基于單片機的溫度測量系統(tǒng)

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ANYANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY科畢業(yè)論文

基于單片機的溫度測量系統(tǒng)

系（院）名稱：電子信息與電氣工程學(xué)院專業(yè)班級：09電氣自動化技術(shù)1班學(xué)生姓名：學(xué)號：指導(dǎo)教師姓名指導(dǎo)教師職稱：

2023年5月

目錄

摘要關(guān)鍵詞1第一章緒論1

1.1單片機溫度測量系統(tǒng)的選題背景11.2單片機溫度測量系統(tǒng)選題的現(xiàn)實意義21.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及其發(fā)展21.3.1國外溫室環(huán)境控制21.3.2國內(nèi)溫室控制技術(shù)31.3.3溫室環(huán)境控制技術(shù)的三個發(fā)展階段31.3.4溫室控制存在的問題41.4單片機溫度測量系統(tǒng)主要研究的內(nèi)容4

其次章單片機溫度測量系統(tǒng)總體設(shè)計6

2.1單片機溫度測量系統(tǒng)的功能設(shè)計62.2單片機溫度測量系統(tǒng)的設(shè)計的原則62.3單片機溫度測量系統(tǒng)的組成與工作原理7

第三章系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計8

3.1系統(tǒng)硬件電路構(gòu)成及測量原理83.1.1系統(tǒng)硬件電路構(gòu)成83.1.2系統(tǒng)工作原理93.1.3系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)103.2溫度傳感器的選擇103.2.1DS18B20的介紹113.2.2DS18B20的性能特點123.2.3DS18B20的控制方法133.2.4DS18B20的測溫原理133.3單片機的選擇143.3.1單片機的概述14-2-

3.3.2AT89C2051芯片的主要性能153.4輸入通道的設(shè)計153.4.1Pt100溫度傳感器153.4.2A/D轉(zhuǎn)換163.5輸出通道設(shè)計183.5.1溫控箱的功率調(diào)理方式183.5.2可控硅輸出電路19

第四章系統(tǒng)調(diào)試20

4.1TKS仿真器與集成開發(fā)環(huán)境KEIL204.1.1TKS仿真器204.1.2集成開發(fā)環(huán)境KEIL204.2系統(tǒng)硬件調(diào)試224.3系統(tǒng)軟件調(diào)試22

結(jié)論24致謝25

6.Vision2硬件調(diào)試器

Vision2調(diào)試器向您提供了幾種在實際目標(biāo)硬件上測試程序的方法。安裝MON51目標(biāo)監(jiān)控器到目標(biāo)系統(tǒng)并通過Monitor—51接口下載程序，使用高級GDI接口將Vision2調(diào)試器同TKS系列仿真器的硬件系統(tǒng)相連接，通過Vision2的人機交互環(huán)境指揮連接的硬件完成仿真操作。

4.2系統(tǒng)硬件調(diào)試

系統(tǒng)軟硬件調(diào)試的目的是通過控制程序和硬件電路的協(xié)同工作，進行一些操作，以驗證系統(tǒng)的軟、硬件是否能夠完成設(shè)計的功能。調(diào)試的過程是依照系統(tǒng)的設(shè)計功能來劃分的。

硬件電路系統(tǒng)測試首先是保證各個元件之間以及各個模塊之間的連接正確并且接觸良好，這是整個硬件電路系統(tǒng)正常工作的前提。接著分別測試各個硬件模塊的性能。依照測試性質(zhì)的不同可分為電壓測試和信號測試兩種。

電源模塊主要是電壓測試。測試結(jié)果為：小型變壓器輸出為18v和8v的交流電，經(jīng)過二極管整流橋整流，再通過穩(wěn)壓芯片7805和7815、7915輸出的電壓分別是+5v和+15v、-15v，電壓測試的結(jié)果與預(yù)期目的一致，從而確保了提供給其它模塊電壓的穩(wěn)定性。

單片機輸入輸出接口主要是信號測試。根據(jù)理論計算和軟件仿真的預(yù)期結(jié)果，再通過對響應(yīng)的信號進行測試。測試結(jié)果與預(yù)期結(jié)果基本一致，保證了系統(tǒng)依照設(shè)計的思路正常運行。

通過測試硬件電路系統(tǒng)中的幾個測試點，確保關(guān)鍵的電壓信號滿足要求，確保系統(tǒng)正常運行。

4.3系統(tǒng)軟件調(diào)試

系統(tǒng)的軟件調(diào)試借助于TKS仿真器，在進行系統(tǒng)軟件的連續(xù)調(diào)試之前要先進行軟件的初調(diào)，就是要使各個子程序模塊運行正確，程序的運行流程正確。軟件調(diào)試主要分以下幾個步驟進行：

