基于AT89S52的電烤箱溫度控制系統(tǒng)教學(xué)提綱

9.2應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例——單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)

9.2.1技術(shù)指標(biāo)烘干箱的具體指標(biāo)如下：(1)烘干箱由2kW電爐加熱，最高溫度為500℃。(2)烘干箱溫度可預(yù)置，烘干過(guò)程恒溫控制，溫度控制誤差≤±2℃。(3)預(yù)置時(shí)顯示設(shè)定溫度，烘干時(shí)顯示實(shí)時(shí)溫度，顯示精確到1℃。(4)溫度超出預(yù)置溫度±5℃時(shí)發(fā)聲報(bào)警。(5)對(duì)升降溫過(guò)程的線性沒(méi)有要求。

9.2.2控制方案產(chǎn)品的工藝不同，控制溫度的精度也不同，因而所采用的控制算法也不同。就溫度控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性來(lái)講，基本上都是具有純滯后的一階環(huán)節(jié)，當(dāng)系統(tǒng)精度及溫控的線性性能要求較高時(shí)，多采用PID算法或達(dá)林頓算法來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度控制。本系統(tǒng)是一個(gè)典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)。從技術(shù)指標(biāo)可以看出，系統(tǒng)對(duì)控制精度的要求不高，對(duì)升降溫過(guò)程的線性也沒(méi)有要求，因此，系統(tǒng)采用最簡(jiǎn)單的通斷控制方式，即當(dāng)烘干箱溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)斷開(kāi)加熱電爐，當(dāng)溫度降到低于某值時(shí)接通電爐開(kāi)始加熱，從而保持恒溫控制。9.2.3硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件電路包括主機(jī)、溫度檢測(cè)、溫度控制、人機(jī)對(duì)話（鍵盤(pán)/顯示/報(bào)警）4個(gè)主要部分。圖9.10為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，圖9.11為系統(tǒng)的硬件電路原理圖。下面對(duì)各部分電路分述如下。1)主機(jī)由于系統(tǒng)控制方案簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)量也不大，因此選用8031作為控制系統(tǒng)的核心，外擴(kuò)EPROM2764作為程序存儲(chǔ)器。也可視具體情況換用8051、8052、8751、8752、80C51、89C51、89C52等。其中，8051、8052、8751、8752的各個(gè)引腳輸入/輸出電平只與TTL電平兼容；89C51、89C52、80C51各引腳輸入/輸出電平既與TTL電平兼容，也與CMOS電平兼容。

