河南理工大学毕业论文 第 6 页 共 52 页
引 言
温度是一个很重要的基本物理量，自然界中任何物理、化学过程都紧密地与温度相联系，在许多生产过程中，温度测量和控制都直接和安全生产、保证产品质量、提高生产效率、节约能源等重大经济技术指标相联系，因此温度测控技术在国民经济各个领域中都受到了相当的重视。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，燃料，控制方案也有所不同。例如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等；燃料有煤气、天然气、油、电等；控制方案有直接数字控制（DDC），推断控制，预测控制，模糊控制（Fuzzy），专家控制(Expert Control)，鲁棒控制（Robust Control），推理控制等。
温度的测控技术已由模拟测控技术逐渐让位与以单片机为主的微处理器测控技术，形成数字与模拟混合的测控系统和纯数字测控系统的应用，并正向全数字测控方向快速发展。单片机是在一块硅片上集成了各种部件的微型计算机，这些部件包括中央处理器CPU、数据存储器RAM、程序存储器ROM、定时器/计数器和多种I/O接口电路。用单片机取代模拟电路作为温度的测量控制器有如下优点：
（1）可靠性高。芯片本身是按工业测控环境要求设计的，其工业抗干扰能力优于一般的通用CPU，且程序指令、系统常数均固化在ROM中，不易破坏，硬集成度高，使系统整体可靠性大大提高。
（2）易于扩展。单片机内具有计算机正常运行所必需的部件，芯片外部有许多供扩展用三总线及并行、串行管脚，很容易构成各种规模的计算机应用系统。
（3）控制能力强。为满足工业控制要求，单片机的指令系统均有极为丰富的条件分支转移指令、I/O端口的逻辑操作以及位处理能力。
（4）体积小。由于单片机的高集成度，整个电路系统的体积有得到大幅度缩小，使便携式仪器的制造成为可能。
要想构成一个先进的温度测控系统，除了采用单片机作为其控制器外，性能优良的温度传感器也是必不可少的。智能温度传感器是在模拟集成温度传感器/控制器的基础上发展而成的第三代温度控制器，它将温度传感器、A/D转换器、寄存器、接口电路集成在一个芯片中，有的还包含中央处理器（CPU）、只读存储器（ROM）、随机存储器（RAM或SRAM）、实时日历时钟以及温度控制与报警电路等。其主要优点是：数字化输出、测试及控制能力强、传输距离远、抗干扰能力强、微型化、微功耗、易于配微控制器（MCU）或微型计算机进行数据处理或温度控制。本系统紧跟当今传感器的发展潮流，选用美国DALLAS半导体公司生产的DS18B20型单线智能温度传感器作为温度采集控制部件以实现更高的系统指标。
河南理工大学毕业论文 第 7 页 共 52 页
本设计的控制对象为一恒温装置，输入为加在升降温装置两端的电压，输出为恒温装置的温度。输入和输出的传递函数为：G(s)=2/(s(s+1))。控温范围为-55～+125℃，所采用的控制方案为直接数字控制（DDC）中的最少拍控制。
本设计采用总线技术和模块化结构，实现了由MCS—51单片机和DS18B20型单线智能温度传感器组成的智能温度测控系统，甩掉了传感器→变送器→A/D转换器→单片机的传统模式，大大减少了电路中元器件和I/O连线，创建了一种新型的高稳定可靠温度测控系统。 通过P3.2口，单片机与温度传感器可互发信息，从而共同进行相应的信息处理。在配套程序的驱动下，单片机端设置并发送上限温度HT和下限温度LT给温度传感器，同时读取温度传感器发来的当前温度CT，进行相应显示及处理。当CT超过HT，将点亮红色LED并驱动制冷控制所对应的继电器，从而进行报警提示及制冷控制。当CT低于LT，温度控制器将点亮蓝色LED并驱动加热控制所对应的继电器，从而进行报警提示及加热控制。除了上述可以将现场温度维持在上限温度和下限温度之间的一定范围内外，当设置的上限温度HT和下限温度LT为同一温度值时，温度测控系统将使现场温度保持在相应的恒温状态。温度控制器的LCD将显示时间、当前温度 、上限温度和下限温度。
河南理工大学毕业论文 第 8 页 共 52 页
1 绪 论
1.1 课题背景
温度控制是自动控制经常讨论的课题之一，它代表了一类自动控制的方法。而且其应用十分广泛，可以说在生产生活中无处不在，例如锅炉、电冰箱等。而由温度控制带来的时滞效应难题始终困扰着实际应用。随着科学技术的高速发展，温度控制技术得到了很大的进步，其应用的领域也不断的扩大。
