电阻炉温度控制系统

SJ005-1CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY毕 业 设 计 说 明 书题目： 电阻炉温度控制系统 二级学院： 电子信息与电气工程学院 专 业： 自动化 班级： 10自二 学生姓名： 马文博 学号： 10020620 指导教师： 高 敏 职称： 讲 师 评阅教师： 职称： 2014 年 6 月常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书摘 要电阻炉是一种利用电流流经电阻体产生的热量来进行加热或熔化物料的电炉。电阻炉被广泛地应用在冶金、化工等行业。它对炉温控制的要求较高，炉温控制的好坏将直接影响到产品质量以及生产效率，因此电阻炉的炉温控制在工业生产、科学研究中都具有重要的意义。本设计利用单片机来作为数据处理与控制单元，电阻炉作为被控对象，以热电偶作为测温元件，用晶闸管作为输出控制元件来实现对电阻炉温度的自动控制。本系统利用K型热电偶温度传感器，把实时检测到的炉温的信号送入MAX6675芯片中，经过信号放大等一系列转换处理以后，再将信号送到单片机STC89C52内进行PID运算，同时系统具有超限声光报警功能，并且能通过按键设置温度的上下限。经PID运算后，将控制信号输出，调节晶闸管导通角进行温度控制，同时LCD液晶显示器能显示温度值，使电阻炉的炉温始终保持在设定范围内。本设计根据系统的需要，设计了硬件电路并详尽的介绍了组成硬件电路各个部分；根据各部分软件流程图编写了软件程序。关键词： 电阻炉； 单片机； MAX6675； PID控制常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书AbstractResistance furnace is a furnace which uses the heat generated by the current flowing through the resistor for electric heating or melting materials. Resistance furnace is widely used in metallurgy, chemical and other industries. It demands a higher temperature control, temperature control will directly affect the quality of product and the efficiency of production，therefore resistance furnace temperature control are of great importance in industrial production and scientific research.This design uses a single-chip as a data processing and control unit, resistance furnace as the controlled object. The system uses a K-type thermocouple to as temperature measurement devices and uses the thyristor as control components to achieve the control temperature of the resistance furnace.The system uses K-type thermocouple temperature sensor，it sends the furnace temperature signal detected by sensor into MAX6675 chip,and after the signal is through a series of conversion process such as amplified. Then the signal will be sent to the single-chip STC89C52 to do a PID operation.System also has overrun sound and light alarm, and can through the upper and lower buttons to set the temperature limit.After the PID operation, the control signal output will be sent to adjust the thyristor conduction angle for controlling the furnace temperature.As the same time,LCD