基于单片机的加热炉温度控制系统毕业设计论文.docx
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基于单片机的加热炉温度控制系统毕业设计论文
本科毕业设计(论文)
题目基于单片机的加热炉温度控制系统
毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明
原创性声明
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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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日期:
年月日
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日期:
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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)?
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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
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2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
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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:
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(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
随着我国国民经济的快速发展,加热炉的使用范围越来越广泛。
而加热炉温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制,有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响产品的质量和产量,人们需要对各中加热炉中温度进行监测和控制。
采用单片机来对他们控制不仅具有控制方便,简单和灵活性大等优点,而且可以大幅度提高被控温度的技术指标,从而能够大大的提高产品的质量和数量。
本文炉温在控制过程中主要应用AT89C51、ADC0809、LED显示器、LM324比较器,而主要是通过DS18B20数字温度传感器采集环境温度,以单片机为核心控制部件,并通过四位数码管显示实时温度的一种数字温度计。
关键词:
加热炉单片机温度控制
Abstract
WiththerapiddevelopmentofChina'snationaleconomy,thescopeofapplicationofheatingfurnacemoreandmorewidely.Andheatingfurnacetemperaturecontrolisintheprocessofindustrialproductionoftenmetinprocesscontrol,andsomeofthetemperatureofaprocesscontrolhasadirecteffectonthequalityofproductsandproduction,thepeopleneedtoeachheatingfurnacethetemperaturecarryonthemonitorandthecontrol.Notonlyusesthemonolithicintegratedcircuittocometothemtocontrolhasthecontroltobeconvenient,simpleandflexibilitybigandsoonmerits,moreovermayenhancelargescaleisaccusedthetemperaturetechnicalspecification,thuscanbigenhancetheproductthequalityandquantity.
