毕业设计（论文）-基于单片机的电阻炉温度控制系统设计.doc

（本页打印） 学科分类号：_湖南xxxxxx本科生毕业论文题目（中文）：基于单片机的电阻炉温度控制系统设计 （英文）：Based on single-chip design of resistance furnace temperature control sestem学生姓名： 学号 系 部： 专业年级：08级电子信息科学与技术指导教师： 职 称：_教务处制本科毕业论文诚信声明本人郑重声明：所呈交的本科毕业论文，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议，除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：（手写） 二 年 月 日（手写）摘 要51.绪论71.1研究背景71.2研究概述71.2.1研究内容81.2.2本系统实现的功能82.本温度控制系统总体方案93.系统硬件设计103.1系统硬件设计方案103.2温度传感器模块103.2.1 DS18B20概述103.2.2 DS18B20产品的性能特点113.2.3 DS18B20的引脚介绍113.2.4温度采集模块电路图133.3数据处理模块133.3.1AT89C52系列主要性能参数133.3.2 AT89C52存储配置163.4温度显示模块/设定模块193.4.1温度显示模块193.4.2温度设定模块203.5温度控制模块213.5.1光电偶合器MOC3021213.5.2可控硅BTA16223.5.3温度控制模块电路图244.系统软件设计254.1系统主程序254.2温度采集子程序264.3控制算法265.Proteus软件仿真和调试275.1仿真说明275.2仿真调试结果275.3软件仿真调试总结30结论30参考文献31致 谢32附录I 硬件仿真原理图33附录II 程序清单33摘 要在工业生产过程中，往往需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉的温度进行检测和调节，因此需要一种合适的系统对其温度进行精确控制。由于单片机具有低功耗、高性能、可靠性好、易于产品化等特点，因此采用单片机对温度进行控制不仅节约成本，控制方法灵活多样，并且可以达到较高的控制精度，从而能够大大提高产品的质量，因此单片机被广泛应用在中小型控制系统中。本论文以电阻炉为研究对象，开发了基于单片机的温度控制系统。本温度控制系统按功能分主要包括温度传感器模块、数据处理模块、温度显示/设定模块和温度控制模块。温度传感器采用了数字式温度传感器DS18B20，对温度进行实时采样并将模拟信号转换成数字信号返回给单片机。系统可通过键盘对电阻炉水温进行预设，单片机根据当前炉内温度和预设温度进行运算，控制输出宽度可调的PWM方波，并由此控制双向可控硅的导通和关断来调节电热丝的加热功率，从而使水温迅速达到预设值并保持恒定不变。设计过程中，首先进行软件设计和开发，使系统功能模块化并分别通过Proteus软件进行仿真，实现功能后对硬件进行了综合设计，并且反复论证、测试各器件参数以使其稳定运行，最终使得此系统实现了温度的恒温控制。关键词：单片机；温度传感器；可控硅；温度控制AbstractVarious types of furnace, heat treatment furnace, reactor temperature are detected and regulated in the industrial production processes, so they need a proper system of precise control for their temperature. The single chip microcontroller (SCM) have many advantages, such as low power consumption , high performance, reliability, easy-to-market commodity and so on. So the temperature controlled by SCM has low cost, flexible and diverse control method and higher precision, which can greatly enhance the quality of the product. A Temperature Control System is developed based on SCM for a resistance furnace system. This system includes four functional modules that are temperature