計算機溫度測控系統(tǒng) 班級:B110403 姓名：張一博 學(xué)號：B11040309 指導(dǎo)老師：王煜目錄摘要31.設(shè)計目的42.設(shè)計要求和設(shè)計指標(biāo)43. 總體方案設(shè)計44.硬件選擇以及相關(guān)電路設(shè)計54.1溫度傳感器的選擇64.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器74.2.1ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)74.2.2信號引腳84.2.3工作時序與使用說明94.3控制器89C51114.4數(shù)碼管顯示電路124.4.1 LED數(shù)碼管的組成124.4.2數(shù)碼管顯示方式135.PID控制算法156. 各子程序流程圖166.1 PID控制程序流程圖166.2 A/D轉(zhuǎn)換程序流程圖166.3 顯示程序流程圖176.4溫度控制總程序流程圖17心得體會18參考文獻19附錄：溫度控制系統(tǒng)總電路圖20摘要溫度控制是工業(yè)生產(chǎn)過程中經(jīng)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(chǎn)品的質(zhì)量，因而設(shè)計一種較為理想的溫度控制系統(tǒng)是非常有價值的。本設(shè)計介紹了以AD590集成溫度傳感器為采集器、AT89C51為控制器、ADC0809為A/D轉(zhuǎn)換器對溫度進行智能控制的溫度控制系統(tǒng)。其主要過程如下：利用傳感器對將非電量信號轉(zhuǎn)化成電信號，轉(zhuǎn)換后的電信號再入A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，傳遞給單片機進行數(shù)據(jù)處理，并向外圍設(shè)備發(fā)出控制信號。論文首先介紹了單片機控制系統(tǒng)的整體方案設(shè)計及原理，然后具體介紹了控制系統(tǒng)的溫度傳感器部分、A/D轉(zhuǎn)換部分、控制器89C51部分以及數(shù)碼管顯示和鍵盤控制部分，接著相信介紹了溫度控制系統(tǒng)各個單元電路的設(shè)計，最后闡述了溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計的主程序和各個子程序。計算機溫度測控系統(tǒng)1.設(shè)計目的設(shè)計制作和調(diào)試一個由工業(yè)控制機控制的溫度測控系統(tǒng)。通過這個過程學(xué)習(xí)溫度的采樣方法，A/D變換方法以及數(shù)字濾波的方法。通過實踐過程掌握溫度的幾種控制方法，了解利用計算機進行自動控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。2.設(shè)計要求和設(shè)計指標(biāo)1、每組45同學(xué)，每個小組根據(jù)設(shè)計室提供的設(shè)備及設(shè)計要求，設(shè)計出實際電路組成一個完整的計算機溫度測控系統(tǒng)。 2、根據(jù)設(shè)備情況以及被控對象，選擇12種合適的控制算法， 框圖和源程序，并進行實際操作和調(diào)試通過。編制程序溫度指標(biāo)：6080之間任選；偏差：1。3. 總體方案設(shè)計 本系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集、信號放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換等模塊構(gòu)成。設(shè)計思想是通過溫度傳感器將溫度信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏鳎妷海┬盘枺覀円澜?jīng)溫度變化引起電流（電壓）信號的改變是非常小的，此時如果被模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集的話效果是非常不明顯的，因此我們將其通過一個信號放大模塊進行放大。再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器后送入單片機AT89C51，而單片機通過PID算法控制烘箱的電爐加熱，并且使數(shù)碼管顯示實時溫度，從而實現(xiàn)溫度的高精度控制。4.硬件選擇以及相關(guān)電路設(shè)計 4.1溫度傳感器的選擇 傳感器的選取目前市場上溫度傳感器繁多就此我們提出了以下三種選取方案：方案一：選用鉑電阻溫度傳感器，此類溫度傳感器在各方面特性都比較優(yōu)秀，但其成本較高。