基于單片機的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè) 計算機控制技術(shù)計算機控制技術(shù)成績評定表成績評定表設(shè)計課題設(shè)計課題 ：基于單片機的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計基于單片機的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計學(xué)院名稱學(xué)院名稱 ： 電氣工程學(xué)院電氣工程學(xué)院 專業(yè)班級專業(yè)班級 ： 學(xué)生姓名學(xué)生姓名 ： 學(xué)學(xué) 號號 ： 指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師 ： 王王 黎黎 設(shè)計地點設(shè)計地點 ： 中原路校區(qū)中原路校區(qū) 2 號樓號樓 421 設(shè)計時間設(shè)計時間 ： 2011.6.272011.7.03 指導(dǎo)教師意見：成績: 簽名： 2010 年 1 月 日精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè) 計算機控制技術(shù)計算機控制技術(shù) 課課 程程 設(shè)設(shè) 計計

2、課程設(shè)計名稱：課程設(shè)計名稱：基于單片機的電阻爐溫度控制系設(shè)計基于單片機的電阻爐溫度控制系設(shè)計專專 業(yè)業(yè) 班班 級級 ： 學(xué)學(xué) 生生 姓姓 名名 ： 學(xué)學(xué) 號號 ： 指指 導(dǎo)導(dǎo) 教教 師師 ： 王王 黎黎 設(shè)設(shè) 計計 地地 點點 ： 中原路校區(qū)中原路校區(qū) 2 號樓號樓 421 課程設(shè)計時間：課程設(shè)計時間： 2011.6.272011.7.03 計算機控制技術(shù)計算機控制技術(shù) 課程設(shè)計任務(wù)書課程設(shè)計任務(wù)書精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)學(xué)生姓名學(xué)生姓名專業(yè)班級專業(yè)班級學(xué)號學(xué)號題題 目目基于單片機的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計課題性質(zhì)課題性質(zhì)工程設(shè)計課題來源課題來源自擬課題指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師王黎主要

3、內(nèi)容主要內(nèi)容本論文以電阻爐為研究對象，開發(fā)了基于單片機的溫度控制系統(tǒng)。溫度傳感器采用了數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20，對溫度進(jìn)行實時采樣并將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號返回給單片機。系統(tǒng)可通過鍵盤對電阻爐水溫進(jìn)行預(yù)設(shè)，控制輸出寬度可調(diào)的 PWM 方波，并由此控制雙向可控硅的導(dǎo)通和關(guān)斷來調(diào)節(jié)電熱絲的加熱功率，從而使水溫迅速達(dá)到預(yù)設(shè)值并保持恒定不變。任務(wù)要求任務(wù)要求第 1 天：熟悉課程設(shè)計任務(wù)及要求，針對課題查閱技術(shù)資料。第 2 天：確定設(shè)計方案。要求對設(shè)計方案進(jìn)行分析、比較、論證，畫出方框圖，并簡述工作原理。第 3-4 天：按照確定的方案設(shè)計單元電路。要求畫出單元電路圖，元件及元件參數(shù)選擇要有依據(jù)，

4、各單元電路的設(shè)計要有詳細(xì)論述。第 5 天：撰寫課程設(shè)計報告。要求內(nèi)容完整、圖表清晰、文理流暢、格式規(guī)范、方案合理、設(shè)計正確，篇幅不少于 5000 字。主要參主要參考資料考資料1， ， ，計算機控制技術(shù)，20052 王幸之，鐘愛琴，王雷，王閃 AT89 系列單片機原理與接口技術(shù).北京:北航空航天大學(xué)出版社,2004.3 梅麗鳳,王艷秋,等.單片機原理及接口技術(shù)M.北京:清華大學(xué)出版社, 2004.4 朱定華,劉玉.單片機原理及應(yīng)用技術(shù)學(xué)習(xí)輔導(dǎo)M.北京:電子工業(yè)出版社, 2001.審查意見審查意見系（教研室）主任簽字：系（教研室）主任簽字： 年年 月月 日日目錄目錄精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-

