1电热箱单片机的温度控制系统设计.docx
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1电热箱单片机的温度控制系统设计
学士学位毕业设计（论文）
电热箱单片机
的温控系统设计
学生姓名：
指导教师：
所在学院：
专业：
电气工程及其自动化
中国·大庆
2008年6月
本科毕业设计（论文）任务书
学生姓名
所在班级
电气
导师姓名
导师职称
副教授
论文题目
电热箱单片机温控系统设计
题目
分类
1．应用与非应用类：
〇工程〇科研〇教学建设〇理论分析〇模拟
2．软件与软硬结合类：
〇软件〇硬件〇软硬结合〇非软硬件
（1、2类中必须各选一项适合自己题目的类型在〇内打√）
主要研究内容及指标：
电热箱用电热丝加热，温度探头感应出电热箱中的温度，放大器将温度信号传输给A/D转换器，A/D转换器把温度信号转换成数字信号，这个数字信号输入单片机与人为设定的温度值进行比较后发出控制信号，经光电隔离器去驱动双向可控硅以调节加在电热丝上的电压，从而控制电热箱的温度。
主要参考文献：
[1]何立民主编.单片机应用与设计.北京：
北京航空航天大学出版社，2000.8
[2]何立民主编.单片机应用技术选编
（1）～（7）.北京：
北京航空航天大学出版社，1993～1999
[3]胡健主编.单片机原理及接口技术实践教程.北京：
机械工业出版社，2004
[4]AT89C51DATASHEEPPhilipsSemiconductors1999.dec
[5]肖洪兵.胡辉.郭速学编著.跟我学单片机.北京：
北京航空航天大学出版社，2002.8
阶段规划：
1.8－3.1：
查阅有关技术资料，构思设计方案。
3.3－3.15：
开题报告。
3.16－3.20：
硬件电路设计。
3.21－4.20：
完成毕业设计，准备第一次论文答辩。
5.1－6.3：
完善毕业设计，准备第二次论文答辩（如第一次答辩未通过）。
开题时间
2008.3.3
完成论文时间
2008.6.3
专家审定意见：
系主任签字：
年月日
注：
1．任务书由指导教师填写后交给学生，要求学生妥善保存。
2．此任务书夹于论文扉页与论文一并装订，作为论文评分依据之。
摘要
本系统是以AT89C51单片机为核心,采用A/D转换器（ADC0804）将模拟信号转换为数字信号,采用AD590电流型温度传感器采集温度,实现温度实时显示和控制。
系统具有廉价,性价比高,工作稳定和抗干扰能力强的特点。
关键词：
电热箱单片机温控系统
ABSTRACT
ThissystemregardsAT89C51one-chipcomputerasthecore,adoptA/Dconverter（ADC0804）tochangetheanalogsignalintothedigitalsignal,adoptAD590currenttypetemperaturesensortogathertemperature,realizethattemperatureshowsandcontrol.Ithassomecharactersofcostcheap,operatingreliable,anti-interferenceperformancegreatly.
Keywords:
ElectricboxesSCMTemperatureControlSystem
前言
温度是生活及生产中最基本的物理量，它表征的是物体的冷热程度。
自然界中任何物理、化学过程都紧密地与温度相联系。
在很多生产过程中，温度的测量和控制都直接和安全生产、提高生产效率、保证产品质量、节约能源等重大技术经济指标相联系。
而且在我们的日常生活中也使用微波炉、电烤箱、电热水器、空调等家用电器，温度与我们息息相关。
另外在各高等院校的实验室中，无不将温度作为被控参数，构成微机测控系统，供学生作综合实验或课程设计。
可见温度控制电路广泛应用于社会生活的各个领域，所以对温度进行控制是非常有必要和有意义的。
温度测控技术包括温度测量技术和温度控制技术两个方面。
在温度的测量技术中，接触式测温发展较早，这种测量方法的优点是:
简单、可靠、低廉，测量精度较高，一般能够测得真实温度;但由于检测元件热惯性的影响，响应时间较长，对热容量小的物体难以实现精确的测量，并且该方法不适宜于对腐蚀性介质测温，不能用于极高温测量，难于测量运动物体的温度。
非接触式测温是通过对辐射能量的检测来实现温度测量的方法，其优点是不破坏被测温场，可以测量热容量小的物体，适于测量运动温度，还可以测量区域的温度分布，响应速度较快。