Monitor can display temperature values.All the things is ordered to make the resistance furnaces temperature remains in the set range.The design according to the need of the system, it designs hardware circuit design and make a detailed introduction to the various components of hardware circuitry.According to various parts of the software flowchart,do some software program written.Key words: Resistance furnace; single-chip; MAX6675; PID control目录 目 录第1章 绪论11.1 课题研究的背景及意义11.2 电阻炉的应用与发展21.3 本章小结3第2章 系统总体设计方案42.1设计总体思路42.2 系统技术指标42.3系统总体设计方案42.4本章小结6第3章 系统硬件设计63.1 温度检测部分73.1.1 温度传感器的选择73.1.2 温度处理芯片MAX667583.2 单片机113.3 复位电路143.4 时钟频率电路153.5 显示电路163.5.1 显示器件的选择163.5.2 1602LCD的介绍以及应用173.6 报警电路203.7 串口通信电路213.8 按键电路213.9 D/A转换电路233.10 本章小结25第4章 系统软件设计274.1 软件设计思路274.2 软件软件流程图274.2.1 主程序流程图274.2.2 温度检测与处理子程序284.2.3 报警子程序294.2.4 PID子程序304.2.5 显示流程图324.2.6 按键流程图334.2.7 D/A转换子程序流程图344.3 本章小结35第5章 调试结果365.1硬件调试方法365.2 软件调试方法365.3 调试内容365.4 本章小结39总 结40致 谢41参考文献42IV附录一：电路原理图43附录二：程序清单44 I第1章 绪论第1章 绪论1.1 课题研究的背景及意义20世纪20年代以来，电阻炉就在工业生产中得到了广泛地应用。随着社会的发展，科学技术的进步，电阻炉被大量的应用在电力、冶金、机械、石油化工等工业生产中。在这些工业生产中，温度的测量及控制影响着生产安全、产品质量、生产效率等重要的技术经济指标，电阻炉温度控制的稳定性、精度、可靠性等要求也逐步提高。而在各个领域测温仪器的实际应用表明，智能化仪器已经是现代电阻炉温度控制系统发展的主要方向。基于此，设计一种智能化的电阻炉温度控制系统有广泛的应用前景及实际意义。电阻炉是利用电流流过电阻体，使其产生热量来加热或熔化物料的一类电炉。它的特点是：电路简单；对炉料种类的限制较少；（小型电阻炉可用来加热食品、干燥木材）；炉温控制精度高；容易在真空中加热等特点。它主要作用于：机械零件的淬火、退火、渗碳等热处理 ；各种材料的干燥、加热、烧结、熔化等。电阻炉的参数有工作空间尺寸、额定温度、额定电压、额定功率。电阻炉按炉温不同可分为低温电阻炉(600700以下)、中温电阻炉(7001200)、高温电阻炉(1200以上)。电阻炉的温度控制主要有：1、传统PID控制；2、智能控制。PID控制温度系统的效果，主要取决于P、I、D三个参数。PID控制对于确定了的温度系统控制效果较好，但是对控制大惯性、大滞后、时变性温度系统则难以保证其控制品质。电阻炉大多是经电阻丝加热升温，自然冷却降温的，当电阻炉的温度超调时，无法靠控制手段降温，所以电阻炉温度的控制具有滞后性、非线性、惯性、不确定性等特点。目前国内较成熟的电阻炉温度控制系统中，以PID控制器为主。PID控制器对小型实验用的电阻炉控制效果良好，但对于大型工业用电阻炉，就难以保证电阻炉温度控制系统的稳定性及精度等问题。智能控制是一种不需要人操作就能驱动智能机械来实现其目标的自动控制。随着科学技术、控制理论的发展，国外的温度控制系统发展很迅速，基本实现对温度的智能控制。被广泛应用的温度智能控制方法有：模糊控制、神经网络控制、专家系统等。具有自适应、自协调、自学习等能力，使控制系统的控制精度、稳定性、抗干扰能力等性能得到保证。本文以电阻炉为控制对象，以单片机为硬件核心元件，采用PID控制，对电阻炉温度进行实时监测与控制，具有声光报警等功能。1.2 电阻炉的应用与发展整体上，我国的电阻炉温度控制系统比国外的发达国家要落后四、五十年，其中有着主导地位的是模拟仪表控制，电阻炉温度控制系统的参数一般是人工选择，需要配置专门从事的仪表调试的人才，不仅费钱又费力且不准确。控制的精度要取决于试验者的调节经验，得到的控制精度不高。如果生产的环境发生了变化那么需要重新设置，整个过程很繁琐，控制数据也无法保存。