過程控制系統(tǒng)課程設計

1、 緒論 在科技高速發(fā)展的信息時代，電子技術、微型計算機技術的應用更是空前廣泛，伴隨著科學技術和生產(chǎn)不斷發(fā)展，需要對各種參數(shù)進行溫度測量。在單片機溫度測量系統(tǒng)中最關鍵的是測量溫度、控制溫度和保持溫度，溫度測量是對工業(yè)對象中主要的被控參數(shù)之一，因此單片機測量是對溫度的有效的測量，并能在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應用。 本次課設所研究的課題是“基于單片機的熱水鍋爐溫度控制系統(tǒng)設計，主要介紹了對熱水鍋爐的溫度顯示、控制及報警、實現(xiàn)了溫度的實時顯示及控制。鍋爐水溫控制部分采用了at89s52單片機、ds18b20溫度傳感器以及步進電機來實現(xiàn)，通過溫度傳感器ds18b20采集環(huán)境溫度，以單片機為核心控制部件將采集

2、到的溫度通過串口通信max232輸入到電腦中，在電腦中通過c語言編程來控制單片機的工作方式，將程序下載到單片機中，通過設定溫度與給定溫度的比較來控制電機的正反轉(zhuǎn)來模擬升溫和降溫使系統(tǒng)工作在設定的溫度范圍之內(nèi)，當溫度高于設定值時，通過電機正轉(zhuǎn)來模擬開大冷水閥，進而使水溫降低；當溫度低于設定值時，通過電機反轉(zhuǎn)來模擬關小冷水閥，進而使水溫升高；直到在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)進行恒溫加熱。本次課設通過labview來繪制人機交互界面設置溫度的上下限。并且通過該界面可以實時顯示當前的溫度值，發(fā)出報警信號等，便于操作人員觀察。關鍵詞：at89s52單片機 ds18b20溫度傳感器 串口通訊 labview 步進電

3、機 一 設計任務、要求和技術指標1.1設計任務系統(tǒng)構成：系統(tǒng)主要由溫度傳感器，單片機控制系統(tǒng)、鍋爐溫度對象、執(zhí)行器（查找資料自己選擇）等組成。溫度傳感器、控制器、執(zhí)行器可查找資料自行選擇，控制器選擇單片機為控制器。單片機型號自選寫出溫度測量與控制過程，繪制溫度控制系統(tǒng)組成框圖。（1）系統(tǒng)硬件電路設計自選。溫度測量程序、溫度校準程序、溫度控制程序等部分組成。1.2主要技術指標（1） 溫度顯示誤差不超過1。（2） 溫度顯示范圍為099。二、總體設計方案2.1 設計思路本設計方案采用at89s52單片機作為控制器，ds18b20芯片作為溫度傳感器，步進電機作為執(zhí)行器構成過程控制系統(tǒng)，來模擬熱水鍋爐溫

4、度控制系統(tǒng)。通過溫度傳感器ds18b20采集鍋爐水溫，以單片機為核心控制部件將采集到的溫度通過串口輸入到電腦中，在電腦中通過labview組態(tài)軟件來顯示實時溫度和設置預置溫度，并根據(jù)實時溫度與預置溫度的偏差大小控制進水閥門的開關，進而達到調(diào)節(jié)鍋灶水溫的目的。當實時溫度高于設定值時，通過電機正轉(zhuǎn)來模擬開大冷水閥，進而使水溫降低；當溫度低于設定值時，通過電機反轉(zhuǎn)來模擬關小冷水閥，進而使水溫升高；直到在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)進行恒溫加熱。本次課設通過labview來繪制人機交互界面，設置所需溫度值。2.2系統(tǒng)總體框圖數(shù)據(jù)顯示上位機 越限報警 max232 電平轉(zhuǎn)換 芯片 ds18b20 溫度芯片數(shù)據(jù)傳輸a

