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电阻炉炉温控制系统设计报告.doc

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：2.34M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    第三章电路设计
    3.1总体设计方案
    第四章 硬件电路设计
    4.1 SL-I型51单片机综合实验箱
    4.1.1单片机最小系统
    4.1.2数码管显示模块
    4.1.3按键模块
    4.1.4报警模块
    4.3继电器电路设计
    5.2数码管显示程序
    5.3键盘扫描程序
    5.4 DS18B20通信程序
    目录 第一章 系统综述.................................................................................................................. 2 1.1 概述 ................................................................................................................................. 2 1.2 方案描述 ....................................................................................... 错误！未定义书签。 1.3 报告概述 ......................................................................................................................... 2 第二章 课程设计要求.......................................................................................................... 3 2.1 课题要求 ......................................................................................................................... 3 2.2 元器件清单..................................................................................................................... 3 第三章 电路设计.................................................................................................................. 3 3.1 总体设计方案 ................................................................................................................. 3 3.2 数据处理流程 ................................................................................................................. 4 第四章 硬件电路设计.......................................................................................................... 4 4.1 SL-I 型 51 单片机综合实验箱 ........................................................................................4 4.1.1 单片机最小系统 ........................................................................................................4 4.1.2 数码管显示模块 ........................................................................................................5 4.1.3 按键模块 .................................................................................................................... 7 4.1.4 报警模块 .................................................................................................................... 9 4.2 温度采集电路 ................................................................................................................. 9 4.2.1 DS18B20 简介 ............................................................................................................ 9 4.2.2 温度计算 .................................................................................................................. 10 4.2.3 DS18B20 工作过程及时序 ...................................................................................... 11 4.3 继电器电路设计........................................................................................................... 12 第五章 系统软件设计........................................................................................................14 5.1 主程序设计................................................................................................................... 14 5.2 数码管显示程序........................................................................................................... 14 5.3 键盘扫描程序 ............................................................................................................... 15 5.4 DB18B20 通信程序 .......................................................................................................15 第六章 加热炉温控系统使用方法....................................................................................16 6.1 系统连接方法 ............................................................................................................... 