数字温度控制器的设计

数字式温度控制器的设计 2013 2014 学年 第 2 学期 数字式温度控制器的设计 课 程 设 计 报 告题 目： 数字式温度控制器的设计 专 业： 11电气工程及其自动化 班 级： 2 姓 名： 指导教师： 电气工程学院 2014年 6 月 2日数字式温度控制仪 摘 要温度是工业生产和科学实验中的重要参数之一。在化工、 冶金、 医药、 航空等领域里，对温度的控制效果直接影响到许多产品的质量及使用寿命，因此，温度控制成为各个领域中的一项关键技术。温度控制的关键在于测温和控温两方面，温度测量是温度控制的基础。在温度测量方面，技术己经比较成熟，由于控制对象越来越复杂，而在温度控制方面，还存在着许多问题，人们还在寻找着更好的控制方法以提高控制性能，满足不同的控制要求。随着时代的进步和发展，单片机技术已经普及到我们生活，工作，科研，各个领域，已经成为一种比较成熟的技术,本文将介绍一种基于单片机控制的恒温锅炉烧水控制系统。本系统以AT89C51单片机为控制核心，采用闭环控制装置，可自动控制要求环境下的温度，使被控对象温度保持在恒定的范围内。本系统温度信号由数字温度传感器DS18B20采集，送AT89C51单片机进行处理，并通过数码管显示。当温度低于或者高于设定值后，单片机将发出控制信号控制温度控制系统的通断电状态，以实现将温度稳定在目标温度至附近的要求。关键词：单片机;闭环控制;DS18B20;温度;数码管目 录数字式温度控制仪3摘 要3第1章 系统原理分析51.1 主要研究内容与技术指标5 1.1.1 主要研究内容5 1.1.2 主要技术指标51.2 总体设计方案6 1.2.1 方案的提出6 1.2.2 总体设计框图61.3 系统工作基本原理6 1.3.1 PID算法6 1.3.2 DS18B20温度传感器工作原理7第2章 系统硬件设计72.1 数码管显示模块72.2 键盘输入模块82.3 温度采集模块82.4 温度控制模块92.5系统总电路图9第3章 系统软件设计103.1 主程序流程图103.2 采样子程序流程图113.3 显示子程序流程图123-3显示子程序133.4 控制子程序流程图14第4章 系统总仿真图及其结果154.1数码管显示模块仿真154.2温度采集模块仿真15结论16参考文献16第1章 系统原理分析1.1 主要研究内容与技术指标1.1.1 主要研究内容熟悉和掌握单片机的结构和工作原理，了解以单片机为核心的电路设计的基本方法。设计一个能够显示当前温度和目标温度的温度控制系统。1.1.2 主要技术指标 1、通过温度传感器采集烧水炉中的当前温度值，并在LED数码管上显示出当前烧水炉内的温度值。2、设定键盘给定，通过按键给定要控制的烧水炉中的目标温度，该设定值也可显示在LED数码管上，与测量值轮流显示。3、设计控制电路，对烧水炉的通断电状态进行自动控制，采用通断控制电路，控制占空比。实现PWM控制算法，使烧水炉中的温度稳定在设定值。4、控制参数：温度测量范围为3090度，测量精度为0.5度。1.2 总体设计方案1.2.1 方案的提出考虑到用温度传感器，在单片机电路设计中，大多都是使用传感器，所以这是非常容易想到的，所以可以采用一只温度传感器DS18B20，此传感器，可以很容易直接读取被测温度值，进行转换，就可以满足设计要求。同时本系统采用AT89C52作为温度控制系统主控单元。AT89C52是一种带4 kB闪存可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能CMOS的8位微处理器。指令系统和引脚与典型的MCS-51系列完全兼容，方便软件的编写。系统整体电路包括：主控电路、键盘输入、数码管显示、控制输出、控制对象。1.2.2 总体设计框图温度控制电路设计总体设计方框图如图1-1所示，控制器采用单片机AT89C52，温度传感器采用DS18B20，用6位LED数码管实现测量温度显示与目标设定温度显示功能，用43矩阵键盘对目标温度进行输入设定。DS18B20温度传感器43矩阵键盘AT89C52单片机6位数码管显示控制输出控制对象信号处理 图1-1 数字式温度控制仪总体设计框图1.3 系统工作基本原理1.3.1 PID算法在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制。工业控制算法常用位置型PID算法，经离散化后的算式为 式中，U(n)为第n个采样时刻控制器的输出量，e(n)第n个采样时刻的偏差值，为比例系数，为积分作用系数，为微分作用系数。由于位置式算法每次输出与整个过去状态有关，算式中用到过去偏差的累加值 ，容易产生较大的累计误差。而增量式中只需计算增量，算式中不需要累加，控制增量的确定仅与几次偏差采样值有关，当存在计算误差或精度不足时，对控制量计算的影响较小，且容易通过加权处理获得较好的控制效果。