基于單片機的溫控器設(shè)計說明

1、 PAGE21 / NUMPAGES21天 津 理 工 大 學(xué)課程設(shè)計報告題目： 基于單片機的溫控器設(shè)計學(xué)生 天輝 學(xué)號 20101009 屆 2013 班級 電氣4班 指導(dǎo)教師 專業(yè)電氣工程與其自動化說 明1. 課程設(shè)計文本材料包括設(shè)計報告、任務(wù)書、指導(dǎo)書三部分，其中任務(wù)書、指導(dǎo)書由教師完成。按設(shè)計報告、任務(wù)書、指導(dǎo)書順序裝訂成冊。2. 學(xué)生根據(jù)指導(dǎo)教師下達的任務(wù)書、指導(dǎo)書完成課程設(shè)計工作。3. 設(shè)計報告容建議主要包括：概述、系統(tǒng)工作原理、系統(tǒng)組成、設(shè)計容、小結(jié)和參考資料。4. 設(shè)計報告字?jǐn)?shù)應(yīng)在3000-4000字，采用電子繪圖、采用小四號宋體、1.25倍行距。5.課程設(shè)計成績由平時表現(xiàn)（3

2、0%）、設(shè)計報告（30%）和提問成績（40%）組成。 課程設(shè)計任務(wù)書、指導(dǎo)書課程設(shè)計題目：.課程設(shè)計任務(wù)書一、課程設(shè)計的容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、工作量） 當(dāng)今社會，溫控器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電冰箱、空調(diào)和電熱毯等領(lǐng)域中。其優(yōu)點是控制精度高，穩(wěn)定性好，速度快自動化程度高，溫度和風(fēng)速全自動控制，操作簡單可靠，對執(zhí)行器要求低，故障率低，效果好。目前國外生產(chǎn)廠家正在研究開發(fā)第三代智能型室溫空調(diào)溫控器，應(yīng)用新型控制模型和數(shù)控芯片實現(xiàn)智能控制?，F(xiàn)在已有國廠家生產(chǎn)出了智能型室溫空調(diào)溫控器，并已應(yīng)用于實際工程。 本課程設(shè)計要求設(shè)計溫度控制系統(tǒng)，主要由溫度數(shù)據(jù)采集、溫度控制、按鍵和顯示、通訊等部分組成。溫度

3、采集采用NTC或PTC熱敏電阻（或由電位器模擬）或集成溫度傳感器、集成運算放大器構(gòu)成的信號調(diào)理電路、AD轉(zhuǎn)換器組成。溫控部分采用交流開關(guān)BT136通過改變導(dǎo)通角進行調(diào)壓限流達到控制加熱絲溫度的目的。 溫度控制算法采用PID控制，可以采用普通PID或模糊PID。對控制PID參數(shù)進行整定，進行MATLAB仿真，說明控制效果。進行程序編制。設(shè)計通訊協(xié)議，并能夠通過RS485總線將數(shù)據(jù)傳回上位機。2課程設(shè)計的要求1、選擇相應(yīng)元器件設(shè)計溫度控制系統(tǒng)原理圖 并繪制PCB版圖。2、進行PID控制算法仿真，設(shè)計PID參數(shù)，或模糊PID規(guī)則。3、系統(tǒng)功能要求：a要能夠顯示實時溫度；b能夠進行溫度設(shè)置；c能夠進行

4、PID參數(shù)設(shè)定；d能夠把數(shù)據(jù)傳回上位機；e可以設(shè)定本機地址。F溫度控制圍099.9度。4、編制程序并調(diào)試通過，并有程序流程圖。二、課程設(shè)計參考資料1單片機的C語言應(yīng)用程序設(shè)計 第三版 馬忠梅等編著2曉安. MCS-51單片機原理與應(yīng)用. ：大學(xué)，2001.33何立民. 單片機高級教程 第1版：航空航天大學(xué)，20014如何使用KEIL 8051 C編譯器 ()金炯泰著 金奎煥等譯 () 金炯泰 著5相關(guān)芯片數(shù)據(jù)手冊。.課程設(shè)計指導(dǎo)書一、課程設(shè)計要點、設(shè)計步驟1、熟練掌握常用EDA設(shè)計軟件，如protel等，進行原理圖、PCB版圖設(shè)計。設(shè)計溫度控制電路。2、采用MATLAB軟件進行PID控制參數(shù)的

