基于单片机的工业电阻炉智能温度控制系统设计-毕业设计论文

1、 本科生毕业设计说明书（毕业论文）题目：基于单片机的工业电阻炉智能温度控制系统设计基于单片机的工业电阻炉智能温度控制系统设计摘要电阻炉是通过电流流过电阻体产生热量来加热或熔化物料的一种电炉。电阻炉广泛地应用在化工、冶金等行业。它对温度控制的要求较高，温度控制的好坏直接影响着产品质量及生产效率，因此电阻炉的温度控制在科学研究、工业生产中具有重要的意义。本设计采用单片机作为数据处理与控制单元，以电阻炉作为控制对象，用热电偶作为测量元件，用晶闸管作为输出控制元件来实现对电阻炉温度自动控制。该系统利用K型热电偶温度传感器，把检测到的电阻炉温度的信号送入MAX6675芯片，经过信号放大等一系列转换后，再

2、将信号送到单片机STC89C52内进行PID运算，同时可以通过键盘调节PID参数。经PID运算后，将控制信号输出，同时通过LED显示器显示温度值，进而使电阻炉的炉温始终保持在设定范围内。本设计根据系统的需要，设计了硬件电路并详尽的介绍了组成硬件电路各个部分；根据各部分软件流程图编写了软件程序。关键词：电阻炉；MAX6675；单片机；PID控制ThetemperaturecontrolintelligentsystemofindustryresistancefurnacedesignbasedonSCMAbstractResistancefurnacecanproduceheattomeltin

3、gmaterialsflowingthroughtheresistorbodybythecurrent.Resistancefurnacewidelyusedinchemicalindustry,metallurgyindustry,etc.Itstemperaturecontrolrequirementsisveryhigh,thetemperaturecontrolwillhaveadirectimpactontheproductqualityandproductionefficiency,thereforeresistancefurnacetemperaturecontrolhasani

4、mportantmeaninginscientificresearchandindustrialproduction.Thisdesignusesthesinglechipmicrocomputerasthedataprocessingandcontrolunit,theresistancefurnaceascontrolobject;thethermocouplesusedasmeasuringelement,SCRastheoutputcontrolelementstoachieveresistancefurnacetemperatureautomaticcontrol.Thesystem

5、usesKthermocoupletemperaturesensortype;itsenttheexaminationoftheresistancefurnacetemperaturesignalintoMAX6675chip,throughaseriesofamplificationafterconversion,thereforesendasignaltoSTC89C52microcontrollerwithinthePIDoperation,butalsoregulationPIDparametersthroughthekeyboard.AfterthePIDoperation,sent

6、thesignalofcontroloutput,andshowstemperaturethroughLEDdisplayatthesametime,andremainsthetemperatureofresistancefurnaceinsetrange.Thisdesignaccordingtotheneedsofthesystem,designthehardwarecircuitanddetailedintroducesthehardwarecircuitofeachpart;thisdesignwritesoftwareprogramaccordingtoeachpartoftheso

7、ftwareflowchart.Keywords：Theresistancefurnace;MAX6675;Single-chipmicrocomputer;PIDcontrol目录TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark4 摘要II HYPERLINK l bookmark8 AbstractIII HYPERLINK l bookmark12 第一章绪论1 HYPERLINK l bookmark14 1.1课题研究的背景及意义11.2电阻炉的应用与发展2 HYPERLINK l bookmark16 第二章系统总体设计方案4设计总体思路4系统技术指标4设计方案

8、选择4系统总体设计方案5 HYPERLINK l bookmark18 第三章系统硬件设计7 HYPERLINK l bookmark20 3.1温度检测部分73.1.1温度传感器的选择73.1.2热电偶的工作原理83.1.3温度信号处理芯片MAX66759 HYPERLINK l bookmark22 3.2单片机11 HYPERLINK l bookmark32 3.3时钟电路14 HYPERLINK l bookmark34 复位电路14 HYPERLINK l bookmark36 3.5串口通信电路15 HYPERLINK l bookmark38 3.6报警电路15 HYPERLI

9、NK l bookmark40 3.7显示电路16 HYPERLINK l bookmark46 3.8按键电路19 HYPERLINK l bookmark48 3.9D/A转换电路20 HYPERLINK l bookmark66 第四章软件设计23软件设计思路23系统软件流程图23主程序流程图23温度检测与处理子程序254.2.3报警子程序264.2.4PID子程序274.2.5显示流程图304.2.6键盘扫描流程图314.2.7键盘处理流程图334.2.7D/A转换子程序流程图34 HYPERLINK l bookmark74 第五章调试结果36 HYPERLINK l bookmar

10、k76 5.1硬件调试36 HYPERLINK l bookmark78 5.2软件调试36 HYPERLINK l bookmark80 5.3联机调试36 HYPERLINK l bookmark84 总结40 HYPERLINK l bookmark86 参考文献41附录A：硬件原理图44 HYPERLINK l bookmark96 附录B：程序45 HYPERLINK l bookmark98 致谢55第一章绪论1.1课题研究的背景及意义20世纪20年代以来，电阻炉就在工业生产中得到了广泛地应用。随着社会的发展，科学技术的进步，电阻炉被大量的应用在电力、冶金、机械、石油化工等工业生产

