电烤箱加热控制器.docx
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电烤箱加热控制器
辽宁工业大学
单片机原理及接口技术课程设计（论文）
题目：
电烤箱加热控制器设计
院（系）：
电气工程学院
专业班级：
电气
学号：
学生姓名：
指导教师：
（签字）
起止时间：
2012.06.24-2012.07.06
课程设计（论文）任务及评语
院（系）：
电气工程学院教研室：
学号
学生姓名
专业班级
课程设计（论文）题目
电烤箱加热控制器设计
课程设计（论文）任务
电烤箱由电阻丝加热，功率达5kW。
通过传感器测量温度并调节加热功率。
温度控制范围0～300℃，可设定恒温值。
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.温度传感器选择及接口电路设计
3.温度显示、电热丝驱动电路设计
4.程序流程图及程序清单编写
技术参数：
1．温度控制范围0～300℃，功率达5kW
2．工作电源220V
设计要求：
1、分析系统功能，选择合适的单片机及传感器，温度检测电路设计等；
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4天CPU最小系统设计
第5天传感器选择及其接口电路设计
第6天温度显示、电热丝驱动电路及电源电路设计
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
本设计采用单片机控制。
单片机在日常生活中的运用越来越广泛。
温度控制在工业生产中经常遇到。
单片机温度控制无论是现在还是未来都会起到重要作用。
本文介绍了以AT89C51单片机为核心的电烤箱温度控制系统。
电烤箱的温度控制系统有两个部分组成：
硬件部分和软件部分。
其中硬件部分包括：
单片机电路、传感器电路、放大器电路、转换器电路、以及键盘和显示电路，其中单片机电路包括AT89C51的数据存储器扩展、时钟电路及复位电路的设计。
软件部分包括：
主程序、运算控制程序、以及各功能实现模块的程序。
通过硬件和软件相结合控制实现其控制功能。
关键词：
单片机；温度；电烤箱；控制
第1章绪论
加热控制器概况
随着社会的不断发展，人们对机械的应用也越来越广，进而人们对机械运动的控制要求亦越来越高。
机电控制实现了以电气来控制机械。
单片机的出现使机电控制技术突飞猛进。
单片机在工业控制、仪器仪表、商用商品、家用电器以及计算机接口等领域应用广泛。
加热控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制，有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品的质量，因而设计一种较为理想的加热控制系统是非常有价值的。
根据温度变化快慢，并且控制精度不易掌握等特点，本文电烤箱的加热控制为模型，设计了以AT89C51单片机为检测控制中心的加热控制系统。
加热控制采用PID数字控制算法，显示采用3位LED静态显示。
该设计结构简单，控制算法新颖，控制精度高，有较强的通用性。
据加热控制的特点，本次设计采用AT89C51单片机为控制核心，采用数字PID控制算法。
实现对电烤箱的加热控制。
通过本次设计进一步详细说明单片机控制系统在社会生活中的应用。
为以后进一步应用单片机系统提供帮助。
本文研究内容
设计出CPU最小系统，温度传感器及接口电路并设计温度显示、电热丝驱动电路程序流程图及程序清单。
根据要求设计电烤箱由电阻丝加热，功率达5kW。
通过传感器测量温度并调节加热功率。
温度控制范围0～300℃，可设定恒温值。
第2章CPU最小系统设计
加热控制器总体设计方案
本设计题目为基于单片机加热控制器设计，温度控制设定范围为0-300°C，上、下限温度在程序中设置，实现控制可以升温也可以降温，实时显示当前温度值，另外还有蜂鸣器报警功能。
本文使用热电偶温度自动控制系统。
（采用A/D转换器）采用单片机控制，液晶显示模块LCD显示。
系统框图如图2.1：
键盘电路
温度显示
报警电路
单片机
继电器控制
A/D转换电路
加热装置
信号放大
温度传感器
图2.1温度控制系统原理图
CPU的选择
由于单片机具有功能强、体积小、可靠性好和价格便宜等独特优点，已成为传统工业技术改造和新产品更新换代的理想机种，具有广泛的发展前景。
单片机技术的应用，使得许多领域的技术水平和自动化程度大大提高，可以说，当今世界正面临着一场以单片机（微电脑）技术为标志的新技术革命
