基于單片機的爐溫控制系統(tǒng)設(shè)計畢業(yè)設(shè)計(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 特殊功能介紹如下所示： 物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 8 /RXD 串行數(shù)據(jù)接收； /TXD 串行數(shù)據(jù)發(fā)送； /INT0 外部中斷 0 申請； /INT1 外部中斷 1 申請； T0 定時計數(shù)器 0 輸入； T1 定時計數(shù)器 1 輸入； /WR 外部 RAM 寫選通； /RD 外部 RAM 讀選通； 本設(shè)計 STC89C52 單片機的 口和 口接 LED 顯示， X1 和 X2 接的是晶振電路，RESET 接復(fù)位電路。 物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 9 時鐘電路 時鐘電路提供單片機的時鐘控制信號，單片機時鐘產(chǎn)生方式有內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。最常用的是內(nèi)部 時鐘方式，是采用外接晶振和電容組成的。 時鐘振蕩電路如圖 ： 圖 時鐘振蕩電路 系統(tǒng)的時鐘電路設(shè)計是采用的內(nèi)部方式，單片機內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反向放大器，引腳 XTAL1 和引腳 XTAL2 分別是放大器的輸入端和輸出端，由這個放大器與作為反饋元件的片外晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成一個自己振蕩器，這種方式形成的時鐘信號稱為內(nèi)部時鐘方式，即利用芯片內(nèi)部的振蕩電路內(nèi)部振蕩器就產(chǎn)生自激振蕩。定時元件通常采用石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。晶體振蕩頻率可以在 ～ 12MHz 之間選擇，電容值在 5～ 30pF 之間選擇，電容值的大小可對頻率起微調(diào)的作用。電容取 30PF 左右。 XTAL1 是片內(nèi)振蕩器的反相放大器輸入端， XTAL2 則是輸出端。 復(fù)位電路 整個復(fù)位電路包括芯片內(nèi)、外兩部分。外部電路產(chǎn)生的復(fù)位信號 (RST)送至施密特觸發(fā)器，再由片內(nèi)復(fù)位電路在每個機器周期的 S5P2 時刻對施密特觸發(fā)器的輸出進行采樣，然后才得到內(nèi)部復(fù)位操作所需要的信號。按鍵手動復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。本系統(tǒng)采用按鍵電平復(fù)位方式。按鍵電平復(fù)位是通過使復(fù)位端經(jīng)電阻與 Vcc 電源接通而實現(xiàn)的。其電路圖如圖所示 圖 復(fù) 位電路圖 串口通信電路 串口通信的主要功能是完成單片機與上位機的通信，便于進行溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計，為將來系統(tǒng)功能的擴展做好基礎(chǔ)工作。 串行通信的主要功能是實現(xiàn)單片機與 PC機的數(shù)據(jù)交換，當需要進行數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、數(shù)據(jù)分析的時候，可以把數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機，使用上位機進行數(shù)據(jù)處理，并且將數(shù)據(jù)處理的結(jié)果又發(fā)送給單片機。這樣可以大大提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理速度，還可以方便的對單片機進行控制。計算機與外界的數(shù)據(jù)傳送大部分都是串行的，其傳送距離可以從幾米到幾千米。串行口通信原理圖如圖 ： 物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 10 圖 串行口通信 電路圖 報警電路 報警電路的功能是當爐溫值超過系統(tǒng)設(shè)定的最大值或者低于系統(tǒng)設(shè)定的最小值時，都會驅(qū)動單片機的 I/O接口，報警電路發(fā)出聲光警報。由于單片機 I/O 口輸出的電流太小難以驅(qū)動蜂鳴報警器器，所以設(shè)計了蜂鳴器驅(qū)動電路，具體電路連接如圖 ： 圖 報警電路圖 顯示電路 數(shù)碼管是把多個 LED 晶體管顯示段集合在一起的一個具有顯示功能的設(shè)備。他一共有兩種類型，一種類型是共陽型的，還一種類型是共陰型的。陽極作為二極管的正極端，還叫做正極，陰極就是二極管的負極端，也稱作負極。一般的數(shù)碼管分 為 8 段，也就是有 8 段 LED 顯示，這種是為了工程上的應(yīng)用設(shè)計的，分別叫 A、 B、 C、 D、 E、 F、 G、 DP， DP 是小數(shù)點段位。