基于单片机的电阻炉温度控制系统设计沈阳航空航天大学毕业设计说明书论文届理工类.docx
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基于单片机的电阻炉温度控制系统设计沈阳航空航天大学毕业设计说明书论文届理工类
基于单片机的电阻炉温度控制系统设计
学院
自动化学院
专业
自动化
班级
XXXX
学号
XXXXXX
姓名
snowcafe
指导教师
XXX
qq
597997026
沈阳航空航天大学
2010年6月
摘要
在工业生产过程中，往往需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉的温度进行检测和调节，因此需要一种合适的系统对其温度进行精确控制，由于单片机具有低功耗、高性能、可靠性好、易于产品化等特点，因此采用单片机对温度进行控制不仅节约成本，控制方法灵活多样，并且可以达到较高的控制精度，从而能够大大提高产品的质量，因此单片机被广泛应用在中小型控制系统中。
本论文以电阻炉为研究对象，开发了基于单片机的温度控制系统。
本温度控制系统按功能分主要包括温度传感器模块、数据处理模块、温度显示/设定模块和温度控制模块。
温度传感器采用了数字式温度传感器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。
系统可通过键盘对电阻炉水温进行预设，单片机根据当前炉内温度和预设温度进行运算，控制输出宽度可调的PWM方波，并由此控制双向可控硅的导通和关断来调节电热丝的加热功率，从而使水温迅速达到预设值并保持恒定不变。
设计过程中，首先进行软件设计和开发，使系统功能模块化并分别通过Proteus软件进行仿真，实现功能后对硬件进行了综合设计，并且反复论证、测试各器件参数以使其稳定运行，最终使得此系统实现了温度的恒温控制。
关键词：
单片机；温度传感器；可控硅；温度控制
DesignandImplementationofaTemperatureControlSystemBasedontheSingleChipMicrocontroller
Abstract
Intheindustrialproductionprocess,oftenrequirevarioustypesoffurnace,heattreatmentfurnace,reactortemperaturedetectionandregulation,soitneedsapropersystemofprecisecontrolofitstemperature,aslowpowerconsumptionsinglechip,highperformance,reliability,easy-to-marketcommodityandsoon,sotocontrolthetemperatureusingSCMnotonlysaveoncost,controlmethodofflexibleanddiverse,andcanachievehigherprecision,whichcangreatlyenhancethequalityoftheproduct,soSCMiswidelyusedintheSmallcontrolsystem.
Inthisstudy,the"TemperatureControlSystem"design.AsatypicalapplicationTemperatureControlSystemistheintegrateduseofthecomputertheory,controltheory,analogelectronics,digitalcontroltechnology,keyboard,displaytechnology,andmanyotherareasofknowledge.
TemperaturesensorusesdigitaltemperaturesensorDS18B20,real-timesamplingofthetemperatureandanalogsignalsintodigitalsignalsbacktotheSCM.Systemcanbepresetthroughthekeyboardonthetemperature,microcontrollerbasedonthecurrenttemperatureandthepresettemperatureofthefurnaceoperation,PWMcontroloutputsquarewavewithadjustablewidth,andthuscontrolthetriacon-andofftoregulatetheelectricwireheatingpower,sothatthewatertemperaturequicklyreachandmaintainconstantpresetvalue.
Thedesignprocess,firstofallthesoftwaredesignanddevelopment,makingthesystemfunctionalmoduleandthroughtheProteussoftwaresimulation,respectively,toachievefeatureanintegrateddesignofthehardware,andrepeateddemonstration,testingthedeviceparameterstomakeitstableoperation,andultimatelymakeThissystemhasrealizedtheconstanttemperaturecontrol.
