畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-基于單片機(jī)的食品加工機(jī)溫控系統(tǒng)

目錄 引言 . 1 1 概況及現(xiàn)狀分析 . 1 1.1概況 . 1 1.2溫度測(cè)控技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀分析 . 1 2 總體電路設(shè)計(jì) . 3 2.1系統(tǒng)性能要求及特點(diǎn) . 3 2.2系統(tǒng)硬件與軟件方案分析 . 4 3.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) . 5 3.1系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu) . 5 3.2主控模塊器件選型及設(shè)計(jì) . 5 3.2.1單片機(jī)的選用及介紹 . 5 3.2.2主控模塊設(shè)計(jì) . 7 3.3輸入通道設(shè)計(jì) . 8 3.3.1 Ptl00溫度傳感器 . 8 3.3.2A/D轉(zhuǎn)換 . 9 3.4輸出通道設(shè)計(jì) . 12 3.4.1電阻爐的功率調(diào)節(jié)方式 . 12 3.4.2可控硅輸出電路 . 13 3.5串行通信接口電路 . 14 3.6電源電路 . 15 3.7硬件抗干擾系統(tǒng) . 15 4 軟件設(shè)計(jì) . 16 4.1軟件組成 . 16 4.2主程序模塊 . 17 4.3數(shù)據(jù)采集模塊 . 19 4.4顯示處理模塊 . 19 5控制方案 . 20 5.1PID控制的發(fā)展 . 20 5.2PID控制理論 . 21 5.3PID控制算法 . 22 6總結(jié) . 24 參考文獻(xiàn)： . 24 附件 1 . 26 附件 2 . 26 1 基于單片機(jī)的食品加工機(jī)溫控系統(tǒng) 摘要：在食品加工中，需要對(duì)溫控箱中的溫度進(jìn)行檢測(cè)和控制。本文針對(duì)食品加工機(jī)溫度控制的要求，設(shè)計(jì)了基于 AT89C52 單片機(jī)的食品加工機(jī)溫度控制系統(tǒng)。該溫度控制系統(tǒng)采用 Pt100溫度傳感器采集溫度，通過(guò) LED 顯示器顯示溫度。硬件上充分考慮了抗干擾措施，軟 件上用了PID 控制算法，并給出了硬件結(jié)構(gòu)圖與軟件流程。本設(shè)計(jì)具有控制簡(jiǎn)單、方便和靈活性大、精度高等特點(diǎn)。 關(guān)鍵詞：溫度控制；單片機(jī)； PID 引言 單片機(jī)是隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展而誕生的，由于它具有體積小、功能強(qiáng)、性價(jià)比高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用到食品加工機(jī)的控制中。使產(chǎn)品小型化、智能化，既提高了食品加工機(jī)的功能與質(zhì)量，又降低了成本，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。 本文介紹了單片機(jī)在食品加工機(jī)溫控系統(tǒng)中的應(yīng)用。溫度是生活及生產(chǎn)過(guò)程中最基本的物理量，它表征的是物體的冷熱程度。在生產(chǎn)過(guò)程中，溫度的測(cè)量和控制都直接和安全生產(chǎn)、提高 生產(chǎn)效率、保證產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約能源等重大技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相聯(lián)系。 1所以在本文中提出了 PID控制，達(dá)到對(duì)溫度的高精度控制。 1 概況及現(xiàn)狀分析 1.1 概況 民以食為天 。 在食品加工過(guò)程中 溫度是一個(gè)非常重要的 控制量。對(duì)于需要冷藏處理的食品溫度達(dá)不到要求，食品就會(huì)腐敗影響到食品安全；對(duì)于需要加熱的食品，在加工初期溫度過(guò)高會(huì)引起微生物繁殖、蛋白質(zhì)變性；對(duì)于烘烤類食品溫度過(guò)低會(huì)使加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，且達(dá)不到預(yù)期的口感，溫度過(guò)高會(huì)使食品烤焦，甚至產(chǎn)生安全問(wèn)題。所以對(duì)食品加工過(guò)程中溫度的精確控制是至關(guān)重要的。 