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基于單片機的實驗室恒溫控制系統設計

作者:huqin   來源:本站原創   點擊數:x  更新時間:2009年09月27日   【字體:

我朋友的已經答辯的論文
2009年06月09日

   隨著現代工業的逐步發展,在工業生產中,溫度、壓力、流量和液位是四種最常見的過程變量。其中,溫度是一個非常重要的過程變量。例如:在冶金工業、化工工業、電力工業、機械加工和食品加工等許多領域,都需要對各種加熱爐、熱處理爐、反應爐和鍋爐的溫度進行控制。然而,用常規的控制方法,潛力是有限的,難以滿足較高的性能要求。采用單片機來對它們進行控制不僅具有控制方便、簡單和靈活性大的優點,而且可以大幅度提高被測溫度的技術指標,從而能夠大大提高產品的質量和數量。因此,單片機對溫度的控制問題是一個工業生產中經常會遇到的控制問題。

   單片機是一種集成電路芯片,采用超大規模技術把具有數據處理能力(如算術運算,邏輯運算、數據傳送、中斷處理)的微處理器(CPU),隨機存取數據存儲器(RAM),只讀程序存儲器(ROM),輸入輸出電路(I/O口),可能還包括定時計數器,串行通信口(SCI),顯示驅動電路(LCD或LED驅動電路),脈寬調制電路(PWM),模擬多路轉換器及A/D轉換器等電路集成到一塊單塊芯片上,構成一個最小然而完善的計算機系統.這些電路能在軟件的控制下準確、迅速、高效地完成程序設計者事先規定的任務.由此來看,單片機有著微處理器所不具備的功能,它可單獨地完成現代工業控制所要求的智能化控制功能,這是單片機最大的特征.
本文詳細地敘述了用MCS-51單片機設計實驗室恒溫控制系統的硬件電路及軟件實現,細致地介紹了設計構圖,各功能模塊的程序流程圖以及程序清單.該裝置控制溫度范圍廣泛,可靠性強,靈敏度高,使用靈活.


目錄.............II
第一章 概述.............1
第二章 系統的硬件電路描述......2
2.1 主機部分......2
2.2 電熱控制部分.......2
2.3 溫度檢測部分.......2
2.4 顯示與報警部分.......2
第三章 軟件描述.
3.1 鍵盤管理模塊.....4
3.2 顯示模塊.........5
3.3 溫度檢測模塊........5
3.4 控制模塊...........6
3.5 溫度報警模塊..........7
3.6 主程序和中斷服務程序.......8
第四章 結論與總結........10
參考文獻 ..........11
第1章 概述1.1在一些重點實驗室中,以及進行一些特殊實驗時,對恒溫控制系統的恒溫控制要求的非常嚴格,并且控制溫度范圍比較廣泛,同時要求在各個不同的實驗時間能夠對溫度進行調節,為此相繼研制出了一些恒溫控制系統,但都是用電子電路所構成。本文采用單片機進行設計,使實驗室恒溫控制系統更可靠、更靈敏、更靈活,控制溫度范圍更廣,更具有應用價值。本文重點論述了實驗室恒溫控制系統的控制電路,硬件設計及軟件實現,控制系統的溫度顯示及安全溫度。從設計要求角度考慮,該控制系統要具有以下功能和特點:
1) 系統提供電源加熱裝置。
2) 顯示設定溫度和實驗室實時溫度,控制精度誤差≤±2℃,顯示精度到1℃
3) 可隨意預置實驗室溫度。
4) 溫度超出規定范圍則需發聲報警。
即該系統應具有溫度檢測、電熱控制、溫度預置、溫度顯示及報警等電路。根據設計要求可以給出系統結構框圖,如圖一所示。系統可分為主機、顯示與報警、溫度檢測、電熱控制4個部分。

第2章 系統硬件描述
2.1.1主機部分用MSC–51單片機作為控制主機并選用EPROM2764芯片作為程序存儲器。用MSC–51單片機控制溫度檢測,溫度顯示,聲音報警及可控硅電熱電路。

2.2電熱控制部分
電熱控制采用可控硅來實現,雙向可控硅和電熱器串接在200V單相交流電路中,單片機的P1.7通過光電隔離器件和驅動電路送到可控硅的控制端,通過P1.7口控制可控硅的通斷。

