基于单片机的烘箱温度控制器设计说明.doc
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基于单片机的烘箱温度控制器设计说明.doc
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基于单片机的烘箱温度控制器设计
目录
1.项目概述…………………………………………………………1
1.1.该设计的目的及意义………………………………………1
1.2.该设计的技术指标…………………………………………2
2.系统设计…………………………………………………………3
2.1.设计思想……………………………………………………3
2.2.方案可行性分析……………………………………………4
2.3.总体方案……………………………………………………5
3.硬件设计…………………………………………………………6
3.1.硬件电路的工作原理………………………………………6
3.2.参数计算……………………………………………………7
4.软件设计…………………………………………………………8
4.1.软件设计思想………………………………………………8
4.2.程序流程图…………………………………………………9
4.3.程序清单……………………………………………………10
5.系统仿真与调试…………………………………………………11
5.1.实际调试或仿真数据分析…………………………………11
5.2.分析结果……………………………………………………13
6.结论………………………………………………………………12
7.参考文献…………………………………………………………13
8.附录………………………………………………………………14
1.项目概述:
1.1.该设计的目的及意义
温度的测量及控制,随着社会的发展,已经变得越来越重要。
而温度是生产过程和科学实验中普遍而且重要的物理参数,准确测量和有效控制温度是优质,高产,低耗和安全生产的重要条件。
在工业的研制和生产中,为了保证生产过程的稳定运行并提高控制精度,采用微电子技术是重要的途径。
它的作用主要是改善劳动条件,节约能源,防止生产和设备事故,以获得好的技术指标和经济效益。
而本设计正是为了保证生产过程的稳定运行并提高控制精度,采用以51系列单片机为控制核心,对温度进行控制,不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点,而且可以大幅度提高被控温度的技术指标。
通过本设计的实践,将以往学习的知识进行综合应用,是对知识的一次复习与升华,让以往的那些抽象的知识点在具体的实践中体现出来,更是对自己自身的挑战。
1.2.该设计的技术指标
设计并制作一个基于单片机的温度控制系统,能够对炉温进行控制。
炉温可以在一定范围内由人工设定,并能在炉温变化时实现自动控制。
若测量值高于温度设定范围,由单片机发出控制信号,经过驱动电路使加热器停止工作。
当温度低于设定值时,单片机发出一个控制信号,启动加热器。
通过继电器的反复开启和关闭,使炉温保持在设定的温度范围内。
(1)1KW电炉加热(电阻丝),最度温度为120℃(软件实现)
(2)恒温箱温度可设定,温度控制误差≦±2℃(软件实现PID)
(3)实时显示温度和设置温度,显示精度为1℃(LED)。
(4)温度超过设置温度±5℃,发出超限报警,升温和降温过程不作要求。
(5)升温过程采用PID算法,控制器输出方式为PWM输出方式,降温采用自然冷却。
(6)功率电路220VAC供电,强弱电气电隔离
2.系统设计
2.1.设计思想
以87C51单片机为整个温度控制系统的核心,为解决系统出现一时的死机的问题,需构建复位电路,来重新启动整个系统。
要想控制温度,首席必须能够测量温度,就需要一温度传感器,将测量得到的温度传给单片机,经单片机处理后,去控制继电器等器件实现电炉的断与通来达到温度期望值,当温度超过设定上下限值时,可以通过中断信号,控制指示灯的亮灭,来提醒温度过高或过低,以便采取必要的措施,来阻断或导通电炉进行加热或者冷却,以使温度保持在设定值,更可以通过LED显示设定值和温度实时值,可以设定一功能键,来切换是显示设定值还是温度实时值,另外如果想更改设定温度值,可以通过设定加减键来实现温度设定值的增减,而温度的控制过程可以通过软件编程实现最优控制,比如PID算法。
2.2.可行性方案分析
实现温度控制的方法主要有以下几种。
1.方案一:
采用纯硬件的闭环控制系统。
该系统的优点在于速度较快,但可靠性比较差控制精度比较低、灵活性小、线路复杂、调试、安装都不方便。
且要实现题目所有的要求难度较大。
2.方案二:
FPGA/CPLD或采用带有IP内核的FPGA/CPLD方式。
即用FPGA/CPLD完成采集,存储,显示及A/D等功能,由IP核实现人机交互及信号测量分析等功能。
这种方案的优点在于系统结构紧凑,可以实现复杂的测量与与控制,操作方便;缺点是调试过程复杂,成本较高。
3.方案三:
单片机与高精度温度传感器结合的方式。
即用单片机完成人机界面,系统控制,信号分析处理,由前端温度传感器完成信号的采集与转换。
这种方案克服了方案一、二的缺点,所以本课题任务是基于单片机和温度传感器实现对温度的控制。
2.3.总体方案
(1)系统结构框图:
显示模块(LED)
键盘模块(输入)
80C51
单片机
温度传感器
DS18B20
报警电路(蜂鸣器或者指示灯)
被控对象
温度控制电路
复位电路
(2)闭环回路系统
输出温度
被控对象
晶闸管主电路
驱动电路
87C51
单片机
给定值
采样电路
3.硬件设计
3.1.硬件电路的工作原理
