电加热炉温度控制系统设计

武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书目录1设计任务及要求12系统总体方案设计12.1控制系统组成13硬件电路设计23.1电路原理图23.2器件介绍33.2.1 AT89C51单片机33.2.2 MAX1241模/数转换器43.2.3 LM016L液晶显示器53.2.4光电耦合器53.2.5其他所用器件64软件设计84.1控制系统程序流程图84.2 控制程序设计95运行结果95.1仿真及结果96心得体会10参考文献12附录13电加热炉温度控制系统设计摘要：为了适应工业控制发展的需要，本文在分析单片机对电加热炉温度控制的 基础上，从该系统的基本性能和基本操作出发，将整个系统分为温度测量、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。同时分别阐述其结构体系、工作原理、设计、集成方法以及它们之间的共性和特点。由于温控技术与自动化技术的发展非常迅速，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。关键词：电加热炉；单片机；温控1设计任务及要求设计一个电路系统，通过温度传感器检测外界的温度，然后经放大接入A/D，和键盘设置的温度值进行比较，来调节控制器对加热器进行控制，使温度保持在设定温度附近，并通过LED显示温度值，如果出现温度异常，通过嗡鸣器进行报警。以实现温度设置输入、温度显示、温度异常报警、加热执行器控制等功能。设计目的：1) 掌握A/D转换与单片机的接口连线；2) 掌握数据采集电路设计方法；3) 掌握LED显示与键盘的设计方法；设计要求：1） 画出控制系统结构框图；2） 选择合适元器件进行电路设计，画出电路原理图；3） 画出系统功能实现流程图；4） 编写控制程序。2系统总体方案设计2.1控制系统组成根据系统的控制要求，本系统由温度检测电路、A/D转换器ADC0808、单片机AT89C51、键盘输入及报警电路、执行电路等部分组成。系统中采用了新型元件，功能强，结构较简单，控制精度高，人机界面直观方便，应用十分灵活。在系统中，键盘先设定温度初始值，A/D转换器将测得电加热炉温度转换成与炉温相对应的数字信号进入单片机，单片机进行数字处理后，将温度设定温度比较，判断是否报警，同时根据设定的PID算法算出控制量来调节控制器对加热器进行控制。设计电加热炉温度控制系统结构框图如图2-1所示。监控单片机系统温度显示温度测量电炉执行电路图2-1 系统结构图3硬件电路设计3.1电路原理图总电路原理图如图3-1所示图3-1 总电路原理图3.2器件介绍3.2.1 AT89C51单片机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，增加系统的可靠性，降低了系统成本。只要程序长度小于4k，四个I/O口全部提供给用户。可用5V电压编程，而且写入时间仅10毫秒，仅为8751/87C51的擦除时间的百分之一，与8751/87C51的12V电压擦写相比，不易损坏器件，没有两种电源的要求，改写时不拔下芯片，适合许多嵌入式控制领域。AT89C51芯片提供三级程序存储器锁定加密，提供了方便灵活而可靠的硬加密手段,能完全保证程序或系统不被仿制。另外，AT89C51还具有MCS-51系列单片机的所有优点。1288位内部RAM， 32位双向输入输出线,两个十六位定时器/计时器， 5个中断源,两级中断优先级，一个全双工异步串行口及时钟发生器等。AT89C51有间歇、掉电两种工作模式。间歇模式是由软件来设置的,当外围器件仍然处于工作状态时, CPU可根据工作情况适时地进入睡眠状态,内部RAM和所有特殊的寄存器值将保持不变。这种状态可被任何一个中断所终止或通过硬件复位。掉电模式是VCC电压低于电源下限，当振荡器停止振动时， CPU停止执行指令。该芯片内RAM和特殊功能寄存器值保持不变，一直到掉电模式被终止。只有VCC电压恢复到正常工作范围而且在振荡器稳定振荡后，通过硬件复位、掉电模式可被终止。 AT89C51系列引脚功能AT89C51有40引脚双列直插（DIP）形式。其与80C51引脚结构基本相同，其逻辑引脚图如图3-2所示。图3-2 89C51的引脚图3.2.2 MAX1241模/数转换器MAX1241是低功耗，12位串行模数转换器，共有8个管脚，工作电压为+2.7+5.5V，连续AD转换时间为7.5s，跟踪时间为1.5s，片上自备时钟及采样保持电路。在芯片以73ksps最大采样速率工作时，消耗功率仅为37mw(Vdd=3V)。关闭模式也可以降低功耗，但这时传输速率也会降低。MAX1241具有一个3线连续接口，直接与微控制器的I/O口相连，并与SPI和MICROWIRE接口相兼容。SPI接口是一种三线制接口，这三线分别是片选线CS，数据线DOUT，时钟信号线SCLK。SCLK的下降沿输出数据，数据位为先高后低依次出现。当把MAX1241的模式控制端SHDN置低时，芯片处于关闭模式或称休眠模式，此时工作电流低于15A，置高后，它能在4s内从休眠状态转到工作状态。可以接高平或悬空。转化过程：在开始加电20ms内不要有任何转换工作。将CS置低电平后，开始转化。