2在食品加工中要 對(duì)加熱爐進(jìn)行溫度控制 。然而，用常規(guī)的控制方法，潛力是有限的，難以滿足較高的性能要求。采用單片機(jī)來(lái)對(duì)它們進(jìn)行控制不僅具有控制方便、簡(jiǎn)單和靈活性大的優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高被測(cè)溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。 3因此，單片機(jī)對(duì)溫度的控制是 食品 生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì)遇到的控制問(wèn)題 。同時(shí) ,溫度的測(cè)量與控制在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域中均受到了相當(dāng)程度的重視。然而，高精度溫度控制的難度比較大，而且不同的應(yīng)用環(huán)境也需要不同的控制策略。 1.2 溫度測(cè)控技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀分析 近年來(lái)，溫度的檢測(cè)在理論上發(fā)展比較成熟，但在實(shí)際 測(cè)量和控制中，如何保證快速實(shí)時(shí)地對(duì)溫度進(jìn)行采樣，確保數(shù)據(jù)的正確傳輸，并能對(duì)所測(cè)溫度場(chǎng)進(jìn)行較精確的控制，仍然是目前需要解決的問(wèn)題。 2 溫度測(cè)控技術(shù)包括溫度測(cè)量技術(shù)和溫度控制技術(shù)兩個(gè)方面。在溫度的測(cè)量技術(shù)中，接觸式測(cè)溫發(fā)展較早，這種測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)是：簡(jiǎn)單、可靠、低廉、測(cè)量精度較高，一般能夠測(cè)得真實(shí)溫度；但由于檢測(cè)元件熱慣性的影響，響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)熱容量小的物體難以實(shí)現(xiàn)精確的測(cè)量，并且該方法不能用于超高溫測(cè)量，難于測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的溫度。另外的非接觸式測(cè)溫方法是通過(guò)對(duì)輻射能量的檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量的方法，其優(yōu)點(diǎn)是：不破壞 被測(cè)溫場(chǎng)，可以測(cè)量熱容量小的物體，適于測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的溫度，還可以測(cè)量區(qū)域的溫度分布，響應(yīng)速度較快。但也存在測(cè)量誤差較大，儀表指示值一般僅代表物體表觀溫度，測(cè)溫裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)。因此，在實(shí)際的溫度測(cè)量中，要根據(jù)具體的測(cè)量對(duì)象選擇合適的測(cè)量方法，在滿足測(cè)量精度要求的前提下盡量減少投入。 從工業(yè)溫度控制器的發(fā)展過(guò)程來(lái)看，溫度控制技術(shù)大致可分以下幾種： （ 1）定值開關(guān)控溫法 所謂定值開關(guān)控溫法，就是通過(guò)硬件電路或軟件計(jì)算判別當(dāng)前溫度值與設(shè)定目標(biāo)溫度值之間的關(guān)系，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)加熱源（或冷卻裝置）進(jìn)行通斷控制 。若當(dāng)前溫度值比設(shè)定溫度值高，則關(guān)斷加熱器，或者開動(dòng)制冷裝置；若當(dāng)前溫度值比設(shè)定溫度值低，則開啟加熱器并同時(shí)關(guān)斷制冷器。這種開關(guān)控溫方法比較簡(jiǎn)單，在沒(méi)有計(jì)算機(jī)參與的情況下，用很簡(jiǎn)單的模擬電路就能夠?qū)崿F(xiàn)。目前，采用這種控制方法的溫度控制器在我國(guó)許多工廠的老式工業(yè)電爐中仍被使用。由于這種控制方式是當(dāng)系統(tǒng)溫度上升至設(shè)定點(diǎn)時(shí)關(guān)斷電源，當(dāng)系統(tǒng)溫度下降至設(shè)定點(diǎn)時(shí)開通電源，因而無(wú)法克服溫度變化過(guò)程的滯后性，致使系統(tǒng)溫度波動(dòng)較大，控制精度低，完全不適用于高精度的溫度控制。 （ 2） PID線性控溫法 這種控溫方法是基于經(jīng)典控制 理論中的調(diào)節(jié)器控制原理， PID控制是最早發(fā)展起來(lái)的控制策略之一，由于其算法簡(jiǎn)單、魯棒性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用工業(yè)過(guò)程控制中，尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)。由于 PID 調(diào)節(jié)器模型中考慮了系統(tǒng)的誤差，誤差變化及誤差積累三個(gè)因素，因此，其控制性能大大地優(yōu)越于定值開關(guān)控溫法。其具體電路可以采用模擬電路或計(jì)算機(jī)軟件方法來(lái)實(shí)現(xiàn) PID調(diào)節(jié)功能。前者稱為模擬 PID調(diào)節(jié)器，后者稱為數(shù)字 PID調(diào)節(jié)器。其中數(shù)字 PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)可以在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)在線整定，因此具有較大的靈活性，可以得到較好的控制效果。采用這種方法 實(shí)現(xiàn)的溫度控制器，其控制品質(zhì)的好壞主要取決于三個(gè) PID 參數(shù)（即比例值、積分值、微分值）。只要 PID 參數(shù)選取的正確，對(duì)于一個(gè)確定的受控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其控制精度是比較令人滿意的。但是，它的不足也恰恰在于此，當(dāng)對(duì)象特性一旦發(fā)生改變，三個(gè)控制參數(shù)也必須相應(yīng)地跟著改變，否則其控制品質(zhì)就難以得到保證。 4 （ 3）智能溫度控制法 為了克服 PID 線性控溫法的弱點(diǎn)，人們相繼提出了一系列自動(dòng)調(diào)整 PI 參數(shù)的方法，如PID參數(shù)的自學(xué)習(xí)，自整定等等。并通過(guò)將智能控制與 PID控制相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)溫度的智能控制。智能控溫法采用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)和 模糊數(shù)學(xué)為理論基礎(chǔ)，并適當(dāng)加以專家系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)智能化。其中應(yīng)用較多的有模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制以及專家系統(tǒng)等。尤其是模糊控溫法在實(shí) 3 際工程技術(shù)中得到了極為廣泛的應(yīng)用。目前已出現(xiàn)一種高精度模糊控制器，可以更好的模擬人的操作經(jīng)驗(yàn)來(lái)改善控制性能，從理論上講，可以完全消除穩(wěn)態(tài)誤差。 5所謂第三代智能溫控儀表，就是指基于智能控溫技術(shù)而研制的具有自適應(yīng) PID算法的溫度控制儀表。 目前國(guó)內(nèi)溫控儀表的發(fā)展，相對(duì)國(guó)外而言在性能方面還存在一定的差距，它們之間最大的差別主要還是在控制算法方面，具體表現(xiàn)為國(guó)內(nèi)溫控儀在全量程范圍內(nèi)溫度控 制精度低，自適應(yīng)性較差。這種不足的原因是多方面造成的，如針對(duì)不同的溫控對(duì)象，由于控制算法的不足而導(dǎo)致控制精度不穩(wěn)定等。 針對(duì)上述不足，本文以探索新的 PID自整定方法為目的，設(shè)計(jì)和開發(fā)一種新型電阻爐智能溫度控制儀，以簡(jiǎn)化控制電路，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。 2 總體電路設(shè)計(jì) 2.1 系統(tǒng)性能要求及特點(diǎn) 在食品加工過(guò)程中，對(duì)于不同的原料不同的生產(chǎn)需求，需要采取不同的加工工藝。有的食品原料需要進(jìn)行冷凍處理，有的食品原料需要進(jìn)行加熱處理。同時(shí)食品加工中的溫度控制有動(dòng)態(tài)溫度跟蹤與恒值溫度控制。動(dòng)態(tài)溫度跟蹤實(shí)現(xiàn)的控制目標(biāo)是 使被控對(duì)象的溫度值按預(yù)先設(shè)定好的曲線進(jìn)行變化；恒值溫度控制的目的是使被控對(duì)象的溫度恒定在某一給定數(shù)值上，且要求其波動(dòng)幅度 (即穩(wěn)態(tài)誤差 )不能超過(guò)某允許值。 