計算機控制技術課程設計-溫度采集

1、<p><b>　　1.　引言</b></p><p>　　近年來，單片微型計算機以其強大的生命力飛速發(fā)展，在工業(yè)控制、智能儀器儀表、智能化設備和家用電器等領域得到了廣泛的應用，因而引起了各行各業(yè)的極大關注，有著廣闊的發(fā)展前景。單片機具有體積小、重量輕、耗能省、價格低、可靠性高和通用靈活等優(yōu)點，因此也廣泛應用于衛(wèi)星定向、汽車火花控制、交通自動管理和微波爐等專用控制上，它已滲透到諸多

2、學科的領域，以及人們生活的各個方面[1]。而在單片機的一個重要的領域，就有一種基于單片機的溫度控制系統。隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，對溫度測量的要求越來越高，測量的范圍也越來越廣，對溫度的控制技術的要求也進一步加強。因此，溫度控制技術研究也是一個重要的研究課題。</p><p>　　溫度測控系統是一個閉環(huán)反饋控制系統，它是用溫度傳感器將檢測到的實際溫度A/D轉換，送入計算機中，與設定值進行比較，得出偏差。對此偏差進行修正

3、，從而實現對溫度的控制[2]。溫度測控系統在現實生產、生活中有著廣泛的應用，如倉庫存儲、家禽養(yǎng)殖以及許多工業(yè)生產，都需要對環(huán)境溫度進行監(jiān)視和控制[3]。</p><p>　　有一種采用模糊控制來設計溫控系統[4]，模糊控制技術是基于模糊集合理論發(fā)展起來的一門前沿高新技術，具有精度高，響應快，過度過程超調量小適應性強，控制規(guī)律簡單等特點，應用日益廣泛。</p><p>　　在國外，一種電子溫

4、度控制系統專門運用于管道上的混合閥控制[5]，對于它的環(huán)增益控制單位至少大約要和混合閥的瞬時斜坡特性曲線成反比，而斜坡特性曲線是由閥門的開放的瞬時值，以及冷和熱的補給溫度和混合溫度決定的，其控制精度要求很高，而且決定因素很多，可見該電子溫度控制系統的要求多高。另一種的溫度控制系統是在其中加入中心恒溫器[6]，用于對電加熱和電冷卻設備進行控制，使設備在一定區(qū)域內，保持一定范圍內的溫度，這種溫控系統的恒溫器非常多元化，它通過區(qū)域內的電力導體

5、與控制器聯系，通訊，然后根據溫度狀況改變恒溫器的設定值。</p><p>　　目前大多數溫度控制系統都具有溫度時延、控制精度不夠、智能程度低等缺點[7]，而單片機溫控系統可以很好的運用于實際的生活和生產中，同時投入也不大，成本低，具有很好的實際運用價值，所以對于溫度控制系統的研究單片機溫控系統是個很好的典范，也是主要的發(fā)展方向，同時加入一些先進的控制整定技術可以使其控制的精度大大提高，對未來的發(fā)展有很大的意義[8

6、]。</p><p><b>　　2.　設計方案思路</b></p><p>　　溫度測控系統設計的基本思路是采用一個控制芯片，將采集進來的信號，進行放大，調幅，濾波，最后通過A/D轉換后，輸入到控制芯片中，通過程序將各個模塊連接起來，實現整套系統的功能。</p><p>　　可見，控制芯片的選擇最重要。文獻[9]提出了以PLC作為控制器的加熱

7、爐溫度控制系統設計方案，實現了加熱爐電阻絲兩端的電壓和加熱爐溫度的控制。PLC具有抗干擾強，穩(wěn)定性高，可靠性好等特點，但是其控制精度不高，且成本較高，不容易進行試驗，實用性不強。而單片機相比PLC有成本低，功耗低，功能強等優(yōu)勢，方便進行試驗和研究，課題采用單片機作為控制芯片。</p><p>　　測量溫度有很多傳感器。如熱電偶的測溫范圍廣，但靈敏度較低；熱敏電阻靈敏度高，但工作溫度范圍較窄。而集成溫度傳感器利用了

