基于单片机的电阻炉温控制系统设计设计.docx
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基于单片机的电阻炉温控制系统设计设计
基于单片机的电阻炉温控制系统设计设计
设计题目名称:
基于单片机的电阻炉温控制系统设计
毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明
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所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
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对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。
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涉密论文按学校规定处理。
作者签名:
日期:
年月日
导师签名:
日期:
年月日
指导教师评阅书
指导教师评价:
一、撰写(设计)过程
1、学生在论文(设计)过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性;技术线路的可行性;设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文(设计)期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
三、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩:
□优□良□中□及格□不及格
(在所选等级前的□内画“√”)
指导教师:
(签名)单位:
(盖章)
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价:
一、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩:
□优□良□中□及格□不及格
(在所选等级前的□内画“√”)
评阅教师:
(签名)单位:
(盖章)
年月日
教研室(或答辩小组)及教学系意见
教研室(或答辩小组)评价:
一、答辩过程
1、毕业论文(设计)的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
三、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩:
□优□良□中□及格□不及格
(在所选等级前的□内画“√”)
教研室主任(或答辩小组组长):
(签名)
年月日
教学系意见:
系主任:
(签名)
年月日
摘要
温度控制是工业对象中主要的控制参数,它的控制系统本身的动态属性属于纯滞后环节,比如机械、食品、化工等工业中,各种加热炉、反应炉等被广泛使用。
它对工件的处理温度要严格控制。
本论文主要是以围绕电阻炉为研究对象的设计。
此温度控制系统主要包括数据处理模块、温度传感器模块、温度控制和温度显示模块。
温度传感器采用了数字温度传感器,将采样的结果由模拟信号转换成数字信号。
单片机根据当前的炉内温度进行计算,控制PWM方波,由此来控制可控硅的通与断来调节电热丝的加热功率,从而可以让水的温度迅速达到预定值并且保持不变。
关键词:
电阻炉、AT89C51、温度控制系统、单片机
1.概述
1.1研究课题的意义………………………………………………………1
1.2主要性能指标…………………………………………………………2
1.3主要工作任务…………………………………………………………2
2.系统方案设计和工作原理
2.1系统概述………………………………………………………………2
2.2工作原理………………………………………………………………
2.3炉温控制系统的原理…………………………………………………
3.系统硬件设计
3.1STC89C52构成的最小系统……………………………………………7
3.1.1晶振回路……………………………………………………7
3.1.2复位电路……………………………………………………8
3.2温度传感器模块……………………………………………8
3.2.1温度传感器DS18B20概述8
3.2.2温度传感器模块的硬件设计10
3.3报警电路及电源电路设计11
3.4按键电路设计12
3.4.1矩阵式键盘的结构与工作原理12
3.4.2矩阵键盘两种扫描方式13
3.5显示电路设计13
3.5.1LCD1602简介13
3.5.2LCD1602管脚功能介绍14
3.5.3温度显示模块电路图17
3.6电源系统设计3
3.7控制执行单元设计……………………………………………………
3.8继电器驱动电路设计22
3.8.1固态继电器的分类与工作原理22
3.8.2固态继电器的硬件连接图24
4.系统的软件设计
4.1主程序的设计25
4.2液晶显示模块26
4.3温度模块软件设计27
4.3.1DS18B20测温数据的读取程序设计27
4.3.2DS18B20温度读取流程32
4.4中断服务函数33
4.5上位机软件设计34
5.装置硬件介绍
5.1处理器部分…………………………………………………35
5.1.1关于AT89C52的说明……………………………………40
5.1.2外部引脚的功能………………………………………42
5.2关于8155部分
5.2.1关于8155的说明………………………………………38
5.2.2外部管脚功能……………………………………………40
5.2.38155的工作方式与基本操作41
6.系统抗干扰措施
6.1软件抗干扰措施47
结束语48
致谢…………………………………………………………………..