6本文所討論的基于單片機(jī)的食品加工機(jī)溫度控制系統(tǒng)就是要實(shí)現(xiàn)對(duì)溫控箱的恒值溫度控制要求，故以下僅對(duì)恒值溫度控制進(jìn)行討論。所以該系統(tǒng)的性能要求及特點(diǎn)如下： (1)系統(tǒng)性能要求： (a)可以人為方便地通過(guò)控制面板或 PC機(jī)設(shè)定控制期望的溫度值，系統(tǒng)應(yīng)能自動(dòng)將溫控箱加熱至此設(shè)定溫度值并能保持，直至重新設(shè)定為另一溫度值，即能實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)控制； (b)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)溫控 箱溫度的測(cè)量并且通過(guò)控制面板上的顯示器顯示出來(lái)； (c)具有自動(dòng)加熱保護(hù)功能的安全性要求。如果實(shí)際測(cè)得的溫度值超過(guò)了系統(tǒng)要求的溫度范圍，就停止加熱。 (d)系統(tǒng)可靠性高，不易出故障； (e)盡量采用典型、通用的器件，一旦損壞，易于在市場(chǎng)上買到同樣零部件進(jìn)行替換。 (f)模塊化設(shè)計(jì)，安裝拆卸簡(jiǎn)單，維修方便； (2)系統(tǒng)特點(diǎn)： 鑒于上述系統(tǒng)功能要求以及智能儀表應(yīng)具有的體積小、成本低、功能強(qiáng)、抗干擾并盡可能達(dá)到更高精度的要求。本系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)方面具有如下特點(diǎn)：控制主板采用 AT89C52作為核心芯片。作為與 MCS-51 系列兼容的單片機(jī)，無(wú)論在運(yùn)算速度，還是在內(nèi)部資源上均可勝任本系統(tǒng)的性能要求。 7根據(jù)溫控箱測(cè)溫范圍的要求，本系統(tǒng)適合采用 Ptl00 鉑電阻作為溫度傳感器，而 Ptl00鉑電在大溫度范圍內(nèi)測(cè)溫時(shí)表現(xiàn)出的不可忽視的非線性不容忽視，因此在溫度測(cè)量的過(guò)程中必須對(duì)鉑電阻溫度傳感器的非線性進(jìn)行優(yōu)化，從而提高系統(tǒng)溫度測(cè)量的 4 精確度。本文采用最小二乘法擬合的方法對(duì)鉑電阻的非線性進(jìn)行優(yōu)化。 8為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)硬件，控制量采用雙向可控硅輸出，這樣就省去了 D/A 轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。整個(gè)系統(tǒng)遵循了冗余原則及以軟代硬的原則，并盡可能選用典型、常 用、易替換的芯片和電路，為系統(tǒng)的開放性、標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化打下良好基礎(chǔ)。 2.2 系統(tǒng)硬件與軟件方案分析 食品加工機(jī)溫度控制系統(tǒng)的硬件電路一般采用模擬電路 (Analog Circuit)和單片機(jī)(Microcontroller)兩種形式。模擬控制電路的各控制環(huán)節(jié)一般由運(yùn)算放大器、電壓比較器、模擬集成電路以及電容、電阻等外圍元器件組成。它的最大優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)響應(yīng)速度快，能實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。根據(jù)計(jì)算機(jī)控制理論可知，數(shù)字控制系統(tǒng)的采樣速率并非越快越好，它還取決于被控系統(tǒng)的響應(yīng)特性。在系統(tǒng)中，由于溫度的變化是一個(gè)相對(duì)緩慢 的過(guò)程，對(duì)溫控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求不是很高，所以模擬電路的優(yōu)勢(shì)得不到體現(xiàn)。 9另外，模擬電路依靠元器件之間的電氣關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)控制算法，很難實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法。單片機(jī)是大規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，屬于第四代電子計(jì)算機(jī)。