炉温控制系统软硬件设计.doc

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1、 毕业设计（论文） 0 摘要 随着电子技术的飞速发展，单片机在国民经济生产各行业发挥了重要的作用。它 因为集成度高、体积小、运行可靠、应用灵活、价格低、面向控制等特点得到了广大 工程技术人员和客户的好评。在温度控制方面，单片机能够代替常规的模拟调节器。 本文主要设计了单片机炉温控制系统硬件电路和软件程序。系统具工作可靠、实时性 强等特点，满足控制精度的要求。本着在满足系统性能要求的前提下，尽可能的减少 硬件成本。本文主要涉及到控制系统的硬件设计和单片机的控制软件编程。本系统选 用 AD590 对炉温进行检测，并且选用 OP07 低漂移高精度前置放大器，对信号进行放 大。在 PCF8951 完成

2、数模转换之后，8051 单片机对数据进行处理。采用分段方法控制 三台电阻炉温度。人机接口电路部分能实现温度设定、温度显示、超温报警等功能。 本设计对温度的调节时间不做说明。本文重点介绍硬件的选取与接口电路的设计、模 拟量输入通道和开关量输出通道的设计以及相应算法的软件程序编程。 关键词：单片机；炉温控制；接口电路； 毕业设计（论文） 1 Abstract With the rapid development of electronic technology，Single-chip production of various sectors in the national economy pla

3、yed an important role. It is because of the high integration, small volume, reliable operation, flexible, low price and application for control of the engineering characteristics of technical staff and customers. In temperature control, SCM can replace conventional analog regulatorThis paper designs

4、 the temperature control system of microcontroller hardware circuit and software program. With reliable work, real- time system as the control accuracy requirements. Based on system performance requirements in the premise, reduce cost of hardware. This paper involves controlling system of hardware d

5、esign and the SCM control software programming. This system choose AD590 thermocouple to test temperature and choose OP07 low drift of preamplifier to amplifiy signal. In PCF8591 complete digital-to-analog 8051 single chip microcomputer, after processing of data. Segmentation control algorithm of th

6、ree resistance furnace temperature. Can realize human-machine interface circuit of the temperature setting, temperature display, and overtemperature alarm etc. The design of temperature regulation time to do that. This paper introduces the hardware design of interface circuit and analog input channe

7、l, and channel of switching output corresponding algorithm and the design of software programming. Key words: SCM, Temperature control, Interface circuit, 目录目录 毕业设计（论文） 2 第一章第一章 前言前言1 第二章第二章 单片机在炉温控制中的应用单片机在炉温控制中的应用2 2.1 单片机与炉温控制系统2 2.1.1 单片机在温度控制系统的应用2 2.2 单片机的概述3 2.2.1 单片机的概念3 2.2.2 单片机的发展5 2.3.1

8、炉温控制的发展现状与方向7 2.3.2 炉温控制技术发展趋势7 第三章第三章 炉温控制系统软硬件总体方案炉温控制系统软硬件总体方案9 3.1 单片机控制系统设计步骤9 3.1.1 系统总体设计9 3.1.2 硬件设计10 3.1.3 软件设计11 3.1.4 软件与硬件的调试11 3.2 单片机炉温控制系统总体设计11 3.2.1 确定控制任务11 3.3 软件程序总体流程图13 第四章第四章 微处理器的选用及原理微处理器的选用及原理14 4.1 单片机的介绍14 4.1.1 单片机控制系统的概念14 4.1.2 MCS-51 单片机14 4.1.3 MCS-51 单片机引脚18 4.2 复位

9、及其复位电路20 4.2.1 复位操作20 4.2.2 复位电路21 4.3 单片机炉温控制系统主机系统的设计22 第五章第五章 人机接口电路设计人机接口电路设计23 毕业设计（论文） 3 5.1 LED 显示电路设计23 5.1.1 LED 数码显示管23 5.1.2 LED 数码显示方式25 5.1.3 显示管与单片机的接口设计26 5.2 温度设定电路设计28 5.2.1 拨码盘28 5.3 打印机及接口设计30 5.4 故障报警接口设计31 5.4.1 蜂鸣器31 第六章第六章 模拟量输入通道模拟量输入通道 AIAI 及接口设计及接口设计34 6.1 模拟量输入通道简介34 6.1.1

10、 模拟量输入通道的构成特点34 6.1.2 模拟量输入通道的组成35 6.2 模拟量输入通道的设计35 6.2.1 模拟量输入通道设计中应考虑的问题35 6.2.2 模拟量输入通道硬件设计36 6.3 器件的选择37 6.3.1 传感器的选择37 6.3.2 放大器的选择37 6.3.3 多路模拟开关的选择39 第七章第七章 开关量输出通道及接口设计开关量输出通道及接口设计45 7.1 开关量输出通道简介45 7.1.1 开关量输出通道的传递特点45 7.1.2 开关量输出通道的结构45 7.2 开关量输出通道的设计46 7.2.1 开关量输出通道设计中应考虑的问题46 7.2.2 开关量输出

