基于单片机的对加热炉的温度控制系统毕业论文

本 科 毕 业 论 文 (设 计 )题 目： 基于单片机的加热炉温度控制系统设计学 院： 现代科技学院 专业班级： 电子信息工程 0601 学 号： 2006614250308 学生姓名： 刘 快 指导教师姓名： 赵秋霞 指导教师职称： 讲师 二零一零 年 六 月 一 日目录绪 论 .11 单片机对加热炉温度控制的总体设计 .22 单片机内部结构及引脚的选择 .32.1 单片机内部模块 .32.1.1 MCS-51 单片机内部结构 .32.1.2 主电源引脚 .42.1.3 外接晶体引脚 .42.1.4 MCS-51 输入/输出引脚 .42.1.5 MCS-51 控制线 .42.2 单片机外总线结构 .52.3 MCS-51 单片机系统扩展 .53 硬件系统设计 .63.1 总体设计 .63.2 程序存储器的扩展 .73.3 温控模块的设计 .83.4 8155 接口电路 .83.4.1 8155 简介 .83.4.2 8155 的 RAM 和 I/O 口地址编码 .93.5 A/D 转换电路 .103.5.1 引脚结构 .103.6 可控硅控制电路 .114 软件系统设计 .134.1 主程序 .134.2 T0 中断服务程序 .144.3 采样子程序 .164.4 数字滤波程序 .165 总结 .18参考文献 .19附录 .20程序清单 .20基于单片机的加热炉温度控制系统设计1绪 论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。传统的控制方式以不能满足高精度，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。本系统所使用的加热器件是电炉丝，功率为三千瓦，要求温度在 4001000。静态控制精度为 2.43。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 8031 单片机，使温度控制大为简便。基于单片机的加热炉温度控制系统设计21 单片机对加热炉温度控制的总体设计加 热 炉 是 将 物 料 或 工 件 加 热 的 设 备 。 按 热 源 划 分 有 燃 料 加 热 炉 、 电 阻 加 热 炉 、 感应 加 热 炉 、 微 波 加 热 炉 等 。 应 用 遍 及 石 油 、 化 工 、 冶 金 、 机 械 、 热 处 理 、 表 面 处 理 、建 材 、 电 子 、 材 料 、 轻 工 、 日 化 、 制 药 等 诸 多 行 业 领 域 。 加 热 炉 按 炉 温 分 布 ， 炉 膛沿 长 度 方 向 可 分 为 预 热 段 、 加 热 段 和 均 热 段 。单片机的温度控制是数字控制系统的一个应用。本系统所使用的加热炉为电加热炉，炉丝功率为 3kw，系统要求炉膛恒温，误差为士 2,超调量可能小，温度上升较快且有良好的稳定性。单片机温度控制系统是以MS-5l单片机为控制核心，辅以采样反馈电路，驱动电路，晶闸管主电路对电炉炉温进行控制的微机控制系统。系统的原理框图如图1.1所示，其基本控制原理为: ：用键盘将温度的设定值送入单片机，启动运行后，通过信号采集电路将温度信号采集到后，送到A/D 转换电路将信号转换成数字量送入单片机系统进行PID 控制运算，将控制量输出，控制电阻炉的加热。图 1.1 原理框图给定值 8031 控制电路 驱动电路晶闸管主电路被控对象输出温度采样电路基于单片机的加热炉温度控制系统设计32 单片机内部结构及引脚的选择单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）简称单片机，是指在一块芯片上集成了中央处理器 CPU、随机存储器 RAM、程序存储器 ROM 或 EPROM、定时器/计数器、中断控制器及串型和并行 I/O 接口等部件。单片机主要应用于工业控制领域，用来实现对信号的检测、数据的采集以及对应用对象的控制。