基于单片机的炉温控制系统设计.docx
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基于单片机的炉温控制系统设计
毕业设计
题目：
基于单片机的炉温控制系统设计
系：
电气信息学院
专业：
自动化班级：
学号：
学生姓名：
导师姓名：
林国汉
完成日期：
2014年6月
诚信声明
本人声明：
1、本人所呈交的毕业设计（论文）是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果；
2、据查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经公开发表过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料；
3、我承诺，本人提交的毕业设计（论文）中的所有内容均真实、可信。
作者签名：
日期：
年月日
毕业设计（论文）任务书
题目：
基于单片机的炉温控制系统设计
姓系电气信息学院专业级学号
指导老师林国汉职称讲师教研室主任黄峰
一、基本任务及要求：
课题设计以单片机为核心的炉温系统。
设计内容包括：
1、确定系统的总体方案
2、进行单片机、及其它元器件选型
3、显示模块、报警模块、温度调节模块以及键盘模块设计
4、完成文献综述、开题报告及毕业设计说明书的撰写工作。
二、进度安排及完成时间：
1第1周：
明确课题任务及要求，搜集课题所需资料，了解本课题研究现状、存在问题及研究的实际意义；做好选题和文献综述。
2第2－3周：
阅读有关单片机编程及炉温控制系统文献资料，撰写开题报告和文献综述
3第4－5周：
毕业实习。
4第6-8周：
掌握单片机程序设计方法，编写PID控制模块程序
5第9－12周：
硬件电路设计、软件设计和模块调试、系统联调。
6第13－14周：
整理资料，撰写并修改毕业设计初稿。
7第15周：
毕业论文审定、打印，答辩资料归档。
8第16周，答辩、设计论文整改
摘录....................................................................................................................................
Abstract..............................................................................................................................
基于单片机的炉温控制系统设计
摘要：
随着生产水平的提高，热电设备对温度控制的要求也越来越高，而传感器技术和单片机技术等不断发展，为智能温度测控系统精度的提高和稳定性改善等提供了条件。
本系统为以AT89S51单片机为核心的炉温控制系统。
该系统在硬件设计上主要是通过温度传感器DS18B20对温度进行采集，直接输出数字式的温度值。
AT89S51将采集到的数字温度送到LCD1602，以数字形式显示测量温度，并采用PID控制来实现对温度的调节。
关键词：
单片机；温度传感器；PID控制
DesignofTemperatureControlSystemBasedonSingleChipMicrocomputer
Abstract:
Alongwiththeproductionimproving,therequesttothetemperaturecontrolforthermalpowerequipmentismoreandmorehigher.ThesustainabledevelopingofthesensortechnologyandtheSCMtechnologyprovidedtheconditionsfortheprecisiondevelopmentandthestabilityimprovementoftheintellectualtemperaturecontrolsystem.ThispaperintroducesakindoffurnacetemperaturecontrolsystemwithAT89S51asthecore.DS18B20,thedigitaltemperaturesensorisusedtocollecttemperatureinthehardwaredesignofthesystem.Anditoutputthetemperaturevalueindigitalway.UsingRTX1602,thecollectedtemperatureisdisplayed,andusingthePIDcontrollertoadjustthefurnacetemperature.
