单片加热炉温度控制器机.docx

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单片加热炉温度控制器机

辽宁工业大学

单片机原理及接口技术课程设计（论文）

题目：

加热炉温度控制器设计

院（系）：

电气工程学院

专业班级：

电气092

学号：

090303040

学生姓名：

指导教师：

（签字）

起止时间：

2012.06.24-2012.07.06

课程设计（论文）任务及评语

院（系）：

电气工程学院教研室：

电气工程及其自动化

学号

学生姓名

专业班级

电气092

课程设计（论文）题目

加热炉温度控制器设计

课程设计（论文）任务

高温加热炉利用煤气加热，通过传感器测量温度，四相5V、1A步进电机调节阀门来调节进气量。

温度控制范围0～1800℃。

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.温度传感器及接口电路设计

3.步进电机驱动电路设计

4.程序流程图设计及程序清单编写

技术参数：

1．温度控制范围：

0-1800℃

2．工作电源220V

设计要求：

1、分析系统功能，尽可能降低成本，选择合适的单片机、AD转换器、输出电路等；

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、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3-4天CPU最小系统设计

第5天温度传感器及接口电路设计

第6天步进电机驱动电路设计

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

注：

成绩：

平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算

摘要

本文主要从硬件和软件两方面介绍了如何运用89C51单片机设计加热炉的温度控制系统，说明了怎么实现对加热炉温度的控制，并对硬件原理图和程序流程图作了简洁的描述。

还介绍了在加热炉温度控制系统的软硬件设计中的一些主要技术关键环节，该系统主要以89C51单片机为核心，由LED显示电路，键盘输入电路，模拟检测电路，模/数转换电路，步进电动机控制电路等构成。

用89C51单片机设计的温度检测电路是本次设计的主要内容，是整个单片机温度控制系统设计中不可缺少的一部分，该系统利用温度传感器对温度进行了实时采集与检测，从而对加热炉的温度进行更精确的控制。

本设计介绍的单片机温度控制系统主要内容包有系统方案、元器件选择、系统理论分析、硬件设计、软件设计、系统调试等几方面。

关键词：

单片机；温度传感器；温度检测；

第1章绪论

加热炉温度控制器概况

随着社会的发展，温度的测量及控制变得越来越重要。

温度是生产过程和科学实验中普遍而且重要的物理参数。

在工业生产过程中为了高效地进行生产，必须对生产工艺过程中的主要参数，如温度，压力，流量，速度等进行有效的控制。

其中温度的控制在生产过程中占有相当大的比例。

准确测量和有效控制温度是优质，高产，低耗和安全生产的重要条件。

在工业的研制和生产中，为了保证生产过程的稳定运行并提高控制精度，采用微电子技术是重要的途径。

它的作用主要是改善劳动条件，节约能源，防止生产和设备事故，以获得好的技术指标和经济效益。

加热炉是将物料或工件加热的设备。

按热源划分有燃料加热炉、电阻加热炉、感应加热炉、微波加热炉等。

应用遍及石油、化工、冶金、机械、热处理、表面处理、建材、电子、材料、轻工、日化、制药等诸多行业领域。

加热炉按炉温分布，炉膛沿长度方向可分为预热段、加热段和均热段。

作为控制系统中的一个典型实验设计，单片机温度控制系统综合运用了微机原理、自动控制原理、传感器原理、模拟电子技术、数字控制技术、键盘显示技术等诸多方面的知识，是对所学知识的一次综合运用。

本课题采用98c51单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标。

本文研究内容

温度是工业控制中主要的被控参数之一，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械等工业中，具有举足重轻的作用。

对于不同场所、不同工艺、所需温度高低、范围不同、精度不同，采用的测温元件、测温方法以及对温度的控制方式也有所不同；产品工艺不同、控制温度的精度不同、时效不同，则对数据采集的精度和采用的控制算法也不同，因而，对温度的测控方法多种多样。

随着电子技术和微型计算机的迅速发展，微机测量和控制技术也得到了迅速的发展和广泛的应用。

利用微机对温度进行测控的技术，也便随之而生，并得到日益发展和完善，越来越显示出其优越性。

现在我们完全可以运用单片机和电子温度传感器对某处进行温度检测，而且我们可以很容易地做到多点的温度检测，如果对此原理图稍加改进，我们还可以进行不同地点的实时温度检测和控制。

