基于單片機的溫控器設計說明

1、 PAGE21 / NUMPAGES21天 津 理 工 大 學課程設計報告題目： 基于單片機的溫控器設計學生 天輝 學號 20101009 屆 2013 班級 電氣4班 指導教師 專業(yè)電氣工程與其自動化說 明1. 課程設計文本材料包括設計報告、任務書、指導書三部分，其中任務書、指導書由教師完成。按設計報告、任務書、指導書順序裝訂成冊。2. 學生根據(jù)指導教師下達的任務書、指導書完成課程設計工作。3. 設計報告容建議主要包括：概述、系統(tǒng)工作原理、系統(tǒng)組成、設計容、小結和參考資料。4. 設計報告字數(shù)應在3000-4000字，采用電子繪圖、采用小四號宋體、1.25倍行距。5.課程設計成績由平時表現(xiàn)（3

2、0%）、設計報告（30%）和提問成績（40%）組成。 課程設計任務書、指導書課程設計題目：.課程設計任務書一、課程設計的容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術要求、工作量） 當今社會，溫控器已經廣泛應用于電冰箱、空調和電熱毯等領域中。其優(yōu)點是控制精度高，穩(wěn)定性好，速度快自動化程度高，溫度和風速全自動控制，操作簡單可靠，對執(zhí)行器要求低，故障率低，效果好。目前國外生產廠家正在研究開發(fā)第三代智能型室溫空調溫控器，應用新型控制模型和數(shù)控芯片實現(xiàn)智能控制?，F(xiàn)在已有國廠家生產出了智能型室溫空調溫控器，并已應用于實際工程。 本課程設計要求設計溫度控制系統(tǒng)，主要由溫度數(shù)據(jù)采集、溫度控制、按鍵和顯示、通訊等部分組成。溫度

3、采集采用NTC或PTC熱敏電阻（或由電位器模擬）或集成溫度傳感器、集成運算放大器構成的信號調理電路、AD轉換器組成。溫控部分采用交流開關BT136通過改變導通角進行調壓限流達到控制加熱絲溫度的目的。 溫度控制算法采用PID控制，可以采用普通PID或模糊PID。對控制PID參數(shù)進行整定，進行MATLAB仿真，說明控制效果。進行程序編制。設計通訊協(xié)議，并能夠通過RS485總線將數(shù)據(jù)傳回上位機。2課程設計的要求1、選擇相應元器件設計溫度控制系統(tǒng)原理圖 并繪制PCB版圖。2、進行PID控制算法仿真，設計PID參數(shù)，或模糊PID規(guī)則。3、系統(tǒng)功能要求：a要能夠顯示實時溫度；b能夠進行溫度設置；c能夠進行

4、PID參數(shù)設定；d能夠把數(shù)據(jù)傳回上位機；e可以設定本機地址。F溫度控制圍099.9度。4、編制程序并調試通過，并有程序流程圖。二、課程設計參考資料1單片機的C語言應用程序設計 第三版 馬忠梅等編著2曉安. MCS-51單片機原理與應用. ：大學，2001.33何立民. 單片機高級教程 第1版：航空航天大學，20014如何使用KEIL 8051 C編譯器 ()金炯泰著 金奎煥等譯 () 金炯泰 著5相關芯片數(shù)據(jù)手冊。.課程設計指導書一、課程設計要點、設計步驟1、熟練掌握常用EDA設計軟件，如protel等，進行原理圖、PCB版圖設計。設計溫度控制電路。2、采用MATLAB軟件進行PID控制參數(shù)的

5、設計。3、根據(jù)功能要求進行軟件設計，采用KEIL進行程序調試。二、主要技術關鍵的分析、解決思路1、溫度控制電路設計，可以采用無觸點交流開關BT136結合光藕MOC3062設計溫度控制電路，實現(xiàn)強弱電隔離。2、與上位機通訊采用RS485，需要加入點評轉換芯片如MAX485。3、為了確保輸入信號不損毀芯片，信號調理電路需加嵌位電路。4、可以選用單片機開發(fā)板來進行設計，但要滿足任務書要求。三、課程設計進度安排起 迄 日 期工 作 容系統(tǒng)需求分析器件選型，硬件原理圖設計PID或模糊PID算法設計軟件編制調試撰寫課程設計報告目錄引言5概述5系統(tǒng)工作原理5系統(tǒng)組成 6系統(tǒng)硬件介紹16系統(tǒng)軟件設計13總結1

