基于單片機(jī)的爐溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的爐溫自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)宜春學(xué)院物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化專業(yè)肖杰鳴 指導(dǎo)老師： （徐東輝）摘要：在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，溫度是工業(yè)生產(chǎn)對(duì)象中主要的被控參數(shù)之一。電阻爐是通過(guò)電流流過(guò)電阻體產(chǎn)生熱量來(lái)加熱或熔化物料的一種電爐。電阻爐廣泛地應(yīng)用在化工、冶金等行業(yè)。它對(duì)溫度控制的要求較高，溫度控制的好壞直接影響著產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率，因此電阻爐的溫度控制在科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)中具有重要的意義。本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理與控制單元，以電阻爐作為控制對(duì)象，用熱電偶作為測(cè)量元件，用晶閘管作為輸出控制元件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電阻爐溫度自動(dòng)控制。該系統(tǒng)利用k型熱電偶溫度傳感器，把檢測(cè)到的電阻

2、爐溫度的信號(hào)送入max6675芯片，經(jīng)過(guò)信號(hào)放大等一系列轉(zhuǎn)換后，再將信號(hào)送到單片機(jī)stc89c52內(nèi)進(jìn)行pid運(yùn)算，同時(shí)可以通過(guò)鍵盤調(diào)節(jié)pid參數(shù)。經(jīng)pid運(yùn)算后，比例調(diào)節(jié)輸出量改變晶閘管控制量，變晶閘管的導(dǎo)通角，從而控制電阻爐的加熱強(qiáng)度。從而控制電阻爐的爐溫。關(guān)鍵詞：電阻爐；max6675；單片機(jī)stc89c52；pid控制abstract：summaryin the industrial and agricultural production , the temperature is accused of one of the main objects of industrial prod

3、uction parameters . furnace current flowing through the resistor generates heat to a furnace for heating or melting the material . resistance furnace is widely used in chemical, metallurgical and other industries. it requires a higher temperature control , temperature control has a direct impact on

4、product quality and production efficiency , and therefore resistance furnace temperature control is of great significance in scientific research , industrial production.the design uses a single chip for data processing and control unit to resistance furnace as a control object , as the measuring ele

5、ment with thermocouple with thyristor as a control element to achieve the output resistance furnace temperature control . the system uses k -type thermocouple temperature sensor , to detect resistance furnace temperature signal into the max6675 chip , after a series of converted signal is amplified

6、and then signal to the microcontroller stc89c52 pid operation , and can adjust the keyboard pid parameters. after the pid operation , adjust the output volume ratio of the amount of change in thyristor controlled , variable thyristor conduction angle, so as to control the intensity of the resistance

7、 heating furnace . to control the furnace temperature resistance furnace .key words：the resistance furnace; max6675; scm stc89c52; pid contro34目錄第1章 緒論31.1 課題研究的背景及意義3第2章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案42.1設(shè)計(jì)總體思路42.2 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)42.3系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案4第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)63.1溫度檢測(cè)部分63.1.1 k型熱電偶63.1.2溫度信號(hào)處理芯片max667563.3 時(shí)鐘電路93.4 復(fù)位電路93.5 串口通信電路93.6

8、報(bào)警電路103.7 顯示電路103.8 按鍵電路123.9 d/a轉(zhuǎn)換電路13第4章 軟件設(shè)計(jì)154.1 軟件設(shè)計(jì)思路154.2 主程序流程圖154.2.1 溫度檢測(cè)與處理子程序164.2.2 報(bào)警子程序174.2.3 pid子程序184.2.4 顯示流程圖194.2.5 鍵盤掃描流程圖204.2.6 鍵盤處理流程圖214.2.7 d/a轉(zhuǎn)換子程序流程圖225.結(jié)束語(yǔ)236.致謝詞24參考文獻(xiàn)25附錄a：硬件原理圖26附錄b：程序27第1章 緒論1.1 課題研究的背景及意義20世紀(jì)20年代以來(lái)，電阻爐就在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛地應(yīng)用。隨著社會(huì)的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，電阻爐被大量的應(yīng)用在電力、冶金

9、、機(jī)械、石油化工等工業(yè)生產(chǎn)中。在這些工業(yè)生產(chǎn)中，溫度的測(cè)量及控制影響著生產(chǎn)安全、產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率等重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，電阻爐溫度控制的穩(wěn)定性、精度、可靠性等要求也逐步提高。而在各個(gè)領(lǐng)域測(cè)溫儀器的實(shí)際應(yīng)用表明，智能化儀器已經(jīng)是現(xiàn)代電阻爐溫度控制系統(tǒng)發(fā)展的主要方向1。基于此，設(shè)計(jì)一種智能化的電阻爐溫度控制系統(tǒng)有廣泛的應(yīng)用前景及實(shí)際意義。電阻爐是利用電流流過(guò)電阻體，使其產(chǎn)生熱量來(lái)加熱或熔化物料的一類電爐。它的特點(diǎn)是：電路簡(jiǎn)單；對(duì)爐料種類的限制較少；（小型電阻爐可用來(lái)加熱食品、干燥木材）；爐溫控制精度高；容易在真空中加熱等特點(diǎn)。它主要作用于：機(jī)械零件的淬火、退火、滲碳等熱處理 ；各種材料的干燥、加熱

