电阻炉炉温控制系统的课程设计

电阻炉炉温控制系统设计

1课程设计规定

1.1课题内容

应用计算机日勺实时监控和温度测量技术，采用单片机、温度检测电路、温度

控制电路等，采用比例环反馈、数字PID闭环调整两种方式实现电阻炉炉温的实

时监控。

1.2规定及技术指标

用单片机及对应口勺构成部件构成电阻炉温的自动控制系统，规定测温范围

0〜100℃,使其控制系统控制的温度保温值口勺变化范围为30〜60℃。

规定：

（1）完毕电阻炉温度控制系统设计，包括硬件电路设计和软件程序设计；

（2）采用LED实时显示控温时的实际炉温和设定炉温，如将炉温加热并控

制在60℃；当炉温工作至设定温度时，蜂鸣器每2秒报警一次，绿色LED灯常

亮。当炉温超过设定温度5℃,过温保护电路动作，蜂鸣器常鸣，红色LED常

亮。

（3）对其主电路和控制电路设计对应口勺保护电路，使其安全可靠地工作。

（4）具有防干烧功能。

（5）具有定期功能，设定一段时间自动加温，如1分钟。

1.3元器件清单

元件名称数量

电热杯1个

SL-1型51单片机综合试验箱1个

DS18B20温度传感器1片

STC89C52单片机1片

S855O三极管放大器2片

USB下载线1条

单线固态继电器1个

二极管1个

导线若干

另有剪刀、镶子等工具

表1.1元器件清单

2电路设计

2.1总体设计方案

基本方案:运用温度变送器及温度检测电路将电阻炉实际温度转换成对应的

数字信号，送入单片机，进行数据处理后，通过显示屏显示温度，并判断与否报

警，同步将实际炉温与设定温度比较，根据对应口勺算法（如PID）计算出控制量，

通过控制对应的加热电路实现对炉温的控制。

本系统采用STC89C52作为系统的主控芯片，负责加热炉口勺温度检测与控制。

其重要任务是：

1、读取DS18B20H勺温度数据；

2、控制继电器通断，保证温度抵达设定值并保温；

3、读取键盘设置口勺温度值；

4、在LED上显示设置日勺温度、目前温度以及恒温时间:

5、当温度抵达警戒值日勺时候控制蜂鸣器报警。

图2.1总体构造图

由于加热炉仅能通过通断电路控制，不具有良好的J可控性，且加热所需的速度和精度规

定并不高，这里无需使用PID算法这样的高速跟踪算法，只要使用二次线性化的措施控制,

就可以很好地实现炉子的加热和恒温控制了。

3硬件电路设计

3.1SL・I型51单片机综合试验箱

3.1.1单片机最小系统

STC89C52系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)1向单片机，是高速;低功

耗/超强抗干扰的新一代8D51单片机，指令代码完全兼容老式8051,但速度快8-12倍。内部

集成MAX810专用复位电路,2路PWM.8路高速10位A/D转换(250K/S),针对电机控制，强

干扰场所。

最小系统如图41所示:

RP14-KX£

vcc

图3.1单片机最小系统

3.L2数码管显示模块

数码管日勺显示原理不管是共阴还是共阳，其基本原理是同样H勺，都是靠点亮内部的JLED

来发光。一位数码管的引脚是十个，显示一种8字需要7个小段，此外尚有一种小数点。

o

^2

w

2w

w^

引脚！t列共阳极结构共阴极结构

(a)常见LED数研讨

图4.2数码管内部原理图

试验时为了保证编程时以便，一般将数码管的数字所对应的八位

数字记录在数组中，程序中直接使用查表的措施，可以提高程序日勺效

率，也使程序的编写愈加简朴以便。

符号编码符号编码

0OxCO80x80

10xF990x90

20xA4A0x88

3OxBOB0xC7

40x99C0xC6

50x92DOxAl

60x82E0x86

7OxF8F0x8E

我们试验箱中内LED数码管是四位数码管，因此为了控制以便,

四个数码管的“段选端”是连在一起日勺，他们的GND或VCC端作

为“位选端”来输入控制信号，这样单片机就可以通过程序来控制显

示的字符。

下图是试验箱开发板中的数码管电路图：

七段共阳数码管

DEP17SEGDISP4

一…f▼

aes.ssss.S

STC89c52的Pxl口作为段选（任意匚）

Px2口作为位选（任意口）

图4.3试验箱数码管电路

3.1.3按键模块

弹性按键被按下时闭合，松手后自动断开。单片机检测按键的原理是：单片机R'、JIQ口

既可以作为输出也可作为输入使用，当检测按键时使用时是它的输入功能，把按键的一端接

地，另一端与单片机的某一种I/O口相连，开始时先给I/O口赋一高电平，然后让单片机不

停地检测该I/O□与否变成低电平，当按犍闭合时，即相称于该I/O口通过按键与地相连,

变成低电平，程序一旦检测到I/O口变为低电平则阐明按键被按下，然后执行劝应的指令。

图4.5按键检测流程图

无论独立键盘还是矩阵键盘，单片机检测其与否被按卜的根据都是同样的，也就是检测

该犍对应的I/O口与否为低电平。独立键盘有一端固定为低电平，单片机写程序检测时比较

以便。而矩阵键盘两端都与单片机I/O口连接，因此在检测时需人为通过单片机I/O口送出

低电平。检测时，先送一列为低电平，其他几列为高电平，然后立即轮番检测一次各行与否

有低电平，若检测到某一行为低电平，就可以确定目前被按下的按键是哪一行哪一列的，用

同样的措施轮番各列送一次低电平，再轮番检测一次各行与否变为低电平，这样即可检测完

所有的按键。

矩阵键盘

R0W1尹尸尸gjq尹b

1

ROW2尸b尹b尹b/b

si^si,

R0W3尸8=^^

332二

0O

880U

图4.6矩阵键盘按键电路图

3.1.4报警模块

报警模块H勺构造比较筒朴，只是一种蜂鸣器模块，当温度高于设定值较大时，单片机在

I/O口上输入一种低电平，就可以使蜂鸣器报警。

蜂鸣器

vcc

图4.7报警电路

4.2温度采集电路

DS18B20温度传感器是将半导体温敏器件、A/D转换器、存储器等做在一种

很小时集成电路芯片上。测温范围为-55℃〜+125℃,测温精度为±0.5℃；温

度转换精度9〜12位可变，可以直接将温度转换值以16位二进制数码日勺方式串

行输出；12位精度转换F句最大时间为750ms；可以通过数据线供电，具有超低功

耗工作方式。

图4.8

(

B

OO11D

STTGND[8A

1oT2BL

8.O2L

B9M0

22<A

0E3S

)WVoo[

J

DS18B20温度传感器只有三根外引线：单线数据传播总线端口DQ,外供电

源线VDD,共用地线GNDoDS18B20有两种供电方式：一种为数据线供电方式,

此时VDD接地,它是通过内部电容在空闲时从数据线获取能量,来完毕温度转换,

对应的完毕温度转换的时间较长。这种状况下，用单片机的一种I/O口来完毕对

DS18B20总线欧J上拉。另一种是外部供电方式（VDD接+5V）,对应时完毕温度测量

的时间较短。

在本设计中采用外部供电方式实现DS18B20传感港与单片机日勺连接，其接口

本系统采用单相固态继电器SSR/1P-10A,当单片机给继电器供

5V电压时，继电器导通。可以通过这个原理将加热炉的电源线火线

分别接入继电器两端，因此单片机的I/O口供应低电平，继电器就可

以导通，这样就可以控制加热炉时加热了。

如图所示:

图4.14继电器构造

由于考虑到单片机引脚的驱动能力也许局限性，因此制作了驱动

电路，放大驱动电流，并在继电器两端加上续流二极管保证加热时间

够长。

电路如下：

△

VCC

8550J——VV\一

/2K电阻

继

电

续流二极管

器

GND

图4.15驱动电路

4软件程序设计

/*

2023年1月6日

课程设计

内容：温度控制系统

硬件:5110+DSI8B20+键盘*/

#include<reg52.h>

#include<stdio.h>

#defineucharunsignedchar

#defineuintunsignedint

sbitds=P2A5;/*温度传感器信号线*/

sbitbeep=P2A7;/木蜂鸣器3

sbitjdq=P2A6;/*继电器*/

sbitlcd_grccn=P2A4;/*绿灯*/

sbitlcd_rcd=P2八2;/*红灯*/

uinttemp;/*读取口勺温度值*/

floatOemp;

uintwarn_l=300;/*低温30*/

uintwarn_h1=600;/*高温60*/

uintwarn_h2=650;/*高温65*/

ucharwarn_flag=0;/*超过60报警标志*/

uchartime=0;/*time计数器*/

uchartime_l=0;/*lime计数器1*/

uintlime_2=0;/*time计数器2*/

uinttime_3=0;/*time计数器3*/

uchardis_page=0;/*数码管页面*/

ucharkey_num=0;/*键盘值*/

uintworking_time=0;/*预设加热时间*/

ucharheating_flag=0;/*开始加热标志*/

ucharkey_input_temp;/*键盘输入TEMP值*/

ucharset_temp=3();/*设置温度初始化为3()度*/

ucharkeep_flag=0;/*保持设置温度标志位*/

unsignedcharcodetable[]=

(

0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,/*不带点的编码*/

0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,

Oxbf,0x86,Oxdb,Oxcf,0xe6,/*带小数点的编码*/

Oxed,Oxfd,0x87,Oxff,Oxef

)；

/*****************Ds]8B20部分********************/

voiddeiay(uintz)/*延时函数*/

{

uintx,y;

for(x=z;x>();x-)

for(y=l10;y>0;y—);

voiddsreset(void)/*18B20复位，初始化函数*/

uinti;

ds=0;

i=103;

while(i>0)i—;

ds=1;

i=4;

while(i>0)i—;

1

hittempreadbit(void)/*读1位函数*/

{

uinti;

bitdat;

ds=0;

i++;/*i++起延时作用*/

ds=1;

i++;i++;

dat=ds;

i=8:

while(i>0)i

return(dat);

1

uchartempread(void)/*读1个字节*/

{

uchari,j,dat;

dat=O;

for(i=l;i<=8;i++)

(

j=tempreadbit();

dat=(j«7)|(dat»1);/*读出的数据最低位在最前面，这样刚好一种字

节在DAT里*/

}

return(dat);

)

voidtempwritebyte(uchardat)/*向18B20写一种字节数据*/

(

uinti;

ucharj;

bitteslb;

forO=l;j<=8;j++)

testb=dat&0x()1;

dat=dat»1;

if(testb)〃写1

(

ds=0;

i++;i++;

ds=1;

i=8;

while(i>0)i

)

else

(

ds=0;〃写0

i=8;

while(i>0)i

ds=1;

i++;i++;

)

voidtempchange(void)/*DS18B20开始获取温度并转换*/

dsresetO;

delay(l);

tempwritebyte(Oxcc);//写跳过读ROM指令

tempwritebyte(0x44);//写温度转换指令

)

uintget_temp()/*读取寄存器中存储口勺温度数据*/

(

uchara,b;

dsreset();

delay(l);

tempwritebyte(Oxcc);

tempwritebyte(Oxbe);

a=tempread();//读低8位

b=tempread();〃读高8位

temp=b;

temp«=8;〃两个字节组合为1个字

temp=temp|a;

f_temp=temp*0.0625;〃温度在寄存器中为12位辨别率位0.0625°

temp=f_temp*10+0.5;〃乘以10体现小数点背面只取1位，加0.5是四

舍五入

Oemp=Oemp+0.05;

returntemp;//temp是整型

1

f•£**1**1**1**1**1**1»*1**1**1**d»*1**1**1*II,=▲/V*1**fi**1**1**1*T*1**1*•!**1**1**!•*!*•£*•!**1**1**1**1*f

,不不不听不芍不而不不干不不不可年不诉不*.A/J、-z±1\-「不不为不不|不诉不不为不不不不下而不芍不而不/

voiddisplay(ucharnum,uchardat)显示字符本/

{

uchari;

