【正文】 畢 業(yè) 設 計 (論 文)題 目 加熱爐溫度控制器的設計 摘 要本文主要從硬件和軟件兩方面介紹了如何運用MCS51單片機設計加熱爐的溫度控制系統(tǒng)，說明了怎么實現(xiàn)對加熱爐溫度的控制，并對硬件原理圖和程序流程圖作了簡潔的描述。還介紹了在加熱爐溫度控制系統(tǒng)的軟硬件設計中的一些主要技術關鍵環(huán)節(jié),該系統(tǒng)主要以AT89C51單片機為核心,由LED顯示電路，鍵盤輸入電路，溫度檢測電路,模/數(shù)轉換電路, 過零檢測電路, 報警與指示電路, 光電隔離與功率放大電路等構成。但用AT89C51單片機設計的溫度檢測電路是本次設計的主要內(nèi)容，是整個單片機溫度控制系統(tǒng)設計中不可缺少的一部分，該系統(tǒng)對溫度進行了實時采集與檢測。本設計介紹的單片機溫度自動控制系統(tǒng)的主要內(nèi)容包括：系統(tǒng)方案、元器件選擇、系統(tǒng)理論分析、硬件設計、軟件設計、系統(tǒng)調試及主要技術性能參數(shù)。關鍵詞：單片機 溫度傳感器 溫度檢測 溫度控制 PID算法AbstractThe design of singlechip’s temperature control system is introduced from hardware and software, and simply explains how to actualize the temperature control. The hardware principle and software case fig are described. Some important techniques in a design scheme of the hardware and the software of the temperature control by singlechip microputer are introduced. The system mostly takes 89C51 singlechip microputer as core, it is structured by temperature testing circuit, A/D switch circuit, zero passage testing circuit, warning and indication circuit, opticalelectrical isolation and power amplifier circuit and so on.The main content of this design is temperature testing circuit that uses AT89C51 singlechip microputer .It is a part of the whole design that cannot be lacked. The system is used to collect and control temperature in real time. The temperature automatic control system based on singlechip microputer is described in the article including system scheme，parts of an apparatus choice, theoretical analysis，the design of hardware and software, system testing，and the main technical performance parameters． Key Words：Single—Chip Microputer Temperature sensor Temperature collecting Temperature controlling PID algorithm 目 錄1 前言 12 系統(tǒng)方案設計 2 課題要求與內(nèi)容 2 總體方案設計 2 系統(tǒng)結構 3 具體設計考慮 3 硬件和軟件功能劃分 43 系統(tǒng)硬件的設計 5 微處理器 5 溫度檢測電路設計 6 溫度控制電路設計 10 12 134 系統(tǒng)軟件的設計 16 軟件設計概述 16 程序的總體設計 16 系統(tǒng)資源分配 16 17 17 按鍵處理子程序 18 標度變換 20 20 定時中斷子程序 22 PID控制算法 23 控制面板的設計 26 控制面板的介紹 26 控制面板的功能 275 系統(tǒng)調試 285．1 硬件調試方法 285．1．1 聯(lián)機調試 285．1．2 脫機調試 295．