基于B的电加热温控制系统设计.docx

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基于B的电加热温控制系统设计

专业

电气

学生姓名

班级

学号

指导教师

完成日期

2013年1月1日

基于单片机的电加热恒温控制器的设计

摘要:

随着国民经济的发展，人们需要对各中加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中温度进行监测和控制。

采用单片机来对他们控制不仅具有控制方便，简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大的提高产品的质量和数量。

介绍了一种以AT89S52为主要控制器件，以DS18B20为温度传感器的新型数字温度计设计方法，其硬件电路包括主控制器，测温电路和显示电路等。

该温度计用于软件编写过程中对上下报警温度值设置，当温度不在设置范围内时，可以报警。

与传统的温度计相比，该数字温度计减少了外部硬件电路，具有低成本和易使用的特点。

关键词：

单片机；恒温控制器；DS18B20

BasedonMonolithicIntegratedCircuit'sElectricHeatingConstantTemperatureController'sDesign

Abstract:

Alongwithnationaleconomydevelopment,thepeopleneedtoeachheatingfurnace、theheat-treatmentfurnace、inthereactorandtheboilerthetemperaturecarryonthemonitorandthecontrol.Notonlyusesthemonolithicintegratedcircuittocometothemtocontrolhasthecontroltobeconvenient,simpleandflexibilitybigandsoonmerits,moreovermayenhancelargescaleisaccusedthetemperaturetechnicalspecification,thuscanbigenhancetheproductthequalityandquantity.

Anewtypedigitalthermometerisintroduced,whichtakeamicrocontrollerunitasprimarycontrolcomponentandDS18B20astemperaturesensor.Thehardwarecircuitmainlyincludesmastercontroller,temperaturemeasurementcircuitanddisplaycircuit.Thesoftwaredevelopmentcanbemadeupfromtemperature，whenthetemperatureisnotintherankofwrittenin，thethermometercanwarning.Comparedwiththetraditionalthermometer,thisdigitalthermometercanreduceexternalhardwarecircuit,anditfeatureslowlostandeasilyuse.

Keywords:

MonolithicIntegratedCircuit;HeatingConstant;DS18B20

基于单片机的电加热恒温控制器的设计

1概述

随着现代信息技术的飞速发展和传统工业改造的逐步实现，能够独立工作的温度检测和显示系统应用于诸多领域。

对于不同场所、不同工艺、所需温度高低范围不同、精度不同，则采用的测温元件、测温方法以及对温度的控制方法也将不同；产品工艺不同、控制温度的精度不同、时效不同，则对数据采集的精度和采用的控制算法也不同。

因而，对温度的测控方法多种多样。

随着电子技术和微型计算机的迅速发展，微机测量和控制技术也得到了迅速的发展和广泛的应用。

利用微机对温度进行测控的技术，也便随之而生，并得到日益发展和完善，越来越显示出其优越性。

然而现有的温度传感元件大多为模拟器件（热电耦）体积大、应用复杂、而且不容易实现数字化等缺点，阻碍了应用领域的扩展。

从实际应用出发选取了体积小、精度相对高的数字式温度传感元件DS18B20作为温度采集器，单片机AT89S52作为主控芯片，数码管作为显示输出，实现了对温度的实时测量与恒定控制。

1.1课题研究的背景

温度控制系统广泛应用于社会生活的各个领域,如家电、汽车、材料、电力电子等,常用的控制电路根据应用场合和所要求的性能指标有所不同。

在工业企业中,如何提高温度控制对象的运行性能一直以来都是控制人员和现场技术人员努力解决的问题。

这类控制对象惯性大,滞后现象严重,存在很多不确定的因素,难以建立精确的数学模型,从而导致控制系统性能不佳,甚至出现控制不稳定、失控现象。

传统的继电器调温电路简单实用,但由于继电器动作频繁,可能会因触点不良而影响正常工作。

控制领域还大量采用传统的PID控制方式,但PID控制对象的模型难以建立,并且当扰动因素不明确时,参数调整不便仍是普遍存在的问题。

而采用数字温度传感器DS18B20，因其内部集成了A/D转换器，使得电路结构更加简单，而且减少了温度测量转换时的精度损失，使得测量温度更加精确。

数字温度传感器DS18B20只用一个引脚即可与单片机进行通信，大大减少了接线的麻烦，使得单片机更加具有扩展性。

由于DS18B20芯片的小型化，更加可以通过单跳数据线就可以和主电路连接，故可以把数字温度传感器DS18B20做成探头，探入到狭小的地方，增加了实用性。

更能串接多个数字温度传感器DS18B20进行范围的温度检测。

1.2课题研究的意义

随着电子技术的发展和人们生活质量的提高，特别是随着大规模集成电路的产生，给人们的生活带来了根本性的变化。

现代社会中，随着社会的发展、科技的进步以及工业水平的逐步提高，各种恒温控制系统开始进人了工业以及其他领域，以单片机为核心的电热恒温控制系统就是其中之一同时也标志了恒温控制领域成为了自动化时代的一员。

