1、河北某大学毕业设计基于AT89C52的电阻炉温度控制器设计河 北 某 大 学毕业设计说明书(论文)学生姓名： 学 号： 学 院： 电气信息学院 专 业： 电气工程及其自动化 题 目： 基于AT89C52的电阻炉温度控制器设计 指导教师： 评阅教师： 2006 年 6 月 毕业设计说明书（论文）中文摘要 电阻炉是热处理行业广泛应用的一种加热炉。该电阻炉的炉温范围为01200，系统主要调节在1000左右，精度达5。一般加热过程中会出现温度与显示不一致的情况，导致工件加热不均匀产品质量不高的问题出现。为了克服人工干预、自动化程度不高的缺点，此设计采用以八位的单片机AT89C52为核心部件的控制系统，
2、对被控对象的温度采用PID参数可调的实时控制。系统应用程序由结构化模块实现，以实现温区温度上升达到设定值后进行长时间保温的目的。关键词 单片机 电阻炉 温度控制毕业设计说明书（论文）外文摘要Title The Design of Temperature Controller for Resistance Furnace Based on AT89C52 AbstractResistance furnace is one of heating furnaces, which are widely used in heat treatment industry. The temperature r
3、ange of the resistance furnace is 01200, the adjustment about 1000, accuracy to5。It is general to heat the process the inside will appear the temperature and show the inconsistent circumstance，which cause workplace to be heated up roughly ,and at the same time ,the product quality problem will appea
4、r. Because the artificial intervention automation level is not high , so automatic control system is brought to surmount the shortcoming . In the design, single chip microcomputer AT89C52 as a core control portion can help realize the inner temperature real time control, adopt PID algorithm. The app
5、lying programming of system is realized by structured modular. so as to realize temperature controlachieve the temperature of two temperature areas rise synchronously and when the temperature reach setting value , it come into the long process of heat preservation. Keywords single-chip microcomputer
6、s resistance furnace temperature control1 引言 11.1 设计背景 11.2 设计任务 11.3 硬件设计基本思路 12 硬件设计部分 32.1 硬件设计核心部分 32.2 模拟输入 32.3 A/D转换 4 2.4 人机接口 42.5 执行部分 53 器件及接口电路的选择 6 3.1 放大器的选择 63.2 A/D转换器与单片机接口 73.3 单片机AT89C52 103.4 显示电路及接口 153.5 按键及其接口 183.6 过零触发电路 213.7 硬件抗干扰 224 软件实现 234.1 软件设计的总体思想 234.2 程序流程图 214.3