它是把中央處理單元 CPU(Central Processing Unit)、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 RAM(RandomAccess Memory)、只讀存儲(chǔ) ROM(Readonly Memory)、定時(shí) /計(jì)數(shù)器以及 I/O(Input/Output)輸入輸出接口電路等主要計(jì)算機(jī)部件都集成在一塊集成電路芯片上 的微型計(jì)算機(jī)，它的特點(diǎn)是：功能強(qiáng)大、運(yùn)算速度快、體積小巧、價(jià)格低廉、穩(wěn)定可靠、應(yīng)用廣泛。由此可見，采用單片機(jī)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，不僅可以降低開發(fā)成本，精簡(jiǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而且控制算法由軟件實(shí)現(xiàn)，還可以提高系統(tǒng)的兼容性和可移植性。 10另外，隨著微電子技術(shù)和半導(dǎo)體工業(yè)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，片上系統(tǒng) SOC(System On Chip)得到了十足的發(fā)展。一些廠家根據(jù)系統(tǒng)功能的復(fù)雜程度，將這種 SOC芯片應(yīng)用到先進(jìn)的控制儀表中。 SOC芯片通常含有一個(gè)微處理器核 (CPU)，同時(shí)，它還含有多個(gè)外圍特殊功能模塊和一定規(guī)模的存儲(chǔ)器 (RAMROM)，并且這種片上系統(tǒng)一般具有用戶自定義接口模塊，使得其功能非常強(qiáng)大，適用領(lǐng)域也非常廣。它不僅能滿足復(fù)雜的系統(tǒng)性能的需要，而且還使整個(gè)系統(tǒng)的電路緊湊，硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。從實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)功能和簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)， SOC是實(shí)現(xiàn)溫度控制統(tǒng)的最佳選擇，但目前市場(chǎng)上 SOC 的價(jià)格還比較昂貴，并且 SOC的封裝形式幾乎都采用貼片式封裝，不利于實(shí)驗(yàn)電路板的搭建。從降低成本，器件供貨渠道充足的角度看，應(yīng)用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度控制系統(tǒng)是比較經(jīng)濟(jì)實(shí)用的。目前，市面上單片機(jī)不僅種類繁多，而且在性能方面也各有所長(zhǎng)。 AT89C52單片機(jī)是 ATMEL公司出品的與 MCS-51系列兼容的低電壓、高性能 CMOS 8位單片機(jī)。 目前， MCS51單片機(jī)的開發(fā)主要用到兩種語(yǔ)言：匯編語(yǔ)言和 C語(yǔ)言。與匯編語(yǔ)言相比，C語(yǔ)言具有以下的特點(diǎn)： (1)具有結(jié)構(gòu)化控制語(yǔ)句結(jié)構(gòu)化控制語(yǔ)言的顯著特點(diǎn)是代碼和數(shù)據(jù)的分隔化，即程序的各個(gè)部分除了必要的信息交流外彼此獨(dú)立。這種結(jié)構(gòu)化方式可使程序?qū)哟吻逦?，便于使用、維護(hù)及調(diào)試； (2)適用范圍大和可移植性好 5 同其他高級(jí)語(yǔ)言一樣， C 語(yǔ)言不依賴于特定的 CPU，其源程序具有良好的可移植性。目前，主流的 CPU 和常見的 MCU 都有 C 編譯器。加 之集成開發(fā)環(huán)境 KEIL 編譯生成的代碼效率很高 (僅比匯編語(yǔ)言生成的代碼效率低 10 -15 )。所以，本系統(tǒng)的軟件選擇使用 C語(yǔ)言開發(fā)。 11由于整個(gè)系統(tǒng)軟件比較復(fù)雜，為了便于編寫、調(diào)試、修改和增刪，系統(tǒng)程序的編制適合采用模塊化的程序結(jié)構(gòu)，故要整個(gè)控制系統(tǒng)軟件由許多獨(dú)立的小模塊組成，它們之間通過(guò)軟件接口連件結(jié)構(gòu)。接，遵循模塊內(nèi)數(shù)據(jù)關(guān)系湊，模塊間數(shù)據(jù)關(guān)系松散的原則，將各功能模塊組織成模塊化的軟 3.