基于单片机的温控器设计

1天津理工大学课程设计报告题目：基于单片机的温控器设计学生姓名李天辉学号20101009届2013班级电气4班指导教师专业电气工程及其自动化2说明1.课程设计文本材料包括设计报告、任务书、指导书三部分，其中任务书、指导书由教师完成。按设计报告、任务书、指导书顺序装订成册。2.学生根据指导教师下达的任务书、指导书完成课程设计工作。3.设计报告内容建议主要包括：概述、系统工作原理、系统组成、设计内容、小结和参考资料。4.设计报告字数应在3000-4000字，采用电子绘图、采用小四号宋体、1.25倍行距。5.课程设计成绩由平时表现（30%）、设计报告（30%）和提问成绩（40%）组成。3课程设计任务书、指导书课程设计题目：Ⅰ.课程设计任务书一、课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作量）当今社会，温控器已经广泛应用于电冰箱、空调和电热毯等领域中。其优点是控制精度高，稳定性好，速度快自动化程度高，温度和风速全自动控制，操作简单可靠，对执行器要求低，故障率低，效果好。目前国内外生产厂家正在研究开发第三代智能型室温空调温控器，应用新型控制模型和数控芯片实现智能控制。现在已有国内厂家生产出了智能型室温空调温控器，并已应用于实际工程。本课程设计要求设计温度控制系统，主要由温度数据采集、温度控制、按键和显示、通讯等部分组成。温度采集采用NTC或PTC热敏电阻（或由电位器模拟）或集成温度传感器、集成运算放大器构成的信号调理电路、AD转换器组成。温控部分采用交流开关BT136通过改变导通角进行调压限流达到控制加热丝温度的目的。温度控制算法采用PID控制，可以采用普通PID或模糊PID。对控制PID参数进行整定，进行MATLAB仿真，说明控制效果。进行程序编制。设计通讯协议，并能够通过RS485总线将数据传回上位机。2．课程设计的要求1、选择相应元器件设计温度控制系统原理图并绘制PCB版图。2、进行PID控制算法仿真，设计PID参数，或模糊PID规则。3、系统功能要求：a要能够显示实时温度；b能够进行温度设置；c能够进行PID参数设定；d能够把数据传回上位机；e可以设定本机地址。F温度控制范围0~99.9度。4、编制程序并调试通过，并有程序流程图。4二、课程设计参考资料1单片机的C语言应用程序设计第三版马忠梅等编著2赵晓安.MCS-51单片机原理及应用.天津：天津大学出版社，2001.33何立民.单片机高级教程．第1版．北京：北京航空航天大学出版社，20014如何使用KEIL8051C编译器(韩)金炯泰著金奎焕等译(韩)金炯泰著5相关芯片数据手册。Ⅱ.课程设计指导书一、课程设计要点、设计步骤1、熟练掌握常用EDA设计软件，如protel等，进行原理图、PCB版图设计。设计温度控制电路。2、采用MATLAB软件进行PID控制参数的设计。3、根据功能要求进行软件设计，采用KEIL进行程序调试。5二、主要技术关键的分析、解决思路1、温度控制电路设计，可以采用无触点交流开关BT136结合光藕MOC3062设计温度控制电路，实现强弱电隔离。2、与上位机通讯采用RS485，需要加入点评转换芯片如MAX485。3、为了确保输入信号不损毁芯片，信号调理电路需加嵌位电路。4、可以选用单片机开发板来进行设计，但要满足任务书要求。三、课程设计进度安排起迄日期工作内容系统需求分析器件选型，硬件原理图设计PID或模糊PID算法设计软件编制调试撰写课程设计报告6目录一、引言------------------------5二、概述------------------------5三、系统工作原理----------------5四、系统组成-------------------6五、系统硬件介绍----------------16六、系统软件设计----------------13七、总结------------------------18八、课程设计参考资料------------197引言在科技飞速发展的今天，计算机技术得到迅猛推广,而单片机由于具有集成度高，体积小，功耗低，处理能力强，可靠性高，系统结构简单，价格低廉，易于推广使用的优点，因此被广泛应用于工业生产和家庭生活中。温度控制系统则是单片机在家庭生活中的一个典型的应用。温度控制器是一种温度控制装置，它根据用户所需温度与设定温度之差值来驱动执行机构，从而达到用户所需温度的目的。各种温控家用电器随着生产技术的发展和生活水平的提高越来越普及，只有一个简单、稳定的温度控制系统才能更好的适应市场需求，更好的满足人民的意愿一、概述该温度控制系统是以8051单片机为核心的控制系统。在硬件电路方面，主要分成了几个模块，即温度数据采集、温度检测电路模块，ADC0809电信号的处理模块，加热控制电路模块，数据处理模块，电压输入模块，LED显示模块，键盘输入模块和温度控制输出模块，并在protel99SE上进行电原理图绘制及双层印制电路板设计。温度采集采用集成温度传感器、集成运算放大器构成的信号调理电路、AD转换器组成。温控部分采用交流开关BT136通过改变导通角进行调压限流达到控制加热丝温度的目的。温度控制算法采用PID控制，采用普通PID或模糊PID。对控制PID参数进行整定，运用MATLAB进行仿真，说明控制效果。进行程序编制。设计通讯协议，并能够通过RS485总线将数据传回上位机。二、系统工作原理温度控制系统如下图所示，温度由热电偶检测，经变送器变换成标准电压信号送入A/D转换器，使之变成数字量，送入单片机，经数字滤波后作为本次采样值；控制程序按照设定好的算法，将设定值和采样值进行比较运算，再将运算结果送到触发电路控制交流开关BT136通过改变导通角进行调压限流达到控制加8热丝温度的目的，实现温度恒定控制。另外，本系统还支持温度的设定和显示，当控制系统的温度过高或者过低时，可以触发声光报警信号，提醒工作人员注意。三、系统组成温度控制器主要由单片机，时序电路，温度采样电路，A/D转换电路，温度显示电路，温度输入电路，驱动电路等组成.