溫度控制器的設(shè)計

1、數(shù)字式溫度控制器的設(shè)計 2013 2014 學(xué)年 第 2 學(xué)期 數(shù)字式溫度控制器的設(shè)計 課 程 設(shè) 計 報 告題 目： 數(shù)字式溫度控制器的設(shè)計 專 業(yè)： 11電氣工程及其自動化 班 級： 2 姓 名： 指導(dǎo)教師： 電氣工程學(xué)院 2014年 6 月 2日數(shù)字式溫度控制儀 摘 要溫度是工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗中的重要參數(shù)之一。在化工、 冶金、 醫(yī)藥、 航空等領(lǐng)域里，對溫度的控制效果直接影響到許多產(chǎn)品的質(zhì)量及使用壽命，因此，溫度控制成為各個領(lǐng)域中的一項關(guān)鍵技術(shù)。溫度控制的關(guān)鍵在于測溫和控溫兩方面，溫度測量是溫度控制的基礎(chǔ)。在溫度測量方面，技術(shù)己經(jīng)比較成熟，由于控制對象越來越復(fù)雜，而在溫度控制方面，還存在著

2、許多問題，人們還在尋找著更好的控制方法以提高控制性能，滿足不同的控制要求。隨著時代的進(jìn)步和發(fā)展，單片機(jī)技術(shù)已經(jīng)普及到我們生活，工作，科研，各個領(lǐng)域，已經(jīng)成為一種比較成熟的技術(shù),本文將介紹一種基于單片機(jī)控制的恒溫鍋爐燒水控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)以AT89C51單片機(jī)為控制核心，采用閉環(huán)控制裝置，可自動控制要求環(huán)境下的溫度，使被控對象溫度保持在恒定的范圍內(nèi)。本系統(tǒng)溫度信號由數(shù)字溫度傳感器DS18B20采集，送AT89C51單片機(jī)進(jìn)行處理，并通過數(shù)碼管顯示。當(dāng)溫度低于或者高于設(shè)定值后，單片機(jī)將發(fā)出控制信號控制溫度控制系統(tǒng)的通斷電狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)將溫度穩(wěn)定在目標(biāo)溫度至附近的要求。關(guān)鍵詞：單片機(jī);閉環(huán)控制;DS18

3、B20;溫度;數(shù)碼管目 錄數(shù)字式溫度控制儀3摘 要3第1章 系統(tǒng)原理分析51.1 主要研究內(nèi)容與技術(shù)指標(biāo)5 1.1.1 主要研究內(nèi)容5 1.1.2 主要技術(shù)指標(biāo)51.2 總體設(shè)計方案6 1.2.1 方案的提出6 1.2.2 總體設(shè)計框圖61.3 系統(tǒng)工作基本原理6 1.3.1 PID算法6 1.3.2 DS18B20溫度傳感器工作原理7第2章 系統(tǒng)硬件設(shè)計72.1 數(shù)碼管顯示模塊72.2 鍵盤輸入模塊82.3 溫度采集模塊82.4 溫度控制模塊92.5系統(tǒng)總電路圖9第3章 系統(tǒng)軟件設(shè)計103.1 主程序流程圖103.2 采樣子程序流程圖113.3 顯示子程序流程圖123-3顯示子程序133.4

4、 控制子程序流程圖14第4章 系統(tǒng)總仿真圖及其結(jié)果154.1數(shù)碼管顯示模塊仿真154.2溫度采集模塊仿真15結(jié)論16參考文獻(xiàn)16第1章 系統(tǒng)原理分析1.1 主要研究內(nèi)容與技術(shù)指標(biāo)1.1.1 主要研究內(nèi)容熟悉和掌握單片機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，了解以單片機(jī)為核心的電路設(shè)計的基本方法。設(shè)計一個能夠顯示當(dāng)前溫度和目標(biāo)溫度的溫度控制系統(tǒng)。1.1.2 主要技術(shù)指標(biāo) 1、通過溫度傳感器采集燒水爐中的當(dāng)前溫度值，并在LED數(shù)碼管上顯示出當(dāng)前燒水爐內(nèi)的溫度值。2、設(shè)定鍵盤給定，通過按鍵給定要控制的燒水爐中的目標(biāo)溫度，該設(shè)定值也可顯示在LED數(shù)碼管上，與測量值輪流顯示。3、設(shè)計控制電路，對燒水爐的通斷電狀態(tài)進(jìn)行自動控

