基于单片机的温度控制器的设计毕业论文(编辑修改稿)

基于单片机的温度控制器的设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

服温度控制系统中存在的滞后现象 ,同时在很大程度的上 ,单片机的使用可以提高温度的控制效果以及控制精度。 在工业自动化控制中 ,温度的控制一直都占有非常特殊的地位。 比如说 :在正常的钢铁冶炼过程中 ,就要对刚出炉的钢铁进 行特殊的热处理后 ,才能达到要求的性能指标。 再比如说 ,在塑料的生产过程中 ,不同的生产工艺中也要求保持不同的温度。 随着科学技术的快速发展 ,各个科研领域对自动控制系统的控制精度、响应的速度、稳定性与自适能力的要求也越来越高。 而且 ,被控对象的非线性、时变性、多参数点的强烈耦合 ,或生产过程中偶尔的随机扰动、现场测试手段不完善等各种不确定性的因素 ,都会使温度控制难以达到一个理想的程度。 现代自动控制一直朝着智能化的方向发展 ,而且很多自动控制系统中都使用了工控机 ,小型机、甚至是巨型处理机等等。 这些处理机都有很多的共性 ,比如 说 :运行速度很高 ,内存很大以及大量的数据存储器。 有些小规模的系统 ,处理机的 所用 成本 为 系统总成本的比例高达 20%多 ,因此 对于 这种 一些小型的系统来说 ,可以 不必要配置一个相对高速的处理机 ,以节约经济支出 [4]。 所以用成本低廉的单片机控制小型机是非常适合的。 随着电子技术的发展 ,单片机技术也得到了快速的发展 ,在集成度 ,速度 ,低功耗以及性能方面都有着显著的改善。 伴随着科学技术的发展 ,现在已经可以完全运用单片机和电子温度传感器对某处进行温度检测 ,并且还可以做到多点的温度检测 ,如果对此原理图稍加改进 ,甚至可以进行远程温度监 控 ,这将会具有更大的实用价值 [5]。 课题在国内外的发展状况 目前，国内外的各种温度采集控制系统的技术已经很成熟，在实际应用中也非常普遍。 基于应用目的的不同，有各种类型的温控系统，如：有基于微机的温控系统、有基于 DSP 芯片的温控系统、有基于单片机的温度控制系统 [6]。 虽然这些系统不尽相同，但它们的基本原理和完成的功能都大致一样。 首先，由温度传感器负责采集温度，经过信号放大、滤波等处理后进行转换，把温度数据转换为数字信号；数字信号最后送入控制系统进行相应的处理和显示，系统根据处理结果发出相应的控制 信号。 加拿大的 CSI集团公司根据声学高温测量原理研究开发出了名为 BOILERWATCH 的锅炉膛温度场实时监测系统，该系统可以设计成测量 8条单一路线上的平均温度或按阵列编排的多达 24 条路线来测量温度的分布。 BOILERWATCH 测得的温度数据值可以直接从输入厂内的分散控制系统（ DCS）、数据采集系统（ DAS）或输入计算机供数据显示和提取。 可通过 DCS 来向运行人员提供温度 —时间曲线，或在一台装有 CSI 公司的 TMS—WIN 软件的计算机屏幕上显示出来，也可以通过 TMS—WIN 软件令计算机画出 空间温度分安徽工程大学机电学院毕业设计（论文） 3 布形态或提供其它的数据显示公式 [7]。 温度测量技术：接触式测温、非接触式测温、辐射式测温。 温度控制技术： 智能温度控制 法、 PID 线性控温法、 定值开关控制法。 本论文采用的是接触式测温，定值开关控制温度法。 主要目的是实现温度的自动控制，保证水温在所设定温度范围内正常运作，此系统主要由温度采集系统、显示系统、报警系统、加热控制单元、输入设定等部分组成。 通过以上系统能够做到设置水温范围以及自动调节水温。 如果温度在设定值范围内，则系统正常工作；如果低于设定的下限值，系统显示低温警报信号并保持加热装置为水箱加热；如果超出温度范围上限值，系统发出高温警报并控制系统负载停止工作。 课题研究的主要内容 本设计的内容是温度测试控制，控制对象就是温度。 温度控制在日常生活及工业领域应用相当广泛，比如浴室、水池、电源等场所的温度控制。 而以往温度控制 大多数是由人工完成的 ,但是对于温度的检测 却 不够重视， 以致于许多的 意外发生 都是由于对温度的检测的误差所导致的。 本文将采用了单片机对温度实现自动控制。 主要实现的功能有 :对 于 被 测 控对象的温度进行实时采集， 采用的方法 主要是通过一传感器（ DS18B20）将温度转变模拟电信号 ,然 后 再将所得的模拟量转变成数字量送入单片机（ AT89C51）中，最后 单片机将 传感器所采集到的温度和预 先设定 好 的温度进行 数值上的 对比，当 对于 小于设定值时将发出信号 ,并 启动加热装置；当大于设定值时将关闭加热装置， 让其自然冷却 ,从而使得被控温度控制在一定的范 围之内 ,达到实时控制的功能。 通过一系列的对温度的改变是其达到可以自动控制温度，满足该设计的要求。 