本设计决定用单片机作为中心控制器。
单片机出现的历史并不长，但发展迅猛。
自1975年美国德克斯仪器公司首次推出8位单片机TMS-1000后才开始快速发展。
现流行的单片机有很多种，其中MCS-51系列以较高的性价比博得很多用户的青睐。
所以，本系统采用美国Intel公司生产的89C-51型单片机，由于其具有集成度高、处理功能强、可靠性高、系统结构简单、价格低廉等优点并具有4K字节的程序存储器，使得它应用起来更加方便。
数据存储器扩展
89C-51型单片机片内有128B的RAM，在实际应用中仅靠这256B的数据存储器是远远不够的。
这种情况下可利用MCS-51单片机所具有的扩展功能扩展外部数据存储器。
MCS-51系列单片机最大可扩展64KB。
6264是8K×8位静态随机存储器，采用CMOS工艺制造，单一+5V电源供电，额定功率200mW，典型存取时间200ns，为28线双列直插式封装。
89C51单片机与6264的接口，如下图2.2：
图2.289C51单片机扩展
复位电路设计
单片机复位电路图2.3为单片机复位电路。
单片机在开机时都需要复位，以便中央处理CPU以及其他功能部件都处于一个
确定的初始状态，并从这个状态开始工作。
单片机的复位后是靠外部电路实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的RST引脚上出现24个时钟振荡脉冲（2个机器周期）以上的高电平，单片机便可实现初始化状态复位。
MCS-51单片机的RST引脚是复位信号的输入端。
例如：
如果MCS-51单片机时钟频率为12MHz，因此复位脉冲宽度至少应该为2μs。
图2.3复位电路
时钟电路设计
片内电路与片外器件就构成一个时钟产生电路，CPU的所有操作均在时钟脉冲同步下进行。
片内振荡器的振荡频率非常接近晶振频率，一般多在1.2MHz～24MHz之间选取。
C1、C2是反馈电容，其值在20pF～100pF之间选取，典型值为30pF。
本电路选用的电容为30pF，晶振频率为12MHz。
振荡周期＝
；机器周期
；指令周期＝
图2.4时钟电路原理图
CPU最小系统图
本设计中的89C51的最小系统包括89C51单片机，6264可编程I/O接口，晶振电路，按键复位电路.
1.复位电路的极性电容C1的大小直接影响单片机的复位时间，一般采用10~30uF，容值越大需要的复位时间越短。
2.晶振Y1也可以采用6MHz或者11.0592MHz，在正常工作的情况下可以采用更高频率的的晶振，晶振的振荡频率直接影响单片机的处理速度，频率越大单片机处理速度越快。
本设计采用110592MHz，图中用约等于12MHz。
3.起振电容C2、C3一般采用15~33uF，并且电容离晶振越近越好，晶振离单片机越近越好。
本设计中C2、C3采用33uF。
CPU最小系统图如图2.5
图2.5CPU最小系统图
第3章CPU输入输出接口电路设计
温度传感器的选择
本设计采用热电偶温度传感器，普通热电偶由热电极、绝缘套管、保护管、接线盒等四部分组成。
热点偶的选用应该根据被测介质的温度、压力、介质性质、测温时间长短来选择热电偶和保护套管。
这里我们要求选择测量温度范围为0~300℃的热电偶传感，J型热电偶温度范围为-200~800摄氏度,所以我们选择（J型热电偶）铁-康铜热电偶。
铁-康铜热电偶（J型热电偶）是一种廉金属的热电偶。
它的正极（JP）的名义化学成分为纯铁，负极（JN）为铜镍合金，常被含糊地称之为康铜，其名义化学成分为：
55%的铜和45%的镍以及少量却十分重要的锰，钴，铁等元素，尽管它叫康铜，但不同于镍铬-康铜和铜-康铜的康铜，故不能用EN和TN来替换。
铁-康铜热电偶的覆盖测量温区为-200~1200℃。
如图3.1：
图3.1热电偶温度传感器
温度检测接口电路设计
A/D转换器选择
A/D转换接口是系统数据采集前向通道的一个重要环节。
数据采集是在模拟信号源中采集信号,并将之转换为数字信号送入计算机的过程。
AD574由两部分组成，一部分是模拟芯片，另一部分数字芯片，其中模拟部分由高性能的12位D/A转换器AD565和参考电压组成。
数字部分由控制逻辑电路，逐次逼近型寄存器的三态缓冲器组成。
AD574的引脚如图3.3所示。
功能特性
分辨率：
12位；
非线性误差：
小于±0.5LSB或±1LSB;
转换速率：
25μs;
模拟电压输入范围：
0-10V,0-20V;
电源电压：
±15V和5V;
数据输出格式：
12位/8位
芯片工作模式：
全速工作模式和单一工作模式。
图3.3AD574
加热控制器输出接口电路设计