10、、燒結(jié)、熔化等。電阻爐的參數(shù)有工作空間尺寸、額定溫度、額定電壓、額定功率。電阻爐按爐溫不同可分為低溫電阻爐(600700以下)、中溫電阻爐(7001200)、高溫電阻爐(1200以上)。電阻爐的溫度控制主要有：1、傳統(tǒng)pid控制；2、智能控制。pid控制溫度系統(tǒng)的效果，主要取決于p、i、d三個(gè)參數(shù)。pid控制對(duì)于確定了的溫度系統(tǒng)控制效果較好，但是對(duì)控制大慣性、大滯后、時(shí)變性溫度系統(tǒng)則難以保證其控制品質(zhì)。電阻爐大多是經(jīng)電阻絲加熱升溫，自然冷卻降溫的，當(dāng)電阻爐的溫度超調(diào)時(shí)，無(wú)法靠控制手段降溫，所以電阻爐溫度的控制具有滯后性、非線性、慣性、不確定性等特點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)較成熟的電阻爐溫度控制系統(tǒng)中，以pi

11、d控制器為主。pid控制器對(duì)小型實(shí)驗(yàn)用的電阻爐控制效果良好，但對(duì)于大型工業(yè)用電阻爐，就難以保證電阻爐溫度控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性及精度等問(wèn)題。智能控制是一種不需要人操作就能驅(qū)動(dòng)智能機(jī)械來(lái)實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的自動(dòng)控制。隨著科學(xué)技術(shù)、控制理論的發(fā)展，國(guó)外的溫度控制系統(tǒng)發(fā)展很迅速，基本實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的智能控制。具有自適應(yīng)、自協(xié)調(diào)、自學(xué)習(xí)等能力，使控制系統(tǒng)的控制精度、穩(wěn)定性、抗干擾能力等性能得到保證。本文以電阻爐為控制對(duì)象，以單片機(jī)stc89c52為硬件核心元件，采用pid控制，該系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、控制算法成熟穩(wěn)定、系統(tǒng)性能優(yōu)良。第2章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案2.1設(shè)計(jì)總體思路 本設(shè)計(jì)的要求是是對(duì)工業(yè)電阻爐的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)

12、測(cè)與控制，溫度控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)的溫度控制和調(diào)節(jié)功能：當(dāng)電阻爐爐內(nèi)溫度低于所需要的溫度值時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的加熱信號(hào)，然后對(duì)電阻爐發(fā)加熱，使其溫度上升達(dá)到要求值；當(dāng)電阻爐爐內(nèi)溫度超過(guò)了需要溫度時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)的信號(hào)，然后系統(tǒng)將停止加熱電阻爐，使?fàn)t內(nèi)溫度下降。從而實(shí)現(xiàn)溫度的控制。通過(guò)pid調(diào)節(jié)不斷重復(fù)該過(guò)程，使溫度值始終保持在給定溫度值，并在符合要求的精度之內(nèi)，并且使led顯示器顯示電阻爐的溫度。2.2 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)本系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)要求如下：1.測(cè)量溫度和控制溫度均可以數(shù)字顯示；2.被測(cè)溫度范圍為01000，精度為0.5；3.控制溫度可連續(xù)可調(diào)，精度為1；4.溫度超過(guò)限時(shí)，產(chǎn)生聲音報(bào)警信號(hào)。2.3

13、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案本系統(tǒng)由單片機(jī)、d/a轉(zhuǎn)換器、max6675、電阻爐、熱電偶傳感器等主要器件組成。電路部分有時(shí)鐘電路、報(bào)警電路，復(fù)位電路、顯示電路、按鍵電路等。該系統(tǒng)首先用測(cè)溫元件k型熱電偶，爐中溫度物理量值轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出，送入max6675再經(jīng)過(guò)處理后，變成數(shù)字信號(hào)。爐溫給定值轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)后和所檢測(cè)到的爐溫?cái)?shù)字信號(hào)送入單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行比較，得到實(shí)際爐溫與給定爐溫的差值。然后單片機(jī)系統(tǒng)對(duì)偏差進(jìn)行pid調(diào)節(jié)，并且在led顯示器上顯示該溫度值，d/a轉(zhuǎn)換器將運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)換為模擬電壓，功率放大器把電壓信號(hào)放大，送到晶閘管，使晶閘管的導(dǎo)通角的大小發(fā)生改變，從而電阻爐的加熱電壓也發(fā)生改變，起到控制溫度的

