基于8051单片机的温度控制系统

基于8051单片机的温度控制系统

姓名：尹刘军

学号：

日期： 2014年5月13

摘要 (1)

第一章概述 (2)

1.1课题研究的背景 (2)

1.2温度控制系统需求分析 (2)

1.3温度控制的应用现状分析 (2)

1.4单片机的发展现状 (3)

第2章基于8051的温控系统总体设计 (3)

2.1系统设计任务 (4)

2.2系统性能要求 (4)

2.3系统硬件方面 (4)

2.4系统软件方面 (4)

第3章基于8051的温控系统硬件设计 (5)

3.1单片机8051接口电路设计 (5)

3.2 8155并行接口芯片简介及在设计中的应用 (5)

3.3 LED显示和键盘输入电路 (5)

3.4信号处理电路 (6)

3.5滤波电路的设计 (6)

3.6温度控制电路 (6)

3.7 A/D转换电路 (7)

3.8信号放大电路 (7)

3.9过零检测 (7)

3.10硬件抗干扰措施 (7)

第四章总结及结论 (8)

参考文献 (8)

计算机行业兴起的几十年里，在国民经济中起到了主导作用。作为微型计算机的一个重要分支，单片机的发展迅速，应用范围口趋扩大，重要程度也逐渐提高。特别是在工业测控、智能仪表、机电一体化产品、家电等方面尤为突出。

本设计以微处理器为中心，设计、调试一个温度控制系统，实现温度的智能控制。论文介绍了以单片机8os1为核心的用于测量温度的控制系统的整体设计(包括硬件部分)。MCS-5l单片机具有结构体系完整、指令系统功能完善和内部寄存器的规范化等特色，在中国市场上一直是主流芯片。学习与掌握它的应用将为今后的工作和学习打下良好的基础。而接口技术在其中起着沟通外围设备与中央处理器的桥梁作用。正是接口技术的使用使计算机广泛应用于社会生产部门的各个领域。

系统的主要设计目的是对温度的自动控制。系统能通过PN结温度传感器和8位A/D转换器对温度进行实时检测和转换，然后送入CPU与预设值比较，通过可控硅对温度调节，实现其闭环控制。其中键盘可以实现人机交互，四位LED

显示可显示温度值。系统功能主要有信息采集、数据处理、输出控制。能对0°到100 °范围内的各种加热炉的温度进行精密测量，最终以显示器直接显示被控对象的温度值，稳定可靠，显示清晰，准确度高，使用方便。

本文详细介绍了该系统硬件部分各个接口电路的工作原理和电路原理图的设计，总体设计方案本着实用性强、性价比较高、易于扩展的指导思想进行设计。运用温度传感器采集温度，通过转换、处理与设定值进行比较，输出控制脉冲，从而改变可控硅的导通时间，达到调温的目的。同时，系统还可通过人机交互输入预置值并对温度进行显示。

第一章概述

1.1课题研究的背景

工业控制是计算机的一个重要应用领域，计算机控制系统正是为了适应这一领域的需要而发展起来的一门专业技术，它主要研究如何将计算机技术、通过信息技术和自动控制理论应用于工业生产过程，并设计出所需要的计算机控制系统。随着微机测量和控制技术的迅速发展与广泛应用，以单片机为核心的温度采集与控制系统的研发与应用在很大程度上提高了生产生活中对温度的控制水平。本设计就是基于单片机STC89C52温度控制系统的设计，通过本次课程实践，我们更加的明确了单片机的广泛用途和使用方法，以及其工作的原理。

随着社会的发展，温度的测量及控制变得越来越重要。本文采用单片机STC89C52设计了温度实时测量及控制系统。单片机STC89C52 能够根据温度传感器DS18B20 所采集的温度在液晶屏上实时显示，通过控制从而把温度控制在设定的范围之内。所有温度数据均通过液晶显示器LCD显示出来。系统可以根据时钟存储相关的数据。

1.2温度控制系统需求分析

温度是生活中非常重要的物理量之一。自然界中任何物理、化学过程都紧密地与温度相联系。在国民经济各部门，如电力、化工、机械、冶金、农业等，温度检测与控制是十分重要的。

