基于AT89C51單片機的溫度自動監(jiān)控系統(tǒng)

基于AT89C51單片機的溫度自動監(jiān)控系統(tǒng)一、設(shè)計題目基于AT89C51單片機的溫度自動監(jiān)控系統(tǒng)二、設(shè)計目的 (1)通過畢業(yè)設(shè)計培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)的基礎(chǔ)理論、基礎(chǔ)知識、基本技能進行分析和解決實際問題的能力。 （2）培養(yǎng)學(xué)生利用單片機進行使用系統(tǒng)開發(fā)的能力，掌握單片機使用系統(tǒng)設(shè)計的一般方法和步驟，達到能夠進行單片機系統(tǒng)設(shè)計的目的。（3）掌握溫度信號的輸入通道。三、畢業(yè)設(shè)計的技術(shù)數(shù)據(jù)：化學(xué)合成對溫度檢測和控制要求較高，是化工合成工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 化工合成裝置的溫度進行檢測，并按工藝要求，控制最高加熱溫度，在升溫階段，控制合成溫度采用恒值控制：前期為370，中溫期為380，后期為390；控制精度為3；最高溫度連續(xù)三次達到400時發(fā)出報警信號。顯示檢測溫度值；每半小時打印一次最高溫度值及檢測時間；留有擴充余地，以實現(xiàn)多回路控制。 溫度檢測控制系統(tǒng)四、畢業(yè)設(shè)計的任務(wù)1、熟悉題目要求，查閱相關(guān)科技文獻2、方案設(shè)計（包括方案論證和確定、技術(shù)經(jīng)濟分析等內(nèi)容）3、硬件和軟件設(shè)計（其中還包括理論分析、設(shè)計計算、實驗及數(shù)據(jù)處理、設(shè)備及元器件選擇等）4、撰寫設(shè)計說明書，繪制圖紙5、指定內(nèi)容的外文資料翻譯6、其它五、畢業(yè)設(shè)計的主要內(nèi)容1、溫度檢測控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計。2、溫度檢測控制系統(tǒng)軟件設(shè)計。3、繪制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖，系統(tǒng)原理圖，軟件流程圖。4、按期完成畢業(yè)設(shè)計說明書的撰寫。5、充分準(zhǔn)備，順利完成答辯。六、畢業(yè)設(shè)計提交的成果1、設(shè)計說明書（約1萬字左右）2、圖紙（選2#圖紙，不少于兩張）3、中、英文摘要（中文摘要約200字，35個關(guān)鍵詞）七、畢業(yè)設(shè)計的主要參考文獻和技術(shù)資料八、畢業(yè)設(shè)計各階段安排摘要：以AT89C51單片機為核心部件，設(shè)計基于單片機的化工合成工藝溫度檢測和控制系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和溫度檢測電路的結(jié)構(gòu)。編寫控制系統(tǒng)主程序流程圖、A/D轉(zhuǎn)換子程序流程圖。以AT89C51單片機為核心的溫度測量溫度檢測和控制、簡化了傳統(tǒng)常規(guī)儀表的電子線路，增加了功能，提高了溫度檢測準(zhǔn)確性和控制可靠性。關(guān)鍵詞：AT89C51單片機；溫度檢測；硬件結(jié)構(gòu)；A/D轉(zhuǎn)換圖1 溫度檢測控制系統(tǒng)圖2 信號檢測放大及A/D轉(zhuǎn)換電路圖3 步進電機控制系統(tǒng)框圖圖4 三相步進電機工作原理框圖圖5 步進電機、打印驅(qū)動電路圖圖6 主程序流程圖電機轉(zhuǎn)動一步的子程序流程圖步進電機驅(qū)動程序流程圖A/D轉(zhuǎn)換子程序流程圖課題來源：化工合成對溫度檢測和控制要求較高，是化工合成工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對化工合成裝置的溫度進行檢測，并按工藝要求，控制最高加熱溫度；在升溫階段，控制合成溫度以每小時的速率上升；加入觸媒以后的溫度采用恒值控制：前期為，中期為，后期為；控制精度為最高溫度連續(xù)三次達到時發(fā)出報警信號。顯示檢測溫度值；每半小時打印一次最高溫度值及檢測時間；留有擴充余地，以實現(xiàn)多回路控制。論文內(nèi)容溫度檢測控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)的硬件電路由溫度檢測、信號放大、轉(zhuǎn)換、單片機、功率放大及執(zhí)行電路、打印、顯示及報警電路等部分組成。選用單片機作為主控機，采用帶有死區(qū)的控制算法，當(dāng)溫度在給定的死區(qū)范圍內(nèi)時，不予調(diào)節(jié)；超出給定范圍時，由單片機按照運算結(jié)果，驅(qū)動步進電機，調(diào)節(jié)加熱裝置，以控制合成溫度。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖所示。