北京经济管理职业学院 09 届毕业论文i摘 要在工业控制领域，温度控制的应用非常广泛，控制精度的高低直接影响到产 品的质量及使用寿命，研究和设计高性能的温度控制系统具有非常重要的意义。 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。 目前控制算法的多样化也为温度控制提供了便利条件，应用较为普遍的有比 例积分微分(PID)控制、模糊控制等。本设计根据加热炉的的控制要求设计了一 种以单片机为核心的监控系统。系统采用热电偶温度传感器测温，实现了温度的 实时监测、超限报警、显示与控制等功能。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；固态继电器北京经济管理职业学院 09 届毕业论文ii目录1.绪论. 1 1.1 研究的背景和意义1 1.2 本课题的主要研究目标及内容1 1.2.1 设计目标1 1.2.2 设计内容1 2. 方案设计与比较.1 2.1 方案一1 2.2 方案二2 2.3 总体设计2 3.系统的硬件设计.3 3.1 主要硬件介绍3 3.1.1 单片机3 3.1.2 Pt100 型铂电阻温度传感器4 3.1.3 放大器 AD5224 3.1.4 模数转换器 AD574.5 3.1.5 液晶显示屏.6 3.1.6 开关器件6 3.2 温度检测电路设计.6 3.3 A/D 转换电路设计7 3.4 显示电路设计8 3.5 电气开关及工作电路8 4 系统软件设计9 4.1 程序设计9 4.2 主流程图10 4.3 主程序10 附录. 25 总原理图.25 结 论. 26 参考文献. 27北京经济管理职业学院 09 届毕业论文第 1页 共 27 页加热炉温度监控系统的设计1.1.绪论绪论1.11.1 研究的背景和意义研究的背景和意义在现实生活当中，很多场合需要对温度进行智能控制，日常生活中最常见的 要算空调和冰箱了，他们都能根据环境实时情况，结合人为的设定，对温度进行 智能控制。 工业生产中的电加热炉温度监控系统和培养基的温度监控系统都是计 算机控制系统的典型应用。通过这次课程设计，我们将自己动手设计一个小型的 由单片机控制的加热炉温度控制系统， 目的在于将理论结合实践以加深我们对课 本知识的理解。1.21.2 本课题的主要研究目标及内容本课题的主要研究目标及内容1.2.11.2.1 设计目标设计目标实现加热炉的温度自动监测，并对其温度进行控制。1.2.21.2.2 设计内容设计内容利用所学过的知识设计一个温度控制系统。功能要求如下： （1）能够利用温度传感器检测环境中的实时温度； （2）能对所要求的温度进行设定； （3）将传感器检测到得实时温度与设定值相比较，当环境中的温度高于 或低于所设定的温度时， 系统会自动做出相应的动作来改变这一状 况，使系统温度始终保持在设定的温度值。2.2. 方案设计与比较方案设计与比较2.12.1 方案一方案一要想达到技术要求的内容，少不了以下几种器件：单片机、温度传感器、LCD北京经济管理职业学院 09 届毕业论文第 2页 共 27 页显示屏、直流电动机等。其中单片机用作主控制器，控制其他器件的工作和处理 数据；温度传感器用来检测环境中的实时温度，并将检测值送到单片机中进行数 值对比；LCD 显示屏用来显示温度、时间的数字值；直流电动机用来表示电加热 炉的工作情况，转动表示电加热炉通电加热，停止转动表示电加热炉断电停止加 热。2.22.2 方案二方案二系统由 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。2.32.3 总体设计总体设计综合方案一与方案二，总的设计思想是通过温、湿度传感器将温度、湿度值 转换为电量输出，由 A/D 转换器对模拟信号进行数字化，被数字化的信号经过单 片机处理后，送显示器及执行机构，完成温、湿度声光报警的功能，总体设计框 图如图 1 所示。图 1整体思路是这样的：首先我们通过按键设定所需要的温度值，然后利用温度 传感器检测电加热炉的实时加热温度，并送至单片机与设定值进行比较。若检测 值小于设定值，则无任何动作，电加热炉继续导通加热；若检测值大于设定值， 则单片机控制光电耦合器导通，继电器动作，电加热炉断电停止加热。一旦炉温北京经济管理职业学院 09 届毕业论文第 3页 共 27 页低于设定值，单片机又控制光电耦合器断开，继电器开关分离，电加热炉开始导 通加热。 这个过程中所设定的温度值和传感器检测到得温度值都要在 LCD 显示屏 上显示出来，以方便操作人员观察。另外，还可以加上时钟模块，以方便计时。 