电阻炉温度控制系统毕业设计论文Word文档下载推荐.docx
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本系统由单片机、加热模块、温度信号采集与A/D转换、人机交互及串口通信、按键电路、显示电路、报警电路、复位电路、时钟电路、稳压电源模块十部分分组成。
由于功能模块具体实现的器件的不同，将直接影响整个系统的性能及成本，为了达到高效、实用的目的，在系统设计之前的方案论证是十分重要的，系统设计原理图如图
2.1所示：
温度信号采集与
单
人机交互及串口
A/D转换
通信
片
稳压电源模块
机
控制执行及报警
单元
图2.1系统设计原理图
单片机：
该部分的功能不仅包括向温度传感器写入各种控制命令、读取温度数据、数据处理，同时还要对执行单元进行控制。
单片机是整个系统的控制核心及数据处理核心。
温度信号采集与A/D转换：
本部分的主要作用是用传感器检测模拟环境中的温度信号，温度传感器上电流将随环境温度值线性变化。
再把电流信号转换成电压信号，使用A/D转换器将模拟电压信号转换成单片机能够进行数据处理的数字电压信号，本设计采用的是数字温度传感器，以上过程都在温度传感器内部完成。
人机交互及串口通信：
人机交换的目的是为了提高系统的可用性和实用性。
主要包括按键输入、输出显示。
通过按键输入完成系统参数设置，而输出显示则完成数据的显示和系统提示信息的输出，串口通信的主要功能是完成单片机与上位机的通信，便于进行温度数据统计，为将来系统功能的扩展做好基础工作。
电源系统单元：
本单元的主要功能是为单片机提供适当的工作电源，同时也为其他模块提供电源。
如液晶显示屏、按键电路等。
在本设计当中，电源系统输出+5V的电源。
电源执行单元：
是单片机的输出控制执行部分，根据单片机数据处理的结果，驱动光电耦合器控制双向可控硅等外部设备，可以达到超温报警及升温或者降温目的，使水温始终保持在一个范围之内。
2.2方案论证
2.2.1单片机的选择
单片机在多数电子设计当中基于性价比的考虑，8位单片机仍是首选。
目前，
8位单片机在国内外仍占有重要地位。
在8位单片机中又以MCS－51系列单片机及其兼容机所占的份额最大。
MCS－51的硬件结构决定了其指令系统不会发生变化，设计人员可以很容易的对不同公司的单片机产品进行选型，他们只需将重点放在芯片内部资源的比较上。
在以前的电子设计中，应用比较广泛的单片机是AT89C51单片机了，但是该单片机最致命的缺陷在于不支持ISP（互联网服务提供商）功能。
ATMEL公司目前已经停止了AT89C51生产，51单片机必须加上ISP功能才能更好延续MCS-51的传奇，AT89S51就是在这样的背景下诞生的。
目前AT89S51已经成为了实际应用市场上的新宠儿，AT89S51在工艺上进行了改进，不但降低了成本,而且增加了功能，提升了单片机性能，提高了市场竞力。
AT89S51新增了许多功能,性能也有了较大的提升,但是价格仍旧与
AT89C51的价格一致。
新增的功能之中最具有影响力的就是ISP在线编程功能，这个功能的优势在于，改写单片机Flash存储器内的程序不需要把芯片从工作环
境中剥离。
显然，AT89S51在性能上比AT89C51要优良得多，因为它不但在AT89C51的基础上增加了许多功能，而且价格基本没有提高，所以在器件选择的时候首先排除AT89C51，对于市场上的另外一种比较流行的单片机C8051F，尽管它在性能、功能上都要比AT89S51优良很多，但是它的价格是AT89S51的数倍，本系统使用AT89S51已经完全能够实现所需要的功能，基于成本的考虑，放弃C8051F，选择AT89S51作为本系统的主控单元。
2.2.2温度传感器的选择
本部分主要是论证温度传感器的选型。
传感器的选择受到很多因素的影响，首先是各种温度传感器自身的优缺点，其次是各种不同的环境因素，还有就是系统所要求实现的精度以及测温范围，所以在不同的设计当中温度传感器的选择也将不同。
方案一：
热电偶传感器
热电偶传感的原理是将温度变化转换为电势变化。
它是利用两种不同材料的金属连接在一起，构成的具有热电效应原理的一种感温元件。
其优点为精确度高、测量范围广、构造简单、使用方便、型号种类比较多且技术成熟等。
目前广泛应用于工业与民用产品中。
热电偶传感器的种类很多，在选择时必须考虑其灵敏度、精确度、可靠性、稳定性等条件。
方案二：
热电阻传感器
热电阻传感器的原理是将温度变化转换为电阻值的变化。
热电阻传感器是中低温区最常用的一种温度传感器。
它的主要特点是：
测量精度高，性能稳定。
其中铂热电阻的测量精度是最高的，不仅广泛应用于工业测温，而且被制作成标准的基准仪。
从热电阻的测温原理可以知道，被测温度的变化是直接通过热电阻阻值的变化来表现的。
因此，热电阻的引出线的电阻的变化会给测温带来影响。
为消除引线电阻的影响，一般采用三线制或四线制。
热电阻测温系统一般由热电阻、连接导线、显示仪表组成。
方案三：