因而，对生产工艺的研究困难，造成了产品的质量低、废品率很高、工作人员的劳动强度增大、劳动效率变低、这些都使得企业的效益缩短。目前在控制领域，电阻炉温度控制系统的水平很大程度上依靠于测控水平的高低。随着现代工业的生产规模的不断扩大和生产工艺日益复杂，对与生产过程的自动控制有很高的标准，不仅要求自动控制系统拥有优越的控制性能、良好的性能价格之比、以及良好的可维护性，更要求要有高的可靠性和简易的操作方法。这就促使生产过程的自动控制技术不断取得发展。近年来，伴随着计算机技术、超大规模集成电路技术、网络通信技术的进步，工业控制开始逐步从单机监控、直接数字式控制发展为以新型工业控制网络、智能化仪表与控制器做为重要支撑技术的信息管理自动化与过程自动化相结合的计算机综合型控制系统，计算机综合型控制系统的本质就是利用计算机技术对生产过程进行监视、运作与管理。从控制系统的角度来讲，计算机控制系统总共经历了直接数字控制系统、分散控制系统、现场总线控制系统这三个阶段。但是在过程控制系统中运用的分散控制系统现在成为主流。在分散控制系统中以可编程序控制器为核心或者以微型计算机为核心，二者的设计理念及方法都着有较大区别。国外的目前先进电阻炉控制系统基本采用以PC、PLC、PCC等为核心技术的可编程的系统，并且采用了模糊控制、统计过程控制(SPC)以及基于网络的远程监控和控制系统等等到了一部分的高精度生产设备上。但是中国的先进测量系统，还是基本上还是依赖于进口。所以完全理解现有的技术从而改造原来的生产方式迫在眉睫。单片机有着强大的功能、外形灵活小巧、价格便宜、功能强大，能测量的温度范围较宽，因此慢慢成为工业控制系统的重要元件。我国目前的电阻炉温度控制系统正慢慢从传统分离式的仪表控制转变成PID控制以及模糊控制这个两个领域来。通过生产实践知电阻炉温度控制系统的时间常数比较大并且其纯滞后时间长。温度控制过程具有高度非线性、动态突变性、多时间尺度性、信息错杂性、执行元件与传感元件的分散性和及决策机构的分层分散性等，决定了其很难用精确的数学模型(微分方程或差分方程)来表征。PID控制器简单、稳定性好、可靠性高，普通PID控制器常用于一些线性定常系统的控制，但对于非线性、时变系统难以取得预期的效果。当前电阻炉的温度控制主要问题：因为电阻炉是一个特性参数随炉温改变而变化的被控对象，常规的PID控制方法很难满足温度在大范围变化时的控制要求。并且采用常规的PID控制，使得系统的超调量大，动态品质差、调节的时间长，系统跟踪性差。随着现代工业技术的发展，对热处理温度控制提出了越来越高的要求。为了适应工业要求，己有不少公司研究了一些先进控制策略，实现了许多相对复杂的高级控制算法。1.3 本章小结 通过查阅资料，我了解到电阻炉在化工、冶金等行业应用广泛，从而温度控制在工业生产和科学研究中有含有重要意义。它的控制系统是一阶纯滞后环节，拥有大惯性、纯滞后、非线性等特性，造成传统控制的方式超调大、调节时间长、控制精度低。利用单片机来实现炉温控制，可以使电路设计简单、精度高、控制效果好，这对提高生产效率、促进产业进步等方面都具有重要现实意义。因此，通过这阵子的对电阻炉的研究，我对自己的课题的控制对象电阻炉，以及被控量电阻炉的炉温有了一定的了解，让自己的对接下来的课题的研究有了一个很好的理论铺垫。53常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书第2章 系统总体设计方案2.1设计总体思路本毕业设计是对工业电阻炉的炉温进行实时监测与控制，主要的温度控制系统能实现基本的温度控制功能：当电阻炉炉内温度低于预先或者实时设定的下限温度时，系统就会进行声光报警并对电阻炉发出加热信号，使其温度上升；当电阻炉炉内温度高于预先或者实时设定的上限温度时，系统将停止加热电阻炉，使炉内温度下降。通过单片机内的PID算法调节不断重复此过程，使电阻炉的温度值始终保持在设定的上下限温度之间，并且使LED显示屏即时显示当前的温度值。2.2 系统技术指标本毕业设计所要设计的基于单片机的电阻炉温度控制系统，整体个系统以单片机的为控制核心，根据指导老师的要求将系统的控制温度设定在0到200之间，所要求的控制精度为1，整个温度控制系统通过PID算法控制。在系统的实时控制环节，要求能在单片机程序内部预设所控电阻炉温度的上限以及温度下限，一旦所测的实时温度小于或者大于预先设定的温度范围，系统具有声光报警功能，能做出超限提示，并且操作者也可以进行实时的温度设置，通过单片机的所连接的键盘按键来进行实时的温度上下限的设置。本系统要求用LCD液晶显示器进行实时温度的显示以及预设的温度上下限的显示。因为目前的电阻炉温度控制系统都能连接电脑，进行实时的温度控制信号以及处理信号的反馈，所以本系统要求单片机带串口通信功能，能够与PC机进行通讯。2.3系统总体设计方案本系统由单片机、温度信号采集与转换、键盘输入、PID算法控制、温度显示等五部分组成。 