温度控制器的设计汇总

2013 ~ 2014学年第2学期

《数字式温度控制器的设计》

课程设计报告

题目数字式温度控制器的设计 ____________ 专业： 11 电气工程及其自动化_______________________ 班级： ____________ 2 _________________________ 姓名： ____________________________________________ 指导教师： _________________________________________

电气工程学院

2014年6月2日

数字式温度控制仪

摘要

温度是工业生产和科学实验中的重要参数之一。在化工、冶金、医药、航空等领域里，对温度的控制效果直接影响到许多产品的质量及使用寿命，因此，温度控制成为各个领域中的一项关键技术。温度控制的关键在于测温和控温两方面，温度测量是温度控制的基础。在温度测量方面，技术己经比较成熟，由于控制对象越来越复杂，而在温度控制方面，还存在着许多问题，人们还在寻找着更好的控制方法以提高控制性能，满足不同的控制要求。

随着时代的进步和发展，单片机技术已经普及到我们生活，工作，科研，各个领域，已经成为一种比较成熟的技术，本文将介绍一种基于单片机控制的恒温锅炉烧水控制系统。

本系统以AT89C51单片机为控制核心，采用闭环控制装置，可自动控制要求环境下的温度，使被控对象温度保持在恒定的范围内。本系统温度信号由数字温度传感器DS18B2C采集，送AT89C51单片机进行处理，并通过数码管显示。当温度低于或者高于设定值后，单片机将发出控制信号控制温度控制系统的通断电状态，以实现将温度稳定在目标温度至附近的要求。

关键词：单片机；闭环控制QS18B20;温度；数码管

目录

数字式温度控制仪 (2)

摘要.................................................................. 2.. 第1章系统原理分析..................................................... 4. 1.1主要研究内容与技术指标. (4)

1.1.1主要研究内容................................................... 4.

1.1.2主要技术指标.................................................. 4.

1.2总体设计方案........................................................ 4.

1.2.1方案的提出..................................................... 4.

1.2.2总体设计框图................................................... 4.

1.3系统工作基本原理.................................................... 5.

1.3.1................................................................................................................. PI

D 算法 5.

1.3.2................................................................................................................. DS 18B20温度传感器工作原理. (5)

第2章系统硬件设计...................................................... 6.

2.1数码管显示模块...................................................... 6.

2.2键盘输入模块....................................................... 6.

2.3温度采集模块....................................................... 7.

2.4温度控制模块....................................................... 7..

2.5系统总电路图........................................................ 8. 第3章系统软件设计...................................................... 8.

3.1主程序流程图 ...................................................... 8.

3.2采样子程序流程图.................................................... 9.

3.3 显示子程序流程图 (10)

3-3 显示子程序 (11)

3.4控制子程序流程图 (12)

第4章系统总仿真图及其结果 (13)

4.1数码管显示模块仿真 (13)

4.2温度采集模块仿真 (13)

结论 (14)

参考文献 (14)

第1章系统原理分析

1.1主要研究内容与技术指标

1.1.1主要研究内容

熟悉和掌握单片机的结构和工作原理，了解以单片机为核心的电路设计的基本方法。设计一个能够显示当前温度和目标温度的温度控制系统。

1.1.2主要技术指标

1、通过温度传感器采集烧水炉中的当前温度值，并在LED数码管上显示出当

前烧水炉内的温度值。

2、设定键盘给定，通过按键给定要控制的烧水炉中的目标温度，该设定值也可显示在LED数码管上，与测量值轮流显示。

3、设计控制电路，对烧水炉的通断电状态进行自动控制，采用通断控制电路，控制占空比。实现PWM控制算法，使烧水炉中的温度稳定在设定值。

4、控制参数：温度测量范围为30—90度，测量精度为0.5度。

1.2总体设计方案

1.2.1方案的提出

考虑到用温度传感器，在单片机电路设计中，大多都是使用传感器，所以这是非常容易想到的，所以可以采用一只温度传感器DS18B20,此传感器，可以

很容易直接读取被测温度值，进行转换，就可以满足设计要求。同时本系统采用

AT89C52作为温度控制系统主控单元。AT89C52是一种带4 kB闪存可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能CMOS的8位微处理器。指令系统和引脚与典型的MCS-51系列完全兼容，方便软件的编写。系统整体电路包括：主控电路、键盘输入、数码管显示、控制输出、控制对象。

1.2.2总体设计框图

温度控制电路设计总体设计方框图如图1-1所示，控制器采用单片机

AT89C52，温度传感器采用DS18B20，用6位LED数码管实现测量温度显示与目标设定温度显示功能，用4X 3矩阵键盘对目标温度进行输入设定。

图1-1数字式温度控制仪总体设计框图

1.3系统工作基本原理

1.3.1 PID 算法

在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是 常用位置型PID 算法，经离散化后的算式为

n

U 同=彳㈤+返＜n) +讣㈤-

i-i

式中，U(n)为第n 个采样时刻控制器的输出量，e(n)第n 个采样时刻的偏差 值，错误！未找到引用源。为比例系数，错误！未找到引用源。为积分作用系数， 错误！未找到引用源。为微分作用系数。由于位置式算法每次输出与整个过去状 态有关，算式中用到过去偏差的累加值 错误！未找到引用源。，容易产生较大 的累计误差。而增量式中只需计算增量，算式中不需要累加，控制增量的确定 仅与几次偏差采样值有关，当存在计算误差或精度不足时，对控制量计算的影 响较小，且容易通过加权处理获得较好的控制效果。由于计算机只输出控制增 量，所以误动作时影响较小，且必要时可用逻辑判断的方法去掉，对系统安全 运行有利。

