基于單片機的溫度采集控制系統(tǒng).doc

畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙第1頁共55頁摘要現(xiàn)今，自動控制技術(shù)尤其是溫度控制技術(shù)在國內(nèi)外得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。時滯效應(yīng)始終困擾著其實際應(yīng)用，為此人們發(fā)明了多種控制方法來解決時滯問題，例如比例控制方式、DDC控制方式，本文將針對一種溫度控制方式進行學習，并設(shè)計一個以8051單片機為核心、利用新型集成化智能1-Wire總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20實現(xiàn)的溫度采集控制系統(tǒng)，同時還闡述了直接數(shù)字控制（DDC）中的最少拍控制算法。本設(shè)計采用以8位8051單片機作為系統(tǒng)的CPU。使用電加熱器升溫，直流電機風扇降溫，配合鍵盤輸入，液晶顯示器顯示。具有硬件結(jié)構(gòu)簡單、人機界面友善、管理功能健全、系統(tǒng)可靠性高、記錄數(shù)據(jù)準確、使用維護方便等優(yōu)點。本系統(tǒng)按照模塊化程序設(shè)計思想，完成了對系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計，給出了各個功能模塊的設(shè)計思想和流程圖。溫度采集控制控制系統(tǒng)不但能夠準確地進行溫度數(shù)據(jù)的采樣轉(zhuǎn)換，穩(wěn)定進行升溫、降溫、恒溫的控制過程，而且可以記錄溫度時間對應(yīng)關(guān)系，并以現(xiàn)今廣泛使用的液晶顯示器作為輸出設(shè)備，使數(shù)據(jù)讀取更加直觀?，F(xiàn)場實驗表明，該系統(tǒng)在測試過程中工作穩(wěn)定，滿足設(shè)計要求。在系統(tǒng)設(shè)計過程中利用WAVE仿真器通過實驗機配套的串行通訊電纜，將電纜的一端與實際機相連，另一端與PC機的串行口相連，構(gòu)成一個8051單片機在線仿真調(diào)試系統(tǒng)，完成了本系統(tǒng)軟硬件的開發(fā)調(diào)試。關(guān)鍵字：溫度采集控制系統(tǒng)；單片機；DS18B20；DDC畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙第2頁共55頁AbstractNowadays,theautomaticcontroltechniqueisatemperatureparticularlycontrolstechniqueatdomesticandinternationalgettheextensiveapplicationwithdevelop.Timepostponeeffectperplexalwaysinfactontheoccasionofapplied,forthispersoninventsvariouscontrolsmethodtoresolvetheproblemofTimepostpone.Thispaperintroducesadesignoftemperaturedataacquisitionsystembasedonsingle-chip8051.Thesystemcollectstemperaturedatathrough1-WireDigitalThermometerDS18B20,andthecontrolalgorithmoffuzzyadjustmentofDDCparametersispresented.Thetemperaturedataacquisitionandcontrolsystemadoptionwith88051singleamachineforsystemCPU.Theusageelectricityheatingapparatusheats,thedirectcurrentelectricalengineeringfanreducestheheat,matchingwiththekeyboardimportation,displayswiththeLCD.Ithassimplestructure,highsystemreliability,andthedatarecordedarereliableandtheoperationandmaintenanceareconvenient.Thissystemaccordingtomoldadesignforturningproceduredesigntoughing,completingtosystemsoftwarepartofdesigns,givingeachfunctionmoldpiecethoughtwithflowchart.Afunctiontemperaturecontrolsystemcanproceedaccuratelythedataadoptsthekindconverts,stabilizingtheproceedingheat,reducetheheat,thecontrolprocessoftheconstanttemperature,andcansatisfycompletelytotherequestofthesystemaccuracy.andcanshowthemtotheoperatorsbythewayoftheLiquidCrystalDisplay.ThissystemusedthepresenttheusagetheLCDandactionsoutputequipments,makedatakepttheviewmore.Theresultsoftheexperimentsshowthatthesystemworksstablyandmeetstheexpecteddesignrequirements.MakeuseofinsystemdesignprocesstheWAVEimitatethetruemachinepassesacommunicationelectriccablethatexperimentthemachinekit,willtheelectriccableofoncarryingtoconnectwitheachotherwithactualonboard,anotheroncarryingtoadjusttotrywiththemachineofPCahardwareforconnectingwitheachother,constitutingfirst8051singleamachineson-lineimitatingreallyadjustingtryingsystem,completingthissystemwiththedevelopmentofthesoftware.Keywords:temperaturedataacquisitionandcontrolsystem；single-chip；DS18B20；DDC畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙第3頁共55頁目錄引言11緒論31.1課題背景31.2立題的目的和意義31.3溫度采集控制系統(tǒng)的預(yù)期功能和基本原理31.4本系統(tǒng)主要研究內(nèi)容42溫度采集控制系統(tǒng)總體分析與設(shè)計52.1溫度采集控制系統(tǒng)的組成和工作原理52.2溫度采集轉(zhuǎn)換系統(tǒng)62.3升降溫控制系統(tǒng)系統(tǒng)72.4鍵盤顯示系統(tǒng)92.5報警系統(tǒng)92.6電源系統(tǒng)102.7硬件電路設(shè)計102.7.1系統(tǒng)硬件配置102.7.2主要元件簡介103軟件系統(tǒng)設(shè)計223.1軟件總體設(shè)計223.2系統(tǒng)初始化函數(shù)233.3控制函數(shù)233.4鍵盤顯示函數(shù)243.5降溫函數(shù)243.6曲線算法253.采樣263.時間函數(shù)274調(diào)試與運行284.1WAVE仿真器調(diào)試軟件284.2功能模塊的調(diào)試294.3綜合測試30結(jié)論31致謝32畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙第4頁共55頁參考文獻33附錄一系統(tǒng)電路原理圖34附錄二系統(tǒng)PCB圖35附錄三系統(tǒng)源程序36畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙第5頁共55頁引言溫度是一個很重要的基本物理量，自然界中任何物理、化學過程都緊密地與溫度相聯(lián)系，在許多生產(chǎn)過程中，溫度測量和控制都直接和安全生產(chǎn)、保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、節(jié)約能源等重大經(jīng)濟技術(shù)指標相聯(lián)系，因此溫度測控技術(shù)在國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域中都受到了相當?shù)闹匾?。