電阻爐爐溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1課程設(shè)計(jì)規(guī)定

1.1課題內(nèi)容

應(yīng)用計(jì)算機(jī)日勺實(shí)時(shí)監(jiān)控和溫度測(cè)量技術(shù)，采用單片機(jī)、溫度檢測(cè)電路、溫度

控制電路等，采用比例環(huán)反饋、數(shù)字PID閉環(huán)調(diào)整兩種方式實(shí)現(xiàn)電阻爐爐溫的實(shí)

時(shí)監(jiān)控。

1.2規(guī)定及技術(shù)指標(biāo)

用單片機(jī)及對(duì)應(yīng)口勺構(gòu)成部件構(gòu)成電阻爐溫的自動(dòng)控制系統(tǒng)，規(guī)定測(cè)溫范圍

0?100℃,使其控制系統(tǒng)控制的溫度保溫值口勺變化范圍為30?60℃。

規(guī)定：

（1）完畢電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序設(shè)計(jì)；

（2）采用LED實(shí)時(shí)顯示控溫時(shí)的實(shí)際爐溫和設(shè)定爐溫，如將爐溫加熱并控

制在60℃；當(dāng)爐溫工作至設(shè)定溫度時(shí)，蜂鳴器每2秒報(bào)警一次，綠色LED燈常

亮。當(dāng)爐溫超過設(shè)定溫度5℃,過溫保護(hù)電路動(dòng)作，蜂鳴器常鳴，紅色LED常

亮。

（3）對(duì)其主電路和控制電路設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)口勺保護(hù)電路，使其安全可靠地工作。

（4）具有防干燒功能。

（5）具有定期功能，設(shè)定一段時(shí)間自動(dòng)加溫，如1分鐘。

1.3元器件清單

元件名稱數(shù)量

電熱杯1個(gè)

SL-1型51單片機(jī)綜合試驗(yàn)箱1個(gè)

DS18B20溫度傳感器1片

STC89C52單片機(jī)1片

S855O三極管放大器2片

USB下載線1條

單線固態(tài)繼電器1個(gè)

二極管1個(gè)

導(dǎo)線若干

另有剪刀、鑲子等工具

表1.1元器件清單

2電路設(shè)計(jì)

2.1總體設(shè)計(jì)方案

基本方案:運(yùn)用溫度變送器及溫度檢測(cè)電路將電阻爐實(shí)際溫度轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的

數(shù)字信號(hào)，送入單片機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，通過顯示屏顯示溫度，并判斷與否報(bào)

警，同步將實(shí)際爐溫與設(shè)定溫度比較，根據(jù)對(duì)應(yīng)口勺算法（如PID）計(jì)算出控制量，

通過控制對(duì)應(yīng)的加熱電路實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫的控制。

本系統(tǒng)采用STC89C52作為系統(tǒng)的主控芯片，負(fù)責(zé)加熱爐口勺溫度檢測(cè)與控制。

其重要任務(wù)是：

1、讀取DS18B20H勺溫度數(shù)據(jù)；

2、控制繼電器通斷，保證溫度抵達(dá)設(shè)定值并保溫；

3、讀取鍵盤設(shè)置口勺溫度值；

4、在LED上顯示設(shè)置日勺溫度、目前溫度以及恒溫時(shí)間:

5、當(dāng)溫度抵達(dá)警戒值日勺時(shí)候控制蜂鳴器報(bào)警。

圖2.1總體構(gòu)造圖

由于加熱爐僅能通過通斷電路控制，不具有良好的J可控性，且加熱所需的速度和精度規(guī)

定并不高，這里無需使用PID算法這樣的高速跟蹤算法，只要使用二次線性化的措施控制,

就可以很好地實(shí)現(xiàn)爐子的加熱和恒溫控制了。

3硬件電路設(shè)計(jì)

3.1SL?I型51單片機(jī)綜合試驗(yàn)箱

3.1.1單片機(jī)最小系統(tǒng)

STC89C52系列單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)1向單片機(jī)，是高速;低功

耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8D51單片機(jī)，指令代碼完全兼容老式8051,但速度快8-12倍。內(nèi)部

集成MAX810專用復(fù)位電路,2路PWM.8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(250K/S),針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)

