单片机温度控制系统设计.docx
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单片机温度控制系统设计
廊坊师范学院
本科生毕业论文
题目:
单片机温度控制系统设计
学生姓名:
淮路宽
指导教师:
蒲永妮
二级学院:
物理与电子信息学院
系别:
物电学院
专业:
电气工程及其自动化
年级:
10级
学号:
10050342009
完成日期:
2014年5月24日
中英文摘要、关键词………………………………………………………………1
参考文献……………………………………………………………………………18
廊坊师范学院本科生毕业论文
论文题目:
单片机温度控制系统设计
论文摘要:
文中介绍了以单片机AT89C52作为核心元件构成的电阻炉温度控制系统的工作原理,详细说明了采用的新型元件,分析了系统硬件结构,最后给出了系统流程图。
关键词:
单片机;电阻炉;温度测量;控制系统
Basedonmonolithicintegratedcircuitresistancefurnacetemperaturecontrolsystemdesign
Abstract:
InthearticleintroducedbymonolithicintegratedcircuitAT89C52theresistancefurnacetemperaturecontrolsystemprincipleofworkwhichconstitutesasthecorepart,thespecifyhasusedthenewpart,hasanalyzedthesystemhardwarearchitecture,finallyhasgiventhesystemflowchart.
Keyword:
Monolithicintegratedcircuit,resistancefurnace,temperaturesurvey,controlsystem.
1 引言
电阻炉在化工、冶金等行业应用广泛,因此温度控制在工业生产和科学研究中具有重要意义。
其控制系统属于一阶纯滞后环节,具有大惯性、纯滞后、非线性等特点,导致传统控制方式超调大、调节时间长、控制精度低。
采用单片机进行炉温控制,具有电路设计简单、精度高、控制效果好等优点,对提高生产效率、促进科技进步等方面具有重要的现实意义。
本文介绍的温度控制系统的主要技术指标有:
温控范围:
300℃~1000℃;恒温时间:
0~24小时;控制精度:
±1℃;超调量<1%。
2 整体设计及系统原理
本系统由单片机AT89C52、温度检测电路、键盘显示及报警电路、时钟电路、温度控制电路等部分组成。
系统中采用了新型元件,功能强、精度高、硬件电路简单。
其硬件原理图如图1所示。
在系统中,利用热电偶测得电阻炉实际温度并转换成毫伏级电压信号。
该电压信号经过温度检测电路转换成与炉温相对应的数字信号进入单片机,单片机进行数据处理后,通过液晶显示器显示温度并判断是否报警,同时将温度与设定温度比较,根据设定的PID算法计算出控制量,根据控制量通过控制固态继电器的导通和关闭从而控制电阻丝的导通时间,以实现对炉温的控制。
该系统中的时钟电路可以根据要求进行准确计时[1]。
图1硬件原理图
3电炉温度控制系统硬件设计
3.1最小系统结构框图
本系统以AT89C52单片机为核心,本系统选用12MHZ的晶振,使得单片机有合理的运行速度,复位电路为按键高电平复位。
AT89C52单片机最小系统电路设计如图3-1所示:
图3-1AT89C52单片机最小系统
3.2单片机
在多数电子设计当中,基于性价比的考虑,8位单片机仍是首选。
AT89C52是一种低功耗/低电压、高性能的8位单片机。
片内带有一个8KB的Flash可编程、可擦除只读存储器(EPROM)。
它采用了CMOS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器(NURAM)技术,而且其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容、片内的Flash存储器允许在系统内改编程序或用常规的非易失性存储器编程器来编程。
因此,AT89C52是一种功能强、灵活性高,且价格合理的单片机,可方便地应用在各种控制领域。
基于上述这些特点,这里选择AT89C52单片机作为控制核心。
3.3单片机的主控单元
本部分主要介绍单片机最小系统的设计。
单片机系统的扩展,一般是以基本最小系统为基础的。
所谓最小系统,是指一个真正可用的单片机最小配置系统,对于片内带有程序存储器的单片机,只要在芯片外接时钟电路和复位电路就是一个小系统了。
小系统是嵌入式系统开发的基石。
本电路的小系统主要由三部分组成,一块AT89C52芯片、复位电路及时钟电路。
AT89C52单片机:
AT89C52是美国ATMEL公司生产的低功耗,高性能CMOS8位单片机,器件采用ATMEL公司的高密度,非易失性存储技术生产,兼容标准8051指令系统及引脚。
4K字节可系统编程的Flash程序存储器,128字节内部RAM,32个I/O口线,看门狗(WDT),两个数据指针,两个16位定时/计数器,一个5向量两级中断结构,一个全双工串行通信口,片内振荡器及时钟电路。