方案二：采用熱敏電阻，選用此類元器件有價格便宜的優(yōu)點，但由于熱敏電阻的非線性特性會影響系統(tǒng)的精度。方案三：選用美國Analog Devices 公司生產(chǎn)的二端集成電流傳感器AD590，此器件具有體積小、質(zhì)量輕、線形度好、性能穩(wěn)定等優(yōu)點。其測量范圍在-50-+150，滿刻度范圍誤差為±0.3，當(dāng)電源電壓在510V之間，穩(wěn)定度為1時，誤差只有±0.01，其各方面特性都滿足此系統(tǒng)的設(shè)計要求。比較以上三種方案，方案三具有明顯的優(yōu)點，因此此次設(shè)計選用方案三。圖4-1 溫度采集電路選用溫度傳感器AD590，AD590具有較高精度和重復(fù)性（重復(fù)性優(yōu)于0.1，其良好的非線形可以保證優(yōu)于0.1的測量精度，利用其重復(fù)性較好的特點，通過非線形補償，可以達到0.1測量精度）。超低溫漂移高精度運算放大器OP-07將“溫度-電壓”信號放大。便于A/D進行轉(zhuǎn)換，以提高溫度采集電路的可靠性。集成溫度傳感器的輸出形式分為電壓輸出和電流輸出兩種。電壓輸出型的靈敏度一般為10mV/K，溫度0時輸出為0，溫度25時輸出為2.982V。電流輸出型的靈敏度為1µA/K。這樣便于A/D轉(zhuǎn)換器采集數(shù)據(jù)。4.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809是M美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的CMOS工藝8通道，8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部有一個8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進行A/D轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換時間為100s左右。是目前國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的8位通用A/D芯片 圖4-2ADC0809引腳圖 圖4-3 ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖4.2.1ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖中多路開關(guān)可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用一個A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換，這是一種經(jīng)濟的多路數(shù)據(jù)采集方法。地址鎖存與譯碼電路完成對A、B、C 3個地址位進行鎖存和譯碼，其譯碼輸出用于通道選擇，其轉(zhuǎn)換結(jié)果通過三態(tài)輸出鎖存器存放、輸出，因此可以直接與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線相連，表4-1為通道選擇表。 表4-1通道選擇表4.2.2信號引腳ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部引腳分別如圖4-3和圖4-2所示。內(nèi)部各部分的作用和工作原理在內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖中已一目了然，在此就不再贅述，下面僅對各引腳定義分述如下： （1）IN0IN78路模擬輸入，通過3根地址譯碼線ADDA、ADDB、ADDC來選通一路。（2）D7D0A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)輸出端，為三態(tài)可控輸出，故可直接和微處理器數(shù)據(jù)線連接。8位排列順序是D7為最高位，D0為最低位。（3）ADDA、ADDB、ADDC模擬通道選擇地址信號，ADDA為低位，ADDC為高位。地址信號與選中通道對應(yīng)關(guān)系如表4-1所示。（4）VR(+)、VR(-)正、負(fù)參考電壓輸入端，用于提供片內(nèi)DAC電阻網(wǎng)絡(luò)的基準(zhǔn)電壓。在單極性輸入時，VR(+)=5V，VR(-)=0V；雙極性輸入時，VR(+)、VR(-)分別接正、負(fù)極性的參考電壓。（5）ALE地址鎖存允許信號，高電平有效。當(dāng)此信號有效時，A、B、C三位地址信號被鎖存，譯碼選通對應(yīng)模擬通道。