温度控制器毕业论文.docx
《温度控制器毕业论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《温度控制器毕业论文.docx（37页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
温度控制器毕业论文
题目：
温度控制器的设计
机电工程学院
李小草
摘要
本文设计了一个温度自动控制器。
本设计以单片机（8031）为控制核心，外加硬件电路，将温度显示和数字控制集和于一体，实现智能温度控制。
并采用软件程序实现升温的调节，能对加热炉的升温速度和保温时间严格控制。
单片机控制系统由微处理器和工业生产对象两大部分组成。
本文是通过热敏电阻和单片机等，來实现对工程上一些系统的温度进行范围控制的过程。
关键词：
测温；PID算法；单片机；温度控制器
摘要I
ABSTRACTII
第1章前言1
1.1概述2
1.2课题分析2
1.3设计思路2
第2章系统的基本组成及工作原理3
2.1系统的基本组成3
2.2系统的基本工作原理3
第3章测温电路的选择及设计5
3.1热电偶测温电路5
3.1.1热电偶5
3.1.2毫伏变送器6
3.2热敏电阻测温电路6
3.2.1热敏电阻6
3.2.2关于钳电阻的特性7
3.2.3温度测量电路7
第4章芯片组的电路设计8
4.1ADC0809与8031接口硬件电路设计8
4.28155与8031接口硬件电路设计9
4.2.18155芯片的结构9
4.2.28155与8031接口电路9
4.32732EPR0M的工作原理及硬件接口设计11
第5章掉电保护功能电路14
第6章'
6.1温度控制电路15
6.2控制规律的选择16
第7章系统程序设计18
7.1系统控制主程序18
7.27；中断服务程序20
7.3采样程序及其流程图24
7.4数字滤波子程序及其流程图25
总结27
致谢28
参考文献29
附录30
1.1概述
现代信息技术的三大基础是信息釆集控制（即温度控制器技术）、信息传输（通信技术）和信息处理（计算机技术）。
温度控制器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度控制器被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域，数量日渐上升。
温度控制器是基于单片机开发的温度控制装置。
其主要功能是，根据用户设定温度与实际温度的差值來控制加热器等执行机构，从而改变温度至用户所需。
近些年來，因为温度控制器环节己经被纳入为分布式控制系统（DCS）,个人电脑（PC）和可编程逻辑控制器（PLC）,全球工业电子温度控制器市场增长缓慢。
随着我国电子温度控制器市场的迅猛发展，与之相关的核心生产技术应用与研发必将成为业内企业关注的焦点。
了解国内外电子温度控制器生产核心技术的研发动向、工艺设备、技术应用及趋势对于企业提升产品技术规格，提高市场竞争力十分关键。
目前主要有模拟、集成机械式温度控制器和智能电子式温度控制器两大系列。
且国际上新型温度控制器正从模拟式向数字式、电子式；从集成化向智能化、网络化的方向发展。
在当今电子信息时代，电子自动化、信息采集控制在任何行业都是不可逆转的潮流。
温度控制器发展初期是机械式温度控制器，这类温度控制器釆用双金属片或充气膜盒感测室内温度，使用波段开关直接调整风速。
双金属片温度控制器现基本己淘汰，只使用在一些要求不高较低档场合；充气膜盒温度控制器当前较流行,但总体来讲机械式温度控制器缺点十分明显：
1.机械式温度控制器外观陈旧呆板；2.机械式温度控制器控温精度差；3.容易打火（直接切换强电）；4.极易在一个极小温差范围内频繁开关水阀（风阀）；5.功能比较单一。
鉴于这些，智能电子式温度控制器全面取代机械式温度控制器将是不可逆转的潮流。
本文将介绍一款以单片机为核心，具有智能、可编程、环保和节能等特点的温度控制系统的设计。
本设计的温度控制器是己单片机为核心的。
单片微型机简称单片机，它是在一片芯片上集成了中央处理部件，存储器、定时器/计数器和各种输入输出设备等接口部件。
