基于AT89S52的热处理控制器的设计毕业设计.docx
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基于AT89S52的热处理控制器的设计毕业设计
衢州学院
毕业设计（论文）
题 目：
《基于AT89S52的热处理控制器》的设计
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摘要
温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。
成熟的温控产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，它们只能适应一般温度系统控制，而用于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。
随着我国经济的发展及加入WTO，我国政府及企业对此都非常重视，对相关企业资源进行了重组，相继建立了一些国家、企业的研发中心，开展创新性研究，使我国仪表工业得到了迅速的发展。
本设计使用单片机作为核心进行控制。
单片机具有集成度高，通用性好，功能强，特别是体积小，重量轻，耗能低，可靠性高，抗干扰能力强和使用方便等独特优点，在数字、智能化方面有广泛的用途。
本系统使用AT89S52单片机，使温度控制大为简便。
关键词:
AT89S52；传感器；PID调节；ADC0809
AT89S52；Sensor；PID；ADC0809
第一章概述
1.1单片机作用
在工业生产过程中，温度是最基本的工艺参数之一，因此对温度实现自动控制是生产自动化的重要任务之—。
本系统以AT89S52单片机为核心构成一个智能炉温控制系统，具有对电炉温度的定时检测、实时控制和调节，参数显示和打印，存储必要的信息等功能。
通过操作键盘，可在线修改给定值和控制参数，并进行手动、自动的切换。
加热炉是将物料或工件加热的设备。
按热源划分有燃料加热炉、电阻加热炉、感应加热炉、微波加热炉等。
应用遍及石油、化工、冶金、机械、热处理、表面处理、建材、电子、材料、轻工、日化、制药等诸多行业领域。
加热炉按炉温分布，炉膛沿长度方向可分为预热段、加热段和均热段。
单片机的温度控制是数字控制系统的一个应用。
本系统所使用的加热炉为燃料加热炉，加热炉温控范围200～650℃，热处理炉温升速率100～150℃/h，加热炉恒温时间可调，且要能显示当前温度值。
单片机温度控制系统是以MCS-5l单片机为控制核心，辅以采样反馈电路，驱动电路，晶闸管主电路对电炉炉温进行控制的微机控制系统。
系统的原理框图如图1-1所示，其基本控制原理为:
：
用键盘将温度的设定值送入单片机，启动运行后，通过信号采集电路将温度信号采集到后，送到A/D转换电路将信号转换成数字量送入单片机系统进行PID控制运算，将控制量输出，控制煤气的浓度，把数据反馈给单片机。
图1-1原理框图
1.2温度控制系统作用与要求
1.2.1温度控制的作用
随着新技术的不断开发与应用，近年来单片机发展十分迅速，一个以微机应用为主的新技术革命浪潮正在蓬勃兴起，单片机的应用已经渗透到电力、冶金、化工、建材、机械、食品、石油等各个行业。
传统的温度采集方法不仅费时费力，而且精度差，单片机的出现使得温度的采集和数据处理问题能够得到很好的解决。
温度是工业对象中的一个重要的被控参数。
然而所采用的测温元件和测量方法也不相同；产品的工艺不同，控制温度的精度也不相同。
因此对数据采集的精度和采用的控制方法也不相同。
传统的控制方式以不能满足高精度，高速度的控制要求，如温度控制表温度接触器，其主要缺点是温度波动范围大，由于他主要通过控制接触器的通断时间比例来达到改变加热功率的目的，受仪表本身误差和交流接触器的寿命限制，通断频率很低。
近几年来快速发展了多种先进的温度控制方式，如：
PID控制，模糊控制，神经网络及遗传算法控制等。
这些控制技术大大的提高了控制精度，不但使控制变得简便，而且使产品的质量更好，降低了产品的成本，提高了生产效率。
1.2.2温度控制的要求
在工业生产中，对温度控制系统的要求，主要是保证炉温按规定的温度工艺曲线变超调小或者无超调，稳定性好，不振荡，对系统的快速性要求不高。
温度工艺曲线随产品不同而不同，如图1—2的工作曲线由三部分组成：