5、t89s52 步進電機uln2003 2.3系統(tǒng)框圖 3、 控制器at89s523.1 at89s52簡介 at89s52是一種低功耗、高性能cmos8位微控制器，具有8k在系統(tǒng)可程flash存儲器。使用atmel公司高密度非易失性存儲器技術制造，與工業(yè)80c51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程亦適于常規(guī)編程器在單芯片上擁有靈巧的8位cpu 和在系統(tǒng)可編程flash，使得at89s52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。at89s52具有以下標準功能： 8k字節(jié)flash、256字節(jié)ram、32 位i/o 口線、看門狗定時器，2 個數(shù)據(jù)指針、三

6、個16 位 定時器/計數(shù)器、一個6向量2級中斷結構、全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外at89s52可降至0hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，cpu 停止工作允許ram、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工 作。掉電保護方式下，ram內(nèi)容被保存振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。電路圖如下：4、 傳感器ds18b20ds18b20是美國dallas半導體公司最新推出的一種改進型智能溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測溫元件相比，它能直接讀出被測溫度，并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)9-12位的數(shù)字值讀數(shù)方式。ds18b20的性能特點如下： 獨

7、特的單線接口僅需一個端口引腳進行通訊 簡單的多點分布應用 無需外部器件 可通過數(shù)據(jù)線供電 零待機功耗 測溫范圍-55+125，以0.5遞增。華氏器件-67+2570f，以0.90f 遞增 溫度以9 位數(shù)字量讀出 溫度數(shù)字量轉(zhuǎn)換時間200ms（典型值） 用戶可定義的非易失性溫度報警設置 報警搜索命令識別并標志超過程序限定溫度（溫度報警條件）的器件。ds18b20的測溫原理如圖3.3.3所示，圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給減法計數(shù)器1，高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其震蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為減法計數(shù)器2的脈沖輸入，圖中還隱含著計數(shù)門，當計數(shù)門打開時，

8、ds18b20就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖后進行計數(shù)，進而完成溫度測量.計數(shù)門的開啟時間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測量前，首先將-55 所對應的基數(shù)分別置入減法計數(shù)器1和溫度寄存器中，減法計數(shù)器1和溫度寄存器被預置在-55 所對應的一個基數(shù)值。減法計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當減法計數(shù)器1的預置值減到0時溫度寄存器的值將加1，減法計數(shù)器 1的預置將重新被裝入,減法計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù),如此循環(huán)直到減法計數(shù)器2計數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫圖2中的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性其

9、輸出用，于修正減法計數(shù)器的預置值，只要計數(shù)門仍未關閉就重復上述過程，直至溫度寄存器值達到被測溫度值，這就是ds18b20的測溫原理。另外，由于ds18b20單線通信功能是分時完成的，他有嚴格的時隙概念，因此讀寫時序很重要。系統(tǒng)對ds18b20的各種操作必須按協(xié)議進行。操作協(xié)議為：初始化ds18b20（發(fā)復位脈沖）發(fā)rom功能命令發(fā)存儲器操作命令處理數(shù)據(jù)。圖3.3.3 ds18b20測溫原理圖 5、 接口通訊單元51單片機有一個全雙工的串行通訊口，所以單片機和電腦之間可以方便地進行串口通訊。進行串行通訊時要滿足一定的條件，比如電腦的串口是rs232電平的，而單片機的串口是ttl電平的，兩者之間必

10、須有一個電平轉(zhuǎn)換電路，因此采用專 用芯片max232進行轉(zhuǎn)換。max232資料簡介：該產(chǎn)品是由德州儀器公司（ti）推出的一款兼容rs232標準的芯片。由于電腦串口rs232電平是-10v +10v，而一般的單片機應用系統(tǒng)的信號電壓是ttl電平0 +5v,max232就是用來進行電平轉(zhuǎn)換的,該器件包含2驅(qū)動器、2接收器和一個電壓發(fā)生器電路提供tia/eia-232-f電平。該器件符合tia/eia-232-f標準，每一個接收器將tia/eia-232-f電平轉(zhuǎn)換成5-v ttl/cmos電平。每一個發(fā)送器將ttl/cmos電平轉(zhuǎn)換成tia/eia-232-f電平。主要特點 ：1、單5v電源工作2