这个设计思路相对比较简单，利用所学过的知识容易实现，加上光电耦合器用于 隔离强电和弱电，比较安全。3.3.系统的硬件设计系统的硬件设计3.13.1 主要硬件介绍主要硬件介绍3.1.13.1.1 单片机单片机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。 MCS-51 是标准的 40 引脚双列直插式集成电路芯片，引脚分布，请参照图 2： P0.0P0.7 P0 口 8 位双向口线（在引脚的 3932 号端子） P1.0P1.7 P1 口 8 位双向口线（在引脚的 18 号端子） P2.0P2.7 P2 口 8 位双向口线（在引脚的 2128 号端子） P3.0P3.7 P3 口 8 位双向口线（在引脚的 1017 号端子） 这 4 个 I/O 口 具有不完全相同的功能。图 2北京经济管理职业学院 09 届毕业论文第 4页 共 27 页3.1.23.1.2 P Pt100t100 型铂电阻温度传感器型铂电阻温度传感器图 3图 4概述：热电阻是利用物质在温度变化时本身电阻也随着发生变化的特性来测 量温度的.当被测介体中有温度剃度存在时,所测的 温度是感温元件所在范围介质中的平均温度. 尽管各种热电阻的外形差异很大,但是它们的基本结构却大致相似,一般有感温 元件,绝缘套管,保护管,和接线盒等主要部。 特点： 1) 压簧式感温元件，抗振性能好； 2) 测温精度高； 3) 机械强度高，耐压性能好； 4) 进口薄膜电阻元件，性能可靠稳定。 工作原理： 热电阻是利用物质在温度变化时，其电阻也随着发生变化的特征来测量温度 的。当阻值变化时，工作仪表便显示出 阻值所对应的温度值。3.1.33.1.3 放大器放大器 AD522AD522AD522 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。北京经济管理职业学院 09 届毕业论文第 5页 共 27 页图 5 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：AD522 引脚说明 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3.1.43.1.4 模数转换器模数转换器 AD574AD574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。北京经济管理职业学院 09 届毕业论文第 6页 共 27 页图 6 AD574 的主要特性指标如下： （1）分辨率12 位； （2）转换时间25s； （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。3.1.53.1.5 液晶显示屏液晶显示屏这里我选用 LCDLM016L 液晶显示屏作为系统的显示器件，如图所示， LCDLM016L 采用标准的 16 脚接口，仿真时隐藏了背光正极和背光负极两个引脚。 它通过 D0-D78 位数据端来与单片机进行数据和指令传输。3.1.63.1.6 开关器件开关器件由于单片机与电动机之间需要用开关器件连接，并且前者用弱电控制，后者 由强电控制，这就尤其需要注意安全问题。于是我想到了在课本中学过的高性能 安全开关器件光电耦合器。 光电耦合器是由一个发光器件和和一个光电转换器件 组成，这里所用的光电耦合器 OPTOCOUPLER-NPN 是由一个发光二极管和一个光 敏晶体管所组成。当发光二极管发光，就会使得光敏晶体管导通，继电器通电动 作，将开关吸合，电动机回路断开。3.23.2 温度检测电路设计温度检测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。北京经济管理职业学院 09 届毕业论文第 7页 共 27 页图 7 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。3.33.3 A/DA/D 转换电路设计转换电路设计在 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 25s 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 1.5s，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 2s，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