过程控制作业

1、电气信息工程学院过程控制综合应用技术课程报告报告题目 基于单片机控制的温度控制系统 学生姓名 杨铭 学 号 S1307057 专 业 控制理论与控制工程 2014年6月14过程控制综合应用技术课程报告1 引言1.1 本课程设计的设计背景温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关，因此温度控制是生产自动化的重要任务。例如：在农业温室大棚生产、冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、 加热炉、热处理炉、反应炉和对锅炉中的温度进行检测和控制。可以毫不夸张的说，温度控制应用于我们日常生活中的方方面面，在我们的生产生活中是必不可少的。常用的温度控制电路根据应用场合和所

2、要求的性能指标有所不同 , 在工业企业中,如何提高温度控制对象的运行性能一直以来都是控制人员和现场技术人员努力解决的问题。这类控制对象惯性大,滞后现象严重,存在很多不确定的因素,难以建立精确的数学模型,从而导致控制系统性能不佳,甚至出现控制不稳定、失控现象。在很久以前人们使用温度计来采集温度，通过人工操作加热、通风和降温设备来控制温度，这样不但控制精度低、实时性差，而且操作人员的劳动强度大。采用单片机对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和操作灵活等几大优点，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。因此，单片机对温度的控制问题是一个工业中经常遇到的问题。1.

3、2 本课程设计的主要内容和意义基于单片机控制的温度控制器，以STC89C52单片机和DS18B20温度传感器为主要功能部件，单片机控制的各个模块电路联合作用，可以实现温度的测量并显示、上下限报警、自动调节温度等功能。在设计的过程中充分考虑到性价比和精度，在选用低价格、通用元件的的基础上，尽量满足设计要求，并使系统具有高的精度。本控制系统以单片机的控制为核心，实时监测环境的温度，并设定了这个参数的上下限定值，并具有相应的报警系统，当超过设定的限定值时，单片机控制报警系统进行报警，而且同时驱动继电器打开相应的开关使相应的执行机构运行。当环境温度高于设定温度上限时，驱动降温装置执行降温工作；当环境温

4、度低于温度下限时，驱动升温装置执行升温工作。当参数值恢复到设定值范围内时，单片机控制执行机构停止运行。从而使环境的温度在一定的范围内得到控制。2 整体方案设计2.1 整体方案2.1.1 系统分析基于单片机的温度控制系统主要包含输入控制电路、晶振复位电路、LED 数码管显示电路、蜂鸣器报警电路、继电器控制加热和制冷电路、DS18B20 温度传感器电路等电路。其功能模块图如图2-1。 晶振、复位 数码管显示单片机（STC89C52RC） 温度采集 蜂鸣器报警 输入控制继电器控制制冷电路继电器控制加热电路图2-1 温度控制器系统功能模块图2.1.2 系统功能划分本次设计整个系统主要分为硬件部分和软件

5、部分。硬件部分是包括该温度控制器系统各个电路模块的统称，是整个设计中的核心；软件部分是系统能够实现预期功能的必要保证，也是本系统中必不可少的部分。硬件部分主要包括按键输入控制电路、晶振复位电路、4 位LED数码管驱动电路、温度采集电路、蜂鸣器报警电路、继电器控制电路等都是有硬件功能来实现的。其中最主要的部分是单片机控制电路，基于不同型号的单片机可以有不同的功能，选择不同的单片机会有不同的硬件设计方案。软件部分指的就是控制单片机实现预期功能所必须的单片机程序，就我目前所能掌握的知识来说，可以是C语言程序，也可以是汇编程序。2.2 方案的选择2.2.1 机型器件选择单片机型号的选择是根据设计的内容

6、而定的，并不是什么单片机都可以用。一方面要考虑选用的单片机能否在不需要外扩的情况下就可以满足要实现的功能。比如：单片机的存储器空间的大小、单片机的I/O口数等。另一方面还要考虑单片机的性价比，是否容易买到等一些外部因素。本设计所使用的单片机采用STC89C52RC 型号单片机。相对于51系列单片机来说，STC89C52单片机具有51单片机内核，并且价格便宜，便于程序的下载。另外对于AT及其它公司的单片机产品来说，STC单片机具有更强的加密性能和抗干扰能力，而且功耗更低、温度范围更广。2.2.2 软件程序方案选择C语言是一种结构化的高级语言，相对于以文字助记符来表示的汇编语言来说，其可读性更好，