sensor module, data processing module, temperature display/setting module and temperature-controlling module. Digital temperature sensor DS18B20 is selected to real-time sample of the temperature and to convert analog signals into digital signals that are back to the SCM system. The setting value temperature of this system can be preset through the keyboard. SCM is used to computer PWM control laws based on the current temperature and the preset temperature of the furnace operation. The controlling output is used to control the silicon control in order to regulate the heating power of the heating cord, so the water temperature can quickly reach and maintain setting value. In designing process, first of all, the software is designed, developed and then simulate based on Proteus software , test the device parameters to make it stable operate. At last, this system has been realized the constant temperature controlling. Keywords: Single Chip Microcontroller; Temperature sensor; Silicon-controlled rectifier ; Temperature control 1.绪论1.1研究背景及时准确地得到温度信息并对其进行适时的控制，在许多工业场合中都是重要的环节，水温的变化影响各种系统的自动运行，例如冶金、机械、食品、化工各类工业中，广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等，对工件的水处理温度要求严格控制。对于不同控制系统，其适宜的水质温度总是在一个范围。超过这个范围，系统或许会停止运行或遭受破坏，所以我们必须能实时获取水温变化。对于超过适宜范围的温度能够报警。单片机对温度的控制是工业生产中经常使用的控制方法。从1976年Intel公司推出第一批单片机以来，80年代单片机技术进入快速发展时期，近年来，随着大规模集成电路的发展，单片机继续朝快速、高性能方向发展。单片机主要用于控制，它的应用领域遍及各行各业，大到航天飞机，小至日常生活中的冰箱、彩电，单片机都可以大显其能。单片机将微处理器、存储器、定时/计数器、I/O接口电路等集成在一个芯片上的大规模集成电路，本身即是一个小型化的微机系统。单片机技术与传感与测量技术、信号与系统分析技术、电路设计技术、可编程逻辑应用技术、微机接口技术、数据库技术以及数据结构、计算机操作系统、汇编语言程序设计、高级语言程序设计、软件工程、数据网络通信、数字信号处理、自动控制、误差分析、仪器仪表结构设计和制造工艺等的结合，使得单片机的应用非常广泛。同时，单片机具有较强的管理功能。采用单片机对整个测量电路进行管理和控制，使得整个系统智能化、功耗低、使用电子元件较少、内部配线少、成本低，制造、安装、调试及维修方便。本毕业设计选择研究水温控制系统，采用单片机进行控制的水温自动控制电路，使系统能简单的实现温度的控制及显示，AT89C52单片机优秀的实时控制功能、灵活的编程能力有机的结合起来，并且通过软件编程能实现各种控制算法，使系统具有控制精度高的特点，对实现对水温的自动控制，具有的现实意义。不但能用于学校的实验教学及其它一些研究课题的开发，同样能用于工厂多点温度的控制，提高工业企业自动化水平。1.2研究概述本次的毕业设计是多种技术知识的结合，不仅涉及到软件的设计，而且还将应用电子技术与单片机的应用技术有机结合，使其具有精度高、测量误差小、稳定性好等特点。1.2.1研究内容本文所要研究的课题是基于单片机控制的水温控制系统的设计，主要是介绍了对水箱温度的显示，实现了温度的实时显示及控制。