加热炉温度控制器设计课程设计(论文).doc

辽 宁 工 业 大 学

单片机原理及接口技术课程设计（论文）

题目：加热炉温度控制器设计

V

本科生课程设计（论文）

课程设计（论文）任务及评语
院（系）：电气工程学院 教研室：
学 号

学生姓名

专业班级
电气122
课程设计（论文）题目
加热炉温度控制器设计
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、1A步进电机调节阀门来调节进气量。温度控制范围0～1800℃。
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. 温度传感器及接口电路设计
3. 步进电机驱动电路设计
4. 程序流程图设计及程序清单编写
技术参数：
1．温度控制范围：0-1800℃
2．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，其中程序开发要有详细的软件设计说明，详细阐述系统的工作过程，字数应在4000字以上。
进度计划
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 温度传感器及接口电路设计
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
指导教师评语及成绩

平时： 论文质量： 答辩：

总成绩： 指导教师签字：
年 月 日
注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算

摘 要
随着计算机技术、控制理论和控制技术的发展，电加热炉的温度控制技术日趋成熟，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控制系统，通过控制电阻丝两端电压的工作时间，来控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控制。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，可靠性好，抗干扰能力强等特点。

关键词：电加热炉；单片机；温度控制；固态继电器；

目 录
第1章 绪论 1
1.1 单片机温度控制系统概况 1
1.2 本文研究内容 2
第2章 CPU最小系统设计 3
2.1 温度控制系统总体设计方案 3
2.2 CPU的选择 4
2.3 数据存储器扩展 6
2.4 复位电路设计 7
2.5 时钟电路设计 8
2.6 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 10
3.1 温度检测传感器的选择 10
3.2 模拟量检测接口电路设计 11
3.3 温度检测输出接口电路设计 12
3.4 人机对话接口电路设计 15
第4章 加热炉温度控制软件设计 16
4.1 软件实现功能综述 16
4.2 流程图设计 16
4.2.1 主程序流程图设计 16
4.2.2 模拟量检测流程图设计 17
4.2.3 单片机流程图设计 18
4.3 程序清单 19
第5章 系统设计与分析 25
5.1 系统原理图 25
5.2 系统原理综述 26
5.3 硬件仿真图 27
5.4 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 单片机温度控制背景及国内外研究概况概况
温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。成熟的温控产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，它们只能适应一般温度系统控制，而用于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。
随着我国经济的发展及加入WTO，我国政府及企业对此都非常重视，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，开展创新性研究，使我国仪表工业得到了迅速的发展。
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。传统的控制方式已不能满足高精度，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，由于它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。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，温度控制范围为50～150℃。
本设计使用单片机作为核心进行控制。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。本系统使用8051单片机，使温度控制大为简便。

1.2 本文研究内容
本文主要包括以下内容：
1．以单片机为核心，建立自动控制系统，构建按键、采样、显示以及输出等外围电路，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，根据流程图编写程序，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。
2

第2章 CPU最小系统设计
2.1 温度控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、温度检测电路、模数转换电路、温度控制电路、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，根据其偏差值的大小，采用比例微分控制（PID控制），通过固态继电器控温电路控制电炉丝的加热功率大小，从而控制电炉的温度，使其逐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
本文采用8051单片机进行设计。
8051有40条引脚。其中有2条主电源引脚，2条外接晶体引脚，4条控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，因此需要扩展。
单片机的40个引脚大致可分为4类：电源、时钟、控制和I/O引脚。
1.电源:  ⑴ VCC - 芯片电源，接+5V；
     ⑵ 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.控制线:控制线共有4根：
⑴ ALE/PROG:地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲
    ① ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址
    ② 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。
⑵ PSEN:外ROM读选通信号。
 ⑶ RST/VPD:复位/备用电源。
① RST（Reset）功能：复位信号输入端。
② VPD功能：在Vcc掉电情况下，接备用电源。
⑷ EA/Vpp:内外ROM选择/片内EPROM编程电源。
① EA功能：内外ROM选择端。
② Vpp功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。
4.I/O线：8051共有4个8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。

图2.2 8051芯片

2.3 数据存储器扩展
本次设计扩展了8K×8位紫外线擦除电可编程只读存储器2764和8K×8位静态随机存储器6264，8051扩展如图2.3所示。

EPROM程序存储器2764简介：2764是8K*8字节的紫外线镲除、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；O0-O7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2.3 8051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端的高电平直接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端的电位与VCC相同，随着电容充电电流的减小，+5V立即加到了RST/VPD端，该高电平使8051复位。
若运行过程中，需要程序从头开始执行。按下按钮则直接把+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，有些外围芯片也需要复位，如果这些复位端的复位电平要求与单片机的要求一致，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XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。在XTAL1和XTAL2两端跨接晶体或陶瓷谐振器，就构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部时钟发生器。见图2.4。外接晶振时C1、C2值常选择为30pF左右；外接陶瓷谐振器时，C1、C2约为47pF。C1、C2对频率有微调作用，振荡频率范围是1.2～12MHz。
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 8051CPU最小系统图

