电烤箱加热控制器

1、I辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学单片机原理及接口技术单片机原理及接口技术 课程设计（论文）课程设计（论文）题目：题目： 电烤箱加热控制器设计电烤箱加热控制器设计 院（系）：院（系）： 电气工程学院电气工程学院 专业班级：专业班级： 电气电气 学学 号：号： 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： （签字）起止时间：起止时间：2012.06.24-2012.07.062012.06.24-2012.07.06本科生课程设计（论文）II课程设计（论文）任务及评语课程设计（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 号学

2、生姓名专业班级课程设计（论文）题目电烤箱加热控制器设计课程设计（论文）任务电烤箱由电阻丝加热，功率达 5kW。通过传感器测量温度并调节加热功率。温度控制范围 0300，可设定恒温值。设计任务：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. 温度传感器选择及接口电路设计3. 温度显示、电热丝驱动电路设计4 . 程序流程图及程序清单编写技术参数：技术参数：1温度控制范围 0300，功率达 5kW2工作电源 220V设计要求设计要求：1、分析系统功能，选择合适的单片机及传感器，温度检测电路设计等；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

3、、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 4 天 CPU 最小系统设计第 5 天 传感器选择及其接口电路设计第 6 天温度显示、电热丝驱动电路及电源电路设计第 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 要本设计采用单片机控制。单片机在日常生活中的运用越来越广泛。温度控制在工业生产中经常遇到。单片机温

4、度控制无论是现在还是未来都会起到重要作用。本文介绍了以 AT89C51 单片机为核心的电烤箱温度控制系统。电烤箱的温度控制系统有两个部分组成：硬件部分和软件部分。其中硬件部分包括：单片机电路、传感器电路、放大器电路、转换器电路、以及键盘和显示电路，其中单片机电路包括 AT89C51 的数据存储器扩展、时钟电路及复位电路的设计。软件部分包括：主程序、运算控制程序、以及各功能实现模块的程序。通过硬件和软件相结合控制实现其控制功能。关键词：单片机；温度；电烤箱；控制本科生课程设计（论文）IV目 录第 1 章 绪论 .61.1 加热控制器概况 .61.2 本文研究内容 .6第 2 章 CPU 最小系统

5、设计.72.1 加热控制器总体设计方案 .72.2 CPU 的选择 .72.3 数据存储器扩展 .82.4 复位电路设计 .82.5 时钟电路设计 .92.6 CPU 最小系统图 .9第 3 章 CPU 输入输出接口电路设计.113.1 温度传感器的选择 .113.2 温度检测接口电路设计 .123.2.1 A/D转换器选择.123.3 加热控制器输出接口电路设计 .123.4 人机对话接口电路设计 .133.4.1 显示接口电路设计.13第 4 章 加热控制器软件设计 .174.1 软件实现功能综述 .174.2 系统主程序流程图设计 .174.3 温度控制部分程序设计 .184.4 键盘部

6、分程序设计 .184.5 程序清单 .18第 5 章 系统设计与分析 .225.1 系统原理图 .225.2 系统原理综述 .235.3 软件调试结果 .23本科生课程设计（论文）V第 6 章 课程设计总结 .24参考文献 .25本科生课程设计（论文）6第 1 章 绪论1.1 加热控制器概况随着社会的不断发展，人们对机械的应用也越来越广，进而人们对机械运动的控制要求亦越来越高。机电控制实现了以电气来控制机械。单片机的出现使机电控制技术突飞猛进。单片机在工业控制、仪器仪表、商用商品、家用电器以及计算机接口等领域应用广泛。加热控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制，有些工艺过程对其温度的控制效果直