田丰：基于单片机的温度控制器的设计 4 第 2 章 温度控制器的设计方案 系统整体方案和结构 由于本课题主要要求的是，完成一种基于 51 单片机和 DS18B20 温度 传感器共同控制的一种 自 动控制系统， 具有温度检测、温度范围设置、温度显示、温控控制信号输出等功能。 本文对于 温度控制系统硬件部分的研究，按功能大致可以分为以下几个部分：单片机主控模块、数模转换电路、显示电路、电源电路、声光报警电路等。 硬件总体结构框图如图 21 所示。 由结构框图可见，温度控制系统是以单片机为控制的主机，主控模块由扩展外部存储器构成。 被测对象的温度，由 DS18B20 温度传感器检测温度。 转化的数字信号将 传输给 给单片机 让其对其数值 进行处理，一方面将测得的温度 值通过控制面板上的 LCD 显示器显示出来；另一方面将该温度值和设定的温 度值相比较，根据其偏差值的大小 ,采用控制算法进行运算，最后通过单片机的输出管脚输出控制信号 [8]。 进而对被测物体温度进行控制。 如果实际测得的温度值超过，或低于系统给定的极限安全温度，保护电路会做出反应，同时报警电路报警响起，从而保护被测对象。 单片机快速、准确的进行温度数据采集、然后处理、显示温度和控制主要是时钟电路，提供的时钟频率，使单片机能正常的处理许多任务。 其结构方案图如图 21。 温度控制器DS 18 B 20被测对象加热制冷报警装置继电器单片机电源电路温度设定显示温度 图 21 结构方案图 系统方案的选择与说明 主机 模块 方案一： ARM 处理器为 RISC 芯片，是 32 位的微处理器。 具有体积小、功耗低、高性能，安徽工程大学机电学院毕业设计（论文） 5 功能强大等特点，支持 16 位 32 位双指令集，能很好的兼容 8 位 /16 位器件，共有 37 个寄存器，是目前应用于嵌入式系统的主流处理器 [9]。 因此，使用 ARM 处理器来作为本课题的主控制芯片是可行的，但是其成本相对较高。 方案二： 51 内核单片机是典型的微控制器，其广泛应用于工业控制领域。 目前应用广泛的单片机类型有 51 单片机、 AVR 单片机、 PIC 单片机等。 其中 STC12C5A60S2 单片机属于增强型单片机，具有高速，宽电压，低功 耗，低成本 ,根据本课题的设计要求可知，使用51 单片机实现所有功能。 根据以上说明可知，方案一功能强大，但是由于成本相对较高，而方案二也可以实现课题所有要求，并且成本非常低。 因此本课题决定采用方案二，单片机 STC12C5A60S2单片机作为主机主控制芯片，而从机控制芯片则选择成本更低的 AT89C51 单片机作为控制芯片。 显示模块 方案一： 1602 液晶也叫 1602 字符型液晶它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶，能够同时显示 32 个字符（ 16 列 2 行）。 具有微功耗，体质小，显示内容丰富，超 薄轻巧，成本低等特点。 可以使用其作为本课题的显示模块。 方案二： LCD12864 是一种具有 4 位 /8 位并行， 2 线或 3 线串行多种接口方式，其中包含了国际一级，二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块，其分辨率为 128x64。 使用该液晶可以在满足要求的同时还可以显示图像文字。 并且具有操作简单，低电压低功耗，功能强大等特点。 根据以上说明可知，由于本课题需要测量显示的数据较多，并且需要根据特定要求进行人机交互设置操作，因此选择方案二中的 LCD1602 作为主机模块的液晶显示模块可以达到很好的显示效果，且价格低廉。 温度测量 方案一： 使用热敏电阻作为感温器件。 音位热敏电阻为半导体材料，且为负温度系数，即阻值随温度增加而降低。 温度变化则会造成大的阻值改变，因此本试验中它是最灵敏的温度传感器。 热敏电阻具有灵敏度高，工作温度范围宽，体质小使用方便等特点。 但是由于热敏电阻的线性度极差，不易控制，因此用来测量温度的精度就相应的降低了。 方案二： 使用 DS18B20 数字测温传感器作为测温元件。 它只用一条线进行输入输出，因而与之接口的微处理器也只需要一条口线与之通信。 它不需要任何外围元件即可检测温度，并转换成数字量传给 上位机（微处理器）。 这种单线传输方式，大大提高了系统的抗干扰性，适合在恶劣环境的现场进行温度测量。 并且由于 DS18B20 本身测温系统简单，测温精度高，连续方便，占用口线少 ,测温误差小，分辨力高，抗干扰能力较强，能远程传输数据，而且用户可设定温度上、下限，使其具有越限自动报警功能，并且自带串行总线接口，适配各种微控制器，因此本次设计选用 DS18B20 作为测温元件。 