基于.AT89C51单片机电烤箱地温度控制系统设计实现方案.doc

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1、基于单片机的电烤箱控制系统设计学生：XXX 指导教师：XX内容摘要：随着社会的不断发展，人们改造自然的能力也在不断的提高。机器的诞生，为我们减少了部分或者全部的脑力劳动和体力劳动。电子技术的诞生更是带来了翻天覆地的变化。机电控制系统成为机械技术与微电子技术集成的共性关键技术。人们通过它可以使机械完全按照自己的意愿来执行。随着机电控制技术的发展，主要体现出了单片机和 PLC 两种控制方式。本设计采用单片机控制。单片机在日常生活中的运用越来越广泛。温度控制在工业生产中经常遇到。从石油化工到电力生产，从冶金到建材，从食品到机械都要对温度进行控制.甚至在有些产品生产过程中温度的控制直接影响到产品的质量

2、。单片机温度控制无论是现在还是未来都会起到重要作用。本文介绍了以 AT89C51 单片机为核心的电烤箱温度控制系统。电烤箱的温度控制系统有两个部分组成：硬件部分和软件部分。其中硬件部分包括：单片机电路、传感器电路、放大器电路、转换器电路、以及键盘和显示电路。软件部分包括：主程序、运算控制程序、以及各功能实现模块的程序。文章最后对本设计进行了总结。对温度控制系统的发展提出了几点建议。关键词 ：单片机 温度 电烤箱 控制Single-chipSingle-chip basedbased onon thethe ovensovens temperaturetemperature controlcon

3、trol systemsystem designdesignAbstract:Abstract: With the continuous development of society, peoples ability to transform nature of the advance has been. The birth of the machine for us to reduce some or all of the mental and physical. The birth of electronic technology has brought even more earth-s

4、haking changes. Electrical and mechanical engineering control systems become integrated with the microelectronic technology common key technologies. People can make through its machinery in full accordance with the wishes of their own to implement. With the development of electrical and mechanical c

5、ontrol techniques, mainly reflecting the two types of single-chip computer and PLC control. The design uses a single-chip control. Single-chip microcomputer use in their daily lives more and more widely. Temperature control in industrial production are often encountered. Chemicals from oil to electr

6、icity production, Or even some products in the production process control of temperature directly affects the quality of the product. Single-chip temperature control both now and will play an important role in the future. This paper introduces the AT89C51 single-chip microcomputer as the core of the

7、 oven temperature control system. Hardware components which include: Single-chip circuit, sensor circuit, amplifier circuit, converter circuit, as well as the keyboard and display circuit. Software include: the main program, operator control procedures, as well as the realization of the functional m

8、odules of the program. Finally. Keywords:Keywords: Microcontroller Temperature Electric ovens Control目 录前 言.11 概 述.11.1 技术指标.11.2 控制方案.22 硬件部分设计.22.1 单片机电路设计.22.1.1 中央处理器 CPU.22.1.2 运算器 .32.1.3 AT89C51 单片机引脚功能.42.1.4 引脚功能.52.1.5 控制线 .62.1.6 AT89C51 单片机的存储器结构.62.1.7 AT89C51 单片机的并行 I/O 端口.62.1.8 AT89C

9、51 单片机时钟电路及时序 .72.1.9 复位电路.72.1.10 AT89C51 单片机的指令系统.82.2 传感器电路设计.82.2.1 传感器概述.82.2.2 传感器的基本特性.92.2.3 热电阻的测量电路及应用.102.3 A/D 转换电路设计.112.3.1 逐次逼近型 A/D 转换器 ADC0809.112.4 放大器电路设计.142.4.1 交流放大器电路 .142.4.2 直流放大器电路 .172.4.3 运算放大器电路 .172.4.4 集成运算放大器概述.182.5 键盘及显示电路的设计.182.5.1 键盘接口电路 .182.5.2 LED 显示器接口电路.202.

