毕业设计 智能烘箱温度控制关器设计-论文

1、学士学位论文智能烘箱温度控制器设计摘要: 电烘箱在机械、冶金、化工等行业具有广泛的应用，如机械零件的热处 理。在某些情况下，要求对电烘箱的温度实现准确控制，若采用一般控制方法则 难以实现。以铀热电阻温度传感器 ptloo 作为感应烘箱温度传感器，它将温度的变化转 换为电阻阻值的变化，由铀热电阻 ptloo 组成的测量电桥将烘箱温度的变化转换 成电压信号变换、再经集成运放 7650 放大成 0-5v 的模拟电压信号后，经 adc0804转换成 8位数字信号送入 at89c52单片机系统，at89c52 单片机对所采 集的数据经数字滤波、变换等处理后送入 164显示模块进行显示，同时输出控制 量，

2、控制可控硅的导通从而控制加热装置开启或关闭，实现对烘箱温度的智能控 制。本次设计所要求实现的温度测量范围为 0.c-300.c，分辨率为土1.c。测量 结果用 3位 led数码管显示。设计中利用stc89c52系列单片机实现了实时温度采样、智能控制，有较高的实用价值:此外，采用数码显示和键盘输入实现了人机对话 ，充分满足了使 用者对于产品使用便捷直观的要求。关键字:温度传感器、a/d 转换 、实时测温指导教师签字:the development of inteuigent oven systemstudent name: yaoxi classe: 098205234supervisor: c

3、henlijuanabstract : electric oven in the machinery，metallurgical，chemical and other industries has a wide range of applications，such as mechanical p盯tsannealing.under certain circumstances，the oven temperature is reguired to achieve accuratecontrol，such as the general control methods will be difficu

4、lt to achieve.platinum resistance to heat as 也e temperat町e sensor pt100 sensors oven temperature sensitive components ，it will change the temperature of the resistance to the resistance changes，platinum by the thermal resistance of surfacing bridge will bemeasured temperature of the oven converted i

5、nto voltage signal conversion，thenintegrated operational amplifier 7650 enlarge 0 - 5v voltage signal simulation. afteradc0804 converted into eight digital signal into at89c52 system，at89c52 of the data collected by digital filtering，after processing transform into 164 module for，anddetermine whethe

6、r the effective temperature range beyond，由us completing 由e measurement of temperature. the design calls for the temperature measurement range of 0 0 c to 300 0 c，resolution of :!: 1 0 c. measurement results using three digitalled display.design series mcu stc89c52 use real-time temperature sampling，

7、intelligent control，have high practical value; in addition，the use of digital display and keyboard input of the man-machine dialogue fully meet the users for the products easy to use visual requirements.keywords : temperature sensor，a / d conversion，real-time temperat田e measurementsignature of instr

8、uctor :17目录第一章绪论.11.1 选题的依据及课题的意义.11.2 国内外研究概况及发展趋势.11.3 本文的主要研究内容 . . . . . .2第二章烘箱系统的组成及工作原理 .32.1 系统的设计要求与技术指标.32. 2 系统组成框图与功能分析.3第三章烘箱系统硬件电路的设计.53.1 单片机最小系统.53. 1.1 时钟电路 . . . . . . . . . 53. 1.2 复位电路.53.2 温度采集放大电路.73.3 a/d 转换电路设计.四.3.4 键盘、显示接口电路. .123.4.1 led显示接口电路. . . . . . 123.4.2 键盘接口电路. .

9、.133.5 加热控制电路.153.6 报警电路.16第四章烘箱系统软件设计184. 1 软件设计总体框图.四.4.2 系统子程序设计.194.2.1 a/d 转换子程序. . . . . .194.2.2显示程序. . . . . . . . . . . 214.2.3键盘输入程序. . .22第五章系统调试.235.1 单片机系统调试. .235.2 温度采集电路的调试. .235.3显示电路的调试.23第六章结论 256. 1 实现功能. .256.2不完善之处 .25参考文献 .26 致谢 .27 附录一 电路原理图 .28 附录二 程序清单.29第一章绪论1.1 选题的依据及课题的意

10、义在现代化的工业生产中，温度是工业对象中主要的被控参数之一，例如在冶 金、机械、食品、化工各类工业中，广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉 等，对工件的处理温度要求严格控制，现代计算机温度控制系统使温度控制指标 得到大幅度的提高。温度控制无论是在工业生产过程中，还是在日常生活中都起着非常重要的作 用。在工业控制中，温度控制是一个很重要的环节。温度控制的好坏，往往影响 成品的好坏。在日常生活中，过低的温度满足不了人们的需求，而过高的温度则 会造成能源的巨大浪费。特别是在当前全球能源极度有限的情况下，掌握好对温 度的控制是必要的。烘箱的用途十分广泛，它适用于烘烤有化学性气体及食品加工行业的欲烘烤

