基于單片機(jī)的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：介紹了一種基于單片機(jī)的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)中以貯液容器溫度為被控參數(shù)，蒸汽流量為控制參數(shù)，輸入貯液容器冷物料的初溫為前饋控制，構(gòu)成前饋-反饋控制系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；溫度監(jiān)測(cè)；AT89C51

中圖分類號(hào)：TP34文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3198（2008）06-0354-02

0 前言

溫度測(cè)控在工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，隨著傳感器技術(shù)、微電子技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，為智能溫度測(cè)控系統(tǒng)測(cè)控功能的完善、測(cè)控精度的提高和抗干擾能力的增強(qiáng)等提供了條件.由于單片機(jī)具有集成度高、功能強(qiáng)、體積小、價(jià)格低、抗干擾能力等優(yōu)于一般CPU的優(yōu)點(diǎn)，因此，在要求較高控制精度和較低成本的工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)中，往往采用單片機(jī)作為數(shù)字控制器取代模擬控制器。

本文針對(duì)貯液容器溫度控制設(shè)計(jì)了以單片機(jī)為主機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)中以貯液容器溫度為被控參數(shù)，蒸汽流量為控制參數(shù)，輸入貯液容器冷物料的初溫為前饋控制，構(gòu)成前饋-反饋控制系統(tǒng)。發(fā)揮前饋控制和反饋控制的各自優(yōu)勢(shì)，將可測(cè)而不可控的干擾由前饋控制克服，其他干擾由反饋控制克服，從而達(dá)到控制貯液容器溫度，滿足工藝要求的目的。

1 硬件電路的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框如圖1所示。選單片機(jī)AT89C51為主機(jī)，配以兩路傳感變送器、多路開(kāi)關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、V/I轉(zhuǎn)換器、調(diào)節(jié)閥等實(shí)現(xiàn)對(duì)貯液容器溫度的自動(dòng)控制，同時(shí)還設(shè)有報(bào)警電路、鍵盤(pán)和顯示電路。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 主機(jī)及其外圍電路的設(shè)計(jì)

1.1.1 主機(jī)的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用單片機(jī)AT89C51為主機(jī)，其內(nèi)部有4 k的FLASH工藝的程序存儲(chǔ)器，256字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及32個(gè)I/O口。其P0口用作數(shù)據(jù)線；P1口與報(bào)警電路和看門(mén)狗電路相連；P2口用作地址線；P3口用作讀、寫(xiě)控制和中斷控制以及多路開(kāi)關(guān)的控制。

1.1.2 鍵盤(pán)、顯示電路

由于主機(jī)的I/O口不夠用，所以鍵盤(pán)和顯示電路與主機(jī)之間的接口需要外擴(kuò)，在此采用8155芯片作為系統(tǒng)的I/O口擴(kuò)展，鍵盤(pán)接成3×4結(jié)構(gòu)，顯示器選用4位LED顯示器，以實(shí)現(xiàn)其相應(yīng)功能。

1.1.3 報(bào)警電路

當(dāng)貯液容器溫度的測(cè)量值超出給定的上下限時(shí)，置P1.0=1，給出聲光報(bào)警；當(dāng)超出上限值時(shí)，P1.1=0，表明溫度過(guò)高，進(jìn)行減小蒸氣流量處理；當(dāng)超出下限值時(shí)，P1.2=0，表明溫度過(guò)低，進(jìn)行增大蒸氣流量處理。

1.1.4 看門(mén)狗電路

采用MAX813L芯片作看門(mén)狗的定時(shí)計(jì)數(shù)器，其功能是實(shí)現(xiàn)上電瞬時(shí)掉電自動(dòng)復(fù)位以及程序跑飛時(shí)的自動(dòng)復(fù)位，并且可以時(shí)時(shí)監(jiān)視電源故障，以便及時(shí)保存數(shù)據(jù)。

1.2 前向通道的設(shè)計(jì)

采用JUMU90系列的溫度傳感變送器，其輸入范圍為：0~500℃，輸出為4~20 mA(DC)，測(cè)量精度為0.5%.選用10位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換芯片AD571，接收到有效的CONVERT命令后，內(nèi)部的逐次逼近寄存器從最高位開(kāi)始順次經(jīng)電流輸出的DAC在比較器上與模擬量經(jīng)5 kΩ電阻所產(chǎn)生的電流相比較。檢測(cè)完所有位后，SAR中包含轉(zhuǎn)換后的10位二進(jìn)制碼。轉(zhuǎn)換完成后，SAR發(fā)出DR信號(hào)(低電平有效)，單片機(jī)查詢到DR=0時(shí)，便使其打開(kāi)三態(tài)緩沖器輸出數(shù)據(jù)。

