单片机温度控制系统的设计与实现

吉林农业大学学士学位论文（设计）单片机温度系统的设计与实现11前言1．1课题的背景与意义在近四十年的时间里，电子计算机的发展经历了从电子管、晶体管、中小规模集成电路到大规模集成电路这样四个阶段，尤其是随着半导体集成技术的飞跃发展，七十年代初诞生了一代新型的电子计算机——微型计算机，使得计算机应用日益广泛；而单片微型计算机的问世，则更进一步推动了这一发展趋势，使计算机应用渗透到各行各业，达到了前所未有的普及程度。一个由微电子技术为先导，计算机技术为标志，包括新材料、宇航、生物工程、海洋工程等多种学科在内的新技术革命正在兴起。在国内，由于单片机具有功能强、体积小、可靠性好、和价格低廉等独特优点，因此，在智能仪器仪表、工业自动控制、计算机智能终端、家用电器、儿童玩具等许多方面，都已得到了很好的应用，因而受到人们高度重视，取得了一系列科研成果，成为传统工业技术改造和新产品更新换代的理想机种，具有广阔的发展前景。1．2课题的应用与展望随着电子技术以及应用需求的发展，单片机技术得到了迅速的发展，在高集成度，高速度，低功耗以及高性能方面取得了很大的进展。伴随着科学技术的发展，电子技术有了更高的飞跃，我们现在完全可以运用单片机和电子温度传感器对某处进行温度检测，而且我们可以很容易地做到多点的温度检测，如果对此原理图稍加改进，我们还可以进行不同地点的实时温度检测和控制。温度是工业控制中主要的被控参数之一，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械等工业中，具有举足重轻的作用，因此,温度控制系统是典型的控制系统。对于不同场所、不同工艺、所需温度高低范围不同、精度不同，则采用的测温元件、测温方法以及对温度的控制方法也将不同；产品工艺不同、控制温度的精度不同、时效不同，则对数据采集的精度和采用的控制算法也不同，因而，对温度的测控方法多种多样。随着电子技术和微型计算机的迅速发展，微机测量和控制技术也得到了迅速的发展和广泛的应用。利用微机对温度进行测控的技术，也便随之而生，并得到日益发展和完善，越来越显示出其优越性。目前,单片微机已普遍地作用于生产过程的自动控制领域中。单片机以其体积小、价格低廉、可用其构成计算机控制系统中的智能控制单元和可靠性高等特点,受到广大工程技术人员的重视。温度是生产过程中最常见的物理量,许多生产过程是以温度作为其被控参数的。因此,温度控制系统是典型的控制系统。1．3课题举例简介在现代化的工业生产中，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。例如：在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食吉林农业大学学士学位论文（设计）单片机温度系统的设计与实现2品加工等诸多领域中，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MCS-51单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态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生产中经常会遇到的问题。下面介绍一种功能简化后的温度控制系统的设计过程。假设某烘干道采用过热蒸汽为热源，蒸汽管道经热交换器加热空气并通过风机向烘箱送热风实现对胶布（带）的循环加热，烘箱的温度变化范围为0～120℃。根据工艺要求，系统需实现如下功能和指标：①温度给定值在85℃左右且现场可调；②温度控制误差≤±2℃；③实时显示温度值，保留1位小数；④温度超过给定值±10℃时声光报警；⑤控制参数可在线修改。2总体方案根据功能和指标要求，本系统可以从元件级开始设计，选用MCS-51单片机为主控机。通过扩展必要的外围接口电路，实现对烘箱温度的测量和控制。2．1系统结构该系统以89C51单片机为核心，由温度测量变换、测量放大、大功率运放、A/D与D/A转换器、输入光电隔离、驱动电路、键盘显示、存储器共同组成。在系统中，温度和时间的设置、温度值及误差显示、控制参数得设置、运行、暂停及复位等功能由键盘及显示电路完成。图2-1单片机温度控制系统方案原理示意图传感器把测量的烘箱温度信号转换成弱电压信号，经过信号放大电路，送入低通滤波电路，以消除噪音和干扰，滤波后的信号输入到A/D转换器（ADC0809）转换成数字信号输入主机（单片机8031）。2．2具体设计考虑1、由于温度测量范围为0～120℃，控制精度也不高，可选用8路8位ADC0809作A/D吉林农业大学学士学位论文（设计）单片机温度系统的设计与实现3转换器，分辨率可达0.5℃；为了方便操作，系统可不扩展专用键盘，温度给定输入可用2位BCD码拨盘开关置数；温度显示可用4位LED；为了实现通过调节蒸汽流量控温，可扩展8位DAC0832作D/A转换器。于是，单片机基本系统应为：8031+2764+8255+ADC0809+DAC0832+4位LED。2、温度测量可以选用半导体集成温度传感器AD590，它的响应速度快，与单片机接口简单。其测温范围为-55～+150℃，工作电压4～30V，输出电流与绝对温度成正比，即为1µA/K。执行机构可选用ZKZP-Ⅱ型线性电动单座调节阀，用它来调节通入烘箱的蒸汽流量。调节阀用D/A转换器输出的可调电流控制，0mA对应阀门完全关闭，10mA对应阀门全打开。3、可采用带死区的比例积分（PI）控制算法实现对温度的控制。烘箱温度与给定值的偏差小时，调节阀不动作，以减少阀的机械磨损；偏差较大时，经PI算法运算后，单片机通过D/A输出控制信号控制阀门的开度，为了使控制参数现场可调，可用3个电位器产生3路可调电压经过A/D转换实现对A/D转换，实现对PI算法的3个参数（比例系数Kp、积分系数KI、控制周期Tc）在线整定。这种方法不仅可使参数调整方便，而且具有掉电保护功能。4、为了提高系统的抗干扰能力，D/A转换器与单片机之间进行光电隔离。使电动阀和单片机之间不共地。3元器件简介3．1AT89C51单片机3．1．