基于单片机的高温加热炉温度控制器设计

高温加热炉温度控制器设计摘要：温度控制在现代生产生活中得到了广泛的应用。本文设计了一种基于单片机的温度控制器。控制电路是以8051单片机为控制核心，整个系统硬件部分包括温度采样电路，A/D转换器，按键电路，驱动电路，和8段译码器，LED数码显示器。实现温度转换的基本功能。首先，对温度控制器的基本原理进行了阐述，主要从其总体设计方案，系统硬件框图，系统硬件接线图等几个方面进行设计。系统采用K型热电偶作为测温元件，经运算放大器和AD574将信号输入单片机。并经数码管将温度显示出来。其次，设计了温度控制器的软件，利用传统的汇编语言对包括各种接口子程序在内的相关程序进行了编程。关键字：温度控制器、8051单片机、温度采样、A/D转换器、显示器Abstract：Temperaturecontrolintheproductionofmodernlifehasbeenwidelyused.Thispaperintroducesadesignbasedonsingle-chipmicrocomputertemperaturecontrollers.Controlcircuitis8051single-chipprocessorcore,thewholesystemhardwarepartsincludingtemperaturesamplingcircuit,A/Dconvertercircuit,drivecircuit,buttons,and8sectiondecoder,LEDdigitaldisplay.Thebasicfunctionofrealizingthetemperatureconversion.Firstly,thebasicprincipleoftemperaturecontroller,mainlyfromtheoveralldesignscheme,systemhardwarediagram,systemhardwaredesignhookupetc.SystemusingKtypeastemperaturesensor,thermocouplebyamplifierandAD574willsignalinputmicrocontroller.Andthedigitaltemperaturedisplayof.Secondly,thedesignofthesoftware,andthetemperaturecontrollerusingtraditionalassemblerlanguagetoincludevariousaftercutproceduresrelevantproceduresfortheprogramming.目录：第1章前言1.1课程设计的意义主要任务第2章程序框图的设计第3章温度测量3.1热电偶温度传感器3.2线性校正电路3.4AD574第4章单片机最小系统设计第5章键盘与显示电路设计第6章控制电路设计第7章程序流程图第8章整机电路参考文献附录一、前言：课程设计的意义：单片机课程设计是在教学及实验基础上，对课程所学理论知识的深化和提高。因此，要求学生能综合应用所学知识，设计与制造出具有较复杂功能的小型单片机系统，并在实践的基本技能方面进行一次系统的训练。能够较全面地巩固和应用“单片机”课程中所学的基本理论和基本方法，并初步掌握小型单片机系统设计的基本方法。培养独立思考、独立收集资料、独立设计规定功能的单片机系统的能力；培养分析、总结及撰写技术报告的能力。1.2国内外研究状况随着国内外工业的日益发展，温度检测技术也有了不断的进步。温度测量系统主要由两部分组成，一部分是传感器，它将温度信号转换为电信号。另一部分是电子装置，它主要完成对信号的接收、处理、对测点进行控制、温度显示等功能。对应于不同的温度段及测量精度要求，测温装置也不尽相同，从传感器方面看，己出现有各种金属材料、非金属材料、半导体材料制成的传感器，也有红外传感器。仪器本身也趋向小型化，多采用集成度较高的芯片或元件组成电路。未来主要的研究方向将是如何扩大它的温度适用范围,以及智能化、网络化等方面。目前国内外的温度控制方式越来越趋向于智能化，温度测量首先是由温度传感器来实现的。测温仪器由温度传感器和信号处理两部分组成。温度测量的过程就是通过温度传感器将被测对象的温度值转换成电的或其它形式的信号,传递给信号处理电路进行信号处理转换成温度值显示出来。温度传感器随着温度变化而引起变化的物理参数有:膨胀、电阻、电容、热电动势,磁性能、频率、光学特性及热噪声等等。随着生产的发展,新型温度传感器还会不断出现,目前,国内外通用的温度传感器及测温仪大致有以下几种:热膨胀式温度计、电阻温度计、热电偶、辐射式测温仪表、石英温度传感器测温仪。主要任务：本次设计主要利用单片机完成对炉温的控制，要求将炉温控制在600~1000℃，精度在3℃二、系统框图的设计本次设计的热处理加热炉温度控制器是为实验室电阻炉配备的专门控温设备，它由检测端的传感器将温度信号转换成电信号，经放大输送给控制单元，由控制单元来控制执行部件对电阻炉供电，是能对电阻炉的温度进行预置、测量、显示及自动控制的简单温度控制器。LED数码管显示数据输出单片LED数码管显示数据输出单片机炉温控制