8、半導體PN 結電流電壓特性和溫度的相關性，與熱電偶、熱敏電阻相比，具有輸出線性好，測溫精度較高的優(yōu)點。課題采用AD590作為溫度傳感器。</p><p>　　A/D轉換芯片的選擇ADC0809，該芯片帶有8位A/D轉換器、8路多路開關以及微處理機兼容的控制邏輯的CMOS組件，可以與單片機直接接口。</p><p>　　最后整體方案是用AD590采集溫度，經過采集電路放大，濾波之后，通過AD

9、C0809轉換，輸入單片機AT89C51，經過程序處理最后直觀的呈現在液晶上。</p><p>　　3.　溫度測控系統的硬件設計</p><p><b>　　3.1　芯片介紹</b></p><p>　　3.1.1　AT89C51單片機 </p><p>　　Atmel公司的AT89C51是一種低功耗、高性能的片內含有4

10、kB快閃可編程/擦除只讀存儲器(FPER—OM)的8位CMOS微控制器，使用高密度、非易失存儲器技術制造，并且與80C51引腳和指令系統完全兼容[10]。</p><p>　　AT89C51具有40管腳，有P0，P1，P2，P3四個主要I/O口，每個口都分為八位，其中以P3口功能最強大，是單片機的主要功能口，AT89C51的引腳圖如圖1所示：</p><p>　　圖1　AT89C51的引腳

11、圖</p><p>　　3.1.2　ADC0809轉換器</p><p>　　ADC0809是一種8位逐次逼近型A/D轉換器，帶8個模擬量輸入通道，芯片內有通道地址譯碼鎖存器，有輸出三態(tài)數據鎖存器，啟動信號為脈沖啟動方式，每個通道的轉換大約為100μS，可以與單片機直接接口。ADC0809的引腳圖如圖2所示：</p><p>　　圖2　ADC0809的引腳圖<

12、/p><p>　　ADC0809可處理8路模擬量輸入，有三態(tài)輸出能力，既可與各種微處理器相連，也可單獨工作。多路開關可選通8個模擬通道IN0～IN7，允許8路模擬量分時輸入，共用A/D轉換器進行轉換。三態(tài)輸出鎖存器用于鎖存A/D轉換完的數字量，當OE端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉換完的數據。</p><p>　　3.1.3　AD590溫度傳感器</p><p&g

13、t;　　AD590是美國AD公司研制的一種電流式集成溫度傳感器[11]。其直流工作電壓為+4V到+30V，當電源電壓由5V向10V變化時，其電流變化僅為0.2μA/V，最佳使用溫度范圍-55℃～+150℃，在此測溫范圍內，測量誤差為±0.5℃，測量分辨率為0.1℃。</p><p>　　AD590的主要特性：</p><p>　?。?）具有良好的線性和互換性，測量精度高，并具有消

14、除電源波動的特性[12]。</p><p>　?。?）僅需+ 4V到+30V的直流工作電壓，不需要傳送器、濾波器和線性化電路等。</p><p>　?。?）具有優(yōu)良的干擾抑制比，只需很小的功率(115mW)。</p><p>　?。?）電源電壓漂移和波紋不敏感。</p><p>　?。?）電氣上耐用，可承受+44V正向電壓，+20V反向電壓，

15、不必擔心管腳接錯。</p><p>　　AD590管腳排列如圖3所示：</p><p>　　圖3　AD590管腳排列</p><p>　　3.2　溫度控制系統的硬件設計</p><p>　　總體框圖如圖4所示，以單片機系統為核心，通過溫度傳感器AD590將溫度信號轉換為電流信號，放大后，經A/D轉換器ADC0809將送進來的模擬信號轉換成數字

16、信號后送到單片機處理，并將采集的溫度值與鍵盤設定的溫度值進行比較，通過內部的程序處理，將最后的結果顯示在液晶上。</p><p><b>　　圖４　系統總體框圖</b></p><p>　　主要模塊：AD590采集測溫模塊，ADC0809和AT89C51的A/D轉換和主控制模塊，液晶顯示模塊。為了增強系統的抗干擾性，各模塊獨立制板。</p><p&

17、gt;　　3.2.1　鍵盤設置電路</p><p>　　圖5　鍵盤與單片機的接口</p><p>　　鍵盤與單片機的接口電路如圖5所示，對于鍵盤的設置較簡單，直接加在主模塊電路中，四個按鈕的作用分別為讀取當前溫度，讀取設定溫度，增高設定溫度，減低設定溫度?？刂奇I盤可以改變閾值。</p><p>　　3.2.2　ADC0809和AT89C51的接口電路。</p&