7、 PID控制方法和改进 26结论 28致谢 29参考文献 30附录 A 程序清单 31附录 B 硬件电路图 371 引言1.1设计背景随着科学技术的发展，如：传感器技术，计算机控制技术，现代控制理论以及各种电子器件等的发展，采用单片机对温度进行自动控制成为温度控制的发展方向，它能够适应生产控制的自动化要求，并且精度高，可靠性好，故障率低，便于实时控制，所以它越来越多的应用于各种温度控制系统中。并且由于常规模拟仪表、可控硅的制造技术日臻完善，由它们组建成的PID自动控温系统基本上已能稳定可靠地运行，控制精度一般说可达（510）。在材料烧结、热处理等工艺过程中，温度控制是一个非常重要的环节。控制精
8、度直接影响着产品质量的好坏。实验室人员根据材料的烧成制度来调节电阻炉的输出电压以实现对电阻炉的温度控制。一般的有两种方法：第一种就是手动调压法，第二种控制方法在主回路中采取双向可控硅装置。并结合一些简单的仪表，使得保温阶段能够自动，但这两种方法的升温过程都是依赖于试验者的调节，并不能精确的按照给定的升降温速度来调节。本文提出的以参数自整定PID控制为基础的温控系统简单、可靠，大大提高了控制质量及自动化水平，具有良好的经济效益。1.2设计任务本课题是针对热处理行业的单温区电阻炉的控制系统设计的。其目的是实现对单温区电阻炉的加热过程自动控制，应用PID控制算法，提高控制精度，减少人为因素，提高生产
9、效率。本设计采用热电偶为传感器，系统输入为0V50mV的电压信号，执行机构为固态继电器，输出信号为4mA20mA，采样时间为20s，温度范围：01200，显示位数4位，不带小数点，控制精度5。电阻炉在国民经济的各部门有着广泛的应用，小功率的电阻式的高温炉是矿物及金属分析、食品、药物和商品检验等各种实验室必不可少的设备。为了提高产品的质量和产量，都需要对炉温进行检测和控制。1.3 硬件电路设计在本系统中采用8位的AT89C52作为控制核心，当传感器热电偶将温度信号采集进来后经放大器AD522，成为V级电压信号进入A/D转换器MAX187。转换结束后，89C52读取转换结果，将结果滤波查表后送入显
10、示区。由4位LED显示测出温度，在调节温度时，由4个按键输入所需要控制的温度并显示，然后由单片机经PID运算结果来控制可控硅的通断，以调节温度。人机对话功能的强大是现代控制的一个追求方面。采用单片机来对它们进行控制不仅具有控制方便简单和灵活性大的特点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能大大提高产品的质量和数量。2 硬件设计部分系统原理框图如图2.1所示2.1 控制系统原理图热电偶传来的带有温度信号的毫伏级电压经滤波放大，送至A/D转换器，这样通过采样和A/D转换，就将所检测的炉温对应的电压信号转换成数字量送入计算机，并与给定的电压信号进行比较，计算其偏差，计算机再对偏差按一定的规律进
11、行运算，运算结果通过控制可控硅在控制周期内的过零触发脉冲个数，也就是控制电阻炉的平均功率的大小来达到控制温度的目的。该控制系统的硬件系统由同步过零检测电路、温度信号检测及可控硅触法电路等组成。2.1 硬件设计核心部分在一个控制系统中，硬件选择的优良与否直接影响着控制的精度，对硬件的深入了解也是编制程序的必要前提。在整个测控系统中是以8位的单片机89C52为核心的，89C52是INTER公司生产的带有8KROM的单片机，8K的ROM可以完全容纳的下一个控温的程序和表格。选择它就不需要在外扩RAM和ROM，也就不需要外加锁存器，这可以充分的减小制版的面积，减小制版的面积从另一方面来说也就是减少干扰
12、，提高精度。2.2 模拟输入这里传感器选用的是热电偶，热电偶是温度测量中使用最广的传感器之一，其测量温区宽一般在-180+2800的温度范围内均可使用，测量的准确度和灵敏度都较高，尤其是在高温范围内，有较高的精度。选用的热电偶为镍铬镍硅，它是K型偶，其特点是使用温度范围宽，高温下性能稳定，热电势与温度关系近似线性，价格便宜，它是最常用的一种热电偶，短期使用温度为1300，长期使用温度为1000。经传感器转化后的测量从非电物理量转换成电信号，但往往信号幅度小，难以直接进行模数转换，因此需要对这些模拟信号进行放大处理。最初采用的放大器是传统的晶体管放大器，随着半导体微电子技术的迅速发展，集成放大器