2 軟件調試方法 29結 論 31致 謝 32參考文獻 33附 錄 34 1 前 言 電加熱爐隨著科學技術的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)水平的提高，已經(jīng)在冶金、化工、機械等各類工業(yè)控制中得到了廣泛的應用，并且在國民經(jīng)濟中占有舉足輕重的地位。對于這樣一個具有非線性、大滯后性、大慣性、時變性、升溫單向性等特點，很難用數(shù)學方法建立精確的數(shù)學模型，因此用傳統(tǒng)的控制理論很難達到良好的控制效果。所以我們要開發(fā)一種新的控制系統(tǒng)，不用建立數(shù)學模型就能對被測對象進行良好的控制。近年來，由于單片機技術的運用與發(fā)展以及各種先進控制理論的形成，為我們開拓新的控制技術提供了條件?，F(xiàn)在很多控制系統(tǒng)的核心都是單片機，因為單片機的體積小、價格低廉、可靠性高，可用其構成計算機控制系統(tǒng)中的智能控制單元, 受到廣大工程技術人員的重視。因此，加熱爐的溫度控制系統(tǒng)以單片機為核心，運用先進的控制算法如：PID控制算法，就可以省去建立繁瑣的數(shù)學模型，而且控制系統(tǒng)更加穩(wěn)定與精確。本次設計的加熱爐溫度控制系統(tǒng)正是以單片機為核心，運用PID控制算法進行控制。其中，PID是比例（P）、積分（I）和微分（D）3個控制作用的組合。它的控制過程為：將被測參數(shù)即溫度值，由傳感器變換成統(tǒng)一的標準信號送入調節(jié)器。在調節(jié)器中，與給定值進行比較，然后把比較出的差值經(jīng)PID運算后送到執(zhí)行機構，改變進給量，以達到調節(jié)的目的。這種控制算法的特點為：（1） 一機多用。由于計算機運行速度快，被控對象變化一般比較慢，因此，用一臺計算機可以控制幾個到幾十個回路，進而大大的節(jié)省設備費用。（2） 控制算法靈活。使用計算機不僅能實現(xiàn)經(jīng)典的PID控制，而且還可以采用直接數(shù)字控制。（3） 可靠性高。由于計算機控制算法是用軟件編寫的一段程序，因此比硬件組成的調節(jié)器具有更高的可靠性，且系統(tǒng)維護簡單。（4） 可改變調節(jié)品質，提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和質量。（5） 生產(chǎn)安全，可改善工人勞動條件。本系統(tǒng)的設計依據(jù)實際生產(chǎn)需要，具有很高的實際應用價值，且系統(tǒng)結構簡單，能夠進行大批量生產(chǎn)。2 系統(tǒng)方案設計 課題要求與內(nèi)容溫度是工業(yè)控制中主要的被控參數(shù)之一，特別是在冶金、化工、建材、食品、機械等工業(yè)中，具有舉足重輕的作用。對于不同場所、不同工藝、所需溫度高低、范圍不同、精度不同，采用的測溫元件、測溫方法以及對溫度的控制方式也有所不同；產(chǎn)品工藝不同、控制溫度的精度不同、時效不同，則對數(shù)據(jù)采集的精度和采用的控制算法也不同，因而，對溫度的測控方法多種多樣。隨著電子技術和微型計算機的迅速發(fā)展，微機測量和控制技術也得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應用。利用微機對溫度進行測控的技術，也便隨之而生，并得到日益發(fā)展和完善，越來越顯示出其優(yōu)越性?，F(xiàn)在我們完全可以運用單片機和電子溫度傳感器對某處進行溫度檢測，而且我們可以很容易地做到多點的溫度檢測，如果對此原理圖稍加改進，我們還可以進行不同地點的實時溫度檢測和控制。本次設計：加熱爐溫度控制系統(tǒng)的設計，正是運用單片機和溫度傳感器對溫度進行控制。本次設計的內(nèi)容為：以89C51單片機為核心，運用PID控制算法，設計加熱爐溫度控制系統(tǒng)，用于進行金屬的熱處理。工業(yè)中金屬的熱處理是將金屬工件放在一定的介質中加熱到適宜的溫度，并在此溫度中保持一定時間后，又以不同速度冷卻，通過改變金屬材料表面或內(nèi)部的組織結構來控制其性能的一種工藝。金屬熱處理是機械制造中的重要工藝之一，與其他加工工藝相比，熱處理一般不改變工件的形狀和整體的化學成分，而是通過改變工件內(nèi)部的顯微組織，或改變工件表面的化學成分，賦予或改善工件的使用性能。為使金屬工件具有所需要的力學性能、物理性能和化學性能，除合理選用材料和各種成形工藝外，熱處理工藝往往是必不可少的。而進行金屬熱處理最主要的設備為加熱爐。因此，本次設計的溫度控制器主要應用于熱處理加熱爐。根據(jù)工藝要求，系統(tǒng)需實現(xiàn)如下功能和指標：1. 加熱爐的溫度控制范圍為0～1000℃。2. 鍵盤輸入預定溫度值并實時顯示當前溫度值，保留一位小數(shù)。3. 設定溫度上下限，并有越限報警功能。4. 控制參數(shù)可隨時修改。5. 溫度控制誤差范圍≤177。10℃。6. 采用溫度檢測裝置，對加熱爐內(nèi)溫度進行實時檢測。7. 采用PID控制算法，滿足溫度控制要求。 