温度设定键盘输入温度传感器加温度设定键盘输入温度传感器加热炉三、温度测量目前常用的温度传感器约有二十余种，它们能测量零下几百度到零上几千读的温度，但是各种材料制成的温度传感器只能在一定的温度范围内使用，本课程设计采用热电偶温度传感器。热电偶的测温范围很宽，一般为-50~+1600℃,最低可达-200℃，最高达2800℃K型热电偶的放大电路和元件，A1是正输入的比例放大器，A1为高精度、低温漂的的ADOP07运算放大器。要求该电路实现0~1000℃对应的电势进行放大，根据表1—7所示的K型热电偶的温差电势，在0℃时，温差电势为0v，在1000℃表1—7K型热电偶温差电势温度（℃）01002003004005006007008009001000温差电势（mv）0该电路在0~1000℃内有非线性误差，最大误差约有1%,说明热电偶的温度—K型热电偶的温差电势近似公式可以由切比雪夫近似表达式的程序求得Vo=-0.776+24.9952Vin-0.0347332Vin^2（mV）--------1在1000℃Mv,电路输出1000MvVo=-7.76+249.952Vin-0.347332Vin^2（mV）----------2根据式2，在300℃Mv,则Vo=2991.6mV,相当于℃；在600℃MvMv,相当于若用热电偶测量温度时，热电偶的工作端（热端）被放置在待测温场中，而自由端（冷端）通常被放置在0℃的环境中。若冷端温度不是0冷端补偿的方法有多种，在这里采用桥式冷端补偿电路。如下图热电偶冷端温度补偿电路图中所示的补偿电桥桥臂电阻R1,R2,R3和Rcu通常与热电偶的冷端至于相同的环境中。取R1=R2=R3=1Ω,用锰铜线绕成；Rcu是用铜导线绕制成的补偿电阻，Rs是供桥电源E的限流电阻，Rs由热电偶的类型决定。若电桥在20℃是处于平衡状态。当冷端温度升高时，Rcu补偿电阻将随之增大，则电桥ab两点间的电压Vab也增大，此时热电偶温差电势却随冷端温度升高而降低。如果Vab的增加量等于热电偶温差电势的减小量，则热电偶输出电势VAB的大小将保持不变，从而达到冷端补偿的目的3.4AD574AD574A是美国模拟数字公司（Analog）推出的单片高速12位逐次比较型A/D转换器，内置双极性电路构成的混合集成转换显片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器，其主要功能特性如下：性能：分辨率：12位非线性误差：小于±1/2LBS或±1LBS转换速率：25us模拟电压输入范围：0—10V和0—20V，0—±5V和0—±10V两档四种电源电压：±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/CS：片选，低有效．CE：片允许，高有效．8051的/WR和/RD相与非后接CE，以确保AD574A在被启动变换或读出变换结果的操作时，CE有效．R／C：读／变换，高为读A／D变换结果，低为启动A／D变换．12／8：数据格式，高为12位并行输出，低为8位(或4位)并行输出．A0：字节地址／短周期，高为8位变换／输出低4位，低为12位变换／输出高8位．STS：变换状态，高为正在变换，低为变换结束．STS总共有三种接法：(1)空着：只能在启动变换25s以后读A／D结果；(2)接静态端口线：可用查询方法，待STS为低后再读A／D变换结果；(3)接外部中断线：可引起中断后，读A／D变换结果．REFIN：基准输入．REFOUT：基准输出．BIPOFF：双极性方式时，偏置电压输入端．DBII～DB0：12位数据总线．10VSPAN：单极性0～10V模拟量输入；双极性0～±5V模拟量输入．20VSPAN：单极性0～20V模拟量输入；双极性0～±10V模拟量输入3.5采样电路LF398是一种反馈采样/保持放大器，也是目前较为流行的通用型采样/保持放大器。具有采样速率高、保持电压下降慢和精度高等特点。LF398由输入缓冲级、输出驱动级和控制电路三部分组成。控制电路中A3主要起到比较器的作用；其中引脚7为参考电压，当输入控制逻辑电平高于参考端电压时，输出一个低电平信号驱动开关K闭合，此时输入信号A1后跟随输出到A2，再由A2的输出端跟随输出，同时向保持电容（接引脚6端）充电；而当控制逻辑电平电平低于参考电压时，输出一个高电压信号使开关断开，以达到非采样时间内保持器仍保持原来输入的目的。因此，A1，A2是跟随器，其作用主要是对保持电容输入和输出端进行阻抗变换，以提高采样/保持放大器的性能。主要性能1）反馈型采样/保持放大器；2）双极型-结型场效应管工艺制造；3）片内无保持电容；4）在采样或保持状态下输入特性不变；5）可与TTL、PMOS、CMOS兼容；6）双电源供电，电源范围宽；7）采样时间（10V级，到0.01%）：20us；8）增益误差：0.01%9）下降率：3mv/s（typ）；10）失调电压：7mv；11）保持电容：0.01uf。引脚功能：1）引脚1：V+，正电源电压输入引脚；2）引脚2：偏置调零引脚；3）引脚3：IN，输入引脚；4）引脚4：V-，负电源电压输入引脚；5）引脚5：OUT，输出引脚；6）引脚6：Ch，保持电容引脚；7）引脚7：REF，参考电压输入引脚；8）引脚8：CON，控制逻辑IN（+）；四、单片机最小系统设计本设计我们采用8051单片机为控制核心，其引脚定义及功能如下：1．主电源引脚VCC和VSS

