單片機(jī)溫控理論論文

1、 單片機(jī)溫控理論論文班級：14.7自動(dòng)化姓名：李路堯第一章 前言摘要：8051單片機(jī)是常用于控制的芯片，在智能儀器儀表、工業(yè)檢測控制、機(jī)電一體化等方面取得了令人矚目的成果，用其作為溫濕度控制系統(tǒng)的實(shí)例也很多。使用8051單片機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)溫濕度全程的自動(dòng)控制，而且8051單片機(jī)易于學(xué)習(xí),它集成度高、功能強(qiáng)、存儲(chǔ)量大、速度快、抗干擾性強(qiáng)和指令豐富等的優(yōu)點(diǎn)，使它的應(yīng)用遍及各個(gè)領(lǐng)域。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)就是單片機(jī)應(yīng)用于溫度控制的一個(gè)例子。本系統(tǒng)是一種高精度、測控速度快、自我閉環(huán)控制、測控溫度范圍廣的應(yīng)用性比較強(qiáng)的基于單片機(jī)的溫度測控系統(tǒng)。第二章 緒論引言： 電子工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，給人類的生活帶來了根本的變革

2、，特別是隨著集成電路的誕生而出現(xiàn)了嵌入式微型計(jì)算機(jī)，更是將人類社會(huì)生產(chǎn)帶入了一個(gè)全新的控制時(shí)代。利用微型計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大功能，人們可以完成各種自動(dòng)化智能的控制。然而，微型計(jì)算機(jī)造價(jià)高，對于大多數(shù)的簡單控制來說，也并不需要微型計(jì)算機(jī)那樣強(qiáng)大的功能，于是單片機(jī)就應(yīng)運(yùn)而生了。單片機(jī)將微機(jī)的CPU、存儲(chǔ)器、I/O接口整合到一起其實(shí)就是一個(gè)簡化的微機(jī)。相對微機(jī)來說，單片機(jī)價(jià)格低，非常適合于應(yīng)用在簡單的控制場合以降低成本。另外，單片機(jī)是按照工業(yè)控制要求設(shè)計(jì)的，其可靠性很高，可在工業(yè)現(xiàn)場復(fù)雜的環(huán)境下運(yùn)行。單片機(jī)依靠其高的可靠性和極高的性價(jià)比，在工業(yè)控制，數(shù)據(jù)采集，智能化儀表，家用電器等方面得到極為廣泛的應(yīng)用。第

3、三章 整體方案的設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 使用8051型單片機(jī)設(shè)計(jì)溫濕度控制系統(tǒng)，可以及時(shí)、精確的反映室內(nèi)的溫度以及濕度的變化。完成諸如升溫到特定溫度、降溫到特定溫度、在溫度上下限范圍內(nèi)保持恒溫等多種控制方式，在濕度控制方面也是如此。 本設(shè)計(jì)以AT89S52單片機(jī)為核心的溫度控制系統(tǒng)的工作原理和設(shè)計(jì)方法。溫度信號由溫度芯片DS18B20采集，并以數(shù)字信號的方式傳送給單片機(jī)。文中介紹了該控制系統(tǒng)的硬件部分，包括：溫度檢測電路、溫度控制電路、溫度顯示電路、報(bào)警電路和一些接口電路 。單片機(jī)通過對信號進(jìn)行相應(yīng)處理，從而實(shí)現(xiàn)溫度控制的目的。文中還著重介紹了軟件設(shè)計(jì)部分，在這里采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要模塊有：L

4、CD1602顯示程序、鍵盤掃描及按鍵處理程序、溫度信號處理程序、單片機(jī)內(nèi)部運(yùn)算比較程序、超溫報(bào)警程序。關(guān)鍵詞：AT89S52單片機(jī) 、溫度采集模塊DS18B20、液晶顯示LED,LCD1602。3.2方案（實(shí)現(xiàn)方法）： 方案：本設(shè)計(jì)的整體思路是：利用溫度傳感器DS18B20檢測環(huán)境溫度并直接輸出數(shù)字溫度信號給單片機(jī)AT89C52進(jìn)行處理，在LED數(shù)碼管上顯示當(dāng)前環(huán)境溫度值以及預(yù)設(shè)溫度值。其中預(yù)設(shè)溫度值只能為整數(shù)形式，檢測到的當(dāng)前環(huán)境溫度可精確到小數(shù)點(diǎn)后一位。同時(shí)采用PWM脈寬調(diào)制方式來改變直流風(fēng)扇電機(jī)的轉(zhuǎn)速。并通過兩個(gè)按鍵改變預(yù)設(shè)溫度值，一個(gè)提高預(yù)設(shè)溫度，另一個(gè)降低預(yù)設(shè)溫度值。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下

