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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,难以满足较高的性能要求。采用单片机来对它们进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大的优点,而且可以大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中经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严格,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行调节,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℃,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有性能稳定、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值变化转化成电压信号,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转换器完全可以达到要求的精度。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内部有地址锁存器,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0V,AD转换器转换结果为00H;当温度为500℃时变换器输出5V,AD转换器结果为FAH(250)。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,当温度下降到下限(小于设定值2℃)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先去除抖动,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℃时就会报警,并将温度设定在500℃,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,最后通过串行口送出显示。

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,要对数据进行平滑加工,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。每次采样后将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转换的时候也会带来一定的误差,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,到飞机上各种仪表的控制,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 EFT(Ellectrical 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,将有着广阔的应用前景。
参考文献
[1]彭沛夫,微机控制实践教程
。北京,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
。长沙,国防科技大学出版社,2000.
[3]李晓荃,单片机原理及应用
。北京,电子工业出版社,2000.

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