基于单片机温度控制系统设计.doc
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1、摘 要近年来随着计算机在社会领域的渗透, 单片机的应用正在不断地走向进一步,同时带动传统控制检测日新月益更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中,单片机往往是作为一个核心部件来使用,仅单片机方面知识是不够的,还应根据具体硬件结构,以及具体应用对象特点的软件结合,以作完善。本文从硬件和软件两方面来讲述水温自动控制过程,在控制过程中重要应用AT89C51、ADC0809、LED显示器、LM324比较器,而重要是通过 DS18B20数字温度传感器采集环境温度,以单片机为核心控制部件,并通过四位数码管显示实时温度的一种数字温度计。软件方面采用汇编语言来进行程序设计,使指令的执行速度快,节省存储空间
2、。为了便于扩展和更改,软件的设计采用模块化结构,使程序设计的逻辑关系更加简洁明了,使硬件在软件的控制下协调运作。而系统的过程则是:一方面,通过设立按键,设定恒温运营时的温度值,并且用数码管显示这个温度值.然后,在运营过程中将采样的温度模拟量送入A/D转换器中进行模拟-数字转换,再将转换后的数字量用数码管进行显示,最后用单片机来控制加热器,进行加热或停止加热,直到能在规定的温度下恒温加热。 关键词:单片机系统;传感器;数据采集;模数转换器;温度AbstractIn recent years, with the computer penetration in the social field, t
3、he application of SCM is to keep at the same time, traditional control testing update on Crescent benefits. In real-time detection and automatic control system of single-chip applications, often as a single-chip core component to use only single-chip is not enough knowledge, but also the specific ha
4、rdware structure and the specific features of application software objects combine to make perfect. In this paper, both hardware and software for automatic control of water temperature on the process, in the control of the main application of the process of AT89C51, ADC0809, LED display, LM324 compa
5、rator, but mainly through the digital temperature sensor DS18B20 collecting ambient temperature to single-chip microcomputer as the core control components, and through four real-time digital display of a digital thermometer temperature. Software using assembly language for programming, so that the
6、implementation of Directive speed, to save storage space. In order to facilitate the expansion and changes to the design of modular software structure, so that the logic of the relationship between program design more concise,Hardware software co-operation under the control of it.And systematic proc
7、ess is: First of all, by setting the button, set the thermostat temperature at the time of operation, and digital display of the temperature. Then, in the running temperature of the process of sampling analog into the A / D converter in the simulation - digital converter, and then converted digital
8、control with digital display, the last single-chip microcomputer to control the heater used for heating or stop heating until the temperature in the provisions under the constant temperature heating.Key words:Single-chip microcomputer system ;Sensor;Data Acquisition;ADC;Temperature目 录摘 要IAbstractII目
