基于单片机的加热炉温度控制器的设计

题目加热炉温度控制器的设计学生姓名专业班级指导教师职称所在单位教研室主任完成日期2010年6月21日摘要本文主要从硬件和软件两方面介绍了如何运用MCS-51单片机设计加热炉的温度控制系统，说明了怎么实现对加热炉温度的控制，并对硬件原理图和程序流程图作了简洁的描述。还介绍了在加热炉温度控制系统的软硬件设计中的一些主要技术关键环节,该系统主要以AT89C51单片机为核心,由LED显示电路，键盘输入电路，温度检测电路,模/数转换电路,过零检测电路,报警与指示电路,光电隔离与功率放大电路等构成。但用AT89C51单片机设计的温度检测电路是本次设计的主要内容，是整个单片机温度控制系统设计中不可缺少的一部分，该系统对温度进行了实时采集与检测。本设计介绍的单片机温度自动控制系统的主要内容包括：系统方案、元器件选择、系统理论分析、硬件设计、软件设计、系统调试及主要技术性能参数。关键词：单片机温度传感器温度检测温度控制PID算法AbstractThedesignofsingle-chip’stemperaturecontrolsystemisintroducedfromhardwareandsoftware,andsimplyexplainshowtoactualizethetemperaturecontrol.Thehardwareprincipleandsoftwarecasefigaredescribed.Someimportanttechniquesinadesignschemeofthehardwareandthesoftwareofthetemperaturecontrolbysingle-chipmicrocomputerareintroduced.Thesystemmostlytakes89C51single-chipmicrocomputerascore,itisstructuredbytemperaturetestingcircuit,A/Dswitchcircuit,zeropassagetestingcircuit,warningandindicationcircuit,optical-electricalisolationandpoweramplifiercircuitandsoon.ThemaincontentofthisdesignistemperaturetestingcircuitthatusesAT89C51single-chipmicrocomputer.Itisapartofthewholedesignthatcannotbelacked.Thesystemisusedtocollectandcontroltemperatureinrealtime.Thetemperatureautomaticcontrolsystembasedonsingle-chipmicrocomputerisdescribedinthearticleincludingsystemscheme，partsofanapparatuschoice,theoreticalanalysis，thedesignofhardwareandsoftware,systemtesting，andthemaintechnicalperformanceparameters．KeyWords：Single—ChipMicrocomputerTemperaturesensorTemperaturecollectingTemperaturecontrollingPIDalgorithm目录236741前言 1215052系统方案设计 2158412.1课题要求与内容 2236362.2总体方案设计 2175242.2.1系统结构 3313842.2.2具体设计考虑 386572.3硬件和软件功能划分 4203903系统硬件的设计 567453.1微处理器 5167993.2温度检测电路设计 6271013.3温度控制电路设计 1014941 1217120 13312964系统软件的设计 16257534.1软件设计概述 16108954.2程序的总体设计 16262074.3系统资源分配 1629642 172857 17162844.4.2按键处理子程序 18179824.4.3标度变换 2019283 2087904.4.5定时中断子程序 2258844.5PID控制算法 2317084.6控制面板的设计 26242254.6.1控制面板的介绍 26291534.6.2控制面板的功能 27302675系统调试 28165305．1硬件调试方法 28261875．1．1联机调试 2815585．1．2脱机调试 29220815．2软件调试方法 2928613结论 31致谢31515 32参考文献12197 3313271附录 34 1前言 电加热炉随着科学技术的发展和工业生产水平的提高，已经在冶金、化工、机械等各类工业控制中得到了广泛的应用，并且在国民经济中占有举足轻重的地位。对于这样一个具有非线性、大滞后性、大惯性、时变性、升温单向性等特点，很难用数学方法建立精确的数学模型，因此用传统的控制理论很难达到良好的控制效果。所以我们要开发一种新的控制系统，不用建立数学模型就能对被测对象进行良好的控制。近年来，由于单片机技术的运用与发展以及各种先进控制理论的形成，为我们开拓新的控制技术提供了条件。现在很多控制系统的核心都是单片机，因为单片机的体积小、价格低廉、可靠性高，可用其构成计算机控制系统中的智能控制单元,受到广大工程技术人员的重视。因此，加热炉的温度控制系统以单片机为核心，运用先进的控制算法如：PID控制算法，就可以省去建立繁琐的数学模型，而且控制系统更加稳定与精确。本次设计的加热炉温度控制系统正是以单片机为核心，运用PID控制算法进行控制。其中，PID是比例（P）、积分（I）和微分（D）3个控制作用的组合。它的控制过程为：将被测参数即温度值，由传感器变换成统一的标准信号送入调节器。在调节器中，与给定值进行比较，然后把比较出的差值经PID运算后送到执行机构，改变进给量，以达到调节的目的。这种控制算法的特点为：一机多用。