温度测量控制系统课程设计(张仁红)

任务书

一．课程设计内容

设计题目：温度测量控制系统

设计内容：

1．设计一个独立的两路温度测量控制系统。

2．温度控制在38℃--40℃之间,测温精度±0。1℃。

3．要求显示测量的温度信号。

二．课程设计应完成的工作

1．设计文本不少于5000字；

2．图纸：A3电路原理图一张。

3．文本格式：

（1）封面；（2）任务书；（3）摘要；（4）目录；（5）引言（绪论或前言）；

（6）设计正文（选题背景、方案论证、设计过程，结果分析与仿真、总结）；（7）参考文献。

三．课程设计进程安排

四、设计资料及参考文献

[1]孙梅生电子技术基础课程设计[M].高等教育出版社.1990年

[2]江晓安模拟电子技术[M].西安:电子科技大学出版社.2007年

[3]江晓安数字电子技术[M].西安:电子科技大学出版社.2008年

[4]王毓银数字电路逻辑设计[M].北京:高等教育出版社1999年

[5]李建忠单片机原理及应用[M].西安电子科技大学出版社 2005

摘要

本文采用了AD590作为温度传感器把热信号转变成电信号，电信号再经过放大，经过模数转换再输入到CPU。控制器采用PID控制算法，温度控制的原理是通过调整晶闸管的导通时间来调节加热主回路的有效电压,从而达到温度控制的目的。系统由AT89C51单片微机、温度传感器、A/D转换器、键盘及显示电路、晶闸管触发电路等组成的控制器和被控对象电阻炉构成一个闭环控制系统。系统控制程序采用模块化设计结构，主要包括主程序、中断服务子程序、控制算法子程序等。系统采用过零触发等技术，省去了传统的D/A转换元件，简化了电路，并且提高了系统的可靠性。

关键字：AT80C51、AD590、A/D0809、光耦合器件

任务书 (1)

摘要 (2)

目录 (3)

引言 (4)

一方案论证与比较 (5)

1.0 采用DSP控制的温度控制系统 (5)

1.1采用单片控制的温度控制系统 (5)

1.2 方案比较 (6)

1.3 方案总结 (7)

二硬件电路 (8)

2.0 温度传感器 (8)

2.1 模数转换器ADC0809 (9)

2.2 单片机控制核心部分 (10)

2.3 输出显示 (11)

2.4 加热电路 (12)

2.5 降温电路 (13)

三软件编程 (14)

致谢 (18)

参考文献 (19)

附录 (20)

电子技术的飞速发展，给人类的生活带来了根本的变革，特别是随着大规模集成电路的产生而出现了微型计算机，根式将人类社会带入了一个新的时代。利用微机的强大功能。人们可以完成各种各样的控制。然而，微机造价高，对于大多数的工业控制来说，也并不需要微机那样强大的功能，于是单片机就是运用而生的内嵌微型计算机。它将微机的cpu，存储器，I/O接口、定时器/计数器等集成在一块芯片上就是单片机了，它主要用来完成各种控制功能。相对微机来说，单片机价格低，非常适合于应用在简单的控制场合以降低成本。另外，单片机是依靠其高的可靠性和极高的性价比，在工业控制，数据采集，只能化仪表，家用电器等方面得到极为广泛的应用。

现代工业设计，工程建设及日常生活中温度控制都起着重要的作用，早期的温度控制主要用于工厂时间生产中，能起到实时采集温度数据，提高生产效率，产品质量之用。随着人们生活质量的提高，现代社会中的温度控制不仅应用在工厂生产方面也应用于酒店，厂房以及家庭生活中，在有些应用中，如高精度的生产厂房，对温度的要求及其严格，温度的变化极有可能对生产的产品造成极大的影响。因此，这就需要一种能够及时检测温度变化以及温度变化的设备，提供温度数据值，使人们对温度的变化做及时的调整，多点温度控制可根据人们不同的应用环境自行设置该环境的温度值，及时反映生产，生活中温度变化时人们能及时看到温度变化的第一手资料，提示人们温度变化情况，协助人们能及时的调整，起到温度报警作用，使温度控制更好的服务于社会生产、生活。多点温度控制采用常用的AT89C51单片机进行设计，温度采集使用具有非常高的线性输出性能的DA590温度传感器，根据精度要求利用8为分辨率的ADC0809模数转换器。利用译码芯片MC14495外接LED显示器对温度信号进行显示输出。

