MCS-51单片机温度控制系统的设计

一、项目介绍

注塑机是一种常用的制造设备，用于生产塑料制品。在注塑机的工作过程中，溶胶必须达到一定的温度才能被注入模具中进行成型。因此，在注塑机的生产过程中，温度控制是非常重要的一环。

本项目基于MCS-51单片机设计了一款温度控制系统，主控芯片采用STC89C52，温度传感器采用铂电阻。该系统主要应用于注塑机的溶胶射嘴头上进行加热控制，利用继电器控制加热器实现温度加热，控制系统检测温度是否到达设定阀值来控制继电器。

本项目的设计思路是，利用铂电阻温度传感器对溶胶进行实时温度监测，并将监测到的温度值通过LCD显示屏实时显示。控制器采用PID算法对溶胶温度进行精准控制，当温度低于设定阀值时，控制器将通过继电器控制加热器进行加热操作，直到温度达到设定阀值后停止加热操作。

通过本项目的应用，可以实现对注塑机的溶胶温度进行精准控制，从而提高注塑机的生产效率和产品质量。同时，该系统控制方式简单，易于操作和维护，具有较高的实用性和可靠性。

二、技术说明和功能描述

【1】STC89C52单片机作为主控芯片，具有高性能和丰富的外设接口。

【2】铂电阻温度传感器用于测量溶胶射嘴头的温度，并将数据传输给单片机。

【3】继电器用于控制加热器的通断，实现温度加热。

【4】温度控制系统可以根据设定的温度阈值来判断是否需要进行加热，从而控制继电器的状态。

【5】系统可以通过LCD显示屏显示当前温度和设定的目标温度。

【6】当温度超过或低于设定的阈值时，系统可以触发报警装置进行警示。

三、系统设计思路

3.1 硬件选型说明

【1】主控芯片：STC89C52单片机

• STC89C52是一款具有高性能和丰富外设接口的经典51系列单片机，适合中小型嵌入式系统应用。
• 它具有8位CPU、8KB的内部FLASH存储器、256字节的RAM、3个定时器/计数器、串行通信接口等功能。
• 这款单片机运算速度快，响应迅速，可满足本项目对性能和实时性的要求。

【2】温度传感器：铂电阻温度传感器

• 铂电阻温度传感器是一种常见的温度传感器，具有稳定性好、精度高的特点。
• 它的工作原理是通过测量电阻值的变化来确定温度变化，传感器的电阻值与温度呈线性关系。
• 在本项目中，铂电阻温度传感器被用于测量溶胶射嘴头的温度，提供实时的温度数据给单片机进行控制。

【3】继电器：用于控制加热器

• 继电器是一种电子开关设备，能够在小电流的控制信号下控制大电流的通断。
• 在本项目中，继电器被用来控制加热器的通断状态，根据温度控制的需要进行加热或停止加热操作。

【4】LCD显示屏：用于显示温度和设定值

• LCD显示屏是一种常见的数字显示装置，具有低功耗、可视角度广、反应快速等特点。
• 在本项目中，LCD显示屏用于显示当前实际温度和设定的目标温度阈值，方便操作员进行观察和设置。

【5】按钮开关：用于设定目标温度阈值

• 按钮开关是一种常用的输入设备，用于实现用户与系统的交互。
• 在本项目中，按钮开关用于更新设定的目标温度阈值，供操作员根据需要进行调整。

【6】报警装置：用于温度异常警示

• 报警装置能够发出声音或光信号，用于警示操作员温度超过或低于设定的阈值。
• 在本项目中，报警装置用于提醒操作员注意温度异常，保证工作安全和质量。

3.2 设计思路

【1】硬件连接：将铂电阻温度传感器连接到单片机的模拟输入端口，将LCD显示屏连接到单片机的数据口，将继电器接在单片机的输出端口，通过继电器控制加热器的电源。

【2】温度采集：通过铂电阻温度传感器实时采集溶胶的温度信号，将信号转换为数字信号，通过单片机的模拟输入端口输入到单片机中。

【3】温度控制：使用PID算法对溶胶的温度进行精准控制。PID算法是一种经典的控制算法，通过对比实际温度和设定温度的差异，计算出控制器输出控制信号的大小来控制继电器的开关状态，从而实现对加热器的控制。

