Temperature Control Using a Microcontroller

Abstract

This paper describes an interdisciplinary design project which was done under the authorrsquo;s supervision by a group of four senior students in the Department of Engineering Science at Trinity University. The objective of the project was to develop a temperature control system for an air-filled chamber. The system was to allow entry of a desired chamber temperature in a prescribed range and to exhibit overshoot and steady-state temperature error of less than 1 degree Kelvin in the actual chamber temperature step response. The details of the design developed by this group of students, based on a Motorola MC68HC05 family microcontroller, are described. The pedagogical value of the problem is also discussed through a description of some of the key steps in the design process. It is shown that the solution requires broad knowledge drawn from several engineering disciplines including electrical, mechanical, and control systems engineering.

1 Introduction

The design project which is the subject of this paper originated from a real-world application. A prototype of a microscope slide dryer had been developed around an OmegaTM model CN-390 temperature controller, and the objective was to develop a custom temperature control system to replace the Omega system. The motivation was that a custom controller targeted specifically for the application should be able to achieve the same functionality at a much lower cost, as the Omega system is unnecessarily versatile and equipped to handle a wide variety of applications.

The mechanical layout of the slide dryer prototype is shown in Figure 1. The main element of the dryer is a large, insulated, air-filled chamber in which microscope slides, each with a tissue sample encased in paraffin, can be set on caddies. In order that the paraffin maintain the proper consistency, the temperature in the slide chamber must be maintained at a desired (constant) temperature. A second chamber (the electronics enclosure) houses a resistive heater and the temperature controller, and a fan mounted on the end of the dryer blows air across the heater, carrying heat into the slide chamber. This design project was carried out during academic year 1996–97 by four students under the authorrsquo;s supervision as a Senior Design project in the Department of Engineering Science at Trinity University. The purpose of this paper is

to describe the problem and the studentsrsquo; solution in some detail, and to discuss some of the pedagogical opportunities offered by an interdisciplinary design project of this type. The studentsrsquo; own report was presented at the 1997 National Conference on Undergraduate Research [1]. Section 2 gives a more detailed statement of the problem, including performance specifications, and Section 3 describes the studentsrsquo; design. Section 4 makes up the bulk of the paper, and discusses in some detail several aspects of the design process which offer unique pedagogical opportunities. Finally, Section 5 offers some conclusions.

2 Problem Statement

The basic idea of the project is to replace the relevant parts of the functionality of an Omega CN-390 temperature controller using a custom-designed system. The application dictates that temperature settings are usually kept constant for long periods of time, but itrsquo;s nonetheless important that step changes be tracked in a “reasonable” manner. Thus the main requirements boil down to

·allowing a chamber temperature set-point to be entered,

·displaying both set-point and actual temperatures, and

·tracking step changes in set-point temperature with acceptable rise time, steady-state error, and overshoot.

Although not explicitly a part of the specifications in Table 1, it was clear that the customer desired digital displays of set-point and actual temperatures, and that set-point temperature entry should be digital as well (as opposed to, say, through a potentiometer setting).

3.Sensor introduction

3.1 Temperature sensor background

In the human living environment, temperature playing an extremely important role。No matter where you live, engaged in any work, ever-present dealt with temperature under. Since the 18th century, industry since the industrial revolution to whether can master send exhibition has the absolute temperature touch. In metallurgy, steel, petrochemical, cement, glass, medicine industry and so on, can say almost eighty percent of industrial departments have to consider the factors with temperature. Temperature for industrial so important, thus promoting the development of the temperature sensor.

