(完整版)基于单片机的电加热炉温度控制系统.doc

(完整版)基于单片机的电加热炉温度控制系统.doc

《(完整版)基于单片机的电加热炉温度控制系统.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《(完整版)基于单片机的电加热炉温度控制系统.doc（35页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

辽宁工业大学

单片机原理及接口技术课程设计（论文）

题目：

加热炉温度控制器设计

院（系）：

电气工程学院

专业班级：

电气122

学号：

120303040

学生姓名：

马驰

指导教师：

（签字）

起止时间：

2015.06.22-2015.07.05

V

本科生课程设计（论文）

课程设计（论文）任务及评语

院（系）：

电气工程学院教研室：

学号

120303040

学生姓名

马驰

专业班级

电气122

课程设计（论文）题目

加热炉温度控制器设计

课程设计（论文）任务

高温加热炉利用煤气加热，通过传感器测量温度，四相5V、1A步进电机调节阀门来调节进气量。

温度控制范围0～1800℃。

设计任务：

1.CPU最小系统设计（包括CPU选择，晶振电路，复位电路）

2.温度传感器及接口电路设计

3.步进电机驱动电路设计

4.程序流程图设计及程序清单编写

技术参数：

1．温度控制范围：

0-1800℃

2．工作电源220V

设计要求：

1、分析系统功能，尽可能降低成本，选择合适的单片机、AD转换器、输出电路等；

2、应用专业绘图软件绘制硬件电路图和软件流程图；

3、按规定格式，撰写、打印设计说明书一份，其中程序开发要有详细的软件设计说明，详细阐述系统的工作过程，字数应在4000字以上。

进度计划

第1天 查阅收集资料

第2天 总体设计方案的确定

第3-4天 CPU最小系统设计

第5天温度传感器及接口电路设计

第6天 步进电机驱动电路设计

第7天 程序流程图设计

第8天 软件编写与调试

第9天设计说明书完成

第10天 答辩

指导教师评语及成绩

平时：

论文质量：

答辩：

总成绩：

指导教师签字：

年月日

注：

成绩：

平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算

摘要

随着计算机技术、控制理论和控制技术的发展，电加热炉的温度控制技术日趋成熟，已经成为工业生产中的一个重要部分。

本设计为基于单片机的电加热炉温度控制系统，通过控制电阻丝两端电压的工作时间，来控制电阻丝的输出平均功率，从而实现对电加热炉温度的自动控制。

系统分为温度测量、A/D转换、单片机系统、键盘操作系统、温度显示电路、D/A转换等若干个功能模块。

该系统具有硬件成本低，控温精度较高，可靠性好，抗干扰能力强等特点。

关键词：

电加热炉；单片机；温度控制；固态继电器；

目录

第1章绪论 1

1.1单片机温度控制系统概况 1

1.2本文研究内容 2

第2章CPU最小系统设计 3

2.1温度控制系统总体设计方案 3

2.2CPU的选择 4

2.3数据存储器扩展 6

2.4复位电路设计 7

2.5时钟电路设计 8

2.6CPU最小系统图 9

第3章温度传感器输入输出接口电路设计 10

3.1温度检测传感器的选择 10

3.2模拟量检测接口电路设计 11

3.3温度检测输出接口电路设计 12

3.4人机对话接口电路设计 15

第4章加热炉温度控制软件设计 16

4.1软件实现功能综述 16

4.2流程图设计 16

4.2.1主程序流程图设计 16

4.2.2模拟量检测流程图设计 17

4.2.3单片机流程图设计 18

4.3程序清单 19

第5章系统设计与分析 25

5.1系统原理图 25

5.2系统原理综述 26

5.3硬件仿真图 27

5.4软件调试结果 28

第6章课程设计总结 29

参考文献 30

第1章绪论

1.1单片机温度控制背景及国内外研究概况概况

温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。

成熟的温控产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，它们只能适应一般温度系统控制，而用于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。

随着我国经济的发展及加入WTO，我国政府及企业对此都非常重视，对相关企业资源进行了重组，相继建立了一些国家、企业的研发中心，开展创新性研究，使我国仪表工业得到了迅速的发展。

随着新技术的不断开发与应用，近年来单片机发展十分迅速，一个以微机应用为主的新技术革命浪潮正在蓬勃兴起，单片机的应用已经渗透到电力、冶金、化工、建材、机械、食品、石油等各个行业。

传统的温度采集方法不仅费时费力，而且精度差，单片机的出现使得温度的采集和数据处理问题能够得到很好的解决。

温度是工业对象中的一个重要的被控参数。

然而所采用的测温元件和测量方法也不相同；产品的工艺不同，控制温度的精度也不相同。

因此对数据采集的精度和采用的控制方法也不相同。

传统的控制方式已不能满足高精度，高速度的控制要求，如温度控制表温度接触器，其主要缺点是温度波动范围大，由于它主要通过控制接触器的通断时间比例来达到改变加热功率的目的，受仪表本身误差和交流接触器的寿命限制，通断频率很低。

