基于单片机的电阻炉温控制系统设计(编辑修改稿)

基于单片机的电阻炉温控制系统设计(编辑修改稿)内容摘要：

系统硬件设计 7 3 系统硬件设计 为了实现 温控 系统的智能化，系统的硬件设计包括控制系统最小系统的设计，电源电路的设计 ， 温度 测量回路的设计 ，显示电路的设计， 时钟电路设计，按键电路设计， 报警电路设 计，以及 上位机通信电路的设计。 STC89C52 构成的最小系统 微型计算机即单片机是 因 工业测控系统数字化，智能化的迫切需求而发展起来的。 STC89C52 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。 在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使得 STC89C52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 具有以下标准功能： 8k 字节 Flash， 512 字节 RAM， 32 位 I/O 口线，看门狗定时器，内置 4KB EEPROM， MAX810 复位电路，三个 16 位 定时器 /计数器，一个 6向量 2 级中断结构，全双工串行口。 另外 STC89X52 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式。 空闲模式下， CPU 停止工作，允许 RAM、定时器 /计数器、串口、中断继续工作。 掉电保护方式下， RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。 最高运作频率35Mhz。 晶振回路 晶振回路主 要任务是为 STC89C52 单片机 正常 工作需要的时钟电路提供一个稳定的 工作频率。 根据 STC89C52 单片机 时钟 周期的要求，回路需要选用频率为 的晶振。 晶振回路由电容和陶瓷谐振器晶振组成。 作为单片机的时钟源。 STC89C52 内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，此放大器的输入和输出端分别是引脚 XTAL0 和 XTAL1,在 XTAL0 和 XTAL1 端口 接上时钟电源即可构成时钟电路。 本设计中采用内部时钟产生方式。 在 XTAL0 和 XTAL1 两端跨接晶振，与内部的反相器构成稳定的自激振荡器。 其发出的时钟脉冲直接送入单片机内定时控制部件。 电容 C1 和 C2 对频率有微调作用。 电容 C1 和 C2 应尽可能的安装在单片机芯片附 近，以减少寄生电容，保证振荡器稳定可靠的工作。 晶振电路 如图 32所示河南城建学院本科毕业设计（论文） 系统硬件设计 2 图 32 晶振电路 复位电路 为确保 温控 系统电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，复位电路的第一功能是上电复位。 电路正常工作需要供电电源为 5V177。 5%，即 ～。 由于微机电路是时序数字电路，它需要稳定的时钟信号，因此在电源上电时，只有当 VCC 超过 低于 ，复位信号才被撤除，微机电路开始正常工作。 复位电路第二功能是 手动 复位。 手动 复位需要人为在复位输入端 RST 上加 入高电平 ， 一般采用的办法是在 RST 端和正电源 Vcc之间接一个按钮。 当人为按下按钮时，则 Vcc 的 +5V 电平就会直接加到 RST 端。 复位电路如图 33所示： 图 33 复位电路 温度 采集 模块的硬件设计 温度传感器 DS18B20 概述 温度传感器是将温度信号转换为电信号的装置，型号有很多，数字式温度传感器常用的有 DS18B DS1820 等。 此设计采用的是 DS18B20。 DS18B20 是 DALLAS 公司生产的一线式数字温度传感器，是世界上第一片支持“ 一线总线”接口的温度传感器 , 在其内 部使用了在板 (ONBOARD)专利技术。 河南城建学院本科毕业设计（论文） 系统硬件设计 9 具有 3 引脚 TO－ 92 小体积封装形式；温度测量范围为 － 55℃ ～＋ 125℃ ,可编程为9 位～ 12 位 A/D 转换精度，测温分辨率可达 ℃ ，被测温度用符号扩展的 16位数字量方式串行输出；其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；多个 DS18B20 可以并联到 3 根或 2 根线上， CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20 通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。 