基于单片机的电加热炉温度控制系统

I辽宁工业大学单片机原理及接口技术课程设计（论文）题目：加热炉温度控制器设计院（系）：电气工程学院专业班级：电气122学号：120303040学生姓名：马驰指导教师：（签字）起止时间：2015.06.22-2015.07.05本科生课程设计（论文）II课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院教研室：注：成绩：平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算学号120303040学生姓名马驰专业班级电气122课程设计（论文）题目加热炉温度控制器设计课程设计（论文）任务高温加热炉利用煤气加热，通过传感器测量温度，四相5V、1A步进电机调节阀门来调节进气量。温度控制范围0～1800℃。设计任务：1.CPU最小系统设计（包括CPU选择，晶振电路，复位电路）2.温度传感器及接口电路设计3.步进电机驱动电路设计4.程序流程图设计及程序清单编写技术参数：1．温度控制范围：0-1800℃2．工作电源220V设计要求：1、分析系统功能，尽可能降低成本，选择合适的单片机、AD转换器、输出电路等；2、应用专业绘图软件绘制硬件电路图和软件流程图；3、按规定格式，撰写、打印设计说明书一份，其中程序开发要有详细的软件设计说明，详细阐述系统的工作过程，字数应在4000字以上。进度计划第1天查阅收集资料第2天总体设计方案的确定第3-4天CPU最小系统设计第5天温度传感器及接口电路设计第6天步进电机驱动电路设计第7天程序流程图设计第8天软件编写与调试第9天设计说明书完成第10天答辩指导教师评语及成绩平时：论文质量：答辩：总成绩：指导教师签字：年月日本科生课程设计（论文）III摘要随着计算机技术、控制理论和控制技术的发展，电加热炉的温度控制技术日趋成熟，已经成为工业生产中的一个重要部分。本设计为基于单片机的电加热炉温度控制系统，通过控制电阻丝两端电压的工作时间，来控制电阻丝的输出平均功率，从而实现对电加热炉温度的自动控制。系统分为温度测量、A/D转换、单片机系统、键盘操作系统、温度显示电路、D/A转换等若干个功能模块。该系统具有硬件成本低，控温精度较高，可靠性好，抗干扰能力强等特点。关键词：电加热炉；单片机；温度控制；固态继电器；本科生课程设计（论文）IV目录第1章绪论..........................................................11.1单片机温度控制系统概况.......................................11.2本文研究内容.................................................2第2章CPU最小系统设计..............................................32.1温度控制系统总体设计方案.....................................32.2CPU的选择....................................................42.3数据存储器扩展...............................................62.4复位电路设计.................................................72.5时钟电路设计.................................................82.6CPU最小系统图................................................9第3章温度传感器输入输出接口电路设计...............................103.1温度检测传感器的选择........................................103.2模拟量检测接口电路设计......................................113.3温度检测输出接口电路设计....................................123.4人机对话接口电路设计........................................15第4章加热炉温度控制软件设计.......................................164.1软件实现功能综述............................................164.2流程图设计..................................................164.2.1主程序流程图设计..............................................................................164.2.2模拟量检测流程图设计...................................174.2.3单片机流程图设计..............................................................................184.3程序清单....................................................19第5章系统设计与分析...............................................255.1系统原理图..................................................255.2系统原理综述................................................265.3硬件仿真图..................................................275.4软件调试结果................................................28本科生课程设计（论文）V第6章课程设计总结.................................................29参考文献............................................................30本科生课程设计（论文）1第1章绪论1.1单片机温度控制背景及国内外研究概况概况温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。