基于单片机的电加热炉温度控制系统.docx

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1、辽宁工业大学单片机原理与接口技术课程设计（论文）题目：加热炉温度限制器设计院（系）：电气工程学院专业班级：电气122学号：1学303040学生姓名：马驰指导老师：（签字）起止时间：2015.06.22-2015.07.05课程设计（论文）任务与评语院（系）：电气工程学院教研室:学号120303040学生姓名马驰专业班级电气122课程设计（论文）题目加热炉温度限制器设计课程设计(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、IA步进电机调整阀门来调整进气量。温度限制范围01800。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 .温度传感器与接口电

2、路设计3 .步进电机驱动电路设计4 .程序流程图设计与程序清单编写技术参数：1 .温度限制范围：0-1800oC2 .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，其中程序开发要有具体的软件设计说明，具体阐述系统的工作过程，字数应在4000字以上。进度安排第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天温度传感器与接口电路设计第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

3、指导老师评语与成果平常：论文质量：答辩：总成果：指导老师签字：年月日注：成果：平常20%论文质量60%答辩20%以百分制计算摘要随着计算机技术、限制理论和限制技术的发展，电加热炉的温度限制技术日趋成熟，已经成为工业生产中的一个重要部分。本设计为基于单片机的电加热炉温度限制系统，通过限制电阻丝两端电压的工作时间，来限制电阻丝的输出平均功率，从而实现对电加热炉温度的自动限制。系统分为温度测量、A/D转换、单片机系统、键盘操作系统、温度显示电路、D/A转换等若干个功能模块。该系统具有硬件成本低，控温精度较高，牢靠性好，抗干扰实力强等特点。关键词：电加热炉；单片机；温度限制；固态继电器；目录第1章绪论

4、11.1 单片机温度限制系统概况11.2 本文探讨内容2第2章CPU最小系统设计31.1 温度限制系统总体设计方案31.2 2CPU的选择41.3 数据存储器扩展61.4 复位电路设计71.5 时钟电路设计81.6 CPU最小系统图9第3章温度传感器输入输出接口电路设计103. 1温度检测传感器的选择103.1 模拟量检测接口电路设计113.2 温度检测输出接口电路设计123.3 人机对话接口电路设计15第4章加热炉温度限制软件设计164. 1软件实现功能综述164.2流程图设计16主程序流程图设计16模拟量检测流程图设计174.2.3单片机流程图设计184. 3程序清单19第5章系统设计与分

5、析255. 1系统原理图255.2 系统原理综述265.3 硬件仿真图275.4 软件调试结果28第6章课程设计总结29参考文献30第1章绪论1.1 单片机温度限制背景与国内外探讨概况概况温度限制系统在国内各行各业的应用虽然已经特别广泛,但从国内生产的温度限制器来讲，总体发展水平仍旧不高，同日本、美国、德国等先进国家相比，仍旧有着较大的差距。成熟的温控产品主要以“点位”限制与常规的PlD限制器为主，它们只能适应一般温度系统限制，而用于较高限制场合的智能化、自适应限制仪表,国内技术还不特别成熟，形成商品化并广泛应用的限制仪表较少。随着我国经济的发展与加入WT0,我国政府与企业对此都特别重视，对相

6、关企业资源进行了重组，相继建立了一些国家、企业的研发中心，开展创新性探讨，使我国仪表工业得到了快速的发展。随着新技术的不断开发与应用，近年来单片机发展特别快速，一个以微机应用为主的新技术革命浪潮正在蓬勃兴起，单片机的应用已经渗透到电力、冶金、化工、建材、机械、食品、石油等各个行业。传统的温度采集方法不仅费时费劲，而且精度差，单片机的出现使得温度的采集和数据处理问题能够得到很好的解决。温度是工业对象中的一个重要的被控参数。然而所采纳的测温元件和测量方法也不相同；产品的工艺不同，限制温度的精度也不相同。因此对数据采集的精度和采纳的限制方法也不相同。传统的限制方式已不能满意高精度，高速度的限制要求，

