1、本科毕业论文（20 届）基于单片机电阻炉炉温控制系统的设计所在学院 专业班级 电气自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘 要在人们的日常生活以及一些工业生产中，都是需要对各类范围的温度进行控制和检查的。为满足这一需求就需要设计一个性能良好且操作简单的温度控制系统。此次设计为一个电阻炉炉温控制系统 ，用来控制电阻炉的炉温，使其按预定规律变化，并且能够在超过上限的时候报警。可通过键盘来显示出设定的目标温度和参数。控制系统按功能包括有温度传感器模块、温度显示和设定模块、控制模块、单片机与上位机通信模块。控制系统通过键盘对电阻炉炉温、恒时长短进行设定，通过单片机对电阻炉炉温和预设
2、温度，根据控制量通过 PWM 来控制固态继电器的导通、关闭。继而实现对电阻丝的导通时间的控制和炉温的控制。通过单片机的串口和上位机来实时显示温度并且绘制出温度曲线，让系统的可读性更加直观。 关键词：电阻炉、LED、PID、温度、单片机江苏建筑职业技术学院毕业技术报告目 录第 1 章 绪论1.1 选题意义 41.2 国内外发展趋势 51.3 系统的主要性能指标 61.4 主要工作任务 61.4.1 课题研究的内容 91.4.2 外部引脚功能 91.4.1 关于工艺的要求 9第 2 章 MCS-51 系列单片机及 8051 简介2.1 MCS-51 系列单片机简介102.28051 单片机存储器的
3、空间结构图12 2.3 程序存储器 13第 3 章 课题要求与设计的方案的论证3.1 系统的综述 133.2 各种模块电路方案选择与论证 .123.2.1 系统的硬件的总框图和基本的工作原理 .123.2.2 主机的控制的模块 .143.2.3 温度的控制模块 .143.2.4 温度的采集的模块 .143.2.5 显示模块 .143.3 系统的各模块间的最终确定的方案 .15第 4 章 装置硬件介绍4.1 处理器部分 184.1.1 关于 AT89C52 的说明184.1.2 外部引脚的功能 194.2 关于 8155 部分 .124.2.1 关于 8155 的说明 .124.2.2 外部管脚
4、功能 .144.2.3 8155 的工作方式和基本操作 .144.3 集成 A/D 转换器 ADC0809 154.3.1 关于 ADC0809 的说明 .124.3.2 外部管脚功能 .144.4 集成 D/A 转换-DAC0832184.4.1 关于 DAC0832 的说明184.4.2 外部引脚的功能 194.5 脉冲宽度调制 PWM 和固态继电器 184.5.1 关于 AT89C52 的说明184.5.2 固态继电器工作原理194.5.3 固态继电器硬件连接图19江苏建筑职业技术学院毕业技术报告第 5 章 系统硬件设计5.1 AT89C52 构成的最小系统 .305.1.1 晶振回路
5、.315.1.2 复位电路 .325.2 报警电路设计 325.3 电源电路设计 .335.4 显示电路设计 .355.4.1 LCD1602 简介 .355.4.2 LCD1602 管脚功能介绍355.4.3 温度显示模块电路 405.5 电平转换电路设计 .395.5.1 RS-232 标准介绍 .405.5.2 DB-9 连接器 .405.5.3 MAX232 芯介绍 .415.5.4 串口硬件连接片图 42第 6 章 系统的软件设计6.1 主程序设计 456.2 液晶显示模块 466.3 模拟量输入电路 486.4 上位机软件测试 496.5 电阻炉主要参数 51第 7 章 结论 52
6、第 8 章 致谢 53附录江苏建筑职业技术学院毕业技术报告第 1 章 绪论1.1 选题意义随着现代科学技术的快速发展，每个领域对温度控制系统的要求越来越高，控制系统也随着有了很大的变化。在军工、化工、电力、冶金、机械等诸多领域中，需要对各种各样的温度进行监控。在我们的日常生活中也会用到微波炉、电阻炉、电热水器以及空调等，所以温度与我们的生活息息相关，由此可见温度控制电路广泛应用于生活中的各个领域，所以对温度进行控制是很有必要的。随着人们对电阻炉的广泛应用， 他的温度控制一般采用模拟或数字调节仪表进行调节，但是却存在着一些缺点。而采用单片机进行炉温控制的话，不仅可以提高控制质量和自动化水平，而且
