單片加熱爐溫控制器機

1、遼 寧 工 業(yè) 大 學單片機原理及接口技術 課程設計（論文）題目： 加熱爐溫度控制器設計 院（系）： 電氣工程學院 專業(yè)班級： 電氣092 學 號： 090303040 學生姓名： 指導教師： （簽字）起止時間：2012.06課程設計（論文）任務及評語院（系）：電氣工程學院 教研室： 電氣工程及其自動化學 號學生姓名專業(yè)班級電氣092課程設計（論文）題目加熱爐溫度控制器設計課程設計（論文）任務高溫加熱爐利用煤氣加熱，通過傳感器測量溫度，四相5V、1A步進電機調節(jié)閥門來調節(jié)進氣量。溫度控制范圍01800。設計任務：1. CPU最小系統(tǒng)設計（包括CPU選擇，晶振電路，復位電路）2. 溫度傳感器及接

2、口電路設計3. 步進電機驅動電路設計4. 程序流程圖設計及程序清單編寫技術參數：1溫度控制范圍：0-18002工作電源220V設計要求：1、分析系統(tǒng)功能，盡可能降低成本，選擇合適的單片機、AD轉換器、輸出電路等；2、應用專業(yè)繪圖軟件繪制硬件電路圖和軟件流程圖；3、按規(guī)定格式，撰寫、打印設計說明書一份，其中程序開發(fā)要有詳細的軟件設計說明，詳細闡述系統(tǒng)的工作過程，字數應在4000字以上。進度計劃第1天 查閱收集資料第2天 總體設計方案的確定第3-4天 CPU最小系統(tǒng)設計第5天 溫度傳感器及接口電路設計第6天步進電機驅動電路設計第7天 程序流程圖設計第8天 軟件編寫與調試第9天 設計說明書完成第10

3、天 答辯指導教師評語及成績平時： 論文質量： 答辯： 總成績： 指導教師簽字： 年 月 日注：成績：平時20% 論文質量60% 答辯20% 以百分制計算摘 要本文主要從硬件和軟件兩方面介紹了如何運用89C51單片機設計加熱爐的溫度控制系統(tǒng)，說明了怎么實現對加熱爐溫度的控制，并對硬件原理圖和程序流程圖作了簡潔的描述。還介紹了在加熱爐溫度控制系統(tǒng)的軟硬件設計中的一些主要技術關鍵環(huán)節(jié)，該系統(tǒng)主要以89C51單片機為核心，由LED顯示電路，鍵盤輸入電路，模擬檢測電路，模/數轉換電路，步進電動機控制電路等構成。用89C51單片機設計的溫度檢測電路是本次設計的主要內容，是整個單片機溫度控制系統(tǒng)設計中不可缺

4、少的一部分，該系統(tǒng)利用溫度傳感器對溫度進行了實時采集與檢測，從而對加熱爐的溫度進行更精確的控制。本設計介紹的單片機溫度控制系統(tǒng)主要內容包有系統(tǒng)方案、元器件選擇、系統(tǒng)理論分析、硬件設計、軟件設計、系統(tǒng)調試等幾方面。關鍵詞：單片機；溫度傳感器；溫度檢測； 目錄第1章 緒論11.1 加熱爐溫度控制器概況11.2 本文研究內容1第2章 CPU最小系統(tǒng)設計32.1 加熱爐溫度控制器總體設計方案3 加熱爐溫度控制框圖設計3 工作過程分析32.2 CPU的選擇42.3 復位電路設計52.4 時鐘電路設計62.5 CPU最小系統(tǒng)圖6第3章 輸入輸出接口電路設計83.1 溫度傳感器的選擇83.2 溫度檢測接口電

5、路設計83.2.1 A/D轉換器8 模擬量檢測接口電路圖93.3 四相步進電動機與單片機接口電路103.4 人機對話接口電路設計11 按鍵設計11 顯示電路設計11第4章 系統(tǒng)軟件設計134.1 軟件實現功能及主程序設計134.2 模擬量檢測流程圖設計144.3 步進電機流程圖設計154.4 中斷系統(tǒng)的流程圖設計15第5章 系統(tǒng)設計與分析175.1 系統(tǒng)原理圖175.2 系統(tǒng)原理綜述17第6章 課程設計總結19參考文獻20第1章 緒論1.1 加熱爐溫度控制器概況隨著社會的發(fā)展，溫度的測量及控制變得越來越重要。溫度是生產過程和科學實驗中普遍而且重要的物理參數。在工業(yè)生產過程中為了高效地進行生產，