11、中。在这些工业生产中，温度的测量及控制影响着生产安全、产品质量、生产效率等重要的技术经济指标，电阻炉温度控制的稳定性、精度、可靠性等要求也逐步提高。而在各个领域测温仪器的实际应用表明，智能化仪器已经是现代电阻炉温度控制系统发展的主要方向1。基于此，设计一种智能化的电阻炉温度控制系统有广泛的应用前景及实际意义。电阻炉是利用电流流过电阻体，使其产生热量来加热或熔化物料的一类电炉。它的特点是：电路简单；对炉料种类的限制较少；（小型电阻炉可用来加热食品、干燥木材）炉温控制精度高；容易在真空中加热等特点。它主要作用于：机械零件的淬火、退火、渗碳等热处理；各种材料的干燥、加热、烧结、熔化等。电阻炉的参数有

12、工作空间尺寸、额定温度、额定电压、额定功率。电阻炉按炉温不同可分为低温电阻炉（600700C以下）、中温电阻炉（700C1200C）、高温电阻炉（1200C以上）2。电阻炉的温度控制主要有：1、传统PID控制；2、智能控制。PID控制温度系统的效果，主要取决于P、I、D三个参数。PID控制对于确定了的温度系统控制效果较好，但是对控制大惯性、大滞后、时变性温度系统则难以保证其控制品质。电阻炉大多是经电阻丝加热升温，自然冷却降温的，当电阻炉的温度超调时，无法靠控制手段降温，所以电阻炉温度的控制具有滞后性、非线性、惯性、不确定性等特点。目前国内较成熟的电阻炉温度控制系统中，以PID控制器为主。PID

13、控制器对小型实验用的电阻炉控制效果良好，但对于大型工业用电阻炉，就难以保证电阻炉温度控制系统的稳定性及精度等问题。智能控制是一种不需要人操作就能驱动智能机械来实现其目标的自动控制。随着科学技术、控制理论的发展，国外的温度控制系统发展很迅速，基本实现对温度的智能控制。被广泛应用的温度智能控制方法有：模糊控制、神经网络控制、专家系统等。具有自适应、自协调、自学习等能力，使控制系统的控制精度、稳定性、抗干扰能力等性能得到保证4。本文以电阻炉为控制对象，以单片机STC89C52为硬件核心元件，采用PID控制，该系统硬件电路设计简单、控制算法成熟稳定、系统性能优良。1.2电阻炉的应用与发展整体上，我国的

14、电阻炉控制系统比国外发达国家要落后四、五十年，占主导地位的是模拟仪表控制，这种系统的控制参数由人工选择，需要配置专门的仪表调试人员，费时、费力且不准确。控制精度依赖于试验者的调节，控制精度不高，一旦生产环境发生变化就需要重新设置，操作不方便，控制数据无法保存。因而，对生产工艺的研究很困难，造成产品质量低、废品率高、工作人员的劳动强度大、劳动效率低、这些都缩减了企业的效益3。目前在控制领域，电阻炉控制系统的水平在很大程度上取决于测控水平的高低。由于现代工业生产规模的不断扩大和生产工艺的日益复杂，对生产过程的自动控制提出了越来越高的要求，不但要求自动控制系统有优越的控制性能、良好的性能价格比、良好

15、的可维护性等，还要求高可靠性、灵活的构成方式和简易的操作方法。这也使得生产过程自动控制技术得到了不断的发展。近年来，随着计算机技术、超大规模集成电路技术、网络通信技术的进步，工业控制已逐步从单机监控、直接数字控制发展到以新型工业控制网络、智能化仪表和控制器为主要支撑技术的过程自动化与信息管理自动化相结合的计算机综合型控制系统，其本质是利用计算机技术对生产过程进行监视、操作和管理。从控制系统的角度讲，计算机控制系统经历了直接数字控制系统(DDC)、分散控制系统(DCS)、现场总线控制系统(FCS)三个阶段。而在过程控制系统中采用分散控制系统己经成为主流。分散控制系统中有以可编程序控制器为中心或以

16、微型计算机为中心的两种主要形式，二者的设计思想及方法均有较大差别。国外先进电阻炉的控制系统普遍采用了以PC、PLC、PCC等为核心的可编程系统，并在一些高精度生产装备上采用了模糊控制、统计过程控制(SPC),以及基于网络的远程监控、故障诊断和控制系统。而我国在先进测量系统方面，基本上依赖进口。因此利用现有技术改造原有生产系统势在必行。而单片机以其功能强、性价比高、小巧灵活、可靠性好、适应温度范围宽而成为工业控制系统的首选。目前国内大多数电阻炉的温度控制系统正逐步由传统分离式仪表控制转变为PID控制和简单的模糊控制。由生产实践可知电阻炉温度控制系统的时间常数大、纯滞后长。温度控制过程所具有的高度