【4】温度显示：将温度值通过LCD显示屏实时显示，方便操作人员监测温度变化。

【5】控制器编程：使用C语言编写单片机的控制程序，实现温度采集、PID算法控制、温度显示等功能。

本项目的设计思路是基于MCS-51单片机和PID算法实现温度控制系统，通过铂电阻温度传感器实时采集温度信号，通过PID算法实现温度控制，通过LCD显示屏实现温度显示，最终通过继电器控制加热器实现温度加热控制。

四、代码实现

4.1 温度控制系统实现（PID算法）

使用STC89C52单片机、铂电阻温度传感器、PCF8591模数转换器和PID算法实现温度控制并控制继电器：

#include <reg52.h>

#define RELAY_PIN P1   // 继电器控制引脚

// 温度传感器连接引脚
sbit TEMP_SENSOR_PIN = P2^0;

// PCF8591模数转换器连接引脚
sbit PCF_SDA = P2^1;    // I2C数据线
sbit PCF_SCL = P2^2;    // I2C时钟线
sbit PCF_EOC = P2^3;    // 转换结束标志

// PID参数
float kp = 1.0;    // 比例系数
float ki = 0.5;    // 积分系数
float kd = 0.2;    // 微分系数

// 温度目标值
float targetTemp = 100.0;

// PID控制误差相关变量
float error = 0.0;
float prevError = 0.0;
float integral = 0.0;
float derivative = 0.0;

// PID控制输出
float output = 0.0;

// 设置PWM占空比函数
void setPwmDutyCycle(unsigned char dutyCycle) {
    TH0 = 256 - dutyCycle;    // 设置高位
    TL0 = 256 - dutyCycle;    // 设置低位
}

// 定时器0初始化函数
void timer0Init() {
    TMOD = 0x01;    // 定时器0工作在模式1(16位定时器)
    TH0 = 0;       // 最初赋初值
    TL0 = 0;
    TR0 = 1;       // 定时器0开始计时
}

// I2C总线开始信号函数
void i2cStart() {
    PCF_SDA = 1;
    PCF_SCL = 1;
    PCF_SDA = 0;
    PCF_SCL = 0;
}

// I2C总线停止信号函数
void i2cStop() {
    PCF_SDA = 0;
    PCF_SCL = 1;
    PCF_SDA = 1;
}

// I2C写数据函数
void i2cWriteByte(unsigned char dat) {
    unsigned char i;
    for (i = 0; i < 8; i++) {
        PCF_SDA = (dat & 0x80) ? 1 : 0;
        PCF_SCL = 1;
        PCF_SCL = 0;
        dat <<= 1;
    }
    PCF_SCL = 1;
    PCF_SCL = 0;
    PCF_SDA = 1;
}

// 从PCF8591读取温度值
unsigned char readTemperatureValue() {
    unsigned char tempValue;
    i2cStart();
    i2cWriteByte(0x90);    // PCF8591地址 + 写操作
    i2cWriteByte(0x00);    // 设置输入通道为0
    i2cStart();
    i2cWriteByte(0x91);    // PCF8591地址 + 读操作
    tempValue = P0;    // 读取温度值
    i2cStop();
    return tempValue;
}