Keywords:
MCS-51,temperaturesensor,SCR,temperaturecontrol
1绪论
1.1简介
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.水温的变化影响各种系统的自动运作，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，对工件的水处理温度要求严格控制。
对于不同控制系统，其适宜的水质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水温变化。
对于，超过适宜范围的温度能够报警。
同时，我们也希望在适宜温度范围内可以由检测人员根据实际情况加以改变。
单片机对温度的控制是工业生产中经常使用的控制方法。
从1976年Intel公司推出第一批单片机以来，80年代单片机技术进入快速发展时期，近年来，随着大规模集成电路的发展，单片机继续朝快速、高性能方向发展。
单片机主要用于控制，它的应用领域遍及各行各业，大到航天飞机，小至日常生活中的冰箱、彩电，单片机都可以大显其能。
单片机将微处理器、存储器、定时/计数器、I/O接口电路等集成在一个芯片上的大规模集成电路，本身即是一个小型化的微机系统。
单片机技术与传感与测量技术、信号与系统分析技术、电路设计技术、可编程逻辑应用技术、微机接口技术、数据库技术以及数据结构、计算机操作系统、汇编语言程序设计、高级语言程序设计、软件工程、数据网络通信、数字信号处理、自动控制、误差分析、仪器仪表结构设计和制造工艺等的结合，使得单片机的应用非常广泛。
同时，单片机具有较强的管理功能。
采用单片机对整个测量电路进行管理和控制，使得整个系统智能化、功耗低、使用电子元件较少、内部配线少、成本低，制造、安装、调试及维修方便。
随着电视监视器材、计算机技术的日益发展，图形监视系统在电视系统或监控场所得到了广泛地应用。
用图形来实时显示被控对象（摄像机、终端设备等）在操作过程中的状态，具有清晰明了、形象直观且可以及时处理反馈信息。
它比数字仪表包含的信息量大得多，因此使现场监控人员的工作方式得到了改进，效率也由此得到了很大的提高。
现场电视监控系统由实时控制系统、监视系统及管理信息系统组成。
实时控制系统完成实时数据采集处理、存储、反馈的功能；监视系统完成对各个监控点的全天候的监视，能在多操作控制点上自动或手动切换多路图像，能遥控前端设备，能使摄像镜头自动对焦等；管理信息系统完成各类所需信息的采集、接收、传输、加工、处理，是整个系统的控制核心。
目前的图形实时监控软件通常用VC或VC++开发，它具备编译各种可视化程序的功能，可以使计算机通过监控界面达到对被控对象的各种实时操控。
因此，本毕业设计选择设计一个水温控制系统，采用单片机进行控制的水温自动控制电路，使系统能简单的实现温度的控制及显示，AT89C51单片机优秀的实时控制功能、灵活的编程能力有机的结合起来，并且通过软件编程能实现各种控制算法，使系统具有控制精度高的特点，对实现对水温的自动控制，具有重大的现实意义。
不但能用于学校的实验教学及其它一些研究课题的开发,同样能用于工厂多点温度的控制,提高工业企业自动化水平。
1.2课题研究的内容及要求
本次的毕业设计的题目是单片机水温控制系统设计。
它是多种技术知识的结合，不仅涉及到软件的设计，而且还将应用电子技术与单片机的应用技术有机结合，使其具有精度高、测量误差小、稳定性好等特点。
电路板的设计技术和机械加工工艺的巧妙结合，使其具备了显示直观、体积做工精细等特点，能为它在其它领域的广泛应用打下良好的基础。
因为经过我们调查发现许多应用场合原来就有测温控温仪器，只是随着对生产质量与生产需要的要求在不断地提高，以往的那些测温控温的仪器根本不能满足现在的要求。
其中，有部分应用场合对精度提高的幅度要求也不是特别高。
因此，为了提高性价比，我所设计的系统提出在原有系统的基础上进行一些简单的改良，以此为出发点，主要阐述的是水温自动控制系统的一种实现方法。
1.2.1课题的主要研究的内容
本文所要研究的课题是基于单片机控制的水温控制系统的设计，主要是介绍了对水箱温度的显示，实现了温度的实时显示及控制。
水箱水温控制部分，提出了用DS18B20、STC89C52单片机及LCD的硬件电路完成对水温的实时检测及显示，而炉内温度控制部分，由DS18B20检测炉内温度，用中值滤波的方法取一个值存入程序存取器内部一个单元作为最后检测信号，并在LCD中显示。
控制器是用STC89C52单片机，用设定的算法对检测信号和设定值的差值进行调节后输出PWM控制信号给执行机构，去调节电阻炉的加热功率，从而控制炉内温度。
它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微处理器等优点，特别适合于构成多点的温度测控系统，可直接将温度转化成串行数字信号供微机处理，而且每片DS18B20都有唯一的产品号，可以一并存入其ROM中，以便在构成大型温度测控系统时在单线上挂接任意多个DS18S20芯片。
从DS18S20读出或写入DS18S20信息仅需要一根口线，其读写及其温度变换功率来源于数据总线，该总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而且不需要额外电源。
同时DS18B20能提供九位温度读数，它无需任何外围硬件即可方便地构成温度检测系统。
而且利用本次的设计主要实现温度测试，温度显示，温度门限设定，超过设定的门限值时自动启动加热装置等功能。
而且还要以单片机为主机，使温度传感器通过一根口线与单片机相连接，再加上温度控制部分和人机对话部分来共同实现温度的监测与控制。
1.2.2本系统的功能
本系统实现其具体控制功能如下：
（1）能够连续测量水的温度值，用1602LCD液晶来显示水的实际温度。
（2）能够设定水的温度值，设定范围是30℃～90℃。
（3）用单片机STC89C52控制，通过按键来控制水温的设定值，并保持恒定不变。