单片机是微机发展的一个重要的分支，自问世以來，性能不断地改善和提高，加之单片机具有集成度高、功能强、速度快、体积小、功耗小、使用方便、性能可靠、价格便宜等优点，故在工业控制、数据采集和处理、通信系统、家用电器等领域的应用日益广泛。
国内虽然起步较晚，但单片机的潜力越來越被人们所重视，尤其在工业控制、自动化仪器仪表、计算机系统接口、智能化外设等应用领域发展很快。
它的应用对于产品升级换代、机电一体化都具有重要的意义。
在工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。
其中，温度控制也越來越重要。
在工业生产的很多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。
采用单片机对温度进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大的提高产品的质量和数量。
1.2课题分析
单片机控制系统由微机和工业生产对象两大部分组成，其中包括硬件电路和软件程序，整个控制系统是通过接口将计算机和生产过程联系起來实现计算机对生产过程中的数据处理和控制。
本文介绍了MCS-51单片机对温度控制系统硬件接口和软件设计的基本思想。
包括单片机系统的扩展即程序存储器和数据存储器的扩展，输入/输出接口扩展和温度控制电路的接口。
1.3设计思路
首先，收集大量相关资料，参考多种温度控制器方案并确定出自己将要设计的方案；（根据系统具体指标要求，可以对每一个具体部分进行分析设计。
此外,整个控制系统可分为硬件电路设计和软件程序设计两大部分。
可分别对它们进行分析设计）再对自己打算设计的方案进行仿真调试；当仿真调试得到理想效果时,再将设计好的原理电路制成PCB板；随后清点需要的元器件，并购买；最后，按照自己设计的电路完成实物并调试。
第2章系统的基本组成及工作原理
2.1系统的基本组成
在工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。
其中，温度控制也越來越重要。
在工业生产的很多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。
采用单片机对温度进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大的提高产品的质量和数量。
本系统是由核心处理模块、温度采集模块、键盘显示模块、及控制执行模块等组成。
方案一：
采用AT89S51作为电路的控制核心，使用12位的高精度模数转换器AD574A进行数据转换，控制电路部分采用PWM控制可控硅的通断以实行对温度的连续控制，此方案精度相对较高，但价格昂贵。
如用于本设计，显得浪费资源。
方案二：
采用8031作为控制核心，以使用最为普遍的器件ADC0809作模数转换，控制上使用对电阻丝加电使其升温。
此方案简易可行，器件的价格便宜，且应用简单。
对本次设计而言，相对适宜。
综上分析，针对此次设计，我们采用方案二即可：
整个系统由8031单片机、8155外围接口芯片，以及2732EPR0M可擦除程序存储器、ADC0809模数转换器、温度检测元件和温度控制电路组成。
⑻
2.2系统的基本工作原理
控制系统工作如下：
材料温度由热电阻测量，信号放大通过放大器，毫伏信号放大后由A/D转换成相应的数字量，再通过光电耦合器，进入主机电路。
由主机进行数据处理，判断分析，再输出数字控制量，去控制加热功率，从而实现对温度的控制。
同时，超过上下限时进行自动报警，控制中自动显示温度值。
进行系统设计时，应考虑如下问题：
⑴具有掉电保护功能；
⑵具有超偏报警功能，超偏时，发光管以闪光形势报警；
⑶输入输出通道和主机都用光电耦合器进行隔离，使仪器具有较强的抗干扰能力；
⑷米用位LED显示；
⑸温度控制范围涉及测温元件、电炉功率的选择；
⑹控制精度、超调量等指标，涉及到A/D转换精度、控制规律选择等。
系统原理框图如下所示：
图2.1系统原理框图
本设计温度控制器以单片机芯片组为控制中心，由掉电保护供电系统对各个部分进行供电。
温度测试电路将温度信息转换为模电信息，经数模转换将其转换为数字信号，然后再传到温度控制中心（芯片组）进行分析处理。
在芯片组的处理下，控制温度控制电路的工作，控制显示当前温度及过温报警。
