基于单片机的电阻炉温度控制系统设计

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 97997026 沈阳航空 航天大学 2010 年 6 月沈阳航空航天大学毕业设计（论文） I 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 基于单片机的电阻炉温度控制系统设计 of a on n of so it a of of as so so to CM on of of CM is in In As a is of of of to be on on of to so of to an of to it 阳航空航天大学毕业设计（论文） 录 1 绪论 . 1 介 . 1 题研究的内容及要求 . 2 题的主要研究的内容 . 2 系统的功能 . 3 文的主要内容 . 3 案 1 . 4 案 2 . 4 案论证 . 5 2 电阻炉温度控制系统工作原理 . 6 度控制总体设计方案 . 6 度传感器模块 . 7 本知识 . 7 品的特点 . 8 引脚介绍 . 8 4 个主要部件 . 10 度采集模块电路图 . 12 据处理模块 . 13 片机的发展方向 . 13 列主要性能参数 . 13 储器配置 . 17 度显示模块 /设定模块 . 21 度显示部分 . 22 度设定部分 . 26 度显示 /设定模块电路图 . 26 基于单片机的电阻炉温度控制系统设计 度控制模块 . 28 控硅 . 28 电偶合器 . 31 度控制模块电路图 . 32 3 系统软件设计 . 33 统主程序 . 33 度采集子程序 . 34 示子程序 . 34 度设定子程序 . 34 制算法 . 35 4 温度控制系统 真 . 37 真说明 . 37 真结果 . 37 论 . 39 参考文献 . 40 致 谢 . 41 附录 程序清单 . 42 沈阳航空航天大学毕业设计（论文） 1 1 绪论 介 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 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。同时，我们也希望在适宜温度范围内可以由检测人员根据实际情况加以改变。 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。 随着电视监视器材、 计算 机技术的日益 发展 ，图形监视系统在电视系统或监控场所得到了广泛地 应用 。用图形来实时显示被控对象（摄像机、终端设备等）在操作过程中的状态，具有清晰明了、形象直观且可以及时处理反馈信息。它比数字仪表包含的信息量大得多，因此使现场监控人员的工作方式得到了改进，效率也由此得到了很大的提高。现场电视监控系统由实时控制系统、监视系统及管理信息系统组成。实时控制系统完成实时数据采集处理、存储、反馈的功能；监视系统完成对各个监控点的全天候的监视，能在多操作控制点上自动或手动切换多路图像，能遥控前端设备，能基于单片机的电阻炉温度控制系统设计 2 使摄像镜头自动对焦等；管理信息系统完成各类所需信息的采集、接收、传 输、加工、处理，是整个系统的控制核心。 目前 的图形实时监控软件通常用 开发，它具备编译各种可视化程序的功能，可以使计算机通过监控界面达到对被控对象的各种实时操控。 因此 ， 本毕业设计 选择设计一个水温控制系统 ， 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。 题研究的内容及要求 本次的毕业设计的题目是单片机 水 温控制系统设计。它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。电路板的设计技术和机械加工工艺的巧妙结合，使其具备了显示直观、体积做工精细等特点，能为它在其它领域的广泛应用打下良好的基础。因为经过我们调查发现许多应用场合原来就有 测温控温仪器，只是随着对生产质量与生产需要的要求在不断地提高，以往的那些测温控温的仪器根本不能满足现在的要求。其中，有部分应用场合对精度提高的幅度要求也不是特别高。因此，为了提高性价比，我所设计的系统提出在原有系统的基础上进行一些简单的改良，以此为出发点，主要阐述的是水温自动控制系统的一种实现方法。 题的主要研究的内容 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，沈阳航空航天大学毕业设计（论文） 3 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。 系统 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，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 文的主要内容 本文中具体做了如下几方面工作： （ 1） 水温 控制系统硬件的设计 水温 控制系统硬件设计主要包括 片机、温度传感器模块、温度控制模块、显示模块、按键模块 的介绍 。 （ 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 。 基于单片机的电阻炉温度控制系统设计 4 案 1 该案由单片机、模拟温度传感器 算放大器、 换器、 示电路、集成功率放大器、报警器组成。 该方案采用模拟温度传感器 为测用运算放大器交给 信号进行适当的放大，最后通过模数转换器将模拟模拟信号转换成数据信号，传给单片机，单片机将温度值进行处理之后用 示，当温度值超过设定值时开始报警。如图 1 所示： 图 1 方案一 温度测量系统方案框图 案 2 该方案使用了 片机作为控制核心，以智能温度传感器 温度测量元件， 通过键盘模块对温度上、下限设置 。显示电路采用 块，如图 2 所示： 模拟温度 传感器 运算 放大器 A/D 转换 键盘 单 片 机 显示模块 集成功放 报警器 沈阳航空航天大学毕业设计（论文） 5 图 2 方案二 温度测量系统方案框图 案论证 1 方案一 的论证 ： 采用模拟温度传感器，转换结果需要经过运算放大器传给处理器。它控制虽然简单，但电路复杂，不容易实现对多点温度测量和监控。由于采用了多个分立元件和模数转换器，不容易出现误差，测量结果不是很准确，因此本方案并不可取。 2 方案二 的论证 ： 采用智能温度传感器 直接输入数字量，精度高，电路简单，只需要模拟 读写时序，根据 协议读取转换的温度。 此方案硬件电路简单，但程序设计复杂一些，但是在课题外对 符型液 晶显示有所了解，而且曾经在网上看过此类程序设计，并且我们已经使用开发工具 C 语言 对系统进行了程序设计，用仿真软件 系统进行了仿真，达到了预期的效果。