计算机控制课程设计之电烤箱资料.docx
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计算机控制课程设计之电烤箱资料
计算机控制技术课程设计
电烤箱温度控制系统设计
学生姓名
*******
学号
************
学院名称
************
专业名称
****************
指导教师
********
2012年
6月
18日
1概述1
1.1技术指标1
1.2控制方案1
2硬件部分设计2
2.1单片机电路设计2
2.1.1AT89C51单片机引脚功能3
2.1.2AT89C51单片机的并行I/O端口4
2.1.3AT89C51单片机时钟电路及时序4
2.1.4复位电路5
2.1.5AT89C51单片机的指令系统6
2.2传感器电路设计6
2.2.1传感器概述6
2.2.2传感器的基本特性6
2.2.3热电阻的测量电路及应用6
2.3A/D转换电路设计7
2.3.1逐次逼近型A/D转换器ADC08097
2.4放大器电路设计9
2.4.1直流放大器电路9
2.4.2运算放大器电路9
2.4.3集成运算放大器概述10
2.5键盘及显示电路的设计10
2.5.1键盘接口电路10
2.6抗干扰电路设计13
3软件部分设计15
3.1工作流程15
3.2功能模块15
3.3资源分配15
3.4功能软件设计15
3.4.1键盘管理模块15
3.4.2显示模块16
3.4.3温度检测模块17
3.4.4温度控制模块18
3.4.5温度越限报警模块19
3.4.6主程序和中断服务子程序20
4结论21
参考文献22
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.电烤箱为一封闭长方体结构，烤箱内尺寸：
0.8m×0.6m×0.4m，加热器件为-1kw（220v）电热丝。
b.当控制设定100℃时，从室温开始升温要求控制系统调节时间ts≤5分钟，超调量≤10%。
c.要求控制温度范围为50～200℃连续可调。
d.用数码管实时显示箱内温度
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
根据温度控制特点，本次设计采用AT89C51。
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，I\O接口电路及时钟电路等部分组成。
图2-2AT89C51单片机内部结构简化框图
2.1.1AT89C51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2-3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+5V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2-3单片机引脚图
I\O引脚共32根。
1．PO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。
2．P1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。
3．P2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
P3.0RXD串行口输入
P3.1TXD串行口输出
P3.2
外部中断0输入
P3.3
外部中断1输入
P3.4T0定时/计数器0计数输入
P3.5T1定时/计数器1输入
P3.6
片外RAM写选通信号（输出）
P3.7
片外RAM读选通信号（输出）
2.1.2AT89C51单片机的并行I/O端口
AT89C51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2-4I/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2-4I/O口位结构图
2.1.3AT89C51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：
一种是内部的方式，一种是外部的方式。
图2-5、2-6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2-5内部方式时钟电路图2-6外部方式时钟电路
2.1.4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单片机复位状态如下所示：