温度控制电路工作以改变温度，从而达到控温目的。
第3章测温电路的选择及设计
3.1热电偶测温电路
3.1.1热电偶
热电偶是将温度量转换成电势大小的热电传感器，它被广泛用來测量100°C
-1300°C范围内的温度，它具有结构简单，使用方便，精度高，热惯性小，可测局部温度，集中检测，自动记录等特点。
⑵
B
图3.1热电效应
如图，将两种不同材料导体A、B两端接在一起，一端温度为7；,另一端为T（T>r0）,这时在这个回路中将产生一个与温度7；、T以及导体料性质有关的电势E制（T、TQ,这样构成的热电变换元件称为热电偶，可用来测量温度，这种热电效应产生的电势丘朋（T、Tq）是由珀尔帖效应和汤姆逊效应引起的。
常见的几种标准化热电偶有:
钳龟。
一钳热电偶（WRLB）（分度号LB-3）、钳龟。
一钳错6热电偶（WRLL）（分度号：
LL-2）：
線馅、線硅或银辂一银铝热电偶（WREV）（分度号EV-2）：
W—考铜热电偶（WREA）（分度号EA-2）。
3.1.2毫伏变送器
毫伏变送器是电动单元组合仪表中的一种，它可以将來自热电偶的MV级信号转换为电流输出，同时还能对热电偶温一电曲线进行校正，从而使热电偶检测的温度值与变送器的输出具有线性关系，本系统中所有用的变送器为EX系列仪表中的热电偶温度变送器它的输入电路有冷端补偿和断偶保护措施，负反馈电路具有线性功能。
线性功能：
毫伏单元变送用折线近似地代替曲线构成非线性负反馈使变送器整个闭合的特性具有非线性，如果这个非线性的规律和所用热电偶特性曲线互相抵消，就可以使输出电压和电流具有完全正比于温度的性能。
为了提高测量精度，可将变送器进行零点迁移，当温度范围为400°C-1000°C,热电偶输出16.4~41.32mv,使变送器输出O^lOmv,其输出经过电流一电压变换电路转换为0、5v电压信号，这样，使用8位的ADC使量化误差达±2.34°C。
3.2热敏电阻测温电路
3.2.1热敏电阻
利用感温电阻，把测量温度转化成测量电阻的电阻式测温系统，常用于测量
-200°C、+500°C范围内的温度，大多数金属导体的电阻，都具有随温度变化的特性，其特性方程如下：
尽=Ro[l+a（f_g）]
&、凡分别为热电阻在t°C和0°C时的电阻值。
a为热电阻的电阻温度系数（1/°C）
对于绝大多数的金属导体，a并不是一个常数，而是温度的函数，不同的金属导体，a保持常数所对应的温度范围不同，选作感温元件的材料应满足如下要求：
⑴材料的电阻温度系数a越大，热阻的系数大，最敏度越高，纯金属的a比合金的高，所以一般采用纯金属作热敏电阻元件。
⑵在测温范围内，a保持常数，便于实现温度表的线性刻度特性。
⑶具有比较大的电阻率，有利于减少热电阻的体积，减少热惯性。
⑷特性复现性好，容易复制。
3.2.2关于钳电阻的特性
钳的物理化学性能非常稳定，是目前制造热电阻的比较好的材料，有很好的稳定性和测量精度。
钳的使用温度范围-200°C—+600°C
0—100°C的电阻温度系数平均值（xlO-3/°C）为3.92'3.98,电阻率为（Q•枷沪）
0.098广00.106
在0°C时，钳的电阻值心二100Q
3.2.3温度测量电路
本电路主要分为两个部分：
一部分是温度传感，一部分是信号放大。
热敏电阻Rt随着温度的不同而输出相应的电阻值，从而在各个输出端输出不同的电压值，形成一个微弱的电压信号。
这个电压信号经运放放大处理后，最终输出一个反应温度情况的可识别电压信号Uoo
第4章芯片组的电路设计
4.1ADC0809与8031接口硬件电路设计
ADC0809是8路输入单片机模数转换器，它采用逐位逼近式A/D转换原理，可以直接接到微机总线接口上，不需另加I/O接口芯片，它可作为微机的I/O接口，亦可作为存储单元对待，它无需进行调零和满量程调节，多路开关地址输入能够进行锁存和译码，而且其三态TTL输出也可锁存。
mi
ALE
PO.O
PO.l
PO.2
PO.3
P0.4
PO.5
P0.6
PO.7wT
P2.0
RD
nm
Q°Q&
G
74LS373OC
D,
561
7
14
1
ADDAaddb
REF（+）REF（-）
ADDC
CLK
ADC0809
（ADC0808）
叫
2勺
IN.