9、 录i第1章 绪 论11.1设计的背景及其意义11.2设计研究的内容及规定11.3设计的实现方案3第2章 设计理论基础62.1单片机的发展概况62.2 AT89C51系列单片机介绍72.2.1 AT89C51系列基本组成及特性72.2.2 AT89C51系列引脚功能82.2.3 AT89C51系列单片机的功能单元112.3 ADC0809模数转换器142.4运算放大器LM324162.5移位寄存器74LS164182.6数码显示管LED192.7数字温度计DS18S2020第3章电路设计213.1单片机控制单元213.2温度采样部分213.3模数转换部分233.3.1模数转换技术233.3.2
10、积分型模数转换器243.4显示部分243.5 调节执行单元25第4章 软件设计264.1主程序流程图264.2中断子程序流程图274.3按键流程图284.4显示流程图29参考文献30致 谢311系统总程序清单322系统的原理图41第1章 绪 论1.1设计的背景及其意义二十一世纪是科技高速发展的信息时代,电子技术、微型单片机技术的应用更是空前广泛,随着着科学技术和生产的不断发展,需要对各种参数进行温度测量。因此温度一词在生产生活之中出现的频率日益增多,与之相相应的,温度控制和测量也成为了生活生产中频繁使用的词语,同时它们在各行各业中也发挥着重要的作用。如在日趋发达的工业之中,运用测量与控制温度来
11、保证生产的正常运营。在农业中,用于保证蔬菜大棚的恒温保产等。温度是表征物体冷热限度的物理量,温度测量则是工农业生产过程中一个很重要而普遍的参数。温度的测量及控制对保证产品质量、提高生产效率、节约能源、生产安全、促进国民经济的发展起到非常重要的作用。由于温度测量的普遍性,温度传感器的数量在各种传感器中居首位。并且随着科学技术和生产的不断发展,温度传感器的种类还是在不断增长丰富来满足生产生活中的需要。在单片机温度测量系统中的关键是测量温度、控制温度和保持温度,温度测量是工业对象中重要的被控参数之一。因此,单片机温度测量则是对温度进行有效的测量,并且可以在工业生产中得到了广泛的应用,特别在电力工程、
12、化工生产、机械制造、冶金工业等重要工业领域中,担负着重要的测量任务。在平常生活中,也可广泛实用于地热、空调器、电加热器等各种家庭室温测量及工业设备温度测量场合。但温度是一个模拟量,假如采用适当的技术和元件,将模拟的温度量转化为数字量虽不困难,但电路较复杂,成本较高。1.2设计研究的内容及规定我本次的毕业设计的题目是单片机水温控制系统设计。它是多种技术知识的结合,不仅涉及到软件的设计,并且还将应用电子技术与单片机的应用技术有机结合,使其具有精度高、测量误差小、稳定性好等特点。电路板的设计技术和机械加工工艺的巧妙结合,使其具有了显示直观、体积做工精细等特点,能为它在其它领域的广泛应用打下良好的基础
13、。由于通过我们调查发现许多应用场合本来就有测温控温仪器,只是随着对生产质量与生产需要的规定在不断地提高,以往的那些测温控温的仪器主线不能满足现在的规定。其中,有部分应用场合对精度提高的幅度规定也不是特别高。因此,为了提高性价比,我所设计的系统提出在原有系统的基础上进行一些简朴的改良,以此为出发点,重要阐述的是水温自动控制系统的一种实现方法。1设计的重要研究的内容 本文所要研究的课题是基于单片机控制的水温控制系统的设计,重要是介绍了对水箱温度的显示、控制及报警,实现了温度的实时显示及控制。水箱水温控制部分,提出了用DS18S20、AT89C51单片机及LED的硬件电路完毕对水温的实时检测及显示,
14、运用DS18S20与单片机连接由软件与硬件电路配合来实现对加热电阻丝的实时控制及超过设定的上下限温度的报警系统。而炉内温度控制部分,采用一套PID闭环负反馈控制系统,由DS18S20检测炉内温度,用中值滤波的方法取一个值存入程序存取器内部一个单元作为最后检测信号,并在LED中显示。控制器是用89C51单片机,用PID算法对检测信号和设定值的差值进行调节后输出控制信号给执行机构,去调节电阻炉的加热功率,从而控制炉内温度。它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微解决器等优点,特别适合于构成多点的温度测控系统,可直接将温度转化成串行数字信号供微机解决,并且每片DS18S20都有唯一的产品号
15、,可以一并存入其ROM中,以便在构成大型温度测控系统时在单线上挂接任意多个DS18S20芯片。从DS18S20读出或写入DS18S20信息仅需要一根口线,其读写及其温度变换功率来源于数据总线,该总线自身也可以向所挂接的DS18S20供电,并且不需要额外电源。同时DS18S20能提供九位温度读数,它无需任何外围硬件即可方便地构成温度检测系统。并且运用本次的设计重要实现温度测试,温度显示,温度门限设定,超过设定的门限值时自动启动加热装置等功能。并且还要以单片机为主机,使温度传感器通过一根口线与单片机相连接,再加上温度控制部分和人机对话部分来共同实现温度的监测与控制。2用单片机实现其具体控制功能如下
