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温度控制器毕业设计
温度控制器
摘要
随着科技的不断进步,在工业生产中温度是常用的被控参数,而采用单片机来对这些被控参数进行控制已成为当今的主流。
本文介绍了数字温度测量及自动控制系统的设计,采用单片机来实现对温度的控制。
其主要组成部分有:
AT89S51单片机、温度传感器、键盘与显示电路、温度控制电路、声光报警电路。
它可以实时的显示和设定温度,实现对温度的自动控制。
通过测试表明,本设计对温度的控制有方便、简单的特点,从而大幅提高了被控温度的技术指标。
[关键词]:
单片机温度传感器温度控制
第一章前言
1.1概述
现代信息技术的三大基础是信息采集控制(即温度控制器技术)、信息传输(通信技术)和信息处理(计算机技术)。
温度控制器属于信息技术的前沿尖端产品,尤其是温度控制器被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域,数量日渐上升。
温度控制器是基于单片机开发的温度控制装置。
其主要功能是,根据用户设定温度与实际温度的差值来控制加热器等执行机构,从而改变温度至用户所需。
近些年来,因为温度控制器环节已经被纳入为分布式控制系统(DCS),个人电脑(PC)和可编程逻辑控制器(PLC),全球工业电子温度控制器市场增长缓慢。
随着我国电子温度控制器市场的迅猛发展,与之相关的核心生产技术应用与研发必将成为业内企业关注的焦点。
了解国内外电子温度控制器生产核心技术的研发动向、工艺设备、技术应用及趋势对于企业提升产品技术规格,提高市场竞争力十分关键。
目前主要有模拟、集成机械式温度控制器和智能电子式温度控制器两大系列。
且国际上新型温度控制器正从模拟式向数字式、电子式;从集成化向智能化、网络化的方向发展。
在当今电子信息时代,电子自动化、信息采集控制在任何行业都是不可逆转的潮流。
温度控制器发展初期是机械式温度控制器,这类温度控制器采用双金属片或充气膜盒感测室内温度,使用波段开关直接调整风速。
双金属片温度控制器现基本已淘汰,只使用在一些要求不高较低档场合;充气膜盒温度控制器当前较流行,但总体来讲机械式温度控制器缺点十分明显:
1.机械式温度控制器外观陈旧呆板;2.机械式温度控制器控温精度差;3.容易打火(直接切换强电);4.极易在一个极小温差范围内频繁开关水阀(风阀);5.功能比较单一。
鉴于这些,智能电子式温度控制器全面取代机械式温度控制器将是不可逆转的潮流。
本文将介绍一款以单片机为核心,具有智能、可编程、环保和节能等特点的温度控制系统的设计。
本设计的温度控制器是以单片机为核心的。
单片微型机简称单片机,它是在一片芯片上集成了中央处理部件,存储器、定时器/计数器和各种输入输出设备等接口部件。
单片机是微机发展的一个重要的分支,自问世以来,性能不断地改善和提高,加之单片机具有集成度高、功能强、速度快、体积小、功耗小、使用方便、性能可靠、价格便宜等优点,故在工业控制、数据采集和处理、通信系统、家用电器等领域的应用日益广泛。
国内虽然起步较晚,但单片机的潜力越来越被人们所重视,尤其在工业控制、自动化仪器仪表、计算机系统接口、智能化外设等应用领域发展很快。
它的应用对于产品升级换代、机电一体化都具有重要的意义。
在工业生产中,电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。
其中,温度控制也越来越重要。
在工业生产的很多领域中,人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。
采用单片机对温度进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大等优点,而且可以大幅度提高被控温度的技术指标,从而能够大大的提高产品的质量和数量。
1.2总体系统框图
本次毕业设计的温度控制系统采用AT89S51八位机作为微处理单元进行控制。
采用4X4键盘把设定温度的最高值和最低值存入单片机的数据存储器,还可以通过键盘完成温度检测功能的转换。
温度传感器把采集的信号与单片机里的数据相比较来控制温度控制器。
温度传感器从设备环境的不同位置采集温度,单片机AT89S51获取采集的温度值,经处理后得到当前环境中一个比较稳定的温度值,再根据当前设定的温度上下限值,通过加热和降温对当前温度进行调整。
当采集的温度经处理后超过设定温度的上限时,单片机通过三极管开启降温设备(制冷器),当采集的温度经处理后低于设定温度的下时,单片机通过三极管开启升温设备(加热器)。
当由于环境温度变化太剧烈或由于加热或降温设备出现故障,或者温度传感头出现故障导致在一段时间内不能将环境温度调整到规定的温度限内的时候,单片机通过三极管驱动扬声器发出警笛声。
图1系统框图
1.3技术指标
1、当前温度显示功能
温度显示范围理论值为-55℃—+125℃
2、键盘设定温度上下限
3、温度范围控制
受制冷器的影响温度控制范围为21℃—120℃
4、超温声光报警功能
