基于AT89C2051單片機的溫度控制系統(tǒng)的設計方案課件

1、第一章 緒 論溫度控制，在工業(yè)自動化控制中占有非常重要的地位。單片機系統(tǒng)的開發(fā)應用給現(xiàn)代工業(yè)測控領域帶來了一次新的技術革命，自動化、智能化均離不開單片機的應用。將單片機控制方法運用到溫度控制系統(tǒng)中，可以克服溫度控制系統(tǒng)中存在的嚴重滯后現(xiàn)象，同時在提高采樣頻率的基礎上可以很大程度的提高控制效果和控制精度?，F(xiàn)代自動控制越來越朝著智能化發(fā)展，在很多自動控制系統(tǒng)中都用到了工控機，小型機、甚至是巨型機處理機等，當然這些處理機有一個很大的特點，那就是很高的運行速度，很大的內(nèi)存，大量的數(shù)據(jù)存儲器。但隨之而來的是巨額的成本。在很多的小型系統(tǒng)中，處理機的成本占系統(tǒng)成本的比例高達20%，而對于這些小型的系統(tǒng)來說，

2、配置一個如此高速的處理機沒有任何必要，因為這些小系統(tǒng)追求經(jīng)濟效益，而不是最在乎系統(tǒng)的快速性，所以用成本低廉的單片機控制小型的，而又不是很復雜，不需要大量復雜運算的系統(tǒng)中是非常適合的。溫度控制，在工業(yè)自動化控制中占有非常重要的地位，如在鋼鐵冶煉過程中要對出爐的鋼鐵進行熱處理，才能達到性能指標，塑料的定型過程中也要保持一定的溫度。隨著科學技術的迅猛發(fā)展，各個領域對自動控制系統(tǒng)控制精度、響應速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性與自適應能力的要求越來越高，被控對象或過程的非線性、時變性、多參數(shù)點的強烈耦合、較大的隨機擾動、各種不確定性以及現(xiàn)場測試手段不完善等，使難以按數(shù)學方法建立被控對象的精確模型的情況。隨著電子技術以及

3、應用需求的發(fā)展，單片機技術得到了迅速的發(fā)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進展。伴隨著科學技術的發(fā)展，電子技術有了更高的飛躍，我們現(xiàn)在完全可以運用單片機和電子溫度傳感器對某處進行溫度檢測，而且我們可以很容易地做到多點的溫度檢測，如果對此原理圖稍加改進，我們還可以進行不同地點的實時溫度檢測和控制。1.1 設計指標設計一個溫度控制系統(tǒng)具體化技術指標如下。1. 被控對象可以是電爐或燃燒爐，溫度控制在0100，誤差為0.5；2. 恒溫控制；3. LED實時顯示系統(tǒng)溫度，用鍵盤輸入溫度；1.2 本文的工作詳細分析課題任務，設計了電源電路，鍵盤電路，單片機系統(tǒng)，顯示電路，執(zhí)行器電路，

4、報警電路，復位電路，時鐘電路，A/D轉換電路等系統(tǒng)。然后根據(jù)課題任務的要求設計出實現(xiàn)控制任務的硬件原理圖和軟件，并進行訪真調(diào)試。第二章 設計思想實現(xiàn)溫度控制的方法有多種，可以用工控機作為控制器，用熱電阻測量溫度；也可以用單片機作為控制器，用熱電偶進行溫度測量。當然每一種方案都有其各自的優(yōu)點。本章詳細列舉、說明了基于89C2051單片機的溫度控制的方案、并畫出了其原理方框圖，對方案的優(yōu)缺點進行了分析。2.1 設計思想方案 (1) 硬件組成：單片機、A/D轉換器、LED顯示器、集成的熱電偶溫度變送器、固態(tài)繼電器、大功率發(fā)熱器。(2) 工作原理：由集成的熱電偶變送器對系統(tǒng)溫度進行檢測，并完成信號標準

5、化、變送功能。單片機執(zhí)行控制功能、由固態(tài)繼電器控制大功率發(fā)熱器電源的導通與斷開，從而達到控制溫度的目的。TL255189C2051固態(tài)繼電器LED顯示DDZ熱電偶溫度變送器鍵 盤電爐溫度圖2-1 方案的原理框圖(3) 系統(tǒng)原理框圖 2.2 論證分析最終方案論述：很顯然，方案較其它相比無論在經(jīng)濟上和實現(xiàn)容易程度上都要好。方案在實行控制的時候不像其它采用D/A轉換后再控制調(diào)節(jié)閥的方法，而是直接外接一個固態(tài)繼電器，通過內(nèi)部改變定時器的中斷時間來調(diào)節(jié)一個周期內(nèi)電子開關的導通和斷開時間。這樣既節(jié)省了材料也可以很大程度上減少硬件電路的結構。綜上所述方案有如下的特點：(1) 在完成所要求的任務的基礎之上還有

