MCS-51单片机温度控制系统设计.doc
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1、本科毕业设计说明书 第 1 页 共 44 页 毕业设计说明书 MCS-51 单片机温度控制系统 作作 者者: 学学 号:号: 学院学院(系系): 专专 业业: 指导教师:指导教师: 评评 阅阅 人:人: 本科毕业设计说明书 第 2 页 共 44 页 1 引言引言.3 1.1 课题研究的目和意义3 1.2 温度控制系统的国内外现状3 1.3 温度控制系统方案4 1.4 论文的主要任务和所做的工作5 2 单片机温度控制系统总体设计及原理单片机温度控制系统总体设计及原理.6 2.1 系统的主要功能 6 2.2 系统的工作原理 6 2.3 系统的主要技术指标7 2.4 系统的总体结构7 3 温度控制系
2、统的硬件设计温度控制系统的硬件设计.8 3.1 温度测量放大电路 8 3.1.1 温度传感器的选择及基本工作原理.8 3.1.2 放大电路的设计.9 3.2 主要的接口电路 10 3.2.1 模数转换电路.10 3.2.2 键盘接口和数码显示.11 3.2.3 程序存储器和并行接口的扩展及报警电路 .12 3.2.4 温度控制电路.15 4 温度控制系统的软件设计温度控制系统的软件设计.18 4.1 主程序设计及中断服务程序设计18 4.1.1 温度控制主程序流程简图 .18 4.1.2 中断服务程序设计.19 4.2 温度控制程序子程序21 4.2.1 键盘扫描和温度显示程序设计.21 4.
3、2.2 炉温采样、数字滤波程序设计.23 4.2.3 温度标度转换算法 .26 4.3 PID 控制算法.28 4.3.1 PID 算法基本原理28 4.3.2 PID 算法及子程序30 5 结论与展望结论与展望.32 附录附录 B:键盘:键盘/LED 接口图接口图.34 附录附录 C:系统源程序:系统源程序.35 参参 考考 文文 献献.44 致致 谢谢.46 本科毕业设计说明书 第 3 页 共 44 页 MCS-51 单片机温度控制系统单片机温度控制系统 摘 要 单片机在检测和控制系统中得到了广泛的应用,温度是一个系统经常需要测 量、控制和保持的量,而温度是一个模拟量,不能直接与单片机交换
4、信息,采用 适当的技术将模拟的温度量转化为数字量在原理上虽然不困难但成本较高,还会 遇到其它方面的问题。因此对单片机温度控制系统的研究有重要目的和意义。 本文主要介绍了以 MCS-51 系列单片机 8031、AD574、8155、可控硅、LM311 等芯片组成的温度检测电路,模/数转换电路,键盘/LED 显示电路,报警电路,信 号放大电路;在描述了外围硬件电路的同时,还做了大量的软件工作,包括数据 处理软件,PID 控制算法。 本设计有效的提高了控制系统的实时性和控制精度大大改善了炉温控制的自 动化程度,具有较高的实用价值。 关键词:单片机,PID 算法 ,温度采样,温度控制 本科毕业设计说明
5、书 第 4 页 共 44 页 MCS-51 SINGLE-CHIP TEMPERATURE CONTROL SYSTEM Abstract The single chip microcomputer is required extensively in measurement and control systems, and the temperature need to be surveyed, controlled and maintained by a system frequently. But the temperature is an analog, can not exchang
6、e information with the single chip directly. In principle, it is not difficult to transform the simulated temperature into the digital quantity, if adopting Proper technique .But gets the electric circuit more complex, the lost is more expensive, and other questions can be met. So it is very importa
