单片机温度控制系统设计样本

单片机温度控制系统设计摘要本文简介了一种基于单片机温度测控装置该装置可实现对温度测量，并能依照设定值对MSP430环境温度进行调节，实现控温目控制算法基于数字算法PID引言温度是工业控制中重要被控参数之一，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具备举足重轻作用°随着电子技术和微型计算机迅速发展，微机测量和控制技术得到了迅速发展和广泛应用［］单片机1具备解决能强、运营速度快、功耗低等长处，应用在温度测量与控制方面，控制简朴以便，测量范畴广，精度较高本文设计了一种基于单片机温度测量和控制装置，能对环境温度进行测量，并能依照温度给定值MSP430给出调节量，控制执行机构，实现调节环境温度目整体方案设计1单片机温度控制系统是以单片机为控制核心整个系统硬件某些涉及温度检测系统、信号放大系MSP430统、转换、单片机、设备、控制执行系统等A/D I/O单片机温度控制系统控制框图如下所示温度传感器将温度信息变换为模仿电压信号后，将电压信号放大到单片机可以解决范畴内，通过低通滤波，滤掉干扰信号送入单片机在单片机中对信号进行采样，为进一步提高测量精度，采样后对信号再进行数字滤波单片机将检测到温度信息与设定值进行比较，如果不相符，数字调节程序依照给定值与测得值差值按PID控制算法设计控制量，触发程序依照控制量控制执行单元如果检测值高于设定值，则启动制冷系统，减少环境温度；如果检测值低于设定值，则启动加热系统，提高环境温度，达到控制温度目温度信号检测2本系统中对检测精度规定不是很高，室温下即可，因此选用高精度热敏电阻作为温度传感器热敏电阻具备敏捷度较高、稳定性强、互换精度高特点可使放大器电路极为简朴，又免除了互换补偿麻烦Tx=AO+Am-AO其中，AO为一次测量仪表下限；Am为一次测量仪表上限；Vx为实际测量值工程量；Vm为仪表上限相应数字量；V0为仪表下限相应数字量4其他控制算法不同控制对象，所采用算法有所不同例如对于热惯性大、时间滞后明显、耦合强、难于建立精准数学模型大型立式淬火炉，可以采用人工智能模糊控制算法，通过对淬火炉电热元件通断比调节，实现对炉温自动控制，也可以采用仿人智能控制SHIC算法和PII控制算法联合控制方案，实际应用时应灵活运用5结束语MCS-51单片机，体积小，重量轻，抗干扰能力强，对环境规定不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，虽然是非电子计算机专业人员，通过学习某些专业基本知识后来也能依托自己技术力量,来开发所但愿单片机应用系统本文温度控制系统，只是单片机广泛应用于各行各业中一例，相信读者会依托自己聪颖才智，使单片机应用更加广泛化参照文献

[1]陈明荧.8051单片机课程设计实训教材北京:清华大学出版社

[2]凌玉华.单片机原理与应用系统设计长沙中南大学出版社

[3]胡汉才.单片机原理及其接口技术北京:清华大学出版社1995

[4]徐淑华程退安姚万生.单片机微型机原理及应用哈尔滨工业大学出版社1994热敏电阻具备负电阻温度特性,当温度升高时，电阻值减小，它阻值一温度特性曲线是一条指数曲线，非线性度较大而对于本设计，由于温度规定不高，是在室温环境下，热敏电阻阻值与环境温度基本呈线性关系

[2],这样可以通过电阻分压简朴地将温度值转化为电压值给热敏电阻通以恒定电流，可得到电阻两端电压，依照与热敏电阻特性关于温度参数以及特性系数可TO k,得下式⑴⑴T=TO-kV式中为被测温度T依照上式，可以把电阻值随温度变化关系转化为电压值随温度变化关系,由于热敏电阻电信号普通都是毫伏级，必要通过放大，将热敏电阻测量到电信号转化为之间，才干在单片机中使用〜

3.6下图为放大电路原理图稳压管稳压值为

1.5V由于传感器输出薄弱模仿信号，当信号中存在环境干扰时，干扰信号也被同步放大，影响检测精度，需用滤波电路对先对模仿信号进行解决，以提高信号抗干扰能力本系统采用巴特沃斯二阶有源低通滤波电路选用该巴特沃斯二阶有源低通滤波电路截止频率fH=10kHz o控制系统设计3软件设计