近几年来快速发展了多种先进的温度控制方式，如：

PID控制，模糊控制，神经网络及遗传算法控制等。

这些控制技术大大的提高了控制精度，不但使控制变得简便，而且使产品的质量更好，降低了产品的成本，提高了生产效率。

本系统要求有数据处理，显示功能等,被控对象为一阶惯性环节和一阶积分环节的组合，惯性时间常数为2s，开环增益k=10，温度控制范围为50～150℃。

本设计使用单片机作为核心进行控制。

单片机具有集成度高，通用性好，功能强，特别是体积小，重量轻，耗能低，可靠性高，抗干扰能力强和使用方便等独特优点，在数字、智能化方面有广泛的用途。

本系统使用8051单片机，使温度控制大为简便。

1.2本文研究内容

本文主要包括以下内容：

1．以单片机为核心，建立自动控制系统，构建按键、采样、显示以及输出等外围电路，实现整个系统的搭建，建立电加热炉系统的仿真图；

2．画出软件流程图，根据流程图编写程序，并对其进行调试，使其符合系统的具体要求；

3．将所编写的程序下载到单片机中去，对系统进行整体调试，进而实现系统的整个功能，设计出符合实际要求的系统。

2

第2章CPU最小系统设计

2.1温度控制系统总体设计方案

本系统结构框如图2.1所示，系统由8051单片机、温度检测电路、模数转换电路、温度控制电路、8279键盘显示器等组成。

炉内温度由热电阻测温元件和电阻元件构成的桥式电路测量并转换成电压信号送给放大器的输入端，使信号变成0-5V电压信号，再经多路转换开关CD4051将信号送入A/D转换器，将此数字量经过数字滤波，标度转换后，一方面通过LED将炉温显示出来；另一方面，将该温度值与被测温度值比较，根据其偏差值的大小，采用比例微分控制（PID控制），通过固态继电器控温电路控制电炉丝的加热功率大小，从而控制电炉的温度，使其逐渐趋于给定值且达到平衡。

图2.1过程层原理框图

2.2CPU的选择

本文采用8051单片机进行设计。

8051有40条引脚。

其中有2条主电源引脚，2条外接晶体引脚，4条控制或其它电源复用的引脚，32条I/O引脚，如图2.2所示。

由于8051片内数据存储器和程序存储器的地址有限，因此需要扩展。

单片机的40个引脚大致可分为4类：

电源、时钟、控制和I/O引脚。

1.电源:

 ⑴VCC-芯片电源，接+5V；

    ⑵VSS-接地端；

2.时钟:

XTAL1、XTAL2-晶体振荡电路反相输入端和输出端。

3.控制线:

控制线共有4根：

⑴ALE/PROG:

地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲

   ①ALE功能：

用来锁存P0口送出的低8位地址

   ②PROG功能：

片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。

⑵PSEN:

外ROM读选通信号。

 ⑶RST/VPD:

复位/备用电源。

①RST（Reset）功能：

复位信号输入端。

②VPD功能：

在Vcc掉电情况下，接备用电源。

⑷EA/Vpp:

内外ROM选择/片内EPROM编程电源。

①EA功能：

内外ROM选择端。

②Vpp功能：

片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。

4.I/O线：

8051共有4个8位并行I/O端口：

P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。

P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。

图2.28051芯片

2.3数据存储器扩展

本次设计扩展了8K×8位紫外线擦除电可编程只读存储器2764和8K×8位静态随机存储器6264，8051扩展如图2.3所示。

EPROM程序存储器2764简介：

2764是8K*8字节的紫外线镲除、电可编程只读存储器，单一+5V供电，工作电流为75mA，维持电流为35mA，读出时间最大为250ns，28脚双列直插式封装。

各引脚的含义为：

A0-A12为13根地址线，可寻址8K字节；O0-O7为数据输出线；CE为片选线；OE为数据输出选通线；PGM为编程脉冲输入端；VPP是编程电源；VCC是主电源。

图2.38051单片机的外部扩展

2.4复位电路的设计

8051单片机的复位电路有上电复位和手动按钮复位两种形式，RST/VPD端的高电平直接由上电瞬间产生高电平则为上电复位；若通过按钮产生高电平复位信号称为手动按钮复位。

上电瞬间RST端的电位与VCC相同，随着电容充电电流的减小，+5V立即加到了RST/VPD端，该高电平使8051复位。

若运行过程中，需要程序从头开始执行。

按下按钮则直接把+5V加到了RST/VPD端从而复位，这称为手动复位。

在实际应用系统中，有些外围芯片也需要复位，如果这些复位端的复位电平要求与单片机的要求一致，则可以与之相连。

8051复位后，P0—P3四个并行接口全为高电平，其它寄存器全部清零，只有SBUF寄存器状态不确定。

2.5时钟电路设计

时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号。

8051内部有一个高增益反向放大器，用于构成振荡器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。

在XTAL1和XTAL2两端跨接晶体或陶瓷谐振器，就构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部时钟发生器。

见图2.4。

外接晶振时C1、C2值常选择为30pF左右；外接陶瓷谐振器时，C1、C2约为47pF。

C1、C2对频率有微调作用，振荡频率范围是1.2～12MHz。

内部时钟发生器实质是一个二分频的触发器，其输出信号是单片机工作所需的时钟信号。

一般要求，外接的脉冲信号应当是高、低电平的持续时间大于20ns，且频率低于12