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I
摘要
本文主要从硬件和软件两方面介绍了MCS-51单片机温度控制系统的设计思路,简单说明如何实现对温度的控制,并对硬件原理图和程序框图作了简洁的描述。还介绍了在单片机温度控制系统的软硬件设计中的一些主要技术关键环节,该系统主要以51系列单片机为核心,由温度检测电路,模/数转换电路,电桥转换电路,报警与指示电路,功率放大电路等构成。
但用51系列单片机设计的温度检测电路是本次设计的主要内容,是整个单片机温度控制系统设计中不可缺少的一部分,该系统对温度进行了实时采集与检测。本设计介绍的单片机温度自动控制系统的主要内容包括:系统方案、元器件选择、系统理论分析、硬件设计、软件设计、系统调试及主要技术性能参数。
关键词:单片机;温度传感器;温度检测;温度控制;PID算法
哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计(论文)
II
Abstract
Thedesignofsingle-chip’stemperaturecontrolsystemisintroducedfromhardwareandsoftware,--chipmicrocomputerascore,itisstructuredbytemperaturetestingcircuit,A/Dswitchcircuit,zeropassagetestingcircuit,warningandindicationcircuit,optical-electricalisolationandpoweramplifiercircuitandsoon.
ThemaincontentofthisdesignistemperaturetestingcircuitthatusesAT89C51single--chipmicrocomputerisdescribedinthearticleincludingsystemscheme,partsofanapparatuschoice,theoreticalanalysis,thedesignofhardwareandsoftware,systemtesting,andthemaintechnicalperformanceparameters.
KeyWords:Single—ChipMicrocomputer;Temperaturesensor;Temperaturecollecting;Temperaturecontrolling;PIDalgorithm.
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III
目录
摘要 I
Abstract II
第1章绪论 1
1
2
第2章总体方案 3
3
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本章小结 4
第3章元器件简介 5
5
5
5
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7
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7
9
10
10
10
本章小结 12
第4章硬件设计 12
12
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13
13
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14
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IV
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16
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本章小结 16
第5章软件设计 17
18
18
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20
21
26
27
本章小结 28
第6章系统调试 29
29
29
30
31
31
32
本章小结 32
结论 33
参考文献 34
致谢 36
附录1译文 37
附录2英文参考资料 46
附录3 62
1
第1章绪论

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。

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。
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2
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。

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。
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第2章总体方案
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系列单片机为主控机。通过扩展必要的外围接口电路,实现对温度的测量和控制。

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转换器、驱动电路、键盘显示共同组成。在系统中,温度的设置、温度值显示、控制参数得设置、运行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(ADC0804)转换成数字信号输入主机(单片机8059)。

1、由于温度测量范围为0~200℃,控制精度也不高,可选用8路8位ADC0804作A/D转换器,℃;为了方便操作,系统可不扩展专用键盘,温度给定输入可用两个按键控制温度的加减;温度显示常用的LM016L;为了实现通过调节电机风速控制降温,用热源控制温度的上升,中间使用PID控制调节速度。
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2、温度测量可以选用铂热电阻PT100,它的阻值会随着温度的变化而改变。PT后的100即表示它在0℃时阻值为100欧姆,在100℃。
图2-2PT100温度阻值曲线
由图所示PT100温度阻值是呈线性的,故编程较为方便。
3、可采用较为简单的P控制,由于实际和理论的差别在可采用带死区的比例积分(PI)控制算法实现对温度的控制。检测温度变化时PT100阻值产生变化,电桥电路中的平衡会被破坏产生偏差信号,通过放大器放大经过A/D转换送到单片机中,控制降温的电机。为了使控制参数现场可调,通过键盘控制实现对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。
本章小结
本章主要介绍了系统软件和硬件的设计思路,就大致设计思路上经行了选型和设计,选用了PT100温度传感器了解经典的转换电路和PID控制,简单的控制只需要P调节就可以满足需要。
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第3章元器件简介


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。

AT89C51的主要特性如下:
•寿命达1000写/擦循环
•数据保留时间:10年
•全静态工作:0Hz-24MHz
•三级程序存储器锁定
•128×8位内部RAM
•32可编程I/O线
•2个16位定时器/计数器
•6个中断源
•可编程串行通道
•低功耗闲置和掉电模式
•片内振荡器和时钟电路

AT89C51引脚排列如图3-1所示,引脚功能如下:
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