7、接影响着产品的质量，因而设计一种较为理想的加热控制系统是非常有价值的。根据温度变化快慢，并且控制精度不易掌握等特点，本文电烤箱的加热控制为模型，设计了以 AT89C51 单片机为检测控制中心的加热控制系统。加热控制采用 PID 数字控制算法，显示采用 3 位 LED 静态显示。该设计结构简单，控制算法新颖，控制精度高，有较强的通用性。据加热控制的特点，本次设计采用 AT89C51 单片机为控制核心，采用数字PID 控制算法。实现对电烤箱的加热控制。通过本次设计进一步详细说明单片机控制系统在社会生活中的应用。为以后进一步应用单片机系统提供帮助。1.2 本文研究内容设计出 CPU 最小系统，温度传

8、感器及接口电路并设计温度显示、电热丝驱动电路程序流程图及程序清单。根据要求设计电烤箱由电阻丝加热，功率达5kW。通过传感器测量温度并调节加热功率。温度控制范围 0300，可设定恒温值。本科生课程设计（论文）7第 2 章 CPU 最小系统设计2.1 加热控制器总体设计方案本设计题目为基于单片机加热控制器设计，温度控制设定范围为 0-300C，上、下限温度在程序中设置，实现控制可以升温也可以降温，实时显示当前温度值，另外还有蜂鸣器报警功能。本文使用热电偶温度自动控制系统。 （采用 A/D 转换器）采用单片机控制，液晶显示模块 LCD 显示。系统框图如图 2.1：键盘电路温度显示报警电路单片机继电器

9、控制A/D 转换电路加热装置信号放大温度传感器图 2.1 温度控制系统原理图2.2 CPU 的选择由于单片机具有功能强、体积小、可靠性好和价格便宜等独特优点，已成为传统工业技术改造和新产品更新换代的理想机种，具有广泛的发展前景。单片机技术的应用，使得许多领域的技术水平和自动化程度大大提高，可以说，当今世界正面临着一场以单片机（微电脑）技术为标志的新技术革命本设计决定用单片机作为中心控制器。单片机出现的历史并不长，但发展迅猛。自 1975 年美国德克斯仪器公司首次推出 8 位单片机 TMS-1000 后才开始快速发展。现流行的单片机有很多种，其中 MCS-51 系列以较高的性价比博得很多用户的青

10、睐。所以，本系统采用美国 Intel 公司生产的 89C-51 型单片机，由于其具有集成度高、处理功能强、可靠性高、系统结构简单、价格低廉等优点并具有4K 字节的程序存储器，使得它应用起来更加方便。本科生课程设计（论文）82.3 数据存储器扩展89C-51 型单片机片内有 128B 的 RAM，在实际应用中仅靠这 256B 的数据存储器是远远不够的。这种情况下可利用 MCS-51 单片机所具有的扩展功能扩展外部数据存储器。MCS-51 系列单片机最大可扩展 64KB。6264 是 8K8位静态随机存储器，采用 CMOS 工艺制造，单一+5V 电源供电，额定功率200mW，典型存取时间 200n

11、s，为 28 线双列直插式封装。89C51 单片机与 6264 的接口，如下图 2.2：Q719Q616Q515Q412Q39Q26Q15Q02OE1D718D617D514D413D38D27D14D03G11U?74LS373RD17WR16P2.728P2.425P2.324P2.223P2.122P2.021P0.732P0.534P0.633P0.435P0.336P0.237P0.138P0.039AL E30EA89C51OE22WE27CE 120A122A1123A1021A924A825VCC28CE 226GN D14A73A64A55A46A37A28A19A010I/

12、O 718I/O 617I/O 516I/O 415I/O 314I/O 213I/O 112I/O 0116264R?RE S2+5VVCC+5VNetLabel14NetLabel15NetLabel16NetLabel17图 2.2 89C51 单片机扩展2.4 复位电路设计单片机复位电路图 2.3 为单片机复位电路。单片机在开机时都需要复位，以便中央处理 CPU 以及其他功能部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。单片机的复位后是靠外部电路实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的 RST 引脚上出现 24 个时钟振荡脉冲（2 个机器周期）以上的高电平，单片机便可实现初始化状

