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1、 下载可编辑 辽辽 宁 工 业业 大 学学 单单片机原理及接口技术术 课课程设计设计 论论文 题题目 加热热炉温炉温度监测仪设计监测仪设计 院 系 电电气气工程学学院 专业专业班级级 测测控091 学学 号号 090301014 学学生姓名 陈陈新儒 指导导教教师师 起止时间时间 2012 06 18 2012 06 29 下载可编辑 课课程设计设计 论论文 任务务及评语评语 院 系 电气工程学院 教研室 下载可编辑 学 号090301014学生姓名 陈新儒专业班级测控091 课程设计 论文 题目 加热炉温度监测仪设计 课程设计 论文 任务 设计设计要求 1 分析系统功能 尽可能降低成本 选择
2、合适单片机 传感器等 设计相应驱 动电路和显示电路 2 应用专业绘图软件绘制硬件电路图和软件流程图 技术术参数参数 1 加热炉内温度范围为 0 1000 摄氏度 2 监测仪的测量误差不超过 5 摄氏度 3 温度只显示整数部分 进度计划 1 布置任务 查阅资料 理解掌握系统的设计要求 2 天 分散完成 2 选择适单片机 温度传感器元器件型号 1 天 实验室完成 3 绘制硬件电路图 1 天 实验室完成 4 按系统的控制要求 编写软件程序 3 天 分散 2 天 实验室 1 天 5 上机调试 修改程序 答辩 2 天 实验室完成 6 撰写 打印设计说明书 1天 分散完成 指导教师评语及成绩 平时 论文质
3、量 答辩 总成绩 指导教师签字 年 月 日 下载可编辑 注 成绩 平时20 论文质量60 答辩20 以百分制计算 下载可编辑 摘 要 本文主要从硬件和软件两方面介绍了如何运用 51 单片机设计加热炉的温度 控制系统 说明了怎么实现对加热炉温度的控制 并对硬件原理图和程序流程图 作了简洁的描述 还介绍了在加热炉温度控制系统的软硬件设计中的一些主要技 术关键环节 该系统主要以 AT89S51 单片机为核心 由 LED 显示电路 温度检测电 路 模 数转换电路 指示电路组成 但用 AT89S51 单片机设计的温度检测电路是本次设计的主要内容 是整个 单片机温度控制系统设计中不可缺少的一部分 该系统对
4、温度进行了实时采集与 检测 本设计介绍的单片机温度自动控制系统的主要内容包括 系统方案 元器 件选择 系统理论分析 硬件设计 软件设计 系统调试及主要技术性能参数 关键词 单片机 温度传感器 温度检测 下载可编辑 目 录 第 1 章 绪论 1 第 2 章 课程设计的方案 2 2 1 概述 2 2 2 系统组成总体 结构 2 第 3 章 硬件设计 3 3 1 单片机最小系统设计 4 3 2 微处理器及温度检测设计 5 3 3 看门狗及温度显示设计 8 第 4 章 软件设计 11 4 1 程序的总体设计 11 4 2 显示子程序设计 13 第 5 章 系统测试与分析 实验数据及分析 15 第 6
5、章 课程设计总结 16 参考文献 17 附录 18 附录 19 下载可编辑 第 1 章 绪 论 加热炉随着科学技术的发展和工业生产水平的提高 已经在冶金 化工 机 械等各类工业控制中得到了广泛的应用 并且在国民经济中占有举足轻重的地位 对于这样一个具有非线性 大滞后性 大惯性 时变性 升温单向性等特点 很 难用数学方法建立精确的数学模型 因此用传统的控制理论很难达到良好的控制 效果 所以我们要开发一种新的控制系统 不用建立数学模型就能对被测对象进 行良好的控制 近年来 由于单片机技术的运用与发展以及各种先进控制理论的形成 为我 们开拓新的控制技术提供了条件 现在很多控制系统的核心都是单片机 因
