基于AVR单片机的炉温监测监控系统设计.doc

1、华北科技学院毕业设计 - I - 基于 AVR单片机的炉温监测监控系统 设计总说明 ： 温度是工业对象中主要的被控参数之一，象冶金、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，对工件的处理温度要求严格控制 。 随着电子技术和计算机技术的迅速发展，微机测量和控制技术得到了迅速的发展和广泛的应用， 温度控制的手段也越来越优越， 单片机因具有处理能力强、运行速度快、功耗低等优点，尤其在温度测量与控制方面，控制简单方便，测量范围广，精度较高，得到了广泛应用。 该系统设计了以 AVR单片机为控制核心的炉温监测监控系统。 选择 DS18B20作 为温度传感器 ， 实时监测低温电阻

2、 炉温度； 基于交流触发器和晶闸管触发电路的混合控制，达到快速准确调节温度。 设计了硬件原理图，并详细论述了各个硬件组成部分的工作原理，以及各部分所使用的元器件。将其应用于电加热炉温度控制系统的智能控制系统，满足了温度控制稳定性的要求，减少了操作人员的劳动量和带来的人为误差，提高了产品的热处理质量。 本基于 AVR单片机的炉温监测监控系统设计 的总体方案包括 ：一、温度 监测 系统的硬件电路设计 ；二、 系统 软件 的 设计 ；三、 PID控制器 的设计。 首先是温度传感器的选择。 目前常用的测温传感器分模拟和 数字两种方式 ： 模拟方式如热敏元件或热电阻等 ； 数字方式多采用智能芯片 DS1

3、8B20。模拟方式有很多小足。相比之下数字式比模拟式有更大的优势。新代数字温度传感器 DS18B20 其优点是 ： 电压适用范围宽 ；单线接口 数据传输方式 ； 支持组网实现多点测温 ； 测温范围宽 、 精度高 、体积小 、 外围电路简单等。 本系统选择的温度传感器就是 DS18B20，系统开始工作时，DS18B20 采集温度信号并将信号送到单片机中， 再将对应的温度送显示并保存数据信息 ，同时 单片机会根据初始化所设置的温度进行比较，将其差值送 PID 控制器，处理后输出一定数值 的控制量， 根据控制量，控制晶闸管主回路的导通时间来调节输入功率，从而控制电阻丝的发热量，达到控制温度的目的。

4、其次，是 外围 硬件 电路的设计，外围 硬件 电路包括温度检测、晶闸管触发电路、键盘及 LCD显示电路、 晶振电路 ，复位电路、报警电路等。 本次设计 选择 AVR单片机型号 为ATmega8 ， ATmega8是一款采用低功耗 CMOS工艺生产的基于 AVR RISC结构的 8位单片机。基于 AVR 单片机的炉温监测监控系统设计 - II - 根据单片机的 I/O口设计硬件电路，合理分配 I/O接口，电路 设计简洁、直观， 成本低廉，温度测量准确。 第三， 系统软件设计 。 系统的软件是根据系统功能 要求来设计的。软件按功能可分为两类，一类是执行软件，它能完成各种实际性的功能，如温度测量、计

5、算、显示、输出控制等；另一类是监控软件，它是专门、用来协调各种执行模块和操作者的关系，充当组织调度角色。 第四， PID控制器的设计。 一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称 PID控制，又称 PID调节。PID控制器 问世至今已有近 70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。 PID控制是由 P, I, D三个环节的不同组合而成。其基本组成

6、原理比较简单，参数的物理意义也比较明确。 本次设计 的是 以温度为被控制量的闭环控制系统 ， 检测模块作为闭环的反馈实时检测温度，经过放大处理后将信号传送给单片机，经过处理后，一方面送与系统温度设定值相比较，通过 PID算法控制温度达到所需值， 以达到更准确的温度控制。 关键词 ： AVR单片机 ； DS18B20； PID控制 ； 温度检测与控华北科技学院毕业设计 - III - The Furnace Temperature Monitoring System of AVR SCM General introduction: Temperature is one of the main c

7、ontrolled parameters in industrial objects. All kinds of heating furnace, heat treatment furnace and radiators are widely used in the industry likes metallurgy, machinery, food and chemical industry, etc. Its strictly controlled in the requirements of processing temperature. As the development of el

8、ectronic technology and computer technology, computer measurement as well as the control technology obtains a rapid development and widespread application. Morever, the means of temperature control gets more and more superior. SCM gets a wide range of applications for the advantages of strong handli

9、ng ability, fast running speed, low power consumption. Apart from this, the simple and convenient controlling, range measuring and high accuracy in temperature measurement and control makes it more and more popular. Using AVR SCM as the core, the article designs a furnace temperature monitoring syst

10、em. It chooses DS18B20 as the temperature sensor to monitor the low temperature resistance furnace temperature. Based on the mix control of communication trigger and grain brake canal trigger circuit, it achieves the purpose of fast and accurate temperature adjustment. The article designs a hardware

11、 principle diagram to illustrate the working principle of all parts of the hardware and each branch of the components. Applying into the intelligent electric heating temperature control system, it meets the requirements of the temperature control stability, reduces the amounts of operators and human