2.5 8051CPU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
单片机温度控制系统中的重要环节就是温度检测元件的选择以及测温电路的设计。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。本次设计采用的是pt100型铂电阻温度传感器，因其测量范围大，复现性好，稳定性强等特点而被广泛使用。
pt100型铂电阻温度传感器特性综述：
该电阻值随温度变化而变化，并且具有很好的重视性和稳定性，其零度阻值为100Ω，电阻变化率为0.3815Ω/℃，是中低温区（-200~650℃）最常用的一种温度检测器。
3.1.1 A/D转换器选择
数据采集在控制系统中是一个很重要的环节，其性质的好坏直接影响控制的精度，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，AD574为模数转换器。
模拟量输入接口的功能是把工业生产控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AD574。AD574是AD公司生产的12位逐次逼近型A/D转换芯片，它将A/D转换电路、基准电压、时钟、比较器、逐次逼近寄存器以及输出缓冲存储器等集成在一块芯片上，并具有三态输出。在一般情况下，无需加任何外部电路，只要接上+5V及-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）分辨率 12位；
（2）转换时间 25µs；
（3）转换精度 ±2LSB；
（4）输入信号 单极性或双极性；
（5）电源 +5V及-15V；
AD574可由+5V及-15V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BIP OFF引脚的连接方式而定。单极性输入时BIP OFF接地，双极性输入时应悬空或接+5V电源。
在AD574由微处理器控制的情况下，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决定，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便开始转换。此时，DR端及输出端状态不变，经25µs后转换结束，DR端变低,延时500ns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命令可撤去，B/C置高电平。在B/C变化后的1.5µs，DR线随之自动变高，同时数据线呈现高阻，一次转换即完成。注意上次B/C命令撤除与下一次给出新的转换命令之间的时间间隔不得小于2µs，如果在转换进行期间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3.1 AD574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采用14脚DIP封装，图1.2给出了AD522的引脚排列，表1给出了各引脚的功能说明。

图3.4 AD522芯片

表3.1 AD522芯片引脚功能图
引脚
名称
功能
1
+INPUT
正输入端
2
R GAIN
增益补偿端
3
-INPUT
输入端
4
NULL
空端
5
V-
负电源端
6
NULL
空端
7
OUTPUT
输出端
8
V+
正电源端
9
GND
地参考端
10
NC
不接
11
REF
参考端
12
SENSE
补偿端
13
DATA GUARD
数据保护端
14
R GAIN
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化所引起的热电阻阻值的变化转换成电压信号送给放大器的输入端，由于铂电阻安装在内，通过长导线接入控制台，为了减少引线电阻的影响采用三线制接法。
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。使用时，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提供通路。

图3.6 温度控制电路

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，显示器采用共阴极接法，由驱动器74LS05，7407对其进行驱动。键盘为4×4矩阵式，采用行扫描对键盘按键进行查询，从而调入相应指令。

图1.13 8279键盘显示电路原理图
第4章 加热炉温度控制软件设计
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；第二部分为键盘中断服务程序；第三部分是定时采样及处理程序。
4.2 流程图设计
4.2.1 主程序流程图设计

键盘扫描显示主要完成键盘的粗扫描，判断有无键按下，以及按下键值的位置，并延时以消除键的抖动。
4.2.2 模拟量检测流程图设计
数据采集是温度控制不可缺少的部分。数据采集程序的主要任务是巡回检测炉内5个点的温度参数，巡回检测的方法是先把8个通道各采样一次，然后再采第二次，第三次，……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
ORG 0000H
AJMP MAIN
ORG 001BH
AJMP CT1
ORG 0200H
A1 EQU 50H
MAIN: CLR A
MOV 2AH,A
MOV 2CH,A
MOV 2DH,A
MOV 2EH,A
MOV A1,#50
LOOP: ACALL SAMP
ACALL FILTER
ACALL TRAST
ACALL TESTKEY
ACALL DISPLAY
MOV A,50H
ADD A,#5
MOV 52H,A
SUBB A,#10
MOV 53H,A
MOV A,51H
CJNE A,52H,TPL
CLR P3.4
CLR P3.2
AJMP LOOP
TPL: JNC TPL1
CJNE A,53H,MTPL
SETB P3.4
CLR P3.2
AJMP LOOP
MTPL: JNC HAT
SETB P3.2
SETB P3.4
AJMP LOOP
TPL1: SETB P3.2
CLR P3.4
AJMP LOOP
HAT: CLR P3.2
ACALL PID
MOV A,2FH
CPL A
INC A
SETB F0
MOV TMOD,#50H
SETB P3.4
MOV TL1,A
MOV TH1,#0FFH
CLR PT1
SETB EA
SETB TR1
SETB ET1