5、設(shè)計。3、根據(jù)功能要求進行軟件設(shè)計，采用KEIL進行程序調(diào)試。二、主要技術(shù)關(guān)鍵的分析、解決思路1、溫度控制電路設(shè)計，可以采用無觸點交流開關(guān)BT136結(jié)合光藕MOC3062設(shè)計溫度控制電路，實現(xiàn)強弱電隔離。2、與上位機通訊采用RS485，需要加入點評轉(zhuǎn)換芯片如MAX485。3、為了確保輸入信號不損毀芯片，信號調(diào)理電路需加嵌位電路。4、可以選用單片機開發(fā)板來進行設(shè)計，但要滿足任務(wù)書要求。三、課程設(shè)計進度安排起 迄 日 期工 作 容系統(tǒng)需求分析器件選型，硬件原理圖設(shè)計PID或模糊PID算法設(shè)計軟件編制調(diào)試撰寫課程設(shè)計報告目錄引言5概述5系統(tǒng)工作原理5系統(tǒng)組成 6系統(tǒng)硬件介紹16系統(tǒng)軟件設(shè)計13總結(jié)1

6、8課程設(shè)計參考資料19引言 在科技飛速發(fā)展的今天，計算機技術(shù)得到迅猛推廣,而單片機由于具有集成度高，體積小，功耗低，處理能力強，可靠性高，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，易于推廣使用的優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和家庭生活中。溫度控制系統(tǒng)則是單片機在家庭生活中的一個典型的應(yīng)用。溫度控制器是一種溫度控制裝置，它根據(jù)用戶所需溫度與設(shè)定溫度之差值來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，從而達到用戶所需溫度的目的。 各種溫控家用電器隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展和生活水平的提高越來越普與，只有一個簡單、穩(wěn)定的溫度控制系統(tǒng)才能更好的適應(yīng)市場需求，更好的滿足人民的意愿一、概述該溫度控制系統(tǒng)是以8051單片機為核心的控制系統(tǒng)。在硬件電路方面，主要分

7、成了幾個模塊，即溫度數(shù)據(jù)采集、溫度檢測電路模塊，ADC0809電信號的處理模塊，加熱控制電路模塊，數(shù)據(jù)處理模塊，電壓輸入模塊，LED顯示模塊，鍵盤輸入模塊和溫度控制輸出模塊，并在protel 99SE上進行電原理圖繪制與雙層印制電路板設(shè)計。溫度采集采用集成溫度傳感器、集成運算放大器構(gòu)成的信號調(diào)理電路、AD轉(zhuǎn)換器組成。溫控部分采用交流開關(guān)BT136通過改變導(dǎo)通角進行調(diào)壓限流達到控制加熱絲溫度的目的。 溫度控制算法采用PID控制，采用普通PID或模糊PID。對控制PID參數(shù)進行整定，運用MATLAB進行仿真，說明控制效果。進行程序編制。設(shè)計通訊協(xié)議，并能夠通過RS485總線將數(shù)據(jù)傳回上位機。二、系

8、統(tǒng)工作原理溫度控制系統(tǒng)如下圖所示，溫度由熱電偶檢測，經(jīng)變送器變換成標(biāo)準(zhǔn)電壓信號送入A/D轉(zhuǎn)換器，使之變成數(shù)字量，送入單片機，經(jīng)數(shù)字濾波后作為本次采樣值；控制程序按照設(shè)定好的算法，將設(shè)定值和采樣值進行比較運算，再將運算結(jié)果送到觸發(fā)電路控制交流開關(guān)BT136通過改變導(dǎo)通角進行調(diào)壓限流達到控制加熱絲溫度的目的，實現(xiàn)溫度恒定控制。另外，本系統(tǒng)還支持溫度的設(shè)定和顯示，當(dāng)控制系統(tǒng)的溫度過高或者過低時，可以觸發(fā)聲光報警信號，提醒工作人員注意。三、系統(tǒng)組成溫度控制器主要由單片機，時序電路，溫度采樣電路，A/D轉(zhuǎn)換電路，溫度顯示電路，溫度輸入電路，驅(qū)動電路等組成. 流程圖如下：溫度采樣電路 80518段譯碼器8

