单片机温度控制系统设计

单片机温度控制系统一．实验目的通过基于单片机的温度控制系统大型实验，使学生能综合应用“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．实验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.系统原理框图控制器调功器电阻炉给定温度炉温-五.单片机硬件系统框图移位寄存器P1.6~P1.P2.0~P2.LED显示器P2.4~P2.电阻炉温度测量V/F变换T1驱动双向晶闸管P1.0译码器按键89C521电子发烧友2六.硬件原理图电子发烧友3电子发烧友七.硬件印刷板布置图实验板一：实验板二：4电子发烧友5八.元器件明细表实验板一：序号编号名称规格型号单位数量备注1C10C11电容15PF只2云母2C2C8电容0.01uF只2云母3C1C3C6C7电容0.1uF只4云母4C9电容1.0uF只1云母5C5电容330uF只1电解6R2电阻27Ω只1碳膜7R10电阻47Ω只1碳膜8R3电阻300Ω只1碳膜9R1电阻330Ω只1碳膜10R5电阻1.1kΩ只1碳膜11R6电阻5kΩ只1碳膜12R7电阻6.8kΩ只1碳膜13R4R8R12R14R15电阻10kΩ只5碳膜14R9电阻110kΩ只1碳膜15R11电阻30kΩ只1碳膜16W1电位器20kΩ只1精密17Y1晶振12MHz只118J1接插件10脚只1单排19J4接插件16脚只1双排（含排线）20U126与非门74LS06片1DIP-14(含插脚)21U1单片机AT89C52片1DIP-40(含插脚)22U2V/F变换器LM331片1DIP-8(含插脚)23U9光耦MOC3061片1DIP-6(含插脚)24U11看门狗芯片X25045片1DIP-8(含插脚)25温度传感器AD590只1实验板二：序号编号名称规格型号单位数量备注1C2C3电容0.1uF只2云母2C5C6C7C8电容1.0uF只4电解3C1电容330uF只1电解4R1~R8电阻150Ω只4碳膜5R9R10R11R12电阻10kΩ只4碳膜6K1~K5按键只57LED1~LED4LED只48J1接插件16脚只1双排（含排线）9U6译码器74LS145片1DIP-16(含插脚)10U4移位寄存器74LS164片1DIP-14(含插脚)11U5显示驱动器TD62783AP片1DIP18(含插脚)12L1L2数码管只2电子发烧友九.元器件数据资料（一）BS211236(4位共阴超高亮LED)（二）LM331V/F变换器20KRtCtRLRsmVVin106.2⋅⋅f6out=式中：Vin——输入电压；fout——输出频率电子发烧友（三）TD62783达林顿驱动器（8路）引脚图：一路驱动器原理图：极限参数：输出电流Iout≤-500mA/CH（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=TIr（μA/K）式中：I—流过器件（AD590）的电流，单位为μA；rT—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。电源电压可在4V~6V范围变化，电流Ir变化1μA，相当于温度变化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档精度昀高，在-55℃～+150℃范围内，非线性误差为±0.3℃。7电子发烧友2、AD590的基本应用电路右图（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（a）封装形式（b）基本应用电路AD590的封装及基本应用电路和电位器R12的电阻之和为1kΩ时，输出电压VO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R2，使VO=273.2mV。或在室温下(25℃)条件下调整电位器,使VO=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74LS0674LS14574LS06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。8电子发烧友74LS145逻辑功能表输入输出NoDCBA01234567890LLLLLHHHHHHHHH1LLLHHLHHHHHHHH2LLHLHHLHHHHHHH3LLHHHHHLHHHHHH4LHLLHHHHLHHHHH5LHLHHHHHHLHHHH6LHHLHHHHHHLHHH7LHHHHHHHHHHLHH8HLLLHHHHHHHHLH9HLLHHHHHHHHHHLHLHLHLHH9HHLL无HHLH全H效HHHLHHHH（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SiliconControlledRectifier，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。GC单向晶闸管结构图GA2A1双向晶闸管结构图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电子发烧友断。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。V1.5V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：123过零触发465光耦可控驱器内部结构及引脚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。10电子发烧友在此图中，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。LED触发电流(VTM=3V)峰值夹断电压正向电压典型值型号昀小值典型值昀大值MOC3040400301.3MOC3041400151.3(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。23、EPROM存储器2X25045的存储部分是COMS的4096位串行EPROM。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昀多可以写4个字节。二、外部引脚引脚排列如图所示。X25045引脚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4.5~5.5V，一种是2.7~5.5V。11电子发烧友三、工作原理X25045共有６条操作指令。如表。指令名指令格式操作WREN00000110设置写使能锁存器允许写WRDI00000100复位写使能锁存器禁止写RDSR00000101读状态寄存器WRSR00000001写状态寄存器READ0000A8011读WRITE0000A8010写入其中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