单片机温度控制系统

单片机温度控制系统

一．设计目的

通过基于单片机的温度控制系统大型实验，能综合应用“微机原理”、“计算机控制技术”、“单片机的原理及应用”，“电子技术”以及“自控理论”等课程的基础知识。初步掌握DDC系统和硬件设计、控制器算法设计及应用程序的设计、调试及系统调试。为毕业设计及今后DDC系统开发、研制打下了良好基础。

二．设计要求

设计基于单片计算机的温度控制器。用于控制电加热炉的温度。具体要求如下:

1. 温度连续可调，范围为30℃~150℃

2. 超调量σ%≤20%

3. 温度误差≤±0.5℃

4. 人-机对话方便

5. 控制算法采用PID或改进的PID或其他算法.

三. 所需设备

1. 电加热炉

2. DDC控制器

四. 系统原理框图

五. 单片机硬件系统框图

六. 硬件原理图

七. 硬件印刷板布置图

八. 元器件明细表

九. 元器件数据资料

（一）BS211236 (4位共阴超高亮LED)

（二）LM331 V/F变换器

（三）TD62783达林顿驱动器（8路）

（四）AD590电流型集成温度传感器

1、AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特性如下：

①. 流过器件的电流（μA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：

1=TI r

（μA/K）

—流过器件（AD590）的电流，单位为μA；

式中：I

r

T—热力学温度，单位为K。

②. AD590的测温范围为-55℃～+150℃。

变化1μA，相当③. AD590的电源电压范围为4V～30V。电源电压可在4V~6V范围变化，电流I

r

于温度变化1K。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。

④. 输出电阻为710MΩ。

⑤. 精度高。AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55℃～+150℃范围内，非线性误差为±0.3℃

2、AD590的基本应用电路

图（a）是AD590的封装形式，（b）是AD590用于测量热力学温度的基本应用电路。因为流过

AD590的电流与热力学温度成正比，当电阻R 1

和电位器R 2

的电阻之和为1kΩ时，输出电压V O

随

温度的变化为1mV/K 。但由于AD590的增益有偏差，电阻也有误差，因此应对电路进行调整。调整的方法为：把AD590放于冰水混合物中，调整电位器R 2

，使V O

=273.2mV 。或在室温下(25℃)

条件下调整电位器,使V O

=273.2+25=298.2（mV ）。但这样调整可保证在0℃或25℃附近有较高精

度。

（五）常用数字电路引脚

74LS06为OC门，高压输出

74LS145为BCD—十进制译码器，每一路输出晶体管可吸收高达80mA的电流。

(六）驱动电子器件——双向晶闸管

一、单向晶闸管

晶闸管习惯上称可控硅(整流元件)，英文名为Silicon Controlled Rectifier，简写为SCR.这是一种大功率的半导体器件。它既有单向导电的整流作用,又有可以控制的开关作用.利用它可用较小的功率控制较大的功率。在交、直流电动机调速系统，调功系统，随动系统和无触点开关等方面均获得广泛的应用。如图所示，它的外部有三个电极：阳极A、阴极C、控制极（门极）G。

与二极管不同的是当两端加上正向电压而控制极不加电压时，晶闸管并不导通，其正向电流很小，处于正向电流阻断状态；当加上正向电压，且控制极上（与阴极间）也加上一个正向电压时，晶闸管便进入导通状态，这时管压降很小（1V左右），这时即使控制电压消失仍能保持导通状态。所以控制电压没有必要一直存在。通常采用脉冲形式, 以降低触发功耗。它不具有自关断能力。要切断负载电流,只有使阳极电流减小到维持电流以下,或加上反向电压实现关

断。若在交流回路中应用，当电流过零和进入负半周时，自动关断，为了使其再次导通, 必须重加控制信号。

二、双向控制开关

晶闸管应用于交流电路控制时，如图所示，采用两个器件反并联，以保证电流能够沿正反两个方向流通。如果把两只反并联的SCR制作在同一块硅片上，便构成双向可控硅，控制极共用一个，使电路大大简化，其特性如下：

控制极G上无信号，A1，A2之间呈高阻抗，管子截止。

V

>1.5V时，不论极性如何，便可利用G触发电流控制其导通。

A1A2

工作于交流电时，当每一半周交替时，纯电阻负载一般能够恢复截止；但在感性负载情况下，电流相位落后于电压。电流过零，可能反向电压超过转折电压，使管子反向导通。所以要求管子能够承受这种反向电压，而且一般要加上RC吸收回路。

A1，A2可以调换使用，触发极性可正可负，但触发电流有差异。

双向可控硅经常用做交流电调压,调功，调温和无触点开关。过去其触发脉冲一般都用硬件电路产生。故检测和控制都不够灵活，而在单片机控制应用系统中则经常可以利用软件产生触发脉冲。