当前环境温度高于设置温度上限或者低于设置温度下限时会发出声光信号
第二章系统硬件
2.1单片机
2.1.1采用AT89S51单片机
由于单片机技术在各个领域正得到越来越广泛的应用,世界上许多集成电路生产厂家相继推出了各种类型的单片机,在单片机家族的众多成员中,MCS-51系列单片机以其优越的性能、成熟的技术及高可靠性和高性能价格比,迅速占领了工业测控和自动化工程应用的主要市场,成为国内单片机应用领域中的主流。
单片机的诞生标志着计算机正式形成了通用计算机系统和嵌入式计算机系统两个分支。
通用计算机系统主要用于海量高速数值运算,不必兼顾控制功能,其数据总线的宽度不断更新,从8位、16位迅速过渡到32位、64位,并且不断提高运算速度和完善通用操作系统,以突出其高速海量数值运算的能力,在数据处理、模拟仿真、人工智能、图像处理、多媒体、网络通信中得到了广泛应用;单片机作为最典型的嵌入式系统,由于其微小的体积和极低的成本,广泛应用于家用电器、机器人、仪器仪表、工业控制单元、办公自动化设备以及通信产品中,成为现代电子系统中最重要的智能化工具。
因此,单片机的出现大大促进了现代计算机技术的飞速发展,成为近代计算机技术发展史上一个重要里程碑。
由于MCS系列单片机集成了几乎完善的中央处理单元,处理功能强,中央处理单元中集成了方便灵活的专用寄存器,这给我们利用单片机提供了极大的便利。
单片机把微型计算机的主要部件都集成在一块芯片上,使得数据传送距离大大缩短,运行速度更快,可靠性更高,抗干扰能力更强。
由于属于芯片化的微型计算机,各功能部件在芯片中的布局和结构达到最优化,工作也相对稳定。
51的优点是价钱便宜,I/O口多,程序空间大。
因此,测控系统中,使用51单片机是最理想的选择。
单片机属于典型的嵌入式系统,所以它是低端控制系统最佳器件。
单片机的开发环境要求较低,软件资源十分丰富,开发工具和语言也大大简化。
单片机的典型代表是Intel公司在20世纪80年代初研制出来的MCS51系列单片机。
MCS51单片机很快在我国得到广泛的推广应用,成为电子系统中最普遍的应用手段,并在工业控制、交通运输、家用电器、仪器仪表等领域取得了大量应用成果。
以MCS-51技术核心为主导的单片机已成为许多厂家、电气公司竞相选用的对象,并以此为基核,推出许多与MCS51有极好兼容性的CHMOS单片机,同时增加了一些新的功能,本次设计的控制系统采用AT89S51单片机。
2.1.2AT89S51单片机简介
AT89S51是一个低功耗,高性能CMOS8位单片机,片内含8kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造,兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构,芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元,功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
AT89S51具有如下特点:
40个引脚,4kBytesFlash片内程序存储器,128bytes的随机存取数据存储器(RAM),32个外部双向输入/输出(I/O)口,5个中断优先级2层中断嵌套中断,2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,看门狗(WDT)电路,片内时钟振荡器。
此外,AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。
空闲模式下,CPU暂停工作,而RAM定时计数器,串行口,外中断系统可继续工作,掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据,停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。
同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式,以适应不同产品的需求。
由于系统控制方案简单,数据量也不大,考虑到电路的简单和成本等因素,因此在本设计中选用ATMEL公司的AT89S51单片机作为主控芯片。
主控模块采用单片机最小系统是由于AT89S51芯片内含有4kB的E2PROM,无需外扩存储器,电路简单可靠,其时钟频率为0~24MHz,并且价格低廉,批量价在10元以内。
其主要功能特性:
兼容MCS-51指令系统k可反复擦写(>1000次)ISPFlashROM
32个双向I/O口4.5-5.5V工作电压
2个16位可编程定时/计数器时钟频率0-33MHz
全双工UART串行中断口线128x8bit内部RAM
2个外部中断源低功耗空闲和省电模式
中断唤醒省电模式3级加密位
看门狗(WDT)电路软件设置空闲和省电功能
灵活的ISP字节和分页编程双数据寄存器指针
可以看出AT89S51提供以下标准功能:
4K字节Flash闪速存储器,128字节内部RAM,32个I/O口线,看门狗(WDT),两个数据指针,两个16位定时器/计数器,一个5向量两级中断结构,一个全双工串行通信口,片内振荡器及时钟。
同时,AT89S51可降至0Hz的静态逻辑操作,并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作,但允许RAM,定时/计数器,串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式何在RAM中的内容,但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直接到一个硬件复位。
2.1.3单片机最小系统的设计
目前的单片机开发系统只能够仿真单片机,却没有给用户提供一个通用的最小系统。
由设计的要求,只要做很小集成度的最小系统应用在一些小的控制单元。
其应用特点是:
(1)全部I/O口线均可供用户使用。
(2)内部存储器容量有限(只有4KB地址空间)。
(3)应用系统开发具有特殊性
图2最小系统图
单片机最小系统如图2所示:
其中有4个双向的8位并行I/O端口,分别记作P0、P1、P2、P3,都可以用于数据的输出和输入,P3口具有第二功能为系统提供一些控制信号。
时钟电路用于产生MCS-51单片机工作所必须的时钟控制信号,内部电路在时钟信号的控制下,严格地按时序指令工作。
MCS-51内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器,该高增益反向放大器的输入端为芯片的引脚XTAL1,输出端为XTAL2。
这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容,就构成了一个稳定的自激振荡器。
电路中的微调电容通常选择为30pF左右,该电容的大小会影响到振荡器频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。
晶体的振荡频率为12MHz。
把EA脚接高电平,单片机访问片内程序存储器,但在PC值超过0FFFH(4Kbyte地址范围)时,将自动转向执行外部程序存储器内的程序。
MCS-51的复位是由外部的复位电路来实现。
采用最简单的外部按键复位电路。
按键自动复位是通过外部复位电路的来实现的.我们选用时钟频率为12MHz,C2、C3取30pF,复位电路中电阻R1取值8.2KΩ,电容C1取值10uF。
2.2测温电路的选择与设计
2.2.1采用模拟集成温度传感器
集成传感器是采用硅半导体集成工艺而制成的,因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器,它是将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用IC。
模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一(仅测量温度)、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等,适合远距离测温、控温,不需要进行非线性校准,外围电路简单。
图3是AD590用于测量热力学温度的基本应用电路。
因为流过AD590的电流与热力学温度成正比,当电阻R1和电位器R2的电阻之和为1kΩ时,输出电压随温度的变化为1mV/K。
但由于AD590的增益有偏差,电阻也有误差,因此应对电路进行调整。
调整的方法为:
把AD590放于冰水混合物中,调整电位器R2,使=273.2mV。
或在室温下(25℃)条件下调整电位器,使=273.2+25=298.2(mV)。
但这样调整只可保证在0℃或25℃附近有较高精度。
AD590把被测温度转换为电流再通过放大器和A/D转换器,输出数字量送给单片机进行温度控制。
图3基于AD590测温基本应用电路
2.2.2采用智能温度传感器
智能温度传感器(亦称数字温度传感器)是微电子技术、计算机技术和自动测试技术(ATE)的结晶。
目前,已开发出多种智能温度传感器系列产品。
智能温度传感器内部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器(或寄存器)和接口电路。
有的产品还带多路选择器、中央控制器(CPU)、随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。
智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量,适配各种微控制器(MCU).智能温度传感器的总线技术也实现了标准化、规范化,所采用的总线主要有单线(1-WIRE)总线、I2C总线、SMBUS总线和SPI总线。
温度传感器作为从机可通过专用总线接口与主机进行通信。
智能温度控制器是在智能温度传感器的基础上发展而成的。
典型产品有DS18B20,智能温度控制器适配各种微控制器,构成智能化温控系统;它们还可以脱离微控制器单独工作,自行构成一个温控仪。
DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器,具有3引脚TO-92小体积封装形式;温度测量范围为-55℃~+125℃,可编程为9位~12位A/D转换精度,测温分辨率可达0.0625℃,被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出,其工作电源既可在远端引入,也可采用寄生电源方式产生;多个DS18B20可以并联到3根或2根线上,CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信,占用微处理器的端口较少,可节省大量的引线和逻辑电路。
同DS1820一样,DS18B20也支持“一线总线”接口,测量温度范围为-55℃~+125℃,在-10℃~+85℃范围内,精度为0.5℃。
DS18B20的精度较差为±0.2℃。
现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输,大大提高了系统的抗干扰性。
适合于恶劣环境的现场温度测量。
如:
环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。
与前一代产品不同,新的产品支持3V~5.5V的电压范围,使系统设计更灵活、方便。
而且新一代产品更便宜,体积更小。
DALLAS半导体公司的数字化温度传感器DS18B20是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。
一线总线独特而且经济的特点,使用户可轻松地组建传感器网络,为测量系统的构建引入全新概念。
现在,新一代的“DS1820”体积更小、更经济、更灵活。
使您可以充分发挥“一线总线”的长处。
DS18B20、DS1822“一线总线”数字化温度传感器。
由于DS18B20将温度传感器、信号放大调理、A/D转换、接口全部集成于一芯片,与单片机连接简单、方便。
而AD590需要进行外部电路的设计,在测温电路的调整时更是加大了系统误差,并且要进A/D转换才能变成被AT89S51单片机识别的数字信号,DS18B2相比是更新一代的温度传感器,所以温度传感器采用DS18B20。
2.2.3温度传感电路设计
DS18B20的性能特点:
采用单总线专用技术,既可通过串行口线,也可通过其它I/O口线与微机接口,无须经过其它变换电路,直接输出被测温度值(9位二进制数,含符号位)
测温范围为-55℃-+125℃,测量分辨率为0.0625℃
内含64位经过激光修正的只读存储器ROM
适配各种单片机或系统机
用户可分别设定各路温度的上、下限
内含寄生电源。
DS18B20内部结构主要由四部分组成:
64位光刻ROM,温度传感器,非挥发的温度报警触发器TH和TL,高速暂存器。
DS18B20的管脚排列如图4所示。
图4DS18B20管脚图
在硬件上,DS18B20与单片机的连接有两种方法,一种是VCC接外部电源,GND接地,I/O与单片机的I/O线相连;另一种是用寄生电源供电,此时UDD、GND接地,I/O接单片机I/O。
无论是内部寄生电源还是外部供电,I/O口线要接5KΩ左右的上拉电阻.我们采用的是第一种连接方法,如图5所示:
把DS18B20的数据线与单片机的13管脚连接,再加上上拉电阻。
图5温度传感电路图
DS18B20有六条控制命令,如表1所示:
表1DS18B20控制命令:
指 令
约定代码
操 作 说 明
温度转换
44H
启动DS18B20进行温度转换
读暂存器
BEH
读暂存器9个字节内容
写暂存器
4EH
将数据写入暂存器的TH、TL字节
复制暂存器
48H
把暂存器的TH、TL字节写到E2RAM中
重新调E2RAM
B8H
把E2RAM中的TH、TL字节写到暂存器TH、TL字节
读电源供电方式
B4H
启动DS18B20发送电源供电方式的信号给主CPU
CPU对DS18B20的访问流程是:
先对DS18B20初始化,再进行ROM操作命令,最后才能对存储器操作,数据操作。
DS18B20每一步操作都要遵循严格的工作时序和通信协议。
如主机控制DS18B20完成温度转换这一过程,根据DS18B20的通讯协议,须经三个步骤:
每一次读写之前都要对DS18B20进行复位,复位成功后发送一条ROM指令,最后发送RAM指令,这样才能对DS18B20进行预定的操作。
2.3温度控制电路的设计
图6温度控制电路
温度控制及超温和超温警报单元电路工作原理:
当采集的温度经处理后超过规定温度上限时,单片机通过P0.1输出控制信号驱动三极管Q3,开启降温设备(制冷器):
当采集的温度经处理后低于设定温度下限时,单片机通过P0.0输出控制信号驱动三极管Q2,开启升温设备(加热器)。
当由于环境温度变化太剧烈或由于加热或降温设备出现故障,或者温度传感头出现故障导致在一段时间内不能将环境温度调整到规定的温度限内的时候,单片机通过三极管Q1驱动扬声器LED灯发出声光报警信号。
2.3.1温控电路及报警电路的控制
