单片机温度控制系统设计论文

2022-09-21 15:24:38 来源:写作指导

1设计原理

在温度控制过程中,单一的定值开关控制方式会产生较大的温度迟滞现象,对于加热箱等干燥设备的干燥效果差、干燥品质低;但是在普通的干燥设备中,单纯采用PID控制方式会使控制系统变得复杂,对于硬件的要求程度高,在持续高温环境下精度也随之降低,故障率高。为了解决这一问题,本文设计一种单片机温度控制系统,该系统使用两种功率大小不同的加热方式。加热元件使用红外加热管,功率大的加热管起主要的加热作用,正常工作时处于启动状态。功率较小的加热管起辅助加热作用,在测量温度高于目标温度时立即停止加热,当温度低于目标温度时开启加热;但当温度高于目标温度上限一定值时,主加热管也停止工作,同时引风机开启,辅助降温。对于一般的电加热干燥设备而言,此方案能够满足实际生产的需要,并且温度延迟效果低,节能效果显著。

2系统硬件电路设计

2.1系统主结构设计

该温度控制系统由主控制系统、温度采集模块、温度显示模块、温度动态控制系统、报警模块和按键控制系统组成。

2.2单片机主控系统

作为温度控制系统的核心部分,单片机承载着对温度信息的处理、按键的扫描识别、温度动态控制系统的协调、输出显示温度和报警的任务。本文采用的AT89C52单片机是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机。其内部有8k字节可重擦写Flash闪存,成本低廉,兼容MCS-51系列的所有指令,程序语言丰富;与AT89C51相比,存储空间更大,中断源更多,方便后期其他模块的添加;技术成熟,因此在自动控制等领域被广泛采用。AT89C52单片机主控制系统与其他模块连接原理图如图2所示。P1.0~P1.4口为键盘输入端口,通过对应按键对目标温度的上下限进行设定。数字温度传感器总线与单片机的P1.7口相接,经过单片机处理之后,测得的温度输出至P0口,通过LCD1602显示出来。温度动态控制信号通过单片机P2.4~P2.6口传输。加热管和散热风扇采用的是220V的交流电,温度控制口接相应控制电路的继电器,通过继电器控制加热、散热部分的工作。

2.3温度采集模块

DS18B20是由美国DALLAS公司生产的数字温度传感器,它通过单总线协议依靠一个单线端口进行通讯。其仅占用一个单片机的I/O口,无需其他任何外部件,把环境温度直接转化成数字信号,以数字码方式串行输出,从而简化了传感器和微处理器之间的接口。该传感器可以单个于单片机连接实现温度采集功能,在需要采集多点温度数据时,只需将多片DS18B20同时挂在一条总线上,由软件对每个温度传感器的ROM编码进行识别即可,具有成本低、结构简单、供电方式多样、方便扩展和可靠性高等优点。

2.4温度动态控制系统

温度动态控制系统主要由加热管、引风机、继电器等构成。单片机的P2.4口接主加热管的控制继电器,通过输出高低电平来实现主加热管的启动和停止;单片机的P2.5口与控制调温加热管的继电器相连;降温风机控制继电器控制端和高温报警电路,与单片机的P2.6口相连。

3系统软件设计

3.1主程序流程图

系统开机启动后,通过温度控制按键设定干燥温度范围;由传感器DS18B20采集实时温度,通过控制系统的对比给出控制信号,同时定时对按键进行扫描,以随时调整目标温度范围。

3.2温度数据读写子程序设计

由于DS18B20单总线通讯方式的特殊性,传感器读写温度数据具有严格的时序要求。工作时序包括初始化、读时序和写时序。单片机的命令和温度数据的传输都从执行单片机写时序的指令时开始,对于单片机需要DS18B20送回数据,要在写时序命令执行之后再启动写时序指令才能完成对数据的接收。总线通讯方式使得硬件电路的连接变得简单,但也使得程序部分变得复杂。本文采用的是一个传感器,因此在串口通讯时不需要识别传感器的序列号,程序中写入跳过读ROM序列号步骤。

3.3按键扫描子程序

由于不同的加热干燥对象对温度的要求不同,加热的温度控制部分要能够方便、快捷地设置温度上、下限。在干燥物的不同阶段,干燥的温度有所不同,在干燥过程中温度的范围需要做出调整。这就要求温度的上、下限设置在干燥的过程中也能够执行。因此,单片机在执行温度采集、显示和控制的同时,也要时刻监视按键是否被按下,对温度设定进行调整。针对这一问题,在程序中加入一个按键扫描子程序,定期执行按键的扫描功能,同时也要有中断子程序保持设定完温度之后单片机可以继续刚才未完成的工作。因此,按键扫描程序设计的思路是:在开机启动阶段,通过按键对控制温度范围进行初设定;在工作过程中,单片机定期对按键进行扫描,判断是否有按键被按下,如果有按键被按下,则加入一个外部中断,单片机转而执行干燥温度范围调整指令;待任务完成之后,继续返回执行温度控制命令。

4proteus仿真结果

温度控制系统硬件电路设计部分在proteus软件上完成,当C语言程序在keil软件上编译调试成功之后,导入单片机进行系统总调试。温度采集模块:DS18B20的温度实时数据能够有效地显示出来;键盘控制模块,相应按键按下之后,程序立即响应指定的动作指令;温度控制模块:采集的温度低于设定低温下限时加热管工作,高于温度上限时停止加热并且风扇开启降温;报警模块同样工作正常。调试后的温度显示结果如图4所示。LT、HT分别表示设定的温度下限与上限,1602的第2行显示实时温度。

5结论

1)功率不同的加热管承担不同的功能,大功率红外加热管起主要加热功能,小功率加热管控温,使得温度滞后幅度变小,减少能源浪费,节电效果显著。

2)本设计的温度控制系统结构简单、操作方便、成本低廉,可与现有的红外干燥设备经过简单的改装之后配套使用,其有很好的应用前景。

作者:孙杰 张学军 刘云 鄢金山 史曾录 靳伟 李超新 刘立果 单位:新疆农业大学机械交通学院 新疆农业工程装备创新设计实验室重点实验室 克拉玛依五五机械制造有限责任公司