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基于单片机的实验室恒温控制系统设计

作者:huqin   来源:本站原创   点击数:x  更新时间2009年09月27日   字体

我朋友的已经答辩的论文
2009年06月09日

   随着现代工业的逐步发展在工业生产中温度压力流量和液位是四种最常见的过程变量其中温度是一个非常重要的过程变量例如在冶金工业化工工业电力工业机械加工和食品加工等许多领域都需要对各种加热炉热处理炉反应炉和锅炉的温度进行控制然而用常规的控制方法潜力是有限的难月足较高的性能要求采用单片机来对它们进行控制不仅具有控制方便简单和灵活源的优点而且可源幅度提高被测温度的技术指标从而能够大大提高产品的质量和数量因此单片机对温度的控制问题是一个工业生产芯常会遇到的控制问题

   单片机是一种集成电路芯片,采用超大规模技术把具有数据处理能力(如算术运算,逻辑运算数据传送中断处理)的微处理器(CPU),随机存取数据存储器(RAM),只读程序存储器(ROM),输入输出电路(I/O口),可能还包括定时计数器,串行通信口(SCI),显示驱动电路(LCD或LED驱动电路),脉宽调制电路(PWM),模拟多路转换器及A/D转换器等电路集成到一块单块芯片上,构成一个最小然而完善的计算机系统.这些电路能在软件的控制下准确迅速高效地完成程序设计者事先规定的任务.由此来看,单片机有着微处理器所不具备的功能,它可单独地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能,这是单片机最大的特征.
本文详细地叙述了用MCS-51单片机设计实验室恒温控制系统的硬件电路及软件实现细致地介绍了设计构图各功能模块的程序流程图以及程序清单该装置控制温度范围广泛可靠性强灵敏度高使用灵活


目录II
第一章 概述1
第二章 系统的硬件电路描述2
2.1 主机部分2
2.2 电热控制部分2
2.3 温度检测部分2
2.4 显示与报警部分2
第三章 软件描述
3.1 键盘管理模块4
3.2 显示模块5
3.3 温度检测模块5
3.4 控制模块6
3.5 温度报警模块7
3.6 主程序和中断服务程序8
第四章 结论与总结........10
参考文献 11
第1章 概述1.1在一些重点实验室中以及进行一些特殊实验时对恒温控制系统的恒温控制要求的非常细并且控制温度范围比较广泛同时要求在各个不同的实验时间能够对温度进械节为此相继研制出了一些恒温控制系统但都是用电子电路所构成本文采用单片机进行设计使实验室恒温控制系统更可靠更灵敏更灵活控制温度范围更广更具有应用价值本文重点论述了实验室恒温控制系统的控制电路硬件设计及软件实现控制系统的温度显示及安全温度从设计要求角度考虑该控制系统要具有以下功能和特点
1 系统提供电源加热装置
2 显示设定温度和实验室实时温度控制精度误差≤±2棬显示精度到1
3 可随意预置实验室温度
4 温度超出规定范围则需发声报警
即该系统应具有温度检测电热控制温度预置温度显示及报警等电路根据设计要求可以给出系统结构框图如图一所示系统可分为主机显示与报警温度检测电热控制4个部分

第2章 系统硬件描述
2.1.1主机部分用MSC–51单片机作为控制主机并选用EPROM2764芯片作为程序存储器用MSC–51单片机控制温度检测温度显示声音报警及可控硅电热电路

2.2电热控制部分
电热控制采用可控硅来实现双向可控硅和电热器串接在200V单相交流电路中单片机的P1.7通过光电隔离器件和驱动电路送到可控硅的控制端通过P1.7口控制可控硅的通断

2.3 温度检测部分
温度检测部分包括温度传感器变换器和A/D转换3部分用于温度检测的传感器行能稳定抗氧能力强和检测精度高等特点考虑到应用范围要求广泛这里选用铂热电阻要求其检测范围在0—500之间变送器将温度变化引起的铂热电阻当化转化成电压信号当温度在0—500时变送器输出0-5V左右电压
A/D转换部分采用ADC0809组成A/D转换电路ADC0809是一种8路模拟输入的8位逐次逼近式A/D转换器件由于温度的控制精度要求≤±2显然采用8位A/D转换器完全可源到要求的精度ADG0809的EOC转换结束信号接MSC–52的外部中断1上MSC-51通过地址P2.0和读写信号来控制转换器的模拟量输入通道地址锁存启动和输出允许如图2.因为0809内部械址锁存器所以不需另加锁存器当电路设计好后调整变换器输出当温度为0时变化器输出0VAD转换器转换结果为00H当温度为500时变换器输出5VAD转换器结果为FAH250也就是说温度在0~500时AD转换器转换结果为00H—FAH(0~250),显然转化结果乘以2正好是温度值这样一方面可以方便标度转换另一方面可以避免转换时带来的误差