13、态复位。MCS-51 单片机的 RST 引脚是复位信号的输入端。例如：如果 MCS-51 单片机时钟频率为 12MHz，因此复位脉冲宽度至少应该为2s。本科生课程设计（论文）9图2.3 复位电路2.5 时钟电路设计片内电路与片外器件就构成一个时钟产生电路，CPU 的所有操作均在时钟脉冲同步下进行。片内振荡器的振荡频率非常接近晶振频率，一般多在1.2MHz24MHz 之间选取。C1、C2 是反馈电容，其值在 20pF100pF 之间选取，典型值为 30pF。本电路选用的电容为 30pF，晶振频率为 12MHz。振荡周期； 机器周期； 指令周期s121sSm1s41图 2.4 时钟电路原理图2.6

14、 CPU 最小系统图本设计中的 89C51 的最小系统包括 89C51 单片机，6264 可编程 I/O 接口，晶振电路，按键复位电路.1.复位电路的极性电容 C1 的大小直接影响单片机的复位时间，一般采用1030uF，容值越大需要的复位时间越短。S1SW -PBC5R410KC310uFD3VCCRSTNetLabel46NetLabel47NetLabel48NetLabel49C1300PFC2300PFY112MH zXT AL 1XT AL 2NetLabel42NetLabel43NetLabel44NetLabel45本科生课程设计（论文）102.晶振 Y1 也可以采用 6MHz

15、 或者 11.0592MHz，在正常工作的情况下可以采用更高频率的的晶振，晶振的振荡频率直接影响单片机的处理速度，频率越大单片机处理速度越快。本设计采用 110592MHz，图中用约等于 12MHz。3.起振电容 C2、C3 一般采用 1533uF，并且电容离晶振越近越好，晶振离单片机越近越好。本设计中 C2、C3 采用 33uF。CPU 最小系统图如图 2.5图 2.5 CPU 最小系统图OE22WE27CE 120A122A1123A1021A924A825VCC28CE 226GN D14A73A64A55A46A37A28A19A010I/O 718I/O 617I/O 516I/O

16、415I/O 314I/O 213I/O 112I/O 0116264S1SW-PBC5R410KC310uFD3VCCC1300PFC2300PFY112MHzNetLabel48NetLabel49RD17WR16P2.728P2.425P2.324P2.223P2.122P2.021P0.732P0.534P0.633P0.435P0.336P0.237P0.138P0.039AL E30EA31GN D20XT AL 119XT AL 218RST989C51VCCQ719Q616Q515Q412Q39Q26Q15Q02OE1D718D617D514D413D38D27D14D03G1

17、174373NetLabel50NetLabel51本科生课程设计（论文）11第 3 章 CPU 输入输出接口电路设计3.1 温度传感器的选择本设计采用热电偶温度传感器，普通热电偶由热电极、绝缘套管、保护管、接线盒等四部分组成。 热点偶的选用应该根据被测介质的温度、压力、介质性质、测温时间长短来选择热电偶和保护套管。这里我们要求选择测量温度范围为 0300 的热电偶传感，J 型热电偶温度范围为-200800 摄氏度,所以我们选择（J 型热电偶）铁-康铜热电偶 。铁-康铜热电偶（J 型热电偶）是一种廉金属的热电偶。它的正极（JP）的名义化学成分为纯铁，负极（JN）为铜镍合金，常被含糊地称之为康铜

18、，其名义化学成分为：55%的铜和45%的镍以及少量却十分重要的锰，钴，铁等元素，尽管它叫康铜，但不同于镍铬-康铜和铜-康铜的康铜，故不能用 EN 和 TN 来替换。铁-康铜热电偶的覆盖测量温区为-2001200。如图 3.1：图 3.1 热电偶温度传感器本科生课程设计（论文）123.2 温度检测接口电路设计3.2.1 A/D 转换器选择A/D 转换接口是系统数据采集前向通道的一个重要环节。数据采集是在模拟信号源中采集信号,并将之转换为数字信号送入计算机的过程。AD574 由两部分组成，一部分是模拟芯片，另一部分数字芯片，其中模拟部分由高性能的 12 位 D/A 转换器 AD565 和参考电压组