6、8課程設計參考資料19引言 在科技飛速發(fā)展的今天，計算機技術得到迅猛推廣,而單片機由于具有集成度高，體積小，功耗低，處理能力強，可靠性高，系統(tǒng)結構簡單，價格低廉，易于推廣使用的優(yōu)點，因此被廣泛應用于工業(yè)生產和家庭生活中。溫度控制系統(tǒng)則是單片機在家庭生活中的一個典型的應用。溫度控制器是一種溫度控制裝置，它根據(jù)用戶所需溫度與設定溫度之差值來驅動執(zhí)行機構，從而達到用戶所需溫度的目的。 各種溫控家用電器隨著生產技術的發(fā)展和生活水平的提高越來越普與，只有一個簡單、穩(wěn)定的溫度控制系統(tǒng)才能更好的適應市場需求，更好的滿足人民的意愿一、概述該溫度控制系統(tǒng)是以8051單片機為核心的控制系統(tǒng)。在硬件電路方面，主要分

7、成了幾個模塊，即溫度數(shù)據(jù)采集、溫度檢測電路模塊，ADC0809電信號的處理模塊，加熱控制電路模塊，數(shù)據(jù)處理模塊，電壓輸入模塊，LED顯示模塊，鍵盤輸入模塊和溫度控制輸出模塊，并在protel 99SE上進行電原理圖繪制與雙層印制電路板設計。溫度采集采用集成溫度傳感器、集成運算放大器構成的信號調理電路、AD轉換器組成。溫控部分采用交流開關BT136通過改變導通角進行調壓限流達到控制加熱絲溫度的目的。 溫度控制算法采用PID控制，采用普通PID或模糊PID。對控制PID參數(shù)進行整定，運用MATLAB進行仿真，說明控制效果。進行程序編制。設計通訊協(xié)議，并能夠通過RS485總線將數(shù)據(jù)傳回上位機。二、系

8、統(tǒng)工作原理溫度控制系統(tǒng)如下圖所示，溫度由熱電偶檢測，經變送器變換成標準電壓信號送入A/D轉換器，使之變成數(shù)字量，送入單片機，經數(shù)字濾波后作為本次采樣值；控制程序按照設定好的算法，將設定值和采樣值進行比較運算，再將運算結果送到觸發(fā)電路控制交流開關BT136通過改變導通角進行調壓限流達到控制加熱絲溫度的目的，實現(xiàn)溫度恒定控制。另外，本系統(tǒng)還支持溫度的設定和顯示，當控制系統(tǒng)的溫度過高或者過低時，可以觸發(fā)聲光報警信號，提醒工作人員注意。三、系統(tǒng)組成溫度控制器主要由單片機，時序電路，溫度采樣電路，A/D轉換電路，溫度顯示電路，溫度輸入電路，驅動電路等組成. 流程圖如下：溫度采樣電路 80518段譯碼器8

9、段譯碼器數(shù)碼管數(shù)碼管按鍵電路驅動電路A/D轉換電路時鐘圖1 溫度控制系統(tǒng)框圖四、系統(tǒng)硬件介紹4.1、8051單片機介紹 8051單片機由具有數(shù)據(jù)處理能力的微處理器、只讀存儲器(ROM)、隨機存取存儲器(RAM)、定時/計數(shù)器、并行接口、串行接口、中斷控制和系統(tǒng)時鐘電路等幾大單元以與數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線三大總線組成。 8051屬于8位單片機，片4KB的ROM，128B的片RAM?？蓪ぶ吠獠康?4KB的數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器，16位的地址總線，5個中斷源，2個優(yōu)先級，32根I/O線，1個全雙工異步串行口，2個16位定時/計數(shù)器。 8051的復位方式有上電復位、手動開關復位和自動復位3種，其

10、中上電復位電路是利用電容充放電來實現(xiàn)的。 其時鐘產生方式分為部振蕩方式和外部時鐘方式。部振蕩方式是利用單片機部的反向放大器構成振蕩電路。8051單片機的40個引腳大致可分為4類：電源、時鐘、控制和I/O引腳。1、電源:（1）VCC - 芯片電源，接+5V；（2）VSS - 接地端； 2、時鐘:XTAL1、XTAL2 - 晶體振蕩電路反相輸入端和輸出端。 3、控制線:控制線共有4根： （1）ALE/PROG:地址鎖存允許/片EPROM編程脈沖。ALE功能：用來鎖存P0口送出的低8位地址。PROG功能：片有EPROM的芯片，在EPROM編程期間，此引腳輸入編程脈沖。 （2）PSEN:片外程序存儲器