由于计算机运行速度快，被控对象变化一般比较慢，因此，用一台计算机可以控制几个到几十个回路，进而大大的节省设备费用。控制算法灵活。使用计算机不仅能实现经典的PID控制，而且还可以采用直接数字控制。可靠性高。由于计算机控制算法是用软件编写的一段程序，因此比硬件组成的调节器具有更高的可靠性，且系统维护简单。可改变调节品质，提高产品的产量和质量。生产安全，可改善工人劳动条件。本系统的设计依据实际生产需要，具有很高的实际应用价值，且系统结构简单，能够进行大批量生产。2系统方案设计2.1课题要求与内容温度是工业控制中主要的被控参数之一，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械等工业中，具有举足重轻的作用。对于不同场所、不同工艺、所需温度高低、范围不同、精度不同，采用的测温元件、测温方法以及对温度的控制方式也有所不同；产品工艺不同、控制温度的精度不同、时效不同，则对数据采集的精度和采用的控制算法也不同，因而，对温度的测控方法多种多样。随着电子技术和微型计算机的迅速发展，微机测量和控制技术也得到了迅速的发展和广泛的应用。利用微机对温度进行测控的技术，也便随之而生，并得到日益发展和完善，越来越显示出其优越性。现在我们完全可以运用单片机和电子温度传感器对某处进行温度检测，而且我们可以很容易地做到多点的温度检测，如果对此原理图稍加改进，我们还可以进行不同地点的实时温度检测和控制。本次设计：加热炉温度控制系统的设计，正是运用单片机和温度传感器对温度进行控制。本次设计的内容为：以89C51单片机为核心，运用PID控制算法，设计加热炉温度控制系统，用于进行金属的热处理。工业中金属的热处理是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，又以不同速度冷却，通过改变金属材料表面或内部的组织结构来控制其性能的一种工艺。金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。为使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，除合理选用材料和各种成形工艺外，热处理工艺往往是必不可少的。而进行金属热处理最主要的设备为加热炉。因此，本次设计的温度控制器主要应用于热处理加热炉。根据工艺要求，系统需实现如下功能和指标：加热炉的温度控制范围为0～1000℃。键盘输入预定温度值并实时显示当前温度值，保留一位小数。设定温度上下限，并有越限报警功能。控制参数可随时修改。温度控制误差范围≤±10℃采用温度检测装置，对加热炉内温度进行实时检测。采用PID控制算法，满足温度控制要求。2.2总体方案设计根据加热炉的功能和指标要求，本系统可以从元件级开始设计，选用89C51单片机为主控机。通过连接外围控制电路，实现对加热炉温度的测量和控制。系统结构该系统以89C51单片机为核心，由温度传感器、运算放大器、A/D转换器、输入光电隔离、驱动电路、键盘、LED显示电路共同组成。在系统中，温度的设置、温度值及误差显示、控制参数的设置、运行、暂停及复位等功能由键盘及显示电路完成。温度传感器把测量的电阻炉温度信号转换成弱电压信号，经过信号放大电路，送入低通滤波电路，以消除噪音和干扰，滤波后的信号输入到A/D转换器，转换成数字信号输入89C51单片机。下图为加热炉温度控制系统框图：单片机键盘显示电压同步信号驱动器光电隔离晶闸管单片机键盘显示电压同步信号驱动器光电隔离晶闸管加热器加热器加热器加热器单片机单片机A/D转换器运算放大器温度传感器A/D转换器运算放大器温度传感器图2-1加热炉温度控制系统框图图2-1加热炉温度控制系统框图具体设计考虑具体设计如下：1、由于温度测量范围为0～1000℃2、温度显示由四路LED显示电路组成，实时显示加热炉内温度值并能显示温度给定值及各种参数值。进行各种操作时有必要的声、光提示。3、本系统通过改变双向可控硅的导通角实现对温度的控制。4、温度设定值及温度控制的各种参数由键盘输入。5、采用PID控制算法实现对温度的控制。6、利用X5054作为本系统的看门狗。7、为了提高系统的抗干扰能力，采用MOC3021对执行原件与单片机进行光电隔离。8、出于系统安全考虑，需设定温度上下限，温度上下限由键盘输入，并可随时进行修改，并有越限报警功能。2.3硬件和软件功能划分1.硬件系统应包括以下电路：A、测量电路，应包括温度传感器、放大器、A\D转换及接口。B、温度控制电路，包括开关量输出和电阻丝的驱动。C、温度给定电路,主要通过键盘输入。D、温度显示电路。由4位LED显示电路组成。E、报警电路。2.软件功能应包括：A、温度检测，应包括定时采样和软件虑波。B、温度控制的实现，即根据温度给定值和采样值的大小，决定电阻丝的通断，从而影响加热温度。C、利用定时器定时，以满足采样周期的要求。D、显示温度。E、输出报警信息。3系统硬件的设计微处理器在总体方案确定之后，首要的任务是选择一台合适的微型计算机。虽然现在的微型计算机种类很多，但是所选的微型计算机必须符合本次设计的具体要求。本次设计的温度控制系统精度较高，需要的I/O接口也比较多，因此采用AT89C51单片机作为本系统的微处理器。AT89C51是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口。片内含4kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案。因此此单片机完全能满足温度控制系统的要求。AT89C51的主要特性如下：1、寿命达1000写/擦循环数据保留时间：10年3、全静态工作：0Hz－24MHz4、三级程序存储器锁定5、128×8位内部RAM6、32可编程I/O线7、2个16位定时器/计数器8、6个中断源9、可编程串行通道10、低功耗闲置和掉电模式11、片内振荡器和时钟电路89C51单片机的接法及引脚功能为:VCC（40）：接＋5V电源GND（20）：接地P0口（39－32）：P0口为8位漏极开路双向I/O口，每个引脚可吸收8个TTL门电流。P1口（1－8）：P1口是从内部提供上拉电阻器的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收和输出4个TTL门电流。