1、 前 言 温度是表征物体冷热 程度的 物理量。在很多生产过程中， 特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中， 温度的测量和控制都直接和安全生产、提高生产效率、保证产品质量、节约能源等重大技术经济指标相联系。因此，温度的测量与控制在国民经济各个领域中均受到了相当程度的重视。 单片机系统的开发应用给现代工业测控领域带来了一次新的技术革命，自动化、智能化均离不开单片机的应用。将单片机控制方法运用到温度控制系统中，可以克服温度控制系统中存在的严重滞后现象，同时 在提高采样频率的基础上可以很大程度的提高控制效果和控制精度。现代自动控制越来越朝着智能化发展，在很多自动控制系统中都用到了工控机，小
2、型机、甚至是巨型机处理机等，当然这些处理机有一个很大的特点，那就是很高的运行速度，很大的内存，大量的数据存储器。但随之而来的是巨额的成本。在很多的小型系统中，处理机的成本占 了 系统成本的比例高达 20%，而对于这些小型的系统来说，配置一个如此高速的处理机没有任何必要，因为这些小系统追求经济效益，而不是最在乎系统的快速性，所以用成本低廉的单片机控制小型的，而又不是很复杂，不需要大量复 杂运算的系统中是非常适合的。 随着电子技术以及应用需求的发展，单片机技术得到了迅速的发展，在高集成度，高速度，低功耗以及高性能方面取得了很大的进展。现在完全可以运用单片机和电子温度传感器对某处进行温度检测，而且可
3、以很容易地做到多点的温度检测，如果对此原理图稍加改进，还可以进行不同地点的实时温度检测和控制。 1 绪论 1.1 研究的目的和意义 温度是工业生产中主要被控参数之一，温度控制自然是生产的重要控制过程。工业生产中温度很难控制，对于要求严格的的场合，温度过高或过低将严重影响工业生产的产质量及生产效率，降 低生产效益。这就需要设计一个良好温度控制器，随时向用户显示温度，而且能够较好控制。单片机具有和普通计算机类似的强大数据处理能力，结合PID，程序控制可大大提高控制效力，提高生产效益 9。 例如钢铁生产过程中，按照工艺条件的规定保持一定的温度才能保证产品质量和设备的安全。对电气设备进行温度的监控，例
4、如高压开关、变压器的出线套管等，判断可能存在的热缺陷，进而能及时发现、处理、预防重大事故的发生。因此研究温度控制仪具有重要的意义 10。 在单片机温度测量系统中的关键是测量温度、控制温度和保持温度，温度 测量是工业对象中主要的被控参数之一。因此，单片机温度测量则是对温度进行有效的测量，并且能够在工业生产中得到了广泛的应用，尤其在电力工程、化工生产、机械制造、冶金工业等重要工业领域中，担负着重要的测量任务。在日常生活中，也可广泛实用于地热、空调器、电加热器等各种家庭室温测量及工业设备温度测量场合 16。 目前市场上热水器的控制系统大多存在功能单一、操作复杂、控制不方便等问题，很多控制器只具有温度
5、和水位显示功能，不具有温度控制功能即使热水器具有辅助加热功能。也可能由于加热时间不能控制而产生过烧，从而浪费电能 。本文设计的热水器控制系统以 51 单片机为检测控制中心单元，具有温度设定与控制功能。该控制器和以往显示仪相比具有性价比高、温度控制与显示精度高、使用方便和性能稳定等优点，提高了电能的使用效率，具有可观的经济效益和社会效益 18。 1.2 国内外发展状况 温度控制采用单片机设计的全数字仪表，是常规仪表的升级产品。温度控制的发展引入单片机之后，有可能降低对某些硬件电路的要求，但这绝不是说可以忽略测试电路本身的重要性，尤其是直接获取被测信号的传感器部分，仍应给予充分的重视，有时提高整台
6、仪器的性能的关键仍然 在于测试电路，尤其是传感器的改进。现在传感器也正在受着微电子技术的影响，不断发展变化。传感器正朝着小型、固态、多功能和集成化的方向发展。 近年来，温度控制的发展尤为迅速。国内外市场上已经出现了多种多样温度控制仪表，应用于社会的各个方面。例如能够进行程序控温的智能多段温度控制仪，能够实现数字 PID 和各种复杂控制规律的智能式温度调节器等 11。 水温系统的传递函数事先难以精确获得，因而很难判断哪一种控制方法能够满足系统对控制品质的要求。但从对控制方法的分析来看， PID 控制方法最适合本例采用。另一方面，由于 可以采用单片机实现控制过程，无论采用上述哪一种控制方法都不会增
7、加系统硬件成本，而只需对软件作相应改变即可实现不同的控制方案。因此本系统可以采用 PID 的控制方式，以最大限度地满足系统对诸如控制精度、调节时间和超调量等控制品质的要求 7。 传统的一位式模拟控制方案，选用模拟电路，用电位器设定值，反馈的温度值和设定值比较后，决定加热或不加热。其特点是电路简单，易于实现，但是系统所得结果的精度不高并且调节动作频繁，系统静态差大、不稳定。系统受环境影响大，不能实现复杂的控制算法，不能用数码管显示，不能用键盘设定 13。 传统的二位式模拟控制方案，其基本思想与方案一相同，但由于采用上下限比较电路，所以控制精度有所提高。这种方法还是模拟控制方式，因此也不能实现复杂
