毕业论文-基于STC89C52单片机的智能调节仪表设计与实现.doc

编 号： 审定成绩： 重庆邮电大学毕业设计（论文）设计（论文）题目：基于STC89C52单片机的智能调节仪表设计与实现学 院 名 称 ：自动化学院学 生 姓 名 ：专 业 ：测控技术与仪器班 级 ：学 号 ：指 导 教 师 ：答辩组 负责人 ：填表时间： 年 月重庆邮电大学教务处制重庆邮电大学本科毕业设计（论文）摘 要本文设计了一个基于STC89C52单片机的电炉温度控制系统，阐述了系统的工作原理、硬件电路以及软件设计。详细论述了数字PID控制器的原理及其在温度控系统中的应用，将增量式PID和PWM脉宽调制技术相结合.此外本系统采用铂热电阻PT100采集温度数据，并将其放大的信号通过AD转换传给单片机，同时数码管同步显示温度设定值和当前测量值，可通过按键以1的加减来改变温度设定值。当温度低于设定值时，单片机控制继电器启动加热器加热，当温度高于设定值时，加热器停止加热，从而实现了测量和控制温度的目的。本系统由核心处理模块、键盘显示模块、温度采集模数转换模块、及控制执行模块等模块组成主要完成成对电炉的温度采集并显示；手动调节设定温度值；温度智能控制等功能。【关键词】热电阻 STC89C52 小信号放大 PID控制 PWM波ABSTRACTThis paper designs an STC89C52 MCU based on electric furnace temperature control system, expounds the system work principle, the hardware circuit and software design. Detailed digital PID controller discussed the principle and the application in temperature control system, will be incremental PID and PWM pulse width modulation technique combined. Besides the system USES PT100 platinic resistance temperature data and collected by the magnification of the signal to AD transform single-chip microcomputer, and digital tube displayed temperature setting and the current measured values, with 1 by button to change the temperature value addition and subtraction. When temperature below the set value, SCM control relay start-up heater heating, when temperature higher than setting, heater stop heating is realized, and the purpose of measuring and control the temperature. This system consists of a core processing module, keyboard display module, temperature acquisition module conversion module, and the control performs module module mainly completes electric furnace temperature gathering pairs and shows; Manual adjustment set temperature; Intelligent temperature control etc. Function. 【Key words】thermal resistance STC89C52 Small signal amplifier PID control PWM wav目 录前 言1第一章 概述2第一节 课题研究的目的及意义2第二节 课题研究现状分析2第三节 课题研究的内容3第四节 本章小结3第二章 系统设计原理与方案论证4第一节系统方案论证4第二节系统设计总体框图4第三节 本章小结6第三章 核心处理模块7第一节 STC89C52简介7第二节 核心处理模块电路的整体设计8第三节 本章小结9第四章 键盘显示模块10第一节 显示电路设计10一、显示电路硬件结构10二、显示扫描子程序12第二节 键盘电路设计14一、键盘电路硬件结构14二、独立式键盘工作原理15三、键盘扫描电路程序15第三节 本章小结17第五章 温度采集及模数转换模块18第一节 温度检测电路设计18一、热电阻电桥电路18二、PT100测温电路19第二节 模数转换电路设计20一、ADC0809性能介绍20二、ADC0809内部结构21三、ADC0809串口连接电路23第三节 本章小结23第六章 控制执行模块24第一节控制执行模块连接电路24第二节 控制执行程序设计25一、PWM波的设计26二、PID控制算法27三、PID参数的整定28第三节 电源电路29第四节 本章小结29结 论30致 谢31参考文献32附 录33一、英文原文：33二、英文翻译：37三、工程设计图纸：40四、源程序：41 54-第六章 控制执行模块前 言在工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。其中，温度控制也越来越重要。在工业生产的很多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。