P2口（21－28）：P2口为内部上拉电阻器的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收和输出4个TTL门电流。P3口（10－17）：P3口是8个带有内部上拉电阻器的双向I/O口，可接收和输出4个TTL门电流，P3口也可作为AT89C51的特殊功能口。RST（9）：复位输入。当振荡器复位时，要保持RST引脚2个机器周期的高电平时间。ALE/PROG（30）：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低位字节，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，它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的，要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过1个ALE脉冲。PSEN（29）：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2次PSEN有效，但在访问外部数据存储器时，这2次有效的PSEN信号将不出现。EA/VPP（31）：当EA保持低电平时，外部程序存储器地址为（0000H－FFFFH）不管是否有内部程序存储器。FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1（19）：反向振荡器放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2（18）：来自反向振荡器的输出。3.2温度检测电路设计温度检测电路是本次设计的主要内容，是整个单片机温度控制系统设计中不可缺少的一部分。本系统要求对加热炉内温度进行实时采集与检测，在充分保证安全的情况下对待加工器件进行热处理。根据要求，本系统的温度检测电路主要由温度传感器、运算放大器及A/D转换器组成。经固定周期T对加热炉内温度进行检测，实现加热功能，并使系统安全稳定。1温度传感器的选择由于本次设计的加热炉温度范围为：0℃—1000℃，加热温度高，而本系统对加热炉温度控制精度的要求为±10表3-1表3-1名称型号分度号测温范围℃允许偏差偶丝直径镍鉻—镍硅WREUK长期短期0—300±3%—2.5mm0—10000—1300〉400±1%此热电偶温度传感器是工业上最常用的温度检测元件之一。其优点是：①测量精度高。因温度传感器热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。②测量范围广。此热电偶温度传感器从0℃—1000℃③构造简单，使用方便。此热电偶是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。此K型热电偶温度传感器的测温基本原理是：将两种不同材料的导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。热电偶温度传感器就是利用这一效应来工作的。由于热电偶温度传感器的材料一般都比较贵重，而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，降低成本，通常采用补偿导线把温度传感器热电偶的冷端（自由端）延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端子上。必须指出，热电偶温度传感器补偿导线的作用只起延伸热电极，使温度传感器热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上，它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，不起补偿作用。因此，还需采用其他修正方法来补偿冷端温度t0≠0℃时对测温的影响。在使用热电偶温度传感器补偿导线时必须注意型号相配，极性不能接错，补偿导线与温度传感器热电偶连接端的温度不能超过100℃。2温度传感器信号转换设备的选择由于温度传感器测量的温度信号为模拟信号，且测量信号比较微弱，因此必须要对此温度信号进行处理。处理过程为：首先要把温度信号经运算放大器进行放大，然后用A/D转换器把放大后的模拟信号转换为数字信号输入单片机。因此要进行温度的检测，温度传感器信号转换设备必不可少。在本系统中，我们可以用单独的运算放大器和A/D转换器作为温度传感器的信号转换设备，但是由于运算放大器的连接复杂，连接的器件数量较大。因此系统不稳定，并且由于中间环节过多，影响系统的控制精度。因此本系统采用MAX6675作为温度传感器的信号转换设备。MAX6675是MAXIM公司开发的一种K型热电偶信号转换器，该转换器集信号放大、冷端补偿、A/D转换于一体，直接输出温度的数字信号，使温度测量的前端电路变得十分简单。MAX6675的内部由精密运算放大器、基准电源、冷端补偿二极管、模拟开关、数字控制器及ADC电路构成，完成热电偶微弱信号的放大、冷端补偿和A／D转换功能。因此，MAX6675简化了温度控制系统中热电偶测温电路的设计，实际运行结果表明，该测温系统抗干扰能力强、结构简单、可靠性高，测量精度满足要求。因此，在基于微处理器的单片机嵌入式工业测温系统中，由MAX6675构成的单片机热电偶测温解决方案，具有良好的实用价值。MAX6675的测温范围0℃～10241直接将热电偶信号转换为数字信号2具有冷端补偿功能3简单的SPI串行接口与单片机通讯412位A/D转换器、℃分辨率5单一+5V的电源电压6热电偶断线检测7工作温度范围-20℃～+85MAX6675采用SO-8封装形式，有8个引脚，其功能如下：VCC接+5V电压GND接地T-接热电偶负极T+接热电偶正极SCK串行时钟输入端CS片选端，能启动串行数据通讯SO串行数据输出端NC未用MAX6675的引脚如图所示：图3-1MAX6675引脚图图3-1MAX6675引脚图MAX6675是一复杂的单片热电偶数字转换器，其内部结构如图所示。