一、方案论证比较

1.0、采用DSP控制的温度控制系统

方案设计流程图：

本温控系统是将温度传感器DS18B20检测到的温度值与给定温度值进行比较，得出差值，然后通过模糊PID算法计算出控制量。该控制量控制DSP中PWM的输出，PWM的输出通过光电耦合器送至驱动电路控制热电模块的功率。在温控中采用两路PWM，经功率放大后分别控制制冷单元和加热单元。同时PC机上设计了用户操作界面，利用DSP的串行口与PC机进行串行通信，可以实现系统工作参数的设定和控制曲线的显示等任务。

1.1、采用单片控制的温度控制系统

方案流程图：

本文采用了AD590作为温度传感器把热信号转变成电信号，电信号再经过放大，经过模数转换再输入到CPU。由AT89C51单片微机、温度传感器、A/D转换器、键盘及显示电路、晶闸管触发电路等组成的控制器和被控对象电阻炉构成一个闭环控制系统。系统控制程序采用模块化设计结构，主要包括主程序、中断服务子程序、控制算法子程序等。系统采用过零触发等技术，省去了传统的D/A 转换元件，简化了电路，并且提高了系统的可靠性。

1.2、方案比较

目前看来，单片机比DSP应用范围更广，但是DSP比单片机功能更强大。单片机一般用于要求低的场合，如4/8位的单片机。DSP适合于要求较高的场合，DSP主要面向数字信号处理设计，而单片机主要面向系统控制应用设计。DSP是单片机的一个分支。它有专门的FFT算法需要的特殊指令，流水线指令处理。能以较高的速度进行运算。与单片机相比，DSP器件具有较高的集成度。DSP具有更快的CPU，更大容量的存储器，内置有波特率发生器和FIFO缓冲器。提供高速、同步串口和标准异步串口。有的片内集成了A/D和采样/保持电路，可提供PWM输出。DSP器件采用改进的哈佛结构，具有独立的程序和数据空间，允许同时存取程序和数据。内置高速的硬件乘法器，增强的多级流水线，使DSP器件具有高速的数据运算能力。DSP器件比16位单片机单指令执行时间快8～10倍，完成一次乘加运算快16～30倍。DSP器件还提供了高度专业化的指令集，提高了FFT快速傅里叶变换和滤波器的运算速度。此外，DSP器件提供JTAG接口，具有更先进的开发手段，批量生产测试更方便，开发工具可实现全空间透明仿真，不占用用户任何资源。软件配有汇编/链接C编译器、C源码调试器。下面是单片机与DSP的比较图。

1.3、方案总结

从单片机和DSP的比较来看，本设计采用了性价比较高的单片机作为控制核心。

二、硬件电路

2.0、温度传感器

温度传感器的非线性是影响测温精度的主要因素之一，模拟式测温仪表如增大量使用的XCZ动圈仪表，就因非线性难以得到校正而影响了精度。采用单片机进行测温时，必须首先了解温度传感器的工作原理及特性，才能发挥单片机的优势，用软件的方法对非线性进行补充。

根据课题要求和查资料，我采用了AD590作为本课题的温度传感器。下面是对AD590性能的简单介绍：

1、AD590的特征：

1）、线性电流输出：1uA/K,正比于热力学温度。

2)、测宽温度范围：-55····+150℃。

3）、精度高：激光校准精度到℃

±。

5.0

4）、线性好：满量程范围℃

±。

3.0

5）、电源范围宽:+4····+30℃。

6）、温度每增加1℃，它会增加1uA输出电流。

其输出电流时以绝对零度（-273℃）为基准，每增加1uA输出电流，因此在室温25℃时，其输出电流Iout=273+25=298uA。基本电路图为：

2、本设计的温度采集及放大部分为：

电路分析：

1）、AD590的输出电流I=（273+T）uA，因此测量的电压V=（273+T）uA×10K=（2.73+T/100）V。为了将电压测量出来又不使输出电流I分流出来，我们使用电压跟随器其输出电压V2等于输入电压V。