10、6 抗干扰电路设计.212.6.1 电磁干扰的形成因素.222.6.2. 干扰的分类.222.6.3 单片机应用系统电磁干扰控制的一般方法.222.6.4 硬件抗干扰措施 .223 软件部分设计.233.1 工作流程.233.2 功能模块.243.3 资源分配.243.4 功能软件设计 .243.4.1 键盘管理模块 .243.4.2 显示模块.273.4.3 温度检测模块 .293.4.4 温度控制模块 .303.4.5 温度越限报警模块.323.4.6 主程序和中断服务子程序.334 结 论.35附 录.37参考文献.38基于单片机的电烤箱控制系统设计前 言随着社会的不断发展，人们对机械的

11、应用也越来越广，进而人们对机械运动的控制要求亦越来越高。机电控制实现了以电气来控制机械。单片机的出现使机电控制技术突飞猛进。单片机出现的历史并不长，但发展迅猛。自 1975 年美国德克斯仪器公司首次推出8 位单片机 TMS-1000 后才开始快速发展。1976 年 9 月，美国 Intel 公司首次推出 MCS-48 系列 8 位单片机以后，单片机发展进入了一个新的阶段。1983 年 Intel 公司推出的MCS-96 系列、1987 年 Intel 公司又推出的 80C96 等位 16 位单片机。近年来各个计算机生产厂家已进入更高性能的 32 位单片机研制、生产阶段。单片机发展之快、品种之多

12、。其中最常用的主要有：AT89 系列单片机、AVR 单片机 Motorola 公司的 M68HC08 系列单片机以及 PIC 单片机。随着社会的发展，单片机的特点体现在体积小、可靠性高、使用方便等方面。根据温度控制的特点，本次设计采用 AT89C51 单片机为控制核心，采用数字 PID控制算法。实现对电烤箱的温度的控制。通过本次设计进一步详细说明单片机控制系统在社会生活中的应用。为以后进一步应用单片机系统提供帮助。1 概 述温度控制是工业生产过程中经常遇到的控制，有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品质量，因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。根据温度变化快慢的特点，并且控制

13、精度不易掌握等特点，本文电烤箱的温度控制为模型，设计了以 AT89C51 单片机为检测控制中心的温度控制系统。温度控制采用 PID 数字控制算法，显示采用 3 位 LED 静态显示。该设计结构简单，控制算法新颖，控制精度高，有较强的通用性。1.1 技术指标电烤箱的具体指标如下：a.电烤箱由 2 千瓦电炉加热，最高温度为 500。 b.电烤箱温度可预置，烤干过程恒温控制，温度控制误差小于或者等于2。c.预置时显示设定温度，烤干时显示实时温度，显示精确到 1。d.温度超出预置温度5时发声报警。e.对升降温过程的线性是没有要求的。1.2 控制方案产品的工艺不同，控制温度的精度也不同，因而所采用的控制

14、算法也不同。就温度控制系统的动态的特性来讲，基本上都是具有纯滞后的一阶环节，当系统精度及温控的线性性能要求较高时，多采用 PID 算法来实现温度的控制。本系统是一个典型的闭环控制系统。从技术指标可以看出，系统对控制精度的要求不高，对升降温过程的线性也没有要求，因此，系统采用最简单的通断控制方式，当烘干箱温度达到设定值时断开加热电炉，当温度降到低于某值时接通电炉开始加热，从而保持恒温的控制。2 硬件部分设计系统的硬件部分包括单片机电路、A/D 转换器、放大器、传感器、键盘及显示电路五大部分。其各部分连接关系如图 2-1 所示。图 2-1 电烤箱温度控制系统结构2.1 单片机电路设计随着社会发展，

15、单片机以其体积小、可靠性高、使用方便的特点在社会生活中达到广泛应用。根据温度控制特点，本次设计采用 AT89C51。以下对其进行详细介绍。AT89C51 单片机是美国 Intel 公司的 8 位高档单片机的系列。也是目前应用最为广泛的一种单片机系列。其内部结构简化框图如下所示。AT89C51 系列单片机主要有CPU、存储器，IO 接口电路及时钟电路等部分组成。2.1.1 中央处理器 CPUA/D 中央处理器 CPU 是单片机的核心。是计算机的控制指挥的中心。同一般微机的 CPU类似。AT89C51 单片机内部 CPU 包括控制器和运算器。如图 2.1.2-12.1.2 运算器AT89C51 运