VCC：电源端。工作电源和编程校验（+5V）。VSS：接地端。

2．时钟振荡电路引脚XTAL1和XTAL2XTAL1和XTAL2分别用作晶体振荡器电路的反相器输入和输出端。在使用内部振荡电路时，这两个端子用来外接石英晶体，振荡频率为晶振频率，振荡信号送至内部时钟电路产生时钟脉冲信号。若采用外部振荡电路，则XTAL2用于输入外部振荡脉冲，该信号直接送至内部时钟电路，而XTAL1必须接地。

3．控制信号引脚RST/VPD、ALE/PROG、PSEN和EA/VPP

RST/VPD：为复位信号输入端。当RST端保持2个机器周期（24个时钟周期）以上的高电平时，使单片机完成了复位操作。第二功能VPD为内部RAM的备用电源输入端。主电源一旦发生断电，降到一定低电压值时，可通过VPD为单片机内部RAM提供电源，以保护片内RAM中的信息不丢失，使上电后能继续正常运行。

ALE/PROG：ALE为地址锁存允许信号。在访问外部存储器时，ALE用来锁存P0扩展地址低8位的地址信号；在不访问外部存储器时，ALE也以时钟振荡频率的1/6的固定速率输出，因而它又可用作外部定时或其它需要。但是，在遇到访问外部数据存储器时，会丢失一个ALE脉冲。ALE能驱动8个LSTTL门输入。第2功能

PROG是内部ROM编程时的编程脉冲输入端。

PSEN：外部程序存储器ROM的读选通信号。当访问外部ROM时，PSEN产生负脉冲作为外部ROM的选通信号；而在访问外部数据RAM或片内ROM时，不会产生有效的PSEN信号。PSEN可驱动8个LSTTL门输入端。

EA/VPP：访问外部程序存储器控制信号。对80C51而言，它们的片内有4KB的程序存储器，当EA为高电平时，CPU访问片内程序存储器有两种情况：第1种是，访问地址空间在0~4KB范围内，CPU访问片内程序存储器；第2种是，访问的地址超出4KB时，CPU将自动执行外部程序存储器的程序，即访问外部ROM。当EA接地时，只能访问外部ROM。第2种功能VPP为编程电源输入。