8、的控制算法使控制精度做得较高，而且不能用数码管显示，对键盘进行设定 13。 现在国内外一般采用经典的温度控制系统。采用模拟温度传感器对加热杯的温度进行采样 ,通过放大电路变换为 0 5V 的电压信号 ,经过 A/D 转换 ,保存在采样值单元 ;利用键盘输入设定温度 ,经温度标度转换转化成二进制数 ,保存在片内设定值单元 ;然后调显示子程序 ,多次显示设定温度和采样温度 ,再把采样值与设定值进行 PID 运算得出控制量 ,用其去调节可控硅触发端的通断 ,实现对电阻丝加热时间的控制 , 以此来调节水温使其基本保持恒定 2。 采用单片机 MSP430F149 设计温度实时测量及控制系统。单片机 MS
9、P430F149 能够根据温度传感器 DS18B20 所采集的温度数据与给定值做比较后调节相应的 PWM 输出的占空比 ， 从而利用 MOSFET 的导通和关断来间接地控制加热器的功率并通过 PID 算法将其温度值控制在某一定值 。所有温度数据均通过液晶显示器 LCD12864 显示出来。为了防止单片机掉电引起的数据丢失 ，温度上下限的设定值存储在 AT24C02B 中 8。 采用一线制数字温度传感器 DS18B20 来作为温度传感器。传感器输出信号进 4.7K的上拉电阻直接接到单片机的 P1.7 引脚上。 DS18B20 温度传感器是美国达拉斯(DALLAS)半导体公司推出的应用单总线技术的
10、数字温度传感器。该器件将半导体温敏器件、 A/D 转换器、存储器等做在一个很小的集成电路芯片上。温度传感器之所以选择单线数字器件 DS18B20，是在经过多方面比较和考虑后决定的 12。 从硬件和软件两方面来讲述 温度 自动控制过程 ,在控制过程中主要应 用MSP430F149 单片机 、 12864 液晶显示屏 、 加热电阻丝 ，而主要是通过 DS18B20 数字温度传感器采集环境温度，以单片机为核心控制部件，并通过 液晶显示屏 显示实时温度的一种数字温度计。软件方面采用 C 语言 来进行程序设计，使指令的执行速度快，节省存储空间。为了便于扩展和更改，软件的设计采用模块化结构，使程序设计的逻
11、辑关系更加简洁明了，使硬件在软件的控制下协调运作。 而系统的过程则是：首先 ,通过设置按键 ,设定恒温运行时的温度值，并且用 液晶屏 显示这个温度值 .然后 ,在运行过程中将采样的温度 与给定值做比较 ，再将 得 到的误差值做 PID 运算后作为 PWM 的输出值 ，最后用单片机来控制加热器 ,进行加热或停止加热，直到能在规定的温度下恒温加 热 5。 2 系统总体设计 2.1 系统设计任务与要求 该 温度自动控制系统 采用 MSP430F149 单片机为主控芯片， 传感器采用数字温度传感器 DS18B20，实现对温度的检测和控制。 技术要求： 1、 能够连续 采集 温度值，用 12864 液晶
12、屏 来显示实际温度 ，最小单位为 1 。 2、 能够设定温度值，设定范围是 30 90 ,温度误差 0.5 。 3、 能够实现 温 度 的自动控制，如果设定 室 温为 80 ，则能使 室 温保持恒定在 80的温度下运行。 4、 用单片机 MSP430F149 控制，通过按键来控制 温度 的设定值 ,数值采用 12864 液晶屏 显示 。 该 温度自动控制系统 由 温度信号采样电路，键盘及显示电路，温度控制电路，报警电路，时钟信号电路 等构成， 并运用 PID 算法进行温度控制和调整。 根据设计任务，详细分析 温度自动控制系统 的设计需求，并进行软硬件的总体设计。由键盘电路输入设定温度信号给单片
13、机，温度信号采集电路采集现场温度信号给单片机，单片机根据输入与反 馈信号的偏差进行 PID 计算，输出 反馈量 给温度控制电路，实现 升温 。显示电路实现现场温度的实时监控。设计人员需完成全部硬件和软件的设计，并利 Altium Designer 6.0 仿真软件对设计结果进行验证。 2.2 系统 方案的选择 在这个系统中我们从性能及设计成本考虑 ,我们选择 MSP430F149 芯片。 MSP430F149的广泛使用，使单片机的价格大大下降。 在温度传感器的选择上我们采用温度芯片DS18B20 测量温度。该芯片的物理化学性很稳定，它能用做工业测温元件，且此元件线形较好。该芯片直接向单片机传输
14、 数字信号，便于单片机处理及控制。本制作的最大特点之一就是直接采用温度芯片对温度进行测量，使数据传输和处理简单化。采用温度芯片 DS18B20 测量温度，体现了作品芯片化的这个趋势。部分功能电路的集成，使总体电路更简洁，搭建电路和焊接电路时更快。而且，集成块的使用，有效地避免外界的干扰，提高测量电路的精确度。在这个过程中，我们通过单片机将传感器所测量出来的温度通过 LCD12864 可以显示出来。这样就能实时显示温度情况。 本设计采用了 PID 控制。 在工程实际中 ， PID 控制器以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调 整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，
