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文檔簡介
畢業(yè)設計題目:基于單片機的爐溫控制系統(tǒng)設計系:電氣信息學院專業(yè):自動化班級:學號:學生姓名:導師姓名:林國漢完成日期:2023年6月誠信聲明本人聲明:1、本人所呈交的畢業(yè)設計〔論文〕是在老師指導下進行的研究工作及取得的研究成果;2、據(jù)查證,除了文中特別加以標注和致謝的地方外,畢業(yè)設計〔論文〕中不包含其他人已經(jīng)公開發(fā)表過的研究成果,也不包含為獲得其他教育機構的學位而使用過的材料;3、我承諾,本人提交的畢業(yè)設計〔論文〕中的所有內容均真實、可信。作者簽名:日期:年月日畢業(yè)設計〔論文〕任務書題目:基于單片機的爐溫控制系統(tǒng)設計姓系電氣信息學院專業(yè)級學號指導老師林國漢職稱講師教研室主任黃峰根本任務及要求:課題設計以單片機為核心的爐溫系統(tǒng)。設計內容包括:確定系統(tǒng)的總體方案進行單片機、及其它元器件選型顯示模塊、報警模塊、溫度調節(jié)模塊以及鍵盤模塊設計4、完成文獻綜述、開題報告及畢業(yè)設計說明書的撰寫工作。進度安排及完成時間:1第1周:明確課題任務及要求,搜集課題所需資料,了解本課題研究現(xiàn)狀、存在問題及研究的實際意義;做好選題和文獻綜述。2第2-3周:閱讀有關單片機編程及爐溫控制系統(tǒng)文獻資料,撰寫開題報告和文獻綜述3第4-5周:畢業(yè)實習。4第6-8周:掌握單片機程序設計方法,編寫PID控制模塊程序5第9-12周:硬件電路設計、軟件設計和模塊調試、系統(tǒng)聯(lián)調。6第13-14周:整理資料,撰寫并修改畢業(yè)設計初稿。7第15周:畢業(yè)論文審定、打印,辯論資料歸檔。8第16周,辯論、設計論文整改目錄摘錄=1\*ROMANIAbstract=2\*ROMANIITOC\o"1-3"\h\u13372第1章緒論1274871.1課題的目的與意義1185611.2課題開展現(xiàn)狀和前景展望1175181.3課題主要內容21505第2章系統(tǒng)設計方案及思路351942.1系統(tǒng)總體方案3229032.2單片機的選擇4160372.2.1AT89S51簡介479772.3溫度傳感器的選擇67372.3.1DS18B20簡介6265262.4PID控制器7273072.5MOC3041簡介927364第3章仿真1113963第4章硬件設計13300344.1主電路設計13327014.1.1時鐘電路13185354.1.2復位電路13169174.2鍵盤輸入電路設計14306474.3顯示電路設計15219474.4溫度采集電路設計16189804.5報警電路設計17245714.6溫度控制電路設計1710738第5章軟件設計19152415.1主程序設計19170225.2顯示模塊程序設計2071395.3鍵盤掃描模塊程序設計2283455.4報警模塊程序設計2432535.5PID控制程序244827參考文獻2613675致謝2719034附錄A電路圖2828922附錄B程序清單29基于單片機的爐溫控制系統(tǒng)設計摘要:隨著生產(chǎn)水平的提高,熱電設備對溫度控制的要求也越來越高,而傳感器技術和單片機技術等不斷開展,為智能溫度測控系統(tǒng)精度的提高和穩(wěn)定性改善等提供了條件。本系統(tǒng)為以AT89S51單片機為核心的爐溫控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)在硬件設計上主要是通過溫度傳感器DS18B20對溫度進行采集,直接輸出數(shù)字式的溫度值。AT89S51將采集到的數(shù)字溫度送到LCD1602,以數(shù)字形式顯示測量溫度,并采用PID控制來實現(xiàn)對溫度的調節(jié)。