基于单片机的温度控制新版专业系统设计.doc
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1、毕业设计阐明书(论文)作 者: 学 号: 教研室: 电气自动化教研室专 业:电气自动化技术 题 目:基于单片机温度控制系统设计 指引者: 评阅者: 年 5 月毕业设计(论文)评语学生姓名: 班级、学号: 题 目: 综合成绩: 指引者评语: 该生能准时完毕毕业设计(论文)任务书规定工作,积极查阅关于文献资料,设计态度端正,能独立思考并解决关于技术问题,论文符合学校规定格式,写作规范化限度好。设计方案可行,有一定创新性,如果再多参照某些外文资料,将会更加完善。建议成绩评估为 ,可以提交答辩。 指引者(签字): 5月15日毕业设计(论文)评语评阅者评语: 评阅者(签字): 年 月 日答辩委员会(小组
2、)评语:答辩委员会负责人(签字): 5月20日毕业设计阐明书(论文)中文摘要 文 献 综 述 摘要 本设计用AT89C51单片机实现房间恒温控制。该系统由温度检测模块、温度显示模块、原则温度设定以及温度控制模块构成。温度检测模块是将DS18B20温度传感器对温度进行测量所传出数字信号运用单片机进行读取和解决;温度显示模块用四位LED数码管显示,温度显示精度为0.1度;温度设定模块用三个按键进行房间原则温度值输入;温度控制是依照房间实际温度与设定原则温度之间差值来调节可变脉宽(PWM)宽度,从而控制可控硅导通或截止时间实现系统恒温控制。本设计有关软件编程由汇编语言实现,与硬件电路相辅相成,较好实
3、现了系统功能。本温度控制系统实现简朴,经济有效,可以达到良好温度控制效果。本系统操作简朴,实用性强,成本低廉,在实际生产生活中可以广泛应用。核心词 AT89C51单片机 温度传感器DS18B20 恒温控制 可变脉宽(PWM) 目录1绪论11.1温度控制系统研究目和意义11.2温度控制系统研究概况11.3温度传感器技术12 系统总体方案设计42.1 方案论证42.2 系统功能简介53系统硬件电路设计73.1传感器接口电路设计73.1.1温度数据采集电路73.2 LED显示接口电设计93.2.1 AT89C51单片机103.2.2 LED数码管123.3 温度控制电路设计134 脉宽调制164.1
4、脉宽调制简介144.2基本原理144.3 脉宽调制信号设计思想154.4脉宽调制信号作用154.5脉冲宽度调制长处165系统软件设计166 系统软件调试196.1目测196.2硬件调试196.3 软件调试196.4 注意事项20结束语22参照文献23致 谢24附录一 程序25附录二 硬件电路图361绪论1.1温度控制系统研究目和意义在人类生活环境中,温度扮演着极其重要角色。温度是工业生产中常用工艺参数之一,任何物理变化和化学反映过程都与温度密有关,因而温度控制是生产自动化重要任务。随着社会发展,科技进步,以及测温仪器在各个领域应用,智能化是当代温度控制系统发展主流方向。特别是近几年来,温度控制
5、系统早已应用到人们生活各个方面,但温度控制始终是一种未开发领域,却又与人们息息有关一种世纪问题。针对这种实际状况,设计一种温度控制系统具备广泛应用前景与意义。本设计为房间温度控制系统设计,控制对象是房间温度。温度控制在寻常生活及工业领域应用十分广泛,例如温室、水池、发酵缸、电源等场合温度控制。而以往温度控制是由人工完毕并且不够注重。其实在诸多场合温度都需要得到较好控制。针对这一问题,本系统设计目是实现可以依照设定温度进行自行调节系统,它应用广泛,功能强大,小巧美观,便于携带,是一款既实用又便宜控制系统。1.2温度控制系统研究概况国外对温度控制技术研究较早,始于20世纪70年代。先是采用模仿式组
