1、南华大学电气工程学院毕业设计（论文）1 引言1.1 研究意义与背景温度是工业生产中主要的被控参数之一，与之相关的各种温度控制系统广泛应用于化工、机械、冶金、食品等领域。温度控制是工业生产过程中常见的过程控制之一，在不少工艺过程中，温度的控制效果直接影响到产品的质量。所以设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。温度控制系统属于一阶纯滞后环节，具有大惯性、纯滞后、非线性等特点， 导致传统控制方式超调大、调节时间长、控制精度低。采用单片机进行温度控制， 具有电路设计简单、精度高、控制效果好等特点，对提高生产效率、促进科技进步等方面具有重要的现实意义。随着单片机技术的迅速兴起与蓬勃发展，其稳定、
2、安全、高效、经济等优点十分突出，所以其应用也十分广泛。单片机已经无处不在，与我们生活息息相关，并且渗透到生活的方方面面。单片机的特点是体积较小，也就是其集成特性，其内部结构是普通计算机系统的简化，增加一些外围电路，就能够组成一个完整的最小系统，单片机具有很强的可扩展性。它具有和普通计算机类似的、强大的数据处理功能，通过使用一些科学的算法，可以获得很强的数据处理能力。所以单片机在工业应用中，可以极大地提高工业设备的智能化、数据处理能力和处理效率，而且单片机无需占用很大的空间。随着检测理论和技术的不断更新, 温度传感器的种类也越来越多，在微机系统中使用的传感器，必须是能够将非电量转换成电量的传感器
3、，目前常用的有热电偶传感器、热电阻传感器和半导体集成传感器等，每种传感器根据其自身特性， 都有它自己的应用领域。1.2 电阻炉简介（1）电阻炉的简介电阻炉是利用电流使炉内电热元件或加热介质发热，从而对工件或物料加热的工业炉。工业上用的电阻炉一般由电热元件、砌体、金属壳体、炉门、炉用第80 页 共77 页机械和电气控制系统等组成。电热元件具有很高的耐热性和高温强度，很低的电阻温度系数和良好的化学稳定性。电热元件的分布和线路接法，依炉子功率大小和炉温要求而定。电阻炉的供电电压一般为 220V 或 380V，必要时配置可调节电压的中间变压器。一般而言，小型炉(10KW)采用单相供电，大型炉采用三相供
4、电。1.3 温度检测的意义与技术发展温度是一个非常重要的物理量，因为它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、结晶以及空气流动等物理和化学过程。如果温度失去控制，就可能引起生产安全、产品质量、产品产量等一系列问题。因此对温度的检测的意义就越来越大。温度采集控制系统在工业生产、科学研究和人们的生活领域中得到了广泛应用。在工业生产过程中，很多时候都需要对温度进行严格的监控，以使得生产能够顺利的进行，产品的质量才能够得到充分的保证。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，保证生产的自动化、智能化能够顺利、安全进行，从而提高企业的生产效率。温度采集控制系统是在嵌入式系统设计
5、的基础上发展起来的。嵌入式系统虽然起源于微型计算机时代，但是微型计算机的体积、价位、可靠性，都无法满足广大对象对嵌入式系统的要求，因此，嵌入式系统必须走独立发展道路。这条道路就是芯片化道路。将计算机做在一个芯片上，从而开创了嵌入式系统独立发展的单片机时代。2 系统总体设计及方案论证2.1 系统总体设计本章主要论述基于单片机的温度控制系统以及方案论证。本系统由单片机、加热模块、温度信号采集与 A/D 转换、人机交互及串口通信、按键电路、显示电路、报警电路、复位电路、时钟电路、稳压电源模块十部分分组成。由于功能模块具体实现的器件的不同，将直接影响整个系统的性能及成本，为了达到高效、实用的目的，在系
