【文章內(nèi)容簡介】 服溫度控制系統(tǒng)中存在的滯后現(xiàn)象 ,同時在很大程度的上 ,單片機(jī)的使用可以提高溫度的控制效果以及控制精度。在工業(yè)自動化控制中 ,溫度的控制一直都占有非常特殊的地位。比如說 :在正常的鋼鐵冶煉過程中 ,就要對剛出爐的鋼鐵進(jìn) 行特殊的熱處理后 ,才能達(dá)到要求的性能指標(biāo)。再比如說 ,在塑料的生產(chǎn)過程中 ,不同的生產(chǎn)工藝中也要求保持不同的溫度。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展 ,各個科研領(lǐng)域?qū)ψ詣涌刂葡到y(tǒng)的控制精度、響應(yīng)的速度、穩(wěn)定性與自適能力的要求也越來越高。而且 ,被控對象的非線性、時變性、多參數(shù)點的強(qiáng)烈耦合 ,或生產(chǎn)過程中偶爾的隨機(jī)擾動、現(xiàn)場測試手段不完善等各種不確定性的因素 ,都會使溫度控制難以達(dá)到一個理想的程度?，F(xiàn)代自動控制一直朝著智能化的方向發(fā)展 ,而且很多自動控制系統(tǒng)中都使用了工控機(jī) ,小型機(jī)、甚至是巨型處理機(jī)等等。這些處理機(jī)都有很多的共性 ,比如 說 :運行速度很高 ,內(nèi)存很大以及大量的數(shù)據(jù)存儲器。 有些小規(guī)模的系統(tǒng) ,處理機(jī)的 所用 成本 為 系統(tǒng)總成本的比例高達(dá) 20%多 ,因此 對于 這種 一些小型的系統(tǒng)來說 ,可以 不必要配置一個相對高速的處理機(jī) ,以節(jié)約經(jīng)濟(jì)支出 [4]。所以用成本低廉的單片機(jī)控制小型機(jī)是非常適合的。隨著電子技術(shù)的發(fā)展 ,單片機(jī)技術(shù)也得到了快速的發(fā)展 ,在集成度 ,速度 ,低功耗以及性能方面都有著顯著的改善。伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展 ,現(xiàn)在已經(jīng)可以完全運用單片機(jī)和電子溫度傳感器對某處進(jìn)行溫度檢測 ,并且還可以做到多點的溫度檢測 ,如果對此原理圖稍加改進(jìn) ,甚至可以進(jìn)行遠(yuǎn)程溫度監(jiān) 控 ,這將會具有更大的實用價值 [5]。 課題在國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r 目前，國內(nèi)外的各種溫度采集控制系統(tǒng)的技術(shù)已經(jīng)很成熟，在實際應(yīng)用中也非常普遍。基于應(yīng)用目的的不同，有各種類型的溫控系統(tǒng)，如：有基于微機(jī)的溫控系統(tǒng)、有基于 DSP 芯片的溫控系統(tǒng)、有基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng) [6]。雖然這些系統(tǒng)不盡相同，但它們的基本原理和完成的功能都大致一樣。首先，由溫度傳感器負(fù)責(zé)采集溫度，經(jīng)過信號放大、濾波等處理后進(jìn)行轉(zhuǎn)換，把溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；數(shù)字信號最后送入控制系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的處理和顯示，系統(tǒng)根據(jù)處理結(jié)果發(fā)出相應(yīng)的控制 信號。 加拿大的 CSI集團(tuán)公司根據(jù)聲學(xué)高溫測量原理研究開發(fā)出了名為 BOILERWATCH 的鍋爐膛溫度場實時監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以設(shè)計成測量 8條單一路線上的平均溫度或按陣列編排的多達(dá) 24 條路線來測量溫度的分布。 BOILERWATCH 測得的溫度數(shù)據(jù)值可以直接從輸入廠內(nèi)的分散控制系統(tǒng)（ DCS）、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（ DAS）或輸入計算機(jī)供數(shù)據(jù)顯示和提取。可通過 DCS 來向運行人員提供溫度 —時間曲線，或在一臺裝有 CSI 公司的 TMS—WIN 軟件的計算機(jī)屏幕上顯示出來，也可以通過 TMS—WIN 軟件令計算機(jī)畫出 空間溫度分安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 布形態(tài)或提供其它的數(shù)據(jù)顯示公式 [7]。 