电烤箱加热控制器

1、辽宁工业大学单片机原理及接口技术课程设计（论文）题目：电烤箱加热控制器设计院（系）：电气工程学院专业班级：电气学号：学生姓名：指导教师：（签字）起止时间：I本科生课程设计（论文）课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院教研室：学 号学生姓名专业班级课程设计（论文）题目课程设计（论文）任务进度计划电烤箱加热控制器设计电烤箱由电阻丝加热，功率达 5kW 。通过传感器测量温度并调节加热功率。温度控制范围 0 300，可设定恒温值。设计任务：1. CPU 最小系统设计（包括 CPU 选择，晶振电路，复位电路）2. 温度传感器选择及接口电路设计3. 温度显示、电热丝驱动电路设计4 . 程序流程图

2、及程序清单编写技术参数：1温度控制范围0 300，功率达5kW2工作电源220V设计要求 ：1、分析系统功能，选择合适的单片机及传感器，温度检测电路设计等；2、应用专业绘图软件绘制硬件电路图和软件流程图；3、按规定格式，撰写、打印设计说明书一份，其中程序开发要有详细的软件设计说明，详细阐述系统的工作过程，字数应在4000 字以上。第 1 天查阅收集资料第 2 天总体设计方案的确定第 4 天CPU 最小系统设计第 5 天传感器选择及其接口电路设计第 6 天温度显示、电热丝驱动电路及电源电路设计第 7 天程序流程图设计第 8 天软件编写与调试第 9 天设计说明书完成第10天答辩指导教师评平时：论文

3、质量：答辩：语及成总成绩：指导教师签字：绩年月日注：成绩：平时 20%论文质量 60%答辩 20%以百分制计算II本科生课程设计（论文）摘 要本设计采用单片机控制。单片机在日常生活中的运用越来越广泛。温度控制在工业生产中经常遇到。 单片机温度控制无论是现在还是未来都会起到重要作用。本文介绍了以 AT89C51单片机为核心的电烤箱温度控制系统。电烤箱的温度控制系统有两个部分组成：硬件部分和软件部分。其中硬件部分包括：单片机电路、传感器电路、放大器电路、转换器电路、以及键盘和显示电路，其中单片机电路包括 AT89C51的数据存储器扩展、时钟电路及复位电路的设计。软件部分包括：主程序、运算控制程序、

4、以及各功能实现模块的程序。通过硬件和软件相结合控制实现其控制功能。关键词： 单片机；温度；电烤箱；控制III本科生课程设计（论文）目 录第 1 章 绪论61.1 加热控制器概况61.2 本文研究内容6第 2 章 CPU最小系统设计72.1 加热控制器总体设计方案72.2 CPU的选择 .72.3 数据存储器扩展82.4 复位电路设计82.5 时钟电路设计92.6 CPU最小系统图 .9第 3 章 CPU输入输出接口电路设计113.1 温度传感器的选择113.2 温度检测接口电路设计12转换器选择123.3 加热控制器输出接口电路设计123.4 人机对话接口电路设计13显示接口电路设计13第 4

5、 章 加热控制器软件设计174.1 软件实现功能综述174.2 系统主程序流程图设计174.3 温度控制部分程序设计184.4 键盘部分程序设计184.5 程序清单18第 5 章 系统设计与分析225.1 系统原理图225.2 系统原理综述235.3 软件调试结果23IV本科生课程设计（论文）第 6 章 课程设计总结24参考文献25V本科生课程设计（论文）第1章 绪论1.1 加热控制器概况随着社会的不断发展，人们对机械的应用也越来越广，进而人们对机械运动的控制要求亦越来越高。机电控制实现了以电气来控制机械。单片机的出现使机电控制技术突飞猛进。单片机在工业控制、仪器仪表、商用商品、家用电器以及计

6、算机接口等领域应用广泛。加热控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制，有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品的质量，因而设计一种较为理想的加热控制系统是非常有价值的。根据温度变化快慢，并且控制精度不易掌握等特点，本文电烤箱的加热控制为模型，设计了以 AT89C51单片机为检测控制中心的加热控制系统。加热控制采用 PID 数字控制算法，显示采用 3 位 LED静态显示。该设计结构简单，控制算法新颖，控制精度高，有较强的通用性。据加热控制的特点，本次设计采用 AT89C51单片机为控制核心， 采用数字 PID 控制算法。实现对电烤箱的加热控制。通过本次设计进一步详细说明单片机控制系统在社会生活

