【正文】 儀表進行手工電動操作，這種操作方式勞動強度大、控制粗糙、節(jié)能效果差，溫度采集方法不僅費時費力，而且精度差，已不能滿足高精度、高速度的控制要求，單片機的出現(xiàn)使得溫度的采集和數(shù)據(jù)處理問題能夠得到很好的解決。 課題研究的目的及意義 加熱爐是將物料或工件加熱的設(shè)備。因此對數(shù)據(jù)采集的精度和采用的控制方法也不相同。 隨著新技術(shù)的不斷開發(fā)與應(yīng)用，近年來單片機發(fā)展十分迅速，一個以微機應(yīng)用為主的新技術(shù)革命浪潮正在蓬勃興起，單片機的應(yīng)用已經(jīng)滲透到電力、冶金、化工、建材、機械、食品、石油等各個行業(yè)。如在日趨發(fā)達的工業(yè)之中，利用測量與控制溫度來保證生產(chǎn)的正常運行。 本文爐溫在控制過程中主要應(yīng)用AT89C5ADC080LED顯示器、LM324比較器，而主要是通過 DS18B20數(shù)字溫度傳感器采集環(huán)境溫度，以單片機為核心控制部件，并通過四位數(shù)碼管顯示實時溫度的一種數(shù)字溫度計。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人授權(quán)　　 　 　大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。采用單片機來對他們控制不僅具有控制方便，簡單和靈活性大等優(yōu)點，而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標，從而能夠大大的提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。因此溫度一詞在生產(chǎn)生活之中出現(xiàn)的頻率日益增多，與之相對應(yīng)的，溫度控制和測量也成為了生活生產(chǎn)中頻繁使用的詞語，同時它們在各行各業(yè)中也發(fā)揮著重要的作用。溫度的測量及控制對保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、節(jié)約能源、生產(chǎn)安全、促進國民經(jīng)濟的發(fā)展起到非常重要的作用。然而所采用的測溫元件和測量方法也不相同；產(chǎn)品的工藝不同，控制溫度的精度也不相同。這些控制技術(shù)大大的提高了控制精度，不但使控制變得簡便，而且使產(chǎn)品的質(zhì)量更好，降低了產(chǎn)品的成本，提高了生產(chǎn)效率。但對于加熱爐這樣一個具有非線性、大滯后、大慣性、時變性、升溫單向性等特點的控制對象，很難用數(shù)學(xué)方法建立精確的數(shù)學(xué)模型，一方面耗能大另一方面控制起來困難，因此用傳統(tǒng)的控制理論和方法很難達到好的控制效果，一直是自動化生產(chǎn)中急需解決的問題之一。 課題研究的內(nèi)容及要求 本文所要研究的課題是基于單片機的加熱爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計，主要是介紹了對加熱爐溫度的顯示、控制及報警，實現(xiàn)了溫度的實時顯示及控制。它具有微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強、易配微處理器等優(yōu)點，特別適合于構(gòu)成多點的溫度測控系統(tǒng)，可直接將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號供微機處理，而且每片DS18S20都有唯一的產(chǎn)品號，可以一并存入其ROM中，以便在構(gòu)成大型溫度測控系統(tǒng)時在單線上掛接任意多個DS18S20芯片。 2）以單片機為主機，使溫度傳感器通過一根口線與單片機相連接，再加上溫度控制部分和人機對話部分來共同實現(xiàn)溫度的監(jiān)測與控制。 4）用單片機AT89C51控制，通過按鍵來控制爐溫的設(shè)定值，數(shù)值采用數(shù)碼管顯示。