// PID控制函数
void performPIDControl() {
    error = targetTemp - readTemperatureValue();    // 计算误差
    integral += error;    // 积分项
    derivative = error - prevError;    // 微分项
    output = kp * error + ki * integral + kd * derivative;    // PID输出
    if (output < 0) {
        output = 0;
    } else if (output > 255) {
        output = 255;
    }
    setPwmDutyCycle((unsigned char)output);    // 设置PWM占空比
    prevError = error;    // 更新上一次误差
}

void main() {
    timer0Init();    // 初始化定时器0
    setPwmDutyCycle(0);    // 初始化PWM占空比为0

    while (1) {
        performPIDControl();    // 进行PID控制

        if (readTemperatureValue() >= targetTemp) {
            RELAY_PIN = 0;    // 继电器断开，停止加热
        } else {
            RELAY_PIN = 1;    // 继电器闭合，进行加热
        }
    }
}

以上代码是温度控制系统实现代码，使用PID算法根据目标温度和当前温度进行控制，并通过继电器控制加热器的通断。需要通过I2C总线与PCF8591模数转换器进行通信，读取铂电阻温度传感器的数据。

4.2 LCD1602显示屏

下面是使用STC89C52单片机和LCD1602液晶显示屏实现数字显示并封装为函数调用的代码：

#include <reg52.h>

#define LCD_RS P2_0    // 液晶RS引脚
#define LCD_RW P2_1    // 液晶RW引脚
#define LCD_EN P2_2    // 液晶EN引脚
#define LCD_DATA P0    // 液晶数据总线

// 延时函数
void delay(unsigned int t) {
    unsigned int i, j;
    for (i = 0; i < t; i++) {
        for (j = 0; j < 110; j++);
    }
}

// 液晶写命令函数
void lcdWriteCmd(unsigned char cmd) {
    LCD_RS = 0;    // 设置为写命令模式
    LCD_RW = 0;    // 设置为写入模式
    LCD_DATA = cmd;    // 写入命令
    LCD_EN = 1;    // 使能
    delay(1);    // 延时
    LCD_EN = 0;    // 禁止
    delay(1);    // 延时
}

// 液晶写数据函数
void lcdWriteData(unsigned char dat) {
    LCD_RS = 1;    // 设置为写数据模式
    LCD_RW = 0;    // 设置为写入模式
    LCD_DATA = dat;    // 写入数据
    LCD_EN = 1;    // 使能
    delay(1);    // 延时
    LCD_EN = 0;    // 禁止
    delay(1);    // 延时
}

// 液晶初始化函数
void lcdInit() {
    lcdWriteCmd(0x38);    // 设置16x2显示，5x7点阵，8位数据接口
    lcdWriteCmd(0x0C);    // 显示开，光标关闭
    lcdWriteCmd(0x06);    // 光标右移
    lcdWriteCmd(0x01);    // 清屏
}

// 在液晶上显示数字函数
void lcdDisplayNumber(unsigned int num) {
    unsigned char i;
    unsigned char buffer[5];    // 缓冲区，最大支持5位数

    if (num == 0) {
        lcdWriteData('0');    // 数字0特殊处理
        return;
    }

    for (i = 0; i < 5; i++) {
        buffer[i] = num % 10;    // 从低位到高位依次取余数
        num /= 10;
    }

    for (i = 5; i > 0; i--) {
        if (buffer[i - 1] != 0 || i == 1) {    // 从高位开始显示直到遇到非零数字或者个位数
            lcdWriteData(buffer[i - 1] + '0');    // 显示数字
        }
    }
}

void main() {
    lcdInit();    // 初始化液晶

    while (1) {
        unsigned int num = 12345;    // 要显示的数字
        lcdWriteCmd(0x80);    // 设置光标位置为第一行第一个字符
        lcdDisplayNumber(num);    // 显示数字

        while (1);    // 循环显示
    }
}

以上代码是LCD数字显示程序，使用LCD1602液晶显示屏和STC89C52单片机，通过封装函数调用来实现数字在液晶屏上的显示。需要进行液晶的初始化操作，使用lcdDisplayNumber函数将要显示的数字传入。在main函数中给出了一个例子，以连续循环显示数字12345为示例。