干擾場(chǎng)所。

最小系統(tǒng)如圖41所示:

RP14-KX￡

vcc

圖3.1單片機(jī)最小系統(tǒng)

3.L2數(shù)碼管顯示模塊

數(shù)碼管日勺顯示原理不管是共陰還是共陽，其基本原理是同樣H勺，都是靠點(diǎn)亮內(nèi)部的JLED

來發(fā)光。一位數(shù)碼管的引腳是十個(gè)，顯示一種8字需要7個(gè)小段，此外尚有一種小數(shù)點(diǎn)。

o

^2

w

2w

w^

引腳！t列共陽極結(jié)構(gòu)共陰極結(jié)構(gòu)

(a)常見LED數(shù)研討

圖4.2數(shù)碼管內(nèi)部原理圖

試驗(yàn)時(shí)為了保證編程時(shí)以便，一般將數(shù)碼管的數(shù)字所對(duì)應(yīng)的八位

數(shù)字記錄在數(shù)組中，程序中直接使用查表的措施，可以提高程序日勺效

率，也使程序的編寫愈加簡(jiǎn)樸以便。

符號(hào)編碼符號(hào)編碼

0OxCO80x80

10xF990x90

20xA4A0x88

3OxBOB0xC7

40x99C0xC6

50x92DOxAl

60x82E0x86

7OxF8F0x8E

我們?cè)囼?yàn)箱中內(nèi)LED數(shù)碼管是四位數(shù)碼管，因此為了控制以便,

四個(gè)數(shù)碼管的“段選端”是連在一起日勺，他們的GND或VCC端作

為“位選端”來輸入控制信號(hào)，這樣單片機(jī)就可以通過程序來控制顯

示的字符。

下圖是試驗(yàn)箱開發(fā)板中的數(shù)碼管電路圖：

七段共陽數(shù)碼管

DEP17SEGDISP4

一…f▼

aes.ssss.S

STC89c52的Pxl口作為段選（任意匚）

Px2口作為位選（任意口）

圖4.3試驗(yàn)箱數(shù)碼管電路

3.1.3按鍵模塊

彈性按鍵被按下時(shí)閉合，松手后自動(dòng)斷開。單片機(jī)檢測(cè)按鍵的原理是：?jiǎn)纹瑱C(jī)R'、JIQ口

既可以作為輸出也可作為輸入使用，當(dāng)檢測(cè)按鍵時(shí)使用時(shí)是它的輸入功能，把按鍵的一端接

地，另一端與單片機(jī)的某一種I/O口相連，開始時(shí)先給I/O口賦一高電平，然后讓單片機(jī)不

停地檢測(cè)該I/O□與否變成低電平，當(dāng)按犍閉合時(shí)，即相稱于該I/O口通過按鍵與地相連,

變成低電平，程序一旦檢測(cè)到I/O口變?yōu)榈碗娖絼t闡明按鍵被按下，然后執(zhí)行勸應(yīng)的指令。

圖4.5按鍵檢測(cè)流程圖

無論獨(dú)立鍵盤還是矩陣鍵盤，單片機(jī)檢測(cè)其與否被按卜的根據(jù)都是同樣的，也就是檢測(cè)

該犍對(duì)應(yīng)的I/O口與否為低電平。獨(dú)立鍵盤有一端固定為低電平，單片機(jī)寫程序檢測(cè)時(shí)比較

以便。而矩陣鍵盤兩端都與單片機(jī)I/O口連接，因此在檢測(cè)時(shí)需人為通過單片機(jī)I/O口送出

低電平。檢測(cè)時(shí)，先送一列為低電平，其他幾列為高電平，然后立即輪番檢測(cè)一次各行與否

有低電平，若檢測(cè)到某一行為低電平，就可以確定目前被按下的按鍵是哪一行哪一列的，用

同樣的措施輪番各列送一次低電平，再輪番檢測(cè)一次各行與否變?yōu)榈碗娖?，這樣即可檢測(cè)完

所有的按鍵。

矩陣鍵盤

R0W1尹尸尸gjq尹b

1

ROW2尸b尹b尹b/b

si^si,

R0W3尸8=^^

332二

0O

880U

圖4.6矩陣鍵盤按鍵電路圖

3.1.4報(bào)警模塊

報(bào)警模塊H勺構(gòu)造比較筒樸，只是一種蜂鳴器模塊，當(dāng)溫度高于設(shè)定值較大時(shí)，單片機(jī)在

I/O口上輸入一種低電平，就可以使蜂鳴器報(bào)警。

蜂鳴器

vcc

圖4.7報(bào)警電路

4.2溫度采集電路

DS18B20溫度傳感器是將半導(dǎo)體溫敏器件、A/D轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)器等做在一種

