毕业设计论文基于AT89C51单片机的电烤箱温度控制系统.docx

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毕业设计论文基于AT89C51单片机的电烤箱温度控制系统

摘要

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;传感器;控制程序

1概述

温度控制技术广泛应用于社会生活的各个领域,如家电、汽车、材料、电力电子等,传统的温度控制技术中最常见的是继电器调温,但由于继电器动作频繁,温度控制范围小,精度不高,可能会因触点不良而影响正常工作。

最近几年快速发展的有PID温控、模糊控制、神经网络以及遗传算法在温度控制中的应用。

烤箱是热处理生产中应用最广的加热设备,它电流通过电热元件产生热量,借助辐射和对流的传递方式,将热量传递给所要加热的物品,使其加热到所要求的温度。

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方案比较

1.2.1PLC系统

（1）PLC的定义

可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。

它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计算和算术操作等面向用户的指令，并通过数字化或模拟式的输入/输出，控制各种类型的机械或生产过程。

（2）PLC的特点

现代工业生产是复杂多样的，它们对控制的要求也各不相同

1.可靠性高，抗干扰能力强：

PLC用软件取代了继电器控制系统中大量的中间继电器和时间继电器，接线可减少到继电器控制系统的十分之一以下，大大减少了因触点接触不良造成的故障。

2.硬件配套齐全，使用方便，适应性强：

PLC产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的硬件装置。

3.编程方法简单易学：

梯形图是使用的最多的PLC编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易用，熟悉继电器电路图的电气技术人员只需花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。

4.系统的设计、安装、调试工作量少：

PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。

PLC的梯形图程序可以用顺序控制设计法来设计。

这种设计方法很有规律，容易掌握。

可以在实验室模拟调试PLC的程序，用小开关来模拟输入信号，通过个输出点对应的发光二极管的状态来观察输出信号的状态，调试的时间比继电器系统少的多。

5.功能强，性能价格比高：

一台小型的PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，可以实现非常复杂的控制功能。

与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比。

PLC可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。

6.维修工作量小，维修方便：

PLC的故障率很低，并且有完善的故障诊断功能。

PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，根据PLC上的发光二极管或编程软件提供的信息，可以很方便地查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。

1.2.2单片机系统

（1）单片机的定义

单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集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系统。

（2）单片机的特点：

1.有优异的性能价格比。

2.集成度高，体积小，可靠性好。

3.控制能力强。

4.低功耗,低电压,便于生产便携式产品。

5.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国内技术人员熟悉；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

1.3选择最优方案

通过比较单片机与PLC的性价比，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。

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。

2硬件部分介绍

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单片机简介

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。

如图2-2AT89C51单片机内部结构简化框图

1.运算器

AT89C51运算器电路以算术逻辑单元ALU为核心。

有累加器ACC、寄存器B、暂存器1、暂存器2、程序状态寄存器PSW和布尔处理机共同组成。

它主要完成数据的算术运算、逻辑运算、位变量处理和数据传输等操作。

运算结果的状态由程序寄存器PSW保存。

①算术逻辑单元ALU与累加器ACC、寄存器B

算术逻辑单元ALU不但能完成8位二进制的加、减、乘、除等算数运算。

而且还能对8位变量进行逻辑“与”“或”“异或”循环位移等逻辑运算。

累加器ACC（简称累加器A）为一个8位寄存器，它是CPU中使用最频繁的寄存器。

专门存放操作数或运算结果。

图2.2AT89C51单片机内部结构简化框图

②程序状态寄存器

程序状态寄存器PSW是一个8位的状态寄存器。

用于存放标志寄存器。

用于存放指令执行后的状态，以供程序查询和判别。

PSW各位的状态通常是在指令执行的过程中自动设置的。

但可以由用户根据需要指令加以改变。

状态寄存器共有进位标志位CY、辅助进位标志位（或称半进位）AC、用户自定义标志位F0、工作寄存器组选择位RS1、RS0、溢出标志位OV、奇偶标志位P.

③控制器

控制部件是单片机的神经中枢。

它包括程序计数器PC、指令寄存器IR、指令译码器ID、数据指针DPTR、堆栈指针SP、缓冲器和定时器控制电路等。

它先以主振频率为基准发出CPU的时序对指令进行译码，然后发出各种控制信号。

完成一系列定时控制的微操作。

用来协调单片机各部分正常工作。

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。

图2.3单片机引脚图

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

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。

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。

（a）P0口结构（b）P1口结构

（c）P2口结构（d）P3口结构

图2.4I/O口位结构图

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。

图2-5、2-6所示。

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。

图2.5内部方式时钟电路图2.6外部方式时钟电路

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。

AT89C51单片机复位状态如下表所示:

寄存器复位状态寄存器复位状态

PC0000HACC00H

B00HPSW00H

SP07HDPTR0000H

P0-P1OFFHIPXXX00000B

IE0XX00000BTMOD00H

TCON00HTL0、TL100H

TH0、TH100HSCON00H

SBUF不定PCON0XXX0000B

2.1.7AT89C51单片机的指令

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。

2.1.874LS373

74ls373是常用的地址锁存器芯片，它实质是一个是带三态缓冲输出的8D触发器，在单片机系统中为了扩展外部存储器，通常需要一块74ls373芯片.