6、著結構簡單、明了的特點，很容易實現(xiàn)，而且在一定的程度上節(jié)約成本。(2) 由于采用了離線的方法，很大程度上的減少了編程的麻煩，實現(xiàn)起來較容易。(3) 采用了無污染能源，保護環(huán)境。同時也省去了為建造燃料供應子系統(tǒng)的費用，節(jié)約了成本。采用了模擬的PWM變換，和固態(tài)繼電器?？梢詫⒉蓸宇l率提高到很多的水平，使控制結果更準確，實時性、控制效果更好。第三章 系統(tǒng)設計整個系統(tǒng)由軟件和硬件兩部分組成。本章詳細介紹了系統(tǒng)的硬件和軟件設計，并對硬件和軟件的每一個部分進行了分析，在后半部分還對系統(tǒng)模型進行了訪真與程序調(diào)試。硬件和軟件的每一個壞節(jié)都是深思熟慮而成，各自完成相應的功能并組成一個統(tǒng)一的整體。3.1 硬件設計

7、系統(tǒng)硬件由電源電路，溫度檢測變送電路、模數(shù)接口轉換電路、單片機系統(tǒng)和人機接口等部分組成。系統(tǒng)電源為整個系統(tǒng)提供電能；溫度檢測變送電路將檢測到的溫度信號轉換成標準的電壓信號輸入到模數(shù)接口轉換電路；模數(shù)接口轉換電路輸出的數(shù)字信號進入單片機系統(tǒng)；單片機系統(tǒng)根據(jù)輸入的數(shù)字信號以模糊控制算法為基礎求出控制值，控制執(zhí)行器的運行及溫度的顯示。原理框圖見圖2-1。3.1.1 電源電路由于整個系統(tǒng)都是用單片機和各類芯片及電阻、電容組成的，其工作電壓為5V，不需要負電壓，可采用三端固定正電壓集成穩(wěn)壓器7805系列的芯片6。其輸出電壓5V，按輸出電流不同可分為78M05、78L05，輸出電流分別為0.5A和1.0A

8、，轉換成功率分別為2.5W和5W。從整個系統(tǒng)的設計來看，其中有幾塊集成芯片和多個電阻、電容等器件，其功率總和應在2W左右，所以考慮整個系統(tǒng)的功率裕量，采用78M05作為整個系統(tǒng)的供電芯片。其主要電路如附圖中的電源電路圖所示。其中輸入電壓為交流220V，經(jīng)過變壓器其輸出為9.5V，再進行整流。整流可通過四個二極管進行全波整流，也可以利用集成整流堆來進行（同原理）。后面接電容C1、C2為濾波電容進行濾波，注意電解電容應該要有一定裕量，否則不能起到很好的濾波效果。本電路中使用的電容大小為470uf,耐壓為25伏。78L05的輸出級接入兩個濾波電容，用于減小因為電源波動對系統(tǒng)造成的影響和濾波。其不需要

9、采用大容量的電解電容器，容量大小為100uf耐壓為25伏，再接入0.1F的電容器，便可減少因為電源波動的影響和濾去紋波，很好地改善負載的瞬態(tài)響應。然而，隨之產(chǎn)生一個弊端，即一旦78M05的輸入出現(xiàn)短路時，輸出端大電容上存儲的電荷，將通過集成穩(wěn)壓器內(nèi)部放電，可能會造成內(nèi)部電路的損壞，故在其間跨接一個二極管，為放電提供放泄通路，對集成穩(wěn)壓器起到了分流保護作用。3.1.2 溫度檢測與變送環(huán)節(jié)信號的檢測變送包含兩個方面，一是檢測環(huán)節(jié)，另一個是變送環(huán)節(jié)。檢測環(huán)節(jié)至關重要，檢測元件的選型關系到檢測的精度和變送環(huán)節(jié)中信號變送的容易程度。在溫度的檢測過程中一般用熱電阻和熱電偶完成，熱電阻一般用在檢測精度要求不

