基于AT89C205單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)

第一章緒論溫度控制，在工業(yè)自動(dòng)化控制中占有非常重要的地位。單片機(jī)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用給現(xiàn)代工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域帶來(lái)了一次新的技術(shù)革命，自動(dòng)化、智能化均離不開(kāi)單片機(jī)的應(yīng)用。將單片機(jī)控制方法運(yùn)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(yán)重滯后現(xiàn)象，同時(shí)在提高采樣頻率的基礎(chǔ)上可以很大程度的提高控制效果和控制精度。現(xiàn)代自動(dòng)控制越來(lái)越朝著智能化發(fā)展，在很多自動(dòng)控制系統(tǒng)中都用到了工控機(jī)，小型機(jī)、甚至是巨型機(jī)處理機(jī)等，當(dāng)然這些處理機(jī)有一個(gè)很大的特點(diǎn)，那就是很高的運(yùn)行速度，很大的內(nèi)存，大量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。但隨之而來(lái)的是巨額的成本。在很多的小型系統(tǒng)中，處理機(jī)的成本占系統(tǒng)成本的比例高達(dá)20%，而對(duì)于這些小型的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，配置一個(gè)如此高速的處理機(jī)沒(méi)有任何必要，因?yàn)檫@些小系統(tǒng)追求經(jīng)濟(jì)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(jī)控制小型的，而又不是很復(fù)雜，不需要大量復(fù)雜運(yùn)算的系統(tǒng)中是非常適合的。溫度控制，在工業(yè)自動(dòng)化控制中占有非常重要的地位，如在鋼鐵冶煉過(guò)程中要對(duì)出爐的鋼鐵進(jìn)行熱處理，才能達(dá)到性能指標(biāo)，塑料的定型過(guò)程中也要保持一定的溫度。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，各個(gè)領(lǐng)域?qū)ψ詣?dòng)控制系統(tǒng)控制精度、響應(yīng)速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性與自適應(yīng)能力的要求越來(lái)越高，被控對(duì)象或過(guò)程的非線性、時(shí)變性、多參數(shù)點(diǎn)的強(qiáng)烈耦合、較大的隨機(jī)擾動(dòng)、各種不確定性以及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試手段不完善等，使難以按數(shù)學(xué)方法建立被控對(duì)象的精確模型的情況。隨著電子技術(shù)以及應(yīng)用需求的發(fā)展，單片機(jī)技術(shù)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(jìn)展。伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子技術(shù)有了更高的飛躍，我們現(xiàn)在完全可以運(yùn)用單片機(jī)和電子溫度傳感器對(duì)某處進(jìn)行溫度檢測(cè)，而且我們可以很容易地做到多點(diǎn)的溫度檢測(cè)，如果對(duì)此原理圖稍加改進(jìn)，我們還可以進(jìn)行不同地點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度檢測(cè)和控制。1.1設(shè)計(jì)指標(biāo)設(shè)計(jì)一個(gè)溫度控制系統(tǒng)具體化技術(shù)指標(biāo)如下。1.被控對(duì)象可以是電爐或燃燒爐，溫度控制在0~100℃，誤差為±0.52.恒溫控制；3.LED實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)溫度，用鍵盤(pán)輸入溫度；1.2本文的工作詳細(xì)分析課題任務(wù)，設(shè)計(jì)了電源電路，鍵盤(pán)電路，單片機(jī)系統(tǒng)，顯示電路，執(zhí)行器電路，報(bào)警電路，復(fù)位電路，時(shí)鐘電路，A/D轉(zhuǎn)換電路等系統(tǒng)。然后根據(jù)課題任務(wù)的要求設(shè)計(jì)出實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)的硬件原理圖和軟件，并進(jìn)行訪真調(diào)試。