Inthispaper,inthecontrolofthemainapplicationoftheprocessofAT89C51,ADC0809,LEDdisplay,LM324comparator,butmainlythroughthedigitaltemperaturesensorDS18B20collectingambienttemperaturetosingle-chipmicrocomputerasthecorecontrolcomponents,andthroughfourreal-timedigitaldisplayofadigitalthermometertemperature.
Keywords:
heatingfurnaceSinglechipmicrocomputer
Temperaturecontrol
第1章绪论
1.1课题的背景
二十一世纪是科技高速发展的信息时代,电子技术等的应用更是空前广泛,伴随着科学技术和生产的不断发展,需要对各种参数进行温度测量。
因此温度一词在生产生活之中出现的频率日益增多,与之相对应的,温度控制和测量也成为了生活生产中频繁使用的词语,同时它们在各行各业中也发挥着重要的作用。
如在日趋发达的工业之中,利用测量与控制温度来保证生产的正常运行。
在农业中,用于保证蔬菜大棚的恒温保产等。
温度是表征物体冷热程度的物理量,温度测量则是工农业生产过程中一个很重要而普遍的参数。
温度的测量及控制对保证产品质量、提高生产效率、节约能源、生产安全、促进国民经济的发展起到非常重要的作用。
随着新技术的不断开发与应用,近年来单片机发展十分迅速,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力,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。
然而所采用的测温元件和测量方法也不相同;产品的工艺不同,控制温度的精度也不相同。
因此对数据采集的精度和采用的控制方法也不相同。
传统的控制方式以不能满足高精度,高速度的控制要求,如温度控制表温度接触器,其主要缺点是温度波动范围大,由于他主要通过控制接触器的通断时间比例来达到改变加热功率的目的,受仪表本身误差和交流接触器的寿命限制,通断频率很低。
近几年来快速发展了多种先进的温度控制方式,如:
PID控制,模糊控制,神经网络及遗传算法控制等。
这些控制技术大大的提高了控制精度,不但使控制变得简便,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。
1.2课题研究的目的及意义
加热炉是将物料或工件加热的设备。
按热源划分有燃料加热炉、电阻加热炉、感应加热炉、微波加热炉等。
它的应用遍及石油、化工、冶金、机械、热处理、表面处理、建材、电子、材料、轻工、日化、制药等诸多行业领域。
但对于加热炉这样一个具有非线性、大滞后、大惯性、时变性、升温单向性等特点的控制对象,很难用数学方法建立精确的数学模型,一方面耗能大另一方面控制起来困难,因此用传统的控制理论和方法很难达到好的控制效果,一直是自动化生产中急需解决的问题之一。
目前国内任然有大量的加热炉停留在简单的人工控制或者电子仪表进行手工电动操作,这种操作方式劳动强度大、控制粗糙、节能效果差,温度采集方法不仅费时费力,而且精度差,已不能满足高精度、高速度的控制要求,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。
单片机具有集成度高,通用性好,功能强,特别是体积小,重量轻,耗能低,可靠性高,抗干扰能力强和使用方便等独特优点,在数字、智能化方面有广泛的用途。
本设计使用单片机作为核心进行控制,不仅具有控制方便、简单和灵活性大等优点,而且大大的提高了控制精度,使系统控制变得简便,使产品的质量更好,降低了产品的成本,提高了生产效率。
1.3课题研究的内容及要求
本文所要研究的课题是基于单片机的加热炉温度控制系统的设计,主要是介绍了对加热炉温度的显示、控制及报警,实现了温度的实时显示及控制。
加热炉温度控制部分,提出了用DS18S20、AT89C51单片机及LED的硬件电路完成对炉温的实时检测及显示,利用DS18S20与单片机连接由软件与硬件电路配合来实现对加热电阻丝的实时控制及超出设定的上下限温度的报警系统。
炉内温度控制部分,采用一套PID闭环负反馈控制系统,由DS18S20检测炉内温度,用中值滤波的方法取一个值存入程序存取器内部一个单元作为最后检测信号,并在LED中显示。
控制器是用89C51单片机,用PID算法对检测信号和设定值的差值进行调节后输出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。
它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微处理器等优点,特别适合于构成多点的温度测控系统,可直接将温度转化成串行数字信号供微机处理,而且每片DS18S20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DS18S20供电,而且不需要额外电源。
