电阻炉炉温控制系统设计报告

目录

第一章系统综述 (2)

1.1 概述 (2)

1.2 方案描述 ..................................................................................... 错误！未定义书签。

1.3 报告概述 (2)

第二章课程设计要求 (3)

2.1 课题要求 (3)

2.2 元器件清单 (3)

第三章电路设计 (3)

3.1 总体设计方案 (3)

3.2 数据处理流程 (4)

第四章硬件电路设计 (4)

4.1 SL-I型51单片机综合实验箱 (4)

4.1.1 单片机最小系统 (4)

4.1.2 数码管显示模块 (5)

4.1.3 按键模块 (7)

4.1.4 报警模块 (9)

4.2 温度采集电路 (9)

4.2.1 DS18B20简介 (9)

4.2.2 温度计算 (10)

4.2.3 DS18B20工作过程及时序 (11)

4.3 继电器电路设计 (12)

第五章系统软件设计 (14)

5.1 主程序设计 (14)

5.2 数码管显示程序 (14)

5.3 键盘扫描程序 (15)

5.4 DB18B20通信程序 (15)

第六章加热炉温控系统使用方法 (16)

6.1 系统连接方法 (16)

6.2 系统使用方法 (16)

第七章实验数据 (17)

第八章总结 (17)

参考文献17

附录A 系统程序代码 (17)

第一章系统综述

1.1概述

（1）课题内容：应用计算机的实时监控和温度测量技术，采用单片机、温度检测电路、温度控制电路等，实现电阻炉炉温的实时控制。

（2）要求及技术指标：运用单片机及相应的部件组成电阻炉炉温的自动控制系统，要求炉温控制在0～100℃范围内，并实现将炉温保温值控制在30～60℃的变化范围。具体设计要求包括：

①完成电阻炉温度控制系统的设计，包括硬件电路设计和软件程序设计；

②能够实时显示电阻炉的实际炉温，以及恒定炉温出现的时间与恒温保持的时间；

③温度超过预定值时，能够报警；

④对电阻炉炉温控制电路设计相应的保护电路，保证其安全、可靠地工作。

1.2方案描述

基本方案：利用温度变送器及温度检测电路将电阻炉实际温度转换成相应的数字信号送入单片机，单片机进行数据处理后，通过显示器显示温度并判断是否报警，同时将实际炉温与设定温度比较，根据相应的算法（如PID）计算出控制量，通过控制相应的加热电路实现对炉温的控制。

通过对题目的分析与思考，整个系统可以由以下几部分构成：单片机最小系统、显示电路、键盘电路、测温电路、加热控制电路等。

各部分的组成结构可以参考下图。

图1.1

1.3报告概述

这份技术报告中，详尽地介绍了本系统的整体结构、硬件电路、软件控制算法、调试方法等，并附有单片机程序和详细的操作方法。

本文主要介绍基于STC12C5A60S2单片机的炉温控制设计流程，介绍了炉温控制方案以及各个主要模块的工作原理和设计思路。本文并涉及温度传感器系统、继电器系统、

显示系统、输入系统的设计。

由于系统的复杂性和硬件使用要求以及人力、时间等方面的制约，考虑到系统的实时性和运算能力，系统并没有采用复杂的处理算法和控制算法，一切以实用为主。对于温度控制

算法还有待进一步的研究和改进。同时，在电路保护方面的设计有待进一步地学习和实践。

第二章课程设计要求

2.1课题要求

用单片机及相应的组成部件组成电阻炉温的自动控制系统，要求测温范围0～100℃，使其控制系统控制的温度保温值的变化范围为30～60℃。

要求：（1）完成电阻炉温度控制系统设计，包括硬件电路设计和软件程序设计；

（2）能够显示控温时的实际炉温和恒温时间；

（3）对其主电路和控制电路设计相应的保护电路，使其安全可靠地工作。

2.2元器件清单

表2.1 元器件清单

第三章电路设计

3.1总体设计方案

本系统采用STC12C5A60S作为系统的主控芯片，负责加热炉的温度检测与控制。

其主要任务是：

1、读取DS18B20的温度数据；

2、控制继电器通断，保证温度达到设定值并保温；

3、读取键盘设置的温度值；

4、在LED上显示设置的温度、当前温度以及恒温时间；

5、当温度到达警戒值的时候控制蜂鸣器报警。

图3.1 总体结构图

由于加热炉仅能通过通断电路控制，不具备良好的可控性，且加热所需的速度和精度要求并不高，这里无需使用PID算法这样的高速跟踪算法，只要使用二次线性化的方法控制，就可以很好地实现炉子的加热和恒温控制了。

3.2数据处理过程

首先使用循环查询的方法依次读取按键的键值，判断用户的指令，并以此为依据选择LED显示的数据。输入过程结束后，开始炉温控制模块，首先读取DS18B20数据，再与设定值比较，决定继电器的通断时间，控制加热炉温度及警报器超限报警。