5、：DS18B20溫度顯示獨(dú)立鍵盤AT89C52直流電機(jī)PWM驅(qū)動(dòng)電路晶振復(fù)位3.3 溫度傳感器的選擇 方案一：采用熱敏電阻作為檢測溫度的核心元件，并通過運(yùn)算放大器放大，由于熱敏電阻會(huì)隨溫度變化而變化，進(jìn)而產(chǎn)生輸出電壓變化的微弱電壓變化信號，再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0809將微弱電壓變化信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號輸入單片機(jī)處理。方案二：采用數(shù)字式的集成溫度傳感器DS18B20作為溫度檢測的核心元件，由其檢測并直接輸出數(shù)字溫度信號給單片機(jī)進(jìn)行處理。對于方案一，采用熱敏電阻作為溫度檢測元件，有價(jià)格便宜，元件易購的優(yōu)點(diǎn)，但熱敏電阻對溫度的細(xì)微變化不太敏感，在信號采集、放大以及轉(zhuǎn)換的過程中還會(huì)產(chǎn)生失真和誤差，并且

6、由于熱敏電阻的R-T關(guān)系的非線性，其自身電阻對溫度的變化存在較大誤差，雖然可以通過一定電路來修正，但這不僅將使電路變得更加復(fù)雜，而且在人體所處環(huán)境溫度變化過程中難以檢測到小的溫度變化。故該方案不適合本系統(tǒng)。對于方案二，由于數(shù)字式集成溫度傳感器DS18B20的高度集成化，大大降低了外接放大轉(zhuǎn)化等電路的誤差因數(shù)，溫度誤差變得很小，并且由于其檢測溫度的原理與熱敏電阻檢測的原理有著本質(zhì)的不同，使得其溫度分辨力極高。溫度值在器件內(nèi)部轉(zhuǎn)化成數(shù)字量直接輸出，簡化了系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)，又由于該溫度傳感器采用先進(jìn)的單總線技術(shù)，與單片機(jī)的接口變得非常簡潔，抗干擾能力強(qiáng)，因此該方案適用于本系統(tǒng)。3.4調(diào)速方式的選擇：方案

7、一：采用數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC0832來控制，由單片機(jī)根據(jù)當(dāng)前環(huán)境溫度值輸出相應(yīng)數(shù)字量到DAC0832中，再由DAC0832產(chǎn)生相應(yīng)模擬信號控制晶閘管的導(dǎo)通角，從而通過無級調(diào)速電路實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇電機(jī)轉(zhuǎn)速的自動(dòng)調(diào)節(jié)。方案二：采用單片機(jī)軟件編程實(shí)現(xiàn)PWM（脈沖寬度調(diào)制）調(diào)速的方法。PWM是英文Pulse Width Modulation的縮寫，它是按一定的規(guī)律改變脈沖序列的脈沖寬度，以調(diào)節(jié)輸出量和波形的一種調(diào)節(jié)方式，在PWM驅(qū)動(dòng)控制的調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，最常用的是矩形波PWM信號，在控制時(shí)需要調(diào)節(jié)PWM波得占空比。占空比是指高電平持續(xù)時(shí)間在一個(gè)周期時(shí)間內(nèi)的百分比。在控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速時(shí)，占空比越大，轉(zhuǎn)速就越快，若全為高

8、電平，占空比為100%時(shí)，轉(zhuǎn)速達(dá)到最大 2 藍(lán)厚榮.單片機(jī)的PWM控制技術(shù)J .工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2010,23（3）:97982。用單片機(jī)I/O口輸出PWM信號時(shí)，有如下三種方法：(1) 利用軟件延時(shí)。當(dāng)高電平延時(shí)時(shí)間到時(shí)，對I/O口電平取反，使其變成低電平，然后再延時(shí)一定時(shí)間；當(dāng)?shù)碗娖窖訒r(shí)時(shí)間到時(shí)，再對該I/O口電平取反，如此循環(huán)即可得到PWM信號。在本設(shè)計(jì)中應(yīng)用了此方法。(2) 利用定時(shí)器?？刂品椒ㄅc(1)相同，只是在該方法中利用單片機(jī)的定時(shí)器來定時(shí)進(jìn)行高低電平的轉(zhuǎn)變，而不是用軟件延時(shí)。應(yīng)用此方法時(shí)編程相對復(fù)雜。(3) 利用單片機(jī)自帶的PWM控制器。在STC12系列單片機(jī)中自身帶有PWM控

