电烤箱温度控制系统的设计.docx
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电烤箱温度控制系统的设计
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电烤箱温度控制系统的设计
摘要
温度是科学技术中最基本的物理量之一，物理、化学等学科都离不开温度。
在实验研究和工业生产中，比如机械制造、化工、电力、石油、冶金、航空航天等领域，都离不开温度的研究，温度常常是表征对象和过程状态的最重要的参数之一。
在实际的生产环境和科学实验中，我们要对温度进行有效的控制，可以采用数字调节仪表或者模拟，但是它们却存在着一定的缺陷。
而用单片机进行温度的调节就具备更高的可靠性和灵活性。
基于单片机所组成的数据采集和控制系统，被广泛的应用于各个领域。
本文介绍了以AT89C52单片机为核心的电烤箱温度控制系统。
电烤箱温度控制系统由两个部分组成：
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、A/D转换电路、键盘和显示电路。
软件部分包括：
主程序、运算控制程序和各种功能实现模块程序。
关键词：
单片机，电烤箱，温度，控制
Theoven’stemperaturecontrolsystemdesign
Abstract
Temperatureisoneofthebasicalphysicalquantitiesinthescienceandtechnology.Physics,chemistryandotherdisciplinesareinseparablefromthetemperature.Intheexperimentalstudyandtheindustrialproduction,likethemachinemanufacture,thechemicalindustry,theelectricpower,thepetroleum,themetallurgy,theaerospaceandsoon,thetemperaturefrequentlyisoneofthemostimportantparameterswhichshowobjectandprocesscondition.Intheactualproductionenvironment,andscientificexperiments,wewanttoeffectivelycontrolthetemperature,usedigitaladjustmentinstrumenttomeasureorsimulation,buttheyhavesomedefects.microcontrollerfortemperatureregulationwithgreaterreliabilityandflexibility.
ThispaperintroducestheAT89C52single-chipmicrocomputerasthecoreoftheoventemperaturecontrolsystem.Thesystemconsistsoftwoparts.Hardwarecomponentswhichinclude:
Single-chipcircuit,sensorcircuit,amplifier,circuit,convertercircuit,aswellasthekeyboardanddisplaycircuit.Softwareinclude:
themainprogram,operatorcontrolprocedures,aswellastherealizationofthefunctionalmodulesoftheprogram.
Keywords:
single-chipmicrocomputer,oven,temperature,control
1绪论
1.1课题研究的意义
温度的测量以及控制在工业生产中广泛应用，在工农业生产、科研以及日常生活等领域都有重要的地位。
温度控制系统是人类供热和取暖的主要设备的驱动来源，至今也有两百多年的历史。
随着生产力的发展和对温度控制精度的要求不要提高，从低级到高级，从简单到复杂，温度控制系统得到迅猛发展。
现在智能温度控制系统普遍应用于社会生活、工业生产的每个领域，适合于汽车、电力、电子、材料等行业，成为国家发展国名经济的重要热工设备之一[1]。
在现代化建设的进程中，能源的需求十分大，我国与发达国家相比，能源的利用率比较低。