7、如温度限制表温度接触器，其主要缺点是温度波动范围大，由于它主要通过限制接触器的通断时间比例来达到变更加热功率的目的，受仪表本身误差和沟通接触器的寿命限制，通断频率很低。近几年来快速发展了多种先进的温度限制方式，如：PID限制，模糊限制，神经网络与遗传算法限制等。这些限制技术大大的提高了限制精度，不但使限制变得简便，而且使产品的质量更好，降低了产品的成本，提高了生产效率。本系统要求有数据处理，显示功能等,被控对象为一阶惯性环节和一阶积分环节的组合，惯性时间常数为2s,开环增益k=10,温度限制范围为50150。本设计运用单片机作为核心进行限制。单片机具有集成度高，通用性好，功能强，特殊是体积小，

8、重量轻，耗能低，牢靠性高，抗干扰实力强和运用便利等独特优点，在数字、智能化方面有广泛的用途。本系统运用8051单片机，使温度限制大为简便。1.2 本文探讨内容本文主要包括以下内容：1 .以单片机为核心，建立自动限制系统，构建按键、采样、显示以与输出等外围电路，实现整个系统的搭建，建立电加热炉系统的仿真图；2 .画出软件流程图，依据流程图编写程序，并对其进行调试，使其符合系统的具体要求；3 .将所编写的程序下载到单片机中去，对系统进行整体调试，进而实现系统的整个功能，设计出符合实际要求的系统。第2章CPU最小系统设计2.1 温度限制系统总体设计方案本系统结构框如图2.1所示，系统由8051单片机

9、、温度检测电路、模数转换电路、温度限制电路、8279键盘显示器等组成。炉内温度由热电阻测温元件和电阻元件构成的桥式电路测量并转换成电压信号送给放大器的输入端，使信号变成0-5V电压信号，再经多路转换开关CD4051将信号送入A/D转换器，将此数字量经过数字滤波，标度转换后，一方面通过LED将炉温显示出来；另一方面，将该温度值与被测温度值比较，依据其偏差值的大小，采纳比例微分限制（PID限制），通过固态继电器控温电路限制电炉丝的加热功率大小，从而限制电炉的温度，使其渐渐趋于给定值且达到平衡。图2.1过程层原理框图2.2 CPU的选择本文采纳8051单片机进行设计。8051有40条引脚。其中有2条

10、主电源引脚，2条外接晶体引脚，4条限制或其它电源复用的引脚，32条I/O引脚，如图2.2所示。由于8051片内数据存储器和程序存储器的地址有限，因此须要扩展。单片机的40个引脚大致可分为4类：电源、时钟、限制和I/O引脚。1 .电源：VCC-芯片电源，接+5V；VSS-接地端；2 .时钟:XTAL1、XTAL2-晶体振荡电路反相输入端和输出端。3 .限制线:限制线共有4根:ALE/PR0G:地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲ALE功能：用来锁存PO口送出的低8位地址PRoG功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。PSEN:外RoM读选通信号。RST/VPD:复

11、位/备用电源。RST(Reset)功能：复位信号输入端。VPD功能：在VCC掉电状况下，接备用电源。(4) EA/Vpp:内外ROM选择/片内EPROM编程电源。EA功能：内外ROM选择端。VPP功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vppo4.1 /0线:8051共有4个8位并行有0端口:POPkP2、P3口，共32个引脚。P3口还具有其次功能，用于特殊信号输入输出和限制信号(属限制总线)。图2.28051芯片2.3 数据存储器扩展本次设计扩展了8KX8位紫外线擦除电可编程只读存储器2764和8K8位静态随机存储器6264,8051扩展如图2.3所示。EPROM程序

