单片机温度控制系统的设计
单片机温度控制系统的设计
文 献 综 述
温度是工业控制中主要的被控参数之一，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足重轻的作用。对于不同场所、不同工艺、所需温度高低范围不同、精度不同，则采用的测温元件、测温方法以及对温度的控制方法也将不同；产品工艺不同、控制温度的精度不同、时效不同，则对数据采集的精度和采用的控制算法也不同，因而，对温度的测控方法多种多样。随着电子技术和微型计算机的迅速发展，微机测量和控制技术也得到了迅速的发展和广泛的应用。利用微机对温度进行测控的技术，也便随之而生，并得到日益发展和完善，越来越显示出其优越性。本设计即用微机对温度进行实时检测与控制。
摘 要
用89C51单片机系统进行温度实时采集与控制是本设计的主要内容。本设计介绍的单片机温度自动控制系统的主要内容包括：系统方案、理论分析、硬件设计、系统调试及主要技术性能参数。
关键词：单片机 温度传感器 温度检测
1系统功能及实现原理
1.1系统设计目标
用单片机对温度进行实时检测和控制，以解决工业及13常生活中对温度的及时自动控制问题；用十进制数码显示实际温度值，方便人工监视；用键盘输入温度控制范围值，便于在不同应用场所设置不同温度范围值。当实际温度值不在该范围时，系统能自动调节温度，以保持设定的温度基本不变，达到自动控制的目的。系统的温度最小区分度为1℃。在环境温度变化时，温度控制的静态误差小于等于0．5℃。
1.2 系统设计的出发点
在达到对温度的检测和控制的基础上，达到一定的测控精度，并尽量使系统的可靠性高、稳定性好、性价比高、速度快、使用灵活、实现容易、便于扩充。
1.3 设计原理
本设计采用89(251单片机应用系统来实现设计要求，因89C51在片内含4KB的EEPROM，不需外扩展存储器，可使系统整体结构简单。利用89C51串行口输出工作方式，使89C51的利用率大大提高，外部电路得以简化。89C51可直接对键盘进行扫描读数，可直接用串／并转换模块74LS104驱动LED显示温度值。因其利用率高，负载重，后向电路只需加一块同向驱动器即可正常工作。在串行传输数据时，频率可达到1MHz，对温度的显示完全达到测控精度要求。
1.4 具体方案
硬件电路由单片机、拨码开关、显示器、温度采集电路、执行部件等构成，框图见图1。
图1-1 单片机温度控制系统方案原理示意图
2 系统硬件电路的元器件选择及其工作原理
本系统硬件包括：温度采集器件、A／D转换器件、单片机、I／O设备、键盘输入、控制执行器件等，各实现部分的元器件选择如下。
2.1 温度采集器件选择
采用集成温度传感器AD590，其具有较高的精度和重复性，不需辅助电源，线性好，使用方便，可实现远距离测量，便于微机系统远程测控。AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温传感器，可以显示正负温度数值，只需要一个直流电压源(4V～30V)，功率的需求比较低(1.5Mw，5V)。其输出是高阻抗(710Mg2)电流，因而长线上的电阻对器件工作影响不大。AD590是已作过校正的，共有I、J、K、L、M五挡，M挡精度最高。K挡精度居中，测温精度为0.3℃ ，测温重复性优于0.1℃ ，经非线性补偿，精度可达±0.1℃。
2.2放大器件选择
微机测控系统中用到的放大器件品种繁多，功能各异，在此选用低失调电压运放OP07，工作原理见图2。因信号采集电路输出的电压较小，一般为几百毫伏，故对失调电压要求较严，为保证精度，采用该高精度运放。也可考虑用单片集成测量放大器。低失调运放的输入失调电压温漂和输入失调电流温漂都很小，输入失调电压和输入失调电流也很小，因而这类运放精度较高。OP07采用超高工艺和齐纳微调技术，使其温漂很小，广泛用于精密加法、检波、微弱信号精密放大。其要求双电源供电，使用温度范围0～70~C。一般不需调零，如要调零，可采用调零电位器调整，阻值可选200KI2。使用时，先将输入端接地，进行调零，调零后，接一输入电压，调节反馈精密可调电阻，使输出为输入的50倍，即得增益为50。
2.3ADC的选择及其与CPU的接口电路
现阶段生产的ADC具有模块化、与微机总线兼容等特点，在选择ADC芯片时，除需要满足用户的各种技术要求外，还须注意：① 数字输出的方式；②对启动信号的要求；③ 转换精度和转换时问；④稳定性及抗干扰性。逐次逼近式ADC具有较高的转换速度、转换程序固定和精度高的特点，适用于快速自动检测系统与多回路的快速数据采集系统，一般是转换速度小于lms的场合。日常生活中温度变化范围不会太大，本系统要求最小温度分辨率为1℃ ，假使温度变化范围为100℃ ，整个系统的温度采集点应为100×2=200个，8位转换器分辨率为1／256，完全满足转换精度要求，故本系统采用8位逐次逼近式A/D转换器ADC0809，其为双列直插式封装，28只管脚。CPU与ADC的输入输出接口电路采用8212，它是典型的通用I／O接口。输入信号Usr来自采样保持电路的输出，先由CPU输出一条指令控制启动，而转换总是需要一定时问才能完成。
2.4 I／O设备
