1、物理科学与工程技术学院毕业设计1基于单片机的炉温自动控制系统设计宜春学院 物理科学与工程技术学院 自动化专业 肖杰鸣 指导老师： （徐东辉）摘要：在工农业生产中，温度是工 业生产对象中主要的被控参数之一。电阻炉是通过电流流过电阻体产生热量来加热或熔化物料的一种电炉。电阻炉广泛地 应用在化工、冶金等行 业。它对温度控制的要求较高，温度控制的好坏直接影响着产品质量及生产效率，因此电阻炉的温度控制在科学研究、工业生产中具有重要的意义。本设计采用单片机作为数据处理与控制单元， 以电阻炉作 为控制对象，用 热电偶作为测量元件，用晶闸管作为输出控制元件来实现对电阻炉温度自动控制。该系统利用 K 型热电偶温
2、度传感器，把检测到的电阻炉温度的信号送入 MAX6675 芯片，经过信号放大等一系列转换后，再将信号送到单片机 STC89C52 内 进行 PID 运算， 同时可以通过键盘调节 PID 参数。经 PID 运算后，比例调节输出量改变晶闸管控制量，变晶闸管的 导通角，从而控制 电阻炉的加 热强度。从而控制电阻炉的炉温。关键词：电阻炉；MAX6675；单片机 STC89C52；PID 控制Abstract：SummaryIn the industrial and agricultural production , the temperature is accused of one of the ma
3、in objects of industrial production parameters . Furnace current flowing through the resistor generates heat to a furnace for heating or melting the material . Resistance furnace is widely used in chemical, metallurgical and other industries. It requires a higher temperature control , temperature co
4、ntrol has a direct impact on product quality and production efficiency , and therefore resistance furnace temperature control is of great significance in scientific research , industrial production.The design uses a single chip for data processing and control unit to resistance furnace as a control
5、object , as the measuring element with thermocouple with thyristor as a control element to achieve the output resistance furnace temperature control . The system uses K -type thermocouple temperature sensor , to detect resistance furnace temperature signal into the MAX6675 chip , after a series of c
6、onverted signal is amplified and then signal to the microcontroller STC89C52 PID operation , and can adjust the keyboard PID parameters. After the PID operation , adjust the output volume ratio of the amount of change in thyristor controlled , variable thyristor conduction angle, so as to control th
7、e intensity of the resistance heating furnace . To control the furnace temperature resistance furnace .Key words：The resistance furnace; MAX6675; SCM STC89C52; PID contro物理科学与工程技术学院毕业设计2目录第 1 章 绪论 .31.1 课题研究的背景及意义 .3第 2 章 系统总体设计方案 .42.1 设计总体思路 .42.2 系统技术指标 .42.3 系统总体设计方案 .4第 3 章 系统硬件设计 .63.1 温度检测部分
8、.63.1.1 K 型热电偶 .63.1.2 温度信号处理芯片 MAX6675.63.3 时钟电路 .93.4 复位电路 .93.5 串口通信电路 .93.6 报警电路 .103.7 显示电路 .103.8 按键电路 .123.9 D/A 转换电路 .13第 4 章 软件设计 .154.1 软件设计思路 .154.2 主程序流程图 .154.2.1 温度检测与处理子程序 .164.2.2 报警子程序 .174.2.3 PID 子程序 .184.2.4 显示流程图 .194.2.5 键盘扫描流程图 .204.2.6 键盘处理流程图 .214.2.7 D/A 转换子程序流程图 .225.结束语 .
