基于单片机的温度采集控制系统

基于单片机的温度采集控制系统内容摘要：

用其作为温度采集控制系统的实例也很多。 使用 8051 单片机能够实现温度 全程的自动控制，而且 8051 单片机易于学习、掌握，性能价格比高。 使用 8051 型单片机设计温度采集控制系统，可以即时、精确的反映温度变化。 完成诸如升温到特定温度、降温到特定温度、在温度点保持恒温等多种控制方式，可以应用到空调、锅炉、电热器一类的设备上。 温度控制系统的预期功能和基本原理 多功能温度控制系统的设计初衷是满足实际生产中温度控制的需要。 为此本系统针对实际应用开发了两种温度控制的模式。 第一种控制模式类似于空调，锅炉等需要保持在一定区间内恒温的设备，他们都需要有加温或降温功能，有的当温度超过 一定上限时会报警。 本系统中把这种工作模式命名为 Control 模式，简写为 C模式。 系统工作在这种模式下时，首先系统会提示用户输入温度的上限与下限的温度值。 然后根据实际温度的情况决定采取那些方案。 如下 图 1— 3— 1 所示： 用户设定的下限温度 用户设定的下限温度当前实际温度 毕业设计（论文）报告用纸 第 8 页 共 57 页 图 1— 3— 1 第一种控制 模式示意图 该时刻的实际温度低于用户设定的下限温度，所以此时刻系统正处于升温状态，直到实际温度到达上限温度值，系统才停止升温。 反之，如果实际温度高于用户设定的下限值时，系统处于降温状态。 当实际温度超过用户设定的上、 下限温度时，系统还会通过声音、警报灯来报警，同时启动相应的降升温措施。 第二种模式在日常生产中是十分普遍的，例如铸造模具、热时效处理等都需要完成“升温－恒温－降温”反复的过程。 本系统模拟了热时效的处理过程，采用“升温－恒温－升温－恒温－降温－恒温－降温”的梯形曲线过程，如下图 1— 3— 2 所示的： 温度 ℃时间 秒 图 1— 3— 2 图 1— 3— 1 第二种控制 模式示意图 这种模式对温度控制的要求比较高，技术指标也很多，例如必须保持采样时间有单位并且均匀、升温降温的过程要稳定、迅速 等。 常用的温度控制算法都采用 PID 算法。 本设计从成本、设计复杂度、实用性及开发时间诸多因素的考虑采用了 DDC 算法，主要体现在升降温过程中。 系统为典型的反馈式温度控制系统，组成部分见图 1— 3— 3。 其中数字控制器的功能由 8051 单片机实现。 图 1— 3— 3 温度控制系统组成框图 本系统主要研究内容 本系统所要完成的任务是： （ 1）能够实时、准确的采样温度值。 （ 2）能够以 DDC 控制方式，进行升温、降温过程。 （ 3）完成温度梯形曲线的变化过程。 （ 4）更加人性化的设计。 上、下界限温度能够用户输入并显示， 声音、警报灯的 毕业设计（论文）报告用纸 第 9 页 共 57 页 报警功能等。 2. 多功温度控制系统总体分析与设计 温度控制系统的组成和工作原理 多功能温度控制系统能是以 8051 单片机作为核心，周边设备使用 DS18B20 型单线智能温度传感器、液晶显示芯片 74HC00、继电器及其驱动电路、红、蓝色发光二极管、蜂鸣器、电加热器、直流电机风扇等。 经 DS18B20 采集到的数字量与用户设定的温度值进行比较，即可得到现场温度和设定温度的偏差。 用户设定值由键盘输入。 由 8051 单片机构成的数字控制器按最小拍进行运算，计算出所需要的控制量。 数字控制器的输出经标度变 换后送给 8051 内部定时计数器转变为高低电平的不同持续时间，送至 继电器及其驱动电路 ，触发晶闸管并改变其导通角大小，从而控制电加热器的加热电压，起到控温的作用。 系统基本硬件结构框图如 图 2— 1— 1 所示。 