18、gt;<p>　　圖6　ADC0809和AT89C51的接口電路圖</p><p>　　ADC0809和AT89C51的接口電路如圖6所示，單片機和ADC0809進行接口是一種常見的單片機接口電路[13]，ADC0809可以將8通道的模擬信號轉換成數字信號，按一般的方法是先寫入一次某一模擬信號的地址，查詢ADC0809的EOC信號看其是否轉換完成，如果轉換完成了，就可以得到其數字。</p>

19、;<p>　　當地址所存信號ALE為高電平時，C、B、A 三條線上的數據送入ADC0809內部的地址鎖存器中，經過譯碼器譯碼后選中某一通道。當ALE=0時，地址鎖存器處于鎖存狀態(tài)，模擬開關始終與剛才選中的輸入通道接通。當IN0通道的模擬量到達ADC0809時，并不是馬上開始A/D轉換，只有當轉換信號START出現下降沿時才啟動A/D轉換，當START到達上升沿時，對ADC0809進行復位。</p><p

20、>　　A/D轉換結束后，必須使ADC0809的允許輸出控制端OE為高電平，打開三態(tài)輸出鎖存器，單片機才能讀到A/D轉換結果。</p><p>　　一路的模擬量輸入，選擇IN0,通道地址線A，B，C全部接地。8位的數字量輸出和AT89C51的P0口八位相連，EOC-A/D轉換結束信號和AT89C51的P3.3相連即外部中斷1，采用74LS74的雙D觸發(fā)器來構成二分頻電路，ADC0809的A/D轉換過程在時鐘信

21、號的協調下進行。ADC0809的時鐘信號由CLOCK端送入。</p><p>　　3.2.3　AD590和采集電路和驅動電路</p><p>　　圖7　AD590采集測量電路</p><p>　　AD590采集測量電路如圖7所示，溫度傳感器采用AD590，之后連接由運算放大器OP07構成的跟隨器，以提高輸出負載能力。要得到輸出電壓與實際采集到的溫度成線形比，必須對信

22、號進行降壓和放大。對跟隨器的輸出信號經過一級反向放大，再經過一級反向求和降壓，可以提高精度，使整個溫度范圍內保持良好的線性。</p><p>　　電路的計算過程如下：</p><p>　　0℃~x℃時 （1）</p><p><b>　　（2）</b></p><p&

23、gt;<b>　?。?）</b></p><p><b>　　（4）</b></p><p>　　則： （5）</p><p>　　其中：電位器R7為10K，調節(jié)電位器R8，使為2.732V，電位器為10K。</p><

24、p>　　驅動電路用紅綠發(fā)光二極管模擬加熱和降溫。紅燈表示加熱，綠燈表示降溫。</p><p>　　3.2.4　液晶顯示模塊</p><p><b>　　圖8　液晶顯示電路</b></p><p>　　液晶顯示電路如圖8所示，采用1602c液晶顯示，相比數碼管，液晶更直觀，程序設計也較簡單，具有配置靈活，與單片機連接方便的特點。1602c液

25、晶采用標準的16腳接口，其中，3腳：V0為液晶顯示器對比度調整端，接正電源時對比度弱，接地電源時對比度最高，對比度過高時會產生“鬼影”，使用時通過一個10K電位器調整對比度，4腳：RS為寄存器選擇，高電平時選擇數據寄存器、低電平時選擇指令寄存器。5腳：RW為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。6腳：E端為使能端，E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。7～14腳：D0～D7為8位雙向數據線，通過一個十孔插槽，通過數

26、據線與單片機的P1口相連。</p><p>　　4.　溫度測控系統的軟件實現</p><p>　　軟件采用C語言編寫，C語言屬于高級語言，具有通俗易懂，修改方便，語句簡單等優(yōu)點，在單片機的編程語言中C語言的運用很成熟，也很廣泛。課題中控制策略采用PID控制。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制就是根據系統的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制[14]。</p&g

27、t;<p>　　本系統PID算法由仿真軟件實現，增量PID算法的優(yōu)點是編程簡單，數據可以遞推使用，占用存儲空間少，運算快[15]。</p><p><b>　　4.1　主程序設計</b></p><p><b>　　圖9　主程序流程圖</b></p><p>　　主程序流程圖如圖9所示，程序一開始進行初始化，