3.2 Temperature sensor development

Major general through three sensor development phase: analog integrated temperature sensor. The sensor is taken with silicon semiconductor integrated workmanship, therefore also called silicon sensor or monolithic integrated temperature sensor. Such sensing instruments have single function (only measuring temperature), temperature measurement error is smaller, price low, fast response, the transmission distance, small volume, micro-consumption electronic etc, suitable for long distance measurement temperature, temperature control, do not need to undertake nonlinear calibration, peripheral circuit is simple. It is currently the most common application at home and abroad, an integrated sensor。Typical products have AD590 AD592, TMP17, LM135, etc.jAnalog integrated temperature controller. Analog integrated temperature controller mainly include temperature control switch, programmable temperature controller, a typical product have LM56, AD22105 and MAX6509. Some increase strength type integrated temperature controller (for example TC652/653) also contains the A/D converter and cure good sequence, this process with the intelligent temperature senso

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附录A 译文

基于单片机的单总线温湿度测量系统的设计

摘要

本文所描述的是作者领导由四个大学高年级学生组成的团队进行的一个跨学科工程项目的设计。该项目的目标是设计一个气室内温度控制系统。该系统的要求是：当实际气室的温度阶跃响应时，规定范围内的温度进入气室后，稳定时的温度误差和超调量必须少于一个绝对温度。本组学生开发设计是基于摩托罗拉MC68HC05系列单片机。该问题的教学价值也通过某些步骤的关键描述在本文说明。研究结果表明，解决该方案需要具有广泛的工程学科知识，包括相关电子、机械和控制系统工程的知识。

1 引言

该设计项目来自一个实际应用问题，一个关于显微镜载玻片干燥剂温控器——欧米茄CN-390温度控制器，而这个设计的目标是研发一个自定义的通用温度控制系统取代欧米茄系统、一个以更低的成本实现相同功能的自定义控制器，就像欧米茄系统一样，并不需要能够全方位的处理各种问题。

该载玻片干燥机的机械布局如图1所示。干燥机的主体是一个足够大的绝缘充气室，里面依次存放着薄纸包着的石蜡。为了使石蜡保持适当稳定性，载玻片气室的温度必须维持稳定。第二个气筒（电子围绕元件）设有一个电阻加热器、一个温度控制器以及一个安装在干燥机上的风扇，是为了把风吹过加热器，把热量带到载玻片气室。

图1-1 载玻片干燥机的机械布局

自1996-97学年来，本文作者带领四位三一大学工程科学系的高年级学生开展此项目的研究。本文的目的说明了提出一些问题并详细阐述学生的一些解决方案，而且讨论了这种类型的跨学科设计项目在教学方面应用的问题。这份学生报告曾经在1997年全国本科毕业生研讨会上提出过并讨论过。第2节给出该设计的更多详细情况，包括性能规格。第3节具体 学生的设计。第4节是论文的主体，讨论该设计在教学应用方面的实施问题。最后，第5节全文总结。

2 问题阐述

该项目基本的思想是设计一个自定义温度控制系统来取代相关的欧米茄CN-390温度控制器。温度时通常保持在一个稳定的常数，但重要的是阶跃变化可以被“合理”的跟踪。因此主要要求如下：

·可以对空气室的温度进行设定，

·同时显示设定值和实际温度，

·以及在设定温度值情况下，可接受范围内的跟踪阶跃变化，稳态误差，超调量。

设定温度接口
设定温度显示
室内温度显示
范围 精度 准确度	60-99 1°C plusmn;1°C
室内温度阶梯响应
范围（稳定状态） 精度（稳定状态） 最大超调 设定时间（到plusmn;1°）	60-99 plusmn;1°C 1°C 120s

表1 精确的规格说明

尽管表1部分说明并不明确，但是它清楚的反映了人们对数字显示器在设定值和实际温度的要求和温度应该通过数值输入来设定（而不是，通过电位器设置）。

3 传感器简介

3.1温度传感器的背景

在人类生活环境中，温度扮演着一个极其重要的角色。无论你住在哪里，从事什么工作，都会与温度打交道。自18世纪工业时代以来，工业革命对能否控制，发送显示温度有着绝对的联系。在冶金、锻钢、石化、水泥、医学等产业中，可以这样说几乎80%的工业部门不得不考虑温度的因素。温度对工业来说如此重要，因此也推动了温度传感器的发展。