所以研究温度控制系统有着非常重要的意义[2]。
1.2温度控制系统国内外发展现状
国内虽已经普遍使用温度控制系统，但技术水平仍然不高，与发达国家相比有着较大差距[3]。
目前，我国在这方面的技术水平处于20世纪80年代中后期水平，成熟产品主要以“点位”控制及常规PID控制器为主，它也只能适应一般温度控制，难以控制复杂、时变、滞后的温度控制系统，而智能化、自适应控制仪表等应用于较高级控制场合的温度控制器，国内技术水平还不成熟。
国外已经有较多比较成熟的产品，但是国外技术的保密性和我国开发研究工作的滞后，还没开发出性能可靠的自整定软件。
控制参数主要靠人工经验和现场调试确定。
国外温度控制器发展速度快，同时在自适应、智能化等方面取得了相应成果。
美国、日本、德国等技术领先，生产出了一批性能优异的温度控制器和仪器仪表，并在各行各业普遍应用[4]。
它们主要有以下的特点：
一是可以在大滞后、大惯性等复杂系统中进行温度控制；二是可以在受控系统过程复杂、参数时变的系统中进行温度控制；三是温度控系统广泛采用自校正控制、模糊控制、人工智能等理论及计算机技术，运用先进的技术，控制的范围广泛；四是温度控制器一般都具有自动整定功能，借助计算机软件技术的帮助，温度控制器具有对温度控制参数和特性进行自整定功能。
五是控制精度高、抗干扰能力强的优点。
[5]可以看出，国外温度控制系统正朝着智能化、高精度、微型化等方面快速发展[6]。
1.3温度控制器的发展前景
目前社会上温度控制器大多采用智能调节器，国内生产的调节器分辨率和精度较低，温控效果不是很理想，价格便宜，国外调节器分辨率和精度较高，价格较高。
通过对智能控制算法及相关温度控制器的研究，设计出了一整套的温度控制系统，将嵌入式引进温度控制系统中，加入LCD显示和键盘。
可以清楚显示系统的运行状态，用户可以根据实际情况随时更改初始数据，使温度控制系统更加智能化。
此设计方法弥补了国内调节器精度低的缺点。
如果我国的大中型企业使用技术水平高的温度空设备，可以提高生产效率，降低能源消耗[7]。
嵌入式温度控制系统符合国家提出的“节能减排”的要求，符合经济发展要求，具有十分广阔的市场前景[8]。
比如电力部门1980年产生的废气是现在的八倍，相当于多开采了三个中型煤矿。
在微电子行业中，温度控制系统的重要性也越来越大。
因此，温度控制系统前景十分广泛，研究温度控制系统的意义也是非常重大。
1.4课题研究的主要内容及要求
本设计当中本人的主要工作如下：
1.主要内容：
设计一个电烤箱温度控制系统，要求在一定范围内电烤箱温度保持在设定温度上；要求温度范围为0-200℃；温度值、控制参数等可以手动设置并能显示设定温度、实际温度等；系统的启动和停止等操作可以通过键盘控制；温度控制精度要求在正负5℃。
2.基本要求：
以AT89C52单片机为核心控制单元，设计包括：
a）.硬件电路的设计：
包括单片机电路，A/D转换电路，放大电路，传感器电路，键盘和显示电路。
b）.通过对单片机编程，在LCD液晶上显示设置温度和实际温度。
c）.整合程序，保证电烤箱温度控制系统得以实现。
d）.完善程序：
增加系统的稳定性，使温度误差在允许的范围内。
2电烤箱温度控制系统整体方案设计
2.1电烤箱温度控制系统的方案概述
电烤箱温度控制系统大致可分为温度的测量、传输、A/D转换，再通过单片机按照设置的程序进行比较，确定是否继续加热，并且在LCD上显示设置温度和实际温度。
电烤箱是一种烘烤食物的电热器具，它通过电热元件所发出来的辐射热进行加热。
电烤箱的温度范围一般为室温到250℃。
通常升温到200℃大约需要20分钟时间，通过程序可以控制加热时间，如果设置的时间比较短，电热元件产生的功率比较大，电烤箱加热的温度会超过设置的温度，然后停止加热；如果程序设置的时间充裕，电烤箱会缓慢加热到设置温度，并且精度比较高。
2.2温度控制系统硬件体系结构设计
电烤箱温度控制系统以AT89C52单片机为核心，外部加上一些电路，由LM016L型的LCD显示设置温度和实际温度，电烤箱内的温度，由温度传感器检测，经放大后通过A/D转换器转换为二进制数，单片机要不断扫描A/D转换器输入的温度数据，并且与设置的温度进行比较，来控制是否继续加热。
当电烤箱温度达到设置的温度时，停止加热；当电烤箱温度低于设置的温度时，继续加热，直到加热到设置温度。
当单片机工作异常时，可以按复位键使得单片机工作正常。
电烤箱温度控制系统结构图如图2-1所示。
图2-1电烤箱温度控制系统结构图
3硬件电路的设计