Keywords:
singlechipmicrocomputer;thetemperaturesensor;PIDcontrol
第1章绪论
1.1课题的目的与意义
温度是生活及生产中最基本的物理量，自然界中任何物理、化学过程都与温度紧密联系。
随着现代工业水平的逐步提高，温度控制在工业生产中显得越来越重要。
在许多工业领域，都需要对各种热处理炉、加热炉、反应炉和锅炉进行控制，如轧钢工业需要对钢坯进行前加热，塑料的定型、高精度模具制造，机床制造，量具等高精密仪器、机器都要求环境温度管控。
在这些领域对温度的控制至关重要，温度过低，达不到工艺的要求。
温度过高，不仅影响品质，还会产生不必要的能源浪费，甚至可能有爆炸的危险。
不同领域对于温度的高低范围、测温元件、控制精度都不尽相同。
一致的是现场一般都会比较复杂，有的人无法靠近，有的不需要人来现场监测。
总的来说温度控制复杂多样，所以设计一个较为通用的温度控制系统具有重要意义。
众所周知，加热炉是一个具有强耦合性、强非线性、大滞后、时变等特点的典型的复杂工业被控对象，用传统的控制方法对其进行控制很难取得满意的控制效果。
随着传感器技术和单片机技术等不断发展,为智能温度测控系统精度的提高和稳定性改善等提供了条件，并得到日益发展和完善。
1.2课题发展现状和前景展望
由于工业过程控制的需要，特别是微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度测控系统发展迅速，尤其是控制方面，在智能化、自适应、参数自整定等方面取得显著成果。
在这方面，以日本、美国、德国、瑞典等国家技术领先，都生产出了一批商品化、性能优异的温度控制仪表，并在各行业广泛应用。
其特点是适应于大惯性、大滞后等复杂温度测控系统，具有参数自整定功能和自学习功能，即温控器对控制对象、控制参数及特性进行自动整定，并根据历史经验及控制对象的变化情况，自动调整相关控制参数，以保证控制效果的最优化。
温度控制系统具有控制精度高、抗干扰力强等特点。
目前，国外温度控制仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方向发展。
微处理技术的发展和数字智能式控制器的实际应用，在控制领域出现的一系列新的技术课题之一的被控对象动静态参数、控制系统结构、参数发生较大范围变化的情况下，控制系统仍能满足给定的品质指标，这是自适应控制的最基本特征，自适应PID控制可以在线不断整定参数，克服干扰，跟踪系统的时变特性，使控制对象达到一定的目标。
同时，随着现代控制理论（诸如智能控制、自适应模糊控制和神经网络技术等）研究和应用的发展与深入，为控制复杂无规则系统开辟了新途径，逐步弱化或取消了对受控对象数学模型结构不变的限制。
随着社会需要和技术发展，优化算法的种类会越来越多并越来越完善，也会有越来越多的优化算法被提出并在不同的应用场合中出现，其优越性也会越来越明显，在目前的研究中，只有几种基本的和改进的优化算法在炉温优化设定中应用。
可以预见，在以后的研究工作中，将会有更多先进的优化算法应用于炉温的优化设定。
智能控制的优越性、有效性已经无法被取代，它已经成为现在控制技术的主要手段和方法，并且可以与其他多种控制方法进行结合，在炉温控制中，主要是采用智能控制方法或智能控制与其他方法相结合。
随着计算机的普及及计算机性能的提高，计算机控制也逐渐发展并完善起来，智能控制技术与计算机控制技术相结合已经成为一种趋势，也是加热炉控制方法的一种趋势!
1.3课题主要内容
本次设计总体叙述了基于单片机对工业生产中温度的控制与设计，包括硬件组成和软件的设计，该系统在硬件设计上主要分为温度采集和温度控制两部分。
以AT89S51单片机为核心器件，通过温度传感器DS18B20对温度进行采集，DS18B20将采集到的温度信号直接以数字形式输入给单片机，然后单片机再将将采集到的数字温度送到显示器LCD1602，以数字形式显示测量的温度。
温度控制部分主要是以PID控制进行温度的调节，将采集到的温度和设定温度进行PID运算，单片机通过其输出量控制可控硅调控器的接通时间，来调节温度的。
整个系统的软件编程对单片机实现其控制功能。
整个系统简单可靠，操作灵活，性能价格比高，较好的满足了现代生产和科研的需要。
第2章系统设计方案及思路
2.1系统总体方案
系统设计要求：
以MCS-51单片机为核心，设计一个炉温控制系统。
1）采用液晶显示器显示温度测量值。
2）检测的温度范围为0~128℃。
3）温度超过警戒值时能报警提示。
4）能通过键盘输入设定温度并显示。
5）用PID控制温度，控温精度≦±2℃。
根据要求，以电炉为控制对象，单片机AT89S51为核心器件。
该温度控制系统按功能分主要包括了显示模块、温度调节模块、键盘模块、报警模块。