14、作用。其方案圖如圖2.1所示：圖2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案圖單片機(jī)：主要功能是讀取溫度數(shù)據(jù)在對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，對(duì)各單元進(jìn)行控制，執(zhí)行各種指令。單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理核心及控制核心。溫度信號(hào)采集與處理：這個(gè)部分的主要是用熱電偶傳感器檢測(cè)溫度，溫度傳感器隨外界的溫度變化會(huì)產(chǎn)生不同電壓，再由max6675將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓信號(hào)放大后送入單片機(jī)中，再單片機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。人機(jī)交互及串口通信：人機(jī)交互主要是為了提高系統(tǒng)的友好性和實(shí)用性。主要包括輸出顯示、按鍵輸入。輸出顯示進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示輸出，通過(guò)按鍵輸入實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，而串口通信的主要作用是完成單片機(jī)與上位機(jī)的通信。溫度的采集控制被廣泛應(yīng)

15、用于工業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中，以及科研和人民生活的方方面面。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，使用自動(dòng)溫度控制系統(tǒng)，溫度進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)控，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，充分保證產(chǎn)品的質(zhì)量，還能節(jié)省能源的消耗?？梢詫?duì)生產(chǎn)環(huán)境的溫度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，提高生產(chǎn)的效率和生產(chǎn)的質(zhì)量、產(chǎn)品的數(shù)量并能讓生產(chǎn)變得更加安全可靠。第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1溫度檢測(cè)部分3.1.1 k型熱電偶熱電偶傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)化成電勢(shì)變化的傳感器。在工業(yè)生產(chǎn)中，運(yùn)用最廣泛的測(cè)溫元件之一其優(yōu)點(diǎn)有測(cè)溫范圍廣，精度高，穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單動(dòng)態(tài)性能好。熱電偶將不同兩種的金屬a和b構(gòu)成一個(gè)回路，當(dāng)兩個(gè)接觸端溫度不同時(shí)，回路中產(chǎn)生熱電勢(shì)。k型熱電偶輸出信號(hào)，由芯片m

16、ax6675處理，該芯片可實(shí)現(xiàn)a/d轉(zhuǎn)換、放大電路等功能，且可以和單片機(jī)直接通訊，節(jié)約了硬件部分，降低了成本。 3.1.2溫度信號(hào)處理芯片max6675該器件采用8位引腳的so封裝，引腳圖如圖3.2所示。圖3.2 max6675引腳圖max6675引腳功能表：1、gnd：接地2、t-：接熱電偶負(fù)極3、t+：接熱電偶正極4、vcc：正電源端5、sck：串行時(shí)鐘 輸6、cs：片選信號(hào)端7、so：串行 數(shù)據(jù) 輸出8、nc：懸空 不用圖3.3為本系統(tǒng)中溫度檢測(cè)電路，當(dāng)stc89c52的p3.3為低電平且p3.1口產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖時(shí)，max6675的so腳輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。在每一個(gè)脈沖信號(hào)的下降沿so輸出一個(gè)數(shù)

17、據(jù)，16個(gè)脈沖信號(hào)完成一串完整的數(shù)據(jù)輸出，先輸出高電位d15，最后輸出的是低電位d0，d14-d3為相應(yīng)的溫度轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，共12位，其最小值為0，對(duì)應(yīng)的溫度值為0；最大值為4095，對(duì)應(yīng)的溫度值為1023.75，分辨率為0.25。由于max6675內(nèi)部經(jīng)過(guò)了激光修正，因此，其轉(zhuǎn)換結(jié)果與對(duì)應(yīng)溫度值具有較好的線性關(guān)系。溫度值與數(shù)字量的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：溫度值=1023.75轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量/4095。當(dāng)p3.3為高電平時(shí)，max6675開始進(jìn)行新的溫度轉(zhuǎn)換。圖3.3 溫度檢測(cè)電路3.2單片機(jī)stc89c52是stc公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能cmos8位微控制器，具有 8k 在系統(tǒng)可編程flash存儲(chǔ)器。s

18、tc89c52使用經(jīng)典的mcs-51內(nèi)核，但做了很多的改進(jìn)使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機(jī)不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8 位cpu 和在系統(tǒng)可編程flash，使得stc89c52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 有以下功能： 8k字節(jié)flash，512字節(jié)ram， 32 位i/o 口線，看門狗定時(shí)器，內(nèi)置4kb eeprom，max810復(fù)位電路，3個(gè)16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，4個(gè)外部中斷，一個(gè)7向量4級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，兼容傳統(tǒng)51的5向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口。本部分主要介紹單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。單片機(jī)系統(tǒng)的擴(kuò)展，一般是以基本最小系統(tǒng)為基礎(chǔ)的。所謂最小系統(tǒng)，是指一個(gè)真正可