在CS的下降沿，采样保持电路进入保持状态，而且转化正式开始，经过一段内部转化时间后，转化结束的标志是Dout信号置高。数据然后能在外部时钟的作用下依次送出。操作过程：使用CPU上的一个通用I/O接口去拉低CS，保持SCLK低电平。等待最大转换时间或查询DOUT是否为高电平来决定转换是否结束。转换结束后，在SCLK的下降沿开始DOUT数据输出。在第13个脉冲将CS置高，如果CS继续保持低电平，以下输出数据为0。在开始一次新的转换之前，等待最小规定时间tcs，这期间CS应为高电平。如果在转换过程中通过拉高CS来放弃转换，在开始一段新的转换之前，也要等待一段时间(tacq)。CS必须在所有数据转换结束前一直保持低电平。3.2.3 LM016L液晶显示器因为LM016L和LCD1602功能基本上一致，所以下面介绍一下LCD1602，LCD1602的引脚图如图3-3所示。图3-3 LCD1602的引脚图 其采用标准的16脚接口，其中： 第1脚：VSS为电源地 第2脚：VDD接5V电源正极 第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高。 第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。 第5脚：RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。 第6脚：E端为使能端。 第714脚：D0D7为8位双向数据端。 第1516脚： 15脚背光源负极，16脚背光源正极。3.2.4光电耦合器 光电耦合器也称为光电隔离器或光耦合器，有时简称光耦。这是一种以光为耦合媒介，通过光信号的传递来实现输人与输出间电隔离的器件，可在电路或系统之间传输电信号，同时确保这些电路或系统彼此间的电绝缘。光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。它由发光源和受光器两部分组成。把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，常见的发光源为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极管等等。光电耦合器的种类较多，常见有光电二极管型、光电三极管型、光敏电阻型、光控晶闸管型、光电达林顿型、集成电路型等。在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光，光的强度取决于激励电流的大小，此光照射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，这样就实现了电一光一电的转换。下面介绍一下其的基本工作特性（以光敏三极管为例）它的共模抑制比很高，在光电耦合器内部，由于发光管和受光器之间的耦合电容很小（2pF以内）所以共模输入电压通过极间耦合电容对输出电流的影响很小，因而共模抑制比很高。它的输出特性： 光电耦合器的输出特性是指在一定的发光电流IF下，光敏管所加偏置电压VCE与输出电流IC之间的关系，当IF=0时，发光二极管不发光，此时的光敏晶体管集电极输出电流称为暗电流，一般很小。当IF0时，在一定的IF作用下，所对应的IC基本上与VCE无关。IC与IF之间的变化成线性关系，用半导体管特性图示仪测出的光电耦合器的输出特性与普通晶体三极管输出特性相似。 光电耦合器可作为线性耦合器使用。在发光二极管上提供一个偏置电流，再把信号电压通过电阻耦合到发光二极管上，这样光电晶体管接收到的是在偏置电流上增、减变化的光信号，其输出电流将随输入的信号电压作线性变化。光电耦合器也可工作于开关状态，传输脉冲信号。在传输脉冲信号时，输入信号和输出信号之间存在一定的延迟时间，不同结构的光电耦合器输入、输出延迟时间相差很大。3.2.5其他所用器件设计中还用到了其他一些常用器件，OVEN（Heater）加热器、放大器等，下面做简单介绍。 电加热的原理是，以电阻片为载体,通过热传导，达到加热的目的。现在有种加热方式替代电加热，那就是感应加热,感应加热利用强大磁场，使分子和原小产生剧烈运动，从而产生热量，直接对受热体进行加热，预热时间快,节电率高。仿真所用加热器（PROTEUS中称为OVEN、Heater）是模拟加热的装置，加给一定的电压遍开始不停的升温直到电压消失开始降温，软件仿真效果如图3-4所示。图3-4 Heater其中U形加热器为红色时表示正在加热， 将发红时直流电压反过来接,就会发绿,发绿表示制冷。T端输出的是电压,温度越高,电压越高。放大器电路是设计的PID部分，比例控制能快速反应误差，从而减小误差，但是不能消除稳态误差。积分控制的作用是不断的累积，输出空置量以消除误差，但积分作用过大会造成系统超调增大。微分控制可以减小超调量，提高系统的稳定性，同时加快系统的动态响应速度，从而改善系统的动态性能，由于为了仿真方便，所选温度较低，选定PID参数时，没有用到积分控制，实际应按需要再进一步整定参数。4软件设计4.1控制系统程序流程图流程图如图4-1所示。 是 否否开始LCD1602 初始化显示初始内容按键检测AD转换及更新执行降温高温？更新显示图4-1 主程序流程图4.2 控制程序设计程序清单见附录。5运行结果5.1仿真及结果将HEX文件装入AT89C51单片机中，点击开始按钮，加热器执行加热，显示器第一行显示设置的温度报警界限，第二行显示实际的温度。