温度自动控制系统的设计-毕业论文

北方民族大学学士学位论文 温度自动控制系统的设计

第1章

1.1

系统设计任务与要求

系统总体设计

1.1.1 系统设计任务与要求

该温度自动控制系统采用AT89C52单片机为主控芯片，传感器采用数字温度传感器DS18B20，实现对温度的检测和控制。

主要技术指标：可检测的范围为-55℃—+125℃。

该温度自动控制系统由温度信号采样电路，键盘及显示电路，温度控制电路，报警电路，时钟信号电路等构成，并运用PID算法进行温度控制和调整。

根据设计任务，详细分析温度自动控制系统的设计需求，并进行软硬件的总体设计。由键盘电路输入设定温度信号给单片机，温度信号采集电路采集现场温度信号给单片机，单片机根据输入与反馈信号的偏差进行PID计算，输出反馈量给温度控制电路，实现升温。显示电路实现现场温度的实时监控。设计人员需完成全部硬件和软件的设计，并利Proteus仿真软件对设计结果进行验证。 1.1.2 重点研究内容

本设计包括硬件设计和软件设计。

硬件设计主要包括温度信号采样电路，键盘及显示电路，温度控制电路，报警电路，时钟信号电路等，其中硬件设计重点是键盘及显示电路和温度控制电路。

软件设计主要完成系统初始化、键盘处理子程序、DS18B20和lcd1602的子程序设计、PID计算子程序等工作。 1.1.3 实现途径及方法

本系统主要通过资料查找、系统需求分析、系统总体设计，软硬件总体设计、详细的软件与硬件设计、系统仿真与调试、资料整理等步骤来完成。

本系统利用Protel软件完成硬件电路设计工作，利用Keil51软件完成系统控制软件的编译调试工作，通过Proteus软件完成所有功能模块的电路仿真。

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1.2 系统总体方案设计

在这个系统中我们从性能及设计成本考虑,我们选择AT89C52芯片。AT89C52的广泛使用，使单片机的价格大大下降。目前，AT89C52的市场零售价已经低于8255、8279、8253、8250等专用接口芯片中的任何一种；而AT89C52的功能实际上远远超过以上芯片。因此，如把AT89C52作为接口芯片使用，在经济上是合算的。在温度传感器的选择上我们采用温度芯片DS18B20测量温度。该芯片的物理化学性很稳定，它能用做工业测温元件，且此元件线形较好。在0—1000C时，最大线形偏差小于1C。该芯片直接向单片机传输数字信号，便于单片机处理及控制。本制作的最大特点之一就是直接采用温度芯片对温度进行测量，使数据传输和处理简单化。采用温度芯片DS18B20测量温度，体现了作品芯片化的这个趋势。部分功能电路的集成，使总体电路更简洁，搭建电路和焊接电路时更快。而且，集成块的使用，有效地避免外界的干扰，提高测量电路的精确度。本方案应用这一温度芯片，也是顺应这一趋势。对于温度的调节系统，我们采用的只是简单的升温方法，当温度低于我们设定的最低温度值时，则单片机系统控制加热装置产生热量来提高温度。在这个过程中，我们通过单片机将传感器所测量出来的温度通过LCD1602可以显示出来。这样就能实时显示温度情况。

本设计采用了PID控制。在工程实际中，PID控制器以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型，控制理论的其他技术也难以采用，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定时，应用PID控制技术最为方便。

PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时问和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。温度自动控制系统原理框图如图1-1所示：

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4×4矩阵键盘 DS18B20 AT89C52 功率驱动 LCD1602 加热装置 图1.1 温度自动控制系统原理框图

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第2章

2.1

主控模块的设计

系统硬件各功能模块的设计

2.1.1 AT89C52单片机简介

AT89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系可编程Flash 存储器。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使AT89C52为众多 AT89C52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振 AT89C52的广泛使用使得市面价格较8155、8255、8279要低，所以说用它是比较经济的。该芯片具有如下功能：①有1个专用的键盘/显示接口；②有1个全双工异步串行通信接口；③有2个16位定时/计数器。这样，1个AT89C52，承担了3个专用接口芯片的工作；不仅使成本大大下降，而且优化了硬件结构和软件设计，给用户带来许多方便。AT89C52有40个引脚，有32个输入端口（I/O），有2个读写口线，可以反复插除。所以可以降低成本。

其主要工作特性为：

? 内含8KB的Flash存储器，擦写次数达1000次； ? 内含128字节的RAM； ? 具有32根可编程I/O线； ? 具有2个16位可编程定时器；

? 具有6个中断源、5个中断矢量、2级优先权的中断结构； ? 具有1个全双工的可编程串行通信接口； ? 具有1个数据指针DPTR；

? 两种低功耗工作模式，即空闲模式和掉电模式； ? 具有可编程的3级程序锁定位；

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嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。

荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。