17、非线性、动态突变性、多时间尺度性、信息复杂性、传感元件与执行元件的分散性以及决策机构的分层分散性等,决定了其难以用精确的数学模型(微分方程或差分方程)来表征。PID控制器简单、稳定性好、可靠性高，普通PID控制器常用于一些线性定常系统的控制，但对于非线性、时变系统难以取得预期的效果3。目前电阻炉温度控制主要问题是：由于电阻炉是一个特性参数随炉温变化而变化的被控对象，常规PID控制方法难以满足工艺温度在大范围变化时的控制要求。另外采用常规PID控制，使得系统的动态品质差，超调量大、调节时间长，系统的跟踪性差。随着现代工业技术的发展，对热处理温度控制提出了越来越高的要求。为了适应工业要求，己有不少

18、公司研究了一些先进控制策略，实现了许多相对复杂的高级控制算法。第二章系统总体设计方案2.1设计总体思路本设计是对工业电阻炉温度进行实时监测与控制，主要的温度控制系统能实现基本的温度控制功能：当电阻炉炉内温度低于设定的下限温度时，系统就会对电阻炉发出加热信号，使其温度上升；当电阻炉炉内温度高于设定的上限温度时，系统将停止加热电阻炉，使炉内温度下降。通过PID调节不断重复该过程，使温度值始终保持在上下限温度之间，并且使LED显示器即时显示温度。系统技术指标本系统的技术指标要求如下：1.测量温度和控制温度均可以数字显示；2被测温度范围为01000C，精度为0.5C；3控制温度可连续可调，精度为1C；

19、4温度超过限时，产生声、光报警信号。设计方案选择在选择控制器的时候，有下面几种方案。方案一：控制核心采用8031。使用最为常用的器件ADC0809作模数转换，使用对电阻丝加电使炉升温。此方案理论上是可行的，所选元件的价格便宜，但8031内部没有设置存储器，需要内存扩展，加大了电路的复杂性，且ADC0809是8位模数转换器，转换的精度较低，所以不能满足控制的要求。方案二：采用比较流行的STC89C52为电路的控制核心，STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位单片机。数据的采集部分使用K型热电偶传感器，数据转换部分采用MAX6675，改变了传统温度测试方法，在现场采集温度数据，并直接将温度

20、模拟量变换为数字信号，送到单片机进行数据处理，检测温度范围为-270C+1300C。可应用于多种领域、各种环境的智能化测试和控制系统，精度高，使用方便灵活，优于大多传统的温度测控设备。方案三：采用PLC作为控制部分的核心，其他部分的电路，用和方案二同样的设计。这种方案具有和方案二相同的控制精度，而且整个电路比方案二的稳定性更高，但是单片机的价格远远低于PLC，考虑到价格因素，并不适合大批量的生产，所以此种方案不选择。综上分析，我们采取方案二。系统由单片机STC89C52、键盘、温度检测电路、显示电路等部分组成。在选择显示器部分的时候，有以下几种方案。采用四位LED数码管显示。这种方式可以把测量

21、温度的数值及小数点一同显示。硬件电路的连接也很简单，只需要有相应的四个741S164芯片作为驱动器件，就能使检测温度值直观的显示出来。软件编程也比较容易，相对来说使用起来方便，而且价格较便宜，性价比也高。采用液晶显示器LCD(LiquidCrystalDisplay)。它具有：微功耗，显示信息量大，长寿命，无辐射等诸多优点。液晶显示器可以显示不同的图形与符号，但显示这些图形符号使得软件编程变的复杂，不太容易实现。而且液晶显示器的价位相对也比较高。比较之后，无论从价格方面，还是方便实用的方面，使用LED显示器都较使用LCD好一些，所以本设计的温度显示部分采用LED显示器。2.4系统总体设计方案本

22、系统由单片机、温度信号采集与转换、键盘输入、PID控制、温度显示等五部分组成。其中，测温元件用K型热电偶，用来检测炉内温度，将炉中温度的物理量值转换成毫伏信号输出，经MAX6675进行处理后，炉温给定值的电压信号和所检测到的炉温电压信号都转换为数字量送入单片机内进行比较，得到实际炉温与给定炉温的差值。由单片机系统构成的数字控制器，对偏差按PID调节规律进行运算，并且在LED显示器上显示温度值，将运算结果送至D/A转换器转换为模拟电压，电压值经过功率放大器放大后，送到晶闸管调压器触发晶闸管，并且改变其导通角的大小，从而调节电阻炉的加温电压，起到控制炉温的作用。其方案图如图2.1所示：电阻炉图2.

23、1系统总体设计方案图单片机：该部分的功能包括向读取温度数据、数据处理，并且还要对执行单元进行控制。单片机是整个系统的数据处理核心及控制核心。温度信号采集与处理：本部分的主要是用传感器检测温度信号，温度传感器里的电流会随环境温度值的变化而变化。然后将电流信号转换成电压信号，使用MAX6675将模拟电压信号，转换成数字电压信号能在单片机中进行数据处理。人机交互及串口通信：人机交互主要是为了提高系统的友好性和实用性。主要包括输出显示、按键输入。输出显示进行数据的显示输出，通过按键输入完成系统参数设置，而串口通信的主要作用是完成单片机与上位机的通信。电源系统单元：主要功能是为单片机提供合适的工作电源，