初始设定温度为40，只要实际温度还没达到设定温度，加热器会百分百加热使温度不断升高，仿真截图如图5-1所示。直至实际温度达到设定温度或高于设定温度，声光报警系统起作用，并且加热器降低加热程度，是实际温度保持或下降至设定温度，仿真截图如图5-2所示。图5-1 加热仿真截图图5-2 仿真图系统可以通过按键增大或减小设定温度，按下一次KEY1键后的报警温度值为初始值增加1C，效果如图5-2所示。显然，实际生产中总是希望系统快速达到理想的效果，使实际温度稳定在40C左右小范围内，但仿真中还是会出现超过所设报警温度的现象，但超出温度在允许范围内。6心得体会通过一个多星期的课程设计实习，但是真正的让我感受到了学习的快乐和充实，让我受益匪浅。首先通过此次课程设计，让我对所学的计算机控制技术理论知识更加熟悉了解，对理论学习时没有掌握牢固的一些知识以及一些在学习中存在的漏洞进行学习并加以弥补，也让我明白学习一门课程就要认真地对待，掌握牢固，并要在实践中加以运用，只有能运用自如的知识才是属于自己的东西。其次，此次课程设计要求熟练掌握proteus软件的应用，对于proteus，我之前对它的一些应用比较熟悉，所以此次运用起来比较熟练，在学习此软件过程中通过查找图书馆的资料以及在网上的学习让我意外收获了一些其他的知识，拓展了知识面，也丰富了自己的阅历。第三，通过这次课程设计，我学会了单片机完成某一项功能，需要从两个方面入手：一是软件的实现即C语言程序的编写；二是硬件电路的实现。两方面比较，程序编写时相对较难的一部分。我个人感觉这是一个建模的过程，即将实际的控制问题转换成我们所熟悉的数学模型，这是一个很抽象的问题，有时真的是难以想象。所以我觉得这种困难最好的解决办法就是通过平时的积累，多多学习。第四，此次设计培养了我们对于计算机控制设计的一些兴趣，当看着自己设计的东西通过仿真可以出现自己期望的结果时，那种愉悦的心情是前所未有的，同时当出现问题，通过自己查找资料检查电路之后排除问题的过程也锻炼了我们对于学习的一种深入和坚持，锻炼了我们独立思考的能力和最初的创新意识，让我们真正体会到学习的乐趣。第五，我再次巩固了一些以前的东西，仿真软件的运用，课程设计论文的书写，计算机的一些应用软件的应用，以及对word的了解也更深入了。最后一点，也使最深刻的体会，就是在设计过程中，基本上用到的都是我们学过的一些原理，所以学以致用在这次设计中可谓体现的淋漓尽致，要把所学的知识联系起来，综合运用。这些都将成为我们以后的工作学习的铺路石，使我们在大学里收获的最实用的东西，而不是仅仅只是纸上谈兵，而是通过我们亲自动手来完成的，经验对每个人来说都是一笔财富，所以这次计算机控制技术课程设计对我们来说绝对是一次难得的锻炼的机会。参考文献1 何立民. 控制系统计算机辅助设计. 北京：北京航空航天大学出版社，20022 徐惠民、安德宁. 单片微型计算机原理接口与应用. 北京：北京邮电大学出版社，1996 3张毅刚.单片机原理及应用M.高等教育出版社.2004年1月，第1版：137-1564金发庆等编.传感器技术与应用.北京机械工业出版社,20025王锦标，方崇智过程计算机控制北京：清华大学出版社，1997；36406胡寿松自动控制原理北京：国防工业出版社，2000；1031247刘伯春智能PID调节器的设计及应用电子自动化，1995；(3)：20258赵娜，赵刚，于珍珠等.基于51单片机的温度测量系统J.微计算机信息，2007，1-2：146-148。附录程序清单#include #include #include #define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit DOUT=P23;sbit SCLK=P24;sbit CS=P25;sbit P37=P37;sbit P36=P36;sbit RELAY=P26;sbit KS0=P10;sbit KS1=P11;uchar code LcdBuf1= Set temp: ;uchar code LcdBuf2= Rel temp:;uchar Vref=5;uchar a6;uint SET_TEMP=40;uint read_max1241() uint voltage=0; /存放12位数字量 uchar cont12=12; /12位 CS=1; SCLK=0; CS=0; while(DOUT=0); /转换结束 SCLK=1; SCLK=0; while(cont12-) SCLK=1; /SCLK上升沿数据稳定并读出voltage=SET_TEMP) RELAY=0; P36=1;if(b=SET_TEMP)P37=1; else RELAY=1;P37=0;P36=0;void delay_ms(uchar ms)uint i,j;for(i=0;ims;i+)for(j=0;j120;j+);void key() if(KS0=0) delay_ms(1); if(KS0=0) SET_TEMP+; while(!KS0); if(KS1=0) delay_ms(1); 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