主要包括：低噪声电压放大器A1、电压跟随器A2、冷端温度补偿二极管、基准电压源、12位AD转换器、SPI串行接口、模拟开关及数字控制器。其工作原理如下：K型热电偶产生的热电势，经过低噪声电压放大器A1和电压跟随器A2放大、缓冲后，得到热电势信号U1，再经过S4送至ADC。。对于K型热电偶，电压变化率为(41μV/℃)，电压可由如下公式来近似热电偶的特性。U1=(41μV/℃)×(T-T0)上式中，U1为热电偶输出电压（mV），T是测量点温度；T0是周围温度。在将温度电压值转换为相应的温度值之前，对热电偶的冷端温度进行补偿，冷端温度即是MAX6675周围温度与0℃U2=(41μV/℃)×T0在数字控制器的控制下，ADC首先将U1、U2转换成数字量,即获得输出电压U0的数据，该数据就代表测量点的实际温度值T。这就是MAX6675进行冷端温度补偿和测量温度的原理。图3-2MAX6675内部原理图图3-2MAX6675内部原理图MAX6675采用标准的SPI串行外设总线与单片机接口。MAX6675从SPI串行接口输出数据的过程如下：单片机使CS置为低电平，并提供时钟信号给SCK，由SO读取测量结果。CS变低将停止任何转换过程，CS变高将启动一个新的转换过程。将CS变低在SO端输出第一个数据，一个完整串行接口读操作需16个时钟周期，在时钟的下降沿读16个输出位，第1个输出位是D15，是一伪标志位，并总为0；D14位到D3位为以MSB到LSB顺序排列的转换温度值；D2位平时为低，当热电偶输入开放时为高，开放热电偶检测电路完全由MAX6675实现，为开放热电偶检测器操作，T-必须接地，并使接地点尽可能接近GND脚；D1位为低以提供MAX6675器件身份码，D0位为三态标志位。D12—D3为12位数据，其最小值为0，对应的温度值为0℃，最大值为4095，对应的温度值为℃×转换后的数字量/40953温度测量电路原理图以上我们将温度传感器及其信号放大器选择完毕，下面我们要把选择好的镍鉻—镍硅温度传感器及其信号放大器MAX6675与89C51单片机进行连接，组成温度测量电路。具体的电路原理图如下：3-3温度检测电路图3-3温度检测电路图此温度检测电路的工作原理可简单理解为：镍鉻—镍硅温度传感器检测到的温度信号经MAX6675运算放大、处理后输入89C51单片机，单片机根据检测到的温度数据对温度进行显示与控制。3.3温度控制电路设计本系统的另一个重要环节为温度的控制。通过选择合理的加热原件、温度控制原件及其他辅助原件，对加热炉的温度进行控制，从而实现加热炉的加热功能。1加热原件的选择本次设计的加热炉为电阻炉，因此采用高性能的加热电阻作为加热原件。根据加热炉的加热范围（0℃—1000℃）及加热最高温度（℃），本系统选用的加热电阻为：铁铬铝高电阻电热合金表3-2表3-2铁铬铝电热合金参数类型铁铬铝电热合金品牌上海合金厂型号GB／T1234-1995材质25AL5常温电阻1.42（Ω）功率300-180000（W）主要用途加热产品认证GB／T1234-1995最高耐温1400（℃）规格1（mm）铁铬铝高电阻电热合金具有电阻率高、电阻温度系数小、使用温度高的特点。在高温下耐腐蚀性好，且价格低廉，是工业电炉理想的发热材料。2双向可控硅的选择本系统对加热炉的温度控制是通过双向可控硅实现的，单片机通过改变双向可控硅的导通角，控制加热电阻的通断，从而事加热炉的温度得到控制。因此，对双向可控硅的选择尤为重要。我为本系统选择的双向可控硅型号为标准型BTA24，其规格为：型号:标准型,电流:25（A）,电压:600-800（V）,触发电流:35-50(mA)（A）,封装形式:TO-220,控制方式:双向。3其他控制原件的选择以上选择了温度控制系统中的加热电阻和双向可控硅，但可控硅在与单片机接口连接时需要加光电隔离，而且需要单片机发出触发脉冲来控制可控硅的导通角。其中，加热炉中的光电隔离器一般选择MOC3021，而触发脉冲常用单片机的某一根I/O接口产生触发脉冲。为了提高效率，要求触发脉冲与交流电压同步，通常采用检测交流电过零点来实现。如图3-8所示：图3-4图3-44温度控制电路原理图89C51单片机对温度的控制是通过双向可控硅实现的。双向可控硅管和加热电阻串接在交流220V、50Hz的回路中。89C51单片机只要改变可控硅管的接通时间即可改变加热丝的功率，以达到调节温度的目的。可控硅接通时间可以通过可控硅控制极上触发脉冲控制。该触发脉冲由89C51用软件在P2.7引脚上产生，在过零同步脉冲同步后经驱动器7407和光电耦合器MOC3021输出送到可控硅的控制极上。具体电路图如下：图3-5温度控制电路图图3-5温度控制电路图3.4看门狗电路设计提到看门狗，则必须提一下电源监控和上电复位电路。为了使用者的方便，现在芯片都把上电复位、电源监控及“看门狗”集成到一起。近年来各厂家开发出多种看门狗芯片，如：MAX813、X5045、24C021等。其中，X5045是SPI总线格式的具有看门狗、电源监控和PROM数据存储的多功能芯片，目前应用较为广泛，使用者可根据自己所选择的具体MCU来配置外围看门狗电路及电源监控。其引脚功能如下：表3-3X5045引脚功能表3-3X5045引脚功能CS电路选择端，低电平有效SO串行数据输出端SI串行数据输入端SCK串行时钟输入端写保护输入端，低电平有效RESET复位输出端VCC电源端VSS接地端本系统采用的看门狗芯片就为X5045。其与89C51单片机的接口如下图所示：图3-6看门狗与单片机的连接图3-6看门狗与单片机的连接人机通道设计人机通道的设计包括三个部分:键盘、温度显示电路、报警电路。其中，温度值及参数设定由键盘输入，温度显示电路由4位LED显示器及发光二级管总成，报警电路由一个驱动器及蜂鸣器组成。由于报警电路的设计非常简单，在此不做赘述。下面具体介绍键盘及温度显示电路。1键盘键盘是向系统提供操作人员干预命令及数据的接口设备，键盘可分为编码键盘和非编码键盘两种类型。本系统采用的是直观、简单的独立式非编码按键，独立式按键是指直接用I/O口线构成的单个按键电路。每个独立式按键单独占有一根I/O口线，每根I/O口线上的按键工作状态不会影响其它I/O口线的工作状态。通常的按键都是低电平有效。