溫度自動控制系統(tǒng)課程綜合設計說明

1、. . . . 22 / 22課 程 設 計 題 目: 釜式反應器溫度自動 控制系統(tǒng) 系 （部） : 電氣工程與其自動化 班 級: 2009級05班 姓 名: 明 亮 學 號: 0401090245 指 導 教 師: 薛 明 君 完 成 時 間: 2011.10.15 釜式溫度自動控制系統(tǒng)課程設計摘要:這次綜合設計，主要是設計一個溫度自動控制系統(tǒng)，用8位單片機控制，DS18B20數字溫度傳感器采集數據，并用LCD液晶顯示器模塊顯示。它屬于一個恒溫系統(tǒng)。通過單片機處理，并發(fā)出指令，使用繼電器控制、隔離。DS18B20數字溫度傳感器是一個12位的數字溫度傳感器，直接輸出二進制數字信號。在本次設計中

2、設值為9位，靈敏度為0.5度。 前 言本次設計分為顯示、數據處理、數據采集和執(zhí)行機構四個部分。顯示器采用圖形液晶顯示器QH2001，它是一個象素為128×64的點陣，數據處理用MCS-51系列單片機AT89S52進行集中控制，同時它還可以擴展為與上位機通信，并通過上位機設定為恒定值。數據采集部分采用集成數字溫度傳感器直接轉換為二進制代碼，并通過1-WIRE總線傳送數據和發(fā)送控制指令，控制數字溫度傳感器的讀寫操作。數字溫度傳感器和單片機接口只需要一個I/O口，但是在單片機中需要按照數字溫度傳感器的時序進行軟件編程模擬。在執(zhí)行部分采用繼電器，并通過它進行電氣隔離，繼電器再接通加熱器和冷卻

3、設備進行溫度調節(jié)。繼電器用NPN三極管SKT9014驅動。本次綜合設計是為畢業(yè)設計作準備。該系統(tǒng)有自動調節(jié)的功能，通過改變設定值可以使該設備處于不同的恒溫狀態(tài)，并使控制溫度基本上等于設定溫度，精度為±0.5度。總體方案設計這次課程設計題目為溫度自動控制系統(tǒng)，實現這種控制目的的方案有兩個。方案（一）熱電偶溫度自動控制系統(tǒng)。方案（二）數字溫度傳感器溫度控制系統(tǒng)。這兩個方案都是采用單片機控制，液晶顯示模塊LCM顯示。兩個方案的比較部分為溫度檢測部分。方案（一）的系統(tǒng)框圖如下圖：LCM信號匹配放大熱電偶與補償電路A/D轉換器單片機繼電器控制部分該部分溫度檢測部分檢測部分采用熱電偶，它需要冷端

4、補償電路與其配套，并且熱電偶輸出電壓只有幾毫負，必須經過放大處理才能A/D轉換和D/A轉換器接口，若采用8位A/D轉換器，CADC0809則輸人端需采用儀用放大器，把幾毫伏的電壓信號放大到5伏左右。由于熱電偶屬于非線性器件，因此每個溫度值都必須通過分度表，查表才能獲得，這給軟件編程和數據處理增加了難度。這種系統(tǒng)具有測量溫度圍可以從零下一百度到早上千攝氏度，而且有很多熱電偶精度非常高這是這種測量系統(tǒng)的優(yōu)點。但構成系統(tǒng)復雜，抗干擾能力不強。數字溫度傳感器DS18B20方案（二）的框圖如下：LCM單片機繼電器控制部分該方案才用數字溫度傳感器DS18B20，它的最高分辨率為12位，可識別0.0625攝

5、氏度的溫度。它具有直接輸出數字信號和數據處理，并且它和單片機接口只需要一位I/O口，因此由它構成的系統(tǒng)簡單使用，由于DS18B20，按照工業(yè)設計要求設計，抗干擾性能強。但溫度測量圍從-55攝氏度-125攝氏度，比較有限位綜合比較方案（一）和方案（二），我們只在常溫下使用，并且經濟合理，因此選擇了方案（二）。一、LCM顯示部分（一）器件介紹：本次設計的顯示部分采用圖形點陣顯示器模塊QH2001，帶兩片HD61202控制器，分別控制左右屏點陣數據。每片控制器帶512字節(jié)的RAM。其中的每一位數據和屏幕上的一個象素對應。QH2001顯示模塊無帶字庫，它是在純圖形的方式下工作的。所以我們利用字模軟件生