9、236.致谢词 .24参考文献 .25附录 A：硬件原理图 .26附录 B：程序 .27物理科学与工程技术学院毕业设计3第 1 章 绪论1.1 课题研究的背景及意义20 世纪 20 年代以来，电阻炉就在工业生产中得到了广泛地应用。随着社会的发展，科学技术的进步，电阻炉被大量的应用在电力、冶金、机械、石油化工等工业生产中。在这些工业生产中，温度的测量及控制影响着生产安全、产品质量、生产效率等重要的技术经济指标，电阻炉温度控制的稳定性、精度、可靠性等要求也逐步提高。而在各个领域测温仪器的实际应用表明，智能化仪器已经是现代电阻炉温度控制系统发展的主要方向 1。基于此，设计一种智能化的电阻炉温度控制系
10、统有广泛的应用前景及实际意义。电阻炉是利用电流流过电阻体，使其产生热量来加热或熔化物料的一类电炉。它的特点是：电路简单；对炉料种类的限制较少；（小型电阻炉可用来加热食品、干燥木材） ；炉温控制精度高；容易在真空中加热等特点。它主要作用于：机械零件的淬火、退火、渗碳等热处理 ；各种材料的干燥、加热、烧结、熔化等。电阻炉的参数有工作空间尺寸、额定温度、额定电压、额定功率。电阻炉按炉温不同可分为低温电阻炉(600700以下)、中温电阻炉(7001200)、高温电阻炉(1200以上)。电阻炉的温度控制主要有：1、传统 PID 控制；2、智能控制。PID 控制温度系统的效果，主要取决于 P、I、D 三个
11、参数。PID 控制对于确定了的温度系统控制效果较好，但是对控制大惯性、大滞后、时变性温度系统则难以保证其控制品质。电阻炉大多是经电阻丝加热升温，自然冷却降温的，当电阻炉的温度超调时，无法靠控制手段降温，所以电阻炉温度的控制具有滞后性、非线性、惯性、不确定性等特点。目前国内较成熟的电阻炉温度控制系统中，以 PID 控制器为主。PID 控制器对小型实验用的电阻炉控制效果良好，但对于大型工业用电阻炉，就难以保证电阻炉温度控制系统的稳定性及精度等问题。智能控制是一种不需要人操作就能驱动智能机械来实现其目标的自动控制。随着科学技术、控制理论的发展，国外的温度控制系统发展很迅速，基本实现对温度的智能控制。
12、具有自适应、自协调、自学习等能力，使控制系统的控制精度、稳定性、抗干扰能力等性能得到保证。本文以电阻炉为控制对象，以单片机 STC89C52 为硬件核心元件，采用 PID 控制，该系统硬件电路设计简单、控制算法成熟稳定、系统性能优良。物理科学与工程技术学院毕业设计4第 2 章 系统总体设计方案2.1 设计总体思路本设计的要求是是对工业电阻炉的温度进行实时监测与控制，温度控制系统能实现对的温度控制和调节功能：当电阻炉炉内温度低于所需要的温度值时，系统产生相对应的加热信号，然后对电阻炉发加热，使其温度上升达到要求值；当电阻炉炉内温度超过了需要温度时，系统产生相应的信号，然后系统将停止加热电阻炉，使
13、炉内温度下降。从而实现温度的控制。通过 PID 调节不断重复该过程，使温度值始终保持在给定温度值，并在符合要求的精度之内，并且使 LED 显示器显示电阻炉的温度。2.2 系统技术指标本系统的技术指标要求如下：1.测量温度和控制温度均可以数字显示；2.被测温度范围为 01000，精度为0.5；3.控制温度可连续可调，精度为1；4.温度超过限时，产生声音报警信号。2.3 系统总体设计方案本系统由单片机、D/A 转换器、MAX6675、电阻炉、热电偶传感器等主要器件组成。电路部分有时钟电路、报警电路，复位电路、显示电路、按键电路等。该系统首先用测温元件 K 型热电偶，炉中温度物理量值转换成电压信号输
14、出，送入 MAX6675 再经过处理后，变成数字信号。炉温给定值转换成电压信号后和所检测到的炉温数字信号送入单片机内进行比较，得到实际炉温与给定炉温的差值。然后单片机系统对偏差进行 PID 调节，并且在 LED显示器上显示该温度值，D/A 转换器将运算结果转换为模拟电压，功率放大器把电压信号放大，送到晶闸管，使晶闸管的导通角的大小发生改变，从而电阻炉的加热电压也发生改变，起到控制温度的作用。其方案图如图 2.1 所示：单片机电阻炉温度转换 传感器晶闸管报警L E D 显示键盘时钟电路图 2.1 系统总体设计方案图单片机：主要功能是读取温度数据在对其进行数据处理，对各单元进行控制，执行各种指令。
15、单片机是整个系统的数据处理核心及控制核心。物理科学与工程技术学院毕业设计5温度信号采集与处理：这个部分的主要是用热电偶传感器检测温度，温度传感器随外界的温度变化会产生不同电压，再由 MAX6675 将模拟电压信号转换成数字电压信号放大后送入单片机中，再单片机中进行数据处理。人机交互及串口通信：人机交互主要是为了提高系统的友好性和实用性。主要包括输出显示、按键输入。输出显示进行数据的显示输出，通过按键输入实现了系统参数设置，而串口通信的主要作用是完成单片机与上位机的通信。温度的采集控制被广泛应用于工业生产和农业生产当中，以及科研和人民生活的方方面面。在工业生产过程中，使用自动温度控制系统，温度进
