基于單片機的恒溫控制系統(tǒng)

1、基于單片機的恒溫控制系統(tǒng)摘要本設計的溫度測量及加熱控制系統(tǒng)以at89s52單片機為核心部件，外加溫度采集電路、鍵盤及顯示電路、加熱控制電路和越限報警等電路。采用單總線型數字式的溫度傳感器ds18b20，及行列式鍵盤和動態(tài)顯示的方式，以容易控制的固態(tài)繼電器作加熱控制的開關器件。本作品既可以對當前溫度進行實時顯示又可以對溫度進行控制，以使達到用戶需要的溫度，并使其恒定在這一溫度。人性化的行列式鍵盤設計使設置溫度簡單快速，兩位整數一位小數的顯示方式具有更高的顯示精度。建立在模糊控制理論上的控制算法，使控制精度完全能滿足一般社會生產的要求。通過對系統(tǒng)軟件和硬件設計的合理規(guī)劃，發(fā)揮單片機自身集成眾多系統(tǒng)

2、級功能單元的優(yōu)勢，在不減少功能的前提下有效降低了硬件成本，系統(tǒng)操控簡便。實驗證明該溫控系統(tǒng)能達到0.2的靜態(tài)誤差,0.45的控制精度,以及只有0.83%的超調量,因而本設計具有很高的可靠性和穩(wěn)定性。關鍵詞：單片機 恒溫控制模糊控制引言溫度是工業(yè)生產中主要的被控參數之一，與之相關的各種溫度控制系統(tǒng)廣泛應用于冶金、化工、機械、食品等領域。溫度控制是工業(yè)生產過程中經常遇到的過程控制,有些工藝過程對其溫度的控制效果直接影響著產品的質量,因而設計一種較為理想的溫度控制系統(tǒng)是非常有價值的。硬件系統(tǒng)的設計1、 電路總體原理框圖溫度測量及加熱系統(tǒng)控制的總體結構如圖1所示。系統(tǒng)主要包括現場溫度采集、實時溫度顯示

3、、加熱控制參數設置、加熱電路控制輸出、與報警裝置和系統(tǒng)核心at89s52單片機作為微處理器。圖1：系統(tǒng)總體原理框圖 溫度采集電路以數字量形式將現場溫度傳至單片機。單片機結合現場溫度與用戶設定的目標溫度，按照已經編程固化的模糊控制算法計算出實時控制量。以此控制量控制固態(tài)繼電器開通和關斷，決定加熱電路的工作狀態(tài)，使水溫逐步穩(wěn)定于用戶設定的目標值。在水溫到達設定的目標溫度后，由于自然冷卻而使其溫度下降時，單片機通過采樣回的溫度與設置的目標溫度比較，作出相應的控制，開啟加熱器。當用戶需要比實時溫度低的溫度時，此電路可以利用風扇降溫。系統(tǒng)運行過程中的各種狀態(tài)參量均可由數碼管實時顯示。 2、 溫度采集電路

4、的設計溫度采集電路模塊如圖2示。ds18b20內部結構主要由四部分組成：64位光刻rom、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器th和tl、配置寄存器。其中dq為數字信號輸入/輸出端；gnd為電源地；vdd為外接供電電源輸入端。圖2：溫度采集電路ds18b20中的溫度傳感器可完成對溫度的測量，以12位轉化為例:用16位符號擴展的二進制補碼讀數形式提供，以0.0625/lsb形式表達，其中s為符號位。這是12位轉化后得到的12位數據，存儲在18b20的兩個8比特的ram中，二進制中的前面5位是符號位，如果測得的溫度大于0，這5位為0，只要將測到的數值乘于0.0625即可得到實際溫度；如果溫度小于0，

5、這5位為1，測到的數值需要取反加1再乘于0.0625即可得到實際溫度。3、鍵盤和顯示的設計鍵盤采用行列式和外部中斷相結合的方法，圖3中各按鍵的功能定義如下表1。其中設置鍵與單片機的腳相連，、yes、no用四行三列接單片機p0口，rest鍵為硬件復位鍵，與r、c構成復位電路。模塊電路如下圖3：表1：按鍵功能按鍵鍵名功能rest復位鍵使系統(tǒng)復位ret設置鍵使系統(tǒng)產生中斷，進入設置狀態(tài)數字鍵設置用戶需要的溫度yes確認鍵用戶設定目標溫度后進行確認no清除鍵用戶設定溫度錯誤或誤按了yes鍵后使用圖3 鍵盤接口電路顯示采用3位共陽led動態(tài)顯示方式,顯示內容有溫度值的十位、個位及小數點后一位。用p2口作

