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内蒙古科技大学信息工程学院 测控专业毕业实习报告
题 目：基于单片机的温度控制系统学生姓名：段林伟学 号：专 业：测控技术与仪器班 级：测控指导老师：颉新春
——文献综述
1067112339
2010-3
前言
随着现代工业的发展，人们需要对工业生产中有关温度系统进行控制，如钢铁冶炼过程需要对刚出炉的钢铁进行热处理，塑料的定型及各种加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中温度进行实时温度测量和精确温度控制是日常生活、工业、医学、环境保护、化工、石油等领域最常遇到的一个物理量。而且，很多领域的温度可能较高或较低，现场也会较复杂，有时人无法靠近或现场无需人力来监控。如加热炉大都采用简单的温控仪表和温控电路进行控制, 存在控制精度低、超调量大等缺点, 很难达到生产工艺要求。且在很多热处理行业都存在类似的问题，所以，设计一个较为通用的温度控制系统具有重要意义。这时我们可以采用单片机控制，这些控制技术会大大提高控制精度，不但使控制简捷，降低了产品的成本，还可以和计算机通讯，提高了生产效率。
单片机是指芯片本身，而单片机应用系统是为实现某一个应用而需要由用户设计的系统，是一个围绕单片机芯片而组建的单片机与计算机合成的应用系统，这就是单片机应用系统。单片机自问世以来，其性能不断的被提高和完善，资源又能满足很多应用场合的需求，加之单片机又具有集成度高、功能强、速度快、体积小、功耗低、使用方便、价格低廉等特点。因此，单片机应用系统在现代工业发展中运用日益广泛并在逐渐取代现有的多片微机应用系统。
关键词：单片机;温度测量;温度控制
第一章
课题的研究背景
1.1历史背景概述
我国北方气候属于典型的温带大陆性气候，冬季寒冷干燥。目前为了改善室内温度环境，我国北方城市普遍采用集中供暖。然而由于传统的供暖设备没有配备自动化的温度调节装置，只能通过手动调节供热管道阀门来实现室内温度的粗调节，温度控制精度低，且造成了能源的浪费。针对我国北方冬季的气候特点，我的设计以单片机为核心，以阀门控制器为执行元件设计了一套室内温度 PID 控制系统，并预期在相应软件下对该系统进行数值仿真计算。如果仿真结果良好，则表明该系统具有控制精度高、稳定性好等优点，从而验证了系统的可行性。
传统的温控系统温度控制方式已不能满足高精度，高速度的控制要求，如温度控制表温度接触器，其主要缺点是温度波动范围大，由于它主要通过控制接触器的通断时间比例来达到改变加热功率的目的，受仪表本身误差和交流接触器的寿命限制，通断频率很低。
成熟的温控产品主要以“点位”控制及常规的控制器为主，它们只能适应一般温度系统控制，而用于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少，因此不适合用此种方法作加热炉的温控系统。
近几年来快速发展了多种先进的加热炉温度控制方式，如：模糊控制。这个控制技术大大的提高了控制精度，不但使控制变得简便，而且使产品的质量更好，降低了产品的成本，提高了生产效率。不过，模糊控制系统动态性能好，但稳态性能较差，且很难使两种性能指标都达到理想要求。目前普遍采用模糊-线性复合控制器发挥了模糊控制和线性控制的优点，使设计的系统取得了较好的动态和稳态指标。但是，模糊-线性复合控制同时也存在一些问题：线性前馈复合控制的系统性能对参数变化比较敏感；模糊-线性双模控制存在开关切换问题等；在线性控制的误差通道并联模糊控制器系统和模糊控制器与线性控制器并联系统尽管得到了较好的效果，但并不能从根本上解决模糊控制器稳态性能和动态性能之间的矛盾问题。
结合加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉等以温度控制为主的工业控制系统对产
品工艺、温度的精度要求，再考虑不同的加热系统温控方法，考虑各种热炉温控方法的优点加以改进。
1.2国内温度测控系统研究现状
我国对于温度测控技术的研究较晚，始于20世纪80年代。我国工程技术人员在吸收发达国家温度测控技术的基础上，才掌握了温度室内微机控制技术，该技术仅限于对温度的单项环境因子的控制。我国温度测控设施计算机应用，在总体上正从消化吸收、简单应用阶段向实用化、综合性应用阶段过渡和发展。在技术上，以单片机控制的单参数单回路系统居多，尚无真正意义上的多参数综合控制系统，与发达国家相比，存在较大差距。我国温度测量控制现状还远远没有达到工厂化的程度，生产实际中仍然有许多问题困扰着我们，存在着装备配套能力差，产业化程度低，环境控制水平落后，软硬件资源不能共享和可靠性差等缺点。