溫度測量技術(shù)：接觸式測溫、非接觸式測溫、輻射式測溫。溫度控制技術(shù)： 智能溫度控制 法、 PID 線性控溫法、 定值開關(guān)控制法 。本論文采用的是接觸式測溫，定值開關(guān)控制溫度法。主要目的是實現(xiàn)溫度的自動控制，保證水溫在所設(shè)定溫度范圍內(nèi)正常運作，此系統(tǒng)主要由溫度采集系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、報警系統(tǒng)、加熱控制單元、輸入設(shè)定等部分組成。通過以上系統(tǒng)能夠做到設(shè)置水溫范圍以及自動調(diào)節(jié)水溫。如果溫度在設(shè)定值范圍內(nèi)，則系統(tǒng)正常工作；如果低于設(shè)定的下限值，系統(tǒng)顯示低溫警報信號并保持加熱裝置為水箱加熱；如果超出溫度范圍上限值，系統(tǒng)發(fā)出高溫警報并控制系統(tǒng)負(fù)載停止工作。 課題研究的主要內(nèi)容 本設(shè)計的內(nèi)容是溫度測試控制，控制對象就是溫度。溫度控制在日常生活及工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用相當(dāng)廣泛，比如浴室、水池、電源等場所的溫度控制。而以往溫度控制 大多數(shù)是由人工完成的 ,但是對于溫度的檢測 卻 不夠重視， 以致于許多的 意外發(fā)生 都是由于對溫度的檢測的誤差所導(dǎo)致的 。本文將采用了單片機(jī)對溫度實現(xiàn)自動控制。 主要實現(xiàn)的功能有 :對 于 被 測 控對象的溫度進(jìn)行實時采集， 采用的方法 主要是通過一傳感器（ DS18B20）將溫度轉(zhuǎn)變模擬電信號 ,然 后 再將所得的模擬量轉(zhuǎn)變成數(shù)字量送入單片機(jī)（ AT89C51）中，最后 單片機(jī)將 傳感器所采集到的溫度和預(yù) 先設(shè)定 好 的溫度進(jìn)行 數(shù)值上的 對比，當(dāng) 對于 小于設(shè)定值時將發(fā)出信號 ,并 啟動加熱裝置；當(dāng)大于設(shè)定值時將關(guān)閉加熱裝置， 讓其自然冷卻 ,從而使得被控溫度控制在一定的范 圍之內(nèi) ,達(dá)到實時控制的功能。 通過一系列的對溫度的改變是其達(dá)到可以自動控制溫度，滿足該設(shè)計的要求。 田豐：基于單片機(jī)的溫度控制器的設(shè)計 4 第 2 章 溫度控制器的設(shè)計方案 系統(tǒng)整體方案和結(jié)構(gòu) 由于本課題主要要求的是，完成一種基于 51 單片機(jī)和 DS18B20 溫度 傳感器共同控制的一種 自 動控制系統(tǒng)， 具有溫度檢測、溫度范圍設(shè)置、溫度顯示、溫控控制信號輸出等功能。本文對于 溫度控制系統(tǒng)硬件部分的研究，按功能大致可以分為以下幾個部分：單片機(jī)主控模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、顯示電路、電源電路、聲光報警電路等。硬件總體結(jié)構(gòu)框圖如圖 21 所示。由結(jié)構(gòu)框圖可見，溫度控制系統(tǒng)是以單片機(jī)為控制的主機(jī)，主控模塊由擴(kuò)展外部存儲器構(gòu)成。被測對象的溫度，由 DS18B20 溫度傳感器檢測溫度。轉(zhuǎn)化的數(shù)字信號將 傳輸給 給單片機(jī) 讓其對其數(shù)值 進(jìn)行處理，一方面將測得的溫度 值通過控制面板上的 LCD 顯示器顯示出來；另一方面將該溫度值和設(shè)定的溫 度值相比較，根據(jù)其偏差值的大小 ,采用控制算法進(jìn)行運算，最后通過單片機(jī)的輸出管腳輸出控制信號 [8]。進(jìn)而對被測物體溫度進(jìn)行控制。如果實際測得的溫度值超過，或低于系統(tǒng)給定的極限安全溫度，保護(hù)電路會做出反應(yīng)，同時報警電路報警響起，從而保護(hù)被測對象。單片機(jī)快速、準(zhǔn)確的進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集、然后處理、顯示溫度和控制主要是時鐘電路，提供的時鐘頻率，使單片機(jī)能正常的處理許多任務(wù)。 其結(jié)構(gòu)方案圖如圖 21。 溫度控制器DS 18 B 20被測對象加熱制冷報警裝置繼電器單片機(jī)電源電路溫度設(shè)定顯示溫度 圖 21 結(jié)構(gòu)方案圖 系統(tǒng)方案的選擇與說明 主機(jī) 模塊 方案一： ARM 處理器為 RISC 芯片，是 32 位的微處理器。