9、制器，但本系統(tǒng)所用到得AT89系列單片機(jī)無此功能。對于方案一，該方案能夠?qū)崿F(xiàn)對直流風(fēng)扇電機(jī)的無級調(diào)速，速度變化靈敏，但是D/A轉(zhuǎn)換芯片的價(jià)格較高，與其溫控狀態(tài)下無級調(diào)速功能相比性價(jià)比不高。 對于方案二，相對于其他用硬件或者軟硬件相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速而言，采用PWM 用純軟件的方法來實(shí)現(xiàn)調(diào)速過程，具有更大的靈活性，并可大大降低成本，能夠充分發(fā)揮單片機(jī)的功能，對于簡單速度控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了一種有效的途徑。綜合考慮選用方案二。3.5電路圖的控制在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，除單片機(jī)本身需要復(fù)位以外，外部擴(kuò)展I/O接口電路也需要復(fù)位，因此需要一個(gè)包括上電和按鈕復(fù)位在內(nèi)的系統(tǒng)同步復(fù)位電路。單片機(jī)上的X

10、TAL1和XTAL2用來外接石英晶體和微調(diào)電容，即用來連接單片機(jī)片內(nèi)OSC的定時(shí)反饋回路。本設(shè)計(jì)中開關(guān)復(fù)位與晶振電路如下圖3.5.1所示，當(dāng)按下按鍵開關(guān)S1時(shí)，系統(tǒng)復(fù)位一次。其中電容C1、C2為20pF，C3為10uF，電阻R2、R3為10k，晶振為11.0592MHz。圖3.5.1 系統(tǒng)復(fù)位與晶振電路3.5.2 數(shù)碼管顯示電路本設(shè)計(jì)制作中選用5位共陰極數(shù)碼管作為顯示模塊，它和單片機(jī)硬件的接口如圖3.5.2所示。其中前3位數(shù)碼管DS1、DS2、DS3用于顯示溫度傳感器實(shí)時(shí)檢測采集到的溫度，可精確到0.1攝氏度，顯示范圍為099.9攝氏度；后2位數(shù)碼管DS4、DS5用于顯示系統(tǒng)設(shè)置的初值溫度，只

11、能顯示整數(shù)的溫度值，顯示范圍為099攝氏度。5位數(shù)碼管的段選a、b、c、d、e、f、g、dp線分別與單片機(jī)的P0.0P0.7口連接，其中P0口需接一10K的上拉電阻，以使單片機(jī)的P0口能夠輸出高低電平。5位數(shù)碼管的位選W1W5分別與單片機(jī)的P2.0P2.4口相連接，只要P2.0P2.4中任一位中輸出低電平，則選中與該位相連的數(shù)碼管。圖3.5.2 數(shù)碼管顯示電路3.5.3 溫度采集電路DS18B20數(shù)字溫度傳感器通過其內(nèi)部計(jì)數(shù)時(shí)鐘周期來的作用，實(shí)現(xiàn)了特有的溫度測量功能。低溫系數(shù)振蕩器輸出的時(shí)鐘信號通過由高溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的門周期而被計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器預(yù)先置有與-55相對應(yīng)的一個(gè)基權(quán)值。如果計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)

12、到0時(shí)，高溫度系數(shù)振蕩周期還未結(jié)束，則表示測量的溫度值高于-55，被預(yù)置在-55的溫度寄存器中的值就增加1，然后這個(gè)過程不斷重復(fù)，直到高溫度系數(shù)振蕩周期結(jié)束為止。此時(shí)溫度寄存器中的值即為被測溫度值，這個(gè)值以16位二進(jìn)制形式存放在存儲(chǔ)器中，通過主機(jī)發(fā)送存儲(chǔ)器讀命令可讀出此溫度值，讀取時(shí)低位在前，高位在后，依次進(jìn)行。由于溫度振蕩器的拋物線特性的影響，其內(nèi)用斜率累加器進(jìn)行補(bǔ)償 6 李鋼,趙彥峰.1-Wire總線數(shù)字溫度傳感器DSI8B20原理及應(yīng)用J.現(xiàn)代電子技術(shù)，2005,28(21)：7779.6。DS18B20在使用時(shí)，一般都采用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。只須將DS18B20信號線與單片機(jī)1位I/