5、專注-專業(yè) 引言引言1.1 課題背景課題背景及時準(zhǔn)確地得到溫度信息并對其進(jìn)行適時的控制，在許多工業(yè)場合中都是重要的環(huán)節(jié)，水溫的變化影響各種系統(tǒng)的自動運行，例如冶金、機械、食品、化工各類工業(yè)中，廣泛使用的各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐等，對工件的水處理溫度要求嚴(yán)格控制。對于不同控精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)制系統(tǒng)，其適宜的水質(zhì)溫度總是在一個范圍。超過這個范圍，系統(tǒng)或許會停止運行或遭受破壞，所以我們必須能實時獲取水溫變化。對于超過適宜范圍的溫度能夠報警。單片機對溫度的控制是工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常使用的控制方法。從 1976 年 Intel 公司推出第一批單片機以來，80 年代單片機技術(shù)進(jìn)入快速

6、發(fā)展時期，近年來，隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，單片機繼續(xù)朝快速、高性能方向發(fā)展。單片機主要用于控制，它的應(yīng)用領(lǐng)域遍及各行各業(yè)，大到航天飛機，小至日常生活中的冰箱、彩電，單片機都可以大顯其能。單片機將微處理器、存儲器、定時/計數(shù)器、I/O 接口電路等集成在一個芯片上的大規(guī)模集成電路，本身即是一個小型化的微機系統(tǒng)。單片機技術(shù)與傳感與測量技術(shù)、信號與系統(tǒng)分析技術(shù)、電路設(shè)計技術(shù)、可編程邏輯應(yīng)用技術(shù)、微機接口技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)以及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、計算機操作系統(tǒng)、匯編語言程序設(shè)計、高級語言程序設(shè)計、軟件工程、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)字信號處理、自動控制、誤差分析、儀器儀表結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造工藝等的結(jié)合，使得單片機的應(yīng)用非常廣泛

7、。同時，單片機具有較強的管理功能。采用單片機對整個測量電路進(jìn)行管理和控制，使得整個系統(tǒng)智能化、功耗低、使用電子元件較少、內(nèi)部配線少、成本低，制造、安裝、調(diào)試及維修方便。本畢業(yè)設(shè)計選擇研究水溫控制系統(tǒng)，采用單片機進(jìn)行控制的水溫自動控制電路，使系統(tǒng)能簡單的實現(xiàn)溫度的控制及顯示，STC89C52 單片機優(yōu)秀的實時控制功能、靈活的編程能力有機的結(jié)合起來，并且通過軟件編程能實現(xiàn)各種控制算法，使系統(tǒng)具有控制精度高的特點，對實現(xiàn)對水溫的自動控制，具有重大的現(xiàn)實意義。不但能用于學(xué)校的實驗教學(xué)及其它一些研究課題的開發(fā)，同樣能用于工廠多點溫度的控制，提高工業(yè)企業(yè)自動化水平。1.21.2 系統(tǒng)功能系統(tǒng)功能本系統(tǒng)實現(xiàn)

8、其具體控制功能如下：（1）能夠連續(xù)測量水的溫度值，可用 1602LCD 液晶來顯示水的實際溫度。（2）能夠設(shè)定水的溫度值，設(shè)定范圍是 3090。（3）用單片機 STC89C52 控制，通過按鍵來控制水溫的設(shè)定值，并保持恒定不變。（4）誤差1。精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)2 系統(tǒng)組成框圖及工作原理系統(tǒng)組成框圖及工作原理本溫度控制系統(tǒng)按功能分主要包括四個模塊：溫度傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、溫度顯示/按鍵模塊和溫度控制模塊。首先由溫度傳感器 DS18B20，對爐內(nèi)溫度進(jìn)行實時采樣并將數(shù)字信號返回給單片機。系統(tǒng)可通過鍵盤對電阻爐水溫進(jìn)行設(shè)置，單片機根據(jù)當(dāng)前爐內(nèi)溫度和預(yù)設(shè)溫度進(jìn)行對比運算，

9、根據(jù)控制算法，控制輸出寬度可調(diào)的 PWM 方波，并由此控制雙向可控硅的導(dǎo)通和關(guān)斷來調(diào)節(jié)電熱絲的加熱功率，從而使水溫迅速達(dá)到預(yù)設(shè)值并保持恒定不變。 系統(tǒng)原理圖如圖 1 所示，從圖中可以直觀地看出四個主要模塊的工作過程，系統(tǒng)通過鍵盤將數(shù)據(jù)傳送給單片機，并由 LCD 顯示器顯示當(dāng)前水溫和設(shè)定水溫值，溫度控制模塊和溫度采集模塊共同形成閉環(huán)控制。圖 1 系統(tǒng)原理圖精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)3 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計方案系統(tǒng)硬件設(shè)計方案系統(tǒng)硬件原理圖如圖 2 所示，系統(tǒng)集成了數(shù)據(jù)處理模塊、溫度顯示/鍵盤模塊、溫度傳感器模塊、溫度控制模塊。圖 2 硬件原理圖精選優(yōu)質(zhì)