7、nt for research of single chip temperature control. This article mainly introduced 8031 of series MCS- 51、ADC0809、8155、LM311、controllable silicon, which composed temperature measurement and control circuit、A/D transfer circuit、keyboard/LED display、signal magnifying circuit alarming circuit; Some imp
8、ortant techniques in a design scheme of the software of the temperature by single-chip Microcomputer are introduced also, such as date processing software, control algorithms software. This system enhances real-time character of control system and control precision effectively, improves the automati
9、c degree of furnace temperature and higher practice value Key words: Single-chip Microcomputer, PID algorithm, Temperature sampling, Temperature control 本科毕业设计说明书 第 5 页 共 44 页 1 引言引言 1.11.1 课题研究的目和意义课题研究的目和意义 在现代化的工业生产中,电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都 是常用的主要被控参数。例如:在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、 机械制造和食品加工等诸多领域中,人们都需要
10、对各类加热炉、热处理炉、反应 炉和锅炉中的温度进行检测和控制。采用 MCS-51 单片机来对温度进行控制,不仅 具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点,而且可以大幅度提高被控温度的技 术指标,从而能够大大提高产品的质量和数量。单片机以其功能强、体积小、可 靠性高、造价低和开发周期短等优点,为自动化和各个测控领域中广泛应用的器 件,在工业生产中称为必不可少的器件,尤其是在日常生活中发挥的作用也越来 越大。因此,单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题。 本论文以上述问题为出发点,设计实现了温度实时测量、显示、控制系统。 本设计方案具有较高的测量精度,更加适合对温度精度要求较高的化工
11、生产、电 力工程等行业,并希望通过本设计得到举一反三和触类旁通的效果。 1.21.2 温度控制系统的国内外现状温度控制系统的国内外现状 通过网上查询、翻阅图书了解到目前国内外市场以单片机为核心的温度控制 系统很多,而且方案灵活,且应用面比较广,可用于工业上的加热炉、热处理炉、 反应炉,在生活当中的应用也比较广泛,如热水器,室温控制,农业中的大棚温 度控制。以上出现的温度控制系统产品,根据其系统组成、使用技术、功能特点、 技术指标。选出其中具有代表性的几种如下: 1 虚拟仪器温室大棚温度测控系统 在农业应用方面虚拟仪器温室大棚温度测控系统是一种比较智能,经济的方 案,适于大力推广,改系统能够对大
12、棚内的温度进行采集,然后再进行比较,通 过比较对大棚内的温度是否超过温度限制进行分析,如果超过温度限制,温度报 警系统将进行报警,来通知管理人员大棚内的温度超过限制,大棚内的温控系统 出现故障,从而有利于农作物的生长,提高产量。本系统最大的优点是在一台电 脑上可以监测到多个大棚内的温度情况,从而进行控制。该系统 LabVIEW 虚拟仪 本科毕业设计说明书 第 6 页 共 44 页 器编程,通过对前面板的设置来显示温室大棚内的温度,并进行报警,进而对大 棚内温度进行控制。该系统有单片机,温度传感器,串口通信,和计算机组成。 计算机主要是进行编程,对温度进行显示、报警和控制等;温度传感器是对大棚
