基于单片机的温度及压力智能控制系统设计

基于单片机的温度及压力智能控制系统设计

摘 要

本文设计了以AT89C51单片机为核心的温度和压力控制系统的工作原理以及设计方法。温度信号由温度传感器PT100采集，再由变送器将信号变换为0-5V的信号给PCF8591芯片。单片机最后通过IIC总线将模拟量信号读回来或者发送出去。压力信号也是由压力传感器采集回来，再由变送器变换为0-5V的电压信号给PCF8591芯片。PCF8591芯片是支持4路模拟量输入，1路模拟量输出的8位芯片，并且支持IIC总线，最大可以同时接8个同样的芯片。单片机将采集回来的信号经过计算与处理后将温度和压力值显示在LCD1602液晶上，设计中介绍了控制系统的硬件电路，包括：温度、压力检测电路、温度控制电路、压力控制电路、电源电路、报警电路、显示电路、单片机最小系统电路、按键电路和其他一些单片机的接口电路。本设计中还介绍了软件程序编写部分，都采用模块化的结构编程。软件程序部分主要包括：主程序、显示程序、温度和压力采集子程序、按键子程序、控制输出子程序等。 关键词：A/D转换；单片机；温度及压力采集；智能控制

1.1研究背景及现状

单片机自从20世纪70年代产生以来，已经广泛地应用在工业自动化控制、自动检测、机电一体化设备、智能仪器仪表、家用电器、汽车电子等各个方面。单片机具有功能齐全，抗干扰能力强，应用可靠，前景广阔，简单方便等优点。此外，单片机还具有体积小、应用灵活性强、性能价格比高等特点，在嵌入式微控制系统中具有非常重要的地位。从工业自动化、智能仪器仪表、自动控制、消费类电子产品等方面直到国防尖端技术领域，单片机都起着十分重要的作用。

近些年来，随着微机的发展，单片机的应用在人们的日常生活和工作中显得越来越重要。工业过程控制也是它的一个重要应用领域。由单片机而构成的嵌入式系统越来越受到世人的关注。因此，可以毫不夸张的说，没有单片机的仪器不能算是先进的仪器，没有单片机的过程控制系统不能称做是智能控制系统。

温度控制是与人们日常生活息息相关的，在各个领域温度的控制都有不同的意义。很多控制领域中都有大量的用电来加热的设备，比如用于热处理的电加热炉，用于融化金属的电阻炉以及温度控制箱等。使用单片机来对它们进行控制不仅具有控制方便、灵活性大、简单等一些特点，而且还可以大大提高产品的质量，通常单片机将采集到的温度数据与设定的温度上、下限进行比较，并由此作出判断是否启动继电器来开启加热设备，在设计中通常还加入常用的LCD液晶显示或者LED显示等常用的显示电路，使得整个设计更加灵活、完全。

国内外的温度控制系统发展都非常迅速，并在智能化、参数自整定、自适应等方面取得了不同的成果。目前的温度控制大多都是采用智能调节器，国产调节器的精度和分辨率比较国外的较低，温度的控制效果也不是很理想但价格非常便宜，国外的调节器精度和分辨率都比较高，价格较贵。德国、美国、日本、瑞典等技术领先，都生产出了商品化的，性能优异的温度控制器以及仪器仪表，并在各个行业已经广泛应用。

压力的测量对于实时监测以及安全生产都具有非常重要的意义。在工业应用中，为了高效并且安全的生产，就必须要有效的控制生产过程中的一些重要数比诸如压力、温度、流量等主要参数。因为压力的控制在一般生产过程中都起着决定性的安全作用，因此更有必要准确的测量压力。为了测得不同位置的压力数据，本设计的压力测量系统。通过压力传感器将需要测量的压力信号转变为电信号，再由变送器最终转换为0-5V的电压信号给PCF8591AD-DA芯片。单片机通过IIC总线将模拟数据读回来再根据变换公式做数据处理，最终将温度和压力值显示在LCd1602上。芯片转换时间受IIC总线速率影响，可以最大支持8个相同的PCF8591芯片，即最大支持32路模拟量输入，8路模拟量输出。