6、统设计之前的方案论证是十分重要的，系统设计原理图如图2.1 所示：温度信号采集与单人机交互及串口A/D 转换通信片稳压电源模块机控制执行及报警单元图 2.1 系统设计原理图单片机：该部分的功能不仅包括向温度传感器写入各种控制命令、读取温度数据、数据处理，同时还要对执行单元进行控制。单片机是整个系统的控制核心及数据处理核心。温度信号采集与 A/D 转换：本部分的主要作用是用传感器检测模拟环境中的温度信号，温度传感器上电流将随环境温度值线性变化。再把电流信号转换成电压信号，使用 A/D 转换器将模拟电压信号转换成单片机能够进行数据处理的数字电压信号，本设计采用的是数字温度传感器，以上过程都在温度传
7、感器内部完成。人机交互及串口通信：人机交换的目的是为了提高系统的可用性和实用性。主要包括按键输入、输出显示。通过按键输入完成系统参数设置，而输出显示则完成数据的显示和系统提示信息的输出，串口通信的主要功能是完成单片机与上位机的通信，便于进行温度数据统计，为将来系统功能的扩展做好基础工作。电源系统单元：本单元的主要功能是为单片机提供适当的工作电源，同时也为其他模块提供电源。如液晶显示屏、按键电路等。在本设计当中，电源系统输出+5 V 的电源。电源执行单元：是单片机的输出控制执行部分，根据单片机数据处理的结果， 驱动光电耦合器控制双向可控硅等外部设备，可以达到超温报警及升温或者降温目的，使水温始终
8、保持在一个范围之内。2.2 方案论证2.2.1 单片机的选择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。目前，8 位单片机在国内外仍占有重要地位。在 8 位单片机中又以 MCS51 系列单片机及其兼容机所占的份额最大。MCS51 的硬件结构决定了其指令系统不会发生变化，设计人员可以很容易的对不同公司的单片机产品进行选型，他们只需将重点放在芯片内部资源的比较上。在以前的电子设计中，应用比较广泛的单片机是 AT89C51 单片机了，但是该单片机最致命的缺陷在于不支持 ISP（互联网服务提供商）功能。ATMEL 公司目前已经停止了 AT89C51 生产，51 单片机必须加上 IS
9、P 功能才能更好延续MCS-51 的传奇，AT89S51 就是在这样的背景下诞生的。目前 AT89S51 已经成为了实际应用市场上的新宠儿，AT89S51 在工艺上进行了改进，不但降低了成本, 而且增加了功能，提升了单片机性能，提高了市场竞力。AT89S51 新增了许多功能, 性能也有了较大的提升, 但是价格仍旧与AT89C51 的价格一致。新增的功能之中最具有影响力的就是 ISP 在线编程功能， 这个功能的优势在于，改写单片机Flash 存储器内的程序不需要把芯片从工作环境中剥离。显然，AT89S51 在性能上比 AT89C51 要优良得多，因为它不但在 AT89C51 的基础上增加了许多功
10、能，而且价格基本没有提高，所以在器件选择的时候首先排除 AT89C51，对于市场上的另外一种比较流行的单片机 C8051F，尽管它在性能、功能上都要比 AT89S51 优良很多，但是它的价格是 AT89S51 的数倍，本系统使用 AT89S51 已经完全能够实现所需要的功能，基于成本的考虑，放弃C8051F，选择 AT89S51 作为本系统的主控单元。2.2.2 温度传感器的选择本部分主要是论证温度传感器的选型。传感器的选择受到很多因素的影响， 首先是各种温度传感器自身的优缺点，其次是各种不同的环境因素，还有就是系统所要求实现的精度以及测温范围，所以在不同的设计当中温度传感器的选择也将不同。方