流程图如下：图1温度控制系统框图四、系统硬件介绍4.1、8051单片机介绍80518段译码器8段译码器数码管数码管按键电路驱动电路A/D转换电路时钟温度采样电路98051单片机由具有数据处理能力的微处理器、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口、中断控制和系统时钟电路等几大单元以及数据总线、地址总线和控制总线三大总线组成。8051属于8位单片机，片内4KB的ROM，128B的片内RAM。可寻址外部的64KB的数据存储器和程序存储器，16位的地址总线，5个中断源，2个优先级，32根I/O线，1个全双工异步串行口，2个16位定时/计数器。8051的复位方式有上电复位、手动开关复位和自动复位3种，其中上电复位电路是利用电容充放电来实现的。其时钟产生方式分为内部振荡方式和外部时钟方式。内部振荡方式是利用单片机内部的反向放大器构成振荡电路。8051单片机的40个引脚大致可分为4类：电源、时钟、控制和I/O引脚。1、电源:（1）VCC-芯片电源，接+5V；（2）VSS-接地端；2、时钟:XTAL1、XTAL2-晶体振荡电路反相输入端和输出端。3、控制线:控制线共有4根：（1）ALE/PROG:地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲。ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址。PROG功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。（2）PSEN:片外程序存储器选通信号。（3）RST/VPD:复位/备用电源。RST功能：复位信号输入端。VPD功能：在Vcc掉电情况下，接备用电源。（4）EA/Vpp:片外ROM选择/片内EPROM编程电源。EA功能：内外ROM选择端。Vpp功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。104、I/O线80C51共有4个8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号。8051单片机由具有数据处理能力的微处理器、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口、中断控制和系统时钟电路等几大单元以及数据总线、地址总线和控制总线三大总线组成。8051属于8位单片机，片内4KB的ROM，128B的片内RAM。可寻址外部的64KB的数据存储器和程序存储器，16位的地址总线，5个中断源，2个优先级，32根I/O线，1个全双工异步串行口，2个16位定时/计数器4.2A/D转换电路4.2.1ADC0801介绍ADC0801是8位全MOS中速A/D转换器、它是逐次逼近式A/D转换器，片内有三态数据输出锁存器，可以和单片机直接口接。其主要引脚功能如下：（1）RD，WR：读选通信号和选通信号（低电平有效）。（2）CLK：时钟脉冲输入端，上升有效。（3）DB0—DB7是输入信号。（4）CLKR：内部时钟发生器外接电阻端，与CLKIN端配合可由芯片自身产生时钟脉冲，其频率为1/1.1RC。（5）CS：片选信号输入端，低电平有效，一旦CS有效，表明A/D转换器被选中，可启动。（6）WR：写信号输入，接受微机系统或其它数字系统控制芯片的启动输入端，低电平有效，CS、WR同时为低电平时，启动转换。(7)INTR：转换结束输出信号，低电平有效，输出低电平表示本次转换已完成。该信号常作为向微机系统发出的中断请求信号。11（8）CLK:为外部时钟输入端，时钟频率高，A/D转换速度快。允许范围为10-1280KHZ，典型值为640KHZ，此时，A/D转换时间为10us。通常由MCS—51单片机ALE端直接或分频后与其相连。当MCS单片机与读写外，RAM操作时，ALE信号固定为CPU时钟频率的1/6，若单片外接的晶振为6MHZ，则1/6为1MHZ，A/D转换时间为64us。4.2.2A/D转换电路工作原理A/D转换电路如图2.1所示。ADC0801的A/D转换结果输出端DB0—DB7与8051的P0.0-P0.7相连，INTR与P2.0口相连，INTR端用于给出A/D转换完成信号，所以通过查询P2.0便可以获知A/D转换是否完成。RD与8051RD相连，WR也是跟8051WR相连。CS、VIN+接地。（低电平有效）ADC0801的两模拟信号输入端，用以接受单极性、双极性和差摸输入信号，与WR同时为低电平A/D转换器被启动切在WR上升沿后100模数完成转换，转换结果存入数据锁存器，同时，INTR自动变为低电平，表示本次转换已结束。如CS、RD同时来低电平，则数据锁存器三态门打开，数字信号送出，而在RD高电平到来后三态门处于高阻状态。图4.1A/D转换电路图124.3温度采样电路4.3.1AD590型温度传感器AD590是电流型温度传感器，通过对电流的测量可得到所需要的温度值。在被测温度一定时，AD590相当于一个恒流源，AD590温度感测器是一种已经IC化的温度感测器,它会将温度转换为电流,由于此信号为模拟信号，因此，要进行进一步的控制及数码显示，还需将此信号转换成数字信号。它的主要特性如下：(1)流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数；即：式中：/1IrT(1)Ir—流过器件（AD590）的电流，单位为mA；T—热力学温度，单位为K。(2)AD590的测温范围为-55℃～+150℃；(3)AD590的电源电压范围为4V～30V；4.3.2温度采样工作原理因为AD590是将温度转换为电流，而单片机对电压信号更好测量，所以要将电流转化为电压，同时对电压信号进行放大后输入A/D转换ADC0801的VI-端口。电流转化为电压表达式如下：0rfUIR(2)由反相比例运算放大电路，根据“虚断”，“虚短”，集成运放净输入电压为零，净输入电流为零，净输入电流为零等推算出表达式为：0(1/)IfVRRU(3)最后由(1),(2),(3)得到：(1/)IffVRRTR（4）13图4.2温度采样电路