圖9.10電烤箱控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框

8031的晶振頻率為6MHz。2)溫度檢測(cè)這部分包括溫度傳感器、變送器和A/D轉(zhuǎn)換三部分。溫度傳感器和變送器的類型選擇與被控溫度的范圍及精度等級(jí)有關(guān)。型號(hào)為WZB—003，分度號(hào)為BA2的鉑熱電阻適用于0℃~500℃的溫度測(cè)量范圍，可以滿足本系統(tǒng)的要求。變送器將電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換成與溫度成正比的電壓，當(dāng)溫度在0℃~500℃時(shí)變送器輸出0~4.9V左右的電壓。A/D轉(zhuǎn)換器件的選擇主要取決于溫度的控制精度。本系統(tǒng)要求溫度控制誤差≤±2℃，采用8位A/D轉(zhuǎn)換器，其最大量化誤差為=，完全能夠滿足精度要求。這里我們采用ADC0809作為A/D轉(zhuǎn)換器。電路設(shè)計(jì)好后，調(diào)整變送器的輸出，使0℃～500℃的溫度變化對(duì)應(yīng)于0～4.9V的輸出，則A/D轉(zhuǎn)換對(duì)應(yīng)的數(shù)字量為00H～FAH，即0～250，則轉(zhuǎn)換結(jié)果乘以2正好是溫度值。用這種方法一方面可以減少標(biāo)度轉(zhuǎn)換的工作量，另一方面還可以避免標(biāo)度轉(zhuǎn)換帶來(lái)的計(jì)算誤差。3)溫度控制電爐控制采用可控硅來(lái)實(shí)現(xiàn)，雙向可控硅和電爐電阻絲串接在交流220V市電回路中。單片機(jī)的P1.7口通過(guò)光電隔離器和驅(qū)動(dòng)電路送到可控硅的控制端，由P1.7口的高低電平來(lái)控制可控硅的導(dǎo)通與斷開(kāi)，從而控制電阻絲的通電加熱時(shí)間。4)人機(jī)對(duì)話這部分包括鍵盤(pán)、顯示和報(bào)警三部分電路。本系統(tǒng)設(shè)有3位LED數(shù)碼顯示器，停止加熱時(shí)顯示設(shè)定溫度，啟動(dòng)加熱時(shí)顯示當(dāng)前烤箱溫度。采用串行口擴(kuò)展的靜態(tài)顯示電路作為顯示接口電路。為使系統(tǒng)簡(jiǎn)單緊湊，鍵盤(pán)只設(shè)置4個(gè)功能鍵，分別是啟動(dòng)、“百位+”、“十位+”和“個(gè)位+”鍵，由P1口低4位作為鍵盤(pán)接口。利用+1按鍵可以分別對(duì)預(yù)置溫度的百位、十位和個(gè)位進(jìn)行加1設(shè)置，并在LED上顯示當(dāng)前設(shè)置值。連續(xù)按動(dòng)相應(yīng)位的加1鍵即可實(shí)現(xiàn)0℃～500℃的溫度設(shè)置。報(bào)警功能由蜂鳴器實(shí)現(xiàn)。當(dāng)由于意外因素導(dǎo)致烤箱溫度高于設(shè)置溫度時(shí)，P1.6口送出的低電平經(jīng)反向器驅(qū)動(dòng)蜂鳴器鳴叫報(bào)警。5)其它可擴(kuò)展電路對(duì)于要求更高的系統(tǒng)，在現(xiàn)有電路的基礎(chǔ)上，讀者還可以視需要自行擴(kuò)展以下接口電路：(1)實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路：連接實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS12887可以獲得長(zhǎng)的采樣周期，顯示年、月、日、時(shí)、分、秒，而其片內(nèi)帶有的114B非易失性RAM，可用來(lái)存入需長(zhǎng)期保存但有時(shí)也需變更的數(shù)據(jù)。如采樣周期、PID控制算法的系數(shù)KP、KI、KD等。(2)“看門(mén)狗”電路：連接集成監(jiān)控芯片MAX705可實(shí)現(xiàn)對(duì)主電源VCC的監(jiān)控，提高系統(tǒng)的可靠性。由于本書(shū)附帶的實(shí)驗(yàn)板已將P1口用排針引出，因此，讀者可以方便地用實(shí)驗(yàn)板來(lái)實(shí)現(xiàn)上述系統(tǒng)。可在P1.6口外接蜂鳴器電路，在P1.7口外接電爐驅(qū)動(dòng)控制電路，P1.0~P1.3口外接4個(gè)功能按鍵（啟動(dòng)、+100、+10、+1）。

9.2.4軟件設(shè)計(jì)1.工作流程烤箱在上電復(fù)位后先處于停止加熱狀態(tài)，這時(shí)可以用“+1”鍵設(shè)定預(yù)置溫度，顯示器顯示預(yù)定溫度；溫度設(shè)定好后就可以按啟動(dòng)鍵啟動(dòng)系統(tǒng)工作了。溫度檢測(cè)系統(tǒng)不斷定時(shí)檢測(cè)當(dāng)前溫度，并送往顯示器顯示，達(dá)到預(yù)定值后停止加熱并顯示當(dāng)前溫度；當(dāng)溫度下降到下限（比預(yù)定值低2℃）時(shí)再啟動(dòng)加熱。這樣不斷重復(fù)上述過(guò)程，使溫度保持在預(yù)定溫度范圍之內(nèi)。啟動(dòng)后不能再修改預(yù)置溫度，必須按復(fù)位/停止鍵回到停止加熱狀態(tài)再重新設(shè)定預(yù)置溫度。2.功能模塊根據(jù)上面對(duì)工作流程的分析，系統(tǒng)軟件可以分為以下幾個(gè)功能模塊：(1)鍵盤(pán)管理：監(jiān)測(cè)鍵盤(pán)輸入，接收溫度預(yù)置，啟動(dòng)系統(tǒng)工作。(2)顯示：顯示設(shè)置溫度及當(dāng)前溫度。(3)溫度檢測(cè)及溫度值變換：完成A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)字濾波。(4)溫度控制：根據(jù)檢測(cè)到的溫度控制電爐工作。(5)報(bào)警：當(dāng)預(yù)置溫度或當(dāng)前爐溫越限時(shí)報(bào)警。3.資源分配為了便于閱讀程序，首先給出單片機(jī)資源分配情況。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的分配與定義見(jiàn)表9.2。表9.2溫度控制軟件數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分配表地址功能名稱初始化值50H~51H當(dāng)前檢測(cè)溫度，高位在前TEMP1~TEMP000H52H~53H預(yù)置溫度，高位在前ST1~ST000H54H~56HBCD碼顯示緩沖區(qū)，百位、十位、個(gè)位T100，T10，T00H57H~58H二進(jìn)制顯示緩沖區(qū)，高位在前BT1，BT000H59H~7FH堆棧區(qū)