键盘输入是单片机控制系统常用的实现人际对话的输入设备。通过键盘，向单片机控制系统输入各种数据或者命令，也可以通过键盘，设置单片机控制系统工作于预定的模式。 1.2 实现温度及压力智能控制的意义

温度、压力都是过程生产中非常重要的参数，它们是生产过程中判断设备是否正常运行的关键因素。在生产过程中对于温度和压力的控制也就显的极为重要。比如在化工生产过程中，压力能影响物料平衡，也能影响化学的反应速度，是标志着生产过程是否可以正常进行的极为重要的参数。从安全生产的角度，压力的检测也是很重要的。如：保证压力容器内的压力值要在安全的指标之内，确保易燃易爆等介质的压力不能超标等等。

总之，温度与压力的检测是通常是生产过程中不可缺少的环节，只有严格按照生产工艺的要求来保持温度及压力的稳定，才能保证生产的正常进行。因此温度及压力准确测量与控制在现实生活中是非常重要的。

2 系统方案设计及论证

2.1温度、压力采集方案选择 2.1.1温度采集方案比较 1.使用DS18B20模块

本方案的优点是：采集温度精度较高，接线简单；

缺点：单总线方式，当系统需要扩容时要另外占用单片机管脚资源。并且远距离传输时，因为是单总线方式，不能传到太远。 2.普通热敏电阻 优点：价格低廉

缺点：电路设计相对较为复杂些，精度低。 3.PT100铂电阻方式

优点：精度高，使用方便，配合专用的变送器能远距离传输。 缺点：价格较为低廉 2.1.2压力采集方案

1.压力传感器配合变送器方式

优点：价格相对低廉，可靠性高，能较远距离传输，精度较高 缺点：相对带通信功能的压力模块，扩容是需要占用AD通道 2.压力采集带通信专用模块

优点：采集精度高，更智能，扩容时不需要占用任何硬件资源 缺点：造价高。

本设计中温度采集选用PT100铂电阻的测温方式，PT100铂电阻传感器会根据温度的不同，自身阻值也会有相应的变化，专用的变送器只需要接上PT100铂电阻及电源就可以输出标准的4-20mA或者是0-20mA信号，本设计选用输出0-20mA信号，选用电流信号是因为当较远距离传输时变送器相当于恒流源输出，减小线路阻值带来的误差，当接到本设计中的控制板时，再通过串接250欧姆的电阻来将电流信号转换为0-5V的电压信号。压力采集方案选用压力传感器配合变送器方式，压力采集原理也是如此，不同的是前端传感器不是PT100而是压力传感器。

接线示意图如图2-1所示。设计温度控制输出采用开关量的输出方式，控制原理为当温度实际值大于等于温度上限值时停止加热，当温度实际值小于等于下限值时，开始加热。

压力控制方式采用外接变频器控制电机，进而控制管道压力的方式，原理为当压力实际值小于等于下限值时，控制板将电机的供电，并给变频器输入相应的控制值，控制算法采用建议的模糊控制算法，即在一定的时间内检测到前后两次的压力值变化的大小，如果变化很小，说明给出的值小了，需要加大此值，如果变化一般，说明给出的值合适，如果变化很大，说明给出的值大了，需要减小此值。本设计默认分为6档判断。即压力差值的6个档位分别为小于等于0.05MPa；大于0.05MPa并且小于等于0.1MPa；大于0.1MPa并且小于等于0.15MPa；

大于0.15MPa并且小于等于0.2MPa；大于0.2MPa并且小于等于0.25MPa；大于0.25MPa并且小于等于0.3MPa；

图2-1 接线示意图

2.2系统结构总框图

本控制系统的主控部分由单片机AT89C51构成。通过按键电路可以进行温度及压力的上、下限值的设定，温度及压力的实际值通过PCF8591AD-DA芯片采集，模拟量的输出也是通过PCF8591芯片输出的。当压力超过报警限值时，有蜂鸣器报警。显示部分用的主要期间是LCD1602液晶屏。按键部分采用四按键的方式进行设定，温度及压力的开关量输出方式使用继电器。电源需要外接+5V的干净电源。