1.3 后向通道的設(shè)計(jì)

1.3.1 D/A轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)

為了滿足系統(tǒng)的精度要求，選用10位的D/A轉(zhuǎn)換器DAC1020.由于其內(nèi)部不帶有鎖存器，所以必須通過(guò)I/O口才能與AT89C51單片機(jī)連接，又由于AT89C51的字長(zhǎng)是8位的，一次操作只能傳輸8位數(shù)據(jù)，因此AT89C51必須進(jìn)行兩次操作才能把一個(gè)完整的10位數(shù)據(jù)送到DAC1020.為了使10位數(shù)據(jù)能夠同時(shí)送入DAC1020，避免輸出電壓波形出現(xiàn)毛刺現(xiàn)象，故必須采用雙緩沖器方式。AT89C51先把高2位數(shù)據(jù)輸出到74LS74(1)，接著把低8位數(shù)據(jù)輸出到74LS377，與此同時(shí)74LS377的片選信號(hào)也作為74LS74(2)的時(shí)鐘脈沖，把74LS74(1)的內(nèi)容打入74LS74(2)中，從而使一個(gè)完整的數(shù)據(jù)同時(shí)到達(dá)DAC1020的數(shù)據(jù)輸入端，這樣就消除了DAC輸出端的毛刺現(xiàn)象。

1.3.2 執(zhí)行器及調(diào)理電路的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中選用的是ZMAN16BG，ZG1Cr18Ni9Ti，1Cr18Ni9，2Cr13型號(hào)的對(duì)數(shù)流量特性的調(diào)節(jié)閥。閥的輸入信號(hào)為氣信號(hào)，而D/A轉(zhuǎn)換器的輸出為0~5 V的電壓信號(hào)，所以在D/A轉(zhuǎn)換器和調(diào)節(jié)閥之間要加一個(gè)V/I轉(zhuǎn)換器和一個(gè)電氣閥門(mén)定位器，將0~5 V的電壓信號(hào)先轉(zhuǎn)換成4~20 mA的電流信號(hào)后，再將4~20 mA的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成0.02~0.1MPa的氣信號(hào)。使調(diào)節(jié)閥接收氣信號(hào)而工作。

2 軟件設(shè)計(jì)

為了便于分析，系統(tǒng)軟件采用了結(jié)構(gòu)化模塊程序設(shè)計(jì)，主要有系統(tǒng)主程序、看門(mén)狗中斷服務(wù)程序、鍵盤(pán)掃描子程序、顯示子程序、報(bào)警子程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、D/A轉(zhuǎn)換子程序、PID數(shù)據(jù)處理子程序、BCD碼轉(zhuǎn)換子程序。主程序開(kāi)始后，先對(duì)單片機(jī)AT89C51和8155芯片進(jìn)行初始化，接下來(lái)是開(kāi)中斷，調(diào)用鍵盤(pán)掃描子程序，選通多路模擬開(kāi)關(guān)的1號(hào)通道，將采集的數(shù)據(jù)送入A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后傳入單片機(jī)。若溫度越限就報(bào)警處理，否則直接處理后送顯示，再選通多路模擬開(kāi)關(guān)的2號(hào)通道，將采集的數(shù)據(jù)送入A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)進(jìn)行總的運(yùn)算處理，輸出給D/A轉(zhuǎn)換器變成模擬信號(hào)去改變調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度。

3 總結(jié)

本系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)貯液容器溫度的自動(dòng)控制，還具有通過(guò)鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)定值的修改，對(duì)所測(cè)參數(shù)進(jìn)行超限判斷，并給出聲光報(bào)警的功能，同時(shí)具有顯示當(dāng)前溫度值的功能。系統(tǒng)采用前饋-反饋控制方案，對(duì)冷物料的初溫波動(dòng)這一主要干擾能及時(shí)有效地克服，幾乎不影響溫度。優(yōu)越于單純的反饋控制方案，保證了系統(tǒng)的控制精度，達(dá)到了較先進(jìn)的設(shè)計(jì)水平，理論上能夠廣泛地應(yīng)用于工業(yè)中的相關(guān)領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)

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