独立式按键电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根I/O口线，在按键数量较多时，I/O口线浪费较大，故在按键数量不多时常采用这种按键电路。由于我所做的设计案件数量少，因此可以选用此按键结构。具体键盘电路图如下：图3-7键盘硬件连接图图3-7键盘硬件连接图2温度显示电路动态扫描显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一。其接口电路是把所有显示器的8个笔划段a-h同名端连在一起，而每一个显示器的公共极COM是各自独立地受I/O线控制，这种显示方式可以起到节省系统I/O口的作用，但是CPU的工作量会大大增大。CPU向字段输出口送出字形码时，所有显示器接收到相同的字形码，但究竟是那个显示器亮，则取决于COM端，而这一端是由I/O控制的，所以我们就可以自行决定何时显示哪一位了。而所谓动态扫描就是指我们采用分时的方法，轮流控制各个显示器的COM端，使各个显示器轮流点亮。在轮流点亮扫描过程中，每位显示器的点亮时间是极为短暂的（约1ms），但由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位显示器并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感。考虑到本系统的I/O口有限所以采用了动态扫描的方法，由于是采用了74LS374和74LS145地址寄存器与数码管相连，所以无须再连接限流电阻。具体电路图如下：图3-8温度显示电路图图3-8温度显示电路图此电路中，74LS374用于驱动LED的8位段码，8位LED相应的"a"—"g"段连在一起，它们的公共端连至74LS145译码器的输出端。这样当选通某一位LED时，相应的地址线输出的是低电平，所以这里选用共阴LED数码管。4系统软件的设计软件设计概述本次设计的加热炉温度控制系统的功能是由硬件电路配合相应的软件来实现的。上一章，我们已经详细设计了此控制系统的硬件电路，本章将着重介绍一下整个系统的软件设计。本系统的软件设计所用的编程语言是汇编语言，首先在编程之前要对系统进行分析，包括对系统功能的分析，程序的总体设计，系统资源的分配，具体的温度控制算法，然后再进行相关数据的计算，流程图的绘制，具体编程，仿真调试，对程序进行修改等多个方面。4.2程序的总体设计本次设计的软件主要实现的功能为:温度传感器测量的温度信号经MAX6675进行信号的放大与A/D转换，把转换好的数字量输入单片机，经过标度变换、显示码处理后将显示码送到数码管上显示出来。同时，单片机对输入的数字量进行处理，经过PID控制算法对温度进行控制。此外，软件还应该实现按键操作，例如设置参数的功能。为了能够实现上述功能，经过认真的分析和整理，以及对整体功能进行细化、分配，把系统的程序划分为以下几个主要模块:1、初始化模块：通过该模块来对堆栈、定时器、计数器、中断和特殊功能寄存器进行赋值，有关寄存器的清零，以及计数器/定时器的初值存放等。2、按键操作模块：该模块能够在系统一上电后就开始对键盘进行扫描，一旦在相应时刻检测到有键按下，就会相应转去执行处理程序，处理完毕后能够返回主程序。3、A/D转换模块：把温度传感器测量的温度信号经MAX665转换为数字量。4、标度变换：主要是把数字量转换为要显示的物理量。5、显示模块：该模块应能够把温度值进行准确显示，并且能显示温度上下限及各种参数。6、控制算法模块：采用PID控制算法对温度进行控制。除了上述功能以外，本着操作友好、功能齐全、安全可靠的设计原则，该系统的程序还具有报警提示功能、键抖动处理功能、看门狗等功能。4.3统资源分配89C51单片机存储器地址空间分为程序存储器（64KBROM)和数据存储器（64KBRAM)。程序存储器用于存放编好的程序和表格常数。程序存储器通过16位程序计数器寻址，寻址能力为64KB。数据存储器RAM用于存放运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等。为了便于编程，我们先把89C51单片机系统中，片内、外RAM，EEPROM以及I/O的地址进行分配：1、片内RAM地址分配00H～07H，R0～R7供主程序使用中断向量初始地址为000H；20H～24HLED显示寄存器，其中20H为状态显示码寄存器，21H～24H为数码管显示码寄存器；25H定时3s时间常数；26HKP参数27HKI参数28HTc参数29He(n)参数暂存2AHe(n-1)参数暂存2BH，2CH分别存放AD值的底位和高位；30H～3FHSP指针工作区40H存放状态标志位；45H存放AD转换状态标志位；44H存放设置完成标志位；40H存放设置项目标志位；41H存放按键完成的标志位。42H存放软件定时器状态标志位。2、EEPROM的存储区地址为0000H-0FFFH。它的地址分配如下：50H，51H存储AD值的下限。52H，53H存储AD值的上限。54H，55H存储物理值的下限。56H，57H存储物理值的上限。58H，59H存储报警值的下限。5AH，5BH存储报警值的上限。系统程序系统的程序包括主程序、中断服务程序和一些具有特定功能的子程序，是系统软件的主要组成部分。系统主程序该系统的主程序有初始化（包括89C51的初始化，定时器初始化，看门狗初始化等）、A/D转换，标度变换，键盘扫描，键盘处理,PID控制算法等程序段和功程序模块组成，其流程图如图3-1所示:设置看门狗键盘处理数据处理标度变换调用A/D转换子程序显示初始化设置看门狗键盘处理数据处理标度变换调用A/D转换子程序显示初始化图4-1主程序流程图图4-1主程序流程图本系统在进行显示时，外界的物理量经过A/D转换变为数字量再经过标度变换、显示处理，显示出来，因此显示程序应该写在中断里面，这里本人设定的是每隔10ms一次，即每隔10ms送因此显示。按键处理子程序键盘是若干按键的集合，是向系统提供操作人员干预命令及数据的接口设备，也是本控制系统的重要部分。本系统一共设计了四个功能键，分别为设置键、增加键，减少键和退出键，它们接在89C51单片机的P1.0-P1.3口上。