很小時(shí)集成電路芯片上。測(cè)溫范圍為-55℃?+125℃,測(cè)溫精度為±0.5℃；溫

度轉(zhuǎn)換精度9?12位可變，可以直接將溫度轉(zhuǎn)換值以16位二進(jìn)制數(shù)碼日勺方式串

行輸出；12位精度轉(zhuǎn)換F句最大時(shí)間為750ms；可以通過數(shù)據(jù)線供電，具有超低功

耗工作方式。

圖4.8

(

B

OO11D

STTGND[8A

1oT2BL

8.O2L

B9M0

22<A

0E3S

)WVoo[

J

DS18B20溫度傳感器只有三根外引線：?jiǎn)尉€數(shù)據(jù)傳播總線端口DQ,外供電

源線VDD,共用地線GNDoDS18B20有兩種供電方式：一種為數(shù)據(jù)線供電方式,

此時(shí)VDD接地,它是通過內(nèi)部電容在空閑時(shí)從數(shù)據(jù)線獲取能量,來完畢溫度轉(zhuǎn)換,

對(duì)應(yīng)的完畢溫度轉(zhuǎn)換的時(shí)間較長(zhǎng)。這種狀況下，用單片機(jī)的一種I/O口來完畢對(duì)

DS18B20總線歐J上拉。另一種是外部供電方式（VDD接+5V）,對(duì)應(yīng)時(shí)完畢溫度測(cè)量

的時(shí)間較短。

在本設(shè)計(jì)中采用外部供電方式實(shí)現(xiàn)DS18B20傳感港與單片機(jī)日勺連接，其接口

本系統(tǒng)采用單相固態(tài)繼電器SSR/1P-10A,當(dāng)單片機(jī)給繼電器供

5V電壓時(shí)，繼電器導(dǎo)通?？梢酝ㄟ^這個(gè)原理將加熱爐的電源線火線

分別接入繼電器兩端，因此單片機(jī)的I/O口供應(yīng)低電平，繼電器就可

以導(dǎo)通，這樣就可以控制加熱爐時(shí)加熱了。

如圖所示:

圖4.14繼電器構(gòu)造

由于考慮到單片機(jī)引腳的驅(qū)動(dòng)能力也許局限性，因此制作了驅(qū)動(dòng)

電路，放大驅(qū)動(dòng)電流，并在繼電器兩端加上續(xù)流二極管保證加熱時(shí)間

夠長(zhǎng)。

電路如下：

△

VCC

8550J——VV\一

/2K電阻

繼

電

續(xù)流二極管

器

GND

圖4.15驅(qū)動(dòng)電路

4軟件程序設(shè)計(jì)

/*

2023年1月6日

課程設(shè)計(jì)

內(nèi)容：溫度控制系統(tǒng)

硬件:5110+DSI8B20+鍵盤*/

#include<reg52.h>

#include<stdio.h>

#defineucharunsignedchar

#defineuintunsignedint

sbitds=P2A5;/*溫度傳感器信號(hào)線*/

sbitbeep=P2A7;/木蜂鳴器3

sbitjdq=P2A6;/*繼電器*/

sbitlcd_grccn=P2A4;/*綠燈*/

sbitlcd_rcd=P2八2;/*紅燈*/

uinttemp;/*讀取口勺溫度值*/

floatOemp;

