital lights.4*3 keyboards and 74c922.Above all the system can realize the temperature measurement and control function,and at the same time can input the given value according to the production give the bottom temperature.Key words：Sensor Single chip compute Temperature control AD translator目录一引言1二电路设计2 2.1信号检测2 2.1.1温度传感器AD590介绍2 2.1.2信号检测电路3 2.2信号处理3 2.3模数转换4 2.4温度显示与控制6 2.4.1单片机ATC89C51介绍7 2.4.2温度显示电路7 2.4.3温度的设定与控制8三软件设计10 3.1程序设计思路10 3.2程序的具体实现11四电路调试13五结论14谢辞15参考文献16附录1程序清单17附录2总电路图21一引言温度是工业生产中最基本的工艺参数之一，任何化学反应和物理变化的进程都与温度密切相关，在各种领域中温度控制占有重要比例。被广泛应用于电力、石油、化工、造纸、酿造和食品等工业自动化领域。采用单片机进行的温度控制可以大大提高控制质量和自动化水平，从而实现自动化和智能化，并且具有良好的经济效益。由于智能温度控制的特点，日益广泛深入到各个应用领域。目前先进的温度检测与控制系统是以单片机为核心的温度控制装置。与手控式和电子式温度控制相比单片机温度控制装置有很多优点。本课题利用温度传感器采集温度信号，经过该系统转换后，通过数码管显示温度值，并可实现温度控制的功能，同时还可以根据生产需要输入设定值。本课题主要包括温度信号检测、信号处理、温度显示与控制。二电路设计本课题主要介绍由单片机实现对温度数据处理与控制。利用温度传感器采集温度信号，通过调零、放大，然后经过模/数转换送入单片机进行处理，使用数码管显示温度值，同时还可以根据需要输入设定温度值来实现控制功能。本电路主要包括以下三部分：温度信号检测、信号处理、温度显示与控制。本课题所介绍的温度检测控制系统中，单片机AT89c51是控制的核心，温度传感器、放大器和A/D转换器组成了系统的测量、处理电路。温度传感器使用的是AD590,所得到的信号经过电压变换、调零和放大后送入A/D转换器,转换后送入单片机进行数据处理，最后驱动LED显示温度的实际值，温度的控制是通过比较测得的温度值与设定温度值来实现的，如果温度高出、低于设定温度值，则分别发出两种不同的控制信号。系统总框图如图2-1。2.1信号检测温度传感器能将温度相关的信息转换成电信号(电流或电压)。本系统使用AD590检测温度，AD590温度电流曲线具有良好的线性，比同类传感器有很大优势，因此使用AD590可以很精确的测量外部温度。2.1.1温度传感器AD590介绍温度传感器AD590是利用PN结的正向电流与温度的关系构成的电流输出型温度传感器。其特性参数如下：(1)线性电流输出：1A/K,正比于绝对温度。(2)测温范围：-55+150(3)精度高：激光校准精度到0.5(AD590M)，AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高。(4)非线性误差：满量程范围内0.3(AD590M)(5)电源范围宽：+4v+30v。其输出特性为：(2-1)可见，AD590的输出电流Io与绝对温度T成正比。r5、r6为AD590的内阻，经激光修正灵敏度为1A/K。那么，在摄氏温度下其输出电压为：(2-2)式中：t为被测摄氏温度值，R为串联电阻阻值。2.1.2信号检测电路本课题采用AD590温度传感器来检测温度信号，信号检测电路如图2-2。