10、文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)3.2 溫度傳感器模塊溫度傳感器模塊溫度傳感器模塊采用 DS18B20，主要功能是實時將水溫溫度數(shù)據(jù)返回單片機，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，便于數(shù)據(jù)處理與決策，由于此模塊直接決定整個系統(tǒng)能否正常運行，所以是系統(tǒng)的核心模塊。3.2.1DS18B20 基本知識基本知識DS18B20 數(shù)字溫度計是 DALLAS 公司生產(chǎn)的 1Wire，即單總線器件，具有線路簡單，體積小的特點。因此用它來組成一個測溫系統(tǒng)，具有線路簡單，在一根通信線，可以掛很多這樣的數(shù)字溫度計，十分方便。3.2.2DS18B20 產(chǎn)品的特點產(chǎn)品的特點（1）只要求一個端口即可實現(xiàn)通信。（2）在 DS18B

11、20 中的每個器件上都有獨一無二的序列號。（3）實際應(yīng)用中不需要外部任何元器件即可實現(xiàn)測溫。（4）測量溫度范圍在55到125之間。（5）數(shù)字溫度計的分辨率用戶可以從 9 位到 12 位選擇。（6）內(nèi)部有溫度上、下限告警設(shè)置。3.2.3DS18B20 的引腳介紹的引腳介紹DS18B20 的引腳排列見圖 3.2，其引腳功能描述見表 1。圖 3.2 底視圖表 1 DS18B20 詳細(xì)引腳功能描述序號名稱引腳功能描述1GND地信號2DQ數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。3VDD可選擇的 VDD 引腳。3.2.4 溫度采集模塊電路圖溫度采集模塊電路圖本設(shè)計采用數(shù)字傳感器 DS18B20，DS18B20 是一種可組網(wǎng)的

12、單線數(shù)字溫度傳感器，它采用單線總線結(jié)構(gòu)，集溫度測量和 A/D 轉(zhuǎn)換于一體，直接輸出數(shù)字量，用一根 I/O 線就可以傳送數(shù)據(jù)與命令，其溫度測量范圍為-55+125，精度為0.5，使用中無需外部器精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)件，可利用數(shù)據(jù)線或外部電源提供電能，供電電壓范圍為 3.35.5V，通過編程實現(xiàn) 912位分辨率讀出溫度數(shù)據(jù)。使用時，將 DS18B20 的數(shù)據(jù) DQ 與單片機的一位具有三態(tài)功能的雙向口連接就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，為保證在有效的時鐘周期內(nèi)提供足夠電流，采用外部電源單獨供電，在數(shù)據(jù)線上加一個 6.8K 的上拉電阻。具體接線如圖 3 所示： 圖 3 溫度采集模塊電路圖3.

13、3 數(shù)據(jù)處理模塊數(shù)據(jù)處理模塊單片機是溫度控制系統(tǒng)的核心部件，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理，分別控制顯示模塊、溫度控制模塊和溫度采集模塊，由于數(shù)據(jù)大于 5K，所以選用內(nèi)存量為 8K 的 STC89C52 單片機。STC89C52 引腳圖如圖 4 所示： 精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)圖 4 STC89C52 引腳圖3.4 溫度顯示模塊溫度顯示模塊/鍵盤模塊鍵盤模塊此模塊由顯示部分和設(shè)定部分組成，顯示部分采用 LCD1602 液晶顯示器，顯示 2 行，每行 16 個字符，可顯示字符和數(shù)字，顯示內(nèi)容豐富，此部分作用是實時顯示電阻爐當(dāng)前溫度和設(shè)定溫度。設(shè)定部分主要是鍵盤輸入，此部分主要由三個按鍵組成，PL

14、AS 為加，SUBS 為減，START 為開始，當(dāng)系統(tǒng)啟動時，默認(rèn)設(shè)定溫度為 30，當(dāng)按下 PLAS 時設(shè)置水溫增加，按下 SUBS 時設(shè)置水溫減小，按下 START 開始加熱。3.4.1 溫度顯示部分溫度顯示部分 LCD1602 簡介液晶顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧等優(yōu)點，因此，在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)在字符型液晶顯示模塊已經(jīng)是單片機應(yīng)用設(shè)計中最常用的信息顯示器件了。本系統(tǒng)采用 LCD1602 液晶顯示模塊，它可以顯示兩行，每行 16 個字符，采用單+5V 電源供電，外圍電路配置簡單，價格便宜，具有很高的性價比。精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專

