基于单片机的电阻炉温度控制系统设计_大学毕业设计说明书论文理工类(编辑修改稿)

基于单片机的电阻炉温度控制系统设计_大学毕业设计说明书论文理工类(编辑修改稿)内容摘要：

向可控硅 电炉加热器 采集 基于单片机的电阻炉温度控制系统设计 6 2 电阻炉温度控制 系统工作原理 温度控制 总体设计方案 本系统以 STC89C52 为 核心 ，以 KEIL 为系统程序开发平台，以 C 语言进行程序设计，以 PROTEUS 作为仿真软件设计而成的。 所设计的温度控制 主要由单片机、温度采集模块、温度 显示模块、 温度 控制模块、按键设定模块 五部分组成。 对于温度控制，采用单片机 STC89C52 组成的自动控制系统 ，其系统硬件总体方框图如图 3 所示 ： 图 3 系统总体方框图 在图 3 中，温度传感器采用单总线数字温度传感器 DS18B20； LCD 液晶显示器 ，使用其动态显示方式，实时显示 DS18B20 采集到的水温温度。 水箱的水大约为 1 升，电热炉功率为 400W；按键设定分为设置按键 +1（ PLUS）， 1（ SUBS）功能，其特点是：可通过 UP 和 DOWN 键进行温度闪烁加减设定；光耦采 用 MOC3021，可控硅采用 BTA16。 其 整体电路图 如图 4 所示。 温度 给定值 89c51 控制电路 驱动 电路 晶闸管 主电路 被控 对象 输出 温度 采样电路 沈阳航空航天大学毕业设计（论文） 7 图 4 整体设计电路图 温度传感器 模块 温度传感器模块采用 DS18B20，主要 功能是 实时 将 水温 温度数据返回单片机 ，将模拟信号转换为数字信号，便于数据处理与决策，由于此模块直接决定整个系统能否正常运行，所以是系统的核心模块。 DS18B20 基本知识 DS18B20 数字温度计是 DALLAS 公司生产的 1－ Wire，即单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。 因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分方 便。 基于单片机的电阻炉温度控制系统设计 8 DS18B20 产品的特点 （ 1） 只要求一个端口即可实现通信。 （ 2） 在 DS18B20 中的每个器件上都有独一无二的序列号。 （ 3） 实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。 （ 4） 测量温度范围在－ 55。 C 到＋ 125。 C 之间。 （ 5） 数字温度计的分辨率用户可以从 9 位到 12 位选择。 （ 6） 内部有温度上、下限告警设置。 DS18B20 的引脚介绍 TO－ 92 封装的 DS18B20 的引脚排列见图 5，其引脚功能描述见表 1。 图 5 底视图 表 1 DS18B20 详细引脚功能描述 序号 名称 引脚功能描述 1 GND 地信号 2 DQ 数据输入 /输出引脚。 3 VDD 可选择的 VDD 引脚。 4． DS18B20 的使用方法 由于 DS18B20 采用的是 1－ Wire 总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输，而对 STC89C52 单片机来说，硬件上并不支持单总线协议，因此，我们必须采用软件的方法来模拟单 总线的协议时序来完成对 DS18B20 芯片的访问。 由于 DS18B20 是在一根 I/O 线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。 DS18B20 有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。 该协议定义了几种信号的时序：初始化时序、读时序、写时序。 所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备。 而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完沈阳航空航天大学毕业设计（论文） 9 成数据接收。 数据和命令的传输都是低位在先。 DS18B20 的复位时序 如图 6 所示 ： 图 6 DS18B20 的复位时序 DS18B20 的读时序分为读 0 时序和读 1 时序两个过程 ，如图 7 所示。 对于 DS18B20 的读时隙是从主机把单总线拉低之后，在 15 秒之内就得释放单总线，以让 DS18B20 把数据传输到单总线上。 DS18B20 在完成一个读时序过程，至少需要 60us 才能完成。 图 7 DS18B20 的读时序 DS18B20 的写时序分为写 0 时序和写 1 时序两个过程 ，如图 8 所示。 对于 DS18B20 写 0 时序和写 1 时序的要求不同，当要写 0 时序时，单总线要被拉低至少 60us，保证 DS18B20 能够在 15us 到 45us 之间能够正确地采样 IO 总线上的“0”电平，当要写 1 时序时，单总线被 拉低之后，在 15us 之内就得释放单总线。 基于单片机的电阻炉温度控制系统设计 10 图 8 DS18B20 的写时序 DS18B20 的 4 个主要部件 （ 1）光刻 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。 64 位光刻 ROM 的排列是：开始 8 位（ 28H）是产品类型标号，接着的 48 位是该 DS18B20 自身的序列号，最后 8 位是前面 56 位的循环冗余校验码（ CRC=X8+X5+X4+1）。 光刻 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。 （ 2） DS18B20 中的温度传感器可完成对温度的测量，以 12 位转化为例：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，温度格式如表 2 所示： 表 2 DS18B20 温度值格式表 这是 12位转化后得到的 12 位数据，存储在 DS18B20 的两个 8 比特的 RAM 中，二进制中的前面 5 位是符号位，如果测得的温度大于 0，这 5 位为 0，只要将测到的数值乘于 即可得到实际温度；如果温度小于 0，这 5 位为 1，测到的数值需要取反加 1 再乘于 即可得到实际温度。 Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0 LS Byte Bit15 Bit14 Bit13 Bit12 Bit11 Bit10 Bit 9 Bit 8 MS Byte 22 23 21 20 21 22 23 24 S S S S S 26 25 24 沈阳航空航天大学毕业设计（论文） 11 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 温度数据如表 3 所示： 表 3 DS18B20 温度数据表 （ 3） DS18B20 温度传感器的存储器 DS18B20 温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存 RAM 和一个非易失性的可电擦除的 EEPRAM,后者存放高温度和低温度触发器 TH、 TL 和结构寄存器。 （ 4）配置寄存器 该字节各位的意义如表 4 所示： 表 4 配置寄存器结构 低五位一直都是 1 ， TM 是测试模式位，用于设置 DS18B20 在工作模式还是在测试模式。 在 DS18B20 出厂时该位被设置为 0，用户不要去改动。 R1 和 R0 用来设置分辨率，如 表 5 所示： TEMPERATURE DIGITAL OUTPUT (Binary) DIGITAL OUTPUT (Hex) +125℃ 0000 0111 1101 0000 07D0h +85℃ 0000 0101 0101 0000 0550h +℃ 0000 0001 1001 0001 0191h +℃ 0000 0000 1010 0010 00A2h +℃ 0000 0000 0000 1000 00008h 0℃ 0000 0000 0000 0000 00000h ℃ 1111 1111 1111 1000 FFF8h ℃ 1111 1111 0101 1110 FF5Eh ℃ 1111 1110 0110 1111 FE6Eh 55℃ 1111 1100 1001 0000 FC90h The power –on reset value of the temperature resister is +85℃ THE TM R1 R0 1 1 1 1 1 基于单片机的电阻炉温度控制系统设计 12 表 5 温度值分辨率设置表 R1 R0 分辨率 温度最大转换时间 0 0 9 位 0 1 10 位 1 0 11 位 375ms 1 1 12 位 750ms 由表 5 可见，设定的分辨率越高，所需要的温度 转换时间就越长。 因此，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑，视设备的实际需要来选择分辨率。 温度采集模块 电路图 本设计采用数字传感器 DS18B20， DS18B20 是一种可组网的单线数字温度传感器，它采用单线总线结构，集温度测量和 A/D 转换于一体，直接输出数字量 ，用一根 I/O 线就可以传送数据与命令，其温度测量范围为 55℃ ~+125℃ ，精度为 +/℃ ，使用中无需外部器件，可利用数据线或外部电源提供电能，供电电压范围为 ~，通过编程实现 9~12 位分辨率读出温度数据。 使用时，将 DS18B20 的数据 DQ 与单片机的一位具有三态功能的双向口连接就可以实现数据传输，为保证在有效的时钟周期内提供足够电流，采用外部电源单独供电，在数据线上加一个。 具体接线如 图 9 所示 ： 图 9 温度采集模块电路图 沈阳航空航天大学毕业设计（论文） 13 数据处理模块 单片机是温度控制系统的核心部 件，负责数据处理，分别控制显示模块、温度控制模块和温度采集模块， 由于数据大于 5K，所以选用内存量为 8K 的 STC89C52 单片机。 单片机的发展方向 未来单片机的发展趋势主要有：主流型机发展趋势， 8 位单片机为主流，少量 32位机， 16 位可能被淘汰；全盘 CMOS 化趋势； RISC 体系结构的发展；大力发展专用单片机； OTPROM、 flashROM 成为主流供应状态； ISP 及基于 ISP 的开发环境；单片机的软件嵌入；实现全面功耗管理；推行串行扩展总线； ASMIC 技术的发展。 单片机以其卓越地性能 ,得到了广泛地应用 ,以深入到 各个领域。 单片机应用在检测、控制领域中 ,具有如下特点。 小巧灵活、成本低、易于产品化。 它能方便地组装成各种智能式测控设备及各种智能仪器仪表；可靠性好 ,适应温度范围宽。 单片机芯片本身是按工业测控环境要求设计的 ,能适应各种恶劣的环境 ,这是其它机种无法比拟的；以扩展 ,很容易构成各种规模的应用系统 ,控制能力强。 单片机的逻辑控制功能很强 ,指令系统有各种控制功能用指令；可以方便地实现多机和分布式控制。 STC89C52 系列 主要性能参数 STC89C52 是一种低功耗，高性能 CMOS 微控制器，具有 8K在系统可编程 Flash存储器。 使用 Armel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容。 片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。 在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU和在系统可编程 Flash，使得 STC89C52 众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 STC89C52 可提供以下标准功能： 8K字节闪存器， 256 字节内部 RAM， 32 个 I/O口线，看门狗定时器， 2 个数据指针， 3 个 16 位定时 /计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。 STC89C51 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 /计数器，串性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它所有部件工作直到下一个中断或硬件复位为止。 基于单片机的电阻炉温度控制系统设计 14 图 10 STC89C52 引脚图 沈阳航空航天大学毕业设计（论文） 15 图 11 STC89C52 内部结构图 P0 口： P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。 当 P1口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。 P0 能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据 /地址的第八位。