9、段譯碼器數(shù)碼管數(shù)碼管按鍵電路驅(qū)動電路A/D轉(zhuǎn)換電路時鐘圖1 溫度控制系統(tǒng)框圖四、系統(tǒng)硬件介紹4.1、8051單片機介紹 8051單片機由具有數(shù)據(jù)處理能力的微處理器、只讀存儲器(ROM)、隨機存取存儲器(RAM)、定時/計數(shù)器、并行接口、串行接口、中斷控制和系統(tǒng)時鐘電路等幾大單元以與數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線三大總線組成。 8051屬于8位單片機，片4KB的ROM，128B的片RAM?？蓪ぶ吠獠康?4KB的數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器，16位的地址總線，5個中斷源，2個優(yōu)先級，32根I/O線，1個全雙工異步串行口，2個16位定時/計數(shù)器。 8051的復(fù)位方式有上電復(fù)位、手動開關(guān)復(fù)位和自動復(fù)位3種，其

10、中上電復(fù)位電路是利用電容充放電來實現(xiàn)的。 其時鐘產(chǎn)生方式分為部振蕩方式和外部時鐘方式。部振蕩方式是利用單片機部的反向放大器構(gòu)成振蕩電路。8051單片機的40個引腳大致可分為4類：電源、時鐘、控制和I/O引腳。1、電源:（1）VCC - 芯片電源，接+5V；（2）VSS - 接地端； 2、時鐘:XTAL1、XTAL2 - 晶體振蕩電路反相輸入端和輸出端。 3、控制線:控制線共有4根： （1）ALE/PROG:地址鎖存允許/片EPROM編程脈沖。ALE功能：用來鎖存P0口送出的低8位地址。PROG功能：片有EPROM的芯片，在EPROM編程期間，此引腳輸入編程脈沖。 （2）PSEN:片外程序存儲器

11、選通信號。 （3）RST/VPD:復(fù)位/備用電源。RST功能：復(fù)位信號輸入端。VPD功能：在Vcc掉電情況下，接備用電源。 （4）EA/Vpp:片外ROM選擇/片EPROM編程電源。EA功能：外ROM選擇端。 Vpp功能：片有EPROM的芯片，在EPROM編程期間，施加編程電源Vpp。 4、I/O線 80C51共有4個8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32個引腳。P3口還具有第二功能，用于特殊信號輸入輸出和控制信號。 8051單片機由具有數(shù)據(jù)處理能力的微處理器、只讀存儲器(ROM)、隨機存取存儲器(RAM)、定時/計數(shù)器、并行接口、串行接口、中斷控制和系統(tǒng)時鐘電路等幾大單元以與數(shù)

12、據(jù)總線、地址總線和控制總線三大總線組成。 8051屬于8位單片機，片4KB的ROM，128B的片RAM?？蓪ぶ吠獠康?4KB的數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器，16位的地址總線，5個中斷源，2個優(yōu)先級，32根I/O線，1個全雙工異步串行口，2個16位定時/計數(shù)器4.2 A/D轉(zhuǎn)換電路4.2.1 ADC0801介紹ADC0801是8位全MOS中速A/D 轉(zhuǎn)換器、它是逐次逼近式A/D 轉(zhuǎn)換器，片有三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器，可以和單片機直接口接。其主要引腳功能如下：（1）RD，WR：讀選通信號和選通信號（低電平有效）。（2）CLK：時鐘脈沖輸入端，上升有效。（3）DB0DB7是輸入信號。（4）CLKR：部時鐘發(fā)生器