1.功能子程序的調(diào)試

功能子程序的調(diào)試包括運算、采樣、數(shù)字濾波以及PID運算等子程序的調(diào)試。在調(diào)試功能子程序時，大量參數(shù)都是未知的，要根據(jù)其所需的條件，給出假定的數(shù)據(jù)，使其運行，假使能完成預(yù)定的處理功能或與手工計算的結(jié)果相符，就說明22

該子程序己調(diào)試通過。調(diào)試時由小到大，由里到外。例如，調(diào)試PID算法子程序時，先調(diào)通其包含的各個運算子程序和參數(shù)處理子程序，然后將它們連起來進行通調(diào)。通調(diào)時，也是假定一些數(shù)據(jù)、參數(shù)和初始條件，然后運行程序。當(dāng)運算結(jié)果與手工計算的結(jié)果一致時，該算法子程序則調(diào)試完成，反之，就要進行相應(yīng)的修改。其它子程序的調(diào)試同理。

1.程序流程的調(diào)試

程序流程的調(diào)試主要是查看程序運行的步驟是否正確，在某時刻程序運行所處的位置是否正確，是否能正確運行各個中斷服務(wù)程序。在調(diào)試過程中，先將PID算法子程序屏蔽，輸出可控硅導(dǎo)通時間用一個固定的常數(shù)代替，在各個中斷服務(wù)子程序設(shè)置斷點，然后運行程序，查看程序是否能運行到所有的斷點，若所有斷點都能運行到，則程序流程基本正確。去掉所有斷點，再一次運行程序，查看可控硅狀態(tài)，從而判斷程序流程正確，反之，若程序流程不正確，做相應(yīng)的修改后，重新調(diào)試。

3.功能程序與算法程序的通調(diào)

在完成整個程序流程的調(diào)試后，將PID等算法子程序參與，在算法子程序前或后設(shè)置斷點，運行整個程序。當(dāng)程序在斷點處暫停時，查看PID計算的控制量與手工計算的值是否一致。多運行幾次，若每次的結(jié)果都正確，則說明程序各個部分相互沒有矛盾，反之，則說明算法子程序和其它子程序之間有影響，需要做相應(yīng)的修改后重新調(diào)試。23

結(jié)論

溫度控制在工業(yè)生產(chǎn)中起著十分重要的作用。本文完成了基于單片機的溫度控制系統(tǒng)的開發(fā)。包括系統(tǒng)的硬件開發(fā)、軟件編程與仿真調(diào)試等。在論文完成過程中，主要做的工作有：

1.以ATMEL公司的AT89C51單片機為核心進行系統(tǒng)硬件設(shè)計，輸入通道采用Pt100鉑電阻溫度傳感器，AD7705作為A/D轉(zhuǎn)換器；輸出通道采用可控硅作為輸出單元，大大地簡化了系統(tǒng)硬件電路。通過對占空比的調(diào)理可實現(xiàn)溫控箱溫度的自動控制。由于輸入端與輸出端有光電隔離，能夠有效地抑制干擾。2.在溫度控制系統(tǒng)中采用常規(guī)的PID控制方法，這需要知道被控對象的數(shù)學(xué)模型，以及對PID控制器的參數(shù)進行整定。因此，在分析了溫控箱的特性的基礎(chǔ)上，利用MATLAB系統(tǒng)辨識工具箱這個有力的工具對溫控箱的模型參數(shù)進行辨識，然后對PID控制器的參數(shù)進行整定，并且做了仿真試驗。

3.采用C語言對系統(tǒng)的軟件編程，在開發(fā)過程中使用了TKS仿真器，這些都大大縮短了軟件的開發(fā)周期。為了便于編寫、調(diào)試、修改和增刪，系統(tǒng)軟件的編制采用了模塊化的設(shè)計方法。24

致謝

本論文是在電子信息與電氣工程學(xué)院趙艷春、李正斌導(dǎo)師精心指導(dǎo)下完成的。從論文選題到課題難點的解決，都給予了本人悉心地指導(dǎo)。趙老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、很深的專業(yè)造詣和頑強的敬業(yè)精神都使我收益非淺，終身難忘。在此，我首先向趙老師致以深深的敬意和衷心的感謝!

在課題完成過程中，還得到了趙、李老師的指導(dǎo)和幫助，李老師給我提供了好多思路與經(jīng)驗，對我深入理解課題的有關(guān)知識與方法起到了重要作用。在此，我對李老師也表示誠摯的謝意。

同時，也十分感謝學(xué)習(xí)期間的授課老師和同學(xué)在學(xué)習(xí)中給我的指導(dǎo)和幫助，感謝!