3.2温度传感器的发展

传感器主要大体经过了三个发展阶段：模拟集成温度传感器。该传感器是采用硅半导体集成工艺制成，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。此种传感器具有功能单一(仅测量温度)、 测温误差小、 价格低、 响应速度快、 传输距离远、 体积小、功耗低，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，外围电路 简单。它是目前在国内外应用最为普遍的一种集成传感器，典型产品有 AD590、 AD592、TMP17、LM135 等；模拟集成温度控制器。模拟集成温度控制器主要包括温度控制开关、可编程温度控制器，典型产品有 LM56、AD22105 和 MAX6509。某些增强型集成温度控制器(例如 TC652/653)中还包含了 A/D 转换器以及固化好的程序，这些工艺与智能温度传感器有某些相似之处。但它自成系统，工作时并不受微处理器的控制，这是智能温度传感器和非智能之间的主要区别；智能温度传感器(亦称数字温度传感器)是20世纪90年代中期问世的。它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术(ATE)的结晶。智能温度传感器内部都包含温度传感器、A/D 转换器、 信号处理器、存储器(或寄存器)和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器(CPU)、随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。智能温度传感器的特点 是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器(MCU)。

3.3单点与多点温度传感器

温度传感器的发展趋势：进21世纪后，温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。传感器在温度测控系统中的应用：目前市场主要存在单点和多点两种温度测量仪表。对于单点温测仪表，主要采用传统的模拟集成温度传感器，其中又以热电阻、热电偶等传感器的测量精度 高，测量范围大，而得到了普遍的应用。此种产品测温范围大都在-200℃~800℃ 之间，分辨率 12 位，最小分辨温度在 0.001~0.01 之间。自带 LED液晶显示模块，显示 4 位到 16 位不等。有的仪表还具有存储功能，可存储几百到几千组数据。该类仪表可很好的满足单个用户单点测量的需要。多点温度测量仪表，相对与单点的测量精度有一定的差距，虽然实现了多路温度的测控，但价格昂贵。 针对目前市场的现状，本课题提出了一种可满足要求、可扩展的并且性价比高的单片机多路测温系统。通过温度传感器 DS18B20 采集，然后通过 C51 单片机处理并在数码管上显示，可以采集室内或温室中四处不同位置的温度，用四个数码管来显示。第一个数码管显示所采集的是哪一路，哪个通道。后三个数码管显示所采集通道的温度值，精确到0.1度。

4 系统的实现及相关技术

4.1．系统的实现

整个控制系统采用AT89C51芯片，采用多线连接，就是四个DS1820分别连接到单片机的四个IO口，采集到的温度结果通过串口通信，然后芯片将采集到的数据处理，在外部显示器显示出来，并且能够实现外部键盘的控制。温度在LED液晶显示屏显示出来后，通过软件编程确保系统有一定的抗干扰能力。这种方案虽然占用单片机的四个IO口，但在单片机IO口不紧缺的情况下采用这种方案大大的简化了编程难度，缩短了设计周期，同时也能保证系统的稳定。多线连接方案的框图如“图4-1”所示

图4-1 DS1820多线连接方案

4.2.AT89C51单片机简介

AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪存存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图“图4-2”所示

图4-2 AT89C51引脚图

主要特性：

·与MCS-51 兼容

　　·4K字节可编程FLASH存储器

　　·寿命：1000写/擦循环

　　·数据保留时间：10年

　　·全静态工作：0Hz-24MHz

　　·三级程序存储器锁定

　　·128times;8位内部RAM

　　·32可编程I/O线

　　·两个16位定时器/计数器

　　·5个中断源

　　·可编程串行通道

　　·低功耗的闲置和掉电模式

·片内振荡器和时钟电路

管脚说明：

VCC：供电电压。

GND：接地。

P0口：P0口为一个8位漏极开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P0口的管脚先要写入高电平，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为低八位数据或地址总线。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入高电平后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为高八位地址接收。

P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写入高电平时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入高电平后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：来自反向振荡器的输出。

4.3.DS1820简介

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