11、通道硬件设计47 7.3 器件的选择48 7.3.1 光电隔离器的选择48 毕业设计（论文） 4 7.3.2 双向可控硅49 第八章第八章 单片机炉温单片机炉温 PIDPID 控制系统软件程序设计控制系统软件程序设计51 8.1 软件控制决策与总体方案设计51 8.2 主程序和中断服务子程序设计52 8.2.1 主程序设计52 8.2.2 定时器 T0 中断服务子程序52 8.3 子程序设计53 8.3.1 温度检测子程序 SAMP 设计53 8.3.2 数字滤波子程序 FILTER 设计55 8.3.3 标度变换子程序设计56 8.3.4 温度控制子程序设计57 8.3.5 PID 子程序设

12、计58 第九章第九章 技术经济分析技术经济分析65 第十章第十章 结论结论66 参考文参考文献献67 致辞致辞68 附录一 中文译文 附录二 外文资料原文 附录三 系统功能框图 附录四 系统硬件电路图 毕业设计（论文） 0 炉温控制系统软硬件设计炉温控制系统软硬件设计 第一章第一章 前言前言 温度是工业对象中一个主要的被控参数，它是一种常见的过程变量，因为它直接 影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形，结晶以及空气流 动等物理和化学过程。温度控制不好就可能引起生产安全，产品质量和产量-等一系列 问题。温度控制是许多设备的重要的构成部分，它的功能是将温度控制在所需要的温 度范

13、围内，以利于进行工件的加工与处理。不论是在生活中还是在工业生产过程中， 温度的变化对生活、生产的某些细节环节都会造成不同程度的影响，所以适时地对温 度进行控制具有重要的意义。 而对于现代工业中不同生产情况和工艺要求，所采用的加热方式、燃料、控制方 案等也不尽相同。如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热 炉、热处理炉、反应炉等；燃料有煤气、天然气、油、电等；控制方案有直接数字控 制(DDC)，推断控制，预测控制，模糊控制(Fuzzy)，专家控制(Expert Control)，鲁棒控 制(Robust Control)，推理控制等。 一直以来，人们采用了各种方法来进行温度控制

14、，都没有取得很好的控制效果。 起先由于电阻炉的发热体为电阻丝，传统方法大多采用仪表测量温度，并通过控制交 流接触器的通断时间比例来控制加热功率。由于模拟仪表本身的测量精度差，加上交 流接触器的寿命短，通断比例低，故温度控制精度低，且无法实现按程序设定的升温 曲线升温和故障自诊断功能，因此要对传统的温度控制方法进行改造。如今，随着以 微机为核心的温度控制技术不断发展，用微机取代常规控制已成必然，因为它确保了 生产过程的正常进行，提高了产品的数量与质量，减轻了工人的劳动强度以及节约了 能源，并且能够使加热对象的温度按照某种指定规律变化。而且微型计算机在智能温 度测量和控制电器中的控制作用是一种智能

15、行为，所以，它在能量消耗上是比较少的 ，和普通仪表温度测量相比，智能温度测量与控制电器是一种节能电器。这不但对用 户来说具有很大的意义，而且对整个社会来说都是有重大意义的1。 本设计通过对单片机炉温控制系统的设计来提高劳动生产率，降低劳动强度。同 时通过本设计来全面检验大学期间所学的专业知识，提高分析问题，解决问题及理论 联系实际的能力。 毕业设计（论文） 1 第二章第二章 单片机在炉温控制中的应用单片机在炉温控制中的应用 2.12.1 单片机与炉温控制系统单片机与炉温控制系统 2.1.12.1.1 单片机在温度控制系统的应用单片机在温度控制系统的应用 单片机具有集成度高，运算快速快，体积小、

16、运行可靠，价值低廉，因此在过程 控制、数据采集、机电一体化、智能化仪表、家用电器以及网络技术等方面得到广泛 应用，本文主要介绍单片机在炉温控制中的应用。 在工业生产中，有很多行业有大量的加热设备，如用于热处理的加热炉、用于熔 化金属的坩埚炉，以及各种不同用途的加热炉，反应炉，这样温度就成为了工业对象 中一种重要的被测控对象，但是由于炉子的种类，用途不同，因此，采用的加热方法 及燃料也就不同，如煤气、天然气、油、电等，但究其控制系统本身的动态特性而言， 基本上都是一阶纯滞后环节。 实践证明，用于工业生产中的炉温控制的微机控制系统具有高精度、功能强、经 济性好的特点，无论在提高产品质量还是产品数量

