毕业设计(论文)-基于AT89C52单片机的温度智能控制系统.doc
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1、 西安航空职业技术学院 温度控制系统目 录1 绪论11.1 选题背景11.2 温度测控技术的发展与现状11.2.1 定值开关控温法21.2.2 PID线性控温法21.2.3 智能温度控制法31.3 系统总体设计方案31.3.1 系统性能要求及特点31.3.2 系统硬件方案分析41.3.3 系统软件方案分析51.4 本文主要工作52 主要器件介绍72.1 DS18B20温度传感器72.2 AT89C52 简介92.2.1 AT89C52功能特性102.3 数码管介绍122.3.1 LED数码管122.3.2 数码管显示控制122.3.3 数码管字型编码132.3.4 数码管显示方法133 硬件电
2、路的设计153.1 系统电路的设计153.2 电路设计153.2.1 设计原则153.2.2 引脚连接173.3 软件流程图174 调试及性能分析195 使用说明和元件清单20参考文献21附录221 绪论1.1 选题背景温度是生活及生产中最基本的物理量,它表征的是物体的冷热程度。自然界中任何物理、化学过程都紧密的与温度相联系。在很多生产过程中,温度的测量和控制都直接和安全生产、提高生产效率、保证产品质量、节约能源等重大技术经济指标相联系。因此,温度的测量与控制在国民经济各个领域中均受到了相当程度的重视。在实际的生产实验环境下,由于系统内部与外界的热交换是难以控制的,其他热源的干扰也是无法精确计
3、算的,因此温度量的变化往往受到不可预测的外界环境扰动的影响。为了使系统与外界的能量交换尽可能的符合人们的要求,就需要采取其他手段来达到这样一个绝热的目的,例如可以让目标系统外部环境的温度与其内部温度同步变化。根据热力学第二定律,两个温度相同的系统之间是达到热平衡的,这样利用一个与目标系统温度同步的隔离层,就可以把目标系统与外界进行热隔离。 另外,在大部分实际的环境中,增温要比降温方便得多。因此,对温度的控制精度要求比较高的情况下,是不允许出现过冲现象的,即不允许实际温度超过控制的目标温度。特别是隔热效果很好的环境,温度一旦出现过冲,将难以很快把温度降下来。这是因为很多应用中只有加热环节,而没有
4、冷却的装置。同样道理,对于只有冷却没有加热环节的应用中,实际温度低于控制的目标温度,对控制效果的影响也是很大的。鉴于上述这些特点,高精度温度控制的难度比较大,而且不同的应用环境也需要不同的控制策略。下面就简要的讨论一下温度测控技术的发展与现状。1.2 温度测控技术的发展与现状近年来,温度的检测在理论上发展比较成熟,但在实际测量和控制中,如何保证快速实时地对温度进行采样,确保数据的正确传输,并能对所测温度场进行较精确的控制,仍然是目前需要解决的问题。温度测控技术包括温度测量技术和温度控制技术两个方面。在温度的测量技术中,接触式测温发展较早,这种测量方法的优点是:简单、可靠、低廉、测量精度较高,一
5、般能够测得真实温度;但由于检测元件热惯性的影响,响应时间较长,对热容量小的物体难以实现精确的测量,并且该方法不适宜于对腐蚀性介质测温,不能用于超高温测量,难于测量运动物体的温度。另外的非接触式测温方法是通过对辐射能量的检测来实现温度测量的方法,其优点是:不破坏被测温场,可以测量热容量小的物体,适于测量运动物体的温度,还可以测量区域的温度分布,响应速度较快。但也存在测量误差较大,仪表指示值一般仅代表物体表观温度,测温装置结构复杂,价格昂贵等缺点。因此,在实际的温度测量中,要根据具体的测量对象选择合适的测量方法,在满足测量精度要求的前提下尽量减少投入。温度控制技术按照控制目标的不同可分为两类:动态
6、温度跟踪与恒值温度控制。动态温度跟踪实现的控制目标是使被控对象的温度值按预先设定好的曲线进行变化。在工业生产中很多场合需要实现这一控制目标,如在发酵过程控制,化工生产中的化学反应温度控制,冶金工厂中燃烧炉中的温度控制等;恒值温度控制的目的是使被控对象的温度恒定在某一给定数值上,且要求其波动幅度(即稳态误差)不能超过某允许值。本文所讨论的基于单片机的温度控制系统就是要实现对温控箱的恒值温度控制要求,故以下仅对恒值温度控制进行讨论。从工业控制器的发展过程来看,温度控制技术大致可分以下几种:1.2.1 定值开关控温法所谓定值开关控温法,就是通过硬件电路或软件计算判别当前温度值与设定目标温度值之间的关
7、系,进而对系统加热装置(或冷却装置)进行通断控制。若当前温度值比设定温度值高,则关断加热器,或者开动制冷装置;若当前温度值比设定温度值低,则开启加热器并同时关断制冷器。这种开关控温方法比较简单,在没有计算机参与的情况下,用很简单的模拟电路就能够实现。目前,采用这种控制方法的温度控制器在我国许多工厂的老式工业电炉中仍被使用。由于这种控制方式是当系统温度上升至设定点时关断电源,当系统温度下降至设定点时开通电源,因而无法克服温度变化过程的滞后性,致使被控对象温度波动较大,控制精度低,完全不适用于高精度的温度控制。1.2.2 PID线性控温法这种控温方法是基于经典控制理论中的调节器控制原理,控制是最早