半导体集成模拟温度传感器
半导体IC温度传感器是利用半导体PN结的电流、电压与温度变换关系来测温的一种感温元件。
这种传感器输出线性好、精度高，而且可以把传感器驱动电路、信号处理电路等，与温度传感器部分集成在同一硅片上，体积小，使用方便，应用比较广泛的有AD590等。
IC温度传感器在微型计算机控制系统中，通常用于室温或环境温度的检测，以便微型计算机对温度测量值进行补偿。
方案四：
半导体集成数字温度传感器
随着科学技术的不断进步和发展，新型温度传感器的种类繁多，应用逐渐广泛，并且开始由模拟式向着数字式、单总线式、双总线式、多总线式发展。
数字温度传感器，更因适合与各种微处理器的I/O接口相连接，组成自动温度控制系统，这种系统克服了模拟传感器与微处理器接口时需要信号调理电路和A/D转换器的弊端，被广泛应用于工业控制、电子测温、医疗仪器等各种温度控制系统中，数字温度传感器中比较有代表性的有DS18B20等。
电子设计中常用的几种温度传感器的性能、价格等的对比，如表2.1所示：
表2.1传感器对比
传感器
AD590 Pt100
DS18B20
产地
美国 德国
美国
量程
-50℃~+150℃ -200℃~+450℃
-55℃~+125℃
精度
±
0.3℃ ±
0.25℃
0.5℃
供电电压
+4V~+30V +13V~+36V
+3.0V~+5.5V
输出信号类型
模拟信号 模拟信号
数字信号
Pt100与AD590都不能与单片机的I/O口直接相连,需要设计信号调理电路，
A/D转换电路。
而DS18B20是数字温度传感器并且采用单总线技术，使该传感器不但可以直接与单片机I/O口相连，并且只需要一个I/O就可以连接多个温度传感器，实现多点温度测量与控制。
所以使用数字温度传感器DS18B20不但可以节约单片机I/O口还能使系统设计成本降低。
2.2.3人机交互与串口通信
按键是现阶段电子设计中最常用、最实用的输入设备。
按键能够成为最普遍的输入设备，主要是其具备了以下几个优点：
工作原理、硬件电路连接简单、操作实用性强、价格便宜，程序编写简单。
缺点：
机械抖动比较严重、外型不够美观。
本系统因为按键只有三个，故采用独立按键的方式。
与单片机接口的常用显示器件分为LED和LCD两大类。
LED大屏幕显示方式分为静态显示和动态显示，一般使用动态显示。
LCD的按控制方式可以分为含控制器式（内置式）和不含控制器式，内置式LCD只需通过控制器接口外接数字信号或模拟信号即可；
不含控制器的LCD还需另外选配相应的控制器和驱动器才能工作。
LCD显示的驱动方式有静态驱动方式、动态驱动方式和双频驱动方式。
单片机与字符型LCD显示模块的连接方法分为直接访问和间接访问，数据传输的形式分为8位和4位。
各类液晶显示控制器的结构各异，指令系统也不同，但其控制过程基本相同。
本系统中，考虑到显示的信息不多，故选用液晶显示器LCD1602。
这款液晶显示器与单片机接口简单，可显示两行，每行16个字符，能满足本系统的要求。
串行通信的主要功能是实现单片机与PC机的数据交换，当需要进行数据记录、数据统计、数据分析的时候，可以把数据发送给上位机，使用上位机进行数据处理，并且将数据处理的结果又发送给单片机。
这样可以大大提高系统数据处理速度，还可以方便的对单片机进行控制。
计算机与外界的数据传送大部分都是串行的，其传距离可以从几米到几千米。
3硬件设计
本部分详细介绍基于AT89S51单片机的嵌入式温度采集控制系统的硬件设计。
硬件系统所需要完成的功能是将温度传感器DS18B20采集到的温度信号，输送到AT89S51单片机的I/O口，然后把单片机数据处理后的结果，送至
LCD1602进行显示，把键盘设置的系统参数送到单片机I/O口，把单片机控制信号送到执行单元。
本系统硬件设计主要包括温度传感器电路、LCD电路、按键电路、电源系统电路、串口通信电路、加热执行电路的设计。
3.1系统结构框图
电
复位电路
温度控制电路
阻
时钟电路
炉
数字温度传感
按键输入
串口通信
液晶显示
报警电路
状态指示电路
本系统中以DS18B20传感器作为温度信号采集与转换单元；
AT89S51单片机作为数据处理和控制单元；
LCD1602作为数据输出显示单元；
按键作为系统参数设置单元；
RS232作为串口通信单元；
双向可控硅作为控制执行单元；
蜂鸣器作为超温报警单元。
硬件结构框图，如图3.1所示：
图3.1硬件结构框图
3.2单片机主控单元
AT89S51单片机：
AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能
CMOS8位单片机，器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存储技术生产，
兼容标准8051指令系统及引脚。
4K字节可系统编程的Flash程序存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，看门狗（WDT），两个数据指针，两个6位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。