總體方案設計根據(jù)加熱爐的功能和指標要求，本系統(tǒng)可以從元件級開始設計，選用89C51單片機為主控機。通過連接外圍控制電路，實現(xiàn)對加熱爐溫度的測量和控制。 系統(tǒng)結構該系統(tǒng)以89C51單片機為核心，由溫度傳感器、運算放大器、A/D轉換器、輸入光電隔離、驅動電路、鍵盤、LED顯示電路共同組成。在系統(tǒng)中，溫度的設置、溫度值及誤差顯示、控制參數(shù)的設置、運行、暫停及復位等功能由鍵盤及顯示電路完成。溫度傳感器把測量的電阻爐溫度信號轉換成弱電壓信號，經(jīng)過信號放大電路，送入低通濾波電路，以消除噪音和干擾，濾波后的信號輸入到A/D轉換器，轉換成數(shù)字信號輸入89C51單片機。下圖為加熱爐溫度控制系統(tǒng)框圖：單 片 機鍵盤顯示電壓同步信號驅動器光電隔離晶閘管加 熱 器加 熱 器單 片 機A/D轉換器運算放大器溫度傳感器 圖21 加熱爐溫度控制系統(tǒng)框圖 具體設計考慮具體設計如下：由于溫度測量范圍為0～1000℃，溫度控制精度要求高，溫度控制范圍大，因此采用K型熱電偶溫度傳感器進行溫度測量。并選用K型熱電偶信號放大器MAX6675對熱電偶檢測的溫度信號進行放大。溫度顯示由四路LED顯示電路組成，實時顯示加熱爐內(nèi)溫度值并能顯示溫度給定值及各種參數(shù)值。進行各種操作時有必要的聲、光提示。本系統(tǒng)通過改變雙向可控硅的導通角實現(xiàn)對溫度的控制。溫度設定值及溫度控制的各種參數(shù)由鍵盤輸入。采用PID控制算法實現(xiàn)對溫度的控制。利用X5054作為本系統(tǒng)的看門狗。為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，采用MOC3021對執(zhí)行原件與單片機進行光電隔離。出于系統(tǒng)安全考慮，需設定溫度上下限，溫度上下限由鍵盤輸入，并可隨時進行修改，并有越限報警功能。 硬件和軟件功能劃分：A、測量電路，應包括溫度傳感器、放大器、A\D轉換及接口。B、溫度控制電路，包括開關量輸出和電阻絲的驅動。C、溫度給定電路,主要通過鍵盤輸入。D、溫度顯示電路。由4位LED顯示電路組成。E、報警電路。：A、溫度檢測，應包括定時采樣和軟件慮波。B、溫度控制的實現(xiàn)，即根據(jù)溫度給定值和采樣值的大小，決定電阻絲的通斷，從而影響加熱溫度。C、利用定時器定時，以滿足采樣周期的要求。D、顯示溫度。E、輸出報警信息。3 系統(tǒng)硬件的設計 微處理器在總體方案確定之后，首要的任務是選擇一臺合適的微型計算機。雖然現(xiàn)在的微型計算機種類很多，但是所選的微型計算機必須符合本次設計的具體要求。本次設計的溫度控制系統(tǒng)精度較高，需要的I/O接口也比較多，因此采用AT89C51單片機作為本系統(tǒng)的微處理器。AT89C51是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內(nèi)含2個外中斷口，2個16位可編程定時計數(shù)器，2個全雙工串行通信口。片內(nèi)含4k bytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），可以按照常規(guī)方法進行編程，也可以在線編程。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容標準MCS51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，內(nèi)置功能強大的微型計算機的AT89C51提供了高性價比的解決方案。因此此單片機完全能滿足溫度控制系統(tǒng)的要求。AT89C51的主要特性如下： 壽命達1000寫/擦循環(huán) 數(shù)據(jù)保留時間：10年 全靜態(tài)工作：0Hz－24MHz 三級程序存儲器鎖定 1288位內(nèi)部RAM 32可編程I/O線 2個16位定時器/計數(shù)器 6個中斷源 可編程串行通道 低功耗閑置和掉電模式 1片內(nèi)振蕩器和時鐘電路89C51單片機的接法及引腳功能為:VCC（40）：接＋5V電源 GND（20）：接地P0口（39－32）：P0口為8位漏極開路雙向I/O口，每個引腳可吸收8個TTL門電流。 P1口（1－8）：P1口是從內(nèi)部提供上拉電阻器的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收和輸出4個TTL門電流。 P2口（21－28）：P2口為內(nèi)部上拉電阻器的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收和輸出4個TTL門電流。 P3口（10－17）：P3口是8個帶有內(nèi)部上拉電阻器的雙向I/O口，可接收和輸出4個TTL門電流，P3口也可作為AT89C51的特殊功能口。 RST（9）