基于单片机的电阻炉温度pid控制系统设计

基于单片机的电阻炉温度pid控制系统设计内容摘要：

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 AT89C52芯片、复位电路及时钟电路。 AT89C52单片机： AT89C52是美国 ATMEL公司生产的低功耗，高性能 CMOS8位单片机，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 8051指令系统及引脚。 4K 字节可系统编程的 Flash 程序存储器， 128字节内部 RAM， 32个 I/O口线，看门狗(WDT)，两个数据指针，两 个 16位定时 /计数器，一个 5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路 [12]。 同时， AT89C52停 止 CPU的工作，但允许 RAM、定时 /计数器、串行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，直到下一个硬件复位。 AT89C52 单片机的 引脚说明 [13] VCC：供电电压； GND：接地。 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。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 7 P1是一个带有内部上拉电阻的 8 位准双向 I/0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/0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： /RXD（串行输入口）； /TXD（串行输出口）； /INT0（外部中断 0）； /INT1（外部中断 1）； T0（记时器 0 外部输入）； T1（记时器 1 外部输入）； /WR（外部数据存储器写选通）； /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。 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。 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：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 只有在执行内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 8 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，此引脚也用于施加 12V编程电源（ VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 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。 本设计 STC89C52 单片机的 P1 P1 P1 P17 口接的是四位按键， 口和 口接 LED 显示 ， X1 和 X2 接的是晶振电路， RESET 接复位电路。 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，MCS51 单片机有一个复位引脚 RST，高电平有效。 MCS51 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 [4]。 调整 RC 常数会令对驱动能力产生影响。 复位电路如下图 24 所示： 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 9 图 24 复位电路图 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 25所示： 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN um be r R e v i s i onS i z eBD a t e : 17 Ju n 20 11 S he e t of F i l e : F : \设计 \毕业设计 \设计 \ 99 原理图 \ x d D B D r a w n B y :C730 P FC630 P FY111 .05 9 2M H ZJ1J2J1J2 图 25 时钟振荡电路 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 1MHz24MHz内选择。 电容取 30PF 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 30μF。 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。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 10 温度采集与传感器 图 26 热电偶传感器 温度检测是本次设计前向通道的重要组成部分，它的精确程度将直接影响到控制效果。 因此 ，我们首先要选择合适的测温元件，对温度进行准确的测量。 热电偶的冷锻温度补偿有四种方法： 补偿导线法 ； 冷端补偿法 ； 计算修正法 ； 电桥补偿法 [14]。 补偿导线法： 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 11 图 27 补偿导线法的连接图 冷端补偿法 ： （ 1）将热电偶的冷端置于放有冰水混合物的冰瓶中，使冷端温度保持 0℃ 不变的方法称为冰浴法。 采用这种方法可以消除冷端温 度 t0不等于 0℃ 而引起的误差。 由于冰融化比较快，因而一般只适合在实验室中使用。 （ 2）将热电偶的冷端置于电热恒温器中，恒温器的温度要略高于环境温度的上限。 （ 3）将热电偶的冷端置于恒温的空调 房间中，使冷端温度保持恒定。 计算修正法： 当热电偶的冷端温度 t0 0C 时，由于热端与冷端的温差随冷端的变化而变化，所以测得的热电势 EAB（ t， t0）与冷端为 0 C 时所测得的热电势 EAB（ t， 0C）不等。 若冷端温度高于 0 C，则 EAB（ t， t0） EAB（ t， 0 C）。 可以利用下式计算并修正测量误差： EAB（ t,0C） = EAB（ t,t0） + EAB（ t0,0C） 电桥补偿法： 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 12 图 28 电桥补偿法的接线图 本次设计采用计算修正法。 放大电路 运算放大器使所有的线性电路中最 重要的基本构件。 他在如饮品功率放大器、定时器、稳压器、传感测试电路等领域具有广泛的应用 [15]。 运算放大器这一术语最早应用于在模拟计算机中执行默写数学运算的下限频率为零赫兹的高增益放大器。 这种高增益放大器现在已广泛用于各个方面，即使不再涉及数学运算，但通常仍成为运算放大器或 opamp[15]。 早期的运算放大器使用分立元件，但现在使用集成电路就更为方便了。 电路设计者对集成电路内部元件不感兴趣，而只关心作为一个整体的单元性能。 因此，图 29 所示的符号用来表示运算放大器。 由图可以看出，运算放大器有 2个输入端， 一个输出和连接正、负电源线端子。 +同向输入端反向输入端输出正电源负电源1243 6578 图 29 运算放大器的符号 图 210 运算放大器的封装 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 13 温度传感器的选择 传感器是检测系统的第一个环节，其主要作用是将感知的被测非电量按照一定的规律转化为某一量值输出，通常是电信号。 也就是说， 传感器是借检测元件（敏感元件）将被测对象的一种信息按一定的规律转换成另一种信息的器件或装置。 传感器所获取的信息通常有物理量、化学量和生物量等，而经传感器转换后的信息多数为电量，如电阻、电容、电感、电压、电流及频率与相位的变化等， 它是实现自动化检测和自动控制的首要环节 [4]。 传感器将被测信息如温度、压力、流量等转换成电信号输出，一般称为一次变换。 一般情况下经过 一次变换后的信息具有以下特点： （ 1） 输出电信号通常为模拟量； （ 2） 输出电信号一般较微弱； （ 3） 输出电信号的信号噪声比较小，甚至有用信号淹没在噪声之中； （ 4） 传感器的输入输出特性通常存在一定的非线性，并易受环境温度及周围 电磁 干扰的影响； （ 5） 传感器的输出特性与电源的定性等有关，通常要求恒压或恒流供电。 本部分主要是论证温度传感器的选型。 传感器的选择受到很多因素的影响，首先是各种温度传感器自身的优缺 点，其次是各种不同的环境因素，还有就是系统所要求实现的精度等，所以在不同的设计当中温度传感器的选择也将不同 [16]。 方案一：热电偶传感器 热电偶传感的原理是将温度变化转换为电势变化。 它是利用两种不同材料的金属连接在一起，构成的具有热电效应原理的一种感温元件。 其优点为精确度高、测量范围广、构造简单、使用方便，型号种类比较多且技术成熟等。 目前广泛应用于工业与民用产品中。 热电偶传感器的种类很多，在选择时必须考虑其灵敏度、精确度、可靠性、稳定性等条件。 方案二：热电阻传感器 热电阻传感器的原理是将温度变化转换为电 阻值的变化。 热电阻传感器是中低温区最常用的一种温度传感器。 它的主要特点是：测量精度高，性能稳定。 其中铂热电阻的测量精度是最高的，不仅广泛应用于工业测温，而且被制作成标准的基准仪。 从热电阻的测温原理可以知道，被测温度的变化是直接通过热电阻阻值的变化来表现的。 因此，热电阻的内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 14 引出线的电阻的变化会给测温带来影响。 为消除引线电阻的影响，一般采用三线制或四线制。 热电阻测温系统一般由热电阻、连接导线、显示仪表组成。 方案三：半导体集成模拟温度传感器 半导体 IC温度传感器是利用半导体 PN 结的电流、电压与温度变换关系来测温 的一种感温元件。 这种传感器输出线性好、精度高，而且可以把传感器驱动电路、信号处理电路等，与温度传感器部分集成在同一硅片上，体积小，使用方便，应用比较广泛的有 AD590等。 IC温度传感器在微型计算机控制系统中，通常用于室温或环境温度的检测，以便微型计算机对温度测量值进行补偿。 方案四：半导体集成数字温度传。