温度控制作为工业控制领域的控制对象，尤其是对液体、气体温度的测量，对炉温以及化学、物理变化过程中温度的控制都有重要的作用，温度控制精度、控制的灵活性、简单性会直接影响到设备的运行效率。检测温度的传感器元件很多。但随着微处理器技术的口益普及，智能化温度控制系统在工业中的应用越来越广泛。本设计以微处理器为中心，设计、调试一个温度控制系统，实现温度的智能控制，对于综合运用所学过的硬件设计知识，以及口后进行其它类似的智能仪器的设计、开发是大有裨益的，对于工业控制领域的智能化发展也是必要的。

下面就温度控制领域应用现状、单片机发展进行详细介绍。

1.3温度控制的应用现状分析

温度控制的主要应用：

当前，温度控制在冶金、化工、检测等工业领域得到广泛应用。在实际生产中，为保证化学反应的顺利进行，需将各种原材料需要一个固定的温度进入到反应室。例如钢铁的水溶温度，不同等级的钢铁要通过不同温度的铁水来实现。所以广泛应用于诸多领域，提高产品的功能和质量的同时，又降低了成本，简化了设计。随着智能化控制的产生和发展，温度控制将更好的服务于社会。

温度控制系统主要控制方法：

如采用单一的机械或人工的方法。其缺点是功能少大、控制精度不高，加工出的产品的质量和稳定性差，但是具有成本低，工作可靠的优点。因此仅仅能应用于一些对控制要求不高的场合。

采用计算机芯片的智能化控制方式。它具有精度高、易操作的优点。主要应用于精密加工和控制等领域。

本系统就是利用计算机芯片智能化，进行对温度的控制。目前智能化系统主

要以单片机芯片为核心。

随着各种不同类型的计算机、单片机和电子元件的不断推出，使控制系统、智能化仪表的总体设计随之发生变化，像过程控制系统的控制核心由早期的8048单片机发展到二十世纪九十年代推出的八位单片机2051, 8951及现在的PIC 十六位、三十二位功能越来越强大的单片。80年代以来，Intel公司的MCS-51系列单片机在8位市场上占有的份额最大，达50%以上，配套的开发系统完备、可靠。由于其较高的性能价格比，它己是我国在工业检测、控制领域的首选机型。

1.4单片机的发展现状

单片机的概况

单片微型计算机以极高的性能价格比，(简称单片机)作为微型计算机的一个分支，自70年代问世以来，受到人们的重视和关注，应用很广，发展也很快。

广大工程技术人员通过学习有关单片机的知识后，也能依靠自己的力量来开发所希望的单片机系统，并可获得较高的经济效益。

单片机以其卓越的性能，得到了广泛的应用，己深入到各个领域。单片机应用在检测、控制领域中，具有以下特点：

1：小巧灵活、成本低、易于产品化。

2：可靠性好，适应温度范围广。

3：易扩展，控制功能强。单片机的逻辑功能很强。

4：可以很方便的实现多机和分布式控制。

单片机的应用

单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴:

智能仪器：单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、电流、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备(电压表、功率计，示波器，各种分析仪)。

工业控制：单片机具有体积小、控制功能强、功耗低、环境适应能力强、扩展灵活和使用方便等优点，用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统、通信系统、信号检测系统、无线感知系统、测控系统、机器人等应用控制系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等

家用电器：现在的家用电器广泛采用了单片机控制，从电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备和白色家电等。

网络和通信：现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到口常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。

医用设备领域:单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。

第2章基于8051的温控系统总体设计

2.1系统设计任务

本章主要介绍了控制系统的设计任务、技术指标，简要说明了控制系统设计思想以及工作芯片的选择，并给出了原理框图。

2.2系统性能要求

本温度控制系统要求具备如下的性能指标:

1.本系统数据采集部分能完成对被测信C7的采样，控制精度为0.5，误差为1。

2.可以实现温度信号的放大及A/ D转换，并自动进行过零检测，同时按设定值、所测温度值，自动进行PID参数自整定和运算。

3.输出0-10mA控制电流，配以主回路实现温度的控制。

4.数据处理分为预处理、功能性处理、抗干扰等子功能。

控制系统原理框图如图2.1所示

图2.1温控系统电路原理框图

2.3系统硬件方面

根据所设计的控制系统要完成的工作任务的性能指标，有针对性的选择了主要元件及确定了相关的参数。

2.3系统硬件方面

CPU：微处理器，是整个控制系统的核心，完成温度的监测、当前温度显示等基本功能。由于本系统的功能并不是很复杂，而且对CPU速度要求并不是很高，选用8位CPU的8051单片机。

存储器：存储器选用集成度高、价格低廉的6264型EPROMo

I/O接口:选用1片可编程的并行工//O接口8155用作键盘显示器的接口。

抗干扰电路:在系统的弱电部分的电源入口处对地跨接1个100uf电容与1个O.luf电容，在系统内部各芯片的电源端对地跨接1个小电容(0.01uf--0.1uf)o 模入通道:被采样的模拟信号经传感器后经放大滤波后进入A/D转换器。

开出通道:主要部分为可控硅控制温度和过零检测。

复位/监控:管理CPU复位，(包括上电复位和手动复位)，同时对CPU的工作状态进行检测，避免出现死机，提高抗干扰能力。

键盘:人机接口，包括运行、返回等加工控制功能。

显示:用LED数码显示当前温度

通过以上器件的选择能够保证精度为0.5的要求及所有功能的完成。

2.4系统软件方面

1.温度控制的算法选择

根据实际运行效果和理论分析，系统中采用PID控制。即采用反馈调节，比较采样温度和实需温度的差值，通过偏差处理获得控制信号，进而实现对温度的控制。

2.数字滤波方法的选择

通过模拟量输入通道采集到的温度量，可能混杂了干扰噪声需要进行数字滤波。数字滤波的算法很多，在这里采用中值滤波法，就是连续采集N个数据，从中选取一个中间值作为该点的采样结果。本系统中采取连续三次取样，此算法

较为适宜。

3.控制程序

温度控制系统要有一个能够用于控制的主体程序。这个主体程序我们可以由中断服务程序来实现。控制程序里包括键盘和显示部分。

综上所述，本系统设计总体方案本着实用性强、性价比较高、易于扩展的指导思想进行设计。同时，在设计中还加入了人机交互输入预置值并对温度进行显示。

第3章基于8051的温控系统硬件设计

3.1单片机8051接口电路设计

8051基本特征:

1.面向控制的8位CPU和指令系统

2.4K字节的程序存储器

3.128字节的数据存储器

4.可编程的并行工I/O口P0-P3，有32位双向输入/输出线

5.一个全双工串行口

6.两个16位定时器/计数器

7.五个中断源，两个中断优先级的中断结构

8.一个片内时钟电路和一个时钟振荡器

9.可以访问64K字节的程序存储器和64K字节的外部数据存储器

8051各管脚的分配使用

MCS- 51单片机采用40引脚双列直插封装(DIP)形式。由于受到引脚数目的限制，所以一些引脚具有第二功能。图3.1是8051的引脚图和逻辑符号。下面分别说明这些引脚的名、功能。

图3.1 8051引脚图

对于MCS-51系统单片机组成的系统，PO-P3口均可作为I/O口使用，用32根I/O口线。但对于系统实际上只有P1口8根口线和P3根8要口线可供使用，如在本系统中，P3端口主要使用管脚的第二功能，PO和P2口要作为数据/地址复用端口，而本设计中预留了键盘和显示电路。本系统采用TTL电路并选用Intel公司与MCS-51系列单片机相配套的通用可编程的并行I/O接口芯片8155对I/O口进行扩展。

3.2 8155并行接口芯片简介及在设计中的应用

8155芯片内具有256个字节的RAM，两个8位、一个6位的可编程并行I/O接口和一个14位的计数器，是单片机应用中广泛使用的芯片。

图3.2 8155内部结构图

3.3 LED显示和键盘输入电路

计算机通过外部设备与操作员进行交互。最常见的计算机人机设备是键盘和显示器，它们级成了基本的输入输出通道。本设计采用g8155作为扩展vo口，外接4X4键盘和4位LED显示，可用于输入上限、下限温度，显示温度值等操作。