7、中的应用。为以后进一步应用单片机系统提供帮助。1.2 本文研究内容设计出 CPU 最小系统，温度传感器及接口电路并设计温度显示、电热丝驱动电路程序流程图及程序清单。根据要求设计电烤箱由电阻丝加热，功率达5kW。通过传感器测量温度并调节加热功率。温度控制范围0 300，可设定恒温值。6本科生课程设计（论文）第2章 CPU最小系统设计2.1 加热控制器总体设计方案本设计题目为基于单片机加热控制器设计，温度控制设定范围为0-300C，上、下限温度在程序中设置，实现控制可以升温也可以降温，实时显示当前温度值，另外还有蜂鸣器报警功能。本文使用热电偶温度自动控制系统。 （采用 A/D 转换器）采用单片机控

8、制，液晶显示模块LCD 显示。系统框图如图2.1：键盘电路继电器控制加热装置单片温度显示机A/D转报警电路换电路信号放大温度传感器图 2.1温度控制系统原理图2.2 CPU 的选择由于单片机具有功能强、体积小、可靠性好和价格便宜等独特优点，已成为传统工业技术改造和新产品更新换代的理想机种，具有广泛的发展前景。单片机技术的应用，使得许多领域的技术水平和自动化程度大大提高，可以说，当今世界正面临着一场以单片机（微电脑）技术为标志的新技术革命本设计决定用单片机作为中心控制器。单片机出现的历史并不长，但发展迅猛。自 1975 年美国德克斯仪器公司首次推出8 位单片机 TMS-1000后才开始快速发展。

9、现流行的单片机有很多种，其中MCS-51 系列以较高的性价比博得很多用户的青睐。所以，本系统采用美国Intel 公司生产的 89C-51 型单片机，由于其具有集成度高、处理功能强、可靠性高、系统结构简单、价格低廉等优点并具有4K字节的程序存储器，使得它应用起来更加方便。7本科生课程设计（论文）2.3 数据存储器扩展89C-51 型单片机片内有 128B 的 RAM ，在实际应用中仅靠这 256B 的数据存储器是远远不够的。这种情况下可利用 MCS-51 单片机所具有的扩展功能扩展外部数据存储器。 MCS-51 系列单片机最大可扩展 64KB。 6264 是 8K 8 位静态随机存储器，采用 C

10、MOS 工艺制造，单一 +5V 电源供电，额定功率200mW，典型存取时间200ns，为 28 线双列直插式封装。89C51单片机与 6264 的接口，如下图2.2 ：NetLabel14N1 7RD1 6WR2 8P2.72 5P2.42 4P2.32 3P2.22 2P2.12 1P2.03 2P0.73 3P0.63 4P0.589C51 P0.43 53 6P0.33 7P0.23 8P0.13 9P0.02 2OE2 7+5VWE2 028CE1VCC2A1226 R?2 3A11CE22 1A10RES22 4A9GND142 5A8U?VCC18D7Q71 93A73171 64

11、D6Q6A6714D5Q51 55A56264L8D3Q397A33131 26SD4Q4A447D2Q268A274D1Q159A1321 0D0Q0A0111GOE1 8EA+5VALENetLabel173 01 7I/O7I/O61 6I/O51 5I/O41 4I/O31 3I/O21 2I/O11 1I/O0图 2.289C51 单片机扩展2.4 复位电路设计单片机复位电路图2.3 为单片机复位电路。单片机在开机时都需要复位，以便中央处理 CPU 以及其他功能部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。单片机的复位后是靠外部电路实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的 RS

12、T 引脚上出现24 个时钟振荡脉冲（ 2 个机器周期）以上的高电平，单片机便可实现初始化状态复位。MCS-51 单片机的 RST 引脚是复位信号的输入端。例如：如果 MCS-51 单片机时钟频率为12MHz ，因此复位脉冲宽度至少应该为2 s。8NetLabel46本科生课程设计（论文）NetLabel49SW-PBS1D3VCCC5R4C310KRST10uF图 2.3复位电路NetLabel47NetLabel482.5 时钟电路设计片内电路与片外器件就构成一个时钟产生电路，CPU 的所有操作均在时钟脉冲同步下进行。片内振荡器的振荡频率非常接近晶振频率，一般多在1.2MHz 24MHz 之