本文将使用8051型单片机对温度控制的基本原理实例化，设计一个带有多功能的、能够减小时滞效应的温度采集控制系统。目的是利用毕业设计的这段时间学习一种利用8051型单片机进行温度采集控制的方法。 1.2 立题的目的和意义
8051型单片机是常用的控制芯片，在智能仪器仪、工业检测控制、机电一体化等方面取得了令人瞩目的成果，用其作为温度采集控制系统的实例也很多。使用8051单片机能够实现温度全程的自动控制，而且8051单片机易于学习、掌握，性能价格比高。
使用8051型单片机设计温度采集控制系统，可以即时、精确的反映温度变化。完成诸如升温到特定温度、降温到特定温度、在温度点保持恒温等多种控制方式，可以应用到空调、锅炉、电热器一类的设备上。 1.3 温度控制系统的预期功能和基本原理
多功能温度控制系统的设计初衷是满足实际生产中温度控制的需要。为此本系统针对实际应用开发了两种温度控制的模式。
第一种控制模式类似于空调，锅炉等需要保持在一定区间内恒温的设备，他们都需要有加温或降温功能，有的当温度超过一定上限时会报警。本系统中把这种工作模式命名为Control模式，简写为C模式。系统工作在这种模式下时，首先系统会提示用户输入温度的上限与下限的温度值。然后根据实际温度的情况决定采取那些方案。如下图1—3—1所示：
用户设定的下限温度当前实际温度用户设定的下限温度
河南理工大学毕业论文 第 9 页 共 52 页
图1—3—1 第一种控制模式示意图
该时刻的实际温度低于用户设定的下限温度，所以此时刻系统正处于升温状态，直到实际温度到达上限温度值，系统才停止升温。反之，如果实际温度高于用户设定的下限值时，系统处于降温状态。当实际温度超过用户设定的上、下限温度时，系统还会通过声音、警报灯来报警，同时启动相应的降升温措施。
第二种模式在日常生产中是十分普遍的，例如铸造模具、热时效处理等都需要完成“升温－恒温－降温”反复的过程。本系统模拟了热时效的处理过程，采用“升温－恒温－升温－恒温－降温－恒温－降温”的梯形曲线过程，如下图1—3—2所示的：
温度 ℃时间 秒
图1—3—2图1—3—1 第二种控制模式示意图
这种模式对温度控制的要求比较高，技术指标也很多，例如必须保持采样时间有单位并且均匀、升温降温的过程要稳定、迅速等。
常用的温度控制算法都采用PID算法。本设计从成本、设计复杂度、实用性及开发时间诸多因素的考虑采用了DDC算法，主要体现在升降温过程中。系统为典型的反馈式温度控制系统，组成部分见图1—3—3。其中数字控制器的功能由8051单片机实现。
图1—3—3温度控制系统组成框图
1.4 本系统主要研究内容
本系统所要完成的任务是：
（1）能够实时、准确的采样温度值。
（2）能够以DDC控制方式，进行升温、降温过程。 （3）完成温度梯形曲线的变化过程。
（4）更加人性化的设计。上、下界限温度能够用户输入并显示，声音、警报灯的
河南理工大学毕业论文 第 10 页 共 52 页
报警功能等。
2. 多功温度控制系统总体分析与设计
2.1 温度控制系统的组成和工作原理
多功能温度控制系统能是以8051单片机作为核心，周边设备使用DS18B20型单线智能温度传感器、液晶显示芯片74HC00、继电器及其驱动电路、红、蓝色发光二极管、蜂鸣器、电加热器、直流电机风扇等。经DS18B20采集到的数字量与用户设定的温度值进行比较，即可得到现场温度和设定温度的偏差。用户设定值由键盘输入。由8051单片机构成的数字控制器按最小拍进行运算，计算出所需要的控制量。数字控制器的输出经标度变换后送给8051内部定时计数器转变为高低电平的不同持续时间，送至继电器及其驱动电路，触发晶闸管并改变其导通角大小，从而控制电加热器的加热电压，起到控温的作用。
系统基本硬件结构框图如图2—1—1所示。其功能和原理如下： （1）8051：负责中心运算和控制，协调系统各个模块的工作。
（2）温度温度传感器DS18B20：负责温度与数字量的转化。其精度可精确到小数点后四位。
（3）功率模块：采用随机型固态继电器控制加热设备的方式。随机型固态继电器采用低电压输入方式，一般为DC3～10V，用可控硅做输出器件。这样控制部分与大功率部分实现隔离，可抑制干扰。
图2—1—1系统基本硬件结构框图
（4）人机交互模块：用4X1键盘和液晶显示器构成友善的人机交互界面。 （5）抗干扰模块：使用看门狗芯片X25045，其看门狗功能将对系统起到有效的监视作用，内含512B串行E2PROM，具有掉电非易失特性，在本系统中做数据备份用。
（6）红、蓝色LED，蜂鸣器：负责系统的报警功能。当温度超过用户设定的上、下限值时系统将报警。LED灯在单片机的控制下点亮，同时蜂鸣器发出报警声，通知用户