（1）等数升（降）温度。
这一工艺过程要求加热炉在规定时间内等速从某个温度值变化到另一温度值。
这时，微机不仅要检测炉温，还要对加热炉进行升（降）温控制。
（2）恒温段（亦称保温段）。
这一工艺过程是温度控制的主要工艺过程，它要求控制系统保证炉温在各种干扰下能稳定在允许范围内。
图1-2热处理温度曲线
第二章系统原理及电路设计
本次毕业设计其工作原理为：
热处理器上有8个温度传感器和14个控制阀，温度传感器与控制阀是一一对应的对关，一个测温点对应一个控制阀。
来至热处理器的温度经温度传感器将现场信号传化为电信号，再经放大器将信号放大，经多路开关选择通过，经A/D转换器转化为数字量并送入单片机进行控制处理，单片机的控制信号由P0输出并由8155扩展，使其能满足14路输出的控制要求，驱动电磁阀开关，实现温度的控制。
2.1温度的检测
温度检测是温度控制系统的一个重要的环节，直接关系到系统性能。
在微机温度控制系统中，温度的检测不仅要完成温度到模拟电压量的转换，还要将电压转换为数值量送计算机。
其一般结构如图2—1所示。
图2—1温度数字检测的一般结构
温度传感器将各测温点的温度变换为模拟电压，其值一般为mV级，需要放大为满足模/数转换要求的电压值。
微机通过控制多路开关选择某一路电压送到模/数转换器进行模/数转换，得到表示温度的电压数字量，再用软件进行标度变换与误差补偿，得到测温点的实际温度值。
2.1.1传感器简介
温度传感器种类繁多，但在微机温度控制系统中使用得传感器，必须是能够将非电量变换成电量得传感器，目前常用得有热电偶传感器、热电阻传感器和半导体集成温度传感器。
热电偶传感器是工业温度测量中应用最广泛得一种传感器，具有精确度高、测量范围广、构造简单、使用方便等优点。
热电偶是由两种不同材料得导体A和B连接在一起构成得感温元件，如图2－2所示。
A和B得两个接点1和2之间穿在温度差时，回路中便产生电动势，形成一定大小得电流，这种现象称为热
电效应，也叫温差效应。
热电偶就是利用这个原理测量温度的。
热电偶的测温范围很宽,一般为－50～＋1600℃，最低可达－200℃，最高达2800℃（短时间内）：
在良好的测量电路配合下，它可以实现搞精度测量，因此在工业生产过程得到很广泛的应用。
日本工业界根据热电偶电极线径和对应的温度范围将热电偶分为7类，即K、E、J、T、B、R、S几种工业标准。
测温范围一般由热电偶的线径决定，线径越粗所能测量的温度越高。
根据本次毕业设计的实际测量温度的情况，我们选择热电偶作为本次设计的温度测量设备。
2.2温度的测量电路
由于热电偶所输出的热电动势一般很小。
每度只有几十微伏，这个热电动势在整个要测的范围内一般是非线性的。
热电动势是热电偶工作端（热端）相对自由端（冷端）而产生的，因此用热电偶测量温度，选择或设计相应的测量电路必须要考虑三件事：
采用什么样的放大电路？
一、热电偶放大电路
为便于输入通道AI中A/D转换所需电平，要对模拟传感器输出的弱信号加以放大，并把信号中的干扰噪声抑制在最低限度，因而须用低噪声、低漂移、高增益、高输入阻抗以及具有很高共模抑制比的直流放大器。
这类的放大器常用的有测量放大器、可编程序放大器和隔离放大器。
通过比较和讨论，在这本的设计中我们采用了测量放大器，下面介绍一下测量放大器。
1、测量放大器的特点
运算放大器对微弱信号的放大，仅适用于信号回路不受干扰的情况，然而，传感器的工作环境往往比较恶劣；两个输出端上经常产生较大的干扰信号，有时是完全相同的，完全相同的干扰信号称为共模干扰，虽然运算放大器对直接输入到差动端的共模信号有较强的抑止能力，但对简单的反相输入或同相输入接法，由于电路结构的不对称，抵御共模干扰的能力很差，故不能用在精密测量场合，因此，需要引入另一种形式的放大器，即测量放大器，又称仪用放大器、数据放大器，他广泛用于传感器的信号放大，特别是微弱信号及具有较大共模干扰的场合。
测量放大器除了对低电平信号进行线性放大外，还担负着阻抗匹配和抗共模干扰的任务，他具有高共模抑止比、高速度、高精度、宽频带、高稳定性、高输入阻抗、低输出阻抗、低噪声等特点。
2、测量放大器的组成
测量放大器的基本电路如图2-3所示。
2-3测量放大器的原理图
测量放大器的放大倍数用下面公式计算
式中，
为用于调节放大倍数的外接电阻，通常