13、间选取。 C1、C2 是反馈电容，其值在 20pF100pF 之间选取，典型值为 30pF。本电路选用的电容为 30pF，晶振频率为 12MHz 。NetLabel42s ； 机器周期 Sm1 s； 指令周期 1 4 sNetLabel43振荡周期 1 12C13 00PFXTAL1Y11 2MHzXTAL2C23 00PF图 2.4 时钟电路原理图NetLabel45NetLabel442.6 CPU 最小系统图本设计中的 89C51的最小系统包括89C51 单片机， 6264 可编程 I/O 接口，晶振电路，按键复位电路 .1.复位电路的极性电容C1 的大小直接影响单片机的复位时间，一般采

14、用1030uF，容值越大需要的复位时间越短。9本科生课程设计（论文）2.晶振 Y1 也可以采用 6MHz 或者 11.0592MHz，在正常工作的情况下可以采用更高频率的的晶振，晶振的振荡频率直接影响单片机的处理速度，频率越大单片机处理速度越快。本设计采用110592MHz，图中用约等于12MHz 。3.起振电容 C2、C3 一般采用 1533uF，并且电容离晶振越近越好， 晶振离单NetLabel49片机越近越好。本设计中C2、C3 采用 33uF。NCPU 最小系统图如图2.5VCCRD1 722OE1 627WRWE2 8202 8P2.7CE1VCC2 52P2.4A122 4232

15、6P2.3A11CE2S1C32 321BP2.2A10C52 2241 4PP2.1A9GND-1 0u F2 125WP2.0A8S3 218193P0.7D7Q7A793 317164RSTP0.6D6Q6A63 414155D31R4P0.53 53D5Q5126A5P0.4137D4Q4A410K3 683975P0.33 774D3Q3684A3CP0.27D2Q26A29P0.13 84D1Q1592A18P0.03 93D0Q0210A061OEG1118I/O7C117I/O616I/O515Y1I/O4300PF1 814XTAL2I/O31 913XTAL1I/O2121

16、2MHzI/O1300PF11I/O0ALE3 0C22 03 1GNDEAVCC图 2.5 CPU 最小系统图NetLabel4810本科生课程设计（论文）第3章 CPU 输入输出接口电路设计3.1 温度传感器的选择本设计采用热电偶温度传感器，普通热电偶由热电极、绝缘套管、保护管、接线盒等四部分组成。 热点偶的选用应该根据被测介质的温度、 压力、介质性质、测温时间长短来选择热电偶和保护套管。 这里我们要求选择测量温度范围为 0300 的热电偶传感， J 型热电偶温度范围为 -200800 摄氏度 , 所以我们选择（ J 型热电偶）铁 - 康铜热电偶 。铁- 康铜热电偶（ J 型热电偶）是一种

17、廉金属的热电偶。它的正极（ JP）的名义化学成分为纯铁，负极（ JN）为铜镍合金，常被含糊地称之为康铜，其名义化学成分为： 55%的铜和 45%的镍以及少量却十分重要的锰，钴，铁等元素，尽管它叫康铜，但不同于镍铬 - 康铜和铜 - 康铜的康铜，故不能用 EN和 TN来替换。铁- 康铜热电偶的覆盖测量温区为 -2001200。如图 3.1 ：图 3.1 热电偶温度传感器11本科生课程设计（论文）3.2 温度检测接口电路设计转换器选择A/D 转换接口是系统数据采集前向通道的一个重要环节。数据采集是在模拟信号源中采集信号 ,并将之转换为数字信号送入计算机的过程。AD574 由两部分组成，一部分是模拟

18、芯片，另一部分数字芯片，其中模拟部分由高性能的 12 位 D/A 转换器 AD565 和参考电压组成。 数字部分由控制逻辑电路，逐次逼近型寄存器的三态缓冲器组成。AD574 的引脚如图 3.3 所示。功能特性分辨率： 12 位；非线性误差：小于 0.5LSB 或 1LSB;转换速率： 25s;模拟电压输入范围： 0-10V,0-20V;电源电压： 15V 和 5V;数据输出格式： 12 位/8 位NetLab el2NetLab el1芯片工作模式：全速工作模式和单一工作模式。1VLCS37VCC4A01 15VEER/C1 5DC2 7DB1 192 6ACDB1 02 5DB91 02 4