11、選通信號。 （3）RST/VPD:復位/備用電源。RST功能：復位信號輸入端。VPD功能：在Vcc掉電情況下，接備用電源。 （4）EA/Vpp:片外ROM選擇/片EPROM編程電源。EA功能：外ROM選擇端。 Vpp功能：片有EPROM的芯片，在EPROM編程期間，施加編程電源Vpp。 4、I/O線 80C51共有4個8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32個引腳。P3口還具有第二功能，用于特殊信號輸入輸出和控制信號。 8051單片機由具有數(shù)據(jù)處理能力的微處理器、只讀存儲器(ROM)、隨機存取存儲器(RAM)、定時/計數(shù)器、并行接口、串行接口、中斷控制和系統(tǒng)時鐘電路等幾大單元以與數(shù)

12、據(jù)總線、地址總線和控制總線三大總線組成。 8051屬于8位單片機，片4KB的ROM，128B的片RAM?？蓪ぶ吠獠康?4KB的數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器，16位的地址總線，5個中斷源，2個優(yōu)先級，32根I/O線，1個全雙工異步串行口，2個16位定時/計數(shù)器4.2 A/D轉換電路4.2.1 ADC0801介紹ADC0801是8位全MOS中速A/D 轉換器、它是逐次逼近式A/D 轉換器，片有三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器，可以和單片機直接口接。其主要引腳功能如下：（1）RD，WR：讀選通信號和選通信號（低電平有效）。（2）CLK：時鐘脈沖輸入端，上升有效。（3）DB0DB7是輸入信號。（4）CLKR：部時鐘發(fā)生器

13、外接電阻端，與CLKIN端配合可由芯片自身產生時鐘脈沖，其頻率為1/1.1RC。（5）CS：片選信號輸入端，低電平有效，一旦CS有效，表明A/D轉換器被選中，可啟動。（6）WR：寫信號輸入，接受微機系統(tǒng)或其它數(shù)字系統(tǒng)控制芯片的啟動輸入端，低電平有效，CS、WR同時為低電平時，啟動轉換。(7)INTR：轉換結束輸出信號，低電平有效，輸出低電平表示本次轉換已完成。該信號常作為向微機系統(tǒng)發(fā)出的中斷請求信號。 （8）CLK:為外部時鐘輸入端，時鐘頻率高，A/D轉換速度快。允許圍為10-1280KHZ，典型值為640KHZ，此時，A/D轉換時間為10us。通常由MCS51單片機ALE端直接或分頻后與其相

14、連。當MCS單片機與讀寫外，RAM操作時，ALE信號固定為CPU時鐘頻率的1/6，若單片外接的晶振為6MHZ，則1/6為1MHZ，A/D轉換時間為64us。 4.2.2 A/D轉換電路工作原理 A/D 轉換電路如圖2.1所示。ADC0801的A/D轉換結果輸出端DB0DB7與8051的P0.0-P0.7相連，INTR與P2.0口相連，INTR端用于給出A/D轉換完成信號，所以通過查詢P2.0便可以獲知A/D轉換是否完成。RD與8051 RD相連，WR也是跟8051 WR相連。CS、VIN+接地。（低電平有效）ADC0801的兩模擬信號輸入端，用以接受單極性、雙極性和差摸輸入信號，與WR同時為低

15、電平A/D轉換器被啟動切在WR上升沿后100模數(shù)完成轉換，轉換結果存入數(shù)據(jù)鎖存器，同時，INTR自動變?yōu)榈碗娖?，表示本次轉換已結束。如CS、RD同時來低電平，則數(shù)據(jù)鎖存器三態(tài)門打開，數(shù)字信號送出，而在RD高電平到來后三態(tài)門處于高阻狀態(tài) 。圖4.1 A/D轉換電路圖4.3 溫度采樣電路4.3.1 AD590型溫度傳感器AD590是電流型溫度傳感器，通過對電流的測量可得到所需要的溫度值。在被測溫度一定時，AD590相當于一個恒流源，AD590溫度感測器是一種已經IC化的溫度感測器,它會將溫度轉換為電流,由于此信號為模擬信號，因此，要進行進一步的控制與數(shù)碼顯示，還需將此信號轉換成數(shù)字信號。它的主要特