IN
7
IM
L
IN4
叫
叫
■■■
21
INI
叫
START
ALE
OE
EOC
74LS02
图4.1ADC0809与8031接II电路
如图所示ADC0809与8031单片机的接口电路，当P2.2二0时,选中了ADC0809
（允许启动各通道转换与读取相应的转换结果），转换结束信号EOC经倒相后接至单片机的外部中断丽，当p3.3=0时，说明转换结束，我们选用0通道作为输入，因而可以把0809视为一个地址为03F8H的外部数据存储单元，对其写数据时，8031的就信号使ALE和START有效，将74LS373锁存的地址低三位存入0809并启动ADC,当EOC为低电平时，说明A/D转换正在进行，当EOC为高电平（即P3.3=0）时,表示转换结束,8031可以读入转好的数据
4.28155和8031接口硬件电路设计
4.2.18155芯片的结构
8155芯片是一种多功能的可编程常用外围接口芯片，它具有三个可编程I/O端口（A口和B口是8位C口是6位）一个可编程14位定时计数器和256字节的RAM,能方便地进行I/O扩展和RAM扩展，
芯片引脚功能如下
RESET：
复位输入信号
AD0、AD7：
三态地址/数据复用线
CE：
片选信号
RD：
读选通信号线，低电平有效
WR：
写选通信号线，低电平有效
IO/A7,RAM/IO选择，IO/厉=O,CE=0时，单片机选择8155的RAM读写AD0〜AD7上的地址为8155的RAM单元地址。
当IO/A/=1,CE=0时，单片机选择8155的I/O读写ADO〜AD7上的地址为8155的I/O地址。
ALE：
地址锁存信号线
PA0~PA7：
端口AI/O线
PB0、PB7：
端口BI/O线
PC0〜PC7：
端口CI/O线
TIMER：
定时计数器的输入端
TIMEROUT:
定时计数器的输出端
4.2.28155与8031接口电路
8155和8031可以直接连接，不需要任何外加电路，对系统增加了256字苹的RAM,22位I/O线及一个计数器，电路中8031的P2.1接8155的CE,P2.0接8155的10/M,P0.0〜P0.7接8155的AD0〜AD7时，8155的I/O和RAM地址分配将是：
（1）P2.1=0,P2.0=0时选中8155片中RAM,地址是OOOO『OOFFH
（2）P2.1=0,P2.0=1时选中2/0口，各口分想地址为：
0100H命令状态寄存器
0101HA口地址
0102HB口地址
0103HC口地址
0104H计数值低8位
0105H计数值高8位和方式寄存器
（3）8155的命令字和状态字
a、8155的命令字
r0：
输入-1:
输岀
TM2
TH1
IEB
IEA
PC2
FC1
PB
PA
定义C口
Ll：
、rOO:
ALTl
夕一01:
ALT2
厂
1000110停11方辱
鼻控制A口中断_£・ALT4
1：
充许
沁粧口中断0!
禁止
Oi
输入
输岀
图4.28155命令字
定时器命令
00二无操作
01二停止计数
10二时间到由停止计数
11二装入工作方式和计数长度后立即启动计数器
b、8155的控制字
TIMER
uroB
b
BF
imB
INTEh
A
BF
INTR
A
定瞬中断4允帘口中袒•阳麴蹣腔Q
“A口黏蹣/空
Tw口中断绍口中樹
图4.38155控制字
图4.48031与8155接口电路图
4.32732EPR0M的工作原理及硬件接口设计
2732是4KX8位EPROM器件，有12根地址线A1TA0,可以寻址片内4K字节存储器中任何单元，所以称2732为4K字节EPRO*它是一种可编程只读存储器，单一正5V供电，最大静态电流150mA,维持电流30mA,24线双列直插式封装，管脚图如下：
叫一
in4-
1%—
叫一
叫一
START一
EOC-
.2'5—
0E-CLK-vcc—REF（+）一GND-
2・7—
ADC
0808
0809
9
10
11
12
13
14
28
27
26
25
24
23
22
21
20
19
18
17
16
15
-IN2-IN]一【％-ADDA-ADDB-ADDC—ALE一2"（MSB）J
一2-3一2』-一2必（LSB）-REF（-）
2厲
图4.52732管脚图
2732是4KX8位的EPROM器件，有12根地址线A1TA0,这12根地址线中高4位A8~A11与P2.0、P2.3连接，低8位A0~A7与地址锁存器74LS373的输出端Q0〜Q7连接（这里地址可映象P0口的地址）数据端D0、D7直接与8031的P0口连接，当8031系统发出低12位地址信息时，分别选中2732片内4K字节存储器中各单元，2732的CE引脚为片选信号输入端，低电平有效，表示选中该2732芯片。