6、必須對生產工藝過程中的主要參數，如溫度，壓力，流量，速度等進行有效的控制。其中溫度的控制在生產過程中占有相當大的比例。準確測量和有效控制溫度是優(yōu)質，高產，低耗和安全生產的重要條件。在工業(yè)的研制和生產中，為了保證生產過程的穩(wěn)定運行并提高控制精度，采用微電子技術是重要的途徑。它的作用主要是改善勞動條件，節(jié)約能源，防止生產和設備事故，以獲得好的技術指標和經濟效益。加熱爐是將物料或工件加熱的設備。按熱源劃分有燃料加熱爐、電阻加熱爐、感應加熱爐、微波加熱爐等。應用遍及石油、化工、冶金、機械、熱處理、表面處理、建材、電子、材料、輕工、日化、制藥等諸多行業(yè)領域。加熱爐按爐溫分布，爐膛沿長度方向可分為預熱段、

7、加熱段和均熱段。作為控制系統(tǒng)中的一個典型實驗設計，單片機溫度控制系統(tǒng)綜合運用了微機原理、自動控制原理、傳感器原理、模擬電子技術、數字控制技術、鍵盤顯示技術等諸多方面的知識，是對所學知識的一次綜合運用。本課題采用98c51單片機來對溫度進行控制，不僅具有控制方便、組態(tài)簡單和靈活性大等優(yōu)點，而且可以大幅度提高被控溫度的技術指標。1.2 本文研究內容溫度是工業(yè)控制中主要的被控參數之一，特別是在冶金、化工、建材、食品、機械等工業(yè)中，具有舉足重輕的作用。對于不同場所、不同工藝、所需溫度高低、范圍不同、精度不同，采用的測溫元件、測溫方法以及對溫度的控制方式也有所不同；產品工藝不同、控制溫度的精度不同、時效

8、不同，則對數據采集的精度和采用的控制算法也不同，因而，對溫度的測控方法多種多樣。隨著電子技術和微型計算機的迅速發(fā)展，微機測量和控制技術也得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應用。利用微機對溫度進行測控的技術，也便隨之而生，并得到日益發(fā)展和完善，越來越顯示出其優(yōu)越性。現在我們完全可以運用單片機和電子溫度傳感器對某處進行溫度檢測，而且我們可以很容易地做到多點的溫度檢測，如果對此原理圖稍加改進，我們還可以進行不同地點的實時溫度檢測和控制。本次設計：加熱爐溫度控制器的設計，正是運用單片機和溫度傳感器對溫度進行控制。本次設計的內容為：以89C51單片機為核心， 高溫加熱爐利用煤氣加熱，通過傳感器測量溫度，四相5V、

9、1A步進電機調節(jié)閥門來調節(jié)進氣量。具體設計任務：1. CPU最小系統(tǒng)設計（包括CPU選擇，晶振電路，復位電路）2. 溫度傳感器及接口電路設計3. 步進電機驅動電路設計4. 程序流程圖設計及程序清單編寫5溫度控制范圍：0-18006工作電源220V第2章 CPU最小系統(tǒng)設計2.1 加熱爐溫度控制器總體設計方案2.1.1 加熱爐溫度控制框圖設計單片機溫度控制系統(tǒng)是以89C5l單片機為控制核心，輔以采樣電路，驅動電路，步進電機電路對電爐爐溫進行控制的微機控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的原理框圖如圖2.1所示。其基本控制原理為: 用鍵盤將溫度的設定值送入單片機，通過信號采集電路將溫度信號采集到后，送到A/D 轉換電路

10、將信號轉換成數字量送入單片機系統(tǒng)進行控制運算，控制步進電動機進而控制加熱爐的溫度。閥門步進電機加 熱 器顯示鍵盤單 片 機A/D轉換器溫度傳感器運算放大器 圖2.1加熱爐溫度控制框圖2.1.2 工作過程分析由溫度控制器工作流程圖分析具體的工作過程。首先，通過熱電耦采集加熱爐中的溫度，通過相應的電路使溫度信號轉換為電壓信號。由于單片機制能識別數字量，因此還需要經A/D轉換，使模擬電壓信號轉化為數字量信號。A/D轉換后的數字量進入單片機89C51后，由程序算法，判斷溫度是不是超過設定值，并且有相應的鍵盤顯示電路，用以顯示加熱爐的溫度。根據判斷溫度是否超過設定值，由單片機發(fā)出相應的指令，經步進電機控

