电烤箱温度计算机控制系统设计.docx

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电烤箱温度计算机控制系统设计

1.1技术指标....................................................................................2

2.1.1AT89C51AT89C51单片机引脚功能........。

..........................................5

2.1.2AT89C51单片机时钟电路及时序.....................................................5

2.1.3AT89C51单片机复位电路.............................................................5

2.2.1温度传感器.............................................................................8

2.2.2变送器..................................................................................8

2.3温度控制电路设计..........................................................................8

3.4.3温度检测模块.........................................................................18

3.4.4温度控制模块.........................................................................19

3.4.5警告模块..............................................................................19

3.4.6主程序模块...........................................................................20

4.1本次温度控制系统设计中存在的问题及其解决方法....................................22

4.2单片机控制系统的发展方向..............................................................22

1提义分析与解决方案

1.1技术指标

电烤箱的具体指标如下：

（1）电烤箱为一封闭长方体结构，

（2）烤箱尺寸：

0.8m×0.6m×0.4m。

（3）加热器件为一1kw（220v）电热丝。

（4）从室温开始升温到100℃系统调节时间ts≤5分钟，超调量≤10%。

（5）控制温度围为50～200℃连续可调。

（6）显示实时温度，显示精确到1℃。

（7）温度超出预设温度正负5℃发生报警。

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算法来实现温度控制。

本系统是一个典型的闭环系统控制。

从技术指标来看，系统对控制精度的要求不高，对升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，即但烤箱达到设定温度附近（略小于）断开电阻丝加热，当温度降到低于设定值时接通加热，从而实现恒温控制

2硬件部分设计

图2-1电烤箱温度控制结构

2.1单片机电路设计

单片机的优点：

⑴有优异的性能价格比。

⑵集成度高，体积小，可靠性好。

⑶控制能力强。

⑷低功耗,低电压,便于生产便携式产品。

⑸易扩展。

目前，应用广泛的主流机型是80C51系列8位单片机。

该机型具有①性能价格比高；②开发装置多；③国技术人员熟悉；④芯片功能够用适用；⑤有众多芯片制造厂商加盟，可广泛选择等优点，此次我们采用美国intel公司生产的AT89C51单片机，其中主要包括有CPU、存储器（RAM和ROM）、I\O接口电路及时钟电路等

2.1.1AT89C51单片机引脚功能

40个引脚大致可分为4类：

电源、时钟、控制和I/O引脚。

图2-3单片机引脚图

⒈电源:

⑴VCC-芯片电源，接+5V；

⑵VSS-接地端；

⒉时钟:

XTAL1、XTAL2-晶体振荡电路反相输入端和输出端。

⒊控制线:

控制线共有4根，

⑴ALE/PROG:

地址锁存允许/片EPROM编程脉冲

①ALE功能：

用来锁存P0口送出的低8位地址

②PROG功能：

片有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。

⑵PSEN:

外ROM读选通信号。

⑶RST/VPD:

复位/备用电源。

①RST（Reset）功能：

复位信号输入端。

②VPD功能：

在Vcc掉电情况下，接备用电源。

⑷EA/Vpp:

外ROM选择/片EPROM编程电源。

①EA功能：

外ROM选择端。

②Vpp功能：

片有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。

4.I/O线

80C51共有4个8位并行I/O端口：

P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。

P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。

P3.0——RXD：

串行口输入端；

P3.1——TXD：

串行口输出端；

P3.2——INT0：

外部中断0请求输入端；

P3.3——INT1：

外部中断1请求输入端；

P3.4——T0：

定时/计数器0外部信号输入端；

P3.5——T1：

定时/计数器1外部信号输入端；

P3.6——WR：

外RAM写选通信号输出端；

P3.7——RD：

外RAM读选通信号输出端。

5.I/O端口结构及工作原理

（1）有4个8位并行I/O口,共32条端线：

P0、P1、P2和P3口。

每一个I/O口都能用作输入或输出。

用作输入时，均须先写入“1”；用作输出时，P0口应外接上拉电阻。

（2）P0口的负载能力为8个LSTTL门电路；P1～P3口的负载能力为4个LSTTL门电路。

（3）在并行扩展外存储器或I/O口情况下:

