炉温测量系统设计与仿真毕业设计开题报告书Word文档格式.docx

炉温测量系统设计与仿真毕业设计开题报告书Word文档格式.docx

《炉温测量系统设计与仿真毕业设计开题报告书Word文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《炉温测量系统设计与仿真毕业设计开题报告书Word文档格式.docx（10页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

温度是反映物体冷热状态的物理参数，对温度的测量在冶金工业、化工生产、电力工程、机械制造和食品加工、国防、科研等领域中有广泛地应用[1]~[2]。

温度是工业对象中主要的被控参数之一。

尤其是在冶金、化工、机械各类工业中，广泛使用各种加热炉、热处理炉、反应炉等。

由于炉子的种类不同，所采用的加热方法及燃料也不相同，如煤气、天然气等。

为了保证生产过程正常安全地进行，提高产品的质量和数量，以及减轻工人的劳动强度，节约能源，对加热用的各种电炉要求温度能够做到实时监控，或者有的电炉的炉温根据工艺要求按照某个指定的升温或保温规律进行调节等等。

因此，在工农业生产或科学实验中常常对温度要不断地测量[3]~[4]，而且要实时的将温度显示出来，以方便对其就行控制。

及时准确地得到温度信息并对其进行适时的控制，在许多工业场合中都是重要的环节，例如冶金、机械、食品、化工各类工业中，广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等，对工件的温度要求严格控制。

对于不同控制系统，其适宜的温度总是在一个范围。

超过这个范围，系统或许会停止运行或遭受破坏，所以我们必须能实时获取温度变化。

对于超过适宜范围的温度能够报警。

在基于热电偶温度控制系统的设计中，应尽量考虑到如何有效地避免各种干扰因素而采用一个较好的控制方案，选择合适芯片是非常有必要的[5]。

温度测量系统在工业中的运用相当广泛,其温度参数在生产过程中的自动控制系统也随着微机单片机可控硅技术在工业控制领域的推广、应用,正朝着高精度、高稳定性、高智能化的方向发展。

本课题采用用51单片机[6]作为主控制芯片，采用带有冷端补偿的温度转换芯片MAX6675、K型热电偶、89C51单片机、液晶等元器件设计出相应温度采集电路、温度转换电路、温度控制电路、超量程报警电路、液晶显示电路。

系统用单片机对带有冷端补偿的温度转换芯片MAX6675进行控制,使用PROTEUS软件[7]完成系统仿真来设计炉温测量系统。

一、单片机采用51单片机[8]~[10]：

（1）使用价格低廉、应用广泛的51系列单片机为控制芯片，可以达到了控制性能好，成本低的目的。

（2）AT89C51单片机[11]~[12]是最早期也最典型的产品，低功耗、高性能、采用CHMOS工艺的8位单片机。

（3）它在硬件资源和功能、软件指令及编程上与Intel80C3X单片机[13]完全相同。

在应用中可直接替换。

（4）在AT89C51内部有FLASH程序存储器，既可用常规的编程器编程，也可用在线使之处于编程状态对其编程。

编程速度很快，擦除时也无需紫外线，非常方便。

（5）AT89C5X系列可认为是Intel80C3X的内核与AtmelFLASH技术的结合体。

它为许多嵌入式控制系统提供了灵活、低成本的解决方案。

二、采用带有冷端补偿的温度转换芯片MAX6675[14]~[16]：

（1）MAX6675是MAXIM公司推出的K型热电偶串行模数转换器，它能独立完成信号放大、冷端补偿、线性化、A/D转换及SPI串口数字化输出功能，大大简化了热电偶测量智能装置的软硬件设计。

（2）MAX6675对其内部元器件参数进行了激光修正，从而对热电偶的非线性进行了内部修正。

同时，MAX6675内部集成的冷端补偿电路、非线性校正电路、断偶检测电路都给K型热电偶的使用带来了极大方便。

（3）MAX6675内部集成有冷端补偿电路；

带有简单的3位串行SPI接口；

可将温度信号转换成12位数字量，温度分辨率达0.25℃；

内含热电偶断线检测电路。

冷端补偿的温度范围-20℃～80℃，可以测量0℃～1023.75℃的温度，基本符合工业上温度测量的需要。

三、采用K型热电偶[17]~[18]:

（1）测量精度高。

因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。

（2）测量范围广。

常用的热电偶从-50~+1600℃均可连续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269℃（如金铁镍铬），最高可达+2800℃（如钨-铼）。

（3）构造简单，使用方便。

热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。

四、PROTEUS仿真软件[19]~[21]：

（1）PROTEUS在单片机CPU外围器件方面表现出的卓越的仿真能力使其成为目前最好的仿真软件之一。

（2）PROTEUS可以仿真8051系列、AVR系列、PLC系列等主要常见系列单片机及外围电路。

（3）PROTEUS提供了数目庞大，门类齐全的各类常见器件库，具有较强的PCB设计功能。

（4）PROTEUS有操作灵活，自动连线等优点，为我们提供了非常好的开发界面。

课题意义：

通过本课题的设计，可以使学生熟悉和巩固单片机的基本知识，学习如何使用K型热电偶和带有冷端温度补偿的温度转换芯片MAX6675检测温度，学习使用LCD1602进行实时温度的显示，学习并掌握单片机C51程序编程方法，学习Keil集成调试软件[22]的使用方法及Proteus仿真软件的使用方法，通过设计和仿真，可以提高单片机的水平，为今后的学习、工作打下基础。

研究现状：

目前的工业系统中，通常用来测量温度的传感器有热电阻温度传感器、热敏电阻、热电偶、半导体温度传感器[23]~[25]等几种。

这些常用温度传感器一般的温度测量中可以满足检测要求。

但在特殊的场合就不能达到的要求。

工业常用的精度较高的温度传感器有铂热电阻、半导体温度传感器等。

铂热电阻具有温度测量范围大、重复性好、精度高等特点，但是响应不是很快，特别是在对气体温度测量时至少要几秒钟，在某些工作环境比较特殊的场合，如高压环境下，还需使用铠装的铂热电阻，更是延缓了热响应速度。

半导体温度传感器分热敏电阻和PN结型温度传感器两种。

热敏电阻非常适合对微弱温度变化的测量，但是缺点是非线性严重；

PN结型的特点是体积小、线性输出、精度高，但是不能使用在液体环境，对气体温度变化响应也较慢[26]~[28]。

所以用温度传感器一般都存在着对气体温度变化响应较慢的问题。

在对温度实时性测量要求比较高的系统，运用常用温度测量方法很难做到对温度的快速测量，对系统的精度影响就很大。

在工业过程控制与生产制造领域普遍使用具有较高测温精度及测温范围的热电偶做测温元件。

在工业标准热电偶中,K型（镍铬-镍硅）热电偶由于具有价格低廉、输出热电势值较大、热电势与温度的线性关系好、化学稳定性好、复制性好、可在1000℃下长期使用等特点,因而是工业生产制造部门应用最广泛的热电偶元件。

但是将热电偶应用在基于单片机的嵌入式系统领域时，却存在着以下几方面的问题[29]~[32]。

①非线性[33]：

热电偶输出热电势与温度之间的关系为非线性关系,因此在应用时必须进行线性化处理。

②冷端补偿:

热电偶输出的热电势为冷端保持为0℃时与测量端的电势差值，而在实际应用中冷端的温度是随着环境温度而变化的，故需进行冷端补偿。

③数字化输出：

与嵌入式系统接口必然要采用数字化输出及数字化接口，而作为模拟小信号测温元件的热电偶显然无法直接满足这个要求。

在许多热工实验中，往往面临热电偶冷端温度问题,不管是采用恒温补偿法（冰点补偿法）还是电桥补偿法,都会带来实验费用较高、实际的检测系统较复杂.难以达到实时测量、接口转换电路复杂等问题,而随着计算机测控技术在工业生产制造领域的普遍应用,温度参数的微机化测量与控制已成为必然趋势。