1.3 控制方案选择
定值开关温度控制法
所谓定值开关控温法，就是通过硬件电路或软件计算判别当前温度值与设定目标温度值之间的关系，进而对系统加热源（或冷却装置）进行通断控制。若当前温度值比设定温度值高，则关断加热器，或者开动制冷装置；若当前温度值比设定温度值低，则开启加热器并同时关断制冷器。这种开关控温方法比较简单，在没有计算机参与的情况下，用很简单的模拟电路就能够实现。目前，采用这种控制方法的温度控制器在我国许多工厂的老式工业电炉中仍被使用。由于这种控制方式是当系统温度上升至设定点时关断电源，当系统温度下降至设定点时开通“乘机安全小贴士”安全出行要重视电源，因而无法克服温度变化过程的滞后性，致使系统温度波动较大，控制精度低，完全不适用于高精度的温度控制。
智能温度控制法
1985召开的第一界智能控制学术讨论会，智能控制原理和智能控制系统结构这一提法成为这次会议的主要议题。这次会议决定，在控制系统学会下设立一个智能控制专业委员会。这标志着智能控制这一新兴学科研究领域的正式诞生。智能控制作为一门独立的学科，已正式在国际上建立起来。在过去的20多年里，智能控制理论发展迅猛，出现了大量新颖的控制理论。
智能控制系统是某些具有仿人智能的工程控制和信息处理系统，它与人工智能的发展紧密联系。智能控制是一门新兴的交叉前沿学科，它具有非常广泛的应用领域。智能可定义为:能有效的获取、传递、处理、再生和利用信息，从而在任意给定的环境下成功的达到目的的能力。人工智能是应用除了数学式子以外的方法把人们的思维过程模型化，并利用计算机来模仿人的智能的学科。它的应用范围远比控制理论广泛，如包括判断、理解、推理、预测、识别、规划、决策、学习和问题求解等，是高度脑力行为和体力行为的综合。智能控制就是应用人工智能的理论与技术和运筹学的优化方法，并将其同控制理论方法与技术相结将智能控制与PID控制相结合，实现温度的智能控制。智能控温法采用神经元网络和模糊数学为理论基础，并适当加以专家系统来实现智能化。其中应用较多的有模糊控制、神经网络控制以及专家系统等。尤其是模糊控温法在实际工程技术中得到了极为广泛的应用。目前已出现一种高精度模糊控制器，可以更好的模拟人的操作经验来改善控制性能，从理论上讲，可以完全消除稳态误差。所谓第三代智能温控仪表，就是指基于智能控温技术而研制的具有自适应PID算法的温度控制仪表。
目前国内温控仪表的发展，相对国外而言在性能方面还存在一定的差距，它们之间最大的差别.主要还是在控制算法方面，具体表现为国内温控仪在全量程范围内温度控制精度低，自适应性较差。这种不足的原因是多方面造成的，如针对不同的温控对象，由于控制算法的不足而导致控制精度不稳定等。
第二章
课题的硬件设计方案
2.1 温度传感器方案
温度是表示物体冷热程度的物理量，微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度。温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量，而用来量度物体温度数值的标尺叫温标。它规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的基本单位。国际单位为热力学温标(K)。目前国际上用得较多的其他温标有华氏温标(°F)、摄氏温标(°C)和国际实用温标。从分子运动论观点看，温度是物体分子运动平均动能的标志。温度是大量分子热运动的集体表现，含有统计意义。对于个别分子来说，温度是没有意义的。
2.1.1 数字式温度传感器 DS18B20 D S18B20 是 D allas 半导体公司生产 的新 一代数字式温度传感器，采用 TO 一92 封装。它具有独特 的单总线接 口方式 ．将地址线、数据 线、控 制线复用 为一 根信号线，输入输 出均为数字信号。这使得其 与单片机接 口变得 十分简单，克服 了模拟式传感器与微 机接 口时需 要 的 A D 转换 器 及其 它复 杂外 围电路 的缺点，由它组成 的温度测控 系统非常方便，而且成本 低、体积小、可靠性高。
D S 18B20 主要性 能指 标：
(1)测温 范围：一55℃到125℃，测量 最高分辨率 为 0．0625℃，这是本系统实现控制精度要求的关键 ；
(2)无需任何外 围元件，可以直接输 出温度值 的 9—12 位串行数字量 ；(3)温度转换最大时间为 750m s；
(4)用户可 以设定报警温度，存储于 E E PR O M 中。