15、或得不到精确的数学模型，控制理论的其他技术也难以采用，系统控制器的结构和参须依靠经验和现场调试来确定时，应用 PID 控制技术最为方便。 PID 控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定 PID 控制器的比例系数、积分时问和微分时间的大小。 PID 控制器参数整定的方法概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程 实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接且方法简单、易于掌握 ,在实际中被广泛应用。 3 器件和模块的选用 3.1 MSP430F
16、149 单片机 AT89C52 是一种低功耗、高性能 8位微控制器，具有 8K 在系可编程 Flash 存储器。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 AT89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。 AT89C52 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，片内晶振及时钟电路。另外， AT89C52 可降至 0Hz 静态
17、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。 其主要工作特性为： 1、内含 8KB 的 Flash 存储器，擦写次数达 1000 次； 2、内含 128 字节的 RAM； 3、具有 32 根可编程 I/O 线； 4、具有 2个 16 位可编程定时器； 5、具有 6个中断源、 5 个中断矢量、 2级优先权的中断结构； 6、具有 1个全双工的可编程串行通信接口； 7、具有 1个数据指针 DPTR； 8、两种低功耗工作
18、模式，即空闲模式和掉电模式； 9、具有可编程的 3 级程序锁定位； 10、工作电源电压为 5 1.2V，典型值为 5V； 11、最高工作频率为 24MHz。 引脚排列如图 3.1 所示。 图 3.1 AT89C52 引脚排列 3.2 DS18B20 传感器 DS18B20 原理与特性 ： 采用了 DS18B20 单总线可编程温度传感器 ,来实现对温度的采集和转换，大大简化了电路的复杂度，以及算法的要求。首先来介绍一下 DS18B20这块传感器的特性及其功能 : DSl8B20 的管脚及特点 DS18B20 可编程温度传感器有 3个管脚。内部结构主要由四部分组成： 64 位光刻 ROM、温度传感
19、器、非挥发的温度报警触发器 TH 和 TL、配置寄存器。 DS18B20 的外形及管脚排列如图 3.2 所示。 GND 为接地线， DQ 为数据输入输出接口，通过一个较弱的上拉电阻与单片机相连。VDD 为电源接口，既可由数据线提供电源，又可由外部提供电源，范围 3.0 5.5 V。本文使用外部电源供电。 主要特点有： 1. 用户可自设定报警上下限温度值。 2. 不需要外部组件，能测量 55 +125 范围内的温度。 3. 10 +85 范围内的测温准确度为 0 5 。 图 3.2 DS18B20 的外形及管脚 图 4. 通过编程可实现 9 l2位的数字读数方式，可在至多 750 ms 内将温度
20、转换成 12 位的数字，测温分辨率可达 0.0625 。 5. 独特的单总线接口方式，与微处理器连接时仅需要一条线即可实现与微处理器双向通讯。 6. 测量结果直接输出数字温度信号，以 “ 一线总线 ” 串行传送给 CPU，同时可传送CRC 校验码，具有极强的抗干扰纠错能力 。 7. 负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。 DS18B20 支持多点组网 的 功能，多个 DS18B20 可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温 。 DS18B20 内部 功能模块 如 图 3.3 所示， 图 3.3 DS18B20 原理图 DS18B20 的读写时序和测温原理与 DS1820 相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同 DS18B20 为 9 位 12 位 A/D 转换精度， 而 DS1820 为 9 位 A/D 转换 ,虽然我们采用了高精度的芯片 ,但在实际情况上由于技术问题比较难实现 ,而实际 精度此时温度寄存器中的数值即为所测温度。斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器 1 的预置值。 如下 3.4 的测温原理图 不同，且温度转换时的延时时间由 2s减为 750ms。 DS18B20 测温原理如图 3.4 所示。 图 3.4 DS18B20 的测温原理框图 图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号