對于不同生產(chǎn)情況和工藝要求下的溫度控制，所采用的加熱方式，燃料，控制方案也有所不同。例如冶金、機械、食品、化工等各類工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐等；燃料有煤氣、天然氣、油、電等；控制方案有直接數(shù)字控制（DDC），推斷控制，預(yù)測控制，模糊控制（Fuzzy），專家控制(ExpertControl)，魯棒控制（RobustControl），推理控制等。溫度的測控技術(shù)已由模擬測控技術(shù)逐漸讓位與以單片機為主的微處理器測控技術(shù)，形成數(shù)字與模擬混合的測控系統(tǒng)和純數(shù)字測控系統(tǒng)的應(yīng)用，并正向全數(shù)字測控方向快速發(fā)展。單片機是在一塊硅片上集成了各種部件的微型計算機，這些部件包括中央處理器CPU、數(shù)據(jù)存儲器RAM、程序存儲器ROM、定時器/計數(shù)器和多種I/O接口電路。用單片機取代模擬電路作為溫度的測量控制器有如下優(yōu)點：（1）可靠性高。芯片本身是按工業(yè)測控環(huán)境要求設(shè)計的，其工業(yè)抗干擾能力優(yōu)于一般的通用CPU，且程序指令、系統(tǒng)常數(shù)均固化在ROM中，不易破壞，硬集成度高，使系統(tǒng)整體可靠性大大提高。（2）易于擴展。單片機內(nèi)具有計算機正常運行所必需的部件，芯片外部有許多供擴展用三總線及并行、串行管腳，很容易構(gòu)成各種規(guī)模的計算機應(yīng)用系統(tǒng)。（3）控制能力強。為滿足工業(yè)控制要求，單片機的指令系統(tǒng)均有極為豐富的條件分支轉(zhuǎn)移指令、I/O端口的邏輯操作以及位處理能力。（4）體積小。由于單片機的高集成度，整個電路系統(tǒng)的體積有得到大幅度縮小，使便攜式儀器的制造成為可能。要想構(gòu)成一個先進的溫度測控系統(tǒng)，除了采用單片機作為其控制器外，性能優(yōu)良的溫度傳感器也是必不可少的。智能溫度傳感器是在模擬集成溫度傳感器/控制器的基礎(chǔ)上發(fā)展而成的第三代溫度控制器，它將溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、寄存器、接口電路集成在一個芯片中，有的還包含中央處理器（CPU）、只讀存儲器（ROM）、隨機存儲器（RAM或SRAM）、實時日歷時鐘以及溫度控制與報警電路等。其主要優(yōu)點是：數(shù)字化輸出、測試及控制能力強、傳輸距離遠、抗干擾能力強、微型化、微功耗、易于配微控制器（MCU）或微型計算機進行數(shù)據(jù)處理或溫度控制。本系統(tǒng)緊跟當今傳感器的發(fā)展潮流，選用美國DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的DS18B20型單線智能溫度傳感器作為溫度采集控制部件以實現(xiàn)更高的系統(tǒng)指標。畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙第6頁共55頁本設(shè)計的控制對象為一恒溫裝置，輸入為加在升降溫裝置兩端的電壓，輸出為恒溫裝置的溫度。輸入和輸出的傳遞函數(shù)為：G(s)=2/(s(s+1)。控溫范圍為-55+125，所采用的控制方案為直接數(shù)字控制（DDC）中的最少拍控制。本設(shè)計采用總線技術(shù)和模塊化結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了由MCS51單片機和DS18B20型單線智能溫度傳感器組成的智能溫度測控系統(tǒng)，甩掉了傳感器變送器A/D轉(zhuǎn)換器單片機的傳統(tǒng)模式，大大減少了電路中元器件和I/O連線，創(chuàng)建了一種新型的高穩(wěn)定可靠溫度測控系統(tǒng)。通過P3.2口，單片機與溫度傳感器可互發(fā)信息，從而共同進行相應(yīng)的信息處理。在配套程序的驅(qū)動下，單片機端設(shè)置并發(fā)送上限溫度HT和下限溫度LT給溫度傳感器，同時讀取溫度傳感器發(fā)來的當前溫度CT，進行相應(yīng)顯示及處理。當CT超過HT，將點亮紅色LED并驅(qū)動制冷控制所對應(yīng)的繼電器，從而進行報警提示及制冷控制。當CT低于LT，溫度控制器將點亮藍色LED并驅(qū)動加熱控制所對應(yīng)的繼電器，從而進行報警提示及加熱控制。除了上述可以將現(xiàn)場溫度維持在上限溫度和下限溫度之間的一定范圍內(nèi)外，當設(shè)置的上限溫度HT和下限溫度LT為同一溫度值時，溫度測控系統(tǒng)將使現(xiàn)場溫度保持在相應(yīng)的恒溫狀態(tài)。