DS18B20 内部结构如图 34 所示，主要由 4 部分组成： 64 位 ROM、 温度传感器、非挥 发的温度报警触发器 TH 和 TL、配置寄存器。 DQ 为数字信号输入∕输出端； GND 为电源地； VCC 为外接供电电源 [5]。 64 位ROW和一线端口存储和控制逻辑高速暂存器8 位 CRC 生成器温度传感器高温触发器 TH低温触发器 TL配置寄存器供电方式选择VCCDQ 图 34 DS18B20内部结构框图 ROM 中的 64 位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该 DS18B20 的地址序列码，每个 DS18B20 的 64 位序列号均不相同。 64 位 ROM 的排的循环冗余校验码 （ CRC=X8＋ X5＋ X4＋ 1）。 ROM 的作用是使每一个 DS18B20 都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个 DS18B20 的目的。 DS18B20 中的温度传感器完成对温度的测量，用 16 位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以 ℃ /LSB 形式表达，其中 S 为符号位。 例如＋ 125℃ 的数字输出为 07D0H，＋ ℃ 的数字输出为 0191H，－ ℃ 的数字输出为FF6FH， － 55℃ 的数字输出为 FC90H。 DS18B20 主要特性如下： ①适应电压范围更宽 ,电压范围： ～ ,在寄生电源方式下可由数据线供电。 ②独特的单线接口方式 , DS18B20 在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与的双向通讯。 ③ DS18B20支持多点组网功能 ,多个 DS18B20可以并联在唯一的三线上 ,实现组网多点测温。 ④ DS18B20 在使用中不需要任何外围元件 ,全部传感元件及转换电路集成在形河南城建学院本科毕业设计（论文） 系统硬件设计 10 如一只三极管的集成电路内。 ⑤温度范围 55℃ +125℃ ,在 10～ 85℃ 时精度为 177。 ℃。 ⑥可编程的分辨率为 912 位 ,对应的可分辨温度分别为 ℃ 、 ℃ 、℃和 ℃ ,可实现高精度测温。 ⑦在 9位分辨率时最多在 内把温度转换为数字。 ⑧测量结果直接输出数字温度信号 ,以“ 一线总线”串行传送给 CPU, 同时可传送 CRC 校验码 ,具有极强的抗干扰纠错能力。 ⑨负压特性电源极性接反时 ,芯片不会因发热而烧毁 ,但不能正常工作。 温度 采集 模块的硬件设计 当 DS18B20 正在执行温度转换或从高速暂存器 EPPROM 传送数据时，工作电流可达 ， 这个电流可能会引起连接单总线的弱上拉电阻的不可接受的压降，这需要更大的电流，而此时 Cpp（寄生电源储能电容）无法提供，为了保证DS18B20 有充足的供电，当进行温度转换或拷贝数据到 EEPROM 操作时，必须给单总线一个上拉电阻，一般为 的上拉电阻， 根据 距 离远 近 可以适当 调节 阻值 ，距离近时 减小 阻值 ，但不能低于 ， 否则 DS18B20 将无法复位。 其数据线 DQ端接单片机。 硬件 电路如图 35所示。 图 35 DS18B20接线图 在外部电源供电方式下 , DS18B20 工作电源由 VCC 引脚接人 , 不存在电源电流不足的问题 , 可以保证转换精度 , 同时在总线上理论可以挂接任意多个DS18B20 传感器 , 组成多点测温系统。 注意在外部供电的方式下 , DS18B20 的 GND引脚不能悬空 , 否则不能转换温度 , 读取的温度总是 85℃ [1]。 报警电路设计 河南城建学院本科毕业设计（论文） 系统硬件设计 11 目前智能化的测试仪表设计都自带有报警电路。 设计报警电路也是为了更完善系统的功能。 本设计采用由发光二极管和压电式蜂鸣器为核心的声光报警电路。 蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。 蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。 压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹器及共鸣箱、外壳等组成。 有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。 多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。 当接通电源后（ ～ 15V直流工作电压） ,多谐振荡器起振 ,输出 ～ 的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。 