寄存器复位状态寄存器复位状态
PC0000HACC00H
B00HPSW00H
SP07HDPTR0000H
P0-P1OFFHIPXXX00000B
IE0XX00000BTMOD00H
TCON00HTL0、TL100H
TH0、TH100HSCON00H
SBUF不定PCON0XXX0000B
2.1.5AT89C51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2-7所示。
图2-7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。
2.2.2传感器的基本特性
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1K~3K,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2-8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2-8热电阻传感器的接线方式
四线式接法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
四线式测量方法比较麻烦，一般用于精度要求较高的场合。
2.3A/D转换电路设计
2.3.1逐次逼近型A/D转换器ADC0809
测温范围从50到200度,测温精度是正负1摄氏度,相当于1/150的精度,对于8为AD转换器的分辨率能达到1/256,所以必须选8位或以上的AD转换器。
逐次逼近型A/D转换器转换速度快，精度高。
ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。
它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。
因此选择逐次逼近型A/D转换器ADC0809。
1.ADC0809的内部逻辑结构（如图2-9）
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，其译码输出用于通道的选择。
8位A/D转换器是逐次逼近式，由控制时序电路，逐次逼近寄存器，树状开关以及其256R电阻下型网络等组成
输出锁存器用于存放和输出转换得到的数字量
2.ADC0809的引脚及各引脚功能
图2-9ADC0809内部逻辑结构图
ADC0809的引脚入各引脚双引直插式封装，其引脚排列见图2-9所示
各引脚功能如下：
1、INT—2NO：
8咱模拟量输入引脚，ADC0809对输入模拟量的要求主要有二信号的单极性，电压范围0~+5V；若信号过小还需要进行放大。
另外，在A/D转换的过种中，模拟量输入值不应变化太快，因此，对变化速度快模拟量在输入前应增加采样保持电路。
2、A、B、C:
地址线，A为低位地址，C为高位地址用于对模拟通道进行的选择。
3、ALE：
地址锁存允许信号，在对应ALE跳转，A、B、C地址状态送入地址的锁存器。
图2-10ADC0809引脚功能图
4、Vref：
参考电压正端参考电压用来与输入模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准，其曲型值为+5V（Vref（+）=+5V，Vref（-）=0）D、START：
转换启动信号。
START上跳转时，所有内部寄存器清0；START下跳转时，开始进行A/D转换；在A/D转换期间，START应保持低电平。
5、DT~D0：
数据输出线，其为三态缓冲输出形式，可以和单片机数据线直接相连。
6、DE：
输出允许信号，ADC0809的内部设有时钟电路，所需时钟，信号由外界提供，因此有时钟信号的引脚。
通常使用频率为500KHZ时钟信号。
7、Vcc：
+5电源
2.3.2AT89C51单片机与ADC0809接口
1）8路模拟通道选择:
A、B、C分别接地址锁存器提供的低三位地址。
只要把三位地址写入0809中的地址锁存器就实现了模拟通道选择。
对系统来说，地址锁存器是一个输出口，为了把三位地址写入，还要提供口地址。
2）数据的传输方式：
定时传输方式；查询方式；中断方式。
2.4放大器电路设计
传感器是将待测物理量或化学量转换成电信号的输出。
但其输出的信号通常的都很小，需要进行放大。
传感器信号的放大，根据具体情况可采用分立元件放大器（晶体管放大器）和集成元件放大器（运算放大器）。
2.4.1直流放大器电路
将缓慢直流量信号进行广大器件称直流放大器。