3.1.1单片机选择
单片机是整个控制系统的核心,要满足大内存、高速率、通用性、价格便宜等要求,本设计选择87C51作为主控芯片。
87C51是INTEL公司MCS-51系列单片机中基本型产品,它采用INTEL公司可靠的CHMOS工艺技术制造的高性能8位单片机,属于标准的MCS-51的体系结构和指令系统。
。
它结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征,是80C51BH的EPROM版本,电改写光擦除的片内4kBEPROM。
87C51内置中央处理单元、128字节内部数据存储器RAM、32个双向输入/输出(I/O)口、2个16位定时/计数器和5个两级中断结构,一个全双工串行通信口,片内时钟振荡电路。
快速脉冲编程,如编写4kB片内ROM仅需12秒。
此外,87C51还可工作于低功耗模式,可通过两种软件选择空闲和掉电模式。
在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。
掉电模式下,保存RAM数据,时钟振荡停止,同时停止芯片内其它功能。
87C51有PDIP和PLCC两种封装形式。
单片机87C51引脚图
主要功能特性:
·标准MCS-51内核和指令系统
·4kB内部ROM(外部可扩展至64kB)
·32个可编程双向I/O口
·128x8bit内部EPRAM(可扩充64kB外部存储器)
·2个16位可编程定时/计数器
·时钟频率0-16MHz
·5个中断源
·5.0V工作电压
·可编程全双工串行通信口
·布尔处理器
·2层优先级中断结构
·电源空闲和掉电模式
·快速脉冲编程
·2层程序加密位
·PDIP和PLCC封装形式
·兼容TTL和CMOS逻辑电平
(1)电源引脚Vcc和Vss
Vcc(40脚):
接+5V电源正端;
Vss(20脚):
接+5V电源正端。
(2)外接晶振引脚XTAL1和XTAL2
XTAL1(19脚):
接外部石英晶体的一端。
在单片机内部,它是一个反相放大器的输入端,这个放大器构成采用外部时钟时,对于HMOS单片机,该引脚接地;对于CHOMS单片机,该引脚作为外部振荡信号的输入端。
XTAL2(18脚):
接外部晶体的另一端。
在单片机内部,接至片内振荡器的反相放大器的输出端。
当采用外部时钟时,对于HMOS单片机,该引脚作为外部振荡信号的输入端。
对于CHMOS芯片,该引脚悬空不接。
(3)控制信号或与其它电源复用引脚有RST/VPD、ALE/P、PSEN和EA/VPP等4种形式。
RST/VPD(9脚):
RST即为RESET,VPD为备用电源,所以该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。
当单片机振荡器工作时,该引脚上出现持续两个机器周期的高电平,就可实现复位操作,使单片机复位到初始状态。
当VCC发生故障,降低到低电平规定值或掉电时,该引脚可接上备用电源VPD(+5V)为内部RAM供电,以保证RAM中的数据不丢失。
ALE/P(30脚):
当访问外部存储器时,ALE(允许地址锁存信号)以每机器周期两次的信号输出,用于锁存出现在P0口的地址信号。
PSEN(29脚):
片外程序存储器读选通输出端,低电平有效。
当从外部程序存储器读取指令或常数期间,每个机器周期PESN两次有效,以通过数据总线口读回指令或常数。
当访问外部数据存储器期间,PESN信号将不出现。
EA/Vpp(31脚):
EA为访问外部程序储器控制信号,低电平有效。
当EA端保持高电平时,单片机访问片内程序存储器4KB(MS—52子系列为8KB)。
若超出该范围时,自动转去执行外部程序存储器的程序。
当EA端保持低电平时,无论片内有无程序存储器,均只访问外部程序存储器。
对于片内含有EPROM的单片机,在EPROM编程期间,该引脚用于接21V的编程电源Vpp。
(4)输入/输出(I/O)引脚P0口、P1口、P2口及P3口
P0口(39脚~22脚):
这8条引脚有两种不同功能,分别适用于两种不同情况。
第一种情况是89S51不带片外存储器,P0口可以作为通用I/O口使用,P0.0-P0.7用于传送CPU的输入/输出数据。
第二种情况是89S51带片外存储器,P0.0-P0.7在CPU访问片外存储器时用于传送片外存储器的低8位地址,然后传送CPU对片外存储器的读写数据。
P1口(1脚~8脚):
这8条引脚和P0口的8条引脚类似,P1.7为最高位,P1.0为最低位。
当P1口作为通用I/O口使用时,P1.0-P1.7的功能和P0口的第一功能相同,也用于传送用户的输入和输出数据。
P2口(21脚~28脚):
这组引脚的第一功能和上述两组引脚的第一功能相同,既它可以作为通用I/O口使用。
它的第二功能和P0口引脚的第二功能相配合,用于输出片外存储器的高8位地址。
P3口(10脚~17脚):
P3.0~P3.7统称为P3口。
它为双功能口,可以作为一般的准双向I/O接口,也可以将每1位用于第2功能,而且P3口的每一条引脚均可独立定义为第1功能的输入输出或第2功能。
单片机P3口管脚第2功能
引脚第二功能
P1.0RXD(串行口输入端)
P1.1TXD(串行口输出端)
P1.2INT0(外部中断0请求输入端,低电平有效)
P1.3INT1(外部中断1请求输入端,低电平有效)
P1.4T0(定时器/计数器0计数脉冲端)
P1.5T1(定时器/计数器1计数脉冲端)
P1.6WR(外部数据存储器写选通输出端,低电平有效)
P1.7
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- 关 键 词:
- 基于 单片机 烘箱 温度 控制器 设计 说明