基于单片机的电阻炉温控制系统设计 严亮亮副本.docx
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基于单片机的电阻炉温控制系统设计严亮亮副本
基于单片机电阻炉炉温控制系统的设计
姓名：
严亮亮
学号：
1150193120
专业：
电气11-1
指导老师：
吴兴华
摘要
在现代工业生产中，人们需对各类加热炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。
为适应这一需要有必要设计一个性能良好、操作方便的温度控制系统。
课题主要设计一个水温测控系统，控制锅炉中水的温度，选择合适的控制规律，使锅炉中水的温度按预定规律变化，并且能够进行越限报警。
可通过键盘，显示电路设定目标温度和参数。
控制系统按功能分主要包括温度传感器模块、温度显示/设定模块、单片机与上位机通信模块。
系统可通过键盘对电阻炉水温以及恒温时间长短进行预设，单片机根据当前炉内温度和预设温度，根据设定的算法计算出控制量，根据控制量通过PWM控制固态继电器的导通和关闭从而控制电阻丝的导通时间，以实现对炉温的控制。
另外通过单片机的串口与上位机通信，通过上位机软件实时显示当前温度和历史温度并且绘制出温度曲线，让系统的可读性更强，实现了远程监测的功能[2]。
关键词:
电阻炉、LED、PID、温度、单片机
Abstract
Theprojectismainlyaboutdesigningawatertemperaturemonitoringsystemtocontrolthewatertemperatureintheboiler,andchoosingpropercontrolrulestomakewatertemperatureintheboilerchangewithinthepredeterminedpath,withthefunctionofalertingtemperaturerisinglimit.Throughthekeyboardanddisplay,wecansetthegoaltemp.andotherparameters.Controlsystem,accordingtothefunctions,includestemperaturesensormodule,thetemperaturedisplay/settingmodule,atemperaturecontrolmodule,MCUandhostcomputercommunicationmodule.Systemcanpresettheresistancefurnacetemperatureandheatingtimethroughthekeyboard.Single-chipmicrocomputer,accordingtothefurnacetemperatureandpresettemperatureandthesetofalgorithms,calculatesthevolumecontrol,andaccordingtothecontrolvolume,usingthePWMcontrolsolidstaterelaytoswitchonandoffsoastocontroltheresistancewireconductiontimeinordertoachievetemperaturecontrol.InadditionthroughtheserialportofMCUandhostcomputercommunication,throughthePCsoftware,thedevicecanfulfillthereal-timedisplayofcurrenttemperatureandtemperaturehistoryanddrawoutthetemperaturecurve,makingthesystemmorereadable,realizingtheremotemonitoringfunction.
Keywords:
STC89C52,DS18B20,PWM,PC
3.3报警电路设计……………………………………………………………13
5.装置硬件介绍
5.1处理器部分……………………………………………………36
5.1.1关于AT89C52的说明……………………………………37
5.1.2外部引脚的功能…………………………………………37
参考文献…………………………………………………………………47
1绪论
1.1选题意义
随着现代科学技术的迅猛发展，各个领域对温度控制系统的精度、稳定性等的要求越来越高，控制系统也千变万化。
如：