4．4个8位I/O端口P0、P1、P2和P3

P0口（P0。0~P0。7）是一个8位漏极开路型的双向I/O口。第2功能是在访问外部存储器时，分别提供低8位地址线和8位双向数据总线。在对片内ROM进行编程和校验时，P0口用于数据的输入和输出。P1口（P1。0~P1。7）：是一个内部带提升电阻的准双向I/O口。在对片内ROM编程校验时，P1口用于接收低8位地址信号。P2口（P2。0~P2。7）：是一个内部带提升电阻的8位准双向I/O口。第2功能是在访问外部存储器时，输出高8位地址信号。在对片内ROM进行编程和校验时，P2口用作接收高8位地址和控制信号。P3口（P3。0~P3。7）：是一个内部带提升电阻的8位准双向I/O口。在系统中，这8个引脚都有各自的第2功能。见下表P3口的各引脚第2功能P3.0RXD（串行口输入）P3.1TXD（串行口输出）P3.2INT0（外部中断0输入）P3.3INT1（外部中断1输入）P3.4T0（定时/计数器的外部输入）P3.5T1（定时/计数器的外部输入）P3.6WR（片外数据存储器写选通控制输出）P3.7RD（片外数据存储器读选通控制输出）最小系统通过扩展一片Intel8255A实现Intel8255A是一种通用的可编程并行I/O接口芯片，也是应用最广泛的并行I/O接口芯片。8255A的内部结构8255内部包括三个并行数据输入/输出端口，两个工作方式控制电路，一个读/写控制逻辑电路和8位总线缓冲器。各部分功能概括如下：（1）端口A、B、C

A口：是一个8位数据输出锁存器/缓冲器和一个8位数据输入锁存器。

B口：是一个8位数据输入/输出锁存器/缓冲器和一个8位数据输入锁存器。

C口：是一个8位数据输出锁存器/缓冲器和一个8位数据输入缓冲器（输入不锁存）。

通常A口、B口作为数据输入/输出端口。C口作为控制/状态信息端口，它在“方式控制字”的控制下可分为两个4位端口，每个端口有一个4位锁存器，分别与A口、B口配合使用，作为控制信号输出或状态信息输入端口。（2）工作方式控制电路

工作方式控制电路有两个，一个是A组控制电路，另一个是B组控制电路。这两组控制电路具有一个控制命令寄存器，用来接受中央处理器发来的控制字，以决定两组端口的工作方式，也可根据控制字的要求对C口按位清“0”或者按位置“1”。

A组控制电路用来控制A口和C口的上半部分（PC7-PC4）。B组控制电路用来控制B口和C口的下半部分（PC3-PC0）。（3）总线数据缓冲器

总线数据缓冲器是一个三态双向8位缓冲器，作为8255与系统总线之间的接口，用来传送数据、指令、控制命令以及外部状态信息。（4）读/写控制逻辑电路

读/写控制逻辑电路接受CPU发来的控制信号RD、WR、RESET、地址信号A1-A0等，然后根据控制信号的要求，将端口数据读出，发往CPU，或者将CPU送来的数据写入端口。8255A的外部引脚：

