基于单片机温度控制系统的设计本科毕设论文

XXXX科技学院毕业设计（论文）

引 言

目前，国内企业的热处理车间，虽然有的已出现微机控制的全自动连续渗碳炉，但其价格却使很多中、小型阿企业望洋兴叹。本文是以单片机温度控制系统正是针对这一问题而设计完成的，同时其控制原理也适用于其他类型的电炉系统的控制。选用了MCS-51系列的AT89S51单片机的控制系统的核心，采用PID控制算法，使用双向晶闸管AC-SSR作为执行元件。工作人员可以从键盘设定被控温度、时间、温度上限及温度下限等工艺参数，按下运行键后，系统将进入自动工作状态，工作结束后，有报警器提醒工作人员。

随着现代工业的逐步发展，在工业生产中，温度、压力、流量和液位是四种最常见的过程变量。其中，温度是一个非常重要的过程变量。例如：在冶金工业、化工工业、电力工业、机械加工和食品加工等许多领域，都需要对各种加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉的温度进行控制。然而，用常规的控制方法，潜力是有限的，难以满足较高的性能要求。采用单片机来对它们进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大的优点，而且可以大幅度提高被测温度的技术指标，从而能够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一个工业生产中经常会遇到的控制问题在现代化的工业生产中，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。采用MCS-51单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态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，从而能够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一个工业生产中经常会遇到的问题。

工业生产过程中经常遇到的温度控制系统是具有大滞后特征的控制系统, 单纯采用PID 算法校正的温度控制系统具有高频扰动大、调整时间长、PID 参数整定困难、有较大超调量等弊端。这里以Intel 公司的MCS-51系列的AT89S51单片机为核心, 引进模糊控制思想来实现对PID 参数整定, 设计了一个简单实用的温度控制系统。实验结果表明, 该系统具有控制参数整定方便、控制精度高、稳定性好等优点。

温度是工业控制中主要的被控参数之一, 特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中, 具有举足重轻的作用。对于不同场所、不同工艺、所需温度高低范围不同、精度不同,则采用的测温元件、测温方法以及对温度的控制方法也将不同产品工艺不同、控制温度的精度不同、时效不同, 则对数据采集的精度和采用的控制算法也不同, 因而, 对温度的测控方法多种多样。随着电子技术和微型计算机的迅速发展,微机测量和控制技术也得到了迅速的发展和广泛的应用。利用微机对温度进行测控的技术, 也便随之而生, 并得到日益发展和完善, 越来越显示出其优越性。本设计即用微机对温度进行实时检测与控制。

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基于单片机温度控制系统的设计

第1章 绪 论

1.1 问题的提出

在现代工业生产中，温度是非常重要的技术参数，在冶金工业、化工生产、电力工程、机械制造和食品加工等工业领域，对温度参数都有不同程度的要求。在本系统中，温度对的控制对象——锅炉来说，是主要的参数。如果锅炉内的温度过高，那么将会有爆炸的危险，国内这样的生产事故也是经常发生的，这将给生产和人们的日常生活带来无法估量的损失。如果温度过低，根本就达不到产品的工艺要求。故而，对锅炉的温度控制十分重要，也是十分必要的。

1.2 系统的功能

本系统的功能主要有数据采集、数据处理、输出控制。能对0～1000 oc范围内的电加热锅炉的温度进行精密测量，同时，四位LED显示器直接跟踪显示被控对象的温度值，准确度高，显示清晰，稳定可靠，使用方便。

数据采集部分能完成对被测信号的采样，显示分辨率0.25oc，测量精度0.25oc，控制精度0.25oc，可以实现采集信号的放大及A/D转换，并自动进行零漂校正，同时按设定值、所测温度值、温度变化速率，自动进行PID参数自整定和运算，并输出0～10mA控制电流，配以主回路实现温度的控制。数据处理分为预处理、功能性处理、抗干扰等子功能。输出控制部分主要是数码管显示控制。

