1、基于单片机的电阻炉温度控制系统设计学 院 自动化学院专 业 自动化班 级 XXXX学 号 XXXXXX姓 名 snowcafe指导教师 XXXqq 597997026沈阳航空航天大学2010 年 6 月沈阳航空航天大学毕业设计（论文）I摘 要在工业生产过程中，往往需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉的温度进行检测和调节，因此需要一种合适的系统对其温度进行精确控制，由于单片机具有低功耗、高性能、可靠性好、易于产品化等特点，因此采用单片机对温度进行控制不仅节约成本，控制方法灵活多样，并且可以达到较高的控制精度，从而能够大大提高产品的质量，因此单片机被广泛应用在中小型控制系统中。本论文以电阻炉为研究对
2、象，开发了基于单片机的温度控制系统。本温度控制系统按功能分主要包括温度传感器模块、数据处理模块、温度显示/设定模块和温度控制模块。温度传感器采用了数字式温度传感器 DS18B20，对温度进行实时采样并将模拟信号转换成数字信号返回给单片机。系统可通过键盘对电阻炉水温进行预设，单片机根据当前炉内温度和预设温度进行运算，控制输出宽度可调的 PWM 方波，并由此控制双向可控硅的导通和关断来调节电热丝的加热功率，从而使水温迅速达到预设值并保持恒定不变。设计过程中，首先进行软件设计和开发，使系统功能模块化并分别通过 Proteus软件进行仿真，实现功能后对硬件进行了综合设计，并且反复论证、测试各器件参数以
3、使其稳定运行，最终使得此系统实现了温度的恒温控制。关键词：单片机；温度传感器；可控硅；温度控制基于单片机的电阻炉温度控制系统设计IIDesign and Implementation of a Temperature Control System Based on the Single Chip MicrocontrollerAbstractIn the industrial production process, often require various types of furnace, heat treatment furnace, reactor temperature detect
4、ion and regulation, so it needs a proper system of precise control of its temperature, as low power consumption single chip, high performance, reliability, easy-to-market commodity and so on, so to control the temperature using SCM not only save on cost, control method of flexible and diverse, and c
5、an achieve higher precision, which can greatly enhance the quality of the product, so SCM is widely used in the Small control system. In this study, the “Temperature Control System“ design. As a typical application Temperature Control System is the integrated use of the computer theory, control theo
6、ry, analog electronics, digital control technology, keyboard, display technology, and many other areas of knowledge. Temperature sensor uses digital temperature sensor DS18B20, real-time sampling of the temperature and analog signals into digital signals back to the SCM. System can be preset through
7、 the keyboard on the temperature, microcontroller based on the current temperature and the preset temperature of the furnace operation, PWM control output square wave with adjustable width, and thus control the triac on-and off to regulate the electric wire heating power, so that the water temperatu