24、同时也为其他硬件模块提供电源，如LED显示器、按键等。在本设计中，电源系统输出+5V的电源。执行单元：是本系统的输出控制执行部分，本设计中由于技术原因，无法实现，仅作理论阐述。温度采集和控制系统已广泛应用于工业生产，科研和人民生活的领域。在工业生产过程中，为使生产过程能顺利进行，充分保证产品的质量，需要对温度进行严格的监控。使用自动温度控制系统，可以对生产环境的温度，进行自动控制，保证生产顺利、安全的进行，从而提高工厂的生产效率。第三章系统硬件设计3.1温度检测部分3.1.1温度传感器的选择本部分主要是温度传感器的选型。传感器的选择受到许多方面的影响，比如各种温度传感器本身有各自优缺点，适应于

25、不同的场合；还有现场的环境因素各有不同，再有就是根据系统要求的不同，所需实现的精度也不同，所以在不同的场合当中，选择温度传感器的类型也将不同。方案一：热电偶传感器热电偶传感的原理，是将温度变化转化为电势变化。这种感温元件具有热电效应原理，是利用把两种不同的金属材料连在一起构成的。其优点为构造简单、精确度高、测量范围广、型号种类比较多、使用方便且技术成熟等。目前在工业与民用产品中应用广泛。这种传感器的种类较多，应结合考虑其精确度、灵敏度、稳定性、可靠性等条件来选择4。方案二：热电阻传感器热电阻传感器把温度的变化转换为电阻值变化为原理。热电阻传感器是常用在中低温区的一种温度传感器。其主要特点是：精

26、度高，性能稳定。其中测量精度最高的为铂热电阻，被制作成标准的基准仪，广泛应用在工业测温领域。从热电阻的测温原理可知，被测温度的改变是直接通过热敏电阻阻值的改变来体现的。因此，热电阻的引出导线电阻的变化会影响到测温，所以一般采用三线制或四线制来消除引线电阻的影响。热电阻测温系统大多以热电阻、连接导线以及显示仪表组成。方案三：半导体集成模拟温度传感器半导体集成电路模拟温度传感器是一种利用半导体PN结的电压、电流与其温度的变换关系来测温的感温元件。这种传感器精度较高，输出线性化好，可以将信号处理电路及传感器驱动电路等与温度传感器部分集成为同一硅片。其体积小，使用方便，应用较广泛的有AD590等。半导

27、体集成模拟温度传感器通常用于室温或周围环境温度的检测，以便单片机系统对温度测量值进行补偿。方案四：半导体集成数字温度传感器随着社会的不断进步和科学技术的发展，许多新的温度传感器，应用日益广泛，并开始从模拟式向数字式，单总线型，双总线类型，多总线类型发展。这种数字温度传感器，能与各种单片机的I/O接口连接，组成智能控制系统，这种系统改善了模拟传感器与单片机接口之时，需要信号转换电路和A/D变换器的弊端，广泛应用于工业控制、医疗仪器、电子测温等温度控制系统中，数字温度传感器中有代表性的有DS18B20等。AD590与PT100都不能直接与单片机的I/O口相连，需要设计信号转换电路，A/D转换电路。

28、DS18B20是数字温度传感器，采用单总线技术，可以直接与单片机I/O口相连。使用DS18B20可以节约单片机I/O口，还能使系统成本降低。但它的测温范围仅限-55C+125C，而电阻炉的温度在一千度上下，所以结合精度要求、测温范围的大小以及价格等各方面因素考虑，选择K型热电偶传感器。型（镍铬一镍硅）热电偶能测量1300C以内的温度，其线性度极好，且价格便宜。但测温部分用K型热电偶需经过A/D转换、放大电路等一系列措施，使得硬件电路部分显得冗余，本设计使用能处理K型热电偶输出信号的芯片MAX6675,该芯片可实现A/D转换、放大电路等功能，且可以和单片机直接通讯，节约了硬件部分，降低了成本。3

29、.1.2热电偶的工作原理两种由不同材料的导体或半导体组成一个闭和的回路（如图3.1所示），当两接触点温度T和T0不同时，就会在该回路中产生电动势，这种物理现象称为热电效应。这两种不同材料的导体或半导体的组合称为热电偶，导体A、B称为热电极。热电效应中的电动势由温差电势和接触电势组成，接触电势是由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。图3.1热电偶原理图热电偶的冷端温度补偿热电偶的分度表是以冷端温度oc为基准进行分度的，而在实际使用过程中，冷端温度往往不为oc,所以需要对热电偶的冷端温度进行温度补偿。常用的冷端温度补偿方法有：冷端温度修正法、冷端oc恒温法、冷端温度自动补偿法等

30、。3.1.3温度信号处理芯片MAX6675该器件采用8位引脚的SO封装，引脚图如图3.2所示。U5ComponentlTOC o 1-5 h zGNDNC舟一T-SOT+CSVCCSCKMAX6675图3.2MAX6675引脚图引脚功能如表3.1所示。表3.1MAX6675引脚功能表引脚名称功能1GND接地端2T-K型热电偶负极3T+K型热电偶正极4VCC正电源端5SCK串行时钟输入6CS片选信号端7SO串行数据输出8NC悬空不用MAX6675的内部由精密运算放大器Al、A2、基准电压源、冷端补偿二极管、模拟开关、数字控制器及ADC等组成，完成了热电偶微弱信号的放大、冷端补偿及模/数转换功能1