1概述AT89C51是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口。片内含4kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案。3．1．2主要特性AT89C51的主要特性如下：（1）寿命达1000写/擦循环（2）数据保留时间：10年（3）全静态工作：0Hz－24MHz吉林农业大学学士学位论文（设计）单片机温度系统的设计与实现4（4）三级程序存储器锁定（5）128×8位内部RAM（6）32可编程I/O线（7）2个16位定时器/计数器（8）6个中断源（9）可编程串行通道（10）低功耗闲置和掉电模式（11）片内振荡器和时钟电路3．1．3引脚功能AT89C51引脚排列如图3-1所示，引脚功能如下：图3-1AT89C51的引脚排列VCC（40）：＋5VGND（20）：接地P0口（39－32）：P0口为8位漏极开路双向I/O口，每个引脚可吸收8个TTL门电流。P1口（1－8）：P1口是从内部提供上拉电阻器的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收和输出4个TTL门电流。P2口（21－28）：P2口为内部上拉电阻器的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收和输出4个TTL门电流。P3口（10－17）：P3口是8个带有内部上拉电阻器的双向I/O口，可接收和输出4个TTL门电流，P3口也可作为AT89C51的特殊功能口。RST（9）：复位输入。当振荡器复位时，要保持RST引脚2个机器周期的高电平时间。ALE/PROG（30）：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节，在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6，它可用作对外部输出的脉冲或用吉林农业大学学士学位论文（设计）单片机温度系统的设计与实现5于定时目的，要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过1个ALE脉冲。PSEN（29）：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取值期间，每个机器周期2次PSEN有效，但在访问外部数据存储器时，这2次有效的PSEN信号将不出现。EA/VPP（31）：当EA保持低电平时，外部程序存储器地址为（0000H－FFFFH）不管是否有内部程序存储器。FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1（19）：反向振荡器放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2（18）：来自反向振荡器的输出。3．2AD590温度传感器3．2．1概述AD590是AD公司利用PN结正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器。实际上，中国也开发出了同类型的产品SG590。这种器件在被测温度一定时，相当于一个恒流源。该器件具有良好的线性和互换性，测量精度高，并具有消除电源波动的特性。即使电源在5-15V之间变化，其电流只是在1µA以下作微小变化。AD590是电流型温度传感器，通过对电流的测量可得到所需要的温度值。根据特性分档，AD590后缀以I、J、K、L、M表示。AD590L、AD590M一般用于精密温度测量电路，其电路外形如图所示，它采用金属壳3脚封装，其中1脚为电源正端V+，2脚为电流输出端I0，3脚为管壳，一般不用。集成温度传感器的电路符号如图3-2所示。3．2．2主要特性吉林农业大学学士学位论文（设计）单片机温度系统的设计与实现6图3-2AD590的外形电路图及电路符号AD590的主要特性参数如下•工作电压：4～30V•工作温度：-55～+150℃•保存温度：-65～+175℃•正向电压：+44V•反向电压：-20V•焊接温度（10秒）：300℃•灵敏度：1µA/K3．2．3AD590工作原理在被测温度一定时，AD590相当于一个恒流源，把它和5-30V的直流电源相连，并在输出端串接一个1KΩ的恒值电阻，此电阻上流过的电流与被测温度成正比，此时电阻两端将会有1mV/K的电压信号。其基本电路如图3-3所示。图3是利用ΔURE特性的集成PN结传感器的感温部分核心电路。其中T1、T2起恒流作用，可用于使左右两支路的集电极电流I1和I2相等；T3、T4是感温用的晶体管，两个管的材质和工艺完全相同，但T3实质上是由n个晶体管并联而成，因而其结面积是T4的n倍。T3和T4的发射结电压URE3和URE4经反极性串联后加在电阻R上，所以R上端电压为ΔURE。因此，电流II为：II=ΔURE/R=（KT/q）(Inn)/R对于AD590,n=8,这样,电路的总电流将与热力学温度T成正比,将此电流引至负载电阻RL上便可得到与T成正比的输出电压。由于利用了恒流特性，所以输出信号不受电源电压和导线电阻的影响。图3中的电阻R是在硅板上形成的薄膜电阻，该电阻已用激光修正了其电阻值，因而在基准温度下可得到1µA/K的I值。吉林农业大学学士学位论文（设计）单片机温度系统的设计与实现7图3-3感温部分的核心电路3．3ADC0809模数转换器3．3．1主要特性•ADC0809的主要特性指标：•分辨率：n=8•时钟频率：小于640KHZ•转换时间：大于等于100微秒•不可调误差：1LSB•电源：单电源正5V•模拟输入量：8路•模拟输入范围：0～5V•参考电压：Uref(+)—Uref(-)=5V3．3．2ADC0809工作原理ADC0809为逐次逼近式A/D转换器，具有8个模拟量输入通道。它能与微型计算机的大部分总线兼容，可在程序的控制下选择8个模入通道之一进行A/D转换，然后把得到的8位二进制数据送到微机的数据总线，供CPU处理。转换器是ADC0809的核心部分，它由D/A转换、逐次逼近寄存器（SAR）、比较器等组成。其中，D/A转换电路采用了256RT型电阻网