12、 error, improves the product quality of heat treatment, eic. The overall design of AVR SCM Furnace temperature monitoring system includes the following three parts: the hardware circuit design of the temperature monitoring system, the design of the system software as well as the design of PID contro

13、ller. First,the choice of temperature sensor. In nowadays, the common temperature sensor has two ways, one is analog and the other is digital. For example, the emperature sensing elements and heat resistance belong to the analog way, and the digital one is mainly using intelligent chip DS18B20. Comp

14、ared to the analog way, digital way has much more advantages, likes the Wide application scope of voltage, One interface data transmission, Multi-point, wide rage, high precision, small volume and simple peripheral circuit 基于 AVR 单片机的炉温监测监控系统设计 - IV - temperature measurement, etc. The temperature se

15、nsor chosen by the system is DS18B20. After the operating of the system, DSI8B20 collectes the temperature signal and sends it to the chip, after that, it displays the corresponding temperature and stores the data. At the same time, SCM will compare the real temperature with the initial set one and

16、send the difference to the PID controller to get a output of a certain amount of control volume. And according to the control volume, it controls the thyristor circuit conduction time to adjust the input power and controls the calorific value of the resistance wire, aims to control the temperature.

17、Second, the design of peripheral hardware circuit. Peripheral hardware circuit includes Temperature detection, Thyristor trigger circuit, Keyboard and LCD display circuit, Crystals circuit, Reset circuit, Alarm circuit, etc. The type of AVR SCM we choose is ATmega8. ATmega8 is an-eight-SCM based on

18、AVR RISC structure, produced by a low power consumption CMOS. According to the I/O mouth SCM, we design the hardware circuit and distribute I/O interface resonably. The design is simple, intuitive, low cost and accuracy temperature measurement. Third, the design of System software. The designs of sy

19、stem software meets the requirements of system function. The software can be divided into two categories based on the system function. One is Implement software which can perform a variety of practical function, such as temperature measurement, calculation, display, output control, etc. The other on

20、e is Monitoring software which is dedicated to coordinate the various executive module and the operator, playing a role as a coordinater. Four, the design of PID controller. A control system includes the controller, sensors, transmitter, actuators and input/output interface.The output of the control

21、ler goes through the output interface and actuators and added to the controlled system. The quantity accused of the control system goes by the sensor, transmitter and sent to the controller through the input interface.In the engineering practice, the most widely used regulator control laws are Scale

22、, Integral and Differential control, PID control for short. With the history of nearly seventy years, PID controller becomes one of the main technologs in industrial control for the simple structure, good stability, convenient adjustment and reliable working. PID control is a combination of P, I, D.

23、 The basic principle of PID control is rather simple and its parameters of the physical 华北科技学院毕业设计 - V - meaning is rather clear. This design is a closed loop control system to detect the feedback real-time temperature of the module. After the amplification processing, it sends the signal to SCM. Co

24、mparing with the initial set temperature and caculating the necessary values of by PID algorithm to reach the aim of a better accuracy temprature control. Key words: AVR Single-chip Microcomputer;DS18B20;PID Control ;Temperature Detection and Control基于 AVR 单片机的炉温监测监控系统设计 目录 设计总说明 . I General introdu

25、ction . III 1. 绪论 . 1 1.1 国内外温度控制系统的发展概况 . 1 1.1.1 国外温度控制系统的发展情况 . 1 1.1.2 国内温度控制系统的发展概况 . 2 1.2 温度控制的研究意义 . 2 1.3 本论文的内容和主要工作 . 3 2. 系统总体设计 . 4 2.1 电阻炉的数学模型及炉温控制曲线 . 4 2.2 系统控制的工艺要求 . 4 2.3 系统的组成和基本原理 . 5 2.3.1 系统的组成 . 5 2.3.2 系统基本原理 . 5 3. 硬件设计 . 7 3.1 主机电路 . 7 3.1.1 ATmega8 简单概述 . 7 3.1.2 ATmega8

26、 主要特性 . 8 3.1.3 ATmega8 管脚说明 . 10 3.1.4 ATmega8 单片机接口的分配 . 11 3.2 温度检测电路 . 12 3.2.1 传感器 DS18B20 的介绍 . 12 3.2.2 DS18B20 的供电方式 . 14 3.2.3 DS18B20 的读写时序 . 15 3.2.4 DS18B20 的测温原理 . 17 3.2.5 DS18B20 与单片机接线 . 18 3.3 电源电路 . 19 3.4 显示电路的设计 . 20 华北科技学院毕业设计 3.4.1 SMC1602A 总线方式驱动接口及读 /写时序 . 21 3.4.2 SMC1602A 的

27、操作指令 . 22 3.4.3 SMC1602A 和单片机接口电路 . 24 3.5 键盘设置电路 . 25 3.6 控制执行电路 . 25 3.6.1 交流接触器工作原理 . 26 3.6.2 可控硅触发电路调功控温 . 27 3.7 时钟电路 . 29 3.8 复位电路 . 30 3.9 过限报警电路 . 31 4.软件设计 . 32 4.1 主程序的设计 . 32 4.1.1 按键程序流程图 . 33 4.2 PID 控制算法 . 34 4.2.1 PID 控制原理 . 34 4.2.2 PID 控制及其算法 . 36 4.2.3 PID 参数的整定 . 37 4.2.4 PID 软件设