關鍵詞:單片機;溫度傳感器;PID控制DesignofTemperatureControlSystemBasedonSingleChipMicrocomputerAbstract:Alongwiththeproductionimproving,therequesttothetemperaturecontrolforthermalpowerequipmentismoreandmorehigher.ThesustainabledevelopingofthesensortechnologyandtheSCMtechnologyprovidedtheconditionsfortheprecisiondevelopmentandthestabilityimprovementoftheintellectualtemperaturecontrolsystem.ThispaperintroducesakindoffurnacetemperaturecontrolsystemwithAT89S51asthecore.DS18B20,thedigitaltemperaturesensorisusedtocollecttemperatureinthehardwaredesignofthesystem.Anditoutputthetemperaturevalueindigitalway.UsingRTX1602,thecollectedtemperatureisdisplayed,andusingthePIDcontrollertoadjustthefurnacetemperature.Keywords:singlechipmicrocomputer;thetemperaturesensor;PIDcontrol第1章緒論1.1課題的目的與意義溫度是生活及生產(chǎn)中最根本的物理量,自然界中任何物理、化學過程都與溫度緊密聯(lián)系。隨著現(xiàn)代工業(yè)水平的逐步提高,溫度控制在工業(yè)生產(chǎn)中顯得越來越重要。在許多工業(yè)領域,都需要對各種熱處理爐、加熱爐、反響爐和鍋爐進行控制,如軋鋼工業(yè)需要對鋼坯進行前加熱,塑料的定型、高精度模具制造,機床制造,量具等高精密儀器、機器都要求環(huán)境溫度管控。在這些領域對溫度的控制至關重要,溫度過低,達不到工藝的要求。溫度過高,不僅影響品質,還會產(chǎn)生不必要的能源浪費,甚至可能有爆炸的危險。不同領域對于溫度的上下范圍、測溫元件、控制精度都不盡相同。一致的是現(xiàn)場一般都會比擬復雜,有的人無法靠近,有的不需要人來現(xiàn)場監(jiān)測??偟膩碚f溫度控制復雜多樣,所以設計一個較為通用的溫度控制系統(tǒng)具有重要意義。眾所周知,加熱爐是一個具有強耦合性、強非線性、大滯后、時變等特點的典型的復雜工業(yè)被控對象,用傳統(tǒng)的控制方法對其進行控制很難取得滿意的控制效果。隨著傳感器技術和單片機技術等不斷開展,為智能溫度測控系統(tǒng)精度的提高和穩(wěn)定性改善等提供了條件,并得到日益開展和完善。1.2課題開展現(xiàn)狀和前景展望由于工業(yè)過程控制的需要,特別是微電子技術和計算機技術的迅猛開展以及自動控制理論和設計方法開展的推動下,國外溫度測控系統(tǒng)開展迅速,尤其是控制方面,在智能化、自適應、參數(shù)自整定等方面取得顯著成果。在這方面,以日本、美國、德國、瑞典等國家技術領先,都生產(chǎn)出了一批商品化、性能優(yōu)異的溫度控制儀表,并在各行業(yè)廣泛應用。其特點是適應于大慣性、大滯后等復雜溫度測控系統(tǒng),具有參數(shù)自整定功能和自學習功能,即溫控器對控制對象、控制參數(shù)及特性進行自動整定,并根據(jù)歷史經(jīng)驗及控制對象的變化情況,自動調整相關控制參數(shù),以保證控制效果的最優(yōu)化。溫度控制系統(tǒng)具有控制精度高、抗干擾力強等特點。目前,國外溫度控制儀表正朝著高精度、智能化、小型化等方向開展。微處理技術的開展和數(shù)字智能式控制器的實際應用,在控制領域出現(xiàn)的一系列新的技術課題之一的被控對象動靜態(tài)參數(shù)、控制系統(tǒng)結構、參數(shù)發(fā)生較大范圍變化的情況下,控制系統(tǒng)仍能滿足給定的品質指標,這是自適應控制的最根本特征,自適應PID控制可以在線不斷整定參數(shù),克服干擾,跟蹤系統(tǒng)的時變特性,使控制對象到達一定的目標。同時,隨著現(xiàn)代控制理論〔諸如智能控制、自適應模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡技術等〕研究和應用的開展與深入,為控制復雜無規(guī)那么系統(tǒng)開辟了新途徑,逐步弱化或取消了對受控對象數(shù)學模型結構不變的限制。隨著社會需要和技術開展,優(yōu)化算法的種類會越來越多并越來越完善,也會有越來越多的優(yōu)化算法被提出并在不同的應用場合中出現(xiàn),其優(yōu)越性也會越來越明顯,在目前的研究中,只有幾種根本的和改良的優(yōu)化算法在爐溫優(yōu)化設定中應用??