1、計算機溫度測控系統 班級:B110403 姓名：張一博 學號：B11040309 指導老師：王煜目錄摘要31.設計目的42.設計要求和設計指標43. 總體方案設計44.硬件選擇以及相關電路設計54.1溫度傳感器的選擇64.2 模數轉換器74.2.1ADC0809內部結構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數碼管顯示電路124.4.1 LED數碼管的組成124.4.2數碼管顯示方式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

2、心得體會18參考文獻19附錄：溫度控制系統總電路圖20摘要溫度控制是工業生產過程中經常遇到的過程控制，有些工藝過程對其溫度的控制效果直接影響著產品的質量，因而設計一種較為理想的溫度控制系統是非常有價值的。本設計介紹了以AD590集成溫度傳感器為采集器、AT89C51為控制器、ADC0809為A/D轉換器對溫度進行智能控制的溫度控制系統。其主要過程如下：利用傳感器對將非電量信號轉化成電信號，轉換后的電信號再入A/D轉換成數字量，傳遞給單片機進行數據處理，并向外圍設備發出控制信號。論文首先介紹了單片機控制系統的整體方案設計及原理，然后具體介紹了控制系統的溫度傳感器部分、A/D轉換部分、控制器89C

3、51部分以及數碼管顯示和鍵盤控制部分，接著相信介紹了溫度控制系統各個單元電路的設計，最后闡述了溫度控制系統軟件設計的主程序和各個子程序。計算機溫度測控系統1.設計目的設計制作和調試一個由工業控制機控制的溫度測控系統。通過這個過程學習溫度的采樣方法，A/D變換方法以及數字濾波的方法。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結構。2.設計要求和設計指標1、每組45同學，每個小組根據設計室提供的設備及設計要求，設計出實際電路組成一個完整的計算機溫度測控系統。 2、根據設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試通過。編制程序溫度指標

4、：6080之間任選；偏差：1。3. 總體方案設計 本系統主要由數據采集、信號放大、模數轉換等模塊構成。設計思想是通過溫度傳感器將溫度信號轉變為電流（電壓）信號，但我們要知道經溫度變化引起電流（電壓）信號的改變是非常小的，此時如果被模數轉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。再通過模數轉換器后送入單片機AT89C51，而單片機通過PID算法控制烘箱的電爐加熱，并且使數碼管顯示實時溫度，從而實現溫度的高精度控制。4.硬件選擇以及相關電路設計 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，

5、此類溫度傳感器在各方面特性都比較優秀，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點，但由于熱敏電阻的非線性特性會影響系統的精度。方案三：選用美國Analog Devices 公司生產的二端集成電流傳感器AD590，此器件具有體積小、質量輕、線形度好、性能穩定等優點。其測量范圍在-50-+150，滿刻度范圍誤差為±0.3，當電源電壓在510V之間，穩定度為1時，誤差只有±0.01，其各方面特性都滿足此系統的設計要求。比較以上三種方案，方案三具有明顯的優點，因此此次設計選用方案三。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

6、性（重復性優于0.1，其良好的非線形可以保證優于0.1的測量精度，利用其重復性較好的特點，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轉換器采集數據。4.2 模數轉換器ADC0809是M美國國家半導體公司生產的CMOS工藝8通道，8位逐次逼近式A/D轉換器。其內部有一個8通道多路開關，它可以根據地

7、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轉換，其轉換時間為100s左右。是目前國內應用最廣泛的8位通用A/D芯片 圖4-2ADC0809引腳圖 圖4-3 ADC0809內部結構圖4.2.1ADC0809內部結構圖中多路開關可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用一個A/D轉換器進行轉換，這是一種經濟的多路數據采集方法。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，其轉換結果通過三態輸出鎖存器存放、輸出，因此可以直接與系統數據總線相連，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的內部結構和外部引

