实用温度控制器的设计.docx
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实用温度控制器的设计.docx
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实用温度控制器的设计
编号:
审定成绩:
重庆邮电大学移通学院
毕业设计(论文)
设计(论文)题目:
实用温度控制器的设计
单位(系别):
通信工程系
学生姓名:
专业:
通信工程
班级:
学号:
指导教师:
答辩组负责人:
填表时间:
2013年6月
重庆邮电大学移通学院教务处制
重庆邮电大学移通学院毕业设计(论文)任务书
设计(论文)题目实用温度控制器的设计
学生姓名系别通信工程系专业通信工程班级
指导教师职称副教授联系电话
教师单位重庆邮电大学下任务日期_2013_年_1月_4_日
主
要
研
究
内
容
、
方
法
和
要
求
一、研究内容
1、掌握温度控制器的原理,温度控制系统及发展等相关知识;
2、进行基于温度控制器的设计。
二、方法与要求
通过查资料,结合所学的知识,在老师的指导下进行温度控制器的设计。
进
度
计
划
1月4日至3月6日:
查阅资料对课题进行了解和学习;
3月7日至3月15日:
做开题报告,研究内容分析与设计;
3月16日至4月15日:
研究内容实践、实例研究,关键问题研究;
4月16日至5月23日:
提纲研究,论文的撰写,定稿;
5月24日至6月初:
准备答辩。
主
要
参
考
文
献
[1]辜小兵.韩光勇.单片机与基础应用.重庆大学出版社.2010.
[2]曹龙汉.MCS-51单片机原理及应用[M].重庆大学出版社.2004.
[3]何立民.单片机高级教程:
应用与设计(第2版)[M].北京航天航空大
学出版社.2007.
[4]陈跃东.DS18B20集成温度传感器原理与应用[J].2002.
[5]周月霞.DS18B20硬件连接及软件编程[J].传感器世界.2001.12.
指导教师签字:
2013年1月5日
教研室主任签字:
2013年1月6日
备注:
此任务书由指导教师填写,并于毕业设计(论文)开始前下达给学生。
摘要
温度是日常生活中无时不在的物理量,温度的控制在各个领域都有积极的意义。
很多行业中都有大量的用电加热设备,如用于热处理的加热炉,用于融化金属的坩锅电阻炉及各种不同用途的温度箱等,采用单片机对它们进行控制,不仅具有方便、简单、灵活性强等特点,而且还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。
因此,智能化温度控制技术正被广泛地采用。
矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。
本温度设计采用现在流行的AT89S51单片机,配以DS18B20数字温度传感器,该温度传感器可自行设置温度上下限。
单片机将检测到的温度信号与输入的温度上、下限进行比较,由此作出判断是否启动继电器以开启设备。
聞創沟燴鐺險爱氇谴净。
本设计还加入了常用的数码管显示及状态灯显示灯常用电路,使得整个设计更加完整,更加灵活。
它可以实时的显示和设定温度,实现对温度的自动控制。
通过测试表明,本设计对温度的控制有方便、简单的特点,从而大幅提高了被控温度的技术指标。
残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。
【关键词】AT89S51单片机DS18B20温度传感器温度控制继电器
ABSTRACT
Thetemperatureisconstantlyinthedailylifeofphysicalandtemperaturecontrolsinvariousfieldshaveapositivemeaning.Alotofbusinesseshavealotofpowerheatingequipment,suchasthatusedfortheheattreatmentfurnace,formeltingmetalcrucibleresistanceheatersandthevarioususesoftemperaturebins,SCMusingtheirrighttocontrolnotonlyeasytocontrol,simple,suchasthecharacteristicsofflexibility,butcanalsosignificantlyincreasethetemperaturewaschargedwiththetechnicalindicators,whichcangreatlyenhancethequalityoftheproducts.Therefore,intelligenttemperaturecontroltechnologyisbeingwidelyadopted.酽锕极額閉镇桧猪訣锥。
ThetemperaturewasdesignedwiththenowpopularAT89S51SCM,andwithDS18B20digitaltemperaturesensor.Thetemperaturesensorcansetuptheirowntemperaturecollars.SCMwilldetectthatthetemperatureoftheinputsignalandtemperature,thelowercomparisonsthisjudgmentwhethertoactivatetherelaytoopentheequipment.彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。
Thedesignalsoincludescommonlyuseddigitaldisplayandcontrolstatelightscommonlyusedcircuit,makingthewholedesignmorecomplete,moreflexible.Passedthetestsshowthatthedesignofthetemperaturecontrolisconvenientandsimplecharacteristics,thusgreatlyraisingthetemperaturewaschargedwiththetechnicalindicators.謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。
【Keyword】AT89S51microcontrollerDS18B20temperaturesensor厦礴恳蹒骈時盡继價骚。