梢灶A見,在以后的研究工作中,將會有更多先進的優(yōu)化算法應用于爐溫的優(yōu)化設定。智能控制的優(yōu)越性、有效性已經(jīng)無法被取代,它已經(jīng)成為現(xiàn)在控制技術的主要手段和方法,并且可以與其他多種控制方法進行結合,在爐溫控制中,主要是采用智能控制方法或智能控制與其他方法相結合。隨著計算機的普及及計算機性能的提高,計算機控制也逐漸開展并完善起來,智能控制技術與計算機控制技術相結合已經(jīng)成為一種趨勢,也是加熱爐控制方法的一種趨勢!1.3課題主要內容本次設計總體表達了基于單片機對工業(yè)生產(chǎn)中溫度的控制與設計,包括硬件組成和軟件的設計,該系統(tǒng)在硬件設計上主要分為溫度采集和溫度控制兩局部。以AT89S51單片機為核心器件,通過溫度傳感器DS18B20對溫度進行采集,DS18B20將采集到的溫度信號直接以數(shù)字形式輸入給單片機,然后單片機再將將采集到的數(shù)字溫度送到顯示器LCD1602,以數(shù)字形式顯示測量的溫度。溫度控制局部主要是以PID控制進行溫度的調節(jié),將采集到的溫度和設定溫度進行PID運算,單片機通過其輸出量控制可控硅調控器的接通時間,來調節(jié)溫度的。整個系統(tǒng)的軟件編程對單片機實現(xiàn)其控制功能。整個系統(tǒng)簡單可靠,操作靈活,性能價格比高,較好的滿足了現(xiàn)代生產(chǎn)和科研的需要。第2章系統(tǒng)設計方案及思路2.1系統(tǒng)總體方案系統(tǒng)設計要求:以MCS-51單片機為核心,設計一個爐溫控制系統(tǒng)。采用液晶顯示器顯示溫度測量值。檢測的溫度范圍為0~128℃。溫度超過警戒值時能報警提示。能通過鍵盤輸入設定溫度并顯示。用PID控制溫度,控溫精度≦±2℃。根據(jù)要求,以電爐為控制對象,單片機AT89S51為核心器件。該溫度控制系統(tǒng)按功能分主要包括了顯示模塊、溫度調節(jié)模塊、鍵盤模塊、報警模塊。溫度傳感器采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20,對溫度進行實時采樣,并將模擬信號轉換成數(shù)字信號返回給單片機,通過LCD1602顯示。系統(tǒng)可通過鍵盤設定溫度,單片機根據(jù)當前爐內溫度和預設溫度進行計算,通過控制雙向可晶閘管的通斷來調節(jié)爐內溫度。當溫度一旦超出設定范圍,報警模塊就會工作。借助KeilC51開發(fā)工具,以C語言開發(fā)語言,分別編寫程序實現(xiàn)對各模塊的控制。最后以Proteus為根底,畫出系統(tǒng)電路圖,加載程序模擬實際電路的運行進行仿真并調試。系統(tǒng)總體結構框架如圖2.1。圖2.1系統(tǒng)結構框圖2.2單片機的選擇目前我國最常用的單片機有Intel公司的MCS-51系列,MCS-96系列〔16位〕;Philips公司的87、80系列〔51內核〕、AVR系列;Microchip公司的PIC系列;ATMEL公司的89系列〔51內核〕等;其中ATMEL公司所產(chǎn)的ATMEL89系列的單片機是基于Intel公司的MCS-51系列而研制的。ATMEL公司把自身的先進的Flash存儲器技術和80C31核心相結合。從而產(chǎn)生出了Flash單片機系列。根據(jù)初步設計方案分析,應選擇具有以下功能的單片機:1〕片內有FlashROM的單片機,可以反復的燒錄、擦除程序,應用程序直接存儲在片內,不用再擴展存儲器,可以簡化電路。Philips80C51系列單片機、ATMEL公司的AT89系列單片機和AVR的單片機、STC單片機、PIC單片機均帶有片內FlashROM。2〕支持在線可編程〔ISP〕的單片機,在單片機開發(fā)開發(fā)過程中,編程器是必不可少的。選用具有ISP技術的單片機,只要通過一條下載線與計算機相連就可以直接將程序燒錄到內部,不但可以方便,還省去了昂貴的編程器。帶ISP的單片機主要有:ATMEL公司的AT89S5x系列、AVR;Microchip公司的帶8為的PIC單片機,結尾不帶e的pic24系列和dsPIC系列;飛思卡爾的所有STC系列單片機;意法半導體的SST系列單片機。除了上述根本要求外,還要盡可能的降低本錢。由于系統(tǒng)控制方案簡單,數(shù)據(jù)量不大,經(jīng)分析比照本系統(tǒng)選用AT89S51單片機。