但也存在测量误差较大，结构复杂，价格昂贵等缺点。
因此，在实际的测量中，要根据具体的测量对象选择合适的测量方法，在满足测量精度要求的前提下尽量减少人力和物力的投入。
温度控制技术按照控制目标的不同可分为两类:
动态温度跟踪与恒值温度控制。
动态温度跟踪实现的控制目标是使被控对象的温度值按预先设定好的曲线进行变化。
在工业生产中很多场合需要实现这一控制目标，如在发酵过程控制，化工生产中的化学反应温度控制，冶金工厂中燃烧炉中的温度控制等。
恒值温度控制的目的是使被控对象的温度恒定在某一数值上，且要求其波动幅度（即稳态误差）不能超过某一给定值。
本课题所研制的电热器单片机温控系统就是要实现恒值温度控制的要求，故以下仅对恒值温度控制进行讨论。
本设计所研究的主要内容以AT89C51为核心组建测控系统，它必须快速准确采取各种待测参数转化为数字量。
由于要求的精度很高，采集系统应尽可能的排除谐波干扰，充分利用高精度A/D器件的性能，提高所测物理量的精度。
该单片机控制系统功能：
温度探头（AD590）感应出电热箱中的温度，放大器将温度信号传输给A/D转换器，A/D转换器把温度信号转换成数字信号，这个数字信号输入单片机与人为设定的温度值进行比较后发出控制信号，经光电隔离器去驱动双向可控硅以调节加在电热丝上的电压，从而控制电热箱的温度。
1绪论
1.1课题背景
对电热箱的温度控制以往主要采用常规仪器仪表加接触器的断续控制方法,装置多、体积大、温度控制精度低。
采用单片机实现温度控制则可以大大提高温度控制系统的性能价格比，且易于推广应用等显著优点。
1.2选题意义
温度在工业控制中是个很重要的参数,特别在冶金、机械、食品、化工等工业中,对工件的处理温度都要求严格控制,对于温度的精确度和稳定性均有较高的要求。
在此项课题中有以下技术指标要求:
①.温度最高可加热到100℃，并在此温度下保持恒定，控制其最大温差不超过1℃。
②.根据用户要求，使系统对该电热箱控制的恒定温度在0℃～100℃范围内，做到能够进行自动识别和连续可调的功能。
并能使各恒温点的控制精度保持在±1℃。
③.对电热箱的温度进行实时监测和实时显示。
④.装置整机体积小、灵敏度高、性能可靠。
这种单片机控制方案可大大地提高工作效率和控制精度,有助于自动化水平的提高,具有良好的经济效益和推广价值。
2系统的总体设计
2.1系统功能及其工作原理
该电热箱具有以下功能：
（1）使用高清晰度数码管实时显示电热箱温度，范围0℃～100℃；
（2）可用键盘方便地设定所需温度值，并显示设定的温度；（3）按设定温度加热到相应温度，并具有保温功能。
系统利用集成温度传感器AD590完成温度测量并转换成模拟电压信号，经由A／D转换器ADC0804转换成数字信号送到AT89C51单片机中，单片机将采集到的温度值与通过键盘设定的温度值进行比较，来控制加热器的开断，同时将温度值实时显示在LED显示器上。
2.2系统基本组成方框图
此电热箱的温控系统框图如下图1。
从图中可以看出，系统主要功能模块分为3类：
①.数据采集：
是指在单片机的控制下，使用功能传感器完成特定信号的测量和数据采集的功能。
传感器将采集到的信号和数据传输到单片机中进行处理。
②.结果显示：
是指单片机将采集到的数据发送到液晶显示模块，并控制液晶显示模块按照一定的格式将其显示的功能。
操作输入：
是指操作者或其他器件向单片机发送控制指令，用来控制仪器的模式，该指令一般通过键盘输入。
单片机在控制指令的要求下，完成一定功能，如进行信号测量、数据显示等。
③.控制执行：
是指单片机控制执行器件的通断电，从而实现对被控量稳定、有序、规则的控制。
除了上述3个主要功能模块外，还有电源模块，用来提供+5V和±12V直流电压。
3系统硬件电路设计
3.1AT89C51单片机
ATMEL公司的生产的AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，具有低功耗，速度快，程序擦写方便等优点，完全满足本系统设计需要。
AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
外形及引脚排列如图2所示。
图2AT89C51单片机引脚图
主要特性：
与MCS-51兼容；4K字节可编程闪烁存储器；寿命：
1000写/擦循环；数据保留时间：
10年；全静态工作：
0Hz～24Hz；三级程序存储器锁定；128×8位内部RAM；32可编程I/O线；两个16位定时器/计数器；5个中断源；可编程串行通道；低功耗的闲置和掉电模式；片内振荡器和时钟电路。
