基于單片機(jī)的溫度采集控制系統(tǒng).doc

畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙第1頁(yè)共55頁(yè)摘要現(xiàn)今，自動(dòng)控制技術(shù)尤其是溫度控制技術(shù)在國(guó)內(nèi)外得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。時(shí)滯效應(yīng)始終困擾著其實(shí)際應(yīng)用，為此人們發(fā)明了多種控制方法來(lái)解決時(shí)滯問(wèn)題，例如比例控制方式、DDC控制方式，本文將針對(duì)一種溫度控制方式進(jìn)行學(xué)習(xí)，并設(shè)計(jì)一個(gè)以8051單片機(jī)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(shí)現(xiàn)的溫度采集控制系統(tǒng)，同時(shí)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(jì)采用以8位8051單片機(jī)作為系統(tǒng)的CPU。使用電加熱器升溫，直流電機(jī)風(fēng)扇降溫，配合鍵盤(pán)輸入，液晶顯示器顯示。具有硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、人機(jī)界面友善、管理功能健全、系統(tǒng)可靠性高、記錄數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、使用維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)按照模塊化程序設(shè)計(jì)思想，完成了對(duì)系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì)，給出了各個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)思想和流程圖。溫度采集控制控制系統(tǒng)不但能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的采樣轉(zhuǎn)換，穩(wěn)定進(jìn)行升溫、降溫、恒溫的控制過(guò)程，而且可以記錄溫度時(shí)間對(duì)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。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)在測(cè)試過(guò)程中工作穩(wěn)定，滿足設(shè)計(jì)要求。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中利用WAVE仿真器通過(guò)實(shí)驗(yàn)機(jī)配套的串行通訊電纜，將電纜的一端與實(shí)際機(jī)相連，另一端與PC機(jī)的串行口相連，構(gòu)成一個(gè)8051單片機(jī)在線仿真調(diào)試系統(tǒng)，完成了本系統(tǒng)軟硬件的開(kāi)發(fā)調(diào)試。關(guān)鍵字：溫度采集控制系統(tǒng)；單片機(jī)；DS18B20；DDC畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙第2頁(yè)共55頁(yè)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(jì)（論文）報(bào)告用紙第3頁(yè)共55頁(yè)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?jī)?nèi)容42溫度采集控制系統(tǒng)總體分析與設(shè)計(jì)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(pán)顯示系統(tǒng)92.5報(bào)警系統(tǒng)92.6電源系統(tǒng)102.7硬件電路設(shè)計(jì)102.7.1系統(tǒng)硬件配置102.7.2主要元件簡(jiǎn)介103軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)223.1軟件總體設(shè)計(jì)223.2系統(tǒng)初始化函數(shù)233.3控制函數(shù)233.4鍵盤(pán)顯示函數(shù)243.5降溫函數(shù)243.6曲線算法253.采樣263.時(shí)間函數(shù)274調(diào)試與運(yùn)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(cè)試30結(jié)論31致謝32畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙第4頁(yè)共55頁(yè)參考文獻(xiàn)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(jì)（論文）報(bào)告用紙第5頁(yè)共55頁(yè)引言溫度是一個(gè)很重要的基本物理量，自然界中任何物理、化學(xué)過(guò)程都緊密地與溫度相聯(lián)系，在許多生產(chǎn)過(guò)程中，溫度測(cè)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(jì)技術(shù)指標(biāo)相聯(lián)系，因此溫度測(cè)控技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域中都受到了相當(dāng)?shù)闹匾暋?duì)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(jī)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(cè)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(cè)控技術(shù)已由模擬測(cè)控技術(shù)逐漸讓位與以單片機(jī)為主的微處理器測(cè)控技術(shù)，形成數(shù)字與模擬混合的測(cè)控系統(tǒng)和純數(shù)字測(cè)控系統(tǒng)的應(yīng)用，并正向全數(shù)字測(cè)控方向快速發(fā)展。單片機(jī)是在一塊硅片上集成了各種部件的微型計(jì)算機(jī)，這些部件包括中央處理器CPU、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM、程序存儲(chǔ)器ROM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和多種I/O接口電路。用單片機(jī)取代模擬電路作為溫度的測(cè)量控制器有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）可靠性高。芯片本身是按工業(yè)測(cè)控環(huán)境要求設(shè)計(jì)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(kuò)展。單片機(jī)內(nèi)具有計(jì)算機(jī)正常運(yùn)行所必需的部件，芯片外部有許多供擴(kuò)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(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。（3）控制能力強(qiáng)。為滿足工業(yè)控制要求，單片機(jī)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(jī)的高集成度，整個(gè)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(gè)先進(jìn)的溫度測(cè)控系統(tǒng)，除了采用單片機(jī)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(gè)芯片中，有的還包含中央處理器（CPU）、只讀存儲(chǔ)器（ROM）、隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM或SRAM）、實(shí)時(shí)日歷時(shí)鐘以及溫度控制與報(bào)警電路等。