19、用的單片機(jī)最小配置系統(tǒng)，對(duì)于片內(nèi)帶有程序存儲(chǔ)器的單片機(jī)，只要在芯片外接時(shí)鐘電路和復(fù)位電路就是一個(gè)小系統(tǒng)了。小系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的基石。本電路的小系統(tǒng)主要由三部分組成，一塊stc89c52芯片、復(fù)位電路及時(shí)鐘電路。stc89c52 單片機(jī)的引腳說(shuō)明: vcc：供電電壓； gnd：接地。 rst：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持rst腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 xtal1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 xtal2：來(lái)自反向振蕩器的輸出。 ale/prog(pin30)：地址鎖存允許信號(hào) psen(pin29)：外部存儲(chǔ)器讀選通信號(hào) ea/vpp(pin31)：程序存儲(chǔ)器的

20、內(nèi)外部選通，接低電平從外部程序存儲(chǔ)器讀指令， 如果接高電平則從內(nèi)部程序存儲(chǔ)器讀指令。 可編程輸入/輸出引腳（32根）.stc89c52單片機(jī)有4組8位的可編程i/o口，分別位p0、p1、p2、p3口，每個(gè)口有8位（8根引腳），共32根。 po口（pin39pin32）：8位雙向i/o口線，名稱為p0.0p0.7 p1口（pin1pin8）：8位準(zhǔn)雙向i/o口線，名稱為p1.0p1.7 p2口（pin21pin28）：8位準(zhǔn)雙向i/o口線，名稱為p2.0p2.7 p3口（pin10pin17）：8位準(zhǔn)雙向i/o口線，名稱為p3.0p3.7 stc89c52 的p3口的特殊功能介紹如下所示： p3

21、.0 /rxd串行數(shù)據(jù)接收； p3.1 /txd串行數(shù)據(jù)發(fā)送； p3.2 /int0外部中斷0申請(qǐng)； p3.3 /int1外部中斷1申請(qǐng)； p3.4 t0定時(shí)計(jì)數(shù)器0輸入； p3.5 t1定時(shí)計(jì)數(shù)器1輸入； p3.6 /wr外部ram寫選通； p3.7 /rd外部ram讀選通； 本設(shè)計(jì)stc89c52單片機(jī)的p1.0口和p1.1口接led顯示，x1和x2接的是晶振電路，reset接復(fù)位電路。3.3 時(shí)鐘電路時(shí)鐘電路提供單片機(jī)的時(shí)鐘控制信號(hào)，單片機(jī)時(shí)鐘產(chǎn)生方式有內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。最常用的是內(nèi)部時(shí)鐘方式，是采用外接晶振和電容組成的。時(shí)鐘振蕩電路如圖3.5所示：圖3.5時(shí)鐘振蕩電路 系統(tǒng)的

22、時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)是采用的內(nèi)部方式，單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反向放大器，引腳xtal1和引腳xtal2分別是放大器的輸入端和輸出端，由這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成一個(gè)自己振蕩器，這種方式形成的時(shí)鐘信號(hào)稱為內(nèi)部時(shí)鐘方式，即利用芯片內(nèi)部的振蕩電路內(nèi)部振蕩器就產(chǎn)生自激振蕩。定時(shí)元件通常采用石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。晶體振蕩頻率可以在1.212mhz之間選擇，電容值在530pf之間選擇，電容值的大小可對(duì)頻率起微調(diào)的作用。電容取30pf左右。xtal1是片內(nèi)振蕩器的反相放大器輸入端，xtal2則是輸出端，。3.4 復(fù)位電路整個(gè)復(fù)位電路包括芯片內(nèi)、外兩部分。外部電

23、路產(chǎn)生的復(fù)位信號(hào)(rst)送至施密特觸發(fā)器，再由片內(nèi)復(fù)位電路在每個(gè)機(jī)器周期的s5p2時(shí)刻對(duì)施密特觸發(fā)器的輸出進(jìn)行采樣，然后才得到內(nèi)部復(fù)位操作所需要的信號(hào)。按鍵手動(dòng)復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。本系統(tǒng)采用按鍵電平復(fù)位方式。按鍵電平復(fù)位是通過(guò)使復(fù)位端經(jīng)電阻與vcc電源接通而實(shí)現(xiàn)的。其電路圖如圖所示圖3.6 復(fù)位電路圖3.5 串口通信電路串口通信的主要功能是完成單片機(jī)與上位機(jī)的通信，便于進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，為將來(lái)系統(tǒng)功能的擴(kuò)展做好基礎(chǔ)工作。串行通信的主要功能是實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與pc機(jī)的數(shù)據(jù)交換，當(dāng)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)分析的時(shí)候，可以把數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，使用上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并且將數(shù)據(jù)處理的結(jié)果