我们重点介绍这四个按键的控制过程，具体流程图如图所示，当K分别为1，2，3，4时，表示四个按键分别被按下，KK表示按键操作完成，KT表示按键定时开始标志，KM表示按键定时完成标志。下图为按键控制流程图：YYNNNNYYYNNNNYNYNYNYNYYNNNYY改参数？返回将显示指针指向工作状态清理标志位设置？设置？KK=1?改参数？KK=1?将修改值减1保存将修改值加1保存KM=1?进入设置状态返回进入设置状态设置？KK=1??K=4?K=3?返回K=2?KT=1??K=1?YYNNNNYYYNNNNYNYNYNYNYYNNNYY改参数？返回将显示指针指向工作状态清理标志位设置？设置？KK=1?改参数？KK=1?将修改值减1保存将修改值加1保存KM=1?进入设置状态返回进入设置状态设置？KK=1??K=4?K=3?返回K=2?KT=1??K=1?图4-2按键处理流程图图4-2按键处理流程图标度变换生产中的各种参数都有不同的数值和量纲，例如本系统的温度单位℃，这些参数经A/D转换后，统一变成数字量，这些数字量虽然代表参数值的大小，但是不能表示带有量纲的参数值，因此必须将其转换成有量纲的数值，才能进行显示。这种转换就称为标度变换或工程量转换。线性标度变换是最常用的标度变换方式，其前提条件是参数值与A/D转换结果（采样值）之间应呈线性关系。本系统正适合这种标度变换。当输入信号为0（即参数值起点值），A/D输出值不为0时，标度变化公式为：Ax=(Am-Ao)*(Nx-No)/Nm-No+Ao式中：Ao：参数量程起点值，一次测量仪表的下限；Am：参数量程终点值，一次测量仪表的上限；Ax：参数测量值，实际测量值（工程量）；No：量程起点对应的A/D转换后的值，仪表下限对应的数字量；Nm：量程终点对应的A/D值，仪表上限对应的数字量；Nx：测量值对应的A/D值（采样值），实际上是经数字滤波后确定的采样值。其中，Am、Ao、Nm、No对一个检测系统来说是常数。由于本系统采用的MAX6675内部经过激光矫正，因此其转换结果与对应温度值有很好的线性关系，其数字量最小值为0，对应的温度值为0℃，数字量最大值为4095，对应的温度值为℃，即则Ax=（1023.75-0）（Nx-0）/4095+0Ax=1023.75*Nx/4095显示处理本系统的显示主要包括四位LED数码管及其4个发光二极管，DPX为显示指针，当DPX=1时，显示工作状态下加热炉的温度值，当DPX=0时，显示设置状态的参数值，显示控制流程图如下：YNNNNYNYN返回参数灯亮温度上限灯亮温度下限灯亮是设置参数吗？是设置温度上限吗？是设置温度下限吗？设置小数点位返回设置小数点位进行消隐处理进行消隐处理送显示缓冲区送显示缓冲区转换为独立BCD码将二进制数转换为十进制BCD码转换为独立BCD码将二进制数转换为十进制BCD码YNN判断显示指针DPX=1?取需修改的二进制参数值取二进制温度值YNNNNYNYN返回参数灯亮温度上限灯亮温度下限灯亮是设置参数吗？是设置温度上限吗？是设置温度下限吗？设置小数点位返回设置小数点位进行消隐处理进行消隐处理送显示缓冲区送显示缓冲区转换为独立BCD码将二进制数转换为十进制BCD码转换为独立BCD码将二进制数转换为十进制BCD码YNN判断显示指针DPX=1?取需修改的二进制参数值取二进制温度值图4-3显示流程图定时中断子程序89C51单片机片内有两个16位定时器/计数器，即定时器T0和定时器T1。他们都有定时和事件计数的功能，可用于定时控制、延时、对外部事件计数和检测等场合。两个16位定时器实际上都是16位加一计数器，其中，T0由两个8位特殊功能寄存器TH0和TL0构成，T1由TH1和TL1构成。每个定时器都可以由软件设置为工作方式或计数方式及其他灵活多样的可控功能方式。设置为工作模式时，定时计数器89C51片内振荡器输出的经12分频后的脉冲，即每个机器周期使定时器的数值加1直至计数溢满。当89C51采用12MHZ晶振时，一个机器周期为1μs，计数频率为1MHZ。89C51单片机的定时/计数器T0和T1可由软件对特殊功能寄存器TMOD中控制位C/进行设置，以选择定时、计数功能。对M1和M0位的设置对应于4种工作模式，即模式0、模式1、模式2、模式3。在模式0、模式1和模式2时，T0和T1的工作模式相同；在模式3时两个定时器的工作模式不同。模式0为TL0（5位）、TH0（8位）方式，模式1为TL1（8位）、TH1（8位）方式，其余完全相同。本系统采用的就是89C51片内计数器对按键及其显示进行定时，其流程图如下YYNYNYNY计数器=10计数器-1NY返回返回令显示标得0定时计数器-1一致？保存定时器=0？定时器=10定时器=0？按键定时器-1保存到键编码比较区返回恢复现场调编码子程序显示位≥5？A/D允许标志开始读键状态计数器=0？装定时初值保护现场按显示指针送一位到锁存器选新的一位送给译码器显示指针+1显示码指针+1YYNYNYNY计数器=10计数器-1NY返回返回令显示标得0定时计数器-1一致？保存定时器=0？定时器=10定时器=0？按键定时器-1保存到键编码比较区返回恢复现场调编码子程序显示位≥5？A/D允许标志开始读键状态计数器=0？装定时初值保护现场按显示指针送一位到锁存器选新的一位送给译码器显示指针+1显示码指针+1图4-4定时子程序流程图图4-4定时子程序流程图PID控制算法在过程控制中，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器（亦称PID调节器）是应用最为广泛的一种自动控制器。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象──“一阶滞后＋纯滞后”与“二阶滞后＋纯滞后”的控制对象，PID控制器是一种最优控制。PID调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活。PID是比例（P）、积分（I）和微分（D）3个控制作用的组合。连续系统PID控制器的微分方程为：y(t)=KP[e(t)+1/T1*∫e(t)dt+TD*de(t)/dt式中y(t)为控制器的输出；e(t)为控制器的输入；KP比例放大系数；TI为控制器的积分时间常数；TD为控制器的微分时间常数。