基于单片机的可控加热器设计 精品文档格式.docx
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电子技术和微型计算机的迅速发展，促进微型计算机测量和控制技术的迅速发展和广泛应用，单片机（单片微型计算机）的应用已经渗透到国民经济的各个部门和领域，它起到了越来越重要的作用。
单片微型计算机就是将中央处理单元、存储器、定时/计数器和多种接口都集成到一块集成电路芯片上的微型计算机。
因此一块芯片就构成了一台计算机。
它已成为工业控制领域、智能仪器仪表、尖端武器、日常生活中最广泛使用的计算机。
单片机由硬件系统与软件系统组成。
硬件系统是指构成微机系统的实体与装置，通常由运算器、控制器、存储器、输入接口电路和输入设备、输出接口电路和输出设备等组成。
其中运算器和控制器一般做在一个集成芯片上，统称中央处理单元（CentralProcessingUnit），简称CPU，是微机的核心部件。
CPU配上存放程序和数据的存储器、输入/输出（Input/Output，
简称I/O）接口电路以及外部设备即构成单片机的硬件系统。
软件系统是微机系统所使用的各种程序的总称，人们通过它对微机进行控制并与微机系统进行信息交换，使微机按照人的意图完成预定的任务。
软件系统与硬件系统共同构成完整的单片微型计算机系统，两者相辅相成，缺一不可。
第一章绪论
1.1可控加热器的背景与实际意义
温度是工业中非常关键的一项物理量，在农业、工业、各种高新技术的开发和研究中也是一个非常普遍和常用的测量参数。
在现代化的工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。
例如：
在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。
采用MCS-51单片机来对温度进行控制，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，从而能够大大提高产品的质量和数量。
因此，单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题。
由DS18B20检测水容器内温度，并在LED中显示。
控制器是用89S52单片机，用PID算法对检测信号和设定值的差值进行调节后输出控制信号给执行机构，去调节双向可控硅的加热系统，从而控制水中的温度。
第二章
单片机及其外围器件介绍
2.1单片机
2.1.1单片机的选型
单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。
自单片机出现至今，单片机技术已走过30年的发展路程。
从30年来单片机的发展历程可以看出，单片机技术的发展以微处理器（MPU）技术及超大规模集成电路技术的发展为先导，以广泛的应用领域拉动，表现出较微处理器更具个性的发展趋势。
单片机长寿命，这里所说的长寿命，一方面指用单片机开发的产品可以稳定的工作十年、二十年，另一方面是指与微处理器相比的长寿命。
长期以来，单片机的发展是以8位机为主。
随着移动通讯、网络技术、多媒体技术等高科技产品进入家庭，32位单片机也得到了长足发展。
单片机主要应用领域之一为工业测控，用于此领域的单片机多为8位机，而以MCS-51系列和AT89S5系列用得最多，本设计是设计智能绕线机控制电路，因此选用8位单片机。
市场上应用较多的8位单片机有AT89C52和AT89S52。
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。
AT89S52与AT89C52都内含8KB的Flash程序存储器，两者相比具有以下特点：
1）、前者支持在系统编程，后者不支持；
2）、前者具有两个数据指针DPTR0和DPTR1，而后者只有一个数据指针DPTR；
3）、前者含有一个看门狗定时器，具有断电标志POF，而后者没有，需要外接一个看门狗电路。
如图2-1。
图2-1AT89S52单片机
采用基于单片机AT89S52的温度测控系统,传感器为数字温度传感器DS18B20,显示部分为LED显示器,输出控制通道采用光电耦合双向晶闸管单相调功电路，如图2-2。
图2-2硬件电路系统的方框图
2.2温度传感器
（一）温度计系统的发展
最早的温度计是在1593年由意大利科学家伽利略（1564～1642）发明的。
后来又相继出现华氏温度计、列式温度计、摄氏温度计，均用水银和酒精等制作，现在英、美国家多用华氏温度计，德国多用列氏温度计，而世界科技界和工农业生产中，以及我国、法国等大多数国家则多用摄氏温度计。
随着科学技术的发展和现代工业技术的需要，测温技术也在不断地改进和提高。
由于测温范围变得越来越广，根据不同的要求，又制造出不同需要的测温仪器：
气体温度计、电阻温度计、温差电偶温度计、高温温度计等。
而我需要研究的是数字温度计，它是通过一定的电路和温度传感器进行测控，将温度用数字准确的显示出来。
数据显示比较直观而且测量精度也比较高，范围也比较大。
（二）数字温度计的设计现状
数字温度计的设计一般采用温度传感器与核心处理芯片相结合，将温度信号转换为电信号，经过A/D转换变成数字信号，用数字显示。
根据温度传感器的不同，数字温度计可采用热电偶、热电阻、热敏电阻、PN结型温度传感器、集成温度传感器等。
智能温度传感器亦称数字温度传感器）是在20世纪90年代中期问世的。
它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术ATE）的结晶。
目前，国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。
智能温度传感器内部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器或寄存器）和接口电路。
有的产品还带多路选择器、中央控制器CPU）、随机存取存储器RAM）和只读存储器ROM）。
智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器MCU）;
