基于at89c51单片机电烤箱的温度控制系统学位论文.docx
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基于at89c51单片机电烤箱的温度控制系统学位论文
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。
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
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
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所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
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目录
前言3
第1章概述4
1.1技术指标4
1.2控制方案4
第2章硬件部分设计5
2.1单片机电路设计5
2.2传感器电路设计8
2.3A/D转换电路设计11
2.4放大器电路设计14
2.5键盘及显示电路的设计18
2.6抗干扰电路设计21
第3章软件部分设计24
3.1工作流程24
3.2功能模块24
3.3资源分配24
3.4功能软件设计24
结论36
谢辞37
参考文献38
附录39
前言
随着社会的不断发展，人们对机械的应用也越来越广，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。
单片机在工业控制、仪器仪表、商用商品、家用电器以及计算机接口等领域应用广泛。
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。
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。
第1章概述
温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制，有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品的质量，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，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：
（1）电烤箱由2kW电炉加热，最高温度为500℃。
（2）电烤箱温度可预置，烤干过程恒温控制，温度控制误差≤±2℃。
（3）预置时显示设定温度，烤干时显示实时温度，显示精确到1℃。
（4）温度超出预置温度±5℃时发声报警。
（5）对升降温过程的线性没有要求。
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，即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，从而保持恒温控制。
第2章硬件部分设计
系统的硬件部分包括单片机电路、A/D转换器电路、放大器电路、传感器电路、键盘及显示电路五部分。
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
随着社会的发展，单片机以其体积小、可靠性高、使用方便等特点在社会生活中达到广泛应用。
根据温度控制的特点，本次设计采用AT89C51单片机。
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（包括RAM和ROM）、I\O接口电路及时钟电路等部分组成。
2.1.1中央处理器CPU
中央处理器CPU是单片机的核心。
是计算机的控制指挥中心。
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两部分。
2.1.2AT89C51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封装；另一种是方形封装。
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封装的。
但为44个引脚，其中4个引脚是不使用的。
由于89C51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。
1.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。
2.外接晶体引脚两根
XTAL1:
接外部石英体和微调电源的一端。
XTAL2:
接外部晶体和微调电容的另一端。
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的输入端。
对CHMOS单片机XTAL1脚作为外部振荡信号的输入端，XTAL2脚空不接。
3.引脚功能
I\O引脚共32根。
①PO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总线。
②P1口：
P1.0-P1.7统称为P1口。
是8位准双向I/O口线。
P1口作为通用的I/O口使用。
③P2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。
④P3口：
P3.0-P3.7统称为P3口。
是8位准双向I/O口线。
P3口除作为准双向口使用外。
每个引脚还具有第二功能。
P3口的每一个引脚均可独立定义为第一功能的输入输出或第二功能，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）
4．控制线
控制线共四根。
①ALE/PROG地址锁存有效信号输出率。
②PSEN片外程序存储器读选通信号输出端低电平有效。
③RST/VPD复位信号备用电源输入信号。
④EA/VPP片外程序存储器选用端。
2.1.3AT89C51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4个存储空间。
2.1.4AT89C51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。
1.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。
2.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。
3.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.
4.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。
2.1.5AT89C51单片机时钟电路及时序
1.时钟电路
AT89C51单片机的时钟信号通常有两种方式产生：
一种是内部方式，一种是外部方式。
2.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。
2.1.6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的操作，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。
2.1.7AT89C51单片机的指令系统
控制计算机与操作的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
随着新技术革命的到来，世界开始进入信息时代，在利用信息的过程中，首先要解决的就是获取准确可靠地信息。
传感器是获取自然、生产、科研领域中信息的主要途径与手段。
2.2.1传感器概述
根据国家标准，传感器的定义是：
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的器件或装置。
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的某一种量的元件。
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、化学传感器和生物传感器三大类。
物理传感器是利用某些变换元件的物理性质，以及某些动作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原理，把无机和有机化学物质的成分。
浓度等转换为电信号的传感器。
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的传感器。
科学技术的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，可以把传感器的输入量分为静态量和动态量两类。
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、漂移等。
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。
1.传感器的技术性能指标及改善性能途径
（一）传感器的技术性能指标
①传感器的动态性能指标
A．量程指标：
包括测量范围、过载能力等。
B．灵敏度指标：
包括灵敏度、分辨力、满量程输出、输出输入阻抗等。
C．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、、漂移等。
D．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、稳定时间等。
②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、热滞后等。
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等。
C.其他环境参数：
包括抗潮湿、抗介质腐蚀能力、抗电磁场干扰能力等
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等
其他指标
A使用方面：
包括供电方式（直流、交流、频率及波形等）、电压幅度与稳定性功能、各项分布参数等
B结构方面：
名手外形尺寸质量、壳体材质、结构特点等
C.要装连接方面：
包括安装方式、馈成、电缆等
（二）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的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.