TemperaturecontrolRelay
前言1
第一章绪论2
第一节温度控制系统设计的背景、发展历史及意义2
第二节温度控制系统的目的2
第三节温度控制系统完成的功能3
第二章系统总体设计方案4
第一节单片机的介绍4
一、单片机的特点...............................................................................................................4茕桢广鳓鯡选块网羈泪。
二、单片机系统的基本组成...............................................................................................4鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。
第二节系统功能的确定和器件选取4
一、单片机的选择...............................................................................................................5籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。
二、显示器的选择...............................................................................................................6預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。
三、温度传感器的选择.......................................................................................................6渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。
第三节温度传感器DS18B20的简介................................................................................7铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。
一、DS18B20的特点..........................................................................................................8擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。
二、DS18B20的内部结构..................................................................................................8贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。
三、DS18B20的工作原理.................................................................................................10坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。
第四节人机交互与串口通信.............................................................................................14蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。
一、人机交互.....................................................................................................................14買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。
二、串口通信.....................................................................................................................14綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。
第三章系统硬件电路设计16
第一节系统结构框图17
第二节人机交互与串口通信单元设计18
一、输入电路设计18
二、显示电路设计18
三、串口通信电路19
第三节控制执行单元设计20
一、键盘单元………………………………………………………………………...…..20
二、温度控制及超温警报单元.........................................................................................22驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。
第四章系统软件设计23
第一节系统软件设计整体思路23
第二节系统主程序流程图24
第三节温度采集子程序流程图25
第四节数据转换子程序流程图26
第五节动态显示子程序流程图27
第六节控制执行子程序流程图28
结论29
参考文献30
致谢31
附录32
一、程序代码.................................................................................................................32猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。
二、英文文献........................................................................................................................37锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。
