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1、 31摘 要随着计算机技术、控制理论和控制技术的发展，电加热炉的温度控制技术日趋成熟，已经成为工业生产中的一个重要部分。为适应这一需要有必要设计一个性能良好、 操作方便的温度控制系统。课题主要设计一个炉温测控系统 ，控制锅炉中水的温度，选择合适的控制规律，使锅炉中水的温度按预定规律变化，并且能够进行越限报警。可通过键盘可显示电路设定目标温度和参数。本设计为基于AT89C51单片机的电加热炉温度控制系统，通过控制电阻丝的两端电压的工作时间，来控制电阻丝的输出平均功率，从而实现对电加热炉温度的自动控制。系统分为温度测量、A/D转换、单片机系统、键盘操作系统、温度显示电路、报警电路、D/A转换等若干
2、个功能模块。该系统具有硬件成本低，控温精度较高，可靠性好，抗干扰能力强等特点。关键词：电加热炉；单片机；温度控制；摘 要I第一章 绪 论11.1 本设计选题意义11.2 炉温控制国内外发展趋势11.3 本设计主要工作任务2第2章 系统总体设计32.1 系统总体的结构图32.2 温度控制元器件选择3第二章 系统的硬件设计63.1单片机最小系统63.1.1 时钟电路83.1.2 复位电路93.1.3看门狗电路93.1.4单片机扩展电路设计103.1.5电源电路设计122.2 数据采集电路132.3 键盘显示电路142.4 LED报警电路162.5 温度控制电路17第4章 温控系统的软件设计184.
3、1 主程序流程图184.2 键盘扫描和译码过程的流程图194.3 通道数据采集的流程图19结 论21参考文献22附 录23第一章 绪 论1.1 本设计选题意义随着现代科学技术的迅猛发展，各个领域对温度控制系统的精度、稳定性等的要求越来越高，控制系统也千变万化。例如：在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制等等。而且在我们的日常生活中也使用微波炉、电阻炉、电热水器、空调等家用电器，温度与我们息息相关。可见温度控制电路广泛应用于社会生活的各个领域，所以对温度进行控制是非常有必要和有意义的。随着电炉
4、广泛应用于各行各业， 其温度控制通常采用模拟或数字调节仪表进行调节，但存在着某些固有的缺点。而采用单片机进行炉温控制，不仅可以大大地提高控制质量和自动化水平，而且具有良好的经济效益和推广价值。为适应以上现实需要有必要设计一个基于单片机的性能良好、 操作方便的温度控制系统。1.2 炉温控制国内外发展趋势自1980年以来，由于工业过程控制的需要，特别是微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度测控系统发展迅速，尤其是控制方面，在智能化、自适应、参数自整定等方面取得显著成果。在这方面，以日本、美国、德国、瑞典等国家技术领先，都生产出了一批商品化、性能优异的温度控
5、制仪表，并在各行业广泛应用。其特点是适应于大惯性、大滞后等复杂温度测控系统，具有参数自整定功能和自学习功能，即温控器对控制对象、控制参数及特性进行自动整定，并根据历史经验及控制对象的变化情况，自动调整相关控制参数，以保证控制效果的最优化。温度控制系统具有控制精度高、抗干扰力强等特点。目前，国外温度控制仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方向发展。电阻炉是热处理生产中应用最广泛的加热设备，它在机械，冶金等行业的生产中占有十分重要的地位。对电阻炉温度控制的好坏直接影响工艺要求的温度水平和加热质量，以致直接影响产品的质量、产量和生产消耗指标，所以国内外关于电阻炉自动控制的研究一直备受重视，发展比较快，
6、也取得了较为丰硕的成果。总的来说，电阻炉温度控制的发展分为以下三类：1.3 本设计主要工作任务本课题设计在对各类温度传感器原理介绍的基础上，根据本课题设计实际的任务要求，完成温度传感器芯片的选型，系统芯片的选择，并设计电源电路、显示接口电路、键盘电路、报警电路、时钟电路、单片机与上位机通信电平转换电路。系统开始工作后，根据初始条件读取温度值，测量数据经处理后，将其与设定的温度值比较，如果发现当前的温度超限，则发出报警信号，未超限时，系统显示正常的温度度值，并在达到设定的恒温温度时开始恒温计时。根据设定的算法计算出控制量，根据控制量来控制固态继电器的导通和关闭从而控制电阻丝的导通时间，以实现对炉