8、发展起来的控制策略之一,由于其算法简单、鲁棒性好、可靠性高等优点被广泛应用工业过程控制中,尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。由于调节器模型中考虑了系统的误差、误差变化及误差积累三个因素,因此,其控制性能大大地优越于定值开关控温。其具体控制电路可以采用模拟电路或计算机软件方法来实施调节功能。前者称为模拟控制器,后者称为数字控制器。其中数字控制器的参数可以在现场实现在线整定,因此具有较大的灵活性,可以得到较好的控制效果。采用这种方法实现的温度控制器,其控制品质的好坏主要取决于三个参数(比例值、积分值、微分值)。只要参数选取的正确,对于一个确定的受控系统来说,其控制精度是比较令人满意的。
9、但是,它的不足也恰恰在于此,当对象特性一旦发生改变,三个控制参数也必须相应地跟着改变,否则其控制品质就难以得到保证。1.2.3 智能温度控制法为了克服线性控温法的弱点,人们相继提出了一系列自动调整参数的方法,如参数的自学习,自整定等等。并通过将智能控制与控制相结合,从而实现温度的智能控制。智能控温法以神经网络和模糊数学为理论基础,并适当加以专家系统来实现智能化。其中应用较多的有模糊控制、神经网络控制以及专家系统等。尤其是模糊控温法在实际工程技术中得到了极为广泛的应用。目前已出现一种高精度模糊控制器,可以很好的模拟人的操作经验来改善控制性能,从理论上讲,可以完全消除稳态误差。所谓第三代智能温控仪
10、表,就是指基于智能控温技术而研制的具有自适应算法的温度控制仪表。目前国内温控仪表的发展,相对国外而言在性能方面还存在一定的差距,它们之间最大的差别主要还是在控制算法方面,具体表现为国内温控仪在全量程范围温度控制精度比较低,自适应性较差。这种不足的原因是多方面造成的,如针对不同的被控对象,由于控制算法的不足而导致控制精度不稳定。1.3 系统总体设计方案本系统以AT89C52单片机为核心,利用DS18B20温度传感器进行温度测量,组成一个集温度采集、显示、处理、自动控制为一身的闭环控制系统。系统的技术指标如下:(1)能对55+128,范围内的各种环境温度进行精确测量。(2)能对所测环境温度进行实时
11、显示。(3)能方便设置所要控制的温度范围,能对所测温度进行智能控制。1.3.1 系统性能要求及特点(1)系统性能要求:(a)可以人为方便地通过控制面板或PC机设定控制期望的温度值,系统应能自动将温控箱加热至此设定温度值并能保持,直至重新设定为另一温度值,即能实现温度的自动控制;(b)能够实现对温控箱温度的测量并且通过控制面板上的液晶显示实时的显示出来;(c) 模块化设计,安装拆卸简单,维修方便;(d)系统可靠性高,不易出故障;(e)尽量采用典型、通用的器件,一旦损坏,易于在市场上买到同样零部件进行替换。鉴于上述系统功能要求以及智能仪表应具有的体积小、成本低、功能强、抗干扰并尽可能达到更高精度的
12、要求。本系统在硬件设计方面具有如下特点:控制主板采用AT89C52作为核心芯片。作为与MCS-51系列兼容的单片机,无论在运算速度,还是在内部资源上均可胜任本系统的性能要求。1.3.2 系统硬件方案分析目前,温度控制仪的硬件电路一般采用(Analog Circuit) (Microcontroller) 模拟电路和单片机两种形式。模拟控制电路的各控制环节一般由运算放大器、电压比较器、模拟集成电路以及电容、电阻等外围元器件组成。它的最大优点是系统响应速度快,能实现对系统的实时控制。根据计算机控制理论可知,数字控制系统的采样速率并非越快越好,它还取决于被控系统的响应特性。在本系统中,由于温度的变化
13、是一个相对缓慢的过程,对温控系统的实时性要求不是很高,所以模拟电路的优势得不到体现。另外,模拟电路依靠元器件之间的电气关系来实现控制算法,很难实现复杂的控制算法。单片机是大规模集成电路技术发展的产物,属于第四代电子计算机。它是把中央处理单元CPU(Central Processing Unit)、随机存取存储器RAM(RandomAccess Memory)、只读存储器ROM(Read only Memory)、定时计数器以及IO(InputOutput)输入输出接口电路等主要计算机部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机,它的特点是:功能强大、运算速度快、体积小巧、价格低廉、稳定可靠、应用
14、广泛。由此可见,采用单片机设计控制系统,不仅可以降低开发成本,精简系统结构,而且控制算法由软件实现,还可以提高系统的兼容性和可移植性。另外,随着微电子技术和半导体工业的不断创新和发展,片上系统SOC(System On Chip)得到了十足的发展。一些厂家根据系统功能的复杂程度,将这种SOC芯片应用到先进的控制仪表中。SOC芯片通常含有一个微处理器核(CPU),同时,它还含有多个外围特殊功能模块和一定规模的存储器(RAM和ROM),并且这种片上系统一般具有用户自定义接口模块,使得其功能非常强大,适用领域也非常广。它不仅能满足复杂的系统性能的需要,而且还使整个系统的电路紧凑,硬件结构简化。从实现