图2-2温度信号采集电路AD590与6.8K电阻和滑动变阻器VR1串联，调节VR1使AD590等效于同一个10K电阻串联，由AD590特性可知：当温度变化1时，AD590的输出电流变化1A,则电压信号变化10mV。把数值代入2-2表达式可得输出电压：(2-3)t为被测摄氏温度值。2.2信号处理从图2-3可以看出信号的处理电路由三部分组成：OPA1为电压跟随器、OPA2为调零电路、OPA3为放大电路。OPA1的作为电路跟随器，起阻抗匹配的作用。其输出端电压仍为输入端电压为：(2-4)OPA2为减法器，起调零作用，电路中50K可调电阻作用是：调节阻值使其输出电压为2.732V，与AD590传感器0时输出的电压值相等。由电路图2-3可以推知：(2-5)OPA3为放大电路，本电路设为5倍系数放大。(2-6)将数值代入式2-6中可得：t为被测摄氏温度值由上述结论可知：温度每变化1则OPA3输出电压变化0.05V。2.3模数转换模数转换就是将连接变化的模拟量转换为离散的数字量，是一种将模拟波形转换为二进制格式的过程。实现该功能的电路或器件称为模数转换电路，通常称为A/D转换器或ADC(Analog Digital Converter)。A/D转换的方式分为：1、计数器式A/D转换2、逐次逼近型A/D转换3、双积分式A/D转换。在这些转换方式中逐次逼近型A/D转换既照顾了转换速度，又具有一定的精度，所以选用具有逐次逼近型A/D转换结构的ADC0804作为本电路的模数转换器件。ADC0804用8位的二进制数(也就是十进制的0-256)来表示输入正负输入端电压差的变化。在A/D转换器内部有一个高阻抗斩波稳定比较器，一个带模拟开关树组的256电阻分压器，以及一个逐次逼近型寄存器。8路的模拟开关的通/断由地址锁存器和译码器控制，可以在8个通道中任意访问一个单边模拟信号。引脚结构图见图2-4。图2-4 ADC0804引脚图各引脚功能分别为：芯片选择信号。：外部读取转换结果的控制输出信号，为HI时，DB0DB7处理高阻抗：/RD为L0时，数字数据才会输出。：用来启动转换的控制输入，相当于ADC的转换开始(=0时)，当/WR由HI变为L0时，转换器被清除：当回到HI时，转换正式开始。CLK IN，CLK R：时钟输入或接振荡元件(R，C)，频率约限制在100KHz1460KHz，如果使用RC电路则其振荡频率为。：中断请求信号输出，低电平动作。，：差动模拟电压输入。输入单端正电压时，接地；而差动输入时，直接加入，。AGND，DGND：模拟信号以及数字信号接地。VREF：辅助参考电压。DB0DB7：8位的数字输出。VCC：电源供应以及作为电路的参考电压。AD转换电路连接图如图2-5所示。图2-5 AD转换电路连接图A/D转换的过程：当A/D转换器接到启动脉冲后，在时钟的作用下，控制逻辑首先使N位逐次逼近寄存器的最高位Dn-1置1。经D/A转换器转换成模拟量Vc后，与输入的模拟量Vx在比较器中进行比较，由比较器给出比较结果。当VxVc时保留这一位，否则，该位清零。然后使第Dn-2位置1，与上一位Dn-1一起进入D/A转换器经D/A转换后的模拟量Vx再次与模拟量Vx进行比较。如此继续下去，直至最后一位D0比较完成为止。此时，N位寄存器中的数字量即位模拟量所对应的数字量。当A/D转换结束后，由控制逻辑发出一个转换结束信号，以便告诉微型机算计，转换已经结束，可以读取信号数据。因为数字信号每变化一个数值代表电压变化，换算成温度则约为每单位数值。即ADC0804所读入的数位值乘于0.39为实际温度值，其关系式为：(2-7)2.4温度显示与控制温度显示与控制系统主要由单片机应用电路、LCD显示接口电路、键盘电路组成。其中单片机应用电路是系统工作的核心，它主要负责控制各个部分协调工作。由于系统接口较多，因此使用此单片机作为本系统的主控CPU，使开发速度大大提高。温度显示是通过单片机ATC89C51为核心控制数码管显示的。