PSW.5報(bào)警允許標(biāo)志F0=0時(shí)禁止報(bào)警；F0=1時(shí)允許報(bào)警F00程序存儲(chǔ)器：EPROM2764的地址范圍為0000H~1FFFHI/O口：P1.0~P1.3——鍵盤(pán)輸入；P1.6、P1.7——報(bào)警控制和電爐控制。A/D轉(zhuǎn)換器0809：通道0~通道7的地址為7FF8H~7FFFH，使用通道0。4.功能軟件設(shè)計(jì)1)鍵盤(pán)管理模塊上電或復(fù)位后系統(tǒng)處于鍵盤(pán)管理狀態(tài)，其功能是監(jiān)測(cè)鍵盤(pán)輸入，接收溫度預(yù)置和啟動(dòng)鍵。程序設(shè)有預(yù)置溫度合法檢測(cè)報(bào)警，當(dāng)預(yù)置溫度超過(guò)500℃時(shí)會(huì)報(bào)警并將溫度設(shè)定在500℃。鍵盤(pán)管理子程序流程圖如圖9.12所示。

圖9.12鍵盤(pán)管理子程序流程圖

鍵盤(pán)管理子程序KIN：KIN：ACAL CHK ；預(yù)置溫度合法性檢測(cè)MOV BT1，ST1 MOV BT0，ST0 ；預(yù)置溫度送顯示緩沖區(qū) LCALL DISP；顯示預(yù)置溫度KIN0：ACALL KEY；讀鍵值 JZ KIN0；無(wú)鍵閉合和重新檢測(cè) ACALL DISPACALL DISP ；二次調(diào)用顯示子程序延時(shí)去抖 ACALL KEY ；再檢測(cè)有無(wú)鍵按下 JZ KIN0 ；無(wú)鍵按下重新檢測(cè) JB ACC.1，S10 MOV A，#100 ；百位鍵按下 AJMPSUMS10：JB ACC.2，S1 MOV A，#10 ；十位鍵按下 AJMP SUMS1： JB ACC.3，S0 MOV A，#01 ；個(gè)位鍵按下SUM： ADD A，ST0 ；預(yù)置溫度按鍵+1 MOV ST0，A MOV A，#00HADDC A，ST1 MOV ST1，AKIN1：ACALLKEY ；判斷閉合鍵釋放 JNZ KIN1 ；未釋放繼續(xù)判斷 AJMP KIN ；閉合鍵釋放繼續(xù)掃描鍵盤(pán)S0：JNBACC.0，KIN ；無(wú)鍵按下重新掃描鍵盤(pán) RET ；啟動(dòng)鍵按下返回KEY：MOV A，P1 ；讀鍵值子程序 CPL A ANL A，#0FH RET 預(yù)置溫度合法性檢測(cè)子程序CHK(用雙字節(jié)減法比較預(yù)置溫度是否大于500℃(01F4H))：CHK： MOV A，#0F4H ；預(yù)置溫度上限低8位送A CLR C SUBB A，ST0 ；低8位減，借位送CY MOV A，#01H ；預(yù)置溫度上限高8位送A SUBB A，ST1 ；高8位帶借位減 JCOUTA ；預(yù)置溫度越界，轉(zhuǎn)報(bào)警 MOV A，#00H ；預(yù)置溫度合法標(biāo)志 RETOUTA： MOV ST1，#01H ；將500寫(xiě)入預(yù)置溫度數(shù)據(jù)區(qū) MOV ST0，#0F4H CLR P1.6 ；發(fā)報(bào)警信號(hào)0.6s ACALL D0.6s SETB P1.6 ；停止報(bào)警 RET2)顯示模塊顯示子程序的功能是將顯示緩沖區(qū)57H和58H的二進(jìn)制數(shù)據(jù)先轉(zhuǎn)換成三個(gè)BCD碼，分別存入百位、十位和個(gè)位顯示緩沖區(qū)（54H、55H和56H單元），然后通過(guò)串口送出顯示。顯示子程序DISP：DISP：ACALLHTB；將顯示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為BCD碼 MOVSCON，#00H；置串行口為方式0 MOVR2，#03H；顯示位數(shù)送R2 MOVR0，#T100；顯示緩沖區(qū)首地址送R0LD：MOVDPTR，#TAB；指向字型碼表首地址MOVA，@R0 ；取顯示數(shù)據(jù) MOVCA，@A+DPTR ；查表 MOV SBUF，A ；字型碼送串行口WAIT：JBCTI，NEXT ；發(fā)送結(jié)束轉(zhuǎn)下一個(gè)數(shù)據(jù)并清中斷標(biāo)志 SJMPWAIT ；發(fā)送未完等待NEXT：INC R0 ；修改顯示緩沖區(qū)指針 DJNZ R2，LD ；判3位顯示完否，未完繼續(xù) RETTAB： … ；字型碼表（略）BCD碼轉(zhuǎn)換子程序HTB：HTB： MOV A，BT0 ；取二進(jìn)制顯示數(shù)據(jù)低8位 MOV B，#100；除100，確定百位數(shù) DIV AB MOV T100，A ；百位數(shù)送54H單元 MOV A，#10 ；除10，確定十位XCHA，BDIVA，BMOVT10，A；十位數(shù)送55H單元MOV T，B ；個(gè)位數(shù)送56H單元MOV A，BT1；取二進(jìn)制顯示數(shù)據(jù)高8位JNZ LH1 ；高位不為0轉(zhuǎn)LH1繼續(xù)高8位轉(zhuǎn)換RET ；高位為0結(jié)束，返回LH1：MOV A，#06H；高位不為0，低位轉(zhuǎn)換結(jié)果加256（因?yàn)闇囟葦?shù)據(jù)不會(huì)；大于500，所以高8位最多為01H，即256）ADD A，T DAA ；個(gè)位加6（十進(jìn)制加）MOV T，A ；結(jié)果送回個(gè)位MOV A，#05HADDC A，T10DAA ；十位加5（十進(jìn)制加）