1.PAO到PA7：接脚4到接脚1及接脚40到接脚37A口，为8bits的I/O口。2.PBO到PB7：接脚18到接脚25B口，为8bits的I/O口。3.PC0到PC7：接脚17到接脚14及接脚13到接脚10C端口的并行I/O数据线。当8255A工作在方式0是，PC7到PC0为两组并行数据线；当8255A工作于方式1或方式2时，，PC7到PC0将分别供给A,B两组转换接口的联络控制线，此时每根线将赋予新的含义。4.DB0到DB7：接脚27到接脚34三态的数据总线，单片机由此数据总线进行与8255的数据传输。5.Vcc：接脚26+5V电源供应脚。6.GND：接脚78255接地脚。7.RESTET：接脚35复位输入信号，当CPU向8255A的RESTET端发一高电平后，8255A将复位到初始状态。8./CS：接脚16芯片选择线，低态动作。9./RD：接脚5单片机读取8255内部数据控制脚，当CS接脚信号为0，RD接脚信号从1变为0时，由8255的A1及A0接脚信号所指定之缓存器的内容将被送到总线上。10./WR：接脚36单片机系统欲将数据写入8255时，当CS接脚信号为0时，WR接脚信号从1变为0时，8255会将数据总线上的数据存入由A1及A0接脚信号所指定的内缓存器中。11、A1及A0：接脚8及接脚8255有4个内部缓存器，分别是A端口缓存器、B端口缓存器、C端口缓存器及控制缓存器。当单片机要读写8255的内部缓存器时，必须利用A1及A0指定要对哪一个暂器进行读写动作。若8255被重置，会自行设定为工作在模式0，并且3个I/O口、全部作为输入使用。控制系统不一定要让8255的3个I/O口都作输入使用，所以当要使用8255之前，必须先设定8255的内部控制缓存器，以决定8255要工作于那一种工作模式，每一个I/O口是要作输入或作输出使用。利用8255内部控制缓存器的设定，8255共有3种工作模式：1.模式0：基本输入／输出（BasicInput/Output）。2.模式1：触动式输入／输出（StrobedInput/Output）。3.模式2：触动式双向总线输入／输出（StrobedBidirectionalBusI/O）。五、键盘与显示电路设计键盘扫描在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式，在矩阵键盘中每条水平线和垂直线在交叉处不直接相连，而是通过一个按键相连接，这样在由N条水平线和M条垂直线最多可以有N*M个按键，大大的减少了对于芯片I/O的占用。首先判断键盘中有无键按下：将全部行线X0-X3置低电平，然后检测列线的状态，只要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平线与4根行线相交叉的4个按键之中；若所有列线均为高电平，则表示键盘中无键按下。然后判断闭合键所在的位置：在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。其方法是：依次将行线置为低电平（即在置某根行线为低电平时，其它线为高电平），当确定某根行线为低电平后，再逐行检测各列线的电平状态，若某列为低，则该列线与置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键。选用4×4键盘，按键功能依次为：数字0～9、预置、清除、确认/复位、关加热、关风扇。键盘接口采用通用并行接口芯片8255A进行输入扩展。输出显示本系统采用4位LED显示器进行给定温度和测量温度显示。LED接口利用8255A进行扩展，采用动态显示，显示时间为20ms。使用软件检测方法屏蔽高位的数据0，使高位为0时不输出显示，该位LED熄灭。动态扫描显示方式：LED数码管选用共阳型，四位LED的显示是通过地址线进行分时选通的，这就是我们常用的动态扫描显示方式。值得一提的是，动态扫描显示方式中，动态扫描的频率有一定的要求，频率太低，LED将出现闪烁现象。如频率太高，由于每个LED点亮的时间太短，LED的亮度太低，肉眼无法看清，所以一般均取10ms左右为宜，这就要求在编写程序时，选通某一位LED使其点亮并保持一定的时间，程序上常采用的是调用延时子程序。在C51指令中，延时子程序是相当简单的，并且延时时间也很容易更改。六、控制电路设计温度控制的实现，即根据温度给定值和采样值的大小，决定通电与断电。将测量获得的温度值与给定值进行比较，根据比较结果决定加热的开与停。为了简化输出通道的硬件结构，考虑到加热系统具有较大的热惯性，本系统采用脉冲宽度调制的控制方法。单片机系统输出的控制信号如图所示。输出高电平时，是双向可控硅导通，电热丝通电；输出低电平时，双向可控硅截止，电热丝断电。七、程序流程图显示显示采样处理值返回BCD码存取显示缓冲开始扫描键盘执行相应操作温度采样启动AD574NY读取数据存入相应的存放单元数据转化为BCD码超限？超上限？YYN开加热关加热N温度控制框图显示程序框图开始开始开始开始向缓冲区中放数向缓冲区中放数设顶堆栈指针设顶堆栈指针指向缓冲区首地址指向显示位指向缓冲区首地址指向显示位指向字型码表首清标志和暂存单清标志和暂存单关显示清显示缓冲区关显示清显示缓冲区指向A口查段码送出段码指向A口查段码送出段码设定参数初值T0初始化T0初始化CPU开中断指向B口送出位码指向B口送出位码扫描键盘扫描键盘指向下一个缓冲单元温度显示指向下一个缓冲单元温度显示显示下一位显示下一位4位显示完4位显示完返回N返回Y八、整机电路九、设计总结这次课设，我们小组经过齐心合力，共同奋斗才有了这微不足道的收获。也许我们做的并不是特别好，但是，收获是实实在在的。它锻炼了我的耐心，使我们掌握了更多的知识，培养了自学能力，通过这次设计，我懂得了学习的重要性，学会了坚持和努力。这次的设计由我们小组分工合作完成，包括温度测量、A/D转换、单片机系统、键盘操作系统、温度显示电路，报警电路以及执行