uintwarn_l=300;/*低溫30*/

uintwarn_h1=600;/*高溫60*/

uintwarn_h2=650;/*高溫65*/

ucharwarn_flag=0;/*超過60報(bào)警標(biāo)志*/

uchartime=0;/*time計(jì)數(shù)器*/

uchartime_l=0;/*lime計(jì)數(shù)器1*/

uintlime_2=0;/*time計(jì)數(shù)器2*/

uinttime_3=0;/*time計(jì)數(shù)器3*/

uchardis_page=0;/*數(shù)碼管頁面*/

ucharkey_num=0;/*鍵盤值*/

uintworking_time=0;/*預(yù)設(shè)加熱時(shí)間*/

ucharheating_flag=0;/*開始加熱標(biāo)志*/

ucharkey_input_temp;/*鍵盤輸入TEMP值*/

ucharset_temp=3();/*設(shè)置溫度初始化為3()度*/

ucharkeep_flag=0;/*保持設(shè)置溫度標(biāo)志位*/

unsignedcharcodetable[]=

(

0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,/*不帶點(diǎn)的編碼*/

0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,

Oxbf,0x86,Oxdb,Oxcf,0xe6,/*帶小數(shù)點(diǎn)的編碼*/

Oxed,Oxfd,0x87,Oxff,Oxef

)；

/*****************Ds]8B20部分********************/

voiddeiay(uintz)/*延時(shí)函數(shù)*/

{

uintx,y;

for(x=z;x>();x-)

for(y=l10;y>0;y—);

voiddsreset(void)/*18B20復(fù)位，初始化函數(shù)*/

uinti;

ds=0;

i=103;

while(i>0)i—;

ds=1;

i=4;

while(i>0)i—;

1

hittempreadbit(void)/*讀1位函數(shù)*/

{

uinti;

bitdat;

ds=0;

i++;/*i++起延時(shí)作用*/

ds=1;

i++;i++;

dat=ds;

i=8:

while(i>0)i

return(dat);

1

uchartempread(void)/*讀1個(gè)字節(jié)*/

{

uchari,j,dat;

dat=O;

for(i=l;i<=8;i++)

(

j=tempreadbit();

dat=(j?7)|(dat?1);/*讀出的數(shù)據(jù)最低位在最前面，這樣剛好一種字

節(jié)在DAT里*/

}

return(dat);

)

voidtempwritebyte(uchardat)/*向18B20寫一種字節(jié)數(shù)據(jù)*/

(

uinti;

ucharj;

bitteslb;

forO=l;j<=8;j++)

testb=dat&0x()1;

dat=dat?1;

if(testb)〃寫1

(

ds=0;

i++;i++;

ds=1;

i=8;

while(i>0)i

)

else

(

ds=0;〃寫0

i=8;

while(i>0)i

ds=1;

i++;i++;

)

voidtempchange(void)/*DS18B20開始獲取溫度并轉(zhuǎn)換*/

dsresetO;

delay(l);

tempwritebyte(Oxcc);//寫跳過讀ROM指令

tempwritebyte(0x44);//寫溫度轉(zhuǎn)換指令

)

uintget_temp()/*讀取寄存器中存儲(chǔ)口勺溫度數(shù)據(jù)*/

(

uchara,b;

dsreset();

delay(l);

tempwritebyte(Oxcc);

tempwritebyte(Oxbe);

a=tempread();//讀低8位

b=tempread();〃讀高8位

temp=b;

temp?=8;〃兩個(gè)字節(jié)組合為1個(gè)字

temp=temp|a;

f_temp=temp*0.0625;〃溫度在寄存器中為12位辨別率位0.0625°

temp=f_temp*10+0.5;〃乘以10體現(xiàn)小數(shù)點(diǎn)背面只取1位，加0.5是四

舍五入

Oemp=Oemp+0.05;

returntemp;//temp是整型

1

f?￡**1**1**1**1**1**1?*1**1**1**d?*1**1**1*II,=▲/V*1**fi**1**1**1*T*1**1*?!**1**1**!?*!*?￡*?!**1**1**1**1*f

,不不不聽不芍不而不不干不不不可年不訴不*.A/J、-z±1\-「不不為不不|不訴不不為不不不不下而不芍不而不/

voiddisplay(ucharnum,uchardat)顯示字符本/

{

uchari;

P0=~tablc[dat];//數(shù)碼管段選

i=Oxff;

i=i&(?(0x01?num));

Pl=i;//數(shù)碼管位選

delay(l);

)

voiddisplay_heating()/"顯示字符"H"*/

(

uchari;

