基于AT89C51单片机电烤箱的温度控制系统方案设计书与实现1.docx

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基于AT89C51单片机电烤箱的温度控制系统方案设计书与实现1

学生：

裴强强指导教师：

刘畅

内容摘要：

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

Single-chipbasedontheoven’stemperaturecontrolsystemdesign

Abstract:

Withthecontinuousdevelopmentofsociety,people'sabilitytotransformnatureoftheadvancehasbeen.Thebirthofthemachineforustoreducesomeorallofthementalandphysical.Thebirthofelectronictechnologyhasbroughtevenmoreearth-shakingchanges.Electricalandmechanicalengineeringcontrolsystemsbecomeintegratedwiththemicroelectronictechnologycommonkeytechnologies.Peoplecanmakethroughitsmachineryinfullaccordancewiththewishesoftheirowntoimplement.

Withthedevelopmentofelectricalandmechanicalcontroltechniques,mainlyreflectingthetwotypesofsingle-chipcomputerandPLCcontrol.Thedesignusesasingle-chipcontrol.Single-chipmicrocomputeruseintheirdailylivesmoreandmorewidely.Temperaturecontrolinindustrialproductionareoftenencountered.Chemicalsfromoiltoelectricityproduction,Orevensomeproductsintheproductionprocesscontroloftemperaturedirectlyaffectsthequalityoftheproduct.Single-chiptemperaturecontrolbothnowandwillplayanimportantroleinthefuture.

ThispaperintroducestheAT89C51single-chipmicrocomputerasthecoreoftheoventemperaturecontrolsystem.Hardwarecomponentswhichinclude:

Single-chipcircuit,sensorcircuit,amplifiercircuit,convertercircuit,aswellasthekeyboardanddisplaycircuit.Softwareinclude:

themainprogram,operatorcontrolprocedures,aswellastherealizationofthefunctionalmodulesoftheprogram.Finally.

Keywords:

MicrocontrollerTemperatureElectricovensControl

基于单片机的电烤箱控制系统设计

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的控制。

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。

1概述

温度控制是工业生产过程中经常遇到的控制，有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品质量，因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。

根据温度变化快慢的特点，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：

a.电烤箱由2千瓦电炉加热，最高温度为500℃。

b.电烤箱温度可预置，烤干过程恒温控制，温度控制误差小于或者等于±2℃。

c.预置时显示设定温度，烤干时显示实时温度，显示精确到1℃。

d.温度超出预置温度±5℃时发声报警。

e.对升降温过程的线性是没有要求的。

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的特性来讲，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算法来实现温度的控制。

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，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，从而保持恒温的控制。

2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、放大器、传感器、键盘及显示电路五大部分。

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

随着社会发展，单片机以其体积小、可靠性高、使用方便的特点在社会生活中达到广泛应用。

根据温度控制特点，本次设计采用AT89C51。

以下对其进行详细介绍。

AT89C51单片机是美国Intel公司的8位高档单片机的系列。

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，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的中心。

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。

如图2.1.2-1

2.1.2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操作。

运算结果的状态由程序寄存器PSW保存。

A.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、除等算数的运算。

而且还能对8位变量进行逻辑“与”“或”“异或”循环位移等逻辑的运算。

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

专门存放操作数或运算结果。

图2.1.2-1AT89C51单片机内部结构简化框图

B．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。

用于存放标志的寄存器。

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。

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.