在使用時，該信號常和START 信號連在一起，以便同時鎖存通道地址和啟動A/D轉(zhuǎn)換。（6） STARTA/D轉(zhuǎn)換啟動信號，正脈沖有效。加于該端的脈沖的上升沿使逐次逼近寄存止，重新從頭開始轉(zhuǎn)換器清零，下降沿開始A/D轉(zhuǎn)換。如正在進行轉(zhuǎn)換時又接到新的啟動脈沖，則原來的轉(zhuǎn)換進程被中。 （7）EOC轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，高電平有效。該信號在A/D轉(zhuǎn)換過程中為低電平，其余時間為高電平。該信號可作為被CPU查詢的狀態(tài)信號，也可作為對CPU的中斷請求信號。在需要對某個模擬量不斷采樣、轉(zhuǎn)換的情況下，EOC也可作為啟動信號反饋接到START端，但在剛加電時需由外電路第一次啟動。 （8）OE輸出允許信號，高電平有效。當(dāng)微處理器送出該信號時，ADC0808/0809的輸出三態(tài)門被打開，使轉(zhuǎn)換結(jié)果通過數(shù)據(jù)總線被讀走。在中斷工作方式下，該信號往往是CPU發(fā)出的中斷請求響應(yīng)信號。4.2.3工作時序與使用說明圖4-4 ADC0809工作時序圖用單片機控制ADC時，多數(shù)采用查詢和中斷控制兩種方式。查詢法是在單片機把啟動命令送到ADC之后，執(zhí)行別的程序，同時對ADC的狀態(tài)進行查詢，以檢查ADC變換是否已經(jīng)完成，如查詢到變換已結(jié)束，則讀入轉(zhuǎn)換完畢的數(shù)據(jù)。中斷控制是在啟動信號送到ADC之后，單片機執(zhí)行別的程序。當(dāng)ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束并向單片機發(fā)出中斷請求信號時，單片機響應(yīng)此中斷請求，進入中斷服務(wù)程序，讀入轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，并進行必要的數(shù)據(jù)處理，然后返回到原程序。這種方法單片機無需進行轉(zhuǎn)換時間管理，CPU效率高，所以特別適合于變換時間較長的ADC。本設(shè)計采用查詢方式進行數(shù)據(jù)收集。由于ADC0809片內(nèi)無時鐘，故運用8051提供的地址鎖存使能信號ALE經(jīng)D觸發(fā)器二分頻后獲得時鐘。因為ALE信號的頻率是單片機時鐘頻率的1/6，如果時鐘頻率為6MHz,則ALE信號的頻率為1MHz，經(jīng)二分頻后為500kHz，與AD0809時鐘頻率的典型值吻合。由于AD0809具有三態(tài)輸出鎖存器，故其數(shù)據(jù)輸出引角可直接與單片機的總線相連。地址碼引腳ADDAC分別與地址總線的低3位A0、A1、A2相連，以選通IN0IN7中的一個通道。采用單片機的P2.7（地址總線最高位A15）作為A/D的片選信號。并將A/D的ALE和START腳連在一起，以實現(xiàn)在鎖存通道地址的同時啟動ADC0809轉(zhuǎn)換。啟動信號由單片機的寫信號和P2.7經(jīng)或非門而產(chǎn)生。在讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果時，用單片機的讀信號和P2.7經(jīng)或非門加工得到的正脈沖作為OE信號去打開三態(tài)輸出鎖存器。編寫的軟件按下列順序動作：令P2.7=A15=0,并用A0、A1、A2的組合指定模擬通道的地址；執(zhí)行一條輸出指令，啟動A/D轉(zhuǎn)換；然后根據(jù)所選用的是查詢、中斷、等待延時三種方式之一的條件去執(zhí)行一條輸入指令，讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。ADC0809是一個8路8位逐次逼近的A/D轉(zhuǎn)換器。AD0809的轉(zhuǎn)換時間為100µs。在CPU啟動A/D命令后，便執(zhí)行一個固定的延時程序，延時時間應(yīng)略大于A/D的轉(zhuǎn)換時間；延時程序一結(jié)束，便執(zhí)行數(shù)據(jù)讀入指令，讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。我們只用了其一路AD轉(zhuǎn)換，參考電壓2.56V，即一位數(shù)字量對應(yīng)10mV即1。所以用起來很方便。ADC0809是帶有8路模擬開關(guān)的8位A/D轉(zhuǎn)換芯片，所以它可有8個模擬量的輸入端，由芯片的A，B，C三個引腳來選擇模擬通道中的一個。A，B，C三端分別與AT89C51的P0.0P0.2相接。地址鎖存信號(ALE)和啟動轉(zhuǎn)換信號（START），由P2.6和/WR或非得到。