11、制電磁閥，從而通過閥門的控制就可以控制煤氣的進氣量多少。也就可以達到對加熱爐溫度的調節(jié)和控制。2.2 CPU的選擇單片微型計算機簡稱單片機，又稱微控制器，嵌入式微控制器等，屬于第四代電子計算機。它把中央處理器、存儲器、輸入/輸出接口電路以及定時器計數器集成在一塊芯片上，從而具有體積小、功耗低、價格低廉、抗干擾能力強且可靠性高等特點，因此，適合應用于工業(yè)過程控制、智能儀器儀表和測控系統(tǒng)的前端裝置。因此，在本課題設計的溫度控制系統(tǒng)中，采用單片機來實現，選用89C51單片機。芯片引腳如圖2.2所示：VSS : 接地端。VCC: 電源端。正常操作及對FLASH ROM編程和驗證時接+5V電源。圖2.2

12、 89C51芯片引腳P0口：是雙向8位三態(tài) I/O口。在訪問外部存儲器時，可分時用作低8位地址線和8位數據線；在FLASH ROM編程時，它輸入指令字節(jié)，而在驗證程序時，則輸出指令。P0口能驅動8個LSTTL門電路。P1口： 是一個具有內部上拉電阻的8 位雙向I/O 口。在對FLASH ROM編程和程序驗證時，它接受低8位地址。能驅動4 個LSTTL 門電路。P2口：P2口是一個具有內部上拉電阻的8 位雙向I/O口。在訪問外部存儲器時，它送出高8位地址。在對FLASH ROM編程和程序驗證時，它接收高8位地址和其他控制信號。能驅動4 個LSTTL 門電路。P3口：P3口是一個具有內部上拉電阻的

13、8 位雙向I/O 口，能驅動4 個LSTTL 門電路。RST: 復位信號輸入端，高電平有效。當振蕩器工作時，出現兩個機器周期以上的高電平，就可以使單片機復位。ALE/PROG：地址鎖存允許信號。PSEN:外部程序存儲器選通信號。EA/VPP:訪問內、外部程序存儲器控制信號。接高電平時，CPU訪問并執(zhí)行內部程序存儲器的指令，但當程序計數器值超過0FFFH時，將自動轉去執(zhí)行外部程序存儲器中的程序。接低電平時，CPU只訪問并執(zhí)行外部程序存儲器中的指令。XTAL1:振蕩器反相放大器和內部時鐘發(fā)生電路的輸入端。XTAL2:振蕩器反相放大器的輸出端。2.3 復位電路設計復位電路和時鐘電路是維持單片機最小系

14、統(tǒng)運行的基本模塊。復位是單片機的初始化操作。單片機系統(tǒng)在上電啟動運行時，都需要先復位，其作用是使CPU和系統(tǒng)中其他部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。因此，復位是一個很重要的操作方式。但單片機本身不能自動復位的，必須配合相應的外部復位電路才能實現的。如圖2.3所示。當89C51通電，時鐘電路開始工作，在單片機的RST引腳加上大于24個時鐘周期以上的正脈沖，系統(tǒng)即初始復位。初始化后，程序計數器PC指向0000H，P0-P3輸出口全部為高電平，堆棧指針寫入07H，其他專用寄存器被清0。RST由高電平降為低電平后，系統(tǒng)從0000H地址開始執(zhí)行程序。圖2.3復位電路2.4 時鐘電路設計

15、單片機的各個功能部件的運行都是以時鐘控制信號為基準，有條不紊的一拍一拍的工作。因此，時鐘頻率直接影響到單片機的速度。常用的時鐘電路設計有兩種方式，一種是內部時鐘方式，另一種是外部時鐘方式。如圖2.4所示。圖2.4 時鐘電路2.5 CPU最小系統(tǒng)圖89C51單片機最小系統(tǒng)晶振的振蕩頻率直接影響單片機的處理速度，頻率越大處理速度越快。如圖2.5所以。圖2.5最小CPU系統(tǒng)CPU最小系統(tǒng)圖由89C51單片機、時鐘電路和復位電路構成。89C51單片機最小系統(tǒng)復位電路的極性電容C1的大小直接影響單片機的復位時間，89C51單片機最小系統(tǒng)容值越大需要的復位時間越短。第3章 輸入輸出接口電路設計3.1 溫度

16、傳感器的選擇傳統(tǒng)的模擬式溫度傳感器，如熱電阻、熱敏電阻，在一些溫度范圍內線性不好，需要經行冷端補償或引線補償；集成模擬溫度傳感器與之相比，具有靈敏度高、線性度好、響應速度快等優(yōu)點，而且它還將驅動電路、信號處理電路以及需要的邏輯控制電路集成在單片IC上，有尺寸小，使用方便等優(yōu)點。常見的模擬溫度傳感器有LM3911、LM335、LM45、AD22103電壓輸出型、AD590電流輸出型以及熱電偶溫度傳感器。經比較選擇鉑銠30-鉑銠6熱電偶。熱電偶工作原理：如果兩種不同成分的均質導體形成回路，直接測溫端叫測量端，接線端子端叫參比端，當兩端存在溫差時，就會在回路中產生熱電流，那么兩端之間就會存在Seeb