采用单片机对温度进行控制不仅具有控制方便、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，从而能够大大的提高产品的质量和数量。因此，单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的控制问题。 单片机是一种集CPU、RAM、ROM、I/O接口和中断系统等部分于一体的器件，只需要外加电源和晶振就可实现对数字信息的处理和控制。因此，单片机广泛用于现代工业控制中。随着“信息时代”的到来，作为获取信息的手段传感器技术得到了显著的进步，其应用领域越来越广泛，对其要求越来越高，需求越来越迫切。传感器技术已成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。因此，了解并掌握各类传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。由于传感器能将各种物理量、化学量和生物量等信号转变为电信号，使得人们可以利用计算机实现自动测量、信息处理和自动控制，但是它们都不同程度地存在温漂和非线性等影响因素。传感器主要用于测量和控制系统，它的性能好坏直接影响系统的性能。因此，不仅必须掌握各类传感器的结构、原理及其性能指标，还必须懂得传感器经过适当的接口电路调整才能满足信号的处理、显示和控制的要求。另一方面，传感器的被测信号来自于各个应用领域，每个领域都为了改革生产力、提高工效和时效，各自都在开发研制适合应用的传感器，于是种类繁多的新型传感器及传感器系统不断涌现。温度传感器是其中重要的一类传感器。其发展速度之快，以及其应用之广，并且还有很大潜力。为了提高对传感器的认识和了解，尤其是对温度传感器的深入研究以及其用法与用途，基于实用、广泛和典型的原则而设计了本系统。本文利用单片机结合传感器技术而开发设计了这一温度监控系统。文中传感器理论与单片机实际应用有机结合，详细地讲述了基于单片机STC89C52和温度传感器PT100的温度控制系统的设计方案与软硬件实现方案。系统包括数据采集模块，单片机控制模块，显示模块和温度设置模块，驱动电路五个部分。文中对每个部分功能、实现过程作了详细介绍。第一章 概述第一节 课题研究的目的及意义随着社会的发展，温度的测量及控制变得越来越重要。温度是生产过程和科学实验中普遍而且重要的物理参数。在工业生产过程中为了高效地进行生产，必须对生产工艺过程中的主要参数，如温度，压力，流量，速度等进行有效的控制。其中温度的控制在生产过程中占有相当大的比例。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。本课题采用51单片机来对温度进行控制，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。作为控制系统中的一个典型实验设计，单片机温度控制系统综合运用了微机原理、自动控制原理、传感器原理、模拟电子技术、数字控制技术、键盘显示技术等诸多方面的知识，是对所学知识的一次综合测试。第二节 课题研究现状分析由于现代工艺越来越多的需要对实时温度进行监测和控制，而且需要的精度越来越高。所以温度控制系统国内外许多有关人员的重视，得到了十分广泛的应用。温度控制系统发展迅速，而且成果显著。由于单片微处理器的性能日益提高、价格又不断降低，使其性能价格比的优势非常明显。因此，如何将单片微处理器应用到锅炉温度自动控制领域，为越来越多的生产厂家所重视。目前先进国家各种炉窑自动化水平较高，装备有完善的检测仪表和计算机控制系统。其计算机控制系统已采用集散系统和分布式系统的形式，大部分配有先进的控制算法，能够获得较好的工艺性能指标。单片微型计算机是随着超大规模集成电路的技术的发展而诞生的。由于它具有体积小，功能强，性价比高等优点，所以广泛应用于电子仪表，家用电器，节能装置，军事装置，机器人，工业控制等诸多领域，使产品小型化，智能化，既提高了产品的功能和质量又降低了成本，简化了设计。第三节 课题研究的内容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。第四节 本章小结本章主要对本次课题研究的目的及意义做出较详细的介绍，并对其研究现状做出具体分析以及明确本次课题研究的主要内容。需要对51单片机和热电阻测温原理的详细了解，并能制作相应系统，初步实现对炉温的采集及控制。第二章 系统设计原理与方案论证第一节 系统方案论证方案一：采用8031芯片作为控制核心，以ADC0809做模数转换，采用LED显示当前的温度和设定的温度，经过一定的算法来控制输出，从而来控制炉温。此方案的缺点是8031芯片内部没有程序存储器，在硬件设计中需要外扩展程序存储器，这样硬件电路比较复杂。在软件设计时的读取数据比较麻烦。方案二：采用STC89C52芯片作为控制核心，以ADC0809做模数转换，并用LED显示当前的温度和设定的温度，设置设定温度键，通过PWM波调制和PID算法来控制输出，从而达到控制炉温的目的。此方案的优点是系统简明扼要，硬件电路比较简单；缺点是所测的温度精度不高。方案三：采用PLC西门子300来作为控制核心，并用LED显示当前的温度和设定的温度，经过一定的算法来控制输出，从而达到控制炉温的目的。此方案的优点是硬件电路简单，系统稳定；缺点是所设计的系统成本比较高。 综上所述，并结合论文要求，选择第二种方案。第二节 系统设计总体框图本系统采用典型的反馈式温度控制系统，系统组成见图2.1。图中数字控制器的功能由STC89C52单片机实现；由热敏电阻、电桥、A/D转换器构成输入通道，用于采集炉内的温度信号，其中热敏电阻选用PT100，它将温度信号转变为阻值变化信号再经电桥变为05v标准电压信号，以供A/D转换用；转换后的数字量与炉温的给定值数字化后进行比较，即可得到实际炉温和给定炉温的偏差；炉温的设定值由键盘输入。