本系统选择AT89C51作为主控制器，P0口作为ADC0804转换数据的输入端。
P2.0接ADC0804的INTR端检测数据转换是否结束，P2.6、P3.0、P3.1口经74LS164串行输出显示数据到数码管，P1口用来连接独立式键盘，实现电热箱温度的动态设定。
P2.7用于控制加热器电路的通断，P3.6用于控制ADC转换器的启动，P3.7用于控制读取ADC的转换结果。
3.2AD590温度采集电路设计
AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。
它的主要特性如下：
①.流过器件的电流（A）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：
Ir/T=1A/K
式中：
Ir—流过器件（AD590）的电流，单位为A；
T—热力学温度，单位为K。
②.AD590的测温范围为-55℃～+150℃。
③.AD590的电源电压范围为4V～30V。
电源电压可在4V～6V范围变化，电流
变化1A，相当于温度变化1K。
AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。
④.输出电阻为710M。
⑤.精度高。
AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55℃～+150℃范围内，非线性误差为±0.3℃。
3.2.1AD590基本应用电路
图3（a）是AD590的封装形式，图3（b）是AD590用于测量热力学温度的基本应用电路。
因为流过AD590的电流与热力学温度成正比，当电阻R1和电位器R2的电阻之和为1k时，输出电压Vo随温度的变化为1mV/K。
但由于AD590的增益有偏差，电阻也有误差，因此应对电路进行调整。
调整的方法为：
把AD590放于冰水混合物中，调整电位器R2，使VO=273.2mV。
或在室温下（25℃）条件下调整电位器,使VO=273.2+25=298.2（mV）。
但这样调整只可保证在0℃或25℃附近有较高精度。
3.2.2AD590测温放大电路
为了提高精度，扩大测量范围，在A/D转换前还要将信号加以放大并进行零点迁移，因而一个高稳定性的、高精度的放大电路是必须的。
当温度变化时，AD590会产生电流变化，当AD590的电流通过一个10k的电阻时，这个电阻上的压降为10mV，即转换成10mV／K，为了使此10k电阻精确，可用一个9k的电阻与一个2k的电位器串联，然后通过调节电位器来获得精确的10k。
运算放大器AR1被接成电压跟随器形式，以增加信号的输入阻抗，降低输出阻抗，由运放AR2减去2.732做零位调整（即把绝对温度转成摄氏温度），最后由运放AR3反相并放大５倍输送给A/D转换器。
具体硬件连接图如图4所示。
图4AD590温度采集放大电路
AD590温度测量变量关系，如表1所示。
表1AD590温度放大测量变量关系
摄氏温度AD590电流经10KΩ电压AR1输出电压AR2输出电压AR3输出电压
0℃273.2μA2.732V2.732V0V0V
10℃283.2μA2.832V2.832V-0.1V0.5V
20℃293.2μA2.932V2.932V-0.2V1V
30℃303.2μA3.032V3.032V-0.3V1.5V
40℃313.2μA3.132V3.132V-0.4V2V
50℃323.2μA3.232V3.232V-0.5V2.5V
60℃333.2μA3.332V3.332V-0.6V3V
100℃373.2μA3.732V3.732V-1V5V
该温度采集电路采用LM741集成运算放大器，它是一种高放大倍数、高输入阻抗、低输出阻抗的直接耦合多级放大电路，具有两个输入端和一个输出端，可对直流信号和交流信号进行放大。
外接负反馈电路后，输出电压Vo与输入电压Vi的运算关系仅取决于外接反馈网络与输入的外接阻抗，而与运算放大器本身无关。
如图5LM741集成运放的外引线图，各引脚功能如下。
图5LM741的外引线图
3.3ADC0804模数转换电路
ADC0804型A/D转换器。
它是中速廉价型产品之一。
片内有三态数据输出锁存器，与微处理器兼容，输入方式为单通道。
1.ADC0804模数转换器功能及引脚说明
①．8位COMS逐次逼近型A/D转换器；
②．三态锁定输出；
③．存取时间：
135µs；
④．分辨率：
8位；
⑤．转换时间：
100µs；
⑥．总误差：
±1LSB；
⑦．工作温度：
ADC0804LCN—0度～+70度；