19、REFINDB882 3AD5 74DB71 2REFOUT2 2BIPOFFDB62 1DB52 0DB41 31 91 OVINDB31 41 82 0VINDB21 7DB1DB01 66CESTS2 821 2/8图 3.3AD574NetLab el4NetLab el33.3 加热控制器输出接口电路设计报警与控制电路是单片机和外部报警与控制的接口部分，主要起报警、执行和电气隔离作用，其电路图如图3.4 所示。继电器采用 SRD-D6VDC-SL-C 型，240AC 通断 TA 的电流。其直流线圈电阻12本科生课程设计（论文）95 欧，三极管 Q1 采用 KTC9012，输出电流 I

20、C 为 150mA，放大系数为60 至1000 范围内，若取为 200 则 Ic 在 5V 下为 50mA 左右，则基极电流为 0.25mA 。只有 P0 口在高点位输出时才能达到这样大的电流值。因此把这两个口分别用P0和 P01 代替。由于 P0 口属于三态输出输入口，因此，必须接上拉电阻，其阻值大小可计算为：(50.7)V0.25mA17K我们取10 千欧的电阻让Q1 在高电平时饱和导通，此时，基极电流为(50.6)V0.44mA 。二极管 D1 主要起保护作用，在Q1 关断时续流，以免电感10 K线圈断路时产生过压损坏三极管。图 3.4继电器执行电路与报警由于 DS18B20 自带了存储

21、器，能够将设定的温度报警值自动存入DS18B20的EEROM 中，永久保存，因此每次开机时系统都会自动从DS18B20 的EEROM 读出温度报警值 .两个继电器中， K1 接的是降温装置， K2 接的是加热装置，当实际温度大于 TH 的设定值时，蜂鸣器响，表示超温，此时继电器 K1 吸合，接通降温装置进行降温；当实际温度处于TL 与 TH 的设定值之间时，继电器常闭。3.4 人机对话接口电路设计显示接口电路设计显示电路如图 3.5 所示。 LED 显示块是由发光二极管显示字段的显示器件。这种显示块有共阴极和共阳极两种。共阴极LED 显示块的发光二极管共地。13本科生课程设计（论文）图 3.5

22、显示电路原理图当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮；本设计选用的显示块是共阴极的 LED 。将单片机 I/O 口的 8 位线与显示块的发光二极管的引出端 （adp）相连，共阴极低电平有效，选通有效后 8 位并行输出口输出不同的数据就点亮相应的发光二极管，获得不同的数字或字符。简易式键盘接口电路设计8255 可编程并行 I/O 接口设计MCS-51 系列单片机共有4 个 8 位并行 I/O 口，这些 I/O 口一般是不能完全提供给用户使用的，在外部扩展存储器时，提给用户使用的I/O 口只有 P1 和 P3 口的部分口线， 因此都免不了要进行I/O 口的扩展。 8255 芯片引脚图如图

23、3.6 所示。14本科生课程设计（论文）TextText3 4D0PA043 33D1PA13 22D2PA23 11D3PA33 04 0D4PA42 93 9D5PA52 83 8D6PA62 73 7D7PA758 255PB01 83 6RD1 9WRPB192 0A0PB282 1A1PB33 52 2RESETPB462 3CSPB52 4PB62 5PB7PC01 41 5PC11 6PC21 7PC31 3PC41 2PC51 1PC61 0PC7NetLab el6915C98NetLabel7 2TextText图 3.6 8255 引脚图NetLab el7 0P0.03

24、9AD1 0AD1 018D7Q71 9AD1 034D0PA0438AD1 1AD1 1171 6AD1 1333P0.1D6Q6D1PA137AD1 2AD1 2141 5AD1 2322P0.2D5Q5D2PA236AD1 3AD1 331 2AD1 3311P0.3137D4Q4D3PA335AD1 4AD1 4839AD1 43040P0.434AD1 5AD1 54D3Q36AD1 529D4PA439P0.577D2Q2D5PA533AD1 6AD1 645AD1 62838P0.6D1Q1D6PA632AD1 7AD1 732AD1 72737P0.7D0Q0D7PA7P2.0