同时,AT89C52停止CPU的工作,但允许RAM、定时/计数器、串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容,但振荡器停止工作,并禁止其它所有部件工作,直到下一个硬件复位。
AT89C52单片机的引脚说明
VCC:
供电电压;
Vss:
接地。
P0是一个8位双向I/O端口,端口置1时作高阻抗输入端,作为输出口时能驱动8个TTL电平。
对内部Flash程序存储器编程时,接收指令字节;校验程序时输出指令字节,需要接上拉电阻。
在访问外部程序和外部数据存储器时,P0口是分时转换的地址(低8位)/数据总线,访问期间内部的上拉电阻起作用。
P1是一个带有内部上拉电阻的8位准双向I/0端口。
输出时可驱动4个TTL电平。
端口置1时,内部上拉电阻将端口拉到高电平作输入用。
对内部Flash程序存储器编程时,接收低8位地址信息。
P2是一个带有内部上拉电阻的8位准双向I/0端口。
输出时可驱动4个TTL电平。
端口置1时,内部上拉电阻将端口拉到高电平作输入用。
对内部Flash程序存储器编程时,接收高8位地址和控制信息。
在访问外部程序和16位外部数据存储器时,P2口送出高8位地址。
而在访问8位地址的外部数据存储器时其引脚上的内容在此期间不会改变。
P3口:
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。
作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为STC89C52的一些特殊功能口,如下所示:
P3.0/RXD(串行输入口);
P3.1/TXD(串行输出口);
P3.2/INT0(外部中断0);
P3.3/INT1(外部中断1);
P3.4T0(记时器0外部输入);
P3.5T1(记时器1外部输入);
P3.6/WR(外部数据存储器写选通);
P3.7/RD(外部数据存储器读选通);
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST:
复位输入。
当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG:
当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。
在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是:
每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时,ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。
另外,该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。
PSEN:
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取值期间,每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现。
EA/VPP:
当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器,不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。
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。
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。
本设计STC89C52单片机的P14、P15、P16、P17口接的是四位按键,P1.0口和P1.1口接LED显示,X1和X2接的是晶振电路,RESET接复位电路。
3.4复位电路
计算机在启动运行的时候都需要复位,使中央处理器CPU和系统中的其他部件都处于一个确定的初始状态,并且从这个初始状态开始工作。
单片机的复位是靠外部电路实现的,MCS-51单片机有一个复位引脚RST,高电平有效。
MCS-51单片机通常采用上电自动复位和按钮复位两种。
复位电路的基本功能是系统上电时,RC电路充电,RST引脚出现正脉冲,提供复位信号直至系统电源稳定后,撤销复位信号,为可靠起见,电源稳定后还要经一定的延时,才撤销复位信号,以防电源开关或电源插头分合过程中引起的抖动而影响复位。
RC复位电路可以实现上述基本功能。
调整RC常数会令对驱动能力产生影响。
复位电路如下图3-2所示:
图3-2复位电路图
3.5时钟振荡电路
时钟电路提供单片机的时钟控制信号,单片机时钟产生方式有内部时钟方式和外部时钟方式。
最常用的是内部时钟方式是采用外接晶振和电容组成的。
时钟振荡电路如图3-3所示:
图3-3时钟振荡电路