水箱水温控制部分，提出了用DS18B20、AT89C52单片机及LCD的硬件电路完成对水温的实时检测及显示，而炉内温度控制部分，由DS18B20检测炉内温度，用中值滤波的方法取一个值存入程序存取器内部一个单元作为最后检测信号，并在LCD中显示。控制器是用AT 89C52单片机，用设定的算法对检测信号和设定值的差值进行调节后输出PWM控制信号给执行机构，去调节电阻炉的加热功率，从而控制炉内温度。它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微处理器等优点，特别适合于构成多点的温度测控系统，可直接将温度转化成串行数字信号供微机处理，而且每片DS18B20都有唯一的产品号，可以一并存入其ROM中，以便在构成大型温度测控系统时在单线上挂接任意多个DS18S20芯片。从DS18S20读出或写入DS18S20信息仅需要一根口线，其读写及其温度变换功率来源于数据总线，该总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而且不需要额外电源。同时DS18B20能提供九位温度读数，它无需任何外围硬件即可方便地构成温度检测系统。而且利用本次的设计主要实现温度测试，温度显示，温度门限设定，超过设定的门限值时自动启动加热装置等功能。而且还要以单片机为主机，使温度传感器通过一根口线与单片机相连接，再加上温度控制部分和人机对话部分来共同实现温度的监测与控制。具体研究如下几方面：（1）水温控制系统硬件的设计主要包括AT89C52单片机、温度传感器模块、温度控制模块、显示模块、按键模块的硬件选择及论证。（2）水温控制系统软件的设计借助Keil C51开发工具，以C语言为开发语言，开发了单片机系统的温度检测与控制程序模块、对温度传感器模块、显示模块、温度控制模块进行控制，键盘导入设定的温度，使其与实际温度进行运算并输出。（3）水温控制系统的仿真运用Proteus软件，画出硬件电路图，加载程序进行仿真。1.2.2本系统实现的功能本系统实现其具体控制功能如下：（1）能够连续测量水的温度值，可用LCD1602液晶来显示水的实际温度。（2）能够设定水的温度值，设定范围是30100。（3）用单片机AT89C52控制，通过按键来控制水温的设定值，并保持恒定。2.本温度控制系统总体方案本温度控制系统按功能分主要包括四个模块：数据处理模块、温度传感器模块、温度显示/设定模块和温度控制模块。由温度传感器DS18B20，对炉内温度进行实时采样并将数字信号返回给单片机。系统可通过键盘对电阻炉环境温度（此设计为水温）进行设置，单片机根据当前炉内温度和设定温度进行对比运算，然后依据控制算法，控制输出宽度可调的PWM方波，并由此控制双向可控硅的导通和关断来调节电热丝的加热功率，从而使加热环境温度（水温）快速达到设定值并保持恒定。本系统以AT89C52为核心，以KEIL为系统程序开发平台，以C语言进行程序设计，以PROTEUS作为仿真软件设计而成的。 系统原理图如图2.1所示，从图中可以直观地看出四个主要模块的工作过程，系统通过键盘将数据传送给单片机，并由LCD显示器显示当前水温和设定水温值，温度控制模块和温度采集模块共同形成闭环控制。温度传感器DS18B20AT89C52LCD显示按键双向可控硅电阻炉采集图2.1设计原理方框图 3.系统硬件设计3.1系统硬件设计方案系统硬件原理图如图3.1所示，系统集成了数据处理模块、温度传感器模块、温度显示/设定模块、温度控制模块。图3.1硬件原理图3.2温度传感器模块温度传感器模块采用DS18B20，主要功能是实时将水温温度数据返回单片机，将模拟信号转换为数字信号，便于数据处理与决策，由于此模块直接决定整个系统能否正常运行，所以是系统的核心模块。3.2.1 DS18B20概述DS18B20数字温度传感器是美国DALLAS公司生产的1Wire，即单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。3.2.2 DS18B20产品的性能特点（1）独特的单线接口，只需要一条口线即可实现通信。（2）每个DS18B20包含一个独特的序列号，多个DS18B20可并联到一根总线。（3）实际应用中不需要任何外围元器件即可实现测温。（4）测量温度范围在55到125之间，固有测温分辨率0.5。（5）可编程的分辨率，用户可以从9位到12位选择。（6）内部有温度上、下限告警设置。3.2.3 DS18B20的引脚介绍DS18B20的引脚排列见图3.2，其引脚功能描述见表3.1。 图3.2底视图表3.1 DS18B20详细引脚功能描述序号名称引脚功能描述1GND接地2DQ数字信号输入/输出端。3VDD外接供电电源输入端。（1）光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20 的地址序列码。