第二章設(shè)計(jì)思想實(shí)現(xiàn)溫度控制的方法有多種，可以用工控機(jī)作為控制器，用熱電阻測(cè)量溫度；也可以用單片機(jī)作為控制器，用熱電偶進(jìn)行溫度測(cè)量。當(dāng)然每一種方案都有其各自的優(yōu)點(diǎn)。本章詳細(xì)列舉、說(shuō)明了基于89C2051單片機(jī)的溫度控制的方案、并畫(huà)出了其原理方框圖，對(duì)方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析。2.1設(shè)計(jì)思想方案(1)硬件組成：?jiǎn)纹瑱C(jī)、A/D轉(zhuǎn)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(duì)系統(tǒng)溫度進(jìn)行檢測(cè)，并完成信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)化、變送功能。單片機(jī)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(dǎo)通與斷開(kāi)，從而達(dá)到控制溫度的目的。TL255189CTL255189C2051固態(tài)繼電器LED顯示DDZ—Ⅲ熱電偶溫度變送器鍵盤(pán)電爐溫度圖2-1方案的原理框圖2.2論證分析最終方案論述：很顯然，方案較其它相比無(wú)論在經(jīng)濟(jì)上和實(shí)現(xiàn)容易程度上都要好。方案在實(shí)行控制的時(shí)候不像其它采用D/A轉(zhuǎn)換后再控制調(diào)節(jié)閥的方法，而是直接外接一個(gè)固態(tài)繼電器，通過(guò)內(nèi)部改變定時(shí)器的中斷時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)一個(gè)周期內(nèi)電子開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通和斷開(kāi)時(shí)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(jié)構(gòu)。綜上所述方案有如下的特點(diǎn)：(1)在完成所要求的任務(wù)的基礎(chǔ)之上還有著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、明了的特點(diǎn)，很容易實(shí)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(shí)現(xiàn)起來(lái)較容易。(3)采用了無(wú)污染能源，保護(hù)環(huán)境。同時(shí)也省去了為建造燃料供應(yīng)子系統(tǒng)的費(fèi)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(jié)果更準(zhǔn)確，實(shí)時(shí)性、控制效果更好。

第三章系統(tǒng)設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)由軟件和硬件兩部分組成。本章詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，并對(duì)硬件和軟件的每一個(gè)部分進(jìn)行了分析，在后半部分還對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行了訪真與程序調(diào)試。硬件和軟件的每一個(gè)壞節(jié)都是深思熟慮而成，各自完成相應(yīng)的功能并組成一個(gè)統(tǒng)一的整體。3.1硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件由電源電路，溫度檢測(cè)變送電路、模數(shù)接口轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)系統(tǒng)和人機(jī)接口等部分組成。系統(tǒng)電源為整個(gè)系統(tǒng)提供電能；溫度檢測(cè)變送電路將檢測(cè)到的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號(hào)輸入到模數(shù)接口轉(zhuǎn)換電路；模數(shù)接口轉(zhuǎn)換電路輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)系統(tǒng)；單片機(jī)系統(tǒng)根據(jù)輸入的數(shù)字信號(hào)以模糊控制算法為基礎(chǔ)求出控制值，控制執(zhí)行器的運(yùn)行及溫度的顯示。原理框圖見(jiàn)圖2-1。3.1由于整個(gè)系統(tǒng)都是用單片機(jī)和各類(lèi)芯片及電阻、電容組成的，其工作電壓為＋5V，不需要負(fù)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，轉(zhuǎn)換成功率分別為2.5W和5W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(guò)變壓器其輸出為9.5V，再進(jìn)行整流。整流可通過(guò)四個(gè)二極管進(jìn)行全波整流，也可以利用集成整流堆來(lái)進(jìn)行（同原理）。后面接電容C1、C2為濾波電容進(jìn)行濾波，注意電解電容應(yīng)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(jí)接入兩個(gè)濾波電容，用于減小因?yàn)殡娫床▌?dòng)對(duì)系統(tǒng)造成的影響和濾波。其不需要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0.1μF的電容器，便可減少因?yàn)殡娫床▌?dòng)的影響和濾去紋波，很好地改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)。然而，隨之產(chǎn)生一個(gè)弊端，即一旦78M05的輸入出現(xiàn)短路時(shí)，輸出端大電容上存儲(chǔ)的電荷，將通過(guò)集成穩(wěn)壓器內(nèi)部放電，可能會(huì)造成內(nèi)部電路的損壞，故在其間跨接一個(gè)二極管，為放電提供放泄通路，對(duì)集成穩(wěn)壓器起到了分流保護(hù)作用。