AT89S51芯片內含有4kB的E2PROM,無需外擴存儲器,電路簡單可靠,其時鐘頻率為0~24MHz,并且價格低廉,批量價在10元以內。2.2.1AT89S51簡介AT89S51是一個高性能,低功耗的CMOS8位單片機,片內含4k的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器,采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術制造。帶有ISP,既支持在線編程,也可用傳統(tǒng)方法進行編程。兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結構。AT89S51性價比高,可靈活運用于各種場合。1.AT89S51主要功能特性:工作電壓兼容MCS-51指令系統(tǒng)4k可反復擦寫ISPFlashROM32個雙向I/O口時鐘頻率0-33MHz2個16位可編程定時/計數(shù)器2個外部中斷源全雙工UART串行中斷口線中斷喚醒省電模式看門狗〔WDT〕電路此外,AT89S51設計和配置了振蕩頻率可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作,可通過軟件設置省電模式??臻e時停止CPU的工作,而RAM定時計數(shù)器,串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電模式振蕩器停止工作,保存RAM的數(shù)據(jù),并停止芯片其它工作直到外中斷激活或硬件復位。同時該芯片還具有PDIP、TQFP和PLCC等三種封裝形式,以適應不同產(chǎn)品的需求。2.AT89S51的優(yōu)越性在89C51的根底上89S51的性能有了很大的提升,新增功能很多,價格卻根本不變,甚至更低。89S51彌補了89C51于不支持ISP在線編程這一缺陷,改寫單片機存儲器內的程序不再需要把芯片從工作環(huán)境中剝離。89C51的極限工作頻率只有24M,而89S51工作頻率為33MHz,具有更高工作頻率,從而計算速度更快。內部集成看門狗計時器,不需要再像89C51外接看門狗計時器單元電路向下完全兼容51全部字系列產(chǎn)品。MCS-51早期產(chǎn)品,如:8051、89C51等都可在89S51上照常運行全新的加密算法,89S51幾乎不可能被解密,程序的保密性大大加強,可以有效的保護知識產(chǎn)權不被侵犯。2.3溫度傳感器的選擇溫度傳感器主要有四種類型:熱電偶、熱敏電阻、電阻溫度檢測器(RTD)和IC溫度傳感器。與熱敏電阻、熱電偶傳感器和RTD相比,IC溫度傳感器具有線性度高,本錢低,集成復雜的功能,測量溫度能夠直接提供一個數(shù)字輸出,并且溫度測量范圍滿足設計要求,應選擇IC溫度傳感器。2.3.1DS18B20簡介DS18B20具有微型化、低功耗、高性能抗干擾能力、強易配處理器等優(yōu)點,是由DALLAS公司生產(chǎn)的一種采用單總線協(xié)議的數(shù)字溫度傳感器。用于工作的電源可以外接,也可以通過數(shù)據(jù)線獲得。目前常用的單片機與外部進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇锌偩€有SPI,SCI和I2C總線。其中I2C總線采用同步串行雙線進行通信,SPI總線那么采用同步串行三線的方式進行通信,而SCI總線是以異步方式進行通信。這三種總線至少需要兩根或以上的信號線,而DS18B20的單總線方式只需要一根信號線,不僅能傳輸時鐘、數(shù)據(jù),還能數(shù)據(jù)雙向傳輸。DS18B20溫度傳感器特性獨特的單總線接口方式,與單片機僅僅只需要一條數(shù)據(jù)線即可實現(xiàn)雙向通信,占用單片機的端口少。不需要任何外圍元件,全部電路及傳感元件都集成在一個小小的器件內,可以節(jié)省大量的邏輯電路。測溫范圍為-55℃~+125℃,在-10℃~+85℃時精度為±0.5℃,滿足設計需要??删幊痰姆直媛蕿?~12位,對應的可分辨溫度分別為0.5℃,0.25℃,0.125℃,0.0625℃,可以實現(xiàn)高精度編程。獨特的單總線接口方式,與單片機僅僅只需要一條數(shù)據(jù)線即可實現(xiàn)雙向通信,占用單片機的端口少。不需要任何外圍元件,全部電路及傳感元件都集成在一個小小的器件內,可以節(jié)省大量的邏輯電路。測溫范圍為-55℃~+125℃,在-10℃~+85℃時精度為±0.5℃,滿足設計需要??删幊痰姆直媛蕿?