P0=0x89;

i=Oxff;

i=i&(-Ox()l);

Pl=i;

delay(l);

(

voiddis_temp(uintt)/*顯示實(shí)時(shí)溫度*/

(

uchari;

i=t/100;

display(l,i);

i=t%100/10;

display(2,i+10);

i=t%100%10:

display(3,i);

)

voiddis_working(void)/*顯示定期加熱H勺時(shí)間*/

(

uchari;

i=working_time/1(X);

display(l,i);

i=workingtime%100/10;

display(2,i);

i=working_time%100%1();

display(3,i);

)

voiddis_set_temp(void)

(

uchari;

i=set_temp/100;

display(l,i);

i=sct_tcmp%100/10;

display(2,i);

i=set_tcmp%100%10;

display(3,i):

)

voiddcal(uintt)/*溫度處理函數(shù)*/

{

wam_hI=set」emp*10;〃將目前設(shè)定『、J溫度賦給米警溫度

warn_h2=(set_temp+5)*10;

if((t>warn_h1)&&(t<warn_h2))/*不不大于設(shè)置溫度不不不大于設(shè)置溫度

+5度*/

led_green=0;

led_red=1;

warn_flag=1;/*報(bào)警標(biāo)志*/

1

elseif(t>=warn_h2)/*不不大于設(shè)置溫度+5度*/

(

lcd_rcd=0;

led_green=1;

beep=0;

warn_flag=0;/*消除報(bào)警標(biāo)志號(hào)

)

else/*不不不大于設(shè)置溫度刃

(

lcd_grccn=1;

led_red=1;

beep=1;

warn_flag=0;/*消除報(bào)警標(biāo)志可

I

voidinit_com(void)/*定期器初始化*/

TMOD=()x()l;

THO=(65536-390()0)/256;

TL1=(65536-39000)%256;

EA=1;

ETO=1;

TR0=1;

1

uchartest_keyinput(void)/*檢測(cè)按鍵輸入*/

(

ucharkey_temp;

key_input_temp=~P3&OxfO;

if(key_input_temp!=0x00)

{

delay(30);

if((key_input_temp)!=0x00)

(

switch(key_input_temp)

(

caseOx1():key_temp=1;break;

case0x20:key_temp=2:break;

case0x40:key_temp=3;break;

case0x80:key_temp=4;break;

default:break;

1

returnkey_temp;

)

)

return0;

)

voiddisplay_page(void)/*捕捉按鍵輸入定義顯示日勺dis_page*/

(

key_num=test_keyinput();/*掃描鍵盤獨(dú)立鍵盤按下為低電平*/

switch(key_num)

(

case0:break;

case1:dis_page++;//進(jìn)入設(shè)置界面

if(dis_page>2)

dis_page=0;/*預(yù)留三個(gè)頁面*/

if(heating_flag==1)/*加熱過程中按1號(hào)鍵停止加熱*/

heatingflag=0;

keep_flag=0;/*取消保持溫度標(biāo)志位*/

heating_flag=();/*取消加熱溫度標(biāo)志位*/

break;

case2:if(dis_page==1)/*最大加熱時(shí)間600s///////////////設(shè)置加

熱時(shí)間可以不用設(shè)置*/

(

if(working_time<600)working_time++;

elseworking_time=600;

I

elseif(dis_page==2)〃〃/〃〃〃〃/〃〃/〃/〃〃〃〃//〃/設(shè)置加熱溫度

{

if(sct_tcmp<60)set_tcmp++:

elseset_tcmp=60;

)

break;

case3:if(dis_pagc==1)

(

if(working_time>1)working_time—;

elseworking_time=1;

elseif(dis_page==2)

if(set_temp>30)set_temp—;

elseset_temp=3();

)

break;

case4:if(dis_page==1)/*按4號(hào)鍵開始加熱*/

(

hcating_fiag=1;

I

elseif(dis_page==2)

(

keep_flag=1:/*按4號(hào)鍵開始加熱顯示目前溫度刃

)

break;

default:break;

)

)

voidmain()

init_com():/*定期器初始化50ms中斷*/

jdq=1;/*關(guān)繼電器*/

beep=1;/*關(guān)蜂鳴器*/

while(l)

switch(dis_page)