6、合仪表,采集现场信息并进行批示、记录和控制。80年代末浮现了分布式控制系统。当前正开发和研制计算机数据采集控制系统多因子综合控制系统。当前世界各国温度测控技术发展不久,某些国家在实现自动化基本上正向着完全自动化、无人化方向发展。国内对于温度测控技术研究较晚,始于20世纪80年代。国内工程技术人员在吸取发达国家温度测控技术基本上,才掌握了温度室内微机控制技术,该技术仅限于对温度单项环境因子控制。国内温度测控设施计算机应用,在总体上正从消化吸取、简朴应用阶段向实用化、综合性应用阶段过渡和发展。在技术上,以单片机控制单参数单回路系统居多,尚无真正意义上多参数综合控制系统,与发达国家相比,存在较大差距
7、。国内温度测量控制现状还远远没有达到工厂化限度,生产实际中依然有许多问题困扰着咱们,存在着装备配套能力差,产业化限度低,环境控制水平落后,软硬件资源不能共享和可靠性差等缺陷。1.3温度传感器技术传感器技术是当代信息技术重要内容之一,信息技术涉及计算机技术、通信技术和传感器技术。计算机和通信技术发展极快,相称成熟,而传感器应用技术由于需要使用模仿技术,而模仿技术尚有诸多问题难以解决,因而传感器应用技术也有待进一步发展。为了适应当代科学技术发展,世界总舵国家都把传感器技术列为当代核心技术之一。普通将能把非电量转换为电量器件称为传感器,其实质上是一种功能块,作用是将来自外界各种信号转换成电信号。它是
8、实现测试与自动控制系统首要环节。如果没有传感器对原始参数进行精准可靠地测量,那么无论是信号转换或信息解决,或者最佳数据显示和控制都将无法实现。 温度传感器,使用范畴广,数量多,居各种传感器之手。温度传感器发展大体经历了如下三个阶段:老式分立式温度传感器(含敏感元件),重要输可以进行非电量和电量之间转换;模仿集成温度传感器/控制器;智能温度传感器。当前,国际上新型温度传感器正从模仿式向数字式、集成化、智能化及网络化方向发展。温度传感器按传感器与被测介质接触方式可分为接触式温度传感器和非接触式温度传感器两大类,其中,接触式温度传感器测温元件与被测对象要有良好热接触,通过热传导及对流原理达到热平衡,
9、这个示值即为被测对象温度。这种测温办法精度比较高,并可测量物体内部温度分布。但对于运动、热容量比较小及对感温元件有腐蚀作用对象,这种办法将会产生很大误差。非接触测温测温元件与被测对象互不接触。惯用是辐射热互换原理。此种测温办法重要特点是可测量运动状态小目的及热容量小或变化迅速对象,也可测量温度场温度分布,但受环境影响比较大。温度传感器发展大体可分为如下几种:(1)热电偶传感器。热点偶传感器是工业测量中应用最广泛一种温度传感器,它与被测对象直接接触,不受中间介质影响,具备较高精度;测量范畴广,可从-501600进行持续测量,特殊热电偶如金,铁,镍,铬最低可测到-269,钨,铼最高可达2800。(
10、2)模仿集成温度传感器。采用硅半导体集成工艺制成,因而亦称硅传感器或单片集成温度传感器。模仿集成温度传感器是在20世纪80年代问世,它将温度传感器集成在一种芯片上、可完毕温度测量及模仿信号输出等功能。模仿集成温度传感器重要特点是:功能单一、测温误差小、价格低、响应速度快、传播距离远、体积小、微功耗等,适合远距离测温,不需要进行非线性校准,外围电路简朴。(3)光纤传感器。光纤测温技术可分为两类:全辐射测温法,单辐射测温法,双波长测温法,多波长测温法等。特点是:光纤挠性好、透光谱段宽、传播损耗低,无论是就地使用或远传均十分以便并且光纤直径小,可以单根、成束、Y型或阵列方式使用,构造布置简朴且体积小
