电热炉的控制.docx

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电热炉的控制

目录

摘要1

Abstract2

第1章绪论3

1.1单片机的应用3

1.2电热炉控制中的问题3

1.3本设计主要内容4

第2章设计仿真平台和编程软件5

2.1设计仿真软件Proteus5

2.2编程软件Keil7

第3章系统硬件结构设计8

3.1系统硬件组成8

3.2Proteus原理图设计8

3.3硬件电路结构12

3.3.1主控制芯片AT89C51原理及其说明12

3.3.2外部时钟电路14

3.3.3测温模块14

3.3.4显示模块16

3.3.5开关模块17

3.3.6报警模块18

3.4实际情况中的问题18

第4章系统软件设计及调试20

4.1系统程序设计20

4.1.1DS18B20测温程序设计22

4.1.2LM016L显示程序设计23

4.2Keil与Proteus联调24

第5章总结与展望27

5.1总结27

5.2展望27

参考文献28

致谢29

附录30

摘要：

电热炉可使用金属发热体或非金属发热体来产生热源，其构造简单，工业电热炉的主要用途是供机械工业对原材料、毛坯、机械零件加热用。

温度控制对于电热炉是至关重要的。

为了更好地控制温度、提高控制质量，选用单总线芯片DS18B20作为温度传感器，进行了基于单片机AT89C51的温度控制系统的设计与仿真。

显示模块选用LCD显示器，控制更为简单，显示更为清晰。

配以键盘模块及由二极管、蜂鸣器组成的报警模块，组合成较为完整的温度控制系统硬件。

选用Proteus软件绘制电路原理图，同时选用软件Keil进行编程编译，并将Keil与Proteus联调，在Proteus中查看仿真结果，实现温度的自动控制。

关键词：

单片机、温度控制、Keil、Proteus仿真

Abstract：

ElectricfurnacecanusemetalheaterorThermalTektogenerateheat.Itsstructureissimple.Industrialelectricfurnacesaremainlyusedfortheengineeringindustryforheatingrawmaterials,blanksandmachineparts.Temperaturecontroliscriticalforelectricfurnace.

Inordertocontrolthetemperaturebetterandimprovecontrolquality,temperaturecontrolsystembasedonAT89C51microcontrollerisdesignedandsimulated.ItusesasinglebuschipDS18B20asatemperaturesensor.LCDmonitorisusedindisplaymoduleformoresimplecontrolandmoreclearlyshown.Accompaniedbythekeyboardmoduleandalarmmoduleconsistingofthediodeandbuzzer,completetemperaturecontrolsystemhardwareisformed.Circuitschematicdiagramisdrawninproteussoftware,andtheprogramsarecompiledintheKeilplatform.Bydebaggingofkeilandproteus,thesimulationresultscanbeviewedinproteus.Andthentemperaturecontrolisachieved.

Keywords:

SingleChip、Temperaturecontrol、Keil、Proteussimulation

第1章绪论

1.1单片机的应用

单片机具有体积小、可靠性高、功能强、使用方便、性能价格比高、容易产品化等特点。

国际上从1970年代开始，国内自1980年代以来，单片机已广泛应用于国民经济的各个领域，对各个行业的技术改造和产品的更新换代起重要的推动作用。

其应用大致可分为如下几个范畴：

1、在智能仪器仪表上的应用

　　单片机具有功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。

2、在工业控制中的应用

　　用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。

在工业过程控制、机床控制、机器人控制、汽车控制以及飞行器制导系统等方面得到广泛应用。

3、在家用电器中的应用

　　这个领域的应用特点是量大面广并且具有价格低廉的特点，如电饭锅、电子游戏机、电视机、录音机、组合音响、洗衣机、电冰箱以至电子玩具等，都广泛地使用单片机进行控制。

4、在计算机网络和通信领域中的应用

　　现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。

5、单片机在医用设备领域中的应用

　　单片机在医用设备中的用途相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。

6、在各种大型电器中的模块化应用

　　某些专用单片机设计用于实现特定功能，从而在各种电路中进行模块化应用，而不要求使用人员了解其内部结构。

如音乐集成单片机，看似简单的功能，微缩在纯电子芯片中（有别于磁带机的原理），需要复杂的类似于计算机的原理。

又如音乐信号以数字的形式存于存储器中（类似于ROM），由微控制器读出，转化为模拟音乐电信号（类似于声卡）。

在大型电路中，这种模块化应用极大地缩小了体积，简化了电路，降低了损坏、错误率，也方便于更换。

7、单片机在汽车设备领域中的应用

　　单片机在汽车电子中的应用非常广泛，例如汽车中的发动机控制器，基于CAN总线的汽车发动机智能电子控制器，GPS导航系统，ABS防抱死系统，制动系统等等。

[1]