64位光刻ROM的排列是：开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8 位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是使每一个DS18B20 都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。（2）DS18B20 中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例：用16 位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625/LSB 形式表达，其中S为符号位，温度格式如表3.2所示：表3.2 DS18B20温度值格式表 Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0 LS Byte Bit15 Bit14 Bit13 Bit12 Bit11 Bit10 Bit 9 Bit 8MS Byte 2223 21 202-1 2-22-3 2-4 SS S S S 262524这是12位转化后得到的12 位数据，存储在DS18B20 的两个8 比特的RAM 中，二进制中的前面5 位是符号位，如果测得的温度大于0，这5 位为0，只要将测到的数值乘于0.0625 即可得到实际温度；如果温度小于0，这5 位为1，测到的数值需要取反加1 再乘于0.0625 即可得到实际温度。例如+125的数字输出为07D0H，+25.0625的数字输出为0191H，-25.0625的数字输出为FF6FH，-55的数字输出为FC90H。（3）DS18B20 温度传感器的存储器DS18B20 温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EEPRAM,后者存放高温度和低温度触发器TH、TL 和结构寄存器。（4）配置寄存器该字节各位的意义如表3.3所示：表3.3配置寄存器结构11R0R1TM111低五位一直都是“1” ，TM 是测试模式位，用于设置DS18B20 在工作模式还是在测试模式。在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动。R1 和R0 用来设置分辨率，如表3.4所示：表3.4温度值分辨率设置表R1R0分辨率温度最大转换时间009位93.75ms0110位187.5ms1011位375ms1112位750ms3.2.4温度采集模块电路图本系统采用数字传感器DS18B20，DS18B20是可组网的单线数字温度传感器，它采用单线总线结构，集温度测量和A/D转换于一体，直接输出数字量，用一根口线就可以传送数据与命令，其温度测量范围为-55+125，固有分辨率0.5，使用中不需要外围元件，可利用数据线或外部电源供电，适应电压范围宽，为3.05.5V，可编程的分辨率可实现912位读出温度数据。使用时，将DS18B20的数据DQ与单片机的一位具有三态功能的双向口连接就可以实现数据传输，为保证在有效的时钟周期内提供足够电流，采用外部电源单独供电，在数据线上加一个10K的上拉电阻。具体接线如图3.3所示：图3.3温度采集模块电路图3.3数据处理模块单片机是温度控制系统的核心部件，负责数据处理，分别控制显示模块、温度控制模块和温度采集模块，由于数据大于5K，所以选用内存量为8K的AT89C52单片机。3.3.1AT89C52系列主要性能参数AT89C52是一种低电压，高性能CMOS8位微处理器，片内含8K可反复擦写的Flash只读程序存储器。器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存储器技术生产，兼容标准MCS-51指令系统。在单芯片上，内置通用的8位CPU和Flash存储单元，能给很多嵌入式控制应用系统提供非常灵活且高效的解决方案，从而使得AT89C52广泛应用于许多此类系统中。AT89C52具有以下主要功能特性：8K字节Flash ROM，256字节内部RAM，32个双向I/O口，3个16位可编程定时/计数器，一个6向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时AT89C52可降至0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。AT89C52引脚图如图3.4所示： 图3.4 AT89C52引脚图P0口：P0口为一个8位漏极开路双向I/O口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路。对端口P0写1时，可作为高阻输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用。