同时DS18S20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。
利用本次的设计主要实现:
1)温度测试,温度显示,温度门限设定,超过设定的门限值时自动启动加热装置等功能。
2)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,再加上温度控制部分和人机对话部分来共同实现温度的监测与控制。
用单片机实现其具体控制功能如下:
1)能够连续测量加热炉的温度值,用十进制数码管来显示炉内的实际温度。
2)能够设定炉内的温度值,设定范围是0℃~1000℃。
3)能够实现炉温的自动控制,如果设定温度为400℃,则能使炉温保持恒定在400℃的温度下运行。
4)用单片机AT89C51控制,通过按键来控制炉温的设定值,数值采用数码管显示。
1.4课题的研究方案
温度控制系统是比较常见和典型的过程控制系统。
温度是工业生产过程中重要的被控参数之一,当今计算机控制技术在这方面的应用,已使温度控制系统达到自动化、智能化,比过去单纯采用电子线路进行PID调节的控制效果要好得多,可控性方面也有了很大的提高。
温度是一个非线性的对象,具有大惯性的特点,在低温段惯性较大,在高温段惯性较小。
采取温度控制系统的方法是:
首先,通过设置按键,设定恒温运行时的温度值,并且用数码管显示这个温度值.然后,在运行过程中将采样的温度模拟量送入A/D转换器中进行模拟-数字转换,再将转换后的数字量用数码管进行显示,最后用单片机来控制加热炉,进行加热或停止加热,直到能在规定的温度下恒温加热。
系统框图如下:
此方案采用89C51单片机系统来实现。
单片机软件编程灵活、自由度大,可用软件编程实现各种控制算法和逻辑控制。
单片机系统可以用数码管来显示炉温的实际值,能用键盘输入设定值。
采用以单片机为控制核心的控制系统,大大提高了系统的智能化,也使得系统所测得结果的精度大大提高。
第2章硬件设计
本设计系统的基本组成单元包括:
主机、温度采样单元、单片机控制单元、调节执行单元四部分,本章将逐一进行介绍。
2.1单片机的发展概况
1970年微型计算机研制成功之后,随之即出现了单片机(即单片微型计算机)—美国Intel公司1971年生产的4位单片机4004和1972年生产的雏形8位单片机8008,这也算是单片机的第一次公众亮相。
1976年Intel公司首先推出能称为单片机的MCS-48系列单片微型计算机。
它以体积小、功能全、价格低等特点,赢得了广泛的应用,同时一些与单片机有关公司都争相推出各自的单片机。
1978年下半年Motorola公司推出M6800系列单片机,Zilog公司相继推出Z8单片机系列。
1980年Intel公司在MCS-48系列基础上又推出高性能的MCS-51系列单片机。
这类单片机均带有串行I/O口,定时器/计数器为16位,片内存储容量(RAM,ROM)都相应增大,并有优先级中断处理功能,单片机的功能、寻址范围都比早期的扩大了,它们是当时单片机应用的主流产品。
1982年Mostek公司和Intel公司先后又推出了性能更高的16位单片机MK68200和MCS-96系列,NS公司和NEC公司也分别在原有8位单片机的基础上推出了16位单片机HPC16040和μPD783××系列。
1987年Intel公司又宣布了性能比8096高两倍的CMOS型80C196,1988年推出带EPROM的87C196单片机。
由于16位单片机推出的时间较迟、价格昂贵、开发设备有限等多种原因,至今还未得到广泛应用。
而8位单片机已能满足大部分应用的需要,因此,在推出16位单片机的同时,高性能的新型8位单片机也不断问世。
纵观这短短的20年,经历了4次更新换代,单片机正朝着集成化、多功能、多选择、高速度、低功耗、扩大存储容量和加强I/O功能及结构兼容的方向发展。
新一代的80C51系列单片机除了上述的结构特性外,其最主要的技特点是向外部接口电路扩展,以实现微控制器(microcontroller)完善的控制功能为己任。
这一系列单片机为外部提供了相当完善的总线结构,为系统的扩展和配置打下了良好的基础。
由于80C51系列单片机所具有的一系列优越的特点,获得广泛使用指日可待。
下面我们就来重点介绍一下本毕业论文讨论的系统所用的AT89C51系列单片机。
2.2AT89C51系列单片机介绍
2.2.1AT89C51系列基本组成及特性
AT89C51是一种带4k字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低电压,高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。
而在众多的51系列单片机中,要算ATMEL公司的AT89C51更实用,也是一种高效微控制器,因为它不但和8051指令、管脚完全兼容,而且其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的,这种工艺的存储器,用户可以用电的方式达到瞬间擦除、改写。