溫度控制器的LCD將顯示時間、當前溫度、上限溫度和下限溫度。畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙第7頁共55頁1緒論1.1課題背景溫度控制是自動控制經(jīng)常討論的課題之一，它代表了一類自動控制的方法。而且其應(yīng)用十分廣泛，可以說在生產(chǎn)生活中無處不在，例如鍋爐、電冰箱等。而由溫度控制帶來的時滯效應(yīng)難題始終困擾著實際應(yīng)用。隨著科學技術(shù)的高速發(fā)展，溫度控制技術(shù)得到了很大的進步，其應(yīng)用的領(lǐng)域也不斷的擴大。本文將使用8051型單片機對溫度控制的基本原理實例化，設(shè)計一個帶有多功能的、能夠減小時滯效應(yīng)的溫度采集控制系統(tǒng)。目的是利用畢業(yè)設(shè)計的這段時間學習一種利用8051型單片機進行溫度采集控制的方法。1.2立題的目的和意義8051型單片機是常用的控制芯片，在智能儀器儀、工業(yè)檢測控制、機電一體化等方面取得了令人矚目的成果，用其作為溫度采集控制系統(tǒng)的實例也很多。使用8051單片機能夠?qū)崿F(xiàn)溫度全程的自動控制，而且8051單片機易于學習、掌握，性能價格比高。使用8051型單片機設(shè)計溫度采集控制系統(tǒng)，可以即時、精確的反映溫度變化。完成諸如升溫到特定溫度、降溫到特定溫度、在溫度點保持恒溫等多種控制方式，可以應(yīng)用到空調(diào)、鍋爐、電熱器一類的設(shè)備上。1.3溫度控制系統(tǒng)的預(yù)期功能和基本原理多功能溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計初衷是滿足實際生產(chǎn)中溫度控制的需要。為此本系統(tǒng)針對實際應(yīng)用開發(fā)了兩種溫度控制的模式。第一種控制模式類似于空調(diào)，鍋爐等需要保持在一定區(qū)間內(nèi)恒溫的設(shè)備，他們都需要有加溫或降溫功能，有的當溫度超過一定上限時會報警。本系統(tǒng)中把這種工作模式命名為Control模式，簡寫為C模式。系統(tǒng)工作在這種模式下時，首先系統(tǒng)會提示用戶輸入溫度的上限與下限的溫度值。然后根據(jù)實際溫度的情況決定采取那些方案。如下圖131所示：用戶設(shè)定的下限溫度用戶設(shè)定的下限溫度當前實際溫度畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙第8頁共55頁圖131第一種控制模式示意圖該時刻的實際溫度低于用戶設(shè)定的下限溫度，所以此時刻系統(tǒng)正處于升溫狀態(tài)，直到實際溫度到達上限溫度值，系統(tǒng)才停止升溫。反之，如果實際溫度高于用戶設(shè)定的下限值時，系統(tǒng)處于降溫狀態(tài)。當實際溫度超過用戶設(shè)定的上、下限溫度時，系統(tǒng)還會通過聲音、警報燈來報警，同時啟動相應(yīng)的降升溫措施。第二種模式在日常生產(chǎn)中是十分普遍的，例如鑄造模具、熱時效處理等都需要完成“升溫恒溫降溫”反復(fù)的過程。本系統(tǒng)模擬了熱時效的處理過程，采用“升溫恒溫升溫恒溫降溫恒溫降溫”的梯形曲線過程，如下圖132所示的：溫度時間秒圖132圖131第二種控制模式示意圖這種模式對溫度控制的要求比較高，技術(shù)指標也很多，例如必須保持采樣時間有單位并且均勻、升溫降溫的過程要穩(wěn)定、迅速等。常用的溫度控制算法都采用PID算法。本設(shè)計從成本、設(shè)計復(fù)雜度、實用性及開發(fā)時間諸多因素的考慮采用了DDC算法，主要體現(xiàn)在升降溫過程中。系統(tǒng)為典型的反饋式溫度控制系統(tǒng)，組成部分見圖133。其中數(shù)字控制器的功能由8051單片機實現(xiàn)。圖133溫度控制系統(tǒng)組成框圖1.4本系統(tǒng)主要研究內(nèi)容本系統(tǒng)所要完成的任務(wù)是：（1）能夠?qū)崟r、準確的采樣溫度值。（2）能夠以DDC控制方式，進行升溫、降溫過程。（3）完成溫度梯形曲線的變化過程。（4）更加人性化的設(shè)計。上、下界限溫度能夠用戶輸入并顯示，聲音、警報燈的畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙第9頁共55頁報警功能等。2.多功溫度控制系統(tǒng)總體分析與設(shè)計2.1溫度控制系統(tǒng)的組成和工作原理多功能溫度控