1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） 电加热炉温度单片机控制系统设计 所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘 要 传统 电加热炉以污染 小 、 便于操作 、 集成性高 、 调幅范围广 、 成本低廉 等 各种好处慢慢 受到 使用者 的 青睐 。但 是 其对温度的控制 上不 甚 理想， 温度差别大 、温度 难以控制 。 为了针对这种 情况 ， 应用单片机对电热加热炉进行智能控制的温度系统 出现了 。 电加热炉温控系统 是以数字化控制为基础， 以单片机为核心，采用温度变送器桥路和固态继电器控温电路，实现对电炉温度的自动控制。并采用零点迁移技
2、术和固态继电器控温电路，降低硬件成本，提高温控系统的性能价格比 。 炉温信号通过温度检测及变送，变成电信号，与温度设定值进行比较，计算温度偏差和温度的变化率，再由智能控制算法进行推理，并得控制量，可控硅输出部分根据调节电加热炉的输出功率，即改变可控硅管的接通时间，使电加 热炉输出温度达到理想的设定值。 关键词： 单片机，电加热炉，温控，数字化 II The Design Of Electric furnace temperature control system based on MCU Abstract Traditional electric heating furnace with lo
3、w pollution, easy operation, high integration, wide amplitude, low cost and other benefits by the users of all ages slowly. But its not ideal temperature control, Large temperature difference, Difficult to control temperature. To address this situation, application of MCU to the electric furnace tem
4、perature control system of intelligent there. Electric furnace temperature control system is based on digital control, the MCU as the core, use temperature transmitter bridge and solid state relay temperature control circuit, achieve automatic control of furnace temperature. And use zero migration t
5、echnology and temperature solid state relay circuit, reduce hardware costs, improve the performance and low cost temperature control system. Temperature signal through temperature detection and transmission into electrical signals, compared with the temperature set value, calculation of temperature
6、deviation and the rate of change of temperature, then reasoning with intelligent control algorithm, concluded control volume, SCR output section according to adjust the power output of electric furnace, change the time of SCR pipe, make electric furnace output temperature achieve the desired setting
7、s. Keywords: MCU， Electric Heating Furnace, Temperature Control, Digital III 目录 摘 要 . I Abstract . II 1 绪论 . 1 1.1 课题的来源 . 1 1.2 课题的意义 . 1 1.3 国内外单片机的研究现状 . 1 1.3.1 国内单片机的研究现状 . 1 1.3.2 国外单片机的研究现状 . 2 1.4 课题研究的主要内容 . 2 2 系统总体设计方 案 . 3 2.1 系统的设计路线 . 3 2.2 系统的设计原则 . 3 2.3 系统技术难点与预期目标 . 3 3 电加热炉温度控制系统硬
