基于单片机的烘箱温度控制器设计.doc

基于单片机的烘箱温度控制器设计目录1. 项目概述11.1. 该设计的目的及意义11.2. 该设计的技术指标22. 系统设计32.1. 设计思想32.2. 方案可行性分析42.3. 总体方案53. 硬件设计63.1. 硬件电路的工作原理63.2. 参数计算74. 软件设计84.1. 软件设计思想84.2. 程序流程图94.3. 程序清单105. 系统仿真与调试115.1. 实际调试或仿真数据分析115.2. 分析结果136. 结论127. 参考文献138. 附录141. 项目概述：1.1该设计的目的及意义温度的测量及控制，随着社会的发展，已经变得越来越重要。而温度是生产过程和科学实验中普遍而且重要的物理参数，准确测量和有效控制温度是优质，高产，低耗和安全生产的重要条件。在工业的研制和生产中，为了保证生产过程的稳定运行并提高控制精度，采用微电子技术是重要的途径。它的作用主要是改善劳动条件，节约能源，防止生产和设备事故，以获得好的技术指标和经济效益。而本设计正是为了保证生产过程的稳定运行并提高控制精度，采用以51系列单片机为控制核心，对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标。通过本设计的实践，将以往学习的知识进行综合应用，是对知识的一次复习与升华，让以往的那些抽象的知识点在具体的实践中体现出来，更是对自己自身的挑战。1.2该设计的技术指标设计并制作一个基于单片机的温度控制系统，能够对炉温进行控制。炉温可以在一定范围内由人工设定，并能在炉温变化时实现自动控制。若测量值高于温度设定范围，由单片机发出控制信号，经过驱动电路使加热器停止工作。当温度低于设定值时，单片机发出一个控制信号，启动加热器。通过继电器的反复开启和关闭，使炉温保持在设定的温度范围内。（1） 1KW 电炉加热(电阻丝)，最度温度为120(软件实现)（2） 恒温箱温度可设定，温度控制误差2（软件实现PID）（3） 实时显示温度和设置温度，显示精度为1(LED)。（4） 温度超过设置温度5，发出超限报警，升温和降温过程不作要求。（5） 升温过程采用PID算法， 控制器输出方式为PWM输出方式，降温采用自然冷却。（6） 功率电路220 VAC供电，强弱电气电隔离2. 系统设计2.1. 设计思想以87C51单片机为整个温度控制系统的核心，为解决系统出现一时的死机的问题，需构建复位电路，来重新启动整个系统。要想控制温度，首席必须能够测量温度，就需要一温度传感器，将测量得到的温度传给单片机，经单片机处理后，去控制继电器等器件实现电炉的断与通来达到温度期望值，当温度超过设定上下限值时，可以通过中断信号，控制指示灯的亮灭，来提醒温度过高或过低，以便采取必要的措施，来阻断或导通电炉进行加热或者冷却，以使温度保持在设定值，更可以通过LED显示设定值和温度实时值，可以设定一功能键，来切换是显示设定值还是温度实时值，另外如果想更改设定温度值，可以通过设定加减键来实现温度设定值的增减，而温度的控制过程可以通过软件编程实现最优控制，比如PID算法。2.2. 可行性方案分析实现温度控制的方法主要有以下几种。1.方案一：采用纯硬件的闭环控制系统。该系统的优点在于速度较快，但可靠性比较差控制精度比较低、灵活性小、线路复杂、调试、安装都不方便。且要实现题目所有的要求难度较大。2.方案二：FPGA/CPLD或采用带有IP内核的FPGA/CPLD方式。即用FPGA/CPLD完成采集，存储，显示及A/D等功能，由IP核实现人机交互及信号测量分析等功能。这种方案的优点在于系统结构紧凑，可以实现复杂的测量与与控制，操作方便；缺点是调试过程复杂，成本较高。3. 方案三：单片机与高精度温度传感器结合的方式。即用单片机完成人机界面，系统控制，信号分析处理，由前端温度传感器完成信号的采集与转换。这种方案克服了方案一、二的缺点，所以本课题任务是基于单片机和温度传感器实现对温度的控制。 2.3. 总体方案（1）系统结构框图：显示模块（LED）键盘模块（输入）80C51单片机温度传感器DS18B20报警电路（蜂鸣器或者指示灯）被控对象温度控制电路复位电路（2）闭环回路系统输出温度被控对象晶闸管主电路驱动电路87C51单片机给定值采 样 电 路3.硬件设计3.1.硬件电路的工作原理3.1.1单片机选择单片机是整个控制系统的核心，要满足大内存、高速率、通用性、价格便宜等要求，本设计选择87C51作为主控芯片。 87C51是INTEL公司MCS-51系列单片机中基本型产品，它采用INTEL公司可靠的CHMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的体系结构和指令系统。它结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征，是80C51BH的EPROM版本，电改写光擦除的片内4kB EPROM。87C51内置中央处理单元、128字节内部数据存储器RAM、32个双向输入/输出(I/O)口、2个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。快速脉冲编程，如编写4kB片内ROM仅需12秒。此外，87C51还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。掉电模式下，保存RAM数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。87C51有PDIP和PLCC两种封装形式。 