31、2。将K型热电偶的热电势输出端与MAX6675的引脚T+、T-相连，热电偶输出的热电势经放大器Al、A2进行放大和滤波处理后送至ADC的输入端，在转换之前，先需要对热电偶的冷端温度进行补偿，MAX6675通过内置的冷端补偿的电路来实现冷端补偿。它将冷端温度通过冷端补偿二极管转换为相应的电压信号，MAX6675内部电路将二极管电压和放大后的热电偶电势同时送到ADC中进行转换，即能得到测量端的绝对温度值。MAX6675采用标准的SPI串行外设总线与单片机接口，其与单片机通信时工作过程如下：当单片机使MAX6675的CS引脚从低电平变为高电平时，MAX6675将进行新的转换；当单片机使MAX6675

32、的CS引脚从高电平变为低电平并给SCK时钟信号时，MAX6675停止信号转换并从SO端输出串行转换数据。当从SO端输出串行转换数据时，一个完整的数据输出过程需要16个时钟周期，数据的输出通常在SCK的下降沿完成，其中D15位是伪标志位，始终为0;D14D3是由高位到低位顺序排列的温度转换值；D2用于检测热电偶是否断线，当D2为1时表明热电偶断开；D1为MAX6675的标识符，始终为0；D0位为三态。MAX6675的串行接口时序图如图3.2所示。图3.2MAX6675的时序图图3.3为本系统中温度检测电路，当STC89C52的P3.3为低电平且P3.1口产生时钟脉冲时，MAX6675的SO脚输出

33、转换数据。在每一个脉冲信号的下降沿SO输出一个数据，16个脉冲信号完成一串完整的数据输出，先输出高电位D15，最后输出的是低电位D0，D14-D3为相应的温度转换数据，共12位，其最小值为0,对应的温度值为0C；最大值为4095，对应的温度值为1023.75C,分辨率为0.25C。由于MAX6675内部经过了激光修正，因此，其转换结果与对应温度值具有较好的线性关系。温度值与数字量的对应关系为：温度值=1023.75X转换后的数字量/4095。当P3.3为高电平时，MAX6675开始进行新的温度转换。图3.3温度检测电路453.2单片机在多数电子设计当中，基于性价比的考虑，8位单片机仍是首选。S

34、TC89C52是一种低功耗/低电压、高性能的8位单片机。片内带有一个8KB的Flash可编程、可擦除只读存储器（EPROM）。它采用了CMOS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器（NURAM）技术，而且其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容、片内的Flash存储器允许在系统内改编程序或用常规的非易失性存储器编程器来编程。因此，STC89C52是一种功能强、灵活性高，且价格合理的单片机,可方便地应用在各种控制领域121。基于上述这些特点，这里选择STC89C52单片机作为控制核心。因为单片机的工作电源为+5V，STC89C52电源输入支持的电压范围为5v3.4v，且底层电路功耗很小。Vc

35、c，电源端；GND,接地端。其电源供电电路如图3.4所示：LED图3.4供电电路本部分主要介绍单片机最小系统的设计。单片机系统的扩展，一般是以基本最小系统为基础的。所谓最小系统，是指一个真正可用的单片机最小配置系统，对于片内带有程序存储器的单片机，只要在芯片外接时钟电路和复位电路就是一个小系统了。小系统是嵌入式系统开发的基石。本电路的小系统主要由三部分组成，一块STC89C52芯片、复位电路及时钟电路a】。STC89C52单片机的引脚说明13VCC:供电电压；GND:接地。RST:复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。XTAL1:反向振荡放大器的输入及内部时钟工

36、作电路的输入。XTAL2:来自反向振荡器的输出。振荡器特性:XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。ALE/PROG:当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是

37、:每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。PSEN:外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取值期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。EA/VPP:当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时EA将内部锁定为RESET当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施

38、加12V编程电源（VPP）。P0是一个8位双向I/O端口，端口置1时作高阻抗输入端，作为输出口时能驱动8个TTL电平。对内部Flash程序存储器编程时，接收指令字节；校验程序时输出指令字节，需要接上拉电阻。在访问外部程序和外部数据存储器时，P0口是分时转换的地址（低8位）/数据总线，访问期间内部的上拉电阻起作用。P1是一个带有内部上拉电阻的8位准双向I/O端口。输出时可驱动4个TTL电平。端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平作输入用。对内部Flash程序存储器编程时，接收低8位地址信息。P2是一个带有内部上拉电阻的8位准双向I/O端口。输出时可驱动4个TTL电平。端口置1时，内部上拉电阻将

39、端口拉到高电平作输入用。对内部Flash程序存储器编程时，接收高8位地址和控制信息。在访问外部程序和16位外部数据存储器时，P2口送出高8位地址。而在访问8位地址的外部数据存储器时其引脚上的内容在此期间不会改变。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1后”，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为STC89C52的一些特殊功能口，如下所示：P3.O/RXD（串行输入口）；P3.1/TXD（串行输出口）；P3.2/INTO（外部中断O）；P3.3/IN