在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造等诸多领域中，人们需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制等等。
而且在我们的日常生活中也使用微波炉、电阻炉、电热水器、空调等家用电器，温度与我们都相关。
可见温度控制电路广泛应用于社会生活的各个领域，所以对温度进行控制是非常有必要和有意义的。
随着电炉广泛应用于各行各业，其温度控制通常采用模拟或数字调节仪表进行调节，但存在着某些固有的缺点。
为适应以上现实需要有必要设计一个基于单片机的性能良好、操作方便的温度控制系统。
1.2系统的主要性能指标
根据生活环境，设计本产品的技术指标为：
①测温范围：
0℃——+99.9℃。
②温度测量精度：
在0～85℃时精度为±0.5℃。
③可设置上限报警值，当温度超限时，发出报警信号。
④电源工作范围：
DC4.5～5.5V。
⑤能够按照设定的温度曲线控温。
1.3主要工作任务
在对各类温度传感器原理介绍的基础上，根据毕业设计实际的任务要求，完成温度传感器芯片的选型，系统芯片的选择，设计出电源电路、显示接口电路、键盘电路、单片机与上位机通信电平转换电路。
根据设定的算法计算出控制量，根据控制量通过控制固态继电器的导通和关闭从而控制电阻丝的导通时间，以实现对炉温的控制[3]。
2系统方案选择和工作原理
2.1系统综述
本文所要研究的课题是基于单片机控制的水炉温度控制系统，主要是介绍了对水箱温度的测控，实现了温度的实时显示及控制。
用DS18B20、STC89C52单片机及LCD的硬件电路完成对水温的实时检测及显示，由DS18B20检测炉内温度，并在LCD1602中显示。
控制器是用STC89C52单片机，根据设定的算法计算出控制量，根据控制量通过控制固态继电器的导通和关闭从而控制电阻丝的导通时间，以实现对炉温的控制。
DS18B20可直接将温度转化成串行数字信号供微机处理，而且每片DS18B20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DS18B20供电，故不需要额外电源。
同时DS18B20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。
本设计主要实现温度测控，温度显示，温度门限设定，超过设定的门限值时自动启动相应的功能。
而且还要以单片机为主机，使温度传感器通过一根口线与单片机相连接，再结合上位机通信部分来共同实现温度的监测与控制。
2．2各模块电路的方案选择及论证
根据题目的基本要求，设计任务主要设计一个水温测控系统，控制锅炉中水的温度，选择合适的控制规律，使锅炉中水的温度按预定规律变化，并且能够进行越限报警。
可通过键盘，显示电路设定目标温度、控制参数、运行等。
2.2.1系统硬件总框图
单
片
机
图2-1系统硬件总框图
2.2.2温度控制模块
根据题目要求，可以用电阻炉进行加热，控制电阻炉的通断频率即可以控制加热的速度。
当水温过高时，关掉电阻炉，即可使水温控制在设定的温度范围内。
对加热控制模块有以下三种方案：
方案一：
采用可控硅来控制加热器有效功率。
可控硅是种半控器件，应用于交流电的功率控制有两种形式：
控制导通的交流周期数达到控制功率的目地；控制导通角以此来控制交流功率。
可以实现对交流电单个周期有效值周期控制，保证系统的动态性能指标合格。
该方案电路稍复杂，需使用光耦合驱动芯片以及变压器等器件。
但该方案可以实现功率的连续调节，因此反应速度快，控制精度高。
方案二：
采用电磁继电器作为控制器件。
电磁继电器是种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流、较低的电压去控制较大电流、较高的电压。
但是电磁继电器开关频率低，不能用于开关频率高的场合。
方案三：
采用固态继电器控制。
使用固态继电器可以很容易地实现控制较高的电压和电流，在正常条件下，工作十分可靠。
继电器无需外加光耦，自身即可实现电气隔离。
固态继电器具有控制电压宽（3～32V）、驱动电流小（5～20mA）、通断延间小（<10ms）等优点，适合通断频率高的控制场合。
分析可知方案三无法精确实现电热丝功率控制，但是采用固态继电器控制省去光耦和交流过零检测电路，并且可以通过算法，利用pwm波控制开关频率，同样可以达到要求的控温精度。
2.2.3温度采集模块
方案一：
选用Harris公司生产的采用激光修正的精密集成温度传感器AD590。
AD590的测温范围是-55℃～+150℃，最大非线性误差为±0.3℃，响应时间仅为20us，重复性误差低至±0.05℃，功耗低，仅为2mW。
此外AD590是温度-电流传感器，对于提高系统抗干扰能力有很大的帮助，但是该器件需要模数转换电路。
方案二：