参考文献48
附录A系统原理图49
附录B系统总程序50
1概述
1.1课题研究的意义
随着现代科学技术的迅猛发展,各个领域对温度控制系统的精度、稳定性等的要求越来越高,控制系统也千变万化。
如:
在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造等诸多领域中,人们需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制等等。
而且在我们的日常生活中也使用微波炉、电阻炉、电热水器、空调等家用电器,温度与我们都相关。
可见温度控制电路广泛应用于社会生活的各个领域,所以对温度进行控制是非常有必要和有意义的。
并随着电炉广泛应用于各行各业,其温度控制通常采用模拟或数字调节仪表进行调节,但存在着某些固有的缺点。
为适应以上现实需要有必要设计一个基于单片机的性能良好、操作方便的温度控制系统。
1.2主要性能指标
根据生活环境,设计本产品的技术指标为:
①测温范围:
0℃——+99.9℃。
②温度测量精度:
在0~85℃时精度为±0.5℃。
③可设置上限报警值,当温度超限时,发出报警信号。
④电源工作范围:
DC4.5~5.5V。
⑤能够按照设定的温度曲线控温。
1.3主要工作任务
在对各类温度传感器原理介绍的基础上,根据毕业设计实际的任务要求,完成温度传感器芯片的选型,系统芯片的选择,设计出电源电路、显示接口电路、键盘电路、单片机与上位机通信电平转换电路。
根据设定的算法计算出控制量,根据控制量通过控制固态继电器的导通和关闭从而控制电阻丝的导通时间,以实现对炉温的控制[3]。
2系统方案选择和工作原理
2.1系统综述
本文所要研究的课题是基于单片机控制的水炉温度控制系统,主要是介绍了对水箱温度的测控,实现了温度的实时显示及控制。
用DS18B20、STC89C52单片机及LCD的硬件电路完成对水温的实时检测及显示,由DS18B20检测炉内温度,并在LCD1602中显示。
控制器是用STC89C52单片机,根据设定的算法计算出控制量,根据控制量通过控制固态继电器的导通和关闭从而控制电阻丝的导通时间,以实现对炉温的控制。
DS18B20可直接将温度转化成串行数字信号供微机处理,而且每片DS18B20都有唯一的产品号,可以一并存入其ROM中,以便在构成大型温度测控系统时在单线上挂接任意多个DS18S20芯片。
从DS18S20读出或写入DS18S20信息仅需要一根口线,其读写及其温度变换功率来源于数据总线,该总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电,故不需要额外电源。
同时DS18B20能提供九位温度读数,它无需任何外围硬件即可方便地构成温度检测系统。
本设计主要实现温度测控,温度显示,温度门限设定,超过设定的门限值时自动启动相应的功能。
而且还要以单片机为主机,使温度传感器通过一根口线与单片机相连接,再结合上位机通信部分来共同实现温度的监测与控制。
2.2工作原理
一个反馈系统,在干扰的情况下,被控量偏离给定值。
可以通过控制器来抵消干扰的影响。
大多数被控对象有纯滞后现象,所以就采用反馈控制来提高精度和系统的性能指标。
2.3炉温控制系统的原理
我设计的温度控制系统是以AT8951为核心,并囊括了数码显示管、报警、键盘以及转换电路等,该控制系统采用铂电阻测量入口温度与出口温度。
经数模转换后送入单片机与设计温度比较,其偏差经运算后输出,控制晶体管三相调功模块通断时间的不同以此来控制电热元件的时间,由此来控制加热电阻的加热温度。
控制系统控制继电器的姐通与断开控制加热电阻丝是否工作,从而来控制温度。
3系统硬件设计
3.1STC89C52构成的最小系统
STC89C52是一种高性能、低功耗的CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器。
该器件采用ATEML非易失内存的技术制造,可以和工业标准的80C51和80C52指令集、输出管脚相兼容。
因为把多功能8位CPU与闪速内存组合在单个芯片中,所以AT89C52是一种高效的微控制器,为许多嵌入式控制系统创造了一种灵活性高的方式。
它具有以下标准功能:
8kFlash,512RAM,32位I/O接口线,内置4KBEEPROM,,三个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构和全双工串行口。
3.1.1晶振回路
为STC89C52单片机正常工作需要的时钟电路创造稳定的工作频率这是晶振回路的目的。
根据STC89C52对单片机时钟周期的要求,回路要求的频率是11.0592MHz。
晶振回路电容、陶瓷谐振器晶振两部分组成。
担当单片机的时钟源。
他内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器,这个放大器的输入和输出端分别是引脚XTAL1与XTAL0,在XTAL1和XTAL0端口接上时钟电源即可构成时钟电路。
本设计中采用内部时钟产生方式。
在XTAL0和XTAL1两端跨接晶振,和内部的反相器构成稳定的自激振荡器。