~12位,對應的可分辨溫度分別為0.5℃,0.25℃,0.125℃,0.0625℃,可以實現(xiàn)高精度編程。測得的溫度結果用符號擴展的16位數(shù)字量方式直接串行輸出,在傳送給CPU的同時可傳送CRC校驗碼,具有很強的抗干擾糾錯能力。支持多點組網(wǎng),多個DS18B20可以并聯(lián)到三根線上,而CPU只需一個端口線就能與多個DS18B20通信。10〕綜上,DS18B20不僅能滿足設計要求,還能很大程度的簡化設計,故在本系統(tǒng)中采用DS18B20測量溫度。2.4PID控制器溫度的控制具有大滯后性、非線性的特點。當爐內溫度升高到設定溫度時,停止加熱,由于慣性發(fā)熱絲的溫度不會保持在設定溫度,而會繼續(xù)上升幾度,然后才開始下降。當溫度低于設定溫度時,開始加熱,溫度還會繼續(xù)下降幾度。因此,傳統(tǒng)的頂點開關控制溫度會有幾度的誤差?,F(xiàn)代溫度控制技術不斷開展,PID、最優(yōu)控制、自適應控制,模糊控制每一種方法都改善了控制的性能。在爐溫控制中,PID和模糊控制應用最多,也最具代表性。本設計選用PID算法。PID控制是控制工程中技術比擬成熟、應用廣泛的一種控制方法。通過長期的工程實踐,已經(jīng)形成了一套比擬完整的控制方法和典型的結構。PID控制具有穩(wěn)定性能好、構簡單簡單、可靠性高等優(yōu)點,特別是適于可以建立精確數(shù)學模型的控制系統(tǒng)。PID控制規(guī)律:〔2.1〕式中:——控制器的輸出;——比例系數(shù);——偏差。模擬PID控制器的執(zhí)行機構可以有電動、液壓、氣動等多種類型,這些通常采用硬件來實現(xiàn)PID控制規(guī)律。用軟件來實現(xiàn)PID控制具有更大的靈活性和可靠性。由于計算機只能處理數(shù)字,因此,要計算機軟件實現(xiàn)PID控制,首先必須將PID控制規(guī)律進項數(shù)字化處理。PID數(shù)字化處理有兩種算法:位置式PID和增量式PID。式〔2.2〕為位置式控制算法,式〔2.3〕為增量式控制算法。位置式PID。位置式PID控制算法的每次輸出與所有的歷史狀態(tài)有關,計算式中要用到歷史偏差的累加值,容易產(chǎn)生較大的誤差積累;而增量式PID只需要計算增量,計算誤差缺乏時對控制量的計算影響較小。增量式PID控制算法計算得到的是控制量的增量,誤動作比擬小,不會嚴重影響生產(chǎn)過程;而PID位置式控制算法輸出的是控制量的全量輸出,誤動作影響大。因此,本系統(tǒng)采用增量式PID控制算法。(2.2)(2.3)式中:——第次采樣時刻計算機運算的控制量;——第次采樣時刻的偏差量;——第次采樣時刻的偏差量;=——積分系數(shù);——微分系數(shù)。2.5MOC3041簡介本系統(tǒng)采用雙向晶閘管作為無觸點開關對爐溫進行調節(jié)控制。單片機的驅動能力有限,晶閘管還需另接觸發(fā)電路,采用MOC3041光耦過零觸發(fā)。MOC3041是帶有光隔的過零觸發(fā)器件,其硅探測器是一個帶有過零觸發(fā)的雙向可控硅。MOC3041通過P2口輸出的上下電平控制其觸發(fā)信號的輸出,從而控制晶閘管的開關。在對電爐溫度進行調功控制時。通過對爐溫的定時采樣和PID控制運算,單片機輸出一個控制量調節(jié)在設定的加熱周期內調節(jié)晶閘管導通時間,就能實現(xiàn)對爐溫的控制。MOC3041驅動電路如圖2.1。檢測器是一個含有兩個對紅外發(fā)射很敏感的反向并聯(lián)的高壓可控硅器件,每個可控硅的控制端和高速過零檢測電路相連接,這就保證了當砷化鎵二極管LED通以電流,在交流電壓越過零點附近時,檢測器轉換狀態(tài)。圖2.1根本驅動電路當加到二極管兩端的電流為零時,電源電壓加在功率可控硅和可控硅驅動器的陽極和陰極之間,假設在二極管中引入足夠的電流,那么可控硅驅動器處于導通狀態(tài),向功率可控硅提供一個觸發(fā)電流,使功率可控硅導通。功率可控硅一旦導通,其陽極和陰極之間的壓降將降低,這將導致可控硅驅動器的輸出電流降低,甚至降到低于它的維持電流,迫使可控硅驅動器進入關斷狀態(tài)。第3章仿真由于硬件條件有限,本次設計主要由仿真軟件Proteus實現(xiàn)。Proteus能實現(xiàn)單片機與外設的混合電路系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)的設計和仿真。