基于单片机的电阻炉温度控制系统设计

1、精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业 计算机控制技术计算机控制技术成绩评定表成绩评定表设计课题设计课题 ：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名称学院名称 ： 电气工程学院电气工程学院 专业班级专业班级 ： 学生姓名学生姓名 ： 学学 号号 ： 指导教师指导教师 ： 王王 黎黎 设计地点设计地点 ： 中原路校区中原路校区 2 号楼号楼 421 设计时间设计时间 ： 2011.6.272011.7.03 指导教师意见：成绩: 签名： 2010 年 1 月 日精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业 计算机控制技术计算机控制技术 课课 程程 设设 计计

2、课程设计名称：课程设计名称：基于单片机的电阻炉温度控制系设计基于单片机的电阻炉温度控制系设计专专 业业 班班 级级 ： 学学 生生 姓姓 名名 ： 学学 号号 ： 指指 导导 教教 师师 ： 王王 黎黎 设设 计计 地地 点点 ： 中原路校区中原路校区 2 号楼号楼 421 课程设计时间：课程设计时间： 2011.6.272011.7.03 计算机控制技术计算机控制技术 课程设计任务书课程设计任务书精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业学生姓名学生姓名专业班级专业班级学号学号题题 目目基于单片机的电阻炉温度控制系统设计课题性质课题性质工程设计课题来源课题来源自拟课题指导教师指导教师王黎主要

3、内容主要内容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。温度传感器采用了数字式温度传感器 DS18B20，对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，控制输出宽度可调的 PWM 方波，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。任务要求任务要求第 1 天：熟悉课程设计任务及要求，针对课题查阅技术资料。第 2 天：确定设计方案。要求对设计方案进行分析、比较、论证，画出方框图，并简述工作原理。第 3-4 天：按照确定的方案设计单元电路。要求画出单元电路图，元件及元件参数选择要有依据，

4、各单元电路的设计要有详细论述。第 5 天：撰写课程设计报告。要求内容完整、图表清晰、文理流畅、格式规范、方案合理、设计正确，篇幅不少于 5000 字。主要参主要参考资料考资料1， ， ，计算机控制技术，20052 王幸之，钟爱琴，王雷，王闪 AT89 系列单片机原理与接口技术.北京:北航空航天大学出版社,2004.3 梅丽凤,王艳秋,等.单片机原理及接口技术M.北京:清华大学出版社, 2004.4 朱定华,刘玉.单片机原理及应用技术学习辅导M.北京:电子工业出版社, 2001.审查意见审查意见系（教研室）主任签字：系（教研室）主任签字： 年年 月月 日日目录目录精选优质文档-倾情为你奉上专心-

5、专注-专业 引言引言1.1 课题背景课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。对于不同控精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业制系统，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 Intel 公司推出第一批单片机以来，80 年代单片机技术进入快速

6、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

7、。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，STC89C52 单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。1.21.2 系统功能系统功能本系统实现

8、其具体控制功能如下：（1）能够连续测量水的温度值，可用 1602LCD 液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 3090。（3）用单片机 STC89C52 控制，通过按键来控制水温的设定值，并保持恒定不变。（4）误差1。精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业2 系统组成框图及工作原理系统组成框图及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 DS18B20，对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，

9、根据控制算法，控制输出宽度可调的 PWM 方波，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。 系统原理图如图 1 所示，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 LCD 显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 1 系统原理图精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业3 3 系统硬件设计系统硬件设计3.1 系统硬件设计方案系统硬件设计方案系统硬件原理图如图 2 所示，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 2 硬件原理图精选优质

10、文档-倾情为你奉上专心-专注-专业3.2 温度传感器模块温度传感器模块温度传感器模块采用 DS18B20，主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。3.2.1DS18B20 基本知识基本知识DS18B20 数字温度计是 DALLAS 公司生产的 1Wire，即单总线器件，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。3.2.2DS18B20 产品的特点产品的特点（1）只要求一个端口即可实现通信。（2）在 DS18B