13、以其精度高、体积小、重量轻、互换性好等优越的性能已逐渐取代了传统的晶体管放大器。从运算放大器的角度来看，集成运算放大器是一种具有高放大倍数代深度负反馈的直接耦合放大器，其输入网络和反馈网络由线性或非线性元件组成，可对输入信号进行多种数学运算和处理。在这里我们选用的运算放大器是AD522，它的放大倍数为:G=1+50k8RG，这里将电压信号放大100倍，得出RG为500。采样保持器的作用是在采样期间，其输出能跟随输入的变化而变化；而在保持状态,能使其输出值保持不变。但在本系统中，温度变化缓慢，采样速度较快，所以无需加采样保持器。2.3 A/D转换在本系统中选用的是MAX187。它是美国模拟器件公
14、司生产的12位逐次逼近型快速的AD转换器。转换速度最大为35Ls，转换精度0.05%，是目前我国市场上应用最广泛、价格适中的AD转换器。MAX187片内配有三态输出缓冲电路，因而可直接与各种类型的8位或16位微处理器连接，而无需附加逻辑接口电路，且能与CMOS及TTL电平兼容。由于MAX187片内包含高精度的参考电压源和时钟电路，这使它在不需要任何外部电路和时钟信号的情况下完成一切AD转换功能，应用非常方便。2.4 人机接口键盘输入是人工干预计算机的主要手段，键盘实质上是一组按键开关集合。通常按键开关为机械弹性开关，均利用了机械触点的合断作用。由于机械触点的弹性作用,一个按键开关在闭合时不会马
15、上接通，在断开时也不会马上断开，因而在闭合及断开瞬间均伴有一连串的抖动，抖动时间一般为5ms10ms。为了确保CPU对一次按键动作只确认一次，必须进行消抖，消抖可分为硬件去抖和软件去抖，在此我们选择软件去抖。在本系统中由于按键较少，所以没有选用编码键盘和矩阵式键盘，而是采用独立式按键接口设计。显示也是系统重要组成部分之一，本系统显示用来显示测量温度和调节温度。LED数码管采用硬件译码驱动，选用的器件为74LS373，它可将4位的BCD码译成7段十六进制码。通常某时刻只有一个LED的位选信号有效，4位LED的段选信号端同时由74LS373得到相同的端选信号，均得到来自74LS373的字形码，但此
16、刻只有第一位选通，所以也只有第一位LED显示字形，由于是动态连续显示眼睛分辨不出转换的时间。2.5 执行部分 moc3061是双向可控硅输出型的光电耦合器，其作用是隔离单片机系统和触发大功率双向可控硅KS，moc3061是一种内部带过零触发的器件。单片机输出低电平时，moc3061的输入端有约16mA的电流输入，在其输出端4、6脚之间稍稍过零时，moc4061内部的过零检测电路触发其内部双向可控硅导通，再由moc3061内部的双向可控硅提供更大的电流去触发大功率可控硅KS。从而使加热炉丝导通，使其加热。3 器件及接口电路的选择3.1放大器的选择运算放大器只是在信号源为单纯有效信号，而没有干扰的
17、情况下方可用于小信号放大。然而，传感器的工作环境往往是比较复杂和恶劣的，在传感器的两个输出端经常产生较大的干扰信号，完全相同的干扰信号，称为共模干扰。虽然运算放大器对共模信号有较大的抑制能力，但实际上共模信号不都是直接加到运算放大器的差动输入端+IN和-IN，其中一路干扰信号直接加到-IN，而另一路干扰信号则要经输入电阻加到+IN输入端。因此对来自信号源的共模干扰信号不能起到有效的抑制作用。为了克服运算放大器的缺点，采用了对一般的电压信号原有较高的噪音抑制能力的放大器即测量放大器。它具有较高输入阻抗、低输出阻抗，减弱共模干扰，低温漂、低失调电压和高稳定增益等特点。测量放大器由一组放大器组成。测
18、量放大器的差动输入端（+IN和-IN），分别是两个运算放大器的同相输入端，因此输入阻抗很高，由于采用对称结构且信号直接加到输入端，因此有很高的抑制共模干扰能力。测量放大器的运算放大器和连接薄膜电阻均在单一基片上生成，同时还采取了其他一些先进工艺措施，使得整个放大器的温度漂移系数很低，放大倍数很稳定，可达到1000。测量放大器的技术指标及其应用：a) 非线性度：非线性度是放大器增益的函数，增益越大，偏差也越大，在检测系统中，测量放大器的输出往往是A/D转换器的输入。因此放大器的非线性度应满足A/D转换精度的要求。当测量放大器与12位A/D转换器连接使用时应选用非线性度小于0.024%的测量放大器
