基于单片机的加热炉温度控制系统毕业设计论文(编辑修改稿)

基于单片机的加热炉温度控制系统毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微处理器等优点，特别适合于构成多点的温度测控系统，可直接将温度转化成串行数字信号供微机处理，而且每片 DS18S20 都有唯一的产品号，可以一并存入其 ROM 中，以便在构成大型温度测控系统时在单线上挂接任意多个 DS18S20 芯片。 从 DS18S20 读出或写 入 DS18S20 信息仅需要一根口线，其读写及其温度变换功率来源于数据总线，该总线本身也可以向所挂接的 DS18S20 供电，而且不需要额外电源。 同时 DS18S20能提供九位温度读数，它无需任何外围硬件即可方便地构成温度检测系统。 利用本次的设计主要实现： 1）温度测试，温度显示，温度门限设定，超过设定的门限值时自动启动加热装置等功能。 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 4 2）以单片机为主机，使温度传感器通过一根口线与单片机相连接，再加上温度控制部分和人机对话部分来共同实现温度的监测与控制。 用单片机实现其具体控制功能如下： 1） 能够连续测量加热炉的温度值，用十进制数码管来显示炉内的实际温度。 2）能够设定炉内的温度值，设定范围是 0℃ ～ 1000℃。 3）能够实现炉温的自动控制，如果设定温度为 400℃ ，则能使炉温保持恒定在 400℃ 的温度下运行。 4）用单片机 AT89C51 控制，通过按键来控制炉温的设定值，数值采用数码管显示。 课题的研究方案 温度控制系统是比较常见和典型的过程控制系统。 温度是工业生产过程中重要的被控参数之一，当今计算机控制技术在这方面的应用，已使温度控制系统达到自动化、智能化，比过去单 纯采用电子线路进行 PID调节的控制效果要好得多，可控性方面也有了很大的提高。 温度是一个非线性的对象，具有大惯性的特点，在低温段惯性较大，在高温段惯性较小。 采取温度控制系统的方法是： 首先 ,通过设置按键 ,设定恒温运行时的温度值，并且用数码管显示这个温度值 .然后 ,在运行过程中将采样的温度模拟量送入 A/D 转换器中进行模拟 数字转换，再将转换后的数字量用数码管进行显示，最后用单片机来控制加热炉 ,进行加热或停止加热，直到能在规定的温度下恒温加热。 系统框图如下： 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 5 此方案采用 89C51 单片机系 统来实现。 单片机软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种控制算法和逻辑控制。 单片机系统可以用数码管来显示炉温的实际值，能用键盘输入设定值。 采用以单片机为控制核心的控制系统，大大提高了系统的智能化，也使得系统所测得结果的精度大大提高。 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 6 第 2 章 硬件设计 本设计系统的基本组成单元包括：主机、 温度采样单元、单片机控制单元、调节执行单元四部分，本章将逐一进行介绍。 单片机的发展概况 1970 年微型计算机研制成功之后，随之即出现了单片机（即单 片微型计算机） — 美国 Intel公司 1971 年生产的 4 位单片机 4004 和 1972 年生产的雏形 8 位单片机 8008，这也算是单片机的第一次公众亮相。 1976 年 Intel 公司首先推出能称为单片机的 MCS48 系列单片微型计算机。 它以体积小、功能全、价格低等特点，赢得了广泛的应用，同时一些与单片机 有关公司都争相推出各自的单片机。 1978 年下半年 Motorola 公司推出 M6800 系列单片机， Zilog 公司相继推出 Z8 单片机系列。 1980 年 Intel 公司在 MCS48 系列基础上又推出高性能的 MCS51 系列 单片机。 这类单片机均带有串行 I/O 口，定时器 /计数器为 16 位，片内存储容量（ RAM， ROM）都相应增大，并有优先级中断处理功能，单片机的功能、寻址范围都比早期的扩大了，它们是当时单片机应用的主流产品。 1982 年 Mostek 公司和 Intel公司先后又推出了性能更高的 16 位单片机 MK68200 和 MCS96 系列， NS 公司和 NEC 公司也分别在原有 8 位单片机的基础上推出了 16 位单片机 HPC16040 和 μPD783系列。 