8、件选择 . 5 3.1 单片机的选择 . 5 3.2 温度传感器的选择 . 8 3.3 A/D 转换器的选择 . 8 3.4 键盘电路 . 10 3.5 固态继电器控温电路 . 12 3.6 抗干扰电路 (看门狗电路 ) . 14 3.7 电源电路设计 .15 4 电加热炉温控系统的软件设计 . 16 4.1 主程序流程图 . 17 4.2 键盘中断服务程序 . 18 4.3 温度采集控制流程 . 20 结论 . 23 参考文献 . 24 致谢 . 25 附录 . 26 附录图 1 温度控制系统总电路图 . 26 电加热炉温度单片机控制系统设计 1 1 绪论 1.1 课题的来源 电加热炉随着科
9、学技术的发展和工业生产水平的提高 ,已经在冶金、化工、机械等各类工业控制中得到了 很 广泛应用 ,并且在国民经济中占有 很重要 的地位。对于 这种 具有时变性 大、 非线性、大滞后 与 大惯性、升温单 一 性等 问题 的被 控对象 ,难以采用普通的算法来维持 精确的数学模型 ,所以采用 传统控制 方式和方法 难以取得良好的 效果。 但是 单片机 凭借他的 高可靠性、高性能 与 价格比、控制 方法 简单和灵活性大等 诸多 优点 ,已经 在工业控制系统 等 各各 领域 里 得到很 广泛应用。采用单片机进行炉温控制 ,可以提高控制质量和自动化水平 1.2 课题的意义 自从单片机诞生以来，经历了各阶段
10、发展后，已具备了完善的功能。单片机已渗透进我们生活中的各各领域，已经难以找到没有单片机参与的领域。诸如卫星的控制接收设备，轮船上的各种控制设备，大楼的灯控及门控，各种自动化过程的实时监控与数据采集，广泛使用的各类 IC 卡设备与配套设施，汽车上的各类感应装置与处理设备，照相机、摄影机、游戏机，还有各式电子玩具等等，这些不可能离开单片机。还有像那些自动控制领域的机器人、精密仪器、工业 设备就更不用说了。所以，单片机的开发与应用将造就一大批各类行业的有用人才。 基于单片机的电加热炉智能温控系统相对于传 统的模拟电路温控方式有较大优点的。模拟温控方式操作复杂，功能单一 ，可靠性低，准确度低，成本难以
11、控制，技术落后。而基于单片机的电加热炉 智能温度控制系统，在操作方式上及其简单，而且便于上手，只要手动设定一 个温度参数，系统即会根据参数来调节，并且校正偏差，使得炉温控制在规定 的温度内。并且可以根据程序提前设置的参数在合理范围内浮动，其可控性较 高，并且能通过升级程序提升系统效能，给维护带来极大的方便。 1.3 国内外单片机的研究现状 1.3.1 国内单片机的研究现状 国内单片机的使用现状，基本上还 是 以 51 系列为主的。其实这很普遍， 51系列单片机在国内的根基非常深厚，普通学校的教学一般还是以 51 作为基本教材， 51 系列芯片本身也在不断的变化和发展。随着市场的分工和产品设计所
12、需电加热炉温度单片机控制系统设计 2 求， PIC 单片机在国内相关行业中的认知度提高的很快，其使用范围和市场占有率也随之迅速上升。 1.3.2 国外单片机的研究现状 为了 能 把单片机为核心的嵌入式系统和 英特网 相连，已有 好 家公司在进行这 些 方面的 各种 研究。 在 这方面较为 领先 的有 emWare 公司和 TASKING 公司。 EmWare 公司提出嵌入式系统 进 网的 最新 EMIT 技术 方案 。这个技术主要包 含三个部分：即 emMicro， emGateway 和网络浏览器。 三者中 emMicro 是一个只占内存容量 相当小的 网络服务器； emGateway 则做
13、 为一个功能 很 强的服务器，它用于实现对多个嵌入式 系统 设备的管理， 另外 标准的 互联网 通信接入 设备 以及各种浏览器的支持。 互联网 浏览器 依靠 emObjicts 进行显示 与 嵌入式设备之间的 数据交换 。 要是 嵌入式 的 设备的资源 很 多 ，则他们 可以同时装载入嵌入式设备中， 能实现与 英特网 的 现成接入 。 如果不这样的话 ，将要求 emGateway 和 互联网 浏览器 直接 相互配合。 EmWare 的 EMIT 软件技术 指标是 使用标准的 互联网 协议对 8位 与 16 位嵌入式 系统 设备进行 有效 管理，但比传统上的开销小 了一部分。 1.4 课题研究的
14、主要内容 主要任务为设计一套基于单片机的智能温度控 制系统。以单片机为核心，采用温度变送器桥路和固态继电器控温电路， 实现对电炉温度的自动控制。 采用零点迁移技术和固态继电器控温电路，降 低硬件成本，提高温控系统的性能价格比。并自行设计运行效率较高的程 序以控制炉温。 电加热炉温度单片机控制系统设计 3 2 系统总体设计方案 2.1 系统的设计路线 单片机炉温控制系统结构主要由单片机控制器 、可控硅输出部分、热电偶传感器、温度变送器以及被控对象组成。原理 为：炉温信号通过温度检测及变送，变成电信号，与温度预先的设计值来比较 ，计算计算出温度和预设值的偏差与温度实时变化率，然后经过智能的控制算