2）、由于一般电源供应较多器件之后，电源是带杂波的，因此我们使用齐纳管作为稳压元件，再利用可变电阻分压，其输出电压V1需调整至2.73V。

3）、接下来我们使用差动放大器输出V0为（100K/10）×（V2-V1）=T/10,如果现在为摄氏28℃，输入电压为2.8V，输出电压接AD转换器，那么AD转换输出的数字量就和摄氏温度成线性比例关系。

2.1、模数转换器ADC0809

A/D转换器的功能是将输入的模拟信号转换成一组多位的二进制数字输出。

1、A/D转换器的主要技术指标

1）、分辨率

A/D转换器的分辨率用输出二进制数的位数表示，位数越多，误差越小，转换精度越高。例如，输入模拟电压的变化范围为0～5V，输出8位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V×2－8＝20mV；而输出12位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V×2－12≈1.22mV。

2）、相对精度

在理想情况下，所有的转换点应当在一条直线上。相对精度是指实际的各个转换点偏离理想特性的误差。

3）、转换速度

转换速度是指完成一次转换所需的时间。转换时间是指从接到转换控制信号开始，到输出端得到稳定的数字输出信号所经过的这段时间。

2、本设计中的A/D转换器

上图中，ADC0809的转换市中由单机的ALE提供的。因此ADC0809的典型转换频率为640KHz，ALE的信号频率与晶振频率有关，如果晶振频率取12MHz，则ALE的频率为2M（为晶振频率的1/6），所以ADC0809的时钟CLK与单片机的ALE 端相接时，需要考虑分频。51单片机通过地址线P2.0和读、写控制线WR

RD来

、

控制转换器的模拟输入通道地址锁存、启动和输出允许。模拟输入通道地址的译码输入ADDA~ADDC由P1.0~P1.2提供，因ADC0809具有通道地址锁存功能，故P1.0~P1.2不需经锁存器接入ADDA~ADDC。根据P2.0和P0.0~P0.2的链接方法，8个模拟输入通道的地址依IN0~IN7顺序为FEF8H~FEFFH。

2.2、单片机控制核心部分

单片机是我们整个控制的主要核心，用于对信号的处理、控制。当温度信号通过模数转换器转换成数字信号送入单片机之后，由程序进行对信号的处理、显示和控制。当温度超过要求的温度范围时我们利用控制器进行降温或者升温已达到我们需要的温限和精度。

现在我们使用的单片机一般都是由cpu、存储器、I/O接口和一些实时性控制器件构成的内嵌系统。实时控制器件包含的内容十分广泛，可以包括定时器/计数器、中断控制、看门狗、DMA、串行口、传感器等。

下面是单片机的两个主要的部分：

1）、晶振电路

单片机的定时控制功能是有片内的时钟电路和定时电路来完成的，而片内的时钟产生有两种：内部时钟方式和外部时钟方式。我采用的是内部时钟方式，如下图。片内高增益反向放大器通过XTAL1、XTAL2外接作为反馈元件的晶体与电容组成并联谐振回路，构成一个自激振荡器向内部时钟电路提供振荡时钟。振荡器的频率主要取决于晶体的振荡频率，一般晶体可在1.2~12MHz之间任选；电容C1、C2的值则有微调作用，通常选取30pF左右。

2）、51单片机的复位方式主要有：电复位和按钮复位。

所谓上电复位是指计算机加电瞬间，要在RST引脚上出现大于10ms的正脉冲，是单片机进入复位状态。按钮复位是指用户按下“复位”按钮，是单片机进入复位状态。如上图采用的是上电复位，即+5V电源立即对单片机芯片供电，同时经R对最右边的电容c充电。C3上电压建立的过程就产生一定宽度负脉冲，经反相后，RST上出现正脉冲，使单片机实现了上电复位。

