基于单片机的电阻炉温度控制系统设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 优秀设计 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 号 名 导教师 责教师 沈阳航空 航天大学 2010 年 6 月买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 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 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 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 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 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 of a on of in so a of as so So CM of A is CM a is to of to to CM of be is to WM on of is to in to of so In of is to it At 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 目 录 1 绪论 . 1 题背景 . 1 题研究的概述 . 2 题研究的内容 . 2 系统实现的功能 . 3 2 电阻炉温度控制系统工作原理 . 4 3 电阻炉温度控制系统硬件设计 . 5 统硬件设计方案 . 5 度传感器模块 . 5 本知识 . 6 品的特点 . 6 引脚介绍 . 6 4 个主要部件 . 8 度采集模块电路图 . 10 据处理模块 . 11 列主要性能参数 . 11 储器配置 . 15 度显示模块 /键盘模块 . 19 度显示部分 . 20 度设定部分 . 24 度显示 /键盘模块电路图 . 24 度控制模块 . 26 控硅 . 26 电偶合器 . 28 度控制模块电路图 . 29 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4 电阻炉温度控制系统软件设计 . 31 统主程序 . 31 度采集子程序 . 32 制算法 . 32 5 温度控制系统 真 . 34 真说明 . 34 真结果 . 34 论 . 36 6 系统硬件调试 . 37 结论 . 38 社会经济效益分析 . 39 参考文献 . 40 致 谢 . 41 附录 程序清单 . 42 附录 硬件原理图 . 55 附录 器件清单 . 56 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 绪论 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 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， 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。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 题研究的 概述 本次的毕业设计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。 题 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，提出了用片机及 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 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 显示。控制器是用 设定的 算法对检测信号和设定值的差值进行调节后输出 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 有唯一的产品号，可以一并存入其 ，以便在构成大型温度测控系统时在单线上挂接任意多个 片。从 出或写入 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 电，而且不需要额外电源。同时 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。 本文 具体 研究了 如下几方面： （ 1） 水温 控制系统硬件的设计 主要包括 片机、温度传感器模块、温度控制模块、显示模块、按键模块 的 硬件选择及论证 。 （ 2） 水温 控制系统软件的设计 借助 51 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 导入买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 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 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。 系统 实现 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， 可 用 1602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 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 。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 电阻炉温度控制 系统工作原理 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 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 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。 本系统以 核心 ，以 系统程序开发平台 ，以 C 语言进行程序设计，以 为仿真软件设计而成的。 系统原理图如图 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 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 统 原理 图 温度传感器 示 键盘 双向可控硅 电阻炉加热器 采集 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 电阻炉温度控制系统硬件设计 统 硬件 设计方案 系统硬件原理图 如图 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 件原理 图 度 传感器 模块 温度传感器模块采用 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。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 本知识 字温度计是 司生产的 1 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。 品的特点 （ 1） 只要求一个端口即可实现通信。 （ 2） 在 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。 引脚介绍 引脚排列见图 引脚功能描述见表 图 视图 表 序号 名称 引脚功能描述 1 信号 2 据输入 /输出引脚。 3 选择的 脚。 使用方法 由于 用的是 1 线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输，而对 片机来说，硬件上并不支持单总线协议，因此，我们必须买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对 片的访问。 由于 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。 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。 复位时序 如图 示 ： 图 读时序分为读 0 时序和读 1 时序两个过程 ，如图 示 。 对于 读 时序 是从主机把单总线拉低之后，在 15 微 秒之内就得释放单总线，以让 数据传输到单总线上。 完成一个读时序过程，至少需要 60能完成。 图 写时序分为写 0 时序和写 1 时序两个过程 ，如图 示 。 对于 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 60证 够在 15 45间能够正确地采样 I/O 总线上买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 的 “ 0” 电平，当要写 1 时序时，单总线被拉低之后，在 15内就得释放单总线。 图 4 个主要部件 （ 1）光刻 的 64 位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该 地址序列码。 64 位光刻 排列是：开始 8 位（ 28H）是产品类型标号，接着的 48 位是该 身的序列号，最后 8 位是前面 56 位的循环冗余校验码（ 8+4+1）。光刻 作用是使每一个 各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个 目的。 （ 2） 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 ，其中 S 为符号位，温度格式如图 示： 图 这是 12位转化后得到的 12 位数据，存储在 两个 8 比特的 ，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 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 可得到实际温度。 