根据电烤箱的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，热电阻材料的电阻温度特性稳定，重复性好，不存在热电偶参比端误差问题；
B测量范围较宽，尤其在低温方面
C易于在自动测量或远距离测量中使用
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、三线式和四线式几种形式。
采用两浅式接法时（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的影响
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的电阻变化是相同的，根据电桥的特性，电桥的输出将互相抵消。
（a）二线式接法（b）三线式接法（d）四线式接法
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的四根导线和电桥连接，r1、r4分别串联在相邻的两桥臂内，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=
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
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2-10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转换过种中，模拟量输入的值不应变化太快，因此，对变化速度快的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地址状态送入地址锁存器中。
图2-10ADC0809引脚功能图
④、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；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，可以和单片机的数据线直接相连
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，因此有时钟信号引脚。
通常使用频率为500KHZ的时钟信号。
⑦、CLK：
时钟信号，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，通常使用频率为500KHZ的时钟信号
⑧、EOC：
转换给结束状态信号,EOC=0,正在进行转换；EOC=1，转换结束。
该状态信号即可作为查询的状态标志，又可以作为中断请求信号时使用。
⑨、Vcc：
+5电源
⑩、Vref：
参考电压正端参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准，其曲型值为+5V（Vref（+）=+5V，Vref（-）=0）
2.3.2AT89C51单片机与ADC0809接口
ADC0809与AT89C51单片机边接如图2-11所示，电路连接主要涉及两个问题，一是不是路模拟信号通道选择，二是A/D转换完成后数据的传送
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
A.定时传输方式
B.查询方式
C.
中断方式
图2-11ADC0809与单片机的连接
2.4放大器电路设计
传感器是将待测的物理量或化学量转换成电信号输出。
但其输出的信号通常都很小，需要进行放大。
传感器的信号放大，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）两种。
2.4.1交流放大器电路
1.共发射极放大电路
A工作点不稳定状态
静态工作点Ib≈
，Ic=βIb,
Uce=Ec-IcRc
交流等效电路R'fz=Rc//Rfz
（a）电路图（b）图解法（c）交流等效电路
图2-12工作点不稳定状态放大电路
输入电阻rsr≈rbe（当rbe〈〈Rb时）
输出电阻rsc≈
≈Rce
放大倍数K'=
此放大器特点：
放大倍数大。
B工作点稳定状态
a。
静态工作点由（
-Ube1
）≈
交流等效电路R'fz1=Rc1//rbe，R'fz2=Rc2//Rfz
输入电阻rsr≈rbe2（当rbe1〈〈R1//R2时）
输出电阻rsc≈Rc
放大倍数K'=
≈β1β2
（当RC1>>rb2时）
此放大电路特点放大倍数大，工作点稳定
b．静态工作点Ub≈
，Ua=Ub-Ube，
Ie=
，Uce≈Ec-Ic（Re+Rc）
交流等效电路R'fz=Rc//Rfz
输入电阻rsr=rbe（当rbe〈〈Rb1//Rb2）
输出电阻rsc≈Rc
放大倍数K'=
（a）电路图（b）图解法（c）交流等效电路
图2-13工作点稳定状态a类放大器电路
此放大电路特点rsr较大，|K|〉1且与晶体管参数几乎无关。
（a）电路图（b）图解法（c）交流等效电路
图2-14工作点稳定状态b类放大器电路
C．静态工作点Ub、Uc同左，但Ie=
，Uce≈Ec-Ic（Rc+Re+RF）
交流等效电路R'fz=Rc//Rfz
输入电阻
输出电阻
（当
<<
时）
放大倍数
（当
）
此放大电路特点
大，
小，
（a）电路图（b）图解法（c）交流等效电路
图2-15工作点稳定状态c类放大器电路
1共集电极放大电路．
静态工作点
，
，
交流等效电路
输入电阻
放大倍数
（a）电路图（b）图解法（c）交流等效电路
图2-16共集电极放大器电路
反馈
凡是引入反馈以后使放大镜器放大倍数减小的称为负反馈。
反之凡是引反馈以后使放大倍数增大的称为正反馈赠。
其中换反馈有电压串联负反馈赠，电流串联负反馈赠，电压并联负反馈赠，电流并联负反馈。
2.4.2直流放大器电路
将缓慢的直流量信号进行广大的器件称直流放大器。
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直电流电容（即耦合电容）而直流放大器级与级之
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