17、，节约能源，还是改善劳动条件等 方面都显示出无比的优越性。 2.1.22.1.2 单片机在本设计中的应用单片机在本设计中的应用 在工业生产过程中，温度是最基本的工艺参数之一，因此对温度实现自动控制是 生产自动化的重要任务之。 本系统以 MCS-51 单片机为核心构成一个智能炉温控制系统，具有对电炉温度的 定时检测、实时控制和调节，参数显示和打印，存储必要的信息等功能。通过操作键 盘，可在线修该给定值和控制参数，并进行手动、自动的切换。 本系统主要由单片机应用系统主机板、温度检测与信号放大模块、数字控制与同 步触发模块、晶闸管主电路及电气控制等部分组成。单片机应用系统主机板采用模块 式结构，功口

18、线和各信号设计成总线形式，应用系统的各部分，如模块、链显 模块、存储器模块、微型打印机接口、报警指示等，都通过总线插座方便地与单片机 接口，同时还配有多个接口、插口。方便用户维护、维修和进一步开发应用。系统运 行时，其给定值从键盘输入，由微机构成的数字控制器采用模糊控制算法，进行调节 运算、控制效果较好。 毕业设计（论文） 2 Dcdt 控制器 可控硅输 出部分 电加热炉 温度变松器温度检测部件 设定值 C u I 图 2-1 单片机炉温控制系统结构图 2.22.2 单片机的概述单片机的概述 2.2.12.2.1 单片机的概念单片机的概念 微型计算机的出现，给人类生活带来了根本性的变化，它使现

19、代科学研究产生了 质的飞跃。而单片机技术的出现则是给现代工业测控领域带来了一次新的技术革命。 它在工业控制、数控采集、智能化仪表、办公自动化等诸多领域得到了极为广泛的应 用，可以毫不夸张地说，单片机技术的开发和应用水平已逐步成为一个国家工业发展 的标志之一。 单片微型计算机(Single Chip Micro Computer)简称单片机，它是把组成微型计算机 的各功能部件：中央处理单元 CPU、一定容量的随机存储器 RAM 和只读存储器 ROM、I/O 接口电路、定时器/计数器以及串行口等制作在一块芯片中的计算机。由于 单片机的硬件结构与指令系统的功能都是按工业控制要求而设计的，常用在工业检

20、测、 控制装置中，因而也称为微控制器（MicroController） 。它具有结构简单、控制功能 强、可靠性高、体积小、价格低等特点。从家用电器、智能化仪器、工业控制直到火 箭导航尖端技术领域都发挥着十分重要的作用。 由于单片机在应用时通常是处于被控系统的核心地位并融入其中，即以嵌入的方式进 行使用，为了强调其“嵌入”的特点，也常常将单片机称为嵌入式微控制器（EMCU） 。 通用单片机和专用单片机 根据控制应用的需要，可以将单片机分成为通用型和专用型两种类型。 通用型单片机是一种基本芯片，它的内部资源比较丰富，性能全面且适用性强，能覆 盖多种应用需求。用户可以根据需要设计成各种不同应用功能的

21、控制系统，即通用单 片机有一个再设计的过程。 毕业设计（论文） 3 专用单片机芯片是针对一种产品或一种控制应用而专门设计的，设计时已经对系统结 构的最简化、软硬件资源利用的最优化、可靠性和成本的最佳化等方面都作了通盘的 考虑和论证，所以专用单片机具有十分明显的综合优势。例如电度表和 IC 卡读写器上 的单片机等。 单片机与单片机系统 前面已经提到：单片微型计算机简称单片机，它是指把组成微型计算机的各功能 部件集成在一个芯片上构成一个完整的微型机，从而实现微型计算机的基本功能。单 片机的内部结构示意图如图 1-1 所示 。 图 22 单片机的内部结构示意图 单片机实质上是一个芯片，在实际应用中通

22、常很难将单片机直接和受控对象进行电气 连接，必须外加各种扩展接口电路以及外部设备。 单片机系统则是在单片机芯片的基础上扩展其它电路或芯片构成的具有一定应用功能 的计算机系统。在单片机系统中，单片机处于核心地位，是构成单片机系统的硬件和 软件基础。 单片机应用系统与单片机开发系统 单片机应用系统是以单片机为核心，配以输入、输出、显示、测量和控制等外围 电路和软件，能实现一种或多种功能的实用系统。单片机应用系统是为控制应用而设 计的，该系统与控制对象结合在一起使用，是单片机开发应用的成果。一个单片机的 应用系统，除了有单片机芯片以外，还有许多其它外围电路。单片机应用系统是由硬 件和软件组成的。硬件是单片机应用系统的基础，软件则是在硬件的基础上对其资源 进行合理调配和使用，从而完成应用系统所要求的任务。硬件和软件二者相互依赖， 缺一不可。单片机应用系统的组成示意图如图 1-2 所示。 毕业设计（论文） 4 单 片 机 D/A 功率放大被控对象 对象状态检测信号放大 A/D LED显示键盘 图 23 单片机应用系统的硬件结构 单片机开发系统是单片机应用系统开发调试的工具。主要有： 逻辑分析仪：只能用于简单的单片机系统； 微型计算机：用于复杂的单片机系统； 在线仿真器：进行单片