2.3 溫度檢測部分
溫度檢測部分包括溫度傳感器、變換器和A/D轉換3部分。用于溫度檢測的傳感器有性能穩定、抗氧能力強和檢測精度高等特點。考慮到應用范圍要求廣泛,這里選用鉑熱電阻,要求其檢測范圍在0—500℃之間。變送器將溫度變化引起的鉑熱電阻值變化轉化成電壓信號,當溫度在0—500℃時變送器輸出0-5V左右電壓。
A/D轉換部分采用ADC0809組成A/D轉換電路,ADC0809是一種8路模擬輸入的8位逐次逼近式A/D轉換器件。由于溫度的控制精度要求≤±2℃顯然采用8位A/D轉換器完全可以達到要求的精度。ADG0809的EOC轉換結束信號接MSC–52的外部中斷1上,MSC-51通過地址P2.0和讀寫信號來控制轉換器的模擬量輸入通道地址鎖存、啟動和輸出允許,如圖2.因為0809內部有地址鎖存器,所以不需另加鎖存器。當電路設計好后,調整變換器輸出,當溫度為0℃時變化器輸出0V,AD轉換器轉換結果為00H;當溫度為500℃時變換器輸出5V,AD轉換器結果為FAH(250)。也就是說,溫度在0~500℃時,AD轉換器轉換結果為00H—FAH(0~250),顯然轉化結果乘以2正好是溫度值,這樣一方面可以方便標度轉換,另一方面可以避免轉換時帶來的誤差。


2.4顯示和報警部分
顯示器設有3位LED數碼顯示器,當停止加熱時顯示設定溫度啟動加熱時用于顯示定時溫度。為了充分利用MSC—51的資源,節省并行I/O口線,因此采用串行口,工作方式O作LED顯示器的接口,采用了74LS164移位寄存器構成顯示器接口電路,如圖2.
為了結語資源不擴展并行I/O口,鍵盤只設置4個按鍵,由I/O的低4位作為鍵盤接口,4個鍵分為啟動、“+100”、“+10”和“+1”鍵,其中后3個鍵可以分別對百位、十位和各位進行加1,再按會再加1,若連續按該鍵,十位數就會在0~9之間循環,從而實現呢置數功能。除上述4個鍵以外還設有復位/停止鍵,系統復位后處于停止加熱狀態。因此要停止加熱則按復位鍵。報警采用蜂鳴器作為發生器件,將P1.6與之相連,當溫度超過警戒溫度時,實現報警,并關閉電熱器。圖2是系統的硬件電路圖。
圖2控制系統電路圖
第3章 軟件描述在軟件設計時,必須先弄清恒溫控制系統的操作過程和工作過程,加熱器開始時處于停止狀態,首先設定溫度,顯示器顯示溫度,溫度設定后則可以啟動加熱。溫度檢測系統不斷檢測并顯示系統中的實時溫度,當達到設定值停止加熱,當溫度下降到下限(小于設定值2℃)時再自動啟動加熱,這樣不斷的循環,使溫度保持在設定范圍之內。啟動加熱以后就不能再設定溫度,因為溫度的設定可以根據實驗要求改變,若要改變設定的溫度,可以先按復位鍵/停止鍵再重復上述過程。
根據以上操作和工作過程的分析,程序應分為兩個階段:一是通電或復位后到啟動加熱,程序主要是鍵盤管理、顯示器顯示設定溫度;二是檢測并顯示系統的實時溫度,并根據檢測的結果控制電熱器,這時系統不接受鍵盤的輸入。因此,程序可以分為以下幾個功能模塊:溫度設定和接收啟動;顯示;溫度檢測;溫度變換;溫度控制儀以及報警。

3.1鍵盤管理模塊
鍵盤管理模塊子程序流程如圖3所示。當通電或復位以后,系統進入鍵盤管理狀態,鍵盤只接收設定溫度和啟動。當檢測到有鍵閉合時先去除抖動,這里采用軟件延時的方法,在確定是否有鍵閉合,然后將設定好的值送入預置溫度數據區并調用溫度合法檢測報警程序,當設定溫度超過最大值如500℃時就會報警,并將溫度設定在500℃,最后當啟動鍵閉合是啟動加熱。