19、成。数字部分由控制逻辑电路，逐次逼近型寄存器的三态缓冲器组成。AD574 的引脚如图 3.3 所示。功能特性分辨率：12 位；非线性误差：小于0.5LSB 或1LSB;转换速率：25s;模拟电压输入范围：0-10V,0-20V;电源电压：15V 和 5V;数据输出格式：12 位/8 位芯片工作模式：全速工作模式和单一工作模式。图 3.3 AD5743.3 加热控制器输出接口电路设计报警与控制电路是单片机和外部报警与控制的接口部分，主要起报警、执行和电气隔离作用，其电路图如图 3.4 所示。继电器采用 SRD-D6VDC-SL-C 型，240AC 通断 TA 的电流。其直流线圈电VL1VCC7V

20、E E11DC15AC9RE FIN10RE FO UT8BIPOFF121O VIN1320VIN14CS3A04R/C5DB1127DB1026DB925DB824DB723DB622DB521DB420DB319DB218DB117DB016CE6ST S2812/82AD 574NetLabel1NetLabel2NetLabel3NetLabel4本科生课程设计（论文）13阻 95 欧，三极管 Q1 采用 KTC9012，输出电流 IC 为 150mA，放大系数 为 60至 1000 范围内，若取 为 200 则 Ic 在 5V 下为 50mA 左右，则基极电流为0.25mA。只有

21、P0 口在高点位输出时才能达到这样大的电流值。因此把这两个口分别用 P0 和 P01 代替。由于 P0 口属于三态输出输入口，因此，必须接上拉电阻，其阻值大小可计算为： (50.7)170.25VKmA我们取 10 千欧的电阻让 Q1 在高电平时饱和导通，此时，基极电流为。二极管 D1 主要起保护作用，在 Q1 关断时续流，以免电感(50.6)0.4410VmAK线圈断路时产生过压损坏三极管。 图 3.4 继电器执行电路与报警由于 DS18B20 自带了存储器，能够将设定的温度报警值自动存入 DS18B20 的 EEROM 中，永久保存，因此每次开机时系统都会自动从 DS18B20 的 EER

22、OM 读出温度报警值.两个继电器中，K1 接的是降温装置，K2 接的是加热装置，当实际温度大于 TH 的设定值时，蜂鸣器响，表示超温，此时继电器 K1 吸合，接通降温装置进行降温；当实际温度处于 TL 与 TH 的设定值之间时，继电器常闭。3.4 人机对话接口电路设计3.4.1 显示接口电路设计显示电路如图 3.5 所示。LED 显示块是由发光二极管显示字段的显示器件。这种显示块有共阴极和共阳极两种。共阴极 LED 显示块的发光二极管共地。AC220V1KR?Res1PNP2151KRBDDLED1161KR7AGNDP1.112345RelayVCC本科生课程设计（论文）14图 3.5 显示

23、电路原理图当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮；本设计选用的显示块是共阴极的 LED。将单片机 I/O 口的 8 位线与显示块的发光二极管的引出端（adp）相连，共阴极低电平有效，选通有效后 8 位并行输出口输出不同的数据就点亮相应的发光二极管，获得不同的数字或字符。3.4.2 简易式键盘接口电路设计8255 可编程并行 I/O 接口设计MCS-51 系列单片机共有 4 个 8 位并行 I/O 口，这些 I/O 口一般是不能完全提供给用户使用的，在外部扩展存储器时，提给用户使用的 I/O 口只有 P1 和 P3 口的部分口线，因此都免不了要进行 I/O 口的扩展。8255 芯片引脚

24、图如图 3.6 所示。本科生课程设计（论文）15图 3.6 8255 引脚图图 3.7 I/O 口扩展电路单片机也 8255 的接口比较简单，如图 3.7 所示，8255 的片选信号及口地CS址选择线 AO、A1 分别由单片机的 P0.7 和 P0.0、P0.1 经地址锁存器提供.8255 的 A、B、C 口及控制口地址分别为FF7CH、FF7DH、FF7EH、FF7FH。8255 的 D0D7 分别与 P0.0 到 P0.7 相连。D034D133D232D331D430D529D628D727PA 04PA 13PA 22PA 31PA 440PA 539PA 638PA 737PB018

