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电加热炉温度控制系统设计


电 加 热 炉 温 度 控 制 系 统 设 计

电加热炉温度控制系统设计
1.设计的意义:
在现实生活当中, 很多场合需要对温度进行智能控制,日常生活中最常见的 要算空调和冰箱了,他们都能根据环境实时情况,结合人为的设定,对温度进行 智能控制。 工业生产中的电加热炉温度监控系统和培养基的温度监控系统都是计 算机控制系统的典型应用。

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2.方案的设计:
要求利用所学过的知识设计一个温度控制系统,加热炉温度检测,到设定温 度后,进行保温控制. 要想达到技术要求的内容,用到的器件有:单片机、温度 传感器、LCD 显示屏、直流电动机等。其中单片机用作主控制器,控制其他器 件的工作和处理数据; 温度传感器用来检测环境中的实时温度,并将检测值送到 单片机中进行数值对比;LCD 显示屏用来显示温度、时间的数字值;直流电动 机用来表示电加热炉的工作情况,转动表示电加热炉通电加热,停止转动表示电 加热炉断电停止加热。原理图如下图 1:

图 1 电加热炉温度控制系统原理图

1

2.1 硬件选择: 1.单片机
这里选用 AT89C52 单片机作为控制系统的处理器。 AT89C52 是一种带 4K 字 节闪存可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能 CMOS 8 位微处理器。

2.温度传感器
温度传感器有很多种型号,这里我选用 DS18B20 温度传感器。数字温度 传感器 DS18B20 具有独特的单总线接口方式,支持多节点,使分布式温度传感器 设计大为简化。测温时无需任何外围原件,可以通过数据线直接供电,具有超低 功耗工作方式。测温范围为-55 到+125 摄氏度,可直接将温度转换值以 16 位二 进制数字码的方式串行输出, 因此特别适合单线多点温度测量系统。由于传输的 是串行数据, 可以不需要放大器和 A/D 转换器,因而这种测温方式大大提高了各 种温度测控系统的可靠性,降低了成本,缩小了体积。 3.开关器件 由于单片机与电动机之间需要用开关器件连接,并且前者用弱电控制,后 者由强电控制,这就尤其需要注意安全问题。于是我想到了在课本中学过 的高性能安全开关器件光电耦合器。光电耦合器是由一个发光器件和和一 个光电转换器件组成,这里所用的光电耦合器 OPTOCOUPLER-NPN 是由一个 发光二极管和一个光敏晶体管所组成。当发光二极管发光,就会使得光敏 晶体管导通,继电器通电动作,将开关吸合,电动机回路断开。

2.2 电路设计方法:
1 .显示部分电路 显示电路截图如下图所示:
L 0 LCD1602 D

A

D

L

0

1

2

3

4

5

6

S

7

L

VSS

V

V

R

R/W

E

D

D

D

D

D

D

D

D

B

G

N

D

V

C

图 2 显示部分电路图

C

2

B

L

K

这里 我 选 用 LCD1602 液 晶 显 示屏 作 为系 统的 显 示 器件 , 如图 所示 , LCD1602 采用标准的 16 脚接口,仿真时隐藏了背光正极和背光负极两个引 脚。它通过 D0-D78 位数据端来与单片机进行数据和指令传输,这里我们将 它与单片机的 P0 口连接。 在显示屏上显示的内容包括设定的温度值 SET 、 传感器检测到的环境温 度 SA 以及时钟,这个时钟是可以调整的,这样方便工作人员在对系统进行 操作时有一个时间概念。 2 .温度检测电路 温度传感器与单片机的连接情况如下图所示。
D 0 D 18B20

DS18B20

N

G

I

/

O

1

2

V

C

C

3

V

D

D

G

N

R

7

P

3

1

0

图 3 温度检测电路图 温度传感器 18B20 将检测到的环境实时温度进行 A/D 转换和放大,然 后串行送入单片机 P1.7 口, 便于单片机将此数值与设定的温度值进行比较, 然后先做出相应反应。在仿真时,我们只能通过按 18B20 上的加减按钮来 调节实时温度,是一个模拟的过程。 3 .键盘电路 键盘电路如下图所示。

K

3

7

D

图 3 键盘电路图 这里减排设计得比较简单,S0 键是切换调整对象的,调整对象包括时、 分、温度设定值三项, S1 键是向上加调整对象的值, S2 键是向下减调整对 象的值, S3 键是打开和关闭系统自动调节功能的开关键。

