基于单片机的温度监测系统设计

时间:2022-05-21 04:31:16

基于单片机的温度监测系统设计

摘 要:介绍了一种基于单片机的温度监测系统的设计与实现。该系统中以贮液容器温度为被控参数,蒸汽流量为控制参数,输入贮液容器冷物料的初温为前馈控制,构成前馈-反馈控制系统。

关键词:单片机;温度监测;AT89C51

中图分类号:TP34文献标识码:A文章编号:1672-3198(2008)06-0354-02

0 前言

温度测控在工业领域具有广泛的应用,随着传感器技术、微电子技术、单片机技术的不断发展,为智能温度测控系统测控功能的完善、测控精度的提高和抗干扰能力的增强等提供了条件.由于单片机具有集成度高、功能强、体积小、价格低、抗干扰能力等优于一般CPU的优点,因此,在要求较高控制精度和较低成本的工业测控系统中,往往采用单片机作为数字控制器取代模拟控制器。

本文针对贮液容器温度控制设计了以单片机为主机的自动控制系统。该系统中以贮液容器温度为被控参数,蒸汽流量为控制参数,输入贮液容器冷物料的初温为前馈控制,构成前馈-反馈控制系统。发挥前馈控制和反馈控制的各自优势,将可测而不可控的干扰由前馈控制克服,其他干扰由反馈控制克服,从而达到控制贮液容器温度,满足工艺要求的目的。

1 硬件电路的设计

系统的结构框如图1所示。选单片机AT89C51为主机,配以两路传感变送器、多路开关、A/D转换器、D/A转换器、V/I转换器、调节阀等实现对贮液容器温度的自动控制,同时还设有报警电路、键盘和显示电路。

图1 系统结构图

1.1 主机及其电路的设计

1.1.1 主机的设计

本系统选用单片机AT89C51为主机,其内部有4 k的FLASH工艺的程序存储器,256字节的数据存储器以及32个I/O口。其P0口用作数据线;P1口与报警电路和看门狗电路相连;P2口用作地址线;P3口用作读、写控制和中断控制以及多路开关的控制。

1.1.2 键盘、显示电路

由于主机的I/O口不够用,所以键盘和显示电路与主机之间的接口需要外扩,在此采用8155芯片作为系统的I/O口扩展,键盘接成3×4结构,显示器选用4位LED显示器,以实现其相应功能。

1.1.3 报警电路

当贮液容器温度的测量值超出给定的上下限时,置P1.0=1,给出声光报警;当超出上限值时,P1.1=0,表明温度过高,进行减小蒸气流量处理;当超出下限值时,P1.2=0,表明温度过低,进行增大蒸气流量处理。

1.1.4 看门狗电路

采用MAX813L芯片作看门狗的定时计数器,其功能是实现上电瞬时掉电自动复位以及程序跑飞时的自动复位,并且可以时时监视电源故障,以便及时保存数据。

1.2 前向通道的设计

采用JUMU90系列的温度传感变送器,其输入范围为:0~500℃,输出为4~20 mA(DC),测量精度为0.5%.选用10位逐次逼近式A/D转换芯片AD571,接收到有效的CONVERT命令后,内部的逐次逼近寄存器从最高位开始顺次经电流输出的DAC在比较器上与模拟量经5 kΩ电阻所产生的电流相比较。检测完所有位后,SAR中包含转换后的10位二进制码。转换完成后,SAR发出DR信号(低电平有效),单片机查询到DR=0时,便使其打开三态缓冲器输出数据。

1.3 后向通道的设计

1.3.1 D/A转换器的设计

为了满足系统的精度要求,选用10位的D/A转换器DAC1020.由于其内部不带有锁存器,所以必须通过I/O口才能与AT89C51单片机连接,又由于AT89C51的字长是8位的,一次操作只能传输8位数据,因此AT89C51必须进行两次操作才能把一个完整的10位数据送到DAC1020.为了使10位数据能够同时送入DAC1020,避免输出电压波形出现毛刺现象,故必须采用双缓冲器方式。AT89C51先把高2位数据输出到74LS74(1),接着把低8位数据输出到74LS377,与此同时74LS377的片选信号也作为74LS74(2)的时钟脉冲,把74LS74(1)的内容打入74LS74(2)中,从而使一个完整的数据同时到达DAC1020的数据输入端,这样就消除了DAC输出端的毛刺现象。

1.3.2 执行器及调理电路的设计

系统中选用的是ZMAN16BG,ZG1Cr18Ni9Ti,1Cr18Ni9,2Cr13型号的对数流量特性的调节阀。阀的输入信号为气信号,而D/A转换器的输出为0~5 V的电压信号,所以在D/A转换器和调节阀之间要加一个V/I转换器和一个电气阀门定位器,将0~5 V的电压信号先转换成4~20 mA的电流信号后,再将4~20 mA的电流信号转换成0.02~0.1MPa的气信号。使调节阀接收气信号而工作。

2 软件设计

为了便于分析,系统软件采用了结构化模块程序设计,主要有系统主程序、看门狗中断服务程序、键盘扫描子程序、显示子程序、报警子程序、A/D转换子程序、D/A转换子程序、PID数据处理子程序、BCD码转换子程序。主程序开始后,先对单片机AT89C51和8155芯片进行初始化,接下来是开中断,调用键盘扫描子程序,选通多路模拟开关的1号通道,将采集的数据送入A/D转换器转换后传入单片机。若温度越限就报警处理,否则直接处理后送显示,再选通多路模拟开关的2号通道,将采集的数据送入A/D转换器转换后送入单片机进行总的运算处理,输出给D/A转换器变成模拟信号去改变调节阀的开度。

3 总结

本系统不仅实现了对贮液容器温度的自动控制,还具有通过键盘实现对设定值的修改,对所测参数进行超限判断,并给出声光报警的功能,同时具有显示当前温度值的功能。系统采用前馈-反馈控制方案,对冷物料的初温波动这一主要干扰能及时有效地克服,几乎不影响温度。优越于单纯的反馈控制方案,保证了系统的控制精度,达到了较先进的设计水平,理论上能够广泛地应用于工业中的相关领域。

参考文献

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