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1、基于A T 8 9 C 51 单片机的温度自动监控系统B a s e do nt h ea u t o m a t i ct e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mo fA T 8 9 C 5 1s i n g l ec h i pm i c r o-c o m p u t e r周小燕，尚晓明Z H O UX i a o y a nS H A N GX i a o m i n g(焦作大学，焦作4 5 4 0 0 3)摘要：以A T 8 9 C 5 1 单片机为核心部件，设计基于单片机的化工合成工艺温度检测与控制系统，介绍了系统硬件结构和温度监
2、测电路的结构。编写控制系统主程序流程图、A D 转换子程序流程图。以A T 8 9 C 5 1 单片机为核心的温度测量温度检测与控制，简化了传统常规仪表的电子线路，增加了功能，提高了温度检测准确性和控制可靠性。关键词：A T 8 9 0 5 1 单片机；温度检测；硬件结构；主程序；A D 转换中图分类号：T P 3 6 8文献标识码：B文章编号：10 0 9-0 13 4(2 0 0 9)0 9 0 0 4 6-0 50 引言1-1化工合成对温度检测与控制要求较高，是化工合成工艺的关键环节。对化工合成装置的温度进行检测，并按工艺要求，控制最高加热温度；在升温阶段，控制合成温度以每小时1 5 的
3、速率上升；加入触媒以后的温度采用恒值控制：前期为3 7 0，中期为3 8 0，后期为3 9 0；控制精度为3 l 最高温度连续三次达到4 0 0 时发出报警信号。显示检测温度值；每半小时打印一次最高温度值及检测时间；留有扩充余地，以实现多回路控制。1 温度检测控制系统硬件结构本系统的硬件电路由温度检测、信号放大、A D转换、A T 8 9 C 5 1 单片机、功率放大及执行电路、打印、显示及报警电路等部分组成。选用A T 8 9 C 5 1 单片机作为主控机，采用带有死区的P I D 控制算法，当温度在给定的死区范围内时，不予调节；超出给定范围时，由单片机按照运算结果，驱动步进电机，调节加热装
4、置，以控制合成温度。系统硬件结构如图1 所示。P+,8 1 5 5 曰等温信言L 一功率放人及驱动l度号n8 1 5 5U 打印I传I-放_ _-转-u+感大换一器一温度设置装置图l 温度检测控制系统温度信号输入通道温度信号输入通道由温度传感器、信号放大、A D 转换等电路组成。1)温度传感器：温度传感器采用铂电阻。这类材料具有性能稳定、抗干扰能力强和测量精度高等优点。测温元件R 和电阻元件组成桥式电路，将由于温度变化所引起的铂电阻的阻值变化转化成电压信号送入放大器。由于铂电阻安装在测量现场，通过长线接入控制台，为了减小引线电阻的影响，采用三线式接线法。因而，外界温度变化对连接导线电阻r 的影
5、响在桥式电路中被相互抵消了。2)信号放大电路：信号放大电路由单芯片集成精密放大器A D 5 2 2 组成。该电路共有1 4 脚，其中I N+和I N-为信号差动输入端，2、1 4 脚之间外接电阻R c，用于调整放大倍数，4、6 脚为调零端，1 3脚为数据屏蔽端，1 2 脚为测量端，1 1 脚为参考端，这两端间的电位差即为加到后级A D 转换器的输入信号电压。使用时，测量端与输出端(7 脚)在外部相连接为放大后的输出信号。将信号地与放大器的电源地(9 脚)相连接，为放大器的偏置电流提供通路。3)A D 转换电路：采用I C L 7 1 0 9 组成A D 转换电路，I C L 7 1 0 9 是
6、I N T E L 公司的产品。I C L 7 1 0 9 采用双积分式工作原理，转换速率不高，但可满足本系统对采样速率的要求。因芯片具有较强的抗干扰特性，对于保证系统的检测与控制精度，是非常有利的。I C L 7 1 0 9 的分辨率为1 2 位；转换速率为7 5收稿日期：2 0 0 9 0 1 0 6作者简介：周小燕(1 9 7 0 一)，女，讲师，从事计算机、工业自动控制教学科研工作。1 4 6 1第3 1 卷第9 期2 0 0 9-0 9 万方数据+1 5 V图2 信号检测放大及A D 转换电路次秒(时钟为3 5 8 M H z)；转换后以1 2 位二进制码输出。A D 转换器直接与单
