1、 湖南理工学院 南湖学院 课程设计 题目： 电加热炉温度控制系统设计 专业 :机械电子工程 组名： 第三组 班级： 机电班 组成员 :彭江林、谢超、薛文熙 1 目录 1 意义与要求 . 2 1.1 实际意义 . 2 1.2 技术要求 . 2 2 设计内容及步骤 . 2 2.1 方案设计 . 2 2.2 详细设计 . 3 2.2.1 主要硬件介绍 . 3 2.2.2 电路设计方法 . 4 2.2.3 绘制流程图 . 7 2.2.4 程序设计 . 8 2.3 调试和仿真 . 8 3 结果分析 . 9 4 课程设计心得体会 . 10 参考文献 . 10 附录 . 10-27 2 1 意义与要求 1.
2、1 实际意义 在现实生活当 中，很多场合需要对温度进行智能控制，日常生活中最常见的要算空调和冰箱了，他们都能根据环境实时情况，结合人为的设定，对温度进行智能控制。工业生产中的电加热炉温度监控系统和培养基的温度监控系统都是计算机控制系统的典型应用。通过这次课程设计，我们将自己动手设计一个小型的计算机控制系统，目的在于将理论结合实践以加深我们对课本知识的理解。 1.2 技术要求 要求利用所学过的知识设计一个温度控制系统，并用软件仿真。功能要求如下： （ 1） 能够利用温度传感器检测环境中的实时温度； （ 2） 能对所要求的温度进行设定； （ 3） 将 传感器检测到得实时温度与设定值相比较，当环境中
3、的温度高于或低于所设定的温度时，系统会自动做出相应的动作来改变这一状况，使系统温度始终保持在设定的温度值。 2 设计内容及步骤 2.1 方案设计 要想达到技术要求的内容，少不了以下几种器件：单片机、温度传感器、LCD 显示屏、直流电动机等。其中单片机用作主控制器，控制其他器件的工作和处理数据；温度传感器用来检测环境中的实时温度，并将检测值送到单片机中进行数值对比； LCD 显示屏用来显示温度、时间的数字值；直流电动机用来表示电 加热 炉的工作情况，转动表示电 加热 炉通电加热 ，停止转动表示电 加热 炉断3 电停止加热。 整体思路是这样的：首先我们通过按键设定所需要的温度值，然后利用温度传感器
4、检测电加热炉的实时加热温度，并送至单片机与设定值进行比较。若检测值小于设定值，则无任何动作，电加热炉继续导通加热；若检测值大于设定值，则单片机控制光电耦合器导通，继电器动作，电加热炉断电停止加热。一旦炉温低于设定值，单片机又控制光电耦合器断开，继电器开关分离，电加热炉开始导通加热。这个过程中所设定的温度值和传感器检测到得温度值都要在 LCD 显示屏上显示出来，以方便操作人员观察。另外，还可以加上时钟模块 ，以方便计时。 这个设计思路相对比较简单，利用所学过的知识容易实现，加上光电耦合器用于隔离强电和弱电，比较安全，正好符合我们自动化专业用弱电控制强电的目的，正所谓学以致用。 2.2 详细设计
5、2.2.1 主要硬件介绍 1单片机 这里选用 AT89C51 单片机作为控制系统的处理器。 AT89C51 是一种带 4K字节闪存可编程可擦除 只读存储器 的低电压、高性能 CMOS 8 位微处理器。 2温度传感器 温度传感器有很多种型号，这里我选用 DS18B20 温度传感器。 数字温度传感器 DS18B20 具有独特的单总线接口方式，支持 多节点，使分布式温度传感器设计大为简化。测温时无需任何外围原件，可以通过数据线直接供电，具有超低功耗工作方式。测温范围为 -55 到 +125 摄氏度，可直接将温度转换值以 16 位二进制数字码的方式串行输出，因此特别适合单线多点温度测量系统。由于传输的
6、是串行数据，可以不需要放大器和 A/D 转换器，因而这种测温方式大大提高了各种温度测控系统的可靠性，降低了成本，缩小了体积。 3开关器件 由于单片机与电动机之间需要用开关器件连接，并且前者用弱电控制，4 后者由强电控制，这就尤其需要注意安全问题。于是我想到了在课本中学过的高性 能安全开关器件光电耦合器。光电耦合器是由一个发光器件和和一个光电转换器件组成，这里所用的光电耦合器 OPTOCOUPLER-NPN 是由一个发光二极管和一个光敏晶体管所组成。当发光二极管发光，就会使得光敏晶体管导通，继电器通电动作，将开关吸合，电动机回路断开。 2.2.2 电路设计方法 1 显示部分电路 显示电路截图如下