温度的控制是通过比较检测的温度值与设定温度值来实现的，使用74c922与4*3键盘配合设定温度目标，通过软件的程序控制，如果温度高出、低于设定温度值，则分别发出两种不同的控制信号，启动相关设备。2.4.1单片机ATC89C51介绍单片机ATC89C51主要由以下几个组成部分：专为控制应用所设计的8位中央处理器，具有32个双向且被独立的寻址的I/O口，芯片内有128字节可供储存数据的RAM。内部两组定时器，具有全双工的传输信号UART。具有五个中断源，两个优先级的中断结构。内部有4KB的程序存储器ROM；时钟振荡电路；程序存储器和数据存储器并可以扩展到64K。ATC89C51有四个I/O口，P0、P1、P2、P3，4个口都是双向的且每个口都具有锁存器，每个口都8条线，共计32条I/O线。PO口有三个功能：(1)外部扩充存储器时，当作数据线(D0D7)(2)外部扩充存储器时，当作地址总线(A0A7)(3)不扩充时，当作一般的I/O使用，但内部无上拉电阻，作为输入输出时应在外部接上拉电阻。P1口的功能：只做I/O口使用，其内部应有上拉电阻P2口的功能：(1)扩充外部存储器时，当作地址总线使用。(2)作为一般I/O口使用内部有上拉电阻。P3口有两种功能：除了做I/O使用外，内部有上拉电阻，另外还有一些特殊功能，具体如表2-1所示。表2-1 AT89C51引脚功能表端口引脚特殊功能P3.0 RXD(串行输入口)P3.1 TXD(串行输出口)P3.2/INT0(外部中断)P3.3/INT1(外部中断)P3.4 T0(TIMER0的外部输入脚)P3.5 T1(TIMER1的外部输出脚)P3.6/WR(外部数据存储器的写入控制信号)P3.7/RD(外部数据存储器的读取控制信号)2.4.2温度显示电路在单片机系统中，通常用LED数码显示器来显示各种数字或符号。由于它具有显示清晰、亮度高、使用电压低、寿命长的特点，因此使用非常广泛，所以本设计显示电路主要是由LED数码显示器和74LS47译码器以及单片机ATC89C51组成。电路连接图如图2-6所示。图2-6温度显示电路连接图LED显示器有静态显示和动态显示两种方式，在多位LED显示时，为了简化电路，降低成本，采用动态显示。本电路采用动态显示，将所有位的段选线并联在一起，由一个8位I/O端口控制，而共阴极或共阳极点分别由相应的I/O端口线控制。八段LED显示器由8个发光二极管组成。基中7个长条形的发光管排列成日字形，另一个贺点形的发光管在显示器的右下角作为显示小数点用，它能显示各种数字及部份英文字母。本课题所采用的是共阳极LED，所谓共阳极LED就是8个发光二极管的阳极都连在一起的。当二极管导通时，相应的笔划段发亮，由发亮的笔划段组合而显示的各种字符。8个笔划段hgfedcba对应于一个字节(8位)的D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0,于是用8位二进制代码就可以表示欲显示字符的字形代码。2.4.3温度的设定与控制本电路应用74c922与4*3键盘配合实现对温度的设定。74c922主要引脚及功能如下：X1X4：列Y1Y4：行X1 X2 X3 12 34 56 78 9*0#OSC接振荡电容0.01uF，以便扫描矩阵键盘；KM电路用来消除键盘抖动，并发出两种信号(1)内部计数器停止(2)使DA脚(未按键盘保持在LO电平)变为HI电平时，若按键放未放开会一直保持HI电平，而当按键放开才转化为低电平，接一个电容是OSC电容的10倍。DA数据有效信号。电路连接如图2-7所示。图2-7键盘连线接电路图本电路将键盘扫描交给74c922，简化了软件程序，只要检测DA脚LOHI(按)HILO(放)，就将74c922D、C、B、A读入AT89C51。749c22的每个键位数值是固定的，只要建立一个TABLE表，就可以设计各种键盘。