温度控制器设计论文

第一章系统设计1.1 引言在工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。

其中，温度控制也越来越重要。

在工业生产的很多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。

采用单片机对温度进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而大大提高产品的质量和数量。

因此，单片机对温度的控制问题是工业生产中经常会遇到的控制问题。

目前应用的温度检测系统大多采用由模拟温度传感器、多路模拟开关、A／D转换器及单片机等组成的传输系统。

这种温度采集系统需要大量的测温电缆，才能把现场传感器的信号送到采集卡上．安装和拆卸繁杂，成本也高。

同时线路上传送的是模拟信号，易受干扰和损耗，测量误差也比较大，不利于控制者根据温度变化及时做出决定。

针对这种情况，本文提出一种采用数字化单总线技术的温度采集系统，并利用Proteus和KeilμVision 3软件对设计电路进行综合虚拟仿真，实现了温度实时测量和显示。

1.2 方案论证方案一采用普通电阻式温度传感器，放大器，A/D转换器作为测量温度的电路。

采用两种不同材质的导体，如在某点互相连接在一起，对这个连接点加热，在它们不加热的部位就会出现电位差。

这个电位差的数值与不加热部位测量点的温度有关，和这两种导体的材质有关。

这种现象可以在很宽的温度范围内出现，如果精确测量这个电位差，再测出不加热部位的环境温度，就可以准确知道加热点的温度。

由于它必须有两种不同材质的导体，所以称之为“热电偶”。

不同材质做出的热电偶使用于不同的温度范围，它们的灵敏度也各不相同。

热电偶的灵敏度是指加热点温度变化1℃时，输出电位差的变化量。

对于大多数金属材料支撑的热电偶而言，这个数值大约在5～40微伏／℃之间。

热电偶传感器有自己的优点和缺陷，它灵敏度比较低，容易受到环境干扰信号的影响，也容易受到前置放大器温度漂移的影响，因此不适合测量微小的温度变化。

由于热电偶温度传感器的灵敏度与材料的粗细无关，用非常细的材料也能够做成温度传感器。

也由于制作热电偶的金属材料具有很好的延展性，这种细微的测温元件有极高的响应速度，可以测量快速变化的过程。

方案二采用数字可编程温度传感器作为温度检测元件。

数字可编程温度传感器可以直接读出被测温度值。

不需要将温度传感器的输出信号接到A/D转换器上，减少了系统的硬件电路的成本和整个系统的体积。

美国Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器，在其内部使用了在板（ON-B0ARD）专利技术。

全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。

“一线总线”独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。

现在，新一代的DS18B20体积更小、更经济、更灵活。

使你可以充分发挥“一线总线”的优点。

同DS1820一样，DS18B20也支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55°C～+125°C，在-10～+85°C范围内，精度为±0.5°C。

现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。

适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。

与前一代产品不同，新的产品支持3V～5.5V 的电压范围，使系统设计更灵活、方便。

而且新一代产品更便宜，体积更小它还有很多特性：适应电压范围更宽，电压范围：3.0～5.5V，寄生电源方式下可由数据线供；独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯；DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温；DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内；温范围－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃；可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温；在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快；测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力；负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。

方案论证方案一硬件电路复杂，需要设计A/D转换电路，以及与其相关的编程，总体设计起来较困难，软件、硬件调试复杂，硬件成本较高。

而且器传感器有以下缺点：它灵敏度比较低，容易受到环境干扰信号的影响，也容易受到前置放大器温度漂移的影响。

所以总体来说，方案一在硬件、软件上的成本都比较高，而且易受外部环境的影响，系统工作不稳定。

方案二由于采用的是具有一总线特点的温度传感器，所以电路连接简单；而且该传感器拥有强大的通信协议，同过几个简单的操作就可以实现传感器与单片机的交互，包括复位传感器、对传感器读写数据、对传感器写命令。

软件、硬件易于调试，制作成本较低。

也使得系统所测结果精度大大提高。

经过对这两种方案的比较，本设计决定采用方案二。

第二章硬件设计2.1 电路原理图2.2 单片机STC89C52介绍单片机时钟电路复位电路1602Ds18b20 电源2.2.1单片机功能介绍2.2.2 单片机引脚功能描述2.3 1602液晶显示介绍1602管脚功能1602字符型LCD通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线VCC(15脚)和地线GND(16脚)，其控制原理与14脚的LCD完全一样2.4 DS18B20温度传感器介绍2.4.1 功能介绍2.4.2 DS18B20温度传感器的存储器2.4.3 DS 18B20的内部逻辑图2.4. 4 DS18B20读写时序主机使用时间间隙（time slots）来读写DS18B20的数据位和写命令字的位2.4.5 DS18B20存储器操作命令2.4.6 DS18B20温度传感器与单片机的接口电路2.5 时钟电路时钟电路是用来产生STC89C52单片机工作时所必须的时钟信号，STC89C52本身就是一个复杂的同步时序电路，为保证工作方式的实现，STC89C52在唯一的时钟信号的控制下严格的按时序执行指令进行工作，时钟的频率影响单片机的速度和稳定性。