17、eck熱電勢，這種物理現象稱為塞貝克效應或熱電效應。熱電勢隨著測量端溫度升高而增加，熱電勢的大小只和熱電偶導體材質以及兩端溫差有關，和熱電偶導體材質的長度、直徑無關。3.2 溫度檢測接口電路設計3.2.1 A/D轉換器圖3.1 MAX197引腳圖由于溫度是一種模擬信號，則由信號采集電路采集的信號是一種模擬信號，而且頻率很低，但是單片機所識別的是具有高低電位的數字信號，這就要求在信號處理號處理中必須把模擬信號轉換成數字信號從而輸出給單片機處理。在設計的技術要去當中，要求溫度測量范圍是從0-1800可調。并且誤差為2。也就是分辨率為2/1800=1/900。對于這種分辨率要求較高的情況。通過所選用

18、的A/D精度一定要滿足要，否則誤差就會變大。也就會影響控制的精度。主要常用的逐次逼近式A/D轉換器有8位分辨率的ADC0809、12位分辨率的MAX197等。由于設計系統(tǒng)精度的要求為1/1000，因此選用MAX197。如圖3.1所示。3.2.2 模擬量檢測接口電路圖模擬量檢測接口電路由A/D轉換器、89C51單片機和溫度傳感器組成。溫度傳感器采用鉑銠30-鉑銠6熱電偶。由熱電偶采集來的溫度經過MAX197，把模擬量轉換成數字量，然后送給89C51處理和進一步控制。如圖3.2所示。圖3.2 模擬量檢測接口3.3 四相步進電動機與單片機接口電路圖3.3給出了四相步進電動機與89C51單片機的接口電

19、路。p1.0、p1.1、p1.2和p1.3分別經光電耦合和驅動電路再加到電動機A、B、C、D繞組。 圖3.3四相步進電機與89C51單片機的接口電路設其單拍相序為 A B C D ，電動機工作方式記控制字如表3.1所示。表3.1四相步進電動機工作方式及控制字方式步序p1.3 （D）p1.2（C） p1.1（B）p1.0（A）通電繞組控制字單拍1步2步3步4步0 0 0 10 0 1 00 1 0 01 0 0 0ABCD01H02H03H04H3.4 人機對話接口電路設計3.4.1 按鍵設計非編碼鍵盤可以分為兩種結構形式：獨立式按鍵和行列式按鍵。圖3.4 按鍵電路獨立式按鍵：是指直接用I/O口

20、線構成單個按鍵電路，每一個按鍵占用一條I/O口線，每個按鍵的工作狀態(tài)不會產生相互影響。圖 3.4所示為一種獨立式按鍵電路，當圖中的某一個按鍵閉合時，相應的I/O口線就變成低電平。當程序查詢到為低電平的I/O口線時，就可以確定處于閉合狀態(tài)的鍵。獨立式按鍵的電路的結構和處理程序簡單，擴展方便，但占用的I/O口線相對較多，不適合在按鍵數量較多的場合下采用。行列式鍵盤：將I/O口線的一部分作為行線，另一部分作為列線，按鍵設置在行線和列線的交叉點上，這就構成了行列式鍵盤。本設計有三個按鍵，共需要三個I/O口線，占用的口線不多，因此可以采用獨立式按鍵。3.4.2 顯示電路設計動態(tài)掃描顯示接口是單片機中應用

21、最為廣泛的一種顯示方式之一。其接口電路是把所有顯示器的8個筆劃段a-h同名端連在一起，而每一個顯示器的公共極COM是各自獨立地受I/O線控制，這種顯示方式可以起到節(jié)省系統(tǒng)I/O口的作用，但是CPU的工作量會大大增大。CPU向字段輸出口送出字形碼時，所有顯示器接收到相同的字形碼，但究竟是那個顯示器亮，則取決于COM端，而這一端是由I/O控制的，所以我們就可以自行決定何時顯示哪一位了。而所謂動態(tài)掃描就是指我們采用分時的方法，輪流控制各個顯示器的COM端，使各個顯示器輪流點亮。圖3.5顯示電路考慮到本系統(tǒng)的I/O口有限所以采用了動態(tài)掃描的方法，由于是采用了ULN2803和上拉電阻與數碼管相連。具體電