显然，KP越大，控制器的控制作用越强；只要e(t)不为0，积分项会因积分而使控制器的输出变化；只要e(t)有变化的趋势，控制器就会在微分作用下，在偏差出现且偏差不大时提前给输出一个较强的控制作用。由于微机控制系统是一种时间离散控制系统，故必须把微分方程离散化为差分方程，最终写出递推公式才能直接应用。下面给出增量型和位置型的具体公式：ΔY（n）=Y(n)-Y(n-1)=KP[e(n)-e(n-1)]+KIe(n)+KD[e(n)-2e(n-1)+e(n-2)]Y(n)=Y(n-1)+KP[e(n)-e(n-1)]+KIe(n)+KD[e(n)-2e(n-1)+e(n-2)]式中KI=KP，称为积分常数；KD=KP，称为微分常数,Δt=T，为采样周期；e(t)为第n次采样的偏差值；e(n-1)为第(n-1)次采样时的偏差值；n为采样序列，n=0,1,2,…。采样周期T是两次采样之间的时间间隔。从信号的复线性来考虑，采样周期不宜过长或者说采样频率它有一定的限度，就是根据采样定律，它必须大于或等于原信号，所含最高频率的两倍。因此，从控制性能来考虑，采样周期越短越好。但是，计算机的工作时间和工作量却随着采样周期的减小而增大，所以每一个回路都有一个最佳的采样周期。决定采样周期T的因素有很多，其中包括：加于对象的干扰信号频率，对象的动态特性，使用的控制算法和执行器的类型，控制回路数，对象所要求的控制质量等。总的来说，当计算机精度足够时，采样周期与对象控制回路的过渡过程时间和主要扰动的周期相比往往要小的多，以尽量减少控制偏差的滞后性。通常的采样周期都按下表的经验数据加以选择：表4-1采样周期T的选用物理量采样周期\s备注流量1—5优先选用1—2s压力3—10优先选用6—8s液位6—8温度15—20—0.25）主环T成分15—20根据上表所示，本系统的PID控制算法选用的采样周期T=20s其他参数的确定。PID参数整定是一个复杂的过程，一般需要根据被控对象慢慢进行。常用的方法有扩充临界比例度整定法和扩充响应曲线法两种。但是这两种方法在实际应用中比较麻烦。因此在实际应用中常用经验法确定PID的参数。即根据调节规律，及不同调节对象的特征，通过闭环试验，反复凑试，找出最佳调节参数。本次设计的PID控制参数选用经验法的一种—优选法进行确定，具体做法为：根据经验，先把其他参数固定，然后用0.618法对其中某一参数进行优选，待选出最佳参数后，再换另一个参数进行优选，直到把所有的参数优选完毕为止。最后根据T，，,诸参数优选的结果选一组最佳值即可。在本控制系统中，加热炉温度与给定值的偏差经过单片机PID算法运算后控制可控硅的开度，所以应采用式（7）的位置式算法。KP，KI，e(n),e(n-1)分别放在89C51单片机片内RAM的26H，27H,29H,2AH中，PI结果YPI（n）放在R3R4中，则PI控制程序如下:PI：MOVA，29H；e(n)CLRCSUBBA，2AH；e(n)-e(n-1)MOVB，26H；KPLCALLMULTS；KP[e(n)-e(n-1)]MOVR4，AMOVR3，B；暂存于R3R4MOVA，29H；e(n)MOVA，27H；KILCALLMULTS；KIe(n)ADDA，R4MOVR4，AMOVA，BADDCA，R3MOVR3，A；R3R4=KP[e(n)-e(n-1)]+KIe(n)RETMULTS：CLRF0；置e(n)符号标志位为正JNBACC.7，MUL1SETBF0；置e(n)符号标志位为负CPLAINCA；取绝对值MUL1：MULABJNBF0，MUL2CPLAADDA，#1MOVR2，AMOVA，BCPLAADDCA，#0MOVB，AMOVA，R2；还原为补码MUL2：RET4.6控制面板的设计控制面板的介绍图5-1控制面板图5-1控制面板对一般用户来说不需要知道系统内部的具体结构，只需知道如何进行操作即可，因此控制面板就成为人和工作机进行交流的十分重要平台，在现代化的市场经济中，产品的外观设计对吸引购买者也起着很重要的作用，所以控制面板的设计是一个非常讲究技巧和美观的工作。本人本着简洁明快、实用、操作友好的思想，同时从一定的审美角度进行面板的设计，设计所得的控制面板如图上图所示控制面板。在控制面板上，可以清楚的看到有一个4位的数码管显示器，键盘上一共有四个按键，分别是设“+”、“—”、“设置”、“退出”，还设有四个工作指示灯，分别为：温度上限值、温度下限值、温度值及参数值。控制面板的功能控制面板上的4位LED显示器能精确显示加热炉温度值，控制面板不进行任何操作时，LED显示器显示的就是当前加热炉温度值。设置按键是用来设定加热炉的温度上、下限，加热温度值及各种参数。并且指示灯与设定状态相对应。具体操作如下：长按设定按键即可进入设定状态，第一次长按设定按键(3s左右），进入温度上限值设定，同时温度上限指示等亮，此时按“+”、“—”键便可对温度上限值进行设定，设定好数值后按退出键，系统退出设置模式，LED显示器显示加热炉温度值。连续两次长按设定按键，进入温度下限值设定，并且温度下限值指示灯亮，此时可输入温度下限值。连续三次长按设定按键，进入温度值设定，连续四次长按设定按键，进入加热炉参数设定。5系统调试系统调试通常包括实验室硬件联调、实验室软件联调、实验室系统仿真、仿真考机运行和现场安装调试等几个环节。在系统总装以后，首先要进行实验室条件下的系统硬件联调；联调成功以后，有了硬件操作保证，就很容易发现软件的错误，在软件调试过程中，有时也会发现硬件故障，软件故障完毕，硬件中的隐藏问题也能被发现和纠正；在进入现场以前，还必须在实验室条件下把存在的问题充分暴露，并加以解决，通常是用模型代替实际系统进行完全仿真调试，通过后进行连续不停机的48h考机运行，正确无误后再进入现场安装，运行成功并经过一定时间的使用，最终验收合格才算完成整个系统的设计工作。下面通过硬件和软件两方面介绍相应的调试方法。5.1硬件调试方法常见的硬件故障有：1、逻辑错误它是由设计错误或加工过程中的工艺性错误所造成的。这类错误包括错线、开路、短路、相位错等。2、元器件失效有两方面的原因：一是器件本身已损坏或性能不符合要求；二是组装错误造成元件失效，如电解电容、二极管的极性错误、集成电路安装方向错误等。