采用多圈电位器，并靠近组件，若距离较远，应将联线胶合在一起，改变
可使放大倍数在1～1000范围内调节。
3、实用测量放大器
目前，国内外已有不少厂家生产了许多型号的单片机测量放大器芯片。
供用户选择，美国公司提供的有AD521、AD522、AD612、AD605等。
国内749厂生产的有ZF605、ZF603、ZF604、ZF606等。
在信号处理中需对微弱信号放大时，可以不必再用分立的通用运算放大器来构成测量放大器。
采用单片机测量放大器芯片显然具有性能优异、体积小、电路结构简单、成本低等优点。
下面介绍两种单片机测量放大器。
AD521AD521的管脚功能与基本接法如图2—4所示
图2—4AD521的管脚功能与基本接法
（a）管脚功能（b）基本接法
管脚OFFSET（4，6）用来调节放大器零点，调节方法是将该端子接到10
电位器的两固定端，滑动端接负电源端。
测量放大器计算公式为
放大倍数在使用AD521（或其他测量放大器）时，都要特别注意为偏置电流提供回路，为此，输入（1或3）端必须与电源的地线相连构成回路，可以直接相连，也可以通过电阻相连。
图2—4中给出了信号处理电路中与传感器不同的耦合方式下的接地方法。
如下图：
AD521的输入信号耦合方式
（a）变压器耦合（b）热电偶直接耦合（c）电容器耦合，通过电阻R为偏置电流提供回路
虽然热电偶的每度所对应的热电动势只有几十微伏，对于电路技术和微电子技术发展到今天，检测几十微伏的电压信号的电路还是相当多的。
设计这样的放大器是不太困难的，但是在设计电路时，还必须小心的选用有关元器件。
下面我们以K类热电偶为例设计有关的放大器。
图2—5K型热电偶的放大电路和元件
图2－5是K型热电偶的放大电路和元件。
AD521测量放大器。
假设该电路实现0～800℃所对应电势的放大，根据表2－2所示的K型热电偶的温差电势，在0℃时，温差电势0V，800℃时对应的温差电势为33.277mV。
如果要求该放大电路对于0～800℃的温差电势，为配合之后的A/D转换器的输入电压，在放大器AD521的输出端输出0～2000mV,那么，运算放大器的增益应为60.1倍。
该增益只要调整RG就能达到，所以元件参数选为：
RG=15KΩ。
表2﹣1热电偶的温差电势
类型
温度
K
（mV）
J
（mV）
E
（mV）
T
（mV）
－200
－100
0
＋100
＋200
＋300
＋400
＋500
＋600
＋700
＋800
＋900
＋1000
＋1100
＋1200
＋1300
－5.891
＋3.553
0
＋4.095
＋8.137
＋12.207
＋16.395
＋20.640
＋24.902
＋29.128
＋33.277
＋37.325
＋41.269
＋45.108
＋48.828
＋52.398
－7.890
－4.632
0
＋5.268
＋10.777
＋16.325
＋21.846
＋27.388
＋33.096
＋39.130
＋45.498
＋51.875
＋57.942
＋63.777
＋69.536
－8.824
－5.237
0
＋6.317
＋13.419
＋21.033
＋28.943
＋36.999
＋45.085
＋53.110
＋61.022
＋68.783
＋76.358
－5.603
－3.378
0
＋4.277
＋9.286
＋14.860
＋20.869
2.3MCS-51单片机
单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）简称单片机，是指在一块芯片上集成了中央处理器CPU、随机存储器RAM、程序存储器ROM或EPROM、定时器/计数器、中断控制器及串型和并行I/O接口等部件。
单片机主要应用于工业控制领域，用来实现对信号的检测、数据的采集以及对应用对象的控制。
它具有体积小、重量轻、价格低、可靠性高、耗电少和灵活机动等许多优点。
单片机是微型计算机的一个重要分支，特别适合用于智能控制系统。
基于经济上的的考虑，以及本次设计的加热炉的精度要求，选用AT89S52单片机作为中央处理器。
AT89S52是MCS－51系列单片机的一种型号，在MCS－51系列单片机中还有8051、8032、80C31等。
本设计采用MCS-51单片机的AT89S52作为CPU,MCS-51系列单片机有十多个品种.