15、法进行处理，最后得出控制量，可控硅输出部分再依照调整电加热炉的输出功 率，就可以改变可控硅管的接通时间来改变电加热炉的输出温度从而达到理想 预设值。设计可行方案完成上述各个环节功能，包括整个硬件电路和软件编程 ，达到良好的控制效果。 2.2 系统的总体结构 系统的 结构框图如图 2-1 所示，该系统由 8051 单片机、温度控制检测系统、AD 转换器、 EPROM 等构成。 系统的控制程序及温度和热电偶电势之间的对应方式放置于 EPROM2764 内。 炉温经过桥式电路测量转换成电信号传送给放大器让信号变成电压信号，然后经过多路转换开关 CD4051 将信号送达 A/D 转换器，在对数字信号处
16、理后通过显示屏显示炉内温度。然后将这个值与被测值做比较，按照他的偏差多少，采用比例微分 PID 控制，使用固态的继电器控温电路控制电加热炉的加热功率来控制炉内的温度。 图 2-1 电加热炉系统框图 2.3 系统的技术难点与预期目标 因为 电加热炉是一个非线性的、时变的、 不可统测的、 分布参数 比较 复杂热电偶 AD574A 声光报警 固态继电器控温电路 8051 地址锁存和译码 EPROM6264 显示器 键盘 8279 多路 转换 开关 电加热炉 EPROM2764 放大滤波 电加热炉温度单片机控制系统设计 4 的 被控对象。 如 要实现 对 其 的 最优控制， 首先 必须建立被控对象的
17、简单 数 字化模型，然后求 出 相应的控制器方程 。最后相应的程序编写要适应参数的变化，所以中间可能会遇到各种麻烦的问题。 例如 其 自适应控制 快慢 、随机最优控制权 、预测控制 部分 、解耦控制和 改 变结构控制等 等 。这类控制法 因为 由于数学方程比较 深奥，算法 比较 复杂，现场 人员 难以理解和接受，因而这些先进控制算法的推广 普遍 受到 相应的 制约。 本 系统 主要 功能 目标是具 有数据采集 能力 、数据处理 能力 、输出 和 控制 能力 。能对 0 1000C 温度范围 内的各 个 电加热炉温度进行 准确 测量， 并且其 LED显示 屏能 直接跟踪显示被 测 对象的 准确
18、温度值， 其 准确度 相当 高，显示 也 清晰，既 稳定 又可靠 ，使用 比较 方便 。当然 在具体设计 编写程序 、调试 程序的 过程中，为了便于 调试方便，编程把温度 测试 范围设 定 0 1000。 其 数据采集部分能完成对被测信号的 采集 ， 其 显示 最小值有 1C，测量精度 度 1C ， 温度 控制精度 有 1C， 并 实现采集信号的放大 转换 及 A/D 的 转换，并 能 自动 对数据 进行零漂校正，同时 按 给 定值、 测试 温度值、温度变化速率， 可以 自动进行 FID 参数自 行调整与计算 ， 然后 输出 0 10mA 控制电流，配 合 主回路实现温度的 测量 控制。 其
19、数据处理分为预 先 处理、 实用性 处理、抗干扰 能力 等子功能。 它的 输出控制部分主要是数码管显示控制。 电加热炉温度单片机控制系统设计 5 3 电加热炉温度控制系统硬件选择 3.1 单片机的选择 单片 机到目前为止是属于高科技领先技术。其控制能力强，虽然其结构简单，但其内部齐全，很早就拥有了完整的控制功能。新型的单片机拥有很多的I/O 端口， CPU 能对 I/O 口进行直接操作。运算操作、逻辑操作与位操作，指令繁多且操作简便。单片 机对操作类型拥有很大的优势。单片机拥有低电压、低功耗等各种优点，它可以在 2.2V 的电压下运行，甚至能在 1.2V 或 0.9V 正常工作。单片机体积小、
20、结构很简单、稳定工作。单片机能把各类功能部件可以集中在单一芯片之上，其拥有总线结构，降低了各各芯片之间的传输时间，很大的提升了单片机的稳定性与可靠性。当然其体积小，能对强磁场环境采取各类屏蔽措施，能适应各种艰苦的工作环境。单片机以其优异的性价比，但有完整的硬件。构造及其简单、稳定性高、控制力强、保障能力好，所以在到达相同功能的情况下，用单片机去开发各类系统比用其它类 似微机研发的系统价格更实惠。综上所述，我们得到了需要的硬件，所以我们选择 AT89C52 单片机。 8051 单片机 是标准的 40 引脚双列直插式集成电路芯片 ，。是一款高 性能 8位单片机， 但由于其内部的数据存储器与程序存储
21、器大小 有限，所以需要进行必要的扩展。这次设计扩展了 8K 8 位存储器 2764 和 8K 8 位的静态随机存储器 6264。 8051 单片机还拥有 32 可编程 I/O 线，两个外接的晶体引脚，两条主电源引脚， 4 条既能控制又能做电源复用的引脚。 1 2 3 4 5 6 7 8ABCD87654321DCBAT itl eN u m be r R e v i s io nS iz eA2D a t e : 1 3- J u n -2 0 05 S he e t o f F ile : C : D oc u m e n ts a nd S e tti ng s M o u nt -0 1
