陜西理工學院畢業(yè)設計第1頁共62頁引言溫度是工業(yè)過程控制中主要的被控參數(shù)之一，在冶金、化工、建材、食品、石油等工業(yè)中，工藝過程所要求的溫度的控制效果直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量。對于不同場所、不同工藝、所需溫度高低范圍不同、精度不同，則采用的測溫元件、測溫方法以及對溫度的控制方法也將不同，隨著電子技術和微型計算機的迅速發(fā)展，微機測量和控制技術得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應用。越來越顯示出其優(yōu)越性。隨著集成電路技術的發(fā)展，單片微型計算機的功能不斷增強，許多高性能的新型機種不斷涌現(xiàn)出來。單片機以其功能強、體積小、可靠性高、造價低和開發(fā)周期短等優(yōu)點，成為自動化和各個測控領域中廣泛應用的器件，在溫度控制系統(tǒng)中，單片機更是起到了不可替代的核心作用。在工業(yè)生產(chǎn)中，如用于熱處理的加熱爐、用于融化金屬的坩鍋電阻爐等，都用到了電阻加熱的原理。鑒于單片機技術應用的廣泛性和優(yōu)越性，溫度控制的重要性，因而設計一種較為理想的溫度控制系統(tǒng)是非常有價值的。本文就是根據(jù)這一思想來展開的。1.1系統(tǒng)設計的目的和任務1.1.1系統(tǒng)設計的目的通過本次畢業(yè)設計,主要想達到以下目的：1.增進對單片機的感性認識，加深對單片機理論方面的理解。2.掌握單片機的內(nèi)部功能模塊的應用，如定時器/計數(shù)器、中斷、片內(nèi)外存貯器、I/O口等。3.了解和掌握單片機應用系統(tǒng)的軟硬件設計過程、方法及實現(xiàn)，為以后工作中設計和實現(xiàn)單片機應用系統(tǒng)打下基礎。4.熟悉閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成原理及單片機算法的實現(xiàn)方法。1.1.2系統(tǒng)設計的任務1查閱資料，弄清楚所要解決的問題的思路，確定設計方案。2系統(tǒng)硬件電路設計。3系統(tǒng)相關軟件設計。4仿真實現(xiàn)溫度參數(shù)設定、轉換、顯示等功能。5依據(jù)對象模型設計控制器參數(shù)，6系統(tǒng)調(diào)試與分析；并依據(jù)調(diào)試結果予以完善。1.2畢業(yè)設計論文安排1.論證系統(tǒng)設計方案，設計系統(tǒng)原理圖。2.系統(tǒng)硬件設計與測試。3.繪制軟件設計流程圖，設計軟件功能模塊并調(diào)試。陜西理工學院畢業(yè)設計第2頁共62頁4.系統(tǒng)仿真與調(diào)試。5.系統(tǒng)調(diào)試，并依據(jù)調(diào)試結果完善設計。陜西理工學院畢業(yè)設計第3頁共62頁2系統(tǒng)方案的論證與原理圖設計2.1系統(tǒng)方案論證方案一：采用8031芯片作為控制核心，以ADC0809做模數(shù)轉換，采用LED顯示當前的溫度和設定的溫度，經(jīng)過一定的算法來控制輸出，從而來控制爐溫。此方案的缺點是8031芯片內(nèi)部沒有程序存儲器，在硬件設計中需要外擴展程序存儲器，這樣硬件電路比較復雜。在軟件設計時的讀取數(shù)據(jù)比較麻煩。方案二：采用AT89C51芯片作為控制核心，以ADC0809做模數(shù)轉換，并用LED顯示當前的溫度和設定的溫度，設置復位鍵和設定溫度鍵，通過PID算法來控制輸出，從而達到控制爐溫的目的。此方案的優(yōu)點是系統(tǒng)簡明扼要，硬件電路比較簡單；缺點是所測的溫度精度不高。方案三：采用PLC西門子300來作為控制核心，并用LED顯示當前的溫度和設定的溫度，經(jīng)過一定的算法來控制輸出，從而達到控制爐溫的目的。此方案的優(yōu)點是硬件電路簡單，系統(tǒng)穩(wěn)定；缺點是所設計的系統(tǒng)成本比較高。綜上所述，并結合我們學校實驗室的具體情況，選擇第二種方案。2.2系統(tǒng)設計原理框圖本系統(tǒng)采用典型的反饋式溫度控制系統(tǒng)，系統(tǒng)組成見圖2.1。圖中數(shù)字控制器的功能由AT89C51單片機實現(xiàn)；由熱敏電阻、電橋、A/D轉換器構成輸入通道，用于采集爐內(nèi)的溫度信號，其中熱敏電阻選用mf12-26型號，它將溫度信號轉變?yōu)樽柚底兓盘栐俳?jīng)電橋變?yōu)?5v標準電壓信號，以供A/D轉換用；轉換后的數(shù)字量與爐溫的給定值數(shù)字化后進行比較，即可得到實際爐溫和給定爐溫的偏差；爐溫的設定值由鍵盤輸入。由單片機構成的數(shù)字控制器按最小拍進行計算，計算出所需要的控制量。數(shù)字控制器的輸出經(jīng)標度變換后送給由p3.0通過t0調(diào)制的PWM波送至SSR，從而改變電阻爐單位時間內(nèi)電壓導通的百分比,從而控制電阻爐加熱功率，起到調(diào)溫的作用。