3.2顯示模塊
顯示子程序的功能是將緩沖區的二進制數據先轉換成3個BCD碼,再將其存入另外3個存儲單元,這3個單元分別對應百位、十位、個位3個顯示緩沖區,最后通過串行口送出顯示。

3.3 溫度檢測模塊
溫度檢測子程序流程如圖4所示,鉑熱電阻檢測到溫度變化引起的電阻的變化經變送器轉化成電壓信號送至A/D轉化器。A/D轉化采用查詢方式。為了防止各種干擾帶來誤差,要對數據進行平滑加工,以保證溫度檢測的真實性,這種算法就是數字濾波。
數字濾波的算法有很多種,這里我們采用取平均值的方法。即將4次采樣的A/D轉換結果相加再除以4就是采樣值。又由于A/D轉換結果乘以2正好是溫度的實際值,因此對4次采樣的A/D轉換結果相加后再除以2正好是溫度的實際值。每次采樣后將A/D轉換的結果累加,直到采樣結束,最后將累加的值除以2即為溫度實際值。

3.4控制模塊
溫度控制子程序流程如圖5所示,將當前溫度與設定好的溫度比較,當當前溫度小于設定溫度時,開啟電熱器;當當前溫度大于設定溫度時,關閉電熱;當二者相等時電熱器保持這一狀態。

3.5溫度報警模塊
報警子程序流程如圖6所示。當檢測到當前溫度高于設定溫度2℃時報警,報警的同時關閉電熱器。為了防止誤報,設置了報警允許標志,只有在允許報警的情況下,溫度高于設定溫度時才報警。

3.6主程序和中斷服務程序
主程序和中斷程序流程如圖7所示,主程序采用中斷嵌套方式設計,各功能模塊可以直接調用,主程序完成系統的初始化、溫度設置、設定溫度的顯示以及定時器的設定。溫度的檢測、控制以及報警由中斷服務程序完成。中斷由定時器T0產生,根據需要應每隔15s中斷一次,但是MCS—51的8031所用的6MHz的晶振最大定時為130ms,為實現15s定時而另外設定了一個軟計數器。


第四章 結論與總結
  本文結合實際應用介紹了用MSC-15單片機實現實驗室恒溫控制系統設計的工作原理,以及硬、軟件的設計方法及實現過程。本文重點論述實驗室恒溫控制系統控制電路的設計,主要是硬件電路的設計過程及軟件的實現。對于單片機應用與控制領域,實現工業生產過程自動化和管理現代化有一定的普遍意義。當然本文也存在著一些問題,比如說由于單片機本身晶振的限制使得在設計中斷的是時候必須加一個軟計數器。還有在進行A/D轉換的時候也會帶來一定的誤差,從而對溫控產生 一定的影響,等等。
當然,單片機以其獨特的優勢備受控制領域的青睞。縱觀我們現在生活的各個領域,從導 彈的導航裝置,到飛機上各種儀表的控制,從計算機的網絡通訊與數據傳輸,到工業自動化過程的實時控制和數據處理,以及我們生活中廣泛使用的各種智能IC 卡、電子寵物等,這些都離不開單片機。而且隨著計算機系統的發展,單片機的技術也在不斷的提高。單片機在內部已集成了越來越多的部件,這些部件包括一般常用的電路,例如:定時器,比較器,A/D轉換器,D /A轉換器,串行通信接口,Watchdog電路,LCD控制器等。很多單片機都設置了多種工作方式,這些工作方式包括等待,暫停,睡眠,空閑,節電等工作方式,這使得單片機的功耗越來越小。并且采用低頻時鐘以及低噪聲布線技術及驅動技術 和 EFT(Ellectrical Fast Transient)技術 等使得單片機的可靠性越來越高。
 
 總之單片機是目前控制系統采用最多的器件和芯片,單片機的廣泛應用及其產生的效益令人矚目,在將來的各個領域里,將有著廣闊的應用前景。
參考文獻
[1]彭沛夫,微機控制實踐教程
。北京,清華大學出版社,2004.
[2]曹琳琳,曹巧媛。單片機原理及接口技術
。長沙,國防科技大學出版社,2000.
[3]李曉荃,單片機原理及應用
。北京,電子工業出版社,2000.

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