本次设计：

加热炉温度控制器的设计，正是运用单片机和温度传感器对温度进行控制。

本次设计的内容为：

以89C51单片机为核心，高温加热炉利用煤气加热，通过传感器测量温度，四相5V、1A步进电机调节阀门来调节进气量。

具体设计任务：

1.CPU最小系统设计（包括CPU选择，晶振电路，复位电路）

2.温度传感器及接口电路设计

3.步进电机驱动电路设计

4.程序流程图设计及程序清单编写

5．温度控制范围：

0-1800℃

6．工作电源220V

第2章CPU最小系统设计

加热炉温度控制器总体设计方案

加热炉温度控制框图设计

单片机温度控制系统是以89C5l单片机为控制核心，辅以采样电路，驱动电路，步进电机电路对电炉炉温进行控制的微机控制系统。

系统的原理框图如图2.1所示。

其基本控制原理为:

用键盘将温度的设定值送入单片机，通过信号采集电路将温度信号采集到后，送到A/D转换电路将信号转换成数字量送入单片机系统进行控制运算，控制步进电动机进而控制加热炉的温度。

温度传感器

图2.1加热炉温度控制框图

工作过程分析

由温度控制器工作流程图分析具体的工作过程。

首先，通过热电耦采集加热炉中的温度，通过相应的电路使温度信号转换为电压信号。

由于单片机制能识别数字量，因此还需要经A/D转换，使模拟电压信号转化为数字量信号。

A/D转换后的数字量进入单片机89C51后，由程序算法，判断温度是不是超过设定值，并且有相应的键盘显示电路，用以显示加热炉的温度。

根据判断温度是否超过设定值，由单片机发出相应的指令，经步进电机控制电磁阀，从而通过阀门的控制就可以控制煤气的进气量多少。

也就可以达到对加热炉温度的调节和控制。

CPU的选择

单片微型计算机简称单片机，又称微控制器，嵌入式微控制器等，属于第四代电子计算机。

它把中央处理器、存储器、输入/输出接口电路以及定时器计数器集成在一块芯片上，从而具有体积小、功耗低、价格低廉、抗干扰能力强且可靠性高等特点，因此，适合应用于工业过程控制、智能仪器仪表和测控系统的前端装置。

因此，在本课题设计的温度控制系统中，采用单片机来实现，选用89C51单片机。

芯片引脚如图2.2所示：

VSS:

接地端。

VCC:

电源端。

正常操作及对FLASHROM编程和验证时接+5V电源。

图2.289C51芯片引脚

P0口：

是双向8位三态I/O口。

在访问外部存储器时，可分时用作低8位地址线和8位数据线；在FLASHROM编程时，它输入指令字节，而在验证程序时，则输出指令。

P0口能驱动8个LSTTL门电路。

P1口：

是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口。

在对FLASHROM编程和程序验证时，它接受低8位地址。

能驱动4个LSTTL门电路。

P2口：

P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口。

在访问外部存储器时，它送出高8位地址。

在对FLASHROM编程和程序验证时，它接收高8位地址和其他控制信号。

能驱动4个LSTTL门电路。

P3口：

P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，能驱动4个LSTTL门电路。

RST:

复位信号输入端，高电平有效。

当振荡器工作时，出现两个机器周期以上的高电平，就可以使单片机复位。

ALE/PROG：

地址锁存允许信号。

PSEN:

外部程序存储器选通信号。

EA/VPP:

访问内、外部程序存储器控制信号。

接高电平时，CPU访问并执行内部程序存储器的指令，但当程序计数器值超过0FFFH时，将自动转去执行外部程序存储器中的程序。

接低电平时，CPU只访问并执行外部程序存储器中的指令。

XTAL1:

振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。

XTAL2:

振荡器反相放大器的输出端。

复位电路设计

复位电路和时钟电路是维持单片机最小系统运行的基本模块。

复位是单片机的初始化操作。

单片机系统在上电启动运行时，都需要先复位，其作用是使CPU和系统中其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。

因此，复位是一个很重要的操作方式。

但单片机本身不能自动复位的，必须配合相应的外部复位电路才能实现的。

如图2.3所示。

当89C51通电，时钟电路开始工作，在单片机的RST引脚加上大于24个时钟周期以上的正脉冲，系统即初始复位。

初始化后，程序计数器PC指向0000H，P0-P3输出口全部为高电平，堆栈指针写入07H，其他专用寄存器被清0。

RST由高电平降为低电平后，系统从0000H地址开始执行程序。

图2.3复位电路

时钟电路设计

单片机的各个功能部件的运行都是以时钟控制信号为基准，有条不紊的一拍一拍的工作。

因此，时钟频率直接影响到单片机的速度。

常用的时钟电路设计有两种方式，一种是内部时钟方式，另一种是外部时钟方式。

如图2.4所示。

图2.4时钟电路

CPU最小系统图

89C51单片机最小系统晶振的振荡频率直接影响单片机的处理速度，频率越大处理速度越快。

如图2.5所以。

图2.5最小CPU系统

CPU最小系统图由89C51单片机、时钟电路和复位电路构成。

89C51单片机最小系统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，89C51单片机最小系统容值越大需要的复位时间越短。

