基于单片机的工业电阻炉智能温度控制系统设计_毕业设计论文(编辑修改稿)

基于单片机的工业电阻炉智能温度控制系统设计_毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

变的复杂，不太容易 实现。 而且液晶 显示器 的价位相对也比较高。 比较之后，无论从价格方面，还是方便实用的方面，使用 LED 显示器都较使用 LCD好一些，所以本设计的温度显示部分采用 LED 显示器。 系统总体设计方案 本系统由单片机、温度信号采集 与转换 、 键盘输入 、 PID 控制 、 温度显示等五 部分组成。 其中，测温元件用 K 型热电偶，用来检测炉内温度，将炉中温度的物理量值转换成毫伏信号输出，经 MAX6675 进行处理后，炉温给定值的电压信号和所检测到的炉温电压信号都转换为数字量送入单片机内进行比较，得到实际炉温与给定炉温的差值。 由单片机系统构成的数字控制器，对偏差按 PID 调节 规律进行运算，并且在 LED 显示器上显示温度值，将运算结果送至 D/A 转换器转换为模拟电压，电压值经过功率放大器放大后，送到晶闸管调压器触发晶闸管，并且改变其导通角的大小，从而调节电阻炉的加温电压，起到控制炉温的作用。 其 方案 图如图 所示： 大学毕业设计说明书（毕业论文） 6 单片机电阻炉温 度 转 换 传 感 器晶 闸 管报 警L E D 显 示键 盘时 钟 电 路 图 系统 总体设计方案 图 单片机：该部分的功能包括向读取温度数据、数据处理， 并且 还要对执行单元进行控制。 单片机是整个系统的数据处理核心及控制核心。 温度信号采集与 处理 ：本部分的主要是用传感器检测温度信号，温 度传感器 里的 电流 会 随环境温度值 的变化而 变化。 然后将 电流信号转换成电压信号，使用 MAX6675 将模拟电压信号 ， 转换成数字电压信号 能在 单片机 中 进行数据处理。 人机交互及串口通信：人机交 互主要 是为了提高系统的 友好性 和实用性。 主要包括输出显示 、 按键输入。 输出显示 进行 数据的显示输出 ， 通过按键输入完成系统参数设置，而串口通信的主要 作用 是完成单片机与上位机的通信。 电源系统单元：主要功能是为单片机提供 合适 的工作电源，同时也为其他 硬件 模块提供电源 ， 如 LED 显示器 、按键等。 在本设计中，电源系统输出 +5 V 的电源。 执行单元 ：是 本系统 的输出控制执行部分， 本设计中由于技术原因，无法实现，仅作理论阐述。 温度采集和控制系统已广泛应用于工业生产，科研和人民生活的领域。 在工业生产过程中， 为 使生产 过程 能顺利进行，充分保证产品的质量 ， 需要对温度进行严格的监控。 使用自动温度控制系统 ， 可以对生产环境的温度 ， 进行自动控制，保证生产顺利、安全的 进行，从而提高 工厂 的生产效率。 大学毕业设计说明书（毕业论文） 7 第三章 系统硬件设计 温度检测部分 温度传感器的选择 本部分主要是温度传感器的选型。 传感器的选择受到 许 多 方面 的影响， 比如 各种温度传感器 本 身 有各自 优缺点 ， 适应于不同的场合；还有现场 的环境因素各 有 不同， 再 有就是 根据 系统 要求 的不同，所需 实现的精度 也不同 ，所以在不同的 场合 当中 ， 选择温度传感器的 类型 也将不同。 方案一：热电偶传感器 热电偶传感的原理 ， 是将温度变化转 化 为电势变化。 这 种感温元件 具有热电效应原理 ， 是利用 把 两种不同的金属材料 连在一起 构成的。 其优点为构造简单、精确度高、测量范围广 、 型号种类比较多、使用方便且技术成熟等。 目前 在 工业与民用产品中应用广泛。 这种 传感器的种类 较 多， 应结合 考虑其精确度、灵敏度、稳定性、可靠性等条件 来选择 [4]。 方案二：热电阻传感器 热 电阻传感器 把 温度 的 变化转换为电阻值变化 为 原理。 热电阻传感器是常用 在 中低温区的一种温度传感器。 其 主要特点是：精度高，性能稳定。 其中测量精度最高的 为 铂热电阻，被制作成标准的基准仪 ， 广泛应用 在 工业测温 领域。 从热电阻的测温原理可知，被测温度的 改变 是直接通过热 敏 电阻阻值的 改变 来 体 现的。 因此，热电阻的 引出导 线电阻的变化会影响 到 测温 ，所以 一般采用三线制或四线制 来 消除引线电阻的影响。 热电阻测温系统 大多以 热电阻、连接导线 以及 显示仪表组成。 