单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器,引脚XTAL1和引脚XTAL2分别是反相放大器的输入端和输出端,由这个放大器与作为反馈元件的片外晶体或陶瓷谐振器一起构成一个自己振荡器,这种方式形成的时钟信号称为内部时钟方式。
系统的时钟电路设计是采用的内部方式,即利用芯片内部的振荡电路。
内部方式时,时钟发生器对振荡脉冲二分频,如晶振为12MHz,时钟频率就为6MHz。
晶振的频率可以在1MHz-24MHz内选择。
电容取30PF左右。
因此,此系统电路的晶体振荡器的值为12MHz,电容应尽可能的选择陶瓷电容,电容值为30μF。
在焊接刷电路板时,晶体振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近,以减少寄生电容,更好地保证震荡器稳定和可靠地工作。
XTAL1是片内振荡器的反相放大器输入端,XTAL2则是输出端,使用外部振荡器时,外部振荡信号应直接加到XTAL1,而XTAL2悬空。
4温度检测电路
本系统采用的K型(镍铬-镍硅)热电偶,其可测量1312℃以内的温度,其线性度较好,而且价格便宜。
K型热电偶的输出是毫伏级电压信号,最终要将其转换成数字信号与CPU通信。
传统的温度检测电路采用“传感器-滤波器-放大器-冷端补偿-线性化处理-A/D转换”模式,转换环节多、电路复杂、精度低。
在本系统中,采用的是高精度的集成芯片MAX6675来完成“热电偶电势-温度”的转换,不需外围电路、I/O接线简单、精度高、成本低。
MAX6675是MAXIM公司开发的K型热电偶转换器,集成了滤波器、放大器等,并带有热电偶断线检测电路,自带冷端补偿,能将K型热电偶输出的电势直接转换成12位数字量,分辨率0.25℃。
温度数据通过SPI端口输出给单片机,其冷端补偿的范围是-20~80℃,测量范围是0~1023.75℃。
表1为MAX6675的引脚功能图。
当P2.5为低电平且P2.4口产生时钟脉冲时,MAX6675的SO脚输出转换数据。
在每一个脉冲信号的下降沿输出一个数据,16个脉冲信号完成一串完整的数据输出,先输出高电位D15,最后输出的是低电位D0,D14-D3为相应的温度转换数据。
当P2.5为高电平时,MAX6675开始进行新的温度转换。
在应用MAX6675时,应该注意将其布置在远离其它I/O芯片的地方,以降低电源噪声的影响;MAX6675的T-端必须接地,而且和该芯片的电源地都是模拟地,不要和数字地混淆而影响芯片读数的准确性[2]。
引脚号
名称
功能
1
GND
接地端
2
T-
热电偶负极(使用时接地)
3
T+
热电偶正极
4
VCC
电源端
5
SCK
串行时钟输入端
6
片选信号
7
SO
数据串行输出口
8
NC
悬空不用
表1MAX6675的引脚功能图
图4-1为本系统中温度检测电路。
图4-1温度检测电路
5时钟电路
在系统中需要准确显示升温时间、恒温时间等,因而选用了时钟芯片DS12887构成定时电路来完成对时间的准确计时。
DS12887具有时钟、闹钟、12/24小时选择和闰年自动补偿功能;包含有10B的时钟控制寄存器、4B的状态寄存器和114B的通用RAM;具有可编程方波输出功能;报警中断、周期性中断、时钟更新中断可由软件屏蔽或测试。
使用时不需任何外围电路,并具有良好的外围接口。
在本系统中,DS12887的地址/数据复用总线与单片机的P0口相连。
通过定时器中断,CPU每隔0.4秒读一次DS12887的内部时标寄存器,得到当前的时间,并送到液晶显示器进行显示。
每当电阻炉从一个状态转入另一个状态,CPU通过DS12887把时间清零,重新开始计时。
此外,通过DS12887,还可以设定电阻炉的加热时间和恒温时间[3]。
电路如图5-1中所示。
图5-1键盘、时钟、报警和控温电路
6显示电路
电子设计中常用的输出显示设备有两种:
数码管和LCD。
数码管是现在电子设计中普遍使用的一种显示设备,每个数码管由七个发光二极管按照一定的排列结构组成,根据七个发光二极管的正负极连接不同,又分为共阴极数码管和共阳极数码管两种,选择的数码管不同,程序设计上也有一定的差别。
数码管显示的数据内容比较直观,通常显示从0到9中的任意一个数字,一个数码管可以显示一位,多个数码管就可以显示多位,在显示位数比较少的电路中,程序编写,外围电路设计都十分简单,但是当要显示的位数相对多的时候,数码管操作起来十分烦琐,显示的速度受到限制。
液晶显示屏具有体积小、功耗低、显示内容丰富等特点,用户可以根据自己的需求,显示自己所需要的、甚至是自己动手设计的图案。
当需要显示的数据比较复杂的时候,它的优点就突现出来了,并且当硬件设计完成时,可以通过软件的修改来不断扩展系统显示能力。
外围驱动电路设计比较简单,显示能力的扩展将不会涉及到硬件电路的修改,可扩展性很强。
字符型液晶显示屏已经成为了单片机应用设计中最常用的信息显示器件之一。
不足之处在于其价格比较昂贵,驱动程序编写比较复杂。
由于本设计所需要显示的内容比较简单,只包括现场温度值、温度限定值以及PID系数的显示,所以本系统的数据显示设备采用LED数码管。
设计中采用4位共阴极LED静态显示方式,选用7段显示数码管。
显示内容有温度值的千位、百位、十位、个位。
LED显示电路如下图6-1所示。