6、為段控碼輸出，并用74hc244作驅動。p1.0p1.2作為位控碼輸出，用pnp型三極管做驅動。模塊電路如下圖4：圖4 顯示接口電路4、加熱控制電路的設計用于在閉環(huán)控制系統(tǒng)中對被控對象實施控制，被控對象為電熱杯，采用對加在電熱杯兩端的電壓進行通斷的方法進行控制，以實現對水加熱功率的調整，從而達到對水溫控制的目的。對電爐絲通斷的控制采用ssr-40da固態(tài)繼電器。它的使用非常簡單，只要在控制端ttl電平，即可實現對繼電器的開關，使用時完全可以用 npn型三極管接成電壓跟隨器的形式驅動。當單片機的p1.3為高點平時，三極管驅動固態(tài)繼電器工作接通加熱器工作，當單片機的p1.3為低電平時固態(tài)繼電器關斷

7、，加熱器不工作。控制電路圖如下圖5：圖5 加熱控制電路5、報警及指示燈電路的設計當用戶設定的目標溫度達到時需用聲音的形式提醒用戶，此時蜂鳴器為三聲斷續(xù)的滴答滴答的叫聲。在本系統(tǒng)中我們?yōu)橛脩粼O計了越限報警，當溫度低于用戶設置的目標溫度10度或高于10度時蜂鳴器為連續(xù)不斷的滴答滴答叫聲。當單片機p1.7輸出高電平時，三極管導通，蜂鳴器工作發(fā)出報警聲。p1.7為低電平時三極管關斷，蜂鳴器不工作。d1為電熱杯加熱指示燈，p1.5低電平有效；d0為檢測到ds18b20的指示，高電平有效；d10為降溫指示燈，低電平有效。報警及指示燈電路如下圖6示： 圖6 報警及指示燈電路軟件系統(tǒng)的設計系統(tǒng)的軟件由三大模塊

8、組成：主程序模塊、功能實現模塊和運算控制模塊。1、 主程序模塊主程序主要完成加熱控制系統(tǒng)各部件的初始化和實現各功能子程序的調用，以及實際測量中各個功能模塊的協(xié)調在無外部中斷申請時，單片機通過循環(huán)對外部溫度進行實時顯示。把設置鍵作為外部中斷0，以便能對數字按鍵進行相應處理。主程序流程圖如下圖7：圖7 主程序流程圖2、 功能實現模塊以用來執(zhí)行對固態(tài)繼電器及電熱杯的控制。功能實現模塊主要由中斷處理子程序、溫度比較處理子程序、鍵盤處理子程序、顯示子程序、報警子程序等部分組成。鍵盤顯示及中斷程序流程圖如下圖8：圖8 鍵盤、顯示、中斷 子程序流程圖3、運算控制模塊該模塊由標度轉換、模糊控制算法，及其中用到

9、的乘法子程序。3.1標度轉換式中為二進制的溫度值，為ds18b20的數字信號線送回來的溫度數據。單片機在處理標度轉換時是通過把ds18b20的信號線送回的16位數據右移4位得到二進制的溫度值。其小數部分通過查小數表的形式獲取。程序流程圖如下圖9：圖9 標度轉換子程序流程圖3.2模糊控制算法子程序該系統(tǒng)為一溫度控制系統(tǒng)，由于無法確切確定電爐的物理模型，因而無法建立其數學模型和傳遞函數。加熱器為一慣性系統(tǒng)，我們采用模糊控制的方法，通過多次溫度測量模糊計算當用戶設定目標溫度時需提前關斷加熱器的溫度，利用加熱器自身的熱慣性使溫度上升到其設定溫度。每隔5攝氏度我們進行一次溫度測量，并當達到其溫度時關斷加

