数字温度控制器的设计

1、20132014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：行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屮的一项关键技术。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

2、。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。木系统以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;数码管数字式温度控制仪2摘 要2第1章系统原理

3、分析41. 1主要研究内容与技术指标41. 1. 1主要研究内容41.1.2主要技术指标41.2总体设计方案41.2. 1方案的提出41.2.2总体设计框图41.3系统工作基本原理51.3. 1 pid 算法51.3.2 ds18b20温度传感器工作原理5第2章系统硬件设计62.1数码管显示模块62.2键盘输入模块62.3温度采集模块72.4温度控制模块72. 5系统总电路图8第3章系统软件设计83.1主程序流程图93.2采样子程序流程图93.3显示子程序流程图1033 显示子程序113.4控制子程序流程图12第4章系统总仿真图及其结果134.1数码管显示模块仿真134. 2温度采集模块仿真1

4、3结论14参考文献14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屮的当前温度值，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，使烧水炉屮的温度稳定在设定值。4、控制参数：温度测量范

5、围为30-90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

6、电路设计总体设计方框图如图11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4x3矩阵键盘对目标温度进行输入设定。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屮，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p1d算法，经离散化后的算式为u(n) = kpe(n) + 堆？ e(n) + kd e(n) e(n 1)i=l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，错误!未找到引用源。为比例系数，错误!未找

7、到引用源。为积分作用系数， 错误!未找到引用源。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错误!未找到引用源。，容易产生较人的 累计误差。而增量式屮只需计算增量，算式屮不需要累加，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。由于计算机只输岀控制增 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，用于产牛固

8、定频率的脉冲信号送给减法计数器1 ;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2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，首先将一55°c所对应的一个基数分别置入减法 计数器1、温度寄存器中，计数器1和温度寄存器被预置在一55°c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1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

9、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冃标值 进行显示，接口电路如图2-1所示。其中74ls373锁存器起到对输岀数据所存的 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。poxvaca pd.vad1 poadz poatapd.4/ad4pdaccp0j&ad6pd.7/a07xtal1

10、xtalzrstrear alepiittzp12p13 pi.*p1sp1j6p1.7p2.1?>e pz2*at pzah p2.4/atzpzj&aupz.7a«pangp3nnn pgllttp3.4/tcip3st1p3.7/tot2. 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。r.14.7ku1_21vccdqgnd ds18b2027.02. 4温度控制模块温度控制模块由继电器控制电源对烧

11、水炉中加热部件通断电的控制。2. 5系统总电路图i'"工.xta12u211xtal1*u2"ci沖:fodtaio eo va»i f02taic roaraia fo.wo* rosmw roscak raiiawhth-alefzx»efz.w fz2*< r23fa11 f2.waczr2£faa r2fiaw fzjmvf3 vt»f32fnnawnf3«hor3smf31/wzs dner2.ik.00qom01d2qz0303deg05q506q60?q?底le13 tt if "w13

12、13avd10y1 v7y3ely*ysezy6e3y?&d3.dqble第3章系统软件设计硬件是控制系统的物质基础，是软件赖以牛存的空间和场所；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來设计控制 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3-1所示图31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

13、个子程序。它涉及定吋器的定时，温度 的采集，对照等环节，采样子程序流程图如图3-2所示图3-2采集子程序3. 3显不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。图3-3显7f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温度采集模块仿真本设计以at89c51单片机为系统控制核心，通过ds18b20温度传感器采

14、集烧水 炉内温度值，并通过数码管显示击来。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，感觉到了人家的团结和努力，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。2006.102 王港元，电工电子实践指导.江西：江西科学技术出版社，20053 刘瑞新，单片机原理及应用教程北京：机械工业岀版社，2004.64