22、路圖3.5所示。此電路中，用于驅動LED的8位段碼，8位LED相應的"a""g"段連在一起，它們的公共端連至輸出端。這樣當選通某一位LED時，相應的地址線輸出的是低電平，所以這里選用共陰LED數碼管。第4章 系統(tǒng)軟件設計4.1 軟件實現功能及主程序設計本次設計的軟件主要實現的功能為:溫度傳感器測量的溫度信號經信號的放大與A/D轉換，把轉換好的數字量輸入單片機，經過標度變換、顯示碼處理后將顯示碼送到數碼管上顯示出來。同時，單片機對輸入的數字量進行處理控制步進電機，經過步進電機對閥門進行控制。從而控制輸入煤氣量。主流程圖如圖4.1所示。開始初始化關閉控制閥顯

23、示溫度檢測溫度與設定值比較 大于 小于步進電機控制增大煤氣進量結束圖4.1主程序流程圖系統(tǒng)的程序包括主程序、中斷服務程序和一些具有特定功能的子程序，是系統(tǒng)軟件的主要組成部分。該系統(tǒng)的主程序有初始化（包括89C51的初始化、定時器初始化、中斷程序）、A/D轉換，標度變換，鍵盤掃描，鍵盤處理, 步進電動機控制和功程序模塊組成，主流程圖如圖4.1所示。4.2 模擬量檢測流程圖設計模擬量檢測電路是通過熱電偶檢測加熱爐的溫度，經過MAX197轉換成數字信息進而送給單片機，單片機處理后由顯示電路顯示溫度，系統(tǒng)內部按操作指令執(zhí)行命令進而控制步進電動機。如圖4.2所示。開始初始化熱電偶溫度傳感器檢測溫度與設定

24、值?。縍OM操作命令否是存儲操作命令讀取溫度值返回圖4.2模擬量檢測流程圖4.3 步進電機流程圖設計步進電機直接收89C51的數字信號，由89C51的編程控制步進電動機的運轉，從而控制閥門的進煤氣量，最終達到控制加熱爐的溫度。流程如圖4.3所示。開始INT1中斷正反轉位置標志置初值檢測正反轉指針正反轉指針置初值檢測位置標志計數器T1初始化P1口送數開中斷置新位置標志啟動T1中斷返回等待中斷 圖4.3步進電動機控制流程圖4.4 中斷系統(tǒng)的流程圖設計89C51單片機片內有兩個16位定時器/計數器，即定時器T0和定時器T1。他們都有定時和事件計數的功能，可用于定時控制、延時、對外部事件計數和檢測等場

25、合。本系統(tǒng)采用的就是89C51片內計數器對按鍵及其顯示進行定時，其流程圖如4.4所示。中斷能夠極大地提高CPU的工作效率和處理問題的靈活性，具有實現分時操作、實時處理和故障處理等功能。中斷發(fā)生保護現場讀數，存數通道加1通道完？恢復現場，中斷返回是否圖4.4中斷流程圖第5章 系統(tǒng)設計與分析5.1 系統(tǒng)原理圖根據系統(tǒng)各個部分的功能和性質，繪制系統(tǒng)原理圖如圖5.1所示。圖5.1系統(tǒng)原理圖5.2 系統(tǒng)原理綜述為了能夠實現上述功能，經過認真的分析和整理，以及對整體功能進行細化、分配，把系統(tǒng)的程序劃分為以下幾個主要模塊:1、初始化模塊：通過該模塊來對堆棧、定時器、計數器、中斷和特殊功能寄存器進行賦值，有關

26、寄存器的清零，以及計數器/定時器的初值存放等。2、按鍵操作模塊：該模塊能夠在系統(tǒng)一上電后就開始對鍵盤進行掃描，一旦在相應時刻檢測到有鍵按下，就會相應轉去執(zhí)行處理程序，處理完畢后能夠返回主程序。3、A/D轉換模塊：把溫度傳感器測量的溫度信號經轉換為數字量。4、顯示模塊 ：該模塊應能夠把溫度值進行準確顯示。5、控制模塊：單片機對步進電機進行控制。第6章 課程設計總結本設計介紹的單片機溫度控制系統(tǒng)，可了解微機系統(tǒng)硬、軟件的構成及各種控制參數變化對系統(tǒng)動、靜態(tài)特性的影響。用步進電動機控制實現溫度控制，可提高系統(tǒng)的精度，準確度和穩(wěn)定性都可以令人滿意。89C51單片機，體積小，重量輕，抗干擾能力強，對環(huán)境要求不高，價格低廉，可靠