温度传感器采用数字式温度传感器DS18B20，对温度进行实时采样，并将模拟信号转换成数字信号返回给单片机，通过LCD1602显示。
系统可通过键盘设定温度，单片机根据当前炉内温度和预设温度进行计算，通过控制双向可晶闸管的通断来调节炉内温度。
当温度一旦超出设定范围，报警模块就会工作。
借助KeilC51开发工具，以C语言开发语言，分别编写程序实现对各模块的控制。
最后以Proteus为基础，画出系统电路图，加载程序模拟实际电路的运行进行仿真并调试。
系统总体结构框架如图2.1。
图2.1系统结构框图
2.2单片机的选择
目前我国最常用的单片机有Intel公司的MCS-51系列，MCS-96系列（16位）；Philips公司的87、80系列（51内核）、AVR系列；Microchip公司的PIC系列；ATMEL公司的89系列（51内核）等；其中ATMEL公司所产的ATMEL89系列的单片机是基于Intel公司的MCS-51系列而研制的。
ATMEL公司把自身的先进的Flash存储器技术和80C31核心相结合。
从而产生出了Flash单片机系列。
根据初步设计方案分析，应选择具有以下功能的单片机：
1）片内有FlashROM的单片机，可以反复的烧录、擦除程序，应用程序直接存储在片内，不用再扩展存储器，可以简化电路。
Philips80C51系列单片机、ATMEL公司的AT89系列单片机和AVR的单片机、STC单片机、PIC单片机均带有片内FlashROM。
2）支持在线可编程（ISP）的单片机，在单片机开发开发过程中，编程器是必不可少的。
选用具有ISP技术的单片机，只要通过一条下载线与计算机相连就可以直接将程序烧录到内部，不但可以方便，还省去了昂贵的编程器。
带ISP的单片机主要有：
ATMEL公司的AT89S5x系列、AVR；Microchip公司的带8为的PIC单片机，结尾不带e的pic24系列和dsPIC系列；飞思卡尔的所有STC系列单片机；意法半导体的SST系列单片机。
除了上述基本要求外，还要尽可能的降低成本。
由于系统控制方案简单,数据量不大,经分析对比本系统选用AT89S51单片机。
AT89S51芯片内含有4kB的E2PROM,无需外扩存储器,电路简单可靠,其时钟频率为0～24MHz,并且价格低廉,批量价在10元以内。
2.2.1AT89S51简介
AT89S51是一个高性能，低功耗的CMOS8位单片机，片内含4k的可反复擦写的Flash只读程序存储器，采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造。
带有ISP，既支持在线编程，也可用传统方法进行编程。
兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构。
AT89S51性价比高，可灵活运用于各种场合。
1.AT89S51主要功能特性：
4.5-5.5V工作电压
兼容MCS-51指令系统
4k可反复擦写ISPFlashROM
32个双向I/O口
时钟频率0-33MHz
2个16位可编程定时/计数器
2个外部中断源
全双工UART串行中断口线
中断唤醒省电模式
看门狗（WDT）电路
此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可降至0Hz的静态逻辑操作，可通过软件设置省电模式。
空闲时停止CPU的工作，而RAM定时计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电模式振荡器停止工作，保存RAM的数据，并停止芯片其它工作直到外中断激活或硬件复位。
同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。
2.AT89S51的优越性
在89C51的基础上89S51的性能有了很大的提升，新增功能很多，价格却基本不变，甚至更低。
89S51弥补了89C51于不支持ISP在线编程这一缺陷，改写单片机存储器内的程序不再需要把芯片从工作环境中剥离。
89C51的极限工作频率只有24M，而89S51工作频率为33MHz，具有更高工作频率，从而计算速度更快。
内部集成看门狗计时器，不需要再像89C51外接看门狗计时器单元电路
向下完全兼容51全部字系列产品。
MCS-51早期产品，如：
8051、89C51等都可在89S51上照常运行
全新的加密算法，89S51几乎不可能被解密，程序的保密性大大加强，可以有效的保护知识产权不被侵犯。
2.3温度传感器的选择
温度传感器主要有四种类型：
热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器（RTD）和IC温度传感器。
