加热炉温度控制系统设计卢雨生.doc

哈工大科技园应用技术学院 毕业论文设计题目：加热炉温度控制系统设计 姓 名： 卢雨生 所在系部： 电气自动化 2011年 4 月摘 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、报警电路、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 录摘 要II目 录II第一章 控制系统设计11.1 系统基本结构11.2 预期达到的性能指标11.3 温度检测电路及元器件选择21.3.1 放大器AD52221.3.2 桥式测量电路设计31.4 单片机最小系统外围电路31.4.1 单片机805131.4.2 电源电路设计41.4.3 看门狗电路设计51.4.4 系统时钟电路设计61.5 数据采集电路的设计71.5.1 模数转换器AD57471.5.2 多路转换开关CD405191.6 键盘显示接口技术及报警电路101.6.1 8279的组成及工作原理101.6.2 管脚功能说明121.6.3 8279与键盘显示器的连接131.6.4 LED报警电路的设计141.7 温度控制电路设计14第二章 温控系统的软件设计162.1 主程序流程图162.2 键盘扫描和译码过程的流程图172.3 通道数据采集的流程图172.4 单片机主程序流程图18结 论20致 谢21参考文献22第一章 控制系统设计1.1 系统基本结构本系统结构框如图1-1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。1.2 预期达到的性能指标（1）可测控的温度范围01000 ；（2）实时显示温度、越限报警；（3）控制精度±2 ，显示精度±1；（4）实现一炉多点检测，并可扩展多炉多点检测。图1-1 系统结构框图1.3 温度检测电路及元器件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。放大器则选用单芯片高精度集成AD522。1.3.1 放大器AD522AD522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。图1-2 AD522芯片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。表1-1 AD522芯片引脚功能图引脚名称功能1+INPUT正输入端2R GAIN增益补偿端3-INPUT输入端4NULL空端5V-负电源端6NULL空端7OUTPUT输出端8V+正电源端9GND地参考端10NC不接11REF参考端12SENSE补偿端13DATA GUARD数据保护端14R GAIN增益补偿端1.3.2 桥式测量电路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1-3 桥式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。1.4 单片机最小系统外围电路1.4.1 单片机80518051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1-4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。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1-5所示。图1-4 8051芯片图1-5 8051单片机的外部扩展1.4.2 电源电路设计由于系统用到的电源有5V、12V、15V，普通的5V直流稳压电源已不能够满足要求，所以需要设计一种515V电压可调的直流稳压电源电路。电源电路设计依据电子技术相关知识为基本原理，电路主要由取样、基准电压、比较放大、调整四部分组成3。原理框图如1-6所示。图1-6 电源电路原理框图1.4.3 看门狗电路设计在实际应用系统中，为了保证复位电路可靠的工作，常将RC电路接施密特电路后再接入单片机复位端；或采用专用的复位电路芯片。MAX813L是MAXIN公司生产的一种体积小、功耗低、性价比高的带看门狗和电源监控功能的复位芯片，其引脚图如图1-7，引脚功能如下：（1）：手动复位输入端，低电平有效。当该端输入低电平保持140ms以上，MAX813L就输出复位信号。（2）RESET：复位信号输出端。上电时，自动产生200ms的复位脉冲（高电平）；手动复位端输入低电平时，该端也产生复位信号输出。（3）WDI：看门狗输入端。程序正常运行时，必须在小于1.6s的时间间隔内向该输入端发送一个脉冲信号，以清除芯片内部的看门狗定时器，端输出低电平。