它与前述交流放大器的区别是交流放大器级与级之间加了三个隔离的直电流电容（即耦合电容）而直流放大器级与级之间没有这个电路，故直流放大器又称直接耦合放大器
2.4.2运算放大器电路
在直流差动放大器的输入端子输出端之间跨接各种网络（如电阻R1、电容C等），使构成用来实现信号组合和运算的运算放大器，运算放大器通常是由放大电路组成，输入级（第一级）由晶体管T1和T2组成差动放大镜电路T3和T4是T1和T2的有源负载。
T9是恒流源，第二级放大电路由晶体管T5和T6组成，T10是恒流源（T6的有源负载），为了获得输出阻抗，输出级（第三级）由晶体管T7和T8组成，采用互补对称放大电路。
运算放大器是一种具有高放大倍数，深度负反馈的直流放大器。
便于实现信号的组合和运算。
有很大灵活性，尤其在线性固体组件出现后，有具有体积小，质量轻等优点，所以在实际中应用固体组件运算放大器所组成的电路是多种多样的。
理想运算放大器的特性：
a.开环增益Ad无限大；b.输入阻抗无限大；c.输出阻抗Z为0；
图2-11运算放大器电路图
d.输入电压的失调电压rf为；e.带宽无限大；f.上述a—e的特性不随环境温度的变化而变化；
2.4.3集成运算放大器概述
在信号放大，信号的运算（加、法、乘、除、对数、反对数、平方、开方），信号的处理（滤波、调制）以及波形的产生和变换的单元中，运算放大器是它们的核心部分，由多级直接耦合放大电路组成，主要有，总体，偏置电路、单位增益转换、电平转移、恒流反馈、消振补偿等组成，主要参数有：
差模开环增益（或差模开环放大倍数）AUD、共模开环增益AUC、共模抑制比KCMR、输入失调电压Vi0失调电压温度系数aUi0=dUi0/dT\输入失调电流Ii0=I1-I，失调电流温度系数aI10=dI10/dT，单位增益宽带fBWG、转换速率Sr以及其他参数。
本次设计根据实际情况采用多级交流放大电路。
接线图见附图。
2.5键盘及显示电路的设计
2.5.1键盘接口电路
1.键盘的工作原理：
a.按键的确认：
在单片机应用系统中，按键都是以开关状态来设置控制功能或能入数据的，键的半合与否，反映在电压上就是呈高电平或低电平，如果高电平表示断开的话，那么低电平就是表示闭合，所以通过电平的高代状态的检测，使可以克认按键接下与否。
b.按键的抖动处理：
当按键被迫按下或释放时，通常伴随有一定的时间的触点机械抖动，然后其独占才稳定下来，抖动时间一般为5~10ms，在使用过程，必须去抖措施。
去抖有硬件和软件两种方法，硬件方法通常采用通过RS触发器连接按键除抖，软件方法采用昝方法除抖，其过程是在检测到有按键按下时，进行一个10ms左右的昝程序后，若该键仍保持闭合状态，则确认该键处于讨债状态，同理，在检测到该键释放后，也应珠步骤进行确认，从而可消除抖动的影响。
2.独立工按键：
独立式按键是直接用I/O口线构成的单个按键电路，其特点是每个按键单独占用一根I/O口线，每个按键的工作不会其他I/O口线的状态
3.矩阵式按键：
单片机系统中，若使用按键分明，通常采用矩阵式（也称行列式）键盘，如图2-12所示：
一个4*4的行列结构可以构成一个含有16个按键的键盘。
在矩阵式键盘中，行列式分别连接到按键开关的两端，行式通过二伴电阻接到+5V上，当无键按下时，行式于高电平状态，当有键按下时，行列式将贯通，此时
图2-12矩阵式键盘结构
行线电平，将由与此行线相连的列线电平决定，这是识别按键是否按下的关键，然而，矩阵键盘中的行线，列线和多个键相边，各按键按下与否均影响该键反在行线和死线的电平，各按键间将相互影响，因此必须将行线，列线信号配合起来作适应处理，才能确定闭合键的位置。
其中，矩阵式键盘有以下几种工作方式：
1）编程扫描方式：
编程扫描是CPU完成其他工作的空余时间，调用键盘扫描子程序来响应键盘输入的要求，在执行键功能程序时，CPU不再响应键输入要求，直到CPU重新扫描键盘为止。
键盘扫描程序一般应饫以下内容：
a.差别有无键按下降键盘扫描取得闭合键的行、列值；b.用计算法或查表法得到键值；c.判断闭合键是否释放，如释放则继续等待；d.将闭合键键号保存，同时转去执行该执行该闭合键的功能。
2）定时扫描方式：
定时扫描方式就是每隔一段时间对键盘扫描一次，它利用单片机内部的定时器产生一定时间定时，当定时时间到就产生定时溢出中断，CPU响应中断后对键盘进行扫描。
3）中断扫描方式：
为提高CPU工作效率，可采用中断扫描工作方式其工作过和如下：
当无键接下时，CPU处理自己的工作，当有键接下时产生中断请求，CPU转去执行键盘扫描子程序，并识别键号。