7、片机P l 口、P 0 口相连，转换后的1 2 位数据直接由P 0 口输入而存入片内R A M 中。1 2 位数据需分两次读入，M C S 一5 1 的P 1 0、P 1 1、P 1 2 分别与A D 转换器的运行保持输入端(R U N H O L D)、字节使能端(H B E H、H B E L)以及A D 转换器的状态输出端(S T A T U S)相连接，片选端(c 肌0 A D)与P 2 2 相连，在片选和字节使能信号的控制下可以直接读取转换后的数据。1 2 控制温度设定电路采用A T 8 9 C 51 的P 1 7 P 1 4 设置4 个开关K 4-K 1 分别表示降温控制开关、设置
8、控温的后期、中期、前期开关。当K I 合上为0 时，表示设置控制温度为3 7 0。C(触媒使用的前期温度)；K 2 合上时，设置控制温度为3 8 0。C(触媒使用的中期)，K 3 合上时，设置控制温度为3 9 0。C(触媒使用的后期)；K 4合上时，停止加热，系统进入降温过程。通过软件检测P 1 7 P 1 4 的状态，发现某开关合上，则设置对应的控制温度，并转入相应的工作过程。1)功率放大及执行电路：由于步进电机具有快速启停、精确步进以及直接接受数字量的特点等，本系统采用步进电机作为执行元件。控制系统采用步进电机作为执行元件，其作用是将计算机送出的电脉冲信号转换为相应的机械位移，它具有以下主
9、要特点：(1)步距值不受各种干扰因素的影响，转子运动的速度主要取决于电脉冲信号的频率，而转子的总位移量取决于总脉冲的个数；(2)误差不会长期积累，转子每转动一圈积累误差为零；(3)反应性能好。启动、停车、反转及其他任何运动方式I C L 7 1 0 9的改变都在少数脉冲内完成。在一定的频率范围内运行时，任何运行方式都不会丢失一步。2)执行控制系统的组成：如图3 所示。步进电机的控制系统主要由步进电机控制器、功率放大器及步进电机组成。步进控制器包括环形脉冲分配器、控制逻辑及正反转控制门组成，其作用是把输入脉冲信号按一定顺序进行分配，再通过功率放大送入步进电机绕组，以驱动步进电机转动。脉冲输方向控
10、图3 步进电机控制系统方框图3)步进电机的工作原理及分配方式：进电机的种类较多，如单相、双相、三相、四相、五相及六相等多种类型。本设计采用三相反应式步进电机。该电机的步距角为1 5。，最大静力距为5 0 k g c m，最高空载启动频率为5 5 0 步秒。三相步进电机有A、B、C 三个绕组，按一定规律循环给三个绕组供电，就能使它按要求的规律运转，其工作原理如图4 所示。图中的脉冲发生器按要求产生一定频率的脉冲信号，通过脉冲分配器产生一定规律的电脉冲输出给驱动器，以驱动步进电机运转。此部分可由计算机或单片机作为主控机。而脉冲分配器可以使用编程I O 接口。脉脉冲冲发_ _。分生配器器图4 三相步
11、进电机工作原理框图步进电机脉冲分配方式及通电顺序如下：第3 1 卷第9 期2 0 0 9-0 91 4 7 1 万方数据通电顺序分配方式广一，三相单三拍A B C厂三相双三拍A B B C C A厂三相六拍A A B B B C C C A脉冲分配器每给出一组脉冲，步进电机走一步，转一个角度。单片机通过程序随时改变脉冲分配方式和输出脉冲的频率，因此能灵活、方便地控制步进电机的转速和旋转方向。步进电机的控制部分由单片机和8 1 5 5 并行接口完成，8 1 5 5 的A 口P A 0 P A 2 分别作步进电机的三相控制端口。步进电机驱动电路部分采用光电耦合将单片机系统与步进电机驱动电路隔离，以
12、增强系统抗干扰能力，并能防止当三极管损坏时电机驱动电路的高压对单片机的安全造成的威胁。可根据步进电机的电流选用合适的大功率的三极管V T，以完成功率放大及电机驱动任务。二极管V D 为保护元件，为断流时的电机绕组提供低阻搞续流回路，把集电极电位钳制在电源电压，防止过高的反向电压击穿三极管。为了及时记录合成装置的温度和检测时间，选用微型打印机T P g P 一4 0 作为记录打印装置。选用A T 8 9 C 51 内部定时器，每隔半小时启动T P g P 一4 0 打印一次，T P g P-4 0 打印机通过8 1 5 5 与单片机相连。为了能随机显示检测的温长值，选用一片8 1 5 5 作为L