3.1.2溫度信號(hào)的檢測(cè)變送包含兩個(gè)方面，一是檢測(cè)環(huán)節(jié)，另一個(gè)是變送環(huán)節(jié)。檢測(cè)環(huán)節(jié)至關(guān)重要，檢測(cè)元件的選型關(guān)系到檢測(cè)的精度和變送環(huán)節(jié)中信號(hào)變送的容易程度。在溫度的檢測(cè)過(guò)程中一般用熱電阻和熱電偶完成，熱電阻一般用在檢測(cè)精度要求不是很高的地方，而熱電偶則在靈敏度上比熱電偶更好，檢測(cè)精度能比熱電阻有一個(gè)數(shù)位的差異檢測(cè)與變送設(shè)備主要根據(jù)被檢測(cè)參數(shù)的性質(zhì)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體考慮來(lái)決定。被檢測(cè)參數(shù)性質(zhì)的不同，準(zhǔn)確度要求、響應(yīng)速度要求的不同以及對(duì)控制性能要求的不同都影響檢測(cè)、變送器的選擇，要從工藝的合理性、經(jīng)濟(jì)性加以綜合考慮。應(yīng)遵循以下原則：1.可能選擇測(cè)量誤差小的測(cè)量元件。盡可能選擇快速響應(yīng)的測(cè)量元件與變送設(shè)備。對(duì)測(cè)量信號(hào)作必要的處理。a測(cè)量信號(hào)校正。b測(cè)量信號(hào)噪聲（擾動(dòng)）的抑制。對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行曲線線性化處理。溫度是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中最常見(jiàn)、最基本的參數(shù)之一。所以，溫度的檢測(cè)與控制是自動(dòng)控制工程的重要任務(wù)之一。測(cè)量溫度的方法有兩種，一種是接觸式、另一種是非接觸式。接觸式測(cè)量的主要特點(diǎn)是：方法簡(jiǎn)單、可靠，測(cè)量精度高。但是由于測(cè)溫元件要與被測(cè)介質(zhì)接觸進(jìn)行熱交換，才能達(dá)到平衡，因而產(chǎn)生了滯后現(xiàn)象。同時(shí)測(cè)量體可能與被測(cè)介質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)。此外測(cè)量體還受到耐溫材料的限制，不能應(yīng)用于很高溫度的測(cè)量。非接觸式測(cè)溫是通過(guò)接收被測(cè)介質(zhì)發(fā)出的輻射熱來(lái)判斷的。其主要特點(diǎn)是：測(cè)溫原則上不愛(ài)限制；速度較快，可以對(duì)運(yùn)動(dòng)休進(jìn)行測(cè)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(cè)溫誤差較大。由于本系統(tǒng)中測(cè)量的對(duì)象為電爐，測(cè)量溫度在0~100℃目前工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中常用的接觸式溫度測(cè)溫原理、與使用場(chǎng)合如表3-1：表3-1各類(lèi)傳感元件的特點(diǎn)和使用場(chǎng)合表3-1各類(lèi)傳感元件的特點(diǎn)和使用場(chǎng)合測(cè)溫原理溫度計(jì)名稱測(cè)溫范圍℃主要特點(diǎn)體積變化體積變化固體熱膨脹雙金屬溫度計(jì)--200~700結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，適用于就上測(cè)量，傳送距離不很遠(yuǎn)氣體熱膨脹玻璃液體溫度計(jì)液體熱膨脹壓力式溫度計(jì)-200~600電阻變化電阻變化利用尸體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化的性質(zhì)鉑、銅、鎳、銠、鐵熱敏電阻-270~900-270~900準(zhǔn)確度高，能遠(yuǎn)傳，適用于低、中溫測(cè)量鍺、碳、金屬氧化物熱敏電阻利用金屬的熱電效應(yīng)熱電效應(yīng)利用金屬的熱電效應(yīng)熱電效應(yīng)普通金屬熱電阻-200~1800-200~1800測(cè)量范圍廣，精度高，能遠(yuǎn)傳，適用于中、高溫測(cè)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(cè)量?jī)x表中，機(jī)械式大多用于就地指示；輻射式的精度較差，只有電的測(cè)溫儀表精度較高，信號(hào)又便于傳送。所以熱電偶和熱敏電阻溫度計(jì)在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究領(lǐng)域中得到了廣泛地應(yīng)用。熱電偶溫度計(jì)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中極為廣泛。它具有測(cè)溫精度高，在小范圍內(nèi)熱電動(dòng)勢(shì)與溫度基本呈單值、線性關(guān)系，穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性較好，測(cè)溫范圍寬，響應(yīng)時(shí)間較快等特點(diǎn)。其使用時(shí)一定要注意冷端溫度補(bǔ)償，在一般情況下采用補(bǔ)償電橋的方法較多。其具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程見(jiàn)下面的分析過(guò)程。