11、20 中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。3.2.3DS18B20 的引脚介绍的引脚介绍DS18B20 的引脚排列见图 3.2，其引脚功能描述见表 1。图 3.2 底视图表 1 DS18B20 详细引脚功能描述序号名称引脚功能描述1GND地信号2DQ数据输入/输出引脚。3VDD可选择的 VDD 引脚。3.2.4 温度采集模块电路图温度采集模块电路图本设计采用数字传感器 DS18B20，DS18B20 是一种可组网的

12、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-55+125，精度为0.5，使用中无需外部器精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业件，可利用数据线或外部电源提供电能，供电电压范围为 3.35.5V，通过编程实现 912位分辨率读出温度数据。使用时，将 DS18B20 的数据 DQ 与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 6.8K 的上拉电阻。具体接线如图 3 所示： 图 3 温度采集模块电路图3.

13、3 数据处理模块数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 STC89C52 单片机。STC89C52 引脚图如图 4 所示： 精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业图 4 STC89C52 引脚图3.4 温度显示模块温度显示模块/键盘模块键盘模块此模块由显示部分和设定部分组成，显示部分采用 LCD1602 液晶显示器，显示 2 行，每行 16 个字符，可显示字符和数字，显示内容丰富，此部分作用是实时显示电阻炉当前温度和设定温度。设定部分主要是键盘输入，此部分主要由三个按键组成，PL

14、AS 为加，SUBS 为减，START 为开始，当系统启动时，默认设定温度为 30，当按下 PLAS 时设置水温增加，按下 SUBS 时设置水温减小，按下 START 开始加热。3.4.1 温度显示部分温度显示部分 LCD1602 简介液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富、超薄轻巧等优点，因此，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用，现在字符型液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件了。本系统采用 LCD1602 液晶显示模块，它可以显示两行，每行 16 个字符，采用单+5V 电源供电，外围电路配置简单，价格便宜，具有很高的性价比。精选优质文档-倾情为你奉上专

15、心-专注-专业LCD1602 管脚图如图 5 所示：图 5 LCD1602 管脚图3.4.2 温度显示温度显示/键盘模块电路图键盘模块电路图第 1 脚：VSS 为电源地第 2 脚：VDD 接 5V 电源正极第 3 脚：VEE 为液晶对比度调整端，接正极时对比度弱，接负极时对比度高。第 4 脚：RS 为寄存器选择，高电平时选数据寄存器、低电平时选指令寄存器。第 5 脚：RW 为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。第 6 脚：E（或 EN）端为使能（enable）端。第 714 脚：D0D7 为 8 位双向数据端。此处为 P0 口输出，因为 P0 口的电压过于微弱，所以添加上拉电阻

16、使其能够驱动 LCD 液晶显示屏。温度显示模块的电路图如图 6 所示：精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业图 6 温度显示模块 3.5 温度控制模块温度控制模块此模块是系统的执行机构，将单片机端口输出的 PWM 方波通过光电耦合器精确转化成可控硅的开断，从而控制电热丝功率的变化。3.5.1 可控硅可控硅 BTA16一种以硅单晶为基本材料的 P1、N1、P2、N2 四层三端器件，创制于 1957 年，由于它特性类似于真空闸流管，所以国际上通称为硅晶体闸流管，简称可控硅 T。又由于可控精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业硅最初应用于可控整流方面所以又称为硅可控整流元件，简称为可控硅 S

17、CR。在性能上，可控硅不仅具有单向导电性，而且还具有比硅整流元件（俗称“死硅”）更为可贵的可控性。它只有导通和关断两种状态。可控硅能以毫安级电流控制大功率的机电设备，如果超过此频率，因元件开关损耗显著增加，允许通过的平均电流将降低，此时，标称电流应降级使用。可控硅的优点很多，例如：以小功率控制大功率，功率放大倍数高达几十万倍；反应极快，在微秒级内开通、关断；无触点运行，无火花、无噪音；效率高，成本低等等。可控硅的弱点：静态及动态的过载能力较差；容易受干扰而误导通。可控硅从外形上分类主要有：螺栓形、平板形和平底形。不管可控硅的外形如何，它们的管芯都是由 P 型硅和 N 型硅组成的四层 P1N1P