40、T1（外部中断1）；P3.4TO（记时器0外部输入）；P3.5T1（记时器1外部输入）；P3.6/WR（外部数据存储器写选通）；P3.7/RD（外部数据存储器读选通）；P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。本设计STC89C52单片机的P1.O口和P1.1口接LED显示，X1和X2接的是晶振电路，RESET接复位电路。3.3时钟电路时钟电路提供单片机的时钟控制信号，单片机时钟产生方式有内部时钟方式和外部时钟方式。最常用的是内部时钟方式，是采用外接晶振和电容组成的。时钟振荡电路如图3.5所示：PISP17图3.5时钟振荡电路PSd15P3414KI31INTIINTOT1TOEAVPx

41、iXI单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，引脚XTAL1和引脚XTAL2分别是反相放大器的输入端和输出端，由这个放大器与作为反馈元件的片外晶体或陶瓷谐振器一起构成一个自己振荡器，这种方式形成的时钟信号称为内部时钟方式。系统的时钟电路设计是采用的内部方式，即利用芯片内部的振荡电路。内部方式时，时钟发生器对振荡脉冲二分频，如晶振为12MHz，时钟频率就为6MHz。晶振的频率可以在1MHz-24MHz内选择。电容取3OPF左右。因此，此系统电路的晶体振荡器的值为12MHz，电容应尽可能的选择陶瓷电容,电容值为30“F在焊接刷电路板时，晶体振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减

42、少寄生电容，更好地保证震荡器稳定和可靠地工作。XTAL1是片内振荡器的反相放大器输入端，XTAL2则是输出端，使用外部振荡器时，外部振荡信号应直接加到XTAL1，而XTAL2悬空。3.4复位电路计算机在启动运行的时候都需要复位，使中央处理器CPU和系统中的其他部件都处于一个确定的初始状态，并且从这个初始状态开始工作。单片机的复位是靠外部电路实现的,MCS-51单片机有一个复位引脚RST,高电平有效MCS-51单片机通常采用上电自动复位和按钮复位两种。复位电路的基本功能是系统上电时，RC电路充电，RST引脚出现正脉冲，提供复位信号直至系统电源稳定后，撤销复位信号，为可靠起见，电源稳定后还要经一定

43、的延时，才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分合过程中引起的抖动而影响复位。RC复位电路可以实现上述基本功能。调整RC常数会令对驱动能力产生影响。复位电路如下图3.6所示：图3.6复位电路图3.5串口通信电路串口通信的主要功能是完成单片机与上位机的通信，便于进行温度数据统计，为将来系统功能的扩展做好基础工作。串行通信的主要功能是实现单片机与PC机的数据交换，当需要进行数据记录、数据统计、数据分析的时候，可以把数据发送给上位机，使用上位机进行数据处理，并且将数据处理的结果又发送给单片机11。这样可以大大提高系统数据处理速度，还可以方便的对单片机进行控制。计算机与外界的数据传送大部分都是串行的，

44、其传送距离可以从几米到几千米。串行口通信原理图如图3.7所示：图3.7串行口通信电路图3.6报警电路报警电路实现的是当环境温度值超过系统设置的上限值或者小于系统设置的下限值时，都将通过I/O口驱动蜂鸣器，进行蜂鸣器报警。而单片机I/O口输出的电流无法直接驱动蜂鸣器，所以设计了蜂鸣器驱动电路，具体电路连接如图3.8所示：图3.8报警电路图3.7显示电路电子设计中常用的输出显示设备有两种：数码管和LCD。数码管是现在电子设计中普遍使用的一种显示设备，每个数码管由七个发光二极管按照一定的排列结构组成，根据七个发光二极管的正负极连接不同，又分为共阴极数码管和共阳极数码管两种，选择的数码管不同，程序设计

45、上也有一定的差别。数码管显示的数据内容比较直观，通常显示从0到9中的任意一个数字，一个数码管可以显示一位，多个数码管就可以显示多位，在显示位数比较少的电路中，程序编写，外围电路设计都十分简单，但是当要显示的位数相对多的时候，数码管操作起来十分烦琐，显示的速度受到限制。液晶显示屏具有体积小、功耗低、显示内容丰富等特点，用户可以根据自己的需求，显示自己所需要的、甚至是自己动手设计的图案。当需要显示的数据比较复杂的时候，它的优点就突现出来了，并且当硬件设计完成时，可以通过软件的修改来不断扩展系统显示能力。外围驱动电路设计比较简单，显示能力的扩展将不会涉及到硬件电路的修改，可扩展性很强。不足之处在于其

46、价格比较昂贵，驱动程序编写比较复杂。由于本设计所需要显示的内容比较简单，只包括现场温度值、温度限定值以及PID系数的显示，所以本系统的数据显示设备采用LED数码管。设计中采用4位共阴极LED静态显示方式，选用7段显示数码管。显示内容有温度值的千位、百位、十位、个位。由于单片机不能直接驱动数码管显示，所以必须在单片机与LED164之间加上74LS164，它的管脚图如图3.9所示。图3.974LS164管脚图A和B为74LS64的串行输入端；QA-QH为74LS64的并行输出端；CLK是串行时钟输入端；CLR是串行输出清零端；VCC：+5V；GND：接地端。74LS164功能如表3.2所示。输入输