24、又發(fā)送給單片機(jī)。這樣可以大大提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理速度，還可以方便的對(duì)單片機(jī)進(jìn)行控制。計(jì)算機(jī)與外界的數(shù)據(jù)傳送大部分都是串行的，其傳送距離可以從幾米到幾千米。串行口通信原理圖如圖3.7所示：圖3.7串行口通信電路圖3.6 報(bào)警電路報(bào)警電路的功能是當(dāng)爐溫值超過(guò)系統(tǒng)設(shè)定的最大值或者低于系統(tǒng)設(shè)定的最小值時(shí)，都會(huì)驅(qū)動(dòng)單片機(jī)的i/o接口，報(bào)警電路發(fā)出聲光警報(bào)。由于單片機(jī)i/o 口輸出的電流太小難以驅(qū)動(dòng)蜂鳴報(bào)警器器，所以設(shè)計(jì)了蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路，具體電路連接如圖3.8所示： 圖3.8報(bào)警電路圖3.7 顯示電路數(shù)碼管是把多個(gè)led晶體管顯示段集合在一起的一個(gè)具有顯示功能的設(shè)備。他一共有兩種類型，一種類型是共陽(yáng)型的，還一

25、種類型是共陰型的。陽(yáng)極作為二極管的正極端，還叫做正極，陰極就是二極管的負(fù)極端，也稱作負(fù)極。一般的數(shù)碼管分為8段，也就是有8段led顯示，這種是為了工程上的應(yīng)用設(shè)計(jì)的，分別叫a、b、c、d、e、f、g、dp，dp 是小數(shù)點(diǎn)段位。然而多位數(shù)碼管，除了有一位的公共端是連接在一起的，其他的不同位的數(shù)碼管相同端會(huì)連接在一起。數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)顯示原理為：每個(gè)數(shù)碼管的相同端連接在一起，他們一起占用了8 位管線；每個(gè)數(shù)碼管的陽(yáng)極連接在一起。他是利用了人的眼睛的視覺暫留特點(diǎn)，按次序通給每個(gè)數(shù)碼管公共端加上有效的信號(hào)，這個(gè)時(shí)候給該數(shù)碼管加有用的數(shù)據(jù)信號(hào)，等到全段掃描的速度大于視覺暫留速度時(shí)，它就會(huì)顯示出來(lái)。設(shè)計(jì)中采用

26、4位共陰極led靜態(tài)顯示方式，選用7段顯示數(shù)碼管。顯示內(nèi)容有溫度值的千位、百位、十位、個(gè)位。由于單片機(jī)不能直接驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示，所以必須在單片機(jī)與led164之間加上74ls164，它的管腳圖如圖3.9所示。圖3.9 74ls164管腳圖a和b為74ls64的串行輸入端；qa-qh為74ls64的并行輸出端；clk是串行時(shí)鐘輸入端；clr是串行輸出清零端；vcc：+5v；gnd：接地端。一英寸以下的的led數(shù)碼管內(nèi)，每一筆段含有一只led發(fā)光二極管，導(dǎo)通在串聯(lián)方式中，確定電源電壓vcc時(shí)，每只led工作電壓通常以2.0v計(jì)算，4英寸7段led數(shù)碼顯示器lc4141的每一筆段由四只led發(fā)光二極管

27、按串聯(lián)方式連接而成，因此導(dǎo)通電壓應(yīng)在7-8v之間，電源電壓vcc必須取9v以上。圖3.10 led數(shù)碼管顯示器數(shù)碼管結(jié)構(gòu)有共陰極和共陽(yáng)極之分。本設(shè)計(jì)采用的是共陰極數(shù)碼管。共陰極公共端接地，高電平有效（燈亮），共陰極數(shù)碼管內(nèi)部發(fā)光二極管的陰極(負(fù)極)都聯(lián)在一起，此數(shù)碼管陰極(負(fù)極)在外部只有一個(gè)引腳。led顯示電路如下圖3.11所示。圖中的p11和p10分別連接到單片機(jī)的p1.1和p1.0引腳，作為時(shí)鐘輸入端和數(shù)據(jù)端口。圖3.11 led顯示電路3.8 按鍵電路鍵盤是單片機(jī)不可缺少的人機(jī)交互設(shè)備，鍵盤上的鍵猶如一個(gè)個(gè)機(jī)械開關(guān)，手按下閉合，手放開鍵釋放，在單片機(jī)系統(tǒng)中通常使用的是價(jià)格便宜的矩陣鍵盤

28、。矩陣式鍵盤適用于按鍵數(shù)量多的場(chǎng)合，按鍵位于行線和列線的交叉點(diǎn)上。鍵盤上每個(gè)鍵都擔(dān)負(fù)著一項(xiàng)處理功能，所以鍵盤接口對(duì)應(yīng)的軟件。鍵盤掃描通常行掃描法和線反轉(zhuǎn)掃描發(fā)，一般是由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)程序不停地查找閉合鍵。在本設(shè)計(jì)中采用的是 4 *4 的非編碼鍵盤，其電路圖如圖3.12所示，列線由 p2.4-p2.7口控制，行線由 p2.0-p2.3口控制。電路中共 16個(gè)按鍵，其中0到9為數(shù)字鍵，a(設(shè)置鍵)、3 個(gè)溫度參數(shù)和時(shí)間設(shè)置鍵、e(增加鍵) 、f(減小鍵)。系統(tǒng)在程序初始化時(shí)控制鍵盤行線的 p2.0-p2.3口輸出高電位，控制鍵盤列線的p2.4-p2.7口輸出低電位，在判斷電路是否有按鍵按下時(shí)，