輸出允許，由P2.6和/RD或非得到。時鐘信號，可有89C51的ALE輸出得到，不過當(dāng)采用12M晶振時，應(yīng)該先進行二分頻，以滿足ADC0809的時鐘信號必須小于640K的要求。4.3控制器89C51AT89C51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓 ,高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含4k bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲器和128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM ),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器(CPU)和Flash存儲單元，功能強大AT89C51單片機可為您提供許多高性價比的應(yīng)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。AT89C51單片機的主要特性：(1)與MCS-51 兼容，4K字節(jié)可編程閃爍存儲器；(2)靈活的在線系統(tǒng)編程，掉電標(biāo)識和快速編程特性；圖4-5 AT89C51結(jié)構(gòu)圖(3)壽命為1000次寫/擦周期，數(shù)據(jù)保留時間可10年以上；(4)全靜態(tài)工作模式：0Hz-33Hz；(5)三級程序存儲器鎖定；(6)128*8位內(nèi)部RAM，32可編程I/O線；(7)兩個16位定時器/計數(shù)器，6個中斷源；(8)全雙工串行UART通道，低功耗的閑置和掉電模式； (9)片內(nèi)振蕩器和時鐘電路；4.4數(shù)碼管顯示電路4.4.1 LED數(shù)碼管的組成 LED數(shù)碼管顯示器是由發(fā)光二極管顯示字段的顯示器件，也稱為數(shù)碼管。其結(jié)構(gòu)如圖4-6所示。它由8個發(fā)光二極管構(gòu)成，通過不同的組合可用來顯示0-9、A-F及小數(shù)點“.”等字符。數(shù)碼管有共陰極和共陽極兩種結(jié)構(gòu)規(guī)格，電阻為外接。共陰極數(shù)碼管的發(fā)光二極管陰極共地，當(dāng)某發(fā)光二極管的陽極為高電平時，二極管點亮；共陽極數(shù)碼管的發(fā)光二極管是陽極，并接高電平，對于需點亮的發(fā)光二極管將其陰極接低電平即可。圖4-6 LED數(shù)碼管顯示圖4.4.2數(shù)碼管顯示方式（1） 靜態(tài)顯示方式 直接利用并行口輸出。LED顯示工作于靜態(tài)顯示方式時,各位的共陰極連接在一起接地;每位的段選線分別于一個8位的鎖存輸出相連。一般稱之為靜態(tài)顯示,是由于顯示器中的各位相互獨立。而且各位的顯示字符一經(jīng)確定,相應(yīng)鎖存器的輸出將維持不變,直到顯示另一個字符為止。本實驗采用串入并出的靜態(tài)顯示方式。利用通信號串行輸出。在實際應(yīng)用中,多位LED顯示時，為了簡化電路，在系統(tǒng)不需要通信功能時，經(jīng)常采用串行通信口工作方式0，外接移位寄存器74LS164圖4-7 數(shù)碼管顯示電路來實現(xiàn)靜態(tài)顯示。（2） 動態(tài)顯示方式對多位LED顯示器的動態(tài)顯示，通常都時采用動態(tài)掃描的方法進行顯示，即逐個循環(huán)點亮各位顯示器。這樣雖然在任一時刻只有一位顯示器被點亮，但是由于間隔時間較短，且人眼具有視覺殘留效應(yīng)，看起來與全部顯示器持續(xù)點亮一樣。為了實現(xiàn)LED顯示器的動態(tài)掃描，除了要給顯示器提供的輸入之外，還要對顯示器加位選擇控制，這就是通常所說的段控和位控。因此多位LED顯示器接口電路需要有兩個輸出口，其中一個用于輸出8位控信號；另一個用于輸出段控信號，其連接圖如圖4-7所示。 表4-2 七段LED段選碼表顯示字符共陰極段顯示字符共陰極段03FHC39H106HD5EH25BHE79H34FHF71H466HP73H56DHU3EH67DH31H707Hy6EH87FH8.FFH96FH“滅”00HA77H/B7CH/5.PID控制算法在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它 以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的 其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或 不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、 積分、微分計算出控制量進行控制的。 