成熟的温控产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，它们只能适应一般温度系统控制，而用于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。随着我国经济的发展及加入WTO，我国政府及企业对此都非常重视，对相关企业资源进行了重组，相继建立了一些国家、企业的研发中心，开展创新性研究，使我国仪表工业得到了迅速的发展。随着新技术的不断开发与应用，近年来单片机发展十分迅速，一个以微机应用为主的新技术革命浪潮正在蓬勃兴起，单片机的应用已经渗透到电力、冶金、化工、建材、机械、食品、石油等各个行业。传统的温度采集方法不仅费时费力，而且精度差，单片机的出现使得温度的采集和数据处理问题能够得到很好的解决。温度是工业对象中的一个重要的被控参数。然而所采用的测温元件和测量方法也不相同；产品的工艺不同，控制温度的精度也不相同。因此对数据采集的精度和采用的控制方法也不相同。传统的控制方式已不能满足高精度，高速度的控制要求，如温度控制表温度接触器，其主要缺点是温度波动范围大，由于它主要通过控制接触器的通断时间比例来达到改变加热功率的目的，受仪表本身误差和交流接触器的寿命限制，通断频率很低。近几年来快速发展了多种先进的温度控制方式，如：PID控制，模糊控制，神经网络及遗传算法控制等。这些控制技术大大的提高了控制精度，不但使控制变得简便，而且使产品的质量更好，降低了产品的成本，提高了生产效率。本系统要求有数据处理，显示功能等,被控对象为一阶惯性环节和一阶积分环节的组合，惯性时间常数为2s，开环增益k=10，温度控制范围为50～150℃。本设计使用单片机作为核心进行控制。单片机具有集成度高，通用性好，功能强，特别是体积小，重量轻，耗能低，可靠性高，抗干扰能力强和使用方便等独特优点，在数字、智能化方面有广泛的用途。本系统使用8051单片机，使温度控制大为简便。本科生课程设计（论文）21.2本文研究内容本文主要包括以下内容：1．以单片机为核心，建立自动控制系统，构建按键、采样、显示以及输出等外围电路，实现整个系统的搭建，建立电加热炉系统的仿真图；2．画出软件流程图，根据流程图编写程序，并对其进行调试，使其符合系统的具体要求；3．将所编写的程序下载到单片机中去，对系统进行整体调试，进而实现系统的整个功能，设计出符合实际要求的系统。本科生课程设计（论文）3第2章CPU最小系统设计2.1温度控制系统总体设计方案本系统结构框如图2.1所示，系统由8051单片机、温度检测电路、模数转换电路、温度控制电路、8279键盘显示器等组成。炉内温度由热电阻测温元件和电阻元件构成的桥式电路测量并转换成电压信号送给放大器的输入端，使信号变成0-5V电压信号，再经多路转换开关CD4051将信号送入A/D转换器，将此数字量经过数字滤波，标度转换后，一方面通过LED将炉温显示出来；另一方面，将该温度值与被测温度值比较，根据其偏差值的大小，采用比例微分控制（PID控制），通过固态继电器控温电路控制电炉丝的加热功率大小，从而控制电炉的温度，使其逐渐趋于给定值且达到平衡。图2.1过程层原理框图本科生课程设计（论文）42.2CPU的选择本文采用8051单片机进行设计。8051有40条引脚。其中有2条主电源引脚，2条外接晶体引脚，4条控制或其它电源复用的引脚，32条I/O引脚，如图2.2所示。由于8051片内数据存储器和程序存储器的地址有限，因此需要扩展。单片机的40个引脚大致可分为4类：电源、时钟、控制和I/O引脚。1.电源:⑴VCC-芯片电源，接+5V；⑵VSS-接地端；2.时钟:XTAL1、XTAL2-晶体振荡电路反相输入端和输出端。3.控制线:控制线共有4根：⑴ALE/PROG:地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲①ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址②PROG功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。⑵PSEN:外ROM读选通信号。⑶RST/VPD:复位/备用电源。①RST（Reset）功能：复位信号输入端。②VPD功能：在Vcc掉电情况下，接备用电源。⑷EA/Vpp:内外ROM选择/片内EPROM编程电源。①EA功能：内外ROM选择端。②Vpp功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。4.I/O线：8051共有4个8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。本科生课程设计（论文）5图2.28051芯片12345678ABCD87654321DCBATitleNumberRevisionSizeA2Date:13-Jun-2005SheetofFile:C:\DocumentsandSettings\Mount-011\桌面\刘波.DdbDrawnBy:EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PS