其功能和原理如下： （ 1） 8051：负责中心运算和控制，协调系统各个模块的工作。 （ 2）温度温度传感器 DS18B20：负责温度与数字量的转化。 其精度可精确到小数点后四位。 （ 3）功率模块：采用随机型固态继电器控制加热设备的方式。 随机型固态继电器采用低电压输入方式，一般为 DC3～ 10V，用可控硅做输出器件。 这样控 制部分与大功率部分实现隔离，可抑制干扰。 图 2— 1— 1系统基本硬件结构框图 （ 4）人机交互模块：用 4X1 键盘和液晶显示器构成友善的人机交互界面。 （ 5）抗干扰模块：使用看门狗芯片 X25045，其看门狗功能将对系统起到有效的监视作用，内含 512B 串行 E2PROM，具有掉电非易失特性，在本系统中做数据备份用。 （ 6）红、蓝色 LED，蜂鸣器：负责系统的报警功能。 当温度超过用户设定的上、下限值时系统将报警。 LED 灯在单片机的控制下点亮，同时蜂鸣器发出报警声，通知用户 毕业设计（论文）报告用纸 第 10 页 共 57 页 采取相应的措施。 温度采集转换系统 在 设计此类系统时，传统的方法是通过热敏电阻或模拟集成温度传感器采集温度的模拟量，再用 A/D 器将转换后的数字量送给单片机，这些方案的主要缺点是精度差，（例如典型的模拟集成温度传感器 AD590 的精度仅为 ℃）并且因为采用了 A/D 转换器使电路过于复杂。 基于简化电路，提高性价比的考虑，本设计采用集成化智能型温度传感器 DS18B20 完成现场温度的采集。 系统电路图如 图 2— 2— 1所示 图 2— 2— 1 温度转换采集系统电路图 DS18B20 是美国 DALLAS 公司生产单线智能温度传感器，其采用 DALLAS 公司独特的“单线（ 1— Wire）总线”专有技术，通过串行通信接口（ I/O）直接输出被测温度值（ 9～ 12 位二进制数据，含符号位）。 其工作在在 12 位模式下时，所对应的温度分辨力高达 ℃。 温度 /数字转换时间的典型值为。 根据定义，单线总线只有一根线，这意味着总线上每个器件只能分时驱动单线总线，并 要 求 每 个 器 件 必 须 有 漏 极 开 路 输 出 或 三 态 输 出 的 特 性。 DS18B20 的单线接口 I/O 就属于漏极开路输出。 在单线总线上必须接上拉电阻，其电阻值约为 5KΩ（标称值可取 KΩ 或 KΩ）。 当单线总线上挂有多个从属器件时，也称之为多点总线。 单线总线杂空闲状态下呈高电平。 操作单线总线时，必须从空闲状态开始。 单线总线加低电平的转换时间超过 480us 时，总线上所有的器件均被复位。 在主 CPU 发出复位脉冲后，从属器件就发出应答脉冲（ PRESENCE PULSE），来通知主 CPU 它已经作好了接收数据和命令的准备工作。 DS18B20 与微处理器的电路接法如 图 2— 2— 2所示： 寄生电源接法 毕业设计（论文）报告用纸 第 11 页 共 57 页 外部电源接法 图 2— 2— 2 DS18B20 与微处理器连接图 而传统温度采集转换系统则通过温度 传感器集成芯片将温度变化量转换成电流值变化量，输入放大电路转换为电流变化量，再输入 ADC0809 将模拟信号转换为数字信号。 利用单片机采集并存储采集到的数据。 系统电路图如下 图 2— 2— 3所示。 图 2— 2— 3传统温度采集转换系统电路图 升降温控制系统 本系统使用 DDC控制技术。 DDC 控制 是当 现场 温度在 用户 设定 的上、下限 温度范围内 时 ，加热器 或降温器 的 工作 随着温度 接近临界值 而 相应调整 的一种控制方式，通常所说的 DDC 段一般定为 177。 