6、为单 片机的体积小 价格低廉 可靠性高 可用其构成计算机控制系统中的智能控制 单元 受到广大工程技术人员的重视 因此 加热炉的温度控制系统以单片机为核心 就可以省去建立繁琐的数学 模型 而且控制系统更加稳定与精确 本次设计的加热炉温度控制系统正是以单 片机为核心 本系统的设计依据实际生产需要 具有很高的实际应用价值 且系统结构简 单 能够进行大批量生产 下载可编辑 第 2 章 课程设计的方案 2 1 概述 本次设计 加热炉温度控制系统的设计 正是运用单片机和温度传感器对温 度进行控制 本次设计的内容为 以89S51单片机为核心 设计加热炉温度控制 系统 用于进行金属的热处理 工业中金属的热处理
7、是将金属工件放在一定的介 质中加热到适宜的温度 并在此温度中保持一定时间后 又以不同速度冷却 通 过改变金属材料表面或内部的组织结构来控制其性能的一种工艺 金属热处理是 机械制造中的重要工艺之一 与其他加工工艺相比 热处理一般不改变工件的形 状和整体的化学成分 而是通过改变工件内部的显微组织 或改变工件表面的化 学成分 赋予或改善工件的使用性能 为使金属工件具有所需要的力学性能 物 理性能和化学性能 除合理选用材料和各种成形工艺外 热处理工艺往往是必不 可少的 而进行金属热处理最主要的设备为加热炉 因此 本次设计的温度监测 器主要应用于热处理加热炉 2 2 系统组成总体结构 方案一 选用 AT
8、89C51 为控制核心 是大家所熟悉的单片机 因为教材就 是以 C51 为实力讲解 但 C51 单片机不支持 ISP 在线更新程序 功能 必须加 上 ISP 功能等新功能才能更好延续 CS51 的传奇 方案二 选用 AT89S51 为控制核心 新增加 ISP 在线编程功能 这个功能的 优势在于改写单片机储存器内的程序不需要把芯片从工作环境中剥离 是一个强 大易用的功能 向下完全兼容 51 全部字系列产品 比如 8051 89C51 等等早期 MCS 51 兼容产品 也就是说所有教科书 网络教程上的程序 不论教科书上采 用的单片机是 8051 还是 89C51 还是 MCS 51 等等 在 89
9、S51 上一样可以照常 运行 但价格比 C51 甚至还要便宜 以上分析选折89S51为控制核心及加热炉的功能和指标要求 本系统可以从 元件级开始设计 选用89S51单片机为主控机 通过连接外围控制电路 实现对 加热炉温度的测量 由温度传感器 运算放大器 A D转换器 入驱动电路 LED显示电路共同组成 在系统中 温度的设置 温度值及误差显示 控制参数 的设置 运行 暂停及复位等功能由键盘及显示电路完成 温度传感器把测量的 下载可编辑 电阻炉温度信号转换成弱电压信号 经过信号放大电路 送入低通滤波电路 以 消除噪音和干扰 滤波后的信号输入到A D转换器 转换成数字信号输入89S51 单片机 下图
10、为加热炉温度控制系统框图 图 2 1 加热炉温度控制系统框图 具体设计设计如下 1 由于温度测量范围为0 1000 温度控制精度要求高 温度控制范围大 因此采用K型热电偶温度传感器进行温度测量 并选用K型热电偶信号放大器 MAX6675对热电偶检测的温度信号进行放大 2 温度显示由四路LED显示电路组成 实时显示加热炉内温度值并能显示温 度给定值及各种参数值 进行各种操作时有必要的声 光提示 硬件和软软件功能划划分 1 硬件系统应包括以下电路 A 测量电路 应包括温度传感器 放大器 A D转换及接口 B 温度显示电路 由4位LED显示电路组成 C 报警电路 2 软件功能应包括 温度传感器运算放
11、大器 A D 转换器 单片机 显示 电源电路 下载可编辑 A 温度检测 应包括定时采样和软件虑波 B 利用定时器定时 以满足采样周期的要求 显示温度 下载可编辑 第 3 章 硬件设计 3 1 单片机最小系统设计 在课题设计的温度控制系统设计中 控制核心是89S52单片机 该单片机为 51系列增强型8位单片机 它有32个 I O 口 片内含4K FLASH 工艺的程序存储器 便于用电的方式瞬间擦除和改写 而且价格便宜 其外部晶振为12MHz 一个指 令周期为1 S 使用该单片机完全可以完成设计任务 其最小系统主要包括 复 位电路 震荡电路以及存储器选择模式 EA 脚的高低电平选择 一片 AT89