2 23 21 20 222 S S S S 26 25 24 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 例如 +125的数字输出为 07+数字输出为 0191H， 数字输出为 数字输出为 度数据如表 示： 表 ) ) +125 0000 0111 1101 0000 0785 0000 0101 0101 0000 0550h + 0000 0001 1001 0001 0191h + 0000 0000 1010 0010 00 0000 0000 0000 1000 00008h 0 0000 0000 0000 0000 00000h 1111 1111 1111 1000 1111 1111 0101 1110 1111 1110 0110 1111 55 1111 1100 1001 0000 3） 度传感器的存储器 度传感器的内部存储器包括一个高速暂存 一个非易失性的可电擦除的 者存放高温度和低温度触发器 结构寄存器。 （ 4）配置寄存器 该字节各位的意义如表 示： 表 置寄存器结构 低五位一直都是 1 ， 测试模式位，用于设置 工作模式还是在测试模式。在 厂时该位被设置为 0，用户不要去改动。 来设1 1 1 1 1 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 置分辨率，如 表 示： 表 度值分辨率设置表 0 分辨率 温度最大转换时间 0 0 9 位 1 10 位 0 11 位 375 1 12 位 750表 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。 度采集模块 电路图 本设计采用数字传感器 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 +125 ，精度为 ，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 过编程实现 912 位分辨率读出温度数据。 使用时，将 数据 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 具体接线如 图 示 ： 图 度采集模块电路图 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 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 片机。 列 主要性能参数 一种低功耗，高性能 控制器，具有 8K 在系统可编程 用 司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80品指令和引脚完全兼容。片上 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 在系统可编 程 得 多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 提供以下标准功能： 8K 字节闪存器， 256 字节内部 32 个 I/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。 降至 0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 工作，但允许时 /计数器，串性通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存 的内容，但振荡器停止工作并禁止其它 所有部件工作直到下一个中断或硬件复位为止。 脚图如图 示： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 图 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 图 ： 为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8电流。当 时，被定义为高阻输入。 够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据 /地址的第八位。在 程时， 作为原码输入口，当行校验时， 出原码，此时 部必须被拉高。 ： 是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， 缓冲器能接收 输出 4电流。 管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入， 被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 程和校验时，作为第八位地址接收。 ： 为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， 缓冲器可接收，输出4 个 电流，当 被写 “1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时， 的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时， 输出地址买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 的高八位。在给出 地址 “ 1” 时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时， 输出其特殊功能寄存器的内容。 在 程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 ： 管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个 电流。当 写入 “ 1” 后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平， 将输出电流（ 是由于上拉的缘故。 也可作为一些特殊功能口，如 表 示： 表 3口 功能表 引脚 第 2 功能 行 口 输入 端 ） 行口输出 端 ） 部中断 0 请求输入端，低电平有效 ） 部中断 1 请求输入端，低电平有效 ） 0（ 定时器 /记时器 0 计数脉冲 输入 端 ） 1（ 定时器 /记时器 1 计数脉冲 输入 端） R（外部数据存储器写选通 信号输出端，低电平有效 ） D（外部数据存储器读选通 信号输出端，低电平有效 ） 位输入。当振荡器复位器件时，要保持 两个机器周期的高电平时间。 访问外部存储器时，地址锁存允许的输出 电平用于锁存地址的 低8 位字节。在 程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时， 以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个冲。如想禁止 输出可在 址上置 0。此时， 有在执行令是 起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 外部执行状态 止，置位无效。 部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取 值 期间，每个 机器周期两次 效。 但在访问外部数据存储器时，这两次 号将不出现。 / /持低电平时，则在此期间外部程序存储器（ 0000不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1 时， /内部锁定为 /间内部程序存储器。在 程期间，此引脚也用于施加 12 向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 自反向振荡器的输出。 储器配置 1 存储器结构 程序存储器：如果 脚接地，程序读取只从外部存储器开始。对于 89果 序读写先从内部存储器（地址为 0000H 1始，接着从外部寻址，寻址地址为： 2000H 数据存储器： 256 字节片内数据存储器。高 128 字节与特殊功能寄存器重叠。也就是说高 128 字节与特殊功能寄存器有相同的地址，而物理上是分开的。当一条指令访问高于 7地址时，寻址方式决定 问高 128 字 是特殊功能寄存器空间。直接寻址方式访问特殊功能寄存器（ 2 看门 狗定时器 一种需要软件控制的复位方式。 13 位计数器和特殊功能寄存器中的看门狗定时器复位存储器（ 成。 默认情况下无法工作；为了激活 户必须往 存器（地址： 0依次写入 010 活后，晶振工作， 每个机器周期都会增加。 时周期依赖于外部时钟频率。除了复位（硬件复位或 出复位），没有办法停止作。当 出，它将驱动 脚一个高个电平输出。 使用 :为了激活 户必须向 存器（地址为 0次写入 0 0 活后，用户必须向 入 01狗来避免 出。当计数达到 8191(1， 13 位计数器将会溢出，这将会复位器件。晶振正常工作、 活后，每一个机器周期 会增加。买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 为了复位 户必须向 入 01 0只读寄存器）。 数器不能读或写。当 数器溢出时，将给 脚产生一个复位脉冲输出，这个复位脉冲持续 96 个晶振周期（ 其中 。为了很好地使用 该在一定时间内周期性写入那部分代码，以避免 位。 掉电和空闲方式下的 掉电模式下，晶振停止工作，这意味这 停止了工作。在这种方式下，用户不必喂狗。有两种方式可以离开掉电模式：硬件复位或通过一个激活的外部中断。通过硬件复位退出掉电模式后，用户就应该给 狗，就如同通常 位一样。通过中断退出掉电模式的情形有很大的不同。中断应持续拉低很长一段时间，使得晶振稳定。当中断拉高后，执行中断服务程序。为了防止 中断保持低电平 的时候复位器件， 到中断拉低后才开始工作。这就意味着 该在中断服务程序中复位。为了确保在离开掉电模式最初的几个状态 被溢出，最好在进入掉电模式前就复位 进入待机模式前，特殊寄存器 用来决定 否继续计数。默认状态下，在待机模式下， 0， 续计数。为了式下复位 户应该建立一个定时器，定时离开待机模式，喂狗，再重新进入待机模式。 3 定时器 定时器 0 和定时器 1： 定时器 0 和定时器 1 与 样 。 定时器 2： 定时器 2 是一个 16 位定时 /计数器，它既可以做定时器，又可以做事件计数器。其工作方式由特殊寄存器 的 C/选择 。定时器 2 有三种工作模式：