5、制，采用通斷控制電路，控制占空比。實(shí)現(xiàn)PWM控制算法，使燒水爐中的溫度穩(wěn)定在設(shè)定值。4、控制參數(shù)：溫度測量范圍為3090度，測量精度為0.5度。1.2 總體設(shè)計方案1.2.1 方案的提出考慮到用溫度傳感器，在單片機(jī)電路設(shè)計中，大多都是使用傳感器，所以這是非常容易想到的，所以可以采用一只溫度傳感器DS18B20，此傳感器，可以很容易直接讀取被測溫度值，進(jìn)行轉(zhuǎn)換，就可以滿足設(shè)計要求。同時本系統(tǒng)采用AT89C52作為溫度控制系統(tǒng)主控單元。AT89C52是一種帶4 kB閃存可編程可擦除只讀存儲器的低電壓、高性能CMOS的8位微處理器。指令系統(tǒng)和引腳與典型的MCS-51系列完全兼容，方便軟件的編寫。系統(tǒng)

6、整體電路包括：主控電路、鍵盤輸入、數(shù)碼管顯示、控制輸出、控制對象。1.2.2 總體設(shè)計框圖溫度控制電路設(shè)計總體設(shè)計方框圖如圖1-1所示，控制器采用單片機(jī)AT89C52，溫度傳感器采用DS18B20，用6位LED數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)測量溫度顯示與目標(biāo)設(shè)定溫度顯示功能，用4×3矩陣鍵盤對目標(biāo)溫度進(jìn)行輸入設(shè)定。DS18B20溫度傳感器4×3矩陣鍵盤AT89C52單片機(jī)6位數(shù)碼管顯示控制輸出控制對象信號處理 圖1-1 數(shù)字式溫度控制儀總體設(shè)計框圖1.3 系統(tǒng)工作基本原理1.3.1 PID算法在模擬控制系統(tǒng)中，控制器最常用的控制規(guī)律是PID控制。工業(yè)控制算法常用位置型PID算法，經(jīng)離散化后的算

7、式為 式中，U(n)為第n個采樣時刻控制器的輸出量，e(n)第n個采樣時刻的偏差值，為比例系數(shù)，為積分作用系數(shù)，為微分作用系數(shù)。由于位置式算法每次輸出與整個過去狀態(tài)有關(guān)，算式中用到過去偏差的累加值 ，容易產(chǎn)生較大的累計誤差。而增量式中只需計算增量，算式中不需要累加，控制增量的確定僅與幾次偏差采樣值有關(guān)，當(dāng)存在計算誤差或精度不足時，對控制量計算的影響較小，且容易通過加權(quán)處理獲得較好的控制效果。由于計算機(jī)只輸出控制增量，所以誤動作時影響較小，且必要時可用邏輯判斷的方法去掉，對系統(tǒng)安全運(yùn)行有利。1.3.2 DS18B20溫度傳感器工作原理DS18B20的測溫原理是這這樣的,器件中低溫度系數(shù)晶振的振蕩

8、頻率受溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給減法計數(shù)器；高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為減法計數(shù)器的脈沖輸入。器件中還有一個計數(shù)門，當(dāng)計數(shù)門打開時，DS18B20就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖進(jìn)行計數(shù)進(jìn)而完成溫度測量。計數(shù)門的開啟時間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測量前，首先將55所對應(yīng)的一個基數(shù)分別置入減法計數(shù)器、溫度寄存器中，計數(shù)器和溫度寄存器被預(yù)置在55所對應(yīng)的一個基數(shù)值。預(yù)置值減到0時，溫度寄存器的值將加1，減法計數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，減法計數(shù)器重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行計數(shù)，如此循環(huán)直到減法計數(shù)器計數(shù)到0時，停止溫度寄存器的

9、累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值就是所測溫度值。其輸出用于修正減法計數(shù)器的預(yù)置值，只要計數(shù)器門仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過程，直到溫度寄存器值大致被測溫度值。第2章 系統(tǒng)硬件設(shè)計2.1 數(shù)碼管顯示模塊 本系統(tǒng)采用6個共陰極8段數(shù)碼管對采集到的溫度值以及鍵盤輸入的目標(biāo)值進(jìn)行顯示，接口電路如圖2-1所示。其中74LS373鎖存器起到對輸出數(shù)據(jù)所存的作用，74LS138則是將P22、P23、P24三個管腳輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼轉(zhuǎn)換為8位數(shù)據(jù)，控制數(shù)碼管DPY端。2.2 鍵盤輸入模塊此模塊采用10個按鍵，分別可以輸入0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、這10個數(shù)值以滿足通過鍵盤輸入目標(biāo)溫度設(shè)定值的任務(wù)要求。2.3