其中，首先进行测温元件的选取，用来检测炉内温度，将炉中温度的物理量值转换成毫伏信号输出，通过温度处理模块进行处理后，炉温给定值的电压信号和所检测到的炉温电压信号都转换为数字量送入单片机内进行比较，如果在控制范围内则系统正常工作，如果检测到的温度值不在所要求的控制范围内，那么系统会进行实时的超限报警。由单片机系统构成的数字温度控制器，对偏差按PID调节规律进行运算，并且在LCD显示器上显示温度值，将运算的结果送至D/A转换器转换为模拟电压，电压值经过功率放大器的放大后，传送到晶闸管的调压器中，通过触发晶闸管，改变晶闸管的导通角的大小，从而调节电阻炉加温电压，最终达到控制电阻炉温度的目的。其方案图如图2-1所示：图2-1 系统总体设计方案图单片机：该部分的功能包括向读取温度数据、数据处理，并且还要对执行单元进行控制。单片机是整个系统的数据处理核心及控制核心。温度信号采集与处理：本部分的主要是用传感器检测温度信号，温度传感器里的电流会随环境温度值的变化而变化。然后将电流信号转换成电压信号，使用温度处理环节将模拟电压信号，转换成数字电压信号能在单片机中进行数据处理。人机交互及串口通信：人机交互主要是为了提高系统的友好性和实用性。主要包括输出显示、按键输入。输出显示进行数据的显示输出，通过按键输入完成系统参数设置，而串口通信的主要作用是完成单片机与上位机的通信。电源系统单元：主要功能是为单片机提供合适的工作电源，同时也为其他硬件模块提供电源，如LCD显示器、键盘按键等。在本毕业设计中，电源系统输出+5 V 的电源。执行单元：是本系统的输出控制执行部分，通过D/A转换器将反馈信号转换为电信号，通过触发器控制，并且改变晶闸管导通角的大小，从而调节电阻炉加温电压，起到控制电阻炉温的作用。本设计中由于技术原因，无法实现，仅作理论阐述。 LCD显示：本设计选用显示屏LCD，因为显示屏能直观的同时显示上下限的温度设置，并且相对于用数码管来说，LCD显示屏更能体现科技的现代化。报警电路：当实时的检测到的温度高于预先设定的温度范围时，系统能自动进行声光报警功能，保证温度能控制在一个设定的范围之内。键盘：本设计选用复合式按键设计，能够实时设计温度的上下限，通过按键能设置上下限的温度，并且本身单片机的内能通过程序预先设定温度上下限，实现手动与自动的切换功能。2.4本章小结 本章主要讲述了基于单片机的电阻炉温度控制系统的工作原理和本设计系统的工作流程。在说明工作原理的过程中，突出了电路的组成单元以及这些单元如何实现温度采集和温度控制等功能。在说明系统流程时，结合本设计的内容，指出了设置温度参数与修改参数的方法和意义。通过两个礼拜的查阅资料和仔细翻阅大学期间所学过的单片机已以及动控制原理的书籍，大体明确了本次毕业设计的技术路线以及所要完成的各个硬件模块。第3章 系统硬件设计第3章 系统硬件设计3.1 温度检测部分3.1.1 温度传感器的选择 本小结主要讲述了本次毕业设计的重点部分：温度传感器的选型。传感器的选择受到许多方面的制约，因为各种温度传感器本身有各自优缺点，不同的温度传感器他们的精度，量程，适用的环境均有不同。所以在选择所要用的温度传感器的时候，要结合所用场所所需要的传感器的量程，精度，以及其他的系统要求。方案一：热电阻传感器热电阻传感器把温度的变化转换为电阻值变化为原理。热电阻传感器是常用在中低温区的一种温度传感器。其主要特点是：精度高，性能稳定。其中测量精度最高的为铂热电阻，被制作成标准的基准仪，广泛应用在工业测温领域。从热电阻的测温原理可知，被测温度的改变是直接通过热敏电阻阻值的改变来体现的。因此，热电阻的引出导线电阻的变化会影响到测温，所以一般采用三线制或四线制来消除引线电阻的影响。热电阻测温系统大多以热电阻、连接导线以及显示仪表组成。方案二：热电偶传感器热电偶传感的原理，是将温度变化转化为电势变化。这种感温元件具有热电效应原理，是利用把两种不同的金属材料连在一起构成的。其优点为构造简单、精确度高、测量范围广、型号种类比较多、使用方便且技术成熟等。目前在工业与民用产品中应用广泛。这种传感器的种类较多，应结合考虑其精确度、灵敏度、稳定性、可靠性等条件来选择。方案三：半导体集成数字温度传感器随着社会的不断进步和科学技术的发展，许多新的温度传感器，应用日益广泛，并开始从模拟式向数字式，单总线型，双总线类型，多总线类型发展。这种数字温度传感器，能与各种单片机的I/O接口连接，组成智能控制系统，这种系统改善了模拟传感器与单片机接口之时，需要信号转换电路和A/D变换器的弊端，广泛应用于工业控制、医疗仪器、电子测温等温度控制系统中，数字温度传感器中有代表性的有DS18B20等。方案四：半导体集成模拟温度传感器半导体集成电路模拟温度传感器是一种利用半导体PN结的电压、电流与其温度的变换关系来测温的感温元件。这种传感器精度较高，输出线性化好，可以将信号处理电路及传感器驱动电路等与温度传感器部分集成为同一硅片。其体积小，使用方便，应用较广泛的有AD590等。半导体集成模拟温度传感器通常用于室温或周围环境温度的检测，以便单片机系统对温度测量值进行补偿。因为AD590与PT100都不能直接与单片机的I/O口相连，需要设计信号转换电路，A/D转换电路。