基于单片机的电阻炉课程设计.docx
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基于单片机的电阻炉课程设计
课程设计
题目:
基于单片机的电阻炉的设计与实现
班级:
11级计算机科学与技术
姓名:
李太辉
指导老师:
王代强
2012年12月25日
摘要
在工业生产过程中,往往需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉的温度进行检测和调节,因此需要一种合适的系统对其温度进行精确控制,由于单片机具有低功耗、高性能、可靠性好、易于产品化等特点,因此采用单片机对温度进行控制不仅节约成本,控制方法灵活多样,并且可以达到较高的控制精度,从而能够大大提高产品的质量,因此单片机被广泛应用在中小型控制系统中。
设计过程中,首先进行软件
设计和开发,使系统功能模块化并分别通过Proteus软件进行仿真,实现功能后对硬件进行了综合设计,并且反复论证、测试各器件参数以使其稳定运行,最终使得此系统实现了温度的恒温控制。
关键词:
单片机;温度传感器;可控硅;温度控制
Abstract
Intheindustrialproductionprocess,oftenrequirevarioustypesoffurnace,heattreatmentfurnace,reactortemperaturedetectionandregulation,soitneedsapropersystemofprecisecontrolofitstemperature,aslowpowerconsumptionsinglechip,highperformance,reliability,easy-to-marketcommodityandsoon,sotocontrolthetemperatureusingSCMnotonlysaveoncost,controlmethodofflexibleanddiverse,andcanachievehigherprecision,whichcangreatlyenhancethequalityoftheproduct,soSCMiswidelyusedintheSmallcontrolsystem.
Thedesignprocess,firstofallthesoftwaredesignanddevelopment,makingthesystemfunctionalmoduleandthroughtheProteussoftwaresimulation,respectively,toachievefeatureanintegrateddesignofthehardware,andrepeateddemonstration,testingthedeviceparameterstomakeitstableoperation,andultimatelymakeThissystemhasrealizedtheconstanttemperaturecontrol.
Keywords:
MCS-51,temperaturesensor,SCR,temperaturecontrol
一、序言
及时准确地得到温度信息并对其进行适时的控制,在许多工业场合中都是重要的环节.水温的变化影响各种系统的自动运作,例如冶金、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,对工件的水处理温度要求严格控制。
对于不同控制系统,其适宜的水质温度总是在一个范围。
超过这个范围,系统或许会停止运行或遭受破坏,所以我们必须能实时获取水温变化。
对于,超过适宜范围的温度能够报警。
同时,我们也希望在适宜温度范围内可以由检测人员根据实际情况加以改变
单片机对温度的控制是工业生产中经常使用的控制方法。
从1976年Intel公司推出第一批单片机以来,80年代单片机技术进入快速发展时期,近年来,随着大规模集成电路的发展,单片机继续朝快速、高性能方向发展。
单片机主要用于控制,它的应用领域遍及各行各业,大到航天飞机,小至日常生活中的冰箱、彩电,单片机都可以大显其能。
单片机将微处理器、存储器、定时/计数器、I/O接口电路等集成在一个芯片上的大规模集成电路,本身即是一个小型化的微机系统。
单片机技术与传感与测量技术、信号与系统分析技术、电路设计技术、可编程逻辑应用技术、微机接口技术、数据库技术以及数据结构、计算机操作系统、汇编语言程序设计、高级语言程序设计、软件工程、数据网络通信、数字信号处理、自动控制、误差分析、仪器仪表结构设计和制造工艺等的结合,使得单片机的应用非常广泛。
同时,单片机具有较强的管理功能。
采用单片机对整个测量电路进行管理和控制,使得整个系统智能化、功耗低、使用电子元件较少、内部配线少、成本低,制造、安装、调试及维修方便
目前,我国在温度测控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,国外己有较多的成熟产品,但由于我国开发上的滞后,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试来确定。
这些差距我们必须努力克服。
随着我国经济的发展及加入WTO带来的契机,政府及企业对于高新技术的发展都非常重视,对相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,并通过合资、技术合作等方式,组建了一批合资、合作及独资企业,使我国温度等测试仪表行业得到迅速的发展。
其优点有:
1)运转平稳,工作可靠;
2)布局合理,安装操作维护方便;
3)满足加热和温度控制精度要求;
4)设置定时起停、时钟、报警等人性化功能。
5)要从节能、省材、高效率、自动化、安全的角度出发,对电阻炉的工作效率增加,减少技术人员,操作和维修更方便安全,大大减小劳动强度,节约成本,提高劳动生产率。
二、电阻炉简介
1、电阻炉是利用电流通过电热体元件将电能转化为热能来加热或者熔化工件和物料的热加工设备。
电阻炉由炉体、电气控制系统和辅助系统组成。
炉体由炉壳、加热器、炉衬(包括隔热屏)等部件组成。
电气控制系统包括电子线路、微机控制、仪表显示及电气部件等。
辅助系统通常指传动系统、真空系统、冷却系统等,虽炉种的不同而已
2、电阻炉的优点
热效率高。
电阻炉不需要燃烧气体,没有派出因燃烧气体而产生的废气造成的热损失。
炉膛室内热强度高,能达到较高的温度,是高熔点金属得熔化。
能够满足工作空间温度场均匀分布和恒温的精度要求。
比如在48小时内温度漂移±0.5℃。
操作简单,寿命长,安全有保障。
场所利用率大,噪声较稳定。
3电阻炉加热原理
当电流在导体中流过时,因为任何导体均存在电阻,电能即在导体中形成损耗,转换为热能,按焦耳楞次定律:
Q=0.2412RtQ—热能
I一电流,安培,
R一电阻,欧姆,
t一时间,秒
按上式推算,当1千瓦小时的电能,全部转换为热能时Q=(0.24×1000×36000)/1000=864千卡
在电热技术上按l千瓦小时=860千卡计算。