28、液晶清屏，使兩個發(fā)光二極管處于滅的狀態(tài)，之后設置并啟動AD轉換以及鍵盤掃描，檢測是否有鍵按下，并分析。當設置溫度的鍵按下，程序轉到溫度設置子程序中運行，鍵盤掃描完后，對溫度進行采樣，將采集的電壓經過AD轉換后轉換成相應的溫度值，在液晶上顯示，最后將采集的溫度和設置的溫度進行比較，若采集的溫度比設置的溫度高，綠燈亮，反之，紅燈亮。</p><p><b>　　主程序段如下：</b></p

29、><p>　　void main()</p><p><b>　　{</b></p><p>　　EPIN=0; /*程序初始化*/</p><p>　　lcdreset();</p><p>　　ST=0; /*啟動AD轉換*/</p>&l

30、t;p><b>　　OE=0;.</b></p><p><b>　　while(1)</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　keyscan(); 　　/*調用鍵盤子程序*/</p><p><b>　　t0=i;</

31、b></p><p>　　if(count>=200) 　　/*采集兩百次再求平均值*/</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　count=0;</b></p><p>　　temp=temp/200;</p><p>　　tem

32、p=temp*2;</p><p><b>　　t0=t0*10;</b></p><p>　　if(t<t0) 　　/*采集設置的溫度進行比較，比設置的溫度低，紅燈亮*/</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　led1=0;</b>

33、</p><p><b>　　led2=1;</b></p><p>　　} /*否則，綠燈亮*/</p><p><b>　　else </b></p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　led2

34、=0;</b></p><p><b>　　led1=1;</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　｝</b></p><p>　　主程序完成A/D轉換的功能，以及調用鍵盤用來設置溫度的值，最后處理采集到的數據，并與設置的溫度值進

35、行比較確定紅綠燈的亮滅情況。</p><p>　　4.2　鍵盤設置子程序</p><p>　　鍵盤設置子程序流程圖如圖10所示：</p><p>　　圖10　鍵盤設置子程序流程圖</p><p>　　首先進行按鍵和單片機的端口設置，1鍵的功能是實現溫度加功能，2鍵是實現溫度減功能，3鍵和4鍵是實現設置溫度和采集溫度顯示界面轉換的功能。<

36、/p><p><b>　　程序段如下：</b></p><p>　　Keyscan ()</p><p><b>　　{</b></p><p>　　key1=1; /*端口的設置*/</p><p><b>　　key2=1;</b>

37、;</p><p>　　if(key1==0) /*鍵按下*/</p><p><b>　　{</b></p><p>　　while(key1==0); /*鍵盤設置溫度*/</p><p><b>　　i++;</b></p><p>　　if

38、(i==100) i=0;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　if(key2==0)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　key2=1;</b></p><p>　　delay(20);

39、 /*延時*/</p><p>　　if(key2==0)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　while(key2==0);</p><p>　　if(i==0) i=9;</p><p><b>　　else i--;</b></p&

40、gt;<p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　4.3　AD轉換子程序</p><p>　　AD轉換子程序流程圖如圖11所示：</p><p>　　圖

41、11　AD轉換子程序流程圖</p><p><b>　　程序段如下：</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　ST=0;　　　　　　/*啟動AD轉換*/</p><p><b>　　OE=0;</b></p><p><

42、b>　　ST=1;</b></p><p><b>　　ST=0;</b></p><p>　　while(EOC==0); /*轉換結束*/</p><p>　　OE=1; /*處理數據*/</p><p><b>　　count++;</b><

43、;/p><p>　　temp=temp+P0;</p><p><b>　　OE=0;</b></p><p><b>　　ST=1;</b></p><p><b>　　ST=0;</b></p><p><b>　?。?lt;/b><

44、;/p><p>　　4.4　液晶顯示子程序</p><p>　　液晶顯示子程序流程圖如圖12所示：</p><p>　　圖12　液晶顯示子程序流程圖</p><p>　　液晶顯示子程序如下：</p><p>　　display1() /*完成顯示設置的溫度的功能*/</p&g

45、t;<p><b>　　{</b></p><p>　　lcdwda1(0x03,i/10+0x30); /*顯示數據的處理*/ </p><p>　　lcdwda1(0x04,i%10+0x30);</p><p>　　lcdwda1(0x05,'C');</p><p><