方案三：半导体集成模拟温度传感器 半导体集成 电路模拟 温度传感器是 一种 利用半导体 PN结的 电压 、 电流 与 其 温度 的 变换关系来测温的 感温元件。 这种传感器精度 较高， 输出线性 化 好，可以 将 信号处理电路及 传感器驱动电路等 与温度传感器部分集成 为 同一硅片。 其 体积小，使用方便，应用 较广泛的有 AD590等。 半导体集成模拟温度传感器通常用于室温或 周围 环境温度的检测，以便 单片机系统 对温度测量值进行补偿。 方案四：半导体集成数字温度传感器 随着社会的不断进步和科学技术的发展，许多新的温度传感器， 应用 日益广泛，并大学毕业设计说明书（毕业论文） 8 开始从模拟 式 向数字 式 ，单总线 型 ，双总线 类 型，多总线类型 发展。 这种 数字温度传感器， 能 与各种 单片机 的 I/O接口连接，组 成 智能 控制系统，这种系统 改善了 模拟传感器与 单片机 接口 之 时 ， 需要信号 转换 电路和 A/D变 换 器的弊端， 广泛应用于工业控制、医疗仪器、电子测温 等 温度控制系统中，数字温度传感器中有代表性的有 DS18B20等。 AD590与 PT100都不能直接与单片机的 I/O口相连，需要设计信号 转换 电路， A/D转换电路。 DS18B20是数字温度传感器，采用单总线技术，可以直接与单片机 I/O口相连。 使用 DS18B20可以节约单片机 I/O口，还能使系统成本降低。 但 它 的测温范围仅限 55℃ ～+125℃ ，而电阻炉的温度在一千度 上下 ，所以 结 合精 度要求、测温范围的大小以及价格等 各 方面因素考虑，选择 K型热电偶传感器。 K型（镍铬－镍硅）热电偶 能 测量 1300℃ 以内的温度，其线性度 极 好，且价格便宜。 但测温部分用 K型热电偶需经过 A/D转换、放大电路等一系列措施，使得硬件电路部分显得冗余，本设计使用 能处理 K型热电偶 输出信号 的芯片 MAX6675，该芯片可实现 A/D转换、放大电路等功能，且可以和单片机直接通讯，节约了硬件部分，降低了成本。 热电偶的工作原理 两种 由 不同材料的导体或半导体组成一个闭和 的 回路 (如图 所示 )， 当两接 触 点温度 T 和 T0 不同时 ，就会在该回路中产生电动势，这种 物理 现象称为热电效应。 这两种不同材料的导体或半导体的组合称为热电偶，导体 A、 B 称为热电极。 热电效应中的电动势由温差电势和接触电势组成，接触电势是由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电 动势。 图 热电偶原理图 热电偶的冷端温度补偿 热电偶的分度表是以冷端温度 0℃为基准进行分度的，而在实际使用过程中，冷端温度往往不为 0℃，所以需要对热电偶的冷端温度进行温度补偿。 常用的冷端温度补偿方法有：冷端温度修正法、冷端 0℃恒温法、冷端温度自动补偿法等。 温度 信号处理芯片 MAX6675 该器件采用 8 位引脚的 SO 封装，引脚图如图 所示。 大学毕业设计说明书（毕业论文） 9 图 MAX6675 引脚图 引脚功能如表 所 示。 表 MAX6675 引脚功能表 引脚 名称 功能 1 GND 接地端 2 T K 型热电偶负极 3 T+ K 型热电偶正极 4 VCC 正电源端 5 SCK 串行时钟输入 6 CS 片选信号 端 7 SO 串行数据输出 8 NC 悬空 不用 MAX6675 的内部由精密运算放大器 A A基准电压源、冷端补偿二极管、模拟开关、数字控制器及 ADC 等 组成，完成了热电偶微弱信号的放大、冷端补偿及模 /数转换功能 [12]。 将 K 型热电偶的热电势输出端与 MAX6675 的引脚 T+、 T相连 ， 热电偶输出的热电势经放大器 A A2 进行放大和滤波处理后送至 ADC 的输入端，在转换之前，先需要对热电偶的冷端温度进行补偿， MAX6675 通过内置的冷端补偿的电路来实现冷端补偿。 它将冷端温度通过冷端补偿二极管转换为相应的电压信号， MAX6675 内部电路将二极管电压和放大后的热电偶电势同时送到 ADC 中进行转换，即能得到测量端的绝对温度值。 MAX6675 采用标准的 SPI 串行外设总 线与单片机接口，其与单片机通信时工作过程如下：当单片机使 MAX6675 的 CS 引脚从低电平变为高电平时， MAX6675 将进行新的转换；当单片机使 MAX6675的 CS 引脚从高电平变为低电平并给 SCK时钟信号时，大学毕业设计说明书（毕业论文） 10 MAX6675 停止信号转换并从 SO 端输出串行转换数据。 