16、性如下：(1)流過器件的電流（mA）等于器件所處環(huán)境的熱力學溫度（開爾文）度數(shù)；即： 式中： (1)Ir流過器件（AD590）的電流，單位為mA；T熱力學溫度，單位為K。 (2)AD590的測溫圍為-55+150；(3)AD590的電源電壓圍為4V30V； 4.3.2 溫度采樣工作原理 因為AD590是將溫度轉換為電流，而單片機對電壓信號更好測量，所以要將電流轉化為電壓，同時對電壓信號進行放大后輸入A/D轉換ADC0801的VI-端口。 電流轉化為電壓表達式如下： (2) 由反相比例運算放大電路，根據(jù)“虛斷”，“虛短”，集成運放凈輸入電壓為零，凈輸入電流為零，凈輸入電流為零等推算出表達式為：

17、(3) 最后由(1),(2),(3)得到： （4）圖4.2 溫度采樣電路4.4溫度控制電路8051的RXD的引腳與7404的引腳相連接，從RXD發(fā)出的控制信號經7404和ULN2003到達交流開關BT136通過改變導通角進行調壓限流達到控制加熱絲溫度的目的。溫度控制圍099.9度。ULN2003是高壓大電流達林頓晶體管陣列系列產品,具有電流增益高、工作電壓高、溫度圍寬、帶負載能力強等特點,適應于各類要求高速大功率驅動的系統(tǒng)。其中ULN2003是由7個NPN具有用共陰二極管夾緊來轉換電感負載的高壓輸出特征的達林頓晶體管組成。當前一對單精度型的額定電流為500mA，有比較高的電流容量，它的應用軟件

18、包括繼電器驅動器、顯示驅動器，線驅動器和邏輯緩沖器等。在本驅動電路中的作用是增大電流驅動能力。該芯片采用16腳的DIP 封裝,其中第9為公共輸出端COM，有一個輸出端為高電平，COM就為高電平。圖4.4 溫度控制電路4.5溫度顯示電路4.5.1 LED驅動 7447 介紹：7447是一塊BCD碼轉換成7段LED數(shù)碼管的譯碼驅動IC，7447的主要功能是輸出低電平驅動的顯示碼，用以推動共陽極7段LED數(shù)碼管顯示相應的數(shù)字。相應引腳功能如下：（1）QA,QB,QC,QD,QE,QF,QG:7段LED數(shù)碼輸出引腳。（2）A，B，C，D ：輸入引腳。（3）RBO，BT，LI 高電平輸出有效。4.5.2

19、 溫度顯示工作原理 溫度顯示電路如圖2.3所示：由2片TTL7447和2片七段LED組成，LED采用共陽級接法。7447的QA-QG接BCD的a-g,段選信號由8051的P1口提供，LED顯示數(shù)據(jù)由7447的輸出決定,即由P1口信號的取值決定。圖2.3 TTL7447 BCD顯示電路五、系統(tǒng)軟件設計5.1軟件設計思路 軟件設計的任務包括啟動A/D轉換、讀A/D轉換結果、設置溫度、溫度控制等，其中啟動A/D轉換、讀A/D轉換結果、設置溫度等工作在主程序中完成，溫度控制在中斷服務程序中完成，即每隔一段時間對比測量溫度與設定溫度之間的大小關系，根據(jù)對比結果給出控制信號，令壓縮機的運行或停止，實現(xiàn)溫度

20、調控。5.2 程序流程主程序流程圖開始系統(tǒng)初始化啟動定時器啟動A/D轉換設置溫度要設置溫度嗎？是否完成A/D轉換？讀入A/D轉換結果顯示處理YNYN圖5.1主程序流程圖中斷服務程序流程圖保護現(xiàn)場重裝定時初值設定溫度測量溫度？令壓縮機工作令壓縮機停止工作中斷返回YN圖3.2定時器中斷服務子程序圖5.2 中斷服務程序流程圖5.3程序設計 ORG 0000HJMP START1 ;ORG 000BH ; 定時器/計數(shù)器0溢出中斷JMP TIM0 ; 轉中斷程序START1: MOV TMOD,#01H; 設定定時器0工作方式1 MOV TH0 , #HIGH(65536-50000); 設定初值 M