具有體積小、功耗低、高性能，安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 功能強(qiáng)大等特點，支持 16 位 32 位雙指令集，能很好的兼容 8 位 /16 位器件，共有 37 個寄存器，是目前應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)的主流處理器 [9]。因此，使用 ARM 處理器來作為本課題的主控制芯片是可行的，但是其成本相對較高。 方案二： 51 內(nèi)核單片機(jī)是典型的微控制器，其廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。目前應(yīng)用廣泛的單片機(jī)類型有 51 單片機(jī)、 AVR 單片機(jī)、 PIC 單片機(jī)等。其中 STC12C5A60S2 單片機(jī)屬于增強(qiáng)型單片機(jī)，具有高速，寬電壓，低功 耗，低成本 ,根據(jù)本課題的設(shè)計要求可知，使用51 單片機(jī)實現(xiàn)所有功能。 根據(jù)以上說明可知，方案一功能強(qiáng)大，但是由于成本相對較高，而方案二也可以實現(xiàn)課題所有要求，并且成本非常低。因此本課題決定采用方案二，單片機(jī) STC12C5A60S2單片機(jī)作為主機(jī)主控制芯片，而從機(jī)控制芯片則選擇成本更低的 AT89C51 單片機(jī)作為控制芯片。 顯示模塊 方案一： 1602 液晶也叫 1602 字符型液晶它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶，能夠同時顯示 32 個字符（ 16 列 2 行）。具有微功耗，體質(zhì)小，顯示內(nèi)容豐富，超 薄輕巧，成本低等特點?？梢允褂闷渥鳛楸菊n題的顯示模塊 。 方案二： LCD12864 是一種具有 4 位 /8 位并行， 2 線或 3 線串行多種接口方式，其中包含了國際一級，二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊，其分辨率為 128x64。使用該液晶可以在滿足要求的同時還可以顯示圖像文字 。并且具有操作簡單，低電壓低功耗，功能強(qiáng)大等特點。 根據(jù)以上說明可知，由于本課題需要測量顯示的數(shù)據(jù)較多，并且需要根據(jù)特定要求進(jìn)行人機(jī)交互設(shè)置操作，因此選擇方案二中的 LCD1602 作為主機(jī)模塊的液晶顯示模塊可以達(dá)到很好的顯示效果，且價格低廉 。 溫度測量 方案一： 使用熱敏電阻作為感溫器件。音位熱敏電阻為半導(dǎo)體材料，且為負(fù)溫度系數(shù)，即阻值隨溫度增加而降低。溫度變化則會造成大的阻值改變，因此本試驗中它是最靈敏的溫度傳感器。熱敏電阻具有靈敏度高，工作溫度范圍寬，體質(zhì)小使用方便等特點。但是由于熱敏電阻的線性度極差，不易控制，因此用來測量溫度的精度就相應(yīng)的降低了。 方案二： 使用 DS18B20 數(shù)字測溫傳感器作為測溫元件。它只用一條線進(jìn)行輸入輸出，因而與之接口的微處理器也只需要一條口線與之通信。它不需要任何外圍元件即可檢測溫度，并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量傳給 上位機(jī)（微處理器）。這種單線傳輸方式，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性，適合在惡劣環(huán)境的現(xiàn)場進(jìn)行溫度測量。并且由于 DS18B20 本身測溫系統(tǒng)簡單，測溫精度高，連續(xù)方便，占用口線少 ,測溫誤差小，分辨力高，抗干擾能力較強(qiáng)，能遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)，而且用戶可設(shè)定溫度上、下限，使其具有越限自動報警功能，并且自帶串行總線接口，適配各種微控制器，因此本次設(shè)計選用 DS18B20 作為測溫元件。 田豐：基于單片機(jī)的溫度控制器的設(shè)計 6 第 3 章 溫度控制器的硬件電路設(shè)計 51 單片機(jī)的介紹與選擇 51 單片機(jī)系列是將運算器、控制器、存儲器和各種輸入／輸出接口等計算機(jī)的主要部件集成在一塊芯片上，使其具備其全部功能，這樣就能得到一個單芯片的微型計算機(jī)。它雖然只是一個單個芯片，但它的組成和功能上已經(jīng)具有了計算機(jī)系統(tǒng)的特點，因此稱之為單片微型計算機(jī) (SingleChipMicroputer)，簡稱單片機(jī)。又因為其體積小、功耗低、價格低廉、抗干擾能力強(qiáng)且可靠性高，特別適合應(yīng)用于工業(yè)過程控制、智能儀器儀表和測控系統(tǒng)的前端裝置。