13、内温度进行测量,显示;单片机是对温度传感器进行编程,去读温度传感器的温 度值,并把半温度值通过串口通信送入计算机;串口通信作用是把单片机送来的 数据送到计算机里,起到传输作用。 2 电烤箱温度控制系统 该方案采用美国 TI 公司生产的 FLASH 型超低功耗 16 位单片机 MSP430F123 为 核心器件,通过热电偶检测系统温度,用集成温度传感器 AD590 作为温度测量器 件利用该芯片内置的比较器完成高精度 AD 信号采样,根据温度的变化情况,通过 单片机编写闭环算法,从而成功地实现了对温度的测量和自动控制功能。其测温 范围较低,大概在 0-250 之间,具有精度高,相应速度快等特点。
14、3 小型热水锅炉温度控制系统 该设计解决了北方冬季分散取暖采用人工定时烧水供热,耗煤量大,浪费人 力,温度变化大的问题。设计方案硬件方面采用 MCS-51 系列 8031 单片机为核心, 扩展程序存储器 2732,AD590 温度检测元件测量环境温度和供水温度,ADC0809 进行模数转换,同向驱动器 7407、光电耦合器及 9103 的功放完成对电机的控制。 软件方面建立了供暖系统的控制系统数学模型。本系统硬件电路简单,软件程序易 于实现。它可用于一台或多台小型取暖热水锅炉的温度控制,可使居室温度基本恒 定,节煤,节电,省人力。 1.31.3 温度控制系统方温度控制系统方案案 结合本设计的要
15、求和技术指标,通过对系统大致程序量的估计和系统工作速 度的估计以及 I/O 口需求量的估计,考虑价格因素。选定 8031 单片机作为系统的 主要控制芯片,外围扩展并行接口 8155,程序存储器 EPROM2732,12 位模数转 换器 AD574,采用镍铬/镍硅热电偶进行温度检测其测温范围为 0-1000,外接指 示灯作为报警电路,8031 对温度的控制是通过双向可控硅实现的。双向可控硅管 和加热丝串接在交流 220V、50Hz 市电回路。在给定周期 T 内,8031 只要改变可 控硅管的接通时间即可改变加热丝的功率,以达到调节温度的目的。 本科毕业设计说明书 第 7 页 共 44 页 1.4
16、1.4 论文的主要任务和所做的工作论文的主要任务和所做的工作 本论文主要是完成一种低成本、低价格、功能齐全、及温度测量、温度显示、 温度控制于一体的单片机温度控制系统的理论设计。包括硬件电路和主要的控制 算法。 研究的关键问题是:炉温的精确测量;双向可控硅控制的温度控制电路设计; 温度控制算法的选择,本设计采用 PID 控制算法;以及温度标度转换、数字滤波 炉温采样等软件设计。 根据本设计所要完成的任务本论文完成了如下工作: 1 介绍了研究和设计的背景和意义,调查并综述了当前温度控系统市场的国内外 现状, 2 提出了符合设计要求的高精度温度控制系统方案,并阐述了其工作原理。 3 完成了硬件电路
17、的设计,它包括温度检测放大传送电路;包含 MCS-51 系列单 片机 8031,外围扩展并行接口 8155,程序存储扩展 2732,模数转换器 AD574 等芯片的接口电路;通过双向可控硅管实现的温度控制电路;键盘接口和 LED 显示电路,以及实时报警电路。 4 基本完成了软件部分设计,它包括键盘扫描、温度控制显示,炉温采样、数字 滤波,数据处理,越限报警处理,PID 计算、温度标度转换等的算法。 本科毕业设计说明书 第 8 页 共 44 页 2 单片机温度控制系统总体设计及原理单片机温度控制系统总体设计及原理 2.12.1 系统的主要功能系统的主要功能 (1)对炉温的温度检测和升温、恒温控制
18、。 (2)显示检测温度值。 (3)当超越上限或下限时自动报警。 (4)设定和修改要保持的温度值。 2.22.2 系统的工作原理系统的工作原理 在温控系统中,需要将温度的变化转换为对应的电信号的变化,由于热电偶 的结构简单制造容易,测量范围广,在高温测量中有较高的精度,所以选用镍铬/ 镍硅热电偶做热电传感器,测温范围 0-1000,最高可测量 1300。 热电偶把测量的炉温温度信号转换成弱电压信号,经过信号放大电路,放大 后的信号输人到 A/D 转换器(AD574 )转换成数字信号输人主机(单片机 8031),并 送往外接显示电路,主机对电炉温度和设定温度进行比较后如果越限,则软件触 发用 80