常用LED显示器有LED状态显示器（俗称发光二极管）LED七段显示器（俗称数码管和LED十六段显示器，发光二极管可显示两种状态，用于系统的显示；数码管用于数字的显示；LED十六段的显示器，用于字符显示）
A．数码管结构：
数码管由8个发光二极管（以下简称字段）构成，通过不同组合可用来显示数字0-9.字符A-F及小数点“.”。
数码管又分为共阴极和共阳极两种结构。
B.数码管工作原理:
共阳极数码管8个发光二级管的阳极（二极管正端）连接在一起。
通常会共阳极接高电平1,一般接电源1,当某个阴极接低电平时，则该数码管导通并点亮。
共阴极数码管8个发光二极管的阴极（二极管负端）连接在一起。
公共阴极接低电平（一般接地）当某个阳极接高电平，则该数码管并点亮。
C.静态显示接口:
静态显示是指数码管显示某一字符时，相应的发光二极管恒定导通或恒定截止。
这种显示方式各位数码管相互独立，公共端恒定接地（共阴极）获接正电源（共阳极）每个数码管的8个字段分别与一个8位I/O地址相连，I/O口只要有断码输出，相应字符即显示出来并保持不变直动I/O口输出新的端码采用静态显示的方式。
较小的电流即可获得较大亮度。
且占用CPU时间少编程简单，显示，便于检测和控制，但其占用口线多，硬件电路复杂、成本高，只适合于显示位数较少场合。
D.动态显示接口:
动态显示是一位一位地轮流点亮各位数码管。
这种逐位点亮显示方式称为位扫描。
通常各位数码管的段选线相应并联在一起由8位I/O口控制。
各位选线（公共阴极或阳极）有另外I/O口线控制。
动态方式显示时，各数码管分时轮流选通，要使稳定显示，必须采用扫描方式，即在某一时刻只选通一位数码管。
并送出相应端码，在另一位数码管并送出相应的端码。
依此规律循环，即可使各位数码管显示将要显示字符。
虽然这些字符是在不同时刻分别显示，但由于人眼存在视觉暂留效应，只要每位显示间隔足够短就可以给人以同时显示的感觉。
图2-13数码管与单片机接口
2.6抗干扰电路设计
随着强电弱电设备在通信计算机自动化等领域的广泛应用。
处于同一工作环境各种电子电气电路因距离过近而相互影响（耦合）形成电磁干扰（EMI）电磁干扰已成为现代电子电气工程设计和研究人员在设计过程中必须考虑问题。
一方面，这是由于当前电子技术正朝着高速、高灵敏度、高集程度方面的发展，增加了现代电子设备内部产生电磁干扰的可能性；另一方面，使用随着自动化技术装备的广泛使用，形成了电子设备和大功率强电设备在同一场合共存和使用的局面，恶化了电子电路工作的外部电磁环境。
因此，电磁干扰已成为许多电子设备与系统在环境正常操作运行主要障碍之一。
电池干扰由电磁干扰源发射经过耦合途径传输到被干扰设备（敏感设备）因此形成电磁干扰的要素有：
电磁干扰源、传输通到、敏感设备。
干扰的分类：
A.按干扰源分为自然干扰和人为干扰。
B.按噪声波形及性质分为持续正弦波干扰和浪涌脉冲波形干扰以及脉冲列干扰。
C.按干扰传输系统的方式分为共模干扰、差模干扰、传导耦合、感应耦合和辐射耦合。
单片机应用系统干扰源分为内部干扰源和外部干扰源。
其中内部干扰源主要来自于印制电路板的布局及布线。
本次设计采用硬件抗干扰技术中的屏蔽技术。
通过合理的硬件抗干扰措施，可以消除绝大部分电磁干扰。
应用硬件抗干扰措施是经常采用的一种方法。
硬件抗干扰技术是设计系统时首选的抗干扰措施，它能有效抑制干扰源，阻断干扰传输通道，只要合理地布置与选择有关的参数。
硬件抗干扰措施就能抑制系统的绝大部分干扰。
常用的硬件抗干扰技术措施有：
吸收技术、去耦技术、屏蔽技术、接地技术、隔离技术以及印制电路板布线技术。
3软件部分设计
3.1工作流程
烤箱在上电复位后先处于停止加热的状态，这时可以用“+1”键设定预置温度，显示器显示预定温度；温度设定好后就可以按启动键启动系统工作了。
温度检测系统不断定时检测当前温度，并送往显示器显示，达到预定值后停止加热并显示当前温度；当温度下降到下限（比预定值低2℃）时再启动加热。
这样不断重复上述过程，使温度保持在预定温度范围之内。
启动后不能再修改预置温度，必须按复位/停止键回到停止加热状态再重新设定的预置温度。
3.2功能模块
根据上面对工作流程的分析，系统软件可以分为以下几个功能模块：
a.键盘管理：
监测键盘输入，接收温度预置，启动系统工作；
b.显示：
显示设置温度及当前温度；
c.温度检测及温度值变换：
完成A/D转换及数字滤波；
d.温度控制：
根据检测到的温度控制电炉工作；
e.
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