15、心-專注-專業(yè)LCD1602 管腳圖如圖 5 所示：圖 5 LCD1602 管腳圖3.4.2 溫度顯示溫度顯示/鍵盤模塊電路圖鍵盤模塊電路圖第 1 腳：VSS 為電源地第 2 腳：VDD 接 5V 電源正極第 3 腳：VEE 為液晶對比度調(diào)整端，接正極時對比度弱，接負(fù)極時對比度高。第 4 腳：RS 為寄存器選擇，高電平時選數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選指令寄存器。第 5 腳：RW 為讀寫信號線，高電平時進(jìn)行讀操作，低電平時進(jìn)行寫操作。第 6 腳：E（或 EN）端為使能（enable）端。第 714 腳：D0D7 為 8 位雙向數(shù)據(jù)端。此處為 P0 口輸出，因為 P0 口的電壓過于微弱，所以添加上拉電阻

16、使其能夠驅(qū)動 LCD 液晶顯示屏。溫度顯示模塊的電路圖如圖 6 所示：精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)圖 6 溫度顯示模塊 3.5 溫度控制模塊溫度控制模塊此模塊是系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，將單片機端口輸出的 PWM 方波通過光電耦合器精確轉(zhuǎn)化成可控硅的開斷，從而控制電熱絲功率的變化。3.5.1 可控硅可控硅 BTA16一種以硅單晶為基本材料的 P1、N1、P2、N2 四層三端器件，創(chuàng)制于 1957 年，由于它特性類似于真空閘流管，所以國際上通稱為硅晶體閘流管，簡稱可控硅 T。又由于可控精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)硅最初應(yīng)用于可控整流方面所以又稱為硅可控整流元件，簡稱為可控硅 S

17、CR。在性能上，可控硅不僅具有單向?qū)щ娦裕疫€具有比硅整流元件（俗稱“死硅”）更為可貴的可控性。它只有導(dǎo)通和關(guān)斷兩種狀態(tài)?？煽毓枘芤院涟布夒娏骺刂拼蠊β实臋C電設(shè)備，如果超過此頻率，因元件開關(guān)損耗顯著增加，允許通過的平均電流將降低，此時，標(biāo)稱電流應(yīng)降級使用?？煽毓璧膬?yōu)點很多，例如：以小功率控制大功率，功率放大倍數(shù)高達(dá)幾十萬倍；反應(yīng)極快，在微秒級內(nèi)開通、關(guān)斷；無觸點運行，無火花、無噪音；效率高，成本低等等?？煽毓璧娜觞c：靜態(tài)及動態(tài)的過載能力較差；容易受干擾而誤導(dǎo)通。可控硅從外形上分類主要有：螺栓形、平板形和平底形。不管可控硅的外形如何，它們的管芯都是由 P 型硅和 N 型硅組成的四層 P1N1P

18、2N2 結(jié)構(gòu)。它有三個 PN 結(jié)（J1、J2、J3），從 J1 結(jié)構(gòu)的 P1 層引出陽極 A，從 N2 層引出陰級K，從 P2 層引出控制極 G，所以它是一種四層三端的半導(dǎo)體器件?？煽毓杞Y(jié)構(gòu)示意圖和符號圖如圖 7 所示。圖 7 可控硅結(jié)構(gòu)示意圖和符號圖3.5.2 溫度控制模塊電路圖溫度控制模塊電路圖此部分電路主要由光電耦合器和可控硅組成，光電耦合器與單片機端口相連，可以根據(jù)端口信號的變化迅速做出反應(yīng)，延時時間短。由于單片機的端口電壓不足以驅(qū)動光電耦合器，故令其低電平觸發(fā)，外加上拉電阻。與外部電阻爐相連的部分是可控硅，與光電耦合器配合輸出，以弱電控制強電，控制電阻爐的開斷頻率，以達(dá)到加熱目的。由