并且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的，其智能化程度也取决于软件的开发水平。
由DALLAS半导体公司生产的DS18B20型单线智能温度传感器,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性能特点
DS18B20的性能特点：
①采用单总线专用技术，既可通过串行口线，也可通过其它I/O口线与微机接口，无须经过其它变换电路，直接输出被测温度值（9位二进制数，含符号位），②测温范围为-55℃-+125℃，测量分辨率为0.0625℃,③内含64位经过激光修正的只读存储器ROM，④适配各种单片机或系统机，⑤用户可分别设定各路温度的上、下限，⑥内含寄生电源。
2、DS18B20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,高速暂存器。
DS18B20的管脚排列如图2-3所示。
64位光刻ROM是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列号。
不同的器件地址序列号不同。
图2-3DS18B20引脚分布图
DS18B20高速暂存器共9个存储单元，如表2-1所示：
序号
寄存器名称
作
用
0
温度低字节
以16位补码形式存放
4、5
保留字节1、2
1
温度高字节
6
计数器余值
2
TH/用户字节1
存放温度上限
7
计数器/℃
3
HL/用户字节2
存放温度下限
8
CRC
表2-1DS18B20存储单元
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。
高8位
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10KΩ左右的上拉电阻，如图2-4。
图2-4DS18B20与单片机的连接
DS18B20有六条控制命令，如表2-2所示：
指
令
约定代码
操
作
说
明
温度转换
44H
启动DS18B20进行温度转换
读暂存器
BEH
读暂存器9个字节内容
写暂存器
4EH
将数据写入暂存器的TH、TL字节
复制暂存器
48H
把暂存器的TH、TL字节写到E2RAM中
重新调E2RAM
B8H
把E2RAM中的TH、TL字节写到暂存器TH、TL字节
读电源供电方式
B4H
启动DS18B20发送电源供电方式的信号给主CPU
表2-2DS18B20控制命令
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。
2.3光电双向可控硅
耦合器以光为媒介传输电信号。
它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。
目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。
光耦合器一般由三部分组成：
光的发射、光的接收及信号放大。
输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。
这就完成了电—光—电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。
由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。
又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。
所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。
在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大提高计算机工作的可靠性。
双向可控硅是在普通可控硅的基础上发展而成的，它不仅能代替两只反极性并联的可控硅，而且仅需一个触发电路，是比较理想的交流开关器件。
其英文名称TRIAC即三端双向交流开关之意。
晶闸管的触发方式有移相触发和过零触发两种。
常用的触发电路与主回路之间由于有电的联系，易受电网电压的波动和电源波形畸变的影响，为解决同步问题，往往又使电路较为复杂。
MOTOROLA公司生产的MOC3021-3081器件可以很好解决这些问题。
该器件用于触发晶闸管，具有价格低廉、触发电路简单可靠的特点。
下面以MOC3061为例介绍其工作原理和应用。
MOC3061的内部结构及管脚排列见图2.4，它采用双列直插6脚封装。
主要性能参数：
可靠触发电流Ift5-15mA；
保持Ih100μA；
超阻断电压600V；
重复冲击电流峰值1A；
关断状态额定电压上升率dV/dt100V/μs。
MOC3061的管脚排列如下：
1、2脚为输入端；
4、6为输出端；
3、5脚悬空，输出级为具有过零检测功能的光控双向可控硅。
当红外发光二极管发射红外光时，光控双向可控硅触发导通。
详见图2-5。
图2-5MOC3061的管脚排列
在Proteus中MOC3061的管脚排列如图2-6
图2-6Proteus中MOC3061的管脚排列
光耦合器的主要优点是单向传输信号，输入端与输出端完全实现了电气隔离，抗干扰能力强，使用寿命长，传输效率高。
MOC3061和双向可控硅组成交流通路，实现主回路的通断。
由单片机的PWM波输出端口控制MOC3061的通断时间，实现主回路的通断控制。
通过改变PWM波的占空比控制双向可控硅的通断时间，从而实现主回路电流的无极可调。
在单片机PB1引脚输出高电平时，过零通断型光电耦合器MOC3061初级得到约15mA的正向工作电流，使内部硅化镓红外线发射二极管发射红外光，将过零检测器中光敏双向开关在市电过零时导通，接通主回路。
在单片机P1引脚输出低电平时，双向开关关断，主回路关闭。
MOC3061和可控硅的连接如图2-7。
图2-7 MOC3061与可控硅的连接
2.4PID算法
在过程控制中，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器（亦称PID调节器）是应用最为广泛的一种自动控制器。