13、外接電阻端，與CLKIN端配合可由芯片自身產(chǎn)生時鐘脈沖，其頻率為1/1.1RC。（5）CS：片選信號輸入端，低電平有效，一旦CS有效，表明A/D轉(zhuǎn)換器被選中，可啟動。（6）WR：寫信號輸入，接受微機系統(tǒng)或其它數(shù)字系統(tǒng)控制芯片的啟動輸入端，低電平有效，CS、WR同時為低電平時，啟動轉(zhuǎn)換。(7)INTR：轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出信號，低電平有效，輸出低電平表示本次轉(zhuǎn)換已完成。該信號常作為向微機系統(tǒng)發(fā)出的中斷請求信號。 （8）CLK:為外部時鐘輸入端，時鐘頻率高，A/D轉(zhuǎn)換速度快。允許圍為10-1280KHZ，典型值為640KHZ，此時，A/D轉(zhuǎn)換時間為10us。通常由MCS51單片機ALE端直接或分頻后與其相

14、連。當(dāng)MCS單片機與讀寫外，RAM操作時，ALE信號固定為CPU時鐘頻率的1/6，若單片外接的晶振為6MHZ，則1/6為1MHZ，A/D轉(zhuǎn)換時間為64us。 4.2.2 A/D轉(zhuǎn)換電路工作原理 A/D 轉(zhuǎn)換電路如圖2.1所示。ADC0801的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出端DB0DB7與8051的P0.0-P0.7相連，INTR與P2.0口相連，INTR端用于給出A/D轉(zhuǎn)換完成信號，所以通過查詢P2.0便可以獲知A/D轉(zhuǎn)換是否完成。RD與8051 RD相連，WR也是跟8051 WR相連。CS、VIN+接地。（低電平有效）ADC0801的兩模擬信號輸入端，用以接受單極性、雙極性和差摸輸入信號，與WR同時為低

15、電平A/D轉(zhuǎn)換器被啟動切在WR上升沿后100模數(shù)完成轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果存入數(shù)據(jù)鎖存器，同時，INTR自動變?yōu)榈碗娖?，表示本次轉(zhuǎn)換已結(jié)束。如CS、RD同時來低電平，則數(shù)據(jù)鎖存器三態(tài)門打開，數(shù)字信號送出，而在RD高電平到來后三態(tài)門處于高阻狀態(tài) 。圖4.1 A/D轉(zhuǎn)換電路圖4.3 溫度采樣電路4.3.1 AD590型溫度傳感器AD590是電流型溫度傳感器，通過對電流的測量可得到所需要的溫度值。在被測溫度一定時，AD590相當(dāng)于一個恒流源，AD590溫度感測器是一種已經(jīng)IC化的溫度感測器,它會將溫度轉(zhuǎn)換為電流,由于此信號為模擬信號，因此，要進行進一步的控制與數(shù)碼顯示，還需將此信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。它的主要特

16、性如下：(1)流過器件的電流（mA）等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度（開爾文）度數(shù)；即： 式中： (1)Ir流過器件（AD590）的電流，單位為mA；T熱力學(xué)溫度，單位為K。 (2)AD590的測溫圍為-55+150；(3)AD590的電源電壓圍為4V30V； 4.3.2 溫度采樣工作原理 因為AD590是將溫度轉(zhuǎn)換為電流，而單片機對電壓信號更好測量，所以要將電流轉(zhuǎn)化為電壓，同時對電壓信號進行放大后輸入A/D轉(zhuǎn)換ADC0801的VI-端口。 電流轉(zhuǎn)化為電壓表達式如下： (2) 由反相比例運算放大電路，根據(jù)“虛斷”，“虛短”，集成運放凈輸入電壓為零，凈輸入電流為零，凈輸入電流為零等推算出表達式為：

17、(3) 最后由(1),(2),(3)得到： （4）圖4.2 溫度采樣電路4.4溫度控制電路8051的RXD的引腳與7404的引腳相連接，從RXD發(fā)出的控制信號經(jīng)7404和ULN2003到達交流開關(guān)BT136通過改變導(dǎo)通角進行調(diào)壓限流達到控制加熱絲溫度的目的。溫度控制圍099.9度。ULN2003是高壓大電流達林頓晶體管陣列系列產(chǎn)品,具有電流增益高、工作電壓高、溫度圍寬、帶負載能力強等特點,適應(yīng)于各類要求高速大功率驅(qū)動的系統(tǒng)。其中ULN2003是由7個NPN具有用共陰二極管夾緊來轉(zhuǎn)換電感負載的高壓輸出特征的達林頓晶體管組成。當(dāng)前一對單精度型的額定電流為500mA，有比較高的電流容量，它的應(yīng)用軟件