3.0单片机温度控制器控制温度范畴到℃采用通断控制，通过变化给定控制周期内加热和制冷设备导100C400,通和关断时间，来提高和减少温度，以达到调节温度目软件设计中选用控制周期为导通时间取其中为输出控制量，值介于TC200T1XC,Pn XT1XC,Pn Pn〜之间，为定期器定期时间，为常数由上两式可看出，通过变化定期时间或常数就可变化控制200T1C T1C,周期大小温度控制器控制最高温度为℃当给定温度超过℃时以计算TC400,400400c图为采样中断流程图3数模转换某些使用单片机自带位转换器，能同步实现数模转换和控制，免除使用专用转换芯片,使12A/D系统解决速度更快，精度更高，使电路简化采样周期为当采集完个点数据后来，设立标志500us,16，告知主程序采集完个点数据，主程序从全局缓冲区里读出数据“nADCFIag=116为进一步减小随机信号对系统精度影响,转换后，用平均值法对采样值进行数字滤波每个采样点取A/D16一次平均值然后将计算到平均值作为测量数据进行显示同步，按照算法，对温度采样值和给定值之间PID偏差进行控制，得到控制量采样全过程完毕后就可屏蔽采样中断，同步启动定期进入控制过程T1

[3],温度值和热敏电阻测量值在整个温度采样区间内基本呈线性变化，因而在程序中不需要对测量数据进行线性校正定期器中断作为控制中断，温度采样过程和控制输出过程采用了互锁构造，即在进行温度采MSP430T1样，温度值解决和运算等过程时不定期，待采样全过程进行完时再启动定期并同步屏蔽采样中断T1T1T1定期开始就进入控制过程，在整个控制过程中都不采样，直至（）定期时间到，要开始新一轮控制周U200T1XC期在启动采样同步屏蔽中断T1图为定期中断流程图4T1图中，代表定期器控制周期计数值,则表达由调节器计算出控制量一方面判断控制周期与否己经M NTC结束若控制周期已结束（即）则屏蔽定期器中断，进行新一轮温度采样；若控制周期尚未结TC M=0,T1TC束（即）,则开始判断导通时间与否结束若导通时间己结束（即）则置输出控制信号为低，并重新MN0N=0,赋常数值，启动定期器定期，同步退出中断服务程序；若导通时间尚未结束（即）则置输出控制信号为C N70,高，控制执行其间继续导通，重新赋常数值，启动定期器定期，同步退出中断服务程序数字C

3.1PID本文控制算法采用数字控制，数字算法表达式如下所示PID PID其中，为比例系数；为积分系数；为采样周期,为积分时间系数；为微分系数,KP KI=KPT/TI TTI KD=KPTD/T TD为微分时间系数（）为调节器第次输出，（）为第次给定与反馈偏差u k k ekk对于调节器，当偏差值输出较大时，输出值会很大，也许导致系统不稳定，因此在实际中，需要对调节PID器输出限幅即当时，令或・或依照详细状况拟定

[4],|u|umax u=umax u=umax,温度调节

3.2控制器依照温度给定值和测量值之间偏差调节，给出调节量，再通过单片机输出波，调节可PI PWM控硅触发相位相位角，以此来控制执行部件关断和启动时间，达到使温度升高或减少目随后整个系统再通过检测前一阶段控制后温度，进行近一步控制修正，最后实现预期温度监控目结论4本设计运用单片机低功耗、解决能力强特点，使用单片机作为主控制器，对室内环境温度进行监控其构造简朴、可靠性较高，具备一定实用价值和发展前景参照文献赵丽娟，邵欣.基于单片机温度监控系统设计与实现.机械制造，，

[1]441张开生，郭国法单片机温度控制系统设计彳散计算机信息，，

[2].MCS-517沈建华，杨艳琴，翟骁曙系列位超低功耗单片机原理与应用.清华大学出版社，，・

[3]..MSP43016148155赖寿宏.微型计算机控制技术.北京:机械工业出版社，

[4]1994:90-95MCS-51单片机温度控制系统设计-10-1316:16摘要本文从硬件和软件两方面简介了MCS-51单片机温度控制系统设计思路，对硬件原理图和程序框图作了简捷描述核心词MCS-51单片机；温度；软硬件；硬件原理图；程序框图；设0引言在当代化工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是惯用重要被控参数例如在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热解决炉、反映炉和锅炉中温度进行检测和控制采用MCS-51单片机来对温度进行控制，不但具备控制以便、组态简朴和灵活性大等长处，并且可以大幅度提高被控温度技术指标，从而可以大大提高产品质量和数量因而，单片机对温度控制问题是一种工业生产中经常会遇到问题本文以它为例进行简介，但愿能收到举一反三和触类旁通效果1硬件电路设计以热电偶为检测元件单片机温度控制系统电路原理图如图1所示

1.1温度检测和变送器温度检测元件和变送器类型选取与被控温度范畴和精度级别关于镇铭/银铝热电偶合用于OCTOOOC温度检测范畴，相应输出电压为0mV-

41.32inV变送器由毫伏变送器和电流/电压变送器构成毫伏变送器用于把热电偶输出OmV-

41.32mV变换成4mA-20mA电流；电流/电压变送器用于把毫伏变送器输出4mA-20mA电流变换成0-5V电压为了提高测量精度，变送器可以进行零点迁移例如若温度测量范畴为500℃-1000℃,则热电偶输出为