13、O線相連，且單片機(jī)的1位I/O線可掛接多個(gè)DS18B20，就可實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)或多點(diǎn)溫度檢測7 馬云峰.單片機(jī)與數(shù)字溫度傳感器DS18B20的接口設(shè)計(jì)J.計(jì)算機(jī)測量與控制，2007,10(4)：278280.。在本設(shè)計(jì)中將DS18B20接在P1.7口實(shí)現(xiàn)溫度的采集。其與單片機(jī)的連接如圖3.5.3。圖3.5.3 溫度采集電路3.5.4 風(fēng)扇電機(jī)驅(qū)動(dòng)與調(diào)速電路本設(shè)計(jì)中由單片機(jī)的I/O口輸出PWM脈沖，通過一個(gè)達(dá)林頓反向驅(qū)動(dòng)器ULN2803驅(qū)動(dòng)12V直流無刷風(fēng)扇電機(jī)以及實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇電機(jī)速度的調(diào)節(jié)。鍵盤控制設(shè)置溫度，通過軟件向單片機(jī)輸入相應(yīng)控制指令，由單片機(jī)通過P1.7口輸出與轉(zhuǎn)速相應(yīng)的PWM脈沖，經(jīng)過ULN28

14、03驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇直流電機(jī)控制電路，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速與啟停的自動(dòng)控制8 王會(huì)明，侯加林. 智能電風(fēng)扇控制器的研制J. 電子與自動(dòng)化，1998,5(4)：2526.。當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)相應(yīng)按照設(shè)定的等級有所提高；當(dāng)環(huán)境溫度下降時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)相應(yīng)的下降；當(dāng)環(huán)境溫度低于設(shè)置溫度時(shí)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，而環(huán)境溫度又高于預(yù)設(shè)溫度時(shí)，電機(jī)重新啟動(dòng)。電路如圖3.5.4所示，風(fēng)扇電機(jī)的一端接12V電源，另一端接ULN2803的OUT7引腳，ULN2803的IN7引腳與單片機(jī)的P3.1引腳相連，通過控制單片機(jī)的P3.1引腳輸出PWM信號，由此控制風(fēng)扇直流電機(jī)的速度與啟停。圖3.5.4 風(fēng)扇電機(jī)驅(qū)動(dòng)與調(diào)速電系統(tǒng)

15、選用的風(fēng)扇電機(jī)為12V直流無刷電機(jī)，單達(dá)林頓反向驅(qū)動(dòng)器ULN2803輸入TTL信號為5V或CMOS信號為615V時(shí)，輸出的最大電壓為50V，最大電流為500mA，工作溫度范圍為070。本系統(tǒng)中單片機(jī)I/O口輸出的TTL信號為5V，因此此風(fēng)扇電機(jī)可以用ULN2803來驅(qū)動(dòng)。第四章 仿真模擬4.1 用Proteus進(jìn)行仿真4.1 Proteus簡介Proteus軟件是來自英國Labcenter electronics公司的EDA工具軟件。 Proteus有4個(gè)功能模塊：智能原理圖設(shè)計(jì)、完善的電路仿真功能、獨(dú)特的單片機(jī)協(xié)同仿真功能以及實(shí)用的PCB設(shè)計(jì)平臺。其內(nèi)部元件庫含有豐富的元件，支持總線結(jié)構(gòu)以及

16、智能化的連線功能；支持主流CPU（如ARM、8051/52、AVR）及其通用外設(shè)模型的實(shí)時(shí)仿真等，為單片機(jī)的開發(fā)應(yīng)用等帶來極大的便利。軟件使用的主界面如圖4.1。圖4.1 Proteus使用界面4.2 本設(shè)計(jì)基于Proteus的仿真首先啟動(dòng)Proteus軟件并建立一工程，然后根據(jù)原理圖調(diào)出相應(yīng)的原件，再根據(jù)要求改變各原件的屬性并把各個(gè)原件按原理圖連接起來。在原理圖繪制連接好后再把編譯好的程序加載到其中11 樓俊軍.基于Proteus和Keil的單片機(jī)演奏樂曲的實(shí)現(xiàn)J.科技信息，2010,23:第50頁。最后根據(jù)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能分步進(jìn)行仿真12 王文海，周歡喜.用Proteus實(shí)現(xiàn)51單片機(jī)的動(dòng)