8、腳分別如圖4-3和圖4-2所示。內部各部分的作用和工作原理在內部結構圖中已一目了然，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轉換后的數據輸出端，為三態可控輸出，故可直接和微處理器數據線連接。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關系如表4-1所示。（4）VR(+)、VR(-)正、負參考電壓輸入端，用于提供片內DAC電阻網絡的基準電壓。在單極性輸入時，VR(+)=5V，

9、VR(-)=0V；雙極性輸入時，VR(+)、VR(-)分別接正、負極性的參考電壓。（5）ALE地址鎖存允許信號，高電平有效。當此信號有效時，A、B、C三位地址信號被鎖存，譯碼選通對應模擬通道。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轉換。（6） STARTA/D轉換啟動信號，正脈沖有效。加于該端的脈沖的上升沿使逐次逼近寄存止，重新從頭開始轉換器清零，下降沿開始A/D轉換。如正在進行轉換時又接到新的啟動脈沖，則原來的轉換進程被中。 （7）EOC轉換結束信號，高電平有效。該信號在A/D轉換過程中為低電平，其余時間為高電平。該信號可作為被CPU查詢的狀態信號，也

10、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。當微處理器送出該信號時，ADC0808/0809的輸出三態門被打開，使轉換結果通過數據總線被讀走。在中斷工作方式下，該信號往往是CPU發出的中斷請求響應信號。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，執行別的程序，同時對ADC的狀態進行查詢，以檢查ADC變換是否已經完成，如查詢到變換已結束，則讀

11、入轉換完畢的數據。中斷控制是在啟動信號送到ADC之后，單片機執行別的程序。當ADC轉換結束并向單片機發出中斷請求信號時，單片機響應此中斷請求，進入中斷服務程序，讀入轉換數據，并進行必要的數據處理，然后返回到原程序。這種方法單片機無需進行轉換時間管理，CPU效率高，所以特別適合于變換時間較長的ADC。本設計采用查詢方式進行數據收集。由于ADC0809片內無時鐘，故運用8051提供的地址鎖存使能信號ALE經D觸發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，經二分頻后為500kHz，與AD0809時鐘頻率的典型值吻合。由于A

12、D0809具有三態輸出鎖存器，故其數據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，以實現在鎖存通道地址的同時啟動ADC0809轉換。啟動信號由單片機的寫信號和P2.7經或非門而產生。在讀取轉換結果時，用單片機的讀信號和P2.7經或非門加工得到的正脈沖作為OE信號去打開三態輸出鎖存器。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；執行一條輸出指令，啟動A/

13、D轉換；然后根據所選用的是查詢、中斷、等待延時三種方式之一的條件去執行一條輸入指令，讀取A/D轉換結果。ADC0809是一個8路8位逐次逼近的A/D轉換器。AD0809的轉換時間為100µs。在CPU啟動A/D命令后，便執行一個固定的延時程序，延時時間應略大于A/D的轉換時間；延時程序一結束，便執行數據讀入指令，讀取轉換結果。我們只用了其一路AD轉換，參考電壓2.56V，即一位數字量對應10mV即1。所以用起來很方便。ADC0809是帶有8路模擬開關的8位A/D轉換芯片，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

14、的P0.0P0.2相接。地址鎖存信號(ALE)和啟動轉換信號（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，不過當采用12M晶振時，應該先進行二分頻，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公司生產的低電壓 ,高性能CMOS 8位單片機，片內含4k bytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和128 bytes的隨機存取數據存儲器(RAM ),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS-51指令系統，片內置通用8位中央處理

15、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用場合，可靈活應用于各種控制領域。AT89C51單片機的主要特性：(1)與MCS-51 兼容，4K字節可編程閃爍存儲器；(2)靈活的在線系統編程，掉電標識和快速編程特性；圖4-5 AT89C51結構圖(3)壽命為1000次寫/擦周期，數據保留時間可10年以上；(4)全靜態工作模式：0Hz-33Hz；(5)三級程序存儲器鎖定；(6)128*8位內部RAM，32可編程I/O線；(7)兩個16位定時器/計數器，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)片內振蕩器和時鐘電路；4.4數