12、存储器2764简介：2764是8K*8字节的紫外线镶除、电可编程只读存储器，单一+5V供电，工作电流为75mA,维持电流为35mA,读出时间最大为250ns,28脚双列直插式封装。各引脚的含义为：A0-A12为13根地址线，可寻址8K字节；00-07为数据输出线；CE为片选线；OE为数据输出选通线；PGM为编程脉冲输入端；VPP是编程电源；VCC是主电源。图2.38051单片机的外部扩展2.4 复位电路的设计8051单片机的复位电路有上电复位和手动按钮复位两种形式,RST/VPD端的高电平干脆由上电瞬间产生高电平则为上电复位；若通过按钮产生高电平复位信号称为手动按钮复位。上电瞬间RST端的电位

13、与VCC相同，随着电容充电电流的减小，+5V马上加到了RST/VPD端，该高电平使8051复位。若运行过程中，须要程序从头起先执行。按下按钮则干脆把+5V加到了RST/VPD端从而复位，这称为手动复位。在实际应用系统中，有些外围芯片也须要复位，假如这些复位端的复位电平要求与单片机的要求一样，则可以与之相连。8051复位后，P0-P3四个并行接口全为高电平，其它寄存器全部清零,只有SBUF寄存器状态不确定。2.5 时钟电路设计时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号。8051内部有一个高增益反向放大器，用于构成振荡器，引脚XTALl和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。在XTALl和XTA

14、L2两端跨接晶体或陶瓷谐振器，就构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲干脆送入内部时钟发生器。见图2.4。外接晶振时Cl、C2值常选择为30pF左右；外接陶瓷谐振器时，CkC2约为47pF.CKC2对频率有微调作用,振荡频率范围是L212MHz。内部时钟发生器实质是一个二分频的触发器，其输出信号是单片机工作所需的时钟信号。一般要求，外接的脉冲信号应当是高、低电平的持续时间大于20ns,且频率低于12MHZ的方波。这种方式适合于多块芯片同时工作，便于同步。图2.4时钟电路2.6 805ICPU最小系统图2.5805ICPU最小系统图第3章温度传感器输入输出接口电路设计3.1 温度传感器的选择单片机

15、温度限制系统中的重要环节就是温度检测元件的选择以与测温电路的设计。一般测量电路由测温元件、信号调理电路、信号放大器等组成。本次设计采纳的是PtlOO型伯电阻温度传感器，因其测量范围大，复现性好，稳定性强等特点而被广泛运用。PtlOO型伯电阻温度传感器特性综述：该电阻值随温度变更而变更，并且具有很好的重视性和稳定性，其零度阻值为100Q,电阻变更率为0.3815QC,是中低温区(-200650)最常用的一种温度检测器。3.1.1 A/D转换器选择数据采集在限制系统中是一个很重要的环节，其性质的好坏干脆影响限制的精度，由于本次设计要求测量多点温度值，所以选择芯片CD4051为多路转换开关，AD57

16、4为模数转换器。模拟量输入接口的功能是把工业生产限制现场送来的模拟信号转换成能接收的数字信号。本次设计选用的A/D转换器为D574oAD574是AD公司生产的12位逐次靠近型A/D转换芯片，它将A/D转换电路、基准电压、时钟、比较器、逐次靠近寄存器以与输出缓冲存储器等集成在一块芯片上，并具有三态输出。在一般状况下，无需加任何外部电路，只要接上+5V与-15V电源，加上模拟输入，给出启动转换信号，即可实现12位A/D转换。AD574的主要特性指标如下：(1)辨别率(2)转换时间(3)转换精度(4)输入信号(5)电源12位；25s;2LSB;单极性或双极性+5V-15V;AD574可由+5V与-1

17、5V供电，输入模拟电压可以是单极性0至+10V,或者是双极性+5V至-5V。输入电压极性可由BlPOFF引脚的连接方式而定。单极性输入时BIPOFF接地，双极性输入时应悬空或接+5V电源。在AD574由微处理器限制的状况下，可在初始化程序中将BC端置为高电平，DR端的状态由芯片内部确定，其初始状态也是高电平，此时输出总线处于高阻状态。当B/C端输入低电平信号后，AD574便起先转换。此时，DR端与输出端状态不变，经25s后转换结束，I)R端变低,延时50OnS后，数据线上出现转换后的数据。当微处理器取完数据后转换吩咐可撤去，B/C置高电平。在B/C变更后的L5s,DR线随之自动变高，同时数据线