●MCS-51单片机内部结构
MCS-51系列单片机组成结构中包含运算器、控制器、片内存储器、4个I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统、振荡器等功能部件。
SP是堆栈指针寄存器，PC是程序计数器，PSW是程序状态字寄存器，DPTR是数据指针寄存器。
一个完整的计算机应该由运算器、控制器、存储器（ROM及RAM）和I/O接口组成。
一般微处理器（如Z80）只包括运算器和控制器两部分。
和一般为处理器相比，8051增加了四个8位I/O口、一个串行口、4KBROM、128BRAM、很多工作寄存器及特殊功能寄存器（SFR）。
各部分的功能简述如下。
①中央处理单元（CPU）
CPU是单片机的核心，是计算机的控制和指挥中心，由运算器和控制器等部件组成。
a）运算器：
包括一个可进行8位算术运算和逻辑运算的单元ALU，8位的暂存器1、暂存器2，8位的累加器ACC，寄存器B和程序状态寄存器PSW等。
ALU：
可对4位（半字节）、8位（一字节）和16位（双字节）数据进行操作。
能做加减、乘、除、加1、减1、BCD数十进制调整及比较等算术运算和与、或、异或、求补及循环移位等逻辑操作。
ACC：
累加器ACC经常作为一个运算数经暂存器2进入ALU的输入端，与另一个来自暂存器1的运算数进行运算，运算结果又送回ACC。
除此之外，ACC在8051内部经常作为数据传送的中转站。
在指令中用助记符A来表示。
PSW：
程序状态字寄存器，8位，用于指示指令执行后的状态信息，相当于一般微处理器的标志寄存器。
PSW中各位状态供程序查询和判别用。
B：
8位寄存器，在乘、除运算时，B寄存器用来存放一个操作数，也用来存放运算后的一部分结果；若不做乘、除运算时，则可作为通用寄存器使用。
b）控制器：
包括程序计算器PC、指令寄存器IR、指令译码器ID、振荡器及定时电路等。
②存储器
8051片内有ROM（程序存储器，只能读）和RAM（数据存储器，可读可写）两类，它们有各自独立的存储地址空间，与一般微机的存储器配置方式很不相同。
③I/O接口
8051有四个8位并行接口，即P0-P3。
它们都是双向端口，每个端口各有8条I/O线，均可输入/输出。
P0-P3口四个锁存器同RAM统一编址，可以把I/O口当作一般特殊功能寄存器来寻址。
2.4MCS-51系列单片机引脚
MCS—51系列单片机芯片均为40个引脚，HMOS工艺制造的芯片采用双列直插方式封装，其引脚示意及功能分类。
下面按引脚功能分为4部分叙述各引脚的功能。
这40脚大致可分为：
电源（VCC、VSS、VDD、VPD），时钟（XTAL1、XTAL2），I/O（P0—P3），地址总线（P0、P2），数据总线（BUS）和控制总线（ALE、RST、
、
、
）6大部分。
它们的功能简述如下：
1．主电源引脚
Vcc（40脚）：
接+5V电源正端。
Vss（20脚）：
接+5V电源地端。
2．外接晶体引脚XTAL1和XTAL2
XTAL1：
引脚号19，内部振荡器外接晶振的一个输入端。
在使用外部振荡源时，此端必须接地。
XTAL2：
引脚号18，内部振荡器外接晶振的另一个输入端。
在使用外部振荡源时，此端用于输入外部振荡信号。
XTAL2也是内部时钟发生器的输入端。
当访问外部程序器时，ALE（地址锁存）的输出用于锁存地址的低位字节。
而访问内部程序存储器时，ALE端将有一个1/6时钟频率的正脉冲信号，这个信号可以用于识别单片机是否工作，也可以当作一个时钟向外输出。
如果单片机是EPROM，在编程其间，
将用于输入编程脉冲。
3．MCS-51输入/输出引脚
MCS-51单片机有4个I/O端口，共32根I/O线，4个端口都是准双向口。
每个口都包含一个锁存器，即专用寄存器P0-P3，一个输出驱动器和输入缓冲器。
为方便起见，我们把4个端口和其中的锁存器都统称P0-P3。
在访问片外扩展存储器时，低8位地址和数据由P0口分时传送，高8位地址由P2口传送。
在无片外扩展存储器的系统中，这4个口的每一位均可作为双向的I/O口使用。
P0口：
可作为一般的I/O口用，但应用系统采用外部总线结构时，它分时作低8位地址和8位双向数据总线用。
P1口：
每一位均可独立作为I/O口。
P2口：
可作为一般I/O口用，但应用系统采用外部系统采用总线结构时，它分时作为高8位地址线。