19、。b) 温漂：温漂也是增益的函数，增益越大温漂越小。系统往往根据所要求的A/D精度，因此对测量放大器的温漂要求应根据A/D转换精度来选择。c) 建立时间：从阶跃信号输入驱动瞬间起至放大器输出电压达到稳定时所需要的时间。d) 恢复时间：放大器除去输入驱动信号瞬间起到放大器由输入状态恢复到原始状态所经历的时间。显然，放大器的建立时间和恢复时间将直接影响数据采集系统的采样速度。e) 电源引起的失调电压：指电源电压每变化1%，导致放大器的漂移电压值。测量放大器的电源失调一般是设计系统稳压电源的主要依据之一。在此设计中采用测量放大器AD522。AD522是单片集成精密测量放大器，可以用于恶劣的条件下进行
20、高精度数据采集的系统。它具有高的线性度，在G=100时非线性度仅为0.005%，且共模抑制比高、低温漂、低噪声，在许多12位A/D转换电路中应用。放大倍数: 图3.1 测量放大器电路温度由热电偶进行检测后，产生0V50mV的电压信号，热电偶输出的直流电压信号幅值较小，不适合直接进入A/D转换器，需要先进行放大。进行信号放大一百倍后变成0V5V的直流电压模拟信号。将模拟信号送入MAX187进行A/D转换。3.2 A/D转换器与单片机接口3.2.1 A/D转换器（Analog to Digital Converter）A/D转换器是一种用来将连续的模拟信号转换成适合于数字处理的二进制数的器件，其原
21、理框图如图3.2所示。由图3.2中可以看出，A/D转换器的输入有两种：模拟输入信号和参考电压；其输出是一组二进制数。可以认为，A/D转换器是一个将模拟信号值编制成对应的二进制码的编码器。常用的A/D转换器有：双积分式、逐位比较式及并行直接比较式等几种。通过A/D转换器上模拟量转换成数字量后，以便让单片机接收，实现数据采集。A/D转换器将模拟量转换成数字量的函数关系可表示为:D x/r，这里D是数字量信号，V x是输入的模拟电压，V r是基准电压。恒等号表示D接近比值Vx/Vr，D与比值之差为量化误差。好的A/D转换器的精度主要取决于量化误差，等于。A/D转换器的结果不仅在时间上离散的，而且在数
22、值上也是离散的，可见A/D转换器的精度取决于数值量化的位数和采样速度，而采样速度又主要由A/D转换器的速度决定。量化的位数越多，分辨率越高，即LSB 所能区分的模拟量的最小变化量越小。因此选择A/D转换器时，首先应注意选择合适的位数和转化速度，保证其量化位数决定的分辨率高于微机化仪器仪表的整机精度要求。选择A/D转换器速度指标时，应联系所采集的变量信号的性质来决定，信号中所含最高频率越高，采样频率越高，要求所选A/D转换器的时间应越短。A/D转换器由模拟电路和数字电路组成，除了量化误差外，它还存在由于元器件不精密，受外界因素影响而变化等所带来的转换误差，包括线性误差温度漂移误差。 3.2.2
23、A/D转换器MAX187MAX187是一个具有SPI总线的12位模/数转换器，其内部集成了大带宽跟踪、保持电路和串行接口。MAX187的特点：1) 12位分辨率；2) 8通道单端或4通道差分输入，输入极性可用软件设置；3) 单-5V或5V工作电压，工作电流1.5mA，关断电流2A；4) 内部跟踪/保持电路，75ksps采样速率；5) 内部4.096V基准电压，与SPI、QSPI兼容；6) 1/2LSB整体非线性度。各引脚的功能如下：VDD：电源电压，+5V。VCC：模拟输入，输入范围为0VVref。SHDN：有三级输入。若 SHDN 拉到低电平，表示芯片处于低功耗状态，此时的电源电流为10A
24、；若 SHDN 拉到高电平，允许使用内部的参考电源；若SHDN处于悬浮状态，则禁止内部参考电源，允许使用外部的参考电源。Vref ：参考电压端。当允许内部参考源时，输出4.096V的电压；当禁止内部参考源时，可输入2.5VVDD 范围的精密电压，作参考电压。若采用内部参考电源，退耦电容为4.7F；若加上的是外部内部参考源，还需增加0.1F 的退耦电容。GND：模拟地及数字地。DOUT：串行数据输出。在SCLK的下降沿，数据改变状态。SCLK：串行时钟输入，时钟输入速率为5MHZ。CS：片选端，输入，低电平有效。在CS 的下降沿，初始化转换。当为高时，DOUT线为高阻态。MAX187使用采样/保
