电加热炉温度控制系统设计.doc

1、电加热炉温度控制系统设计1电加热炉温度控制系统设计1.设计的意义：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。2.方案的设计：要求利用所学过的知识设计一个温度控制系统,加热炉温度检测，到设定温度后，进行保温控制. 要想达到技术要求的内容，用到的器件有：单片机、温度传感器、LCD 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

2、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。原理图如下图 1：图 1 电加热炉温度控制系统原理图22.1 硬件选择：1.单片机这里选用 AT89C52 单片机作为控制系统的处理器。A T89C52 是 一 种 带 4K字 节 闪 存 可 编 程 可 擦 除 只 读 存 储 器 的 低 电 压 、 高 性 能 CMOS 8 位 微 处 理 器 。2.温度传感器温 度 传 感 器 有 很 多 种 型 号 ， 这 里 我 选 用 DS18B20 温 度 传 感 器 。 数字温度传感器 DS1

3、8B20 具有独特的单总线接口方式，支持多节点，使分布式温度传感器设计大为简化。测温时无需任何外围原件，可以通过数据线直接供电，具有超低功耗工作方式。测温范围为-55 到+125 摄氏度，可直接将温度转换值以16 位二进制数字码的方式串行输出，因此特别适合单线多点温度测量系统。由于传输的是串行数据，可以不需要放大器和 A/D 转换器，因而这种测温方式大大提高了各种温度测控系统的可靠性，降低了成本，缩小了体积。3 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

4、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 。2.2 电路设计方法：1 显

5、示 部 分 电 路显 示 电 路 截 图 如 下 图 所 示 ：V/W67G图 2 显 示 部 分 电 路 图3这 里 我 选 用 LCD1602 液 晶 显 示 屏 作 为 系 统 的 显 示 器 件 ， 如 图 所 示 ，LCD1602 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 ， 这 里 我 们 将它 与 单 片 机 的 P0 口 连 接 。在 显 示 屏 上 显 示 的 内 容 包 括 设 定 的 温 度 值 S

6、ET、 传 感 器 检 测 到 的 环 境 温度 SA 以 及 时 钟 ， 这 个 时 钟 是 可 以 调 整 的 ， 这 样 方 便 工 作 人 员 在 对 系 统 进 行操 作 时 有 一 个 时 间 概 念 。2 温 度 检 测 电 路温 度 传 感 器 与 单 片 机 的 连 接 情 况 如 下 图 所 示 。VI/OGNBKR图 3 温 度 检 测 电 路 图温 度 传 感 器 18B20 将 检 测 到 的 环 境 实 时 温 度 进 行 A/D 转 换 和 放 大 ， 然后 串 行 送 入 单 片 机 P1.7 口 ， 便 于 单 片 机 将 此 数 值 与 设 定 的 温 度

7、值 进 行 比 较 ，然 后 先 做 出 相 应 反 应 。 在 仿 真 时 ， 我 们 只 能 通 过 按 18B20 上 的 加 减 按 钮 来调 节 实 时 温 度 ， 是 一 个 模 拟 的 过 程 。3 键 盘 电 路键 盘 电 路 如 下 图 所 示 。4图 3 键 盘 电 路 图这 里 减 排 设 计 得 比 较 简 单 ， S0 键 是 切 换 调 整 对 象 的 ， 调 整 对 象 包 括 时 、分 、 温 度 设 定 值 三 项 ， S1 键 是 向 上 加 调 整 对 象 的 值 ， S2 键 是 向 下 减 调 整 对象 的 值 ， S3 键 是 打 开 和 关 闭 系

8、 统 自 动 调 节 功 能 的 开 关 键 。4电气开关及工作电路电 器 开 关 及 工 作 电 路 如 下 图 所 示 。图 2.4 电 气 开 关 及 工 作 电 路 图5如 图 所 示 ， 光 电 耦 合 器 1 脚 接 电 源 ， 2 脚 接 单 片 机 P2.7 脚 。 工 作 过 程用 以 下 三 个 阶 段 来 描 述 ：（ 1） 单 片 机 将 温 度 传 感 器 送 入 的 值 与 设 定 值 进 行 比 较 ， 若 送 入 值 小 于 设定 值 ， 则 P2.7 脚 保 持 高 电 平 ， 这 样 发 光 二 极 管 不 发 光 ， 光 敏 晶 体 管 保 持 高阻 态

9、， 继 电 器 也 不 会 工 作 ， 电 动 机 和 灯 泡 维 持 导 通 ， 相 当 于 电 炉 继 续 加 热 ，指 示 灯 亮 ；（ 2） 一 旦 送 入 值 比 设 定 值 大 ， 单 片 机 将 会 控 制 P2.7 脚 变 为 低 电 平 ，发 光 二 极 管 导 通 发 光 ， 光 敏 晶 体 管 受 光 照 影 响 导 通 ， 继 而 继 电 器 工 作 ， 电 磁铁 将 单 刀 双 掷 开 关 吸 向 左 端 ， 使 电 动 机 和 灯 泡 同 时 停 止 工 作 ， 这 就 相 当 于 电炉 断 电 ， 停 止 加 热 ；（ 3） 电 炉 短 路 一 段 时 间 后 ，