MOV T10，A ；結(jié)果送回十位MOV A，#02HADDC A，T100DAA ；百位加2（十進(jìn)制加）MOV T100，A ；結(jié)果送回百位 RET3)溫度檢測(cè)模塊A/D轉(zhuǎn)換采用查詢方式。為提高數(shù)據(jù)采樣的可靠性，對(duì)采樣溫度進(jìn)行數(shù)字濾波。數(shù)字濾波的算法很多，這里采用4次采樣取平均值的方法。如前所述，本系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果乘2正好是溫度值，因此，4次采樣的數(shù)字量之和除以2就是檢測(cè)的當(dāng)前溫度。檢測(cè)結(jié)果高位存入50H，低位存入51H。溫度檢測(cè)子程序流程圖如圖9.13所示。溫度檢測(cè)子程序TIN：圖9.13溫度檢測(cè)子程序流程圖

溫度檢測(cè)子程序TIN：TIN：MOVTEMP1，#00H ；清檢測(cè)溫度緩沖區(qū) MOVTEMP0，#00H MOVR2，#04H ；取樣次數(shù)送R2 MOVDPTR，#7FF8H ；指向A/D轉(zhuǎn)換器0通道LTIN1：MOVX@DPTR，A ；啟動(dòng)轉(zhuǎn)換HERE：JNBIE1，HERE ；等待轉(zhuǎn)換結(jié)束 MOVXA，@DPTR ；讀轉(zhuǎn)換結(jié)果ADD A，TEMP0 ；累加（雙字節(jié)加法） MOV TEMP0，A MOV A，#00H ADDC A，TEMP1 MOV TEMP1，A DJNZ R2，LTIN1 ；4次采樣完否，未完繼續(xù) CLR C ；累加結(jié)果除2(雙字節(jié)除法) MOV A，TEMP1 RRC A MOV TEMP1，A MOV A，TEMP0RRC A MOV TEMP0，A RET