溫度信號輸入通道 溫度信號輸入通道由溫度傳感器、信號放大、轉(zhuǎn)換等電路組成。 ）溫度傳感器：溫度傳感器采用鉑電阻。這類材料具有性能穩(wěn)定、抗干擾能力強和測量精度高等優(yōu)點。測溫元件和電阻元件組成橋式電路，將由于溫度變化所引起的鉑電阻的阻值變化轉(zhuǎn)化成電壓信號送入放大器。由于鉑電阻安裝在測量現(xiàn)場，通過長線接入控制臺，為了減小引線電阻的影響，采用三線式接線法。因而，外界溫度變化對連接導(dǎo)線電阻的影響在橋式電路中被相互抵消了。 ）信號放大電路：信號放大電路由單芯片集成精密放大器組成。該電路共有腳，其中和為信號差動輸入端，、腳之間外接電阻，用于調(diào)整放大倍數(shù)，、腳為調(diào)零端，腳為數(shù)據(jù)屏蔽端，腳為測量端，腳為參考端，這兩端間的電位差即為加到后級轉(zhuǎn)換器的輸入信號電源地（腳）相連接，為放大器的偏置電流提供通路。）轉(zhuǎn)換電路：采用組成轉(zhuǎn)換電路，是公司的產(chǎn)品。采用雙積分式工作原理，轉(zhuǎn)換速率不高，但可滿足本系統(tǒng)對采樣速率的要求。因芯片具有較強的抗干擾特性，對于保證系統(tǒng)的檢測和控制精度，是非常有利的。的分辨率為位；轉(zhuǎn)換速率為次秒（時鐘為）；轉(zhuǎn)換后以位二進制碼輸出。轉(zhuǎn)換器直接和單片機口、口相連，轉(zhuǎn)換后的位數(shù)據(jù)直接由口輸入而存入片內(nèi)中。位數(shù)據(jù)需分兩次讀入，一的、分別和轉(zhuǎn)換器的運行保持輸入端（）、字節(jié)使能端（、）以及轉(zhuǎn)換器的狀態(tài)輸出端（）相連接，片選端（肌）和相連，在片選和字節(jié)使能信號的控制下可以直接讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)?？刂茰囟仍O(shè)定電路采用 的設(shè)置個開關(guān)分別表示降溫控制開關(guān)、設(shè)置控溫的后期、中期、前期開關(guān)。當(dāng)合上為時，表示設(shè)置控制溫度為。（觸媒使用的前期溫度）；合上時，設(shè)置控制溫度為。（觸媒使用的中期），合上時，設(shè)置控制溫度為。（觸媒使用的后期）；合上時，停止加熱，系統(tǒng)進入降溫過程。通過軟件檢測的狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)某開關(guān)合上，則設(shè)置對應(yīng)的控制溫度，并轉(zhuǎn)入相應(yīng)的工作過程。）功率放大及執(zhí)行電路：由于步進電機具有快速啟停、精確步進以及直接接受數(shù)字量的特點等，本系統(tǒng)采用步進電機作為執(zhí)行元件?？刂葡到y(tǒng)采用步進電機作為執(zhí)行元件，其作用是將計算機送出的電脈沖信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的機械位移，它具有以下主要特點：（）步距值不受各種干擾因素的影響，轉(zhuǎn)子運動的速度主要取決于電脈沖信號的頻率，而轉(zhuǎn)子的總位移量取決于總脈沖的個數(shù)；（）誤差不會長期積累，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)動一圈積累誤差為零；（）反應(yīng)性能好。啟動、停車、反轉(zhuǎn)及其他任何運動方式的改變都在少數(shù)脈沖內(nèi)完成。在一定的頻率范圍內(nèi)運行時，任何運行方式都不會丟失一步。）執(zhí)行控制系統(tǒng)的組成：如圖所示。步進電機的控制系統(tǒng)主要由步進電機控制器、功率放大器及步進電機組成。步進控制器包括環(huán)形脈沖分配器、控制邏輯及正反轉(zhuǎn)控制門組成，其作用是把輸入脈沖信號按一定順序進行分配，再通過功率放大送入步進電機繞組，以驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動。）步進電機的工作原理及分配方式：進電機的種類較多，如單相、雙相、三相、四相、五相及六相等多種類型。本設(shè)計采用三相反應(yīng)式步進電機。該電機的步距角為。，最大靜力距為，最高空載啟動頻率為步秒。三相步進電機有、三個繞組，按一定規(guī)律循環(huán)給三個繞組供電，就能使它按要求的規(guī)律運轉(zhuǎn)，其工作原理如圖所示。圖中的脈沖發(fā)生器按要求產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號，通過脈沖分配器產(chǎn)生一定規(guī)律的電脈沖輸出給驅(qū)動器，以驅(qū)動步進電機運轉(zhuǎn)。此部分可由計算機或單片機作為主控機。而脈沖分配器可以使用編程接口。步進電機脈沖分配方式及通電順序如下：脈沖分配器每給出一組脈沖，步進電機走一步，轉(zhuǎn)一個角度。單片機通過程序隨時改變脈沖分配方式和輸出脈沖的頻率，因此能靈活、方便地控制步進電機的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向。