15、复杂系统功能和简化硬件结构的角度出发,SOC是实现温度控制系统的最佳选择,但目前市场上SOC的价格还比较昂贵,并且SOC的封装形式几乎都采用贴片式封装,不利于实验电路板的搭建。从降低成本,器件供货渠道充足的角度看,应用单片机实现温度控制系统是比较经济实用的。目前,市面上的单片机不仅种类繁多,而且在性能方面也各有所长。AT89C52单片机是ATMEL公司出品的与MCS。51系列兼容的低电压、高性能CMOS 8位单片机。本系统选择AT89C52为核心器件组成的控制系统。此外,在选取外围扩展芯片时,本着节约成本的原则,尽量选取典型的、易于扩展和替换的芯片及器件。1.3.3 系统软件方案分析一个应用系
16、统要完成各项功能,首先必须有较完善的硬件作保证。同时还必须得到相应设计合理的软件的支持,尤其是微机应用高速发展的今天,许多由硬件完成的工作,都可通过软件编程而代替。甚至有些必须采用很复杂的硬件电路才能完成的工作,用软件编程有时会变得很简单,如数字滤波,信号处理等。因此充分利用其内部丰富的硬件资源和软件资源,采用与S51系列单片机相对应的51汇编语言和结构化程序设计方法进行软件编程。程序设计语言有三种:机器语言、汇编语言和高级语言。机器语言是机器唯一能“懂”的语言,用汇编语言或高级语言编写的程序(称为源程序)最终都必须翻译成机器语言的程序(成为目标程序),计算机才能“看懂”,然后逐一执行。高级语
17、言是面向问题和计算过程的语言,它可通过于各种不同的计算机,用户编程时不必仔细了解所用的计算机的具体性能与指令系统,而且语句的功能强,常常一个语句已相当于很多条计算机指令,于是用高级语言编制程序的速度比较快,也便于学习和交流,但是本系统却选用了汇编语言。原因在于,本系统是编制程序工作量不大、规模较小的单片机微控制系统,使用汇编语言可以不用像高级语言那样占用较多的存储空间,适合于存储容量较小的系统。同时,本系统对位处理要求很高,需要解决大量的逻辑控制问题。MCS-51指令系统的指令长度较短,它在存储空间和执行时间方面具有较高的效率,编成的程序占用内存单元少,执行也非常的快捷,与本系统的应用要求很适
18、合。而且MCS-51指令系统有丰富的位操作(或称位处理)指令,可以形成一个相当完整的位操作指令子集,这是MCS-51指令系统主要的优点之一。对于要求反应灵敏与控制及时的工控、检测等实时控制系统以及要求体积小、系统小的许多“电脑化”产品,可以充分体现出汇编语言简明、整齐、执行时间短和易于使用的特点。本装置的软件包括主程序、读出温度子程序、复位应答子程序、写入子程序、以及有关DS18B20的程序(初始化子程序、写程序和读程序)。1.4 本文主要工作(1)在对温度控制发展现状、系统控制要求进行研究的基础上,选择了整个控制系统的控制设计;(2)系统的硬件设计,包括采样电路、AD转换电路、主控制电路、保
19、护电路等等的设计;(3)该系统的软件设计,包括主程序模块、控制运算模块、数据输入输出及处理模块等一些子功能模块的设计;(4)该系统的控制策略。在建立温度控制系统数学模型的基础之上,通过对控制的分析设计了系统控制器;2 主要器件介绍2.1 DS18B20温度传感器DS18B20温度传感器是美国DALLAC半导体公司最新推出的一种改进智能温度传感器,与传统的热敏电阻等测温元件相比,它能直接读出北侧温度,并且可根据实际要求通过简单的编程实现912位的数字值读数方式。DS18B20的性能特点如下:独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信;多个DS18B20可以并联在惟一的三线上,实现多点组网功能;无须
20、外部器件;可通过数据线供电,电压范围为3.05.5V;零待机功能;温度以9或12位数字量读出;用户可定义的非易失性温度报警设置;报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度(温度报警条件)的器件;负电压特性,电源极性接反时,温度计不会因发热而烧毁,但不能正常工作。DS18B20采用3脚PR-35封装或8脚COIC封装。图2-1 DS18B20内部结构图由表2-1可见,DS18B20温度转换的时间比较长,而且设定的分辨率越高,所需要的温度转换时间越长.因此,在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑.当DS18B20接收温度转换命令后,开始启动转换.转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式
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