田丰：基于单片机的温度控制器的设计 6 第 3 章 温度控制器的硬件电路设计 51 单片机的介绍与选择 51 单片机系列是将运算器、控制器、存储器和各种输入／输出接口等计算机的主要部件集成在一块芯片上，使其具备其全部功能，这样就能得到一个单芯片的微型计算机。 它虽然只是一个单个芯片，但它的组成和功能上已经具有了计算机系统的特点，因此称之为单片微型计算机 (SingleChipMicroputer)，简称单片机。 又因为其体积小、功耗低、价格低廉、抗干扰能力强且可靠性高，特别适合应用于工业过程控制、智能仪器仪表和测控系统的前端装置。 因此本次毕业设计所采用的是 AT89C51。 以下简述本次毕业设计所用到的与其相关的知识 [10]。 主要特性： （ 1）与 MCS51 兼容 ， （ 2） 4K 字节可编程闪烁存储器，寿命为 1000 次写 /擦循环，数据可保留时间为10 年 ， （ 3） 全静态工作： 0Hz24Hz ， （ 4） 三级程序存储器锁定 ， （ 5） 128X8 位内部 RAM ， （ 6） 4 个 I/O 端 口，共 32 根可编程口线 ， （ 7） 两个 16 位定时器 /计数器 ， （ 8） 5 个中断源 ， （ 9） 可编程串行通道 ， （ 10） 低功耗的闲置和掉电模式 ， （ 11）片内振荡器和时钟电路 ， 管脚说明： AT89C51 的管脚布置如图 32 所示 VCC：供电电压。 GND：接地。 P0： P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口 ，每脚可吸收 8TTL 门电流。 当 P1 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。 P0 能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据 /地址的低八位。 在 FIASH 编程时， P0 口作为原码输入口，当 FIASH 进行校验时， P0 输出原码，此时 P0 外部必须被拉高。 P1： P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P1 口缓冲器能接收输出4TTL 门电流。 P1 口管脚写入后，被内部上拉为高，可用作输入， P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。 在 FLASH 编程和校验时， P1 口作为低八位地址接收。 P2： P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P2 口缓冲器可接收，输出 4 个TTL 门电流，当 P2 口被写 “1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。 并因此作为输入时， P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。 这是由于内部上拉的缘故。 P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时， P2 口输出地址的高八位。 在给出地址 “1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时， P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。 P2 在 FLASH 编程和校 验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3： P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个 TTL 门电安徽工程大学机电学院毕业设计（论文） 7 流。 当 P3 口写入 “1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。 作为输入，由于外部下拉为低电平， P3 口将输出电流（ ILL）这是由于上拉的缘故。 P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口，如下所示 :P3 口管脚备选功能 RXD（串行输入口） ； TXD（串行输出口） ； /INT0（外部中断 0） ； /INT1（外部中断 1） ； T0（记时器 0 外部输入） ； T1（记时器 1 外部输入） ； /WR（外部数据存储器写选通） ； /RD（外部数据存储器读选通） ； P3 同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入 端， 当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存。