由单片机构成的数字控制器按最小拍进行计算，计算出所需要的控制量。数字控制器的输出经标度变换后送给由p3.0通过t0调制的PWM波送至继电器，从而改变电阻炉单位时间内电压导通的百分比,从而控制电阻炉加热功率，起到调温的作用。 AT89C51显示键盘电阻炉PWM波AD转换温度采集PID控制图2.1 温度控制系统组成原理框图设计主程序流程图如下：图2.2主程序流程图第三节 本章小结本章内容详细的论述了系统的几种设计方案，根据要求并结合实际对各种方案进行论证并做出选择。根据各个步骤设计出系统的总体框图，并根据总体框图设计出主程序流程图。第三章 核心处理模块第一节 STC89C52简介STC89C52的结构简单并可以在编程器上实现闪烁式的电擦写达几万次以上使用方便等优点，而且完全兼容MCS5l系列单片机的所有功能。STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFAlsh ProgrAmmABle And ErAsABle ReAd Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。STC89C51系列单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰/高速/低功耗的单片机，是MCS-51系列单片机的派生产品；它们在指令系统中、硬件系统和片内资源与标准的8052单片机完全兼容，DIP-40封装系列与8051为pin-to-pin兼容，指令代码是与8051完全兼容的单片机。该器件与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，STC89C52是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。STC89C52单片机具有增强型12时钟/机器周期、6时钟机器/周期任意选择，工作电压为5.5V-3.4V（5V单片机）/3.8V-2.0V（5V单片机）；工作频率范围：0-40MHZ，相当于普通8051的0-80MHZ。实际频率可达48MHZ。用户应用程序空间为4K/8K/13K/16K/20K/32K/64K字节 ；片上集成1280字节/512字节RAM；有32/36个通用I/O口，P1/P2/P3/P4是准双向口；集成ISP（在系统可编程）/IPA（在应用可编程），无需专用的编程器/仿真器，可通过串行口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，8K程序3秒就可以完成一片，具备EEPROM功能，工作温度范围在0-750，共有3个16位定时器/计数器，其中定时器T0还可以当成2个8位定时器使用；封装形式有DIP-40，PLCC-44，PQFP-44等。其封装引脚如图3.1所示图3.1 STC89C52封装引脚图第二节 核心处理模块电路的整体设计本核心处理模块的整体设计由单片机的最小系统组成。由单片机、复位电路、晶振电路组成。复位电路:由电容串联电阻构成,并结合电容电压不能突变的性质,可以知道,当系统一上电,RST脚将会出现高电平,并且,这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定.典型的51单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位,所以,适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位.一般教科书推荐C 取10u,R取8.2K.当然也有其他取法的,原则就是要让RC组合可以在RST脚上产生不少于2个机周期的高电平。晶振电路:典型的晶振取11.0592MHz (因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率,用于有串口通讯的场合)/12MHz(产生精确的uS级时歇,方便定时操作)。图3.2 核心处理模块电路原理图第三节 本章小结本章主要对STC89C52单片机做出详细的介绍，了解其封装引脚图和各引脚的基本功能。单片机最小系统组成本系统的核心模块，并对复位电路如何实现周期复位以及晶振电路的具体功能，并在protel画出相应原理图第四章 键盘显示模块第一节 显示电路设计一、显示电路硬件结构LED显示器是由发光二极管显示字段组成的显示器件。在单片机应用系统中通常使用的是七段LED。这种显示器有共阴极和共阳极两种。共阴极LED显示器的发光二极管阴极接地,如图4.1所示。当发光二极管的阳极为高电平时,发光二极管点亮;共阳极LED显示器的发光二极管的阳极接地,如图4.2所示。 图4.1共阴极 图4.2共阳极通常的七段LED显示器中有8个发光二极管,其中7个发光二极管构成7笔字形。一个发光二极管构成小数点。从a到g管脚输入不同的8位二进制数,可以显示不同的数字或字符。通常把控制发光二极管的8位二进制数称为段码。共阳极与共阴极的段码互为反码,如表4.1所示。表4.1:七段LED的段选码显示字符共阳极段选码共阴极段选码显示字符共阳极段选码共阴极段选码 03FHC0HC39HC6H106HF9HD5EHA1H25BHA4HE79H86H34FHB0HF71H8EH466H99HP73H8CH56DH92HU3EHC1H67DH82Hy6EH91H707HF8H8FFH00H87FH80H灭00HFFH96FH90HA77H88HB7CH83H在系统中采用8位动态共阴LED数码管显示，用于显示设定温度值与采样温度值，前4位为采样温度值后4位为设定温度值。位选信号用P2.6，段选信号用P2.7。电路图如图4.3。