图中的P1.1和P1.0分别连接到单片机的P1.1和P1.0引脚,作为时钟输入端和数据端口。
图6-1LED显示电路
由于单片机不能直接驱动数码管显示,所以必须在单片机与LED164之间加上74LS164,它的管脚图如图6-2所示。
图6-274LS164管脚图
A和B为74LS64的串行输入端;QA-QH为74LS64的串行输出端;CLK是串行时钟输入端;CLR是串行输出清零端;VCC:
+5V;GND:
接地端。
74LS164功能如表6.1所示。
表6.174LS164功能表
输入
输出
清除
时钟
A
B
QA
QB
QH
L
L
L
L
H
L
QA0
QB0
QH0
H
↑
H
H
H
QAn
QGn
H
↑
L
L
QAn
QGn
H
↑
L
L
QAn
QGn
LED164的管脚如图6-3所示,其中a-g段用来显示数字或字符的笔画,dp显示小数点,9和10引脚作为公共地。
一英寸以下的的LED数码管内,每一笔段含有一只LED发光二极管,导通压降为1.2-2.5V;一英寸及以上的LED数码管的每一笔段由多只LED发光二极管以串、并联方式连接而成,笔段导通电压与笔段内包含的LED发光二极管的数目、连接方式有关。
在串联方式中,确定电源电压VCC时,每只LED工作电压通常以2.0V计算,例如4英寸7段LED数码显示器LC4141的每一笔段由四只LED发光二极管按串联方式连接而成,因此导通电压应在7-8V之间,电源电压VCC必须取9V以上。
数码管结构有共阴极和共阳极之分。
本设计采用的是共阴极数码管。
共阴极公共端接地,高电平有效(灯亮),共阴极数码管内部发光二极管的阴极(负极)都联在一起,此数码管阴极(负极)在外部只有一个引脚。
图6-3数码管管脚图
7输出电路设计
7.1报警单元
报警电路实现的是当环境温度值超过系统设置的上限值或者小于系统设置的下限值时,都将通过I/O口驱动蜂鸣器,进行蜂鸣器报警[2]。
而单片机I/O口输出的电流无法直接驱动蜂鸣器,所以设计了蜂鸣器驱动电路,具体电路连接如图7-1所示:
图7-1报警电路图
7.2输出控制单元
电阻炉温度控制是通过控制电阻炉输入功率的大小实现对温度的控制,其控制方法有两种:
一种是可控硅移相触发调节方式,实质就是通过改变交流电压每周期内电压波形的导通角从而控制输出功率;另一种是通断控制调节方式,其触发方式是过零触发,实质是通过改变交流电压每周期内电压波头出现的次数从而控制输出功率。
通断控制调节方式会防止高次谐波的干扰和污染电网,硬件电路和软件程序都比较简单,因而本设计中采用的是通断控制调节方式。
固态继电器的简介:
固态继电器(SOLIDSTATERELAYS),简写成”SSR”,是一种全部由固态电子元件组成的新型无触点开关元件,它利用电子元件(如开关三极管、双向可控硅等半导体器件)的开关特性,可达到无触点无火花地接通和断开电路的目的,因此又被称为“无触点开关”。
固态继电器SSR-40DA是由固态元件组成的无触点开关,具有工作安全可靠、寿命长、无触点、无火花、无污染、高绝缘、高耐压(越过2.5kv)、低触发电流、开关速度快、可与数字电路巨配,以阻燃型环氧树脂为原料,采用灌封技术,使与外界隔离,具有良好的耐压、防潮、防腐、抗震动等性能。
固态继电器内部采用电压过零时开启,负载过零时关断的特性,在负载上可以得到一个完整的正弦波形。
因此电路的射频干扰很小,可降低感性负载(如风扇、三相电动机等)的反电动势以及驱动阻性负载(如白炽灯、发热丝等)时可显著降低浪涌电流等优点,其内部结构如下图7-2所示:
图7-2SSR-40DA内部结构图
固态继电器控制电阻炉温度电路图如图7-3所示:
图7-3固态继电器控制电阻炉温度电路图
8软件设计
在系统软件中,主程序完成系统初始化和电炉丝的导通和关断;炉温测定、键盘输入、时间确定和显示、控制算法等都由子程序来完成;中断服务程序实现定时测温和读取时间[5]。
流程图如图8-1所示。
图8-1控制系统程序流程图
9结语
该系统采用了K型热电偶信号处理集成芯片MAX6675,改变了传统测温电路电路复杂、程序复杂、精度低等问题;采用时钟芯片可以对时间准确计时;采用先进PID控制算法控制、精度高、超调小;整个设计电路简单、设定功能多、操作简单。
经反复实验证明:
其工作稳定性强、精度高、实用性强、控制效果好、应用前景广。
本文创新点:
改变了传统的温度检测电路采用“传感器-滤波器-放大器-冷端补偿-线性化处理-A/D转换”模式,采用的是高精度的集成芯片MAX6675来完成“热电偶电势-温度”的转换,不需外围电路,接线简单,精度高;采用时钟芯片便于精确计时,减小单片机的负担;采用先进PID控制算法控制,控制效果好,超调小。
参考文献:
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[4]刘洪恩.利用热电偶转换器的单片机温度测控系统[J].仪表技术,2005,2:
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50-52.
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