18、呈现高阻，一次转换即完成。留意上次B/C吩咐撤除与下一次给出新的转换吩咐之间的时间间隔不得小于2s,假如在转换进行期间B/C线变高,那么这次转换就停止，而且DR与数据线状态不变。A/D转换结束时，A/D转换芯片会输出转换结束信号，通过CPU读取转换数据。3.2 模拟量检测接口电路图画出有传感器、CPU、AD转换器等电路连接图，即完整的模拟量检测硬件电路。图3.1AD574与8051的连接3.3温度检测电路输出接口电路设计AD522是AD公司推出的高精度数据采集放大器，利用它可在恶劣的环境下获得高精度的数据。它的线性好，具有较高的共模抑制比、低电压漂移和低噪声的优点。AD522采纳14脚DIP封

19、装，图L2给出了AD522的引脚排列，表1给出了各引脚的功能说明。图3.4AD522芯片表3.1AD522芯片引脚功能图引脚名称功能1+INPUT正输入端2RGAIN增益补偿端3-INPUT输入端4NULL空端5V-负电源端6NULL空端7OUTPUT输出端8V+正电源端9GND地参考端10NC不接11REF参考端12SENSE补偿端13DTGUARD数据爱护端14RGAIN增益补偿端测量电路的设计:测量电路由测温元件和电阻元件构成的，如图1.3所示，此电路为典型的桥式测量电路，可在低电压、高阻抗、大噪声的环境中获得最佳性能。图3.5温度测量电路该桥式电路能够把温度变更所引起的热电阻阻值的变更

20、转换成电压信号送给放大器的输入端，由于伯电阻安装在内，通过长导线接入限制台，为了削减引线电阻的影响采纳三线制接法。AD522是高精度集成放大器，AD522的第1引脚和第3引脚为信号差动输入端；第2、14引脚外接电阻RG用于调整放大倍数；第4、6引脚为条零端；第13引脚为数据屏蔽端；第12脚为测量端；第11脚为参考端；这两端的电压差即为加到负载上的电压信号。运用时，测量端与OUT输出端（第7脚）在外部相连接，输出放大后的信号。将信号地与放大器的电源地（第9脚）相连接为放大器的偏置电流供应通路。图3.6温度限制电路3.4人机对话接口电路设计8279键盘/显示器扩展电路如图1.13所示。该电路中，显

21、示器采纳共阴极接法，由驱动器74LS05,7407对其进行驱动。键盘为4X4矩阵式，采纳行扫描对键盘按键进行查询，从而调入相lflfIfflffitlth3JLKBD之一DBoDB-DB2DBSDiMDB5DB6DB7CSRDWRIRCRESETCNwSS=T应指令。RRRRRRRRSSSSTTT-TTE二匚匚ECiBm三三CC三三三Sii:第4章加热炉温度限制软件设计4.1软件实现功能综述该系统软件设计主要分三部分：第一部分为主程序;中断服务程部分是定时处理程序。4.2流程图4.2.1 主程序设计键盘扫描完成键盘的粗断有无键按按下键值的位时以消退键的4.2.2 模拟量程图设计数据采集制不行缺

22、少的据采集程序的是巡回检测炉的温度参数，的方法是先把各采样一次，其次次，第三其次部分为键盘序；第三采样与设计流程图显示主要扫描，推下，以与置，并延抖动。检测流是温度限部分。数主要任务内5个点巡回检测8个通道然后再采次，直到每个通道均采样5次为止4.2.3单片机主程序流程图设计单片机主程序的主要任务是初始化MODEM,读取数据并保存，并对键进行处理。4.3程序清单ORG0000HAJMPMAINORGOOlBHAJMPCTlORG0200HAlEQU50HMAIN:CLRAMOV2H,AMOV2CH,AMOV2DH,AMOV2EH,AMOVAl,#50LOOP:ACALLSAMPCLLFILTE