它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；
而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象──“一阶滞后＋纯滞后”与“二阶滞后＋纯滞后”的控制对象，PID控制器是一种最优控制。
PID调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活（PI、PD、…）。
在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。
PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。
当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。
即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。
PID控制，实际中也有PI和PD控制。
PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
比例（P）控制
比例控制是一种最简单的控制方式。
其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。
当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-stateerror）。
积分（I）控制
在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（SystemwithSteady-stateError）。
为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。
积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。
这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。
因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
微分（D）控制
在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。
自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。
其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。
解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。
这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。
所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
第三章硬件电路的设计
3.1单片机最小系统
所谓单片机的最小系统，就是只有时钟电路﹑复位电路。
●晶振电路
单片机系统里都有晶振，在单片机系统里晶振作用非常大，全称叫晶体振荡器，它结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度越快，单片机的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率上。
常用的时钟电路设计有两种方式，一种是内部时钟方式，另一种方式为外部时钟方式，本设计采用内部时钟方式。
系统的时钟电路设计是采用的内部方式，即利用芯片内部的振荡电路。
AT89S52单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。
引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。
这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。
外接晶体谐振器以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。
对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响震荡器频率的高低、震荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。
因此，此系统电路的晶体振荡器的值为12MHz，电容应尽可能的选择陶瓷电容，电容值约为22～33pF。
在焊接刷电路板时，晶体振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证震荡器稳定和可靠地工作。
AT89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该高增益反相放大器的输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。
这两个引脚跨接石英晶体振荡器（简称晶振）和微调电容，就构成一个稳定的自激振荡器，图3-1是AT89S52内部时钟方式的振荡器电路。
本设计电路中的电容C1和C2的值选择33pF，晶振的振荡频率为12MHz。
●复位电路
复位是单片机的初始化操作，除进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，可以按复位键以重新启动，也可以通过监视定时器来强迫复位。
只需给单片机的复位引脚RST加上大于2个机器周期的高电平就可使单片机复位，复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。
复位电路的基本功能是：
系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销
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