6、成了所需漢字代碼，用以進行調用。其程序設計的基本過程是：首先對顯示器模塊初始化，寫入相應控制字和設置顯示初始行，然后對顯示器清屏。在進行漢字和測試數據顯示時，首先確定顯示所在行的行數和所調用代碼表的標號。如果顯示數據，還要確定動態(tài)顯示的起始列數和字符數。設置完成后，調用選擇表處理程序，動態(tài)顯示處理程序以與顯示程序，完成顯示過程。（二）控制指令介紹12864采用兩片HD61202分別控制左右半屏的顯示，在編程時要注意分別控制，這里的左右屏選取由片選信號CS1、CS2完成。當CS1=1時選取左半屏為操作對象，CS2=1時選取右半屏為操作對象，某些情況下可以同時選擇左右屏同時操作。另外還有讀寫（R/

7、W）信號、數據指令（D/I）信號、E信號等。指令說明如下：操 作R/WD/IDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB01、顯示器開0000111111/02、起始行設置0011行地址：0633、頁地址設置001011頁地址：074、列地址設置0001列地址：0635、讀狀態(tài)10Busy0onoffRST00006、寫顯示數據01數據（8位）7、讀顯示數據11數據（8位）注：1、該指令控制顯示的開關，不影響模塊中RAM的數據和部狀態(tài)。DB0=1，開；DB0=0，關。2、RES=1表明系統(tǒng)正在初始化；RES=0表明初始化完成；On/off=1時不顯示；On/off=0時顯示；Busy=1時正

8、在進行部操作；Busy=0時準備好接收指令。3、將欲顯示的數據寫入顯示存儲器中。4、從顯示存儲器中讀出被顯示的數據。注意：在讀寫操作之前，要先確定模塊的部狀態(tài)，當RES=0時，才能進行地址設置和數據的讀寫操作。顯示RAM的存取地址每進行一次寫操作，列地址自動加1。顯示器開關設置顯示初始行設置數據指針設置（三） LCD的控制地址分配表 CS1 CS2 RW DI E (OTHERS E=0)LCD_CMD_L XBYTE0XFF001 0 0 0 1 /命令（寫）左LCD_STD_L XBYTE0XFF011 0 1 0 1 /狀態(tài)（讀）左LCD_DATAW_L XBYTE0XFF021 0 0

9、 1 1/數據（寫）左LCD_DATAR_L XBYTE0XFF031 0 1 1 1 /數據（讀）左LCD_CMD_R XBYTE0XFF040 1 0 0 1 /命令（寫）右LCD_STD_R XBYTE0XFF050 1 1 0 1 /狀態(tài)（讀）右LCD_DATAW_R XBYTE0XFF060 1 0 1 1 /數據（寫）右LCD_DATAR_R XBYTE0XFF070 1 1 1 1 /數據（讀）右CMD_LCD_ON 0X3F/開顯示器CMD_LCD_OFF 0X3E/關顯示器CMD_LCD_START 0XC0/顯示器開始顯示CMD_LCD_X 0XB8/寫顯示數據（列地址）C

10、MD_LCD_Y 0X40/寫顯示數據（頁地址）（四） LCM接口電路該部分和單片機接口電路如圖（1）所示。圖（1）起始行設置單片機通過對P1口和P2口相關引腳的操作間接控制LCM的初始化和顯示。其初始化和數據傳輸都通過調用相關的子程序來實現。初始化子程序的框圖如圖（2）所示。開始顯示顯示器清屏初始化完成在初始化子程序中，操作非常簡單，主要是對LCM的初始行設置在第1行顯示，即向LCM發(fā)出初始化控制命令0C0H，然后開顯示器，寫入3FH，初始化過程就算完成。最后是對LCM每一個RAM寫入“0”，使整個屏幕白屏。白屏部分程序是通過一個循環(huán)程序來實現的。在向LCM輸入顯示數據的過程中，是通過一個1