当从 SO 端输出串行转换数据时，一个完整的数据输出过程需要 16 个时钟周期，数据的输出通常在 SCK 的下降沿完成，其中 D15 位是伪标志位，始终为 0； D14～ D3 是由高位到低位顺序排列的温度转换值；D2 用于检测热电偶是否断线，当 D2 为 1 时表明热电偶断开； D1 为 MAX6675 的标识符 ， 始终为 0； D0 位为三态。 MAX6675 的串行接口时序图如图 所示。 图 MAX6675 的时序图 图 为本系统中温度检测电路，当 STC89C52 的 为低电平且 口产生时钟脉冲时， MAX6675 的 SO 脚输出转换数据。 在每一个脉冲信号的下降沿 SO 输出一个数据， 16 个脉冲信号完成一串完整的数据输出，先输出高电位 D15，最后输出的是低电位 D0， D14D3 为相应的温度转换数据，共 12 位，其最小值为 0，对应的温度值为 0℃；最大值为 4095，对应的温度值为 ℃，分辨率为 ℃。 由于 MAX6675 内部经过了激光修正，因此，其转换结果与对应温度值具有较好的线性关系。 温度值与数字量的对应关系为：温度值 =转换后的数字量 /4095。 当 为高电平时， MAX6675开始进行新的温度转换。 图 温度检测电路 单片机 在多数电子设计当中，基于性价比的考虑， 8 位单片机仍是首选。 STC89C52 是一种低功耗 /低电压、高性能的 8 位单片机。 片内带有一个 8KB 的 Flash 可编程、可擦除大学毕业设计说明书（毕业论文） 11 只读存储器（ EPROM）。 它采用了 CMOS 工艺和 ATMEL 公司的高密度非易失性存储器（ NURAM）技术，而且其输出引脚和指令系统都与 MCS51 兼容、片内的 Flash 存储器允许在系统内改编程序或用常规的非易失性存储器编程器来编程。 因此， STC89C52是一种功能强、灵活性高，且价格合理的单片机，可方便地应用在各种控制领域 [12]。 基于上述这些特点，这里选择 STC89C52 单片机作为控制核心。 因为单片机的工作电源为 +5V， STC89C52电源输入支持的电压范围为 5v~， 且底层电路功耗很小。 Vcc，电源端； GND，接地端 [6]。 其电源供电电路如图 ： 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN um be r R e v i s i onS i z eBD a t e : 13 Ju n 20 11 S he e t of F i l e : F : \设计 \毕业设计 \设计 \ 99 原理图 \ x d D B D ra w n B y :R6510D 10LEDJ4RCAGND+ 5V 图 供电电路 本部分主要介绍单片机最小系统的设计。 单片机系统的扩展，一般是以基本最小系统为基础的。 所谓最小系统，是指一个真正可用的单片机最小配置系统，对于片内带有程序存储器的单片机，只要在芯片外接时钟电路和复位电路就是一个小系统了。 小系统是嵌入式系统开发的基石。 本电路的小系统主要由三部分组成，一块 STC89C52芯片、复位电路及时钟电路 [16]。 STC89C52 单片机的 引脚说明 [13] VCC：供电电压； GND：接地。 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。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 振荡器特性： XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出。 该反向放大器可以配置为片内振荡器。 石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。 如采用外部时钟源驱动器件， XTAL2应不接。 有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 大学毕业设计说明书（毕业论文） 12 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。