11、 物品、基板应力的去除、油墨的固化、漆膜的烘干等，并且广泛使用于电子、电 机、通讯、电镀、塑料、五金化工、食品、印刷、制药、pc 板、粉体、含浸、 喷涂、玻璃、陶瓷、木器建材等等的精密烘烤、烘干、回火、预热、定型、加工 等，既适用于工业生产的加工过程，也适用于日常生活的一些物品的烘烤。随着 现代工业生产和生活的要求不断提高，对其过程中温度控制器的精度、通用性、 人性化、安全稳定性等性能要求越来越高，同时其成本及实用性对人们来说也不 容忽视。所以如果能将烘箱的温度控制的技术提高的话，那么人们的许多日常活 动都将变得更加方便，对能源的节约也起到了重要的意义。本系统以单片机为核心，主要部分包括传感器

12、温度来集、a/d 转换、按 键操作、显示等部分。采用 pid 算法实现温度控制功能，并使其达到要求 的精度，完成对温度的采集和实时显示、超温报警等功能的实现。1 . 2 国内外研究概况及发展趋势己往的烘箱采用的是手控式的和电子式的温度控制装置，随着人们对温度控 制的精度和操作简便的要求的提高，人们又发明了以单片机为核心的温度控制装 置，该种装置是目前较先进的温度检测和控制装置。具有温度控制准确，操作简 便和结构简单等众多的优点。但它也还存在着许多的不足之出不能满足人们某些 方面的要求。例如其输出结果常用数码管显示，结果不够形象，对于复杂数据的 处理更是力不从心。因此许多温度控制系统增加了 rs

13、-232 等的接口电路，增强了与上位机的联系，并通过编程可实时的画出温度曲线，更有利于对温度进行控制，更可进一步观察温度变化的规律。pid 等算法的运用使的温度的控制更加的 精确。随着计算机技术的发展和完善，微机被广泛运用与检测和控制领域。微机在 测控技术中的运用，使得传统的测控手段，方法和设备发生了根本的变化，形成 了自动化，实时化和智能化的微机检测与控制系统。用 pc 机替代单片机，pc 机 的强大的数据处理和人机对话功能可以用来弥补单片机控温的不足。随着科学技 术的发展和自动化程度的进一步提高，烘箱做为实验室的常用设备也在不断的发 展，由原来单一的产品逐渐向多个方向发展，比如电脑控温、真

14、空烘箱等等。1.3 本文的主要研究内容本系统的研发主要包括了系统硬件和系统软件的设计。硬件设计工作主要包 括了: 掌握温度传感器、数码管显示、键盘输入、放大器件和模数转换芯片工作 原理，并由此设计出具体硬件电路:在软件方面则是利用单片机组成控制系统， 编程实现键盘数据输入，温度数据采集及实时显示和加热控制的功能。本系统以 stc89c52 单片机为微控制器，利用ptloo传感器与单片机组成的测控系统，检测 当前温度并通过单片机的控制实现对烘箱的加热。单片机数通过hd7279键盘显示 当前采样温度值以及键盘输入的设定温度值。2. 1第二章烘箱系统的组成及工作原理控系制对象 统的设计要求与技术指标

15、本课题的任务是应用单片机技术对一脱蜡烘箱进行温度控制。具体技术要求如下:1.设计一路温度采集电路:2. 设计键盘、显示接口电路，可时实显示和设定温度值;3. 设计输出控制接口电路和报警电路:4. 控温范围为 o 300.c，精度为土1.c2. 2 系统组成框图与功能分析本系统主要由四大部分组成:数据采集转换电路模块、控制电路模块、键盘 显示模块、加热驱动模块、报警电路模块。各模块主要功能:一、数据采集、放大、转换模块完成温度信号的测量放大和转换。 二、控制模块主要包括单片机最小系统、各种接口电路。 三、显示模块主要是通过 7279 键盘显示来实现。 四、加热驱动电路模块主要完成单片机控制可控硅

16、加热。 五、报警电路模块实现在烘箱温度超过设定温度时发出警告。1.硬件电路组成框图简化的硬件组成框图如下:键盘显示电路报警显示 .国 2. 1 硬件原理图2、基本功能使用 ptl00构成电桥测量温度，温度的信号经过 ad 转换电路后进入单片机 系统实现显示温度，控制加热设备等功能，同时可通过键盘可设置电路参数.3、软件的基本组成软件主要有主程序，a/d 转换程序，键盘输入等几部分组成，主要实现键 盘数据输入，温度数据采集及实时显示和加热控制的功能。第三章烘箱系统硬件电路的设计3. 1 单片机最小系统3.1.1时钟电路 时钟电路是计算机的心脏，它是控制着计算机的工作节奏。stc89c52内部都有