常用的七段LED显示器是单片机应用产品中常用的廉价输出设备。常见于计算机系统的键盘有两类，即编码键盘(键盘上闭合键的识别由专用的硬件来实现)

和非编码键盘(键盘上闭合键的识别由软件来识别)，本设计采用非编码键盘同时为了保证CPU对键的闭合作一次处理，在键的稳定闭合或断开时，读键的状态，以便判别到键由闭合到释放时再作处理。

图3.3 8155接键盘显示器电路

3.4信号处理电路

本设计中由于测量温度范围为O-100°，测量精度不高，故选用晶体管DA 型线性PN结温度传感器。这种传感器是利用晶体管半导体材料的P-N结的伏安特性与温度之间的关系而研制成的一种固态传感器。

DA型线性PN结温度传感器是一种新型半导体敏感器件，它是一种负温度系数温度一电压转换器件。它以优良的线性度，精确的互换性而挤身于热电偶，铂电阻，和热敏电阻的测控温行列之中。它兼有热电偶，铂电阻，热敏电阻的各自优点，又克服了这些传统测温器件难以克服的某些固有缺陷，成为一种新的计量器具，是自动控制技术和仪器仪表工业不可缺少的基础元器件。在-30°-200°常温区内，这种PN结温度传感器将有着及其宽广的应用前途。它彻底摆脱了传统温度传感器非线性这一长久困扰电子设计人员的难题，它不需要线性化补偿网络与繁杂的设计和计算以及在生产过程中的复杂调试。这给设计与生产带来极大的方便，它可广泛应用于:冰箱空调、电热设备、室温测控、火灾报警、汽车工业、矿山机械、化工设备、石油仪器、各种工业管道、化纤纺织印染、生化制药、医疗器械、烘干机械、温室大棚、孵化养殖、地温测量、粮食储保、气象海洋等有关领域。我们将致力于不断开托创新，不断完善并与测温领域的科技工作者携手并进共创美好的未来。

二极管测温电路如图3.7所示。利用二极管VD, R2, R1, R3和Rw组成一个电桥电路，再用放大器把电桥输出电压信号放大并起到阻抗变换作用，可提高信号质量。

图3.4二极管测温电路

3.5滤波电路的设计

由于ADC0804需对信号进行采样，如果采样信号有波动，那么将造成计算误差，导致系统波动。微控制器是时钟频率高、总线周期快的系统具有微处理器的电子系统，抗干扰和电磁兼容性是设计过程中必须考虑的问题，特别是对于微控制器时钟频率高、总线周期快的系统含微弱信号以及高精度A/D变换电路的系统。

如同水一样，需要过滤才能达到口常使用的标准。电子线路中的滤波和水的过滤有着同样的作用。

滤波电路的功能是仅使使特定的频率范围内的信号顺利通过。为了降低测量中的干扰信号，本设计采用反向输入一阶低通滤波器和无限增益二阶低通滤波器串联的方法来实现滤波电路的设计。本设计中的滤波电路见图3.5

图3.5滤波电路

3.6温度控制电路

在工控和电子测量领域，单片机不仅要对被控对象进行监测，输入被控系统的开关量和模拟量，而且还要把经过处理后的信息以开关量和模拟量形式输出，并控制被控系统工作。这些开关量和模拟量往往都是强电系统。

TTL电路一般采用+5V的电源，而口常用的是220V的交流电。这都需要一个专用的电源电路对220V的交流电进行转换，让其能够为TTL等器件所应用。交流电经过变压整流后的输出电压，虽然脉动的交流成分很小，但是它确随交流电网电压的波动和负载电流的大小而变化。当它直接供给放大电路、精密测量仪器、计算机的电源时，会带来很大误差，甚至不能正常工作，因此有必要进行稳压。集成稳压电源由于具有体积小、可靠性高、成本低等优点。设计中使用的是7805。

对于这样的执行机构，单片使用可用一条I/O线，通过程序输出控制脉冲。在此采用8051用软件产生受过零同步脉冲同步后经光祸管和驱动器输出送到可控硅的控制极上，加热电路受8051的P1.0控制。可控硅调节温度电路如3.6所示。