①P0口用于低8位地址总线和数据总线（分时传送）

②P2口用于高8位地址总线，

③P3口常用于第二功能，

④用户能使用的I/O口只有P1口和未用作第二功能的部分P3口端线。

2.1.2AT89C51单片机时钟电路及时序

图2-4AT89C51单片机时钟电路图

⑴时钟周期。

80C51振荡器产生的时钟脉冲频率的倒数，是最基本最小的定时信号。

⑵机器周期。

80C51单片机工作的基本定时单位，简称机周。

机器周期是时钟周期的12倍。

当时钟频率为12MHz时，机器周期为1S；

当时钟频率为6MHz时，机器周期为2S。

2.1.3AT89C51单片机复位电路

图2-5AT89C51单片机复位电路图

复位是通过某种方式，使单片机各寄存器的值变为初始状态的操作

复位条件：

RST引脚保持2个机器周期以上的高电平。

2.2温度检测电路设计

这部分包括温度传感器，变送器和A/D转换三部分。

2.2.1温度传感器

定义：

利用物质各种物理性质随温度变化的规律把温度转换为电量的传感器。

这些呈现规律性变化的物理性质主要有体。

温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。

按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。

种类：

目前，国际电工委员会（IEC）推荐了8种类型的热电偶作为标准化热电偶，即为T型、E型、J型、K型、N型、B型、R型和S型。

根据设计要求，温度控制围为控制温度围为50～200℃连续可调。

因此我们需要一种，电阻温度系数要大而且稳定，电阻值与温度之间应具有良好的线性关系。

电阻率高，热容量小，反应速度快。

在测温围化学物理特性稳定的热电偶，通过查阅资料，品牌:

EL型号:

NTC的热敏电阻符合我们的要求：

（1）该产品为电烤箱专用温度传感器

（2）具有反应速度快、性能稳定、安装方便等特点。

　　（3）芯片类型：

NTC热敏电阻。

　　（4）电阻值围：

R＝1K～2000KΩ。

　　（5）B值围：

2800～5000K。

（通常使用参数：

R25℃＝50K±1％B25／50＝3950±1％；

（6）R25℃＝100K±1％　B25／50＝3950±1％）。

　　（7）工作温度围：

-50～＋300℃。

　（8）热时间常数：

＜10秒。

　　（9）绝缘强度：

DC500V　100MΩ。

　　（10）耐电压：

AC1500V　5mA　5S。

2.2.2变送器

传感器是能够受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置的总称，通常由敏感元件和转换元件组成。

当传感器的输出为规定的标准信号时，则称为变送器。

变送器将电阻信号转换成与温度成正比的电压，当温度在-50℃～+300℃时变送器输出0~3.5V左右的电压。

2.2.3A/D转换

A/D转换的基本概念：

A/D转换的功能是把模拟量电压转换为N位数字量。

设D为N位二进制数字量，UA为电压模拟量，UREF为参考电压，无论A/D或D/A，其转换关系为

UA=D×UREF/2N

（其中：

D=D0×20+D1×21+…+DN-1×2N-1）

1、A/D转换器的主要性能指标：

⑴转换精度。

转换精度通常用分辨率和量化误差来描述。

①分辨率。

分辨率=UREF/2N

表示输出数字量变化一个相邻数码所需输入模拟电压的变化量。

N为A/D转换的位数，N越大，分辨率越高，习惯上分辨率常以A/D转换位数N表示。

②量化误差。

量化误差是指零点和满度校准后，在整个转换围的最大误差。

⑵转换时间。

指A/D转换器完成一次A/D转换所需时间。

转换时间越短，适应输入信号快速变化能力越强。

2、A/D转换器分类

按转换原理形式可分为逐次逼近式、双积分式和V/F变换式；

按信号传输形式可分为并行A/D和串行A/D。

图2-6AD0809部电路图及其与51单片机连接图

引脚功能和典型连接电路

⑴IN0～IN7：

8路模拟信号输入端。

⑵C、B、A：

8路模拟信号转换选择端。

与低8位地址中A0～A2连接。

由A0～A2地址000～111选择IN0～IN7八路A/D通道。

⑶CLK：

外部时钟输入端。

时钟频率高，A/D转换速度快。

允许围为10～1280KHz。

通常由80C51ALE端直接或分频后与0809CLK端相连接。

⑷D0～D7：

数字量输出端。

⑸OE：

A/D转换结果输出允许控制端。

OE=1，允许将A/D转换结果从D0～D7端输出。

通常由80C51的端与0809片选端（例如P2.0）通过或非门与0809OE端相连接。

⑹ALE：

地址锁存允许信号输入端。

0809ALE信号有效时将当前转换的通道地址锁存。

⑺START：

启动A/D转换信号输入端。

当START端输入一个正脉冲时，立即启动0809进行A/D转换。

START端与ALE端连在一起，由80C51WR与0809片选端（例如P2.0）通过或非门相连。

⑻EOC：

A/D转换结束信号输出端，高电平有效。

⑼UREF（+）、UREF（-）：

正负基准电压输入端。

⑽Vcc：

正电源电压（+5V）。

GND：

接地端。

A/D转换器件的选择主要取决于温度的控制精度，本系统要求温度控制误差10%,采用8位A/D转换器，其最大量化误差为=，完全能满足精度要求。

这里采用ADC0809作为A/D转换器。

变送器输出为0~5V，则A/D转换对应的数字量为00H～FFH,既0～255,则转换结果乘以（70/51-50）为温度值。

2.3温度控制电路设计

可控硅，是可控硅整流元件的简称：

是一种具有三个PN结的四层结构的大功率半导体器件，亦称为晶闸管。

具有体积小、结构相对简单、功能强等特点，是比较常用的半导体器件之一。

该器件被广泛应用于各种电子设备和电子产品中，多用来作可控整流、逆变、变频、调压、无触点开关等。

图2-7可控硅等效图解图

工作原理：

可控硅是P1N1P2N2四层三端结构元件,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管所组成当在阳极和阴极之间加上一个正向电压Ea，又在控制极G和阴极C之间（相当BG1的基一射间）输入一个正的触发信号，BG1将产生基极电流Ib1，经放大，BG1将有一个放大了β1倍的集电极电流IC1。

因为BG1集电极与BG2基极相连，IC1又是BG2的基极电流Ib2。

BG2又把比Ib2（Ib1）放大了β2的集电极电流IC2送回BG1的基极放大。

如此循环放大，直到BG1、BG2完全导通。

实际这一过程是“一触即发”的过程，对可控硅来说，触发信号加入控制极，可控硅立即导通。

导通的时间主要决定于可控硅的性能。

可控硅一经触发导通后，由于循环反馈的原因，流入BG1基极的电流已不只是初始的Ib1，而是经过BG1、BG2放大后的电流（β1*β2*Ib1）这一电流远大于Ib1，足以保持BG1的持续导通。