18、2N2 结构。它有三个 PN 结（J1、J2、J3），从 J1 结构的 P1 层引出阳极 A，从 N2 层引出阴级K，从 P2 层引出控制极 G，所以它是一种四层三端的半导体器件。可控硅结构示意图和符号图如图 7 所示。图 7 可控硅结构示意图和符号图3.5.2 温度控制模块电路图温度控制模块电路图此部分电路主要由光电耦合器和可控硅组成，光电耦合器与单片机端口相连，可以根据端口信号的变化迅速做出反应，延时时间短。由于单片机的端口电压不足以驱动光电耦合器，故令其低电平触发，外加上拉电阻。与外部电阻炉相连的部分是可控硅，与光电耦合器配合输出，以弱电控制强电，控制电阻炉的开断频率，以达到加热目的。由

19、主控单片机运算输出脉冲宽度可调的 PWM 波用于双向可控硅在 1s 内的导通和关断数从而调节输出给电炉的功率，这样使得水温稳定在设定值上。接线图如图 8 所示：精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业图 8 温度控制模块设计电路图3.6 控制算法控制算法由于此温度控制系统并没有冷却装置，所以根据实际情况判断，水温不能存在超调现象，温度值必须要求从低到高逐渐逼近设定值。当设定温度和实际温度的差值的绝对值小于 10时，则立即跳入相应 PWM 值控制热阻进行加热。当设定温度和实际温度的差值的绝对值大于 10，热阻持续加热。当设定温度小于实际温度则立即停止加热。热电阻加热的过程中，被加热的水向上流动

20、，导致炉子上部的温度大于下部温度，如果将传感器放在底部，则当温度到达设定温度时，冷热水充分混合之后往往大于设定温度，如果将传感器放在顶部，加热过程中顶部的水先到达指定温度，等冷热水混合之后实际温度会小于设定温度。最终将温度传感器放在炉子的上部，但是根据水温上升的规律，设定温度和实际温度一度如果按照线性升温的话，会使温度超过设定值而产生偏差，因为加热停止的时候还会产生一部分热量，此热量还会使水温上升。所以在相差一度的时候减小 PWM 低电平时间会使温度值更精确，所以经过反复测试，最后设定温度和实际温度相差 1时高电平时间设定为 50ms。在表 2 中 T 表示设定温度与实际温度之差，t 表示 P

21、WM 一个周期内的低电平时间。控制算法如表 2 所示：表 2 控制算法表T（）t（ms）9900880077006600精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业5500440033002200150精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业4 软件设计软件设计4.1 系统主程序系统主程序软件设计的主要思想就是 DS18B20 温度检测，控制加热控制组件对水温进行恒定控制，并且将温度在 LCD 上显示。还可通过键盘控制设定温度的增加和减少。主程序主要包括系统初始化、采样温度值、扫描键盘以及实时显示模块等。由于本设计设有键盘和显示子程序，实验结果一目了然。主程序的流程图如图 4.1 所示：精选优

22、质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业 图 4.1 主程序流程图4.2 温度采集子程序温度采集子程序温度测量通过 DS18B20 数字温度传感器测量水槽温度，将水槽温度值转化为数字量接精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业入 STC89C52 单片机中。在通过与控制温度比较对可控硅进行控制。温度采集的流程图如图 4.2 所示： 图 4.2 温度采集流程图总结总结计算机课程设计已经完成，但是学习没有结束，在这次课程设计里面，不精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业仅仅是设计一样东西，更多的是学习一种态度，对生活，对学习，不能只单单考虑一件事，一个方面，而是要更多的方面来思考，尽可能完善它，充实它，让它体现出一种人性化出来，让你学会一种态度，首先明确要做的是什么，然后开始思考设计思路，设计方法，然后一步一步把它实践出来，然后再看哪里不够完善，仔细修正，才能做出好的东西出来。通过这次实践的机会，我能够初步掌握一些设计的基本思路，对单片机这门课程有了一定的认识，不能仅仅看做成一门设计编程的课本，他更多的是一种指示的意思，然你学会综合分析的思路，让你能够成站起来的一门课程，每门课程开出来总有一定的道理，它既然放在大三下学期，就是让你对未来有一定的认识，不能只是一个单一的设计人员，更多的是要综合考虑一件事物，这样才能更好的融入进去。感谢老