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 3.1 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu) 本文所研究的溫度控制系統(tǒng)硬件部分按功能大致可以分為以下幾個(gè)部分： 單片機(jī)主控模 塊、輸入通道、輸出通道等。硬件總體結(jié)構(gòu)框圖如圖 3-1所示。由結(jié)構(gòu)框圖可見，溫度控制系統(tǒng)以 AT89C52單片機(jī)為核心。溫控箱的溫度由 Ptl00 鉑電阻溫度傳感器檢測(cè)并轉(zhuǎn)換成微弱的電壓信號(hào)，再通過(guò) 8位的 A/D轉(zhuǎn)換 ADC0809轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。此數(shù)字量經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波之后，一方面將溫控箱的溫度通過(guò)控制面板上的顯示器顯示出來(lái)；另一方面將該溫度值與設(shè)定的溫度值進(jìn)行比較，根據(jù)其偏差值的大小，采用 PID控制算法進(jìn)行運(yùn)算，最后通過(guò)控制雙向可控硅控制周期內(nèi)的通斷占空比 (即控制溫控箱加熱平均功率的大小 )，進(jìn)而達(dá)到對(duì)溫控箱溫度進(jìn)行控制的 目的。 圖 3-1 硬件總體框圖 3.2 主控模塊器件選型及設(shè)計(jì) 3.2.1 單片機(jī)的選用及介紹 針對(duì)一定的用途，恰當(dāng)?shù)倪x擇所使用的單片機(jī)是十分重要的。對(duì)于明確的應(yīng)用對(duì)象，選擇功能過(guò)少的單片機(jī)無(wú)法完成控制任務(wù)；選擇功能過(guò)強(qiáng)的單片機(jī)，則會(huì)造成資源浪費(fèi)，使產(chǎn)品的性能價(jià)格比下降。目前，市面上的單片機(jī)不僅種類繁多，而且在性能方面也各有不同。時(shí)鐘電路 A/D 轉(zhuǎn)換 溫度傳感器 溫控箱 加熱部件 可控硅 A T 8 9 C 5 2 串行通信 顯示電路 鍵盤電路 6 實(shí)際應(yīng)用中，針對(duì)不同的需求要選擇合適的單片機(jī)，選擇單片機(jī)時(shí)要注意下幾點(diǎn)： (1)單片機(jī)的基本性能參數(shù)，例如指令執(zhí)行速度，程序存儲(chǔ)器容量，中斷能力及 I/O 口引腳數(shù)量等； (3)單片機(jī)的存儲(chǔ)介質(zhì)，對(duì)于程序存儲(chǔ)器來(lái)說(shuō)， Flash存儲(chǔ)器和 OTP(一次性可編程 )存儲(chǔ)器相比較，最好是選擇 Flash存儲(chǔ)器； (4)芯片的封裝形式，如 DIP封裝， PLCC封裝及表面貼附封裝等。選擇 DIP封裝在搭建實(shí)驗(yàn)電路時(shí)會(huì)更加方便一些； (2)單片機(jī)的增強(qiáng)功能，例如看門狗，雙串口， RTC(實(shí)時(shí)時(shí)鐘 )，EEPROM， CAN接口等； (5)芯片工作溫度范圍符合工業(yè)級(jí)、軍品級(jí)還是商業(yè)級(jí)，如果設(shè)計(jì)戶外產(chǎn)品，必須選用工業(yè)級(jí)芯 片； (6)單片機(jī)的工作電壓范圍，例如設(shè)計(jì)電視機(jī)遙控器時(shí)，使用 2 節(jié)干電池供電，至少選擇的單片機(jī)能夠在 1.8V-3.6V電壓范圍內(nèi)工作； (7)單片機(jī)的抗干擾性能好； (8)編程器以及仿真器的價(jià)格，單片機(jī)開發(fā)是否支持高級(jí)語(yǔ)言以及編程環(huán)易學(xué)； (9)供貨渠道是否暢通，價(jià)格是否低廉，是否具有良好的技術(shù)服務(wù)支持。 12 根據(jù)上面所述的原則，結(jié)合本系統(tǒng)實(shí)際情況綜合考慮，本文討論的溫度控制系統(tǒng)選 ATMEL公司生產(chǎn)的 AT89C52單片機(jī)作為主控模塊的核心芯片。 本系統(tǒng)選用 ATMEL 公司生產(chǎn)的 AT89系列單片機(jī)中的 AT89C52， AT89C52 單片機(jī)是新型的低功耗、高性能的 8位 CMOS微控制器，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) MCS-51指令系列和引腳全兼容。具有超強(qiáng)的三級(jí)加密功能，其片內(nèi)閃電存儲(chǔ)器 (FlashMemory)的編程與擦除完全用電實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)不易揮發(fā)，編程 /擦除速度快。 AT89C52單片機(jī) DIP 封裝的引腳如圖 3-2所示。 