图3.2 数据处理流程图

第四章硬件电路设计

4.1 SL-I型51单片机综合实验箱

4.1.1单片机最小系统

STC12C5A60S2系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S),针对电机控制，强干扰场合。

最小系统如图4.1所示：

图4.1 单片机最小系统

4.1.2数码管显示模块

数码管的显示原理不论是共阴还是共阳，其基本原理是一样的，都是靠点亮内部的LED 来发光。一位数码管的引脚是十个，显示一个8字需要7个小段，另外还有一个小数点。

图4.2 数码管内部原理图

实验时为了保证编程的方便，通常将数码管的数字所对应的八位数字记录在数组中，程

端”是连在一起的，他们的GND或VCC端作为“位选端”来输入控制信号，这样单片机就可以通过程序来控制显示的字符。

下图是实验箱开发板中的数码管电路图：

图4.3 实验箱数码管电路

4.1.3按键模块

弹性按键被按下时闭合，松手后自动断开。单片机检测按键的原理是：单片机的I/O口既可以作为输出也可作为输入使用，当检测按键时使用的是它的输入功能，把按键的一端接地，另一端与单片机的某一个I/O口相连，开始时先给I/O口赋一高电平，然后让单片机不断地检测该I/O口是否变成低电平，当按键闭合时，即相当于该I/O口通过按键与地相连，变成低电平，程序一旦检测到I/O口变为低电平则说明按键被按下，然后执行相应的指令。

图4.4 按键按下时电压的变化

从图4.4可以看出，理想波形与实际波形之间是有区别的，实际波形在按下和释放的瞬间都有抖动现象，抖动时间的长短和按键的机械特性有关，一般为5～10ms。通常我们手动按时都要加上去抖动操作，有专用的去抖动电路，也有专用的去抖动芯片，但通常我们软件延时的方法就能很容易解决抖动问题，而没有必要再添加多余的硬件电路。

图4.5 按键检测流程图

无论独立键盘还是矩阵键盘，单片机检测其是否被按下的依据都是一样的，也就是检测该键对应的I/O口是否为低电平。独立键盘有一端固定为低电平，单片机写程序检测时比较方便。而矩阵键盘两端都与单片机I/O口连接，因此在检测时需人为通过单片机I/O口送出低电平。检测时，先送一列为低电平，其余几列为高电平，然后立即轮流检测一次各行是否有低电平，若检测到某一行为低电平，就可以确定当前被按下的按键是哪一行哪一列的，用同样的方法轮流各列送一次低电平，再轮流检测一次各行是否变为低电平，这样即可检测完所有的按键。

图4.6 矩阵键盘按键电路图

4.1.4报警模块

报警模块的结构比较简单，只是一个蜂鸣器模块，当温度高于设定值较大时，单片机在I/O口上输入一个低电平，就可以使蜂鸣器报警。

图4.7报警电路

4.2温度采集电路

4.2.1单线数字温度计DSl8B20介绍

DSl8B20数字温度计提供9位(二进制)温度读数,指示器件的温度。信息经过单线接口送入 DSl8B20 或从 DSl8B20 送出，因此从主机 CPU 到 DSl8B20 仅需一条线(和地线)。DSl8B20 的电源可以由数据线本身提供而不需要外部电源。

因为每一个 DSl8B20 在出厂时已经给定了唯一的序号，因此任意多个 DSl8B20 可以存放在同一条单线总线上。这允许在许多不的地方放置温度敏感器件。

DSl8B20 的测量范围从-55℃到+125℃,增量值为0.5℃可在 l s(典型值)内把温度变换成数字。

每一个 DSl8B20 包括一个唯一的 64 位长的序号，序号值存放在 DSl8B20内部的 ROM(只读存贮器)中。开始8位是产品类型编码（DSl8B20 编码均为 10H) 接着的48位是每个器件唯一的序号。最后8位是前面56位的CRC(循环冗余校验)码。DSl8B20 中还有用于贮存测得的温度值的两个8位存贮器 RAM 编号为0 号和1号。如果温度为负(℃)则1号存贮器8位全为1，否则全为0。0号存贮器用于存温度值的补码，LSB(最低位)的“1”表示0.5℃。将存贮器中的二进制数求补再转换成十进制数并除以2就得到被测温度值(-55℃~125℃）。DSl8B20的引脚如图。每只DS18B20 都可以设置成两种供电方式即数据总线供电方式和外部供电方式采取数据总线供电方式可以节省一根导线，但完成温度测量的时间较长；采取外部供电方式则多用一根导线但测量速度较快。