47、出清除时钟ABQAQBHLXXXLLHLXXQA0QB0H0HTHHHQAnGnHTLXLQAnGnHTXLLQAnGn表3.274LS164功能表QQQQQLED显示器的管脚如图3.10所示，其中a-g段用来显示数字或字符的笔画,dp显示小数点，9引脚作为公共地。一英寸以下的的LED数码管内，每一笔段含有一只LED发光二极管，导通压降为1.2-2.5V；英寸及以上的LED数码管的每一笔段由多只LED发光二极管以串、并联方式连接而成，笔段导通电压与笔段内包含的LED发光二极管的数目、连接方式有关。在串联方式中，确定电源电压VCC时，每只LED工作电压通常以2.0V计算，例如4英寸7段LED数码

48、显示器LC4141的每一笔段由四只LED发光二极管按串联方式连接而成，因此导通电压应在7-8V之间，电源电压VCC必须取9V以上。图3.10LED数码管显示器数码管结构有共阴极和共阳极之分。本设计采用的是共阴极数码管。共阴极公共端接地，高电平有效（灯亮），共阴极数码管内部发光二极管的阴极（负极）都联在一起，此数码管阴极（负极）在外部只有一个引脚。LED显示电路如下图3.11所示。图中的P11和P10分别连接到单片机的P1.1和P1.0引脚，作为时钟输入端和数据端口。图3.11LED显示电路3.8按键电路按键是现阶段电子设计中最常用、最实用的输入设备。按键能够成为最普遍的输入设备，主要是其具备了

49、以下几个优点：工作原理、硬件电路连接简单、操作实用性强、价格便宜，程序编写简单。缺点：机械抖动比较严重、外型不够美观。按键部分实现的主要原理是单片机读取与按键相连接的I/O口状态，来判定按键是否按下，达到系统参数设置的目的。键盘在单片机应用系统中的作用是实现数据输入、命令输入，是人工干预的主要手段。独立式按键就是按键相互独立，每个按键单独占用一根I/O口线，每根I/O口线的按键的工作状态，不会影响其他I/O口线上的工作状态。各按键开关均需要采用了上拉电阻，是为了保证在按键断开时，各I/O有确定的高电平。当输入口线内部已有上拉电阻，外电路的上拉电阻可省去。因此，通过检测输入线的电平状态就可以很容

50、易判断是哪个按键被按下了。优点：电路配置灵活，软件结构简单。缺点：每个按键需占用一根I/O口线，在按键数量较多时，I/O口浪费大,电路结构显得复杂。因此，此键盘适用于按键较少或操作速度较高的场合。矩阵式键盘适用于按键数量多的场合，它通常由行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上。单片机的键盘检测通常有三种方式：查询、中断、定时扫描。查询和中断方式同普通的I/O传送是一致的，定时扫描方式是利用单片机内部定时器产生定时中断，在中断服务程序中对键盘进行扫描获得键值。在本设计中采用的是4行*4列键盘，其电路图如图3.12所示，列线由P2.4-P2.7口控制，行线由P2.0-P2.3口控制。电路中共16

51、个按键，包括设置键、3个温度参数和时间设置键、1个增加键、1个减小键。系统在程序初始化时控制键盘行线的P2.0-P2.3口输出高电位，控制键盘列线的P2.4-P2.7口输出低电位，在判断电路是否有按键按下时，读P2.0-P2.7端口值，若端口值不是11110000,则说明电路中有按键按下。然后根据程序进行去抖动处理和计算键值。3.9D/A转换电路DAC0832的基本原理是把数字量的每一位按照权重转换成相应的模拟分量，然后根据叠加定理将每一位对应的模拟分量相加，输出相应的电流或电压。DAC0832是一个8位D/A转换器。单电源供电，从+5V+15V均可正常工作。基准电压的范围为土10V；电流建立

52、时间为1MSCMOS工艺，低功耗20mW。DAC0832转换器芯片为20引脚，双列直插式封装，其引脚排列如图3.13所示。loutlIout2DllDI2RfbDI3DI4VrefDI5DI6msbDI7ILEWR2CSWR1Xfer图3.13DAC0832引脚图D/A转换电路是一个R-2RT型电阻网络，实现8位数据的转换。对各引脚信号说明如下：DI7DIO：转换数据输入CS：片选信号(输入)，低电平有效ILE：数据锁存允许信号(输入)，高电平有效WR1：写信号1(输入)，低电平有效上述两个信号控制输入寄存器是数据直通方式还是数据锁存方式；当ILE=1和WR1=0时，为输入寄存器直通方式；当I

53、LE=1和WR1=1时，为输入寄存器锁存方式。WR2:写信号2(输入)，低电平有效XFER:数据传送控制信号(输入)，低电平有效上述两个信号控制DAC寄存器是数据直通方式还是数据锁存方式；当WR2=0和XFER=0时，为DAC寄存器直通方式；当WR1=1和XFER=0时，为DAC寄存器锁存方式。Iout1:电流输出1Iout2:电流输出2DAC转换器的特性之一是：Iout1+Iout2=常数。Rfb反馈电阻端0832是电流输出，为了取得电压输出，需在电压输出端接运算放大器，Rfb即为运算放大器的反馈电阻端。(10)Vref：基准电压，其电压可正可负，范围-10V+10V。DGND:数字地AGN