AT89C52的主要特點(diǎn)有： (1)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器為電擦除可編程只讀存儲(chǔ)器 EEPROM，容量 8KB，內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器容量 256字節(jié)，最大尋址空間 64KB； (2)三個(gè) 16位定時(shí) /計(jì)數(shù)器； (3)可利用兩根 I/O 口線作為 全雙工的串行口，有四種工作方式，可通過(guò)編程設(shè)定； (4)內(nèi)部 ROM中開辟了四個(gè)通用工作寄存器區(qū)，共 32個(gè)通用寄存器，以適應(yīng)多種中斷或子程序嵌套的情況； (5)6個(gè)中斷源，分為兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，每個(gè)中斷源優(yōu)先級(jí)都是可編程的； (6)內(nèi)部有一個(gè)由直接可位尋址組成的布爾處理機(jī)，在指令系統(tǒng)中包含了一個(gè)指令子集，專門用于對(duì)布爾處理機(jī)的各位進(jìn)行各種布爾處理，特別適用于控制目的和解決邏輯問(wèn)題； (7)AT89C52 的狀態(tài)周期由晶體振蕩器 2 分頻后獲得，作為芯片工作的基本時(shí)間單位，在采用 12MHz晶振時(shí)， AT89C52的狀態(tài)周 期為 (2/12)*10-6=167ns。 13 AT89C52引腳如圖 3-2所示： 7 圖 3-2 AT89C52 引腳圖 3.2.2 主控模塊設(shè)計(jì) 主控模塊電路由 AT89C52 單片機(jī)、復(fù)位電路、外部時(shí)鐘電路組成。 （ 1） 復(fù)位電路： 單片機(jī)上電時(shí)，當(dāng)振蕩器正在運(yùn)行時(shí)，只要持續(xù)給出 RST引腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平，便可完成系統(tǒng)復(fù)位。外部復(fù)位電路是為內(nèi)部復(fù)位電路提供兩個(gè)機(jī)器周期以上的電平而設(shè)計(jì)的。系統(tǒng)采用上電自動(dòng)復(fù)位，上電瞬間電容器上的電壓不能突變， RST上的電壓是 Vcc上的電壓與電容器上的電壓之差，因而 RST上 的電壓與 Vcc上的電壓相同。隨著充電的進(jìn)行，電容器上的電壓不斷上升， RST上的電壓就隨著下降， RST腳上只要保持 10ms 以上高電平，系統(tǒng)就會(huì)有效復(fù)位。電容 C 可取 10-33uF，電阻 R可取 1.2-10k 。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中， C取 22uf,R取 4.7k ，充電時(shí)間常數(shù)為 22*10-6 *4.7*103=104ms。 （ 2）振蕩電路： XTAL1腳和 XTAL2腳分別構(gòu)成片內(nèi)振蕩器的反相放大器的輸入和輸出端，外接石英晶振或陶瓷晶振以及補(bǔ)償電容 C1、 C2選 47uF構(gòu)成并聯(lián)諧振電路。當(dāng)外接石英晶振時(shí)，電容 C1、C2選 30Pf 10pF；當(dāng)外接陶瓷振蕩器時(shí)，電容 C1、 C2選 47uF 10uF。 AT89S52 系統(tǒng)中晶振可在 0 24MHz選擇。外接電 C1、 C2的大小會(huì)影響振蕩器頻率的穩(wěn)定度、起振時(shí)間及溫度穩(wěn)定性。在設(shè)計(jì)電路板時(shí)，晶振和電容應(yīng)靠近單片機(jī)芯片，以便減少寄生電容，保證振蕩器穩(wěn)定可靠工作。 在本硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為保證串行通行波特率的誤差，選擇了 11.0592MHz 的標(biāo)準(zhǔn)石英晶振，電容 C1、 C2為 47uF。復(fù)位與時(shí)鐘電路如圖 3-3所示 ： 8 圖 3-3 復(fù)位與時(shí)鐘電路 3.3 輸入 通道設(shè)計(jì) 系統(tǒng)輸入通道的作用是將溫控箱的溫度 (非電量 )通過(guò)傳感器電路轉(zhuǎn)化為電量 (電壓或電流 )輸出，本系統(tǒng)就是將溫度轉(zhuǎn)化為電壓的輸出。由于此時(shí)的電量 (電壓 )還是單片機(jī)所不能識(shí)別的模擬量，所以還需要進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換，即將模擬的電量轉(zhuǎn)化成與之對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，提供給單片機(jī)判斷和控制。