基于51單片機(jī)的溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、基于51單片機(jī)的水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)0 引言在現(xiàn)代的各種工業(yè)生產(chǎn)中 ,很多地方都需要用到溫度控制系統(tǒng)。而智能化的控制系統(tǒng)成為一種發(fā)展的趨勢(shì)。本文所闡述的就是一種基于89C51單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)。本溫控系統(tǒng)可應(yīng)用于溫度范圍30到96。1 設(shè)計(jì)任務(wù)、要求和技術(shù)指標(biāo)1.1任務(wù)設(shè)計(jì)并制作一水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)，可以在一定范圍（30到96）內(nèi)自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度，使水溫保持在一定的范圍（30到96）內(nèi)。1.2要求（1） 利用模擬溫度傳感器檢測(cè)溫度，要求檢測(cè)電路盡可能簡(jiǎn)單。（2） 當(dāng)液位低于某一值時(shí)，停止加熱。（3） 用AD轉(zhuǎn)換器把采集到的模擬溫度值送入單片機(jī)。（4） 無(wú)競(jìng)爭(zhēng)-冒險(xiǎn)，無(wú)抖動(dòng)。1.3技術(shù)指標(biāo)（1） 溫度顯

2、示誤差不超過(guò)1。（2） 溫度顯示范圍為099。（3） 程序部分用PID算法實(shí)現(xiàn)溫度自動(dòng)控制。（4） 檢測(cè)信號(hào)為電壓信號(hào)。2 方案分析與論證2.1主控系統(tǒng)分析與論證根據(jù)設(shè)計(jì)要求和所學(xué)的專業(yè)知識(shí)，采用AT89C51為本系統(tǒng)的核心控制器件。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的低電壓，高性能CMOS 8位微處理器。其引腳圖如圖1所示。2.2顯示系統(tǒng)分析與論證顯示模塊主要用于顯示時(shí)間，由于顯示范圍為099，因此可采用兩個(gè)共陰的數(shù)碼管作為顯示元件。在顯示驅(qū)動(dòng)電路中擬訂了兩種設(shè)計(jì)方案：方案一：采用靜態(tài)顯示的方案 采用三片移位寄存器74LS164作為顯示電路，其優(yōu)點(diǎn)在于占用主控系統(tǒng)的I/

3、O口少，編程簡(jiǎn)單且靜態(tài)顯示的內(nèi)容無(wú)閃爍，但電路消耗的電流較大。方案二：采用動(dòng)態(tài)顯示的方案由單片機(jī)的I/O口直接帶數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示，占用資源少，動(dòng)態(tài)控制節(jié)省了驅(qū)動(dòng)芯片的成本，節(jié)省了電 ,但編程比較復(fù)雜，亮度不如靜態(tài)的好。由于對(duì)電路的功耗要求不大，因此就在盡量節(jié)省I/O口線的前提下選用方案一的靜態(tài)顯示。圖1 AT89C51引腳圖2.3 檢測(cè)系統(tǒng)分析與論證1 溫度檢測(cè)：有選用AD590和LM35D兩種溫度傳感器的方案，但考慮到兩者價(jià)格差距較大，而本系統(tǒng)中對(duì)溫度要求的精度不很高，因而選用比較廉價(jià)LM35D。溫度傳感器采用的是NS公司生產(chǎn)的LM35D,他具有很高的工作精度和較寬的線性工作范圍,他的輸出

4、電壓與攝氏溫度線性成比例,且無(wú)需外部校準(zhǔn)或微調(diào),可以提供±1/ 4 的常用的室溫精度。L M35的輸出電壓與攝氏溫度的線形關(guān)系可用下面公式表示 ,0 時(shí)輸出為 0 V , 每升高 1 , 輸出電壓增加10 mV。其電源供應(yīng)模式有單電源與正負(fù)雙電源兩種,其接法如圖2與圖3所示。正負(fù)雙電源的供電模式可提供負(fù)溫度的測(cè)量,單電源模式在25 下電流約為50 mA ,非常省電。本系統(tǒng)采用的是單電源模式。Vout=10mV/×T()2 液位檢測(cè)：同樣考慮到成本問(wèn)題，選用自己做一個(gè)液位傳感裝置。 圖2 單電源模式 圖3 雙電源模式2.4控制系統(tǒng)分析與論證 由于需要用大功率加熱裝置對(duì)水溫進(jìn)行