17、態(tài)仿真調(diào)試J .IT技術(shù)，2006,20:1011。把溫度傳感器DS18B20溫度設(shè)置為26.4攝氏度，用鍵盤S2調(diào)節(jié)系統(tǒng)預(yù)設(shè)的溫度為22攝氏度。點(diǎn)擊開始按鈕，系統(tǒng)開始仿真，待一段時(shí)間穩(wěn)定后，觀察到此時(shí)風(fēng)扇直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速為+14.2r/s，如圖4.2所示。圖4.2 Proteus仿真效果圖一當(dāng)把溫度傳感器DS18B20溫度設(shè)置為28.4攝氏度，用鍵盤S2調(diào)節(jié)系統(tǒng)預(yù)設(shè)的溫度為22攝氏度。點(diǎn)擊開始按鈕，系統(tǒng)開始仿真，待一段時(shí)間穩(wěn)定后，觀察到此時(shí)直流風(fēng)扇電機(jī)的轉(zhuǎn)速為+23.3 r/s，如圖4.3所示。圖4.3 Proteus仿真效果圖二 當(dāng)把溫度傳感器DS18B20溫度設(shè)置為33.4攝氏度，用鍵盤S

18、2調(diào)節(jié)系統(tǒng)預(yù)設(shè)的溫度為22攝氏度。點(diǎn)擊開始按鈕，系統(tǒng)開始仿真，待一段時(shí)間穩(wěn)定后，觀察到此時(shí)直流風(fēng)扇電機(jī)的轉(zhuǎn)速為+32.0 r/s，如圖4.4所示。圖4.4 Proteus仿真效果圖三在上一步仿真的基礎(chǔ)上(溫度傳感器DS18B20溫度設(shè)置為33.4攝氏度，系統(tǒng)預(yù)設(shè)的溫度為22攝氏度)，用鍵盤S2調(diào)節(jié)系統(tǒng)預(yù)設(shè)溫度至34攝氏度，此時(shí)可知系統(tǒng)預(yù)設(shè)溫度大于溫度傳感器檢測到的溫度，觀察到直流風(fēng)扇電機(jī)的轉(zhuǎn)速逐漸變慢，最后轉(zhuǎn)速變?yōu)?，符合系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能，如圖4.5所示。圖4.5 Proteus仿真效果圖四通過以上仿真可以看出，直流風(fēng)扇電機(jī)在系統(tǒng)設(shè)定溫度一定的情況下，其轉(zhuǎn)速隨著環(huán)境溫度（溫度傳感器檢測到的溫度

19、）的增加而增大。當(dāng)環(huán)境溫度低于系統(tǒng)預(yù)設(shè)的溫度時(shí)，風(fēng)扇自動(dòng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的功能。當(dāng)然，在此沒有實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇直流電機(jī)的無級調(diào)速，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的是電機(jī)在隨環(huán)境溫度變化的四個(gè)等級的速度變化，環(huán)境溫度在一定小范圍內(nèi)變化風(fēng)扇電機(jī)轉(zhuǎn)速是不變的，只有超過了設(shè)定的某一界限時(shí)轉(zhuǎn)速才會(huì)變化。4.2 系統(tǒng)功能調(diào)試及分析起初根據(jù)設(shè)計(jì)編寫的系統(tǒng)程序：程序的鍵盤接口采用P1口，數(shù)碼管顯示采用P0口控制LED的斷碼，P2口控制LED的位碼，從而實(shí)現(xiàn)鍵盤功能及數(shù)碼管的顯示。經(jīng)過編譯沒有出錯(cuò)，但在仿真調(diào)試時(shí)，數(shù)碼管顯示的只是亂碼，沒有正確的顯示溫度，按鍵功能也不靈，當(dāng)按下鍵時(shí)，顯示并不變化。 系統(tǒng)總體上由五部分來組成，既按鍵與復(fù)位電路、數(shù)碼管顯示電路、溫度檢測電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。首先考濾的是溫度檢測電路，該部分是整個(gè)系統(tǒng)的首要部分，首先要檢測到環(huán)境溫度，才能用單片機(jī)來判斷溫度的高低，然后通過單片機(jī)控制直流風(fēng)扇電機(jī)的轉(zhuǎn)速；其次是電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，該部分需要使用外圍電路將單片機(jī)輸出的PWM信號轉(zhuǎn)化為平均電壓輸出，根據(jù)不同的PWM波形得到不同的平均電壓，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，電路的設(shè)計(jì)