随着工业技术的发展，温度、压力、流量等参数已成为工业生产中的主要被控参数，温度作为一个基本物理量它与人们的生产生活有着密切的联系，在很多生产过程中我们需要对温度进行检测和控制。温度测量系统主要有两部分构成，一部分是传感器，它的主要作用是将温度信号转换为电信号，另一部分是控制部分，它的作用主要是对传感器送来的信号进行处理控制、温度显示等功能。从传感器方面来看，传统的温度传感器有热电偶、铂电阻热敏电阻等，虽然它们有各自的优点，但是他们需要后续处理电路，而且由于自身的热效应会影响测量精度，可靠性较差，与之相 比本设计采用的DS18B20 作为测温传感器它具有体积小，一线总线的数字传输方式，可直接向单片机传输数字信号，简化了数据传输与处理过程，大大提高 了系统的抗干扰性，适合于恶劣环境的现场温度测量，在一10 一+85oC 范 围内，测量精度为 ±0．5oC。
2.2 单片机方案
单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用。从上世纪80年代，由当时的4位、8位单片机，发展到现在的300M的高速单片机。
2.2.1 AT89S52单片机
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。
AT89S52 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位 定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内 5
晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻 辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数
AT89S52引脚图 DIP封装器、串口、中断继续工 作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
P0 口: P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻 辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0不具有内部上拉电阻。在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验 时，需要外部上拉电阻。
P1 口: P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p1 输出缓冲器能驱动4 个 TTL 逻辑电平。
此外，P1.0和P1.1分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2 的触发输入（P1.1/T2EX）。在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。
引脚号第二功能：
P1.0 T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出
P1.1 T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）P1.5 MOSI（在系统编程用）P1.6 MISO（在系统编程用）P1.7 SCK（在系统编程用）
P2 口: P2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动
AT89S52引脚图 PLCC封装个 TTL 逻辑电平。对P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入 口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX @DPTR）时，P2 口送出高八位地址。在这种应用中，P2 口使用很强的内部上拉发送1。在使用 8位地址（如MOVX @RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节
和一些控制信号。
P3 口: P3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p3 输出缓冲器能驱动4 个 TTL 逻辑电平。P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。