25、21ALE1OERD5RD8255PB0182211WE3619P2.123G9WRPB120P2.2A0PB224821P2.3A1PB3253522P2.4RESETPB426623P2.5CSPB52724P2.6PB62825P2.7PB7PC01415PC116PC21717RDPC31613WRPC43012ALEPC53111EAPC610PC7NetLab el71图 3.7 I/O 口扩展电路单片机也 8255 的接口比较简单，如图 3.7 所示， 8255 的片选信号 CS 及口地址选择线 AO 、A1 分别由单片机的 P0.7 和 P0.0、 P0.1 经地址锁存器提供

26、.8255 的 A 、B、C 口及控制口地址分别为FF7CH、FF7DH、FF7EH、FF7FH。8255 的 D0 D7 分别与 P0.0 到 P0.7 相连。键盘功能说明：1 号键：上升。2 号键：下降。 3 号键：下限温度值确定。4 号键：上限15本科生课程设计（论文）值确定。 5 号键：查询上下限值。使用1 号键和 2 号键，设定需要的温度控制系统的上限值，然后按下4 号键，将这个上限值确定，也就是将上限值保存到专用的寄存器里。在完成设定上限值的工作后，使用1 号键和 2 号键设定需要的温度控制系统的下限值，然后按下3 号键，将这个下限值确定，也就是将这个下限值保存到专用的寄存器里，然

27、后系统进去实时的温度测量和控制工作中。键盘接口电路如图NetLab el53.8 所示：NetLab el6S134D0PA04333S2D1PA1322D2PA2311S3D3PA3304 0D4PA4293 9S4D5PA5283 8D6PA6273 7S5D7PA7R1R2R3R4R55RDPB01 8361 9WR8255PB192 0A0PB282 1A1PB3VCC352 2RESETPB462 3CSPB52 4PB62 5PB7PC01 41 5PC11 6PC21 7PC31 3PC41 2PC51 1PC61 0PC7NetLab el7NetLa图 3.8键盘接口电路图1

28、6本科生课程设计（论文）第4章 加热控制器软件设计4.1 软件实现功能综述（1）实现对加热炉的温度连续控制0-300（2）当温度超过 300时自动执行降温程序4.2 系统主程序流程图设计开始初始化按键设定温度上下限送显示送 counter=3调温度子程序转换送显示等待下一个采样YNcounter-1=0?键盘处理PID 运算TXTHNTXTHNNY有键按下 ?Y低温报警并加热Y高温报警并停止加热显示正常温度17本科生课程设计（论文）4.3 温度控制部分程序设计这部分程序的功能是将采集到的温度值 TX 与 TL 比较，如果 TX TL 则报警，并置 P3.1 口为低电平，通过光耦合器打开可控硅，

29、使加热器加热，并调显示，显示 88.8。否则将 TX 与 TH 比较，如果 TX TH则报警，并置 P13 口为高电平，通过光耦合器关闭可控硅，停止加热器加热，并调显示，显示88.8。否则，也就是 TL TX TH 当温度在正常范围内，调显示，显示采集到的温度值 TX 。加热程序流程图如图 4.1 所示。开始YTXTHN开始延时 20msN有键按下？地址和计数器换码送显存计数器换码Y送显存判别键号显示灯亮、蜂鸣器响置 P1.3 口为 1，打开加热 器LED 显示返回执行键处理子程序返回图 4.1 温度控制程序流程图图 4.2 键盘处理子程序流程图4.4 键盘部分程序设计本部分主要是实现输入设定

30、温度和查询设定温度的功能。该部分的子程序流程图如图 4.2 所示。4.5 程序清单ORG0000HSJMPMAIN18本科生课程设计（论文）ORG0003HLJMPINTORG0025HMAIN ： MOVSP,#60HMOV20H,#00HMOV21H,#08HMOV29H,#0FEHLCALLZIJIANLCALLREADTHTLLCALLTESTRANGESETBINT0SETBEX0SETBEALOOP:LCALLDELAYLCALLGET_TEMPLCALLTURNLCALLDISPLAYCLRCMOVA,24HCJNEA,2EH,LOOP1SJMPHOTTINGLOOP1:JCHOTTINGMOVA,24HCLRCCJNEA,2DH,LOOP2SJMPSTOPHOTLOOP2:JNCSTOPHOTSJMPKEEPHOTTING: CLRP3.1CLRP1.5