基于单片机的烘箱温度控制器设计.docx

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基于单片机的烘箱温度控制器设计

基于单片机的烘箱温度控制器设计

1.项目概述…………………………………………………………1

1.1.该设计的目的及意义………………………………………1

1.2.该设计的技术指标…………………………………………2

2.系统设计…………………………………………………………3

2.1.设计思想……………………………………………………3

2.2.方案可行性分析……………………………………………4

2.3.总体方案……………………………………………………5

3.硬件设计…………………………………………………………6

3.1.硬件电路的工作原理………………………………………6

3.2.参数计算……………………………………………………7

4.软件设计…………………………………………………………8

4.1.软件设计思想………………………………………………8

4.2.程序流程图…………………………………………………9

4.3.程序清单……………………………………………………10

5.系统仿真与调试…………………………………………………11

5.1.实际调试或仿真数据分析…………………………………11

5.2.分析结果……………………………………………………13

6.结论………………………………………………………………12

7.参考文献…………………………………………………………13

8.附录………………………………………………………………14

1.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220VAC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：

（2）闭环回路系统

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4kBEPROM。

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Vss

Vcc（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XTAL2

XTAL1（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（MS—52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）：

P3.0～P3.7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

P1.0RXD（串行口输入端）

P1.1TXD（串行口输出端）

P1.2INT0（外部中断0请求输入端，低电平有效）

P1.3INT1（外部中断1请求输入端，低电平有效）

P1.4T0（定时器/计数器0计数脉冲端）

P1.5T1（定时器/计数器1计数脉冲端）

P1.6WR（外部数据存储器写选通输出端，低电平有效）

P1.7RD（外部数据存储器读选通输出端，低电平有效）

3.1．2.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：

3.0～5.5V，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－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃

1.5.可编程的分辨率为9～12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2DS18B20高速暂存器

序号

寄存器名称

作   用

序号

寄存器名称

作   用

0

1

2

3

温度低字节

温度高字节

TH/用户字节1

HL/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、5

6

7

8

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5KΩ左右的上拉电阻。

DS18B20有六条控制命令，如表4所示：

表4DS18B20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

44H

BEH

4EH

48H

B8H

B4H

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CPU

CPU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。

3.1．4.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-55°C～+125°C，测温分辨率可达0.0625°C，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。

3.1．4.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（QA－QH）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口相连；S3为温度值减1按键，与单片机的P0.1口相连。

当没有键按下时，单片机与之相连的输入口线为高电平，当任何一个按键按下时，与之相连的输入口线被置为低电平，产生外中断条件，在中断服务程序中读取键盘值。

温度设置电路如图7所示。

开关作用

S2温度设置加1键

S3温度设置减1键

S4功能转换键，按下LED显示温度设定值，不按，LED显示实时温度

3.1.6.控制电路

控制电路与单片机的P0.6口相连，由于单片机输出控制信号非常微弱，需要用三极管来驱动外围电路，三极管选用NPN型的，当检测温度低于设定温度时，在单片机的P0.6口输出高电平控制信号，使三极管导通，使继电器两控制端产生压差，从而使继电器吸合，常开触点接通，控制外部电路对锅炉进行加热；当检测温度高于设定温度时，单片机输出低电平信号，三极管截止，继电器不吸合，外部电路停止加热。

控制电路电路图如图所示。

3.2．参数计算

4.软件设计

4.1．软件设计思想：

纵观硬件设计，可以知道，主程序在执行过程中要调用五个子程序，分别是温度采集程序，键盘处理程序，数码管显示程序，温度处理程序和数据存储程序：

（1）温度采集程序：

对温度传感器送过来的数据进行处理，进行判别和显示。

（2）键盘处理程序：

实现键盘的输入案件的识别以及相关处理。

（3）数码管显示程序：

向数码管的显示送数据，控制系统的显示部分。

（4）温度处理程序：

对采集的温度和设置的上下限进行比较，做出判断，并由二极管和指示灯输出。

（5）数据存储程序：

对键盘的设置的数据进行存储。

4.2.程序流程图：

系统框图

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