单 片 机 87C51 引 脚 图主要功能特性： 标准MCS-51内核和指令系统 4kB内部ROM（外部可扩展至64kB） 32个可编程双向I/O口 128x8bit内部EPRAM(可扩充64kB外部存储器) 2个16位可编程定时/计数器 时钟频率0-16MHz 5个中断源 5.0V工作电压 可编程全双工串行通信口 布尔处理器 2层优先级中断结构 电源空闲和掉电模式 快速脉冲编程 2层程序加密位 PDIP和PLCC封装形式 兼容TTL和CMOS逻辑电平(1)电源引脚Vcc和VssVcc（40脚）：接+5V电源正端；Vss（20脚）：接+5V电源正端。(2)外接晶振引脚XTAL1和XTAL2XTAL1（19脚）：接外部石英晶体的一端。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该引脚接地；对于CHOMS单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端。XTAL2（18脚）：接外部晶体的另一端。在单片机内部，接至片内振荡器的反相放大器的输出端。当采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端。对于CHMOS芯片，该引脚悬空不接。(3)控制信号或与其它电源复用引脚有RST/VPD、ALE/P、PSEN和EA/VPP等4种形式。RST/VPD（9脚）：RST即为RESET，VPD为备用电源，所以该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。当单片机振荡器工作时，该引脚上出现持续两个机器周期的高电平，就可实现复位操作，使单片机复位到初始状态。当VCC发生故障，降低到低电平规定值或掉电时，该引脚可接上备用电源VPD（+5V）为内部RAM供电，以保证RAM中的数据不丢失。ALE/ P （30脚）：当访问外部存储器时，ALE（允许地址锁存信号）以每机器周期两次的信号输出，用于锁存出现在P0口的地址信号。PSEN(29脚):片外程序存储器读选通输出端,低电平有效。当从外部程序存储器读取指令或常数期间，每个机器周期PESN两次有效，以通过数据总线口读回指令或常数。当访问外部数据存储器期间，PESN信号将不出现。EA/Vpp（31脚）：EA为访问外部程序储器控制信号，低电平有效。当EA端保持高电平时，单片机访问片内程序存储器4KB（MS52子系列为8KB）。若超出该范围时，自动转去执行外部程序存储器的程序。当EA端保持低电平时，无论片内有无程序存储器，均只访问外部程序存储器。对于片内含有EPROM的单片机，在EPROM编程期间，该引脚用于接21V的编程电源Vpp。(4)输入/输出（I/O）引脚P0口、P1口、P2口及P3口P0口（39脚22脚）：这8条引脚有两种不同功能，分别适用于两种不同情况。第一种情况是89S51不带片外存储器，P0口可以作为通用I/O口使用，P0.0-P0.7用于传送CPU的输入/输出数据。第二种情况是89S51带片外存储器，P0.0-P0.7在CPU访问片外存储器时用于传送片外存储器的低8位地址，然后传送CPU对片外存储器的读写数据。 P1口（1脚8脚）：这8条引脚和P0口的8条引脚类似，P1.7为最高位，P1.0为最低位。当P1口作为通用I/O口使用时，P1.0-P1.7的功能和P0口的第一功能相同，也用于传送用户的输入和输出数据。 P2口（21脚28脚）：这组引脚的第一功能和上述两组引脚的第一功能相同，既它可以作为通用I/O口使用。它的第二功能和P0口引脚的第二功能相配合，用于输出片外存储器的高8位地址。 P3口（10脚17脚）：P3.0P3.7统称为P3口。它为双功能口，可以作为一般的准双向I/O接口，也可以将每1位用于第2功能，而且P3口的每一条引脚均可独立定义为第1功能的输入输出或第2功能。单片机P3口管脚第2功能引脚 第二功能P1.0 RXD(串行口输入端)P1.1 TXD(串行口输出端)P1.2 INT0(外部中断0请求输入端，低电平有效)P1.3 INT1(外部中断1请求输入端，低电平有效)P1.4 T0（定时器/计数器0计数脉冲端）P1.5 T1（定时器/计数器1计数脉冲端）P1.6 WR（外部数据存储器写选通输出端，低电平有效）P1.7 RD（外部数据存储器读选通输出端，低电平有效）3.12.温度传感器的选择本系统采用DALLAS半导体公司生产的一线式数字温度传感器DS18B20采集温度数据，DS18B20属于新一代适配微处理器的智能温度传感器,可广泛用于工业、民用、军事等领域的温度测量及控制仪器、测控系统和大型设备中。它具有体积小，接口方便，传输距离远等特点。1、 DS18B20的主要特性1.1. 适应电压范围更宽，电压范围：3.05.5V，在寄生电源方式下可由数据 线供电1.2. 独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可 实现微处理器与DS18B20的双向通讯1.3. DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在 形如一只三极管的集成电路内1.4. 温范围55125，在-10+85时精度为0.51.5.可编程的分辨率为912位，对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125和0.0625，可实现高精度测温1.6. 在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快1.7. 