通常时钟由于两种形式：内部时钟和外部时钟。

我们系统采用内部时钟方式来为系统提供时钟信号。

STC89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，该放大器的输入输出引脚为XTAL1和XTAL2，它们跨接在晶体振荡器和用于微调的电容，便构成了一个自激励振荡器。

电路中的C1、C2的选择在30PF左右，但电容太小会影响振荡的频率、稳定性和快速性。

晶振频率为在1.2MHZ～12MHZ之间，频率越高单片机的速度就越快，但对存储器速度要求就高。

为了提高稳定性我们采用温度稳定性好的NPO电容，采用的晶振频率为12MHZ。

本次系统的时钟电路设计如图3.2所示。

2.6 复位电路为确保微机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，复位电路的第一功能是上电复位。

一般微机电路正常工作需要供电电源为5V±5%，即4.75～5.25V。

由于微机电路是时序数字电路，它需要稳定的时钟信号，因此在电源上电时，只有当VCC超过4.75V低于5.25V 以及晶体振荡器稳定工作时，复位信号才被撤除，微机电路开始正常工作。

第三章软件设计3.1 程序流程图首先要根据系统的总体功能和键盘设置选择一种最合适的监控程序结构，然后根据实时性的要求，合理地安排监控软件和各执行模块之间地调度关系。

本部分详细介绍了基于AT89C52单片机的多路温度采集控制系统的软件设计。

根据系统功能，可以将系统设计分为若干个子程序进行设计，如温度采集子程序，数据处理子程序、显示子程序、执行子程序。

采用Kiel uVision3集成编译环境和汇编语言来进行系统软件的设计。

本章从设计思路、软件系统框图出发，先介绍整体的思路后，再逐一分析各模块程序算法的实现，最终编写出满足任务需求的程序。

并对温度进行实时显示。

采用C语言编写代码, 鉴于篇幅限制及DS18B20 的应用已经规范和成熟, 本文仅就主程序流程图和显示子程序流程图及其代码进行说明。

P0.1口的PWM脉冲波通过定时器T0 定时来实现, 在此不再赘述。

主程序流程图主程序通过调用温度采集子程序完成温度数据采集, 然后调用温度转换子程序转换读取温度数据,调用显示子程序进行温度显示和判断温度数据。

主程序（见附录2）调用四个子程序，分别是温度采集程序、数码管显示程序、温度处理程序和数据存储程序。

温度采集程序：对温度芯片送过来的数据进行处理，进行判断和显示。

数码管显示程序：向数码的显示送数，控制系统的显示部分。

温度处理程序：对采集到的温度和设置的上、下限进行比较，做出判断，向继电器输出。

数据存储程序：对键盘的设置的数据进行存储。

系统流程图如图4.1：各个模块子程序设计一、温度采集程序温度采集子程序流程图如下：图4.2 温度采集子程序流程图二、温度显示模块温度显示子程序流程图如下：三、温度处理程序具体程序见附录3.2 keiluVision的简介3.3 Proteus的简介第四章调试调试程序编译程序，检查错误，如果没有错误按ctrl+f5进行编译实物图第五章课程设计总结经过两周的设计和实践，本设计已经完成了一个比较完整的温度采集系统。