10、是很高的地方，而熱電偶則在靈敏度上比熱電偶更好，檢測精度能比熱電阻有一個數(shù)位的差異檢測與變送設備主要根據(jù)被檢測參數(shù)的性質與系統(tǒng)設計的總體考慮來決定。被檢測參數(shù)性質的不同，準確度要求、響應速度要求的不同以及對控制性能要求的不同都影響檢測、變送器的選擇，要從工藝的合理性、經(jīng)濟性加以綜合考慮。應遵循以下原則：1. 可能選擇測量誤差小的測量元件。2. 盡可能選擇快速響應的測量元件與變送設備。3. 對測量信號作必要的處理。a測量信號校正。 b測量信號噪聲（擾動）的抑制。對測量信號進行曲線線性化處理。溫度是工業(yè)生產(chǎn)過程中最常見、最基本的參數(shù)之一。所以，溫度的檢測與控制是自動控制工程的重要任務之一。測量溫度

11、的方法有兩種，一種是接觸式、另一種是非接觸式。接觸式測量的主要特點是：方法簡單、可靠，測量精度高。但是由于測溫元件要與被測介質接觸進行熱交換，才能達到平衡，因而產(chǎn)生了滯后現(xiàn)象。同時測量體可能與被測介質產(chǎn)生化學。此外測量體還受到耐溫材料的限制，不能應用于很高溫度的測量。非接觸式測溫是通過接收被測介質發(fā)出的輻射熱來判斷的。其主要特點是：測溫原則上不愛限制；速度較快，可以對運動休進行測量。但是它受到物體的輻射率、距離、煙塵和水汽等因素影響，測溫誤差較大。由于本系統(tǒng)中測量的對象為電爐，測量溫度在0100左右，且介質為水，不易與測量體發(fā)生化學反應。所以理所當然選擇接觸式的溫度測量方式更為理想。目前工業(yè)生

12、產(chǎn)過程中常用的接觸式溫度測溫原理、與使用場合如表3-1：表3-1 各類傳感元件的特點和使用場合測溫原理溫度計名稱測溫范圍主要特點體積變化固體熱膨脹雙金屬溫度計-200700結構簡單，價格便宜，適用于就上測量，傳送距離不很遠氣體熱膨脹玻璃液體溫度計液體熱膨脹壓力式溫度計-200600電阻變化利用尸體或半導體的電阻值隨溫度變化的性質鉑、銅、鎳、銠、鐵熱敏電阻-270900準確度高，能遠傳，適用于低、中溫測量鍺、碳、金屬氧化物熱敏電阻利用金屬的熱電效應熱電效應普通金屬熱電阻-2001800測量范圍廣，精度高，能遠傳，適用于中、高溫測量貴重金屬熱電阻難熔金屬熱電阻非金屬熱電阻從表中所列的各種溫度測量儀

13、表中，機械式大多用于就地指示；輻射式的精度較差，只有電的測溫儀表精度較高，信號又便于傳送。所以熱電偶和熱敏電阻溫度計在工業(yè)生產(chǎn)和科學研究領域中得到了廣泛地應用。熱電偶溫度計在工業(yè)生產(chǎn)過程中極為廣泛。它具有測溫精度高，在小范圍內(nèi)熱電動勢與溫度基本呈單值、線性關系，穩(wěn)定性和復現(xiàn)性較好，測溫范圍寬，響應時間較快等特點。其使用時一定要注意冷端溫度補償，在一般情況下采用補償電橋的方法較多。其具體實現(xiàn)過程見下面的分析過程。熱電阻溫度計是利用導體或半導體的電阻值隨溫度而變化的性質來測量溫度的。常用的有鉑電阻、銅電阻、半導體熱敏電阻等，但與熱電偶相比較，在精度上，熱電偶精度比熱電阻高。變送器在數(shù)據(jù)采集過程中擔

14、任了把傳感器檢測到的信號變成統(tǒng)一標準信號（DC 420mA或DC 15V），從而使處理器能夠識別數(shù)據(jù)的級別，便于在自運控制過程中進行運算和做出相應的處理決策。DDZ熱電偶溫度變送器可以把溫度轉換成統(tǒng)一的標準信號（DC420mA或DC15V），其輸出送顯示儀表或調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器實現(xiàn)對溫度的顯示或自動控制。DDZ-熱電偶溫度變送器具有熱電偶冷端溫度補償、零點調(diào)整、零點遷移、量程調(diào)整以及線性化等重功能。其具有以下幾個特點：(1) 采用了線性集成電路，提高了儀表的可靠性、穩(wěn)定性及各項技術性能。(2) 熱電偶溫度變送器中采用了線性化電路，使變送器的輸出電流?；螂妷盒盘柡捅粶y溫度（輸入信號）成線性關系。(3