他发出的时钟脉冲可以直接送入单片机内定的时控制各部件。
电容C2和C1对频率有微调整作用。
电容C2和C1应安装在单片机芯片旁边,为了减少寄生电容,保证振荡器稳定可靠的运行。
晶振电路如图3-1所示
图3-1晶振电路
3.1.2复位电路
电路正常工作需要供电电源为5V±5%,即4.85~5.25V。
因为微机电路是时序数字电路,它需要稳定的时钟信号,所以在电源上电时,只有VCC超过4.75V且低于5.25V以及晶体振荡器稳定工作时,复位信号才可以被撤除,微机电路才能开始正常工作。
复位电路第二功能是手动复位。
手动复位需要人为在复位输入端RST上加入高电平,一般采用的办法是在RST端和正电源Vcc之间接一个按钮。
当人为按下按钮时,则Vcc的+5V电平就会直接加到RST端。
复位电路如图3-2所示:
图3-2复位电路
3.2温度采集模块的硬件设计
3.2.1温度传感器DS18B20概述
温度传感器是将温度信号转换为电信号的装置,型号有很多,数字式温度传感器常用的有DS18B20等。
此设计采用的是DS18B20。
DS18B20是一种一线式数字温度传感器,也是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器,在其内部使用了在板(ON-BOARD)专利技术。
被测温度用扩展符号的16位数字量方式串行输出,多个DS18B20可并联到三根或者两根线上,CPU只要一根端口线就能和诸多DS18B20通信,占用微处理器的端口比较少,所以可以节省大量的引线和逻辑电路。
DS18B20内部结构如图3-4所示,主要由四部分组成:
温度传感器,64位ROM、非挥发的温度报警触发器TH与TL、配置寄存器。
DQ为数字信号输入∕输出端;GND为电源地;VCC为外接供电电源[5]。
图3-3DS18B20内部结构框图
DS18B20中的温度传感器可以完成对温度的测量,用十六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。
DS18B20主要特性如下:
①适应更宽的电压范围,电压范围:
3.0~5.5V,在寄生电源方式下可以由数据线供电。
②独一无二的单线接口方式,DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与的双向通讯。
③DS18B20可以支持多点组网的功能,多个DS18B20能并联在唯一的三线上,实现组网多点测温等。
3.2.2温度采集模块的硬件设计
当DS18B20正在执行温度转换或从高速暂存器EPPROM传送数据时,工作电流可达1.5mA,这个电流可能会引起连接单总线的弱上拉电阻的不可接受的压降,这需要更大的电流,而此时Cpp(寄生电源储能电容)无法提供,为了保证DS18B20有充足的供电,当进行温度转换或拷贝数据到EEPROM操作时,必须给单总线一个上拉电阻,一般为4.7K的上拉电阻,根据距离远近可以适当调节阻值,距离近时减小阻值,但不能低于2.1K,否则DS18B20将无法复位。
其数据线DQ端接单片机P2.2。
硬件电路如图3-4所示。
图3-4DS18B20接线图
在外部电源供电方式下,DS18B20工作电源由VCC引脚接人,不存在电源电流不足的问题,可以保证转换的精度,同时在总线上理论可以挂接多个DS18B20传感器,组成多点测温系统。
3.3报警电路设计
报警电路的功能是指在AT89C52单片机的控制下达到声光报警或解除报警的目的。
假若单片机检测实时温度大于设定报警温度时,通过报警电路向报警器发出信号,声音报警电路接收到有效电平后就自动发出预置的报警声,与此同时报警指示灯发出信号。
报警电路结构如图所示
图3-5报警电路接线图
3.3电源电路设计
系统温度测量的电源为直流电源。
电源是整个系统的地基,他的稳定工作对整个以单片机为核心的系统的内稳定工作起着十分重要的作用。
STC89C52单片机与DS18B20温度传感器芯片工作电压范围是DC4.5~5.5V。
为了使系统安全稳定的工作,还需要设计系统的电源电路。
+220V的交流电压需要经过变压器降到15V左右。
经过桥式整流电路把交流电转变成直流电。
然后的电流经过稳压器LM7805输出稳定的+5V电压。
。
VD1和VD3两个二极管组成一对桥臂;因为二极管的启动电压比较小,所以经过变压器的电压可以使VD1与VD3二极管组成的桥臂在正半周期导通,VD2与VD42个二极管组成的桥臂可在负半周期导通。
稳压器LM7805由三个管脚组成的串联型降压式电源芯片。
Vin是输入端,Vout输出端。
经稳压器LM7805稳压后,输出端输出稳定的+5V直流电压。
电源输出基本不受外输入变动的干扰。
稳压器LM7805电源电路设计如图3-6所示。
图3-6电源电路图
3.4按键电路设计
3.4.1矩阵式键盘的结构与工作原理
在键盘中按键数量较多时,为了减少I/O口的占用,通常将按键排列成矩阵形式。
在矩阵式键盘中,每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通,而是通过一个按键加以连接。