1987 年 Intel公司又宣布了性能比 8096 高两倍的 CMOS 型 80C196，1988 年推出带 EPROM 的 87C196 单片机。 由于 16 位单片机推出的时间较迟、价格昂贵、开发设备有限等多种原因，至今还未得到广泛应用。 而 8 位单片机已能满足大部分应用的需要，因此，在推出 16 位单片机的同时，高性能的新型 8 位单片机也不断问世。 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 7 纵观这短短的 20 年，经历了 4 次更新换代，单片机正朝着集成化、多功能、多选择、高速度、低功耗、扩大存储容量和加强 I/O 功能及结构兼容的方向发展。 新一代的 80C51 系列单片机除了上述的结构特性外，其最主要 的技特 点是向 外部接 口电路 扩展， 以实现 微控制器（ microcontroller）完善的控制功能为己任。 这一系列单片机为外部提供了相当完善的总线结构，为系统的扩展和配置打下了良好的基础。 由于80C51 系列单片机所具有的一系列优越的特点，获得广泛使用指日可待。 下面我们就来重点介绍一下本毕业论文讨论的系统所用的 AT89C51系列单片机。 AT89C51 系列 单片机介绍 AT89C51 系列基本组成及特性 AT89C51 是一种带 4k 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（ FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能 CMOS8 位微处理器，俗称单片机。 而在众多的 51 系列单片机中，要算 ATMEL 公司的 AT89C51 更实用，也是一种高效微控制器，因为它不但和 8051 指令、管脚完全兼容，而且其片内的 4K 程序存储器是 FLASH 工艺的，这种工艺的存储器，用户可以用电的方式达到瞬间擦除、改写。 而这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。 AT89C51 基本功能描述如下： AT89C51 是一种低损耗、高性能、CMOS 八位微处理器，而且在其片种还有 4k 字节的在线可重 复编程快擦快写程序存储器，能重复写入 /擦除 1000 次，数据保存时间为十年。 它与 MCS51 系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容，不仅可完全代替MCS51 系列单片机，而且能使系统具有许多 MCS51 系列产品没有的功河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 8 能。 AT89C51 可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积 , 增加系统的可靠性，降低了系统成本。 只要程序长度小于 4k, 四个 I/O 口全部提供给用户。 可用 5V 电压编程，而且写入时间仅 10 毫秒 , 仅为8751/87C51 的擦除时间的百分之一，与 8751/87C51 的 12V 电压擦写相比 , 不易损坏器件 , 没有两种电源的要求，改写时不拔下芯片，适合许多嵌入式控制领域。 AT89C51 芯片提供三级程序存储器锁定加密，提供了方便灵活而可靠的硬加密手段 , 能完全保证程序或系统不被仿制。 另外 ,AT89C51 还具有 MCS51 系列单片机的所有优点。 1288 位内部RAM, 32 位双向输入输出线 , 两个十六位定时器 /计时器 , 5个中断源 , 两级中断优先级 , 一个全双工异步串行口及时钟发生器等。 AT89C51 有间歇、掉电两种工作模式。 间歇模式是由软件来设置的 , 当外围器件仍然处于工作状态时 , CPU 可根据工作情况适时地进入睡眠状态 , 内部 RAM 和所有特殊的寄存器值将保持不变。 这种状态可被任何一个中断所终止或通过硬件复位。 掉电模式是 VCC 电压低于电源下限 , 当振荡器停止振动时 , CPU 停止执行指令。 该芯片内 RAM 和特殊功能寄存器值保持不变 , 一直到掉电模式被终止。 只有 VCC 电压恢复到正常工作范围而且在振荡器稳定振荡后，通过硬件复位、掉电模式可被终止。 AT89C51 的工作原理 1 . CPU 的结构 CPU 是单片机内部的核心部分，是单片机的指挥和执行机构，它决定了 单片机的主要功能特性。 