比例控制 比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。 積分控制 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的 或簡稱有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積 分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn) 態(tài)誤差。 微分控制 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后組件，具有抑制誤差的作用， 其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入 “比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能 夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分制器能改善系統(tǒng)在 調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。6. 各子程序設(shè)計及流程圖6.1 PID控制程序流程圖取給定值取溫度測量值計算偏差Y偏差為零否？N控制輸出量不變計算控制輸出量求微分分量求積分分量求比例分量6.2 A/D轉(zhuǎn)換程序流程圖開始選擇通道，允許A/D轉(zhuǎn)換讀寄存器轉(zhuǎn)換是否結(jié)束NY讀取轉(zhuǎn)換值數(shù)據(jù)處理6.3 顯示程序流程圖開始取出要顯示的數(shù)求下一位選碼送位段碼到輸出延時修改顯示緩沖區(qū)4位數(shù)據(jù)顯示完 返回6.4溫度控制總程序流程圖調(diào)降溫處理子程序超過設(shè)定值低于設(shè)定值調(diào)用升溫處理子程序測量值設(shè)定值相比較調(diào)用執(zhí)行PID程序計算溫度的偏差值讀鍵盤處理子程序輸入設(shè)定值A(chǔ)/D轉(zhuǎn)換后顯示當(dāng)前溫度讀測量溫度子程序系統(tǒng)各模塊初始化開始NY心得體會本次課程設(shè)計，我的題目是計算機溫度控制系統(tǒng)。溫度控制是工業(yè)生產(chǎn)過程中經(jīng)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(chǎn)品的質(zhì)量，因而設(shè)計一種較為理想的溫度控制系統(tǒng)是非常有價值的，也是十分有必要的。其次，在這次課程設(shè)計中，我們運用了以前學(xué)過的專業(yè)課知識，如：Proteus繪圖仿真、C語言、模擬和數(shù)字電路知識等。雖然以前在上課的時候?qū)W的都不是很好，很多知識都學(xué)習(xí)的模棱兩可，可是如果你懷著一種目的性去學(xué)習(xí)它，你就會發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)的效率非常高，以前看了都頭痛的東西在你現(xiàn)在一定要用的時候再拿出來學(xué)習(xí)，會感覺其實也很簡單的。這是我做這次課程設(shè)計的又一收獲。最后，要做好一個課程設(shè)計，就必須做到：在做設(shè)計之前，一定要對我們的對象有充分的了解，對所要用到的東西有深刻的認(rèn)識，是指系統(tǒng)化、模塊化，必須有一個清晰的思路。在設(shè)計程序時，不能妄想一次將整個程序設(shè)計好，反復(fù)修改、不斷改進是程序設(shè)計的必經(jīng)之路；要養(yǎng)成注釋程序的好習(xí)慣，這樣為資料的保留和交流提供了方便；在設(shè)計中遇到的問題要記錄，以免下次遇到同樣的問題?？偟膩碚f，此次課程設(shè)計的過程比較輕松，從拿到問題到徹底解決問題，這是一個令人振奮并享受的過程。經(jīng)過去圖書館大量的查閱書籍，我也學(xué)到了很多在課本上沒有的知識，收獲頗豐。這段過程讓我懂得了一個道理，那就是學(xué)生要學(xué)的絕對不該僅僅是課本上的東西，有些東西只有走進圖書館，你才可能學(xué)習(xí)到。也只有這樣，我們才能成為一個見多識廣、淵博的人。參考文獻1. 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Foundation and application of microcontroller .北京：高等教育出版社.2004.10 附錄：溫度控制系統(tǒng)總電路圖