但是DS18B20是数字温度传感器，采用单总线技术，可以直接与单片机I/O口相连。使用DS18B20可以节约单片机I/O口，还可以使系统成本降低。但它的测温范围仅限-55+125，而电阻炉的温度在一千度上下，并且本次的毕业设计要求的温度是在0到200之间，精度在1。所以结合精度要求、测温范围的大小以及价格等各方面因素考虑，本次毕业设计的温度传感器选择K型热电偶传感器。本毕业设计选用的K型（镍铬镍硅）热电偶，其可测量的最高温度为1312，线性度较好，并且价格便宜。K型热电偶的测温范围能满足本次毕业设计的0到200度的测温范围，且此类型的热电偶能找到相对应的温度处理芯片，能使外部的温度处理电路得到相应的简化。3.1.2 温度处理芯片MAX6675热电偶作为一种重要的测量温度的元件，具有结构比较简单、制造相对容易、所测温度的范围大、测温的精度高等优点。不过要将热电偶使用在基于单片机的实际操作系统中时，存在着几个重要的问题。非线性：来自于热电偶的热电势与温度之间的关系是非线性关系，于是在实际运用时就要进行线性处理。冷补偿：由热电偶输出的热电势是冷端保持在0时和所测量端的电势值的差，但是在实际的处理中冷端温度是会随着环境温度而变化的，因此要用冷端补偿。数字化的输出：与单片机系统接口应该采用数字化输出以及数字化的接口，但是模拟小信号测温元件的热电偶却没有办法满足此要求。所以，若要将热电偶应用于单片机系统，就必须要处理复杂的信号放大、A/D转换、以及查表线性线、温度补偿还有数字化输出接口等一系列软硬件的设计。但是如果能将上述的功能放到一个集成的电路芯片中，即采用单芯片来完成信号放大、冷端补偿、关系线性化及数字化输出功能，那么将会大大简化热电偶在单片机领域内的应用设计。美国MAXIM公司生产的MAX6675芯片是具有冷端补偿、线性校正、热电偶断线检测功能的串行K型热电偶的模数转换器, 此芯片的温度精度识别为0. 25 , 冷端补偿的温度范围是- 20 + 80 , 需要范围为3. 05. 5V的工作电压。MAX6675器件采用8位引脚的SO封装，引脚图如图3-1所示。图3-1 MAX6675引脚图MAX6675芯片的主要特性如下：处理芯片MAX6675引脚的功能如表3-1所示。表3-1 MAX6675引脚功能表引脚名称功能1GND接地端2T-接热电偶的负极3T+接热电偶的正极4VCC正电源端5SCK串行时钟的输入6CS片选信号端7SO串行数据的输出8NC悬空 不用MAX6675的内部是由两个精密运算放大器A1和A2、基准电压源、和冷端补偿的二极管、模拟开关、数字控制器和ADC等等组成，能进行对热电偶微弱的信号进行放大和冷端温度补偿以及A/D转换。 MAX6675的引脚T+、T-要和K型热电偶热电势输出端相连，那么输出的热电势通过放大器A1和A2来进行放大以及进行滤波处理，接着送到ADC的输入端，在转换以前，要先补偿热电偶冷端的温度，MAX6675会靠其内置的冷端补偿的电路来完成冷端补偿的工作。芯片会把冷端温度通过冷端补偿二极管使之转换成为对应的电压信号，MAX6675内部的电路会使二极管的电压和经过放大后的热电偶电势一通送到ADC中来进行转换，这样就可以获得测量端的绝对温度的数值。MAX6675采用的是标准SPI串行外设总线和单片机接口，它与单片机通信时工作的过程如下：当单片机使MAX6675的CS 引脚从低电平变为高电平时，MAX6675会进行新的转换；当单片机使MAX6675的CS 引脚从高电平又变为低电平并且传给SCK时钟信号时，MAX6675就会停止信号转换并且从SO端输出串行转换数据。当要从SO端输出串行转换数据时，一个完整的数据输出过程一共需要16个时钟周期，其数据的输出通常在SCK的下降沿时完成，其中D15位是伪标志位，一直为0；D14D3是由高位到低位顺序排列的温度转换值；D2是用于检测热电偶有没有断线，当D2为1时表示热电偶处于断开；D1是MAX6675的标识符，一直为0；D0位为三态。MAX6675的串行接口时序图如图3-2所示。图 3-2 MAX6675的时序图图3-3为本系统中温度检测电路，当STC89C52的P2.2为低电平且P2.3口产生时钟脉冲时，MAX6675的SO脚输出转换数据。在每一个脉冲信号的下降沿SO输出一个数据，16个脉冲信号能进行一串完整的数据输出，最先输出高电位是D15，最后输出的是低电位D0，D14-D3是对应的温度转换数据，一共12位，最小值是0，相对应的温度值是0；最大值为4095，其对应的温度值为1023.75，其分辨率是0.25。因为MAX6675内部进行了激光修正，所以，它转换的结果与对应温度值拥有比较好的线性关系。数字量与温度值对应的关系为：温度值=1023.75转换后的数字量/4095。一旦P2.2变为高电平时，MAX6675就开始进行新一轮的温度转换。图3-3 温度检测电路3.2 单片机 在多数的本科毕业设计中，基于性价比的考虑，8位式的单片机仍是首选。STC89C52是一种8位具有低功耗/低电压、高性能型的单片机。