报警与控制电路是单片机和外部报警与控制的接口部分，主要起报警、执行和电气隔离作用，其电路图如图3.4所示。
继电器采用SRD-D6VDC-SL-C型，240AC通断TA的电流。
其直流线圈电阻95欧，三极管Q1采用KTC9012，输出电流IC为150mA，放大系数β为60至1000范围内，若取β为200则Ic在5V下为50mA左右，则基极电流为0.25mA。
只有P0口在高点位输出时才能达到这样大的电流值。
因此把这两个口分别用P0和P01代替。
由于P0口属于三态输出输入口，因此，必须接上拉电阻，其阻值大小可计算为：
我们取10千欧的电阻让Q1在高电平时饱和导通，此时，基极电流为
。
二极管D1主要起保护作用，在Q1关断时续流，以免电感线圈断路时产生过压损坏三极管。
图3.4继电器执行电路与报警
由于DS18B20自带了存储器，能够将设定的温度报警值自动存入DS18B20的EEROM中，永久保存，因此每次开机时系统都会自动从DS18B20的EEROM读出温度报警值.两个继电器中，K1接的是降温装置，K2接的是加热装置，当实际温度大于TH的设定值时，蜂鸣器响，表示超温，此时继电器K1吸合，接通降温装置进行降温；当实际温度处于TL与TH的设定值之间时，继电器常闭。
人机对话接口电路设计
显示接口电路设计
显示电路如图3.5所示。
LED显示块是由发光二极管显示字段的显示器件。
这种显示块有共阴极和共阳极两种。
共阴极LED显示块的发光二极管共地。
图3.5显示电路原理图
当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮；本设计选用的显示块是共阴极的LED。
将单片机I/O口的8位线与显示块的发光二极管的引出端（a～dp）相连，共阴极低电平有效，选通有效后8位并行输出口输出不同的数据就点亮相应的发光二极管，获得不同的数字或字符。
3.4.2简易式键盘接口电路设计
8255可编程并行I/O接口设计
MCS-51系列单片机共有4个8位并行I/O口，这些I/O口一般是不能完全提供给用户使用的，在外部扩展存储器时，提给用户使用的I/O口只有P1和P3口的部分口线，因此都免不了要进行I/O口的扩展。
8255芯片引脚图如图3.6所示。
图3.68255引脚图
图3.7I/O口扩展电路
单片机也8255的接口比较简单，如图3.7所示，8255的片选信号
及口地址选择线AO、A1分别由单片机的P0.7和P0.0、P0.1经地址锁存器提供.
8255的A、B、C口及控制口地址分别为FF7CH、FF7DH、FF7EH、FF7FH。
8255的D0～D7分别与P0.0到P0.7相连。
键盘功能说明：
1号键：
上升。
2号键：
下降。
3号键：
下限温度值确定。
4号键：
上限
值确定。
5号键：
查询上下限值。
使用1号键和2号键，设定需要的温度控制系统的上限值，然后按下4号键，将这个上限值确定，也就是将上限值保存到专用的寄存器里。
在完成设定上限值的工作后，使用1号键和2号键设定需要的温度控制系统的下限值，然后按下3号键，将这个下限值确定，也就是将这个下限值保存到专用的寄存器里，然后系统进去实时的温度测量和控制工作中。
键盘接口电路如图3.8所示：
图3.8键盘接口电路图
第4章加热控制器软件设计
软件实现功能综述
（1）实现对加热炉的温度连续控制0-300℃
（2）当温度超过300℃时自动执行降温程序
系统主程序流程图设计
温度控制部分程序设计
这部分程序的功能是将采集到的温度值TX与TL比较，如果TX≤TL则报警，并置P3.1口为低电平，通过光耦合器打开可控硅，使加热器加热，并调显示，显示88.8。
否则将TX与TH比较，如果TX≥TH则报警，并置P13口为高电平，通过光耦合器关闭可控硅，停止加热器加热，并调显示，显示88.8。
否则，也就是
≤
≤
当温度在正常范围内，调显示，显示采集到的温度值
。
加热程序流程图如图4.1所示。
图4.1温度控制程序流程图图4.2键盘处理子程序流程图
键盘部分程序设计
本部分主要是实现输入设定温度和查询设定温度的功能。
该部分的子程序流程图如图4.2所示。
程序清单
ORG0000H
SJMPMAIN
ORG0003H
LJMPINT
ORG0025H
MAIN：
MOVSP,#60H
MOV20H,#00H
MOV21H,#08H
MOV29H,#0FEH
LCALLZIJIAN
LCALLREADTHTL
LCALLTESTRANGE
SETBINT0
SETBEX0
SETBEA
LOOP:
LCALLDELAY
LCALLGET_TEMP
LCALLTURN