⑧．电源电压为单一+5V；
引脚说明:
/CS：
芯片选择信号；图6ADC0804引脚图
/RD：
外部读取转换结果的控制脚输出信号；
/WR：
用来启动转换的控制输入；
CLKIN，CLKR：
时钟输入或者震荡元件（R，C），频率约限制在100KHZ～1460KHZ，如果使用RC电路则振荡频率为1/（1.1RC）；
/INTR：
中断请求信号输出，低电平动作；
VIN（+），VIN（-）：
差动模拟电压输入；
AGND，DGND：
模拟信号以及数字信号的接地；
Vref/2：
辅助参考电压；
DB0—DB7：
8位数字输出；
VCC：
电源供应以及作为电路的参考电压；
2.ADC0804使用说明
ADC0804的被转换的电压信号从
和
输入，允许此信号是差动的或不共地的电压信号,模拟地和数字地分别设置引入端,使数字电路的地电流不影响模拟信号回路，以防止寄生耦合造成的干扰。
参考电压
可以由外部电路供给，从“
”端直接送入。
当
电源准确、稳定时，也可作参考基准。
此时，由ADC0804片内部设置的分压电路可自行提供
参考电压（2.5V），“
”端不必外接电源，浮空即可。
ADC0804片内有时钟电路，只要在外部“CLKR”和“CLK”两端外接一对电阻电容即可产生A/D转换所需要的时钟，其振荡频率为
≈1/1.1RC。
其典型应用参数为：
R=10k，C=150pF，
≈640kHz，每秒钟可转换1万次。
若采用外部时钟，则外部
可从CLK端送入，此时不接R、C。
是转换结束信号输出端，输出电平高跳到低表示本次转换已经完成，可作为中断或查询信号。
如果
和
端与
端相连，则ADC0804就处于自动循环转换状态。
为转换结果读出控制端，当它与
同时为低电平时，输出数据锁存器DB0～DB7端上出现8位并行二进制数码，以表示A/D结果。
3.单片机与ADC0804接口电路
图7单片机与ADC0804接口电路
0804由于具有三态输出锁存器，可直接驱动数据总线，故与AT89C51接口电路十分简单，直接连接成上图7即可。
当
与
同时有效时便启动A/D转换，转换结束时产生
信号，可供输出查询或中断信号。
在
和
共同控制下可以读取转换结果数据。
在A/D转换过程中，如果再次启动转换器，则终止正在进行的转换，进入新的转换，在新的转换过程中，数据寄存器中仍保持上一次的转换结果。
0804提供两个信号输入端
和
，如果输入电压
的变化范围从0V到
，则芯片的
端接地，输入电压加到
端。
对于差动输入，输入电压可以从非零开始，即
到
。
此时
端应接至等于
的恒定电压上，而输入电压
仍加到
端上。
0804转换器的零点无需调整，而输入电压的范围可以通过调整
端处的电压加以改变。
端电压应为输入电压的1/2。
例如输入电压范围是0V至2V，则在
端应加1V，但当输入电压为0～+5V时，
端无需外加任何电压，而由内部电源分压得到。
4.ADC0804电压输入与数字输出关系
本设计参考电压Vref=5V所以可确定输入模拟量所对应的数字信号量如表2所示。
表2ADC0804输入输出关系
ADC0804输入电压
ADC0804输出值
0V
0.5V
1V
1.5V
2V
2.5V
3V
5V
00H
19H
32H
4BH
64H
7DH
96H
FAH
3.4显示电路设计
显示电路采用74LS164连接4个共阳极数码管，实现串行口静态显示。
如图8所示。
由P2.6.控制串行口TXD的允许端，只有当P2.6=1时，才打开与门，放开显示传送。
AT89C51的串行口RXD和TXD为一个全双工串行通信口，但在工作方式0下可以作同步移位寄存器用，其数据由RXD（P3.0）串行输出或输入；而同步移位时钟由TXD（P3.1）端串行输出，在同步时钟作用下，实现由串行到并行的数据通信。
利用串行口加外围芯片74LS164就构成一个或多个并行输出，用于串-并行转换，驱动显示LED。
图8串行静态显示电路
这种显示电路属于静态显示，比动态显示亮度更高一些。
由于74LS164允许通过电流达8mA，所以添加100驱动电路，亮度比较理想。
与动态显示相比，无需CPU不停的扫描，频繁的为显示服务，节省了CPU时间，提高了工作效率。
74LS164移位寄存器底层驱动:
74LS164是一款8位移位寄存器,串行输入并行输出,常用于端口扩展,引脚排列如图9所示。
图974LS164引脚图
引脚说明：
CLK：
时钟输入断；
CLR：
清除端；
A,B：
为数据输入端；
当CLR为低电平时QA～QH输出均为低电平,当数据输入端任意引脚为低电平时,禁止数据输入。