11、、 linbicmostm工藝技術3、 兩個驅(qū)動器及兩個接收器4、 30v輸入電平5、低電源電流：典型值是8ma6、符合甚至優(yōu)于ansi標準 eia/tia-232-e及itu推薦標準v.287、esd保護大于mil-std-883（方 法3015）標準的2000v5 1單片機有一個全雙工的串行通訊口，所以單片機和電腦之間可以方便地進行串口通訊。進行串行通訊時要滿足一定的條件，比如電腦的串口是rs232電平的，而單片機的串口是ttl電平的，兩者之間必須有一個電平轉(zhuǎn)換電路，我采用了專用芯片max232進行轉(zhuǎn)換，雖然也可以用幾個三極管進行模擬轉(zhuǎn)換，但是還是用專用芯片更簡單可靠。3、 系統(tǒng)總工作原理

12、工作原理本設計方案采用at89s52單片機作為控制器，ds18b20芯片作為溫度傳感器，步進電機作為執(zhí)行器構成過程控制系統(tǒng)，來模擬熱水鍋爐溫度控制系統(tǒng)。通過溫度傳感器ds18b20采集鍋爐水溫，以單片機為核心控制部件將采集到的溫度通過串口輸入到電腦中，在電腦中通過labview組態(tài)軟件來顯示實時溫度和設置預置溫度，并根據(jù)實時溫度與預置溫度的偏差大小控制進水閥門的開關，進而達到調(diào)節(jié)鍋灶水溫的目的。當實時溫度高于設定值時，通過電機正轉(zhuǎn)來模擬開大冷水閥，進而使水溫降低；當溫度低于設定值時，通過電機反轉(zhuǎn)來模擬關小冷水閥，進而使水溫升高；直到在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)進行恒溫加熱。本次課設通過labview來繪

13、制人機交互界面，設置所需溫度值。系統(tǒng)通過ds18b20檢測鍋爐的水溫，ds18b20作為全數(shù)字式的溫度傳感器，將所測溫度以數(shù)字量形式傳給at89s52單片機，單片機先不直接處理所測溫度，而是將溫度傳給上位機，計算機通過labview對溫度信息進行記錄和處理然后又發(fā)送到單片機通過單片機控制執(zhí)行器件。labview先對溫度進行中值濾波以消除隨機誤差。然后再與設定溫度相減以取得偏差，然后再根據(jù)偏差方向控制步進電機的正反轉(zhuǎn)以調(diào)節(jié)冷水閥的開度。進而達到控制鍋爐水溫的目的七、參考文獻1、 馬淑華 單片機原理與接口技術 北京郵電大學出版社2、 任彥碩 自動控制系統(tǒng) 北京郵電大學出版社3、 譚浩強 c語言程序

14、設計 清華大學出版社8、 結束語 通過本次課程設計，將之前所學的專業(yè)課單片機原理 、過程控制系統(tǒng) 、虛擬儀器 、c語言等課程有機的結合到了一起。將所學的知識付諸于實踐是一件很興奮的事情，這讓我明白了自己所學的知識與實際的生產(chǎn)生活有著很大的聯(lián)系。但通過本次課設我也發(fā)現(xiàn)了自己有很多不足之處，對編程缺乏興趣、對一些本專業(yè)的軟件不能熟練的掌握等缺點。因此，在即將到來的畢業(yè)設計中，我要主動去學習一些軟件的用法，不拿不敢興趣為理由，做出一個漂亮的作業(yè)。附錄1 源程序/*主程序*/#include /包含單片機寄存器的頭文件#include /包含_nop_()函數(shù)定義的頭文件unsigned char j

15、ieshou;unsigned char flag,tltemp;unsigned code ffw8=0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08,0x09;unsigned code rev8=0x09,0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03,0x01;void delay1ms() unsigned char i,j; for(i=0;i4;i+) for(j=0;j33;j+) ; void delaynms(unsigned char n) unsigned char i;for(i=0;in;i+) delay1ms(); /*步進電機正