第3章输入输出接口电路设计

温度传感器的选择

传统的模拟式温度传感器，如热电阻、热敏电阻，在一些温度范围内线性不好，需要经行冷端补偿或引线补偿；集成模拟温度传感器与之相比，具有灵敏度高、线性度好、响应速度快等优点，而且它还将驱动电路、信号处理电路以及需要的逻辑控制电路集成在单片IC上，有尺寸小，使用方便等优点。

常见的模拟温度传感器有LM3911、LM335、LM45、AD22103电压输出型、AD590电流输出型以及热电偶温度传感器。

经比较选择铂铑30-铂铑6热电偶。

热电偶工作原理：

如果两种不同成分的均质导体形成回路，直接测温端叫测量端，接线端子端叫参比端，当两端存在温差时，就会在回路中产生热电流，那么两端之间就会存在Seebeck热电势，这种物理现象称为塞贝克效应或热电效应。

热电势随着测量端温度升高而增加，热电势的大小只和热电偶导体材质以及两端温差有关，和热电偶导体材质的长度、直径无关。

温度检测接口电路设计

A/D转换器

图3.1MAX197引脚图

由于温度是一种模拟信号，则由信号采集电路采集的信号是一种模拟信号，而且频率很低，但是单片机所识别的是具有高低电位的数字信号，这就要求在信号处理号处理中必须把模拟信号转换成数字信号从而输出给单片机处理。

在设计的技术要去当中，要求温度测量范围是从0--1800℃可调。

并且误差为2℃。

也就是分辨率为2/1800=1/900。

对于这种分辨率要求较高的情况。

通过所选用的A/D精度一定要满足要，否则误差就会变大。

也就会影响控制的精度。

主要常用的逐次逼近式A/D转换器有8位分辨率的ADC0809、12位分辨率的MAX197等。

由于设计系统精度的要求为1/1000，因此选用MAX197。

如图3.1所示。

模拟量检测接口电路图

模拟量检测接口电路由A/D转换器、89C51单片机和温度传感器组成。

温度传感器采用铂铑30-铂铑6热电偶。

由热电偶采集来的温度经过MAX197，把模拟量转换成数字量，然后送给89C51处理和进一步控制。

如图3.2所示。

图3.2模拟量检测接口

四相步进电动机与单片机接口电路

图3.3给出了四相步进电动机与89C51单片机的接口电路。

p1.0、p1.1、p1.2和p1.3分别经光电耦合和驱动电路再加到电动机A、B、C、D绕组。

图3.3四相步进电机与89C51单片机的接口电路

设其单拍相序为ABCD，电动机工作方式记控制字如表3.1所示。

表3.1四相步进电动机工作方式及控制字

方式

步序

p1.3（D）p1.2（C）p1.1（B）p1.0（A）

通电绕组

控制字

单拍

1步

2步

3步

4步

0001

0010

0100

1000

A

B

C

D

01H

02H

03H

04H

人机对话接口电路设计

按键设计

非编码键盘可以分为两种结构形式：

独立式按键和行列式按键。

图3.4按键电路

独立式按键：

是指直接用I/O口线构成单个按键电路，每一个按键占用一条I/O口线，每个按键的工作状态不会产生相互影响。

图3.4所示为一种独立式按键电路，当图中的某一个按键闭合时，相应的I/O口线就变成低电平。

当程序查询到为低电平的I/O口线时，就可以确定处于闭合状态的键。

独立式按键的电路的结构和处理程序简单，扩展方便，但占用的I/O口线相对较多，不适合在按键数量较多的场合下采用。

行列式键盘：

将I/O口线的一部分作为行线，另一部分作为列线，按键设置在行线和列线的交叉点上，这就构成了行列式键盘。

本设计有三个按键，共需要三个I/O口线，占用的口线不多，因此可以采用独立式按键。

显示电路设计

动态扫描显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一。

其接口电路是把所有显示器的8个笔划段a-h同名端连在一起，而每一个显示器的公共极COM是各自独立地受I/O线控制，这种显示方式可以起到节省系统I/O口的作用，但是CPU的工作量会大大增大。

CPU向字段输出口送出字形码时，所有显示器接收到相同的字形码，但究竟是那个显示器亮，则取决于COM端，而这一端是由I/O控制的，所以我们就可以自行决定何时显示哪一位了。

而所谓动态扫描就是指我们采用分时的方法，轮流控制各个显示器的COM端，使各个显示器轮流点亮。

图3.5显示电路

考虑到本系统的I/O口有限所以采用了动态扫描的方法，由于是采用了ULN2803和上拉电阻与数码管相连。

具体电路图3.5所示。

此电路中，用于驱动LED的8位段码，8位LED相应的"a"—"g"段连在一起，它们的公共端连至输出端。

这样当选通某一位LED时，相应的地址线输出的是低电平，所以这里选用共阴LED数码管。

第4章系统软件设计

软件实现功能及主程序设计

本次设计的软件主要实现的功能为:

温度传感器测量的温度信号经信号的放大与A/D转换，把转换好的数字量输入单片机，经过标度变换、显示码处理后将显示码送到数码管上显示出来。

同时，单片机对输入的数字量进行处理控制步进电机，经过步进电机对阀门进行控制。

从而控制输入煤气量。

主流程图如图4.1所示。

大于

小于

图4.1主程序流程图

系统的程序包括主程序、中断服务程序和一些具有特定功能的子程序，是系统软件的主要组成部分。

该系统的主程序有初始化（包括89C51的初始化、定时器初始化、中断程序）、A/D转换，标度变换，键盘扫描，键盘处理,步进电动机控制和功程序模块组成，主流程图如图4.1所示。

模拟量检测流程图设计

模拟量检测电路是通过热电偶检测加热炉的温度，经过MAX197转换成数字信息进而送给单片机，单片机处理后由显示电路显示温度，系统内部按操作指令执行命令进而控制步进电动机。

如图4.2所示。

图4.2模拟量检测流程图

步进电机流程图设计

步进电机直接收89C51的数字信号，由89C51的编程控制步进电动机的运转，从而控制阀门的进煤气量，最终达到控制加热炉的温度。

流程如图4.3所示。

图4.3步进电动机控制流程图

中断系统的流程图设计

89C51单片机片内有两个16位定时器/计数器，即定时器T0和定时器T1。

他们都有定时和事件计数的功能，可用于定时控制、延时、对外部事件计数和检测等场合。

本系统采用的就是89C51片内计数器对按键及其显示进行定时，其流程图如4.4所示。

中断能够极大地提高CPU的工作效率和处理问题的灵活性，具有实现分时操作、实时处理和故障处理等功能。

图4.4中断流程图

第5章系统设计与分析

系统原理图

根据系统各个部分的功能和性质，绘制系统原理图如图5.1所示。

图5.1系统原理图

系统原理综述

为了能够实现上述功能，经过认真的分析和整理，以及对整体功能进行细化、分配，把系统的程序划分为以下几个主要模块:

1、初始化模块：

通过该模块来对堆栈、定时器、计数器、中断和特殊功能寄存器进行赋值，有关寄存器的清零，以及计数器/定时器的初值存放等。

2、按键操作模块：

该模块能够在系统一上电后就开始对键盘进行扫描，一旦在相应时刻检测到有键按下，就会相应转去执行处理程序，处理完毕后能够返回主程序。

3、A/D转换模块：

把温度传感器测量的温度信号经转换为数字量。

4、显示模块：

该模块应能够把温度值进行准确显示。

5、控制模块：

单片机对步进电机进行控制。

第6章课程设计总结

本设计介绍的单片机温度控制系统，可了解微机系统硬、软件的构成及各种控制参数变化对系统动、静态特性的影响。

用步进电动机控制实现温度控制，可提高系统的精度，准确度和稳定性都可以令人满意。

89C51单片机，体积小，重量轻，抗干扰能力强，对环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，即使是非电子计算机专业人员，通过学习一些专业基础知识以后也能依靠自己的技术力量，来开发所希望的单片机应用系统。

本文的温度控制系统，只是单片机广泛应用于各行各业中的一例，相信单片机的应用会更加广泛化。

这次课程设计，不仅提高自我对89C51单片机的进一步认识，也让我把平时所学的理论知识充分的应用到实践中，做到理论与实践融会贯通，这样更加巩固了我们所学，同时也锻炼了我们的实际操作能力。

必然，在实际操做的过程中也遇到了许多实际问题。

比如开始对各个器件模块了解不够深甚至不太熟悉，没有方向不知从何下手，通过老师的讲解指导，我们有了初步的思路。

最后通过不断地查找资料和老师的指导，顺利的完成了本次设计。

在整个课程设计中，加强我对步进电动机控制及其调节过程的认识和了解，也认识到控制系统在电气自动化领域中的重要性，学会了如何更好的系统的设计电路和选择正确的方案。

总之，整个设计过程让我们受益匪浅。

我们认识到只有多动脑多动手，才能更好的将理论知识应用到实践，才能学以致用。

事实上我们的不足之处还是平时动手比较少，我们应该增强这方面的锻炼。

最后，感谢老师的耐心指导！

参考文献

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电子工业出版社，2008

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机械工业出版社，2008

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北京航空航天大学出版社，2002

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北京航空航天大学出版社，2001

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高等教育出版社，1999

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中国电力出版社，2009

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