22、1 桌面 刘波 . D dbD ra w n B y:E A /V P31X119X218R E S E T9RD17WR16IN T 012IN T 113T014T115P 101P 112P 123P 134P 145P 156P 167P 178P 0039P 0138P 0237P 0336P 0435P 0534P 0633P 0732P 2021P 2122P 2223P 2324P 2425P 2526P 2627P 2728P S E N29A L E / P30T X D11R X D108 0 5 1O U T A 027O U T B 031O U T A 126O U
23、 T B 130O U T A 225O U T B 229O U T A 324O U T B 328D B 012BD23D B 113D B 214S L 032D B 315S L 133D B 416S L 234D B 517S L 335D B 618D B 719R L 038R L 139IR Q4R L 21R L 32CS22R L 45RD10R L 56WR11R L 67A021R L 78C L K3S H IF T36R E S E T9C N T L / S378 2 7 91234差压信号号处电路电源RC二次仪表信理图 3-1 8051 引脚图 电加热炉温度
24、单片机控制系统设计 6 图 3-2 8051 单片机的外部扩展 8051 单片机管脚介绍： EA/VPP 访问和序存储器控制信号 。 P0 端口： P0 口是具有 8 位漏极双向开路 I/O 口，每个引脚可以吸收 8TTL的门电流。 P0 可以用于存储外部程序内容，他能被设置为数据地址的第八个位置。在给 FIASH 编程时， P0 口能当做原码输入端，当给 FIASH 进行校检时，P0 口可以输出原码，这时 P0 口的外部电压要被拉高。 P1 端口： P1 口是一个内部本身就集成上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P1 端口的缓冲器可以接收处理 4TTL 的门电流。当 P1 端口的管脚被置
25、1，其内部被上置高，能用来做输入端，当 P1 端口被外部置低电平时，其能输出电流，这是因为其内部上拉的关系。在给 FLASH 编程和校检的时候， P1 端口能用来做第八位地址处理端。当 P1 端口管脚第一次被写入 1，它被定义为高阻输入状态。 P2 端口： P2 端口是本身就集成上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P2 端口缓冲器能用来接收，并可以输出 4 个的 TTL 的门电流，当 P2 端口管脚被置 1，它的内部管脚被上拉电阻提高，然后能用作输入端。当它作为输入口时， P2 端口的管脚被外部因素置低，它将输出电流。这是因为他内部被上拉的关系。 P2 端口被用来做外部程序存储器或者 16
26、位的地址外部数 据存储器来操作时， P2 端口的输出位是高八位。在给出其地址为 1 时，其能试用内部上拉，当他对外部的八位地址数据段存储器置读写时， P2 端口能输出它另类功能的寄存器内容。P2 端口在给 FLASH 编程序和校检时能接收高八位地址与控制信号。 P3 端口： P3 端口的管脚是一个本身就集成上拉电阻的双向通道 I/O，它可以接收 4 个 TTL 门电流并能输出。在 P3 端口被置 1，他的内部被上拉高电平所左右，并被用来做为输入。其作为输入时，由于他的外部下拉被置低电平，1 2 3 4 5 6 7 8ABCD87654321DCBAE A / V P31X119X218R E
27、S E T9RD17WR16I N T 012I N T 113T014T115P 1 01P 1 12P 1 23P 1 34P 1 45P 1 56P 1 67P 1 78P 0 039P 0 138P 0 237P 0 336P 0 435P 0 534P 0 633P 0 732P 2 021P 2 122P 2 223P 2 324P 2 425P 2 526P 2 627P 2 728P S E N29A L E / P30T X D11R X D108051D03A72D14A65D27A56D38A49D413A312D514A215D617A116D718A019OE1LE117 4 L S 3 7 3u4u5U 1 0U 1 1A 1 22A 1 123A 1 021A924A825A73A64A55A46A37A28A19A010CS226D011D112D213D314D415D516D617D718OE226264CS120WE27A 1 22A 1 123A 1 021A924A825A73A64A55A46A37A28A19A010CE20P G M27V P P1D011D112D213D314D415D516D617D718OE222764