它具有体积小、重量轻、价格低、可靠性高、耗电少和灵活机动等许多优点。单片机是微型计算机的一个重要分支，特别适合用于智能控制系统。基于经济上的的考虑，以及本次设计的加热炉的精度要求，选用 8031 单片机作为中央处理器。8031 是 MCS51 系列单片机的一种型号，在 MCS51 系列单片机中还有8051、8032、80C31 等。2.1 单片机内部模块2.1.1 MCS-51单片机内部结构MCS-51 系列单片机组成结构中包含运算器、控制器、片内存储器、4 个 I/O 口、串行图 2.1 单片机的内部结构框图P3P3P1P1P0P0P2P2EPROM PCPCDPTRBAC2RAMRAM SP/PSW1ALUVCSPSENALRESTXTAL1 XTAL2 P1.0P1.7 P3.0P3.7P0.P0.7P2.0P2.7基于单片机的加热炉温度控制系统设计4口、定时器/计数器、中断系统、振荡器等功能部件。图 2.1 中 SP 是堆栈指针寄存器，PC 是程序计数器，PSW 是程序状态字寄存器，DPTR 是数据指针寄存器。 2.1.2 主电源引脚Vcc（40 脚）：接+5V 电源正端。Vss（20 脚）：接+5V 电源地端。2.1.3 外接晶体引脚XTAL1（19 脚）和 XTAL2（18 脚）：接外部晶振的两个引脚。2.1.4 MCS-51 输入/输出引脚MCS-51 单片机有 4 个 I/O 端口，共 32 根 I/O 线，4 个端口都是准双向口。每个口都包含一个锁存器，即专用寄存器 P0-P3，一个输出驱动器和输入缓冲器。为方便起见，我们把 4 个端口和其中的锁存器都统称 P0-P3。在访问片外扩展存储器时，低 8 位地址和数据由 P0 口分时传送，高 8 位地址由 P2口传送。在无片外扩展存储器的系统中，这 4 个口的每一位均可作为双向的 I/O 口使用。P0 口：可作为一般的 I/O 口用，但应用系统采用外部总线结构时，它分时作低 8 位地址和 8 位双向数据总线用。P1 口：每一位均可独立作为 I/O 口。P2 口：可作为一般 I/O 口用，但应用系统采用外部系统采用总线结构时，它分时作为高 8 位地址线。P3 口：双功能口。作为第一功能使用时同 P1 口，每一位均可独立作为 I/O 口。另外，每一位均具有第二功能，每一位的两个功能不能同时使用。2.1.5 MCS-51控制线RST/Vpd（9 脚）：RST 即为 RESET，Vpd 为备用电源。该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。当单片机震荡工作时，该引脚上将出现持续两个机器周期的高电平，这时可实现复位操作，使单片机回复到初始状态。当 Vcc 发生故障，降低到低电平规定值或掉电时，该引脚上可接备用电源Vpd（+5V）为内部 RAM 供电，以保证 RAM 中的数据不丢失。ALE/PROG（30 脚）：地址锁存有效信号输出端。ALE 在每个机器周期内输出两个脉冲。在访问片外程序存储器期间，下降沿用于控制锁存 P0 输出端的低八位地址；在不访问片外程序存储器期间，可作为对外输出的时钟脉冲或用于定时目的。 PSEN（29 脚）：片外程序存储器选通信号输出端，低电平有效。在从外部程序存储器读取指令或常数期间，每个机器周期内该信号有效两次，并通过数据总线 P0 口读回指基于单片机的加热炉温度控制系统设计5令或常数。在访问片外数据存储器期间，该信号将不出现。EA/VPP（31 脚）： EA 为片外程序存储器选通断。该引脚有效（低电平）时，只选用片外程序存储器，否则单片机上电或复位后选用片内程序存储器。对于片内还有 EPROM 的机型，在编程期间，此引脚用作 12V 编程电源 Vpp 的输入端。2.2 单片机外总线结构微型计算机大多数 CPU 外部都有单独的地址总线、数据总线和控制总线，而 MCS51单片机由于受到芯片管脚的限制，数据线和地址线（低 8 位）是复用的，而且是 I/O 口兼用。