它可以通过键盘输入温度上限、下限值，然后计算其上限和下限的中间值作为最适温度值。

不断的采集温度值，显示温度值，如果发现采集的温度值高于上限值就通过相应的提示灯亮。

如果采集的温度值低于下限值，那么也有相应的灯提示操作人员。

如果并没有超过上下限则不会报警。

由于要把温度值控制在最适温度处，所以当采集到的温度高于最适温度时连接散热装置的继电器就通电，然后开始散热。

如果采集到的温度低于最适温度时，连接加温装置的继电器就通电，然后就开始加温。

整个体统已经达到了闭环控制的要求。

可以应用于一些应用场合，基本满足了对于温度自动控制的需要。

致此本人设计基本完成了预期的目标，系统在温度采集、温度处理和键盘处理方面做的比较好，而在数据的存储和数码管的显示方面不够理想。

主要存在以下几个方面：（1）程序的代码不够精练，浪费STC89C52内的FLASH ROM；（2）未对以前的温度数值进行存储，使以后不能利用这些数据；（3）对液晶显示的控制考虑不周，以致出现闪烁现象；参考文献【1】李朝青.单片机原理及接口技术（简明修订版）.杭州：北京航空航天大学出版社，1998【2】李广弟.单片机基础［Ｍ］.北京：北京航空航天大学出版社，1994【3】阎石.数字电子技术基础（第三版）. 北京：高等教育出版社，1989【4】廖常初.现场总线概述［J］.电工技术，1999.【5】徐仁贵等编著.《单片微型计算机应用技术》.北京:机械工业出版社.2001年2月第1版【6】张毅刚等编著.《单片机原理及应用》. 北京：高等教育出版社.2004年1月第1版附录1 系统原理图附录2 系统硬件元器件清单表2-1系统硬件清单器件名称数量LED发光二级管1个蜂鸣器1个液晶显示屏1个三极管1个DS18B20 1个电容若干电阻若干导线若干排阻1个开关1个晶振1个附录3源程序#include <at89x51.h>//用AT89C51时就用这个头文件//#include <reg52.h>//用华邦W78E58B时必须用这个头文件#include <absacc.h>#include <ctype.h>#include <math.h>#include <stdio.h>#include <string.h>#include <DS18B20.h>#include "LCD1602.h ////液晶显示头文件//sbit DQ = P3^4 //定义DQ引脚为P3.4unsigned char t[2] //用来存放温度值,测温程序就是通过这个数组与主函数通信的unsigned char TempBuffer1[9]={0x2b,0x31,0x32,0x32,0x2e,0x30,0x30,0x43,'\0'}; //显示实时温度,上电时显示+125.00CunsignedcharTempBuffer0[17]={0x54,0x48,0x3a,0x2b,0x31,0x32,0x35,0x20,0x54,0x4c,0x3a,0x2b,0 x31,0x32,0x34,0x43,'\0'}; //显示温度上下限,上电时显示TH:+125 TL:+124Cunsigned char code dotcode[4]={0,25,50,75};/***因显示分辨率为0.25,但小数运算比较麻烦,故采用查表的方法*******再将表值分离出十位和个位后送到十分位和百分位********************/void covert0( unsigned char TH, unsigned char TL) //将温度上下限转换为LCD显示的数据{if(TH>0x7F) //判断正负,如果为负温,将其转化为其绝对值{TempBuffer0[3]=0x2d; //0x2d为"-"的ASCII码TH=~TH;TH++;}else TempBuffer0[3]=0x2b; //0x2B为"+"的ASCII码if(TL>0x7f){TempBuffer0[11]=0x2d; //0x2d为"-"的ASCII码TL=~TL+1;}else TempBuffer0[11]=0x2b; //0x2B为"+"的ASCII码TempBuffer0[4]=TH/100+0x30; //分离出TH的百十个位if( TempBuffer0[4]==0x30) TempBuffer0[4]=0xfe; //百位数消隐TempBuffer0[5]=(TH%100)/10+0x30; //分离出十位TempBuffer0[6]=(TH%100)%10+0x30; //分离出个位TempBuffer0[12]=TL/100+0x30; /分离出TL的百十个位if( TempBuffer0[12]==0x30) TempBuffer0[12]=0xfe; //百位数消隐TempBuffer0[13]=(TL%100)/10+0x30; //分离出十位TempBuffer0[14]=(TL%100)%10+0x30; //分离出个位}void covert1(void) //将温度转换为LCD显示的数据{unsigned char x=0x00,y=0x00;t[0]=*pt;pt++;t[1]=*pt;if(t[1]>0x07) //判断正负温度{TempBuffer1[0]=0x2d; //0x2d为"-"的ASCII码t[1]=~t[1]; /*下面几句把负数的补码*/t[0]=~t[0]; /* 换算成绝对值*********/x=t[0]+1; /***********************/t[0]=x; /***********************/if(x>255) /**********************/t[1]++; /*********************/}else TempBuffer1[0]=0x2b; //0xfe为变"+"的ASCII码t[1]<<=4; //将高字节左移4位t[1]=t[1]&0x70; //取出高字节的3个有效数字位x=t[0]; //将t[0]暂存到X,因为取小数部分还要用到它x>>=4; //右移4位x=x&0x0f; //和前面两句就是取出t[0]的高四位t[1]=t[1]|x; //将高低字节的有效值的整数部分拼成一个字节TempBuffer1[1]=t[1]/100+0x30; //+0x30 为变0~9 ASCII码if( TempBuffer1[1]==0x30) TempBuffer1[1]=0xfe; //百位数消隐TempBuffer1[2]=(t[1]%100)/10+0x30; //分离出十位TempBuffer1[3]=(t[1]%100)%10+0x30; //分离出个位t[0]=t[0]&0x0c; //取有效的两位小数t[0]>>=2; //左移两位,以便查表x=t[0];y=dotcode[x]; //查表换算成实际的小数TempBuffer1[5]=y/10+0x30; //分离出十分位TempBuffer1[6]=y%10+0x30; //分离出百分位}void delay(unsigned char i){while(i--);}main(){unsigned char TH=110,TL=-20; //下一步扩展时可能通过这两个变量,调节上下限//测温函数返回这个数组的头地址while(1){pt=ReadTemperature(TH,TL,0x3f);//上限温度-22,下限-24,分辨率10位,也就是0.25C//读取温度,温度值存放在一个两个字节的数组中,delay(100);covert1();covert0(TH,TL);LCD_Initial() //第一个参数列号,第二个为行号,为0表示第一行//为1表示第二行,第三个参数为显示数据的首地址LCD_Print(0,0,TempBuffer0);LCD_Print(0,1,TempBuffer1);}}。