最終，向在論文研究過程中給予我?guī)椭乃信笥驯硎局孕母兄x!25

可編程放大器(PGA)組成的前端模擬調(diào)理電路、∑-△調(diào)制器、可編程數(shù)字濾波器等部件組成。能直接將傳感器測量到的多路微小信號進行A/D轉(zhuǎn)換。AD7705采用三線串行接口，具有兩個全差分輸入通道，能達(dá)到0.003%非線性的16位無誤碼輸出，其增益和輸出更新率均可編程設(shè)定，還可以選擇輸入模擬緩沖器，以及自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)方式。工作電壓3V或5V，在3V工作電壓時，器件的最大功耗僅為1mW。AD7705引腳如圖3.3所示。

圖3.3AD7705引腳圖

AD7705引腳功能描述如下：

1.SCLK串行時鐘，將一個外部的串行時鐘加于這一輸入端口，以訪問AD7705的串行數(shù)據(jù)。該串行時鐘可以是連續(xù)時鐘以連續(xù)的脈沖串傳送所有數(shù)據(jù)，反之，它也可以是非連續(xù)時鐘，將信息發(fā)送給AD7705；

2.MCLKIN為轉(zhuǎn)換器提供主時鐘信號，能以晶體/諧振器或外部時鐘的形式提供。晶體/諧振器可以接在MCLKIN和MCLKOUT兩引腳之間，時鐘頻率的范圍為500kHz—5MHZ；

3.MCLKOUT，當(dāng)主時鐘為晶體/諧振器時，晶體/諧振器被接在MCLKIN和MCLKOUT之間，假使在MCLKIN引腳處接上一個外部時鐘，MCLKOUT將提供一個反向時鐘；

4.CS片選信號，低電平有效；5.RESET復(fù)位輸入，低電平有效；

6.AIN2(+)差分模擬輸入通道2的正輸入端；7.AIN1(+)差分模擬輸入通道1的正輸入端；8.AIN1(-)差分模擬輸入通道1的負(fù)輸入端；17

9.AIN2(-)差分模擬輸入通道2的負(fù)輸入端；

10.REFIN(+)差分基準(zhǔn)輸入的正輸入端，基準(zhǔn)輸入是差分的，并規(guī)定REFIN(+)必需大于REFIN(-)，REFIN(+)可以取VDD和GND之間的任何值；

11.DRDY規(guī)律輸出，這個輸出端上的規(guī)律低電平表示可以從AD7705的數(shù)據(jù)寄放器獲取新的輸出字。完成對一個完全的輸出字的讀操作后，該引腳馬上回到高電平。當(dāng)該引腳處于高電平日，不能進行讀操作，當(dāng)數(shù)據(jù)更新后，該引腳又返回低電平；

12.DOUT串行數(shù)據(jù)輸出端，從片內(nèi)的輸出移位寄放器讀出的串行數(shù)據(jù)由此端輸出。根據(jù)通信寄放器中的寄放器選擇位，移位寄放器可以容納來自通信寄放器、時鐘寄放器或數(shù)據(jù)寄放器的信息；

13.DIN串行數(shù)據(jù)輸入端，向片內(nèi)的輸入移位寄放器寫入的串行數(shù)據(jù)由此輸入。

3.5輸出通道設(shè)計

3.5.1溫控箱的功率調(diào)理方式

目前多數(shù)溫控系統(tǒng)均采用可控硅來實現(xiàn)功率調(diào)理?？煽毓璧目刂颇Ｊ接袃煞N：相位控制和零位控制(分派式零位控制、時間比例零位控制)。

1.相位控制：作用于每一個交流正弦波，改變正弦波每個正半波和負(fù)半波的導(dǎo)通角來控制電壓的大小，進而可以調(diào)理輸出電壓和功率的大小。采用相位控制模式的可控硅控制器可以叫做調(diào)壓器，它可以便利的調(diào)理電壓有效值，可用于電爐溫度控制、燈光調(diào)理、異步電機降壓軟啟動和調(diào)壓調(diào)速等。

2.零位控制：在設(shè)定的周期TC內(nèi)，觸發(fā)信號使主回路接通幾個周波(幾個完整的正弦波)，再斷開幾個周波，改變可控硅在設(shè)定周期內(nèi)的通斷時間比例，以調(diào)理負(fù)載上的交流電的平均功率，即可達(dá)到調(diào)理負(fù)載功率的目的。根據(jù)輸出電壓分布的不同，零位控制又分為分派式零位控制(在TC周期內(nèi)根據(jù)輸出百分比平均分布周波)和時間比例零位控制(在雙周期內(nèi)根據(jù)輸出百分比連續(xù)接通幾個周波，然后在TC周期剩余的時間內(nèi)連續(xù)關(guān)斷幾個周波)。它多用于大慣性的加熱器負(fù)載，采用這種控制，既實現(xiàn)了溫度控制，又消除了相位控制時帶來的高次諧波污染電網(wǎng)。