25、PB119PB220PB321PB422PB523PB624PB725PC014PC115PC216PC317PC413PC512PC611PC710RD5WR36A09A18RE SE T35CS68255TextTextTextTextRD17WR16P2.728P2.425P2.324P2.223P2.122P2.021P0.732P0.534P0.633P0.435P0.336P0.237P0.138P0.039AL E30EA31P2.526P2.62789C51Q719Q616Q515Q412Q39Q26Q15Q02OE1D718D617D514D413D38D27D14D03G1

26、174373D034D133D232D331D430D529D628D727PA 04PA 13PA 22PA 31PA 440PA 539PA 638PA 737PB018PB119PB220PB321PB422PB523PB624PB725PC014PC115PC216PC317PC413PC512PC611PC710RD5WR36A09A18RE SE T35CS68255AD 10AD 11AD 12AD 13AD 14AD 15AD 16AD 17AD 10AD 11AD 12AD 13AD 14AD 15AD 16AD 17AD 10AD 11AD 12AD 13AD 14AD 1

27、5AD 16AD 17AL ERDWENetLabel69NetLabel70NetLabel71NetLabel72本科生课程设计（论文）16 键盘功能说明：1 号键：上升。2 号键：下降。3 号键：下限温度值确定。4 号键：上限本科生课程设计（论文）17值确定。5 号键：查询上下限值。使用 1 号键和 2 号键，设定需要的温度控制系统的上限值，然后按下 4 号键，将这个上限值确定，也就是将上限值保存到专用的寄存器里。在完成设定上限值的工作后，使用 1 号键和 2 号键设定需要的温度控制系统的下限值，然后按下 3 号键，将这个下限值确定，也就是将这个下限值保存到专用的寄存器里，然后系统进去实

28、时的温度测量和控制工作中。键盘接口电路如图3.8 所示： 图 3.8 键盘接口电路图D034D133D232D331D430D529D628D727PA04PA13PA22PA31PA440PA539PA638PA737PB018PB119PB220PB321PB422PB523PB624PB725PC014PC115PC216PC317PC413PC512PC611PC710RD5WR36A09A18RESET35CS68255R1R2R3R4R5S1S2S3S4S5VCCNetLabel5NetLabel6NetLabel7NetLabel8本科生课程设计（论文）18第 4 章 加热控制器

29、软件设计4.1 软件实现功能综述（1）实现对加热炉的温度连续控制 0-300（2）当温度超过300时自动执行降温程序4.2 系统主程序流程图设计开始初始化按键设定温度上下限送显示送 counter=3调温度子程序转换送显示PID 运算HXTTNN显示正常温度高温报警并停止加热低温报警并加热YY键盘处理有键按下?counter-1=0?counter-1=0?等待下一个采样HXTTYYNN本科生课程设计（论文）194.3 温度控制部分程序设计这部分程序的功能是将采集到的温度值 TX与 TL比较，如果 TXTL则报警，并置 P3.1 口为低电平，通过光耦合器打开可控硅，使加热器加热，并调显示，显示

30、 88.8。否则将 TX与 TH比较，如果 TXTH则报警，并置 P13 口为高电平，通过光耦合器关闭可控硅，停止加热器加热，并调显示，显示 88.8。否则，也就是当温度在正常范围内，调显示，显示采集到的温LTXTHT度值。加热程序流程图如图 4.1 所示。 XT开始HXTT 地址和计数器换码送显存显示灯亮、蜂鸣器响置 P1.3 口为 1，打开加热器返回计数器换码送显存 YNLED 显示开始有键按下？延时 20ms判别键号执行键处理子程序返回NY图 4.1 温度控制程序流程图 图 4.2 键盘处理子程序流程图4.4 键盘部分程序设计本部分主要是实现输入设定温度和查询设定温度的功能。该部分的子程