圖2.1溫度控制系統(tǒng)組成原理框圖AT89C51顯示鍵盤電阻爐SSRAD轉換溫度采集SCR陜西理工學院畢業(yè)設計第4頁共62頁3硬件電路的設計3.1溫度控制器的選擇控制器選擇目前市場上最流行的也是筆者最熟悉的atmel公司的AT89C51單片機。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。3.1.1AT89C51的主要特性與MCS-51兼容4K字節(jié)可編程閃爍存儲器壽命：1000寫/擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時間：10年全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz三級程序存儲器鎖定128*8位內(nèi)部RAM32可編程I/O線兩個16位定時器/計數(shù)器5個中斷源可編程串行通道低功耗的閑置和掉電模式片內(nèi)振蕩器和時鐘電路3.1.2AT89C51的管腿圖所選用的AT89C51芯片的管腿圖如圖3.1所示；單片機對外呈現(xiàn)3總線形式，由P2、P0口組成16位地址總線；由P0口分時復用為數(shù)據(jù)總線；由ALE、PSEN、RST、EA與P3口中的INT0、INT1、T0、T1、WR、RD共10個引腿組成控制總線。由于是16位地址線，因此，可使片外存儲器的尋址范圍達到64KB。其P3口還具有第二功能，如表3.1所示。陜西理工學院畢業(yè)設計第5頁共62頁表3.1P3口第二功能表引腿第二功能P3.0RXD串行口輸入端P3.1TXD串行口輸出端P3.2INT0外部中斷0請求輸入端，低電平有效P3.3INT1外部中斷1請求輸入端，低電平有效P3.4T0定時器/計數(shù)器0記數(shù)脈沖輸入端P3.5T1定時器/計數(shù)器0記數(shù)脈沖輸入端P3.6WR外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通信號輸出端，低電平有效P3.7RD外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通信號輸出端，低電平有效3.2溫度檢測電路設計溫度是表征物體冷熱程度的物理量。溫度只能通過物體隨溫度變化的某些特性來間接測量，陜西理工學院畢業(yè)設計第6頁共62頁測溫常用的器件有熱電偶和熱電阻,由于電烤箱溫度控制范圍較低,故采用熱電阻測溫,熱電阻測溫是基于金屬導體的電阻值隨溫度的增加而增加或降低這一特性來進行溫度測量的。熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應用最多的是鉑和銅，此外，現(xiàn)在已開始采用鎳、錳和銠等材料制造熱電阻。熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測器件。它的主要特點是測量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測量精確度是最高的，它不僅廣泛應用于工業(yè)測溫，而且被制成標準的基準儀。為此，設計如圖3.2所示，熱電阻溫度檢測電路采用三線出三線入連接方法。圖3.2熱電阻溫度檢測電路當測溫范圍不大，元件長度和截面積隨溫度改變引起的阻值變化可以忽略時，熱電阻元件的阻值隨溫度變化可以認為是線性的，可以用式31表示:)(100ttRRtt（式31）其中,t0表參考溫度；0tR表示參考溫度下的鉑熱電阻阻值；表示電阻元件的平均電阻溫度系數(shù)，即電阻元件的溫度相對于參考溫度每變化1時，引起考溫度下每歐姆電阻值的增量。電橋處于平衡時，則有：321RRRRt(式32)令Rl=R2，則R3=Rt,，使得R3的阻值等于鉑熱電阻的阻值。這樣，通過電橋的方法測量出t溫度下熱電阻的阻值，就可以算出此時的溫度：110031Rt（式33）陜西理工學院畢業(yè)設計第7頁共62頁根據(jù)上述熱敏電阻測溫原理,系統(tǒng)中,電橋各參數(shù)如下:R1=47kR2=47kR3=1.5K熱敏電阻阻值與實際溫度及采樣電壓的對應關系如下表3.2所示:表3.2溫度數(shù)字量對照表溫度(C)100120140160180200220240電壓(V)2.02.42.83.23.64.04.44.83.3模數(shù)轉換電路設計現(xiàn)階段生產(chǎn)的ADC具有模塊化、與微機總線兼容等特點，在選擇ADC芯片時，除需要滿足用戶的各種技術要求外，還須注意：數(shù)字輸出的方式；對啟動信號的要求；轉換精度和轉換時問；穩(wěn)定性及抗干擾性。逐次逼近式ADC具有較高的轉換速度、轉換程序固定和精度高的特點，適用于快速自動檢測系統(tǒng)與多回路的快速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，一般是轉換速度小于lms的場合。電烤箱溫度變化范圍不會太大，本系統(tǒng)要求最小溫度分辨率為1，假使溫度變化范圍為100，整個系統(tǒng)的溫度采集點應為1002=200個，8位轉換器分辨率為1256，完全