5℃ ，当温度变化超出这个范围时，加热器 或降温器 被控制为 DDC控制 ， 一般有下面二种 控制方式：时间 DDC 型、电流 DDC 型， DDC 控制能消除 开关 型控制产生的锯齿波形，减少对电网的冲击， 如图 2— 3— 1的 DDC 控制一般不用在负载变化范围较大而控制精度又较高的场合。 毕业设计（论文）报告用纸 第 12 页 共 57 页 图 2— 3— 1 DDC 控制下的现场温度曲线 此系统由继电器及其驱动电路，直流电机风扇，散热片及电加热器组成，完成温度的升降。 利用 继电器及其驱动电路 ，直流电机风扇相组合可实现风扇的转速控制，驱动电路实际上是一个复杂的放大电路，如图 2— 3— 2 所示： 图 2— 3— 2 继电器及其驱动电路电路图 连接到直流电机风扇后，转动方向是由电压来 控制的，电压为正则正转，电压为负则反转。 转速大小则是由输出脉冲的占空比来决定的，正向占空比越大则转速越快，反向转则占空比越小转速越快。 见下面图 2— 3— 3: 图 2— 3— 3直流电机风扇控制脉冲图 在程序设计中用 控制送出脉冲。 为“ 1”时，输出 12V； 为“ 0”时，输出 0V。 用输出脉冲后的延时时间来决定输出电压值，具体的情况将在第三章中说明。 毕业设计（论文）报告用纸 第 13 页 共 57 页 键盘显示系统 本系统的用户界面利用人机工程学原理，运用系统科学理论和系统科学方法进行设计，使其能够适合操作者的应用需求。 LCD 的应用使操作者能够用 容易理解的方式显示控制系统的当前状态和操作者关心的信息，例如当前时间、当前温度、上限温度、下限温度。 系统给操作者提供容易理解和充分的信息提示，以方便操作者的正确使用。 同时，还考虑了用户操作界面有较好的容错能力，提高了系统的整体综合能力。 系统的连接图如图 2— 4— 1所示。 图 2— 4— 1键盘显示系统电路图 本设计由 74HC00 芯片控制的 4 键键盘和液晶显示器组成，以实现用户的 输入与数据输出。 第一个键的作用是配合第三个键（加 1）和第四个键（减 1）对进行时间设定，第二个键的作用是配合第三个键（加 1）和第四个键（减 1）对上、下限温度进行设定。 报警系统 报警系统由声报警和光报警组成。 声报警通过 接控制爱迪克系统的音效模块发声，用单片机控制 产生一定频率的方波就可以实现音效模块的发声。 音效模块是一个带有扬声器的放大电路。 其电路图如图 2— 5— 1 所示。 图 2— 5— 1 报警系统（声报警）电路图 毕业设计（论文）报告用纸 第 14 页 共 57 页 光报警 由 1 个红色发光二极管和 1 个蓝色发光二极管组成，一共需要 2 根数据线，使用单片机直接控制。 要实现的功能是在第一种工作模式下时，当现场温度高于用户设定的上限温度时，红色发光二极管点亮；当现场温度低于用户设定的下限温 度时，蓝色发光二极管点亮。 在第二种工作模式下，保持恒久熄灭状态。 其电路图如图 2— 5— 2 所示。 图 2— 5— 2 报警系统（光报警）电路图 电源系统 电源的滤波、保护电路对电源有重要的意义，系统能否安全使用，很大程度上取决于电源的稳定和保护。 本设计 使用 4 个二极管 构成的 桥式整流电路 为其 整流电路，如 图2— 6— 1 所示。 滤波电路选用电容滤波，稳压选用三稳压块 7805 和 7812，此电路简单适用。 继电器和直流电机风扇 用到 12V电源， 单片机等 使用 +5V电源。 本电源系统由 U1（ 7805）、 U2（ 7812） 和发光二极管 LED 及相关阻容元件构成，其中 U1输出稳定的 5V电压， U1输出稳定的 12V电压。 发光二极管在这里 作 为电源指示 ，R3 为 LED 的限流电阻。 C8， C9， C10， C11 为电源滤波电容。 