輸入通道由傳感器、 A/D 轉(zhuǎn)換等電路組成。 3.3.1 Ptl00 溫度傳感器 溫度傳感器的種類比較繁雜，各種不同的溫度傳感器由于其構(gòu)成材料、構(gòu)成方式及測(cè)溫原理的不同，使得其測(cè)量溫度的范圍、測(cè)量精度也各不相同。因此，在不同的應(yīng)用場(chǎng)合，應(yīng)選擇不同 的溫度傳感器。 Ptl00 型鉑電阻，在 -200到 850范圍內(nèi)是精度最高的溫度傳感器之一。與熱電偶、熱敏電阻相比較，鉑的物理、化學(xué)性能都非常穩(wěn)定，尤其是耐氧化能力很強(qiáng)，離散性很小，精度最高，靈敏度也較好。這些特點(diǎn)使得鉑電阻溫度傳感器具有信號(hào)強(qiáng)、精度高、穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性好的特點(diǎn)。 14由于在本系統(tǒng)中，測(cè)溫范圍較大 (在室溫到 600之間 )，且要求檢測(cè)精度高、穩(wěn)定性好，因此選用 Ptl00 鉑電阻作為本溫度控制系統(tǒng)的溫度傳感器。 鉑電阻溫度傳感器主要有兩種類型：標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度傳感器和工業(yè)鉑電阻溫度傳感器。在測(cè)量精度方 面，工業(yè)鉑電阻的測(cè)量穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性一般不如標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻，這主要有兩個(gè)方面的原因，其一是高溫下金屬鉑與周圍材料之間的擴(kuò)散使其純度受到污染，從而降低了鉑電阻測(cè)溫的復(fù)現(xiàn)性能，其二是因?yàn)楦邷貤l件下的應(yīng)力退火影響了其復(fù)現(xiàn)性能。但是標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度傳感器也存在價(jià)格昂貴，維護(hù)起來(lái)較為困難等缺點(diǎn)?？紤]到成本，故在本系統(tǒng)中采用工業(yè)級(jí) Ptl00鉑電阻作為溫度傳感器。 鉑電阻測(cè)溫電路的工作方式一般分為恒壓方式和恒流方式兩種。按照接線方式的不同又 9 可以分為二線制、三線制和四線制幾種。本系統(tǒng)采用的是恒流四線制接法對(duì) Ptl00鉑電阻進(jìn)行采樣 。鉑電阻溫度傳感器采樣電路將溫控箱的溫度轉(zhuǎn)化為電壓輸出。采用恒流四線制接法的測(cè)溫電路中需要用到一個(gè)穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓源。 15本系統(tǒng)采用精密基準(zhǔn)電壓源 LM399H 產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓，圖中參考電壓 EP即來(lái)自 LM399H?；鶞?zhǔn)電壓源電路如圖 3-4 所示。 LM399H是內(nèi)置恒溫槽高精度基準(zhǔn)電壓源，輸出電壓 6.9999V。它是迄今為止同類產(chǎn)品中溫度系數(shù)最低的器件，內(nèi)部有恒溫電路，保證了器件的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。本系統(tǒng)中基準(zhǔn)電壓源產(chǎn)生的電壓不僅提供給鉑電阻采樣電路而且還提供給 A/D轉(zhuǎn)換電路使用。 圖 3-4 基準(zhǔn)電壓源電路 鉑電阻 溫度傳感器是利用其電阻值隨溫度的變化而變化這一特性進(jìn)行溫度測(cè)量的，根據(jù)IEC(International Electrician Committee)標(biāo)準(zhǔn) 751-1983： )100(1 320t ttCBtAtRR （ -200 #define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbit st=P2-2; sbit oe=P2-1; sbit eoc=P2-0; uchar codetab=0x03,0x9f,0x25,0x0d,0x99,0x49,0x41,0x1f,0x01,0x09; uchar codetd=0x00,0x10,0x20,0x30,0x40,0x50,0x60,0x70; uint ad_0809,ad_data1,ad_data2,ad_data3,ad_data0; uchar m,number; uchar x8; void delaynms(uint x); void display(); void adc0809(); void key(); mai