29、讀 p2.0-p2.7端口值，若端口值不是11110000，則說(shuō)明電路中有按鍵按下。然后根據(jù)程序進(jìn)行去抖動(dòng)處理和計(jì)算鍵值。 圖3.12 矩陣式鍵盤電路圖3.9 d/a轉(zhuǎn)換電路dac0832的基本原理是把數(shù)字量的每一位按照權(quán)重轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬分量，然后根據(jù)疊加定理將每一位對(duì)應(yīng)的模擬分量相加，輸出相應(yīng)的電流或電壓。dac0832是一個(gè)8位d/a轉(zhuǎn)換器。單電源供電，從+5v+15v均可正常工作?；鶞?zhǔn)電壓的范圍為10v；電流建立時(shí)間為1s；cmos工藝，低功耗20mw。dac0832轉(zhuǎn)換器芯片為20引腳，雙列直插式封裝，其引腳排列如圖3.13所示。 圖3.13 dac0832引腳圖對(duì)各引腳信號(hào)說(shuō)明如下

30、：(1) di7di0：轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸入(2) cs：輸入片選信號(hào)，當(dāng)?shù)碗娖綍r(shí)有效(3) ile：輸入數(shù)據(jù)鎖存允許信號(hào)，當(dāng)高電平時(shí)有效(4) wr1：輸入寫信號(hào)1，當(dāng)?shù)碗娖綍r(shí)有效上述兩個(gè)信號(hào)控制輸入寄存器是數(shù)據(jù)直通方式還是數(shù)據(jù)鎖存方式；當(dāng)ile=1和wr1=0時(shí)，為輸入寄存器直通方式；當(dāng)ile=1和wr1=1時(shí)，為輸入寄存器鎖存方式。(5) wr2：輸入寫信號(hào)2，當(dāng)?shù)碗娖綍r(shí)有效(6) xfer：輸入數(shù)據(jù)傳送控制信號(hào)，低電平有效(7) iout1：電流輸出1。當(dāng)數(shù)據(jù)為全1時(shí)，輸出電流最大，當(dāng)為全0時(shí)，輸出電流最小。(8) iout2：電流輸出2dac轉(zhuǎn)換器的特性之一是：iout1+iout2=常數(shù)。

31、(9) rfb反饋電阻端就是運(yùn)算放大器的反饋電阻端，(10) vref：基準(zhǔn)電壓。(11) dgnd：數(shù)字地(12) agnd：模擬地dac0832與單片機(jī)的接法如圖3.14所示。圖3.14 d/a轉(zhuǎn)換電路圖因?yàn)槎嗥琩a轉(zhuǎn)換器同步輸出dac0832采用雙緩沖方式工作方式，內(nèi)部?jī)蓚€(gè)寄存器均受控制，轉(zhuǎn)換分兩步：(1) cpu分時(shí)控制輸入寄存器，輸入數(shù)據(jù)。 (2) cpu同時(shí)控制各路的dac寄存器，使得輸入寄存器中的數(shù)據(jù)進(jìn)入dac寄存器，實(shí)現(xiàn)同步轉(zhuǎn)換輸出。第4章 軟件設(shè)計(jì)4.1 軟件設(shè)計(jì)思路本部分詳細(xì)介紹了基于stc89c52單片機(jī)的電阻爐溫度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。根據(jù)系統(tǒng)功能，可以將系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為若干

32、個(gè)子程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，如溫度采集子程序、pid控制子程序、報(bào)警子程序、顯示子程序、鍵盤掃描子程序、鍵盤處理子程序、d/a轉(zhuǎn)換子程序等。采用keil uvision3集成編譯環(huán)境和c語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。本章從設(shè)計(jì)思路、軟件系統(tǒng)框圖出發(fā)，先介紹整體的思路，再逐一分析各模塊程序算法的實(shí)現(xiàn)，最終編寫出滿足任務(wù)需求的程序。本系統(tǒng)要完成溫度信號(hào)的采集與控制，需要實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)的采集與a/d轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)傳輸?shù)然竟δ?。從功能上可將其分為溫度信?hào)采集及數(shù)據(jù)處理、人機(jī)交互、執(zhí)行三大部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。4.2 主程序流程圖 在系統(tǒng)軟件中，主程序依次完成系統(tǒng)初始化、爐溫檢測(cè)與處理、pid控制算法、溫度顯