单片机是通过I／O口线与外部电路连接的，I／O口即可作输人口又可作输出口，即可工作在串行方式下，又可以并行方式工作。常用的I／O扩展芯片有8155、8212、8255、键盘/显示接口8279等。本系统利用8951串行口输出工作方式，可直接驱动数码管、发光二极管，直接扫描键盘，充分利用资源，简化系统电路。
2.5 控制执行器件
用键盘输入温度控制范围值，此处选用1O线拨码开关，其简单易行，方便直观，而阵列式键盘或拨码盘结构复杂，使用不灵活。用共阳极数码管LED显示温度值。输出控制部分在此只用各种颜色发光二极管的亮灭进行各温度状态下系统对温度的调节方式的模拟演示。在实现过程中只要在相应电路中通过继电器驱动电炉、电扇等加温降温执行部件即可。
3硬件电路调试及调试中发现的问题与解决方法
测试仪器：PC机、QTH一52在线仿真机、数字万用表、稳压电源、温度计、示波器。
测试方法：先对各单元功能模块进行独立测试，再进行上机整体测试，通过后，进行脱机测试，以提高调试效率。
3.1采集电路测试
调试目的：使温度采集电路输出的电压与温度的关系符合理论设计数值。调试方法：可用一点测试法，在室温27 时调节电位器Rwl，使AD590对地电阻为1KI2，运放正端输入电压V+ ：300mV时，Vo：2．7V即可。也可采用两点测试法，当温度在0 50~C之间变化时，运放正端输入电压V+约为273 323mV，调试时用可调电压信号模拟温度信号输入到运放正端，调节电位器Rw2使v+=273mV时V =OV，调节Rt2使V+=323mV时Vo=5V，则5V/5O℃=100n1V/℃ 即为输出精度。因软件还要校正测温值，故基本符合上述数值即可。采用两点法较精确，故用两点法。
3.2 放大电路测试
设计中放大倍数设定为5O倍，则R2=R4=50R1=50R3即可实现，起初选用R1=R3=2K，R2=R4=100K，但将调整好的OP07接人电路后，用万用表检测后得知输出与输入之间不是放大5O倍，且偏差较大，经仔细分析后得知，由于运放输入阻抗R1、R3的2K阻值与前面1K的电位器产生的阻值相差不够大，造成分流，从而影响精度，后改用R1=I13=loK，1t2=R4=5．1M的大阻值后，放大电路达到预期效果。
3.3 单片机系统
分下面几部分分别调试：A/D
转换过程、按键检测、数码显示、发功率控制信号，排除接线和程序的个别错误之后，单片机可正常工作，其它电路经简单调试后即可正常工作。8路移位寄存器7415165以串行方式发送数据给89C51，但在该电路中，其总是不能正确传输ADC0809的输出数据给89C51，故在电路中，直接把ADC0809输出的信号传给89C51。调试中发现发光二极管的亮度一直很微弱，用万用表测量可知，其输入电压只有1．99V，勉强能够发光，而89C51输出的电压依然为5V左右，分析知89C51在串行口工作方式下，负载很重，发光二极管分得的电流较小，使其不能正常发光。在此加人一块同相放大器7407来驱动它们工作。
3.4系统统调
各单元均调通后，进行整机调试，过程如下：将调试好的各模块接在一起，用QTH一52仿真机代替89C51单片机进行模拟调试，用键盘设定一温度范围值，当室温(27℃)在该范围时，检验是否只有绿灯亮； 当设定温度的范围上限值低于27℃时，是否只有白灯亮(散热状态)；在设定温度范围下限值高于27~C时，是否只有红灯亮(加热状态)。同时检测数码管显示值是否与温度计显示的值一致。当系统能正常工作后，将程序固定在89C51的EEPROM中，再进行脱机调试，如正常工作，则系统设计就此完成，如不能正常工作，应作必须的检查调试，看能否正常运行。调试中发现集成固定三端稳压器7805不能正确输出+5V电压，故在电路中，直接用高精度稳压电源提供+5V电压。在脱机调试中，发现系统无法复位，经检查知电路中没有接人复位电路，经接人上电复位方式的复位电路后，系统运行正常。
3.5 误差分析
集成温度传感器误差校正：校正误差和温度误差。
校正误差：传感器在实际使用中所指示的温度值和实际温度值的差值，该误差大小和温度成正比，通过调整外部电阻可得到补偿。在T=27℃时只要调整R1使vT=300mV即可。该一点调整法不能修正整个范围内的误差。
温度误差(校正误差调整后)：温度特性的非线形引起的误差。如不进行误差调整，则总误差为校正误差与非线形误差之和，误差较大。调整Rwl使其在0℃时输出为0V，调整Rw2使其在50℃时输出为5V，再进行测温，精度提高。系统理论测控精度为0．4℃ ，而实际显示时，只有1℃ ，原因在于系统误差、固有误差、元件误差等的存在。定性分析主要误差来源有：检测元件的固有误差、转换的误差、数据量化误差。本设计有待于进一步提高测控精度、减小误差、进一步提高系统性能。
结 论
本系统的设计方案有多种，上述方案是从多种方案中选出的最优方案，其具有功能强、成本低、元件少、精度高、可靠性好、稳定性高、抗干扰性强、执行速度快、简单易行、具有实效性、使用范围广等特点，故具有推广价值。在此，由于篇幅所限，没有给出具体的软件设计。
参考文献
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[2]蔡美琴等．MCS一51系列单片机系统及其应用[M]．北京：高等教育出版社
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单片机温度控制系统的设计.doc