熱電阻溫度計(jì)是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度而變化的性質(zhì)來(lái)測(cè)量溫度的。常用的有鉑電阻、銅電阻、半導(dǎo)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(guò)程中擔(dān)任了把傳感器檢測(cè)到的信號(hào)變成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（DC4~20mA或DC1~5V），從而使處理器能夠識(shí)別數(shù)據(jù)的級(jí)別，便于在自運(yùn)控制過(guò)程中進(jìn)行運(yùn)算和做出相應(yīng)的處理決策。DDZ-Ш熱電偶溫度變送器可以把溫度轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（DC4~20mA或DC1~5V），其輸出送顯示儀表或調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的顯示或自動(dòng)控制。DDZ-Ш熱電偶溫度變送器具有熱電偶冷端溫度補(bǔ)償、零點(diǎn)調(diào)整、零點(diǎn)遷移、量程調(diào)整以及線性化等重功能。其具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：(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(xiàng)技術(shù)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。或電壓信號(hào)和被測(cè)溫度（輸入信號(hào)）成線性關(guān)系。(3)線路中采用了安全火花防爆措施，幫可用于危險(xiǎn)場(chǎng)所中的溫度測(cè)量變送。由以上分析，我們可以得出結(jié)論，DDZ-Ш熱電偶溫度變送器是一種集成的自動(dòng)化溫度傳感變送器，在量程和精度上都完全滿足設(shè)計(jì)中溫度測(cè)量、變送的要求。3.1.因?yàn)閱纹瑱C(jī)不能直接處理模擬信號(hào)，所以必須將熱電偶檢測(cè)到的溫度模擬信號(hào)變化成數(shù)字信號(hào),單片機(jī)才能做出相應(yīng)的處理。按照設(shè)計(jì)指標(biāo)，精度要求在±0.5℃。采用8位A/D轉(zhuǎn)換器如果設(shè)定其成比例關(guān)系，即0~255，0℃~100℃。則其精確度為0.39用12位A/D器，其輸入電壓為0~5V時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出為0~4096，設(shè)計(jì)要求溫度控制在0~100℃。我們可以將100℃時(shí)A/D輸出為1000，這樣其精度可以達(dá)到0.1℃，完全滿足設(shè)計(jì)的要求。前面已經(jīng)說(shuō)明變送器的輸出為1~5V，所以可以調(diào)節(jié)送器的量程，0℃時(shí)變送器輸出為1.22V,而A/D轉(zhuǎn)換的輸出為1000;100TLC2551/2541是TI公司生產(chǎn)的串行12位A/D轉(zhuǎn)換器［8］，其采用DIP-8封裝，簡(jiǎn)單的微處理器接口，單通道差分輸入，轉(zhuǎn)換時(shí)間在Flock=400KHz時(shí)為3.2us，5V供電時(shí)輸入范圍：0～5V，輸入輸出完全兼容TTL和CMOS電路，全部非校準(zhǔn)誤差：±1LSB。單5V供電，工作溫度范圍：0℃~70℃；其接口電路如圖3-圖圖3-2模數(shù)轉(zhuǎn)換電路3.11單片機(jī)選型整個(gè)系統(tǒng)采用最小化設(shè)計(jì)，其外部所接組件大多采用了串行通信，所以在單片機(jī)選型時(shí)不需要很多的并行口，有一定的程序存儲(chǔ)器和定時(shí)器、外部中斷即可。圖3-389c2051及其引腳與網(wǎng)標(biāo)由ATMEL公司生產(chǎn)的AT圖3-389c2051(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(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器；(5)一個(gè)全雙工串行口；(6)6個(gè)中斷源，兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)的中斷結(jié)構(gòu)；2晶振電路的設(shè)計(jì)單片機(jī)內(nèi)部帶有時(shí)鐘電路，因此，只需要在片外通過(guò)X1、X2引腳接入定時(shí)控制單元（晶體振蕩和電容），即可構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。振蕩器的工作頻率一般在1.2~12MHz之間，當(dāng)然在一般情況下頻率越快越好。可以保證程序運(yùn)行速度即保證了控制的實(shí)時(shí)性。一般采用石英晶振作定時(shí)控制元件；在不需要高精度參考時(shí)鐘時(shí)，也可以用電感代替晶振，有時(shí)也可以引入外部時(shí)鐘脈沖信號(hào)。C9、C10雖然沒(méi)有嚴(yán)格要求，但電容的大小影響振蕩器的振蕩的穩(wěn)定性和起振的快速性，通常選擇在10~30PF左右。在設(shè)計(jì)電路板時(shí)，晶振，電容等均應(yīng)盡可能靠近芯片，以減小分布電容，保證振蕩器振蕩的穩(wěn)定性。圖圖3-4復(fù)位電路和時(shí)鐘電路3.1在