11、案一：热电偶传感器热电偶传感的原理是将温度变化转换为电势变化。它是利用两种不同材料的金属连接在一起，构成的具有热电效应原理的一种感温元件。其优点为精确度高、测量范围广、 构造简单、使用方便、型号种类比较多且技术成熟等。目前广泛应用于工业与民用产品中。热电偶传感器的种类很多，在选择时必须考虑其灵敏度、精确度、可靠性、稳定性等条件。方案二：热电阻传感器热电阻传感器的原理是将温度变化转换为电阻值的变化。热电阻传感器是中低温区最常用的一种温度传感器。它的主要特点是：测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精度是最高的，不仅广泛应用于工业测温，而且被制作成标准的基准仪。从热电阻的测温原理可以知道，被测温
12、度的变化是直接通过热电阻阻值的变化来表现的。因此，热电阻的引出线的电阻的变化会给测温带来影响。为消除引线电阻的影响，一般采用三线制或四线制。热电阻测温系统一般由热电阻、连接导线、显示仪表组成。方案三：半导体集成模拟温度传感器半导体 IC 温度传感器是利用半导体 PN 结的电流、电压与温度变换关系来测温的一种感温元件。这种传感器输出线性好、精度高，而且可以把传感器驱动电路、信号处理电路等，与温度传感器部分集成在同一硅片上，体积小，使用方便，应用比较广泛的有 AD590 等。IC 温度传感器在微型计算机控制系统中，通常用于室温或环境温度的检测，以便微型计算机对温度测量值进行补偿。方案四：半导体集成
13、数字温度传感器随着科学技术的不断进步和发展，新型温度传感器的种类繁多，应用逐渐广泛，并且开始由模拟式向着数字式、单总线式、双总线式、多总线式发展。数字温度传感器，更因适合与各种微处理器的I/O 接口相连接，组成自动温度控制系统，这种系统克服了模拟传感器与微处理器接口时需要信号调理电路和 A/D 转换器的弊端，被广泛应用于工业控制、电子测温、医疗仪器等各种温度控制系统中，数字温度传感器中比较有代表性的有 DS18B20 等。电子设计中常用的几种温度传感器的性能、价格等的对比，如表 2.1 所示：表 2.1 传感器对比传感器AD590Pt100DS18B20产地美国德国美国量程-50+150-20
14、0+450-55+125精度0.30.250.5供电电压+4V+30V+13V+36V+3.0V+5.5V输出信号类型模拟信号模拟信号数字信号Pt100 与 AD590 都不能与单片机的 I/O 口直接相连,需要设计信号调理电路，A/D 转换电路。而 DS18B20 是数字温度传感器并且采用单总线技术，使该传感器不但可以直接与单片机 I/O 口相连，并且只需要一个 I/O 就可以连接多个温度传感器，实现多点温度测量与控制。所以使用数字温度传感器 DS18B20 不但可以节约单片机 I/O 口还能使系统设计成本降低。2.2.3 人机交互与串口通信按键是现阶段电子设计中最常用、最实用的输入设备。按
15、键能够成为最普遍的输入设备，主要是其具备了以下几个优点：工作原理、硬件电路连接简单、操作实用性强、价格便宜，程序编写简单。缺点：机械抖动比较严重、外型不够美观。本系统因为按键只有三个，故采用独立按键的方式。与单片机接口的常用显示器件分为 LED 和 LCD 两大类。LED 大屏幕显示方式分为静态显示和动态显示，一般使用动态显示。LCD 的按控制方式可以分为含控制器式(内置式)和不含控制器式，内置式 LCD 只需通过控制器接口外接数字信号或模拟信号即可；不含控制器的 LCD 还需另外选配相应的控制器和驱动器才能工作。LCD 显示的驱动方式有静态驱动方式、动态驱动方式和双频驱动方式。单片机与字符型 LCD 显示模块的连接方法分为直接访问和间接访问， 数据传输的形式分为 8 位和 4 位。各类液晶显示控制器的结构各异，指令系统也不同，但其控制过程基本相同。本系统中，考虑到显示的信息不多，故选用液晶显示器 LCD1602。这款液晶显示器与单片机接口简单，可显示两行，每行 16 个字符，能满足本系统的要求。串行通信的主要功能是实现单片机与 PC 机的数据交换，当需要进行数据记录、数据统计、数据分析的时候，可以把数据发送给上位机，使用上位机进行