与热敏电阻、热电偶传感器和RTD相比，IC温度传感器具有线性度高，成本低，集成复杂的功能，测量温度能够直接提供一个数字输出，并且温度测量范围满足设计要求，故选择IC温度传感器。
2.3.1DS18B20简介
DS18B20具有微型化、低功耗、高性能抗干扰能力、强易配处理器等优点，是由DALLAS公司生产的一种采用单总线协议的数字温度传感器。
用于工作的电源可以外接，也可以通过数据线获得。
目前常用的单片机与外部进行数据传输的串行总线有SPI,SCI和I²C总线。
其中I²C总线采用同步串行双线进行通信，SPI总线则采用同步串行三线的方式进行通信，而SCI总线是以异步方式进行通信。
这三种总线至少需要两根或以上的信号线，而DS18B20的单总线方式只需要一根信号线，不仅能传输时钟、数据，还能数据双向传输。
DS18B20温度传感器特性
1）独特的单总线接口方式，与单片机仅仅只需要一条数据线即可实现双向通信，占用单片机的端口少。
2）不需要任何外围元件，全部电路及传感元件都集成在一个小小的器件内，可以节省大量的逻辑电路。
3）测温范围为-55℃~+125℃,在-10℃~+85℃时精度为±0.5℃，满足设计需要。
4）可编程的分辨率为9~12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃，0.25℃，0.125℃，0.0625℃，可以实现高精度编程。
5）独特的单总线接口方式，与单片机仅仅只需要一条数据线即可实现双向通信，占用单片机的端口少。
6）不需要任何外围元件，全部电路及传感元件都集成在一个小小的器件内，可以节省大量的逻辑电路。
7）测温范围为-55℃~+125℃,在-10℃~+85℃时精度为±0.5℃，满足设计需要。
8）可编程的分辨率为9~12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃，0.25℃，0.125℃，0.0625℃，可以实现高精度编程。
9）测得的温度结果用符号扩展的16位数字量方式直接串行输出，在传送给CPU的同时可传送CRC校验码，具有很强的抗干扰纠错能力。
支持多点组网，多个DS18B20可以并联到三根线上，而CPU只需一个端口线就能与多个DS18B20通信。
10）综上，DS18B20不仅能满足设计要求，还能很大程度的简化设计，故在本系统中采用DS18B20测量温度。
2.4PID控制器
温度的控制具有大滞后性、非线性的特点。
当炉内温度升高到设定温度时，停止加热，由于惯性发热丝的温度不会保持在设定温度，而会继续上升几度，然后才开始下降。
当温度低于设定温度时，开始加热，温度还会继续下降几度。
因此，传统的顶点开关控制温度会有几度的误差。
现代温度控制技术不断发展，PID、最优控制、自适应控制，模糊控制每一种方法都改善了控制的性能。
在炉温控制中，PID和模糊控制应用最多，也最具代表性。
本设计选用PID算法。
PID控制是控制工程中技术比较成熟、应用广泛的一种控制方法。
通过长期的工程实践，已经形成了一套比较完整的控制方法和典型的结构。
PID控制具有稳定性能好、构简单简单、可靠性高等优点，特别是适于可以建立精确数学模型的控制系统。
PID控制规律：
（2.1）
式中：
——控制器的输出；
——比例系数；
——偏差。
模拟PID控制器的执行机构可以有电动、液压、气动等多种类型，这些通常采用硬件来实现PID控制规律。
用软件来实现PID控制具有更大的灵活性和可靠性。
由于计算机只能处理数字，因此，要计算机软件实现PID控制，首先必须将PID控制规律进项数字化处理。
PID数字化处理有两种算法：
位置式PID和增量式PID。
式（2.2）为位置式控制算法，式（2.3）为增量式控制算法。
位置式PID。
位置式PID控制算法的每次输出与所有的历史状态有关，计算式中要用到历史偏差的累加值，容易产生较大的误差积累；而增量式PID只需要计算增量，计算误差不足时对控制量的计算影响较小。
增量式PID控制算法计算得到的是控制量的增量，误动作比较小，不会严重影响生产过程；而PID位置式控制算法输出的是控制量的全量输出，误动作影响大。
因此，本系统采用增量式PID控制算法。
（2.2）
（2.3）
式中：
——第
次采样时刻计算机运算的控制量；
——第
次采样时刻的偏差量；
——第
次采样时刻的偏差量；
=
——积分系数；
——微分系数。
2.5MOC3041简介
本系统采用双向晶闸管作为无触点开关对炉温进行调节控制。
单片机的驱动能力有限，晶闸管还需另接触发电路，采用MOC3041光耦过零触发。
MOC3041是带有光隔的过零触发器件，其硅探测器是一个带有过零触发的双向可控硅。
MOC3041通过P2口输出的高低电平控制其触发信号的输出，从而控制晶闸管的开关。