它实用性强，功能比较齐全，使人们相信这是科技进步的成果。

温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足重轻的作用，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温度控制系统是非常有价值的。

1.3课题研究的内容

本课题主要完成以下内容：

A.在明确系统功能要求的前提下设计出系统的总体结构；

B.方案设计，根据现场系统工作原理框图和系统的结构图以AT89S52芯片为控制核心，选择控制系统所需的硬件并进行系统硬件电路的设计；

C.在原理图的基础上设计PCB图；

D.完成系统的软件设计；

2系统的方案设计

2.1系统设计要求

A.温度控制范围：

室温+10℃～+90℃；

B.温度控制精度：

±0.5℃；

C.温度设置：

可以由按键设置控制温度；

D.显示：

四位有效值显示。

2.2方案设计

对课题进行深入的分析和思考，可将整个系统分区为以下几部分：

控制电路、温度设定电路、测温电路、显示电路、加热电路。

图2-1系统总体框图

2.2.1控制电路和温度设定电路方案与选择

控制电路可以用硬件的方式实现，也可以用软件的方式实现，具体方案有三：

A.方案一

可可以用运放等模拟电路搭接一个控制器，用模拟方式实现PID控制，对纯粹的水温控制这是足够的。

但是附加的显示，温度的设定等功能，还要附加许多电路，稍显麻烦。

同样也可以用逻辑电路实现，但总体的电路设计和制作繁琐。

B.方案二

可以使用FPGA实现控制功能，使用FPGA时，电路设计比较简单，通过相应的编程设计，可以很容易实现控制、显示、键盘等功能。

是一种可选的方案。

但与单片机相比较，价格较高，显得大材小用。

C.方案三

可以使用单片机作为核心，同时可以实现控制、显示、键盘等功能。

电路设计和制作比较简单，是一种非常好的方案。

2.2.2测温电路方案选择

A.方案一

可以使用热敏电阻作为测温元件，热敏电阻精度高，需要配合电桥电路，电路设计比较麻烦。

B.方案二

可以使用热点偶作为测温元件，热电偶在工业上应用比较广泛，测温精度比较高，性能可靠，并有专用的热电偶测温电路。

C.方案三

采用半导体集成温度传感器作为测温元件，半导体温度传感器应用也比较广泛，精度、可靠性都不错，价格适中，使用比价简单，是一种较好的方案。

2.2.3显示模块的选择方案和论证

A.方案一

采用LED液晶显示屏，液晶显示屏的显示功能强大，可显示大量文字、图形,显示多样、清晰可见，但是价格昂贵，需要的接口线多，所以在此设计中不采用LED液晶显示屏。

B.方案二

采用点阵式数码管显示，点阵式数码管是由八行八列的发光二极管组成，对于显示文字比较适合，如采用在显示数字显得太浪费，且价格也相对较高，所以也不用此种作为显示。

C.方案三

采用LED数码管动态扫描,LED数码管价格适中，对于显示数字最合适，而且采用动态扫描法与单片机连接时，占用的单片机口线少。

综上所述，所以采用了LED数码管作为显示。

2.2.4加热电路方案选择

根据题目，可以使用电炉加热，当水温过高时，一般只能关掉加热器，让其自动冷却，加热电源选用220V交流电。

A.方案一

采用电力电子技术的PWM技术，控制其功率实现较好的精度，但电路设计比较麻烦，制作难度比较大。

B.方案二

可以使用固体继电器控制加热器工作。

固态继电器使用比较简单，而且没有触电，可以频繁工作。

是一个比较好的方案。

2.2.5单片机的选择

A．方案一

采用89C51作为硬件核心，采用FlashROM，内部具有4KBROM存储空间，能于3V的超低压工作，而且与MCS-51系列单片机完全兼容，但是运用于电路设计中时由于不具备ISP在线编程技术，当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，对芯片的多次插拔会对芯片造成一定的损坏。