并在CP上升沿作用下决定QA的状态，当任意一引脚为高电平的时候，允许另一引脚输入数据并且在CP上升沿的作用下决定QA的状态。
在使用的时候经常把DSA、DSB其中的一个设置永久高电平,或者两只脚同时接信号端。
3.5时钟电路
图10时钟电路
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
XATL1和XATL2两端接石英晶体及两个电容就可以构成稳定的自激震荡。
电容器C1和C2通常去32pF左右，可稳定频率并对震荡频率有微调作用。
震荡脉冲范围为
。
如图10所示。
振荡器特性：
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。
有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
3.6复位及键盘温度设定电路
1.RESET：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RESET脚两个机器周期的高电平时间。
如图11所示，在按键瞬间，电容C1通过R1充电，RESET端出现正脉冲，用以复位。
关于参数的选定，在震荡稳定后应保证复位高电平持续时间（即正脉冲宽度）大于两个机器周期。
当采用6MHz时，可取C3=22µF，R4=1K；当采用12MHz时，可取C3=10µF,R4=8.2K。
图11复位电路
2.键盘部分在程序运行过程中设置为外部中断1方式，S1～S4实现各功能通道键。
S1键为中断输入键，只有按下S1键，其他键才有效。
中断按键的功能就是设定恒温值，以便对测得温度对比判断，键盘电路如图12所示。
图12设定温度键盘
3.7控制加热电路
该部分采用了Motorola公司推出的单片集成可控硅驱动器件MOC3041，作为对加热器的驱动和控制。
MOC3041芯片是一种集成的带有光耦合的双向可控硅驱动电路，其内部集成了发光二极管、双向可控硅和过零触发电路等器件。
他由输入和输出两部分组成。
输入部分是一个砷化镓发光二极管，在5～15mA正向电流的作用下发出足够强度的红外光去触发输出部分。
输出部分包括一个硅光敏双向可控硅和过零触发器。
在红外线的作用下，双向可控硅可双向导通，与过零触发器一起输出同步触发脉冲，去控制执行机构—外部的双向可控硅。
其工作过程是：
当单片机的P2.7口输出高电平时，MOC3041输入部分的发光二极管导通。
发出足够强度的红外光去触发输出部分，即控制可控硅的导通，从而打开加热器；同理，当P2.7口输出为低电平时，MOC3041输入部分的发光二极管截止，可控硅断开，关闭加热器。
该系统具体电路图如图13所示。
图13双向可控硅控制电路
3.8辅助直流稳压电源设计
方案1：
采用单一电源供电。
这种方法明显不行。
因为电路中有模拟电路、数字电路等弱电部分电路，还有感应加热负载的强电流电路。
如果采用单一电源，各个部分很可能造成干扰，系统无法正确工作，还可能因为负载过大，电源无法提供足够的工作电流。
特别是压机启动瞬间电流很大，而且逆变电路负载电流波动较大会造成电压不稳，有毛刺等干扰，严重时可能造成弱电部分电路掉电。
方案2：
采用双电源，即电源负载驱动电路等强电部分用一个电源，模拟电路、数字电路等弱电部分用一个电源。
这种方法明显比前一种方案可靠性要高，但是电路间还是可能会产生干扰，造成系统不正常，而且还可能会对单片机的工作产生干扰，影响单片机的正常工作。
方案3：
采用多电源供电方式，即对数字电路、模拟电路、驱动电路分别供电，这种方案即降低了系统各个模块间的干扰，还保证了电源能为各部分提供足够的工作电流，提高系统的可靠性。
根据上述分析，决定采用方案3。
3.8.1三端固定稳压器
CW78××为固定式三端稳压器，它只能输出一个稳定电压。
固定式三端稳压器的常见产品如图14所示。
图14CW78××、CW79××系列稳压器
CW78××系列稳压器输出固定的正电压，如7805输出为＋5V；CW79××系列稳压器输出固定的负电压，如7905输出为－5V。
其典型应用电路如图15所示。
图15CW78××典型应用电路
输入端接电容
可以进一步滤除纹波，输出端接电容
能改善负载的瞬态影响，使电路稳定工作。
、
最好采用漏电流小的钽电容，
一般不得小于0.1µF，如采用电解电容，则电容量要比图中数值增加10倍。
3.8.2本次设计用的电源
图16
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