此时触发信号即使消失，可控硅仍保持导通状态只有断开电源Ea或降低Ea，使BG1、BG2中的集电极电流小于维持导通的最小值时，可控硅方可关断。

当然，如果Ea极性反接，BG1、BG2由于受到反向电压作用将处于截止状态。

这时，即使输入触发信号，可控硅也不能工作。

反过来，Ea接成正向，而触动发信号是负的，可控硅也不能导通。

另外，如果不加触发信号，而正向阳极电压大到超过一定值时，可控硅也会导通，但已属于非正常工作情况了。

双向可控硅又称为双向晶闸管：

普通晶闸管（VS）实质上属于直流控制器件。

要控制交流负载，必须将两只晶闸管反极性并联，让每只SCR控制一个半波，为此需两套独立的触发电路，使用不够方便。

双向晶闸管是在普通晶闸管的基础上发展而成的，它不仅能代替两只反极性并联的晶闸管，而且仅需一个触发电路，是目前比较理想的交流开关器件。

由于电阻丝是与220V市电直接接通的，因此选择采飞利浦公司的BT138-600E双向可控硅作为通断元件。

该型号为四象限/非绝缘型/双向可控硅，

电流=12.0（A）电压=600（V）结温=125（℃）

浪涌电流ITSM=65A（50Hz）/71A（60Hz）

正向耐压VDRM＞600V

反向耐压VRRM＞600V

触发电流IGT（I/II/III/IV）＜10/10/10/25mA

通态压降VTM＜1.65V（ITM=10.0A）主要用于变频电路，调光、调温、调速电路，电扇、洗衣机、饮水机、微波炉、空调等家用电器的控制电路。

图2-8BT137元件图

光耦合器（opticalcoupler，英文缩写为OC）亦称光电隔离器或光电耦合器，简称光耦。

它是以光为媒介来传输电信号的器件，通常把发光器（红外线发光二极管LED）与受光器（光敏半导体管）封装在同一管壳。

当输入端加电信号时发光器发出光线，受光器接受光线之后就产生光电流，从输出端流出，从而实现了“电—光—电”转换。

以光为媒介把输入端信号耦合到输出端的光电耦合器，由于它具有体积小、寿命长、无触点，抗干扰能力强，输出和输入之间绝缘，单向传输信号等优点，在数字电路上获得广泛的应用。

图2-8光耦元件图

电烤箱控制采用可控硅来实现，双向可控硅和电阻丝串接在交流220V市电的回路中。

单片机的P1.7口通过光电隔离器和驱动电路送到可控硅的控制端，由P1.7口德高低电平来控制可控硅的导通与断开，从而控制电阻丝的通电加热时间。

图2-9温控硬件连接图

2.4键盘及显示电路设计

2.4.1键盘电路设计

键盘的工作原理：

在单片机应用系统中，按键都是由开关状态来设置控制功能或输入数据的，键盘的半合与否，反映在电压上就是呈高电平或低电平，所以通过检测电平的高低，便可确认按键与否

图2-10独立式按键接口电路

键盘的扫描控制方式：

⑴程序控制扫描方式

键处理程序固定在主程序的某个程序段。

特点：

对CPU工作影响小，但应考虑键盘处理程序的运行间隔周期不能太长，否则会影响对键输入响应的及时性。

⑵定时控制扫描方式

利用定时/计数器每隔一段时间产生定时中断，CPU响应中断后对键盘进行扫描。

特点：

与程序控制扫描方式的区别是，在扫描间隔时间，前者用CPU工作程序填充，后者用定时/计数器定时控制。

定时控制扫描方式也应考虑定时时间不能太长，否则会影响对键输入响应的及时性。

⑶中断控制方式

中断控制方式是利用外部中断源，响应键输入信号。

特点：

克服了前两种控制方式可能产生的空扫描和不能及时响应键输入的缺点，既能及时处理键输入，又能提高CPU运行效率，但要占用一个宝贵的中断资源。

2.5.2数码管显示电路设计

LED数码管分类：

（1）按其部结构可分为共阴型和共阳型

（2）按其外形尺寸有多种形式，使用较多的是0.5"和0.8"；

（3）按显示颜色也有多种形式，主要有红色和绿色；

正向压降一般为1.5～2V，额定电流为10mA，最大电流为40mA。

图2-11LED数码管

图2-8LED数码管八段编码表

显示电路选择采用CH451芯片：

CH451是一个整合了数码管显示驱动和键盘扫描控制以及μP监控的多功能外围芯片。

CH451置RC振荡电路，可以动态驱动8位数码管或者64只LED发光管，具有BCD译码、闪烁、移位等功能；同时还可以进行64键的键盘扫描；CH451通过可以级联的串行接口与单片机等交换数据；并且提供上电复位和看门狗等监控功能。