（4）：看门狗信号输出端。正常工作时输出保持高电平，看门狗输出时，该端输出信号由高电平变为低电平。（5）PFI：电源故障输入端。当该端输入电压低于1.25V时，端输出低电平。（6）：电源故障输出端。电源正常时输出保持高电平，电源电压变低或掉电时，输出由高电平变为低电平。（7）VCC：工作电源，接+5V。（8）GND：接地端。图1-7 MAX813L引脚图运行出现“死机”时的自动复位和随时的手动复位。为实现单片机死机时自动复位功能，需要在软件设计中，P1.7不断输出脉冲信号（时间间隔小于1.6s），如果因某种原因单片机进入死循环，则P1.7无脉冲输出。于MAX813L与单片机的连接电路如图1-8所示，该电路可以实现上电复位，程序是1.6s后在MAX813L的端输出低电平，该电平加到端，使MAX813L产生一个200ms的复位脉冲输出，使单片机有效复位，系统重新开始工作。图1-8 单片机与看门狗电路连接1.4.4 系统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1-9。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1.212MHz。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1-9 时钟电路1.5 数据采集电路的设计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。1.5.1 模数转换器AD574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。图1-10 AD547与8051的连接1.5.2 多路转换开关CD4051多路转换器又称多路转换开关，多路开关是用来切换模拟电压信号的关键元件。利用多路开关可将各个输入信号依次地或随地连接到公用放大器或A/D转换器上。其原理图如图1-11。图1-11 CD4051原理图CD4051是单端的8通道开关，有三根二进制的控制输入端和一根禁止输入端INH（高电平禁止）。片上有二进制译码器，可由A、B、C三个二进制信号在8个通道中选择一个，使输入和输出接通。而当INH为高电平时，不论A、B、C为何值，8个通道均不通。通道选择表如表1.2所示。CD4051有较宽的数字和模拟信号电平，数字信号为315V，模拟信号峰峰值为15VP-P；当VDDVEE=15V，输入幅值为15VP-P时，其导通电阻为80；当VDDVEE=10V时，其断开的漏电流为±10PA；静态功耗为1W。为了提高过程参数的检测精度，对多路开关提出了较高的要求。理想的多路开关其开关电阻为无穷大，其接通时的导通电阻为零。此外，还希望切换速度快、噪音小、寿命长、工作可靠。表1.2 CD4051选通表1.6 键盘显示接口技术及报警电路8279是一种通用的可编程键盘、显示器接口芯片，能完成键盘输入和显示控制的功能，其中键盘部分提供扫描工作方式，可连接64个键的矩阵键盘，并具有自动消抖和多键同时按下保护功能。显示部分则提供了扫描方式的显示接口。可与8位或者16位LED数码管连接。8279用于单片机应用系统中，可以大大提高CPU的效率，并可使接口电路更具有通用性。1.6.1 8279的组成及工作原理8279主要由输入/输出控制、数据缓冲器、控制与定时寄存器、扫描计数器、回复缓冲器、FIFO传感器RAM、显示RAM、显示地址寄存器等电路组成。 下面分别介绍各部分电路的工作原理。(1)输入/输出控制及数据缓冲器数据缓冲器足双向缓冲器，它将内部总线和外部总线连通，用于传送CPU和8279之间的命令和数据。输入/输出控制线控制/向各种内部寄行器和缓冲器发送或接受数据。CS是片选信号，只有当CS=0时，8279才被选通，CPU才能对其进行读写操作。RD、WR是来自CPU的读写控制信号。 A0用于区别信息的特性，当A0=0时，表示输入输出的信息均为数据；当A01时，表示输入/输出的信息为指令，而输出的信息是状态字。(2)控制与定时寄存器及定时控制控制与定时寄存器用来寄存键盘和显示的工作方式以及由CPU编程的其他操作方式。这些寄存器一旦接收并锁存送来的命令，就通过译码产生相应购控制信号，从而完成相应的控制功能。定时控制包含基本的计数链，首级计数器是一个可编程的N级计数器，N可以在231之间由软件编程，以便从外部时钟CLK得到内部所需的100kHz时钟。然后经过分频为键盘扫描提供适当的逐行扫描频率和显示扫描时间。(3)扫描计数器扫描计数器有两种工作方式，按编码方式工作时，计数器做二进制计数，四位计数状态从扫描线SL0SL3输出，经外部译码器译码后，为键盘和显示器提供扫描线。