【正文】 temperature control. The hardware principle and software case fig are described. Some important techniques in a design scheme of the hardware and the software of the temperature control by singlechip microputer are introduced. The system mostly takes 89C51 singlechip microputer as core, it is structured by temperature testing circuit, A/D switch circuit, zero passage testing circuit, warning and indication circuit, opticalelectrical isolation and power amplifier circuit and so on.The main content of this design is temperature testing circuit that uses AT89C51 singlechip microputer .It is a part of the whole design that cannot be lacked. The system is used to collect and control temperature in real time. The temperature automatic control system based on singlechip microputer is described in the article including system scheme，parts of an apparatus choice, theoretical analysis，the design of hardware and software, system testing，and the main technical performance parameters． Key Words：Single—Chip Microputer Temperature sensor Temperature collecting Temperature controlling PID algorithm 目 錄1 前言 12 系統(tǒng)方案設(shè)計 2 課題要求與內(nèi)容 2 總體方案設(shè)計 2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 3 具體設(shè)計考慮 3 硬件和軟件功能劃分 43 系統(tǒng)硬件的設(shè)計 5 微處理器 5 溫度檢測電路設(shè)計 6 溫度控制電路設(shè)計 10 12 134 系統(tǒng)軟件的設(shè)計 16 軟件設(shè)計概述 16 程序的總體設(shè)計 16 系統(tǒng)資源分配 16 17 17 按鍵處理子程序 18 標(biāo)度變換 20 20 定時中斷子程序 22 PID控制算法 23 控制面板的設(shè)計 26 控制面板的介紹 26 控制面板的功能 275 系統(tǒng)調(diào)試 285．1 硬件調(diào)試方法 285．1．1 聯(lián)機調(diào)試 285．1．2 脫機調(diào)試 295．2 軟件調(diào)試方法 29結(jié) 論 31致 謝 32參考文獻 33附 錄 34 1 前 言 電加熱爐隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)水平的提高，已經(jīng)在冶金、化工、機械等各類工業(yè)控制中得到了廣泛的應(yīng)用，并且在國民經(jīng)濟中占有舉足輕重的地位。但用AT89C51單片機設(shè)計的溫度檢測電路是本次設(shè)計的主要內(nèi)容，是整個單片機溫度控制系統(tǒng)設(shè)計中不可缺少的一部分，該系統(tǒng)對溫度進行了實時采集與檢測。畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文)題 目 加熱爐溫度控制器的設(shè)計 摘 要本文主要從硬件和軟件兩方面介紹了如何運用MCS51單片機設(shè)計加熱爐的溫度控制系統(tǒng)，說明了怎么實現(xiàn)對加熱爐溫度的控制，并對硬件原理圖和程序流程圖作了簡潔的描述。還介紹了在加熱爐溫度控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計中的一些主要技術(shù)關(guān)鍵環(huán)節(jié),該系統(tǒng)主要以AT89C51單片機為核心,由LED顯示電路，鍵盤輸入電路，溫度檢測電路,模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路, 過零檢測電路, 報警與指示電路, 光電隔離與功率放大電路等構(gòu)成。本設(shè)計介紹的單片機溫度自動控制系統(tǒng)的主要內(nèi)容包括：系統(tǒng)方案、元器件選擇、系統(tǒng)理論分析、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、系統(tǒng)調(diào)試及主要技術(shù)性能參數(shù)。對于這樣一個具有非線性、大滯后性、大慣性、時變性、升溫單向性等特點，很難用數(shù)學(xué)方法建立精確的數(shù)學(xué)模型，因此用傳統(tǒng)的控制理論很難達到良好的控制效果。