7、温的控制3。第2章 系统总体设计2.1 系统总体的结构图本系统结构框如图2.1所示，系统由AT89C51单片机、温度检测电路、模数转换电路、温度控制电路、8279键盘显示器等组成。炉内温度由热电阻测温元件和电阻元件构成的桥式电路测量并转换成电压信号送给放大器的输入端，使信号变成0-5V电压信号，将信号送入A/D转换器，将此数字量经过数字滤波，标度转换后，一方面通过LED将炉温显示出来；另一方面，将该温度值与被测温度值比较，根据其偏差值的大小，采用比例微分控制（PID控制），通过固态继电器控温电路控制电炉丝的加热功率大小，从而控制电炉的温度，使其逐渐趋于给定值且达到平衡。预期达到的性能指标如下：
8、（1）可测控的温度范围01000 ；（2）实时显示温度、越限报警；（3）控制精度2 ，显示精度1；（4）实现一炉多点检测，并可扩展多炉多点检测。图2.1 系统结构框图2.2 温度控制元器件选择第一：单片机温度控制系统中的重要环节就是温度检测元件的选择以及测温电路的设计。一般测量电路由测温元件、信号调理电路、信号放大器等组成。本次设计采用的是pt100型铂电阻温度传感器，因其测量范围大，复现性好，稳定性强等特点而被广泛使用。放大器则选用单芯片高精度集成AD522。放大器AD522是AD公司推出的高精度数据采集放大器，利用它可在恶劣的环境下获得高精度的数据。它的线性好，具有较高的共模抑制比、低电压
9、漂移和低噪声的优点。图2.2 AD522芯片AD522采用14脚DIP封装，图2.2给出了AD522的引脚排列，表1给出了各引脚的功能说明。表2.1 AD522芯片引脚功能图引脚名称功能1+INPUT正输入端2R GAIN增益补偿端3-INPUT输入端4NULL空端5V-负电源端6NULL空端7OUTPUT输出端8V+正电源端9GND地参考端10NC不接11REF参考端12SENSE补偿端13DATA GUARD数据保护端14R GAIN增益补偿端第二：桥式测量电路设计测量电路由测温元件和电阻元件构成的，如图2.3所示，此电路为典型的桥式测量电路，可在低电压、高阻抗、大噪声的环境中获得最佳性能
10、。2图2.3 桥式测量电路该桥式电路能够把温度变化所引起的热电阻阻值的变化转换成电压信号送给放大器的输入端，由于铂电阻安装在内，通过长导线接入控制台，为了减少引线电阻的影响采用三线制接法。AD522是高精度集成放大器，AD522的第1引脚和第3引脚为信号差动输入端；第2、14引脚外接电阻RG用于调整放大倍数；第4、6引脚为条零端；第13引脚为数据屏蔽端；第12脚为测量端；第11脚为参考端；这两端的电压差即为加到负载上的电压信号。使用时，测量端与OUT输出端（第7脚）在外部相连接，输出放大后的信号。将信号地与放大器的电源地（第9脚）相连接为放大器的偏置电流提供通路。 第二章 系统的硬件设计3.1
11、单片机最小系统本模块采用51系列单片机作为核心处理器。单片机控制系统基本由最小系统和外围信号I/O口组成，其中最小系统包括电源（地），CPU时序电路（一般使用11.0592M或者12M和30P电容组成），复位电路、看门狗电路。有了以上三块，单片机就能够正常工作。 图3-1 AT89C51芯片图管脚说明：VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于 外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原
12、码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的
13、高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2/INT0（外部中断0）P3.3/INT1（外部中断1）P3.4T0（记时器0外部
14、输入）P3.5T1（记时器1外部输入）P3.6WR（外部数据存储器写通）P3.7RD（外部数据存储器读通）P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。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。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