7、也更容易移植，在计算机语言中使用更加普遍。在本次设计中，出于对作品控制精度的要求和对自己在汇编方面所学知识有限的考虑，我选择编写C语言程序。3 硬件设计基于单片机的温度控制系统器其硬件电路方框图如图3-1所示。由图可知，硬件电路由7部分组成。即单片机按键输入电路、单片机最小系统电路、温度采集电路、继电器控制加热和制冷电路、蜂鸣器报警电路、4位数码管驱动电路等。 数码管显示 电路 按键输入电路 单 片 机 蜂鸣器报警 电路时钟电路、复位电路 继电器控制加热电路 温度采集电路 继电器控制 制冷电路 图3-1 硬件电路方框图下面具体介绍各个电路模块的基本原理及原理电路图、主要实现的功能、在应用过程中

8、应当注意的问题。3.1 时钟电路和复位电路设计单片机最小系统是保证单片机能够正常工作的最基本的硬件电路。时钟电路、复位电路都属于单片机最小系统。单片机工作的时间基准是有时钟电路提供的。在单片机的XTAL1和XTAL2管脚，按图3-2所示接上晶振和电容就构成了单片机的时钟电路。图3-2时钟电路图中电容C2、C3对晶振频率有微调的作用，通常的取值范围为20-40pf。石英晶体选择12MHz，选择不同的石英晶体，其结果只是机器周期不同。 单片机的复位方式有上电复位和手动复位两种。本设计系统采用上电自动复位和手动复位组合电路，如图3-3所示复位电路。图3-3 复位电路 图中可以看到单片机的RST引脚连

9、接R1（10K）、C1（10uf），按键S2可以选择专用的复位按键，也可以选择轻触开关。3.2 按键电路设计基于单片机的温度控制系统工作时应具备以下功能：一、可以切换显示实时温度和温度上下限的值。二、可以调节温度上下限。要实现这些功能，可以通过按键输入电路。 键盘结构可分为独立式键盘和行列式键盘（矩阵式）两类，由于本系统只采用4个按键，因此可选用独立式按键。如图3-4所示，电路有四个按键组成，按键采用轻触开关。各个按键的功能为：S5用来切换数码管显示界面，当数码管界面显示的是温度上下限时通过按键S4可以调节要调整的温度上下限的整数位和小数位。当数码管界面显示为某一位闪动时通过按键S1、S3调节

10、闪动位的数值。小数位的数值变化范围0-9之间，整数位0-99之间的数。S3加数值，S1减数值。图3-4 按键电路3.3 蜂鸣器报警电路设计按照设计要求，当温度低于下限或高于上限时，应具有报警功能。这样就可以用一只蜂鸣器作为三极管VT1的集电极负载，当VT1导通时，蜂鸣器发出鸣叫声；当VT1截止时，蜂鸣器不发声。图3-5为本设计中的蜂鸣器驱动电路。图3-5 蜂鸣器驱动电路由图可以看出，蜂鸣器通过三极管9012的基极连接到单片机的P20管脚。当P2.0=0时，VT1导通，使蜂鸣器的两个管脚间获得将近5V的直流电压，蜂鸣器中有电流通过，而产生蜂鸣声； 当P2.0=1时，VT1截止，蜂鸣器的两个管脚间

11、的直流电压接近于0，蜂鸣器不发生。其中R8=100为限流电阻。3.4 继电器控制加热电路设计按照本次设计的设计要求，当环境温度低于所设定的温度控制器下限温度时，需要通过继电器驱动加热装置来进行升温动作。常用的室内升温装置有空调、电热毯、电炉等。对于一些简易的电热装置，其主要部件是发热器件热敏电阻。热敏电阻是利用半导体材料的电阻率随着温度的变换而变换的性质而制成的，热敏电阻具有灵敏度高、电阻温度系数大、体积小、热惯性小、结构简单、稳定性好、机械性能强、价格便宜、寿命长等优点，广泛应用为各种小型加热机器的加热元件。通过继电器控制加热装置来控制加热装置的运行，能够有效的实现对温度的控制。 继电器控制

12、加热电路入下图3-6所示，由图可知单片机的P2.2端口控制一个单刀双掷继电器，继电器的常开端引出到P7端子上。与继电器内部线圈相连接的两个端子，一端直接与5V 电源的正极相连，另一端接至三极管的射极。当测量的温度低于设定的温度下限时，单片机控制端给三极管基极一个低电平时，三极管导通，线圈有电流流过，继电器吸和并控制加热装置加热动作。加热一段时间后，当温度重新回到温度下限至上时，单片机控制端给三极管基极一个高电平时，三极管截止，线圈无电流流过，继电器断开，加热装置停止工作。 图3-6 继电器控制加热电路3.5 继电器控制制冷电路设计实际中常用的制冷装置主要有空调、冷藏柜、冷库等。常用制冷装置的制