近年來，由于單片機技術(shù)的運用與發(fā)展以及各種先進控制理論的形成，為我們開拓新的控制技術(shù)提供了條件。因此，加熱爐的溫度控制系統(tǒng)以單片機為核心，運用先進的控制算法如：PID控制算法，就可以省去建立繁瑣的數(shù)學(xué)模型，而且控制系統(tǒng)更加穩(wěn)定與精確。其中，PID是比例（P）、積分（I）和微分（D）3個控制作用的組合。在調(diào)節(jié)器中，與給定值進行比較，然后把比較出的差值經(jīng)PID運算后送到執(zhí)行機構(gòu)，改變進給量，以達到調(diào)節(jié)的目的。由于計算機運行速度快，被控對象變化一般比較慢，因此，用一臺計算機可以控制幾個到幾十個回路，進而大大的節(jié)省設(shè)備費用。使用計算機不僅能實現(xiàn)經(jīng)典的PID控制，而且還可以采用直接數(shù)字控制。由于計算機控制算法是用軟件編寫的一段程序，因此比硬件組成的調(diào)節(jié)器具有更高的可靠性，且系統(tǒng)維護簡單。（5） 生產(chǎn)安全，可改善工人勞動條件。2 系統(tǒng)方案設(shè)計 課題要求與內(nèi)容溫度是工業(yè)控制中主要的被控參數(shù)之一，特別是在冶金、化工、建材、食品、機械等工業(yè)中，具有舉足重輕的作用。隨著電子技術(shù)和微型計算機的迅速發(fā)展，微機測量和控制技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)在我們完全可以運用單片機和電子溫度傳感器對某處進行溫度檢測，而且我們可以很容易地做到多點的溫度檢測，如果對此原理圖稍加改進，我們還可以進行不同地點的實時溫度檢測和控制。本次設(shè)計的內(nèi)容為：以89C51單片機為核心，運用PID控制算法，設(shè)計加熱爐溫度控制系統(tǒng)，用于進行金屬的熱處理。金屬熱處理是機械制造中的重要工藝之一，與其他加工工藝相比，熱處理一般不改變工件的形狀和整體的化學(xué)成分，而是通過改變工件內(nèi)部的顯微組織，或改變工件表面的化學(xué)成分，賦予或改善工件的使用性能。而進行金屬熱處理最主要的設(shè)備為加熱爐。根據(jù)工藝要求，系統(tǒng)需實現(xiàn)如下功能和指標(biāo)：1. 加熱爐的溫度控制范圍為0～1000℃。3. 設(shè)定溫度上下限，并有越限報警功能。5. 溫度控制誤差范圍≤177。6. 采用溫度檢測裝置，對加熱爐內(nèi)溫度進行實時檢測。 總體方案設(shè)計根據(jù)加熱爐的功能和指標(biāo)要求，本系統(tǒng)可以從元件級開始設(shè)計，選用89C51單片機為主控機。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)該系統(tǒng)以89C51單片機為核心，由溫度傳感器、運算放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、輸入光電隔離、驅(qū)動電路、鍵盤、LED顯示電路共同組成。溫度傳感器把測量的電阻爐溫度信號轉(zhuǎn)換成弱電壓信號，經(jīng)過信號放大電路，送入低通濾波電路，以消除噪音和干擾，濾波后的信號輸入到A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入89C51單片機。并選用K型熱電偶信號放大器MAX6675對熱電偶檢測的溫度信號進行放大。進行各種操作時有必要的聲、光提示。溫度設(shè)定值及溫度控制的各種參數(shù)由鍵盤輸入。利用X5054作為本系統(tǒng)的看門狗。出于系統(tǒng)安全考慮，需設(shè)定溫度上下限，溫度上下限由鍵盤輸入，并可隨時進行修改，并有越限報警功能。B、溫度控制電路，包括開關(guān)量輸出和電阻絲的驅(qū)動。D、溫度顯示電路。E、報警電路。B、溫度控制的實現(xiàn)，即根據(jù)溫度給定值和采樣值的大小，決定電阻絲的通斷，從而影響加熱溫度。D、顯示溫度。3 系統(tǒng)硬件的設(shè)計 微處理器在總體方案確定之后，首要的任務(wù)是選擇一臺合適的微型計算機。本次設(shè)計的溫度控制系統(tǒng)精度較高，需要的I/O接口也比較多，因此采用AT89C51單片機作為本系統(tǒng)的微處理器。片內(nèi)含4k bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲器和128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），可以按照常規(guī)方法進行編程，也可以在線編程。因此此單片機完全能滿足溫度控制系統(tǒng)的要求。 P1口（1－8）：P1口是從內(nèi)部提供上拉電阻器的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收和輸出4個TTL門電流。 P3口（10－17）：P3口是8個帶有內(nèi)部上拉電阻器的雙向I/O口，可接收和輸出4個TTL門電流，P3口也可作為AT89C51的特殊功能口。當(dāng)振蕩器復(fù)位時，要保持RST引腳2個機器周期的高電平時間。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6，它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的，要注意的是，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過1個ALE脈沖。