8、re quickly reach and maintain constant preset value. The design process, first of all the software design and development, making the system functional module and through the Proteus software simulation, respectively, to achieve feature an integrated design of the hardware, and repeated demonstratio
9、n, testing the device parameters to make it stable operation, and ultimately make This system has realized the constant temperature control. Keywords: MCS-51, temperature sensor, SCR,temperature control沈阳航空航天大学毕业设计（论文）III目 录1 绪论 .11.1 简介 .11.2 课题研究的内容及要求 .21.2.1 课题的主要研究的内容 .21.2.2 本系统的功能 .31.3 本文的主要
10、内容 .31.4 方案 1 .41.5 方案 2 .41.6 方案论证 .52 电阻炉温度控制系统工作原理 .62.1 温度控制总体设计方案 .62.2 温度传感器模块 .72.2.1 DS18B20 基本知识 .72.2.2 DS18B20 产品的特点 .82.2.3 DS18B20 的引脚介绍 .82.2.4 DS18B20 的 4 个主要部件 .102.2.5 温度采集模块电路图 .122.3 数据处理模块 .132.3.1 单片机的发展方向 .132.3.2 STC89C52 系列主要性能参数 .132.3.3 STC89C52 存储器配置 .172.4 温度显示模块/设定模块 .21
11、2.4.1 温度显示部分 .222.4.2 温度设定部分 .262.4.3 温度显示/设定模块电路图 .26基于单片机的电阻炉温度控制系统设计IV2.5 温度控制模块 .282.5.1 可控硅 BTA16.282.5.2 光电偶合器 MOC3021.312.5.3 温度控制模块电路图 .323 系统软件设计 .333.1 系统主程序 .333.2 温度采集子程序 .343.3 显示子程序 .343.4 温度设定子程序 .343.5 控制算法 .354 温度控制系统 Proteus 仿真 .374.1 仿真说明 .374.2 仿真结果 .374.3 结论 .39参考文献 .40致 谢 .41附录
12、 程序清单 .42沈阳航空航天大学毕业设计（论文）11 绪论1.1 简介及时准确地得到温度信息并对其进行适时的控制，在许多工业场合中都是重要的环节.水温的变化影响各种系统的自动运作，例如冶金、机械、食品、化工各类工业中，广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等，对工件的水处理温度要求严格控制。对于不同控制系统，其适宜的水质温度总是在一个范围。超过这个范围，系统或许会停止运行或遭受破坏，所以我们必须能实时获取水温变化。对于，超过适宜范围的温度能够报警。同时，我们也希望在适宜温度范围内可以由检测人员根据实际情况加以改变。单片机对温度的控制是工业生产中经常使用的控制方法。从 1976 年 Intel
13、 公司推出第一批单片机以来，80 年代单片机技术进入快速发展时期，近年来，随着大规模集成电路的发展，单片机继续朝快速、高性能方向发展。单片机主要用于控制，它的应用领域遍及各行各业，大到航天飞机，小至日常生活中的冰箱、彩电，单片机都可以大显其能。单片机将微处理器、存储器、定时/计数器、I/O 接口电路等集成在一个芯片上的大规模集成电路，本身即是一个小型化的微机系统。单片机技术与传感与测量技术、信号与系统分析技术、电路设计技术、可编程逻辑应用技术、微机接口技术、数据库技术以及数据结构、计算机操作系统、汇编语言程序设计、高级语言程序设计、软件工程、数据网络通信、数字信号处理、自动控制、误差分析、仪器
14、仪表结构设计和制造工艺等的结合，使得单片机的应用非常广泛。同时，单片机具有较强的管理功能。采用单片机对整个测量电路进行管理和控制，使得整个系统智能化、功耗低、使用电子元件较少、内部配线少、成本低，制造、安装、调试及维修方便。随着电视监视器材、计算机技术的日益发展，图形监视系统在电视系统或监控场所得到了广泛地应用。用图形来实时显示被控对象（摄像机、终端设备等）在操作过程中的状态，具有清晰明了、形象直观且可以及时处理反馈信息。它比数字仪表包含的信息量大得多，因此使现场监控人员的工作方式得到了改进，效率也由此得到了很大的提高。现场电视监控系统由实时控制系统、监视系统及管理信息系统组成。实时控制系统完