在FLASH编程时，P0 接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时：要求外接上拉电阻。P1口：P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。P2口：P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口P2写“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作为输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX RI）时，P2口输出P2锁存器的内容。Flash编程或校验时，P2也接收高位地址和一些控制信号。P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，他们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。P3口还有更重要得用途，即它的第二功能，如表3.5所示：表3.5 P3口第二功能表端口引脚第二功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2（外中断0输入口）P3.3（外中断1输入口）P3.4T0（定时/计数器0输入口）P3.5T1（定时/计数器1输入口）P3.6（外部数据存储器写选通）P3.7（外部数据存储器读选通）RST：复位输入。当振荡器工作时， RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。ALE/：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。但要注意的是：每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。此外，该引脚被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。：程序储存允许（）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器时，将跳过两次PSEN信号。/VPP：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编成，复位时内部会所存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。XTAL1：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。3.3.2 AT89C52存储配置1存储器程序存储器：如果EA引脚接地，程序读取只从外部存储器开始。对于89C52，如果EA 接VCC，程序读写先从内部存储器（地址为0000H1FFFH）开始，接着从外部寻址，寻址地址为：2000HFFFFH。数据存储器：AT89C52有256个字节内部RAM。80H-FFH高128 字节与特殊功能寄存器地址是重叠的，也就是高128字节的RAM与特殊功能寄存器地址是相同的，但物理上它们是分开的。当一条指令访问7FH以上的内部地址单元时，指令中的寻址方式是不同的，也即寻址方式决定是访问高128字节RAM 还是特殊功能寄存器。如果指令是直接寻址方式则为访问特殊功能寄存器。2特殊功能寄存器在AT89C52片内存储器中，80H-FFH共128个单元为特殊功能寄存器（SFR）。在SFR的地址空间映象中，并非所有的地址都被定义，从80H-FFH共128个字节只有一部分被定义，还有相当一部分没有定义。对没有定义的单元读写将是无效的，读出的数值将不确定，而写入的数据也将丢失。3定时器AT89C52的定时器0和定时器1的工作方式与AT89C51相同。定时器2：定时器2是一个16位定时/计数器。它既可当定时器使用，又可作为外部事件计数器，其工作方式由特殊寄存器T2CON（如表3.6）的C/T2位选择。定时器2有三种工作模式：捕获方式、自动重装载（向上或向下计数）方式和波特率发生器方式。工作方式由T2CON中的控制位来选择，参见表3.8。定时器2由2个8位寄存器：TH2和TL2。在定时工作方式中，每个机器周期TL2 寄存器的值加1。由于一个机器周期由12 个晶振周期构成，因此，计数频率就是晶振频率的1/12。在计数工作方式时，当T2引脚上外部输入信号产生1 至0 的下降沿时，寄存器值加1，在这种方式下，每个机器周期的S5P2期间，对外部输入进行采样。若在第一个机器周期中采到的值为1，而下一个机器周期采到的值为0，则在紧跟着的下一个周期的S3P1期间寄存器加1。由于识别1至0的跳变需要2个机器周期（24个晶振周期），因此，最大的计数速率为晶振频率的1/24。