16、行严格的监控，减轻工人的劳动强度，充分保证产品的质量，还能节省能源的消耗。可以对生产环境的温度，实现自动控制，提高生产的效率和生产的质量、产品的数量并能让生产变得更加安全可靠。物理科学与工程技术学院毕业设计6第 3 章 系统硬件设计3.1 温度检测部分3.1.1 K 型热电偶热电偶传感器是一种将温度变化转化成电势变化的传感器。在工业生产中，运用最广泛的测温元件之一其优点有测温范围广，精度高，稳定性好，结构简单动态性能好。热电偶将不同两种的金属A和B构成一个回路，当两个接触端温度不同时，回路中产生热电势。K型热电偶输出信号，由芯片MAX6675处理，该芯片可实现A/D转换、放大电路等功能，且可以
17、和单片机直接通讯，节约了硬件部分，降低了成本。 3.1.2 温度信号处理芯片 MAX6675该器件采用 8 位引脚的 SO 封装，引脚图如图 3.2 所示。图 3.2 MAX6675 引脚图MAX6675 引脚功能表：1、GND：接地 2、T- ：接热电偶负极 3、T+ ：接热电偶正极 4、VCC：正电源端 5、SCK：串行时钟 输 6、CS ：片选信号端 7、SO：串行 数据 输出 8、NC：悬空 不用图 3.3 为本系统中温度检测电路，当 STC89C52 的 P3.3 为低电平且 P3.1 口产生时钟脉冲时，MAX6675 的 SO 脚输出转换数据。在每一个脉冲信号的下降沿 SO 输出一
18、个数据，16 个脉冲信号完成一串完整的数据输出，先输出高电位 D15，最后输出的是低电位 D0，D14-D3 为相应的温度转换数据，共 12 位，其最小值为 0，对应的温度值为 0；最大值为 4095，对应的温度值为 1023.75，分辨率为 0.25。由于 MAX6675 内部经过了激光修正，因此，其转换结果与对应温度值具有较好的线性关系。温度值与数字量的对应关系为：温度值=1023.75转换后的数字量/4095。当 P3.3 为高电平时，MAX6675 开始进行新的温度转换。物理科学与工程技术学院毕业设计7图 3.3 温度检测电路3.2 单片机STC89C52 是 STC 公司生产的一种低
19、功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。STC89C52 使用经典的 MCS-51 内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统 51 单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使得 STC89C52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 有以下功能： 8k 字节 Flash，512 字节RAM， 32 位 I/O 口线，看门狗定时器，内置 4KB EEPROM，MAX810 复位电路，3 个 16 位定时器/计数器，4 个外部中断，一个 7 向量 4 级中断结构，兼容传统 51 的 5 向量
20、2 级中断结构，全双工串行口。本部分主要介绍单片机最小系统的设计。单片机系统的扩展，一般是以基本最小系统为基础的。所谓最小系统，是指一个真正可用的单片机最小配置系统，对于片内带有程序存储器的单片机，只要在芯片外接时钟电路和复位电路就是一个小系统了。小系统是嵌入式系统开发的基石。本电路的小系统主要由三部分组成，一块 STC89C52 芯片、复位电路及时钟电路。STC89C52 单片机的引脚说明:VCC： 供 电 电 压 ； GND： 接 地 。RST： 复 位 输 入 。 当 振 荡 器 复 位 器 件 时 ， 要 保 持 RST 脚 两 个 机 器 周 期 的 高 电 平 时 间 。XTAL1
21、： 反 向 振 荡 放 大 器 的 输 入 及 内 部 时 钟 工 作 电 路 的 输 入 。XTAL2： 来 自 反 向 振 荡 器 的 输 出 。ALE/PROG(Pin30)： 地 址 锁 存 允 许 信 号 PSEN(Pin29)： 外 部 存 储 器 读 选 通 信 号 EA/VPP(Pin31)： 程 序 存 储 器 的 内 外 部 选 通 ， 接 低 电 平 从 外 部 程 序 存 储 器 读 指 令 ， 如 果 接 高 电 平 则 从 内 部 程 序 存 储 器 读 指 令 。 可 编 程 输 入 /输 出 引 脚 （ 32 根 ） .STC89C52 单 片 机 有 4 组
22、8 位 的 可 编 程 I/O 口 ， 分 别 位P0、 P1、 P2、 P3 口 ， 每 个 口 有 8 位 （ 8 根 引 脚 ） ， 共 32 根 。 PO 口 （ Pin39 Pin32） ： 8 位 双 向 I/O 口 线 ， 名 称 为 P0.0 P0.7 P1 口 （ Pin1 Pin8） ： 8 位 准 双 向 I/O 口 线 ， 名 称 为 P1.0 P1.7 P2 口 （ Pin21 Pin28） ： 8 位 准 双 向 I/O 口 线 ， 名 称 为 P2.0 P2.7 P3 口 （ Pin10 Pin17） ： 8 位 准 双 向 I/O 口 线 ， 名 称 为 P3.