16、算器电路以算术逻辑单元 ALU 为核心。有累加器 ACC、寄存器 B、暂存器 1、暂存器 2、程序状态寄存器 PSW 和布尔处理机共同组成。它主要完成数据的算术运算、逻辑运算、位变量处理和数据传输操作。运算结果的状态由程序寄存器 PSW 保存。A. 算术逻辑单元 ALU 与累加器 ACC、寄存器 B算术逻辑单元 ALU 不但能完成 8 位二进制的加、减、乘、除等算数的运算。而且还能对 8 位变量进行逻辑“与” “或” “异或”循环位移等逻辑的运算。累加器 ACC(简称累加器 A) 为一个 8 位寄存器，它是 CPU 中使用最频繁寄存器。专门存放操作数或运算结果。图 2.1.2-1 AT89C5

17、1 单片机内部结构简化框图B程序状态寄存器程序状态寄存器 PSW 是一个 8 位的状态寄存器。用于存放标志的寄存器。用于存放指令执行后的状态，以供程序查询和判别。PSW 各位的状态通常是在指令执行的过程中自动设置。但可以由用户根据需要指令加以改变。状态寄存器共有进位标志位 CY、辅助进位标志位（或称半进位）AC、用户自定义标志位 F0、工作寄存器组选择位RS1、RS0、溢出标志位 OV、奇偶标志位 P.C. 控制器控制部件是单片机的神经中枢。它包括程序计数器 PC、指令寄存器 IR、指令译码器 ID、数据指针 DPTR、堆栈指针 SP、缓冲器和定时器控制电路。它先以主振频率为基准发出 CPU

18、的时序对指令进行译码，然后发出各种控制信号。完成一系列定时控制微操作。用来协调单片机各部分的正常工作。2.1.3 AT89C51 单片机引脚功能AT89C51 系列单片机的封装形式有两种：一种是双列直插方式的封装；另一种是方形的封装。AT89C51 单片机 40 个引脚及总线结构图如下所示。其 CMOS 工艺制造的低地功耗芯片也有采用方形的封装。但为 44 个引脚，其中 4 个引脚是不使用的。由于at89C51 单片机是高性能的单片机。同时受到引脚数目的限制，所以有部分引脚具有第二功能。如图 2.1.3-1 单片机引脚图。a.主电源引脚主电源引脚两根：VCC 接+5V 电源正端；VSS 接+5

19、V 电源地端。b.外接晶体引脚两根XTAL1:接外部石英体和微调电源一端。XTAL2:接外部晶体和微调电容另一端。其中，对用外部时钟时，对于 HMOS 单片机,XTAL1 脚接地，XTAL2 脚作为外部振荡信号输入端。对 CHMOS 单片机 XTAL1 脚作为外部振荡信号的输入端，XTAL2 脚空不接。图 2.1.3-1 单片机引脚图2.1.4 引脚功能IO 引脚共 32 根。APO 口：P0.0-P0.7 统称为 PO 口是 8 位双向 I/O 口线。P0 口即可作为地址/数据总线使用，又可作为通用的 I/O 口线。在不接片外存储器与不扩展 I/O 口时，可作为准双向输入/输出口。在接有片外

20、存储器或扩展 I/O 时，P0 口分时复用为低 8 位地址总线和双向数据的总线。BP1 口：P1.0-P1.7 统称为 P1 口。是 8 位准双向 I/O 口线。P1 口作为通用 I/O口使用。CP2 口：P2.0-P2.7 统称为 P2 口。是 8 位准双向 I/O 口线。P2 口即可作为通用的 I/O 口使用。也可作为片外存储器的高 8 位地址线。与 P0 口组成 16 位片外存储器单元地址。P3 口的第二功能如下表所示：P3 口的第二功能P3.0 RXD 串行口输入P3.1 TXD 串行口输出P3.2 0IM外部中断 0 输入P3.3 1IM外部中断 1 输入P3.4 T0 定时/计数器

21、 0 计数输入P3.5 T1 定时/计数器 1 输入P3.6 WR 片外 RAM 写选通信号（输出）P3.7 RD 片外 RAM 读选通信号（输出）2.1.5 控制线控制线共四根。A：ALE/PROG 地址锁存有效信号输出率。B：PSEN 片外程序存储器读选通信号输出端低电平有效。C：RST/VPD 复位信号备用电源输入信号。D：EA/VPP 片外程序存储器选用端。2.1.6 AT89C51 单片机的存储器结构AT89C51 单片机的存储器物理结构上分为片内数据存储器、片内程序存储器、片外数据存储器和片外程序存储器等 4 个存储空间。2.1.7 AT89C51 单片机的并行 I/O 端口AT8

