基于单片机的温度控制系统课设报告

基于单片机的温度控制系统

摘要：该实验设计基于飞思卡尔MC9S12DG128开发板平台，根据实验任务要求，完成了水温自动控制系统的设计，该系统的温度给定值可由人工通过键盘进行设定，测量温度经过A/D转换由数码管显示，通过PID控制算法对温度进行调节，使温度输出值在给定值上下波动，控制该系统的静态误差为1℃，用LED灯模拟加热强度，并用串口将输出的水温随时间的变化数值发到PC机上。

关键字：飞思卡尔 单片机 水温控制 MC9S12DG128

1、设计题目与设计任务

要求：1温度连续可调范围是30-150摄氏度；2 超调量20%；3.温度误差0.5；4尝试使用能预估大滞后的方法，如史密斯预估，或大林算法；也可用PID及改进算法。

内容：1．根据题目的技术要求，画出系统组成的原理框图；2. 给出系统硬件电路图；3．确定温度控制方案；4. 给出控制方法及控制程序；5．整理设计数据资料，课程设计总结，撰写设计计算说明书 。

2、前言：

随着电子技术和计算机的迅速发展，计算机测量控制技术拥有操作简单、控制灵活、使用便捷以及性价比较高的优点，从而得到了广泛的应用。单片机是一种集CPU、RAM、ROM、I/O接口和中断系统等部分于一体的器件，只需要外加电源和晶振就可以实现对数字信息的处理和控制，因此，单片机广泛应用于现代工业控制中。利用单片机对温度测量控制会大大提高系统的可靠性和准确性。

该设计实验是在实验室完成，实验任务是设计制作一个水温自动控制系统，控制对象为1L净水，容器为搪瓷器皿。水温由人工通过4*4的键盘设定，并能

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在环境温度改变时实现对水温的自动控制，采用PWM技术控制电阻丝的加热，加热强度由8个LED小灯模拟，以保持设定的温度基本不变，测量温度经过A/D转换在4位数码管上显示（保留一位小数），并将温度每秒钟向计算机发送一次。

一、系统设计的功能

该系统的闭环控制系统框图如图所示。

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图 水温控制系统结构框图

A/D转换 检测变送 给定温度值 控制器 D/A转换 执行器 电阻丝 输出 单片机对温度的测量控制是基于传感器、A/D转换器以及扩展接口和执行机构来进行的。在闭环过程控制系统中，过程的实时参数由传感器和A/D转换器来进行实时采集，并由单片机自动记录、处理并控制执行机构来进行调节和控制。

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电源 电路 BDM接口 电路 Pt 100 前置放大 电路 A/D 电阻丝 SSR 继电器 MC9S12 DG128 驱动 电路 数码管 显示 PWM 键盘 电路 晶振 电路 复位 电路 图 系统功能框图

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试规范 [1] 。

二、硬件设计原理及内容

5.键盘：用于设定温度。

3.晶振电路：产生总线时钟。

：热电阻传感器，检测温度。

6.数码管：显示模拟的外界环境温度值。

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2.复位电路：响应各种外部或侦测到的内部系统故障时进行系统复位。

接口电路：背景调试模式（BDM）是由Freescal半导体公司自定义的片上调

：过零导通继电器，通过继电器的闭合断开对电阻丝进行加热或是不叫热。

1.电源电路：提供HCS12MCU的芯片内部电压，I/O端口和外部供电电压。

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图 实验电路原理图

本系统软件设计包括两个部分：管理程序和控制程序。管理程序包括LED显示动态刷新、控制指示灯、处理键盘的扫描和响应、执行中断服务操作等等。控制程序包括A/D转换、数据采样、数字处理、PID计算等等。

2.1 单片机： 单片机是整个控制系统的核心，在此我们用MC9S12DG128可以提供系统控制所需要的I/0口、中断、定时以及存放中间结果的RAM电路。

2.2 电源电路：电路图如图所示。

图 电源电路

电源电路部分的C21和C22构成的滤波电路，可以改善系统的电磁兼容性，降低电源波动对系统的影响，增强电路工作的稳定性。 2.3 复位电路：电路图如图所示。

图 复位电路

正常工作时，复位引脚通过电阻接到电源征集，所以应为高电平。若按下复位按钮RST1,则复位引脚为低电平，芯片复位。

2.4 晶振电路：电路图如图所示。

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图 晶振电路

2.5 键盘设置电路：电路图如图所示。

图 键盘电路

用4*4键盘设计温度输入，如上图所示，4条行线分别接P口的PP7～PP4，4条列线分别接P口的PP0～PP3，用扫描法获取键值，例如识别“1”键，编程时将PP0～PP3定义为输入并有上拉电阻，PP4～PP7定义为输出，那么当键按下时对应键值，同理2键对应的键值……编程实现当图中A键按下时，进入温度设定状态，设定完成后，按下B键，确定设定温度[2]。