C.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。

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微操作。

用来协调单片机各部分的正常工作。

2.1.3AT89C51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的封装；另一种是方形的封装。

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的封装。

但为44个引脚，其中4个引脚是不使用的。

由于at89C51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2.1.3-1单片机引脚图。

a.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。

b.外接晶体引脚两根

XTAL1:

接外部石英体和微调电源一端。

XTAL2:

接外部晶体和微调电容另一端。

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2.1.3-1单片机引脚图

2.1.4引脚功能

I\O引脚共32根。

A．PO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的总线。

B．P1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I/O口使用。

C．P2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。

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）

2.1.5控制线

控制线共四根。

A：

ALE/PROG地址锁存有效信号输出率。

B：

PSEN片外程序存储器读选通信号输出端低电平有效。

C：

RST/VPD复位信号备用电源输入信号。

D：

EA/VPP片外程序存储器选用端。

2.1.6AT89C51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等4个存储空间。

2.1.7AT89C51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2.1.7-1I/O口位结构图所示。

a.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。

b.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。

c.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。

d.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。

图2.1.7-1I/O口位结构图

2.1.8AT89C51单片机时钟电路及时序

a.时钟电路

AT89C51单片机的时钟信号通常有两种方式产生：

一种是内部的方式，一种是外部的方式。

图2.1.8-1、2.1.8-2所示。

b.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2.1.8-1内部方式时钟电路图2.1.8-2外部方式时钟电路

2.1.9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

2.1.10AT89C51单片机的指令系统

控制计算机与操作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

2.2.1传感器概述

根据国家标准，传感器定义是：

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2.2.1-1所示。

图2.2.1-1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、生物传感器。

物理传感器是利用某些变换元件的物理性质，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的原理，把无机和有机化学物质成分。

浓度等转换为电信号传感器。

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传感器。

随着科学技术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，可以把传感器输入量分为静态量和动态量两大类。

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。

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。

A.传感器的技术性能指标及改善性能途径

传感器技术性能指标

传感器动态性能指标

量程指标：

包括测量范围、过载能力。

灵敏度指标：

包括灵敏度、分辨力、满量程输出、输出输入阻抗。

A.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。

B.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。

C.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。

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。

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。

C.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。

D．其他指标：

a．使用方面：

包括供电方式、电压幅度与稳定性功能、各项分布参数。

b．结构方面：

名手外形尺寸质量、壳体材质、结构特点。

c.要装连接方面：

包括安装方式、馈成、电缆。

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，尤其在低温的方面；

C.易于在自动测量或远距离测量中的使用；

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、三线式和四线式三种形式。

采用两线式接法时（如图2.2.3-1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，将产生附加的电阻、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电阻变化是相同的，根据电桥特性，电桥输出将互相抵消。

图2.2.3-1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的四要导线和电桥连接，r1、r4分别串联在相邻两桥臂内，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

a.ADC0809的内部逻辑结构（如图2.3.1-1）

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的选择。

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

b.ADC0809的引脚及各引脚功能

图2.3.1-1ADC0809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2.3.1-2所示

各引脚功能如下：

A、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的单极性，电压范围0~+5V；若信号过小还需要进行放大。

另外，在A/D转换的过种中，模拟量输入值不应变化太快，因此，对变化速度快模拟量在输入前应增加采样保持电路。

B、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的选择。

C、ALE：

地址锁存允许信号，在对应ALE跳转，A、B、C地址状态送入地址的锁存器中。

图2.3.1-2ADC0809引脚功能图

D、Vref：

参考电压正端参考电压用来与输入模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准，其曲型值为+5V（Vref（+）=+5V，Vref（-）=0）D、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转换期间，START应保持低电平。

E、DT~D0：

数据输出线，其为三态缓冲输出形式，可以和单片机数据线直接相连。

F、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，因此有时钟信号的引脚。

通常使用频率为500KHZ时钟信号。

I、Vcc：

+5电源

2.3.2AT89C51单片机与ADC0809接口

A.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。

B.数据的传输方式：

定时传输方式；查询方式；中断方式。

2.4放大器电路设计

传感器是将待测物理量或化学量转换成电信号的输出。

但其输出的信号通常的都很小，需要进行放大。

传感器信号的放大，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）。

2.4.1交流放大器电路

a.共发射极放大电路

A.工作点不稳定状态

静态工作点：

，

交流等效电路：

图2.4.1-1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：