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单片机—温度控制(全套论文-外文翻译).doc
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1、 摘 要随着科学技术的发展,监控系统对人们的生活影响越来越大。在生活中的各个方面都涉及到监控技术。在本设计中,是以温度为监控研究对象并结合单片机及接口技术,采用部分边沿科技设计的一个温度监控系统。利用温度数字传感器DS18B20采集温度,利用CPU处理后,通过74LS47将其显示在数码管上。且可以通过串口设定密码和温度的上下限,当所测温度低于设定温度时,利用加热器加热;当所测温度高于设定温度时,发出报警,并给出一定的控制信号.本文主要阐述了温度采集模块,显示模块,控制隔离模块设计,温度采集模块采用数字传感器DS18B20;显示模块由三个八段数码管,74LS47,ADC0808等组成;控制隔离模
2、块由光电隔离器,双向可控硅整流桥、变压器等组成。最后针对温控系统进行了实验仿真,通过对仿真的分析表明本文所述的基于单片机的温控系统的设计的合理性和有效性。关键字:单片机、传感器DS18B20、温度监控系统、控制隔离电路AbstractAlong with the development of science and technology, the life influence of monitoring system for people are farther. In the aspect of each life people are concerned with monitoring t
3、echnology. In the design, it is a temperature monitoring system which is to take temperature as to monitor the research object, and combine MCU and the interface techniques. In the system, we adopt the partial edge design of science and technology. passing through 74LS47 it is able to show it to the
4、 figures tube up after using CPU handling. The system can set the last lower limit of cipher and temperature through button, when the temperature measured is low to sets temperature, we are using heater to heat up. When the temperature measured is higher than set temperature, the device generates to
5、 alarm, and gives certain control signal. This article mainly elaborated the temperature gathering electric circuit, the display circuit, the control isolation circuit design , the gathering electric circuit byDS18B20 sensor, three eight-digital,74LS47, ADC0808 components; the control isolation circ
6、uit by the photoelectric isolator, a two-way SCR components. Finally, temperature control system for the experimental simulation , the analysis of simulation described in this article shows that the design of temperature control system based on Microcontroller is availability and rationality.Keyword
7、s: MCU、sensor 、temperature monitor system DS18B20 、control isolation circuit目 录绪 论11 系统概述21.1 系统功能描述2 1.2 系统的控制回路设计.31.3 硬件设计概述42 温度采集模块72.1 温度传感器DS18B20简介72.2 输入接口电路93 系统显示模块103.1 LED简介103.1.1 LED显示器的结构及原理103.1.2 LED数码管的显示方法113.2 LED显示驱动器芯片74LS47113.3 显示接口电路134 控制量隔离输出模块144.1 光电隔离技术144.2 双向可控硅154.3
8、 单相桥式整流滤波电路154.4控制隔离电路165 系统其它模块简介185.1 串口通信模块185.2 系统抗干扰模块195.3 报警模块简介206 设计成果及总结216.1 PCB版的设计.216.2 PROTEUS仿真调试.22 谢辞. 27参考文献28附录 科技文献翻译29英文29译文35绪 论 实际生活和生产中许多方面都涉及到监控技术,在本设计中是以温度监控为研究对象。结合单片机技术及接口技术,并采用部分边沿科技设计的一个温度监控系统。主要利用传感器采集温度信号,经过CPU处理后,将其显示在数码管上,且可以通过键盘设定温度的上下限,当所测温度不在所设定的范围内时,发出报警,并给出一定的