三、光耦合双向可控硅驱动器

这种器件是一种单片机输出与双向可控硅之间较理想的接口器件。它由输入和输出两部分组成，输入部分是一砷化镓发光二极管。该二极管在5~15mA正向电流作用下发出足够强度的红外线,触发输出部分。输出部分是一硅光敏双向可控硅，在紫外线的作用下可双向导通。该器件为六引脚双列直插式封装，其引脚配置和内部结构见下图：

有的型号的光耦合双向开关可控硅驱动器还带有过零检测器。以保证电压为零(接近于零)时才可触发可控硅导通。如MOC3030/31/32(用于115V交流)，MOC3040/41(用于220V交流)。

下图是过零电压触发双向可控硅驱动器MOC3040系列的典型应用电路。

在此图中，加上门极电阻R3可提高抗干扰能力，R2为限流电阻，通过调节RIN可使IF=IFT(LED 触发电流)。对MOC3040，IFT=30mA；对MOC3041，IFT=15mA。

下表列出了MOTOROLA公司MOC3040、MOC3041光耦合双向可控硅驱动器的参数。

(七) X25045

现代单片机引用系统要求功能齐全、价格低廉。在单片机系统设计中，看门狗功能、断电后能保存数据和上电、掉电复位电路功能对某些系统是非常必要的。武汉力源公司经销的美国Xicor 公司生产的X25045.就是集上述功能与一体的产品。该器件的应用将有利于简化单片机系统的结构，提高系统的性能。

一、X25045的功能

X25045有三种功能：看门狗定时器、电压监控和E2PROM.

1、看门狗

看门狗定时器对微控制器提供了独立的保护系统。它提供了三种定时时间，可用编程原则

200ms,600ms和6.4s,在设定的时间内如果没有对X25045进行访问，则看门狗以RESET信号做输出响应，即变为高电平，延时约200ms的稳定时间后RESET由高电平变为低电平。

2、电压监控

上电时，电源电压超过4.5V后，经过约200ms的稳定时间后RESET信号由高电平变为低电平。掉电时，电源电压低于4.5V时，RESET信号立即变为高电平并一直保持到电源恢复到稳定为止。

3、E 2

PROM存储器

X25045的存储部分是COMS的4096位串行E 2

PROM。它在内部按照512×8来组织。采用三线总

线工作的串行接口一次最多可以写4个字节。

二、外部引脚

引脚排列如图所示。

SO：串行输出。数据由此引脚移出，串行时钟(SCK)的下沿同步输出数据。

SI：串行输入。所有操作码字节地址以及写入的数据在此引脚上输入。数据由串行时钟的上升沿锁存。

SCK：串行时钟。

CS：片选。当WP为低电平时，X25045能工

作。CS电平变化将复位看门狗的定时器。

WP：写保护。当WP低电平时向X25045的非易失性写操作被禁止，但是器件的其他功能仍能正常工作。WP为高电平时所有功能正常。

RESET：复位。高电平有效，漏极开路输出方式。用于电源检测和看门狗时输出。

Vss: 地。

Vcc: 电源电压。有两种芯片，一种是4.5~5.5 V，一种是2.7~5.5 V。

三、工作原理

X25045共有６条操作指令。如表。

其中WIP 位由WREN 指令设定为1，在下列情况之一可使WIP 复位为0。 a ．执行WRDI 。 b ．上电时。

c ．字节、页或状态寄存器写周期完成之后。

d ．WP 脚变为低电平。

WEL 是只读位，在X25045的周期内该位为1，写结束后为0，写入周期约10ms 。 BL0、BL1是对E 2

PROM 块进行保护，对被保护的段只能读（见下表一）。 WD0、WD1控制看门狗状态。（见下表二）

十． 软件框图示例 1、主程序框图

定时器T 0被初始化设定为：常数自动重装8位定时/计数器方式，定时时间为250μs ，溢出产生中

断。中断子程序中对各计数单元进行处理，建立程序运行的内部时钟。

定时器T1被初始化设定为：计数方式。记录一段时间内的外部输入方波数。T1输入端与V/F变换器输出相连，读取值与温度成正比。

初始化后，各子程序顺序调用执行，但执行的频率应不相同，如显示子程序可控制为1ms执行一次，而采样子程序只需1s执行一次，进入子程序后首先判断时间计数器即可实现对子程序执行周期的控制。

2、显示、键盘、输出、采样、PID处理等子程序结构图

3、采样子程序框图

4、中断子程序框图：

5、显示程序框图

对显示缓冲区内的数据逐个扫描输出，每次只显示一位，并输出相应的位码。

6、PID控制程序框图