为确保采样的正确性，要求输入的电平在变化前至少保持一个完整周期的时间，以保证输入信号至少被采样一次。表3.6定时器/计数器2控制寄存器T2CON TF2EXF2RCLKTCLKEXEN2TR2C/CP/76543210表3.7定时器2功能表符号功 能TF2定时器2溢出标志位。定时器2溢出时，又由硬件置位，必须由软件清0。当RCLK=1或TCLK=1，定时器2溢出，不对TF2置位。EXF2定时器2外部标志位。当EXEN2=1时，且T2EX引脚上的负跳变出现或者重载时，EXEF2会被硬件置位。定时器2打开。EXF2=1，将引导CPU执行定时器2中断程序。RCLK接收数据时钟允许。RCLK=1，用定时器2溢出脉冲作为串行口（工作于工作方式1或 3时）的接收时钟。RCLK=0，用定时器1的溢出脉冲作为接收时钟。TCLK发送时钟允许位。TCLK=1时，用定时器2溢出脉冲作为串行口（工作于工作方式1或 3时）的发送时钟，RCLK=0，用定时器1的溢出脉冲作为发送脉冲。EXEN2定时器2外部允许标志位。当EXEN2=1时，如果定时器2未用于作串行口的波特率发生器，在T2EX端出现负跳变脉冲时，激活定时器2捕获或重载。EXEN2=0时，T2EN端得外部信号无效。TR2定时器2启动/停止控制位。TR2=1时，启动定时器2。C/定时器2定时方式或计数方式控制位，C/T2=0选择定时方式。C/T2=1，选择外部事件计数方式（下降沿触发）。CP/捕捉/重载选择位。CP/RL2=1时，如EXEN2=1，且T2EN端出现负跳变脉冲时发生捕获操作。CP/RL2=0，若定时器2溢出或EXEN2=1条件下，T2EN端出现负跳变脉冲，都会出现自动重载操作。RCLK=1或TCLK=1时，该位无效。表3.8定时器2的工作方式RCLK+TCLKCP/TR2MODE00116-bit Auto-reload01116-bit Capture1X1BaudRateGeneratorXX0（Off）4中断AT89C52 共有6个中断源：两个外部中断（INT0 和INT1），3个定时器中断（定时器0、1、2）和串行口中断。这些中断源都可通过分别设置专用寄存器IE的置位或清0来控制每一个中断的允许或禁止。IE也有一个总控禁止位EA，它能控制所有中断的允许或禁止。注意表3.10所示，IE.6位为保留位，在AT89C51中IE.5也是保留位。程序员不应将这些位写1，它们是将来AT89系列产品作为扩展用的。定时器2的中断是由T2CON中的TF2和EXF2逻辑或产生的，当转向中断服务程序时，这些标志位不能被硬件清除。事实上，服务程序需确定是TF2 或EXF2产生中断，而由软件清除中断标志位。定时器0和定时器1的标志位TF0 和TF1在定时器溢出那个机器周期的S5P2状态置位，而会在下一个机器周期才查询到该中断标志。然而，定时器2 的标志位TF2 在定时器溢出的那个机器周期的S2P2状态置位，在同一个周期内查询到该标志。表3.9中断允许寄存器（IE）EAET2ESET1EX1ET0EX0中断允许控制寄存器功能如表3.10所示：表3.10中断允许控制寄存器功能表符号地址功能EAIE.7EA=0，禁止所有中断；EA=1,各中断由各自的控制位设定IE.6保留位ET2IE.5定时器2中断允许控制位ESIE.4串行口中断允许控制位ET1IE.3定时器1中断允许控制位EX1IE.2外部中断1中断允许控制位ET0IE.1定时器0中断允许控制位EX0IE.0外部中断0中断允许控制位3.4温度显示模块/设定模块此模块由显示部分和设定部分组成，显示部分采用LCD1602液晶显示器，设定部分是键盘输入，该部分由两个按键组成，PLAS键和SUBS键。3.4.1温度显示模块1. LCD1602 简介LCD1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等得点阵型液晶模块，具有成本低、体积小、功耗低、控制简单等优点，因而，在许多应用系统中得到广泛的应用。本设计采用LCD1602液晶显示模块，它可以显示两行，每行16个字符，采用外部+5V电源供电，简单的外围电路，成本低，实用性很高。LCD1602管脚图如图3.5所示：图3.5 LCD1602管脚图管脚功能介绍：第1脚：VSS为电源地第2脚：VDD接5V电源正极第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会 产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。第4脚：RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。第5脚：RW为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。