9、控制信号。温度是工业对象中主要的被控参数之一,在冶金、机械、食品、化工等各类企业中国广泛使用的各种加热炉、热处理器、反应炉等,对产品的加工、处理,对温度都要求严格控制,因为温度的控制直接影响到产品的质量、产量。随着社会科技的不断发展,人们对温度控制系统的要求也在不断提高,与之相对应的系统规模和复杂程度也在扩大和提高。采用单片机来对温度进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活等特点,而且可以大幅度提高被控温度的技术指标,从而大大提高产品的质量和数量。单片机在一块芯片上集成了一台微型计算机所需的CPU、数据存储器RAM、程序存储器ROM、定时器/计数器、输入输出部件和时钟电路等。单片机具有如下特点和趋
10、势:单片机的低功耗COMS化、单片机的微型化、单片机的抗干扰性和稳定性好,因而由它构成的应用系统具有体积小、集成度高、功能强、成本低、使用灵活、性能好、易于产品化、系统的分布性高等特点。所以单片机具有强大的控制功能,在工业控制、家用电器、军事装置等方面得到广泛的应用。因此,单片机对温度控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题。论文分析了单片机温度控制系统的工作原理,完成了以AT89C51单片机为核心,外装置数字温度传感器、串口与显示电路、光报警电路,实现了数据采集、处理、显示、系统的故障自诊断等功能。1 系统概述1.1 系统功能描述在实际生活和生产中,有很多场合需要对温度进行监测和控制。如水温
11、检测和控制、空气温度检测和控制等。我们利用单片机,完成一个完整的温度测控系统,包括:温度采集、温度控制策略、工作点温度限设定、实时监测温度的变化情况并显示、存储相关数据、报警输出等。该温度监控系统的工作原理为:所测量的温度信号直接通过数字温度传感器检测到温度后,送到单片机中,单片机把检测的温度同串口设定的温度进行比较,并显示在显示器上,再由单片机根据控制策略给出控制量,然后将控制量送驱动电路、去驱动电源装置,从而构成温度控制系统。硬件部分内容分为:单片机应用系统架构的设计、信号输入模块的设计(包括温度传感器选择及应用)、串口电路的设计、监控显示电路的设计、报警电路的设计、控制算法的选择、控制量
12、的输出模块设计(包括信号的隔离、放大及输出)。系统结构框图如下图所示。单片机温度传感器串口电路温度显示控制输出模块报警电路抗干扰模块图1-1 系统结构方框图在本次设计中,我们选用单片机AT89C51作为主机芯片,抗干扰监控电路采用的MAX1232芯片,报警电路主要采用的是发光二极管 ,显示器采用的是74LS47驱动的3位数码管显示,数字温度传感器采用的是DS18B20。在本论文中主要阐述了温度采集模块,显示模块,控制隔离模块的设计。1.2 系统的控制回路设计 温度控制采用PID单回路控制经行调节,比例积分微分控制的特点是微分的作用使控制器的输出与偏差变化的速度成正比例,它对克服对象的容量滞后有
13、显著的效果。在比例基础上加上微分作用,使稳定性提高,再加上积分作用,可以消除余差。因此,PID控制适用于负荷变化大、容量滞后较大、控制品质要求又很高的控制系统。对系统而言,单回路控制是一种有效的控制方法,它的结构框图如下: 图1-2 单回路控制图 本系统单回路控制的原理:温度控制系统用温度传感器获取所测温度值,根据温度给定值和稳定测量值的偏差,经过PID运算来处理相应的调节控制量,从而达到温度控制的目的。1.3 硬件设计概述系统包括主控芯片、数字温度传感器、串口通信模块、抗干扰监控模块、报警模块、控制隔离量输出模块等。温度监控系统总原理图如下: 图1-3 温度监控系统总原理图下面我们对主控芯片
14、AT89C51做一下简略介绍:AT89C51是由北京集成电路设计中心在MCS-51基础上精心设计,由美国生产的高性能八位单片机。它是一种低损耗、高性能、CMOS八位微处理器,片内有4K字节的在线可重复编程快擦快写程序内存,能重复写入/擦除10000次,数据保存时间为十年。它与MCS-51系列单片机在指令系统上完全兼容,不仅可完全替代MCS-51系列单片机,而且能使系统具有许多MCS-51系列产品没有的功能。AT89C51无需外扩程序内存和数据存储器,就可构成真正的单片机最小应用系统,从而缩小系统的体积,增加系统的可靠性,降低了系统成本。只要程序长度小于4K,四个I/O口全部提供给用户。可用5V
15、电压编程,而且擦写时间仅需l 0ms,仅为8751/87C51擦除时间的百分之一,与8751/87C51的12V电压擦写时间相比,不易损坏器件,没有两种电源的要求,改写时不必拨下芯片,适合许多嵌入式控制领域。工作电压范围2.76V,全静态工作,工作频率宽,在6MHz24MHz,比8751/87C51等51系列的6MHz24MHz更具有灵活性,系统能快能慢。 AT89C51单片机的封装管脚排列如图1-3所示: 图1-3 AT89C51管脚图在本设计中P2.0、P2.1、P2.2、P2.3、P2.5、P2.6及P2.7口用作与芯片(74LS47)和数码管片选的连接,其中P2.0P2.3口用于输出串