LCALLDISPLAY
CLRC
MOVA,24H
CJNEA,2EH,LOOP1
SJMPHOTTING
LOOP1:
JCHOTTING
MOVA,24H
CLRC
CJNEA,2DH,LOOP2
SJMPSTOPHOT
LOOP2:
JNCSTOPHOT
SJMPKEEP
HOTTING:
CLRP3.1
CLRP1.5
SETBP1.6
KEEP:
SJMPLOOP
STOPHOT:
SETBP3.1
SETBP1.5
CLRP1.6
SJMPLOOP
ZIJIAN:
MOV30H,#08H
MOV31H,#08H
MOV32H,#13H
MOV33H,#08H
MOV34H,#13H
CLRP1.4
CLRP1.5
CLRP1.6
CLRP1.7
MOVR3,#0FFH
WAIT0:
ACALLDISPLAY
DJNZR3,WAIT0
SETBP1.5
SETBP1.6
SETBP1.7
RET
TAB:
DB3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH,6FH,00H,OBFH
DB86H,0DBH,0CFH,0E6H,0EDH,0FDH,87H,0FFH,0EFH,79H
GET_TEMP:
CLREA
ACALLINI
MOVA,#0CCH
ACALLWRITE
MOVA,#44H
ACALLWRITE
ACALLINI
MOVA,@0CCH
ACALLWRITE
ACALLREAD
MOV24H,A
SETBEA
RET
READTHTL:
CLREA
ACALLINI
MOVA,@0CCH
ACALLWRITE
MOVA,#0B8H
ACALLWRITE
ACALLINI
MOVA,#0CCH
ACALLWRITE
MOCA,#0BEH
ACALLWRITE
ACALLREAD
ACALLREAD
ACALLREAD
MOV27H,A
ACALLREAD
MOV28H,A
SETBEA
RET
DELAY:
MOVR2,#0BH
HERE0:
MOVR3,#00H
HERE1:
DJNZR3,HERE1
DJNZR2,HERE0
RET
END
第5章系统设计与分析
系统原理图
图5.1系统原理图
系统原理综述
烤箱在上电复位后先处于停止加热状态，这时可以用“+1”键设定预置温度，显示器显示预定温度；温度设定好后就可以按启动键启动系统工作了。
温度检测系统不断定时检测当前温度，并送往显示器显示，达到预定值后停止加热并显示当前温度；当温度下降到下限（比预定值低2℃）时再启动加热。
这样不断重复上述过程，使温度保持在预定温度范围之内。
启动后不能再修改预置温度，必须按复位/停止键回到停止加热状态再重新设定预置温度。
软件调试结果
经过利用汇编软件进行调试并不断修改，最终与预期结果相同。
第6章课程设计总结
一．本次温度控制系统设计中存在的问题及其解决方法
就本次温度控制系统设计整体而言完全可以实现对电烤箱温度的闭环恒定控制。
但是不当之处在所难免。
当热电阻检测出当前电烤箱所处的温度时，不能和预置温度一起以数字的形式很直观的对比显示出来。
及操作者无法同时看到电烤箱当前所处的温度和预置温度。
鉴于此种情况，应再外接一个数码显示器，以软件程序来实现，将电烤箱当前所处的温度和预置温度同时显示出来；在实际使用过程中，由于电烤箱加热时有一定得温度缓冲，即当电烤箱断电时，加热并不是立即停止，而是过一段时间后温度才慢慢的停下来以致开始下降。
这样就使得我们的控制很不准确，会出现严重的超温或者低温现象。
鉴于此种情况，我们应在电烤箱温度接近我们要求的温度时，由连续加热或连续降温改为断续加热或断续降温。
二.单片机控制系统的发展方向
本次电烤箱的温度控制系统是以AT89C51为核心，采用软件编程，通过对电炉电路通断来控制电控箱的温度。
其中采用的元件精度低，控制不准确等都需要我们进一步改进或提高。
随着社会的发展，机电控制的应用越来越广泛。
不管做什么样的工作，不管用到什么样的机器，都要人为地、有目的地进行控制。
进而就要求控制元件的微型化、控制工作量的精确化等。
这些要求使得单片机的作用越来越显著。
但就目前单片机控制的情况来看，单片机还远远满足不了社会的要求。
单片机要继续朝着单一化、微型化等方面发展。
与此同时还要努力提高传感器、放大器以及转换器等外围元件的精度。
这样才能全面地提高单片机的控制质量。
整体地提高机电控制的质量。
进而能更好的服务于社会。
参考文献
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