16、碼管顯示電路4.4.1 LED數碼管的組成 LED數碼管顯示器是由發光二極管顯示字段的顯示器件，也稱為數碼管。其結構如圖4-6所示。它由8個發光二極管構成，通過不同的組合可用來顯示0-9、A-F及小數點“.”等字符。數碼管有共陰極和共陽極兩種結構規格，電阻為外接。共陰極數碼管的發光二極管陰極共地，當某發光二極管的陽極為高電平時，二極管點亮；共陽極數碼管的發光二極管是陽極，并接高電平，對于需點亮的發光二極管將其陰極接低電平即可。圖4-6 LED數碼管顯示圖4.4.2數碼管顯示方式（1） 靜態顯示方式 直接利用并行口輸出。LED顯示工作于靜態顯示方式時,各位的共陰極連接在一起接地;每位的段選線分別

17、于一個8位的鎖存輸出相連。一般稱之為靜態顯示,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確定,相應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顯示方式。利用通信號串行輸出。在實際應用中,多位LED顯示時，為了簡化電路，在系統不需要通信功能時，經常采用串行通信口工作方式0，外接移位寄存器74LS164圖4-7 數碼管顯示電路來實現靜態顯示。（2） 動態顯示方式對多位LED顯示器的動態顯示，通常都時采用動態掃描的方法進行顯示，即逐個循環點亮各位顯示器。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，看起來與全部顯示器持續點

18、亮一樣。為了實現LED顯示器的動態掃描，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，應用最為廣泛的調節器控制規律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PI

19、D調節。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它 以其結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為工業控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數不能完全掌握，或得不到精確的數學模型時，控制理論的 其它技術難以采用時，系統控制器的結構和參數必須依靠經驗和現場調試來確定，這時應用PID控制技術最為方便。即當我們不完全了解一個系統和被控對象，或 不能通過有效的測量手段來獲得系統參數時，最適合用PID控制技術。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據系統的誤差，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

20、關系。當僅有比例控制時系統輸出存在穩態誤差。 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系。對一個自動控制系統，如果在進入穩態后存在穩態誤差，則稱這個控制系統是有穩態誤差的 或簡稱有差系統。為了消除穩態誤差，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態誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分控制器，可以使系統在進入穩態后無穩 態誤差。 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）成正比關系。 自動控制系統在克服誤

21、差的調節過程中可能會出現振蕩甚至失穩。其原因是由于存在有較大慣性組件（環節）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，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調。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在 調節過程中的動態特性。6. 各子程序設計及流程圖6.1 PID

22、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轉換程序流程圖開始選擇通道，允許A/D轉換讀寄存器轉換是否結束NY讀取轉換值數據處理6.3 顯示程序流程圖開始取出要顯示的數求下一位選碼送位段碼到輸出延時修改顯示緩沖區4位數據顯示完 返回6.4溫度控制總程序流程圖調降溫處理子程序超過設定值低于設定值調用升溫處理子程序測量值設定值相比較調用執行PID程序計算溫度的偏差值讀鍵盤處理子程序輸入設定值A/D轉換后顯示當前溫度讀測量溫度子程序系統各模塊初始化開始NY心得體會本次課程設計，我的題目是計算機溫度控制系統。溫度控制

23、是工業生產過程中經常遇到的過程控制，有些工藝過程對其溫度的控制效果直接影響著產品的質量，因而設計一種較為理想的溫度控制系統是非常有價值的，也是十分有必要的。其次，在這次課程設計中，我們運用了以前學過的專業課知識，如：Proteus繪圖仿真、C語言、模擬和數字電路知識等。雖然以前在上課的時候學的都不是很好，很多知識都學習的模棱兩可，可是如果你懷著一種目的性去學習它，你就會發現學習的效率非常高，以前看了都頭痛的東西在你現在一定要用的時候再拿出來學習，會感覺其實也很簡單的。這是我做這次課程設計的又一收獲。最后，要做好一個課程設計，就必須做到：在做設計之前，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識，是指系統化、模塊化，必須有一個清晰的思路。在設計程序時，不能妄想一次將整個程