步進電機的控制部分由單片機和并行接口完成，的口分別作步進電機的三相控制端口。步進電機驅(qū)動電路部分采用光電耦合將單片機系統(tǒng)和步進電機驅(qū)動電路隔離，以增強系統(tǒng)抗干擾能力，并能防止當(dāng)三極管損壞時電機驅(qū)動電路的高壓對單片機的安全造成的威脅?？筛鶕?jù)步進電機的電流選用合適的大功率的三極管，以完成功率放大及電機驅(qū)動任務(wù)。二極管為保護元件，為斷流時的電機繞組提供低阻搞續(xù)流回路，把集電極電位鉗制在電源電壓，防止過高的反向電壓擊穿三極管。為了及時記錄合成裝置的溫度和檢測時間，選用微型打印機-作為記錄打印裝置。選用 AT89C51內(nèi)部定時器，每隔半小時啟動-打印一次，打印機通過和單片機相連。為了能隨機顯示檢測的溫長值，選用一片作為數(shù)碼管的接口。步進電機、打印驅(qū)動電路如圖。溫度檢測控制系統(tǒng)軟件設(shè)計.系統(tǒng)軟件功能）檢測開關(guān)、的狀態(tài)，設(shè)定溫度控制值，并將控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)入相應(yīng)的加熱或降溫階段；）啟動轉(zhuǎn)換，連續(xù)讀取次轉(zhuǎn)換結(jié)果，經(jīng)濾波和非線性校正處理之后，作為一次溫度檢測信號，并顯示檢測的溫度值；）進行運算，按照運算結(jié)果，驅(qū)動步進電機以調(diào)節(jié)溫度；）每隔半小時，由定時器產(chǎn)生中斷申請，在中斷服務(wù)程序中啟動打印機，打印記錄溫度值及檢測時； ）若發(fā)現(xiàn)溫度超限時，發(fā)出報警信號。溫度檢測和控制主程序 主程序功能：完成系統(tǒng)初始化操作；判斷溫度是否超限，如果超限則轉(zhuǎn)報警處理，如果未超限則讀入、狀態(tài)，并根據(jù)其輸入狀態(tài)，散轉(zhuǎn)執(zhí)行相應(yīng)的功能子程序。主程序流程圖如圖所示。主要的子程序流程圖）運算子程序：取出溫度給定值和測量值，計算出偏差信號e(k)，將e(k)和設(shè)定的死區(qū)值比較，如果e(k)未超出死區(qū)范圍，則本次輸出調(diào)節(jié)量為，返回檢測程序；如果e(k)超出死區(qū)范圍，則計算出p(k)=Pp(k)+ PI(k)+ PD(k)的調(diào)節(jié)輸出值。 ）步進電機驅(qū)動程序：本系統(tǒng)選用三相步進電機，采用三相六拍工作方式，各繞組供電的步進信號由的口控制，其轉(zhuǎn)動方向及通電順序字見表。根據(jù)步進電機的轉(zhuǎn)向和工作時繞組通電順序變化規(guī)律，可以在的中設(shè)置步進電機的控制字表，如表所示，表頭地址為0，表尾地址為。顯然，驅(qū)動信號從開始控制通電順序，電機為正轉(zhuǎn)；若從開始控制通電順序，則電機為反轉(zhuǎn)。步進電機的轉(zhuǎn)速由脈沖信號的周期決定。脈沖信號的周期由通過延時程序或定時器計數(shù)器的定時時間來確定。系統(tǒng)中的三相繞組由的口控制是，程序中的延時時間為電機的轉(zhuǎn)速為：（）轉(zhuǎn)分式中電機轉(zhuǎn)動一周應(yīng)輸出的控制字節(jié)數(shù)。采用三相六拍工作時，步距角為.。，則有：/，即轉(zhuǎn)一周要輸出個字節(jié)控制字。設(shè)旋轉(zhuǎn)角度和輸出控制字節(jié)數(shù)的關(guān)系為，只要把保存在字節(jié)計數(shù)器里，每輸出一個字節(jié)，步進電機轉(zhuǎn)動一步，同時將字節(jié)計數(shù)器減，當(dāng)字節(jié)計數(shù)器為時，步進電機轉(zhuǎn)動了步，對應(yīng)的角度為。 圖所示為驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動一步的子程序流程圖。入口條件中已存放步進電機的控制字表的地址，設(shè)正轉(zhuǎn)時置為，為；反轉(zhuǎn)時置為，為。調(diào)用本程序前應(yīng)已對 進行了初始化，每輸出一個字節(jié)后延時。設(shè)置、是為了保證步進電機按兩種不同順序改變控制字表的地址指針，以完成正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)操作。步進電機驅(qū)動程序流程圖如圖所示。調(diào)用該程序前應(yīng)將步進電機的轉(zhuǎn)動步數(shù)和方向標(biāo)志存放在寄存器中，符號為表示反轉(zhuǎn)，為表示正轉(zhuǎn)，其絕對值代表轉(zhuǎn)動步數(shù)。）轉(zhuǎn)換子程序。該子程序由單片機的啟動轉(zhuǎn)換，根據(jù)的的狀態(tài)判斷轉(zhuǎn)換是否完成，若轉(zhuǎn)換完成，將芯片置為保持狀態(tài)（信息有效）。然后，分兩次由0口讀入轉(zhuǎn)換后的位數(shù)據(jù)存入單片機內(nèi)部指示