3、可靠性差引起可靠性差的原因很多，如金属化孔、接插件接触不良会造成系统时好时坏，经不起振动；内部和外部干扰、电源纹波系数大、器件负荷过大等造成逻辑电平不稳定；走线和布局不合理也会引起系统可靠性差。4、电源故障若样机有电源故障，则加电后很容易造成器件损坏。电源故障包括电压值不符合设计要求，电源引线和插座不对，功率不足，负载能力差等。5.1.1联机调试通过脱机调试可排除一些明显的硬件故障，但有些故障还必须通过联机调试才能发现和排除。联机前先断电，将单片机开发系统的仿真头插到样机的89C51插件上，检查开发机和样机之间的电源、接地是否良好。一切正常后，即可打开电源。通电后执行开发机的读写指令，对样机的存储器、I/O端口进行读写操作、逻辑检查，若有故障，可用示波器观察有关波形（如选中的译码器输出波形、读写控制信号、地址数据波形以及有关的控制电平）。通过对波形的观察分析，寻找故障原因并进一步排除故障。可能的故障有：路线连接上有逻辑错误、有断路或短路现象、集成电路失效等。在样机主机部分调试好后，可以插上系统的其他外围部件，例如键盘、显示器、输出驱动板、A/D及D/A板等，再对这部分进行初步调试。在调试过程中若发现用户系统工作不稳定，可能有下列情况：电源系统供电不足，或联机时公共地线接触不良，或用户系统主板负载过大，或用户的各级电源滤波不完善等。对这些问题一定要查出原因并加以排除。5.1.2脱机调试在样机加电以前，先用万用表等工具根据硬件电气原理和装配图仔细检查样机线路的正确性，并核对元器件的型号、规格和安装是否符合要求，特别应注意电源的走线，防止电源线之间短路和极性错误，并检查扩展系统总线是否存在相互短路或与其他信号线的短路。对于样机所用电源，事先必须单独调试。调试好后，检查其电压值、负载能力、极性等均符合要求，才能加到系统的各个部件上。在不插芯片的情况下，加电检查各插件上引脚的电位，仔细测量各点电位是否正常，尤其应注意89C51插座上各电位是否正常，若有高压，联机时将损坏仿真器。在脱机调试中，发现系统无法复位，经检查知电路中没有接入复位电路，经接入上电复位方式的复位电路后，系统运行正常。5.2软件调试方法软件调试与所选用的软件结构和程序设计技术有关。如果采用模块程序设计技术，则逐个模块分别调试。调试各子程序时一定要符合现场环境，即入口条件和出口条件。调试手段可采用单步或设置断点运行方式，通过检查系统CPU的现场，ARM的内容和I/O口的状态，检查程序执行结果是否符合设计要求。通过检测可发现程序中的死循环错误、机器码错误及转移地址的错误。同时也可以发现用户系统中的硬件故障，软件算法及硬件设计错误。在调试过程中不断调试用户系统的软件和硬件，逐步通过一个个程序模块。各模块通过以后，可以把有关的功能块联合起来一起进行综合调试。在这个阶段若发生故障，可以考虑各子程序在运行时是否破坏现场，缓冲单元是否发生冲突，标志位的建立和清除在设计上有无失误，堆栈区域有无溢出，输入设备的状态是否正常等等。若用户系统是在开发机的监控下运行时，还要考虑用户缓冲单元是否和监控程序的工作单元发生冲突。单步和断点调试后，还应进行连续调试，这是因为单步运行只能验证程序的正确与否，不能确定定时精度，CPU的实时响应等问题。待全部调试完成后，应反复运行多次，除了观察稳定性之外，还要观察系统的操作是否符合原始设计要求，安排的用户操作是否合理等，必要时应再作适当的修正。如果采用实时多任务操作系统，一般是逐个任务进行调试，调试方法与上述基本类似，只是实时多任务操作系统的应用程序是由若干个任务程序组成，一般是逐个任务进行调试，在调试某个任务时，同时也调试相关的子程序、中断服务程序和一些操作系统的程序。调试好以后，再使各个任务程序同时运行，如果操作程序无错误，一般情况下就能正常运行。结论本设计介绍的单片机温度控制系统，可了解微机系统硬、软件的构成及各种控制参数变化对系统动、静态特性的影响。系统用PID控制算法实现温度控制，可以使系统的精度达到±10℃89C51单片机，体积小，重量轻，抗干扰能力强，对环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，即使是非电子计算机专业人员，通过学习一些专业基础知识以后也能依靠自己的技术力量，来开发所希望的单片机应用系统。本文的温度控制系统，只是单片机广泛应用于各行各业中的一例，相信单片机的应用会更加广泛化。本系统的设计方案有多种，上述方案是从多种方案中选出的最优方案，其具有功能强、成本低、元件少、精度高、可靠性好、稳定性高、抗干扰性强、执行速度快、简单易行、具有实效性、使用范围广等特点，故具有推广价值。致谢四年的大学生活,让我对电子方面的理论知识有了一定的了解和认识，但实践出真知,唯有把理论与实践相结合，才能更好地为社会服务。为期将近半个学期的毕业设计，我不但上网查阅了一些电子技术的应用知识，并对毕业论文所需的资料进行了仔细地了解和收集，为现在的毕业设计做了充分的准备,也培养了我独立思考和动手的能力，同时也让我了解到了自己的不足，我会继续努力，完善自我，为社会主义现代化建设做贡献。半个学期的毕业设计已圆满结束，在这几个月中，有很多人给了我很大帮助，在此对每位曾经帮助过我或指导过我的人表示衷心地感谢。首先，感谢学校的精心安排和指导老师的用心辅导，以及各位曾经教育我、传授我知识的老师，因为有他们的辛勤付出才有我知识的累积。特别要感谢我的指导老师，在他的指导和启发下，我圆满地完成了本科阶段的毕业设计任务。最后，感谢我的学校、我的老师们和班级里所有的同学，他们给了我一个温馨、向上的学习环境和一切无私的帮助。此致敬礼！参考文献[1]马江涛.单片机温度控制系统的设计及实现[J].计算机测量与控制.2004.(12).P1219—1229.周书.基于MCS-51单片机的温度控制系统[J].现代电子技术.2005.(06).P22—24[3]张开生.郭国法.MCS-51单片机温度控制系统的设计[J].微计算机信息.2005.(07).P68—69[4]李晓妮.单片机温度控制系统的设计[J].九江学院学报(自然科学版).2005.(02).P20—23[5]龚红军.单片机温度控制系统[J].电气时代.2002,(10).P1