同时，AT89S51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式，空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM、定时/计数器、串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作，并禁止其它所有部件工作，直到下一个硬件复位。
AT89S51引脚结构图如图3.1所示：
图3.1AT89S51引脚结构图
AT89S51的引脚的主要功能如下：
1.电源引脚Vcc和Vss
Vcc（40脚）：
接+5V电源
Vss（20脚）：
接地端
2.时钟电路引脚XTAL1和XTAL2
XTAL1（19脚）：
接外部晶体和微调电容的一端。
在片内，它是振荡电路反相放大器的输入端。
当采用外接晶体振荡器时，此引脚应接地。
XTAL2（18脚）：
接外部晶体和微调电容的另一端。
在片内，它是振荡电路反相放大器的输出端。
若采用外部振荡器时，该引脚接收振荡器的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。
要检查AT89S51的振荡电路是否正常工作，可用示波器查看XTAL2端是否有脉冲信号输出。
3.控制信号引脚
RST/VPD（9脚）：
RST是复位信号输入端，高电平有效。
当振荡器运行时，在此引脚上加上两个机器周期的高电平将使单片机复位。
复位后，应使此引脚电平为0.5V的低电平，以保证单片机正常工作。
掉电期间，此引脚可接备用电源（VPD），以保持内部RAM中的数据不丢失。
当Vcc下降到低于规定值，而VPD在其规定的电压范围内（5 0.5V）时，
VPD就向内部RAM提供备用电源。
ALE（30脚）：
地址锁存允许信号端。
CPU访问片外存储器时，ALE输出信号作为锁存低8位地址的控制信号。
即使不访问外部存贮器，ALE端仍有周期性正脉冲输出，其频率为振荡器频率的1/6。
但是，每当访问外部数据存贮器时在两个机器周期中ALE只出现一次，即丢失一个ALE脉冲。
ALE端可以驱动8个TTL负载。
PSEN（29脚）：
此输出为单片机内访问外部程序存贮器的读选通信号。
在从外部程序存贮器取指令（或常数）期间，每个机器周期PSEN两次有效。
但在
此期间，每当访问外部数据存贮器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。
PSEN同样可以驱动8个TTL负载。
EA/VPP（31脚）：
当EA端保持高电平时，单片机访问的是内部程序存贮器，
但当PC值超过某值时，将自动转向执行外部程序存贮器内的程序。
当EA端保持低电平时，则不管是否有内部程序存贮器而只访问外部程序存贮器。
2．输入/输出引脚
输入/输出（I/O）口引脚包括4个并口，即P0口、P1口、P2口和P3口。
P0口是一个8位双向I/O端口，端口置1时作高阻抗输入端，作为输出口时能驱动8个TTL电平。
对内部Flash程序存储器编程时，接收指令字节；
校验程序时输出指令字节，需要接上拉电阻。
在访问外部程序和外部数据存储器时，P0口是分时转换的地址（低8位）/数据总线，访问期间内部的上拉电阻起作用。
P1口是一个带有内部上拉电阻的8位准双向I/0端口。
输出时可驱动4个TT
L电平。
端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平作输入用。
对内部Flash
程序存储器编程时，接收低8位地址信息。
P2口是一个带有内部上拉电阻的8位准双向I/0端口。
输出时可驱动4个
TTL电平。
程序存储器编程时，接收高8位地址和控制信息。
在访问外部程序和16位外部
数据存储器时，P2口送出高8位地址。
而在访问8位地址的外部数据存储器时其引脚上的内容在此期间不会改变。
P3口是一个带有内部上拉电阻的8位准双向I/0端口。
对内部Flash程序存储器编程时，接控制信息。
除此之外P3端口还有第二功能。
P3口引脚的第二功能如表3.1所示：
P3口引脚
第二功能
P3.0
串行通信输入（RXD）
P3.1
串行通信输出（TXD）
P3.2
外部中断0（INT0）
P3.3
外部中断1（INT1）
P3.4
定时器0输入（T0）
P3.5
定时器1输入（T1）
P3.6
外部数据存储器写选通
P3.7
外部数据存储器读选通
表3.1P3口引脚第二功能
3.2时钟及复位电路
3.2.1时钟电路
时钟电路：
时钟电路提供单片机的时钟控制信号，单片机时钟产生方式有内部时钟方式和外部时钟方式。
最常用的是内部时钟方式是采用外接晶振（感性元件）和电容组成的并联谐振回路。
瓷片电容的取值对振荡频率输出的稳定性、大小及振荡电路的起振速度都有一定的影响。