从功能上看， CPU 包括两个基本部分：运算器和控制器。 下面说明控制器和运算器。 1）运算器 运算器包括算术逻辑运算部件 ALU、累加器 ACCC、 B 寄存器、暂河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 9 存寄存器 TMP1 和 TMP程序状态寄存器 PSW、 BCD 码运算调整电路等。 2）时钟电路 AT89C51 芯片内部有一个高增益反向放大器，用于构成振荡器。 反向放大器的输入端为 XTAL1，输出端为 XTAL2。 在 TXAL1 和 XTAL2两端跨接由石英晶体及两个电容构成的自激振荡器，如图 21 所示。 电容器 C1 和 C2 通常都取 30pF 左右，选用不同的电容量对振荡频率有微调作用。 但石英晶体本身的标定频率才是单片机振荡频率的决定因素。 其振荡频率范围是 1～ 12MHz。 C1C2X TA L1X TA L2M C S 5 1石英晶体 图 21 时钟电路 本设计考虑系统的独立完整性，选用内部时钟方式，石英震荡频率选用 12MHZ， ALE 信号频率为 2MHZ。 2 . I/O口结构： AT89C51 单片机有 4 个 8 位并行 I/O 接口，记作 P0、 P P2 和 P3，每个端口都是 8 位准双向口，共占 32 根引脚。 每一条 I/O 线都能独立地用作输入或输出。 每个端口都包括一个锁存器（即特殊功能寄存器 P0～P3），一个输 出驱动器和输入缓冲器，作输出时数据可以锁存，作输入时数据可以缓冲，但是这四个通道的功能完全不同。 3. 程序存储器及数据存储器 1）程序存储器 对 AT89C51 芯片来说，片内有 4K 字节 ROM/EPROM，片外可扩展河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 10 60K 字节 EPROM，片内和片外程序存储器统一编址。 在程序存储器中，有 6 个地址单元被保留用于某些特定的地址，如下表21 所示。 2）数据存储器 AT89C51 数据存储器空间也分为内片和外片两大部分，即片内数据存储器 RAM 和片外数据存储器 RAM。 如何区别片内、片外 RAM 空间呢。 片内数据存储器最大 可以寻址 256 个单元，片外最大可扩展 64K 字节 RAM，并且片内使用的是 MOV 指令，片外 64K ROM 空间专门为MOVX 指令所用。 4 . 定时器 AT89C51 单片机的内部有两个 16 位可变成定时器 0（ T0）和定时器1（ T1），它们都有定时或是事件计数的功能，可用于定时控制、延时、对外部事件计数和检测等场合。 表 21 AT89C51 的复位、中断入口地址 入口地址 说明 0000H 复位后， PC=0000H 0003H 外部中断 入口 000BH 定时器 T0 溢出中断入口 0013H 外部中断 入口 001BH 定时器 T1 溢出中断口 0023H 串行口中断入口 它们具有计数和定时两种工作方式以及四种工作模式。 定时器 T0具有方式 0、方式 方式 2 和方式 3 四种工作方式。 T1 具有方式 0、方式 1 和方式 2 三种工作方式。 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 11 5 . 中断系统 AT89C51 单片机有五个中断请求源。 其中，两个外部中断源；两个片内定 时器 /计数器（ T0、 T1）的溢出中断源 TE0 和 TF1；一个片内串行口接受或发送中断源 RI 或 TI。 这些中断请求分别由单片机的特殊功能寄存器 TCON 和 SCON 的相应位锁存。 当几个中断源同时向 CPU 请求中断，要求 CPU 提供服务的时候，就存在 CPU 优先响应哪一个中断请求，于是一些微处理器和单片机规定了每个中断源的优先级别。 AT89C51 的复位电路 AT89C51 单片机通常采用上电自动复位和开关手动复位两种方式。 本设计采用上电复位电路，所谓上电复位，是指单片机只要一上电，便自动地进入复位状态。 在通电瞬 间，电容 C 通过电阻 R 充电， RST 端出现正脉冲，用以复位。 C11 0 0 p FC21 0 u FC31 0 u F1 0 K Ω1+ 5 VR E S E T 图 22 复位电路 AT89C51 的引脚功能 AT89C51 的 40 条引脚中，有 2 条专用于主电源的引脚， 4 条控制和其他电源复用的引脚， 32 条输入 /输出引脚。 如图 23 所示，下面介绍主要引。