2.4显示和报警部分
显示器设有3位LED数码显示器当停止加热时显示设定温度启动加热时用于显示定时温度为了充分利用MSC—51的资源节省并行I/O口线因此采用串行口工作方式O作LED显示器的接口采用了74LS164移位寄存器构成显示器接口电路如图2.
为了结语资源不扩展并行I/O口键盘只设置4个按键由I/O的低4位作为键盘接口4个键分为启动“+100”“+10”和“+1”键其中后3个键可以分别对百位十位和各位进行加1再按会再加1若连续按该键十位数就会在0~9之间循环从而实现呢置数功能除上述4个键以外还设有复位/停止键系统复位后处于停止加热状态因此要停止加热则按复位键报警采用蜂鸣器作为发生器件将P1.6与之相连当温度超过警戒温度时实现报警并关闭电热器图2是系统的硬件电路图
图2控制系统电路图
第3章 软件描述在软件设计时必须先弄清恒温控制系统的操作过程和工作过程加热器开始时处于停止状态首先设定温度显示器显示温度温度设定后则可以启动加热温度检测系统不断检测并显示系统中的实时温度当达到设定值停止加热当温度下降较限小于设定值2棩时再自动启动加热这样不断的循环使温度保持在设定范围之内启动加热以后就不能再设定温度因为温度的设定可以根据实验要求改变若要改变设定的温度可以先按复位键/停止键再重复上述过程
根据以上操作和工作过程的分析程序应分为两个阶段一是通电或复位后到启动加热程序主要是键盘管理显示器显示设定温度二是检测并显示系统的实时温度并根据检测的结果控制电热器这时系统不接受键盘的输入因此程序可以分为以下几个功能模块温度设定和接收启动显示温度检测温度变换温度控制仪以及报警

3.1键盘管理模块
键盘管理模块子程序流程如图3所示当通电或复位以后系统进入键盘管理状态键盘只接收设定温度和启动当检测到有键闭合时热除抖动这里采用软件延时的方法在确定是否有键闭合然后将设定好的值送入预置温度数据区并调用温度合法检测报警程序当设定温度超过最大值如500本会报警并将温度设定在500棬最后当启动键闭合是启动加热

3.2显示模块
显示子程序的功能是将缓冲区的二进制数据先转换成3个BCD码再将其存入另外3个存储单元这3个单元分别对应百位十位个位3个显示缓冲区最后通过串行口统显示

3.3 温度检测模块
温度检测子程序流程如图4所示铂热电阻检测到温度变化引起的电阻的变化经变送器转化成电压信号送至A/D转化器A/D转化采用查询方式为了防止各种干扰带来误差要对数据进行交加工以保证温度检测的真实性这种算法就是数字滤波
数字滤波的算法有很多种这里我们采用取平均值的方法即将4次采样的A/D转换结果相加再除以4就是采样值又由于A/D转换结果乘以2正好是温度的实际值因此对4次采样的A/D转换结果相加后再除以2正好是温度的实际值看采样后将A/D转换的结果累加直到采样结束最后将累加的值除以2即为温度实际值

3.4控制模块
温度控制子程序流程如图5所示将当前温度与设定好的温度比较当当前温度小于设定温度时开启电热器当当前温度大于设定温度时关闭电热当二者相等时电热器保持这一状态

3.5温度报警模块
报警子程序流程如图6所示当检测到当前温度高于设定温度2时报警报警的同时关闭电热器为了防止误报设置了报警允许标志只有在允许报警的情况下温度高于设定温度时才报警

3.6主程序和中断服务程序
主程序和中断程序流程如图7所示主程序采用中断嵌套方式设计各功能模块可以直接调用主程序完成系统的初始化温度设置设定温度的显示以及定时器的设定温度的检测控制以及报警由中断服务程序完成中断由定时器T0产生根据需要应每隔15s中断一次但是MCS—51的8031所用的6MHz的晶振最大定时为130ms为实现15s定时而另外设定了一个软计数器


第四章 结论与总结
  本文结合实际应用介绍了用MSC-15单片机实现实验室恒温控制系统设计的工作原理以及硬软件的设计方法及实现过程本文重点论述实验室恒温控制系统控制电路的设计主要是硬件电路的设计过程及软件的实现对于单片机应用与控制领域实现工业生产过程自动化和管理现代化有一定的普遍意义当然本文也存在着一些问题比如说由于单片机本身晶振的限制使得在设计中断的是时候必须加一个软计数器还有在进行A/D转换的时候不带来一定的误差从而对温控产生 一定的影响等等
当然单片机以其独特的优势备受控制领域的青睐纵观我们现在生活的各个领域从导 弹的导航装置到飞机上各种潜的控制从计算机的网络通讯与数据传输到工业自动化过程的实时控制和数据处理以及我们生活中广泛使用的各种智能IC 卡电子宠物等这些都离不开单片机而且随着计算机系统的发展单片机的技术也在不断的提高单片机在内部已集成了越来越多的部件这些部件包括一般常用的电路例如定时器比较器A/D转换器D /A转换器串行通信接口Watchdog电路LCD控制器等很多单片机都设置了多种工作方式这些工作方式包括等待暂停睡眠空闲节电等工作方式这使得单片机的功耗越来越小并且采用低频时钟以及低噪声布线技术及驱动技术 和 EFTEllectrical Fast Transient技术 等使得单片机的可靠性越来越高
 
 总之单片机是目前控制系统采用最多的器件和芯片单片机的广泛应用及其产生的效益令人瞩目在将来的各个领域里将有着广阔的应们景
参考文献
[1]彭沛夫微机控制实践教程
本清华大学出版社2004.
[2]曹琳琳曹巧媛单片机原理及接口技术
长常国防科技大学出版社2000.
[3]李晓荃单片机原理及应用
本电子工业出版社2000.

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