4.电气开关及工作电路
电器开关及工作电路如下图所示。

图 2.4 电气开关及工作电路图

4

如图所示,光电耦合器 1 脚接电源, 2 脚接单片机 P2.7 脚。工作过程 用以下三个阶段来描述: ( 1 )单片机将温度传感器送入的值与设定值进行比较,若送入值小于 设定值,则 P2.7 脚保持高电平,这样发光二极管不发光,光敏晶体管保持 高阻态,继电器也不会工作,电动机和灯泡维持导通,相当于电炉继续加 热,指示灯亮; ( 2 )一旦送入值比设定值大,单片机将会控制 P2.7 脚变为低电平, 发光二极管导通发光,光敏晶体管受光照影响导通,继而继电器工作,电 磁铁将单刀双掷开关吸向左端,使电动机和灯泡同时停止工作,这就相当 于电炉断电,停止加热; ( 3) 电炉短路一段时间后, 必然导致炉温降低, 而温度传感器 DS18B20 在不间断地检测炉温,当检测值低于设定值后,单片机又控制 P2.7 脚恢复 高电平,光电耦合器恢复高阻态,继电器断电,单刀双掷开关被弹回右端, 电动机和灯泡又开始工作,这相当于电炉从新开始加热。

2.3 绘制流程图
开始

初始化 P1 口,初始化 24C64

读出 24C64 保存的数据赋于 K

LCD 初始化

延时 500ms 启动

时钟定时器 0 初始化,DS18B20 初始化

5

按键扫描、温度采集

送入单片机进行温度值比较

送入单片机进行温度值比较

Y
设定值>=采集值?

N
将 P2.7 口置 0

y
设定值<采集值?

Y

N
将 P2.7 口置 1

2.4 程序设计:
由于整个程序工程量比较大,我采用模块化设计方法来设计这个程序。 首先定义在后面将会用到的变量,不可能一次定义准确,所以边定义边补 充。然后编写子函数,包括 LCM 初始化子函数、显示指定坐标的一个字符 子函数、 ds18b20 初始化函数、 ds18b20 延迟子函数、读取 ds18b20 当前温 度子函数、液晶显示子函数、键盘扫描子函数、设定工作模式子函数、按 键加法子函数、按键减法子函数、 24C02 读写驱动程序、定时器 t0 中断子 函数等子程序,最后是主函数。 ( 程序略 )

2.4 调试和仿真结果:
在 Keil 软件中编写完程序后, 编译生成 .Hex 文件, 单片机可以执行 .Hex
6

文件。在 Protues 软件中,给单片机加载所生成的 .Hex 文件,按下运行按 钮,系统开始仿真 由仿真结果可以知道,此次的设计基本成功。当采样温度低于设定值 的时候,系统不会对电热炉做出相应动作,电热炉保持加热。一旦采样温 度高于设定值,系统就会做出反应,使电加热炉断电停止加热。当温度降 下来后,系统又会自动控制电加热炉重新开始加热。系统的反应速度也是 十分精确的,会在很短的时间内作出相应动作。另外,由于在电路中加入 了 EPROM24C64 ,使得该系统具有掉电保护功能,来电后自动恢复正常工作。 除此之外,该系统还有一个比较实用的小功能 —电子钟,这样的话工作人 员可以利用它准确掌握系统已经工作的时间,也就是说可以把它当做一个 定时器来用。在安全保护方面,该系统也有相当不错的表现, 由于使用了 光电耦合器和就电磁继电器,将强电部分和弱电部分充分隔离,十分安全。 综合以上分析,该系统的设计十分成功。

3.设计的总结:
本次课程设计,题目是设计一个电加热炉温度控制系统。说到电加热炉,我 们都比较熟悉,在日常生活中我们经常用到,特别是冬天用它来煮火锅。我们也 会发现这样一个问题, 一般的电加热炉是没有温度自动控制的,当温度上升到我 们需要的程度时,它仍然继续加热,这不仅会影响到加热效果,还会造成电能的 浪费。那么就有必要设计一种能自动调节炉温的系统,把它应用到日常生活中, 将会给人们带来极大的方便。 由于温度控制系统的控制对象具有惯性大,连续性的特点。因而可以归于具 有纯滞后的一阶大惯性环节。一般来说,热过程大多具有较大的滞后,它对任何 信号的响应都会推迟一段时间, 使输出与输入之间产生相移。对于这样一些存在 大的滞后特性的过渡过程控制。解决办法可以用 PID 控制算法调节,可以使控 制更加精确。

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