采取溫度控制系統(tǒng)的方法是：首先,通過設(shè)置按鍵,設(shè)定恒溫運行時的溫度值，,在運行過程中將采樣的溫度模擬量送入A/D轉(zhuǎn)換器中進行模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換，再將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量用數(shù)碼管進行顯示，最后用單片機來控制加熱爐,進行加熱或停止加熱，直到能在規(guī)定的溫度下恒溫加熱。采用以單片機為控制核心的控制系統(tǒng)，大大提高了系統(tǒng)的智能化，也使得系統(tǒng)所測得結(jié)果的精度大大提高。它以體積小、功能全、價格低等特點，贏得了廣泛的應(yīng)用，同時一些與單片機有關(guān)公司都爭相推出各自的單片機。 1982年Mostek公司和Intel公司先后又推出了性能更高的16位單片機MK68200和MCS96系列，NS公司和NEC公司也分別在原有8位單片機的基礎(chǔ)上推出了16位單片機HPC16040和μPD783系列。 縱觀這短短的20年，經(jīng)歷了4次更新?lián)Q代，單片機正朝著集成化、多功能、多選擇、高速度、低功耗、擴大存儲容量和加強I/O功能及結(jié)構(gòu)兼容的方向發(fā)展。 下面我們就來重點介紹一下本畢業(yè)論文討論的系統(tǒng)所用的AT89C51系列單片機。 AT89C51基本功能描述如下：AT89C51是一種低損耗、高性能、CMOS八位微處理器，而且在其片種還有4k字節(jié)的在線可重復(fù)編程快擦快寫程序存儲器，能重復(fù)寫入/擦除1000次，數(shù)據(jù)保存時間為十年?？捎?V電壓編程，而且寫入時間僅10毫秒, 僅為8751/87C51 的擦除時間的百分之一，與8751/87C51的12V電壓擦寫相比, 不易損壞器件, 沒有兩種電源的要求，改寫時不拔下芯片，適合許多嵌入式控制領(lǐng)域。 AT89C51有間歇、掉電兩種工作模式。該芯片內(nèi)RAM和特殊功能寄存器值保持不變, 一直到掉電模式被終止。下面說明控制器和運算器。在TXAL1和XTAL2兩端跨接由石英晶體及兩個電容構(gòu)成的自激振蕩器，如圖21所示。圖21 時鐘電路本設(shè)計考慮系統(tǒng)的獨立完整性，選用內(nèi)部時鐘方式，石英震蕩頻率選用12MHZ，ALE信號頻率為2MHZ。3. 程序存儲器及數(shù)據(jù)存儲器1）程序存儲器對AT89C51芯片來說，片內(nèi)有4K字節(jié)ROM/EPROM，片外可擴展60K字節(jié)EPROM，片內(nèi)和片外程序存儲器統(tǒng)一編址。4 . 定時器AT89C51單片機的內(nèi)部有兩個16位可變成定時器0（T0）和定時器1（T1），它們都有定時或是事件計數(shù)的功能，可用于定時控制、延時、對外部事件計數(shù)和檢測等場合。5 . 中斷系統(tǒng)AT89C51單片機有五個中斷請求源。 AT89C51的復(fù)位電路AT89C51單片機通常采用上電自動復(fù)位和開關(guān)手動復(fù)位兩種方式。如圖23所示，下面介紹主要引腳的名稱和功能：1）主電源引腳Vcc和VssVcc：接+5V電源。在采用外部時鐘電路時，對于HMOS單片機上，此引腳必須接地；對AT89C51單片機，此引腳作為驅(qū)動端。圖23 AT89C51主要引腳圖3）控制信號引腳RST/、ALE/、和/RST/：復(fù)位/備用電源輸入端。在EOROM編程時，從P0口輸入指令字節(jié)；在驗證程序時，則輸出指令字節(jié)（驗證時，要接上拉電阻）。P1口能驅(qū)動4個LSTTL負載?！篜3是8位準雙向I/O端口。P3口能驅(qū)動4個LSTTL負載。由于本設(shè)計采用大量溫濕度傳感器，所以一片AT89C51芯片是不夠用的，所以要對AT89C51的數(shù)據(jù)存儲器進行擴展，因此，選用6264數(shù)據(jù)存儲器一片。對于方式0，如果不要設(shè)定C口的聯(lián)絡(luò)信號，則只需要設(shè)置方式控制字；如果要設(shè)定C口的某些位為聯(lián)絡(luò)信號，則只需設(shè)置C口的位置/復(fù)位控制字。2） 尋址線尋址線、和，用于選擇8255的三個端口和控制寄存器。當有效時，和的四種組合00、011分別選擇A、B、C、口和控制寄存器，所以一片8255A共有4個I/O地址。