第6脚：E(或EN)端为使能(enable)端。第714脚：D0D7为8位双向数据端。3.4.2温度设定模块温度设定部分主要是键盘输入，此部分主要由两个按键组成，PLAS为加，SUBS为减。当系统启动时，默认设定温度为30，当按下PLAS时设定温度增加，按下SUBS时设定温度减小。此部分按键为常开按钮，当不触发时为断开状态，按键按下之后与地连接，故为低电平，单片机读取按键数据为低电平时有效。温度显示/设定模块电路图如图3.6所示：图3.6温度显示/设定模块电路图3.5温度控制模块此模块是系统的执行机构，将单片机端口输出的PWM方波通过光电耦合器精确转化成可控硅的导通和断开，从而控制电阻炉电热丝功率的变化。3.5.1光电偶合器MOC3021光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。它由发光源和受光器两部分组成。把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，常见的发光源为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极管等等。光电耦合器的种类较多，常见有光电二极管型、光电三极管型、光敏电阻型、光控晶闸管型、光电达林顿型、集成电路型等。MOC3021结构示意图如图3.7所以：图3.7 MOC3021结构示意图在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光，光的强度取决于激励电流的大小，此光照射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，这样就实现了电一光一电的转换。 基本工作特性： （1）共模抑制比很高 在光电耦合器内部，由于发光管和受光器之间的耦合电容很小（2pF以内）所以共模输入电压通过极间耦合电容对输出电流的影响很小，因而共模抑制比很高。 （2）输出特性光电耦合器的输出特性是指在一定的发光电流IF下，光敏管所加偏置电压VCE与输出电流IC之间的关系，当IF=0时，发光二极管不发光，此时的光敏晶体管集电极输出电流称为暗电流，一般很小。当IF0时，在一定的IF作用下，所对应的IC基本上与VCE无关。IC与IF之间的变化成线性关系，用半导体管特性图示仪测出的光电耦合器的输出特性与普通晶体三极管输出特性相似。3.5.2可控硅BTA16一种以硅单晶为基本材料的P1、N1、P2、N2四层三端器件，创制于1957年，由于它特性类似于真空闸流管，所以国际上通称为硅晶体闸流管，简称可控硅T。又由于可控硅最初应用于可控整流方面所以又称为硅可控整流元件，简称为可控硅SCR。在性能上，可控硅不仅具有单向导电性，而且还具有比硅整流元件（俗称“死硅”）更为可贵的可控性。它只有导通和关断两种状态。可控硅能以毫安级电流控制大功率的机电设备，如果超过此频率，因元件开关损耗显著增加，允许通过的平均电流将降低，此时，标称电流应降级使用。可控硅的优点很多，例如：以小功率控制大功率，功率放大倍数高达几十万倍；反应极快，在微秒级内开通、关断；无触点运行，无火花、无噪音；效率高，成本低等等。可控硅的弱点：静态及动态的过载能力较差；容易受干扰而误导通。可控硅从外形上分类主要有：螺栓形、平板形和平底形。可控硅的管芯都是由P型硅和N型硅组成的四层P1N1P2N2结构。它有三个PN结（J1、J2、J3），从J1结构的P1层引出阳极A，从N2层引出阴级K，从P2层引出控制极G，所以它是一种四层三端的半导体器件。可控硅符号图如图3.8所示。图3.8可控硅符号图可控硅是P1、N1、P2、N2四层三端结构元件，共有三个PN结，分析原理时，可以把它看作由一个PNP管和一个NPN管所组成，其等效图解如图3.9所示。图3.9可控硅内部等效图由于BG1和BG2所构成的正反馈作用，所以一旦可控硅导通后，即使控制极G的电流消失了，可控硅仍然能够维持导通状态，由于触发信号只起触发作用，没有关断功能，所以这种可控硅是不可关断的。由于可控硅只有导通和关断两种工作状态，所以它具有开关特性。（a）反向特性当控制极开路，阳极加上反向电压时如图3.9所示，J2结正偏，但J1、J2结反偏。此时只能流过很小的反向饱和电流，当电压进一步提高到J1结的雪崩击穿电压后，接差J3结也击穿，电流迅速增加，图3.10的特性开始弯曲，如特性OR段所示，弯曲处的电压URO叫“反向转折电压”。此时，可控硅会发生永久性反向。图3.10阳极加反向电压（b）正向特性当控制极开路，阳极上加上正向电压时（见图3.11），J1、J3结正偏，但J2结反偏，这与普通PN结的反向特性相似，也只能流过很小电流，这叫正向阻断状态，当电压增加，特性发生了弯曲，弯曲处的是UBO叫：正向转折电压。图3.11阳极加正向电压3.5.3温度控制模块电路图温度控制模块电路主要由光电耦合器和可控硅组成，光电耦合器与单片机端口相连，可以根据端口信号的变化迅速做出反应。