23、RACALLTRASTACALLTESTKEYCLLDISPLAYMOVA,50HADDA,#5MOV52H,ASUBBA,#10MOV53H,AMOV,51HCJNEA,52H,TPLCLRP3.4CLRP3.2AJMPLOOPTPL:JNCTPLlCJNEA,53H,MTPLSETBP3.4CLRP3.2AJMPLOOPMTPL:JNCHATSETBP3.2SETBP3.4AJMPLOOPTPLl:SETBP3.2CLRP3.4AJMPLOOPHT:CLRP3.2ACALLPIDMOVA,2FHCPLAINCASETBFOMOVTMOD,#50HSETBP3.4MOVTLl,AMOVTH1

24、,#OFFHCLRPTlSETBEASETBTRlSETBETlLOOPl:ACALLTESTKEYCLLDISPLAYJBF0,LOOPlAJMPLOOPCTl:CLRTRlCLRFOCLRP3.4RETI采样子程序;SAMP:MOVRl,#02CHMOVRO,#03MOVDPTR,#0FEFFHREAD:MOVXDPTR,AHERE:JBP3.3,HEREMOVXA,DPTRRLCAMOV20H.O,CRLCAMOV20H.1,CRLCAMOV20H.2,CRLCAMOV20H.3,CRLCAMOV20H.4,CRLCAMOV20H.5,CRLCAMOV20H.6,CRLCAMOV20H.

25、7,CMOVA,20HMOVR1,AMOVPO,INCRlDJNZRO,READRET按键选择子程序；TESTKEY:JBP3.O,MAIN2_2ACALLDELAY10JBP3.O,MAIN2_2JNBP3.O,$MOVA,#lADDA,AlCLRCJNEMOVCA,#150,MAIN2A,#150MAIN2_1_3JMPMAIN2_1_1:JCMAIN2_1_3MAIN2_1_2:CLRCMOVA,#150MAIN2_1_3:MOVAl,A；;上面这一段是+1度按键,按下+1度；MIN2-2:JBP3.1,MIN2-3ACALLDELAY10JBP3.1,MAIN2_3JNBP3.1,$M

26、OVA,AlCJNEA,#50,MAIN2_2_1AJMPMAIN2_2_3MAIN2_2_1:JCMAIN2_2_2CLRCMOVB,#lSUBBA,BAJMPMAIN2_2_3MAIN2_2_2:MOVA,#50MAIN2_2_3:MOVAl,A；MAIN2_3:ACALLTRASTlMOV32H,MOV31H,BRET显示子程序；DISPLAY:MA,Al;将待显示的数存在70H到75H中MOVB,#100DIVAB;显示子程序MOV73H,A；百位在AMOVA,B;MOVB,#10DIVBMOV72H,A;十位在BMOV71H,B；个位在CMOVA,51H；将的十六进制数转换成十进制M

27、OVB,#100DIVB;显示子程序MOV76H,A；百位在AMOVA,BMOVB,#10DIVABMOV75H,A;十位在BMOV74H,B；个位在CDISPl:MOVRl,#70H；指向显示数据首址MOVR5,#0FEH；扫描限制字初值PLAY:MOVPl,#OFFHMOVA,R5；扫描字放入AMOVP2,A；从2口输出MOVA,R1；取显示数据到AMOVDPTR,#TAB;取段码表地址MOVCA,A+DPTR;查显示数据对应段码MOVPl,A；段码放入Pl口MOV,R5LCALLDIMS;显示IMSINCRl；指向下一地址MOVA,R5；扫描限制字放入AJNBACC.6,ENDOUT;A