18、包括繼電器驅(qū)動器、顯示驅(qū)動器，線驅(qū)動器和邏輯緩沖器等。在本驅(qū)動電路中的作用是增大電流驅(qū)動能力。該芯片采用16腳的DIP 封裝,其中第9為公共輸出端COM，有一個輸出端為高電平，COM就為高電平。圖4.4 溫度控制電路4.5溫度顯示電路4.5.1 LED驅(qū)動 7447 介紹：7447是一塊BCD碼轉(zhuǎn)換成7段LED數(shù)碼管的譯碼驅(qū)動IC，7447的主要功能是輸出低電平驅(qū)動的顯示碼，用以推動共陽極7段LED數(shù)碼管顯示相應(yīng)的數(shù)字。相應(yīng)引腳功能如下：（1）QA,QB,QC,QD,QE,QF,QG:7段LED數(shù)碼輸出引腳。（2）A，B，C，D ：輸入引腳。（3）RBO，BT，LI 高電平輸出有效。4.5.2

19、 溫度顯示工作原理 溫度顯示電路如圖2.3所示：由2片TTL7447和2片七段LED組成，LED采用共陽級接法。7447的QA-QG接BCD的a-g,段選信號由8051的P1口提供，LED顯示數(shù)據(jù)由7447的輸出決定,即由P1口信號的取值決定。圖2.3 TTL7447 BCD顯示電路五、系統(tǒng)軟件設(shè)計5.1軟件設(shè)計思路 軟件設(shè)計的任務(wù)包括啟動A/D轉(zhuǎn)換、讀A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果、設(shè)置溫度、溫度控制等，其中啟動A/D轉(zhuǎn)換、讀A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果、設(shè)置溫度等工作在主程序中完成，溫度控制在中斷服務(wù)程序中完成，即每隔一段時間對比測量溫度與設(shè)定溫度之間的大小關(guān)系，根據(jù)對比結(jié)果給出控制信號，令壓縮機的運行或停止，實現(xiàn)溫度

20、調(diào)控。5.2 程序流程主程序流程圖開始系統(tǒng)初始化啟動定時器啟動A/D轉(zhuǎn)換設(shè)置溫度要設(shè)置溫度嗎？是否完成A/D轉(zhuǎn)換？讀入A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果顯示處理YNYN圖5.1主程序流程圖中斷服務(wù)程序流程圖保護現(xiàn)場重裝定時初值設(shè)定溫度測量溫度？令壓縮機工作令壓縮機停止工作中斷返回YN圖3.2定時器中斷服務(wù)子程序圖5.2 中斷服務(wù)程序流程圖5.3程序設(shè)計 ORG 0000HJMP START1 ;ORG 000BH ; 定時器/計數(shù)器0溢出中斷JMP TIM0 ; 轉(zhuǎn)中斷程序START1: MOV TMOD,#01H; 設(shè)定定時器0工作方式1 MOV TH0 , #HIGH(65536-50000); 設(shè)定初值 M

21、OV TL0,#LOW(65536-50000); SETB TR0; 啟動定時器0 MOV IE,#82H; 定時器0開放中斷MOV 24H,#0FFH; ANL P1,#00H; MOV R0,#14; 延時START: MOVX R0,A; 啟動A/D轉(zhuǎn)換WAIT: JNB P2.1,SET0; 檢測溫度輸入P2.0,ADC; 檢測轉(zhuǎn)換是否完成 JMP WAITADC: MOVX A,R0; 將轉(zhuǎn)換好的值送入ALCALL L1;LCALL DISP;JMP STARTL1: CLR C; 清0 MOV 20H,#00H; MOV 21H,#00H; MOV R3,#08H; 顯示位數(shù)NE