图2.874ls373引脚图

（1）1脚是输出使能（OE）,是低电平有效,当1脚是高电平时,不管输入3、4、7、8、13、14、17、18如何,也不管11脚（锁存控制端,G）如何,输出2（Q0）、5（Q1）、6（Q2）、9（Q3）、12（Q4）、15（Q5）、16（Q6）、19（Q7）全部呈现高阻状态（或者叫浮空状态）。

（2）当1脚是低电平时,只要11脚（锁存控制端,G）上出现一个下降沿,输出2（Q0）、5（Q1）、6（Q2）、9（Q3）、12（Q4）、15（Q5）、16（Q6）、19（Q7）立即呈现输入脚3、4、7、8、13、14、17、18的状态。

锁存端LE由高变低时，输出端8位信息被锁存，直到LE端再次有效。

当三态门使能信号OE为低电平时，三态门导通，允许Q0~Q7输出，OE为高电平时，输出悬空。

当74LS373用作地址锁存器时，应使OE为低电平，此时锁存使能端C为高电平时，输出Q0~Q7状态与输入端D1~D7状态相同；当C发生负的跳变时，输入端D0~D7数据锁入Q0~Q7。

51单片机的ALE信号可以直接与74LS373的C连接。

2.2A/D转换电路设计

2.2.1逐次逼近型A/D转换器ADC0809

1.ADC0809的内部逻辑结构（如图2.10）。

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2.10ADC0809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：

①INT—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。

②A、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

③ALE：

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2.11ADC0809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）

2.2.2AT89C51单片机与ADC0809接口

ADC0809与AT89051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

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2.12ADC0809与单片机的连接

2.3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。

一直流放大器电路

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间没有这个电路，故直流放大器又称直接耦合放大器

二运算放大器电路

1.概述

在直流差动放大器的输入端子输出端之间跨接各种网络（如电阻R1、电容C等），使构成用来实现信号组合和运算的运算放大器，运算放大器通常是由放大电路组成，输入级（第一级）由晶体管T1和T2组成差动放大镜电路T3和T4是T1和T2的有源负载。

T9是恒流源，第二级放大电路由晶体管T5和T6组成，T10是恒流源（T6的有源负载），为了获得输出阻抗，输出级（第三级）由晶体管T7和T8组成，采用互补对称放大电路。

运算放大器是一种具有高放大倍数，深度负反馈的直流放大器。

便于实现信号的组合和运算。

有很大的灵活性，因此它们不仅仅电子模拟计算机的关键部件，而且在自动控制系统测量装置中得到广泛应用。

尤其在线性固体组件出现后，有具有体积小，质量轻等优点，所以在实际中应用固体组件运算放大器所组成的电路是多种多样。

图2.13运算放大器电路图

理想运算放大器的特性：

开环增益Ad无限大；

输入阻抗无限大；

输出阻抗Z为0；

输入电压的失调电压rf为；

带宽无限大；

上述

—

的特性不随环境温度的变化而变化；

2.运算放大器的典型电路

A反馈型号放大电路B加法放大电路C减法放大电路D积分电路E对数放大电路F乘法器电路G除法器电路H比较器电路I整流器电路J限频器电路K数据放大器电路

L弱电流放大器M电荷放大器电路

三集成运算放大器概述

在信号的放大，信号的运算（加、法、乘、除、对数、反对数、平方、开方），信号的处理（滤波、调制）以及波形的产生和变换的单元中，运算放大器是它们的核心部分，由多级直接耦合放大电路组成的，主要有，总体，偏置电路、单位增益转换、电平转移、恒流反馈、消振补偿等组成，主要参数有：

差模开环增益（或差模开环放大倍数）AUD、共模开环增益AUC、共模抑制比KCMR、输入失调电压Vi0失调电压温度系数aUi0=dUi0/dT\输入失调电流Ii0=I1-I，失调电流温度系数aI10=dI10/dT，单位增益宽带fBWG、转换速率Sr以及其他参数。

本次设计根据实际情况采用多级交流放大电路。

接线图见附图。

2.4传感器

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。

2.4.1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。

被测量→敏感元件→转换元件→转换电路→电量

图2.8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。

2.4.2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。

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、潮湿、抗介质腐蚀能力、抗电磁场干扰能力等

2）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

3）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、各项分布参数等临界频率、临界速度、稳定时间等。

4）环境参数