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AT89C52单片机为检测控制中心的温度控制系统，显示采用LCD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。
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。
3.1单片机电路的选用
单片机由于体积小、可靠性高、使用方便的特点，使它得到广泛应用。
根据温度控制系统的特点，本次设计采用AT89C52单片机。
AT89C52单片机是美国Inter公司生产的8位单片机系列，是目前应用最为广泛的一种单片机系列[9]。
主要包括CPU、存储器、I/O接口和时钟电路等部分。
3.1.1中央处理器CPU
CPU是单片机的核心，是单片机的控制和指挥中心，由运算器和控制器等部件组成。
89C51单片机的运算器包含一个8位算术、逻辑运算单元ALU，两个8位暂存器1、2，8位累加器ACC，以及程序状态寄存器PSW和寄存器B等等。
ALU：
可对4、8、16位的数据进行操作，能做代数运算、逻辑运算、大小比较、位数调整等运算。
ACC：
就是我们经常说的累加器，把存储在它里面的数据送入经暂存器2，然后再送到ALU的输入端，再和暂存器1里的数据进行运算，运算返回的值又送回累加器。
此外，ACC还经常作为传送数据的中转站。
它的工作量是最大的。
用助记符A表示。
PSW：
程序状态寄存器，8位，它显示指令执行后的状态信息，相当于标志寄存器。
PSW中的各种状态是用来提供给程序查询和判别之用的。
寄存器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，也可来存放运算后的一部分结果；若不做乘、除运算，则可以作为通用寄存器使用。
控制器它是由指令寄存器（IR）、程序计数器（PC）、振荡器、指令译码（ID）和定时电路等组成的。
程序计数器PC：
由高8位PCH计数器和低8位PCL计数器组成。
PC用来记录程序的字节地址，程序将要执行的下一条指令的地址是存储在PC中的。
要想改变程序执行的方向可以通过改变PC的内容。
指令寄存器IR和指令译码器ID：
经PC指定的FlashROM地址后，取出来的指令先是经过指令寄存器送到指令译码器，由指令译码器对指令进行译码同时送给PLA一系列的控制信号，来执行规定的操作。
振荡电路及定时电路：
此系列单片机本身就带有振荡电路，当我们要用到此功能是仅需要外接一个石英晶体和调频电容，电容的频率可以设置在24MHz之内得到的脉冲就可以作为基本节拍，也就是时间最小单位[10]。
3.1.2AT89C52单片机引脚功能
AT89C52单片机的引脚结构有双列直插封装方式和方形封装方式。
图3-1为引脚结构图。
图3-1AT89C52单片机引脚结构图
a）.电源引脚：
VCC接+5V电源正端；VSS接+5V电源地端。
b）.外接晶体引脚：
XTAL1、XTAL2：
这两个引脚是用来接外部晶体以及微调电容的。
也可以将其当做反相放大器的输入端和输出端，晶体的固有频率决定了电路的频率。
当接外部时钟时，18号引脚悬空而19号引脚接时钟输入端[11]。
c）.控制信号引脚RST、ALE、PSEN、EA
RST：
就是常说的复位键。
当程序出现错误需要重新载入程序时只需要保持此端口两个机器周期的高电位就可以完成程序的重新载入。
ALE：
地址锁存允许信号端。
单片机通电正常工作后，此引脚不断发出高电平的信号脉冲
PSEN：
程序存储允许输出信号端。
EA：
外部程序的存储器地址允许输入端/固化编程电压输入端。
当EA引脚接高电平时，CPU仅仅访问片内FlashROM并且运行内部存储程序中的指令；但当PC的值超过0FFFH时，将自动转去执行片外FlashROM内的程序。
当输入信号EA引脚接低电平时，CPU仅仅访问片外ROM并执行片外FlashROM中的指令，而不管是否有片内FlashROM。
d）.输入/输出端口P0、P1、P2、和P3
P0端口：
P0口是一种以漏极开路为原理的8位准双向输入输出端口。
作为单片机输出端口，每位可以运行8个LS型的TTL负载。
当把P0口作为输入端口使用时，应先向口锁存器写入全1，此时P0口的引脚浮空，此时当做高阻抗输入。
作为输入口使用前要先写1，这就是准双向的定义。
在CPU寻址片外的存储器时，P0口分时间供应低8位地址、8位数据的总线。
在此期间，P0口内部上拉电阻有效。
在FlashROM编程时，P0端口接收指令字节；而在校验程序时，则输出指令字节。
验证时，要求外接上拉电阻[12]。
P1端口：
P1是一个带有上拉电阻的8位双向输入输出端口。