电阻炉在结构上是使电能转换为热能的设备,它能有效地用来加热指定的工件,并保持高的效率。
三、AT89C52
1、AT89C52系列主要性能参数
AT89C52是一种低电压,高性能CMOS8位微处理器,片内含8K可反复擦写的Flash只读程序存储器。
器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存储器技术生产,兼容标准MCS-51指令系统。
在单芯片上内置通用的8位CPU和Flash存储单元,能给很多嵌入式控制应用系统提供非常灵活且高效的解决方案,从而使得AT89C52广泛应用于许多此类系统中。
2、AT89C52具有以下主要功能特性
8K字节FlashROM,256字节内部RAM,32个双向I/O口,3个16位可编程定时/计数器,一个6向量两级中断结构,一个全双工串行通信口,片内振荡器及时钟电路。
同时AT89C5可降至0HZ的静态逻辑操作,并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作,但允许RAM定时/计数器串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容,但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
P0口
P0口为一个8位漏极开路双向I/O口。
作为输出口用时,每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路。
对端口P0写1时,可作为高阻输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时,这组口线分时转换地址低8位和数据总线复用。
在FLASH编程时P0接收指令字节而在程序校验时输出指令字节,校验时要求外接上拉电阻。
P1口
P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口,P1的输出缓冲级可驱动吸收或输出电流,4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”通过内部上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口。
作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。
P2口
P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2的输出缓冲级可驱动吸收或输出电流,4个TTL逻辑门电路。
对端口P2写“1”时,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口,作为输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。
在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器。
例如执行MOVX@DPTR指令时,P2口送出高8位地址数据。
在访问8位地址的外部数据存储器。
如执行MOVX@RI时,P2口输出P2锁存器的内容。
Flash编程或校验时P2也接收高位地址和一些控制信号。
P3口
P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P3输出缓冲级可驱动吸收或输出电流,4个TTL逻辑门电路。
对P3口写入“1”时,他们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。
此时,被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。
RST复位输入:
当振荡器工作时,RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
ALE/PROG:
当访问外部程序存储器或数据存储器时,ALE地址锁存允许输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
一般情况下,ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定脉冲信号,因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
但要注意的是,每当访问外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。
对Flash存储器编程期间,该引脚还用于输入编程脉冲。
如有必要,可通过对特殊功能寄存器,SFR区中的8EH单元的D0位置位,可禁止ALE操作。
该位置位后,只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。
此外,该引脚被微弱拉高,单片机执行外部程序时,应设置ALE禁止位无效。
PSEN程序储存允许
PSEN输出是外部程序存储器的读选通信号。
当AT89C52由外部程序存储器取指令或数据时,每个机器周期两次PSEN有效,即输出两个脉冲。
在此期间,当访问外部数据存储器时,将跳过两次PSEN信号。
EA/VPP外部访问允许。
欲使CPU仅访问外部程序存储器地址为0000H-FFFFH,EA端必须保持低电平接地。
需注意的是如果加密位LB1被编成复位时内部会所存EA端状态。
如EA端为高电平接Vcc端,CPU则执行内部程序存储器中的指令。
Flash存储器编程时,该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp,当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。
XTAL1:
振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。
XTAL2:
振荡器反相放大器的输出端。
四、DS18B20简介
DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器,具有3引脚TO-92小体积封装形式;温度测量范围为-55℃~+125℃,可编程为9位~12位A/D转换精度,测温分辨率可达0.0625℃,被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出;其工作电源既可在远端引入,也可采用寄生电源方式产生;多个DS18B20可以并联到3根或2根线上,CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信,占用微处理器的端口较少,可节省大量的引线和逻辑电路。
以上特点使DS18B20非常适用于远距离多点温度检测系统。
DS18B20的内部结构
DS18B20内部结构主要由4部分组成:
64位ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。