图中，74LS02为4或非门，八D触发器74LS273（带清除端）用作端口扩展、数据锁存和数码管的驱动，段码和位码均由P0口送出，P2.6和P2.7口分别与写信号经或非门后分别接段码和位码锁存74LS273的选通端。显示及键盘电路如图4.3所示图4.3显示电路二、显示扫描子程序在本次设计中，采用8位动态显示电路。图4.4所示为显示扫描子程序的流程图。 开始赋位选初值消除选位送显示段码选通并显示2ms改变位选字消影结束完成8位扫描图4.4显示扫描子程序的流程图显示程序如下： void dis_temp(uint t)/显示温度数值函数t传递的是整形的温度值uchar i;i=t/1000;/除以1000得到的商，为温度的十位 yi=1;P0=tablei;/在第一个数码管上显示delay(5);yi=0;i=t%1000/100;/1000取余再除以100得到商，为温度的个位er=1;P0=tablei+10;/在第二个数码管上显示delay(5);er=0;i=t%1000%100/10;/1000取余再用100取余再除以10，为温度的小数位san=1;P0=tablei;/在第三个数码管上显示delay(5);san=0; i=t%1000%100%10; si=1; P0=tablei; /在第四个数码管上显示 Delay(5); si=0;第二节 键盘电路设计一、键盘电路硬件结构为使用户使用界面尽量简单，本文采用两个按键，通过按键来实现温度设置。键盘与单片机的连接如图4.5所示。图4.5键盘电路二、独立式键盘工作原理因为键盘较少所以用简单的独立式键盘，它的优点是编程简单，缺点是占用I/O口多，适用于键盘较少的电路。键盘的工作原理是按键的一端高电平，另一端已单片机的某个I/O口相连，当按键闭合时，即相当于该I/O口通过按键已电源相连，变成高电平，程序一旦检测到I/O口变为高电平则说明在年间被按下，然后执行相应的指令。三、键盘扫描电路程序其中S1为温度加键，S2为温度减键，当按S1键时，设置温度加1度。当按S2键时，设置温度减1度。图4.6所示为键盘扫描子程序的流程图。实现程序如下：void keyscan()/键盘扫描if(key_up=0)/数字加按键按下 delay(5);/延时消除按键抖动if(key_up=0)/确认数字加按键按下 if(wendu_c=1200) /限定温度上限120度 wendu_c=1200;else wendu_c=wendu_c+10;/温度初始值加10度 while(key_up=0)dic_temp(wendu_c);/显示的方式等待按键松开if(key_down=0)/数字减按键按下 delay(5);/延时消除按键抖动if(key_down=0)/确认数字减按键按下 if(wendu_c=100) /判断采样周期是否到？ click=0; zhouqi=1; if (click=95)zkc=95; kkk=(int)zkc ; if(t=wendu_c) /大于设定值 shuchu=0; /输出高电平else /小于设定值 ZKB=(int)zkc; /调整新的脉宽定时，即新的占空比 if (click=ZKB) shuchu=1; else shuchu=0 ; 三、PID参数的整定PID参数的设定决定了升温速度和系统的稳定性。面对不同的控制对象参数都不相同。根据这些参数在整个PID控制过程中的作用。根据实验现象具体调节。1)温度很迅速就能达到目标值，但是过冲很大。出现这种现象的可能原因是：比例系数太大，致使在达到设定值之前温度上升比例过高；微分系数过小，致使对控制对象的反应不够灵敏。2)温度经常达不到目标值，小于目标值的时间较长出现这种现象的可能原因是：比例系数过小，升温比例不够；积分系数过小，对恒定偏差补偿不足。3)基本上能够控制在目标温度上，但上下偏差很大经常波动出现这种现象的可能原因是：微分系数过小，对即时变化反应不够迅速；积分系数过大，使微分反应被淹没钝化；设定的基本控制周期过短，加热没来得及传到测温点上。第三节 电源电路本系统采用USU电源接口串联上RC电路（滤波作用）提供5V直流电压，图6.5电源接口电路第四节 本章小结本章内容主要对系统控制执行模块做出介绍，通过脉宽调制（PWM波控制）并结合PID控制算法对系统温度进行控制，并设计出5VUSB电源接口电路给整个系统提供电压。结 论本系统通过STC89C52单片机，采用PWM波输出，运用PID控制算法，实现了炉温的设定，并采集与控制，能通过键盘实现参数修改，达到设计的基本要求。本设计利用PT100铂热电阻采集炉温，经过三限制电桥电路将阻值变化转换成电压的变化从而反映炉温的变化，产生的电压信号再通过ADC0809转换变为数字信号输入单片机，得到的温度采集值与设定值只差经过脉宽（PWM）调制与PID算法相结合来实现对炉温的控制。另外，本系统对水温控制、电机转速等也能基本实现控制功能。通过本次设计，本人深刻的认识到自己很多不足之处，在设计原理图时不能正确的芯片及电子元件，在焊接电路时不能合理安排导线之间的连接等。 致 谢在这次毕业设计的整个过程中，很多老师和同学给予了我细心的指导和热心的帮助，让我顺利完成了这份我比较满意的作品，在此深表感谢！真诚地感谢在整个毕业设计过程中帮助过我的每一个人。首先，也是最主要感谢的是我的指导老师,仇国庆老师。在整个课程设计和毕业设计过程中，仇老师在设计方案的确定与细化，系统原理图的分析以及软件编写等方面都给了我耐心、细致的指导；同时，仇老师还仔细地审阅我的论文，为我指出错误、提出修改方法。仇老师诲人不倦、一丝不苟、严肃认真的治学风格给我留下了深刻印象，值得我认真学习。在此，谨向指导老师仇老师致以真诚的谢意！最后，要感谢在毕业设计过程中一路走来帮助过我的人，虽然各自选择的题目不一样，当我有难题的时候他们一样伸出热情的援助之手，在此深表感谢，也祝你们顺利完成毕业设计！参考文献1 李朝青单片机原理及接口技术M北京：北京航空航天大学出版社，19992 顾德英. 