1.3.2 DS18B20温度传感器工作原理

DS18B20勺测温原理是这这样的,器件中低温度系数晶振的振荡频率受温度 的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1;高温度系数晶 振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输 入。器件中还有一个计数门，当计数门打开时， DS18B20就对低温度系数振荡 器产生的时钟脉冲进行计数进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系

数振

PID 控制。工业控制算法

荡器来决定，每次测量前，首先将-55C所对应的一个基数分别置入减法计数器1、温度寄存器中，计数器1和温度寄存器被预置在- 55C所对应的一个基数值。预置值减到0时，温度寄存器的值将加1,减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器计数到0时，停止温度寄存器的累加，此时温度寄存器中的数值就是所测温度值。其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数器门仍未关闭就重复上述过程，直到温度寄存器值大致被测温度值。

第2章系统硬件设计

2.1数码管显示模块

本系统采用6个共阴极8段数码管对采集到的温度值以及键盘输入的目标值进行显示，接口电路如图2-1所示。其中74LS373锁存器起到对输出数据所存的作用，74LS138则是将P22、P23 P24三个管脚输出数据进行译码转换为8位数据，控制数码管DPY端。

2.2键盘输入模块

此模块采用10个按键，分别可以输入0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、这10个数值以满足通过键盘输入目标温度设定值的任务要求。

2.3温度采集模块

温度采集模块采用DS18B20这款温度传感器

2.4温度控制模块

R1 (4.7k U1 VCC DQ GND ? *

DS18B2P 10k PNP LI ''230V RTE24035F

温度控制模块由继电器控制电源对烧水炉中加热部件通断电的控制

2.5系统总电路图

第3章系统软件设计

硬件是控制系统的物质基础，是软件赖以生存的空间和场所；同时软件是硬 件的灵魂，其逻辑关系是否正确关系到整个系统是否正常工作。

软件的编写一般分为两步。第一步：根据系统的要求与既定方案来设计控制 流程图，这样会使程序的编写更具方向性与目的性。 第二步：参照流程图编写相 应的程序。下面简单的介绍下该系统的流程图。

3.1主程序流程图

系统的主程序包括系统的初始化子程序、米样子程序、显示子程序、控制字 程序等。主程序流程图如图3-1所示

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图3-1数码管显示模块

3.2采样子程序流程图

这是该控制系统软件比较核心的一个子程序。它涉及定时器的定时，温度的采集，对照等环节，采样子程序流程图如图3-2所示

图3—2采集子程序

3.3显示子程序流程图

该系统的LED显示根据实际需要采用的是动态显示方法，这样可以节省I/O 口资源。显示子程序流程图如图3-3所示。

图3-3显示子程序

3.4控制子程序流程图

当需要将烧水炉的温度稳定在某一设定值范围时，这就需要设计一个控制电路对

电源进行控制，从而实现对烧水炉的间歇性加热。控制字程序流程图如图3-4 所示

图3-4控制子程序

第4章系统总仿真图及其结果4.1数码管显示模块仿真

4.2温度采集模块仿真

本设计以AT89C51单片机为系统控制核心，通过DS18B20温度传感器采集烧水炉内温度值，并通过数码管显示出来。该系统能够以预先设置好的目标温度值为标准，自动开通和关断烧水炉的加热电源，从而使烧水炉内的温度值稳定在设定值的范围内。

此次课程设计时间非常紧迫，对于单片机还不熟悉的我们来说实在是非常大的挑战，我和组员们去图书馆借相关方面的书籍来进行参考，自学Proteus和Keil 软

件来对课题进行绘制和仿真，期间遇到很多困难。我们查书籍问百度一步步的将问题解决，感觉到了大家的团结和努力，也颇有成就感。通过此次课程设计我体会到独立思考是非常重要的，团队合作也是必不可少的，收获良多，是一次难忘而宝贵的经历。

参考文献

[1]张俊谟，单片机中级教程：原理与应用（第二版）北京：北京航空航天大学出版社。2006.10

[2]王港元，电工电子实践指导.江西：江西科学技术出版社，2005

[3]刘瑞新，单片机原理及应用教程?北京：机械工业出版社，2004.6

[4]张毅刚，MCS-51单片机原理及应用[M].哈尔滨，哈尔滨工业大学出版社, 2004.6

⑸ 刘文涛，MCS-51单片机培训教程?北京：电子工业出版社，1996

[6]何小艇，电子系统设计.浙江：浙江大学出版社，2004.6

[7]张洪润、易涛编著，单片机应用技术教程（第二版）?北京：清华大学出版社，2003

[8]李华等，MCS-51系列单片机实用接口技术?北京：北京航空航天大学出版社, 1993

[9]周润景，单片机电路设计、分析与制作?北京：机械工业出版社，2010.