10、 必 然 导 致 炉 温 降 低 ， 而 温 度 传 感 器DS18B20 在 不 间 断 地 检 测 炉 温 ， 当 检 测 值 低 于 设 定 值 后 ， 单 片 机 又 控 制 P2.7脚 恢 复 高 电 平 ， 光 电 耦 合 器 恢 复 高 阻 态 ， 继 电 器 断 电 ， 单 刀 双 掷 开 关 被 弹 回右 端 ， 电 动 机 和 灯 泡 又 开 始 工 作 ， 这 相 当 于 电 炉 从 新 开 始 加 热 。2.3 绘 制 流 程 图开始初始化 P1 口，初始化 24C64读出 24C64 保存的数据赋于 KLCD 初始化延时 500ms 启动时钟定时器 0 初始化，DS1

11、8B20 初始化6YNy YN2.4 程 序 设 计 ：由 于 整 个 程 序 工 程 量 比 较 大 ， 我 采 用 模 块 化 设 计 方 法 来 设 计 这 个 程 序 。首 先 定 义 在 后 面 将 会 用 到 的 变 量 ， 不 可 能 一 次 定 义 准 确 ， 所 以 边 定 义 边 补 充 。然 后 编 写 子 函 数 ， 包 括 LCM 初 始 化 子 函 数 、 显 示 指 定 坐 标 的 一 个 字 符 子 函数 、 ds18b20 初 始 化 函 数 、 ds18b20 延 迟 子 函 数 、 读 取 ds18b20 当 前 温 度子 函 数 、 液 晶 显 示 子

12、函 数 、 键 盘 扫 描 子 函 数 、 设 定 工 作 模 式 子 函 数 、 按 键加 法 子 函 数 、 按 键 减 法 子 函 数 、 24C02 读 写 驱 动 程 序 、 定 时 器 t0 中 断 子 函数 等 子 程 序 ， 最 后 是 主 函 数 。 (程 序 略 )2.4 调 试 和 仿 真 结 果 ：在 Keil 软 件 中 编 写 完 程 序 后 ， 编 译 生 成 .Hex 文 件 ， 单 片 机 可 以 执 行 .送入单片机进行温度值比较按键扫描、温度采集送入单片机进行温度值比较设定值=采集值？将 P2.7 口置 0设定值采集值？将 P2.7 口置 17Hex 文

13、件 。 在 Protues 软 件 中 ， 给 单 片 机 加 载 所 生 成 的 .Hex 文 件 ， 按 下 运行 按 钮 ， 系 统 开 始 仿 真由 仿 真 结 果 可 以 知 道 ， 此 次 的 设 计 基 本 成 功 。 当 采 样 温 度 低 于 设 定 值 的时 候 ， 系 统 不 会 对 电 热 炉 做 出 相 应 动 作 ， 电 热 炉 保 持 加 热 。 一 旦 采 样 温 度 高于 设 定 值 ， 系 统 就 会 做 出 反 应 ， 使 电 加 热 炉 断 电 停 止 加 热 。 当 温 度 降 下 来 后 ，系 统 又 会 自 动 控 制 电 加 热 炉 重 新 开

14、始 加 热 。 系 统 的 反 应 速 度 也 是 十 分 精 确 的 ，会 在 很 短 的 时 间 内 作 出 相 应 动 作 。 另 外 ， 由 于 在 电 路 中 加 入 了EPROM24C64， 使 得 该 系 统 具 有 掉 电 保 护 功 能 ， 来 电 后 自 动 恢 复 正 常 工 作 。 除此 之 外 ， 该 系 统 还 有 一 个 比 较 实 用 的 小 功 能 电 子 钟 ， 这 样 的 话 工 作 人 员可 以 利 用 它 准 确 掌 握 系 统 已 经 工 作 的 时 间 ， 也 就 是 说 可 以 把 它 当 做 一 个 定 时器 来 用 。 在 安 全 保 护 方

15、 面 ， 该 系 统 也 有 相 当 不 错 的 表 现 ， 由 于 使 用 了 光 电耦 合 器 和 就 电 磁 继 电 器 ， 将 强 电 部 分 和 弱 电 部 分 充 分 隔 离 ， 十 分 安 全 。 综合 以 上 分 析 ， 该 系 统 的 设 计 十 分 成 功 。3.设计的总结：本次课程设计，题目是设计一个电加热炉温度控制系统。说到电加热炉，我们都比较熟悉，在日常生活中我们经常用到，特别是冬天用它来煮火锅。我们也会发现这样一个问题，一般的电加热炉是没有温度自动控制的，当温度上升到我们需要的程度时，它仍然继续加热，这不仅会影响到加热效果，还会造成电能的浪费。那么就有必要设计一种能自动调节炉温的系统，把它应用到日常生活中，将会给人们带来极大的方便。由于温度控制系统的控制对象具有惯性大，连续性的特点。因而可以归于具有纯滞后的一阶大惯性环节。一般来说，热过程大多具有较大的滞后，它对任何信号的响应都会推迟一段时间，使输出与输入之间产生相移。对于这样一些存在大的滞后特性的过渡过程控制。解决办法可以用 PID 控制算法调节，可以使控制更加精确。