7、对经济效益和推广价值也取得了一定的效果。为此我们有必要设计一个基于单片机的好性能 、易操作的温度控制系统。1.2 国内外发展趋势电阻炉温是用在热处理生产中应用最为广泛的，同时在机械，冶金，化工等行业的生产中占剧着非常重要的地位。所以对电阻炉温度控制的好坏能够直接影响温度水平和加热质量，从而直接影响产品的质量和产量，所以国内外关于电阻炉控制系统的研究一直高度重视，发展起来也比较快，同时也取得了较为理想的成果。自 1980 年以来，由于在工业过程控制中的需要，尤其是在计算机技术的迅猛发展和自动化发展的推动下，国外温度控制系统发展极其迅速，特别是在控制这一块，日美德等发达国家技术领先，相继都生产出了
8、一批性能优异的温度控制器，并且在各行业都广泛应用。其适应于惯性和滞后都大的复杂温度测控系统，并且实现了温控器对控制对象和参数、特性进行自动整定，根据观察对象的温度变化，能够自动调整控制参数，以达到控温的目的。目前，国外温度控制仪表正在向着高精化、高智能、小型化等方向发展。江苏建筑职业技术学院毕业技术报告1.3 系统的主要性能指标第一 序设定恒速升温段、保温段和恒速降温段。第二 有四路模拟量（热电偶 mv）输入，其中第一路用于调节；测量精度达0.1%，测量范围为 0500 。第三 具有一路模拟量输出，对炉温进行调节。第四 采用 ID 调节规律。第五 采用 LED 显示，任何参数显示 5 秒后，自
9、动返回被调温度的显示；第六 运行开始后，可显示瞬时温度和总时间值。在线设置或修改 PID 参数。第七 键盘包括 PID 参数设置键、参数修改键（既递增和递减键） 、复位键。1.4 主要工作任务在对本毕业设计实际的任务要求下，需要对温度传感器芯片、系统芯片的进行选择，在此基础上设计出电源电路、报警电路、键盘电路、复位电路、时钟电路、转换电路。系统开始工作后，根据初始设定的条件读取温度值，测量出的数据经过处理后，再与设定的温度值进行比较，若当前的温度超限，则发出报警信号设置。1.4.1 课题研究的内容本文所要研究的课题是基于单片机的电阻炉炉温控制系统的设计，主要是介绍了对电阻炉炉温的控制，实现了温
10、度的即时显示并对其进行严格控制。运用 LCD 显示炉温的变化，任何参数显示 5s 后，自动返回被调温度的显示，运行开始后，可显示瞬时温度和总时间值。控制器用 AT89C52 单片机，对检测信号和设定值的差别进行调节，并输出 PWM 控制信号给执行机构，去调节电阻炉的加热功率，从而控制炉内温度。并要求序设定恒速升温段，保温段，恒速降温段，四路模拟量（热电偶 mv）输入，其中第一路用于调节；测量精度为0.1%,测量范围为 0-500，采用 PID 调节规律。同时要求键盘包括 PID 参数设置。江苏建筑职业技术学院毕业技术报告1.4.2 本系统实现的功能基于单片机温度控制系统就是对电阻炉的温度进行严
11、格控制的系统，它将温度变送、数字和显示控制于一体，用软件部分实现升降温的 PID 控制和调节。1.4.3 关于工艺的要求关于温度的控制，大约有以下几个过程 过程一 自由升温，根据电阻炉自身的环境，不控制让其自由升温过程二 恒速升温，升温按照固定的坡度进行过程三 保温，保持温度恒定过程四 恒速降温，降温按照固定的坡度进行过程五 自由降温段，根据电阻炉自身的环境，不控制让其自由降温每一个过程设定时间，如图所示。温度变化监控过程在本案例中，要求温度有规律的变化，从室温 0 开始到第一个拐点为自由升温段，当温度到达此点就进入系统调节直到平衡点。从平衡点到降温点为保温段，要始终在系统控制之下，以保证所需
12、的炉内温度的精度。加工结束，到达下一个拐点就是自由降温段。保温的时间大约 50-100min。炉温变化曲线要求参数江苏建筑职业技术学院毕业技术报告如下：过渡过程:就是从升温开始到进入保温的时间，需要大于 100 分钟。调节量：就是升温过程的温度最大值与温度稳定值之差与平衡温度值之比，静态误差：就是当温度进入稳定段后的实际温度值与稳定设定值之差的绝对值静态误差=稳定实际温度 稳定 设定温度2温度稳定值的变化范围：50100 。为了便于说明，设稳定温度值为100。第 2 章 MCS-51 系列单片机及 8051 简介2.1 MCS-51 系列单片机简介所谓单片机，又称为微控制器 MCU。CPU（进