LOOP1: ACALL TESTKEY
ACALL DISPLAY
JB F0,LOOP1
AJMP LOOP
CT1: CLR TR1
CLR F0
CLR P3.4
RETI
采样子程序;
SAMP: MOV R1,#02CH
MOV R0,#03
MOV DPTR,#0FEFFH
READ: MOVX @DPTR,A
HERE: JB P3.3,HERE
MOVX A,@DPTR
RLC A
MOV 20H.0,C
RLC A
MOV 20H.1,C
RLC A
MOV 20H.2,C
RLC A
MOV 20H.3,C
RLC A
MOV 20H.4,C
RLC A
MOV 20H.5,C
RLC A
MOV 20H.6,C
RLC A
MOV 20H.7,C
MOV A,20H
MOV @R1,A
MOV P0,A
INC R1
DJNZ R0,READ
RET
按键选择子程序;
TESTKEY: JB P3.0,MAIN2_2
ACALL DELAY10
JB P3.0,MAIN2_2
JNB P3.0,$
MOV A,#1
ADD A,A1
CLR C
CJNE A,#150,MAIN2_1_1
MOV A,#150
AJMP MAIN2_1_3
MAIN2_1_1: JC MAIN2_1_3
MAIN2_1_2: CLR C
MOV A,#150
MAIN2_1_3: MOV A1,A; ;上面这一段是+1度按键,按下+1度;

MAIN2_2: JB P3.1,MAIN2_3
ACALL DELAY10
JB P3.1,MAIN2_3
JNB P3.1,$
MOV A,A1
CJNE A,#50,MAIN2_2_1
AJMP MAIN2_2_3
MAIN2_2_1: JC MAIN2_2_2
CLR C
MOV B,#1
SUBB A,B
AJMP MAIN2_2_3
MAIN2_2_2: MOV A,#50
MAIN2_2_3: MOV A1,A;
MAIN2_3: ACALL TRAST1
MOV 32H,A
MOV 31H,B
RET

显示子程序;
DISPLAY: M A,A1;将待显示的数存在70H到75H中
MOV B,#100
DIV AB ;显示子程序
MOV 73H,A ;百位在A
MOV A,B ;
MOV B,#10
DIV AB
MOV 72H,A ;十位在B
MOV 71H,B ;个位在C
MOV A,51H ;将的十六进制数转换成十进制
MOV B,#100
DIV AB ;显示子程序
MOV 76H,A ;百位在A
MOV A,B
MOV B,#10
DIV AB
MOV 75H,A ;十位在B
MOV 74H,B ;个位在C
DISP1: MOV R1,#70H ;指向显示数据首址
MOV R5,#0FEH ;扫描控制字初值
PLAY: MOV P1,#0FFH
MOV A,R5 ;扫描字放入A
MOV P2,A ;从P2口输出
MOV A,@R1 ;取显示数据到A
MOV DPTR,#TAB ;取段码表地址
MOVC A,@A+DPTR ;查显示数据对应段码
MOV P1,A ;段码放入P1口
MOV A,R5
LCALL D1MS ;显示1MS
INC R1 ;指向下一地址
MOV A,R5 ;扫描控制字放入A

JNB ACC.6,ENDOUT ;ACC.5=0时一次显示结束
RL A ;A中数据循环左移
MOV R5,A ;放回R5内
AJMP PLAY ;跳回PLAY循环
ENDOUT: MOV P1,#0FFH ;一次显示结束，P2口复位
MOV P2,#0FFH ;P3口复位
RET ;子程序返回

双字节加法程序:R5R4+R3R2=R7R6 ;
DSUM: MOV A,R4
ADD A,R2
MOV R6,A
MOV A,R5
ADDC A,R3
MOV R7,A
RET

第5章 系统设计与分析
5.1 系统原理图
5.2 系统原理综述
其中:
1．单片机采用的是MCS-51系列的8051，其集成了中央处理器CPU、随机存储器RAM、程序存储器ROM或EPROM、定时器/计数器、中断控制器及串型和并行I/O接口等部件。
单片机主要应用于工业控制领域，用来实现对信号的检测、数据的采集以及对应用对象的控制。它具有体积小、重量轻、价格低、可靠性高、耗电少和灵活机动等许多优点。单片机是微型计算机的一个重要分支，特别适合用于智能控制系统。
2．实时的温度测量由于条件的限制直接用模拟电压来代替传感器及变送器，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，调试成功后，在编写主程序，将每个子程序联系起来，进行整体的调试。调试成功后，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