图 2— 6— 1 电源系统电路图 硬件电路设计 系统硬件配置 采用总线型结构的设计。 由 P0 口作数据线， P0口和 P2 口共同作地址线。 主要元件简介 1. 8051 单片机 毕业设计（论文）报告用纸 第 15 页 共 57 页 8051 是 Intel 公司于 80年代初推出的 8 位嵌入式微控制器（内部数据总线为 8位，外部数据总线为 8 位），它与 MCS－ 96系统中的其它芯 片相比，具有性能高、功能全、售价低廉、使用方便（ 48PINDIP）等优点。 8051 在工业应用方面有许多明显的特点，它具有灵活方便的 8位总线外围支援器扩展功能，而在数据处理方面又有 8 位微机的快速功能。 由于大的高度集成化已把许多常驻用的输入检测输出控制通道都制作在同一块硅片上，大大地灵活了外部连线，增强了系统的稳定性并且速度快（时钟 12MHz），非常适合于工业环境下安装使用。 因此本系统 CPU 选用 8051 芯片。 8051单片机引脚采用 40双列直插式封装结构。 其引脚图如图 2— 7— 1所示。 8051CPU中的主要元件有 ：高速寄存器阵列、特殊功能寄存器（ SFR）、寄存器控制器和算术逻辑单元（ RALU）。 它与外部通讯是通过特殊功能寄存器 SFR 或存储器控制器进行的。 8051CPU的主要特色是体积小，重量轻，抗干扰能力强，售价低，使用方便。 此外，通过 SFR 还可以直接控制 I/O、 A/D、 PWM、串行口等部件的有效运行。 CPU 内部的一个控制单元和两条总线寄存器阵列和 EALU 连接起来。 这两条总线是： 16 位地址总线（ ABUS） 和 8 位数据总线（ DBUS）。 数据总线仅在 RALU 与寄存器阵列或 SFR 之间传送数据，地址总线用作上述数据传送 的地址总线或用作与寄存器控制器连接的多路复用地址 /数据总线。 CPU 对片内 RAM 访问是直接访问和通过寄存器 R0，R1 间接访问的。 8051 工作时所需的时钟可通过其 XTALL 输入引脚由外部输入，也可采用芯片内部的振荡器。 8051 的工作频率为 6～ 12MHz。 在本系统中采用 频率。 图 2— 7— 1 8051 单片机引脚图 8051 每次上电时必须复位。 所谓复位，就是让单片机应用系统在正式工作之前处于一种特定状态，即正式工作前的起点，这个任务就是由复位电路来完成。 8051 单片机在引脚 RESET/Vpp 出现高电平时实现复位和初始化。 RESET 由高电平变低电平后，单片机 毕业设计（论文）报告用纸 第 16 页 共 57 页 从 0000h 地址开始执行程序，其初始复位不影响内部 RAM 的状态，包括工作寄存器 R7～R0。 在正常运行的情况下，要实现复位操作，必须使 RESET 引脚至少保持两个机器周期的高电平。 CPU 在第二个机器周期内执行内部复位操作，以后每一个机器周期重复一次，直至 RESET 端电平变低。 复位期间不产生 ALE 及 PSEN 信号。 8051 的内部结构框图如图2— 7— 2 所示。 图 2— 7— 2 8051 单片机内部结构框图 2. 1602 液晶显示器 液晶显示器以其微功耗、 体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。 本设计使用的字符型液晶模块是一种用 5x7 点阵图形来显示字符的液晶显示器，容量为1行 2行 16 个字。 1602 采用标准的 16脚接口，其中 VSS 为地电源， VDD接 5V 正电源， 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”，可通过一 10KΩ的电位器调整对比度。 RS 为寄存器选择，高电平时选择数据寄存。