在仿真過程中,用戶可以用鼠標單擊開關、鍵盤、電位計、可調電阻等外設設備,使單片機系統(tǒng)根據(jù)輸入信號做出相應的響應,并將響應處理結果根據(jù)所編制的軟件在顯示器上顯示,整個過程與硬件仿真器的調試過程相似。因此,在缺乏硬件的情況下,這是款非常實用的仿真軟件。其仿真原理圖經(jīng)驗證后可直接應用到顯示中。本次設計的電加熱爐采用Proteus中的OVEN進行仿真,OVEN通電之后開始加熱,并輸出一個模擬量。由于軟件中的DS18B20無法采集電加熱爐的溫度,故要分兩局部進行仿真:DS18B20溫度顯示仿真和PID控制仿真。DS18B20溫度顯示仿真如圖3.1,DS18B20的值可以任意調整,模擬溫度的采集,LCD的顯示值隨DS18B20的溫度值變化而變化。當溫度超過界限,LED亮,同時SOUNDER響,模擬警報系統(tǒng)。當按下k1,顯示溫度的最高位光標開始閃爍,進入設定溫度調整,按下k2,光標右移,按下k3數(shù)值加1,按下k4數(shù)值減1。圖3.1DS18B20仿真圖PID控制仿真如圖3.2,電加熱爐OVEN輸出的模擬量經(jīng)ADC0804轉化成數(shù)字量,再送到LCD顯示。OVEN的溫度與設定溫度在單片機內進行PID運算,PID輸出量控制晶閘管的導通,從而控制OVEN的加熱。圖3.2PID控制仿真圖第4章硬件設計4.1主電路設計4.1.1時鐘電路AT89S51單片機內部有一個用于構成振蕩器的高增益反相放大器,引腳XTAL1和XTAL2分別是反相放大器的輸入端和輸出端,通常,經(jīng)由片外晶體振蕩器或陶瓷諧振器與兩個相匹配的電容一起構成一個自激振蕩電路,為單片機提供時鐘源,如圖4.1所示。圖4.1時鐘電路MSC-51單片機的工作頻率為2~12MHZ,晶振的選擇很關鍵。單片機在運行時,是按照統(tǒng)一時鐘源時鐘的信號來驅動完成一系列的操作,在一定時鐘節(jié)拍下完成指令規(guī)定的操作。晶振的選擇直接影響了單片機的運行速度。本系統(tǒng)選用頻率為12MHZ的晶振。MCS-51指令的每個機器周期包含6個狀態(tài)周期,每個狀態(tài)周期由兩個節(jié)拍組成,每個節(jié)拍持續(xù)一個時鐘周期,也就是說,12次時鐘振蕩后完成一個機器周期。本系統(tǒng)一個機器周期的時間為12·﹙1/12﹚=1us。電容值無嚴格要求,但電容值對振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、起振速度有少許影響。本設計選擇30pF電容。4.1.2復位電路復位時單片機的初始化操作,其作用是使PCU和系統(tǒng)中的中其他部件都處于一個確定的初始狀態(tài),并從這個狀態(tài)開始工作。MCS-51單片機有兩種復位方式:上電復位和按鍵復位。RST/Vpd引腳是復位輸入引腳,通過一個施密特觸發(fā)器與內部復位電路相連。在RST端變?yōu)楦唠娖降牡诙€機器周期內執(zhí)行復位,此后每個周期執(zhí)行一次,直至RST端出現(xiàn)低電平。最簡單的復位電路,是通過外部復位電路的電容充電來實現(xiàn)的,上電瞬間RST端的電位與Vcc相同,隨著電容充電電流的減小,RST端電位逐漸下降。只要Vcc上升時間不超過10ms,上電復位就能保證在上電開機時完成復位操作。為了保證復位電路可靠地工作,出來上電復位外,有時還需要手動復位。本系統(tǒng)采用按鍵復位,如圖4.2。圖4.2復位電路4.2鍵盤輸入電路設計單片機常用的鍵盤有獨立式和矩陣式。獨立鍵盤就是一組互相獨立的按鍵,這些按鍵的一端直接與單片機的I/O口相連,每個按鍵占用一個I/O口。矩陣鍵盤是由m條I/O線組成輸出口,n條I/O線組成輸入口,在行列線的每個交點設置一個鍵盤,因此鍵盤數(shù)=m×n。由于本系統(tǒng)所需鍵盤數(shù)目不多故采用獨立鍵盤。鍵盤直接與單片機的P1口的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3相連。如圖4.3所示,當?shù)谝淮伟磌1鍵時,進入恒定溫度設置;當按k3鍵時,當前值加1;當按下k4鍵時,當前值減1;當按下k2時,待調整值右移,進入下一個數(shù)的調整;當?shù)诙伟聪耴1,系統(tǒng)退出調整狀態(tài)。圖4.3鍵盤輸入電路4.3顯示電路設計本次設計采用了LCD液晶顯示來顯示采集的溫度值和設定溫度值。如圖4.3,LCD的D0~D7八位雙向數(shù)據(jù)線,由單片機P0口控制,經(jīng)過阻值為10K?的上拉電阻連接。