16 6.2 系统使用方法 ............................................................................................................... 16 第七章 实验数据................................................................................................................ 17 第八章 总结………………………………………………………………………………17 参考文献 17 附录 A 系统程序代码.......................................................................................................... 17 1
    第一章 系统综述 1.1 概述 （1）课题内容：应用计算机的实时监控和温度测量技术，采用单片机、温度检测电路、 温度控制电路等，实现电阻炉炉温的实时控制。 （2）要求及技术指标：运用单片机及相应的部件组成电阻炉炉温的自动控制系统，要求 炉温控制在 0～100℃范围内，并实现将炉温保温值控制在 30～60℃的变化范围。具体设计 要求包括： ① 完成电阻炉温度控制系统的设计，包括硬件电路设计和软件程序设计； ② 能够实时显示电阻炉的实际炉温，以及恒定炉温出现的时间与恒温保持的时间； ③ 温度超过预定值时，能够报警； ④对电阻炉炉温控制电路设计相应的保护电路，保证其安全、可靠地工作。 1.2 方案描述 基本方案：利用温度变送器及温度检测电路将电阻炉实际温度转换成相应的数字信号 送入单片机，单片机进行数据处理后，通过显示器显示温度并判断是否报警，同时将实际炉 温与设定温度比较，根据相应的算法（如 PID）计算出控制量，通过控制相应的加热电路实 现对炉温的控制。 通过对题目的分析与思考，整个系统可以由以下几部分构成：单片机最小系统、显示电 路、键盘电路、测温电路、加热控制电路等。 各部分的组成结构可以参考下图。 图 1.1 1.3 报告概述 这份技术报告中，详尽地介绍了本系统的整体结构、硬件电路、软件控制算法、调试方 法等，并附有单片机程序和详细的操作方法。 本文主要介绍基于 STC12C5A60S2 单片机的炉温控制设计流程，介绍了炉温控制方案 以及各个主要模块的工作原理和设计思路。本文并涉及温度传感器系统、继电器系统、 显示系统、输入系统的设计。 由于系统的复杂性和硬件使用要求以及人力、时间等方面的制约，考虑到系统的实时性 和运算能力，系统并没有采用复杂的处理算法和控制算法，一切以实用为主。对于温度控制 2
    算法还有待进一步的研究和改进。同时，在电路保护方面的设计有待进一步地学习和实践。 第二章 课程设计要求 2.1 课题要求 用单片机及相应的组成部件组成电阻炉温的自动控制系统，要求测温范围 0～100℃， 使其控制系统控制的温度保温值的变化范围为 30～60℃。 要求：（1）完成电阻炉温度控制系统设计，包括硬件电路设计和软件程序设计； （2）能够显示控温时的实际炉温和恒温时间； （3）对其主电路和控制电路设计相应的保护电路，使其安全可靠地工作。 2.2 元器件清单 元件名称 电热杯 SL－1 型 51 单片机综合实验箱 DS18B20 温度传感器 STC12C5A60S2 单片机 S8550 三极管放大器 USB 下载线 单线固态继电器 二极管 2KΩ的电阻 导线 数量 1 个 1 个 1 片 1 片 1 片 1 条 1 个 1 个 1 个 若干 另有剪刀、镊子等工具 3.1 总体设计方案 表 2.1 元器件清单 第三章 电路设计 本系统采用 STC12C5A60S 作为系统的主控芯片，负责加热炉的温度检测与控制。 其主要任务是： 1、读取 DS18B20 的温度数据； 2、控制继电器通断，保证温度达到设定值并保温； 3、读取键盘设置的温度值； 4、在 LED 上显示设置的温度、当前温度以及恒温时间； 5、当温度到达警戒值的时候控制蜂鸣器报警。 3
    图 3.1 总体结构图 由于加热炉仅能通过通断电路控制，不具备良好的可控性，且加热所需的速度和精度要 求并不高，这里无需使用 PID 算法这样的高速跟踪算法，只要使用二次线性化的方法控制， 就可以很好地实现炉子的加热和恒温控制了。 3.2 数据处理过程 首先使用循环查询的方法依次读取按键的键值，判断用户的指令，并以此为依据选择 LED 显示的数据。输入过程结束后，开始炉温控制模块，首先读取 DS18B20 数据，再与设 定值比较，决定继电器的通断时间，控制加热炉温度及警报器超限报警。 图 3.2 数据处理流程图 第四章 硬件电路设计 4.1 SL-I 型 51 单片机综合实验箱 4
    4.1.1 单片机最小系统 STC12C5A60S2 系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/ 低功耗/超强抗干扰的新一代 8051 单片机，指令代码完全兼容传统 8051,但速度快 8-12 倍。 内部集成 MAX810 专用复位电路,2 路 PWM,8 路高速 10 位 A/D 转换(250K/S),针对电机控制， 强干扰场合。 最小系统如图 4.1 所示： 图 4.1 单片机最小系统 4.1.2 数码管显示模块 数码管的显示原理不论是共阴还是共阳，其基本原理是一样的，都是靠点亮内部的 LED 来发光。一位数码管的引脚是十个，显示一个 8 字需要 7 个小段，另外还有一个小数点。 5
    图 4.2 数码管内部原理图 实验时为了保证编程的方便，通常将数码管的数字所对应的八位数字记录在数组中，程 序中直接使用查表的方法，可以提高程序的效率，也使程序的编写更加简单方便。 符号 0 1 2 3 4 5 6 7 编码 0xC0 0xF9 0xA4 0xB0 0x99 0x92 0x82 0xF8 符号 8 9 A B C D E F 编码 0x80 0x90 0x88 0xC7 0xC6 0xA1 0x86 0x8E 我们实验箱中的 LED 数码管是四位数码管，因此为了控制方便，四个数码管的“段选 端”是连在一起的，他们的 GND 或 VCC 端作为“位选端”来输入控制信号，这样单片机 就可以通过程序来控制显示的字符。 下图是实验箱开发板中的数码管电路图： 6
    图 4.3 实验箱数码管电路 4.1.3 按键模块 弹性按键被按下时闭合，松手后自动断开。单片机检测按键的原理是：单片机的 I/O 口 既可以作为输出也可作为输入使用，当检测按键时使用的是它的输入功能，把按键的一端接 地，另一端与单片机的某一个 I/O 口相连，开始时先给 I/O 口赋一高电平，然后让单片机不 断地检测该 I/O 口是否变成低电平，当按键闭合时，即相当于该 I/O 口通过按键与地相连， 变成低电平，程序一旦检测到 I/O 口变为低电平则说明按键被按下，然后执行相应的指令。 图 4.4 按键按下时电压的变化 从图 4.4 可以看出，理想波形与实际波形之间是有区别的，实际波形在按下和释放的瞬 间都有抖动现象，抖动时间的长短和按键的机械特性有关，一般为 5～10ms。通常我们手动 按时都要加上去抖动操作，有专用的去抖动电路，也有专用的去抖动芯片，但通常我们软件 延时的方法就能很容易解决抖动问题，而没有必要再添加多余的硬件电路。 7
    图 4.5 按键检测流程图 无论独立键盘还是矩阵键盘，单片机检测其是否被按下的依据都是一样的，也就是检测 该键对应的 I/O 口是否为低电平。独立键盘有一端固定为低电平，单片机写程序检测时比较 方便。而矩阵键盘两端都与单片机 I/O 口连接，因此在检测时需人为通过单片机 I/O 口送出 低电平。检测时，先送一列为低电平，其余几列为高电平，然后立即轮流检测一次各行是否 有低电平，若检测到某一行为低电平，就可以确定当前被按下的按键是哪一行哪一列的，用 同样的方法轮流各列送一次低电平，再轮流检测一次各行是否变为低电平，这样即可检测完 所有的按键。 8
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