这样,一个端口(如P1口)就可以构成4*4=16个按键,比之直接将端口线用于键盘多出了一倍,而且线数越多,区别越明显,比如再多加一条线就可以构成20键的键盘,而直接用端口线则只能多出一键(9键)。
由此可见,在需要的键数比较多时,采用矩阵法来做键盘是合理的。
矩阵式结构的键盘显然比直接法要复杂一些,识别也要复杂一些。
列线通过电阻接正电源,并将行线所接的单片机的I/O口作为输出端,而列线所接的I/O口则作为输入。
这样,当按键没有按下时,所有的输入端都是高电平,代表无键按下。
行线输出是低电平,一旦有键按下,则输入线就会被拉低,这样,通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了。
3.4.2矩阵键盘两种扫描方式
①行扫描法
行扫描法又称为逐行(或列)扫描查询法,是一种最常见的按键识别方法,介绍过程如下:
1)判断键盘中有无键按下。
将全部行线置低电平,然后检测列线的状态。
只要有一列的电平为低,则表示键盘中有键被按下,而且闭合的键位于低电平线与4根行线相交叉的4个按键之中。
若所有列线均为高电平,则键盘中无键按下。
2)判断闭合键所在的位置。
在确认有键按下后,即可进入确定具体闭合键的过程。
其方法是:
依次将行线置为低电平,即在置某根行线为低电平时,其它线为高电平。
在确定某根行线位置为低电平后,再逐行检测各列线的电平状态。
若某列为低,则该列线与置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键。
②高低电平翻转法
首先让P1口高四位为1,低四位为0,。
若有按键按下,则高四位中会有一个1翻转为0,低四位不会变,此时即可确定被按下的键的行位置。
然后让P1口高四位为0,低四位为1,。
若有按键按下,则低四位中会有一个1翻转为0,高四位不会变,此时即可确定被按下的键的列位置。
最后将上述两者进行或运算即可确定被按下的键的位置。
方法②程序更简洁,这里使用第二种方法“高低电平翻转法”。
硬件连接图如3-7所示:
图3-7矩阵键盘电路
3.5显示电路设计
3.5.1LCD1602简介
液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富、超薄轻巧等优点,因此,在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用,现在字符型液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件了。
本系统采用LCD1602液晶显示模块,它可以显示两行,每行16个字符,采用单+5V电源供电,外围电路配置简单,价格便宜,具有很高的性价比。
LCD1602实物图如3-8所示:
图3-8LCD1602实物图
3.5.2LCD1602管脚功能介绍
主要管脚介绍:
V0:
液晶显示器对比度调整端,接正电源时对比度是最弱的,接地电源时对比度是最高的,对比度过高时会产生影响,所以可以通过一个10K的电位器调整对比度。
RS:
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。
R/W:
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为高电平R/W为低电平时可以写入数据。
E:
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。
LCD1602控制指令如表3-9所示:
表3-2LCD1602控制指令
指令
功能
清屏
清DDRAM和AC值
输入方式设置
设置光标、画面移动方式
显示开关控制
设置显示、光标及闪烁开、关
光标、画面位移
光标、画面移动,不影响DDRAM
功能设置
工作方式设置(初始化指令)
CGRAM地址设置
设置CGRAM地址。
A5~A0=0~3FH
DDRAM地址设置
DDRAM地址设置
读BF及AC值
读忙标志BF值和地址计数器AC值
写数据
数据写入DDRAM或CGRAM内
读数据
从DDRRAM或CGRAM数据读出
清屏指令如表3-9所示:
表3-3LCD1602控制指令
RSR/W
DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0
00
00000001
开关控制指令如表3-10所示:
表3-10开关控制指令
RSR/W
DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0
00
00001DCB
开关控制指令功能:
设置显示、光标及闪烁开、关。
其中:
D表示显示开关:
D=1为开,D=0为关;C表示光标开关:
C=1为开,C=0为关;B表示闪烁开关:
B=1为开,B=0为关。
光标、画面位移指令如表3-11所示:
表3-11光标、画面位移指令
RSR/W
DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0
00
0001
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- 基于 单片机 电阻 炉温 控制系统 设计