由于单片机的端口电压不足以驱动光电耦合器，故令其低电平触发，外加上拉电阻。与外部电阻炉相连的部分是可控硅，与光电耦合器配合输出，以弱电控制强电，控制电阻炉的开断频率，以达到加热目的。由主控单片机运算输出脉冲宽度可调的PWM波用于双向可控硅在1s内的导通和关断数从而调节输出给电炉的功率，这样使得温度稳定在设定值上。接线图如图3.12所示：图3.12温度控制模块电路图4.系统软件设计4.1系统主程序软件设计的主要思想是DS18B20温度检测，控制加热控制组件对温度（水温）进行恒定控制，并且将温度在LCD上显示。还可通过按键控制设定温度。主程序主系统初始化初始化DS18B20读取当前水温设定水温显示水温输出PWM方波NY温度差是否10控制算法开始要包括系统初始化、采样温度值、扫描键盘以及实时显示模块等。主程序的流程图如图4.1所示：图4.1主程序流程图4.2温度采集子程序通过DS18B20测量环境温度，将环境温度值转化为数字量送到AT89C52单片机中。再通过与设定温度比较对可控硅进行控制。温度采集的流程图如图4.2所示：DS18B20初始化跳过ROM温度转化指令匹配ROM读出温度指令读出温度值开始图4.2温度采集流程图4.3控制算法此系统不具备冷却装置，必须根据实际情况判断，温度不能存在超调现象，温度值必须要求从低到高逐渐逼近设定值。当设定温度和环境温度的差值小于10时，则跳入相应PWM值控制热阻进行加热。当设定温度和实际温度的差值大于10，电阻炉持续加热。当设定温度小于等于实际温度则立即停止加热。在表4.1中T表示设定温度与实际温度之差，t表示PWM一个周期内的低电平时间。控制算法如表4.1所示：表4.1控制算法表T（）t（ms）990088007700660055004400330022001505.Proteus软件仿真和调试5.1仿真说明当P1.5口输出高电平时电阻炉加热。当设定温度与环境温度之差大于10时为粗调，即电阻炉持续加热，无PWM控制；当设定温度与环境温度之差小于10时为微调，即电阻炉加热时受PWM控制。5.2仿真调试结果对各温度仿真结果如下：（1）环境温度18，设定温度30当差值大于10时，输出为高电平，电阻炉持续加热，如图5.1所示：图5.1仿真图一（2）环境温度21，设定温度30当差值小于10，控制算法开始起作用，由高电平部分控制加热，如图5.2所示：图5.2仿真图二（3）环境温度28，设定温度30当差值逐渐缩小，高电平时间减少，电阻炉功率降低，如图5.3所示：图5.3仿真图三（4）环境温度30，设定温度30当设定温度小于等于实际温度时，PWM输出低电平，电阻炉停止工作，如图5.4所示：图5.4仿真图四5.3软件仿真调试总结（1）设定温度与环境温度之差大于10时，电阻炉持续加热（2）设定温度与环境温度之差小于10时，单片机P1.5输出PWM方波控制适当降低电阻炉加热功率。（3）设定温度小于环境温度时，说明温度已超调，电阻炉停止工作。结论本设计以电阻炉为研究对象，基于单片机的温度控制系统。本温度控制系统按功能分主要包括温度传感器模块、数据处理模块、温度显示/设定模块和温度控制模块。温度传感器采用了数字式温度传感器DS18B20，对温度进行实时采样并将温度信号返回给单片机，形成闭环控制系统。系统可通过按键对电阻炉环境温度进行设定，单片机根据当前炉内温度和设定温度进行运算，控制输出宽度可调的PWM方波，并由此控制双向可控硅的导通和关断来调节电阻炉的加热功率，从而使环境温度迅速达到设定值并保持恒定。该系统设计过程主要包括了系统工作原理、硬件设计、软件设计、Proteus仿真及调试等详细地说明了系统从设计到实现的全过程。本系统在仿真调试中，运行稳定，参数正常，很好地实现了设计功能，很好地达到了预定目标。参考文献1 杨世兴郭秀才监测监控系统北京：中国电力出版社，2007.2 陈杰，黄鸿.传感器与检测技术.高等教育出版社，2002.3 姜太辉，邓展威.DS18B20数字式温度传感器的特性与应用J.电子技术，2003.4 DALLAS公司.DS18B20数据手册Z.5 Katsuhiko OgataModern Control EngineeringNew York: Publishing house of electronics industry, 2000.6 陈润泰、许琨检测技术与智能仪表长沙：中南工业大学出版社，1998.7 张毅刚.单片机原理及应用. 高等教育出版社，2003.8 刘君华.智能传感器系统M .西安：西安电子科技大学出版社，1999.9 陈明荧.8051单片机课程设计实训教材.清华大学出版社，2004.10 沈红卫.基于单片机的智能系统设计与实现.电子工业出版社，2005. 11 Richard c. 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