1.2电热炉控制中的问题

温度是工业生产和科学实验中一个非常重要的参数。

许多生产过程都是在一定的温度范围内进行的，甚至对温度的要求相当严格，因此生产现场需要测量温度和控制温度。

温度是电热炉需要控制的主要参数。

在传统的电热炉温度控制系统中，炉温控制采用温度仪表监视和人工调节相结合的方式，电热炉的电源通断大多采用交流接触器来控制。

这种控制方式结构简单，但控制精度差，控制速度慢，在资源方面耗费人力且本身耗能多，控制器的噪音大，而且在控温过程中由于接触器频繁通断，经常发生触点电弧放电现象，容易造成短路，使接触器损坏，对操作人员和设备带来不利影响及安全隐患。

传统的定值开关温度控制法存在温度滞后的问题，而多数传统基于常规PD控制的控制装置，存在精度不高、效率低等问题。

1.3本设计主要内容

本课题是基于单片机的电热炉温度控制系统的设计，要求实现温度自动控制，同时显示实际温度值和设定温度值，并控制实际温度值与设定温度值相差不超过2度，超过

范围时自动报警并作出相应的动作。

温度的控制图如图1-1所示。

图1-1温度控制反馈图

第二章中简单介绍了编程软件Keil及电路设计仿真软件Proteus。

第三章介绍本设计硬件结构及所涉及的芯片、电路说明，主控制芯片采用AT89C51；由于DS1302是一种高性能的芯片，可自动计时计数，故时钟电路采用DS1302；温度传感芯片DS18B20是单总线结构芯片，结构简单，接线少，且程序编写简单，故温度采集、转换、传递采用DS18B20；LCD显示电路结构简单且软件设计也相对简单，具有低功耗特点，因此显示模块采用LCD显示。

第四章简单讲述了程序的编写及Keil与Proteus联调显示的结果，具体程序见附录。

本课题基于编程软件Keil和硬件电路仿真软件Proteus，在Keil软件中程序编译成功后与Proteus软件的原理图联调，仿真实现课题要求。

第2章设计仿真平台和编程软件

2.1设计仿真软件Proteus

ProteusISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。

该软件将处理器模型、Prospice混合电路仿真、虚拟仪器、高级图形仿真、动态器件库和外设模型、处理器软仿真器、第三方的编译器和调试器等有机结合起来,真正第一次实现了在计算机上完成从原理图设计、处理器代码调试及实时仿真、系统测试及功能验证,甚至可以生成PCB，功能及其强大。

它运行于Windows操作系统上，可以仿真集成电路，简单介绍该软件的特点如下：

①具有强大的原理图绘制功能。

②支持主流单片机系统的仿真。

目前支持的单片机类型有：

68000系列、8051系列、AVR系列、HC11系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列以及各种外围芯片如LCD、DS18B20。

③实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。

在元件库中有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。

具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能。

④提供软件调试功能。

在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，在该软件仿真系统中同时支持第三方的软件编译和调试环境，如KeilC51uVision2等软件。

ProteusISIS的工作界面是一种标准的Windows界面，如图2-1所示。

包括：

标题栏、主菜单、标准工具栏、绘图工具栏、状态栏、对象选择按钮、预览对象方位控制按钮、仿真进程控制按钮、图形编辑窗口、对象选择器窗口、预览窗口。

图2-1Proteus界面

其中各部分的功能简单介绍如下：

①原理图编辑窗口（TheEditingWindow）：

用来绘制电路原理图。

蓝色方框内为可编辑区，画元件时要放置到里面。

这个窗口没有滚动条，可通过拖动预览窗口的绿色方框来改变原理图的可视范围。

②预览窗口（TheOverviewWindow）：

它可显示两个内容，在元件列表中选择一个元件时，可以显示该元件的预览图；鼠标焦点落在原理图编辑窗口时，会显示整张原理图的缩略图，并会显示一个绿色的方框，绿色的方框里面的内容就是当前原理图窗口中显示的内容。

③模型选择工具栏（ModeSelectorToolbar）：

主要模型（MainModes）：

1*选择元件（components）

2*放置连接点

3*放置标签（用总线时会用到）

4*放置文本

5*绘制总线

6*放置子电路

7*即时编辑元件参数

④配件（Gadgets）：

1*终端接口（terminals）：

有VCC、地、输出、输入等接口

2*器件引脚：

用于绘制各种引脚

3*仿真图表（graph）：

用于各种分析，如NoiseAnalysis

4*录音机

5*信号发生器（generators）

6*电压探针：

使用仿真图表时要用到

7*电流探针：

使用仿真图表时要用到

8*虚拟仪表：

有示波器等

2D图形（2DGraphics）：

1*画各种直线

2*画各种方框

3*画各种圆

4*画各种圆弧

5*画各种多边形

6*画各种文本

7*画符号

8*画原点等

⑤元件列表（TheObjectSelector）：

用于挑选元件（components）、终端接口（terminals）、信号发生器（generators）、仿真图表（graph）等。

当选择“元件（components）”，单击“P”按钮会打开挑选元件对话框，选择了一个元件后（单击了“OK”后），该元件会在元件列表中显示，以后要用到该元件时，只需在元件列表中选择即可。