为了将它们分离开来，以便同单片机之外的芯片正确地相连，常常在单片机外部加地址锁存器来构成与一般 CPU 相类似的三总线，如图 2.2 所示。图 2.2 单片机外总线结构2.3 MCS-51单片机系统扩展通常情况下，采用 MCS-51 系列单片机的最小系统只能用于一些很简单的应用场合，在此情况下直接使用单片机内部存储器、数据存储器、定时功能、中断功能、I/O 端口等，组成的应用系统的成本较低。单片机系统扩展的方法有并行扩展法和串行扩展法两种。并行扩展法是利用单片机的三种线（AB、DB、CB）进行的系统扩展；串行扩展法是利用 SPI 三线总线或 I2C 双总线的串行系统扩展。但是，一般串行接口器件速度慢，在需要高速应用的场合，还是并行扩展法占主导地位。基于单片机的加热炉温度控制系统设计63 硬件系统设计3.1 总体设计系统控制主电路是由8031及其外围芯片，及一些辅助的部分构成的。如图3.1所示。图 3.1 总体设计原理图803174Ls3732764过零信号发生器8155 ADC0809 传感检测电路温控电路电炉键盘与显示基于单片机的加热炉温度控制系统设计73.2 程序存储器的扩展8031片内不带ROM，采用8031芯片时，须扩展程序存储器。用作程序存储器的芯片主要有EPROM和EEPROM。由于EPROM价格低廉、性能可靠，所以设计用EPROM.EPROM是紫外线可擦除电可编程的半导体只读存储器，掉电后信息不会丢失。EPROM中程序一般通过专门编程器可写入。常用的EPROM芯片主要有：2716、2732、2764、27128、27256等。扩展程序存储器时，一般扩展容量大于 256 字节，因此，除了由 P0 口提供低 8 位地址线外，还需由 P2 口提供若干地址线，最大的扩展范围位 64K 字节，即需 16 位地址线。具体方法是 CPU 应向 EPROM 提供三种信号线。即A：数据总线：P0 口接 EPROM 的 O0-O7。B：地址总线：P0 口经锁存器向 EPROM 提供地址低 8 位，P2 口提供高 8 位地址以及片选线。C：控制总线：PSEN 片外程序存储器取指令控制信号，接 EPROM 的 OE，ALE接锁存器的 G。EA 接地。结合本次设计，选择扩展的型号为 2764。8031 与 2764 的连接图如图 3.2 所示。图 3.2 2764 与 8031 连接图基于单片机的加热炉温度控制系统设计83.3 温控模块的设计温度检测元件和变送器的选择和被控温度及精度等级有关。设计采用镍铬/镍铝热电偶，此电偶用于01000的温度测量范围。系统功能和系统的工作工程为：反映炉温的热电偶, 用于采集炉内的温度信号，将采集到的信号经冷端补偿后送运算放大器放大, 由变送器将热电偶信号（温度信号）变为电流输出，再由高精密电流/电压变换器将电流信号变为标准电压信号，将放大的电压送入采样保持器和转换电路后得到与炉温相应的数字量。具体设计为，将温度传感器输出的电流信号Iin，输入到电流/ 电压转换电路，在采样电阻R1 上获得对应的电压分量VR=R1*Iin，并将该值经过由R2，C1构成的带有一定延时(时间与温度传感器的响应时间相对应) 作用的低通滤波电路后，输入到放大器A1 的正相端。因为传感器输出4mA 时，在取样电阻上的电压不等于零，直接经模拟/数字转换电路转换后的数字量也不等于零，所以单片机不能直接利用，这样利用稳压管产生一个精确基准电压Vref 与R3。RW1构成的可调分压电路，通过调节RW1 可以获得精确的Vx=(Rx/RW1)Vref，该值可用于抵消4mA电流在取样电阻上产生的压降，所以当温度传感器为最小值4mA 时，A1的2 脚与3 脚之间的电压差基本为0V。与A1 相连的C2、R3、R4、R5 构成带有积分校正的放大电路，积分校正会增加系统的惯性，对变化较快的信号起阻尼作用。通过适当调整电阻就可以获得理想的比例增