10、溫度采集模塊溫度采集模塊采用DS18B20這款溫度傳感器。2.4 溫度控制模塊溫度控制模塊由繼電器控制電源對燒水爐中加熱部件通斷電的控制。2.5系統(tǒng)總電路圖第3章 系統(tǒng)軟件設(shè)計硬件是控制系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，是軟件賴以生存的空間和場所；同時軟件是硬件的靈魂，其邏輯關(guān)系是否正確關(guān)系到整個系統(tǒng)是否正常工作。軟件的編寫一般分為兩步。第一步：根據(jù)系統(tǒng)的要求與既定方案來設(shè)計控制流程圖，這樣會使程序的編寫更具方向性與目的性。第二步：參照流程圖編寫相應(yīng)的程序。下面簡單的介紹下該系統(tǒng)的流程圖。3.1 主程序流程圖系統(tǒng)的主程序包括系統(tǒng)的初始化子程序、采樣子程序、顯示子程序、控制字程序等。主程序流程圖如圖31所示初始化

11、子程序采樣子程序控制字程序顯示子程序開始圖3-1 數(shù)碼管顯示模塊3.2 采樣子程序流程圖這是該控制系統(tǒng)軟件比較核心的一個子程序。它涉及定時器的定時，溫度的采集，對照等環(huán)節(jié)，采樣子程序流程圖如圖3-2所示開始定時器T0初始化T0定時開始溫度采集T0定時到？比對溫度輸出溫度值返回NY 圖32 采集子程序3.3 顯示子程序流程圖該系統(tǒng)的LED顯示根據(jù)實(shí)際需要采用的是動態(tài)顯示方法，這樣可以節(jié)省I/O口資源。顯示子程序流程圖如圖3-3所示。開始取溫度采樣值選通百位LEDTemp10Temp/100百位LED顯示延時關(guān)斷百位顯示百位置零選通十位LEDTemp10Temp/10十位LED顯示延時關(guān)斷十位顯示

12、十位置零選通個位LEDTemp%10個位LED顯示延時關(guān)斷個位顯示NYYN圖3-3顯示子程序3.4 控制子程序流程圖當(dāng)需要將燒水爐的溫度穩(wěn)定在某一設(shè)定值范圍時，這就需要設(shè)計一個控制電路對電源進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對燒水爐的間歇性加熱?？刂谱殖绦蛄鞒虉D如圖3-4所示開始取溫度采樣值關(guān)斷電源接通電源大于設(shè)定值？小于設(shè)定值？返回YYNN圖3-4 控制子程序 第4章 系統(tǒng)總仿真圖及其結(jié)果4.1數(shù)碼管顯示模塊仿真4.2溫度采集模塊仿真結(jié)論本設(shè)計以AT89C51單片機(jī)為系統(tǒng)控制核心，通過DS18B20溫度傳感器采集燒水爐內(nèi)溫度值，并通過數(shù)碼管顯示出來。該系統(tǒng)能夠以預(yù)先設(shè)置好的目標(biāo)溫度值為標(biāo)準(zhǔn)，自動開通和關(guān)斷燒

13、水爐的加熱電源，從而使燒水爐內(nèi)的溫度值穩(wěn)定在設(shè)定值的范圍內(nèi)。此次課程設(shè)計時間非常緊迫，對于單片機(jī)還不熟悉的我們來說實(shí)在是非常大的挑戰(zhàn)，我和組員們?nèi)D書館借相關(guān)方面的書籍來進(jìn)行參考，自學(xué)Proteus和Keil軟件來對課題進(jìn)行繪制和仿真，期間遇到很多困難。我們查書籍問百度一步步的將問題解決，感覺到了大家的團(tuán)結(jié)和努力，也頗有成就感。通過此次課程設(shè)計我體會到獨(dú)立思考是非常重要的，團(tuán)隊合作也是必不可少的，收獲良多，是一次難忘而寶貴的經(jīng)歷。參考文獻(xiàn)1 張俊謨，單片機(jī)中級教程：原理與應(yīng)用（第二版） 北京：北京航空航天大學(xué)出版社。2006.10 2 王港元，電工電子實(shí)踐指導(dǎo). 江西：江西科學(xué)技術(shù)出版社，2005 3 劉瑞新，單片機(jī)原理及應(yīng)用教程.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.64 張毅剛，MCS-51 單片機(jī)原理及應(yīng)用M. 哈爾濱，哈爾濱