16、:(1)可以连续测量水的温度值,用十进制数码管来显示水的实际温度。(2)可以设定水的温度值,设定范围是2080。(3)可以实现水温的自动控制,假如设定水温为75,则能使水温保持恒定在75的温度下运营。(4)用单片机AT89C51控制,通过按键来控制水温的设定值,数值采用数码管显示。(5)用测量控制水温精度为1 1.3设计的实现方案温度控制系统是比较常见和典型的过程控制系统。温度是工业生产过程中重要的被控参数之一,当今计算机控制技术在这方面的应用,已使温度控制系统达成自动化、智能化,比过去单纯采用电子线路进行PID调节的控制效果要好得多,可控性方面也有了很大的提高。温度是一个非线性的对象,具有大
17、惯性的特点,在低温段惯性较大,在高温段惯性较小。对于这种温控对象,一般认为其具有以下的传递函数形式: (1-1)1 方案一(见图1-1)图1-1 方案一的图此方案是传统的一位式模拟控制方案,选用模拟电路,用电位器设定值,反馈的温度值和设定值比较后,决定加热或不加热。其特点是电路简朴,易于实现,但是系统所得结果的精度不高并且调节动作频繁,系统静态差大、不稳定。系统受环境影响大,不能实现复杂的控制算法,不能用数码管显示,不能用键盘设定。2 方案二(见图1-2)图1-2 方案二的图此方案是传统的二位式模拟控制方案,其基本思想与方案一相同,但由于采用上下限比较电路,所以控制精度有所提高。这种方法还是模
18、拟控制方式,因此也不能实现复杂的控制算法使控制精度做得较高,并且不能用数码管显示,对键盘进行设定。3 方案三(见图1-3)图1-3 方案三的图此方案采用89C51单片机系统来实现。单片机软件编程灵活、自由度大,可用软件编程实现各种控制算法和逻辑控制。单片机系统可以用数码管来显示水温的实际值,能用键盘输入设定值。本方案选用了AT89C51芯片,不需要外扩展存储器,可使系统整体结构更为简朴。结论:前两种方案是传统的模拟控制方式,而模拟控制系统难以实现复杂的控制规律,控制方案的修改也较为繁琐。而方案三是采用以单片机为控制核心的控制系统,特别对温度控制,可达成模拟控制所达不到的效果,并且实现显示和键盘
19、设定功能,大大提高了系统的智能化。也使得系统所测得结果的精度大大提高。所以,通过对三种方案的比较,本次毕业设计采用了方案三。第2章 设计理论基础 本设计系统的基本组成单元涉及:主机、温度采样单元、单片机控制单元、调节执行单元四部分,本章将逐个进行介绍。2.1单片机的发展概况1970年微型计算机研制成功之后,随之即出现了单片机(即单片微型计算机) 美国Intel公司1971年生产的4位单片机4004和1972年生产的雏形8位单片机8008,这也算是单片机的第一次公众亮相。1976年Intel公司一方面推出能称为单片机的MCS-48系列单片微型计算机。它以体积小、功能全、价格低等特点,赢得了广泛的
20、应用,同时一些与单片机有关公司都争相推出各自的单片机。1978年下半年Motorola公司推出M6800系列单片机,Zilog公司相继推出Z8单片机系列。1980年Intel公司在MCS-48系列基础上又推出高性能的MCS-51系列单片机。这类单片机均带有串行I/O口,定期器/计数器为16位,片内存储容量(RAM,ROM)都相应增大,并有优先级中断解决功能,单片机的功能、寻址范围都比初期的扩大了,它们是当时单片机应用的主流产品。1982年Mostek公司和Intel公司先后又推出了性能更高的16位单片机MK68200和MCS-96系列,NS公司和NEC公司也分别在原有8位单片机的基础上推出了1
21、6位单片机HPC16040和PD783系列。1987年Intel公司又宣布了性能比8096高两倍的CMOS型80C196,1988年推出带EPROM的87C196单片机。由于16位单片机推出的时间较迟、价格昂贵、开发设备有限等多种因素,至今尚未得到广泛应用。而8位单片机已能满足大部分应用的需要,因此,在推出16位单片机的同时,高性能的新型8位单片机也不断问世。纵观这短短的2023,经历了4次更新换代,单片机正朝着集成化、多功能、多选择、高速度、低功耗、扩大存储容量和加强I/O功能及结构兼容的方向发展。新一代的80C51系列单片机除了上述的结构特性外,其最重要的技特点是向外部接口电路扩展,以实现
22、微控制器(microcontroller)完善的控制功能为己任。这一系列单片机为外部提供了相称完善的总线结构,为系统的扩展和配置打下了良好的基础。由于80C51系列单片机所具有的一系列优越的特点,获得广泛使用指日可待。下面我们就来重点介绍一下本毕业论文讨论的系统所用的AT89C51系列单片机。2.2 AT89C51系列单片机介绍2.2.1 AT89C51系列基本组成及特性AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory)的低电压,高性能CMOS8位微解决器,俗称单片机。而在众多
23、的51系列单片机中,要算 ATMEL 公司的AT89C51更实用,也是一种高效微控制器,由于它不仅和8051指令、管脚完全兼容,并且其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的,这种工艺的存储器,用户可以用电的方式达成瞬间擦除、改写。而这种单片机对开发设备的规定很低,开发时间也大大缩短。AT89C51基本功能描述如下:AT89C51是一种低损耗、高性能、CMOS八位微解决器,并且在其片种尚有4k字节的在线可反复编程快擦快写程序存储器,能反复写入/擦除1000次,数据保存时间为十年。它与MCS-51系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容,不仅可完全代替MCS-51系列单片机,并且能使系统具有许多MCS
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