46、;b>　　}</b></p><p>　　display2() /*完成顯示采集的溫度的功能*/</p><p><b>　　{</b></p><p>　　lcdwda1(0x04,t/100%10+0x30); </p><p>　　lcdwda1(0

47、x05,t/10%10+0x30);</p><p>　　lcdwda1(0x06,'.');</p><p>　　lcdwda1(0x07,t%10+0x30);</p><p>　　lcdwda1(0x08,'c');</p><p><b>　　temp=0;</b></p&g

48、t;<p><b>　　}</b></p><p>　　4.5　PID控制模塊</p><p>　　PID控制采用Simulink進行仿真，系統的傳遞函數是1/（5s+1），其Simulink仿真圖如圖13所示：</p><p><b>　　圖13　系統仿真圖</b></p><p>

49、　　PID參數的整定采用臨界比例法，先將積分和微分斷開，單調節(jié)比例環(huán)節(jié)，調節(jié)比例值直到系統運行平穩(wěn)。仿真曲線如圖14所示：</p><p><b>　　圖14　系統穩(wěn)定圖</b></p><p>　　根據臨界邊界法整定參數計算表，算出P，I，D的參數值加入到上述系統中再進行整定得到最后的整定曲線，如圖15所示：</p><p>　　圖15　整定

50、后的曲線</p><p>　　PID控制器參數整定采用的是臨界比例法。利用該方法進行 PID控制器參數的整定步驟如下：(1)首先預選擇一個足夠短的采樣周期讓系統工作；(2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統對輸入的階躍響應出現臨界振蕩，記下這時的比例放大系數和臨界振蕩周期；(3)在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數。</p><p><b>　　5.　調試</b&g

51、t;</p><p>　　液晶顯示出數據后，能直觀了解電路是否正常。在調試過程中，首先遇到了液晶只能背光燈亮，而不能顯示數據。最先考慮到硬件問題，通過查找資料和用儀器測量，發(fā)現液晶有幾根線接錯，在原來的電路上將接錯的線接對后，再次進行試驗，發(fā)現可以正常顯示數據，于是將液晶顯示模塊重新制板。隨后又發(fā)現無數據顯示，再次檢查硬件和軟件均無問題，這時想到了亮度的問題，于是耐心的調節(jié)滑動變阻器，發(fā)現屏幕亮了出現了數據。&l

52、t;/p><p><b>　　6.　結論</b></p><p>　　本設計經過自己的努力和指導老師的悉心教導，基本功能都能完成，按鍵可以設置溫度值并能轉換顯示采集的溫度和設置溫度界面。通過控制AD590這端的溫度，液晶上的數值也會隨著變化。并且當采集的溫度高于設置的溫度時，綠燈亮，表示要降溫處理；而低于設置的溫度時，則紅燈亮，表示可以繼續(xù)加熱。但是還存在一些小問題，其中

53、有PID控制這一塊沒有做到很完美，于是檢測的溫度精確度不是非常高，但是基本上誤差不大。</p><p>　　希望這個課題在以后能更得到很大的改善，能進一步的完美的采集溫度以及控制溫度，隨著科學技術的不斷發(fā)展對于控制系統的穩(wěn)定性和可靠性的要求不斷的提高，對其方案要求不斷的簡化，實用，靈敏度要高，以后人們對于溫度控制系統的研究也不斷加深?；趩纹瑱C的溫度控制系統的設計具有功能強、成本低、元件少、可靠性好、抗干擾性強、

54、簡單易行、具有實效性、使用范圍廣等特點。另外對于數據量要求不大和工作環(huán)境比較惡劣的數據存儲也具有良好參考價值和推廣前景。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 龍澤明，顧立志等.MCS-51單片機原理及工程應用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2005</p><p>　　[2] 劉昭斌.利用單片機實現溫度智能控

55、制[J].石油化工自動化，2004， (4)，52-54</p><p>　　[3] 盧流發(fā)，杜婷.基于單片機的溫度監(jiān)控系統的實現[J].電子工程師, 2005, (31)， 63-65</p><p>　　[4] 周奕辛, 于艷春.模糊控制在溫度控制系統中的研究和應用[J].儀器儀表用戶，2007，(2)，8-9</p><p>　　[5] 李建民.單片機在溫度控