（4）误差≤1℃
1.3本文的主要内容
本文中具体做了如下几方面工作：
（1）水温控制系统硬件的设计
水温控制系统硬件设计主要包括STC89C51单片机、温度传感器模块、温度控制模块、显示模块、按键模块的介绍。
（2）水温控制系统软件的设计
借助KeilC51开发工具，以C语言为开发语言，开发了单片机系统的温度检测与控制程序模块、对温度传感器模块、显示模块、温度控制模块进行控制，键盘导入设定的温度，使其与实际温度进行运算并输出。
（3）水温控制系统的仿真
以Proteus为基础，画出电路图加载各模块，加载程序并模拟实际电路的运行状态并进行仿真。
1.4方案1
该案由单片机、模拟温度传感器AD590、运算放大器、AD转换器、LCD显示电路、集成功率放大器、报警器组成。
该方案采用模拟温度传感器AD590作为测用运算放大器交给信号进行适当的放大，最后通过模数转换器将模拟模拟信号转换成数据信号，传给单片机，单片机将温度值进行处理之后用LCD显示，当温度值超过设定值时开始报警。
如图1所示：
图1方案一温度测量系统方案框图
1.5方案2
该方案使用了STC89C51单片机作为控制核心，以智能温度传感器DS18B20为温度测量元件，通过键盘模块对温度上、下限设置。
显示电路采用LCD1602模块，如图2所示：
图2方案二温度测量系统方案框图
1.6方案论证
1．方案一的论证：
采用模拟温度传感器，转换结果需要经过运算放大器传给处理器。
它控制虽然简单，但电路复杂，不容易实现对多点温度测量和监控。
由于采用了多个分立元件和模数转换器，不容易出现误差，测量结果不是很准确，因此本方案并不可取。
2．方案二的论证：
采用智能温度传感器DS18B20，它直接输入数字量，精度高，电路简单，只需要模拟DS18B20的读写时序，根据DS18B20的协议读取转换的温度。
此方案硬件电路简单，但程序设计复杂一些，但是在课题外对DS18B20、字符型液晶显示有所了解，而且曾经在网上看过此类程序设计，并且我们已经使用开发工具KEIL用C语言对系统进行了程序设计，用仿真软件PROTEUS对系统进行了仿真，达到了预期的效果。
由此可见，此方案的可行性，体现了技术的先进性，经济上也没有任何问题。
综上所述，本课题应当采用方案二对系统进行设计。
2电阻炉温度控制系统工作原理
2.1温度控制总体设计方案
本系统以STC89C52为核心，以KEIL为系统程序开发平台，以C语言进行程序设计，以PROTEUS作为仿真软件设计而成的。
所设计的温度控制主要由单片机、温度采集模块、温度显示模块、温度控制模块、按键设定模块五部分组成。
对于温度控制，采用单片机STC89C52组成的自动控制系统，其系统硬件总体方框图如图3所示：
图3系统总体方框图
在图3中，温度传感器采用单总线数字温度传感器DS18B20；LCD液晶显示器，使用其动态显示方式，实时显示DS18B20采集到的水温温度。
水箱的水大约为1升，电热炉功率为400W；按键设定分为设置按键+1（PLUS），-1（SUBS）功能，其特点是：
可通过UP和DOWN键进行温度闪烁加减设定；光耦采用MOC3021，可控硅采用BTA16。
其整体电路图如图4所示。
图4整体设计电路图
2.2温度传感器模块
温度传感器模块采用DS18B20，主要功能是实时将水温温度数据返回单片机，将模拟信号转换为数字信号，便于数据处理与决策，由于此模块直接决定整个系统能否正常运行，所以是系统的核心模块。
2.2.1DS18B20基本知识
DS18B20数字温度计是DALLAS公司生产的1－Wire，即单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。
因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。
2.2.2DS18B20产品的特点
（1）只要求一个端口即可实现通信。
（2）在DS18B20中的每个器件上都有独一无二的序列号。
（3）实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。
（4）测量温度范围在－55。
C到＋125。
C之间。
（5）数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择。
（6）内部有温度上、下限告警设置。
2.2.3DS18B20的引脚介绍
TO－92封装的DS18B20的引脚排列见图5，其引脚功能描述见表1。
图5底视图
表1DS18B20详细引脚功能描述
序号
名称
引脚功能描述
1
GND
地信号
2
DQ
数据输入/输出引脚。
3
VDD
可选择的VDD引脚。
4．DS18B20的使用方法
由于DS18B20采用的是1－Wire总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输，而对STC89C52单片机来说，硬件上并不支持单总线协议，因此，我们必须采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对DS18B20芯片的访问。
由于DS18B20是在一根I/O线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。
DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。
该协议定义了几种信号的时序：
初始化时序、读时序、写时序。
所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备。
而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。
数据和命令的传输都是低位在先。
DS18B20的复位时序如图6所示：
图6DS18B20的复位时序
DS18B20的读时序分为读0时序和读1时序两个过程，如图7所示。