用户可分别设定各路温度的上、下限2、 DS18B20的外形和内部结构DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的外形及管脚排列如下图DS18B20引脚定义： (1)DQ为数字信号输入/输出端； (2)GND为电源地； (3)VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。 DS18B20内部结构图3、 DS18B20工作原理 DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s减为750ms。 DS18B20测温原理如图3所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图3中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。图3： DS18B20测温原理框图表2 DS18B20高速暂存器序号寄存器名称作 用序号寄存器名称作用0123温度低字节温度高字节TH/用户字节1HL/用户字节2以16位补码形式存放以16位补码形式存放存放温度上限存放温度下限4、5678保留字节1、2计数器余值计数器/CRC以12位转化为例说明温度高低字节存放形式及计算：12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个高低两个8位的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才能得到实际温度。表3 温度高低字节存放形式高8位 S S S S S 26 25 24 低8位 23 22 21 20 2-1 2-2 2-3 2-4 在硬件上，DS18B20与单片机的连接有两种方法，一种是Vcc接外部电源，GND接地，I/O与单片机的I/O线相连；另一种是用寄生电源供电，此时UDD、GND接地，I/O接单片机I/O。无论是内部寄生电源还是外部供电，I/O口线要接5K左右的上拉电阻。 DS18B20有六条控制命令，如表4所示：表4 DS18B20控制命令指 令约定代码操 作 说 明温度转换读暂存器写暂存器复制暂存器重新调E2RAM读电源供电方式44HBEH4EH48HB8HB4H启动DS18B20进行温度转换读暂存器9个字节内容将数据写入暂存器的TH、TL字节把暂存器的TH、TL字节写到E2RAM中把E2RAM中的TH、TL字节写到暂存器TH、TL字节启动DS18B20发送电源供电方式的信号给主CPUCPU对DS18B20的访问流程是：先对DS18B20初始化，再进行ROM操作命令，最后才能对存储器操作，数据操作。DS18B20每一步操作都要遵循严格的工作时序和通信协议。如主机控制DS18B20完成温度转换这一过程，根据DS18B20的通讯协议，须经三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。4. 温度传感器DS18B20的引脚3.1.3 单片机控制模块控制模块是整个设计方案的核心，它控制了温度的采集、处理与显示、温度值的设定与温度越限时控制电路的启动。本控制模块由单片机AT89S51及其外围电路组成。（1） 复位和时钟脉冲电路该电路采用按键加上电复位，S1为复位按键，复位按键按下后，复位端通过小电阻R1与电源接通,迅速放电,使RST引脚为高电平,复位按键弹起后,电源通过大电阻对电容C3重新充电,RST引脚端出现复位正脉冲.87C51内部有一个高增益反相放大器,用于构成振荡器,但要形成时钟脉冲,外部还需附加电路,本设计采用内部时钟方式,利用芯片内部的振荡器,然后在引脚XTAL1和XTAL2两端跨接晶体振荡器,就构成了稳定的自激振荡器,发出的脉冲直接送入内部时钟电路,C1和C2的值通常选择为30pF左右,晶振Y选择12MHz.为了减小寄生电容,更好地保证振荡器稳定、可靠地工作，振荡器电容应尽可能安装得与单片机引脚XTAL1和XTAL2靠近。3.14. 温度数据采集模块温度由DALLAS 公司生产的一线式数字温度传感器DS18B20 采集。DS18B20 测温范围为-55C+125C，测温分辨率可达0.0625C，被测温度用符号扩展的16 位补码形式串行输出。CPU 只需一根端口线就能与诸多DS18B20 通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。本设计采用三引脚PR-35封装的DS18B20，其引脚图见图3。Vcc接外部+5V电源，GND接地，I/O与单片机的P3.4（T0）引脚相连。3.14. 显示模块显示部分采用LED静态显示方式，共阴极的数码管的公共端COM连接在一起接地，每位的段选线与74HC164的8位并口相连，只要在该位的段选线上保持段选码电平，该位就能保持相应的显示字符，考虑到节约单片机的I/O资源，因而采用串行接口方式，外接8位移位寄存器74HC164构成显示电路，电路如图5所示。74HC164的逻辑功能介绍如下：当清除端（CLEAR）为低电平时，输出端（QAQH）均为低电平。 串行数据输入端（A，B）可控制数据。当 A、B 任意一个为低电平，则禁 止新数据输入，在时钟端（CLOCK）脉冲上升沿作用下 Q0 为低电平。当 A、B 有一个为高电平，则另一个就允许输入数据，并在 CLOCK 上升沿作用下决定 Q0 的状态。真值表如表5所示。在单片机的TXD（P3.1）运行时钟信号，将显示数据由RXD（P3.0）口串行输出至74HC164的A、B端。3.1.5. 温度设置模块温度设置部分采用独立式按键，S4为温度值加1按键，与单片机的P0.0