其片内有一个8KB的Flash可供编程、可擦除的只读式存储器（EPROM）。它采用了CMOS工艺以及高密度且非易失性存储器（NURAM）技术，并且它的指令系统和它的输出的引脚都和MCS-51相兼容、片内Flash存储器可以在系统内改编程序或者使用常规的非易失性的存储器编程器来进行编程。所以，STC89C52是一种功能强大、灵活性很高，而且价格合理的单片机，能够方便在各种控制领域进行应用。基于上述这些特点，这里选择STC89C52单片机作为控制核心。因为单片机的工作电源为+5V，STC89C52电源输入支持的电压范围为5V3.4V，且底层电路功耗很小。Vcc，电源端；GND，接地端。其电源供电指示电路如图3-4所示： 图3-4供电指示电路本部分主要介绍单片机最小系统的设计。单片机系统的扩展，一般是以基本最小系统为基础的。所谓最小系统，是指一个真正可用的单片机最小配置系统，对于片内带有程序存储器的单片机，只要在芯片外接时钟电路和复位电路就是一个小系统了。小系统是嵌入式系统开发的基石。本电路的小系统主要由三部分组成，一块STC89C52芯片、复位电路及时钟电路。STC89C52 单片机的引脚说明：VCC：供电电压； GND：接地。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的时间。XTAL1：用于内部的时钟工作电路的输入及反向的震荡放大器的输入。XTAL2：用于接收从反向振荡器中发出的输出。振荡器的特性：XTAL1与XTAL2依次是反向放大器的输入以及输出。这个反向放大器能配置成片内振荡器。陶瓷振荡和石晶振荡均可以使用。如使用外部的时钟源驱动器件，XTAL2应该不要接。有余输入到内部时钟信号需要通过一个二分频触发器，所以对外部时钟信号的脉宽没有任何要求，但是必须要保证脉冲的高低电平达到要求的宽度。ALE/PROG：当进行访问外部的存储器时，地址锁存允许的输出电平用来锁存地址的低位字节。在FLASH编程的期间，这个引脚用来输入编程的脉冲。而平时，ALE端则以不变的频率周期来输出正脉冲信号，这个频率为振荡器频率的1/6。所以它可用作对外部输出的脉冲或者用于定时的目的。但是要值得注意：当是当做外部数据的存储器时，要跃过一个ALE的脉冲。想要禁止ALE的输出将SFR8EH地址置0即可。这时，ALE只能在执行MOVX指令，MOVC指令只有ALE才能起作用。此外，这个引脚会被稍微拉高。一旦微处理器它在外部的执行状态ALE被禁止，那么置位就无效。PSEN：外部程序存储器的选通信号。在进行对外部程序存储器取值的期间，每一个机器的周期两次/PSEN有效。当访问外部的数据存储器时，那么两次有效/PSEN信号会不出现。EA/VPP：当/EA保持为低电平时，那么在这期间外部程序存储器，无论是否存在内部程序的存储器。注意此加密方式1时EA使内部锁定为RESET；当/EA端保持在高电平时，这时内部程序存储器。当FLASH编程期时，这个引脚也用来外加12V的编程电源（VPP）。 P0是一个8位的双向I/O端口，端口置1时作为高阻抗的输入端，当作输出口时它能带动8个TTL电平。对于内部的Flash程序存储器进行编程时，用于收取指令字节；当校验程序时需要要输出指令字节，那么就需要接上上拉电阻。当进行访问外部程序以及外部的数据存储器时，P0口就是分时转换地址(低8位)/数据总线，访问的期间内部的上拉电阻就发挥作用。P1是一个8位的内部有上拉电阻的准双向I/0端口。当做为输出时可以驱动4个TTL电平。其端口置1时，内部上拉电阻会使端口拉到高电平当作输入用。当对内部的Flash程序存储器进行编程时，它接收低8位的地址信息。P2是一个内部带有8位上拉电阻的准双向I/0端口。做输出时可以带动4个TTL电平。当端口置1 时，内部的上拉电阻会使端口拉为高电平作输入用。对于内部的Flash程序存储器进行编程时，能收取高8位地址和控制信息。在访问外部的程序和16位外部数据存储器时，P2口能送出高8位的地址。但要是在访问只有8位地址的外部数据存储器的时候，它引脚上的内容在此期间将不会变化。P3口：P3口的管脚是8个有内部上拉式电阻的双向I/O口，可以用来接收输出4个TTL门电流。当P3口输入“1”时，它们会被内部上拉成为高电平，并用做为输入。当做输入时，因为外部下拉成为低电平，P3口会输出电流（ILL）这是因为上拉的原因。 P3口亦可作为STC89C52一系列的特殊功能口，如下所示： P3.0口 /RXD（用作串行输入口）；P3.1口/TXD（用作串行输出口）；P3.2口/INT0（用于外部中断0）； P3.3口/INT1（用于外部中断1）；P3.4口/T0（记时器0的外部输入）； P3.5口/T1（记时器1的外部输入）； P3.6口/WR（外部数据存储器的写选通）； P3.7口/RD（外部数据存储器的读选通）； P3口还可以同时帮闪烁编程和编程校验收取一些控制的信号。 本设计STC89C52单片机的P1口和P3口接LED显示，X1和X2接的是晶振电路，RESET接复位电路。