19、主控單片機運算輸出脈沖寬度可調(diào)的 PWM 波用于雙向可控硅在 1s 內(nèi)的導(dǎo)通和關(guān)斷數(shù)從而調(diào)節(jié)輸出給電爐的功率，這樣使得水溫穩(wěn)定在設(shè)定值上。接線圖如圖 8 所示：精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)圖 8 溫度控制模塊設(shè)計電路圖3.6 控制算法控制算法由于此溫度控制系統(tǒng)并沒有冷卻裝置，所以根據(jù)實際情況判斷，水溫不能存在超調(diào)現(xiàn)象，溫度值必須要求從低到高逐漸逼近設(shè)定值。當(dāng)設(shè)定溫度和實際溫度的差值的絕對值小于 10時，則立即跳入相應(yīng) PWM 值控制熱阻進(jìn)行加熱。當(dāng)設(shè)定溫度和實際溫度的差值的絕對值大于 10，熱阻持續(xù)加熱。當(dāng)設(shè)定溫度小于實際溫度則立即停止加熱。熱電阻加熱的過程中，被加熱的水向上流動

20、，導(dǎo)致爐子上部的溫度大于下部溫度，如果將傳感器放在底部，則當(dāng)溫度到達(dá)設(shè)定溫度時，冷熱水充分混合之后往往大于設(shè)定溫度，如果將傳感器放在頂部，加熱過程中頂部的水先到達(dá)指定溫度，等冷熱水混合之后實際溫度會小于設(shè)定溫度。最終將溫度傳感器放在爐子的上部，但是根據(jù)水溫上升的規(guī)律，設(shè)定溫度和實際溫度一度如果按照線性升溫的話，會使溫度超過設(shè)定值而產(chǎn)生偏差，因為加熱停止的時候還會產(chǎn)生一部分熱量，此熱量還會使水溫上升。所以在相差一度的時候減小 PWM 低電平時間會使溫度值更精確，所以經(jīng)過反復(fù)測試，最后設(shè)定溫度和實際溫度相差 1時高電平時間設(shè)定為 50ms。在表 2 中 T 表示設(shè)定溫度與實際溫度之差，t 表示 P

21、WM 一個周期內(nèi)的低電平時間。控制算法如表 2 所示：表 2 控制算法表T（）t（ms）9900880077006600精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)5500440033002200150精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)4 軟件設(shè)計軟件設(shè)計4.1 系統(tǒng)主程序系統(tǒng)主程序軟件設(shè)計的主要思想就是 DS18B20 溫度檢測，控制加熱控制組件對水溫進(jìn)行恒定控制，并且將溫度在 LCD 上顯示。還可通過鍵盤控制設(shè)定溫度的增加和減少。主程序主要包括系統(tǒng)初始化、采樣溫度值、掃描鍵盤以及實時顯示模塊等。由于本設(shè)計設(shè)有鍵盤和顯示子程序，實驗結(jié)果一目了然。主程序的流程圖如圖 4.1 所示：精選優(yōu)

22、質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè) 圖 4.1 主程序流程圖4.2 溫度采集子程序溫度采集子程序溫度測量通過 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器測量水槽溫度，將水槽溫度值轉(zhuǎn)化為數(shù)字量接精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)入 STC89C52 單片機中。在通過與控制溫度比較對可控硅進(jìn)行控制。溫度采集的流程圖如圖 4.2 所示： 圖 4.2 溫度采集流程圖總結(jié)總結(jié)計算機課程設(shè)計已經(jīng)完成，但是學(xué)習(xí)沒有結(jié)束，在這次課程設(shè)計里面，不精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)僅僅是設(shè)計一樣?xùn)|西，更多的是學(xué)習(xí)一種態(tài)度，對生活，對學(xué)習(xí)，不能只單單考慮一件事，一個方面，而是要更多的方面來思考，盡可能完善它，充實它，讓它體現(xiàn)出一種人性化出來，讓你學(xué)會一種態(tài)度，首先明確要做的是什么，然后開始思考設(shè)計思路，設(shè)計方法，然后一步一步把它實踐出來，然后再看哪里不夠完善，仔細(xì)修正，才能做出好的東西出來。通過這次實踐的機會，我能夠初步掌握一些設(shè)計的基本思路，對單片機這門課程有了一定的認(rèn)識，不能僅僅看做成一門設(shè)計編程的課本，他更多的是一種指示的意思，然你學(xué)會綜合分析的思路，讓你能夠成站起來的一門課程，每門課程開出來總有一定的道理，它既然放在大三下學(xué)期，就是讓你對未來有一定的認(rèn)識，不能只是一個單一的設(shè)計人員，更多的是要綜合考慮一件事物，這樣才能更好的融入進(jìn)去。感謝老