三、英文翻译........................................................................................................................40構氽頑黉碩饨荠龈话骛。
前言
温度控制系统广泛应用于社会生活的各个领域,如家电、汽车、材料、电力电子等,常用的控制电路根据应用场合和所要求的性能指标有所不同,在工业企业中,如何提高温度控制对象的运行性能一直以来都是控制人员和现场技术人员努力解决的问题。
这类控制对象惯性大,滞后现象严重,存在很多不确定的因素,难以建立精确的数学模型,从而导致控制系统性能不佳,甚至出现控制不稳定、失控现象。
传统的继电器调温电路简单实用,但由于继电器动作频繁,可能会因触点不良而影响正常工作。
控制领域还大量采用传统的PID控制方式,但PID控制对象的模型难以建立,并且当扰动因素不明确时,参数调整不便仍是普遍存在的问题。
而采用数字温度传感器DS18B20,因其内部集成了A/D转换器,使得电路结构更加简单,而且减少了温度测量转换时的精度损失,使得测量温度更加精确。
数字温度传感器DS18B20只用一个引脚即可与单片机进行通信,大大减少了接线的麻烦,使得单片机更加具有扩展性。
由于DS18B20芯片的小型化,更加可以通过单跳数据线就可以和主电路连接,故可以把数字温度传感器DS18B20做成探头,探入到狭小的地方,增加了实用性。
更能串接多个数字温度传感器DS18B20进行范围的温度检测。
輒峄陽檉簖疖網儂號泶。
第一章绪论
第一节温度控制系统设计的背景、发展历史及意义
随着社会的发展,科技的进步,以及测温仪器在各个领域的应用,智能化已是现代温度控制系统发展的主流方向。
特别是近年来,温度控制系统已应用到人们生活的各个方面,但温度控制一直是一个未开发的领域,却又是与人们息息相关的一个实际问题。
针对这种实际情况,设计一个温度控制系统,具有广泛的应用前景与实际意义。
尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。
温度是科学技术中最基本的物理量之一,物理、化学、生物等学科都离不开温度。
在工业生产和实验研究中,像电力、化工、石油、冶金、航空航天、机械制造、粮食存储、酒类生产等领域内,温度常常是表征对象和过程状态的最重要的参数之一。
比如,发电厂锅炉的温度必须控制在一定的范围之内;许多化学反应的工艺过程必须在适当的温度下才能正常进行;炼油过程中,原油必须在不同的温度和压力条件下进行分馏才能得到汽油、柴油、煤油等产品。
没有合适的温度环境,许多电子设备就不能正常工作,粮仓的储粮就会变质霉烂,酒类的品质就没有保障。
因此,各行各业对温度控制的要求都越来越高。
可见,温度的测量和控制是非常重要的。
识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。
单片机在电子产品中的应用已经越来越广泛,在很多的电子产品中也用到了温度检测和温度控制。
随着温度控制器应用范围的日益广泛和多样,各种适用于不同场合的智能温度控制器应运而生。
凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。
第二节温度控制系统的目的
本设计的内容是温度测试控制系统,控制对象是温度。
温度控制在日常生活及工业领域应用相当广泛,比如温室、水池、发酵缸、电源等场所的温度控制。
而以往温度控制是由人工完成的而且不够重视,其实在很多场所温度都需要监控以防止发生意外。
针对此问题,本系统设计的目的是实现一种可连续高精度调温的温度控制系统,它应用广泛,功能强大,小巧美观,便于携带,是一款既实用又廉价的控制系统。
恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。
第三节温度控制系统完成的功能
本设计是对温度进行实时监测与控制,设计的温度控制系统实现了基本的温度控制功能:
当温度低于设定下限温度时,系统自动启动加热继电器加温,使温度上升,同时绿灯亮。
当温度上升到下限温度以上时,停止加温;当温度高于设定上限温度时,系统自动启动风扇降温,使温度下降,同时红灯亮。
当温度下降到上限温度以下时,停止降温。
温度在上下限温度之间时,执行机构不执行。
三个数码管即时显示温度,精确到小数点一位。
鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。
第二章系统总体设计方案
第一节单片机的介绍
一、单片机的特点
①高集成度,体积小,高可靠性
单片机将各功能部件集成在一块晶体芯片上,集成度很高,体积自然也是最小的。
芯片本身是按工业测控环境要求设计的,内部布线很短,其抗工业噪音性能优于一般通用的CPU。
单片机程序指令,常数及表格等固化在ROM中不易破坏,许多信号通道均在一个芯片内,故可靠性高。
硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。
②控制功能强
为了满足对对象的控制要求,单片机的指令系统均有极丰富的条件:
分支转移能力,I/O口的逻辑操作及位处理能力,非常适用于专门的控制功能。
阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。
③低电压,低功耗,便于生产便携式产品
为了满足广泛使用于便携式系统,许多单片机内的工作电压仅为1.8V~3.6V,而工作电流仅为数百微安。
④易扩展
片内具有计算机正常运行所必需的部件。
芯片外部有许多供扩展用的三总线及并行、串行输入/输出管脚,很容易构成各种规模的计算机应用系统。
氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。
⑤优异的性能价格比
单片机的性能极高。
为了提高速度和运行效率,单片机已开始使用RISC流水线和DSP等技术。
单片机的寻址能力也已突破64KB的限制,有的已可达到1MB和16MB,片内的ROM容量可达62MB,RAM容量则可达2MB。
由于单片机的广泛使用,因而销量极大,各大公司的商业竞争更使其价格十分低廉,其性能价格比极高[1]。
釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。
二、单片机系统的基本组成
将CPU、存储器、I/O接口电路集成到一块芯片上,这个芯片称为单片机。
图2.1单片机结构图