按译码方式时，扫描计数器的最低二位被译码后，从SL0SL3输出，因此SL0SL3提供了4中取1的扫描译码。(4)回复缓冲器、键盘去抖及控制来自RL0RL3的8根回复线的回复信号，由回复缓冲器缓冲并锁存。在键盘工作方式中，回复线作为行列式键盘的行列输入线。在逐行扫描时，回复线用来搜索每一行列中闭合的键，当某一键闭合时，去抖电路被置位，延时等待10ms后，再检验该键是否继续闭和，并将该键的地址和附加的移位、控制状态一起形成键盘数据送入8279内部FIFO（先进先出）存储器。键盘数据格式如表1.3所示。D7D6D5D4D3D2D1D0控制移位扫描回复表1.3 FIFO存储控制和移位D6、D7的状态由两个独立的附加开关决定而扫描（D5、D4、D3）和回复（D2、D1、D0）则是被按键置位的数据。D5、D4、D3来自动扫描计数器，是按下键的行列编，而D2、D1、D0则来自列计数器，它们是根据回复信号而确定的列编码。在传感器开关状态矩阵方式中，回复线的内容直接被送往相应的传感器RAM（即FIFO存储器)。在选通输入方式中，回复线的内容在CNTL/STB线的脉冲上升沿被送入FIFO存储器。(5)FIFO/传感器及其状态寄存器FIFO/传感器RAM是个双重功能的8×8RAM。在键盘或选通方式工作时，它是FIFO存储器，其输入或读出遵循先入先出的原则。FIFO状态寄存器用于存放FIFO的工作状态。例如，RAM是满还是空，其中存有多少数据，是否操作出错等。当FIF0存储器不空时，状态逻辑将产生IRQ1信号向CPU申请中断。在传感器矩阵方式工作时，这个存储器已变为传感器不是存储器。它存放着传感器矩阵中的每一个传感器状态。在此方式中，若检索出传感器变化，IRQ信号变为高电平，向CPU申请中断。(6)显示RAM和显示地址寄存器显示RAM用来存储显示数据，容量为16×8位。在显示过程中，存储的显示数据轮流从显示寄行器输出。显示寄存器分为A、B两组，OUTA03利OUTB03可以单独送数，也可以组成一个8位的字。显示寄存器的输比与显示扫描配合，不断从显示RAM中读出显示数据，同时轮流驱动被选中的显示器件，以达到多路复用的目的，使显示器件呈现稳定的显示状态。显示地址寄存器用来存放由CPU进行读/写显示的RAM地址，它可以由命令设定，也可以设置成每次读写或写入之后自动递减。1.6.2 管脚功能说明8279采用40引脚封装，其管脚如图1-12所示。图1-12 8279管脚图·RESET（复位）：输入线，当RESET=1时，8279复位，其复位状态为16个字符显示，编码扫描键盘双键锁定，程序时钟编程位31。·（片选）：输入线，当0时8279被选中，允许CPU对其读、写，否则被禁止。·A0（数据选择）：输入线，当A0=1时，CPU写入数据为命令字，读出数据为状态字；A0=0时CPU读、写的字节均为数据。·、（读、写信号）：输入线，低电平有效，来自CPU的控制信号，控制8279的读、写操作。·IRQ（中断请求）：输出线，高电平有效。·SL0SL3（扫描线）：输出线，用来扫描键盘和显示器，它们可以编程设定为编码（4中取1）或译码输出（16取1）。·RL0RL3（回复）线：输入线，它们是键盘或传感器矩阵的列（或行）信号输入线。·SHIFT（移位信号）：输入线，高电平有效。该输入信号是8279键盘数据的次高位（D6），通常用来扩充键开关的功能，可以用做键盘上、下档功能键。在传感器方式和选通方式中，SHIFT无效。·CNTL/STB（控制/选通）：输入线，高电平有效。在键盘方式工作时，该输入信号是键盘数据的最高位（D7），通常用来扩充键开关的控制功能，作为控制功能键使用。·OUTA0OUTA3（A组显示信号）：输入线。·OUTB0OUTB3（B组显示信号）：输出线。这两组引线都是显示数据输出线，与多位数字显示的扫描线SL0SL3同步。两组可以独立使用，也可以独立使用。·（显示消隐）：输出线，低电平有效。该信号在数字切换或使用消隐命令时，将显示消隐。1.6.3 8279与键盘显示器的连接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。1.6.4 LED报警电路的设计在单片机测控系统发生故障或处于某种紧急状态时，单片机系统应能发出报警信号，本次设计采用的是鸣音报警。压电式蜂鸣器约需10mA的驱动电流，因此，可以使用TTL系列集成电路7406或7407低电平驱动，也可以用一个晶体三极管驱动，如图1-14所示。本次设计中，驱动器的输入端接8051的P1.0。当P1.0输出高电平“1”时，晶体管导通，压电蜂鸣器两端获得约+5V电压而鸣叫；当P1.0输出低电平“0”时，三极管截止，蜂鸣器停止发声。