计算机控制技术（第2版）M.北京：北京邮电大学出版社，2005.3 赵全利. 单片机原理及应用教程（第2版）M.北京：机械工业出版社，2007.4 马忠梅单片机的C语言应用程序设计M北京：北京航空航天大学出版社20035 陶永华新型PID控制及其应用M北京：机械工业出版社20026 杨金岩等.8051单片机数据传输接口扩展技术与应用实例M北京：人民邮电出版社，20057 张齐，杜群贵. 单片机应用系统设计技术M.北京：电子工业出版社，20078 张洪润. 电子线路与电子技术M.清华大学出版社M，20059 方彦军、孙健. 智能仪器技术及其应用M.北京:化学工业出版社, 200310 康华光. 电子技术基础数字部分M.北京:高等教育出版社,200011 余载泉、李玉和编著. PROTEL实战演练M.北京：人民邮电出版社，200012 张伟、张杰. 单片机原理与应用M.北京: 机械工业出版社，200513 曹薇、谢云敏. 单片机原理及应用M.北京：中国水利水电出版社，200414 张福学. 传感器应用及其电路精选M.北京：北京电子工业出版社，199115 李桂安、丁则信、田野. 电工电子实践初步M.南京:东南大学出版社，199916 张卫平、张英儒编著. 现代电子电路原理与设计M.北京:原子能出版社，1997附 录一、英文原文：Boiler computer controlBoiler computer control： The boiler micro computer control, is a new technology which the recent years developed, it was the microcomputer soft, the hardware, the automatic control, the boiler energy conservation and soon several technical in close integration with product, our country existing center, small boiler more than 300,000, the coal consumption accounted for our country raw coal output every year 1/3, at present the majority industry boiler still was at the energy consumption to be high, to waste, the environmental pollution in a big way and so on the serious production condition. Enhances the thermal efficiency, reduces the coal consumption, carries on the control with the microcomputer is has the profound significance the work. As the boiler control device, its primary mission is guaranteed the boiler the security, is stable, the economical movement, reduces operators labor intensity. Uses the micro computer control, can carry on the process to the boiler the automatic detection, the automatic control and so on many functions. The boiler microcomputer control system, generally is composed by the below several parts, namely by the boiler main body, a measuring appliance, the microcomputer, the hand automatic cut over operation, the implementing agency and the valve, the slippery difference electrical machinery and so on partially is composed, a measuring appliance the boiler temperature, the pressure, the current capacity, the oxygen quantity, the rotational speed isometric transforms the voltage, the electric current and so on sends in the microcomputer, the hand automatic cut over operation part, manual when by the operator hand control, controls the slippery difference electrical machinery and the valve with the manipulator and so on, is automatic when sends out the control signal to the microcomputer partially to carry on the automatic operation after the executi