5、調(diào)節(jié)，故采用帶過(guò)零檢測(cè)雙向可控硅輸出光電耦合器MOC3041構(gòu)成后向控制電路。3系統(tǒng)原理框圖硬件組成框圖如圖4所示：主要由AT89C51單片機(jī)、溫度信號(hào)采集和調(diào)理、AD轉(zhuǎn)換、數(shù)碼顯示電路、溫度控制等部分組成。溫度采集電 路信號(hào)調(diào)理電 路A/D轉(zhuǎn)換電路單片機(jī)系統(tǒng)溫度顯 示執(zhí)行電 路液位檢測(cè)圖4  硬件框圖電源開(kāi)啟后，可以顯示出實(shí)時(shí)的溫度，并且可以判斷出此時(shí)的溫度是否需要對(duì)水進(jìn)行加熱操作4 硬件電路4.1溫度信號(hào)檢測(cè)和調(diào)理電路LM35D采用單電源供電模式如圖2將采集到的電壓信號(hào)送入運(yùn)放uA741進(jìn)行放大處理，如圖5。圖5 信號(hào)采集調(diào)理電路4.2 顯示電路顯示電路由兩片74LS164和兩個(gè)

6、數(shù)碼管構(gòu)成，為了PCB中作圖的方便，故采用如圖6的連接方式。圖6 溫度顯示電路時(shí)鐘由單片機(jī)的P1.1提供，第一個(gè)數(shù)碼管的數(shù)據(jù)由單片機(jī)的P1.0提供，第二個(gè)數(shù)碼管的數(shù)據(jù)由第一個(gè)164的Q7提供。164的時(shí)序圖如圖7所示。圖7 74LS164的時(shí)序圖4.3 溫度控制電路溫度控制電路由光電耦合器MOC3041和雙向晶閘管BT137構(gòu)成，硬件連接如圖8。圖8 溫度控制電路4.4 AD轉(zhuǎn)換電路本部分電路由ADC0809和一些74系列芯片構(gòu)成，其中74LS74用于對(duì)單片機(jī)的ALE信號(hào)進(jìn)行分頻作為0809的時(shí)鐘，74LS373用做地址鎖存實(shí)現(xiàn)單片機(jī)P0口的分時(shí)復(fù)用。該部分硬件電路如圖9所示。圖9 AD轉(zhuǎn)換電

7、路4.5主控系統(tǒng)電路該系統(tǒng)由AT89C51構(gòu)成，由5V電源供電，采用6Mhz的晶振。主控系統(tǒng)電路主要承擔(dān)顯示及對(duì)溫度的PID控制的核心引用，各功能通過(guò)軟件軟件實(shí)現(xiàn)。圖10為單片機(jī)的主控電路。 圖10 單片機(jī)主控電路4.6整體PCB圖見(jiàn)附件A5 軟件部分5.1主程序流程說(shuō)明主程序的任務(wù)主要是循環(huán)檢測(cè)采集到的溫度值，不斷比較實(shí)現(xiàn)PID控制。流程圖如下：JR=0;冷卻開(kāi)始初始化延時(shí)采集一次溫度數(shù)據(jù)并進(jìn)行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)暫存B修改指針延時(shí)再采集一次溫度數(shù)據(jù)并進(jìn)行轉(zhuǎn)換A=B?A<=30?JR=1;加熱A>=96?A>B?JR=0;冷卻JR=1;加熱圖11 主程序流程圖5.2各子程序模塊流程5.

8、2.1顯示部分 顯示部分主要包括三個(gè)小模塊：第一、原始數(shù)據(jù)的拆分；第二、待顯示數(shù)據(jù)查表；第三、待顯示數(shù)據(jù)的輸出。數(shù)據(jù)分配表如圖12，送待顯示數(shù)據(jù)流程如圖13，查表流程如圖14圖13 待顯示數(shù)據(jù)輸出流程 圖14 查表程序流程5.2.2中斷程序部分中斷部分包括定時(shí)器中斷（主要實(shí)現(xiàn)1秒刷新一次顯示）和外部中斷（檢測(cè)液位。為防止抖動(dòng)，設(shè)置一個(gè)標(biāo)志位，進(jìn)入中斷后判斷標(biāo)志位，如果一秒鐘內(nèi)沒(méi)有出中斷，則響應(yīng)，否則不響應(yīng)），流程圖分別如圖15和圖16。入中斷保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)重賦計(jì)數(shù)初值1S到？調(diào)用顯示恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)返回入中斷F1 =1？停止加熱F1=1延時(shí)1S返回圖15 定時(shí)器中斷流程圖 圖16 外中斷流程圖5.3整體程序