另外，对温度的控制是通过比较检测温度与设定温度来实现的，当检测温度超出设定温度时输出信号，停止加热；当检测温度低于设定温度时输出相反信号，开始加热。三软件设计硬件电路为单片机的工作提供了基础和条件，但要使其有效工作，还必须有软件的配合。单片机AT89C51与8051指令完全兼容，所以采用51系列单片机的专用语言便可完成语言的编译。本程序完成的主要功能是：采样、信号的处理、判断比较(将实际值与ROM中的设定值相比较，看是否高出或低于设定值)、自动控制。3.1程序设计思路完整的程序流程图如图3-1。图3-1程序流程图由于数据采集部分由硬件AD590通过运算放大把信号输入到ADC0804，ADC0804将输入信号转化成对应的二进制数，因此程序只需通过控制ADC0804的/rd和/wd端来读取二进制即可。程序每隔50ms将当前温度值与设定值比较一次，当小于设定温度值时发出控制信号，即p2.1是0，该思路可用定时器T0来完成，比较判断是否控制信号为判断子程序中的内容。设定温度下限部分，由于硬件通过74c922来输出对应的按键值，因此该程序只需读取该值，然后转换成对应的十进制数即可。显示部分：通过动态扫描实现，具体实现为当通过p1口送入数据时需将相应的控制数码管的三极管导通，即将p1.4或p1.5轮流置1即可。3.2程序的具体实现程序具体实现分为以下几个步骤：(1)初始化将用到的RAM单元30H到35H清零，其中30H用来存放当前温度的个位数，31H用来存放当前温度的十位数，33H用来存放设定温度的个位数。34H用来存放设定温度的十位数，设置定时器工作在T0模式，并设定TH0、TL0的初值。(2)主程序循环部分启动ADC0804开始转换，即令/wr=0。本程序是利用movxr0,a来实现的，当执行该语句时，单片机的/wr置0，然后向p0口输出数据。判断是否按了键，如按则转到显示设定温度子程序。然后检测AD转换是否完成，由于启动ADC0804后，当数值转化完成时，在INTR端发出低脉冲，因此单片机只有在接收到该低电平后才开始读取ADC0804的数据。调用二进制转换子程序，将读取的二进制数转换成数存入30H，31H。调用显示子程序，然后延时扫描，再返回。(3)二进制转换成十进制子程序利用DA调整指令来完成二进制到十进制的转换。具体的实现方法请参见程序。(4)设定温度子程序该部分在33H,34H中，可通过三条指令mov a,20H；xch A,33H；xch a,34H(20H为按键数值的暂存地址)来简洁而方便的完成。(5)显示子程序利用R1要存放显示数值的地址，这样可方便的通过MOV A，R1；ADD A，#20H，来完成的，即将P1.5口置1,且保持P1口低四位不变，同理加载输出个位数，为保证数码管显示亮度，每加载一次输出显示后要有一定的延时时间1.5ms左右即可。(6)T0中断子程序进入中断后重新转载初值，然后比较十位数，用MOV a,34H；CJNZ A,T当A=31H时，c=0,否则c=1.同理用相同方法判断个位数。当现在温度大于设定温度时将P2.1口置1,否则清零，最后中断返回。(7)延时子程序为使数码管显示一定时间，保证足够的亮度而设计。(8)Table表：为了将键盘的值转换成对应数字值。四电路调试参考电路原理图，检查是否存在装配失误，无误后使用电压表、电流表检查电路是否存在虚焊的现象。一切正常再进行电路调试。首先调试温度检测部分，实验中测得AD590实际输出电压跟理论输出电压有明显的差别，实际输出电压高于理论算得的电压值，经不断分析测试可作如下总结：由于系统本身工作产生热量，使得AD590所测温度高于环境温度，但从多组实验数据中对比可以看出，实际电压值与温度依然呈线性关系变化。解决这一问题方法：可以每间隔一段时间调整一次电路中的VR1值来减小这种误差。另外电路调试还包括调节电路中的两个滑动变阻器VR1，VR2使采集温度值与最终输入到ADC0804中的电压值相对应。