DS18B20的管脚排列,DQ为数字信号输入/输出端;GND为电源地;VDD为外接供电电源输入端
DS18B20中的温度传感器完成对温度的测量,用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供,以0.0625℃/LSB形式表达,其中S为符号位。
例如+125℃的数字输出为07D0H,+25.0625℃的数字输出为0191H,-25.0625℃的数字输出为FF6FH,-55℃的数字输出为FC90H。
五、LCDLM016
1显示质量高由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度,恒定发光,而不像阴极射线管显示器(CRT)那样需要不断刷新新亮点。
因此,液晶显示器画质高且不会闪烁。
数字式接口
液晶显示器都是数字式的,和单片机系统的接口更加简单可靠,操作更加方便
体积小、重量轻
液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的,在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多
21602LCD基本参数及引脚功能
1602LCD主要技术参数:
显示容量:
16×2个字符
芯片工作电压:
4.5—5.5V
工作电流:
2.0mA(5.0V)
模块最佳工作电压:
5.0V
字符尺寸:
2.95×4.35(W×H)mm
引脚功能说明
第1脚:
VSS为地电源。
第2脚:
VDD接5V正电源。
第3脚:
VL为液晶显示器对比度调整端,接正电源时对比度最弱,接地时对比度最高,对比度过高时会产生“鬼影”,使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。
第4脚:
RS为寄存器选择,高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。
第5脚:
R/W为读写信号线,高电平时进行读操作,低电平时进行写操作。
当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址,当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号,当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。
第6脚:
E端为使能端,当E端由高电平跳变成低电平时,液晶模块执行命令。
第7~14脚:
D0~D7为8位双向数据线。
六、步进电动机
1相步进电机。
定子的通电方式称为励磁方式。
1.1相励磁方式A相通电;B相通电;C相通电;当脉冲一个一个发来时,如果按A->B->C->A...的顺序通电,则电机转子便按逆时针转动,这种通电方式成为1相励磁方式。
如果按A->C->B>A...的顺序通电,则电机转子便按逆时针转动
2.2相励磁方式顺时针轮回AB→BC→CA→AB逆时针轮回BA→AC→CB→BA
2步进电机的驱动发来的脉冲信号转化为步进电机的角位移,电机的转速与脉冲率成正比,所以控制脉冲频率可以精确调速,控制脉冲数就可以精确定位
七、MOC3021
MOC3021/MOC3021M是一款光隔离三端双向可控硅驱动器芯片。
MOC3021/MOC3021M包含一个砷化镓红外发光二极管和一个光敏硅双向开关,该开关具备跟三端双向可控硅一样的功能。
MOC3021/MOC3021M设计用于为电子控制装置和电源双向控制装置提供接口,以便对115VAC操作电压下的电阻和电感负载进行有效控制
MOC3021特性特性特性特性
•出色的IFT(LED触发电流)稳定性-红外发光二极管不易退化
•高隔离电压-最小5300VACRMS
•UL认证-File#E90700
•峰值闭锁电压
MOC3021应用应用应用应用
•工业控制
•红绿灯
•自动售货机固态继电器
•镇流器
•电磁阀/阀控制
•静态AC电源开关
•白炽灯调光器
•电机控制器
八、系统硬件电路图
系统硬件连接图如下图所示:
系统集成了数据处理模块、温度传感器模块、温度显示/设定模块、温度控制模块。
1、温度传感器模块
2、数据处理模块
3、温度显示模块
4、控制模块电路图
九、加载程序仿真
总结
设计叙述了基于单片机的电阻炉温度的控制与设计,包括硬件组成和软件,介绍了基于AT89C51单片机的温度采集控制系统设计,该系统在硬件设计上主要是通过热电偶对温度进行采集,把温度转换成变的电压,将模拟温度电压信号转化为对应的数字温度信号电压,用LCD对当前温度信号值进行显示,并且根据数据处理的结果,使用单片机控制继电器,实现对电机的控制,最终达到温度调节的目的。
其硬件设计中最为核心的器件是单片机AT89C51,整个系统结构紧凑,简单可靠,操作灵活,功能强大,性能价格比高,较好的满足了现代生产和科研的需要
长达两个月的学习、研究,看了不少文献,问过不少同学,曾经根本没有一点头绪的我感觉好难,根本不知道什么是keil和protues,更不知道元件库中原件的应用,但是由于压力的条件下,终于有了自己的报告,更多的了解单片机的功能,特别是对引脚的功能的接法,p0口能做数据总线有能做地址总线的意义,还有LCD14引脚显示器的接法,温度传感器的应用。
最后,我很高兴我能成功做出这篇报告,同时也真心的感谢帮助过我的同学、朋友,谢谢!
参考文献
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中南工业大学出版社,1998
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高等教育出版社,1999
[6]刘迎春、叶湘滨.传感器原理设计与应用(第三版).长沙:
国防科技大学出版社,199
程序代码-----
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unsignedintSetPoint;//设定目标DesiredValue
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unsignedints;
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charconsttable[]={100,80,70,60,50,40,30,20,0};//高电平时间查表
uchar
codetab[]={0x28,0xEB,0x32,0xA2,0xE1,0xA4,0x24,0xEA,0x20,0xA0,0x60,0x25,0x3C,0x23,0x34,0x74,0xF7,0xFF};//,0x88,0x83,0xC6,0xA1,0x86,0x8E};//共阳led显示段码1~15段码表
ucharshi,ge,danwei,dang,dang_dis;//定义温度十位、个位、摄氏度单位、及档位变量名称,及显示档位的查表变量
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