图2-12CH451封装

图2-13CH451各引脚功能

CH451对数码管和发光管采用动态扫描驱动，顺序为DIG0至DIG7，当其中一个引脚吸入电流时，其它引脚则不吸入电流。

CH451部具有大电流驱动级，可以直接驱动0.5英寸至2英寸的共阴数码管，段驱动引脚SEG6～SEG0分别对应数码管的段G～段A，段驱动引脚SEG7对应数码管的小数点，字驱动引脚DIG7～DIG0分别连接8个数码管的阴极；

图2-14CH451与51单片机连接驱动数码管图

3控制程序设计

3.1工作流程

电烤箱上电复位后先处于停止加热状态，这时由A/D先读出箱环境温度，同时通过按键由显示器显示预设温度，设置完后按启动键启动系统工作，温度检测系统不断定时检测箱温度，并由数码管显示，达到低于温度值1℃时停止加热，利用余热升温至预设温度，当温度下降到下限（比预定值低2℃）时再启动加热，不断重复上述过程，使温度保持在预设允许误差围。

若想修改预设温度，停止加热后，再按键修改。

（30秒温度无明显变化，蜂鸣器报警，五分钟未达到允许温差围温度，蜂鸣器报警，期间任意时刻温度高于预设温度5%，蜂鸣器报警）

3.2功能模块

根据上面的流程分析，分为以下模块：

（1）按键管理：

检测键盘输入，接收温度预置，启动/停止系统工作。

（2）数码管显示：

显示设置温度，当前箱温度。

（3）温度检测及转换：

完成A/D转换及十进制显示

（4）温度控制：

根据检测到的温度控制电烤箱工作。

（5）报警：

30秒温度无明显变化，五分钟未达到允许温差围温度，期间任意

时刻温度高于预设温度5%，报警。

3.3资源分配模块

I/O口分配：

P0.0，P0.1----A/D开始采集，发送控制位。

P0.2---------温度控制口。

P1.0~P1.2，P3.2----键盘输入。

P1.3~P1.7----数码管显示。

P2.0~P2.7----A/D数据接收口。

3.4软件功能设计

本次系统控制采用KEIL软件，C环境下编写。

3.4.1键盘管理

上电复位后系统处于键盘管理状态，功能为温度设置和启动键。

当设置温度百位超过2自动归零。

键盘管理子程序如下：

/**********************键盘设置温度******************/

voidsettemp（）

{

if（set==0）{delay（5）;q=1;}

while（!

q）

{

if（C1==0）

{

while（p--）{display（ge,shi,bai,ge_1,shi_1,bai_1）;}p=36;//延时去抖

bai_1++;

if（bai_1==3）bai_1=0;

}

if（C2==0）

{

while（p--）{display（ge,shi,bai,ge_1,shi_1,bai_1）;}p=36;

shi_1++;

if（shi_1==10）shi_1=0;

}

if（C3==0）

{

while（p--）{display（ge,shi,bai,ge_1,shi_1,bai_1）;}p=36;

ge_1++;

if（ge_1==10）ge_1=0;

}

display（ge,shi,bai,ge_1,shi_1,bai_1）;

if（set==0）{delay（20）;break;}

}

q=0;AD（）;

}

3.4.2显示管理

显示子程序的功能是将A/D转换完成的二进制数转换为十进制，表示当前环境温度和将按键设置返回的值表示为预设温度通过数码管显示

显示子程序如下：

/*******************************CH451初始化****************************/

voidCH451_Init（）

{

DIN=0;//给DIN一个高电平设置CH451选择4线串行接口

DIN=1;

DCLK=1;//置为默认的高电平

LOAD=1;

DOUT=1;//置为输入

}

/*****************************CH451写入****************************/

voidCH451_Write（uintdat）//,uintlength

{

uinti;

LOAD=1;//串行数据加载端置1

for（i=12;i>0;i--）

{

DCLK=0;//串行数据时钟线置0

if（（dat&0x01）==0x01）//判断data最低位是否为1

DIN=1;//data最低位为1的话就向din（串行数据输入）写1

elseDIN=0;//data最低位为0的话就向din（串行数据输入）写0

DCLK=1;//串行数据时钟线置1

dat=dat>>1;//data向右移