13、 E D 数码管的接口。步进电机、打印驱动电路如图5。图5 步进电机、打印驱动电路图1 4 8 1第3 1 卷第g 期2 0 0 9-0 92 温度检测控制系统软件设计2 _ 1 系统软件功能1)检测开关K 1、K 2、K 3、K 4 的状态，设定温度控制值，并将控制系统转入相应的加热或降温阶段；2)启动A D 转换，连续读取5 次转换结果，经滤波和非线性校正处理之后，作为一次温度检测信号，并显示检测的温度值；3)进行P I D 运算，按照运算结果，驱动步进电机以调节温度；4)每隔半小时，由定时器产生中断申请，在中断服务程序中启动打印机，打印记录温度值及检测时；5)若发现温度超限时，发出报警信
14、号。2 2 温度检测与控制主程序主程序功能：完成系统初始化操作；判断温度是否超限，如果超限则转报警处理，如果未超限则读入K 1、K 2、K 3、K 4 状态，并根据其输入状态，散转执行相应的功能子程序。主程序流程图如图6 所示。图6 主程序流程图如2 3 主要的子程序流程图1)P I D 运算子程序：取出温度给定值与测量 万方数据值，计算出偏差信号e(k)，将P(动与设定的死区值比较，如果P(足)未超出死区范围，则本次输出调节量为0，返回检测程序；如果e(足)超出死区范围，则计算出p(k)-P p(k)+P。(足)+P n(足)的调节输出值。2)步进电机驱动程序：本系统选用三相步进电机，采用三
15、相六拍工作方式，各绕组供电的步进信号由8 1 5 5 的A 口控制，其转动方向及通电顺序字见表1。表l 步进电机转动方向及通电顺序字转向通电脉冲分布次序地址控制字正反绕阻CB无000T A B 00 0 HA001T A B l0 1 1-1停停A、B0l1T B 20 3 HB0l0T A B 30 2 HlfC、Bll0T A B 40 6 HC10OT A B 50 4 H停停C、A10lT A B 60 5 H无000T A B 70 0 H根据步进电机的转向与工作时绕组通电顺序变化规律，可以在8 1 5 5 的R A M 中设置步进电机的控制字表，如表1 所示，表头地址为T A B
16、O，表尾地址为T A B 7。显然，驱动信号从T A B 0 开始控制通电顺序，电机为正转；若从T A B 7 开始控制通电顺序，则电机为反转。步进电机的转速由脉冲信号的周期T 决定。脉冲信号的周期由C P U 通过延时程序或定时器计数器的定时时间来确定。系统中的三相绕组由8 1 5 5 的A 口控制是，程序中的延时时间为1 0 电机的转速为：n=6 0(N T)转分式中N 一电机转动一周应输出的控制字节数。采用三相六拍工作时，步距角为1 5。，则有：N=3 6 0o 1 5。=2 4 0，即转一周要输出2 4 0 个字节控制字。设旋转角度与输出控制字节数M 的关系为M=c t 1 5o，只要
17、把M 保存在字节计数器里，每输出一个字节，步进电机转动一步，同时将字节计数器减1，当字节计数器为0 时，步进电机转动了M 步，对应的角度为0【。图7 所示为驱动步进电机转动一步的子程序流程图。入口条件D P T R 中已存放步进电机的控制字表的地址，设正转时R 5 置为0 1 H，R 6 为F A H；反转时置R 5 为F F H，R 6 为0 6 H。调用本程序前应已对815 5 进行了初始化，每输出一个字节后延时l O O m s。设置R 5、R 6 是为了保证步进电机按两种不同顺序改变控制字表的地址指针，以完成正转或反转操作。步进电机驱动程序流程图如图8 所示。调用该程序前应将步进电机的
18、转动步数和方向标志存放在R 4 R 3 寄存器中，符号为1 表示反转，为0 表示正转，其绝对值代表转动步数。n 而j 而丽矿l 二最函箍萄事D P T R 控制字表万募寻竽控制字由8 1 5 5 A 口输入1 望旦I图7 电机转动一步的子程序流程图图8 步进电机驱动程序流程图3)A D 转换子程序。该子程序由单片机的P 2 2启动A D 转换，根据I C L 7 1 0 9 的S T A T U S 的状态判断转换是否完成，若A D 转换完成，将芯片置为保持状态(H O L D 信息有效)。然后，分两次由P o 口读入转换后的1 2 位数据存入单片机内部R 0 指示的R A M 单元中。连续采