该片选信号决定了2732这块芯片的4K字节存储器在8031系统扩展程序存储器64KB空间中的位置，图中接法2732占有的扩展程序存储器地址空间为0000『07FFH。
⑸
此外，2732的洗端，Vpp、圧端可组合成2732的各种工作方式（读待机即维持，写即编程，编程检验等）图中连接法其工作方式为读状态，当西颐选通信号为低电平选通2732即把2732中的D0~D7端口上的程序或常数读入，8031单片机的P0口上去，当PSEN为高电平时,即无效，则禁止2732的数据读入P0
口。
-EA
1A
03
SL
3
8
34
7B
8B
30I'/6543210
22.2200.0.0.0.00.0ppppPPPPPPPP
Do
5
6k
5
ALESEN
P
'9
VIO
GND
C
76543210
O333
11
11
图4.62732EPR0M与8031硬件接II电路
图中74LS373是带三态输出的8口锁存器,扩展电路中用作外部地址锁存器,三态控制端E接地，以保持输出畅通，其三态输出还有一定的驱动能力，G端与8031单片机的ALE连接，当G二1时（ALE高电平持续期间）74LS373的输出Q0〜Q7随其输入的DO'Dl的状态变化即P0口送出的8位地址信号一旦输出，就能映射到2732EPR0M的地址输入A0~A7上，G端的状态由T变“0”时（ALE不跳变）低8位地址被锁存。
第5章掉电保护功能电路
掉电保护电路功能的实现有两种方案：
一是选用E2R0M将重要数据置于其中,二是加接备用电池，如下图所示，稳压电源和备用电池分别通过二级管接于存储器或单片机的Vcc端，当稳压电源电压大于备用电池电压时，电池不供电，当稳压电源掉电时，备用电池工作。
⑼
仪器内还应设置掉电检测电路，以便在一旦检测到失电时，将断点（PC及
各种寄存器）内容保护起來，图中CM0S555接成单稳形式，掉电时3端输出低电平脉冲作为中断请求信号。
光电耦合器的作用是防止干扰而产生误动作，在掉电瞬时，稳压电源在大电容支持下，仍维持供电，这段时间主机执行中断服务程序,将断点和重要数据置入RAM。
冏
图5.1掉电保护功能图
第6章温度控制电路
6.1温度控制电路
温度控制电路采用可控硅调功方法，双向可控硅相当于一双反相并联的普通可控硅，具有正反相都能控制导通的特性，可用作调温器。
将它串在50HZ交流电源和加热丝电路中，只要在给定周期内改变可控硅开关的接通时间，就能改变加热功率，从而实现温度的调节。
血
图6.1可控硅调功器输出功率与通断电T关系
对于这样的执行机构，单片机只要输出能控制可控硅通断时间的脉冲作为信号就可以了，这可用一条功线通过程序输出控制脉冲。
为了达到过零触发的目的，需要交流电过零检测电路，此电路输出对应于50HZ交流电压过零时刻的脉冲作为触发双向可控硅的同步脉冲，是可控硅在交流电压过零时刻触发导通，电路如下图：
图中电压比较器LM311将50HZ正弦交流电压变为方波，方波的正跳沿和负跳沿分别作为两个单稳触发器的触发信号，单稳触发器输出的窄脉冲经二极管或门混合就得到对应于220V市电过零时刻的同步脉冲。
此同步脉冲一路作为触发同步脉冲加到温控电路，一路作为计数脉冲加到单片机8031和P3.4、P3.5输入端。
6.2控制规律的选择
电阻炉炉温控制是这样一个反馈调节作用过程：
比较实际炉温和需要炉温得到的偏差通过对偏差的处理获得控制信号去调节炉子的加热功率，从而实现对炉温的控制。
按照偏差的比例，积分和微分产生控制作用，简称PID控制，是过程控制中应用最广泛的一种控制形式，通过对实际运行效果和理论分析表明，这种控制规律在相当多的工业生产中能得到比较好的效果。
计算机PID算法是用差分方程近似实现的。
用微分方程表示PID调节规律的理想算式为：
"）=Kp[e[t）+制話（M+Td畔]
式中e（t）=r（t）-y（t）为偏差信号，是调节器的输入信号;r（t）是给定值;y（t）为被控变量;U（t）为调节器输出的控制信号;Kp为比例系数;Ti为积分时间常数;Td为微
分时间常数。
计算机只能处理数字信号，若采样周期为T,第几次釆样输入偏差为en,调节器输出为Un,PID算法中的微分牛用差分号口代替，积分J和）df
1川p—P
用工以代替，于是得到Un=Kp[en+—心kT+Td丄旦],写成递Tik=oT
推形式:
TTd
改写成:
Un=U（n-l）+Kp[en-en.,]+K,en+Kd[ea-2也+en_2]=U（n-l）+Pp+P,+PD
由于电阻炉一般都属于一阶对象和带纯滞后的一阶对象，所以式中KP、KI、KD的选择取决于电阻炉的阶跃响应特性和实际经验，在程序中假设都为正小数,参与运算的数都变为计算机易于处理的形式，数据处理方法如下：
（1）把所有的数都变成定点纯小数进行处理
（2）算式中的各项都有正负，用补码表示，计算结果以原码输出。
（3）双精度运算，为了保证运算精度把单字节16位进行运算，最后结果取8位有效
升级会员 