图4.8

4.2.2温度计算

（1） DS18B20 用 9 位存贮温值度，最高位为符号位，下图为DS18B20 的温度存储方式，负温度S=1，正温度 S=0。例如：00AAH为+85℃,0032H为 25℃，FF92H 为-55℃。

图4.9

（2）DS18B20用 12 位存贮温值度，最高位为符号位，下图为 18b20 的温

度存储方式。负温度S=1，正温度 S=0。

图4.10

4.2.3 DS18B20工作过程及时序

DSl820 工作过程中的协议如下：初始化、ROM 操作命令、存储器操作命令、处理数据。

（1）初始化

单总线上的所有处理均从初始化开始

（2） ROM 操作品令

总线主机检测到 DSl820 的存在，便可以发出 ROM 操作命令之一。这些命令如：指令代码

Read ROM(读 ROM) [33H]

Match ROM(匹配 ROM) [55H]

Skip ROM(跳过 ROM] [CCH]

Search ROM(搜索 ROM) [F0H]

Alarm search(告警搜索) [ECH]

（3）存储器操作命令

指令代码

Write Scratchpad(写暂存存储器) [4EH]

Read Scratchpad(读暂存存储器) [BEH]

Copy Scratchpad(复制暂存存储器) [48H]

Convert Temperature(温度变换) [44H]

Recall EPROM(重新调出) [B8H]

Read Power supply(读电源) [B4H]

（4）时序

①初始化

时序见下图主机总线 to 时刻发送一复位脉冲(最短为 480us 的低电平信号)，接着在 tl 时刻释放总线并进入接收状态， DSl820 在检测到总线的上升沿之后，等待 15-60us ，接着 DS1820 在 t2 时刻发出存在脉冲(低电平持续 60-240 us) 如图中虚线所示。

图4.11

②写时间隙

当主机总线 t o 时刻从高拉至低电平时就产生写时间隙下图。从 to 时刻开始15us 之内应将所需写的位送到总线上。DS18B20在t o后15-60us间对总线采样。若低电平，写入的位是 0;若高电平，写入的位是1。连续写 2 位间的间隙应大于 1us。

图4.12 写0时序图4.13 写1时序

③读时间隙

主机总线 to 时刻从高拉至低电平时，总线只须保持低电平 l 7ts，之后在 t1 时刻将总线拉高，产生读时间隙。读时间隙在 t1 时刻后 t 2 时刻前有效。t z 距 to 为15us，也就是说，t z 时刻前主机必须完成读位，并在 t o 后的60us 一 120 fzs 内释放总线。

4.3继电器电路设计

本系统采用单相固态继电器SSR/1P-10A，当单片机给继电器供5V电压时，继电器导通。可以通过这个原理将加热炉的电源线火线分别接入继电器两端，所以单片机的I/O口供给低电平，继电器就可以导通，这样就可以控制加热炉的加热了。

如图所示：

图4.14 继电器结构

由于考虑到单片机引脚的驱动能力可能不足，因此制作了驱动电路，放大驱动电流，并在继电器两端加上续流二极管保证加热时间够长。

电路如下：

图4.15 驱动电路

第五章系统软件设计

5.1主程序设计

为了更简单的完成温度控制的任务，采用如下算法控制继电器，程序的软件流程图如下：

图5.1 软件流程图

首先在程序的开头先读取用户的按键命令，当没有按键时，数码管仅显示实际温度；若按下“b”键，则数码管显示用户的设定温度；按下“c”键，则进入设置温度子程序，用户通过1～9数字键就可以设置用户所需温度，这样就完成了用户的操作。接下来读取DS18B20的数据，并按格式装配成数码管可以显示的类型。最后根据当前的温度值控制继电器的通断。主程序就是以上述流程往复运行。

5.2数码管显示程序

数码管显示段选码：

unsigned char code Seg_Table[13] = { 0xC0,/*0*/ 0xF9,/*1*/ 0xA4,/*2*/ 0xB0,/*3*/ 0x99,/*4*/ 0x92,/*5*/ 0x82,/*6*/ 0xF8,/*7*/

0x80,/*8*/ 0x90,/*9*/

0x9c,/*10*/ //上框代表实际温度 0xa3,/*11*/ //下框代表设定温度

0xff//all off

};

5.3键盘扫描程序

这里使用4×4矩阵键盘作为命令输入，采用行列赋值的方法分别确定按键的行值和列值。

图5.2 键盘扫描流程图

5.4 DS18B20通信程序

DS18B20测温原理为图5.3所示。低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在－55℃所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。

转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘以0.0625即可得到实

际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘以0.0625即可得到实际温度。例如+125℃的数字输出为07D0H，+25.0625℃的数字输出为0191H，-25.0625℃的数字输出为FF6FH，-55℃的数字输出为FC90H 。