21、OV TL0,#LOW(65536-50000); SETB TR0; 啟動定時器0 MOV IE,#82H; 定時器0開放中斷MOV 24H,#0FFH; ANL P1,#00H; MOV R0,#14; 延時START: MOVX R0,A; 啟動A/D轉換WAIT: JNB P2.1,SET0; 檢測溫度輸入P2.0,ADC; 檢測轉換是否完成 JMP WAITADC: MOVX A,R0; 將轉換好的值送入ALCALL L1;LCALL DISP;JMP STARTL1: CLR C; 清0 MOV 20H,#00H; MOV 21H,#00H; MOV R3,#08H; 顯示位數(shù)NE

22、XT: RLC A; 將A的容和Cy左移一位，顯示準備 MOV R2,A; MOV A,20H; ADDC A,20H DA A; 對A進行十進制調整 MOV 20H,A; MOV A,21H; ADDC A,21H MOV 21H,A; MOV A,R2; DJNZ R2,NEXT; R2-10 循環(huán)計數(shù) L2: MOV A,20H ADD A,20H; DA A; MOV 20H,A;MOV A,21H;ADDC A,21H;DA A;MOV 21H,A; RETDISP: MOV A,20H; 顯示程序 ANL A,#0F0H SWAP A; 交換高低位 MOV 22H,A MOV A,

23、21H; ANL A,#0FFH SWAP A ; ORL A,22H; MOV 23H,A MOV P1,A; MOV R7,#0FFH; DJNZ R7,$; 是否顯示完 RETSET0: LCALL DELAY; JNB P2.1,$; 等待按鍵操作LCALL DELAY; 消除按鍵抖動A2: CJNE R0,#0FFH,A1; MOV R0,#14; 延時A1: MOV A,R0; MOV DPTR,#TABLE ; 數(shù)據(jù)指針指向表頭 MOVC A,A+DPTR; 查表 MOV P1,A; MOV 24H,A; MOV R5,#4FH;D4: MOV R7,#0FFHD2: MOV R

24、6,#0FFHD1: JNB P2.1,SET1; 有按鍵按下 轉SET1 DJNZ R6,D1 DJNZ R7,D2 DJNZ R5,D4 JMP START;SET1: LCALL DELAY; JNB P2.1,$; 等待按鍵操作LCALL DELAY; 消除抖動 DEC R0; JMP A2;TIM0: PUSH ACC; 保護現(xiàn)場 PUSH PSW MOV TH0,#HIGH (65536 - 50000); 重裝定時初值 MOV TL0,#LOW (65536 -50000) CLR C ; 進位標志清0 MOV A,24H; 比較溫度 SUBB A,23H; JNC OFF; C

25、LR C; MOV A,24H; SUBB A,23H; JNC OFF; CLR P3.0; 壓縮機停止工作RETURN: POP PSW POP ACC RETI ; 中斷返回OFF: SETB P3.0;驅動 壓縮機開始工作 JMP RETURNDELAY: MOV R7,#60; 延時程序D3: MOV R6,#248 DJNZ R6,$ DJNZ R7,D3 RETTABLE: DB 20H,21H,22H,23H,24H; DB 25H,26H,27H,28H,29H DB 30H,31H,32H,33H,34H END六、總結作為工科學生，我想PROTEL是我們必須學會的一個軟件

26、。因為，它在工程設計中起到了很大的作用。以前對什么芯片都只是聽到，看到，卻不知道他們是怎么做出來的，只覺得有人知道怎么做就行了。而現(xiàn)在不一樣了，因為我們就是需要做芯片的人。我覺得每次的課程設計，都是對我們在課堂里學的東西的一次大運用。上課的時候常常感嘆，學這些東西干嘛，又不會去用他，但在課設的時候才發(fā)覺，原來是這樣的。在現(xiàn)實生活中看到的各種各樣多功能的新東西，其實通過我現(xiàn)在所學的，已經可以慢慢的從初級的開始設計了。這其實真的增加了不少我對課堂學習的興趣。我翻閱了不少那里的單protel的資料，學習他們的設計思路，還有一些特殊器件的連接使用方法。然后又添加了我們自己的設計思路，整合出一套符合我們設計想法的原理圖方案。硬件只是一個骨骼，軟件卻是血肉。我們的軟件從最開始的一小段軟件，到后來每天添一點，這次課程設計雖然時間不長，但是給我留下了很深的印象。這次課程設