2.6 数码管显示电路：电路图如图所示。

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图 数码管显示电路

数码管的a、b、c、d、e、f、g、DP分别接A口的PA0～PA7,上图中的3引脚作为片选线号引脚，外加驱动电路，驱动电路的输入接T口的PT0～PT3,七段式数码管，每一段相当于一个二极管，当PT0为高电平时，三极管导通，DS3为低电平，即被选中，此时判断A口状态，为低电平的那一段亮，高电平的段不亮，例如PORTA=，数码管显示0[3]。

2.7 温度检测电路：电路如图所示。

100nF恒流源电流C315VVCCVCC731814Ra310OP07AH2466b2R1UoR5397kΩ15Ra117PT100B13C1100nFR0100ΩC2100nFB'C4100nFR2100kΩVEEVEE-15VR3100kΩ7R45kΩ9Ra20

图 温度检测电路

Pt100与前置放大电路组成温度检测电路，Pt100作为温度传感器，测温范围主要在中低温区（-200～630℃），利用导体的电阻值随温度变化的特性

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对与温度相关的参量进行检测[4]。将检测到的温度小信号，经过前置运算放大器进行信号放大。

三、系统软件设计流程

系统软件设计流程图如图所示。

其中初始化包括串口初始化、键盘初始化、数码管初始化、A/D转换初始化、PWM初始化。继电器控制为当检测温度小于设定温度，使继电器闭合给电阻丝加热；当检测温度大于设定温度，使继电器断开，停止给电阻丝加热。

开始 初始化 N 按A键？ Y 键值处理，温度设定 N 是否有采样数据处理 Y A/D转换处理 继电器控制 图 系统软件流程图

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四、调试过程及数据

在开始做这个设计的时候，先是把系统的每一部分都分成不同模块，每一个模块先单独作为一个工程建立，每一个模块调试成功之后才将各部分组合在一起，最终调试成为一个系统的。系统的模块分为：SCI串行口输入输出模块、LED数码管显示模块、KB键盘输入模块、AD转换输入模块、PWM模块、定时器模块。 SCI串口调试

编写串口程序，包括SCI的初始化函数、发送数据函数、接收数据函数，通过BDM将编好的程序下载到单片机里，使程序编译通过，在SCI的调试主程序中通过输入字符，并让其在电脑自带的超级终端上显示，如果超级终端成功显示我们在键盘上输入的字符，则说明SCI串行口模块可以调用，如果显示不成功则需要继续对程序进行修改和编译。

问题：键盘输入的字符不在超级终端显示。

解决过程：首先直接在SCI调试主程序中直接调用发送数据函数，但是超级终

端上仍然没有显示，然后检查程序发现所设SCI0BDL过大，因为实验板的晶振16M,但是单片机 MC9S12DG128中未启用锁相环，故单片机的内部总线实际上只有16M/2，所以在串行口波特率要求9600时，需要在程序的串口初始化中将SCI0BDL=0X80改为SCI0BDL=0X34。

数码管调试

编程实现，用四个共阴极8段数码管显示要显示的四位数。

问题1：数码管不显示

解决过程：检查硬件连接，发现所用引脚和课本给出的不一致，通过修改连线，

数码管显示正常数字。

问题2：数码管显示亮度不一致，现象如下图所示。

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解决过程：发现延时时间比较短，增加延时时间，显示的亮度基本接近但还是有差异，因此该用定时中断的方式，此问题彻底得到解决，正常显示如下图所示。