然而多位數(shù)碼管，除 了有一位的公共端是連接在一起的，其他的不同位的數(shù)碼管相同端會連接在一起。數(shù)碼管的動態(tài)顯示原理為：每個數(shù)碼管的相同端連接在一起，他們一起占用了 8 位管線；每個數(shù)碼管的陽極連接在一起。他是利用了人的眼睛的視覺暫留特點，按次序通給每個數(shù)碼管公共端加上有效的信號，這個時候給該數(shù)碼管加有用的數(shù)據(jù)信號，等到全段掃描的速度大于視覺暫留速度時，它就會顯示出來。 設(shè)計中 采用 4位共陰極 LED靜態(tài)顯示方式，選用 7段顯示數(shù)碼管。顯示內(nèi)容有溫度值的千位、百位、十位、個位。由于單片機不能直接驅(qū)動數(shù)碼管顯示，所以必須在單片機與 LED164之間加上 74LS164，它的管腳圖如圖 。 物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 11 圖 74LS164 管腳圖 A 和 B 為 74LS64 的串行輸入端； QAQH 為 74LS64 的并行輸出端； CLK 是串行時鐘輸入端； CLR是串行輸出清零端； VCC： +5V； GND：接地端。 一英寸以下的的 LED 數(shù)碼管內(nèi)，每一筆段含有一只 LED 發(fā)光二極管，導(dǎo)通在串聯(lián)方式中，確定電源電壓 VCC 時，每只 LED 工作電壓通常以 計算， 4 英寸 7 段 LED 數(shù)碼顯示器 LC4141 的每一筆段由四只 LED 發(fā)光二極管按串聯(lián)方式連接而成，因此導(dǎo)通電壓應(yīng)在 78V 之間，電源電壓 VCC 必須取9V 以上。 圖 LED 數(shù)碼管顯示器 數(shù)碼管結(jié)構(gòu)有共陰極和共陽極之分。本設(shè)計采用的是共陰極數(shù)碼管。共陰極公共端接地，高電平有效（燈亮），共陰極數(shù)碼管內(nèi)部發(fā)光二極管的陰極 (負極 )都聯(lián)在一起，此數(shù)碼管陰極 (負極 )在外部只有一個引腳。 LED 顯示電路如下圖 所示。圖中的 P11 和 P10 分別連接 到單片機的 和 引腳，作為時鐘輸入端和數(shù)據(jù)端口。 物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 12 圖 LED 顯示電路 按鍵電路 鍵盤是單片機不可缺少的人機交互設(shè)備，鍵盤上的鍵猶如一個個機械開關(guān)，手按下閉合，手放開鍵釋放，在單片機系統(tǒng)中通常使用的是價格便宜的矩陣鍵盤。矩陣式鍵盤適用于按鍵數(shù)量多的場合，按鍵位于行線和列線的交叉點上。鍵盤上每個鍵都擔負著一項處理功能，所以鍵盤接口對應(yīng)的軟件。鍵盤掃描通常行掃描法和線反轉(zhuǎn)掃描發(fā)，一般是由軟件來實現(xiàn)的，通過程序不停地查找閉合鍵。 在本設(shè)計中采用的是 4 *4 的非編碼鍵盤，其電路圖如 圖 所示，列線由 口控制，行線由 口控制。電路中共 16 個按鍵，其中 0到 9 為數(shù)字鍵， A(設(shè)置鍵 )、 3 個溫度參數(shù)和時間設(shè)置鍵、 E(增加鍵 ) 、 F(減小鍵 )。系統(tǒng)在程序初始化時控制鍵盤行線的 口輸出高電位，控制鍵盤列線的 口輸出低電位，在判斷電路是否有按鍵按下時，讀 端口值，若端口值不是 11110000，則說明電路中有按鍵按下。然后根據(jù)程序進行去抖動處理和計算鍵值。 物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 13 圖 矩陣式鍵盤電路圖 D/A 轉(zhuǎn)換電路 DAC0832 的基本原理是把數(shù)字量的每一位按照權(quán)重轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬分量，然后根據(jù)疊加定理將每一位對應(yīng)的模擬分量相加，輸出相應(yīng)的電流或電壓。 DAC0832 是一個 8位 D/A 轉(zhuǎn)換器。單電源供電，從 +5V～ +15V 均可正常工作。基準電壓的范圍為177。 10V；電流建立時間為 1μ S； CMOS 工藝，低功耗 20mW。 DAC0832 轉(zhuǎn)換器芯片為 20 引腳，雙列直插式封裝，其引腳排列如圖 所示 。 圖 DAC0832 引腳圖 對各引腳信號說明如下： (1) DI7～ DI0：轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸入 (2) CS：輸入片選信號，當?shù)碗娖綍r有效 (3) ILE：輸入數(shù)據(jù)鎖存允許信號，當高電平時有效 (4) WR1：輸入寫信號 1，當?shù)碗娖綍r有效 上述兩個信號控制輸入寄存器是數(shù)據(jù)直通方式還是數(shù)據(jù)鎖存方式；當 ILE=1 和 WR1=0 時，為輸入寄存器直通方式；當 ILE=1 和 WR1=1 時，為輸入寄存器鎖存方式。 (5) WR2：輸入寫信號 2，當?shù)碗娖綍r有效 (6) XFER：輸入數(shù)據(jù)傳送控制信號，低電平有效 (7) Iout1：電流輸出 1。當數(shù)據(jù)為全 1 時， 輸出電流最大，當為全 0 時，輸出電流最小。 (8) Iout2：電流輸出 2 DAC 轉(zhuǎn)換器的特性之一是： Iout1+Iout2=常數(shù)。 (9) Rfb— 反饋電阻端 就是運算放大器的反饋電阻端， 物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 14 (10) Vref：基準電壓。 (11) DGND：數(shù)字地 (12) AGND：模擬地 DAC0832 與單片機 的接法如圖 所示。 圖 D/A 轉(zhuǎn)換電路圖 因為多片 DA 轉(zhuǎn)換器同步輸出 DAC0832 采用雙緩沖方式工作方式， 內(nèi)部兩個寄存器均受控制，轉(zhuǎn)換分兩步： (1) CPU 分時控制輸入寄存器，輸入數(shù)據(jù)。 (2) CPU 同時控制各路的 DAC 寄存器，使得輸入寄存器中的數(shù)據(jù)進入 DAC 寄存器，實現(xiàn)同步轉(zhuǎn)換輸出。 物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 15 第 4 章 軟件設(shè)計 軟件設(shè)計思路 本部分詳細介紹了基于 STC89C52單片機的電阻爐溫度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計。 根據(jù)系統(tǒng)功能，可以將系統(tǒng)設(shè)計分為若干個子程序進行設(shè)計，如溫度采集子程序、 PID控制子程序、報警子程序、顯示子程序、鍵盤掃描子程序、鍵盤處理子程序、 D/A轉(zhuǎn)換子程序等。采用 Keil uVision3集成編譯環(huán)境和 C語言來進行系統(tǒng)軟件的設(shè)計。本章從設(shè)計思路、軟件系統(tǒng)框 圖出發(fā)，先介紹整體的思路，再逐一分析各模塊程序算法的實現(xiàn)，最終編寫出滿足任務(wù)需求的程序。 本系統(tǒng)要完成溫度信號的采集與控制，需要實現(xiàn)溫度信號的采集與 A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)傳輸?shù)然竟δ?。從功能上可將其分為溫度信號采集及?shù)據(jù)處理、人機交互、執(zhí)行三大部分進行設(shè)計。 主程序流程圖 在系統(tǒng)軟件中，主程序依次完成系統(tǒng)初始化、爐溫檢測與處理、 PID控制算法、溫度顯示、鍵盤輸入等，這些都由子程序來完成 。流程圖如圖 。 物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 16 開 始系 統(tǒng) 初 始 化調(diào) 用 溫 度 檢 測 子 程 序調(diào) 用 顯 示 子 程 序測 量 值 大 于 上 限 設(shè) 定 值 ？報 警調(diào) 用 P I D 子 程 序調(diào) 用 鍵 盤 子 程 序D / A 轉(zhuǎn) 換NY 圖 主程序流程圖 溫度檢測與處理子程序 溫度信號采集與處理子程序，主要完成溫度信號采集與 A/D功能、數(shù)據(jù)處理的功能，由芯片MAX6675來完成。溫度信號采集子程序主要包括傳感器初始化、單片機給傳感器寫命令、單片機給傳感器寫數(shù)據(jù)、單片機從傳感器讀數(shù)據(jù)等部分，數(shù)據(jù)處理部分對該數(shù)據(jù)進行處理，主要是把采集到的物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 17 二進制的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成十進制溫度數(shù)據(jù)。流程圖如圖 。 開 始返 回初 始 化溫 度 轉(zhuǎn) 換延 時讀 M A X 6 6 7 5 的 1 6 位 轉(zhuǎn) 換 數(shù) 據(jù)啟 動 新 的 溫 度 轉(zhuǎn) 換計 算 溫 度 數(shù) 值保 存 溫 度 數(shù) 據(jù) 圖 溫度檢測與處理子程序 報警子程序 如果溫度超過了系統(tǒng)限定值，報警子程序響應(yīng)，實現(xiàn)聲光報警功能，并切斷電源。具體流程圖如下圖 。 物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 18 開 始結(jié) 束聲 光 報 警關(guān) 閉 電 源是 否 越 限 ？返 回YN 圖 報警子程序流程圖 PID 子程序 根據(jù)爐溫對給定溫度的偏差，連續(xù)改變電壓的大小，使爐溫控制在穩(wěn)定溫度范圍內(nèi)，以滿足電阻爐溫度的需要。電阻爐的爐溫控制是一個反饋調(diào)節(jié)過程，比較實際爐溫和需要爐溫得到偏差，通過對偏差的處理獲得控制信號，調(diào)節(jié)電阻爐的熱功率，從而實現(xiàn)對電阻爐溫度的控