具体调试方法：室内很难形成有利于调试电路的温度值，假设当前室内温度恒定20，采用20为基准温度来调节VR1，VR2的大小，首先，当检测温度为20时，理想状态下OPA1的输入端应为2.732+0.2=2.932V，所以调节VR1使OPA1的输入端为2.932V，然后相应的调节VR2，使其输出端为2.732-2.932=-0.2V，经运算放大器A3放大5倍反向后输出电压为1V，数码管显示的温度为20，则完成了对VR1、VR2的调节。其次，调试4*3键盘的可用性，进行温度设定时，键入*就进入设定模式，其自带显示器显示000，开始键入设定温度，设定完成手按*，完成温度设定，说明4*3键盘可用。五结论本设计采用了现在广泛使用的单片机技术为核心，软硬件结合，使硬件部分大为简化，提高了系统稳定性，并采用LED数码显示器显示、键盘设定温度值装置使人机交互简便易行，较为有效地完成了题目的要求，能够精确的显示温度并且现实便捷的设定目标温度达到自动控制的功能。在对温度检测方面，本电路初步设置的温度存在下限，外界温度不得低于0。若需要检测低于0的温度，则要调整VR2大小使其改变输入到OPA2的电压值来实现。本设计也存在不足之处，例如硬件电路在长时间工作会产生热量，使得AD590所测温度与环境温度不相等，所以要及时调节电路中滑动变阻器减小误差。谢辞在整个设计过程中，都得到了周颖昌老师耐心的指导和帮助，周老师严谨的工作作风使我终身受益，必将在今后的工作和生活道路上激励我不断进取。周老师还为我提供了大量与毕业设计相关的书籍资料，使我了解和掌握了更多的知识，提高了理论联系实际的能力，也锻炼了我的动手能力。同时也要感谢实验室的其他同学，这段美好的日子将使我永远难忘。最后再次对帮助过我的周颖昌老师和各位同学表示深深的感谢！参考文献1孙涵芳徐爱卿.MCS-51/96系列单片机原理及应用，北京航空航天大学出版社，2004.7：63-922潘新民王燕芳.微型计算机控制技术,电子工业出版社，2005：23-613何希才.传感器及其应用电路,电子工业出版社,2001.3：7-464杨帮文.新型集成器件实用电路，电子工业出版社，2002：52-635童诗白.华成英.模拟电子技术基础,高等教育出版社,2000.3：310-3456何立民.单片机应用技术选编,北京航空航天大学出版社,1993.2：1-367任致程.经典智能电路300例,机械工业出版社,2003：143-1808黄胜军.微机计算机控制应用实例集,清华大学出版社,1987：157-1699胡寿松.自动控制原理,科学出版社，2001：1-3010Sergio Franco,Design with Operational Amplifiers and Analog Integrate Circuits.2002：1-49附录1程序清单：ORG 00H JMP START JMP TIME0 start：mov tmod,#01h mov th0,#0D6h mov tl0,#00Ch setb tr0 mov ie,#82h mov r4,#06h mov r0,#30h clear：movr0,#00h inc R0 djnz r4,clear start0：movxr0,a wait：jb p3.4,keyin jb p2.0,adc jmp wait adc：movx a,r0 call l1 mov 21h,#10h disp1：mov r1,#32h call disp djnz 21h,disp1 jmp start0 l1：clr cmov r5,#00h mov r4,#00h mov r3,#08h next：rl amov r2,a mov a,r5 addc a,r5 da amov r5,a mov a,r4 addc a,r4 mov r4,a mov a,r2；djnz r3,next Mov r7,#02 l2：mov a,r5 add a,r5 da amov r5,a mo