3.3 复位电路单片机的第9脚RST为硬件复位电路，只要在该端加上持续4个机器周期的高电平即可实现复位，复位后单片机的各个状态都恢复到初始化状态，其电路图如图3-2所示。图3-5中由按键以及电容C3、电阻R1、R9构成上电复位及手动电路。由于单片机是高电平复位，所以上电复位时，接通电源即可，当上电后，由于电容C3开始缓缓充电，则图中电路由5V电源到电容到电阻R9和地之间形成一个通路，由于在R9上产生电压降，则单片机的RST脚上为高电平，经过一段时间后电容的电充满，此时C3处可视为断路，单片机RST脚处电压逐渐降为0V，即处于稳定的低电平状态，此时单片机完成上电复位，程序从0000H开始执行。手动复位时，按一下图中的按钮即可，当按键按下的时候，单片机的9脚RST管脚处于高电平，此时单片机处于复位状态。图3-5 硬件复位电路3.4 时钟频率电路时钟电路提供单片机自身的时钟控制信号，单片机的时钟产生方式有内部时钟方式和外部时钟方式。最常用的是内部时钟方式，是采用外接晶振和电容组成的。时钟振荡的电路如图3-6所示：图3-6 外部振荡电路单片机内部拥有一个高增益型反向放大器，它可用来组成振荡器。引脚XTAL1与引脚XTAL2依次就是反相放大器它的输入端以及输出端，用这个放大器与作为反馈元件的片外晶体就能构成一个自己振荡器，这种方式形成的时钟信号称为内部时钟方式。系统的时钟电路设计是采用的内部方式，即利用芯片内部的振荡电路。内部方式时，时钟发生器对振荡脉冲二分频，如晶振为12MHz，时钟频率就为6MHz。晶振的频率可以在1MHz-24MHz内选择。电容取30PF左右。因此，此系统电路的晶体振荡器的值为12MHz，电容应尽可能的选择陶瓷电容，电容值为30F。在焊接刷电路板时，晶体振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证震荡器稳定和可靠地工作。XTAL1是片内振荡器的反相放大器输入端，XTAL2则是输出端，使用外部振荡器时，外部振荡信号应直接加到XTAL1，而XTAL2悬空。3.5 显示电路3.5.1 显示器件的选择在毕业设计中常用的输出显示设备有两种：LCD和数码管。数码管是现在电子设计中普遍使用的一种显示设备，每个数码管由七个发光的二极管按照一定的排列结构组成，根据七个发光的二极管的正负极连接不同，又分为共阴极数码管和共阳极数码管两种，选择的数码管不同，程序设计上也有一定的差别。数码管的显示的数据内容比较直观，通常显示从0到9中的任意一个数字，一个数码管可以显示一位，多个数码管就可以显示多位，在显示位数比较少的电路中，程序编写，外围电路设计都十分简单，但是当要显示的位数相对多的时候，数码管操作起来十分烦琐，显示的速度受到限制。液晶显示屏具有功耗低、体积小、显示的内容丰富等许多特点，使用者可以根据自己的具体需求，显示自己所要的、甚至可以是自己动手设计的图案。当所要显示的数据比较复杂时，显示屏的优点就能突现出来了，并且当硬件的设计完成时，可以通过软件的修改来不断进行系统显示能力的扩展。外围的驱动电路的设计相对简单，显示能力的扩展并不会对硬件电路的设计产生影响，其可扩展性比较强。LCD尤其适合于小型手持式设备。这几年随着价格的下降得到了广泛的应用。在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点：1：它显示的质量高因为液晶显示器中的点在接收到信号后就能保持那种色彩和亮度不变，恒定的发光，不同于阴极射线管显示器（CRT）需要不断的刷新新的亮点。所以，液晶显示器的画质较高而且不会发生闪烁。2：采用数字式的接口因为液晶显示屏采用的接口是数字式的，这使得它与单片机的连接变得更加的简单，操作起来更加的方便。3：它的体积小且重量轻在显示面积相同的情况下，1602LCD要比传统的显示器轻很多，原因在于它是利用显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的。 4: 它的功耗低比较其他的显示器，它功耗主要是消耗在它内部的驱动IC和电极上，所以消耗的电量要比其它显示器少很多。根据本毕业设计所需要显示的内容，要求能显示设定的温度上限以及温度下限，并且能实时显示所测得的温度，所以单一的数码管并不能完成带字符的显示，所以本次毕业设计选用液晶显示屏1602LCD来完成实物的的显示功能。3.5.2 1602LCD的介绍以及应用1602LCD的介绍以及基本参数及引脚功能：1602LCD是一种字符型液晶显示模块，是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，规格为16*2的模块。1602LCD可以简单的分为带背光和不带背光两种，它们的基控制器大部分都为HD44780，不带背光的比带背光的薄一些，带背光与否在应用中并无大的差别，两者尺寸差别如下图3-7所示：图3-7 1602LCD尺寸图 1602LCD的基本的技术参数：显示16*2个字符；其工作电压4.5V-5.5V；工作电流2.0mA（5.0V)；模块所使用的最佳工作电压为5.0V；字符尺寸：2.95*4.35（W*H）mm；1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，丰富的指令可以完成液晶的时序控制、工作方式式设置和数据显示等。 