11、。缺陷是:测量起来困难,难于实现较高精度,工艺比较复杂,且造价高,推广应用有一定困难。(4)半导体吸取式光纤温度传感器。半导体吸取式光纤温度传感器是运用了半导体材料吸取光谱随温度变化特性实现。一种传光型光纤温度传感器,是指在光纤传感系统中,光纤仅作为光波传播通路,而运用其他如光学式或机械式敏感元件来感受被测温度变化。在此类传感器中,半导体吸取式光纤温度传感器是研究得比较进一步一种。(5)智能温度传感器。智能温度传感器(亦称数字温度传感器)是在20世纪90年代中期问世。它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术(ATE)结晶。当前,国际上已开发出各种智能温度传感器系列产品。智能温度传感器内部包括温
12、度传感器、A/D传感器、信号解决器、存储器(或寄存器)和接口电路。有产品还带多路选取器、中央控制器(CPU)、随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。智能温度传感器能输出温度数据及有关温度控制量,适配各种微控制器(MCU),并且可通过软件来实现测试功能,即智能化取决于软件开发水平。随着科学技术不断进步与发展,温度传感器种类日益繁多,数字温度传感器更因合用于各种微解决器接口构成自动温度控制系统具备可以克服模仿传感器与微解决器接口时需要信号调理电路和A/D转换器弊端等长处,被广泛应用于工业控制、电子测温计、医疗仪器等各种温度控制系统中。其中,比较有代表性数字温度传感器有DS18B20、MA
13、X6575、DS1722、MAX6635等。相比较而言,老式温度检测以热敏电阻为温度敏感元件,热敏电阻成本低,但需要后续信号解决电路,并且热敏电阻可靠性相对较差,测量温度精确度低,检测系统精度差。数字式温度传感器种类也不少,并且在实际工程设计中具备上述诸多长处。2 系统总体方案设计2.1 方案论证方案一:本课题初步设计方案是通过控制调功电路导通比,来实现对被调对象控制,由图1可见,负载是加热器件,而过零触发电路是由锯齿波发生,信号综合,直流开关,同步电压与过零脉冲输出5个环节构成。如下图所示: 图2.1 方案一电路图 图2.1为第一种设计方案,该方案工作原理简述如下:(1) 锯齿波是由单结晶体
14、管BT和R1,R2,R3,W1和C1构成张驰震荡产生,然后经射极跟随器V1、R4输出。(2) 控制电压(Uk)与锯齿波电压进行电流叠加后送到V2基极,合成电压为Us,当Us0(0.7)时V2导通,Us0(0.7),V2导通,Ube3接近零电位,V3截止,直流开关导通。输出24V直流电压。(4) 过零脉冲输出,由同步变压器TB,整流桥D1及R10,R11构成一削波同步电源,这个电源与直流开关输出电压共同去控制V4与V5。只有当直流开关导通期间,V4截止,V4、V5基电极和发射极之间才有工作电压,才干工作在期间,同步电压每次过零时,V4截止,其集电极输出正电压,使V5由截止转导通,经脉冲变压器输出
15、触发脉冲而此脉冲使晶闸管T在需要导通时刻导通。在直流开关导通期间使出持续正弦波控制电压Uk大小决定了直流开关导通时间长短,也就决定了在设定周期内导通周波数,从而可输出功率调节。显然,控制电压Uk越大,则导通周波数就越多,输出功率也就越大,电阻炉温度也就越高,反之,电阻炉温度就越低。闭环控制自动调温基本指引思想是在系统中增设温度传感器和温度调节器,温度传感器基本功能是检测电炉实际温度,并变换成电压讯号和炉温控制电压Uk进行比较,依照两者差值大小(e=Uk-Uft)和变化方向(即e为正还是为负),通过调节器进行相反方向调节,使调节器输出控制直流开关导通时间长短,从而使设定周期内晶闸管导通周波数增大