15、成实时数据采集处理、存储、反馈的功能；监视系统完成对基于单片机的电阻炉温度控制系统设计2各个监控点的全天候的监视，能在多操作控制点上自动或手动切换多路图像，能遥控前端设备，能使摄像镜头自动对焦等；管理信息系统完成各类所需信息的采集、接收、传输、加工、处理，是整个系统的控制核心。目前的图形实时监控软件通常用 VC 或 VC+开发，它具备编译各种可视化程序的功能，可以使计算机通过监控界面达到对被控对象的各种实时操控。 因此，本毕业设计选择设计一个水温控制系统，采用单片机进行控制的水温自动控制电路，使系统能简单的实现温度的控制及显示，AT89C51 单片机优秀的实时控制功能、灵活的编程能力有机的结合
16、起来，并且通过软件编程能实现各种控制算法，使系统具有控制精度高的特点，对实现对水温的自动控制，具有重大的现实意义。不但能用于学校的实验教学及其它一些研究课题的开发,同样能用于工厂多点温度的控制,提高工业企业自动化水平。1.2 课题研究的内容及要求本次的毕业设计的题目是单片机水温控制系统设计。它是多种技术知识的结合，不仅涉及到软件的设计，而且还将应用电子技术与单片机的应用技术有机结合，使其具有精度高、测量误差小、稳定性好等特点。电路板的设计技术和机械加工工艺的巧妙结合，使其具备了显示直观、体积做工精细等特点，能为它在其它领域的广泛应用打下良好的基础。因为经过我们调查发现许多应用场合原来就有测温控
17、温仪器，只是随着对生产质量与生产需要的要求在不断地提高，以往的那些测温控温的仪器根本不能满足现在的要求。其中，有部分应用场合对精度提高的幅度要求也不是特别高。因此，为了提高性价比，我所设计的系统提出在原有系统的基础上进行一些简单的改良，以此为出发点，主要阐述的是水温自动控制系统的一种实现方法。1.2.1 课题的主要研究的内容本文所要研究的课题是基于单片机控制的水温控制系统的设计，主要是介绍了对水箱温度的显示，实现了温度的实时显示及控制。水箱水温控制部分，提出了用DS18B20、STC89C52 单片机及 LCD 的硬件电路完成对水温的实时检测及显示，而炉内温度控制部分，由 DS18B20 检测
18、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 LCD 中显示。控制器是用STC89C52 单片机，用设定的算法对检测信号和设定值的差值进行调节后输出 PWM沈阳航空航天大学毕业设计（论文）3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DS18B20 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
19、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 DS18B20 供电，而且不需要额外电源。同时 DS18B20 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。而且利用本次的设计主要实现温度测试，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。而且还要以单片机为主机，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。1.2.2 本系统的功能本系统实现其具体控制功能如下：（1）能够连续测量水的温度值，用 1602LCD 液晶来显示水的实际温度。（2）能够
20、设定水的温度值，设定范围是 3090。（3）用单片机 STC89C52 控制，通过按键来控制水温的设定值，并保持恒定不变。（4）误差11.3 本文的主要内容本文中具体做了如下几方面工作：（1）水温控制系统硬件的设计水温控制系统硬件设计主要包括 STC89C51 单片机、温度传感器模块、温度控制模块、显示模块、按键模块的介绍。（2）水温控制系统软件的设计借助 Keil C51 开发工具，以 C 语言为开发语言，开发了单片机系统的温度检测与控制程序模块、对温度传感器模块、显示模块、温度控制模块进行控制，键盘导入设定的温度，使其与实际温度进行运算并输出。（3）水温控制系统的仿真基于单片机的电阻炉温度
21、控制系统设计4以 Proteus 为基础，画出电路图加载各模块，加载程序并模拟实际电路的运行状态并进行仿真。1.4 方案 1该案由单片机、模拟温度传感器 AD590、运算放大器、AD 转换器、LCD 显示电路、集成功率放大器、报警器组成。该方案采用模拟温度传感器 AD590 作为测用运算放大器交给信号进行适当的放大，最后通过模数转换器将模拟模拟信号转换成数据信号，传给单片机，单片机将温度值进行处理之后用 LCD 显示，当温度值超过设定值时开始报警。如图 1 所示：模拟温度传感器运算放大器A/D转换键盘单片机LCD 显示模块集成功放报警器图 1 方案一 温度测量系统方案框图1.5 方案 2该方案使用了 STC89C51 单片机作为控制核心，以智能温度传感器 DS18B20 为温度测量元件，通过键盘模块对温度上、下限设置。显示电路采用 LCD1602 模块，如图 2 所示：