端口引脚第二功能： P3.0 RXD(串行输入口)P3.1 TXD(串行输出口)P3.2 INTO(外中断0)P3.3 INT1(外中断1)P3.4 TO(定时/计数器0)P3.5 T1(定时/计数器1)P3.6 WR(外部数据存储器写选通)P3.7 RD(外部数据存储器读选通)此外，P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。RST
复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。
2.3 电动阀
电动阀简单地说就是用电动执行器控制阀门，从而实现阀门的开和关。其可分为上下两部分，上半部分为电动执行器，下半部分为阀门。
电动阀是自控阀门中的高端产品，它不仅可以实现开关作用，调节型电动阀还可以实现阀位调节功能。电动执行器的行程可分为：90°角行程和直行程两种，特殊要求还可以满足180°、270°、360°全行程。由角行程的电动执行器配合角行程的阀使用，实现阀门90°以内旋控制管道流体通断；直行程的电动执行器配合直行程的阀使用，实现阀板上下动作控制管道流体通断。
电动阀按阀位功能可分为：开关型电动阀和调节型电动阀；按阀位形式可分为：电动球阀和电动蝶阀；按阀体形状还可以分为：普通电动阀和微型电动阀；在这里选择比较合适的调节型电动阀。
2.4整体方案概述
系统的硬件设计为自行设计的室内温度单片机控制系统。该系统的硬件主要包括单片机、温度传感器、数模转换器、阀门控制器、键盘、显示器等。单片机是系统的核心，它接收由温度传感器检测到的室内温度信号，并将该室内温度与设定温度进行比较；然后根据温度误差和 PID控制算法计算输出控制量；最后将控制量通过数模转换器输出到阀门定位器，从而调节阀门的开度，以达到调节室内温度的作用。AT89S52 单片机功能强大，使用灵活，其性能能够满足此次设计要求，因此选用 AT89S52 单片机作为该控制系统的核心。温度传感器主要完成室内温度的检测，并将实测的室内温度信号传送给单片机。DS18B20 是美国 DALLAS 公司生产的单总线数字温度传感器，该器件将半导体热敏器件、A/D 转换器、存储器集成在一个芯片上，传感器直接输出的就是温度信号数字值。因为采用的是单总线结构，所以易与单片机接口，且占用系统资源少。同时 DS18B20还具有精度高、抗干扰能力强等优点。因此该系统选用 DS18B20 传感器作为室内温度检测元件。DS18B20 有外部电源供电和寄生电源供电两种供电方式。考虑到所设计系统的需要，本课题采用外部电源供电方式供电。阀门定位器根据单片机计算的控制量来调节阀门的开度，起到控制流量的作用。这里选用的是德国艾尔公司生产的电动阀门控制器，它接收数模转换器 DAC0832 输出的 1-5 伏的电压信号，线性输出 0%到 100%的阀门开度。该系统的键盘主要包括复位键和数字键。系统中除了复位按键有专门的复位电路外，其它的按键都是以开关状态来设置控制功能或输入数据。为了增强按键开关状态输入的可靠性，系统采用软件消抖方法。系统在检测到有键按下时，执行一个 10ms 的延时程序后，再确认该键电平是否仍保持闭合状态电平，如果仍保持闭合状态电平则确认按键已按下，从而消除了抖动影响。该系统中，显示电路采用串行的 74LS164 驱动 4 位 LED显示。
第三章 硬件框图流程简述
图3.1 AT89S52的引脚图
单片机控制器电动阀房间室内温度设定温度温度传感器
图3.2 单片机控制流程图
DS18B20温度传感器显示电路AT89S52单片机键盘设置电路DAC0832阀门控制器 图3.3 室内温度控制系统的硬件结构连接图
开始系统初始化采样当前室内温度根据设定温度和室内温度计算温度误差根据当前误差经过单片机计算输出控制量通过DA将输出控制量传送给阀门控制器延时 图3.4 室内温度控制系统的控制结构图
第四章 总结
设计叙述了基于单片机对工业生产中温度的控制与设计，包括硬件组成和软件设计，该系统在硬件设计上主要是通过温度传感器对温度进行采集，把温度转换成变化的电压，然后由放大器将信号放大，通过AD转换器，将模拟温度电压信号转化为对应的数字温度信号电压。其硬件设计中最为核心的器件是单片机AT89S52，它一方面控制A/D转换器实现模拟信号到数字信号的转换，另一方面，将采集到的数字温度电压值经计算机处理得到相应的温度值，送到LED显示器，以数字形式显示测量的温度。整个系统的软件编程就是通过C语言对单片机AT89S52实现其控制功能。整个系统结构紧凑，简单可靠，操作灵活，功能强大，性价比高，较好的满足了现代生产和科研的需要。
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