17、一个反相放大器，xtal1、xtal2 分别是反相放大器输入和输出端，外接定 时反馈元件就组成震荡器产生时钟送至单片机内部的各个部件。如下图3. 1 所 示，片内电路与片外器件构成一个时钟发生电路，cpu 的所有操作均在时钟脉冲 向步下进行。片内振荡器的震荡频率fosc 非常接近晶振频率，一般多在1.2睡iz.-.12阳z 之间选取，这次毕设用的时钟频率是6阳恒。图 3. 1 中c1、c2 是反馈电容，其值在5pf.-.30pf 之间选择，其典型值是30肘。作用有两个: 其一是使振荡器起 振，其二是对振荡器的频率f 起微调作用 (c1、c2 大，f 变小。icl iet pod po.le.a

18、.a1ppo:lp03xlpoj po.5po.6po.1xlp2 dpsenp2.1aleip p2:lpbp:;atl p2.5p2.6pidp2.1pl.l001p12 into p13 100) p1.4 2 p1.5 w:r p1.6 rdp11.a丁89cs210图3. 1 单片机时钟电路3. 1.2 复位电路系统在启动运行时都要复位，使中央处理器和系统中的其他部件都处于一个 确定的初始状态，并从这状态开始工作。采用上电复位方式，在rst复位端接一 个电容r16 至vcc 和一个电容c6 至vss(地)，就能实现上电自动复位。在上电的 瞬间，电容通过电阻充电，就在端出现一定时间的高

19、电平。只要保持rst 引脚为 高电平时间足够长，就可使cpu 复位。所需高电平时间的长短与vcc 上升时间和 振荡器起振时间有关。10 阳z 时，约1ms; 1mhz 时，约10ms。若vcc 上升时间小 于20肘，那么从上电时间算起，只要保持rst 引脚在高电平停留时间不小于20ms 即可。图3.2 中r16=51ko ，c6=22j，j f，若频率为12阳fz，可以保证可靠的上电复 位。如果频率降低，可以适当加大电容c6。单片机复位电路最小系统如图3. 2所 刁可:mmmmclpl.opl.lp12p13p1.4pu pl.6p11.a丁s筑52iclpo.o po.l po.2p03po

20、.4p05po.6po.1国3.2 单，片机复位电路3. 2 温度来集放大模块方案论证与比较方案 1: 采用集成温度传感器的采集电路集成祖度传感器的原理是基于硅基 p-n 结对温度的敏感效应，它有三种类 型: 1. 线性输出集成温度传感器，电压与温度成比例关系; 2. 临界点输出集 成温度传感器，探测温度以防止过热，临界温度点的调整可通过电阻设置来完成。3. 数字传感器，用数据总线传输油度值，用数字输出取代模拟输出。集成温度 传感器的工作泪度范围是有限的，通常在-55.c150.c之间， 且具有价格低廉、 设计简易、测量精确等优越性。集成温度传感器搭乘个人电脑的班车而得到迅猛发展，个人电脑及外

21、设这些 需要热电偶的地方，即是需求集成温度传感器的地方。集成温度传感器特有的低 价格是制造商手中的法宝，在温度传感器中集成温度传感器价格最低，但它也有 两个弱点，即受温度限制和受电磁干扰。采用集成数字温度传感器设计电路，可以省略 a/d 转换电路。传感器直接输 出数字信号电路简单而且生产成本低，测量精确。但集成温度传感器工作温度范 围通常在-550 c 1500 c 达不到设计的要求，因此在本次毕设中未采用几集成 温度传感器。方案 2: 采用温度传感器 ptl00 作为电桥电路的采集电路铀电阻在 o.c 的额定电阻值是 100 n，它是一种标准化的器件。铀金属的长 期稳定性、可重复操作性、快速

22、响应及较宽的工作温度范围等特性使其能够适合多种应用。铀电阻阻值的温度特性存在非线性，这影响了温度测量的精度。pt100 传感 器是利用铀电阻的阻值随温度变化而变化、并呈一定函数关系的特性来进行测 温，其温度/阻值对应关系为:(1) -200.ct0.c 时，rt =100 1+at+bt2+ct3 (t-100) (3. 1)(2) o.c 运t850.c时，rt =100 (1+at+bt2)(3. 2)勾式中，a，b，c 均为系数 3.908 xlo-3 ，b: -5.802 x lo-7 ，c 绍-4.273xlo-j 2 。rt - ptloo 的电阻阻值。pt100温度传感器的主要技