9、見(jiàn)附件C6 系統(tǒng)調(diào)試6.1 軟件調(diào)試 調(diào)試所用軟件：Keil uVision2和Proteus7。將編寫(xiě)好的程序用Keil uVision2匯編編譯成hex格式的文件后導(dǎo)入Proteus7中的原理圖（附件B）內(nèi)。結(jié)果正常顯示，說(shuō)明程序本身沒(méi)有問(wèn)題。6.2 硬件調(diào)試調(diào)試所用工具：直流穩(wěn)壓電源，示波器，萬(wàn)用表等。6.2.1 放大電路的調(diào)試：將信號(hào)調(diào)理部分電路的輸入端接地，調(diào)節(jié)電位器，使輸出電壓為零（用萬(wàn)用表毫伏檔測(cè)量）。輸入一定的電壓值01V范圍內(nèi)，觀察電路的輸出電壓，調(diào)節(jié)電阻值，使輸出為輸入的5倍。6.2.2 顯示電路的調(diào)試：先寫(xiě)一個(gè)簡(jiǎn)單的顯示程序，燒入單片機(jī)內(nèi)，接好電路，觀察顯示是否正常。6.

10、2.3 AD轉(zhuǎn)換電路的調(diào)試：寫(xiě)一個(gè)簡(jiǎn)單的控制ADC0809的程序，用示波器觀察ADC0809所接受到的信號(hào)是否正確，如時(shí)鐘信號(hào)、開(kāi)始信號(hào)等、給定輸入端一個(gè)電壓，給OE端持續(xù)加高電平，使允許輸出，用萬(wàn)用表或示波器測(cè)量各個(gè)輸出引腳的轉(zhuǎn)換情況，結(jié)果與計(jì)算值是否相符合。6.2.4 系統(tǒng)的整體調(diào)試： 將編寫(xiě)好的程序燒入單片機(jī)中，接好整體電路，觀察輸出結(jié)果是否正確。調(diào)試中顯示一直是99，最后去掉373和排阻，顯示正常。主要是因?yàn)榧拥呐抛柽^(guò)小，只有330歐姆，而ADC0809向單片機(jī)送數(shù)據(jù)的時(shí)間有很短，所以，即使送入0也可能會(huì)被單片機(jī)認(rèn)為是1，所以一直顯示99。6.2.5 系統(tǒng)存在的問(wèn)題： 由于實(shí)驗(yàn)調(diào)試時(shí)，

11、只是觀察led燈的亮滅變化，沒(méi)有接上實(shí)際的光耦驅(qū)動(dòng)大功率加熱器件，而實(shí)際測(cè)試時(shí)，led燈的亮度不高說(shuō)明驅(qū)動(dòng)電流太小，因而在驅(qū)動(dòng)光耦時(shí)還需加入74LS07以增大P1.2口的驅(qū)動(dòng)電流，使之能夠驅(qū)動(dòng)光耦。調(diào)試的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)所購(gòu)買(mǎi)的ADC0809的IN0輸入端直接與地短接，所以，真正做成的系統(tǒng)用的是通道1。又加上調(diào)試時(shí)去掉了排阻和74LS373，因而選地址時(shí)是直接把地址選擇端接成了高低電平，雖然實(shí)現(xiàn)了功能但是與初衷不符。參考資料：【1】謝自美 電子線路綜合設(shè)計(jì) 華中科技大學(xué)出版社【2】張毅剛 單片機(jī)原理及應(yīng)用附件A:整體PCB圖附件B:PROTEUS仿真圖附件C：本系統(tǒng)所用程序： DIN BIT P1.