P0=~tablc[dat];//数码管段选

i=Oxff;

i=i&(〜(0x01«num));

Pl=i;//数码管位选

delay(l);

)

voiddisplay_heating()/"显示字符"H"*/

(

uchari;

P0=0x89;

i=Oxff;

i=i&(­Ox()l);

Pl=i;

delay(l);

(

voiddis_temp(uintt)/*显示实时温度*/

(

uchari;

i=t/100;

display(l,i);

i=t%100/10;

display(2,i+10);

i=t%100%10:

display(3,i);

)

voiddis_working(void)/*显示定期加热H勺时间*/

(

uchari;

i=working_time/1(X);

display(l,i);

i=workingtime%100/10;

display(2,i);

i=working_time%100%1();

display(3,i);

)

voiddis_set_temp(void)

(

uchari;

i=set_temp/100;

display(l,i);

i=sct_tcmp%100/10;

display(2,i);

i=set_tcmp%100%10;

display(3,i):

)

voiddcal(uintt)/*温度处理函数*/

{

wam_hI=set」emp*10;〃将目前设定『、J温度赋给米警温度

warn_h2=(set_temp+5)*10;

if((t>warn_h1)&&(t<warn_h2))/*不不大于设置温度不不不大于设置温度

+5度*/

led_green=0;

led_red=1;

warn_flag=1;/*报警标志*/

1

elseif(t>=warn_h2)/*不不大于设置温度+5度*/

(

lcd_rcd=0;

led_green=1;

beep=0;

warn_flag=0;/*消除报警标志号

)

else/*不不不大于设置温度刃

(

lcd_grccn=1;

led_red=1;

beep=1;

warn_flag=0;/*消除报警标志可

I

voidinit_com(void)/*定期器初始化*/

TMOD=()x()l;

THO=(65536-390()0)/256;

TL1=(65536-39000)%256;

EA=1;

ETO=1;

TR0=1;

1

uchartest_keyinput(void)/*检测按键输入*/

(

ucharkey_temp;

key_input_temp=~P3&OxfO;

if(key_input_temp!=0x00)

{

delay(30);

if((key_input_temp)!=0x00)

(

switch(key_input_temp)

(

caseOx1():key_temp=1;break;

case0x20:key_temp=2:break;

case0x40:key_temp=3;break;

case0x80:key_temp=4;break;

default:break;

1

returnkey_temp;

)

)

return0;

)

voiddisplay_page(void)/*捕捉按键输入定义显示日勺dis_page*/

(

key_num=test_keyinput();/*扫描键盘独立键盘按下为低电平*/

switch(key_num)

(

case0:break;

case1:dis_page++;//进入设置界面

if(dis_page>2)

dis_page=0;/*预留三个页面*/

if(heating_flag==1)/*加热过程中按1号键停止加热*/

heatingflag=0;

keep_flag=0;/*取消保持温度标志位*/

heating_flag=();/*取消加热温度标志位*/

break;

case2:if(dis_page==1)/*最大加热时间600s///////////////设置加

热时间可以不用设置*/

(

if(working_time<600)working_time++;

elseworking_time=600;

I

elseif(dis_page==2)〃〃/〃〃〃〃/〃〃/〃/〃〃〃〃//〃/设置加热温度

{

if(sct_tcmp<60)set_tcmp++:

elseset_tcmp=60;

)

break;

case3:if(dis_pagc==1)

(

if(working_time>1)working_time—;

elseworking_time=1;

elseif(dis_page==2)

if(set_temp>30)set_temp—;

elseset_temp=3();

)

break;

case4:if(dis_page==1)/*按4号键开始加热*/

(

hcating_fiag=1;

I

elseif(dis_page==2)

(

keep_flag=1:/*按4号键开始加热显示目前温度刃

)

break;

default:break;

)

)

voidmain()

init_com():/*定期器初始化50ms中断*/

jdq=1;/*关继电器*/

beep=1;/*关蜂鸣器*/

while(l)

switch(dis_page)