基于单片机的炉温温度控制系统设计-文库吧

【正文】 。（3）智能控制技术阶段。第三阶段时间为20世纪70年代末至今。七十年代末，电阻炉温度控制技术已经基本成熟，逐渐向“智能控制”和“复杂系统控制”的方向发展。近20年来，模糊控制技术、神经网络控制、遗传算法等智能控制技术发展较快，并且在炉温控制系统中都有所应用。如日本三菱电机公司在1998年开发了MACTUS 210系列的模糊PID自校正调节器。这类控制器用模糊控制规则和推理，去优化PID控制器的参数，有较强的适应性，但调节过程复杂。日本山武、霍尼韦尔公司在1995年开发出了商品化的SDC30系列智能型数字调节器，由人工神经元和模糊控制来整定PID控制器参数[10]。由于我国改革开放的发展，国内引进和生产了一些比较先进的控制设备，但是从整体上讲，我们的电阻炉温度控制技术比国外发达国家要落后四、五十年，一些中小型企业的控制技术仍以模拟仪表系统控制为主导地位，这种系统的控制参数由人工选择，需要配置专门的仪表调试人员，费时、费力且不准确，一旦生产环境发生变化就需要重新设置。控制不方便，控制精度不高，从而造成产品质量低、废品率真高、工作人员的劳动强度大、劳动效率低等，这些都缩减了企业的效益。随着微机控制技术的发展，用微机构成构成计算机控制系统，具有较高的可行性和经济价值。但是，目前国内的一些生产企业和研究机构主要开发一些大型微机控制系统，且大多硬件均是国外进口的，投资成本很高。所以，我们要好好学习先进控制技术，争取早日赶超国外那些发达国家。要达到控制要求，提高控制精度，保证产品质量，降低废品率，从而增加企业效益。 本系统的任务和本文的主要内容：（1）能够实时、准确的采样温度值的变化。采样温度范围是55～+125℃。（2）能够以DDC控制方式，进行升温、恒温过程。升温是要用固态继电器控制加热，控制对象是电机绝缘漆的烘干温度，所以恒温控制在一百度。（3）更加人性化的设计。上、下限温度能够用户输入并显示。声音、警报灯的报警功能等。初始的上限和下限分别是是30℃和10℃。：（1）温度控制系统硬件的设计炉温控制系统硬件设计主要包括AT89S52单片机、温度传感器温度采集模块、温度控制模块、显示模块、按键输入设定模块、声光报警模块的介绍。（2）温度控制系统软件的设计借助Keil C51开发工具，以C语言为开发语言，开发了单片机系统的温度检测与控制程序模块、对温度传感器模块、显示模块、温度控制模块进行控制，键盘导入设定的温度，使其与实际温度进行运算并输出。（3）温度控制系统的仿真以Proteus为基础，画出电路图加载各模块，加载程序并模拟实际电路的运行状态进行仿真。2 系统总体分析与设计 系统方案选择 主控芯片单片机的选型建立单片机炉温控制系统可以采用8031作为控制核心，以使用最为普遍的器件ADC0809作模数转换，控制上使用对电阻丝加电使其升温。此方案简易可行，器件的价格便宜。但8031内部没有程序存储器，需要扩展，增加了电路的复杂性。但此方案在硬件、软件上的成本都比较高，而且易受外部环境的影响和限制，系统工作相对不稳定。单片机种类繁多，经过比较。此次设计方案采用AT89S52单片机实现，与MCS51系列单片机兼容。我们在单片机课程中已经熟悉了51系列单片机，用起来会得心应手。而且该单片机软件编程自由度大，支持ISP在线编程，支持串口下载，使编程工作更加方便和自由地进行。可用编程实现各种控制算法和逻辑控制。进行数据转换，控制电路部分采用继电器控制，有比89C51更高的工作频率，从而有更快的计算速度。此方案电路简单并且可以满足题目中的各项要求的数据。 温度传感器的选择温度传感器可以采用极为普遍的晶体管3DG6作为温度传感器，廉价的电压/频率转换器（V/F）LM331与AT89S52单片机组成的温度测量仪。但抗干扰性差，数据处理复杂，数据存放空间大，受市场限制。设计中广泛采用热电阻传感器，铂电阻温度传感器是利用其电阻和温度成一定函数关系而制成的温度传感器，由于其测量准确度高、测量范围大、稳定性好等特点，被广泛用于中温（200℃～+650℃）范围的温度测量中。但铂电阻的电阻值与温度成非线性关系，所以需要进行非线性较正。校正分为模拟电路校正和微处理器数字化校正，模拟校正有很多现成的电路，其精度不高且易受温漂等干扰因素影响，数字化校正则需要在微处理系统中使用，将Pt电阻的电阻值和温度对应起来后存入EEPROM中，根据电路中实测的AD值以查表方式计算相应温度值[11]。采用数字可编程温度传感器DS18B20作为温度检测元件。数字可编程温度传感器可以直接读出被测温度值。不需要将温度传感器的输出信号接到A/D转换器上，减少了系统的硬件电路的成本和整个系统的体积进行数据转换，控制电路部分采用固态继电器控制，此方案电路简单并且可以满足题目中的各项要求的数据。由于采用具有一总线特点的温度传感器，所以电路连接简单；而且该传感器拥有强大的通信协议，同过几个简单的操作就可以实现传感器与单片机的交互，包括复位传感器、对传感器读写数据、对传感器写命令。软件、硬件易于调试，制作成本较低。也使得系统所测结果精度大大提高。本设计是对电机绕组绝缘漆烘干温度的控制，大约是一百度左右，在其测量范围内。综合多方考虑，经过对各种温度传感器的比较，本设计决定采用DS18B20建立温度检测电路。 系统的组成和工作原理常用的温度控制算法都采用PID算法。本设计从成本、设计复杂度、实用性及开发时间诸多因素的考虑采用了DDC算法，主要体现在升降温过程中。系统为典型的闭环反馈式温度控制系统，见图21。其中数字控制器的功能由单片机实现。给定值输出值恒温装置数字控制器执行器++ ⊕ _ 测量与变送装置图21 温度控制系统原理图本系统控制对象是电炉等需要保持在一定区间内恒温的设备，他们都需要有加温或降温功能，有的当温度超过一定上限时会报警。某时刻的实际温度低于用户设定的下限温度，此时刻系统就处于升温状态，直到实际温度到达上限温度值，系统才停止升温。反之，如果实际温度高于用户设定的下限值时，系统处于降温状态。当实际温度超过用户设定的上、下限温度时，系统还会通过声音、警报灯来报警，同时启动相应的降升温措施。系统基本硬件结构框图如图22所示，其功能和原理如下。（1）AT89S52：负责中心运算和控制，协调系统各个模块的工作。（2）温度温度传感器DS18B20：负责温度与数字量的转化。