12、0 CLK BIT P1.1 JR BIT P1.2 F1 BIT 21H ORG 0000H SJMP MAIN ORG 0003H LJMP INT00 ORG 000BH LJMP INTDISP ORG 0030HMAIN: SETB EA SETB EX0 SETB ET0 MOV TMOD,#01H MOV TH0,#3CH MOV TL0,#0B0H mov 20h,#10 SETB TR0 ;中斷初始化 CLR F1CJ1: MOV R0,#30H LCALL D1S LCALL AD0809 MOV B,A CJ2: MOV R0,#31H LCALL D1S LCALL A

13、D0809 CJNE A,B,COMP LJMP CJ2 COMP: CJNE A,#30H,N30 SETB CTRO LJMP CJ1 N30: JNC COM96 SETB JR LJMP CJ1COM96:CJNE A,#96H,N96 CLR JR LJMP CJ1N96: JC COMAB CLR JR LJMP CJ1COMAB:CJNE A,B,DR LJMP CJ2DR: JC DOWNRISE: SETB JR LJMP CJ1DOWN: CLR JR LJMP CJ1AD0809: ;數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換 MOV DPTR,#0FFF8HLOOP: MOVX DPTR,A MOV

14、 R7,#0AHDELAY: NOP NOP NOP DJNZ R7,DELAY MOVX A,DPTR MOV DPTR,#TBCD MOVC A,A+DPTR MOV R0,A RETDISP0: ;拆分 MOV R1,#40H MOV A,R0 MOV B,A ANL A,#0F0H SWAP A MOV R1,A inc R1 MOV A,B ANL A,#0FH MOV R1,A RETDISP1: ;查表 MOV R0,#40H MOV R1,#50H MOV R7,#2 L1:MOV DPTR,#SEGTAB MOV A,R0 MOVC A,A+DPTR MOV R1,A INC

15、 R0 INC R1 DJNZ R7,L1 RETDISP2: ;顯示 MOV R0,#50H MOV R1,#2 L2:MOV A,R0 MOV R7,#8 L3:RLC A MOV DIN,C CLR CLK SETB CLK DJNZ R7,L3 INC R0 DJNZ R1,L2 RETDISP:PUSH ACC PUSH B mov 33h,r0 LCALL DISP0 LCALL DISP1 LCALL DISP2 mov r0,33h POP B POP ACC RETD100MS:MOV R3,#200DEL0: MOV R4,#125DEL1: DJNZ R4,DEL1 DJ

16、NZ R3,DEL0 RETD1S: MOV R5,#10DEL2: CALL D100MS DJNZ R5,DEL2 RET INT00: JNB F1,LINT CLR JR SJMP RETURNLINT:SETB F1 LCALL D1SRETURN: RETIINTDISP: PUSH ACC PUSH B MOV TH0,#3CH MOV TL0,#0B0H djnz 20h,back mov 20h,#10 LCALL DISPback:POP B POP ACC RETITBCD:DB 00H,00H,01H,01H,02H,02H,02H,03H DB 03H,04H,04H

17、,04H,05H,05H,05H,06H DB 06H,07H,07H,07H,08H,08H,09H,09H DB 09H,10H,10H,11H,11H,11H,12H,12H DB 12H,13H,13H,14H,14H,14H,15H,15H DB 16H,16H,16H,17H,17H,18H,18H,18H DB 19H,19H,20H,20H,20H,21H,21H,21H DB 22H,22H,23H,23H,23H,24H,24H,25H DB 25H,25H,26H,26H,27H,27H,27H,28H DB 28H,28H,29H,29H,30H,30H,30H,31H

18、 DB 31H,32H,32H,32H,33H,33H,34H,34H DB 34H,35H,35H,35H,36H,36H,37H,37H DB 37H,38H,38H,39H,39H,39H,40H,40H DB 41H,41H,41H,42H,42H,43H,43H,43H DB 44H,44H,44H,45H,45H,46H,46H,46H DB 47H,47H,48H,48H,49H,49H,49H,50H DB 50H,50H,51H,51H,51H,52H,52H,53H DB 53H,53H,54H,54H,55H,55H,55H,56H DB 56H,57H,57H,57H,58H,58H,59H,59H DB 59H,60H,60H,60H,61H,61H,62H,62H DB 62H,63H,63H,64H,64H,64H,65H,65H DB 66H,66H,66H,67H,67H,67H,68H,68H DB 69H,69H,69H,70H,70H,71H,71H,71H DB 72H,72H,73H,73H,73H,74H,74H,74H DB 75H,75H,76H,76H,76H,77H,77H,78H DB 78H,78H,7