由于计算机只输出控制增量，所以误动作时影响较小，且必要时可用逻辑判断的方法去掉，对系统安全运行有利。1.3.2 DS18B20温度传感器工作原理DS18B20的测温原理是这这样的,器件中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器；高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器的脉冲输入。器件中还有一个计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将55所对应的一个基数分别置入减法计数器、温度寄存器中，计数器和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器计数到0时，停止温度寄存器的累加，此时温度寄存器中的数值就是所测温度值。其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数器门仍未关闭就重复上述过程，直到温度寄存器值大致被测温度值。第2章 系统硬件设计2.1 数码管显示模块 本系统采用6个共阴极8段数码管对采集到的温度值以及键盘输入的目标值进行显示，接口电路如图2-1所示。其中74LS373锁存器起到对输出数据所存的作用，74LS138则是将P22、P23、P24三个管脚输出数据进行译码转换为8位数据，控制数码管DPY端。2.2 键盘输入模块此模块采用10个按键，分别可以输入0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、这10个数值以满足通过键盘输入目标温度设定值的任务要求。2.3 温度采集模块温度采集模块采用DS18B20这款温度传感器。2.4 温度控制模块温度控制模块由继电器控制电源对烧水炉中加热部件通断电的控制。2.5系统总电路图第3章 系统软件设计硬件是控制系统的物质基础，是软件赖以生存的空间和场所；同时软件是硬件的灵魂，其逻辑关系是否正确关系到整个系统是否正常工作。软件的编写一般分为两步。第一步：根据系统的要求与既定方案来设计控制流程图，这样会使程序的编写更具方向性与目的性。第二步：参照流程图编写相应的程序。下面简单的介绍下该系统的流程图。3.1 主程序流程图系统的主程序包括系统的初始化子程序、采样子程序、显示子程序、控制字程序等。主程序流程图如图31所示初始化子程序采样子程序控制字程序显示子程序开始图3-1 数码管显示模块3.2 采样子程序流程图这是该控制系统软件比较核心的一个子程序。它涉及定时器的定时，温度的采集，对照等环节，采样子程序流程图如图3-2所示开始定时器T0初始化T0定时开始温度采集T0定时到？比对温度输出温度值返回NY 图32 采集子程序3.3 显示子程序流程图该系统的LED显示根据实际需要采用的是动态显示方法，这样可以节省I/O口资源。显示子程序流程图如图3-3所示。开始取温度采样值选通百位LEDTemp10Temp/100百位LED显示延时关断百位显示百位置零选通十位LEDTemp10Temp/10十位LED显示延时关断十位显示十位置零选通个位LEDTemp%10个位LED显示延时关断个位显示NYYN图3-3显示子程序3.4 控制子程序流程图当需要将烧水炉的温度稳定在某一设定值范围时，这就需要设计一个控制电路对电源进行控制，从而实现对烧水炉的间歇性加热。控制字程序流程图如图3-4所示开始取温度采样值关断电源接通电源大于设定值？小于设定值？返回YYNN图3-4 控制子程序 第4章 系统总仿真图及其结果4.1数码管显示模块仿真4.2温度采集模块仿真结论本设计以AT89C51单片机为系统控制核心，通过DS18B20温度传感器采集烧水炉内温度值，并通过数码管显示出来。该系统能够以预先设置好的目标温度值为标准，自动开通和关断烧水炉的加热电源，从而使烧水炉内的温度值稳定在设定值的范围内。此次课程设计时间非常紧迫，对于单片机还不熟悉的我们来说实在是非常大的挑战，我和组员们去图书馆借相关方面的书籍来进行参考，自学Proteus和Keil软件来对课题进行绘制和仿真，期间遇到很多困难。我们查书籍问百度一步步的将问题解决，感觉到了大家的团结和努力，也颇有成就感。通过此次课程设计我体会到独立思考是非常重要的，团队合作也是必不可少的，收获良多，是一次难忘而宝贵的经历。参考文献1 张俊谟，单片机中级教程：原理与应用（第二版） 北京：北京航空航天大学出版社。2006.10 2 王港元，电工电子实践指导. 江西：江西科学技术出版社，2005 3 刘瑞新，单片机原理及应用教程.北京：机械工业出版社，2004.64 张毅刚，MCS-51 单片机原理及应用M. 哈尔滨，哈尔滨