23、术参数如下:测量范围: -200.c，. +850.c; 允许偏差值6.c: a 级土 (0.15+0.002i t 仆 ，b 级土 (0.30+0.005i t i ) ;热 响应时间) f220飞图3.11 控制电路原理图图中 rl 的阻值由下式确定: r31=v/1.拙，1.2a 为双向开关的额定电流。 当主电网电压为 220v 时，v=/2*220=308v，则rl=308/1.2=2500. 所以，可控 硅 scr 的规格应依r31 的大小进行选择。3.6 报警电路本设计当温度超过 300.c时，这就需要报警。电路中采用灯报警，就是点亮 一个发光二极管。当 p3.4 为 0 时，报警

24、灯亮: 当 p3.4 为 1时，报警灯不亮。电路图如图 3.12所示。z可-气飞r31200vcc图 3.12 报警电路vcc vf发光二极管发出的光必须达到一定的强度，一般要求流过发光二极管的电流 为 5-10ma，限流电阻 r31 应取:r 3i =uuf(3.loif其中: 凡一电源电压v昕一发光二极管的管压降，一般为1.5-2.ov1 一 要求流过发光二极管的电流第四章烘箱系统软件设计4. 1 软件设计总体框图根据系统的总体设计要求以及硬件电路原理，按照硬件连接和各个模块芯片 的特性以及功能实现要求，本系统的主要流程包括五个步骤: 系统初始化，调键 扫程序，采样温度并送显，加热控制和报

25、警。主程序框图如图4.1所示窜口初始化，并规定波特率 定时器。初始化，开中断图 4. 1 主程序框图4. 2 系统子程序设计4. 2. 1 a/d 转换子程序根据设计选取的aid 转换芯片adc0804 以及提高分辨率到小数点后一位 的要求，按照硬件电路图的连接情况，设计了aid 转换子程序。其中选取 at89c52 的po 口与aid 转换器的数据口相连。1.ad 转换时序adc0804 控制信号的时序图如下图 4. 2 所示wrintrrd黯m图 4. 2 adc0804 控制时序图 根据控制时序，图，可见各控制信号时序关系为: 当cs 与wr 同时为低电平，a/d 转换器被启动，且在wr

26、 上升沿后1001-1 s 模数转换完成，转换结果存入数据 锁存器: 同时，intr 自动变为低电平，以表示本次转换结束。此时，如果cs、 rd 同时来低电平，则数据锁存器三态门打开，数字信号送出，而在rd 高电平到 来后三态门处于高阻状态。简而言之，即当cs 与阳同时为低，启动a/d 转换; 然后短暂延时(如o. lms) 后，将cs 与rd 同时为低，则可开始读取a/d 转换结 果。a/d转换程序如图4. 3所示:读取afd 转换数据 datdat/lo，商为百位数图 4.3 a/d 转换的流程图4. 2. 2 显示程序本次设计用了 8个七段共阳极数码，开辟显缓区单元40h，-.，47h，

27、显示程序 采用查表的方法把 40h-47h中的内容显示出来。其程序框图如图 4.4所示。显缓单元 40hron图 4.4 显示子程序框图4. 2. 4 键盘输入程序本次设计的键盘是独立式键盘，采用行扫描法。本次按键选择子程序采用查 询方式来实现按键的识别，这时 cpu 只要一有空闲就调用键盘扫描程序，查询键 盘，识别键值，并予以处理。程序流程图如 4. 7 所示:h川nhh移位键减键 键图 4.7 键扫程序流程图5. 1 单片机系统调试第五章系统调试最小系统是系统的核心，必须保证它的正常工作。首先得保证线路连接正确和导通，有时系统板工作不正常往往是这方面的原因; 另外 at89c52 的 p

28、口必须 得正常工作，其调试方法是:将 at89c52 的 p 口与调试好的显示电路连接起来， 再利用 e2prom仿真器编写简单的程序，比如说让p1 口的某一位输出方波，然后 用示波器去检查波形是否正确:或者让 p1 口的某一位置高电平/低电平，然后用 万用表去检查引脚上的电平。还可以测试外部中断口和内部定时器的工作情况， 测试方法是:在 p 口正常工作的情况下，可以通过改变外部中断和定时中断到来 前后 p 口的电平来检测外部中断和定时中断的工作情况。5.2 温度来集电路的调试首先调试采样转换电路。用电阻箱模拟 pt100，先将打到 1000 档，用万用 表测量电桥输出端的电压，同时调节精密电位器 r3 使得万用表示数为零。此时 电桥平衡。再用万用表测运放输出端，看电压是否为 0。实际上应该是 0.01v 左 右，不可能真的为 0。再将电阻箱打到 138. 50 (100.c对应的 pt100 的电阻值)， 用万用表测电桥输出端电压，与理论值相比较。实际值是 45.8mvo 再用万用表 测运放输出电压，看看是否是 5v 左右。实际上比 5v 小，此时调节电位器 r6 使 运放输出电压接近 5vo 由于运放给的工作电压为土5v，所以一般是达不到 5v 输 出的，因此可以加大运放的工作电压，从而使运放输出电压为 5v。