19、31 的 P1 口控制报警系统输出控制脉冲,该控制脉冲与单稳态同步触发器 输出的同步脉冲送人控制门(与非门),门电路信号输人光偶管转换成电流信号,经 过三级放大电路输人可控硅的门极,可控硅导通由程序控制同步触发脉冲的来临 时间,从而控制可控硅的通断时间,以达到对电炉加热丝温度的调节和功率的改 变,实现对电炉的恒温和升温控制。 工作流程说明如下: 开始,先接通电源,然后将开关打到开的位置,六段数码管显示器就自动显 示出当前温度,并且显示出设置温度的缺省值 000000。此时继电器不工作。 按下 F1 按键,温度控制系统进入温度控制点的设制。 这个时候,显示设置温度的数码管闪烁。 此时可以通过键盘
20、输入预设置的温 度。当按下“确定”按键的时候,单片机就会根据所写入的程序,对系统进行控 制。 当设置的温度高于当前的温度时,单片机通过可控硅控制极上触发脉冲控制 加热电路连通。温度慢慢升高。 本科毕业设计说明书 第 9 页 共 44 页 当设置的温度低于当前的温度时,单片机通过可控硅控制极上触发脉冲控制 加热电路断开。温度慢慢下降。 就这样通过温度芯片的反馈信息,实现水的温度保持在设置温度上,从而达 到自动控制温度的功能。 2.32.3 系统的主要技术指标系统的主要技术指标 测温范围 :0-1000 温度分辨率:0.5V LED 显示位数:6 2.42.4 系统的总体结构系统的总体结构 系统的
21、硬件电路有温度检测、信号放大、A/D 转换、键盘接口、LED 显示、单 稳态触发电路、可控硅控制电路等部分组成,系统结构图见图 1.1 炉温采样 点 温度传感器滤波信号 放大 AD 转换 单 片 机 系 统 (8031) 双向可控 硅 光耦驱动 过零脉冲提 取计时 电炉 220V LED 显 示 键盘 图 2.1 系统框图 本科毕业设计说明书 第 10 页 共 44 页 3 温度控制系统的硬件设计温度控制系统的硬件设计 3.13.1温度测量放大电路温度测量放大电路 3.1.1 温度传感器的选择及基本工作原理 测量温度的方法虽然很多,但从感受温度的途径来分,不外两大类:一类是接触 式的,即通过测
22、温元件与被测物体的接触而感知物体的温度;另一类是非接触的,即 通过接收被测物体发出的辐射热来判断温度。由于本系统测量的温度值在:0 1000,所以最常用的最经济的方法是用热电偶来测量。 当两种不同的导体或半导体连接成闭合回路时,若两个接点温度不同,回路 间就会出现热电动势,并产生电流。从物理上看,这一热电势主要是由接触电势 组成的。当两种不同导体 J、B 接触时,由于两边的自由电子密度的不同,在交界 面上产生电子的相互扩散。若 J 中自由电子密度大扩散的多,使 J 失去较多的电 子而带正电荷,相反,B 带负电荷。致使在盘 J、B 接触处产生电场,以阻碍电子 的进一步积累,最后达到平衡。在 J、
23、B 两导体间的电位差称为接触热电势。 电炉常用热电偶的材料要求: 1耐高温-热电偶的测温范围主要取决于热电极的高温性能,也就是说,在高温 介质中,热电极的物理化学性能越稳定,则由它组成的热电偶的测温范围就越宽。 2灵敏度高,线性好-要求电偶所产生的温差热电势足够大,并与温度呈线性关 系; 3要求热电有为材料除能满足上述几点要求外,并希望它的电阻系数和电阻温度 系数尽可能地小,且其价格便宜、货源充足。 热电偶型号比较多,不同的型号有不同的测温区,对于本系统镍铬镍硅热 电偶其分度号为 K,正极成分是 910铬、0.4硅,其余为镍,负极成分 为 2.53硅,0.6铬,其余为镍。这类热电偶的优点是有较
24、强的抗氧化性 和抗腐蚀性,其化学稳定性好,热电势较大,热电势与温度间的线性关系好,其 热电极材料的价格便宜,可在 1000以下长期连续使用,短期测温可达 1300。 最高温度 1300,所以镍铬-镍硅热电偶就可以了。 市场上卖的热电偶一般都集成温度补偿电路,理论上应使冷端温度为基点即 本科毕业设计说明书 第 11 页 共 44 页 0,而实际上冷端通常为室温,如果不带可利用 PN 结结电压随温度上升而线形 下降的特性来进行补偿,或设置恒温槽。 3.1.2 放大电路的设计 0-1000的温度对应 0mV41.3mV ,热电偶出来的 mV 电压,大概热端变化 一度,热电耦有 40 微伏的电位差输出
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