其精度可精确到小数点后四位。（3）驱动模块：采用固态继电器控制加热4000W加热器设备的方式。固态继电器采用低电压输入方式，一般为DC 3～10V，本设计用+5V输入方式。这样控制部分与大功率部分实现隔离，可抑制干扰。实现以弱控强。AT89S52DS18B20采温度声光报警LCD显示模块驱动模块键盘输入模块图22 系统基本硬件结构框图（4）键盘输入模块：用4*1独立的键盘。可以实现人工对温度上、下限值的设定。（5）LCD显示模块：采用常用的LCD1602显示温度传感器采集到的温度，并且显示采值时的时间，以及温度上下限值。（6）红、蓝色LED，蜂鸣器：负责系统的报警功能。当温度超过用户设定的上、下限值时系统将报警。LED灯在单片机的控制下点亮，同时蜂鸣器发出报警声，通知用户采取相应的措施。 系统主要元件介绍本设计采用采用总线型结构的设计。由P0口作数据线，P0口和P2口共同作地址线。P2口地址高8位，P0口地址低8位。 AT89S52单片机简介本设计采用的AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上8K字节Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52单片机主要功能特点有：与MCS51单片机产品兼容；8K字节在系统可编程Flash存储器；256字节RAM；1000次擦写周期；全静态操作：三级加密程序存储器；32位可编程I/O口线；双数据指针；三个16位定时器/计数器；八个中断源（一个6向量2级中断结构）；全双工UART串行通道；片内晶振及时钟电路；看门狗定时器；掉电标识符；0Hz～33Hz，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止，掉电后中断可唤醒[12]。引脚图如图23所示。图23 AT89S52单片机引脚结构示意图VCC：电源（+5V）。GND：地。P0口：本次设计中P0口与P2口共同实现LCD显示功能。P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P2口：P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX @DPTR）时，P2口送出高八位地址。在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址（如MOVX @RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。P1口：。按键P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，（）和时器/计数器2的触发输入（）。在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。P1口第二功能有，：T2（定时器/计数器T2的外部计数输入，时钟输出）：T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）：MOSI（在系统编程用）：MISO（在系统编程用）：SCK（在系统编程用）P3口：本设计中P3口将用于接收温度信号。P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。P3引脚号第二功能有，：RXD（串行输入）：TXD（串行输出）：INT0（外部中断0）：INT1（外部中断1）：T0（定时器0外部输入）：T1（定时器1外部输入）：WR（外部数据存储器写选通）：RD（外部数据存储器读选通）RESET：复位输入。晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后，RST脚输出96个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。ALE/PROG：地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。在flash编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲。在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作将无效。这一位置“1”，ALE仅在执行MOVX 或MOVC指令时有效。否则，ALE将被微弱拉高。这个ALE使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。PSEN：外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。EA/VPP：访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。为了执行内部程序指令，EA应该接Vcc。在flash编程期间，EA也接收12伏Vpp电压。XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。 1602液晶显示器液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富、超薄轻巧等优点，因此，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用，现在字符型液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件了。本系统采用LCD1602液晶显示模块，它可以显示两行，每行16个字符，采用单+5V电源供电，外围电路配置简单，价格便宜，具有很高的性价比。 1602采用标准的16脚接口，其中VSS为地电源，VDD接5V正电源，VEE为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，可通过一个10KΩ的电位器调整对比度。RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。D0~D7为8位双向数