33、示、鍵盤輸入等，這些都由子程序來(lái)完成。流程圖如圖4.1所示。圖4.1主程序流程圖4.2.1 溫度檢測(cè)與處理子程序溫度信號(hào)采集與處理子程序，主要完成溫度信號(hào)采集與a/d功能、數(shù)據(jù)處理的功能，由芯片max6675來(lái)完成。溫度信號(hào)采集子程序主要包括傳感器初始化、單片機(jī)給傳感器寫命令、單片機(jī)給傳感器寫數(shù)據(jù)、單片機(jī)從傳感器讀數(shù)據(jù)等部分，數(shù)據(jù)處理部分對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，主要是把采集到的二進(jìn)制的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制溫度數(shù)據(jù)。流程圖如圖4.2所示。圖4.2 溫度檢測(cè)與處理子程序4.2.2 報(bào)警子程序如果溫度超過(guò)了系統(tǒng)限定值，報(bào)警子程序響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警功能，并切斷電源。具體流程圖如下圖4.3。圖4.3報(bào)警子程序

34、流程圖4.2.3 pid子程序根據(jù)爐溫對(duì)給定溫度的偏差，連續(xù)改變電壓的大小，使?fàn)t溫控制在穩(wěn)定溫度范圍內(nèi)，以滿足電阻爐溫度的需要。電阻爐的爐溫控制是一個(gè)反饋調(diào)節(jié)過(guò)程，比較實(shí)際爐溫和需要爐溫得到偏差，通過(guò)對(duì)偏差的處理獲得控制信號(hào)，調(diào)節(jié)電阻爐的熱功率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電阻爐溫度的控制。按照偏差的比例、積分和微分產(chǎn)生控制作用（pid控制），是過(guò)程控制中應(yīng)用最廣泛的一種控制形式。電阻爐溫度控制通常采用偏差控制法。偏差控制的原理是先求出實(shí)測(cè)爐溫對(duì)所需溫度的偏差值，處理偏差值之后，通過(guò)調(diào)節(jié)控制信號(hào)使電阻爐的加溫功率也發(fā)生相應(yīng)的變化，從而實(shí)現(xiàn)了爐溫的自動(dòng)控制。比例積分微分控制的理想微分方程為： 式(4.1)式中e(

35、t)=r(t)-y(t)稱為偏差值，可作為溫度調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào)，其中r(t)為給定值，y(t)為被測(cè)變量值；微分時(shí)間常數(shù)是td；積分時(shí)間常數(shù)是ti；比例系數(shù)是kp；u(t)為調(diào)節(jié)的輸出控制電壓信號(hào)。但計(jì)算機(jī)只能處理數(shù)字信號(hào)，因此上述數(shù)學(xué)方程必須加以變換。若設(shè)溫度的采樣周期為t，第n次采樣得到的輸入偏差為en調(diào)節(jié)器輸出為un則有（微分用差分代替） 式(4.2)（積分用求和代替） 式(4.3)這樣，式（4-1）便可以改為 式(4.4)經(jīng)遞推公式改寫成 式(4.5)pid控制流程圖如圖4.4所示： 圖4.4 pid控制流程4.2.4 顯示流程圖顯示模塊需要用高電平導(dǎo)通點(diǎn)亮，因此驅(qū)動(dòng)功率要求較大。程序

36、流程圖如圖4.5所示。圖 4.5顯示子程序流程圖4.2.5 鍵盤掃描流程圖矩陣鍵盤工作原理：行線通過(guò)上拉電阻接到+5v上。無(wú)按鍵，行線處于高電平狀態(tài)，有鍵按下，行線電平狀態(tài)將由與此行線相連的列線電平?jīng)Q定。列線電平為低，則行線電平為低；列線電平為高，則行線電平為高。在鍵盤掃描過(guò)程中，還有去抖動(dòng)的問(wèn)題。鍵閉合和斷開都會(huì)出現(xiàn)電壓抖動(dòng)的情況。我們一般采用軟件去抖動(dòng)的方法，具體是采用時(shí)間延遲以躲過(guò)抖動(dòng)（延時(shí)時(shí)間為1020ms即可），待穩(wěn)定之后，再進(jìn)行列線狀態(tài)的輸入與判定。圖4.6 鍵盤掃描子程序流程圖4.2.6 鍵盤處理流程圖鍵盤掃描子程序在調(diào)用的過(guò)程中，程序的結(jié)果是：有閉合鍵，如果有，則再檢測(cè)增加鍵是