内部方式时，时钟发生器对振荡脉冲二分频，如晶振为12MHz，时钟频率就为6MHz。
晶振的频率可以在1MHz~33
MHz内选择。
电容取30pF左右。
XTAL1是片内振荡器的反相放大器输入端，
XTAL2则是输出端。
使用外部振荡器时，外部振荡信号应直接加到XTAL1，而
XTAL2悬空。
AT89S51的时钟电路如图3.2所示：
图3.2AT89S51时钟电路
3.2.2复位电路
在单片机的实际应用系统中，除单片机本身需要复位外，外部扩展的I/O接口电路也要复位，因此需要一个系统的同步复位信号，即单片机复位后，CPU开始工作时，外部的电路一定也要复位好，以保证CPU有效的对外部电路进行初始化编程。
复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种方式。
上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。
按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。
其中，按键脉冲复位是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的；
按键电平复位是通过使复位端经电阻与Vcc电源接通而实现的。
本系统使用按键电平复位，其电路图如图3.3所示：
图3.3AT89S51复位电路
3.3温度信号采集单元
本部分主要介绍了数字温度传感器DS18B20的内部结构、工作原理以及其外部驱动电路的设计。
DS18B20是DALLAS公司的最新单总线数字温度传感器，支持单总线接口，测量温度范围为-55℃~+125℃，在-10℃~+85℃范围内，精度为±
0.5℃。
现场温度直接以单总线数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。
DS18B20适合用于恶劣环境的现场温度测量，与前一代产品不同，
DS18B20传感器支持3V~5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。
而且
DS18B20传感器比前一代产品更便，体积更小。
温度传感器模块采用DS18B20，主要功能是实时将水温温度数据返回单片机，将模拟信号转换为数字信号，便于数据处理与决策，由于此模块直接决定整个系统能否正常运行，所以是系统的核心模块。
3.3.1DS18B20产品的特点
（1）只要求一个端口即可实现通信；
（2）在DS18B20中的每个器件上都有独一无二的序列号；
（3）实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温；
（4）测量温度范围在－55℃到＋125℃之间；
（5）数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择；
（6）内部有温度上、下限告警设置。
3.3.2DS18B20的引脚介绍
TO－92封装的DS18B20的引脚排列如图3.4所示：
图3.4底视图
DS18B20的引脚功能描述如表3.2所示：
表3.2 DS18B20详细引脚功能描述
序号
名称
引脚功能描述
1
GND
地信号
2
DQ
数据输入/输出引脚。
3
VDD
可选择的VDD引脚。
3.3.3DSB18B20的内部结构
DS18B20内部结构主要由四部分组成：
64位光刻ROM、温度传感器、温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。
DQ为数字信号输入/输出端；
GND为电源地；
VDD为外接供电的电源输入端，内部结构图如图3.4所示：
存储器和控制器
64位
ROM
温度灵敏原件
高速
和
缓存
低温触发器TL
存储器
高温触发器TH
单线
源
接口
配置寄存器
检
测
8位CRC生成器
图3.4DSB18B20内部结构图
（1）光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该
DS18B20的地址序列码。
64位光刻ROM的排列是：
开始8位（28H）是产品
类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。
（2）DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例：
用
16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625℃/LSB形式表达，其中S
为符号位，温度格式如表3.3所示：
Bit7
Bit6
Bit5
Bit4
Bit3
Bit2
Bit1
Bit0
23
22
21
20
2-1
2-2
2-3
2-4
Bit14
Bit13
Bit12
Bit11
Bit10
Bit9
Bit8
S
26
25
升级会员 