2.3、输出显示

本设计中采用了占用I/O口线少的LED动态显示方式和LED共阳极的方式。

数据经过单片机输出之后还需要一个译码电路，将数字的二进制码转换成LED 的段选码。如下图，采用了单片机的P0.0.~P0.3接口作为单片机的输出端或LED 的输入端，经过译码芯片MC14495送入到LED进行显示。同时由P2.5~P2.7一个外接74LS138译码器控制LED位选端。

2.4、加热电路

如上图所示：光偶晶闸管与单片机的连接。图中7407作为光偶的输入驱动，R作为限流电阻，使光耦的输入触发电流控制在10~30mA之间。对于具有控制端的光耦晶闸管，不用时通过10K的电阻接阴极。图中Rs和Cs构成了无功负载的补偿，以维持负载电压并吸收感性电流，保护可控硅及晶闸管输出光耦不至于损坏。

2.5、降温电路

当当前显示的温度值高于给定的上限温度40℃时，采取降温手段。如上图的降温电路，接于单片机的p2.3接口。采用的是通过继电器来控制小功率电风扇来完成的。

第三、软件编程主要流程图：

A/D转换器与单片机连接的程序：

初始化程序：

MOV R0,#30H

MOV R2,#08H

SETB IT0

SETB EA

SETB EX0

MOV DPTR,#FEF8H

LOOP: MOV DPTR,#FEF8H

HERE: SJMP HERE

中断服务程序：

MOVX A,@DPTR

MOVX @R0,A

INC DPTR

INC R0

DJNZ R2,INT0

CLR EA

CLR EX0

RETI

INT0: MOVX @DPTR,A

RETI

温度控制：

ORG 0400H;

CALCU: MOV R2,#01H;

MOV DPTR,#DATATAB;

NEXT1: MOV A,R2;

MOVC A,@A+DPTR;

CJNE A,20H,K1;

DEC R2;

MOV A,R2;

MOVC A,@A+DPTR;

LJMP K3;

K1: JNC K2; 大于当前温度的数字电压值，则继续取出下一温度的数字电压进行比较

DEC R2; 小于当前温度的数字电压值，则查表取出前一个温度值作为当前温度值

DEC R2

DEC R2

MOV A,R2;

MOVC A,@A+DPTR;

LJMP K3;

K2： NC R2;

INC R2;

LJMP NEXT1;

K3: MOV 21H,A; 将当前温度值存于21H单元RET;

LED显示程序：

DISP: SETB P0.0

SETB P0.1

SETB P0.2

SETB P0.3

CLR P2.1

MOV A,37H

ADD A,#00H

MOVX @R0,A

CALL DELAY

MOV A,36H

ADD A,#10

MOVX @R0,A

CALL DELAY

MOV A,35H

ADD A,#00H

MOVX @R0,A

CALL DELAY MOV A,#10H MOVX @R0,A CALL DELAY MOV A,33H

致谢

本次课程设计是在我的指导老师黄润林的亲切关怀和悉心指导下完成的。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，黄老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。两年多来，郑教授不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，在此谨向郑老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。

参考文献:

[1]孙梅生电子技术基础课程设计[M].高等教育出版社.1990年

[2]江晓安模拟电子技术[M].西安:电子科技大学出版社.2007年

[3]江晓安数字电子技术[M].西安:电子科技大学出版社.2008年

[4]王毓银数字电路逻辑设计[M].北京:高等教育出版社1999年

[5]李建忠单片机原理及应用[M].西安电子科技大学出版社 2005

[6]张洪润傅谨新传感器应用电路200例[M].北京航空航天大学出版社2006年

[7]何许才薛永毅传感器及其应用实例[M].机械工业出版社2004年

[8]何立民单片机应用文集[M].北京航天航空大学出版社1991年