图3.6可控硅调节温度电路

3.7 A/D转换电路

信号经传感器接收、放大、滤波后的信号仍为模拟量，计算机只能处理数字量，因此要被CPU处理还需经过}D转换成数字信号。由于本设计中控制对象仅为温度，只需要一个模数通道，传递参数也比较简单，故选用ADC0804作为A/D 转换芯片。

ADC0804是CMO S工艺，8位，中速(转换时间约为100US，逐次逼近A/D转换器。由巧V单一供电。片内有三态输出数据锁存器，与微处理器接口方便。ADC0804引脚图如图3.7所示。

ADC0804将输入模拟值转换为数字值输出到P1口，再经过相应控制电路送入8155接口芯片，使与之相对应的LED变亮。

图3.7 ADC0804引脚图

3.8信号放大电路

通过传感器采集的信号较小而不能直接使用。在测量系统中，通常都用传感器获取信号，即把被测物理量通过传感器转换为电信号，之后再进行放大。本节将介绍本次设计所用的放大电路和预处理中的一些实际问题。

本设计选用用于弱信号放大的精密放大器INA102，如图3.8所示。

3.8工NA102的精密放大器

3.9过零检测

正弦交流电每秒钟有100次过零点，本设计采用单相桥式整流电路。全波整流以后，使交流电的正负半周期都有同一方向的电流。

为了达到过零触发的目的。需要交流电过零检测电路，过零检测电路如图3.15所示可控硅在交流过零电压时刻触发导通。具有可控硅输出光电祸合器可以用于交流大功率隔离驱动。

其中TO接8051的TO引脚，发出中断请求。

图3.8过零检测电路

3.10硬件抗干扰措施

单片机系统在工业现场工作时，要求具有较好的抗干扰能力和较高的稳定性。工业现场的干扰信号来源很多。干扰的传播途径主要有电源和接地系统、空

间电磁波、I/O通道等。设计汇总须注意共模干扰的抑制和消除。常见措施包括浮空隔离、系统一点接地、使用隔离变压器等。

干扰进入单片机系统，会影响保护系统运行的可靠性，必须设法抑制和消除[[24]。本系统主要采用如下硬件抗干扰措施:

1.接地抗干扰:

本系统中，有数字地和模拟地两种。数字地是指数字器件的0电位点，模拟地是指模拟器件的0电位点，这些模拟器件包括A/D转换器件、运算放大器件等 o 2.隔离抗干扰

隔离的目的是从电路上把干扰源和易干扰部分隔离开来，实行强电和弱电隔离。

3.去祸抗干扰

去祸电容提供和吸收该集成电路逻辑门开门关门瞬间的充放电能量[26]。在微机控制系统中，去祸电容一般选用0.01-O.luf.

4.滤波抗干扰

使用RC滤波器，它能够很好的抑制信号传输线路中的噪声和抑制工频干扰，起到良好的搞干扰作用。

第四章总结及结论

本次设计的单片机系统能过对I/O口接口电路、键盘和LED显示接口电路、A/D转换接口电路、数据存储器电路进行扩展，实现了对温度的自动控制，并能实时显示温度值，具有控制精度高、易于操作等优点。其中用ADC0804这样的单一通道芯片的使用，大大减少了硬件部分的资源，比以往设计具有突出的优点。系统能够完成对O°- 100°的温度进行测量和控制，性能稳定。当然，由于水平所限系统难免会存在不足，诸如温度控制部分的控制精度低等，可在以后的学习中逐步完善。在设计的过程中，还拓展了自己的思维方式并加深了对知识了解的深度，基本明确了温度控制系统与其它同类系统(诸如压力控制系统)的异同。通过此次毕业论文的课题设计，我们学会了怎样把所学的书本知识应用于实践中去，并学会了如何去思考整个控制系统的软硬件设计。实践过程中我们遇到了一些困难，但在解决问题的过程中，我们学会了团队合作精神和怎样发现问题、分析问题，进而解决问题。

此次课程设计不仅增强了我们学习专业课的兴趣，而且给了我们勇气和信心，更重要的是它为我们以后的学习指明了方向。

参考文献

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[6]彭秋红，沈占彬.基于单片机温度控制系统的硬件设计[J].机电产品开发与创新.2010 (05)

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