单片机的P0.0、P0.1、P0.7分别与三极管的基极连接来控制控制温度(图7)和报警(图8)。
利用面包板搭了一个PNP9012的偏置电路电路如图8基极输入为“0”时,这时三极管导通推动报警器和控制电路工作,当基极输入为“1”时,三极管不导通,报警器和控制电路都不工作。
只要控制单片机的P0.0、P0.1、P0.7口的高低电平就可以控制模拟电路的工作。
图7硬件控制电路图8硬件报警电路
2.4键盘电路的设计
单片机应用系统中除了复位按键有专门的复位电路,以及专一的复位功能外,其它的按键或键盘都是以开关状态来设置控制功能或输入数据。
键开关状态的可靠输入:
为了去抖动我采用软件方法,它是在检测到有键按下时,执行一个10ms的延时程序后,再确认该键电平是否仍保持闭合状态电平,如保持闭合状态电平则确认为真正键按下状态,从而消除了抖动影响
在这种行列式矩阵键盘非编码键盘的单片机系统中,键盘处理程序首先执行等待按键并确认有无按键按下的程序段。
当确认有按键按下后,下一步就要识别哪一个按键按下。
对键的识别通常有两种方法:
一种是常用的逐行扫描查询法;另一种是速度较快的线反转法。
对照图示的4*4键盘,说明线反转法工作原理。
首先辨别键盘中有无键按下,有单片机I/O口向键盘送全扫描字,然后读入行线状态来判断。
方法是:
向行线输出全扫描字00H,把全部列线置为低电平,然后将列线的电平状态读入累加器A中。
如果有按键按下,总会有一根行线电平被拉至低电平从而使行线不全为1。
判断键盘中哪一个键被按下是通过将列线逐列置低电平后,检查行输入状态来实现的。
方法是:
依次给列线送低电平,然后查所有行线状态,如果全为1,则所按下的键不在此列;如果不全为1,则所按下的键必在此列,而且是在与零电平行线相交的交点上的那个键。
键盘共有16个按键,用于方便设定温度。
…,数字按键,输入数字0----9;
,温度上限写入功能键
温度下限写入功能键
取消键
其他键选择置空
表2键盘的按键分布
P1.0
0
1
2
3
P1.1
4
5
6
7
P1.2
8
9
F1
F2
P1.3
F3
置空
置空
置空
P1.7
P1.6
P1.5
P1.4
键盘与AT89S51单片机连接如图所示:
图9键盘硬件电路图
2.5显示器的选择
2.5.1LED显示器
采用传统的七段数码LED显示器。
LED虽然价格便宜,但在现代的许多仪表、各种电子产品中逐渐被LCD所取代。
2.5.2LCD液晶显示器
采用LCD液晶屏进行显示。
LCD液晶显示器是一种低压、微功耗的显示器件,只要2~3伏就可以工作,工作电流仅为几微安,是任何显示器无法比拟的,同时可以显示大量信息,除数字外,还可以显示文字、曲线,比传统的数码LED显示器显示的界面有了质的提高。
在仪表和低功耗应用系统中得到了广泛的应用。
优点为:
1显示质量高,由于液晶显示器的每一个点收到信号后就一直保持那种色彩和亮度恒定发光,因此液晶显示器的画质高而且不会闪烁。
2数字式接口,液晶显示器都是数字式的,和单片机的接口简单操作也很方便。
3功率消耗小,相比而言液晶显示器的主要功耗在内部电极和驱动IC上,因而耗电量比其他器件要小很多。
虽然LCD显示器的价格比数码管要贵,但它的显示效果好,是当今显示器的主流,所以采用LCD作为显示器。
2.5.3液晶电路设计
液晶显示器是一种将液晶显示器件,连接器件,集成电路,PCB线路板,背光源,结构器件装配在一起的组件。
根据显示内容和方式的不同可以分为,数显LCD,点阵字符LCD,点阵图形LCD在此设计中我们采用点阵字符LCD,这里采用常用的2行16个字的1602液晶模块。
1602采用标准的14脚接口,其中:
第1脚:
VSS为地电源
第2脚:
VDD接5V正电源
第3脚:
V0为液晶显示器对比度调整端,接正电源时对比度最弱,接地电源时对比度最高,对比度过高时会产生“鬼影”,使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度
第4脚:
RS为寄存器选择,高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。
第5脚:
RW为读写信号线,高电平时进行读操作,低电平时进行写操作。
当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址,当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号,当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。
第6脚:
E端为使能端,当E端由高电平跳变成低电平时,液晶模块执行命令。
第7~14脚:
D0~D7为8位双向数据线。
第15~16脚:
空脚。
液晶显示器与单片机的连接如图10
图10液晶显示电路图
LCD显示电路的控制:
把8根数据线和P2口连接,把3根控制线和P2.5、P2.6、P
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