基于单片机的电阻炉温度控制系统设计

课程设计1计算机控制技术成绩评定表设计课题：基于单片机的电阻炉温度控制系统设计学院名称：电气工程学院专业班级：学生姓名：学号：指导教师：王黎设计地点：中原路校区2号楼421设计时间：2011.6.27～2011.7.03指导教师意见：成绩:签名：2010年1月日课程设计2计算机控制技术课程设计课程设计名称：基于单片机的电阻炉温度控制系设计专业班级：学生姓名：学号：指导教师：王黎设计地点：中原路校区2号楼421课程设计时间：2011.6.27～2011.7.03课程设计3计算机控制技术课程设计任务书学生姓名专业班级学号题目基于单片机的电阻炉温度控制系统设计课题性质工程设计课题来源自拟课题指导教师王黎主要内容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。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，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。任务要求第1天：熟悉课程设计任务及要求，针对课题查阅技术资料。第2天：确定设计方案。要求对设计方案进行分析、比较、论证，画出方框图，并简述工作原理。第3-4天：按照确定的方案设计单元电路。要求画出单元电路图，元件及元件参数选择要有依据，各单元电路的设计要有详细论述。第5天：撰写课程设计报告。要求内容完整、图表清晰、文理流畅、格式规范、方案合理、设计正确，篇幅不少于5000字。主要参考资料[1]朱玉玺，崔如春，邝小磊，计算机控制技术电子工业出版社，2005[2]王幸之，钟爱琴，王雷，王闪AT89系列单片机原理与接口技术.北京:北航空航天大学出版社,2004.[3]梅丽凤,王艳秋,等.单片机原理及接口技术[M].北京:清华大学出版社,2004.[4]朱定华,刘玉.单片机原理及应用技术学习辅导[M].北京:电子工业出版社,2001.审查意见系（教研室）主任签字：年月日课程设计4目录1引言..................................................................51.1课题背景...............................................................51.2系统功能...............................................................52系统组成框图及工作原理.....................................................63系统硬件设计.............................................................73.1系统硬件设计方案........................................................73.2温度传感器模块..........................................................83.3数据处理模块...........................................................93.4温度显示模块..........................................................103.5温度控制模块..........................................................123.6控制算法..............................................................144软件设计...............................................................164.1系统主程序............................................................164.2温度采集子程序.........................................................18总结....................................................................19参考文献................................................................20附录....................................................................21课程设计5引言1.1课题背景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行，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。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。本毕业设计选择研究水温控制系统，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，STC89C52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系统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，可用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℃。课程设计62系统组成框图及工作原理本温度控制系统按功能分主要包括四个模块：温度传感器模块、数据处理模块、温度显示/按键模块和温度控制模块。首先由温度传感器DS18B20，对炉内温度进行实时采样并将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设置，单片机根据当前炉内温度和预设温度进行对比运算，根据控制算法，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。系统原理图如图1所示，从图中可以直观地看出四个主要模块的工作过程，系统通过键盘将数据传送给单片机，并由LCD显示器显示当前水温和设定水温值，温度控制模块和温度采集模块共同形成闭环控制。图1系统原理图课程设计73系统硬件设计3.1系统硬件设计方案系统硬件原理图如图2所示，系统集成了数据处理模块、温度显示/键盘模块、温度传感器模块、温度控制模块。图2硬件原理图课程设计83.2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。3.2.1DS18B20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。3.2.2DS18B20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℃到＋125℃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。3.2.3DS18B20的引脚介绍DS18B20的引脚排列见图3.2，其引脚功能描述见表1。图3.2底视图表1DS18B20详细引脚功能描述序号名称引脚功能描述1GND地信号2DQ数据输入/输出引脚。3VDD可选择的VDD引脚。3.2.4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线就可课程设计9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3所示：图3温度采集模块电路图3.3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。STC89C52引脚图如图4所示：课程设计10图4STC89C52引脚图3.4温度显示模块/键盘模块此模块由显示部分和设定部分组成，显示部分采用LCD1602液晶显示器，显示2行，每行16个字符，可显示字符和数字，显示内容丰富，此部分作用是实时显示电阻炉当前温度和设定温度。设定部分主要是键盘输入，此部分主要由三个按键组成，PLAS为加，SUBS为减，START为开始，当系统启动时，默认设定温度为30℃，当按下PLAS时设置水温增加，按下SUBS时设置水温减小，按下START开始加热。3.4.1温度显示部分LCD1602简介液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富、超薄轻巧等优点，因此，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用，现在字符型液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件了。本系统采用LCD1602液晶显示模块，它可以显示两行，每行16个字符，采用单+5V电源供电，外围电路配置简单，价格便宜，具有很高的性价比。课程设计11LCD1602管脚图如图5所示：图5LCD1602管脚图3.4.2温度显示/键盘模块电路图第1脚：VSS为电源地第2脚：VDD接5V电源正极第3脚：VEE为液晶对比度调整端，接正极时对比度弱，接负极时对比度高。第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选数据寄存器、低电平时选指令寄存器。第5脚：RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。第6脚：E（或EN）端为使能（enable）端。第7～14脚：D0～D7为8位双向数据端。此处为P0口输出，因为P0口的电压过于微弱，所以添加上拉电阻使