13、行运算、控制） 、RAM（数据存储） 、ROM（程序存储） 、I/O 口（串行口、并行输出口等）这些东西构成了一台计算机。在计算机上这些部分被分又成了若干块芯片，会被安装在一个叫主板的印刷线路板上。在单片机中，这些部份全部集中到集成芯片中了。自 20 世纪以来电子技术的计算机革命造就了单片机，自被称为微电脑以来，单片机因其小体积和强功能而被广泛应用于嵌入式计算机系统中。在我们的日常生活中彩电、冰箱、洗衣机、电磁炉、数码产品、智能玩具等，都运用了微电脑控制技术。工业控制中的定时器、计数器等，无处不都是运用的单片机。现今的电子世界几乎都快成了单片机的世界。MCS-51 具有的结构先进功能强大的他点
14、和优势。C51 在物理结构上存在四个存储空间，分别为片内程序存储器、片外程序存储器、片内外数据存储器。在逻辑上，8051 只存在三个存储空间，他们分别是：第一，片内外统一编址的 64K 的程序存储器地址空间第二，256B 片内数据存储器的地址空间江苏建筑职业技术学院毕业技术报告第三，64K 片外数据存储器的地址空间我们用不同的形式指令，来达到访问不同地址空间的目的2.2 8051 单片机存储器的空间结构图2.3 程序存储器一个微型处理器能够自己执行某种任务，除它们强大的硬件外，还需要它们运行的软件，它们按照人们预先编写的程序去执行。设计人员编写的程序存放在微处理器的程序存储器中，即为只读程序存
15、储器 ROM，编写的程序给微型处理器一系列命令用来处理问题。程序和数据一样，全部都是由机器码组成的代码串。只是程序代码则存放于程序存储器中而已。假若为 1 时，程序从片内 ROM 开始执行任务，当 PC 值超过片内 ROM 容量时候会自动转向外部 ROM 空间。假若为 0 时，程序从外部存储器开始执行任务，比如前面提到的片内无 ROM 的 8031 单片机，在实际应用中就要把 8031 的引脚接低电平才能有用。8051 片内有 4KB 的存储单元，其地址为 0000H0FFFH，单片机启动或者复位后，程序计数器的内容为 0000H，所以系统将从 0000H 单元开始执行所编写的程序。但是在程序
16、存储中有一些特殊的单元，在使用中应加强注意：但是其中有一组特殊是：0000H0002H 单元，在系统复位后，PC 为 0000H，单片机从0000H 单元开始执行程序，如果程序不是从 0000H 单元开始的话，则需要在这三个单元中存放一条无条件转移指令，让 CPU 直接去执行用户指定的程序。另一组的特殊单元是 0003H002AH，这 40 个单元各有各自的用途，它们被均匀地分为五江苏建筑职业技术学院毕业技术报告段，定义如下：0003H000AH 为外部中断 0 中断地址区。000BH0012H 为定时/计数器 0 中断地址区。0023H002AH 为串行中断地址区。可见以上的 40 个单元全
17、部是专门用来存放中断处理程序的地址单元，当中断响应以后，按照中断的类型，自动转向各自的中断区去执行程序。从上面可以看的出，每个中断服务程序中只有 8 个字节单元，但是用 8 个字节来存放一个中断服务程序很显然是不可能的。因此以上地址单元不能用来存放程序的其他内容，只能用来存放中断服务程序。但是通常情况下，我们是在中断响应的地址区安放一条无条件转移指令，指向程序存储器的其他真正用来存放的中断服务程序的空间去执行,这样中断响应后，CPU 读到这条转移指令，便转向其他的地方去继续执行中断服务程序。下图是 ROM 的地址分配图：由此可见，在 0000H-0002H 此区间，有在三个存储单元，3 个存储
18、单元在我们的程序存放时是存放不了实际东西的程序的因此我们在现实编写程序的时候在此设置 ORG 指令，通过 ORG 指令跳转到从 0033H 开始的用户 ROM 区域内，然后达到安排我们程序语言的目的。从 0033 开始的用户 ROM 区域，用户可以通过对 ORG 指令任意安排，在使用的时候不要超过实际的存储空间，不然程序没有办法找到。第 3 章 课题要求与设计的方案的论证3.1 系统的综述想实现上述目的，我们用的是 ATMEL 公司所生产 AT89C52。AT89C52 是带 8K字节的闪速的可编程可擦除的只读的存储器（PEROM）低电压，高性能的 CMOS 8位的微控制器。这个器件采用的 ATEML 非易失的内存制造的技术制造，和工业标