P3口：
双功能口。
作为第一功能使用时同P1口，每一位均可独立作为I/O口。
另外，每一位均具有第二功能，每一位的两个功能不能同时使用。
如表2-6示。
4．MCS-51控制线
RST/Vpd（9脚）：
RST即为RESET，Vpd为备用电源。
该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。
当单片机震荡工作时，该引脚上将出现持续两个机器周期的高电平，这时可实现复位操作，使单片机回复到初始状态。
当Vcc发生故障，降低到低电平规定值或掉电时，该引脚上可接备用电源Vpd（+5V）为内部RAM供电，以保证RAM中的数据不丢失。
ALE/PROG（30脚）：
地址锁存有效信号输出端。
ALE在每个机器周期内输出两个脉冲。
在访问片外程序存储器期间，下降沿用于控制锁存P0输出端的低八位地址；在不访问片外程序存储器期间，可作为对外输出的时钟脉冲或用于定时目的。
PSEN（29脚）：
片外程序存储器选通信号输出端，低电平有效。
在从外部程序存储器读取指令或常数期间，每个机器周期内该信号有效两次，并通过数据总线P0口读回指令或常数。
在访问片外数据存储器期间，该信号将不出现。
EA/VPP（31脚）：
EA为片外程序存储器选通断。
该引脚有效（低电平）时，只选用片外程序存储器，否则单片机上电或复位后选用片内程序存储器。
对于片内还有EPROM的机型，在编程期间，此引脚用作12V编程电源Vpp的输入端。
5．单片机外总线结构
微型计算机大多数CPU外部都有单独的地址总线、数据总线和控制总线，而MCS—51单片机由于受到芯片管脚的限制，数据线和地址线（低8位）是复用的，而且是I/O口兼用。
为了将它们分离开来，以便同单片机之外的芯片正确地相连，常常在单片机外部加地址锁存器来构成与一般CPU相类似的三总线，
6.MCS-51单片机系统扩展
通常情况下，采用MCS-51系列单片机的最小系统只能用于一些很简单的应用场合，在此情况下直接使用单片机内部存储器、数据存储器、定时功能、中断功能、I/O端口等，组成的应用系统的成本较低。
单片机系统扩展的方法有并行扩展法和串行扩展法两种。
并行扩展法是利用单片机的三种线（AB、DB、CB）进行的系统扩展；串行扩展法是利用SPI三线总线或I2C双总线的串行系统扩展。
但是，一般串行接口器件速度慢，在需要高速应用的场合，还是并行扩展法占主导地位。
综上所述，MCS—51系列单片机的引脚作用可归纳为以下两点：
（1）单片机功能多，引脚数少，因而许多引脚都具有第2功能；
（2）单片机对外呈3总线形式，由P2、P0口组成16位地址线；由P0口分时复用作为数据总线；由ALE、PSEN、RST、EA与P3口中的INT0、INT1、T0、T1、WR、RD共10个引脚组成控制总线。
由于是16位地址线，因此，可使外部存储器的寻址范围达到64KB。
2.5锁存器74LS373简介
74LS373是一种带输出三态门的8D锁存器，其中：
1D～8D为8个输入端。
1Q～8Q为8个输出端。
G为数据打入端:
当G为“1”时,锁存器输出端状态（1Q～8Q）同输入状态（1D～8D）；当G由“1”变“0”时,数据打入锁存器中。
OE为输出允许端;当OE＝0时,三态门打开;当OE＝1时,三态门关闭,输出呈高阻。
在MCS－51单片机系统中,经常采用74LS373作为地址锁存器使用。
其中输入端１Ｄ～８Ｄ接至单片机的Ｐ０口，输出端１Ｑ～８Ｑ提供的是地址的低８位，Ｇ端接至单片机的地址锁存器信号ＡＬＥ。
输出允许端OE接地表示输出三态门一直打开。
2.6总线驱动器74LS244
总线驱动器74LS244经常用作三态数据缓冲器，74LS244为单向三态数据缓冲器，而74LS244为双向三态数据缓冲器。
单向的内部有8个三态驱动器，分成两组，分别由控制端1G和2G控制；双向的有16个三态驱动器，每个方向8个。
在控制端G有效时（G为低电平），由DIR端控制驱动方向；DIR为“1”时方向从左到右（输出允许），DIR为“0”时方向从右到左（输入允许）。
P2口如外接总线驱动器,它的两个控制端1G和2G均接地，相当于8个三态门均打开，数据从P2口到A8~A15端直通，也就是说。
此处采用74LS244纯粹是为
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