4)溫度控制模塊將當(dāng)前溫度與預(yù)置溫度比較，當(dāng)前溫度小于預(yù)置溫度時(shí)，繼電器閉合，接通電阻絲加熱；當(dāng)前溫度大于預(yù)置溫度時(shí)，繼電器斷開(kāi)，停止加熱；當(dāng)二者相等時(shí)電爐保持原來(lái)狀態(tài)；當(dāng)前溫度降低到比預(yù)置溫度低2℃時(shí)，再重新啟動(dòng)加熱；當(dāng)前溫度超出報(bào)警上下限時(shí)將啟動(dòng)報(bào)警，并停止加熱。由于電爐開(kāi)始加熱時(shí)，當(dāng)前溫度可能低于報(bào)警下限，為了防止誤報(bào)，在未達(dá)到預(yù)置溫度時(shí)，不允許報(bào)警，為此設(shè)置了報(bào)警允許標(biāo)志F0。模塊流程見(jiàn)圖9.14。圖9.14溫度控制流程圖溫度控制子程序CONT：CONT： MOV A，TEMP0 ；當(dāng)前溫度-預(yù)置溫度（雙字節(jié)減） CLR C SUBB A，ST0 MOV B，A ；低8位相減的差值暫存B MOV A，TEMP1 SUBB A，ST1JNC LOFF ；無(wú)借位，表示當(dāng)前溫度≥預(yù)置溫度，轉(zhuǎn)LOFFJNB F0，LON ；當(dāng)前溫度<預(yù)置溫度，判是否達(dá)到過(guò)預(yù)置溫度MOV A，B ；若達(dá)到過(guò)預(yù)置溫度，判二者差值是否大于2CLR CSUBB A，#02HJNCACC.7，LOFF；差值不大于2，轉(zhuǎn)LOFFLON：CLR P1.7 ；開(kāi)電爐 SJMP EXIT ；返回LOFF： SETB F0 ；設(shè)置允許報(bào)警標(biāo)志 SETB P1.7 ；關(guān)電爐EXIT： RET在此，讀者也可自行加入PID算法程序來(lái)實(shí)現(xiàn)PID控制。5)溫度越限報(bào)警模塊報(bào)警上限溫度值為預(yù)置溫度+5℃，即當(dāng)前溫度上升到高于預(yù)置溫度+5℃時(shí)報(bào)警，并停止加熱；報(bào)警下限溫度值為預(yù)置溫度-5℃，即在當(dāng)前溫度下降到低于預(yù)置溫度-5℃，且報(bào)警允許時(shí)報(bào)警，這是為了防止開(kāi)始從較低溫度加溫時(shí)誤報(bào)警。報(bào)警的同時(shí)也關(guān)閉電爐。圖9.15為報(bào)警子程序流程圖。圖9.15報(bào)警子程序流程圖

報(bào)警子程序ALARMALARM： MOV A，TEMP0 ；當(dāng)前溫度低字節(jié)→A CLR C SUBB A，ST0 ；（當(dāng)前溫度低字節(jié)-預(yù)置溫度低字節(jié)）→A MOV B， A；低字節(jié)相減結(jié)果送B暫存 MOV A，TEMP1；當(dāng)前溫度高字節(jié)→A SUBB A，ST1；（當(dāng)前溫度高字節(jié)-預(yù)置溫度高字節(jié)）→AJC LA0；有借位，當(dāng)前溫度小于預(yù)置溫度轉(zhuǎn)LA0 SETBF0 ；當(dāng)前溫度≥預(yù)置溫度，允許報(bào)警 AJMPLA1LA0：MOVA，ST0；預(yù)置溫度低字節(jié)→A CLR C SUBBA，TEMP0；（預(yù)置溫度低字節(jié)-當(dāng)前溫度低字節(jié)）→A MOVB，A ；低字節(jié)相減結(jié)果送B暫存 MOVA，ST1；預(yù)置溫度高字節(jié)→A SUBBA，TEMP1 ；（預(yù)置溫度高字節(jié)-當(dāng)前溫度高字節(jié)）→ALA1：XCHA，B ；高低字節(jié)互換，判斷相減結(jié)果是否大于5 CLR C SUBB A，#05H ；（低字節(jié)差-5）→A XCH A，B ；（低字節(jié)差-5）→B，高字節(jié)差→A SUBB A，#00H ；（高字節(jié)差-0）→A（因?yàn)?的高字節(jié)為0） JC LA2 ；相減結(jié)果小于5，不報(bào)警返回 JNB F0，LA2 ；相減結(jié)果≥5，判是否允許報(bào)警，不允許則返回CLR P1.6 ；啟動(dòng)報(bào)警 SETB P1.7 ；關(guān)電爐 LCALL D0.6s ；報(bào)警延時(shí)0.6s SETB P1.6 ；關(guān)報(bào)警LA2： RETD0.6s： （略） ；延時(shí)0.6s子程序6)主程序和中斷服務(wù)子程序主程序采用中斷嵌套方式設(shè)計(jì)，各功能模塊可直接調(diào)用。主程序完成系統(tǒng)的初始