⑥方向工具栏（OrientationToolbar）：

旋转：

旋转角度只能是90的整数倍。

翻转：

完成水平翻转和垂直翻转。

使用时先右键单击元件，再点击（左击）相应的旋转图标。

⑦仿真工具栏

仿真控制按钮

1*运行

2*单步运行

3*暂停

4*停止

通过单步运行可以查看程序的执行情况。

2.2编程软件Keil

目前流行的51系列单片机开发软件是德国Keil公司推出的KeilC51软件，它是一个基于32位Windows环境的应用程序，支持C语言和汇编语言编程，其6.0以上的版本将编译和仿真软件统一为μVision（通常称为μV2）。

Keil提供C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等的完整开发方案，界面如图2-2所示。

该软件由以下几部分组成：

μVisionIDE集成开发环境、C51编译器、A51汇编器、LIB51库管理器、BL51连接/定位器、OH51目标文件生成器以及Monitor-51、RTX51实时操作系统。

图2-2Keil界面

keilμvision2编写程序一般步骤如下：

1、新建工程

2、新建源程序文件，可以是C语言或汇编语言等

3、把源程序添加到工程中

4、编译并生成Hex文件

绘制原理图及编写程序过程见第三章、第四章，本章不再叙述。

第3章系统硬件结构设计

3.1系统硬件组成

系统硬件设备由以下几部分组成：

⑴单片机：

本系统选用AT89C51,它的片内有集成的存储器,无需外接存储器，

使程序写入更加方便。

⑵温度测量电路：

采用美国公司生产的单总线数字式温度传感器,由于是单总线结构，具有结构简单,不需要外接电路,可用一根数据线既供电又传输数据,并且具有体积小,分辨率高,转换快等优点。

⑶键盘设定电路：

输入设定的温度,必须依靠键盘,这里利用单片机的P2口连接矩阵式键盘,采用扫描方式读键值，以实现温度设定。

⑷温度显示电路：

采用LCD显示器，电路比较简单，且在软件设计上也相对简单，具有低功耗功能，能够满足设计最优的要求。

为使显示器能正常显示、稳定工作,单片机的P0口作为数据输出接口，P1口作为控制字输入端口。

⑸报警电路：

在系统温度达到上下限报警温度时选择发光二极管和蜂鸣器来实现这一功能。

发光二极管工作时需要电流,设计时考虑了相应的控制电路。

3.2Proteus原理图设计

本设计采用AT89C51作为控制系统，DS18B20温度传感器采集、转换温度，显示器LM016L显示温度，用proteus画的原理图如图3-1所示：

图3-1原理图

电路图的绘制过程如下：

1、将所需元器件添加到对象选择器窗口。

单击对象选择器按钮

，如图3-2所示。

图3-2选择元件

弹出“PickDevices”页面，在“Keywords”输入AT89C51，系统在对象库中进行搜索查找，并将搜索结果显示在“Results”中，如图3-3所示。

图3-3查找元件

在“Results”栏中的列表项中，双击“AT89C51”，则可将“AT89C51”添加至对象选择器窗口。

同理，添加LM016L、DS18B20、LED、DS1302等其他涉及的元器件至对象选择器窗口。

如图3-4所示。

图3-4对象选择器窗口

2、放置元器件至图形编辑窗口

在对象选择器窗口中，选中AT89C51，将鼠标置于图形编辑窗口该对象的欲放位置、单击鼠标左键，该对象放置完成。

若对象位置需要移动，将鼠标移到该对象上，单击鼠标右键，该对象的颜色变至红色，表明该对象已被选中，按下鼠标左键，拖动鼠标，将对象移至新位置后，松开鼠标，完成移动操作。