22、XT: RLC A; 將A的容和Cy左移一位，顯示準(zhǔn)備 MOV R2,A; MOV A,20H; ADDC A,20H DA A; 對A進行十進制調(diào)整 MOV 20H,A; MOV A,21H; ADDC A,21H MOV 21H,A; MOV A,R2; DJNZ R2,NEXT; R2-10 循環(huán)計數(shù) L2: MOV A,20H ADD A,20H; DA A; MOV 20H,A;MOV A,21H;ADDC A,21H;DA A;MOV 21H,A; RETDISP: MOV A,20H; 顯示程序 ANL A,#0F0H SWAP A; 交換高低位 MOV 22H,A MOV A,

23、21H; ANL A,#0FFH SWAP A ; ORL A,22H; MOV 23H,A MOV P1,A; MOV R7,#0FFH; DJNZ R7,$; 是否顯示完 RETSET0: LCALL DELAY; JNB P2.1,$; 等待按鍵操作LCALL DELAY; 消除按鍵抖動A2: CJNE R0,#0FFH,A1; MOV R0,#14; 延時A1: MOV A,R0; MOV DPTR,#TABLE ; 數(shù)據(jù)指針指向表頭 MOVC A,A+DPTR; 查表 MOV P1,A; MOV 24H,A; MOV R5,#4FH;D4: MOV R7,#0FFHD2: MOV R

24、6,#0FFHD1: JNB P2.1,SET1; 有按鍵按下 轉(zhuǎn)SET1 DJNZ R6,D1 DJNZ R7,D2 DJNZ R5,D4 JMP START;SET1: LCALL DELAY; JNB P2.1,$; 等待按鍵操作LCALL DELAY; 消除抖動 DEC R0; JMP A2;TIM0: PUSH ACC; 保護現(xiàn)場 PUSH PSW MOV TH0,#HIGH (65536 - 50000); 重裝定時初值 MOV TL0,#LOW (65536 -50000) CLR C ; 進位標(biāo)志清0 MOV A,24H; 比較溫度 SUBB A,23H; JNC OFF; C

25、LR C; MOV A,24H; SUBB A,23H; JNC OFF; CLR P3.0; 壓縮機停止工作RETURN: POP PSW POP ACC RETI ; 中斷返回OFF: SETB P3.0;驅(qū)動 壓縮機開始工作 JMP RETURNDELAY: MOV R7,#60; 延時程序D3: MOV R6,#248 DJNZ R6,$ DJNZ R7,D3 RETTABLE: DB 20H,21H,22H,23H,24H; DB 25H,26H,27H,28H,29H DB 30H,31H,32H,33H,34H END六、總結(jié)作為工科學(xué)生，我想PROTEL是我們必須學(xué)會的一個軟件

26、。因為，它在工程設(shè)計中起到了很大的作用。以前對什么芯片都只是聽到，看到，卻不知道他們是怎么做出來的，只覺得有人知道怎么做就行了。而現(xiàn)在不一樣了，因為我們就是需要做芯片的人。我覺得每次的課程設(shè)計，都是對我們在課堂里學(xué)的東西的一次大運用。上課的時候常常感嘆，學(xué)這些東西干嘛，又不會去用他，但在課設(shè)的時候才發(fā)覺，原來是這樣的。在現(xiàn)實生活中看到的各種各樣多功能的新東西，其實通過我現(xiàn)在所學(xué)的，已經(jīng)可以慢慢的從初級的開始設(shè)計了。這其實真的增加了不少我對課堂學(xué)習(xí)的興趣。我翻閱了不少那里的單protel的資料，學(xué)習(xí)他們的設(shè)計思路，還有一些特殊器件的連接使用方法。然后又添加了我們自己的設(shè)計思路，整合出一套符合我們設(shè)計想法的原理圖方案。硬件只是一個骨骼，軟件卻是血肉。我們的軟件從最開始的一小段軟件，到后來每天添一點，這次課程設(shè)計雖然時間不長，但是給我留下了很深的印象。這次課程設(shè)