在对电炉温度进行调功控制时。
通过对炉温的定时采样和PID控制运算，单片机输出一个控制量调节在设定的加热周期内调节晶闸管导通时间，就能实现对炉温的控制。
MOC3041驱动电路如图2.1。
检测器是一个含有两个对红外发射很敏感的反向并联的高压可控硅器件，每个可控硅的控制端和高速过零检测电路相连接，这就保证了当砷化镓二极管LED通以电流，在交流电压越过零点附近时，检测器转换状态。
图2.1基本驱动电路
当加到二极管两端的电流为零时，电源电压加在功率可控硅和可控硅驱动器的阳极和阴极之间，若在二极管中引入足够的电流，则可控硅驱动器处于导通状态，向功率可控硅提供一个触发电流，使功率可控硅导通。
功率可控硅一旦导通，其阳极和阴极之间的压降将降低，这将导致可控硅驱动器的输出电流降低，甚至降到低于它的维持电流，迫使可控硅驱动器进入关断状态。
第3章仿真
由于硬件条件有限，本次设计主要由仿真软件Proteus实现。
Proteus能实现单片机与外设的混合电路系统、软件系统的设计和仿真。
在仿真过程中，用户可以用鼠标单击开关、键盘、电位计、可调电阻等外设设备，使单片机系统根据输入信号做出相应的响应，并将响应处理结果根据所编制的软件在显示器上显示，整个过程与硬件仿真器的调试过程相似。
因此，在缺乏硬件的情况下，这是款非常实用的仿真软件。
其仿真原理图经验证后可直接应用到显示中。
本次设计的电加热炉采用Proteus中的OVEN进行仿真，OVEN通电之后开始加热，并输出一个模拟量。
由于软件中的DS18B20无法采集电加热炉的温度，故要分两部分进行仿真：
DS18B20温度显示仿真和PID控制仿真。
DS18B20温度显示仿真如图3.1，DS18B20的值可以任意调整，模拟温度的采集，LCD的显示值随DS18B20的温度值变化而变化。
当温度超过界限，LED亮，同时SOUNDER响，模拟警报系统。
当按下k1,显示温度的最高位光标开始闪烁，进入设定温度调整，按下k2，光标右移，按下k3数值加1，按下k4数值减1。
图3.1DS18B20仿真图
PID控制仿真如图3.2，电加热炉OVEN输出的模拟量经ADC0804转化成数字量，再送到LCD显示。
OVEN的温度与设定温度在单片机内进行PID运算，PID输出量控制晶闸管的导通，从而控制OVEN的加热。
图3.2PID控制仿真图
第4章硬件设计
4.1主电路设计
4.1.1时钟电路
AT89S51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是反相放大器的输入端和输出端，通常，经由片外晶体振荡器或陶瓷谐振器与两个相匹配的电容一起构成一个自激振荡电路，为单片机提供时钟源，如图4.1所示。
图4.1时钟电路
MSC-51单片机的工作频率为2~12MHZ，晶振的选择很关键。
单片机在运行时，是按照统一时钟源时钟的信号来驱动完成一系列的操作，在一定时钟节拍下完成指令规定的操作。
晶振的选择直接影响了单片机的运行速度。
本系统选用频率为12MHZ的晶振。
MCS-51指令的每个机器周期包含6个状态周期，每个状态周期由两个节拍组成，每个节拍持续一个时钟周期，也就是说，12次时钟振荡后完成一个机器周期。
本系统一个机器周期的时间为12·﹙1／12﹚＝1us。
电容值无严格要求，但电容值对振荡频率输出的稳定性、起振速度有少许影响。
本设计选择30pF电容。
4.1.2复位电路
复位时单片机的初始化操作，其作用是使PCU和系统中的中其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。
MCS-51单片机有两种复位方式：
上电复位和按键复位。
RST/Vpd引脚是复位输入引脚，通过一个施密特触发器与内部复位电路相连。
在RST端变为高电平的第二个机器周期内执行复位，此后每个周期执行一次，直至RST端出现低电平。
最简单的复位电路，是通过外部复位电路的电容充电来实现的，上电瞬间RST端的电位与Vcc相同，随着电容充电电流的减小，RST端电位逐渐下降。
只要Vcc上升时间不超过10ms，上电复位就能保证在上电开机时完成复位操作。
为了保证复位电路可靠地工作，出来上电复位外，有时还需要手动复位。
本系统采用按键复位，如图4.2。
图4.2复位电路
4.2键盘输入电路设计
单片机常用的键盘有独立式和矩阵式。
独立键盘就是一组互相独立的按键，这些按键的一端直接与单片机的I/O口相连，每个按键占用一个I/O口。
矩阵键盘是由m条I/O线组成输出口，n条I/O线组成输入口，在行列线的每个交点设置一个键盘，因此键盘数=m×n。
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