P2端口：
P2是一个带有上拉电阻的8位双向输入输出端口。
在对FlashROM编程和程序校验期间，P2也接收高位地址和一些控制信号。
P3端口：
P3是一个带有上拉电阻的8位双向输入输出端口。
3.1.3AT89C52单片机存储器
89C52片内有FlashROM（只能读）和RAM（可读可写）两类，它们的存储地址空间是相对独立的，与一般的微型计算机的存储器的加载方式有很不相同。
FlashROM是用于存储已经编好的程序或者表格常数。
FlashROM使用16位PC寻址，寻址大小为64KB。
这使得指令可以在64KB的地址空间内任意跳转，但不能使FlashROM的空间内容转移到RAM空间[13]。
当引脚EA接高电平时，89C52单片机的PC在0000H—0FFFH范围内执行片内FlashROM中的程序；当指令地址超过0FFFH后，就自动转向片外ROM中去取指令。
[14]当引脚EA接低电平时，89C52片内ROM不起作用，CPU只可以从片外FlashROMEPROM中去取指令，地址可以从0000H开始编址[15]。
数据存储器RAM用于存放运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等。
数据存储器也分成片内和片外两大部分，即片内RAM和片外RAM。
89C52片外数据存储器空间为64KB，地址从0000H—FFFFH；片外存储器空间为256字节，地址从0000H—00FFH[16]。
3.1.4AT89C52单片机时钟电路及时序
AT89C52单片机的时钟信号的产生有两种方式：
一是内部的方式，另一种是外部的方式。
图3-2和图3-3是时钟电路。
图3-2内部方式时钟电路
图3-3外部方式时钟电路
89C52单片机内部包括一个高增益的反相放大器，用来组成振荡器。
它的的输入端为XTAL1，输出端口为XTAL2。
电容器通常取30pF左右，可稳定频率并对振荡频率有微调作用。
振荡脉冲频率范围为0—24MHz。
89C52的单片机的基本时序定时单位有如下4个。
振荡周期：
晶振的振荡周期，为最小的时序单位。
状态周期：
振荡频率经单片机内的二分频器分频后提供给片内CPU的时钟周期。
因此，一个状态周期包含2个振荡周期。
机器周期（MC）：
1个机器周期由6个状态周期即12个振荡周期组成，是计算机执行一种基本操作的时间单位。
指令周期：
执行一条指令所需的时间。
一个指令周期由1-4个机器周期组成，依据指令不同而不同[17]。
3.1.5AT89C52单片机的复位电路
89系列单片机和其他微处理器一样，在启动时需要复位，从而使CPU的系统各个元器件处于归零初始状态，并从初始状态运行工作。
当系统的状态时正常的工作状态时，并且振荡稳定后，当RST引脚上出现一个高电平并且维持2个机器周期时，则CPU可以响应并且将系统复位[18]。
复位是指微型计算机的归零操作。
它的主要作用是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始运行程序。
为了摆脱因程序出错而导致系统死机等困境，也必须复位。
除PC之外，复位可以对其他的寄存器存在影响，他们的复位状态如表3-1所示。
表3-1各特殊功能寄存器的复位值
专用寄存器
复位值
专用寄存器
复位值
PC
0000H
TCON
00H
ACC
00H
T2CON（AT89C52）
00H
B
00H
TH0
00H
PSW
00H
TL0
00H
SP
07H
TH1
00H
DPTR
0000H
TL1
00H
P0-P3
FFH
TH2（AT89C52）
00H
IP（AT89C51）
×××00000B
TL2（AT89C52）
00H
IP（AT89C52）
××000000B
RCAP2H（AT89C52）
00H
IE（AT89C51）
0××00000B
RCAP2L（AT89C52）
00H
IE（AT90C52）
0×000000B
SCON
00H
TMOD
00H
SBUF
不定
T2MOD（AT89C52）
××××××00B
PCON（CHMOS）
0×××0000B
RST是复位信号的输入端。
复位信号为高电平有效，其有效时间应持续24个以上的振荡周期。
若使用频率为6MHz的晶振，则复位信号持续时间应超过4us,才能完成复位操作。
整个复位电路包括芯片内、外两部分。
外部电路产生的复位信号送至触发器，再由复位电路在每个机器周期的S5P2时刻对触发器的输出进行采样，然后才得到内部复位操作所需要的信号。
复位操作有上电自动复位和按键复位两种方式[19]。