RS存放器選擇,由單片機P2.6口控制,高電平時選擇數(shù)據(jù)存放器、低電平時選擇指令存放器,。RW讀寫信號線,由單片機P2.6口控制,高電平時進行讀操作,低電平時進行寫操作。當RS和RW共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址,當RS為低電平RW為高電平時可以讀忙信號,當RS為高電平R/W為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。EN端為使能端,由單片機P2.7口控制,當EN端由高電平跳變成低電平時,液晶模塊執(zhí)行命令。圖4.4顯示電路圖4.4溫度采集電路設計DS18B20結構簡單,采用TO-92封裝和SOIC封裝,如圖4.5所示,其引腳功能見表4.1。DS18B20引腳功能說明見表4.2。TO-92封裝SOIC封裝圖4.5DS18B20封裝圖表4.1DS18B20引腳功能說明引腳功能說明GND地DQ數(shù)據(jù)輸入/輸出VDD外部供電電源引腳NC空腳DS18B20有兩種供電方式:一種是外部電源供電,另一種是寄生電源供電。本次設計采用外部供電,Vcc接5V電源,GND接地。DS18B20與單片機的連接非常簡單,單總線DQ直接與單片機端口P3.7相連。圖4.6溫度采集電路圖4.5報警電路設計當測量溫度高于或低于溫度界限,系統(tǒng)有必要進行警報提示。為此,在本系統(tǒng)中采用了LED和喇叭同時工作進行警報工作。如圖4.7,Q1為開關元件,當溫度超過界限,單片機給P2.4送一個低電平,此時Q1導通,LED和喇叭同時開始工作,直到溫度被控制在設定范圍之內。圖4.7報警電路4.6溫度控制電路設計該電路的主要任務是控制爐溫。晶閘管又稱可控硅,是一種半導體器件,具有單向導電的特點,能以小功率控制大功率的機電設備,反響速度非???,納秒級就可以開通、關斷,無觸點運行,效率高。本系統(tǒng)采用雙向晶閘管作為爐內加熱的開關元件,采用MOC3041可控硅調節(jié)方式來控制晶閘管的導通。如圖4.8,MOC3041的輸入端分別與電源和單片機的P2.3口相接,當需要加熱時,單片機通過P2.3給MOC3041一個低電平來控制雙向晶閘管的導通,從而使電爐開始加熱。但需要停止加熱,P2.3輸出高電平來關斷晶閘管,從而停止加熱。圖4.8溫度控制電路第5章軟件設計5.1主程序設計在單片機應用系統(tǒng)中,軟件占有至關重要的作用,硬件電路需要軟件的支持才能得以功能的實現(xiàn)。根據(jù)設計要求,將軟件分為幾個獨立的模塊,如圖5.1所示。圖5.1主程序框圖主程序是整個軟件的核心局部,主要包括相關模塊的初始化和子程序的調用。主程序的流程圖如圖5.2所示。圖5.2主程序流程圖5.2顯示模塊程序設計LCD1602根本操作時序如表5.1,謹按照其操作時序編寫程序。原那么上每次對控制器進行讀/寫操作時,都要進行讀/寫檢測,由于單片機的操作速度慢于液晶控制器的反響速度,因此只需進行簡單延時就行。表5.1LCD根本操作時序讀狀態(tài)輸入RS=L,R/W=H,E=H輸出D0—D7=狀態(tài)字寫指令輸入RS=L,R/W=L,D0—D7=指令碼,E=高脈沖輸出無讀數(shù)據(jù)輸入RS=H,R/W=H,E=H輸出D0—D7=數(shù)據(jù)寫數(shù)據(jù)輸入RS=H,R/W=L,D0—D7=數(shù)據(jù),E=高脈輸出無LCD的內部設有一個數(shù)據(jù)地址指針,可以通過它們訪問內部全部80B的RAM,如表5.2。圖5.3為LCD顯示程序流程圖。表5.2數(shù)據(jù)指針設置指令碼功能80H+地址碼〔0~27H,40~67H〕設置數(shù)據(jù)地址指針圖5.3顯示程序流程圖5.3鍵盤掃描模塊程序設計常用鍵盤的按鍵是一個機械開關結構,被按下時,由于機械觸點的彈跳及電壓不穩(wěn)等原因,在按鍵在被按下和釋放的瞬間會出現(xiàn)抖動。其觸點的電壓變化過程如圖5.4所示。圖5.4按鍵被按下是電壓變化圖5.5硬件去抖從圖5.4可看出,理想波形與實際波形之間的區(qū)別,實際波形在按下和釋放的瞬間都要抖動的現(xiàn)象,抖動的時間長短和按鍵的機械特性有關,一般為5~10ms。這種抖動可能會引起按鍵被讀入屢次的情況。通常按鍵按下然后立即釋放,這個動作中穩(wěn)定閉合的時間超過20ms。因此單片機在檢測鍵盤的時候都要加上去抖的操作。有硬件去抖和軟件去抖,硬件去抖電路如圖5.5。一般用軟件延時就能解決抖動的問題,而沒必要添加硬件電路。