7、图所示。 图 2.1 显示部分电路图 这里我选用 LCDLM016L 液晶显示屏作为系统的显示器件，如图所示，LCDLM016L 采用标准的 16 脚接口，仿真时隐藏了背光正极和背光负极 两个引脚。它通过 D0-D78位数据端来与单片机进行数据和指令传输，这里我们将它与单片机的 P0 口连接。 在显示屏上显示的内容包括设定的温度值 SET、传感器检测到的环境温度 SA以及时钟，这个时钟是可以调整的，这样方便工作人员在对系统进行操作时有一个时间概念。 2 温度检测电路 温度传感器与单片机的连接情况如下图所示。 5 图 2.2 温度检测电路图 温度传感器 18B20 将检测到的环境实时温度进行 A
8、/D 转换和放大，然后串行送入单片机 P1.7 口，便于单片机将此数值与设定的温度值进行比较，然后先做出相应反应。在仿真时，我 们只能通过按 18B20 上的加减按钮来调节实时温度，是一个模拟的过程。 3键盘电路 键盘电路如下图所示。 图 2.3 键盘电路图 这里减排设计得比较简单，“ MS”键是切换调整对象的，调整对象包括时、分、温度设定值三项，“ +”键是向上加调整对象的值，“ ”键是向下减调整对象的值，“ ON/OFF”键是打开和关闭系统自动调节功能的开关键。 4电气开关及工作电路 6 电器开关及工作电路如下图所示。 图 2.4 电气开关及工作电路图 如图所示，光电耦合器 1 脚接电源，
9、 2 脚接单片机 P3.7 脚。工作过程用以 下三个阶段来描述： （ 1）单片机将温度传感器送入的值与设定值进行比较，若送入值小于设定值，则 P3.7 脚保持高电平，这样发光二极管不发光，光敏晶体管保持高阻态，继电器也不会工作，电动机和灯泡维持导通，相当于电炉继续加热，指示灯亮； （ 2）一旦送入值比设定值大，单片机将会控制 P3.7 脚变为低电平，发光二极管导通发光，光敏晶体管受光照影响导通，继而继电器工作，电磁铁将单刀双掷开关吸向左端，使电动机和灯泡同时停止工作，这就相当于电炉断电，停止加热； （ 3）电炉短路一段时间后，必然导致炉温降低，而温度传感器 DS18B20在不间断地检测炉温，当
10、检测值低于设定值后，单片机又控制 P3.7 脚恢复高电平，光电耦合器恢复高阻态，继电器断电，单刀双掷开关被弹回右端，电动机和灯泡又开始工作，这相当于电炉从新开始加热。 7 2.2.3 绘制流程图 开始 初始化 P1 口，初始化 24C02 读出 24C02 保存的数据赋于 K 延时 500ms 启动 LCD 初始化 时钟定时器 0 初始化， DS18B20 初始化 按键扫描、温度采集 送入单片机进行温度值比较 设定值 =采集值？ 将 P3.7 口置 0 设定值 采集值？ 将 P3.7 口置 1 Y Y N N 8 2.2.4 程序设计 由于整个程序工程量比较大，我采用模块化设计方法来设计这个程
11、序。首先定义在 后面将会用到的变量，不可能一次定义准确，所以边定义边补充。然后编写子函数，包括 LCM 初始化子函数 、 显示指定坐标的一个字符子函数 、 ds18b20 初始化函数 、 ds18b20 延迟子函数 、 读取 ds18b20 当前温度 子函数、 液晶显示子函数 、 键盘扫描子函数 、 设定工作模式子函数 、 按键加法子函数 、 按键减法子函数 、 24C02 读写驱动程序 、 定时器 t0 中断子函数 等子程序，最后是主函数。 2.3 调试和仿真 在 Keil软件中编写完程序后，编译生成 .Hex 文件，单片机可以执行 .Hex文件。在 Protues 软件中，给单片机加载所生
12、成的 .Hex 文件，按下运行按钮，系统开始仿真。 系统仿真截图如下图所示。 图 2.5 系统 仿真图 （一） 上一张是当温度采样值小于设定值，电热炉处于工作状态时的仿真截图。以下这张是当温度采样值高于设定值后，系统自动做出反应，使电热炉断电停止工作的仿真截图。 9 图 2.6 系统 仿真图 （二） 3 结果分析 由以上仿真结果可以知道，此次的设计基本成功。当采样温度低于设定值的时候，系统不会对电热炉做出相应动作，电热炉保持加热。一旦采样温度高于设定值，系统就会做出反应，使电加热炉断电停止加热。当温度降下来后，系统又会自动控制电 加热炉重新开始加热。系统的反应速度也是十分精确的，会在很短的时间内作出相应动作。另外，由于在电路中加入了 EPROM24C02，使得该系统具有掉电保护功能，来电后自动恢复正常工作。除此之外，该系统还有一个比较实用的小功能 电子钟，这样的话工作人员可以利用它准确掌握系统已经工作的时间，也就是说可以把它当做一个定时器来用。在安全保护方面，该系统也有相当不错的表现， 由于使用了光电耦合器和就电磁继电器，将强电部分和弱电部分充分隔离，十分安全。 综合 以上分析，该系统的设计十分成功。