而这种单片机对开发设备的要求很低,开发时间也大大缩短。
AT89C51基本功能描述如下:
AT89C51是一种低损耗、高性能、CMOS八位微处理器,而且在其片种还有4k字节的在线可重复编程快擦快写程序存储器,能重复写入/擦除1000次,数据保存时间为十年。
它与MCS-51系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容,不仅可完全代替MCS-51系列单片机,而且能使系统具有许多MCS-51系列产品没有的功能。
AT89C51可构成真正的单片机最小应用系统,缩小系统体积,增加系统的可靠性,降低了系统成本。
只要程序长度小于4k,四个I/O口全部提供给用户。
可用5V电压编程,而且写入时间仅10毫秒,仅为8751/87C51的擦除时间的百分之一,与8751/87C51的12V电压擦写相比,不易损坏器件,没有两种电源的要求,改写时不拔下芯片,适合许多嵌入式控制领域。
AT89C51芯片提供三级程序存储器锁定加密,提供了方便灵活而可靠的硬加密手段,能完全保证程序或系统不被仿制。
另外,AT89C51还具有MCS-51系列单片机的所有优点。
128×8位内部RAM,32位双向输入输出线,两个十六位定时器/计时器,5个中断源,两级中断优先级,一个全双工异步串行口及时钟发生器等。
AT89C51有间歇、掉电两种工作模式。
间歇模式是由软件来设置的,当外围器件仍然处于工作状态时,CPU可根据工作情况适时地进入睡眠状态,内部RAM和所有特殊的寄存器值将保持不变。
这种状态可被任何一个中断所终止或通过硬件复位。
掉电模式是VCC电压低于电源下限,当振荡器停止振动时,CPU停止执行指令。
该芯片内RAM和特殊功能寄存器值保持不变,一直到掉电模式被终止。
只有VCC电压恢复到正常工作范围而且在振荡器稳定振荡后,通过硬件复位、掉电模式可被终止。
2.2.2AT89C51的工作原理
1.CPU的结构
CPU是单片机内部的核心部分,是单片机的指挥和执行机构,它决定了单片机的主要功能特性。
从功能上看,CPU包括两个基本部分:
运算器和控制器。
下面说明控制器和运算器。
1)运算器
运算器包括算术逻辑运算部件ALU、累加器ACCC、B寄存器、暂存寄存器TMP1和TMP2、程序状态寄存器PSW、BCD码运算调整电路等。
2)时钟电路
AT89C51芯片内部有一个高增益反向放大器,用于构成振荡器。
反向放大器的输入端为XTAL1,输出端为XTAL2。
在TXAL1和XTAL2两端跨接由石英晶体及两个电容构成的自激振荡器,如图2-1所示。
电容器C1和C2通常都取30pF左右,选用不同的电容量对振荡频率有微调作用。
但石英晶体本身的标定频率才是单片机振荡频率的决定因素。
其振荡频率范围是1~12MHz。
图2-1时钟电路
本设计考虑系统的独立完整性,选用内部时钟方式,石英震荡频率选用12MHZ,ALE信号频率为2MHZ。
2.I/O口结构:
AT89C51单片机有4个8位并行I/O接口,记作P0、P1、P2和P3,每个端口都是8位准双向口,共占32根引脚。
每一条I/O线都能独立地用作输入或输出。
每个端口都包括一个锁存器(即特殊功能寄存器P0~P3),一个输出驱动器和输入缓冲器,作输出时数据可以锁存,作输入时数据可以缓冲,但是这四个通道的功能完全不同。
3.程序存储器及数据存储器
1)程序存储器
对AT89C51芯片来说,片内有4K字节ROM/EPROM,片外可扩展60K字节EPROM,片内和片外程序存储器统一编址。
在程序存储器中,有6个地址单元被保留用于某些特定的地址,如下表2-1所示。
2)数据存储器
AT89C51数据存储器空间也分为内片和外片两大部分,即片内数据存储器RAM和片外数据存储器RAM。
如何区别片内、片外RAM空间呢?
片内数据存储器最大可以寻址256个单元,片外最大可扩展64K字节RAM,并且片内使用的是MOV指令,片外64KROM空间专门为MOVX指令所用。
4.定时器
AT89C51单片机的内部有两个16位可变成定时器0(T0)和定时器1(T1),它们都有定时或是事件计数的功能,可用于定时控制、延时、对外部事件计数和检测等场合。
表2-1AT89C51的复位、中断入口地址
入口地址
说明
0000H
复位后,PC=0000H
0003H
外部中断入口
000BH
定时器T0溢出中断入口
0013H
外部中断入口
001BH
定时器T1溢出中断口
0023H
串行口中断入口
它们具有计数和定时两种工作方式以及四种工作模式。
定时器T0具有方式0、方式1、方式2和方式3四种工作方式。
T1具有方式0、方式1和方式2三种工作方式。
5.中断系统
AT89C51单片机有五个中断请求源。
其中,两个外部中断源;两个片内定时器/计数器(T0、
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