11、616的矩陣的子程序來實現的，該子程序可以顯示1616的漢字和168的數字矩陣。該部分子程序程序框圖如下圖（3）所示。起始頁設置起始列設置第一頁數據完否？第二頁數據完否？返回 圖3該子程序的具體邏輯是通過對頁地址和列地址的設置決定顯示的初始顯示數據，再通過對一個循環(huán)次數單元39H的容的確定決定顯示是漢字還是數據。在該程序中有兩個循環(huán)嵌套來確定換列地址和行地址。該顯示的整個過程為：首先顯示固定不動的漢字，其次是顯示設定值，最后是動態(tài)循環(huán)顯示測量數據，所有這些數據的顯示都固定的位置。這一點可以通過附錄主程序的框圖很清楚地表達出來。顯示屏幕顯示容的布置如下圖（4）所示。溫度自動控制系統(tǒng)設定值000.

12、00測量值000.00加熱狀態(tài)圖4數據處理部分（一） 功能介紹數據處理部分使用的器件是MCS-51系列單片機AT89C52，它自帶8K的FLASH程序存儲器，它的核心處理單元為8位。數據處理主要是對數字溫度傳感器采集溫度數據，并進行邏輯判斷，根據數據的具體情況輸出到LCM顯示和使繼電器動作。 這部分包括三個方面的工作，主要由三個子程序來完成，分別為GETWD、DATA-PRO和ZTBJ。它主要的功能包括初始化數字溫度傳感器、寫數據到數字溫度傳感器、從數字溫度傳感器讀數據三個步驟。從這個子程序讀出的數據由兩個字節(jié)組成，高字節(jié)為35H，低字節(jié)為34H，數據格式如下圖（5）所示。SSSSS000圖5

13、高字節(jié)前五位為符號位，低字節(jié)在傳感器設置為9位分辨率的情況下，最低三位由0補充。數據處理環(huán)節(jié)，其主要處理過程如框圖（6）所示。開始字節(jié)合并數據保存處理測量數據高位返回處理測量數據低位圖6首先，把高位字節(jié)不帶進位位Cy左移四位，再與F0H相與，把低四位置零，高四位保持不變，把所得結果存儲，低位字節(jié)的處理是：首先把該字節(jié)高低四位相互交換，存儲該字節(jié)在R3中，然后把這個數據與0FH相與去除高四位，最后把這個低位字節(jié)與處理后的高位字節(jié)相或，把高低位字節(jié)最后處理為一個字節(jié)，除去最高位符號位，后七位就是要顯示的數據，存儲在36H中。最后把R3中數據取出，帶進位位左移一位，判斷其進位標志位C是否為“1”，若

14、為“1”則把數字5存儲在37H中，供LCM顯示測量值小數部分。否則把37H中置零。到此，整個數據處理過程到此結束。三溫度數據采集（一）DS18B20簡介DS18B20是采用“1-wire”一線總線傳輸數據的集成溫度傳感器。它共有三個引腳一個VCC電源引腳，一個數據總線，一個地引腳，可采用外部電源供電，也可采用總線供電方式，此時，把VCC連接在一起作為數字電源。在本次設計中采用外部電源供電方式。它部有一個64位的ROM區(qū)，其中前8位為該器件的序列號，接下來48是該器件的編號，每個器件都不一樣，用于在一線總線上連接多傳感器時進行對象識別，第8位是前56位的CRC校驗碼。接下來是RAM區(qū)和EERAM

15、區(qū)。RAM前五個字節(jié)分別為LSB、MSB、FH、TL和CONFIG值，分別表示溫度測量值的低位字節(jié)、高位字節(jié)、溫度高溫低溫報警和使用傳感器分辨率設置位。EERAM分別用于TH和TL的數據保存。每次上電時，數據會自動從EERAM拷貝到TH和TL中。fonfrg值的數據格式如下圖（7）。0R1R011111圖7R1R0的狀態(tài)有00 01 10 11分別表示9位，10位，11位，12位分辨率設置。（二）軟件設計對DS18B20軟件的設計主要根據其操作時序和控制協議編寫的。其時序分為初始化操作時序，讀操作時序，寫操作時序，分別如下圖（8）、圖（9）所示。相應的子程序也根據這三個步驟來完成，它們都是嚴格