使用带有A/D单片集成的DS18B20传感器。
DS18B20数字传感器无需其他外加电路，直接就可输出数字量。
可直接与单片机通信，读取测温数据。
具有线路简单，性能稳定体积小的特点，测温范围－55℃～+125℃，固有测温分辨率0.5℃。
比较以上方案，DS18B20传感器直接输出数字信号，结构简单性能可靠，测温范围和测温精度满足设计要求，而且比方案一成本低，所以选择方案三。
2.2.4显示模块
方案一：
采用三个LED八段数码管分别显示温度的十位、个位和小数位。
数码管具有亮度高，寿命长，对外界环境要求低的特点。
然而LED八度数码管引脚排列却不规则，显示时要加驱动电路，硬件电路且复杂。
方案二：
它采用带有字库的12864液晶显示屏。
12864液晶显示屏具有功耗低、轻薄短小无辐射危险，不闪烁，可视面积大，画面效果好，能显示文字和图像，抗干扰能力强。
但是12864价格昂贵。
比较以上方案，方案二是显示温度曲线的首选，但是因为设计会做单片机与上位机通信，通过上位机显示温度曲线，下位机无需再显示温度曲线，考虑经济因素，采用方案三作为显示模块。
2.2.5上位机软件
方案一：
VB是VisualBasic的缩写，是微软公司于1991年推出的以结构化Basic语言为基础，以事件驱动为运行机制的集成开发环境。
从任何标准来说，VB都是世界上使用人数最多的语言——不仅是盛赞VB的开发者还是抱怨VB的开发者的数量。
它源自于BASIC编程语言。
VB拥有图形用户界面（GUI）和快速应用程序开发（RAD）系统，可以轻易的使用DAO、RDO、ADO连接数据库，或者轻松的创建ActiveX控件。
程序员可以轻松的使用VB提供的组件快速建立一个应用程序。
方案二：
VC是VisualC或VisualC++的缩写，也是微软公司推出的，支持C和C++语言。
也就是在VC环境下，可以用C/C++编写代码，然后编译、运行、调试，并最终生成可运行的EXE文件及相关配置。
比较以上两种语言后发现vb相对vc来说更简单易学，编译快速，生成软件体积更小，所以这里选择vb进行上位机编程。
2.3系统各模块的最终方案
根据以上分析，结合器件和设备等因素，采取以下方案：
①采用STC89C51单片机作为控制器，分别对温度采集、LCD显示、温度设定、加热装置、上位机通信进行控制。
②温度测量模块采用DS18B20，此器件的使用可以省去A/D（模数转换）部分。
③电热丝有效功率控制采用固体继电器控制，实现电路简单实用，固体继电器的开关频率可以满足设计要求。
④显示用LCD1602显示屏显示温度值和时间，用数字键和功能设置键实现温度、时间的设置。
⑤上位机采用vb语言编写，因为vb相对来说更简洁、易学，编程界面更友好。
3系统硬件设计
3.1STC89C52构成的最小系统
微型计算机是因工业测控系统数字化，智能化的迫切需求而发展起来的。
STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
它具有以下标准功能：
8kFlash，512RAM，32位I/O接口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。
3.1.1晶振回路
晶振回路主要任务是为STC89C52单片机工作需要的时钟电路提供一个稳定的工作频率。
根据STC89C52单片机时钟周期的要求，回路要选用频率为11.0593MHz的晶振。
晶振回路是由电容和陶瓷谐振器晶振组成的。
作为单片机的时钟源，STC89C51内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，这个放大器的输入和输出端分别是引脚XTAL0与XTAL1,在XTAL0与XTAL1端口接上时钟电源即可构成时钟电路。
电容C1与C2对频率有微调作用。
电容C1与C2尽可能的安装在单片机芯片附近，以减少寄生电容，保证振荡器稳定可靠的工作性。
晶振电路如图3-1所示
图3-1晶振电路
3.1.2复位电路
电路正常工作需要供电电源为5V±5%，即4.85～5.25V。
因为微机电路是时序数字电路，它需要稳定的时钟信号，所以在电源上电时，只有VCC超过4.75V且低于5.25V以及晶体振荡器稳定工作时，复位信号才可以被撤除，微机电路才能开始正常工作。
复位电路第二功能是手动复位。
手动复位需要人为在复位输入端RST上加入高电平，一般采用的办法是在RST端和正电源Vcc之间接一个按钮。
当人为按下按钮时，则Vcc的+5V电平就会直接加到RST端。
复位电路如图3-3所示：
图3-3复位电路
3.2温度采集模块的硬件设计
3.2.1温度传感器DS18B20概述
温度传感器是将温度信号转换为电信号的装置，型号有很多，数字式温度传感器常用的有DS18B20等。