22、9C51 单片机有 4 个 8 位并行 I/O 端口（P0、P1、P2、P3）每个端口都各有 8条 I/O 口线，每条 I/O 口线都独立地用作输入输出，在具有片外扩展存储器的系统中，P2 口送出高 8 位地址，P0 口分时送出低 8 位地址和 8 位数据。各端口的功能不同，结构上也有差异，但是每个端口的 8 位结构是完全相同的。如图 2.1.7-1 I/O 口位结构图所示。a.P0 口，P0 口是一个三态双向口，可作为地址/数据分时复用口，也可作为通用I/O 接口。b.P1 口，P1 口为准双向口，它在结构上与 P0 口的区别在与输出驱动部分。其输出驱动部分由场效应管 V1 与内部上拉电阻组

23、成，当某位输出高电平时，可以提供上拉电流负载，不必像 P0 口上那样需要外接上拉电阻。c.P2 口，P2 口也为准双向口。其具有通用 I/O 接口或高 8 位地址总线输出两种功能，所以其输出驱动结构比 P1 口输出驱动结构多了一个输出模拟转换开关 MUX 和反相器 3。d.P3 口 P3 口的输出驱动由与非门 3 和 V1 组成，比 P0、P1、P2 口结构多了一个缓冲器 4。P3 口除了可为通用准双向 I/O 接口外，每一根线还具有第二功能。图 2.1.7-1 I/O 口位结构图2.1.8 AT89C51 单片机时钟电路及时序a.时钟电路AT89C51 单片机的时钟信号通常有两种方式产生：一

24、种是内部的方式，一种是外部的方式。图 2.1.8-1、2.1.8-2 所示。b.时序AT89C51 单片机指令字节数和机器周期数可分为六类。即单字节单机器周期指令、单字节双机器周期指令、单字节四机器周期指令、双字节单机器指令、双字节双机器周期指令和三字节双机器周期指令。图 2.1.8-1 内部方式时钟电路 图 2.1.8-2 外部方式时钟电路2.1.9 复位电路复位是通过某种方式，使单片机内各寄存器的值变为初值状态操作，AT89C51 单片机在时钟电路工作以后，在 RST/VPD 端持续给出两个机器周期的高电平就可以完成复位操作。复位分为上电复位和按键手动复位两种方式。AT89C51 单片机复

25、位状态如下所示：寄存器 复位状态 寄存器 复位状态PC 0000H ACC 00HB 00H PSW 00HSP 07H DPTR 0000HP0-P1 OFFH IP XXX00000BIE 0XX00000B TMOD 00HTCON 00H TL0、TL1 00HTH0、TH1 00H SCON 00HSBUF 不定 PCON 0XXX0000B2.1.10 AT89C51 单片机的指令系统控制计算机与操作指令是一组二进制编码，称之为机器语言。计算机只能识别和执行机器语言指令。AT89C51 单片机指令与指令系统共有 111 条指令，从功能上可分成数据传输类指令、算术运算指令、逻辑运算和

26、移位指令、程序控制转移类指令和位操作指令五大类。2.2 传感器电路设计2.2.1 传感器概述根据国家标准，传感器定义是：能感受规定的被测量并按照一定得规律转换成可用输出信号器件或装置。传感器一般由敏感元件，转换元件和转换电路三部分组成。其组成框图如 2.2.1-1所示。图 2.2.1-1 传感器组成框图敏感元件：它是直接感受被测量并输出与被测量成确定关系某一种量的元件。转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。转换电路，上述电路参数接入转换电路，便可转换成电量输出。传感器按其工作原理可分为物理传感器、化学传感器、生物传感器。物理传感器是利用某些变换元件的物理性质，及某些动作

27、功能材料的特殊物理性能制成的传感器。化学传感器是利用电化反应的原理，把无机和有机化学物质成分。浓度等转换为电信号传感器。生物传感器是一种利用生物活性物质的选择性来识别和测定生物化学物质传感器。随着科学技术发展和社会进步的需要，推动着传感器技术的迅速发展。目前传感器技术的发展方向主要有开发新型传感器、开发新材料、采用新工艺、集成化多功能化与智能化等几个方面。2.2.2 传感器的基本特性根据被测量的变化状态，可以把传感器输入量分为静态量和动态量两大类。静态量指传感器的输入量位程序状态信号或变化及其缓慢的准静态信号；动态量指传感器的输入量为周期信号、瞬变信号或随机信号等时间变化的信号。其中，传感器的