37、否有按下，如果有，鍵值加1，否則再檢測(cè)減少鍵是否有按下，如果有，鍵值減1。其他鍵處的理方式和上述相同，流程圖如下圖。圖4.7 鍵盤處理子程序流程圖4.2.7 d/a轉(zhuǎn)換子程序流程圖d/a轉(zhuǎn)換流程圖如圖4.8所示。圖4.8 da轉(zhuǎn)換子程序流程圖5.結(jié)束語(yǔ)本設(shè)計(jì)主要從硬件和軟件兩個(gè)方面具體闡述了基于stc89c52單片機(jī)的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)充分發(fā)揮了89c52單片機(jī)對(duì)模擬量的采集處理和增量式數(shù)字pid控制算法的功能，通過(guò)改變晶閘管導(dǎo)通角控制加熱的強(qiáng)度。該系統(tǒng)基本滿足了溫度控制的要求，具有超調(diào)量小，振蕩幅度小，設(shè)定值可以隨時(shí)用按鍵人為設(shè)定等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)該系統(tǒng)還避免了控制過(guò)程中的不確定性及噪

38、聲，提高了系統(tǒng)的工作效率。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)具有精度高、可靠性高、性價(jià)比高及控制簡(jiǎn)單方便等優(yōu)點(diǎn)。6.致謝詞本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，是在徐東輝老師的指導(dǎo)下進(jìn)行的畢業(yè)設(shè)計(jì)，在此特表示感謝。在設(shè)計(jì)的初期，郝師就對(duì)我的設(shè)計(jì)思想進(jìn)行了深刻的指導(dǎo)，讓我在設(shè)計(jì)的開始就明確了設(shè)計(jì)方向，樹立正確的設(shè)計(jì)觀念。尤其在參考資料查閱方面給予我提供了很多的參考資料和幫助，使我能夠很快的了解和掌握設(shè)計(jì)內(nèi)容，而不至于在沒有必要的方面浪費(fèi)時(shí)間和精力，而是全力投入到畢業(yè)設(shè)計(jì)中來(lái)，在畢業(yè)設(shè)計(jì)的中期，徐老師常常指導(dǎo)我做實(shí)驗(yàn)，使我很快解決了設(shè)計(jì)過(guò)程中碰上的許多困難。當(dāng)我在設(shè)計(jì)過(guò)程中存在疑問(wèn)時(shí)，老師總是在百忙之中抽出時(shí)間及時(shí)的給予我指導(dǎo)，在老師的教

39、導(dǎo)下，我的畢業(yè)設(shè)計(jì)能夠順利、及時(shí)地完成。同時(shí)在設(shè)計(jì)的過(guò)程中還得到了學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)和系領(lǐng)導(dǎo)的關(guān)懷，為我們的設(shè)計(jì)提供了開放式的教室和設(shè)備等諸多便利條件。在畢業(yè)設(shè)計(jì)結(jié)束之際致以我誠(chéng)摯的感謝！參考文獻(xiàn)1 劉敏.基于at89s53單片機(jī)的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)j,寧夏：寧夏機(jī)械,2008年,(04)2 呂小紅,周鳳星,馬亮.基于單片機(jī)的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)c.武漢：武漢科技大學(xué),20083 呂小紅.電阻爐智能溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用c.武漢：武漢科技大學(xué),20084 何力民.mcs-51系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)配置與接口技術(shù)m.北京：北京航空5 張開生,郭國(guó)法.mcs-51單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)j.微計(jì)

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42、char flag=0; uchar flag1=0; uchar flags=0; uchar flagk=0; bit flag2; void key1(void); void key2(void); void key3(void); void key4(void); void key5(void); void key6(void); float ek=0; /偏差float ek_1=0;float ek_2=0;float ph=0; float pk=0;float pk_1=0;float d_1=0;float kp=5 ; /比例系數(shù)float ki=1 ; /積分系數(shù)floa

43、t kd=3; /微分系數(shù)/*=0-9=a-g=*/uchar a16=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8, 0x80,0x90,0x88,0x83,0xc6,0x86,0x8e,0x82;code unsigned char key_tab17=0x00,0xe7,0xd7,0xb7,0x77,0xeb,0xdb,0xbb,0x7b,0xed,0xdd,0xbd,0x7d,0xee,0xde,0xbe,0x7e;/1234/5678/9101112/13141516unsigned char l_key=0x0;/定義變量，存放鍵值unsigned

44、 char l_keyold=0xff;/做為按鍵松開否的憑證uchar qian,bai,shi,ge;void delay(uint i) ; void readkey(void);void led(uchar t);void delay_50ms(unsigned int t);uint t;uint zlpid();uint temperature; /* 功能：50ms延時(shí)程序/*/void delay_50ms(unsigned int t) unsigned int j; for(;t0;t-) for(j=50;j0;j-) ;/void delay(uint i) for(;i0;t-) ; /*顯示程序*/void fbyte(uchar byte) uchar num,c; num=abyte; for(c=0;c=1; /將八位數(shù)據(jù)在每個(gè)上升沿后，自動(dòng)右移一位，目的是將八位數(shù)據(jù)按位發(fā)送 void led(uchar t) static uchar j,b4; b1=t/100; b2=t/10%10; b3=t%10; b0=0;for(j=0;j4;j+) fbyte(bj); /分別發(fā)送四位led數(shù)碼管的顯示數(shù)據(jù) delay_