31、序流程图如图 4.2 所示。4.5 程序清单ORG 0000H SJMP MAIN本科生课程设计（论文）20ORG 0003H LJMP INTORG 0025HMAIN： MOV SP,#60H MOV 20H,#00H MOV 21H,#08H MOV 29H,#0FEH LCALL ZIJIAN LCALL READTHTL LCALL TESTRANGE SETB INT0 SETB EX0 SETB EALOOP: LCALL DELAY LCALL GET_TEMP LCALL TURN LCALL DISPLAY CLR C MOV A,24H CJNE A,2EH,LOOP1

32、SJMP HOTTINGLOOP1: JC HOTTING MOV A,24H CLR C CJNE A,2DH,LOOP2 SJMP STOPHOTLOOP2: JNC STOPHOT SJMP KEEPHOTTING: CLR P3.1 CLR P1.5 SETB P1.6KEEP: SJMP LOOPSTOPHOT: SETB P3.1 SETB P1.5本科生课程设计（论文）21 CLR P1.6 SJMP LOOPZIJIAN: MOV 30H,#08H MOV 31H,#08H MOV 32H,#13H MOV 33H,#08H MOV 34H,#13H CLR P1.4 CLR

33、P1.5 CLR P1.6 CLR P1.7 MOV R3,#0FFHWAIT0: ACALL DISPLAY DJNZ R3,WAIT0 SETB P1.5 SETB P1.6 SETB P1.7 RETTAB: DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH,6FH,00H,OBFH DB 86H,0DBH,0CFH,0E6H,0EDH,0FDH,87H,0FFH,0EFH,79HGET_TEMP: CLR EA ACALL INI MOV A,#0CCH ACALL WRITE MOV A,#44H ACALL WRITE ACALL INI MOV A,0

34、CCH ACALL WRITE ACALL READ MOV 24H,A SETB EA RET READTHTL: CLR EA本科生课程设计（论文）22 ACALL INI MOV A,0CCH ACALL WRITE MOV A,#0B8H ACALL WRITE ACALL INI MOV A,#0CCH ACALL WRITE MOC A,#0BEH ACALL WRITE ACALL READ ACALL READ ACALL READ MOV 27H,A ACALL READ MOV 28H,A SETB EA RETDELAY: MOV R2,#0BHHERE0: MOV R3

35、,#00HHERE1: DJNZ R3,HERE1 DJNZ R2,HERE0 RET END本科生课程设计（论文）23第 5 章 系统设计与分析5.1 系统原理图图 5.1 系统原理图EA/VPP31XTAL119XTAL218RST9P3.7(RD)17P3.6(WR)16P3.2(INT0)12P3.3(INT1)13P3.4(T0)14P3.5(T1)15P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78(AD0)P0.039(AD1)P0.138(AD2)P0.237(AD3)P0.336(AD4)P0.435(AD5)P0.534(AD6)P0.633

36、(AD7)P0.732(A8)P2.021(A9)P2.122(A10)P2.223(A11)P2.324(A12)P2.425(A13)P2.526(A14)P2.627(A15)P2.728PSEN29ALE/PROG30(TXD)P3.111(RXD)P3.010GND20VCC40U1AT89C51GND12Y111.0592M30pFC330pFC4GND100pFC222uFC110KR1D1S1RESETRESETVCCGNDVCCWRRDVCCDI01DO019DI12DO118DI23DO217DI34DO316DI45DO415DI56DO514DI67DO613DI78D

37、O712OE9STB11U274L373A08A17A26A35A44A53A62A71A823A922A1019E18G20W21D09D110D211D313D414D515D616D717U36264GNDALEALEGNDCS1RD2WR3INTR5DB711DB612DB513DB414DB315DB216DB117DB018VCC20VIN+6VIN -7AGND8VREF/29DGND10CLK IN4CLK R19U4AD574GNDVCC1KR11KR2VCC1KR3VCC150pFC1GND1KR6LSSpeakerGNDVCCQ1BC327P2.71KRVCCGNDVCC

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