图1-14 使用三极管作驱动的蜂鸣报警图1.7 温度控制电路设计通过单片机控制交流固态继电器调节负载的功率而达到调节温度的目的。固态继电器控温电路如图1.15所示，采用Z型交流固态继电器SSR，实现零触发交流调功。SSR内设光电隔离电路，可减少与电网间的相互干扰，这是一种较先进的控制方法。图1-15 温控电路MCS51单片机的P27置1后，再清“0”，得到正脉冲经反相后触发555芯片，将有一个周期正弦波加到电炉丝上。单片机的P3.1控制555的2脚负脉冲在设定的周期T内出现的个数，就可以控制电炉丝的加热功率。第二章 温控系统的软件设计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。2.1 主程序流程图主程序流程图如图2-1所示。图2-1 主程序流程图主程序主要进行初始化，分配内存单元及设置定时器参数，以便为系统正常工作创造条件。由于本系统数据通道比较多，而且采样数据为12位，（双字节），加上一些给定值，如温度上、下限报警给定值等，所占内存单元较多，故本系统同时使用内部RAM和外部RAM。主要任务是开机复位自检，系统初始化，温度采样，数据处理，定时显示炉温以及控制量输出。2.2 键盘扫描和译码过程的流程图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。图2-2 键盘扫描及译码过程流程图2.3 通道数据采集的流程图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。图2-3 通道数据采集流程图2.4 单片机主程序流程图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。图2-4 单片机主流程图结 论在本设计系统中，用8051单片机作为主控机，通过外部程序扩展电路来实现大容量的软件程序的输入承载量，通过数据采集通道来实现对炉内各处温度的检测，在键盘及显示电路一体化的情况下来实现对数据的输入及对采集到的数据进行显示。在CPU中把数据进行进一步处理后一方面送去显示,并判断是否需要报警；另一方面与给定值进行比较,然后根据偏差值进行控制计算。本文一方面结合实际应用经验，力求做到较为系统和全面的介绍系统设计与实施技术；另一方面尽可能反应出温控系统的发展趋势，以及其先进性和实用性。本系统在硬件设计的基础上，在软件编程上选择查询方式，再进行相关的软件设计和开发，通过所需的多机通信接口与总机的连接可实现实时监控，不漏报的技术要求。，虽然目前的工业炉温度控制技术已经很先进，但为了适应科学技术的不断进步，对炉温的控制技术还需进一步的提高。致 谢在老师的指导下，我在近五个多星期的时间里，将电加热炉温度控制系统的设计完成。经过这五个多星期的设计，我把以前所学的课本理论知识与实践相结合，把理论真正的应用到实践中来，加深了对所学的专业知识的理解并接触到了许多新的知识，开拓了视野，提高了自学能力。由于经验方面的欠缺，我在设计中遇到了一些困难，但在老师的指导下，都一一得到了解决。老师为我的设计提出了许多宝贵的意见和建议，并提供了许多与设计有关的资料。她严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。在此谨向老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意参考文献1 高海生.单片机及应用技术大全M.成都：西南交通大学出版社,1996.2 王福瑞.单片微机测控技术大全M.北京：北京航空航天大学出版社,1999.3 沙占友.新型单片机开关电源的设计与应用M.北京：电子工业出版社,2001.4 侯自林.过程控制与自动化仪表M.北京：机械工业出版社,2000.5 徐惠民等.单片机微型计算机原理、接口及应用M.北京：北京邮电大学出版社,2000.6 何立民.单片机应用系统设计M.北京：北京航空航天大学出版社,1990.7 周明德.微型计算机硬件、软件及其应用M.北京：清华大学出版社,1984.8 王晓明.单片机教程M.沈阳：东北大学出版社,2001.9 张伟.单片机原理及应用M.北京：机械工业出版社,2002.10 徐爱均.智能化测量控制仪表原理与设计M.北京：北京航空航天大学出版社,1995. 11 张小春. KP表在电阻炉温控系统中的应用J.自动化仪表，2005（1）：60-65.12 皮大能，关鸿霞，南光群.一种实用的电炉控温方法J.自动化仪表，2005（4）：63-64.13 杨长松等.单片机测控系统干扰与抗干扰措施J.自动化与仪表,2003（1）：53-56.14 蔡得聪.传感器的发展方向及数字传感器的地位J.电气自动化,2001（10）：14-