10、熱器記錄下因加熱器的熱慣性而上升的溫度值。從而可以建立熱慣性的溫度差值表，在程序中利用查表法，查出相應設定溫度對應的關斷溫度。通過實驗數據我們可以看出，當水溫從0加熱到50這段溫度區(qū)域，其溫度慣性曲線可近似成線性的直線，水溫從50加熱到100這段溫度慣性曲線可近似成另一條線性的直線段。通過對設置的目標溫度與溫控系統(tǒng)監(jiān)測溫度進行差值處理就可近似的求出單片機的提前關斷溫度。程序流程圖如圖10：圖10 模糊控制算法子程序流程圖4源程序見附錄2設計總結我們的溫度控制系統(tǒng)是基于at89s52單片機的設計方案，她能實時顯示當前溫度，并能根據用戶的要求作出相應的控制。此系統(tǒng)為閉環(huán)系統(tǒng)，工作穩(wěn)定穩(wěn)定性高,控制

11、精度高,利用模糊控制算法使超調量大大降低。軟件采用模塊化結構,提高了通用性。本設計的目的不僅僅是溫度控制本身,主要提供了單片機外圍電路及軟件包括控制算法設計的思想,應該說,這種思想比控制系統(tǒng)本身更為重要。1、 設計所達到的性能指標1.1 溫控系統(tǒng)的標度誤差 我們將標準溫度計和溫控系統(tǒng)探頭放人同一容器中，選定若干不同的溫度點，記錄下標準溫度計顯示的溫度和溫控系統(tǒng)顯示的溫度進行比較。測量數據如下表2所示：表2 標準溫度計測量的溫度和溫控系統(tǒng)顯示的溫度標準溫度計和溫控系統(tǒng)顯示的溫度（）標準溫度計16.947.757.863.072.885.190.9溫控系統(tǒng)16.548.058.362.973.08

12、5.590.5差值比較-0.40.30.50.10.20.4-0.4標度誤差1.5%1.2溫控系統(tǒng)的靜態(tài)誤差通過測量在不同的溫度點同標準溫度的溫度差來確定溫控系統(tǒng)的靜態(tài)誤差。其測量數據如下表3：表3 標準溫度和溫控系統(tǒng)顯示的溫度標準溫度和溫控系統(tǒng)顯示的溫度（）標準溫度26.037.046.060.070.083.0系統(tǒng)顯示值25.736.446.159.670.083.3差值-0.3-0.6-0.1-0.400.3靜態(tài)誤差0.181.3溫控系統(tǒng)的控制精度通過設定不同的溫度值，使加熱器加熱，待溫度穩(wěn)定時記錄各溫度點的溫度計數據和溫控系統(tǒng)的顯示值。其記錄數據如下表4：溫度計讀數和溫控系統(tǒng)顯示的溫度

13、（）設定溫度值20.028.035.045.055.075.087.091.0系統(tǒng)顯示值20.527.734.445.154.174.986.191.2差值0.5-0.3-0.60.1-0.9-0.1-0.90.2控制精度0.45超調量0.83%2、結果分析論述我們的系統(tǒng)完全滿足設計要求，靜態(tài)誤差方面可以達到0.18的誤差，在讀數正確方面與標準溫度計的讀數誤差為1.5，對一般的工業(yè)生產完全可以采用我們的設計。該系統(tǒng)具有較小的超調值，超調值大約為 0.83%左右。雖然超調為不利結果，但另一方面卻減小了系統(tǒng)的調節(jié)時間。從其數據表可以看出該系統(tǒng)為穩(wěn)定系統(tǒng)。3、設計方案評價3.1優(yōu)點在硬件方面：本設計

14、方案采用了單總線型數字式的溫度傳感器，提高了溫度的采集精度，節(jié)約了單片機的口線資源。方案還使用僅一跟口線就可控制的美國生產的固態(tài)繼電器ssr40da作加熱控制器件，使設計簡單化，且可靠性強。在控制精度方面，本設計在不能確定執(zhí)行機構的數學模型的情況下，大膽的假設小心的求證，利用模糊控制的算法來提高控制精度。 在軟件方面：我們采用模塊化編程，思路清晰，使程序簡潔、可移植性強。3.2缺點本設計方案雖然采用了當前市場最先進的電子器件，使電路設計簡單，但設計方案造價高。本系統(tǒng)雖然具有較小的超調量，但加大了調節(jié)時間。如果需要更高的控制精度，則我們的模糊控制將不適應，需修改程序。3.3方案的改進在不改變加熱