工作流程是：当由传感器（由热敏电阻来实现）传来模拟信号，经放大电路放大之后，送到AD574A A/D转换器，转换为数字信号。此信号送到单片机里，由单片机发出的控制信号分别送到EPPROM X5045、显示接口8155。程序指令由EPPROM X5045送到单片机。经8155输出的信号送到LED数码显示器显示。系统可通过四个按键来设置上下限温度值等,存入EPPROM中。每当锅炉的实际温度高于所设定的上限值或低于下限时，单片机会发出信号驱动声光报警。

传感器 数据采集 单片机 控制电路 图1-1 系统的原理框图

显示电路 越限报警 电热锅炉 按键控制

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第2章 系统硬件电路的设计

本单片机应用系统结构是以单片机为核心外部扩展相关电路的形式。确定了系统中的单片机、存储器分配及输入/输出方式就可大体确定出单片机应用系统的基本组成。

2.1 单片机系统的硬件设计

2.1.1 单片机的选择

在本系统中，考虑到系统的功能需求和目前市场上的单片机应用情况以及与学习的8051单片机的兼容情况，选定MCS-51系统的AT89S51。

AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)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ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。 34 AT89S51具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。其引脚图如图2－1所示。 U1123456781312151431191891716P10P11P12P13P14P15P16P17INT1INT0T1T0EA/VPX1X2RESETRDWRAT89S51RXDTXDALE/PPSEN10113029P00P01P02P03P04P05P06P07P20P21P22P23P24P25P26P27393837363534333221222324252627282 图2-1 AT89S51引脚图 2.1.2 时钟电路的设计 单片机虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外部附加电路。51系列单片机的时钟产生方法有两种。一种是内部时钟方式，另一种是外部时钟方式。 （1） 内部时钟方式 -3- 基于单片机温度控制系统的设计

利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2引脚上外接定时元件，内部的振荡电路便产生自激振荡，用示波器可以观察到XTAL2输出的时钟信号。最常用的内部时钟方式是采用外接晶体（在频率稳定性要求不高而希望尽可能廉价时，可选择陶瓷谐振器）和电容组成的并联谐振回路，不论是HMOS还是CHMOS型单片机其并联谐振回路及参数相同，如图2-2所示

AT89S51

晶振 XTAL1

CX1

CX2

XTAL2

VSS

图2-2 使用片内振荡器的时钟电路

振荡晶体可在1.2MHz~12MHz之间选择，电容值无严格要求，但在电容值取值对振荡频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速度有少许影响，CX1、CX2可在20pF~100pF之间取值，但在60pF~70pF时振荡器有较高的频率稳定性。

在设计印刷电路板时，晶体或陶瓷谐振器和电容应尽可能靠尽单片机芯片安装，以减少寄生电容，更好是保证谐振器稳定和可靠地工作。为了提高温度稳定性，应采用NPO电容。

（2）外部时钟方式

外部时钟方式是利用外部振荡信号源直接接入XTAL1、XTAL2。由于HMOS和CHMOS单片机内部时钟进入的引脚不同（CHMOS型单片机由XTAL1进入，HMOS型单片机由XTAL2进入），其外部振荡信号源接入的方式也不同。HMOS型单片机的外部振荡信号源的接入方法：外部振荡信号接至XTAL2，而内部的反相放大器的输入端XTAL1应接地。由于XTAL2端的逻辑电平不是TTL的，故建议外接一个上拉电阻。在CHMOS电路中，因内部时钟引入端取反相放大器的输入端（即与非门的一个输入端），故采用外部与HMOS型有所不同，外部信号接至XTAL1，而XTAL2可不接地。外部振荡信号通过一个2分频的触发器而成为内部的时钟信号。故对外部信号的占空比没什么要求，但高电平持续时间和低电平持续时间应大于20ns. (3)本设计方案

由于对上述两种方案的分析，在本设计中选择内部时钟方式。电路如图2-3所示。在外部晶体上选用晶体振荡器，频率为11.0592MHz，为提高频率稳定性，CX1、CX2都为30pF。

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