16、行数据,P2.5P2.6口用于数码管的片选,P1.0口和P1.1口用于报警电路的连接,P1.2口用于数字温度传感器DS18B20的连接。P2.7口用于监控电路的监控信号的输出,如P2.7口的输出信号显示出不正常的情况,监控电路通过RESET引脚对AT89C51进行复位,P0.0口主要用于控制隔离量输出模块。本设计中所采用的是6MHz的外部晶振。其中部分用于控制信号线的端口功能如下:RST-复位输入信号,高电平有效.在振荡器稳定工作时,在RST脚施加两个机器周期(即24个晶振周期)以上的高电平,将器件复位。EA/Vpp-外部程序内存访问允许信号EA。当EA信号接地时,对ROM的读操作限定在外部程
17、序内存,地址为0000HFFFFH;当EA接VCC时,对ROM的读操作从内部程序内存开始,并可延续至外部程序内存。在编程时,该引脚可接编程电压。在编程校验时,该引脚可接VCC。PSEN-片外程序内存读选通信号PSEN,低电平有效。在片外程序内存取指期间,当PSEN有效时,程序内存的内容被送至P0;在访问外部RAM时,PSEN无效。ALE/PROG-低字节地址锁存信号ALE。在系统扩展时,ALE的下降沿将P0口输出的低8位地址锁存器中,以实现低字节地址和数据的分时传送。此外,ALE端连续输出正脉冲,频率为晶振频率的1/6,可用作外部定时脉冲使用,但要注意,每次访问外RAM时要丢失一个ALE脉冲。
18、在编程期间,该引脚输入编程脉冲(PROG)。2 温度采集模块2.1 温度传感器DS18B20简介本次设计中我们采用了单线数字温度传感器DS18B20,新的“一线器件”体积更小、适用电压更宽、更经济 Dallas 半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持 “一线总线”接口的温度传感器。一线总线独特而且经济的特点,使用户可轻松地组建传感器网络,为测量系统的构建引入全新概念。DS18B20、 DS1822 “一线总线”数字化温度传感器 同DS1820一样,DS18B20也 支持“一线总线”接口,测量温度范围为 -55C+125C,在-10+85C范围内,精度为0.5C。DS1822
19、的精度较差为 2C 。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输,大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量,如:环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。与前一代产品不同,新的产品支持3V5.5V的电压范围,使系统设计更灵活、方便。而且新一代产品更便宜,体积更小。 DS18B20、 DS1822 的特性 DS18B20可以程序设定912位的分辨率,精度为0.5C。可选更小的封装方式,更宽的电压适用范围。分辨率设定,及用户设定的报警温度存储在EEPROM中,掉电后依然保存。DS18B20的性能是新一代产品中最好的!性能价格比也非常出色! DS1822与 DS18B20软件兼容,
20、是DS18B20的简化版本。省略了存储用户定义报警温度、分辨率参数的EEPROM,精度降低为2C,适用于对性能要求不高,成本控制严格的应用,是经济型产品。 继“一线总线”的早期产品后,DS1820开辟了温度传感器技术的新概念。DS18B20和DS1822使电压、特性及封装有更多的选择,让我们可以构建适合自己的经济的测温系统。 DS18B20的内部结构 DS18B20内部结构主要由四部分组成:64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管脚排列如下: DQ为数字信号输入/输出端;GND为电源地;VDD为外接供电电源输入端(在寄生电源接线方式时接地)
21、。 光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的,它可以看作是该DS18B20的地址序列码。64位光刻ROM的排列是:开始8位(28H)是产品类型标号,接着的48位是该DS18B20自身的序列号,最后8位是前面56位的循环冗余校验码(CRC=X8+X5+X4+1)。光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同,这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。 DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量,以12位转化为例:用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供,以0.0625/LSB形式表达,其中S为符号位。 这是12位转化后得到的12位数据,存储在18B20的两个8比特的RA
22、M中,二进制中的前面5位是符号位,如果测得的温度大于0,这5位为0,只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度;如果温度小于0,这5位为1,测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。 例如+125的数字输出为07D0H,+25.0625的数字输出为0191H,-25.0625的数字输出为FF6FH,-55的数字输出为FC90H。 DS18B20温度传感器的存储器 DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的E2RAM,后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。 暂存存储器包含了8个连续字节,前两个字节是测得的温度信息,第一
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