25、持器（T/H）和逐位逼近寄存器（SAR）电路将一个模拟输入信号转换成一个12位的数字输出。采样/保持器（T/H）无需外部的保持电容。MAX187的输入信号在0VVref 范围内，转换时间包括T/H的采样时间在内的10s。转换器有两种工作方式：正常方式和暂停方式。将SHDN拉成低电平，器件处于暂停状态，电源电流减至10A；当SHDN拉成高电平或不接，器件将进入正常工作方式。CS的下降沿将初始化转换。转换结果是在DOUT端以单极性串行格式输出。转换结束（EOC）为高电平，跟着是串行数据流（MSB在先）。 CS为有效时,在时钟SCLK的每一个上升沿把一个最高位为“1”的控制字节的各位送入移位寄存器，
26、控制器收到控制字节后，选择控制字中给定的模拟通道并在SCLK的下降沿启动转换。其控制字节的格式如表1所示。在启动转换后MAX187可使用外部串行时钟或内部时钟来完成逐次逼近转换。在两种时钟方式时，数据的移入/输出都由外部时钟来完成。在外部时钟方式时，外部时钟不仅移入和输出数据，而且也驱动每一步模数转换。在控制字节的最后一位之后，SSTRB有一个时钟周期的脉冲高电平，在其后的12个SCLK的每一个下降沿逐次逼近的各位并出现在DOUT端。变换必须在较短时间内完成，否则采样/保持电容器上电压的降低可能导致变换结果精度的降低，如果时钟周期超过10s，或者由于串行时钟的中断使得变换时间超过120s，则要
27、使用内部时钟方式。在内部时钟方式时，MAX187在内部产生它们自己的转换时钟，并允许微处理器以10MHZ以下的任何时钟频率读回转换结果。SSTRB在转换开始时变为低电平，在变换完成时变为高电平。SSTRB保持最长为10s的低电平，为了得到最佳的噪声性能，在此期间SCLK应保持低电平。在SSTRB变为高电平之后的下一个时钟下降沿转换结果的最高有效位将出现在DOUT端。MAX187与AT89C52的接口如图3.3所示图3.3 MAX187与AT89C52的接口MAX187串行接口只需三根数字线：SCLK、CS和DOUT，与单片机AT89C52的接口非常简单。MAX187的输出口DOUT接AT89C
28、52的输入口P3.0，MAX187的输入口SCLK接AT89C52的输出口P3.1，MAX187的片选端接AT89C52的ALE。3.3 单片机AT89C52 AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的反复擦写的只读存储器ROM和256字节的随机存取数据存储器RAM。器件ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器CPU和Flash存储单元，功能强大。主要性能参数：与MCS-51产品指令和引脚完全兼容；8k字节可重擦写Flash闪速存储器；1000次擦写周期；全
29、静态操作：0Hz24Hz；三级加密程序存储器；2568字节内部RAM；32个可编程I/O口线；3个16位定时/计数器；8个中断源；可编程串行UART通道；低功耗空闲和掉电模式。AT89C52提供以下标准功能：8k字节Flash闪速存储器。256字节内部RAM，32个I/O口线，3个16位定时/计数器，一个6向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C52可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/记数器，串行通信口及中断系统继续工作；掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。引脚功能说明：VCC：电源电压GND：地P0口：是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。P1口：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此