13、冷原理其实就是用的初中物理里学到的液化（由气体变为液态）时要排出热量和汽化（由液体变为气体）时要吸收热量的原理。下图3-7是继电器控制制冷装置的电路原理图。图3-7 继电器控制制冷电路3.6 温度采集电路设计本设计采用DS18B20温度传感器作为温度采集电路核心部件。在介绍温度采集电路之前先详细介绍一下DS18B20温度传感器的工作原理。 DS18B20是美国DALLAS半导体公司推出的第一片支持“一线总线”接口的温度传感器，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微处理器等优点，可直接将温度转化成串行数字信号供处理器处理。 DS18B20采用单条信号线，既可传输时钟信号，又可传输数据

14、，而且数据传输是双向的，因而这种单总线技术具有线路简单，硬件开销少，成本低廉，便于总线扩展和维护等优点。单总线适用于单主机系统，能够控制一个或多个从机设备。 主机可以是微控制器，从机可以是单总线器件，他们之间的数据交换只通过一条信号线。当只有一个从机设备时，系统可按单节点系统操作；当有多个从机设备时，系统则按多节点系统操作。设备（主机或从机）通过一个漏极开路或三态端口连至该数据线，以允许设备在不发送数据时能够释放出总线，而让其他设备使用总线。单总线要求外接一个约为5k的上拉电阻8。本设计系统的温度采集电路图如图3-9所示。 图3-9 温度采集电路由图可以看出，DS18B20和单片机的连接非常简

15、单，单片机只需要一个I/O口就可以控制DS18B20。这个图的接法是单片机与一个DS18B20通信，如果要控制多个DS18B20进行温度采集，只要将所有的DS18B20的I/O口全部连在一起就可以了。在具体操作时，通过读取每个DS18B20内部芯片的序列号来识别 。硬件电路连接好后，单片机需要通过一定的步骤才能DS18B20中的温度数据读取出来。3.7 LED数码管显示电路设计单片机应用系统中，通常都需要进行人机对话，这包括人对应用系统的状态干预与数据输入，以及应用系统向人们显示运行状态与运行结果等。 LED显示电路由段驱动电路和位驱动电路组成。由于单片机的并行口不能驱动LED显示器，必须采用

16、专门的驱动电路芯片，使之产生足够大的电流，显示器才能正常工作。如果驱动电路能力差，即负载能力不够，显示器亮度就低，而且驱动电路长期在超负荷下运行容易损坏。 LED显示器的显示控制方式分为静态显示和动态显示两种，若选择静态显示，则LED驱动器的选择较为简单，只要驱动器的驱动能力与显示器的电流相匹配即可，而且一般只需考虑断的驱动；动态显示则不同，由于一位数据的显示是由段和位选信号共同配合完成的，因此，要同时考虑段和位的驱动能力，而且段的驱动能力决定位的驱动能力。 本系统采用并行驱动动态显示。采用单片机P2口的低4位作为LED的位码输出信号，P0口作为段码输出信号。该驱动电路如图3-10所示，P0口

17、作为段码输出信号需外接上拉电阻。数码管用于显示测量的实际温度值，设定的温度上限值以及设定的温度下限值。共有十位、个位、小数位、上下限显示位（即H和L）4位显示。图3-10 4位LED数码管驱动电路由图3-10可以看到，原理图中用4个三极管作为数码管的位驱动。用三极管作为位驱动虽然在焊接时有点复杂，也容易焊错，但是能够大大的降低成本。 4 系统软件程序设计硬件部分设计制作完成后，关键是程序的编写。该系统程序的编写采用模块化程序设计，采用模块化程序设计的优点在于： 1.每个模块都可以分配给不同的程序员完成，从而缩短开发周期。 2.各个模块高聚合、模块之间低耦合，只要模块之间确定了参数传递的接口，不

18、管那个模块内部的改动，均不会影响其他模块。 3.系统细化到模块，条理清晰，系统更加容易理解和实现。 4.容易维护、系统可靠。 系统程序主要包括以下几个部分：主程序（main.c）、按键扫描子程序（key.c）、温度传感器子程序（DS18B20.c）、数码管显示子程序（display.c）、定时器0中断子程序12。4.1 主程序设计主程序通过调用各个子程序，实现温度的采集、按键扫描、数码管显示、数据处理等功能。其主程序流程图如图4-1所示。 本论文只给出主程序和定时器0中断程序的流程图。其它子程序的流程图在这没有给出。 另：该程序数码管显示并不是按照常规的共阴极数码管编码显示的。其共阴极数码管显示编码是根据硬件连接编码的，该设计的数码管显示编码如表4-1所示。表4-1共阴极数码管编码序号编码00xeb10x8820xb330xba40xd850x7a60x7b70xa880xfb90xfaNY 开始 初始化 按键扫描 flag=1？采集温度