15、器容量的情況下，為減小調節(jié)時間，可以實行在加熱快達到設定溫度時開啟風扇來減小熱慣性對溫度的影響的措施。在控制精度上可采用先進的數字pid控制算法，對加熱時間進行控制，提高控制精度?？梢愿倪M控制系統(tǒng)使能同pc聯(lián)機通信，以利用pc的圖形處理功能打印顯示溫度曲線。at89s52串行口為 ttl電平，pc 串行口為 rs232 電平，使用一片 max232 作為電平轉換驅動。參考文獻1 李廣弟 單片機基礎 北京：北京航空航天大學出版社，20012 王福瑞 單片微機測控系統(tǒng)設計大全 北京：北京航空航天大學出版社，19973 趙茂泰 智能儀器原理及應用（第2版） 北京：電子工業(yè)出版社，20044 賴壽濤

16、微型計算機控制技術 北京：機械工業(yè)出版社，2000 5 沙占友 模擬與數字萬用表檢測及應用技術 北京：電子工業(yè)出版社 1999附錄附錄1使用說明書按鍵功能說明數字鍵：按set鍵后，按相應的數字鍵（09）可對溫度進行設置，所設置的溫度將實時顯示在led顯示器上；set鍵：按set鍵可對溫度的十位、個位以及小數部分進行設置；yes鍵：設置好溫度后按yes鍵，系統(tǒng)將據你所設置的溫度（須大于當前實際溫度）對水進行加熱；no 鍵：若誤按了set鍵，或對輸入有誤，可按no鍵進行取消；rst鍵：對系統(tǒng)進行復位。指示燈及報警器說明紅 燈：加熱狀態(tài)標志；綠 燈：溫度傳感器正常工作標志；藍 燈：保溫狀態(tài)標志；報警

17、器：功能當水溫達到預設值時報警提醒； 功能當水溫達到或超越上、下限時報警提示。附錄2設計總電路附錄3程序清單temper_l equ 29h ;用于保存讀出溫度的低8位temper_h equ 28h ;用于保存讀出溫度的高8位flag equ 38h ;是否檢測到ds18b20標志位dayu equ 44h ;設溫實溫xiyu equ 45h ;設溫實溫deyu equ 46h ;設溫=實溫gaole equ 47h ;水溫高于最高溫度dile equ 48h ;水溫低于最低溫度a_bit equ 79h ;數碼管個位數存放內存位置b_bit equ 7ah ;數碼管十位數存放內存位置c_b

18、it equ 78h ;數碼管小數存放內存位置 org 0000h ajmp start org 0003h ajmp pito org 0030h start: clr p1.7 clr p1.3 clr p1.5 setb p1.6 mov r4, #00h mov sp, #60h ;確立堆棧區(qū) mov psw, #00h ; mov r0, #20h ;ram區(qū)首地址 mov r7, #60h ;ram區(qū)單元個數 ml: mov r0, #00h inc r0 djnz r7, ml clr it0 main:lcall get_temper ;調用讀溫度子程序進行溫度顯示,這里我們考

19、;慮用網站提供的兩位數碼管來顯示溫度 ;顯示范圍00到99度,顯示精度為1度 ;因為12位轉化時每一位的精度為0.0625度, ;我們不要求顯示小數所以可以拋棄29h的低4;位將28h中的低4位移入29h中的高4位,這;樣獲得一個新字節(jié),這個字節(jié)就是實際測量獲;得的溫度 lcall display ;調用數碼管顯示子程序 jnb 00h, main clr 00h mov a, 38h cjne a, #00h, ss ajmp main ss: lcall get_temper lcall display;調用數碼管顯示子程序 lcall bijiao lcall xiaoyu lcall

20、jixian jnb deyu ,loop clr p1.3 ;關加熱器 setb p1.6 ;關藍燈 setb p0.7 ;關風扇 clr deyu lcall get_temper lcall display ajmp tt2 loop:jnb dayu ,tt clr dayu setb p1.3 setb p1.6 setb p0.7 clr p1.7 lcall get_temper lcall display ajmp tt2 tt:jnb xiyu, tt2 clr xiyu clr p0.7 clr p1.6 clr p1.3 clr p1.7 lcall get_temper

21、 lcall display tt2:mov a, 29h clr c cjne a, 50h, jx mov a , 30h clr c cjne a, 51h, jia1 ajmp ys2 jia1:jc jx mov a, 51h mov 52h, a add a, #2 mov 52h, a clr c mov a, 30h cjne a, 52h, jia2 jia2:jnc jx ys2:setb p1.7 clr p1.6 mov r5, #20h ys:lcall get_temper lcall display djnz r5, ys clr p1.7 setb p1.6 m