23、0 P3.7 物理科学与工程技术学院毕业设计8STC89C52 的 P3 口 的 特 殊 功 能 介 绍 如 下 所 示 ： P3.0 /RXD 串 行 数 据 接 收 ；P3.1 /TXD 串 行 数 据 发 送 ；P3.2 /INT0 外 部 中 断 0 申 请 ； P3.3 /INT1 外 部 中 断 1 申 请 ；P3.4 T0 定 时 计 数 器 0 输 入 ； P3.5 T1 定 时 计 数 器 1 输 入 ； P3.6 /WR 外 部 RAM 写 选 通 ； P3.7 /RD 外 部 RAM 读 选 通 ； 本 设 计 STC89C52 单 片 机 的 P1.0 口 和 P1.1
24、 口 接 LED 显 示 ， X1 和 X2 接 的 是 晶 振 电 路 ，RESET 接 复 位 电 路 。物理科学与工程技术学院毕业设计93.3 时钟电路时钟电路提供单片机的时钟控制信号，单片机时钟产生方式有内部时钟方式和外部时钟方式。最常用的是内部时钟方式，是采用外接晶振和电容组成的。时钟振荡电路如图3.5所示：图 3.5 时钟振荡电路 系统的时钟电路设计是采用的内部方式，单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，引脚 XTAL1 和引脚 XTAL2 分别是放大器的输入端和输出端，由这个放大器与作为反馈元件的片外晶体或陶瓷谐振器一起构成一个自己振荡器，这种方式形成的时钟信号称为内
25、部时钟方式，即利用芯片内部的振荡电路内部振荡器就产生自激振荡。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶体振荡频率可以在 1.212MHz 之间选择，电容值在 530pF 之间选择，电容值的大小可对频率起微调的作用。电容取 30PF 左右。XTAL1 是片内振荡器的反相放大器输入端，XTAL2 则是输出端， 。3.4 复位电路整个复位电路包括芯片内、外两部分。外部电路产生的复位信号(RST)送至施密特触发器，再由片内复位电路在每个机器周期的 S5P2 时刻对施密特触发器的输出进行采样，然后才得到内部复位操作所需要的信号。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。本系统采用按键电平复位方式
26、。按键电平复位是通过使复位端经电阻与 Vcc 电源接通而实现的。其电路图如图所示图 3.6 复位电路图3.5 串口通信电路串口通信的主要功能是完成单片机与上位机的通信，便于进行温度数据统计，为将来系统功能的扩展做好基础工作。串行通信的主要功能是实现单片机与PC机的数据交换，当需要进行数据记录、数据统计、数据分析的时候，可以把数据发送给上位机，使用上位机进行数据处理，并且将数据处理的结果又发送给单片机。这样可以大大提高系统数据处理速度，还可以方便的对单片机进行控制。计算机与外界的数据传送大部分都是串行的，其传送距离可以从几米到几千米。串行口通信原理图如图3.7所示：物理科学与工程技术学院毕业设计
27、10图 3.7 串行口通信电路图3.6 报警电路报警电路的功能是当炉温值超过系统设定的最大值或者低于系统设定的最小值时，都会驱动单片机的I/O接口，报警电路发出声光警报。由于单片机I/O 口输出的电流太小难以驱动蜂鸣报警器器，所以设计了蜂鸣器驱动电路，具体电路连接如图3.8所示： 图 3.8 报警电路图3.7 显示电路数码管是把多个 LED 晶体管显示段集合在一起的一个具有显示功能的设备。他一共有两种类型，一种类型是共阳型的，还一种类型是共阴型的。阳极作为二极管的正极端，还叫做正极，阴极就是二极管的负极端，也称作负极。一般的数码管分为 8 段，也就是有 8 段 LED 显示，这种是为了工程上的
28、应用设计的，分别叫 A、B、C、D、E、F、G、DP，DP 是小数点段位。然而多位数码管，除了有一位的公共端是连接在一起的，其他的不同位的数码管相同端会连接在一起。数码管的动态显示原理为：每个数码管的相同端连接在一起，他们一起占用了 8 位管线；每个数码管的阳极连接在一起。他是利用了人的眼睛的视觉暂留特点，按次序通给每个数码管公共端加上有效的信号，这个时候给该数码管加有用的数据信号，等到全段扫描的速度大于视觉暂留速度时，它就会显示出来。设计中采用4位共阴极LED静态显示方式，选用7段显示数码管。显示内容有温度值的千位、百位、十位、个位。由于单片机不能直接驱动数码管显示，所以必须在单片机与LED164之间加上74LS164，它的管脚图如图3.9所示。