54、D:模拟地DAC0832与单片机的接法如图3.14所示。图3.14D/A转换电路图IoutlIout2十DllDI2RfbDI3DI4VrefDI5DI6msbDI7ILEWR2CSWR1Xfer6PllP124P1316P1415P1514P1613P17DAC0832有三种工作方式:直通方式、单缓冲方式、双缓冲方式。1、直通方式8位输入寄存器和8位DAC寄存器都直接处于直通状态，8位数字量到达DI0DI7，就立即进行D/A转换，从输出端得到转换的模拟量。适用:单路输出且数据输入总线无需和其他电路共享的情况。2、单缓冲方式内部两个锁存器的一个处于直通状态，另一个处于受控制状态，DAC0832

55、就工作于单缓冲方式。一般控制输入寄存器，DAC寄存器处于直通方式。适用：总线方式，是DA转换器常用的方式且DA转换器只有一路，或是多路但是不同步3、双缓冲方式内部两个寄存器均受控制，转换分两步:CPU分时控制输入寄存器，输入数据。CPU同时控制各路的DAC寄存器，使得输入寄存器中的数据进入DAC寄存器，实现同步转换输出。适用：多片DA转换器同步输出，必须用双缓冲模式。第四章软件设计4.1软件设计思路本部分详细介绍了基于STC89C52单片机的电阻炉温度控制系统的软件设计。根据系统功能，可以将系统设计分为若干个子程序进行设计，如温度采集子程序、PID控制子程序、报警子程序、显示子程序、键盘扫描子

56、程序、键盘处理子程序、D/A转换子程序等。采用KeiluVision3集成编译环境和C语言来进行系统软件的设计。本章从设计思路、软件系统框图出发，先介绍整体的思路，再逐一分析各模块程序算法的实现，最终编写出满足任务需求的程序。本系统要完成温度信号的采集与控制，需要实现温度信号的采集与A/D转换、数据处理、数据显示、数据传输等基本功能。从功能上可将其分为温度信号采集及数据处理、人机交互、执行三大部分进行设计。4.2系统软件流程图4.2.1主程序流程图在系统软件中，主程序依次完成系统初始化、炉温检测与处理、PID控制算法、温度显示、键盘输入等，这些都由子程序来完成。流程图如图4.1所示。图4.1主

57、程序流程图4.2.2温度检测与处理子程序温度信号采集与处理子程序，主要完成温度信号采集与A/D功能、数据处理的功能，由芯片MAX6675来完成。温度信号采集子程序主要包括传感器初始化、单片机给传感器写命令、单片机给传感器写数据、单片机从传感器读数据等部分，数据处理部分对该数据进行处理，主要是把采集到的二进制的温度数据转换成十进制温度数据。流程图如图4.2所示。图4.2温度检测与处理子程序4.2.3报警子程序报警子程序主要实现在温度超限的情况下，进行声光报警，并切断电源。程序流程图如下图4.3。图4.3报警子程序流程图4.2.4PID子程序根据炉温对给定温度的偏差，自动接通或断开供给炉子的热源能

58、量，或连续改变热源能量的大小，使炉温稳定在给定温度范围内，以满足热处理工艺的需要。温度自动控制常用调节规律有二位式、三位式、比例、比例积分和比例积分微分等几种。电阻炉炉温控制是这样一个反馈调节过程，比较实际炉温和需要炉温得到偏差，通过对偏差的处理获得控制信号，去调节电阻炉的热功率，从而实现对电阻炉温度的控制。按照偏差的比例、积分和微分产生控制作用（PID控制），是过程控制中应用最广泛的一种控制形式。二位式调节它只有开、关两种状态，当炉温低于限给定值时执行器全开；当炉温高于给定值时执行器全闭。三位式调节它有上下限两个给定值，当炉温低于下限给定值时招待器全开；当炉温在上、下限给定值之间时执行器部分

59、开启；当炉温超过上限给定值时执行器全闭。如管状加热器为加热元件时，可采用三位式调节实现加热与保温功率的不同。比例调节（P调节）调节器的输出信号（M）和偏差输入（e）成比例。即：M=Ke；式中：K比例系数。比例调节器的输入、输出量之间任何时刻都存在一一对应的比例关系，因此炉温变化经比例调节达到平衡时，炉温不能复加到给定值时的偏差称“静差”。比例积分(PI)调节，为了“静差”在比例调节中添加积分(I)调节积分，调节是指调节器的输出信号与偏差存在随时间的增长而增强，直到偏差消除才无输出信号，故能消除“静差”比例调节和积分调节的组合称为比例积分调节。比例积分微分(PID)调节一一比例积分调节会使调节过

60、程增长，温度的波动幅值增大，为此再引入微分(D)调节。微分调节是指调节器的输出与偏差对时间的微分成比例，微分调节器在温度有变化“苗头”时就有调节信号输出，变化速度越快、输出信号越强，故能加快调节速度，降低温度波动幅度，比例调节、积分调节和微分调节的组合称为比例积分微分调节。根据生产现场的运行情况，这种控温方法，精度比较高，系统性能稳定，满足生产的实际需要。主要设备：热电偶或热电阻，智能PID温控仪，可控硅触发调功器等。PID控制是在连续的生产过程中，将偏差的比例(Proportional)、积分(Integral)、微分(Derivative)通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制。在常规