28、静态特性是指传感器在被测量处于稳定状态下的输出输入关系。传感器的静态特性是在静态标准工作条件测定的。衡量传感器静态静态特性的主要技术指标有量程、线性度、迟滞、重复性、灵敏度、漂移。传感器的动态特性是指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。A.传感器的技术性能指标及改善性能途径传感器技术性能指标传感器动态性能指标量程指标：包括测量范围、过载能力。灵敏度指标：包括灵敏度、分辨力、满量程输出、输出输入阻抗。A. 精度有关指标：包括精度（误差） 、重复性、线性、滞后、灵敏度误差、阀值稳定性、 、漂移。B. 动态性能指标：包括固有频率阻尼系数、时间常数、频响范围、频率特性、临界频率、临界速度、稳定时间。

29、C. 环境参数指标a.温度指标包括工作温度范围、温度误差、温度漂移、温度系数、热滞后。b.抗冲击振动指标：包括各向冲击振动的频率、振幅、加速度、冲击振动引入的误差。c.其他环境参数：包括抗潮湿、抗介质腐蚀能力、抗电磁场干扰能力。C.可靠性指标：包括工作寿命，平均故障时间、保险期、疲劳性能、绝缘电阻耐压弧性能。D其他指标：a使用方面：包括供电方式、电压幅度与稳定性功能、各项分布参数。b结构方面：名手外形尺寸质量、壳体材质、结构特点。c. 要装连接方面：包括安装方式、馈成、电缆。改善传感器性能的技术途经：a差动技术 b.平均技术 c.零示法和微差法 d.闭环技术 e.屏蔽隔离子干扰抑制 f.补偿修

30、正技术 g.稳定性处理。根据本设计要求选用热电式传感器。将被测量变化转换成热生电动势传感器称热电式传感器、热电式传感器可将温度及温度相关的信号转化为电量输出、热电式传感器有热电阻、热敏电阻、热电效方式等各种类型。根据电烤箱特点采用热电阻传感器。热电阻利用金属导体的电阻值随温度升高而增大的特性来来进行了温度测量的，常用测量范围为-20。C +150。C。随着其技术的发展，其测温范围也不断扩大，低温已可测量 1K3K,高温则可测量+1000。C +1300。C 热电阻力传感器的主要优点有：A.测量精度高，热电阻材料电阻温度特性稳定，重复性好， 不存在热电偶参比端误差问题；B.测量范围较宽，尤其在低

31、温的方面；C.易于在自动测量或远距离测量中的使用；常用的热电阴材料有铂、铜、镍、铁等。2.2.3 热电阻的测量电路及应用热电阻常用接入电桥使用引出线有两、三线式和四线式三种形式。采用两线式接法时（如图 2.2.3-1 所示 Rt 的接法）引出的导线接于电桥的一个臂上，当由于环境温度或通以电流引起导成温度变化时，将产生附加的电阻、引起测量误差，所以，当热电阻值较小时，常采用三线式、四线式接法，以消除接线电阻和引线电阻影响。三线式接法是将两条具有相同温度特性的导成接于相邻两桥臂上，此时由于附加电阻引起电阻变化是相同的，根据电桥特性，电桥输出将互相抵消。图 2.2.3-1 热电阻传感器的接线方式四线

32、式接法 R2=R3 为固定电阻，R1 可调，热电阻 Rt,通过电阻为 r1、r2、r3、r4的四要导线和电桥连接，r1、r4 分别串联在相邻两桥臂内，r2、r3 与电源去路串联，将开关接通，调节 R1 使电桥平衡，则：R1+r1=Rt+r4再将开关接通 B，重新调整 R1，使电桥达到新的平衡，则：R1+r1=Rt+r1两式相加得：Rt=2 11RR 四线式测量方法比较麻烦，一般用于精度要求较高的场合。2.3 A/D 转换电路设计2.3.1 逐次逼近型 A/D 转换器 ADC0809a.ADC0809 的内部逻辑结构（如图 2.3.1-1）如图，多路开关可达通讯员 89 模拟通道，允许 8 路模拟量分时输入，共用一个A/D 转换器进行转换。地址锁存与译码电路完成对 A、B、C 三个地址供进行锁存和译码，其译码输