16、按照以上時序圖編寫的。圖（8）圖（9）1. 18B20的一線工作協議流程是：初始化ROM操作存儲器操作指令數據傳輸。每進行一次操作都要遵守這一協議流程。這一過程可以從GETWD字程序的框圖sikpROM（圖10）來表達。初始化DS18B20讀LSB發(fā)sikpROM的命令讀MSB啟動轉換返回初始化圖（10）該圖中每一個具體操作除初始化外都是通過命令的方式實現的。如下表（1）所示。讀BEH從RAM到單片機寫4EH從單片機到DS18B20拷貝48H從DS18B20到部RAM到部ERAMSikpROMCCH跳到ROM區(qū)直接操作存儲器啟動轉換44H啟動DS18B20開始轉換溫度表1開始初始化子程序框圖如

17、下圖（11）所示。主機發(fā)低電平讀數據線是否應答初始化完成返回圖（11）它的過程可具體描述為主機的總線低電平持續(xù)時間480至900微秒然后釋放總線，等60微秒后讀總線是否為低，為低電平表示器件DS18B20反饋存在信號等待主機的下一步操作。 讀操作子程序是主機先發(fā)出低電平維持等待6ns釋放總線，再等待8ns讀入數據。在寫操作子程序則為使總線常產生一個由高到低的階段，保持低電平16ns方式向總線寫數據等待40ns以保持寫過程持續(xù)60ns，然后重復以上操作。以上的單位機向DS18B20操作的過程。在這個過程中要嚴格地保證時序要求因此，在執(zhí)行以上程序不允許產生中斷。，而且要用4.7千歐以上的電阻連接在

18、讀總線上，以保證在主機釋放總線只能把總線拉回高電平。四 執(zhí)行機構部分（一） 硬件部分和參數計算該部分是單片機和外部控制的接口部分，主要起執(zhí)行和電氣隔離作用，其電路圖如下圖（12）所示。圖（12）它是加熱通道的電路圖，另一通道原理跟加熱通道原理一樣。繼電器采用SRD-D6VDC-SL-C型，240AC通通斷TA的電流。其直流線圈電阻95歐，三極管Q1采用KTC9014，蔬菜電流IC為150mA，放大系數為60至1000圍，若取為200則Ic在5V下為50mA左右，則基極電流為0.25mA。只有P0口在高點位輸出時才能達到這樣大的電流值。因此把這兩個口分別用P0和P01代替。由于P0口屬于三態(tài)輸出

19、輸入口，因此，必須接上拉電阻，其阻值大小可計算為：我們取10千歐的電阻讓Q1在高電平時飽和導通，此時，基極電流為。二極管D1主要起保護作用，在Q1關斷時續(xù)流，以免電感線圈斷路時產生過壓損壞三極管。（二） 軟件部分設計開始軟件部分實現也是用一個名叫IT的子程序實現的，它的末程序框圖如下圖（13）所示。判斷溫度是否大于0測量值和設定值比較加熱制冷返回圖（13）由框圖可知，首先把測量值取出判定是否大于零攝氏度，小于零攝氏度，則把測量值和設定值比較，小于就加熱大于就制冷。由于比較的知識整數部分，因此，其控制精度為正負1攝氏度。當測量值和設定值相等時，把這種狀態(tài)作為測量溫度大雨設定溫度值處理。程序的具體

20、操作過程是，首先設置漢字顯示狀態(tài)矩陣為1616的點陣，再通過邏輯與操作，把測量值整數部分與080H相與。篩選出符號位，看溫度是否1自動調節(jié)系統(tǒng)的組成控制器執(zhí)行器被控對象 +檢測儀表或變送器zxe = x-z-pqy擾動設定值控制器輸出操縱變量被控變量偏差測量值f控制器執(zhí)行器被控對象 +檢表或變送器zxe = x-z-pqy擾動設定值控制器輸出操縱變量被控變量偏差測量值fAa.控制器：在過程控制系統(tǒng)中，檢測變送儀表將被控變量轉換成測量信號后，除了送至顯示儀表進行指示和記錄以外，更重要的是要送至控制器，在控制器與設定值進行比較后得出偏差，然后由控制器按照預定的控制規(guī)律對偏差進行運算，輸出控制信號，操縱執(zhí)行機構動作，使被控變量達到預期要求，最終實現生產過程的自動化