因此我们必须解决对热电偶测量信号的放大调理、非线性校正、冷端补偿、模数转换、数字输出接口等一系列复杂的问题[34]~[36],以及解决模拟与数字电路硬件设计过程和建表、查表、插值运算等复杂的软件编制过程,以达到使电路简化,成本减少,增加系统可靠性的目的。

课题的主要内容（观点）、创新之处：

111、课题的主要内容：

本课题是设计一种基于高精度K型热电偶传感器的测温系统。

采用带有冷端补偿的温度转换芯片MAX6675、K型热电偶、89C51单片机、LCD等元器件。

系统用单片机对带有冷端补偿的温度转换芯片MAX6675进行控制,要达到任务书中的技术指标，并对系统进行proteus的调试和仿真试验，使其具有良好的实用性能，能够实现对固体表面、液体和气体温度的高精度测量。

主程序包括温度采集电路、温度转换电路、超量程报警电路、LCD显示电路等。

2、课题需解决的主要问题：

（1）基于热电偶炉温测量系统的工作原理

（2）基于51单片机的开发流程

（3）MAX6675的工作原理及操作指令

（4）K型热电偶的工作原理

（5）LCD液晶显示原理和操作指令

（6）C语言编程能力[37]~[39]，软件编程能力和调试能力

（7）论文格式规范化

3、课题可能创新之处：

研究方法、设计方案或论文撰写提纲：

1、系统总体设计框图概述

2、系统功能实现概述

单片机热电偶测温系统能够对被测对象的温度进行准确的测量、实时显示并且超出测温范围能够自动报警，用户可以自己根据工业实际需要设定温度范围，其主要工作过程是热电偶对被测对象进行数据采集，采集的温度数据经过MAX6675内部电路的AD转换、冷端补偿、内部校正；

处理后得到的12位数字温度量以串行方式送给单片机；

单片机将数字量进行软件算法处理；

如果测量温度在测量范围内，最后通过LCD显示出测量温度；

如果超出测量范围由单片机控制使报警电路报警，以达到对被控对象的实时监测和监控的目的。

3、研究方法技术路线

（1）学习基于热电偶的测温系统系统的工作原理

（2）掌握基于51单片机的开发流程

（3）熟练掌握MAX6675的工作原理及操作指令

（4）熟练掌握K型热电偶的工作原理

（5）掌握LCD显示的原理和操作指令

（6）查阅资料，完成直流电机的初步流程图及代码设计

（7）请教导师，帮助解决出现的问题和困难

（8）进行完整的仿真测试，完善设计

完成期限和预期进度：

2013.06.15下达下达毕业设计任务书

2013.07~2012.08外文文献翻译，提交设计任务书，提交毕业设计的开题报告

2013.09~2012.10查阅文献资料，方案研究与可行性论证

2013.10~2012.11确定总体设计方案

2013.11~2012.12硬件设计与实现

2013.12~2013.01软件设计与实现

2014.02~2013.03系统调试与实现，完成仿真和测试，修改和完善，课题总结

2014.03.25中期检查

2014.04~2013.05撰写毕业论文

2014.05.02~05.06毕业设计结题、资格审查

2014.05.14~05.22答辩时间

主要参考资料：

[1]程德福，王君，凌振宝，等.传感器原理及应用[M].北京：

机械工业出版社，2007.103—143.

[2]河道清.传感器与传感器技术[M].北京：

科学出版社，2004.188—201.

[3]杨世兴．郭秀才监测监控系统．北京：

中国电力出版社，2007

[4]陈润泰、许琨．检测技术与智能仪表．长沙：

中南工业大学出版社，1998

[5]蔡美琴．MCS-51系列单片机系统及其应用．北京：

高等教育出版社，1999 

[6]张毅刚，彭喜源，谭晓钧，曲春波.MCS－51单片机应用设计[M].哈尔滨工业大学出版社2001.1.

[7]侯玉宝等.基于Proteus的51系列单片机设计与仿真[M].电子工业出版社，2008

[8]张毅刚，彭喜源，谭晓钧，曲春波.MCS－51单片机应用设计[M].哈尔滨工业大学出版社2001.1.

[9]张齐.单片机应用系