當為低電平時，表示CPU對8255A進行寫操作。4） 電源和地線采用單一+5V電源。對8255初始化的程序如下：MOV A ，80H ；置方式控制字 方式0MOV DPTR，6003H ；指向8255口地址MOVX DPTR A本設(shè)計采用8255的A口B口連接LED顯示器，用C口進行報警和相應(yīng)設(shè)備的啟動，所以PA口PB口PC口的地址分別為6000H，6001H和6002H。ADC0809芯片的引腳如圖26所示，引腳功能說明如下；圖26 ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖~：8路模擬信號輸入端。ALE端可與START端接在一起，通過軟件輸入一個正脈沖，可立即啟動A/D轉(zhuǎn)換。（—）：參考電壓負端。下面介紹兩種最常用的方式：查詢方式和中斷方式。在讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果時。所以本設(shè)計中A/D轉(zhuǎn)換器連接成查詢方式。共模輸入范圍包括負電源，因而消除了在許多應(yīng)用場合中采用外部偏置元件的必要性。對于比例電路，在實際應(yīng)用中可分為以下幾種，下面也做一些簡單的介紹。電路的輸入電阻很大，可達100M以上；輸出電阻很小可視為零，因此有較強的帶負載能力。每擴展一片164就可增加一位顯示。LED數(shù)碼管顯示清晰、成本低廉、配置靈活，與單片機接口簡單易行。共陰極LED顯示器的發(fā)光二極管的陰極連在一起，通常此共陰極接地。 LED數(shù)碼管的使用與發(fā)光二極管相同，～2V，額定電流為10MA，最大電流為40MA。因此，在溫度測量系統(tǒng)中，采用抗干擾能力較強的新型數(shù)字溫度傳感器是解決這些問題的最有效的方案。3．DS18S20通過1Wire174。C至+125176。176。7．DS18S20具有負載特性，當電源極性接反時，芯片不會因發(fā)熱而燒毀，但是不能正常的工作。原理框圖如213所示。其中，將溫度轉(zhuǎn)化為電量的溫度電壓轉(zhuǎn)換由溫度傳感器熱敏電阻實現(xiàn)，小信號放大由橋式放大電路實現(xiàn)，A/D轉(zhuǎn)換選擇模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809，將采集到的溫度模擬信號轉(zhuǎn)換為AT89C51能夠處理的二進制數(shù)字信號。根據(jù)奈奎斯特采樣定理，對于采樣信號x(t)，如果采樣頻率fs大于或等于2fmax(fmax為x(t)最高頻率成分)，則可以無失真地重建恢復(fù)原始信號x(t)。3．量化是將連續(xù)幅度的抽樣信號轉(zhuǎn)換成離散時間、離散幅度的數(shù)字信號，量化的主要問題就是量化誤差。數(shù)碼管作為單片機系統(tǒng)最為常用的輸出器件，在顯示時可以由數(shù)字和少量字母組合完成輸出功能的系統(tǒng)中應(yīng)用十分方便。在此外接了一個10K的排阻來保護LED。系統(tǒng)的主程序流程圖如圖31，當有信號輸入時，主程序啟動，根據(jù)內(nèi)部設(shè)定的條件逐步運行，達到設(shè)計目的。NYN中 斷=0?=0?=0?=0?轉(zhuǎn) IR1轉(zhuǎn) IR4轉(zhuǎn) IR2轉(zhuǎn) IR3返 回NYNYY圖33 按鍵流程圖 顯示流程圖 圖34為系統(tǒng)的顯示流程圖。第4章 系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)論分析單片機應(yīng)用系統(tǒng)樣機組裝好以后，便可進入系統(tǒng)的在線（聯(lián)仿真器）調(diào)試，其主要任務(wù)是排除樣機硬件故障，并完善其硬件結(jié)構(gòu)，試運行所設(shè)計的程序，排除程序錯誤，優(yōu)化程序結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)達到期望的功能，進而固化軟件，使其產(chǎn)品化。2．元器件損壞：由于對元器件使用要求的不熟悉及制作調(diào)試過程中操作不當致使器件損壞。解決方法：電源必須單獨調(diào)試好以后才能加到系統(tǒng)的各個部件中。