12、S51 加晶振 加复位电路 加电源 顺便把 P0 1 2 3引脚都用排针引出来 这就是最 小系统了 主要用来验证程序算法 过排线外扩各种电路 由于最小系统可靠性 高 以此为前提很方便验证外扩电路的正确性和可靠性 或者方便通电路如下图所 示 下载可编辑 图3 1 AT89S51最小系统 3 2微处理器及温度检测设计 在总体方案确定之后 首要的任务是选择一台合适的微型计算机 虽然现在 的微型计算机种类很多 但是所选的微型计算机必须符合本次设计的具体要求 本次设计的温度控制系统精度较高 需要的 I O 接口也比较多 因此采用 AT89S51 单片机作为本系统的微处理器 89S51 在工艺上进行了改进
13、 89S51 采用 0 35 新工艺 成本降低 而且将 功能提升 增 加了竞争力 89SXX 可以像下兼容 89SXX 等 51 系列芯片 市场 上见到的 89S51 实际都是 Atmel 前期生产的巨量库存而以 如果市场需要 Atmel 当然也可以再恢复生产 AT89S51 AT89S51 LS51 单片机是低功耗的 具 有 4KB 在线课编程 Flash 存储器的单片机 它与通用 80S51 系列单片机的指令系 统和引脚兼容 片内的 Flash 可允许在线重新编程 也可使用非易失性存储器编 程 他将通用 CPU 和在线可编程 Flash 集成在一个芯片上 形成了功能强大 使 用灵活和具有较
14、高性能性价比的微控制器 下载可编辑 温度检测电路是本次设计的主要内容 是整个单片机温度控制系统设计中不 可缺少的一部分 本系统要求对加热炉内温度进行实时采集与检测 在充分保证 安全的情况下对待加工器件进行热处理 根据要求 本系统的温度检测电路主要由温度传感器 运算放大器及 A D 转 换器组成 经固定周期 T 对加热炉内温度进行检测 实现加热功能 并使系统安 全稳定 温度传感器的选择 由于本次设计的加热炉温度范围为 0 1000 加热温度高 而本系统对加 热炉温度控制精度的要求为 5 此K型热电偶温度传感器的测温基本原理是 将两种不同材料的导体A和B焊接起来 构成一个闭合回路 当导体A和B的两
15、个 执着点1和2之间存在温差时 两者之间便产生电动势 因而在回路中形成一个大小 的电流 这种现象称为热电效应 热电偶温度传感器就是利用这一效应来工作的 由于热电偶温度传感器的材料一般都比较贵重 而测温点到仪表的距离都很 远 为了节省热电偶材料 降低成本 通常采用补偿导线把温度传感器热电偶的 冷端 自由端 延伸到温度比较稳定的控制室内 连接到 仪表端子上 必须指 出 热电偶温度传感器补偿导线的作用只起延伸热电极 使温度传感器热电偶的 冷端移动到控制室的仪表端子上 它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响 不起补偿作用 因此 还需采用其他修正方法来补偿冷端温度t0 0 时对测温的 影响 在使用热电
16、偶温度传感器补偿导线时必须注意型号相配 极性不能接错 补 偿导线与温度传感器热电偶连接端的温度不能超过100 温度传感器信号转换设备的选择 由于温度传感器测量的温度信号为模拟信 号 且测量信号比较微弱 因此必须要对此温度信号进行处理 处理过程为 首 先要把温度信号经运算放大器进行放大 然后用 A D 转换器把放大后的模拟信号 转换为数字信号输入单片机 因此要进行温度的检测 温度传感器信号转换设备 必不可少 在本系统中 我们可以用单独的运算放大器和 A D 转换器作为温度传感器的 信号转换设备 但是由于运算放大器的连接复杂 连接的器件数量较大 因此系 统不稳定 并且由于中间环节过多 影响系统的控制精度 因此本系统采用 MAX6675 作为温度传感器的信号转换设备 其工作原理如下 K型热电偶产生的热电势 经过低噪声电压放大器A1和电 压跟随器A2放大 缓冲后 得到热电势信号U1 再经过S4送至ADC 对于K型热 下载可编辑 电偶 电压变化率为 41 V 电压可由如下公式来近似热电偶的特性 U1 41 V T T0 3 1 上式中 U1为热电偶输出电压 mV T是测量点温度 T0是周围温度