B.方案二

采用AT89S52,片内ROM全都采用FlashROM，能以3V的超低压工作。

同时，也与MCS-51系列单片机完全兼容。

该芯片内部存储器为8KBROM存储空间，同样具有89C51的功能，且具有在线编程可擦除技术，当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，不需要对芯片多次拔插，所以不会对芯片造成损坏。

所以，选择采用AT89S52单片机作为主控制系统。

2.2.6单片机AT89S52

A.主要性能

a.与MCS-51单片机产品兼容

b.8K字节在系统可编程Flash存储器

c.1000次擦写周期

d.全静态操作：

0Hz～33Hz

e.三级加密程序存储器

f.32个可编程I/O口线

g.三个16位定时器/计数器

h.八个中断源

i.全双工UART串行通道

j.低功耗空闲和掉电模式

k.掉电后中断可唤醒

l.看门狗定时器

m.双数据指针

n.掉电标识符

B.功能特性描述

AT89S52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。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

AT89S52具有以下标准功能：

8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，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，片内晶振及时钟电路。

另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

图2-2AT89S52引脚结构图

A.VCC:

电源

B.GND:

地

C.P0口：

P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。

作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。

对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。

当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。

在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。

在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。

程序校验时，需要外部上拉电阻。

D.P1口：

P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。

此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX）。

在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。

E.P2口：

P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。

在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR）时

F.P2口送出高八位地址。

在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。

在使用8位地址（如MOVX@RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。

在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。

G.P3口：

P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

H.P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用。

在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。

I.RST:

复位输入。

晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。

看门狗计时完成后，RST脚输出96个晶振周期的高电平。

特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO位可以使此功能无效。

DISRTO默认状态下，复位高电平有效。

J.ALE/PROG：

地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。

在flash编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲。

在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。

然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。

如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作将无效。

这一位置“1”，ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。

否则，ALE将被微弱拉高。

这个ALE使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。

K.PSEN:

外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。

当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。

L.EA/VPP:

访问外部程序存储器控制信号。

为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。

为了执行内部程序指令，EA应该接VCC。

在flash编程期间，EA也接收12伏VPP电压。

M.XTAL1:

振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。

N.XTAL2:

振荡器反相放大器的输出端。

2.2.7总体电路设计

本着简单实用的原则，最后选择以下方案：

A.测温电路选用DS18B20集成数字测温电路。

B.功率控制电路选用继电器控制。

C.控制芯片选用常见的AT89S52。

D.显示方式选用数码管显示。

E.键盘采用4×3的扫描键盘。

3．硬件电路的设计

3.1电路总体原理框图

温度测量及加热系统控制的总体结构如图3-1所示。

系统主要包括现场温度采集、实时温度显示、加热控制参数设置、加热电路控制输出、与报警装置和系统核心AT89S52单片机作为微处理器。

图3-1系统总体原理框图

温度采集电路以数字量形式将现场温度传至单片机。

单片机结合现场温度与用户设定的目标温度，按照已经编程固化的模糊控制算法计算出实时控制量。

以此控制量控制固态继电器开通和关断，决定加热电路的工作状态，使水温逐步稳定于用户设定的目标值。

在水温到达设定的目标温度后，由于自然冷却而使其温度下降时，单片机通过采样回的温度与设置的目标温度比较，做出相应的控制，开启加热器。

当用户需要比实时温度低的温度时，此电路可以利用风扇降温。

系统运行过程中的各种状态参量均可由数码管实时显示。

3.2系统各功能模块电路设计

3.2.1最小系统

AT89S52单片机为40引脚双列直插芯片,有四个I/O口（P0、P1、P2、P3），AT89S52单片机共有4个8位的I/O口（P0、P1、P2、P3），每一条I/O线都能独立地作为输出或输入。

单片机的最小系统电路原理图如图3-2所示，18引脚和19引脚接时钟电路，XTAL1接外部晶振和微调电容的一端，在片内它是振荡器倒相放大器的输入，XTAL2接外部晶振和微调电容的另一端，在片内它是振荡器倒相放大器的输出。

第9引脚为复位输入端，接上电容，电阻及开关后能够形成上电复位电路。

图3-2最小系统电路原理图

3.2.2温度采集电路的设计

温度采集电路模块如图3-3所示。

DS18B20内部结构主要由四部分组成：

64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。

其中DQ为数字信号输入/输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端。

图3-3温度采集电路原理图

DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例:

用16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。

这是12位转化后得到的12位数据，存储在DS18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。

3.2.3键盘和显示的设计

键盘采用行列式和外部中断相结合的方法，图3-4中各按键的功能定义如下表1。

其中设置键与单片机的INT0脚相连,S0--S9、YES、NO用四行三列接单片机P0口，REST键为硬件复位键，与R、C构成复位电路。

键盘模块电路如图3-4所示。

表3-1：

按键功能

按键

键名

功能

REST

复位键

使系统复位

RET

设置键

使系统产生中断，进入设置状态

S0——S9

数字键

设置用户需要的温度

YES

确认键

用户设定目标温度后进行确认

NO

清除键

用户设定温度错误或按了YES键后使用

图3-4键盘接口电路原理图

显示采用4位共阳LED显示方式,显示内容有温度值的十位、个位及小数点后两位。

用P2口作为段控码输出，并用74ALS244作驱动。

P1.0—P1.2和P0.7作为位控码输出，用PNP型三极管做驱动。

模块电路如图3-5所示。

图3-5显示接口电路原理图

3.2.4加热控制电路的设计

用于在闭环控制系统中对被控对象实施控制，被控对象为电热杯，其功率为400W，采用对加在电热杯两端的电压进行通断的方法进行控制，以实现对水加热功率的调整，从而达到对水温控制的目的。

对电炉丝通断的控制采用SSR-40DA固态继电器。

它的使用非常简单，只要在控制端TTL电平，即可实现对继电器的开关，使用时完全可以用NPN型三极管接成电压跟随器的形式驱动。

当单片机的P1.3为高点平时，三极管驱动固态继电器工作接通加热器工作，当单片机的P1.3为低电平时固态继电器关断，加热器不工作。

控制电路图如图3-6所示。

图3-6加热控制电路原理图

3.2.5报警及指示灯电路的设计

当设定的目标温度达到时需用声音的形式提醒用户，此时蜂鸣器为三声断续的滴答滴答的叫声。

系统中我们设计了越限报警，当温度低于设置的目标温度10度或高于10度时蜂鸣器为连续不断的滴答滴答叫声。

当单片机P1.7输出高电平时，三极管导通，蜂鸣器工作发出报警声。

P1.7为低电平时三极管关断，蜂鸣器不工作。

D1为电热杯加热指示灯，P1.5低电平有效；D0为检测到DS18B20的指示，高电平有效；D10为降温指示灯，低电平有效。

报警及指示灯电路如图3-7所示。

图3-7报警及指示灯电路原理图

3.2.6时钟电路及外部复位电路

单片机内部有一个高增益反向放大器，输入端为芯片引脚，输出端为引脚。

而在芯片外部和之间跨接晶体振荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器。

晶体震荡频率高，则系统的时钟频率也高，单片机运行速度也就快，但反过来运行速度快对存储器的速度要求就高，对印制电路板的工艺要求也高，所以，这里使用震荡频率为12MHz的石英晶体。

震荡电路产生的震荡脉冲并不直接是使用，而是经分频后再为系统所用，震荡脉冲经过二分频后才作为系统的时钟信号。

在设计电路板时，振荡器和电容应尽量靠近单片机，以避免干扰。

需要注意的是：

电路板时，振荡器和电容应尽量安装得与单片机靠近，以减小寄生电容的存在更好的保障振荡器稳定、可靠的工作电路图如图3-8所示。

图3-8时钟电路原理图

单片机的复位电路分上电复位和按键复位两种方式。

A.上电复位：

在加电之后通过外部复位电路的电容充电来实现的。

当Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就完成了系统的初始化电路原理图。

RST上的电压必须保证在斯密特触发器的阀值电压以上足够长时间，满足复位操作的要求。

B.按键复位：

程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为了摆脱困境，也需按复位键以重新启动。

RST引脚是复位信号的输入端，复位信号是高电平有效。

按键复位又分按键脉冲复位（图3-9）和按键电平复位。

电平复位将复位端通过电阻与Vcc相连，按键脉冲复位是利用RC分电路产生正脉冲来达到复位的。

C.注意：

因为按键脉冲复位是利用RC微分电路产生正脉冲来达到复位的。

所以电平复位要将复位端通过电阻与Vcc相连.如复位电路中R、C的值选择不当，使复位时间过长，单片机将处于循环复位状态。

故本设计采用按键复位。

图3-9外部复位电路原理图

3.2.7电源电路

控制系统主控制部分电源需要用5V直流电源供电，其电路如图3-10所示，把频率为50Hz、有效值为220V的单相交流电压转换为幅值稳定的5V直流电压。

其主要原理是把单相交流电经过电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路转换成稳定的直流。

由于输入电压为电网电压，一般情况下所需直流电压的数值和电网