单片机作为一片集成了微型计算机基本部件的集成电路芯片,与通用计算机相比,自身不带软件,不能独立运行;存储容量小,没有输入、输出设备,不能将系统软件和应用软件存储到自身的存储器中并加以运行,它自身没有开发功能。
所以,必须借助开发机来完成开发任务,即相应的软、硬件设计和调试以及将调试好的程序固化到自身的存储器中。
怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。
第二节系统功能的确定和器件选取
一、单片机的选择
由于单片机技术在各个领域正得到越来越广泛的应用,世界上许多集成电路生产厂家相继推出了各种类型的单片机,在单片机家族的众多成员中,MCS-51系列单片机以其优越的性能、成熟的技术及高可靠性和高性能价格比,迅速占领了工业测控和自动化工程应用的主要市场,成为国内单片机应用领域中的主流。
谚辞調担鈧谄动禪泻類。
单片机的诞生标志着计算机正式形成了通用计算机系统和嵌入式计算机系统两个分支。
通用计算机系统主要用于海量高速数值运算,不必兼顾控制功能,其数据总线的宽度不断更新,从8位、16位迅速过渡到32位、64位,并且不断提高运算速度和完善通用操作系统,以突出其高速海量数值运算的能力,在数据处理、模拟仿真、人工智能、图像处理、多媒体、网络通信中得到了广泛应用;单片机作为最典型的嵌入式系统,由于其微小的体积和极低的成本,广泛应用于家用电器、机器人、仪器仪表、工业控制单元、办公自动化设备以及通信产品中,成为现代电子系统中最重要的智能化工具。
因此,单片机的出现大大促进了现代计算机技术的飞速发展,成为近代计算机技术发展史上一个重要里程碑[2]。
嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。
由于MCS系列单片机集成了几乎完善的中央处理单元,处理功能强,中央处理单元中集成了方便灵活的专用寄存器,这给我们利用单片机提供了极大的便利。
单片机把微型计算机的主要部件都集成在一块芯片上,使得数据传送距离大大缩短,运行速度更快,可靠性更高,抗干扰能力更强。
由于属于芯片化的微型计算机,各功能部件在芯片中的布局和结构达到最优化,工作也相对稳定。
51的优点是价钱便宜,I/O口多,程序空间大。
因此,测控系统中,使用51单片机是最理想的选择。
单片机属于典型的嵌入式系统,所以它是低端控制系统最佳器件。
单片机的开发环境要求较低,软件资源十分丰富,开发工具和语言也大大简化。
单片机的典型代表是Intel公司在20世纪80年代初研制出来的MCS-51系列单片机。
MCS-51单片机很快在我国得到广泛的推广应用,成为电子系统中最普遍的应用手段,并在工业控制、交通运输、家用电器、仪器仪表等领域取得了大量应用成果[3]。
熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。
以MCS-51技术核心为主导的单片机已成为许多厂家、电气公司竞相选用的对象,并以此为基核,推出许多与MCS51有极好兼容性的CMOS单片机,同时增加了一些新的功能。
这其中就包括AT89S51单片机。
AT89S51是一个低功耗,高性能CMOS8位单片机,片内含4kBytesISP的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造,兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构,芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元。
AT89S51已经在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。
鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。
AT89S51单片机还具有易于学习、成本低、性能强大等优势,能对内部众多I/O端口连接外围设备进行精确操控,具有强大的工控能力。
综上所述,选用AT89S51单片机。
纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。
二、显示器的选择
显示器选用LED。
LED显示器是单片机应用系统中常见的输出器件,而在单片机的应用上也是被广泛运用的。
如果需要显示的内容只有数码和某些字母,使用LED数码管是一种较好的选择。
LED数码管显示清晰、成本低廉、配置灵活,与单片机接口简单易行。
颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。
LED数码管作为显示字段的数码型显示器件,它是由若干个发光二极管组成的。
当发光二极管导通时,相应的一个点或一个笔画发亮,控制不同组合的二极管导通,就能显示出各种字符,常用的LED数码管有7段和“米”字段之分。
这种显示器有共阳极和共阴极两种。
共阴极LED显示器的发光二极管的阴极连在一起,通常此共阴极接地。
当某个发光二极管的阳极为高电平时,发光二极管点亮,相应的段被显示。
同样,共阳极LED显示器的发光二极管的阳极接在一起,通常此共阳极接正电压,当某个发光二极管的阴极接低电平时,发光二极管被点亮,相应的段被显示。
本次设计所用的LED数码管显示器为共阳极。
濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。
LED数码管的使用与发光二极管相同,根据材料不同正向压降一般为1.5~2V,额定电流为10MA,最大电流为40MA。
静态显示时取10MA为宜,动态扫描显示可加大脉冲电流,但一般不超过40MA。
銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。
三、温度传感器的选择
智能温度传感器(亦称数字温度传感器)是微电子技术、计算机技术和自动测试技术(ATE)的结晶。
目前,已开发出多种智能温度传感器系列产品。
智能温度传感器内部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器(或寄存器)和接口电路。
有的产品还带多路选择器、中央控制器(CPU)、随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。
智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量,适配各种微控制器(MCU)。
智能温度传感器的总线技术也实现了标准化、规范化,所采用的总线主要有单线(1-WIRE)总线、I2C
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