对于DS18B20的读时隙是从主机把单总线拉低之后，在15秒之内就得释放单总线，以让DS18B20把数据传输到单总线上。
DS18B20在完成一个读时序过程，至少需要60us才能完成。
图7DS18B20的读时序
DS18B20的写时序分为写0时序和写1时序两个过程，如图8所示。
对于DS18B20写0时序和写1时序的要求不同，当要写0时序时，单总线要被拉低至少60us，保证DS18B20能够在15us到45us之间能够正确地采样IO总线上的“0”电平，当要写1时序时，单总线被拉低之后，在15us之内就得释放单总线。
图8DS18B20的写时序
2.2.4DS18B20的4个主要部件
（1）光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。
64位光刻ROM的排列是：
开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。
光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。
（2）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，温度格式如表2所示：
表2DS18B20温度值格式表
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。
例如+125℃的数字输出为07D0H，+25.0625℃的数字输出为0191H，-25.0625℃的数字输出为FF6FH，-55℃的数字输出为FC90H。
DS18B20温度数据如表3所示：
表3DS18B20温度数据表
（3）DS18B20温度传感器的存储器
DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EEPRAM,后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。
（4）配置寄存器
该字节各位的意义如表4所示：
表4配置寄存器结构
低五位一直都是1，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。
在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动。
R1和R0用来设置分辨率，如表5所示：
表5温度值分辨率设置表
R1
R0
分辨率
温度最大转换时间
0
0
9位
93.75ms
0
1
10位
187.5ms
1
0
11位
375ms
1
1
12位
750ms
由表5可见，设定的分辨率越高，所需要的温度转换时间就越长。
因此，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑，视设备的实际需要来选择分辨率。
2.2.5温度采集模块电路图
本设计采用数字传感器DS18B20，DS18B20是一种可组网的单线数字温度传感器，它采用单线总线结构，集温度测量和A/D转换于一体，直接输出数字量，用一根I/O线就可以传送数据与命令，其温度测量范围为-55℃~+125℃，精度为+/-0.5℃，使用中无需外部器件，可利用数据线或外部电源提供电能，供电电压范围为3.3~5.5V，通过编程实现9~12位分辨率读出温度数据。
使用时，将DS18B20的数据DQ与单片机的一位具有三态功能的双向口连接就可以实现数据传输，为保证在有效的时钟周期内提供足够电流，采用外部电源单独供电，在数据线上加一个6.8KΩ的上拉电阻。
具体接线如图9所示：
图9温度采集模块电路图
2.3数据处理模块
单片机是温度控制系统的核心部件，负责数据处理，分别控制显示模块、温度控制模块和温度采集模块，由于数据大于5K，所以选用内存量为8K的STC89C52单片机。
2.3.1单片机的发展方向
未来单片机的发展趋势主要有：
主流型机发展趋势，8位单片机为主流，少量32位机，16位可能被淘汰；全盘CMOS化趋势；RISC体系结构的发展；大力发展专用单片机；OTPROM、flashROM成为主流供应状态；ISP及基于ISP的开发环境；单片机的软件嵌入；实现全面功耗管理；推行串行扩展总线；ASMIC技术的发展。
单片机以其卓越地性能,得到了广泛地应用,以深入到各个领域。
单片机应用在检测、控制领域中,具有如下特点。
小巧灵活、成本低、易于产品化。
它能方便地组装成各种智能式测控设备及各种智能仪器仪表；可靠性好,适应温度范围宽。
单片机芯片本身是按工业测控环境要求设计的,能适应各种恶劣的环境,这是其它机种无法比拟的；以扩展,很容易构成各种规模的应用系统,控制能力强。
单片机的逻辑控制功能很强,指令系统有各种控制功能用指令；可以方便地实现多机和分布式控制。
2.3.2STC89C52系列主要性能参数
STC89C52是一种低功耗，高性能CMOS微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Armel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STC89C52众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
STC89C52可提供以下标准功能：
8K字节闪存器，256字节内部RAM，32个I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，3个16位定时/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。
STC89C51可降至0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RA
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