同理放置其他元器件，如图3-5所示。

图3-5放置元件

3、元器件之间的连线

Proteus具有线路自动路径功能（简称WAR），当选中两个连接点后，WAR将选择一个合适的路径连线。

WAR可通过使用标准工具栏里的“WAR”命令按钮

来关闭或打开，也可以在菜单栏的“Tools”下找到这个图标。

例如，在LCD红色引脚处引出起点，连接到单片机对应引脚。

如图3-6所示。

同理，可以完成其它连线。

在此过程的任何时刻，都可以按ESC键或者单击鼠标的右键来放弃画线。

图3-6连线

4、给总线或应连接而不便连接的导线贴标签

单击绘图工具栏中的导线标签按钮

，使之处于选中状态。

将鼠标置于图形编辑窗口的欲标标签的导线上，跟着鼠标的指针就会出现一个“×”号，如图3-7所示。

表明找到了可以标注的导线，单击鼠标左键，弹出编辑导线标签窗口，如图3-8所示。

图3-7贴标签

图3-8编辑标号

在“string”栏中，输入标签名称（如P10），单击“OK”按钮，结束对该导线的标签标定。

如图3-9所示。

同理，可以标注其它导线的标签。

图3-9编辑好的标签

5、加入电源、接地

单击工具栏中按钮

，出现如图3-10后选择POWER或GROND，将电源或接地符号放置在相应引脚上。

如图3-11所示。

图3-10选择电源或地

图3-11放置电源或地

在绘制过程中如需删除元器件或导线、标签等，用右键双击需要删除的对象即可。

至此，电路图基本绘制完成。

根据实际要求可不断修改。

3.3硬件电路结构

3.3.1主控制芯片AT89C51原理及其说明

AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和FLASH存储单元，功能强大，可灵活应用于各种控制领域。

主要性能参数：

●与MCS-51产品指令系统完全兼容

●4K字节可重复擦写FLASH闪速存储器

●1000次擦写周期

●全静态操作：

0Hz—24MHz

●三级加密程序存储器

●128*8字节内部RAM

●32个可编程I/O口线

●2个16位定时/计数器

●6个中断源

●可编程串行UART通道

●低功耗空闲和掉电模式

引脚功能：

VCC（40）：

电源电压GND（20）：

接地

P0口（32-39）：

P0口是一个8位双向I/O接口，也即地址/数据总线复用口。

作为输出口用时，每位以吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。

在访问外部数据存储器时,这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用。

P1口（1-8）：

P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路，对端口写“1”通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平时，此时可作输入口。

作为输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。

P1.0和P1.1还可以分别作为定时/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX）。

P2口（21-28）：

P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路，对端口P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平时，此时可作输入口。

作为输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。

在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器时，P2口送出高8位地址数据。

在访问8位地址的外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。

P3口（10-17）：

P3是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路，对端口P3写“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口，此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。

P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表3-1所示：

表3-1P3口的第二功能

端口引脚

第二功能

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

INT0（外中断0）

P3.3

INT1（外中断1）

P3.4

T0（定时/计数器0）

P3.5

T1（定时/计数器1）

P3.6

WR（外部数据存储器写通道）

P3.7

RD（外部数据存储器读通道）

RST（9）：

复位信号输入端。

当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。

复位电路如图3-12所示。

图3-12复位电路

XTAL1（19）：

振荡器反相放大器的输入端及内部时钟发生器的输入端。

XTAL1（18）：

振荡器反相放大器的输出端。

通过XTAL1、XTAL2外接晶振后，即可构成自激振荡器，驱动内部时钟发生器向主机提供时钟信号。

震荡电路如图3-13所示。

图3-13震荡电路

3.3.2外部时钟电路

在时间控制中，如果用系统的定时器设计时钟，当偶然掉电或晶振的误差都会造成时间的错乱，因此本设计采用DS1302构成时钟电路。

如图3-14所示：

图3-14时钟电路

DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路芯片，它可以对年、月、日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V～5.5V。

采用三线接口与CPU进行同步通信，这里与单片机的P1.5、P1.6、P1.7口连接，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。

DS1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。

DS1302可以用于数据记录，特别是对某些具有特殊意义的数据点的记录，可以同时记录数据与出现该数据的时间。

这种记录对长时间的连续测控系统结果的分析及对异常数据出现的原因的查找具有重要意义。

传统的数据记录方式是定时采样，不能记录时间，因此，只能记录数据而无法准确记录其出现的时间；若采用单片机计时，一方面需要采用计数器，占用硬件资源，另一方面需要设置中断、查询等，耗费单片机的资源。

但是，如果在系统中采用时钟芯片DS1302，就能很好地解决这个问题。

本设计将DS1302芯片作为一个扩展。

3.3.3测温模块

温度传感器是各种传感器中最常用的一种，早期使用模拟温度传感器如热电阻。

现代的温度传感器已经走向数字化、微型化、集成化。

本设计采用DS18B20。

在Proteus中温度传感器DS18B20的元件图形及实物图如图3-15所示。

图3-15DS18B20元件图及实物图

DS18B20是DALLAS公司生产的1－Wire，即单总线器件，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，与单片机接口仅需占用一个I/O端口，无须任何外部元件，直接将环境温度转化成串行数字信号供处理器处理。

其特性如下：

（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