本模块采用的LCD1602液晶模块是标准16针插座，接口电路如图3-8所示图3-8 LCD接口电路图1602液晶显示模块的各个引脚的说明：见表3-2 表3-2 1602LCD引脚说明表LCD1602内部的控制器一共有11条控制指令，如表3-3所示： 表3-3 1602LCD指令说明表表3.3的控制命令表说明：1602液晶模块的读/写操作、光标以及屏幕的操作都要通过指令编程的来实现。（说明：1为高电平、0为低电平）指令1：清显示，指令码01H,光标会复位至地址00H位置。指令2：光标的复位，光标要返回至地址00H。指令3：光标和显示模式设置 I/D：控制光标移动的方向，高电平则右移，低电平则左移 S:控制屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平则有效，低电平表示无效。指令4：显示开关控制。 D：用来控制整体的显示开关，当高电平时表示开显示，当低电平时表示关显示 C：用来控制光标开关，当高电平时就表明存在光标，当低电平时表明不存在光标 B：用来控制光标要不要进行闪烁，高电平则闪烁，低电平则不闪烁。指令5：光标或者显示移位 S/C：当是高电平时则移显示的文字，当是低电平时则移光标。指令6：功能的设置命令 DL：当为高电平时是4位总线，而当低电平时就为8位总线 N：当低电平时是单行显示，高电平时就是两行显示 F: 当低电平时就显示5x7式点阵字符，当高电平时就显示5x10式点阵字符。指令7：是字符发生器RAM地址的设置。指令8：是DDRAM地址的设置。指令9：读忙信号和光标地址 BF：是忙标志位，它的高电平表示忙，此时模块就不能接收命令或者数据，如果是低电平就表示不忙。指令10：写数据。指令11：读数据。 在本次的毕业设计的实物制作中，要求1602LCD能在显示屏上直接显示K型热电偶所测得实时温度，以及预先设定的温度的上限值以及下限值。3.6 报警电路本毕业设计的报警电路实现的功能是当所测得环境温度值超过系统预先设置的上限值或者小于系统设置的下限值时，都将通过I/O 口驱动蜂鸣器以及LED灯，进行蜂鸣器和LED灯的报警。将报警口接于P2.0口，通过输出信号控制报警。而单片机I/O 口输出的电流无法直接驱动蜂鸣器，所以设计了通过三极管放大电路来驱动蜂鸣器驱路，具体电路连接如图3-9所示： 图3-9 报警电路图3.7 串口通信电路串口通信的主要功能是完成单片机与上位机的通信，便于进行所测得的温度数据的统计，为将来系统功能的扩展做好基础工作。串行通信的主要功能是实现单片机与PC机的数据交换，当需要进行数据记录、数据统计、数据分析的时候，可以把得到的数据发送给上位机，使用上位机进行数据处理，并且将数据处理的结果又发送给单片机。这样可以大大提高系统数据处理速度，还可以方便的对单片机进行控制。计算机与外界的数据传送大部分都是串行的，其传送距离可以从几米到几千米。串行口通信原理图如图3-10所示：图3-10 串行口通信电路图 本次毕业设计要求所做的实物能与上位机通信，所以在硬件电路的设计中，插入了MAX232模块，方便以后能进行单片机与上位机的通信，更好的进行数据的实时统计分析与处理。3.8 按键电路按键是现阶段电子设计中最常用、最实用的输入设备。按键能够成为最普遍的输入设备，主要是其具备了以下几个优点：工作原理、硬件电路连接简单、操作实用性强、价格便宜，程序编写简单。缺点：机械抖动比较严重、外型不够美观。按键部分实现的主要原理是单片机读取与按键相连接的I/O口状态，来判定按键是否按下，达到系统参数设置的目的。键盘在单片机应用系统中的作用是实现数据输入、命令输入，是人工干预的主要手段。所谓独立式的按键就是按键之间相互独立，每个按键占用一根I/O线，每根I/O线的按键的工作是独立的，不会使得其他I/O口线上的工作状态收到影响。每个按键开关都使用上拉电阻，目的在于当按键断开时，各I/O线上有唯一高电平。如果输入口线内部已有上拉电阻，外电路的上拉电阻可省去。因此，只要通过检测其输入线路的高低电平状态就可以判别到底哪个按键进行了操作。优点：电路的配置比较灵活，软件结构相对简单。缺点：每个按键就需要占用一根I/O口线，如果按键数量较多，I/O口的浪费就很大，电路的结构就显得复杂。所以，此键盘适用于操作速度高或按键数较少的场合。按键开关为机械弹性开关，当按下键帽时，按键内的复位弹簧片被压缩，动片触电与静片触电相连，键盘的两个引脚被接通；松手后，复位弹簧将动片弹开，使动片与静片脱离接触，键盘的两个引脚被断开。由于机械接触点的弹性作用，一个按键从开始接上至接触稳定要经过510ms的抖动时间，在此期间，有抖动发生。按键抖动波形如图3-11所示。图3-11 按键抖动电压波形按键开关输入需要解决的两个主要问题是：判断是否有按键按下以及消除按键的抖动影响。按