基于单片机的加热炉温度控制系统.doc
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1、 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 院(系部) 电气与自动化工程系 专业名称 电气工程及其自动化 年级班级 学生姓名 指导教师 2012 年 5 月 16 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、ADC08
2、09、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 With the rapid development of Chinas national economy, the scope of application of heating furnace more and more widely. And heating furnace temperature control is in the process of industri
3、al production often met in process control, and some of the temperature of a process control has a direct effect on the quality of products and production,the people need to each heating furnace the temperature carry on the monitor and the control. Not only uses the monolithic integrated circuit to
4、come to them to control has the control to be convenient, simple and flexibility big and so on merits, moreover may enhance large scale is accused the temperature technical specification, thus can big enhance the product the quality and quantity. In this paper, in the control of the main application
5、 of the process of AT89C51, ADC0809, LED display, LM324 comparator, but mainly through the digital temperature sensor DS18B20 collecting ambient temperature to single-chip microcomputer as the core control components, and through four real-time digital display of a digital thermometer temperature. K
6、ey words: heating furnace Single chip microcomputer Temperature control 目 录摘 要IAbstractII目 录III第1章 绪 论11.1 课题的背景11.2 课题研究的目的及意义21.3 课题研究的内容及要求31.4 课题的研究方案4第2 章 硬件设计62.1 单片机的发展概况62.2 AT89C51系列单片机介绍72.2.1 AT89C51系列基本组成及特性72.2.2 AT89C51的工作原理82.2.3 AT89C51的复位电路112.2.4 AT89C51的引脚功能112.3 数据存储器的扩展142.4 ADC
7、0809模数转换器182.4.1 ADC0809与AT89C51单片机的接口设计202.5 运算放大器LM324212.6 移位寄存器74LS164242.7 数码显示管LED252.8 数字温度计DS18S20262.9 电路设计272.9.1 电源电路设计272.9.2 单片机控制单元272.9.3 温度采样部分282.9.4 模数转换部分282.9.5 显示部分292.9.6 调节执行单元30第3章 软件设计313.1 主程序流程图313.2 中断子程序流程图323.3 按键流程图333.4 显示流程图34第4章 系统调试及结论分析354.1 硬件调试364.1.1 硬件电路故障及解决方
8、法364.1.2 硬件调试方法364.2 软件调试374.2.1 软件电路故障及解决方法374.2.2 软件调试方法384.3 结论分析39第5张 总结与展望405.1 总 结405.2 展望41参考文献43致 谢45附 录46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。
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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01000。 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
16、,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
17、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M68
18、00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PD783系列。 1987年Intel公司又宣布了性能比8096高两倍
19、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
20、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。2.2 AT89C51系列单片机介绍2.2.1 AT89C51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(FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory)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
21、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,
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