压电蜂鸣片由锆钛酸铅或铌镁酸铅压电陶瓷材料制成。 在陶瓷片的两面镀上银电极，经极化和老化处理后，再与黄铜片或不锈钢片粘在一起。 报警电路的功能是在 STC89C52 单片机的控制下实现声光报警或解除报警。 当 STC89C52 单片机检测 实时温度超过设定报警温度 时，通过报警电路向报警 器发出有效信号 (低 电平有效 )，声音报警电路接到有效电平后则自动发出预置的报警声，同时红色报警指示灯发出耀眼的红色信号。 报警电路结构如 图 36 所示 图 36 报警电路 接线图 电源电路设计 温度测量系统的 电源 使用 直流电源。 电源部分是整个系统的基础，这部分的稳定工作对整个 以单片机为 核心的 系统的内 稳定工作起着至关重要的作用。 河南城建学院本科毕业设计（论文） 系统硬件设计 12 STC89C52 单片机 和 DS18B20 温度传感器芯片正常工作电压范围都是～。 为了使系统安全稳定的工作，还需要设计系统的电源电路。 首先+220V 的交流电压需要经过变压器降到 15V 左右。 然后经过桥式整流电路把交流电转变成直流电。 整流后的电流经过稳压器 LM7805 输出稳定的 +5V 电压。 桥式整流电路 是有四个型号相同的二极管组成的。 VD1 和 VD3 两个二极管组成一对桥臂； VD2 和 VD4 两个二极管组成一对桥臂。 由于二极管的启动电压比较小，所以经过变压器的电压可以使 VD1 和 VD3 二极管组成 的 桥臂在正半周期导通， VD2和 VD4 两个二极管组成的桥臂在负半周期导通。 稳压器 LM7805 是由三个管脚 组成 的串联型降压式电源芯片。 Vin 是输入端， Vout 输出端。 两个端口接去耦电容后接地。 经稳压器 LM7805 稳压后， 输出端输出稳定的 +5V 直流电压。 电源输出基本不受外输入变动的干扰。 稳压器 LM7805 电源电路设计如图 37 所示。 图 37 电源电路图 按键 电路设计 矩阵式键盘的结构与工作原理 在键盘中按键数量较多时，为了减少 I/O 口的占用，通常将按键排列成矩阵形式。 在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。 这样，一个端口（如 P1 口）就可以构成 4*4=16 个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成 20 键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键（ 9 键）。 由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。 矩阵式结 构的键盘显然比直接法要复杂一些，识别也要复杂一些。 列线通过电阻接正电源，并将行线所接的单片机的 I/O 口作为输出端，而列线所接的 I/O 口则作为输入。 这样，当按键没有按下时，所有的输入端都是高电平，代表无键按下。 行线输出是低电平，一旦有键按下，则输入线就会被拉低，这样，通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了。 河南城建学院本科毕业设计（论文） 系统硬件设计 13 矩阵键盘两种扫描方式 ① 行扫描法 行扫描法又称为逐行（或列）扫描查询法，是一种最常用的按键识别方法，介绍过程如下 ： 1)判断键盘中有无键按下。 将全部行线置低电 平，然后检测列线的状态。 只要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平线与 4根行线相交叉的 4 个按键之中。 若所有列线均为高电平，则键盘中无键按下。 2)判断闭合键所在的位置。 在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。 其方法是：依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其它线为高电平。 在确定某根行线位置为低电平后，再逐行检测各列线的电平状态。 若某列为低，则该列线与置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键。 ② 高低电平翻转法 首先让 P1口高四位为 1，低四位为 0,。 若有按键按下，则高四位中会有一个 1 翻转为 0，低四位不会变，此时即可确定被按下的键的行位置。 然后让 P1 口高四位为 0，低四位为 1,。 若有按键按下，则低四位中会有一个1 翻转为 0，高四位不会变，此时即可确定被按下的键的列位置。 最后将上述两者进行或运算即可确定被按下的键的位置。