键盘输入模块调试

在理解了4*4矩阵键盘的编程原理后，自己结合课本成功编译通过键盘程序。将按键值通过实验板上的八个LED等显示。

问题：有些按键对小灯没有影响。

解决过程：单步运行程序，发现那些对小灯没有影响的按键不会使PTP口的

值改变，于是换个实验板，运行正常。

4.4 A/D转换输入调试

在编译通过AD转换程序后，联系数码管显示模块，用一个电位器的检测采样，用单片机的AD转换通道AN6输入采样信号，将其转化为30~150可变

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数字，用以模拟温度30~150度的变化，并在数码管上显示。 问题：改变电位器，但是显示的值不变

解决过程：检查硬件电路，发现0～5V输出接到了AD7口上，而程序中采样

信号是由A/D转换通道AN6输入的，改变接线，问题得到解决。

五、实验结果与心得

最终调试结果：1.通过键盘能够设定温度值；2.用电位器模拟温度变化时数码管及时显示30到150摄氏度的变化，并且数码管的最后一位为小数部分；3.用8个LED灯模拟加热强度。4.此系统为自动控制系统，通过PID对其进行调节，使输出温度在设定温度范围内波动。 实验心得：

通过本次的设计性实验，实验过程中设计到了很多学科的东西，例如计算机控制技术、检测技术、C语言、模拟电子技术、最主要的是嵌入式系统。实验前的准备工作是我学会了Altium Designer的使用，自己能过完成简单电路的绘制。

这次设计实验虽然只是模拟一个简单的水温控制系统，但是设计思路是相同的，由于老师给出了例子，这个我们提供了很大的帮助，使我们更快的着手实验，实验过程中遇到了很多问题，也使我认识到自己在嵌入式系统设计和编程方面的不足，让我意识到即使再简单的任务，我都要全力以赴的去完成，而不是在学习上投机取巧，要踏踏实实，一步一个脚印的去学习。或许学习的过程很漫长、很艰辛，但是会受益匪浅。

对于一个系统而言它是由多个功能模块组成的，实验中将整个系统分解开来，将每一个涉及的功能模块化，然后又逐步整合逐渐向最终目标靠拢的这种思维，这次实验的思维方式和实验过程，为复杂的系统设计提供了很好的借鉴作用。

六、参考资料

[1]嵌入式系统——使用HCS12微控制器的设计与应用.王宜怀 P30 最小系统设计

[2]嵌入式系统——使用HCS12微控制器的设计与应用.王宜怀 P134 键盘处理函数

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[3]嵌入式系统——使用HCS12微控制器的设计与应用.王宜怀 P139 扫描法LED显示

[4]检测技术——使用现代检测技术.金伟 P46热电阻传感器

[5]计算机技术——使用计算机控制技术.顾德英 P107 数字PID控制算法的计算机实现

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附录：

1、源程代码 头文件 #include <> ; SCISend1(temp[0]); SCISend1(0x0d); SCISend1(0x0a); Flag_Send = 0; } } //----------------------------------------------//

void Pwm_Init(void) {

PWME_PWME3 = 0; PWMPRCLK= 0X22; //clockA=总线时钟/4 PWMSCLA = 1; //clockSA=clockA/（2*PWMSCLA) PWMSCLB = 1;

PWMCLK = 0X04; //通道5选用clockSA为时钟源

PWMPOL = 0X04; //通道5首先输出高电平

PWMCAE = 0X00; //输出左对齐

PWMCTL = 0X00; //非级联模式

PWMDTY3 = 255;

PWMPER3 = 255; //通道5的周期寄存器 PWME_PWME3 = 1; }

//----------------------------------------------//

void main(void) {

DDRB = 0XFF;

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PORTB = 0X00; ECT_Init(); LEDInit(); ADCInit(); AD_Init(); SCIInit(); KB_Init(); Pwm_Init(); - 好好学习，天天向上

EnableSCIReInt; EnableInterrupts; for(;;) {

Key_Del(); Sample(); SendToSCI(); } }

//----------------------------------------------// void interrupt Int_TimerOverFlow(void) {

static unsigned int i,j,k;

TFLG2_TOF = 1; //clear timer overflow flag if((++i)>3) {

i = 0; }

LEDShow1(3 - i,LEDbuf[i]-'0'); if(j++>500) {

j = 0;

Flag_Send = 0xff; }

if( k++ >10) {

k = 0;

Flag_ADC = 0xff; } }

//----------------------------------------------// void interrupt ATD_Interrupt(void) {

AD_wData = ATD0DR0; //Read out the Result Register }

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