當檢測到按鍵閉合后執(zhí)行一個數(shù)毫秒延時程序,讓前沿抖動消失后再檢測按鍵是否閉合;當檢測到鍵松開后,也要給數(shù)毫秒的延時,待后沿抖動消失后再檢測檢測下一次按鍵的閉合。鍵盤掃描程序流程圖如圖5.6。圖5.6鍵盤掃描程序流程圖5.4報警模塊程序設計圖5.7報警程序流程圖5.5PID控制程序為編程方便,將式〔1.3〕整理成〔5.5〕式中:、、、確定之后,只需要計算當前偏差和前兩次的偏差就可以由式〔5.5〕計算出當前的控制量增量。定時器定時50ms,每隔50ms執(zhí)行一次中斷完成PID的運算,再根據(jù)PID輸出的控制量來調節(jié)電爐的溫度。PID算法的程序框圖如圖5.8。圖5.8PID算法程序流程圖參考文獻[1]王迎旭.單片機原理與應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2023.[2]郭天祥.51單片機C語言教程[M].北京:電子工業(yè)出版社,2023.[3]戴永.微型計算機控制技術[M].湘潭:湘潭大學出版社,2023.[4]賈宗璞,許合利.C語言程序設計[M].徐州:中國礦業(yè)大學出版社,2007.[5].康華光、鄒壽彬,電子技術根底[M].北京:高等教育出版社,2004.[6].三恒星科技.MCS51單片機原理與應用實例[M].北京:電子工業(yè)出版社,2023.1[7].張友德,單片機原理應用與實驗[M].上海,復旦大學出版社,1992.[8].張毅剛、彭喜源、譚曉鈞,曲春波.MCS-51單片機應用設計[M],哈爾濱工業(yè)大學出版社,2001.1.[9].曹巧媛,單片機原理及應用[M].北京:電子工業(yè)出版社,1997.[10].RajagopalKRComputeraideddesignofahysteresismotorusedinspaceapplication2003[11].張俊謨.單片機中高級教程—原理與應用〔第2版[M]〕.北京:北京航空航天大學出版社,2006.[12].樓然苗,李光飛.單片機課程設計指導[M].北京:北京航空航天大學出版社,2007.[13].賴壽宏.微型計算機控制技術[M].北京:機械工業(yè)出版社.2003[14].邊春遠,王志強.51單片機C語言教程[M].人民郵電出版社.2005[15].徐愛鈞.基于proteus虛擬仿真[M].電子工業(yè)出版社.2023致謝在這幾個月的設計過程中我收獲不少,我對單片機的實際應用有了更深的認識,對單片機的理論知識有了更深的理解,動手能力明顯提高。很感謝老師們和同學們的無私幫助,尤其是我的指導老師林老師。最初拿到畢業(yè)設計課題——基于單片機的爐溫控制系統(tǒng)設計時我一片茫然,不知道具體是要做什么,沒半點主意。在林老師的指點下,我有了大概的思路。我開始不停的在網(wǎng)上查閱各種資料,先是總體的了解爐溫控制設計的要求,然后將它分成幾個模塊,最后再一個模塊一個模塊的去解決。首先我根據(jù)設計要求畫出了電路圖,接下來最關鍵的就是寫程序了。我通過參考書本和網(wǎng)上查閱資料,學習了LCD1602、DS18B20、MOC3041芯片的結構及功能??粗W(wǎng)上各種版本長長的模塊程序,還真有點摸不著頭腦,沒方法,只能硬著頭皮看下去。融會貫穿之后,很快寫了完程序,局部模塊〔溫度顯示、鍵盤輸入、報警〕我是用單片機開發(fā)板在線調試的,這樣方便不少,能很直觀的知道哪局部程序執(zhí)行有問題。由于條件有限,溫度控制就只能局部就只能用proteus仿真了。經(jīng)過反復的調試、修改整個畢業(yè)設計總算是弄得差不多了。我做畢業(yè)設計的每個階段,從選題到查閱資料,開題報告的撰寫,硬件、軟件的設計,論文的修改都得到了林老師的耐心指導。不管多忙,林老師每周都會抽出時間檢查我們的設計進展,并給予幫助。一個很小的問題,有時候我可能會卡很久,而向老師尋求幫助一下子就解決了,大大的加快了設計的速度。在此,我再一次真誠的向幫助過我的同學和老師表示感謝!附錄A電路圖附錄B程序清單#include<reg52.h>#include<math.h>floatR;floatKp;floatT;floatTi;floatTd;floate2;floate1,e;floata0,a1,a2;#defineuiunsignedint#defineucunsignedcharsbitbj=P2^4;sbitlc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