28、计流程图 . 40 5. 结论 . 41 参考文献 . 42 致谢 . 43 附录 A：程序清单 . 44 附录 B： DS18B20 驱动 . 53 附录 C： SMC1602A 驱动 . 56 华北科技学院毕业设计 第 1 页 共 63 页 1. 绪论 在钢铁、机械、石油化工、电力、工业炉窑等工业生产中，电阻炉被广泛应用于其中。而电阻炉是一个模型随炉温变化而变化的对象，这导致了温度成为这些行业极为普遍又极为重要的热工参数之一。 从工业炉温、环境气温到人体温度；从 空间、海洋到家用电器，各个技术领域都离不开测温和控温。因此，测温、控温技术是发展最快、范围最广的技术之一。 温度控制系统具有非线

29、性、时滞以及不确定性。单纯依靠传统的控制方式或现代控制方式都很难达到高质量的控制效果。采用单片机进行温度控制不仅具有控制方便、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。 1.1 国内外温度控制系统的发展概况 1.1.1 国外温度控制系统的发展情况 由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度控制系 统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果，在这方面，以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表，并在各行业广泛应用。它们主要具有如下的特点： （ 1

30、） 适应于大惯性、大滞后等复杂温度控制系统的控制。 （ 2）能够适应于受控系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制。 （ 3）能够适应于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统的控制。 （ 4）这些温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理论及计算机技术，运用先进的算法，适应的范围广 泛。 （ 5）普遍温控器具有参数自整定功能。借助计算机软件技术，温控器具有对控制对象控制参数及特性进行自动整定的功能。有的还具有自学习功能，它能够根据历史经验及控制对象的变化情况，自动调整相关控制参数，以保证控制效果的最优化。 （ 6） 温度控制系统具有控制精度高、抗干扰力强、鲁棒性好的特

31、点。目前，国外温度基于 AVR 单片机的炉温监测监控系统设计 第 2 页 共 63 页 控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展。 1.1.2 国内温度控制系统的发展概况 温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同国外的 日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。目前，我国在这方面总体技术水平处于 20 世纪 80年代中后期水平，成熟产品主要以 “ 点位 ” 控制及常规的 PID 控制器为主，它只能适应一般温度系统控制，难于控制滞后、复杂、时变温度系统控制。而适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内

32、技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。 目前，我国在温度等控制仪表业与国外的差距主要表现在如下几个方面： （ 1）行业内企业规模小，且较为分散，造成技术力量不集中，导致研发能力不强，制约技术发展。 （ 2） 商品化产品以 PID 控制器为主，智能化仪表少，这方面同国外差距较大。目前，国内企业复杂的及精度要求高的温度控制系统大多采用进口温度控制仪表。 （ 3） 仪表控制用关键技术、相关算法及控制软件方面的研究较国外滞后。例如：在仪表控制参数的自整定方面，国外已有较多的成熟产品，但由于国外技术保密及我国开发工作的滞后，还没有开发出性能可靠的自整定软件。控制参数大多靠人工经验及现场调

33、试来确定。 1.2 温度控制的研究意义 在人类的生活环境中，温度扮演着极其重要的角色。无论你生活在哪里，从事什么工作，无时无刻不在与温度 打着交道。自 18 世纪工业革命以来，工业发展对是否能掌握温度有着绝对的联系。 在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制 ， 可以说几乎 80%的工业部门都不得不考虑着温度的因素。温度对于工业如此重要，由此设计一个具有高可靠性，灵活姓方便性和有高的测量精度和分辨率，测量范围大；抗干扰能力强，稳定性好；信号易于处理 、 传送和自动控制；便于动态及多路测量，读数

34、直观；安装方便，维护简单的温控是很有必要的。所以 采用 AVR 单片机 和华北科技学院毕业设计 第 3 页 共 63 页 DS1820 传感器构成测温系统 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 以上 优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。因此，单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题。 针对目前市场的现状，本课题提出了一种可满足要求、可扩展的并且性价比高的单片机测温系统。 1.3 本论文的 内容 和主要工作 设计内容：结合电力电子技术，达到高效率控制 电阻炉 ，降低调节温差，缩短调节时间，提高产品质量，降低燃耗 ,节约能源。 参数设定便利、直观，温度测量准确 ，控制温度范围 30 80，过限报警，并最终由大屏幕液晶 显示 参数 系统设计的主要 工作 ： （ 1） 开发一个能进行数据处理，能完成控制功能的智 能控 制系统 。 该系统包含由 AVR单片机及其复位电路，晶振电路，温度传感器与系数接口，显示电路，存储器及接口电路组成的控制器，以温度为被控制量的闭环控制系统 。 （ 2） 根据系统功能 要求对系统软件进行设计。 （ 3） 使用 PID控制算法对温度进行控制。