在由外部程序存儲器取值期間，每個機器周期2次PSEN有效，但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這2次有效的PSEN信號將不出現(xiàn)。FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。 XTAL2（18）：來自反向振蕩器的輸出。本系統(tǒng)要求對加熱爐內(nèi)溫度進行實時采集與檢測，在充分保證安全的情況下對待加工器件進行熱處理。經(jīng)固定周期T對加熱爐內(nèi)溫度進行檢測，實現(xiàn)加熱功能，并使系統(tǒng)安全穩(wěn)定。10℃，為滿足設(shè)計要求選用K型熱電偶溫度傳感器。3%— mm0—10000—1300　〉400℃177。其優(yōu)點是：①測量精度高。②測量范圍廣。③構(gòu)造簡單，使用方便。此K型熱電偶溫度傳感器的測溫基本原理是：將兩種不同材料的導(dǎo)體A和B焊接起來，構(gòu)成一個閉合回路，當(dāng)導(dǎo)體A和B的兩個執(zhí)著點1和2之間存在溫差時，兩者之間便產(chǎn)生電動勢,因而在回路中形成一個大小的電流,這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。由于熱電偶溫度傳感器的材料一般都比較貴重，而測溫點到儀表的距離都很遠，為了節(jié)省熱電偶材料，降低成本，通常采用補償導(dǎo)線把溫度傳感器熱電偶的冷端（自由端）延伸到溫度比較穩(wěn)定的控制室內(nèi)，連接到 儀表端子上。因此，還需采用其他修正方法來補償冷端溫度t0≠0℃時對測溫的影響。2 溫度傳感器信號轉(zhuǎn)換設(shè)備的選擇由于溫度傳感器測量的溫度信號為模擬信號，且測量信號比較微弱，因此必須要對此溫度信號進行處理。因此要進行溫度的檢測，溫度傳感器信號轉(zhuǎn)換設(shè)備必不可少。因此系統(tǒng)不穩(wěn)定，并且由于中間環(huán)節(jié)過多，影響系統(tǒng)的控制精度。MAX6675是MAXIM公司開發(fā)的一種K型熱電偶信號轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器集信號放大、冷端補償、A/D轉(zhuǎn)換于一體，直接輸出溫度的數(shù)字信號，使溫度測量的前端電路變得十分簡單。因此，MAX6675簡化了溫度控制系統(tǒng)中熱電偶測溫電路的設(shè)計，實際運行結(jié)果表明，該測溫系統(tǒng)抗干擾能力強、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高，測量精度滿足要求。MAX6675的測溫范圍0℃～1024℃，主要功能特點如下：　　1 直接將熱電偶信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號　 2 具有冷端補償功能　　3 簡單的SPI串行接口與單片機通訊　　4 12位A/D轉(zhuǎn)換器、℃分辨率　　5 單一+5V的電源電壓　 6 熱電偶斷線檢測　 7 工作溫度范圍20℃～+85℃ MAX6675采用SO8封裝形式，有8個引腳，其功能如下： VCC 接+5V電壓 GND 接地 T 接熱電偶負極T+ 接熱電偶正極 SCK 串行時鐘輸入端 CS 片選端，能啟動串行數(shù)據(jù)通訊 SO 串行數(shù)據(jù)輸出端 NC 未用 MAX6675的引腳如圖所示：圖31 MAX6675引腳圖 　　MAX6675是一復(fù)雜的單片熱電偶數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示。其工作原理如下：K型熱電偶產(chǎn)生的熱電勢，經(jīng)過低噪聲電壓放大器A1和電壓跟隨器A2放大、緩沖后，得到熱電勢信號U1，再經(jīng)過S4送至ADC。U1=(41μV/℃)(TT0)　　上式中，U1為熱電偶輸出電壓（mV），T是測量點溫度；T0是周圍溫度。通過冷端溫度補償二極管，產(chǎn)生補償電壓U2經(jīng)S4輸入ADC轉(zhuǎn)換器。這就是MAX6675進行冷端溫度補償和測量溫度的原理。MAX6675從SPI串行接口輸出數(shù)據(jù)的過程如下：單片機使CS置為低電平，并提供時鐘信號給SCK，由SO讀取測量結(jié)果。將CS變低在SO端輸出第一個數(shù)據(jù)，一個完整串行接口讀操作需16個時鐘周期，在時鐘的下降沿讀16個輸出位，第1個輸出位是D15，是一偽標(biāo)志位，并總為0；D14位到D3位為以MSB到LSB順序排列的轉(zhuǎn)換溫度值；D2位平時為低，當(dāng)熱電偶輸入開放時為高，開放熱電偶檢測電路完全由MAX6675實現(xiàn)，為開放熱電偶檢測器操作，T必須接地，并使接地點盡可能接近GND腳；D1位為低以提供MAX6675器件身份碼，D0位為三態(tài)標(biāo)志位。具體的電路原理圖如下：33溫度檢測電路圖此溫度檢測電路的工作原理可簡單理解為：鎳鉻—鎳硅溫度傳感器檢測到的溫度信號經(jīng)MAX6675運算放大、處理后輸入89C51單片機，單片機根據(jù)檢測到的溫度數(shù)據(jù)對溫度進行顯示與控制。通過選擇合理的加熱原件、溫度控制原件及其他輔助原件，對加熱爐的溫度進行控制，從而實現(xiàn)加熱爐的加熱功能。根據(jù)加熱爐的加熱范圍（0℃—1000℃）及加熱最高溫度（℃），本系統(tǒng)選用的加熱電阻為：鐵鉻鋁高電阻電熱合金。在高溫下耐腐蝕性好，且價格低廉，是工業(yè)電爐理想的發(fā)熱材料。因此，對雙向可控硅的