19、集5 次，再经中值滤波及线性化程序段处理，得出一次温度检测值。该程序只对【_ F 转第6 8 页】第3 1 卷第9 期2 0 0 0-0 91 4 9 1 万方数据M O V2 1 H AM O V2 1 H 7 CM O V2 3 H#0 0 HM O V2 3 H 2 CM O V2 3 H 3 CM O VA 2 3 HX R L2 1 H AD J N ZR 1 C R C lR E TC R C l：M O VA 2 2 HR RAM O V2 2 H AL J M PC R C 26 结论本文论述D S l 8 8 2 0 的单点测温方法和多点测温方法，重点阐述了D S l 8 8
20、 2 0 的C R C 冗余校验计算方法及具体软件编程。在测量精度高、实时性强的地方，必须考虑C R C 冗余校验，可大大提高测量精度和测量效果。利用本算法和程序有效地解决了某智能小区远程测温中存在的精度不高、实时性差的问题。参考文献：【1 1H t t p p d f s e r v m a x i m-i c c o r r f f a r p d f D S l 8 8 2 0 P D F2 0 0 2。2】郭天祥5 1 单片机C 语言教程【M】北京：电子工业出版社，2 0 0 9【3】赵建领，薛园园5 1 单片机开发与应用技术详解 M】北京：电子工业出版社，2 0 0 9 4】江志红5
21、 1 单片机技术与应用系统开发案例精选【M】北京：清华大学出版社,2 0 0 8 矗j 品 出 毒她|蠡 蠡壶戋j 兜 童j 童j 皇j 蠡j 出q k 出 j 禹j 岛翕j 曼j 蠡j 翕j 岛【上接第4 9 页l应一个温度检测点，未涉及对其他检测点和参量的巡回检测问题。图9 所示为A D 转换子程序流程图。同I 一图9A D 转换子程序流程图1 6 8 1第3 1 卷第9 期2 0 0 9-0 93 结论A T 8 9 C 5 l 单片机具有高可靠性、控制方便简单和灵活性大等优点。控制器采用P I D 控制算法，控温精度高，误差精度小于0 0 8，稳态误差可达3 以内。采用A T 8 9
22、C 5 1 单片机来对温度进行控制，具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，整个系统操作简便、抗干扰能力强、运行可靠、反应速度快，可以大幅度提高被控系统温度的技术指标。参考文献：【1】李红岩，侯媛彬，王秀实现温度自动调节的模糊控制器设计【J】计算机技术与发展，2 0 0 6(0 3)5 2 5 3【2】汤庆基于单片机的粮库温度监控系统设计 D 大连海事大学，2 0 0 4【3】张开生，郭国法M C S-51 单片机温度控制系统的设计 J】微计算机信息2 0 0 5(0 7)3 8 4 0【4】张振荣，晋明武，王亦平M C S-5 l 单片机原理及其实用技术 M】北京：人民邮电出版社，2 0 0
23、 0【5】夏大勇，周晓辉，赵增，陈博峰M C S 一5 1 单片机温度控制系统 J】工业仪表与自动化装置2 0 0 7(0 1)：5 6 5 8【6】李朝青单片机原理及接口技术【M】北京：北京航天航空大学出版社2 0 0 5【7】汪吉鹏，马云蜂微机原理与接口技术【M】北京：高等教育出版社2 0 0 1【8】赵晓安M C S 一5 1 单片机原理及应用【M】天津大学出版社，2 0 0 1 万方数据基于AT89C51单片机的温度自动监控系统基于AT89C51单片机的温度自动监控系统作者：周小燕，尚晓明，ZHOU Xiao-yan，SHANG Xiao-ming作者单位：焦作大学,焦作,454003
24、刊名：制造业自动化英文刊名：MANUFACTURING AUTOMATION年，卷(期)：2009,31(9)参考文献(8条)参考文献(8条)1.赵晓安 MCS-51单片机原理及应用 20012.汪吉鹏;马云蜂 微机原理与接口技术 20013.李朝青 单片机原理及接口技术 20054.夏大勇;周晓辉;赵增;陈博峰 MCS-51单片机温度控制系统期刊论文-工业仪表与自动化装置 2007(01)5.张振荣;晋明武;王亦平 MCS-51单片机原理及其实用技术 20006.张开生;郭国法 MCS-51单片机温度控制系统的设计期刊论文-微计算机信息 2005(07)7.汤庆 基于单片机的粮库温度监控系统没计 20048.李红岩;侯媛彬;王秀 实现温度自动调节的模糊控制器设计期刊论文-计算机技术与发展 2006(03)本文链接：http:/