16、或者减小,相应电炉温度升高一点或者减小一点。采用这种控制方式,可以使炉温在较小范畴内变化,控制精度高。方案二:为了使得电路简朴化,采用单片机作为控制核心来设计本课题,温度信号采集使用温度传感器DS18B20,温度控制基本思想为:通过采集到温度与原则温度之间差值来控制加热电阻丝通电时间长短,从而起到恒温控制目。方案二设计框图如下图所示:单片机温度采集按键电路电源显示电路温控电路图 2.2 方案二设计框图本方案采用单片机作为控制核心,使用温度传感器进行温度采集,通过将采集到温度与原则设定温度之间差值进行温度控制,从而使得温度维持在原则设定温度。本方案设计成本低,具备具备较高可靠性,对于系统动态性能
17、与稳定规定不是很高场合非常适当。2.2 系统功能简介本设计是对房间温度进行检测与控制,设计温度控制系统实现了基本温度控制功能:当温度低于设定温度时,系统自动通过PWM启动加热装置,使温度上升。当温度高于设定温度时,停止加热。三位数码管及时显示温度,精准到小数点后一位。本文设计温度控制系统具备如下功能:(1)通过温度芯片DS18B20采集温度,并以数字信号方式传送给单片机。(2)四位数码管动态实时显示房间温度,显示精度0.10C。(3)三个按键实现原则温度设定。(4)运用PWM实现温度控制。3系统硬件电路设计 图3.0电路硬件图此方案以AT89C51为核心,通过DS18B20检测房间温度,将信号
18、传播至单片机,用四位LED数码管显示温度,同步通过将检测温度与原则设定温度偏差来控制电阻丝通断时间长短,从而达到恒温控制目。3.1传感器接口电路设计3.1.1温度数据采集电路 DS18B20是美国DALLAS半导体公司生产可组网数字式温度传感器,与其他温度传感器相比,DS18B20具备如下特性:独特单线接口方式,DS18B20在与微解决器连接时仅需要一条口线即可实现微解决器与DS18B20双向通讯。DS18B20支持多点组网功能,各种DS18B20可以并联在唯一三线上,实现组网多点测温。DS18B20在使用中不需要任何外围元件,所有传感器元件及转换电路集成在形如一只三极管集成电路内。温度范畴5
19、5125,固有测温辨别率0.5;测量成果直接输出数字温度信号,以“一线总线”串行传送给CPU,同步可传送CRC效验码,具备极强抗干扰纠错能力;测量成果以9位数字量方式串行传送。DS18B20虽然具备测温系统简朴、测温精度高、连接以便、占用口线少等长处,但在实际应用中也应注意如下几方面问题:(1)系统硬件虽然简朴但需要相对复杂软件进行补偿,由于DS18B20与微解决器间采用串行数据传送,因而,在对DS18B20进行读写编程时,必要严格保证读写时序,否则将无法读取测温成果。(2)在DS18B20关于资料中均未提及单总线上所挂DS18B20数量问题,容易使人误以为可以挂任意各种DS18B20,在实际
20、应用中并非如此。当单总线上所挂DS18B20超过8个时,就需要解决微解决器总线驱动问题,这一点在进行多点测温系统设计时要加以注意。(3)连接DS18B20总线电缆有长度限制。由于信号电缆自身存在电阻,距离过长时将导致信号衰减。实验中,当采用普通信号电缆传播长度超过50m时,读取测温数据将发生错误。当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时,正常通讯距离可达150m。DS18B20有PR-35和SOIC两种封装形式,管脚排列如表3.1所示。本系统选用PR-35封装形式。DS18B20返回温度值虽然只有9位,如图3.1.2所示。管脚管脚定义阐明8脚SOIC 3脚PR-352 1GND地1 2I|O数据输入
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