因此本次畢業(yè)設(shè)計所采用的是 AT89C51。以下簡述本次畢業(yè)設(shè)計所用到的與其相關(guān)的知識 [10]。 主要特性： （ 1）與 MCS51 兼容 ， （ 2） 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲器，壽命為 1000 次寫 /擦循環(huán)，數(shù)據(jù)可保留時間為10 年 ， （ 3） 全靜態(tài)工作： 0Hz24Hz ， （ 4） 三級程序存儲器鎖定 ， （ 5） 128X8 位內(nèi)部 RAM ， （ 6） 4 個 I/O 端 口，共 32 根可編程口線 ， （ 7） 兩個 16 位定時器 /計數(shù)器 ， （ 8） 5 個中斷源 ， （ 9） 可編程串行通道 ， （ 10） 低功耗的閑置和掉電模式 ， （ 11）片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 ， 管腳說明： AT89C51 的管腳布置如圖 32 所示 VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0： P0 口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口 ，每腳可吸收 8TTL 門電流。當(dāng) P1 口的管腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的低八位。在 FIASH 編程時， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH 進(jìn)行校驗時， P0 輸出原碼，此時 P0 外部必須被拉高。 P1： P1 口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸出4TTL 門電流。 P1 口管腳寫入后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1 口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗時， P1 口作為低八位地址接收。 P2： P2 口為一個內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出 4 個TTL 門電流，當(dāng) P2 口被寫 “1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P2 口當(dāng)用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時， P2 口輸出地址的高八位。在給出地址 “1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 P2 在 FLASH 編程和校 驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3： P3 口管腳是 8 個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個 TTL 門電安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 流。當(dāng) P3 口寫入 “1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3 口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故。 P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，如下所示 :P3 口管腳備選功能 RXD（串行輸入口） ； TXD（串行輸出口） ； /INT0（外部中斷 0） ； /INT1（外部中斷 1） ； T0（記時器 0 外部輸入） ； T1（記時器 1 外部輸入） ； /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） ； /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） ； P3 同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。 RST：復(fù)位輸入 端， 當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持 RST 腳兩個機(jī)器周期的高電平時間。 ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存