其主要優(yōu)點(diǎn)是：數(shù)字化輸出、測(cè)試及控制能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、微型化、微功耗、易于配微控制器（MCU）或微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理或溫度控制。本系統(tǒng)緊跟當(dāng)今傳感器的發(fā)展潮流，選用美國(guó)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(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)指標(biāo)。畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙第6頁(yè)共55頁(yè)本設(shè)計(jì)的控制對(duì)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)?？販胤秶鸀?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(jì)采用總線技術(shù)和模塊化結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了由MCS51單片機(jī)和DS18B20型單線智能溫度傳感器組成的智能溫度測(cè)控系統(tǒng)，甩掉了傳感器變送器A/D轉(zhuǎn)換器單片機(jī)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(cè)控系統(tǒng)。通過(guò)P3.2口，單片機(jī)與溫度傳感器可互發(fā)信息，從而共同進(jìn)行相應(yīng)的信息處理。在配套程序的驅(qū)動(dòng)下，單片機(jī)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(shí)讀取溫度傳感器發(fā)來(lái)的當(dāng)前溫度CT，進(jìn)行相應(yīng)顯示及處理。當(dāng)CT超過(guò)HT，將點(diǎn)亮紅色LED并驅(qū)動(dòng)制冷控制所對(duì)應(yīng)的繼電器，從而進(jìn)行報(bào)警提示及制冷控制。當(dāng)CT低于LT，溫度控制器將點(diǎn)亮藍(lán)色LED并驅(qū)動(dòng)加熱控制所對(duì)應(yīng)的繼電器，從而進(jìn)行報(bào)警提示及加熱控制。除了上述可以將現(xiàn)場(chǎng)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(dāng)設(shè)置的上限溫度HT和下限溫度LT為同一溫度值時(shí)，溫度測(cè)控系統(tǒng)將使現(xiàn)場(chǎng)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(shí)間、當(dāng)前溫度、上限溫度和下限溫度。畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙第7頁(yè)共55頁(yè)1緒論1.1課題背景溫度控制是自動(dòng)控制經(jīng)常討論的課題之一，它代表了一類自動(dòng)控制的方法。而且其應(yīng)用十分廣泛，可以說(shuō)在生產(chǎn)生活中無(wú)處不在，例如鍋爐、電冰箱等。而由溫度控制帶來(lái)的時(shí)滯效應(yīng)難題始終困擾著實(shí)際應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，溫度控制技術(shù)得到了很大的進(jìn)步，其應(yīng)用的領(lǐng)域也不斷的擴(kuò)大。本文將使用8051型單片機(jī)對(duì)溫度控制的基本原理實(shí)例化，設(shè)計(jì)一個(gè)帶有多功能的、能夠減小時(shí)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(jì)的這段時(shí)間學(xué)習(xí)一種利用8051型單片機(jī)進(jìn)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(jī)是常用的控制芯片，在智能儀器儀、工業(yè)檢測(cè)控制、機(jī)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(shí)例也很多。使用8051單片機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)溫度全程的自動(dòng)控制，而且8051單片機(jī)易于學(xué)習(xí)、掌握，性能價(jià)格比高。使用8051型單片機(jī)設(shè)計(jì)溫度采集控制系統(tǒng)，可以即時(shí)、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(diǎn)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(jì)初衷是滿足實(shí)際生產(chǎn)中溫度控制的需要。為此本系統(tǒng)針對(duì)實(shí)際應(yīng)用開(kāi)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(dāng)溫度超過(guò)一定上限時(shí)會(huì)報(bào)警。本系統(tǒng)中把這種工作模式命名為Control模式，簡(jiǎn)寫(xiě)為C模式。系統(tǒng)工作在這種模式下時(shí)，首先系統(tǒng)會(huì)提示用戶輸入溫度的上限與下限的溫度值。然后根據(jù)實(shí)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(dāng)前實(shí)際溫度畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙第8頁(yè)共55頁(yè)圖131第一種控制模式示意圖該時(shí)刻的實(shí)際溫度低于用戶設(shè)定的下限溫度，所以此時(shí)刻系統(tǒng)正處于升溫狀態(tài)，直到實(shí)際溫度到達(dá)上限溫度值，系統(tǒng)才停止升溫。反之，如果實(shí)際溫度高于用戶設(shè)定的下限值時(shí)，系統(tǒng)處于降溫狀態(tài)。當(dāng)實(shí)際溫度超過(guò)用戶設(shè)定的上、下限溫度時(shí)，系統(tǒng)還會(huì)通過(guò)聲音、警報(bào)燈來(lái)報(bào)警，同時(shí)啟動(dòng)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(shí)效處理等都需要完成“升溫恒溫降溫”反復(fù)的過(guò)程。本系統(tǒng)模擬了熱時(shí)效的處理過(guò)程，采用“升溫恒溫升溫恒溫降溫恒溫降溫”的梯形曲線過(guò)程，如下圖132所示的：溫度時(shí)間秒圖132圖131第二種控制模式示意圖這種模式對(duì)溫度控制的要求比較高，技術(shù)指標(biāo)也很多，例如必須保持采樣時(shí)間有單位并且均勻、升溫降溫的過(guò)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(jì)從成本、設(shè)計(jì)復(fù)雜度、實(shí)用性及開(kāi)發(fā)時(shí)間諸多因素的考慮采用了DDC算法，主要體現(xiàn)在升降溫過(guò)程中。系統(tǒng)為典型的反饋式溫度控制系統(tǒng)，組成部分見(jiàn)圖133。其中數(shù)字控制器的功能由8051單片機(jī)實(shí)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?jī)?nèi)容本系統(tǒng)所要完成的任務(wù)是：（1）能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確的采樣溫度值。（2）能夠以DDC控制方式，進(jìn)行升溫、降溫過(guò)程。（3）完成溫度梯形曲線的變化過(guò)程。（4）更加人性化的設(shè)計(jì)。上、下界限溫度能夠用戶輸入并顯示，聲音、警報(bào)燈的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙第9頁(yè)共55頁(yè)報(bào)警功能等。2.多功溫度控制系統(tǒng)總體分析與設(shè)計(jì)2.1溫度控制系統(tǒng)的組成和工作原理多功能溫度控