此设计采用的是DS18B20。
DS18B20是DALLAS公司产的一线式数字温度传感器，是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器,在其内部使用了在板（ON-BOARD）专利技术。
被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出；多个DS18B20可以并联到3根或者2根线上，CPU只要一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口比较少，可以节省大量的引线和逻辑电路。
DS18B20内部结构如图3-4所示，主要由四部分组成：
温度传感器，64位ROM、非挥发的温度报警触发器TH与TL、配置寄存器。
DQ为数字信号输入∕输出端；GND为电源地；VCC为外接供电电源[5]。
图3-4DS18B20内部结构框图
DS18B20中的温度传感器完成对温度的测量，用十六位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625℃/lsb形式表达，其中S为符号位。
DS18B20主要特性如下：
①适应更宽的电压范围,电压范围：
3.0～5.5V,在寄生电源方式下可以由数据线供电。
②独一无二的单线接口方式,DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与的双向通讯。
③DS18B20可以支持多点组网功能,多个DS18B20能并联在唯一的三线上,实现组网多点测温等。
3.2.2温度采集模块的硬件设计
当DS18B20正在执行温度转换或从高速暂存器EPPROM传送数据时，工作电流可达1.5mA，这个电流可能会引起连接单总线的弱上拉电阻的不可接受的压降，这需要更大的电流，而此时Cpp（寄生电源储能电容）无法提供，为了保证DS18B20有充足的供电，当进行温度转换或拷贝数据到EEPROM操作时，必须给单总线一个上拉电阻，一般为4.7K的上拉电阻，根据距离远近可以适当调节阻值，距离近时减小阻值，但不能低于2.1K，否则DS18B20将无法复位。
其数据线DQ端接单片机P2.2。
硬件电路如图3-5所示。
图3-5DS18B20接线图
在外部电源供电方式下,DS18B20工作电源由VCC引脚接人,不存在电源电流不足的问题,可以保证转换精度,同时在总线上理论可以挂接任意多个DS18B20传感器,组成多点测温系统。
3.3报警电路设计
报警电路的功能是指在AT89C52单片机的控制下达到声光报警或解除报警的目的。
假若单片机检测实时温度大于设定报警温度时，通过报警电路向报警器发出信号（低电平），声音报警电路接收到有效电平后就自动发出预置的报警声，与此同时报警指示灯发出信号。
报警电路结构如图所示
图3-6报警电路接线图
3.4电源电路设计
系统温度测量的电源为直流电源。
电源是整个系统的地基，他的稳定工作对整个以单片机为核心的系统的内稳定工作起着十分重要的作用。
STC89C52单片机与DS18B20温度传感器芯片工作电压范围是DC4.5～5.5V。
为了使系统安全稳定的工作，还需要设计系统的电源电路。
+220V的交流电压需要经过变压器降到15V左右。
经过桥式整流电路把交流电转变成直流电。
然后的电流经过稳压器LM7805输出稳定的+5V电压。
。
VD1和VD3两个二极管组成一对桥臂；因为二极管的启动电压比较小，所以经过变压器的电压可以使VD1与VD3二极管组成的桥臂在正半周期导通，VD2与VD42个二极管组成的桥臂可在负半周期导通。
稳压器LM7805由三个管脚组成的串联型降压式电源芯片。
Vin是输入端，Vout输出端。
经稳压器LM7805稳压后，输出端输出稳定的+5V直流电压。
电源输出基本不受外输入变动的干扰。
稳压器LM7805电源电路设计如图3-7所示。
图3-7电源电路图
3.5按键电路设计
3.5.1矩阵式键盘的结构与工作原理
在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式。
在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。
这样，一个端口（如P1口）就可以构成4*4=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键（9键）。
由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。
矩阵式结构的键盘显然比直接法要复杂一些，识别也要复杂一些。
列线通过电阻接正电源，并将行线所接的单片机的I/O口作为输出端，而列线所接的I/O口则作为输入。