由此可见，此方案的可行性，体现了技术的先进性，经济上也没有任何问题。 综上所述，本课题应当采用方案二对系统进行设计。 温度传感器 9片机基本控制系统 示 键盘 双向可控硅 电炉加热器 采集 基于单片机的电阻炉温度控制系统设计 6 2 电阻炉温度控制 系统工作原理 度控制 总体设计方案 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。 所设计的温度控制 主要由单片机、温度采集模块、温度 显示模块、 温度 控制模块、按键设定模块 五部分组成。 对于温度控制，采用单片机 成的自动控制系统 ，其系统硬件总体方框图如图 3 所示 ： 图 3 系统总体方框图 在图 3 中，温度传感器采用单总线数字温度传感器 晶显示器 ，使用其动态显示方式，实时显示 集到的水温温度。水箱的水大约为 1 升，电热炉功率为 400W；按键设定分为设置按键 +1（ 能，其特点是：可通过 进行温度闪烁加减设定；光耦采 用 控硅采用 其 整体电路图 如图 4 所示。 温度 给定值 89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 沈阳航空航天大学毕业设计（论文） 7 图 4 整体设计电路图 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。 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。 基于单片机的电阻炉温度控制系统设计 8 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。 C 到 125。 C 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 92 封装的 引脚排列见图 5，其引脚功能描述见表 1。 图 5 底视图 表 1 细引脚功能描述 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。 4 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沈阳航空航天大学毕业设计（论文） 9 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 6 所示 ： 图 6 复位时序 读时序分为读 0 时序和读 1 时序两个过程 ，如图 7 所示 。 对于 读时隙是从主机把单总线拉低之后，在 15 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 7 读时序 写时序分为写 0 时序和写 1 时序两个过程 ，如图 8 所示 。 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 线上的“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。 基于单片机的电阻炉温度控制系统设计 10 图 8 写时序 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，温度格式如表 2 所示： 表 2 度值格式表这是 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 沈阳航空航天大学毕业设计（论文） 11 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 3 所示： 表 3 度数据表 （ 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 4 所示： 表 4 配置寄存器结构 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。 来设置分辨率，如 表 5 所示： +125 0000 0111 1101 0000 07+85 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 he on of 85 1 1 1 1 1 基于单片机的电阻炉温度控制系统设计 12 表 5 温度值分辨率设置表 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 5 可见，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 9 所示 ： 图 9 温度采集模块电路图 沈阳航空航天大学毕业设计（论文） 13 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。 片机的发展方向 未来单片机的发展趋势主要有：主流型机发展趋势， 8 位单片机为主流，少量 32位机， 16 位可能被淘汰；全盘 趋势； 系结构的发展；大力发展专用单片机； 为主流供应状态； 基于 开发环境；单片机的软件嵌入；实现全面功耗管理；推行串行扩展总线； 术的发展。 单片机以其卓越地性能 ,得到了广泛地应用 ,以深入到 各个领域。单片机应用在检测、控制领域中 ,具有如下特点。 小巧灵活、成本低、易于产品化。它能方便地组装成各种智能式测控设备及各种智能仪器仪表；可靠性好 ,适应温度范围宽。单片机芯片本身是按工业测控环境要求设计的 ,能适应各种恶劣的环境 ,这是其它机种无法比拟的；以扩展 ,很容易构成各种规模的应用系统 ,控制能力强。单片机的逻辑控制功能很强 ,指令系统有各种控制功能用指令；可以方便地实现多机和分布式控制。 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。 基于单片机的电阻炉温度控制系统设计 14 图 10 脚图 沈阳航空航天大学毕业设计（论文） 15 图 11 部结构图 ： 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 作为原码输入口，当 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， 输出地址基于单片机的电阻炉温度控制系统设计 16 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 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 6 所示： 表 6 第 2 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。如果微处理器在沈阳航空航天大学毕业设计（论文） 17 外部执行状态 止，置位无