應(yīng)特別注意電源的走線，防止電源之間的短路和極性錯誤，并重點檢查擴展系統(tǒng)總線（地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線）是否存在相互間的短路或與其它信號線的短路。若讀出寫入內(nèi)存不一致，則可能是地址數(shù)據(jù)線短路，試寫入不同的數(shù)據(jù)觀察讀出結(jié)果，或縮小對RAM的讀寫范圍，檢查對RAM中其它區(qū)域的影響，這樣可初步對地址數(shù)據(jù)線短路錯誤定位，再用萬用表、示波器等進一步確診。通過對錯誤程序的修改使其實現(xiàn)預(yù)期的功能。3．結(jié)果不正確目標系統(tǒng)基本上已能正常操作，但控制有誤動作或者輸出的結(jié)果不正確。1．計算程序的調(diào)試方法計算程序的錯誤是一種靜態(tài)的固定的錯誤，因此主要用單拍或斷點運行方式來調(diào)試。若是算法錯誤，那是根本性錯誤，應(yīng)重新設(shè)計該程序；若是局部的指令有錯，修改即可。綜合調(diào)試一般采用全速斷點運行方式，這個階段的主要工作社排除系統(tǒng)中遺留的錯誤以提高系統(tǒng)的動態(tài)性能和精度。其中光電耦合器MOC3041的作用是將單片機系統(tǒng)與可控硅SCR電路隔開，避免在高壓過程中的干擾信號影響單片機的運行；可控硅SCR的作用是相當于一個固態(tài)的觸點，使之有能力開啟或關(guān)斷電爐，從而控制電爐通斷，以實現(xiàn)對爐溫的實時控制。在單片機應(yīng)用的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了一種用帶有E178。軟件設(shè)計包括用單片機設(shè)計語言設(shè)計控制系統(tǒng)并仿真、實現(xiàn)。當然，這與老師和同學(xué)的熱心幫助也是分不開的。在單片機產(chǎn)生后，我們就將控制這些東西變?yōu)橹悄芑?，我們只需要在單片機外圍接一點簡單的接口電路，核心部分只是由人為的寫入程序來完成。 所以，學(xué)習單片機在我國是有著廣闊前景的。尋求性能可靠、價格低廉，且應(yīng)用廣泛的元器件是生產(chǎn)過程的首先要考慮的問題，因此像本設(shè)計這種控制簡單、精度較高、價格低廉的控制系統(tǒng)會有很好的發(fā)展前景，所以學(xué)好單片機技術(shù)也十分重要。參考文獻[1] [M].，第1版：137156[2] 曹巧媛主編. 單片機原理及應(yīng)用(第二版). 北京:電子工業(yè)出版社,2002[3] 何力民編. 單片機高級教程. 北京:北京航空大學(xué)出版社,2000[4] 金發(fā)慶等編. ,2002[5] 王錦標，方崇智．過程計算機控制．北京：清華大學(xué)出版社，1997；36～40[6] 邵惠鶴．工業(yè)過程高級控制．上海：上海交通大學(xué)出版社，1997；58—62，78—101[7] 胡壽松．自動控制原理．北京：國防工業(yè)出版社，2000；103—124[8] 劉伯春．智能PID調(diào)節(jié)器的設(shè)計及應(yīng)用．電子自動化，1995；(3)：20～25[9] Katsuhiko Ogata．Moden Control Engineering．Publishing house of electronics industry，2000：1 96—202[10] 周潤景，張麗娜．基于PROTEUS 的電路及單片機系統(tǒng)設(shè)計與仿真[M]．北京:航空航天大學(xué)出版社 ,～P326[11] 王忠飛，胥芳．MCS51 單片機原理及嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用[M]．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007．P268273[12] 劉國鈞，陳紹業(yè)，：高等教育出版社，1957[13] 傅承義，陳運泰，：科學(xué)出版社，1985，447[14] Microchip 24C01B/02B 8 位PIC174。大學(xué)時代的老師治學(xué)嚴謹，學(xué)識淵博，思想深邃，視野雄闊，為我營造了一種良好的