22、ov r5, #20h ys1:lcall get_temper lcall display djnz r5, ys1 ys3:setb p1.7 clr p1.6 mov r5, #20h ys0:lcall get_temper lcall display djnz r5, ys0 clr p1.7 setb p1.6 mov r5, #20h ys01:lcall get_temper lcall display djnz r5, ys01 ys4:setb p1.7 clr p1.6 mov r5, #20h ys02:lcall get_temper lcall display dj

23、nz r5, ys02 clr p1.7 setb p1.6 mov r5, #20h ys03:lcall get_temper lcall display djnz r5, ys03 jx: mova, 29h cjnea, 31h,jx00 jx01:setbp1.7clr c ajmplast jx00:jc jx01 clr p1.7 cjnea, 32h,jx03 jx02:setbp1.7 clr c ajmplast jx03:jnc jx02 clr p1.7 last:lcall get_temper lcall display ajmp ss;*常數表格區(qū)* tab:db

24、 0c0h,0f9h,0a4h,0b0h,99h,92h,82h,0f8h,80h ;0-8 db 90h,88h,83h,0c6h,0a1h,86h,8eh,0ffh,0ch ;9,a,b,c,d,e,f,滅,p. tab1:db40h,79h,24h,30h,19h,12h,02h,78h,00h,10h, ;0.-9. tab2:db 0, 0, 1, 2, 3, 3, 4, 4, 5, 5, 6, 7, 8, 8, 9, 9, ;小數點;*1ms延時程序*;*中斷服務程序* ; 完成按鍵識別,鍵值求取,按鍵實時顯示等功能;*pito: push acc push psw setb rs

25、0 clr rs1setb00h main1: mov r7 , #03h ;顯示位數為2位 mov r0, #7ah mov 78h, #00h mov 79h, #00h mov 7ah, #00h kk: lcall dir lcall key1 loop1:cjne a, #11, loop2 ajmp last0 loop2:cjnea,#12, loop3 ljmp last3 loop3: cjne a, #10, l4 mova,#00h l4: mov r0, a lcalldir dec r0 djnzr7,kk setb 01h last0:jnb 01h, kk loo

26、p4:lcall key1 cjne a, #12, loop5 ajmp last3 loop5:cjne a, #11, loop4 last1:lcall dir lcall mun lcall jdlcallbijiao last3:pop psw pop acc reti ;*精度控制子程序* jd: push acc push psw clr c mov a, 38h mov 50h, amov a, 39h mov 51h, a cjne a, 29h, l001 l001:jc last02 ;設溫實溫,則跳出 mov a, 29h mov 41h, a mov a, 38h

27、cjne a, #25, l002 l003:clr c ;0t25 subb a, 41h cjne a, #3, l004 l005:mov a, 30h add a, #5 ;0t25, 差值小于3度 da a jnb acc.4, l0051 anl a, #0fh setb c l0051:mov 39h, a mov a, 29h addc a, #1 mov 38h, a ajmp last2last02: ajmp last2 l004:jc l005 mov a, 39h subb a, #0 da a mov 39h, a jnc l0041 dec 38h l0041:m

28、ov a, 38h subb a, #2 ;0t25, 差值大于3度 mov 38h, a ajmp last2 l002:jc l003 cjne a, #50, l006 l007:clr c ;25t實際溫度？ mov a, 39h cjne a, 30h, l1 setb deyu sjmp l2 l1: jc l2 setb dayu ;設溫實溫， sjmp l2 l2:ret ;*極限值求取子程序* ;完成上下極限值的求取,并置相應的標志位 ;*jixian: push acc pushpsw clr c mov a, 50h subb a, #10 mov 31h, a mov

29、a, 50h add a, #10 mov 32h, a pop psw pop acc ret;* *ds18b20復位初始化子程序*init_1820: setb p1.4 nop clr p1.4 ;主機發(fā)出延時537微秒的復位低脈沖 mov r1, #3 tsr1:mov r0, #107 djnz r0, $ djnz r1, tsr1 setb p1.4 ;然后拉高數據線 nop nop nop mov r0, #25h tsr2:jnb p1.4, tsr3 ;等待ds18b20回應 djnz r0, tsr2 ljmp tsr4 ; 延時 tsr3: setb flag ; 置標志位,表示ds1820存在 setb p1.5 ;檢查到ds18b20就點亮p1.5led ljmp tsr5 tsr4:clr flag ; 清標志位,表示ds18