15、) 線路中采用了安全火花防爆措施，幫可用于危險場所中的溫度測量變送。由以上分析，我們可以得出結論，DDZ-熱電偶溫度變送器是一種集成的自動化溫度傳感變送器，在量程和精度上都完全滿足設計中溫度測量、變送的要求。3.1.3 模數(shù)轉換接口電路因為單片機不能直接處理模擬信號，所以必須將熱電偶檢測到的溫度模擬信號變化成數(shù)字信號,單片機才能做出相應的處理。按照設計指標，精度要求在0.5。采用8位A/D轉換器如果設定其成比例關系，即0255，0100。則其精確度為0.39，完全滿足要求，但考慮要留有一定的裕量，即100不能為255，雖然這個問題可以用調(diào)整變送器的方法來解決。但這其中又隱含了另外一個問題即將溫

16、度的檢測值到十進制溫度轉換的計算，A/D轉換結果每增加一個單位值，十進制溫度增加0.39度，這需要用二進字浮點數(shù)運算。意味著在有限的存儲空間里面要存儲浮點數(shù)的加、減、乘、除和二進制數(shù)與十進制數(shù)的轉換程序等；并且因為溫度是通過鍵盤輸入到存儲器中的所以輸入的溫度值也要經(jīng)過轉換，這就大大的加長了程序運行的時間同時也就減短了A/D轉換所占用的時間和溫度的采樣點數(shù)，直接影響了其控制精度。同時很大程度上加大了編程的難度，其在邏輯思維上、程序轉換上都有較大的難度。要滿足精度要求，而且還要在運算上、數(shù)值轉換上不困難，可以通過調(diào)整變送器的量程和A/D轉換器的分辨率來解決。用12位A/D器，其輸入電壓為05V時對

17、應的輸出為04096，設計要求溫度控制在0100。我們可以將100時A/D輸出為1000，這樣其精度可以達到0.1，完全滿足設計的要求。前面已經(jīng)說明變送器的輸出為15V，所以可以調(diào)節(jié)送器的量程，0時變送器輸出為1.22V,而A/D轉換的輸出為1000;100時輸出2.44V，A/D輸出為2000。通過以上設定，在保證了很大的裕量的同時又減小了其計算的復雜性。其輸出值=溫度10，運算的時候根本不用采用浮點數(shù)運算，只要一個雙字節(jié)無符號數(shù)減法、除法即可以完成，且在顯示的時候也可以精確顯示到小數(shù)點后面一位。TLC2551/2541是TI公司生產(chǎn)的串行12位A/D轉換器8，其采用DIP-8封裝，簡單的微

18、處理器接口，單通道差分輸入，轉換時間在Flock=400KHz時為3.2us，5V供電時輸入范圍：05V，輸入輸出完全兼容TTL和CMOS電路，全部非校準誤差：1LSB。單5V供電，工作溫度范圍：070；其接口電路如圖3-2。圖3-2模數(shù)轉換電路3.1.4單片機最小系統(tǒng)1 單片機選型整個系統(tǒng)采用最小化設計，其外部所接組件大多采用了串行通信，所以在單片機選型時不需要很多的并行口，有一定的程序存儲器和定時器、外部中斷即可。圖3-389c2051及其引腳與網(wǎng)標由ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C2051，除了在外部引腳上少了兩個并行口外，其它內(nèi)部資源與AT89C51完全相同，且其內(nèi)部的2KFLASH ROM能夠很方便的進行擦寫，匯編指令與80C51完全兼容的特點，成為了首選。其基本特征如下：(1) 具有適于控制的8位CPU和指令系統(tǒng)；(2) 128字節(jié)的片內(nèi)RAM；2KB片內(nèi)ROM；(3) 15線并行I/O口；(4) 兩個16位定時/計數(shù)器；(5) 一個全雙工串行口；(6) 6個中斷源，兩個中斷優(yōu)先級的中斷結構；2 晶振電路的設計單片機內(nèi)部帶有時鐘電路，因此，只需要在片外通過X1、X2引腳接