本系統(tǒng)采用分派式零位控制的模式，控制溫控箱的加熱電阻的平均加熱功率，進而控制溫控箱的溫度。18

3.5.2可控硅輸出電路

可控硅是一種功率半導(dǎo)體器件，簡稱SCR，也稱晶閘管。它分為單向可控硅和雙向可控硅，在微機控制系統(tǒng)中，可作為功率驅(qū)動器件?？煽毓杈哂锌刂乒β市　o觸點、長壽命等優(yōu)點，在交流電機調(diào)速、調(diào)功、隨動等系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用。雙向可控硅相當(dāng)于兩個單向可控硅反向并聯(lián)。雙向可控硅與單向可控硅的區(qū)別是：

1.它在觸發(fā)之后是雙向?qū)ā?/p>

2.在控制極上不管是加正的還是負(fù)的觸發(fā)信號，一般都可以使雙向可控硅導(dǎo)通。因此雙向可控硅特別適合用作交流無觸點開關(guān)。

本系統(tǒng)中與可控硅配套使用的是MOC3041光電藕合雙向可控硅驅(qū)動器，與一般的光藕器件不同之處是MOC3041輸出部分是硅光敏雙向可控硅，還帶有過零觸發(fā)檢測器，以保證電壓接近零時觸發(fā)可控硅。

19

第四章系統(tǒng)調(diào)試

4.1TKS仿真器與集成開發(fā)環(huán)境KEIL

4.1.1TKS仿真器

仿真的概念其實使用十分廣，最終的含義就是使用可控的手段來模仿真實的狀況。單片機系統(tǒng)開發(fā)中的仿真包括軟件仿真和硬件仿真。

1.軟件仿真這種方法主要是使用計算機軟件來模擬實際的單片機運行，因此仿真與硬件無關(guān)的系統(tǒng)具有一定的優(yōu)點。用戶不需要搭建硬件電路就可以對程序進行驗證，特別適合于偏重算法的程序。軟件仿真的缺點是無法完全仿真與硬件相關(guān)的部分，因此最終還要通過硬件仿真來完成最終的設(shè)計；

2.硬件仿真使用附加的硬件來替代用戶系統(tǒng)的單片機并完成單片機全部或大部分的功能。使用了附加硬件后用戶就可以對程序的運行進行控制，例如單步、全速、查看資源斷點等。

在單片機應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)過程中，程序的設(shè)計是最為重要的但也是難度最大的工作，一種最簡單和原始的開發(fā)流程是：編寫程序，燒寫芯片并驗證功能，這種方法對于功能簡單的小系統(tǒng)是可以對付的，但在比較大的系統(tǒng)中使用這種方法則是完全不可能的。此時就需要用到仿真器。在本系統(tǒng)軟件設(shè)計調(diào)試的過程中使用的是TKS58型仿真器。

TKS系列仿真器是廣州致遠(yuǎn)電子有限公司推出的高性能實時在線仿真器。可以實時在線仿真PHILIPS半導(dǎo)體公司的80C51系列單片機，同時還能夠?qū)崟r在線仿真ATMEL和Winbond等公司的兼容MCS—51內(nèi)核的標(biāo)準(zhǔn)80C51單片機。完全解決80C51開發(fā)中仿真工具的瓶頸問題。

TKS系列仿真器在硬件上采用了PHILIPS授權(quán)的HOOKS/Bondout仿真技術(shù)，并加以改進，幾乎支持所有的80C51系列單片機的實時仿真，能保證用戶更加便利的操作和更加真實的仿真效果并能直接或通過簡單的升級支持仿真PHILIPS不斷推出的全系列80C51內(nèi)核單片機，每種型號的仿真器均能支持多種不同型號80C51單片機的仿真。TKS系列仿真器還可以同KEIL調(diào)試軟件無縫銜接并得到KEIL公司的強力技術(shù)援助具備強大的調(diào)試功能。4.1.2集成開發(fā)環(huán)境KEIL

KEILIDEVision2集成開發(fā)環(huán)境是德國KEILSoftwareInc/KEILElektronik20

Gmb開發(fā)的基于80C51內(nèi)核的微處理器軟件開發(fā)平臺。它內(nèi)嵌多種符合當(dāng)前工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)工具，可以完成從工程建立和管理、編譯連接目標(biāo)代碼的生成、軟件仿真、硬件仿真等完整的開發(fā)流程。特別它的C編譯工具在產(chǎn)生代碼的確鑿性和效率方面達(dá)到了很高的水平，而且可以附加靈活的控制選項，在開發(fā)大型項目時十分理想。KEILIDEVision2集成開發(fā)環(huán)境主要由以下部分組成：

1.uVisio