上电自动复位是在加电瞬间电容通过充电来实现的。
手动复位，是指通过接通—按钮开关，使单片机进入复位状态[20]。
3.1.6AT89C52单片机的指令系统
89C52指令系统由111条指令组成，指令系统分为5大类：
数据传送指令（28条）、算数运算指令（24条）、逻辑运算和移位指令（25条）、控制转移指令（17条）、位操作指令或布尔操作（17条）。
3.2传感器电路的选用
3.2.1传感器概述
传感器是将各种非电量按一定原则转换成易于处理或者传输的另一种物理量的装置。
传感器的组成部件是敏感元件、测量电路和转换元件，有时还需要电源。
敏感元件（预变换器）：
在非电量变换为电量的时候，不是全部非电量都可以变换为电量，通常是将需要转换的非电量先变换成另一种更容易变换为电量的量，然最后为电量。
转换元件：
通过现有技术把非电量转换成电量。
测量电路：
将转换元件输出的电量转换成容易显示、记录、控制和处理的有用电信号的电路称为测量电路。
3.2.2传感器的分类
传感器的种类很多，一般常采用的分类方法有如下几种。
a）.按输入量分类
如果输入量分别为温度、速度、湿度、压力等非电量时，则相应的传感器称为温度传感器、速度传感器、湿度传感器、压力传感器等。
这种分类方法给使用者提供了方便，容易根据测量对象来寻则需要的传感器。
b）.按测量的原理分类
现在传感器的主要测量原理是基于电磁原理。
比如根据变电阻的原理，相应的传感器有电位器式和应变传感器；根据变化的磁阻的原理，相应的传感器分为电感式、电涡流式传感器和差动变压器式；根据半导体的相关理论，相应的传感器有半导体光敏、力敏、热敏和气敏等固态传感器。
c）.按结构型和物性型分类
结构型传感器是根据结构的几何形状变化或者尺寸的变化，来将输入的参数变换成电容、电感和电阻等物理学的量的变化，从而检测出被测信号。
物性型传感器是利用某些材料本身物理性质的变化而实现测量，它是以半导体、铁电体和电介质等作为敏感元件材料的固态器件。
3.2.3传感器的基本特性
传感器的输入量可分为静态量和动态量两种。
动态量通常是指周期信号、瞬变信号或随机信号。
静态量指稳定状态的信号或变化及其缓慢的信号。
无论是动态量或静态量，传感器输出电量都应当不失真地复现输入量的变化。
传感器的静态特性的主要指标有一下几点。
线性度：
在规定的条件下，传感器的校准曲线和拟合直线之间最大偏差与满量程输出值的百分比。
非线性误差是以一定的拟合直线或理想直线为基准直线算出来的。
所以，基准直线不同，所得线性度不同。
灵敏度：
传感器的灵敏度是指到达稳定工作状态时输出变化量与引起此变化的输入变化量之比。
精确度：
含有精密度和正确度两者之和的意思，即测量的综合优良程度。
温度传感器是利用物质的各种物理性质随温度变化的规律把温度转换为电量的传感器。
温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。
按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按传感器材料和电子元件特性分为热电阻和热电偶两大类。
将温度转换为电势的热电式传感器叫热电偶，将温度转换为电阻值的热电式传感器叫热电阻。
根据本设计的要求，应该选用热电式传感器。
根据电烤箱的特点，应该选择热电阻传感器。
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进行温度测量的，随着科学技术的发展，测温范围不断扩大。
热电阻传感器与热电偶相比，它的主要特点有：
同样温度下输出信号较大，易于测量；测电阻时必须借助外加电源；热电阻测温的反应速度比热电偶慢；同类材料制成的热电阻不如热电偶测温上限高。
但是它的测温精度高，重复性好，易于在远距离测量和自动测量系统中使用。
3.2.4热电阻的测温线路
工业用热电阻通常安装在生产的现场，而指示或记录仪表需安装在控制室，中间连接的引线很长，如果只需要两根导线安装在热电阻两端，导线自身的阻值必然和热电阻的电阻值累加在一起，容易引起测量误差。
为了避免和减小导线自身的电阻对测量温度的影响，热电阻通常采取三线制的接法，定义是热电阻的一端和一根导线相接，另一端同时连接两根导线，这样消除了热电阻在测量过程中导线阻值的影响。
在本设计中，电烤箱使用加热炉来加热，其中含有温度传感器，，也就是热电阻。
温度升高，阻值变大；温度降低，阻值变小。
它的优点有稳定性高，温度和电阻值具有良好的线性
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