28、CC.5=0时一次显示结束RLA；A中数据循环左移MOVR5,A;放回R5内AJMPPLAY;跳回PLAY循环ENDOUT:MOVPl,#OFFH;一次显示结束，P2口复位MOVP2,#0FFH；P3口复位RET;子程序返回双字节加法程序:R5R4+R3R2=R7R69DSUM:MOVA,R4ADDA,R2MOVR6,MOVA,R5ADDCA,R3MOVR7,ARET5.1系统原理图第5章系统设计与分析5.2系统原理综述其中：1 .单片机采纳的是MCS-51系列的805L其集成了中心处理器CPU、随机存储器RAM、程序存储器ROM或EPRoM、定时器/计数器、中断限制器与串型和并行I/O接口等

29、部件。单片机主要应用于工业限制领域，用来实现对信号的检测、数据的采集以与对应用对象的限制。它具有体积小、重量轻、价格低、牢靠性高、耗电少和敏捷机动等很多优点。单片机是微型计算机的一个重要分支，特殊适合用于智能限制系统。2 .实时的温度测量由于条件的限制干脆用模拟电压来代替传感器与变送器，用AD574来采样和转换温度。5.3硬件仿真图5.4软件调试结果通过WAVE6000软件分别对每个子程序进行便携机调试，调试胜利后,在编写主程序，将每个子程序联系起来，进行整体的调试。调试胜利后，下载到单片机中，进行仿真。程序设计示例如图所示。第6章课程设计总结在本设计系统中，用8051单片机作为主控机，通过外

30、部程序扩展电路来实现大容量的软件程序的输入承载量，通过数据采集通道来实现对炉内各处温度的检测，在键盘与显示电路一体化的状况下来实现对数据的输入与对采集到的数据进行显示。在CPU中把数据进行进一步处理后一方面送去显示,并推断是否须要报警；另一方面与给定值进行比较,然后依据偏差值进行限制计算。本文一方面结合实际应用阅历，力求做到较为系统和全面的介绍系统设计与实施技术；另一方面尽可能反应出温控系统的发展趋势，以与其先进性和好用性。本系统在硬件设计的基础上，在软件编程上选择查询方式，再进行相关的软件设计和开发，通过所需的多机通信接口与总机的连接可实现实时监控，不漏报的技术要求。，虽然目前的工业炉温度限

31、制技术已经很先进,但为了适应科学技术的不断进步，对炉温的限制技术还需进一步的提高。微机限制系统的快速计算、敏捷多样的逻辑推断和高效的信息加工实力使自动限制进入了更高一级的领域，提高了生产过程的自动化程度，削减了人工干预，并不断地完善和满意工农业生产和国防科技日益增长的须要。随着微机和单片机的推广运用，实现信息自动化与过程限制相结合的分级分布式计算机限制，使计算机限制技术的水平发展到一个崭新的阶段。论文在自动限制技术的基础上，具体阐述了其在电加热炉温度限制系统的应用。诚心感谢百忙之中批阅论文的老师们。参考文献1梅丽凤等编著单片机原理与接口技术清华高校出版社2009.72赵晶主编ProteI99高

32、级应用人民邮电出版社，20003于海生编著微型计算机限制技术清华高校出版社2003.45高海生.单片机与应用技术大全M.成都：西南交通高校出版社，1996.6王福瑞.单片微机测控技术大全M.北京：北京航空航天高校出版社，19997沙占友.新型单片机开关电源的设计与应用M.北京：电子工业出版社,20019王晓明.单片机教程M.沈阳：东北高校出版社,20OL10张伟.单片机原理与应用M北京:机械工业出版社,2002.11李广弟.单片机基础.北京航空航天高校出版社，2001.12王毓银主编.数字电路逻辑设计.北京：高等教化出版社，1999.13索雪松等.传感器与信号处理电路.北京：中国水利水电出版社,2008.14宋丽蓉.自动限制原理.机械工业出版社，2005,34(6)：1-7.15赖寿宏.微型计算机限制技术.北京：机械工业出版社，2003.