20.6mV-

41.32mV,毫伏变送器零点迁移后输出4mA-20mA范畴电流这样，采用8位A/D转换器就可使量化温度达到

1.96C以内

1.2接口电路接口电路采用MCS-51系列单片机8031,外围扩展并行接口8155,程序存储器EPR0M2764,模数转换器ADC0809等芯片由图1可见，在P

2.0=0和P

2.1=0时，8155选中它内部相应地址分派为:0000H-00FFH8155内部RAM0100H命令/状态口0101H0102H0103HRAM工作；在P

2.0=l和P

2.1=0时，8155选中它内部三个I/O端口工作0104H定期器低8位口0105H定期器高8位口8155用作键盘/LED显示屏接口电路图2中键盘有30个按键，提成六行（L0-L5）五列（R0-R4）,只要某键被按下，相应行线和列线才会接通图中30个按键分三类一是数字键0-9,共10个;二是功能键18个；三是剩余两个键，可定义或设立成复位键等为了减少硬件开销，提高系统可靠性和减少成本，采用动态扫描显示A口和所有LED八段引线相连，各LED控制端G和8155C口相连，故A口为字形口，C口为字位口，8031可以通过C口控制LED与否点亮，通过A口显示字符o图1单片机温度控制系统电路原理图图28155用作键盘/LED显示屏接口电路2764是8K EPROM型器件8031PSEN和27640E相连，P

2.5和CE相连,因此2764地址空间为:0000H—-1FFFH,ADC08090通道（IN0其她输入端可作备用）和变送器输出端相连，因此从通道0（IN0）上输入0V—+5V范畴模仿电压经A/D转换后可由8031通过程序从P0口输入到它内部RAM单元，在P

2.2R和程二0时,8031可使ALE和START变为高电平而启动ADC0809工作；在P

2.2=0和RD=O时，8031可以从ADC0809接受A/D转换后数字量也就是说ADC0809可以视为8031一种外部RAM单元，地址为03F8H（地址重复范畴很大）,因而，8031执行如下程序可以启动ADC0809工作MOV DPTR,#03F8HMOVX@DPTR,A若8031执行下列程序MOV DPTR,#03F8HMOVX A,@DPTR则可以从ADC0809输入A/D转换后数字量

1.3温度控制电路8031对温度控制是通过双向可控硅实现如图一所示，双向可控硅管和加热丝串接在交流220V、50Hz市电回路在给定周期T内，8031只要变化可控硅管接通时间即可变化加热丝功率，以达到调节温度目可控硅接通时间可以通过可控硅控制极上触发脉冲控制该触发脉冲由8031用软件在P

1.3引脚上产生，在过零同步脉冲同步后经光电耦合管和驱动器输出送到可控硅控制极上

3.温度控制算法和程序框图图3主程序框图

1.1温度控制算法普通，电阻炉炉温控制都采用偏差控制法偏差控制原理是先求出实测炉温对所需炉温偏差值，然后对偏差值解决获得控制信号去调节电阻炉加热功率，以实现对炉温控制在工业上，偏差控制又称PID控制，这是工业控制过程中应用最广泛一种控制形式，普通都能收到令人满意效果

3.2温度控制程序框图温度控制程序设计应考虑如下1）键盘扫描、键码辨认和温度显示；2）炉温采样、数字滤波；3）数据解决；4）越限报警和解决；5）PID计算、温度标度转换

3.

2.1主程序框图主程序涉及8031自身初始化、并行接口8155初始化等等大体说来，本程序涉及设立关于标志、暂存单元和显示缓冲区清零、T0初始化、CPU开中断、温度显示和键盘扫描等程序

3.

2.2中断服务程序框图T0中断服务程序是温度控制系统主体程序，用于启动数/模转换器、读入采样数据、数字滤波、越限温度报警和越限解决、PID计算和输出可控硅触发脉冲等P

1.3引脚上输出该同步触发脉冲宽度由T1计数器溢出中断控制，8031运用等待T1溢出中断空闲时间（形成P

1.3输出脉冲顶宽）完毕把本次采样值转换成显示值而放入显示单元缓冲区和调用温度显示程序8031从T1中断服务程序返回后即可恢复现场和返回主程序

3.

2.3重要子服务程序框图重要服务子程序涉及温度检测采样及数字滤波子程序、带符号双字节乘法子程序和标度转换子程序目是把实际采样获得二进制值转换成BCD码形式温度值，然后存储到显示缓冲区中，供显示子程序调用图4中断服务程序框图对于普通线性仪表来说，标度转换公式为:。