这样，当按键没有按下时，所有的输入端都是高电平，代表无键按下。
行线输出是低电平，一旦有键按下，则输入线就会被拉低，这样，通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了。
3.5.2矩阵键盘两种扫描方式
①行扫描法
行扫描法又称为逐行（或列）扫描查询法，是一种最常见的按键识别方法，介绍过程如下：
1）判断键盘中有无键按下。
将全部行线置低电平，然后检测列线的状态。
只要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平线与4根行线相交叉的4个按键之中。
若所有列线均为高电平，则键盘中无键按下。
2）判断闭合键所在的位置。
在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。
其方法是：
依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其它线为高电平。
在确定某根行线位置为低电平后，再逐行检测各列线的电平状态。
若某列为低，则该列线与置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键。
②高低电平翻转法
首先让P1口高四位为1，低四位为0,。
若有按键按下，则高四位中会有一个1翻转为0，低四位不会变，此时即可确定被按下的键的行位置。
然后让P1口高四位为0，低四位为1,。
若有按键按下，则低四位中会有一个1翻转为0，高四位不会变，此时即可确定被按下的键的列位置。
最后将上述两者进行或运算即可确定被按下的键的位置。
方法②程序更简洁，这里使用第二种方法“高低电平翻转法”。
硬件连接图如3-8所示：
图3-8矩阵键盘电路
3.6显示电路设计
3.6.1LCD1602简介
液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富、超薄轻巧等优点，因此，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用，现在字符型液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件了。
本系统采用LCD1602液晶显示模块，它可以显示两行，每行16个字符，采用单+5V电源供电，外围电路配置简单，价格便宜，具有很高的性价比。
LCD1602实物图如3-9所示：
图3-9LCD1602实物图
3.6.2LCD1602管脚功能介绍
LCD1602接口引脚及其功能介绍如表3-1所示：
表3-1接口引脚及其功能
引脚号
符号
状态
功能
1
GND
电源地
2
VCC
电源+5V
3
V0
液晶驱动电源
4
RS
输入
寄存器选择
5
R/W
输入
读、写操作
6
E
输入
使能信号
7
DB0
三态
数据总线（LSB）
8
DB1
三态
数据总线
9
DB2
三态
数据总线
10
DB3
三态
数据总线
11
DB4
三态
数据总线
12
DB5
三态
数据总线
13
DB6
三态
数据总线
14
DB7
三态
数据总线（MSB）
15
LEDA
输入
背光+5V
16
LEDK
输入
背光地
主要管脚介绍：
V0：
液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度是最弱的，接地电源时对比度是最高的，对比度过高时会产生影响，所以可以通过一个10K的电位器调整对比度。
RS：
寄存器选择，高电平时选择数据寄存器；低电平时选择指令寄存器。
R/W：
当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址；当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。
E：
使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。
LCD1602控制指令如表3-2所示：
表3-2LCD1602控制指令
指令
功能
清屏
清DDRAM和AC值
输入方式设置
设置光标、画面移动方式
显示开关控制
设置显示、光标及闪烁开、关
光标、画面位移
光标、画面移动，不影响DDRAM
功能设置
工作方式设置（初始化指令）
CGRAM地址设置
设置CGRAM地址。
A5~A0=0~3FH
DDRAM地址设置
DDRAM地址设置
读BF及AC值
读忙标志BF值和地址计数器AC值
写数据
数据写入DDRAM或CGRAM内
读数据
从DDRRAM或CGRAM数据读出
清屏指令如表3-3所示：
表3-3LCD1602控制指令
RSR/W
DB7DB6DB5DB
升级会员 