16、轉(zhuǎn)*/void motor_ffw() unsigned char i; unsigned char j; for (j=0; j8; j+) /轉(zhuǎn)1*n圈 if(jieshou=3) break; /退出此循環(huán)程序 for (i=0; i8; i+) /一個周期轉(zhuǎn)45度 p1 = ffwi; /取數(shù)據(jù) delaynms(4); /調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速 /*步進電機反轉(zhuǎn)*/void motor_rev() unsigned char i; unsigned int j; for (j=0; j8; j+) /轉(zhuǎn)1n圈 if(jieshou=0) break; /退出此循環(huán)程序 for (i=0; i8;

17、i+) /一個周期轉(zhuǎn)45度 p1 = revi; /取數(shù)據(jù) delaynms(4); /調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速 /串口初始化void uart_init(void)scon = 0x50; /串口工作方式為1 ， 串行允許接收tmod = 0x20; /定時器1 工作在方式2/pcon = 0x80; /smod = 1; 波特率加倍th1 = 0xfd; /波特率 9600bps fosc=11.0592mhztl1 = 0xfd; es = 1; /開串口中斷 tr1 = 1; /允許定時器1工作 ea = 1; /開總中斷/串口發(fā)送一個字節(jié)void uart_sendchar(short int da

18、t) sbuf = dat; /待發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū) while(!ti); /等待發(fā)送完成 ti = 0; /清零發(fā)送標志位/*以下是ds18b20的操作程序*/ sbit dq=p33;unsigned char time; /設置全局變量，專門用于嚴格延時/*函數(shù)功能：將ds18b20傳感器初始化，讀取應答信號*/bit init_ds18b20(void) bit flag; dq = 1; /先將數(shù)據(jù)線拉高 for(time=0;time2;time+) /略微延時約6微秒 ; dq = 0; /再將數(shù)據(jù)線從高拉低，要求保持480960us for(time=0;time200;t

19、ime+) /略微延時約600微秒 ; /以向ds18b20發(fā)出一持續(xù)480960us的低電平復位脈沖 dq = 1; /釋放數(shù)據(jù)線（將數(shù)據(jù)線拉高） for(time=0;time10;time+) ; /延時約30us（釋放總線后需等待1560us讓ds18b20輸出存在脈沖） flag=dq; /讓單片機檢測是否輸出了存在脈沖（dq=0表示存在） for(time=0;time200;time+) /延時足夠長時間，等待存在脈沖輸出完畢 ; return (flag); /返回檢測成功標志/*函數(shù)功能：從ds18b20讀取一個字節(jié)數(shù)據(jù)出口參數(shù)：dat*/ unsigned char rea

20、donechar(void) unsigned char i=0;unsigned char dat; /儲存讀出的一個字節(jié)數(shù)據(jù)for (i=0;i8;i+) dq =1; / 先將數(shù)據(jù)線拉高 _nop_(); /等待一個機器周期 dq = 0; /單片機從ds18b20讀書據(jù)時,將數(shù)據(jù)線從高拉低即啟動讀時序 _nop_(); /等待一個機器周期 dq = 1; /將數(shù)據(jù)線人為拉高,為單片機檢測ds18b20的輸出電平作準備 for(time=0;time=1; if(dq=1) dat|=0x80; /如果讀到的數(shù)據(jù)是1，則將1存入datelsedat|=0x00;/如果讀到的數(shù)據(jù)是0，則將

21、0存入dat /將單片機檢測到的電平信號dq存入ri for(time=0;time8;time+) ; /延時3us,兩個讀時序之間必須有大于1us的恢復期 return(dat); /返回讀出的十六進制數(shù)據(jù)/*函數(shù)功能：向ds18b20寫入一個字節(jié)數(shù)據(jù)入口參數(shù)：dat*/ writeonechar(unsigned char dat)unsigned char i=0;for (i=0; i8; i+) dq =1; / 先將數(shù)據(jù)線拉高 _nop_(); /等待一個機器周期 dq=0; /將數(shù)據(jù)線從高拉低時即啟動寫時序 dq=dat&0x01; /利用與運算取出要寫的某位二進制數(shù)據(jù), /并將其送到數(shù)據(jù)線上等待ds18b20采樣 for(time=0;time10;time+) ;/延時約30us，ds18b20在拉低后的約1560us期間從數(shù)據(jù)線上采樣 dq=1; /釋放數(shù)據(jù)線 for(time=0;time=1; /將dat中的