根据DS18B20的通讯协议，主机（单片机）控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位操作，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。复位要求主CPU将数据线下拉500微秒，然后释放，当DS18B20收到信号后等待16～60微秒左右，后发出60～240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。

图5.3 DS18B20流程图

第六章加热炉温控系统使用方法

6.1系统连接方法

实验箱的USB口连接电脑，用作5V电源输入，DS18B20的VCC和GND分别接UART 的VCC和GND；数据端口接UART的RX。这样单片机就可以读取DS18B20的温度数据了，但是为了准确的测量加热炉温度，还要将芯片贴于加热炉的杯壁上，这样可以大致准确地检测炉温。

然后是继电器的连接，先将电源线的火线断开，分别接在继电器220V的两个引脚上，再将继电器的控制端分别接在放大器驱动电路的集电极和地线上，而驱动电路用实验箱上的5V输出供电，最后将放大器的基级经由一个2K的电阻接入实验箱UART的TX端。这样，单片机就通过控制TX端的高低电平，控制继电器的开合。

6.2系统使用方法

程序烧写完毕以后，重新打开开关，数码管就可以显示当前的温度，按下键盘上的“*”号键，就可以使用0~9数字键设置温度（默认温度为50度）。按下“#”号键，可以查看用

户设定温度。按下“D”键，可以看到恒温时间（在距设定温度0.8°C的时候开始启动计时器）。加热炉的保温范围大致在设定温度上下0.5°C的范围内，当超过设定温度0.5°C 时，就会启动蜂鸣器报警。

第七章实验数据

实验结果良好，此系统和装置性能是符合要求的。

第八章总结

本文主要介绍基于STC12C5A60S2单片机的炉温控制设计流程，介绍了炉温控制方案以及各个主要模块的工作原理和设计思路。本文涉及温度传感器系统、继电器系统、显示系统、输入系统的设计。

由于系统的复杂性和硬件使用要求以及人力、时间等方面的制约，考虑到系统的实时性和运算能力，系统并没有采用复杂的处理算法和控制算法，一切以实用为主。对于温度控制算法还有待进一步的研究和改进。同时，在电路保护方面的设计有待进一步地学习和实践。

总结整个设计过程，不仅使我们得到了对已有知识进行实践的机会，更培养了一定的科研能力，拓宽了知识面。展望未来，计算机控制技术必将在更广阔的领域得到应用。

参考文献

【1】郭天祥. 《51单片机C语言教程》．北京．电子工业出版社．2008

【2】宏晶STC单片机官方网站．《STC12C5A60S2器件手册》．2010

【3】https://www.360docs.net/doc/721755891.html,等.《18B20温度传感器应用解析》.2007

附录A 系统程序代码

#define uchar unsigned char

#define DELAY_TIME1 8

sbit DQ=P3^0; //改成P3^0

void ds18b20_delay(int time)//延时时间为(time * 6 us)

{

int i,s,temp;

temp=time;

for(i=0;i

{

s=temp;

while(s>0)s--;

}

}

//*********************18B20复位函数*********************//

void Init_DS18B20(void)

{

unsigned char x=1,j;

DQ=1;//先将数据口拉高

for(j=0;j

_nop_();_nop_();_nop_();//延时大约2us

}

while(x) //进行判断，当数据口返回一个0时，跳出循环。初始化成功{

DQ=0; //拉低

ds18b20_delay(80); //延时大约850us，晶振为11.0592

DQ=1; //拉高

ds18b20_delay(8); //延时50us

if(DQ==1) //设置判断条件，看ds1820的返回值，0则跳出while循环x=1;

else

x=0;

ds18b20_delay(40);//延时500us

}

}

//*********************18B20写命令函数*********************//

void WriteOneChar(uchar val)

{

uchar i,j;

for (i = 8; i > 0; i--) //定义8 bit，写8 bit

{

DQ = 1;

for(j=0;j

{_nop_();

_nop_();}

DQ = 0;

for(j=0;j

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();//5us

}

DQ = val & 0x01; //最低位移出,并写入总线

ds18b20_delay(6); //66us

val = val >> 1; //右移一位，倒数第二位变为最低位}

DQ = 1;

ds18b20_delay(1); //高电平维持11us，写结束

}

//*********************18B20读1个字节函数*********************// uchar ReadOneChar(void)

{

uchar i,j;

uchar value = 0;

for (i = 8; i > 0; i--)

{

DQ = 1;

for(j=0;j

{

_nop_();

_nop_();

}

value >>= 1; //右移一位

DQ = 0;

for(j=0;j

{

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_(); //4us

}

DQ = 1;

for(j=0;j

{

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_(); //4us ，读时隙

}

if (DQ)

value |= 0x80; //DQ=1，则写入为10000000

ds18b20_delay(6); //66us

}

DQ = 1;

return(value);

}

float ReadTemperature(void)

{

uchar n = 0; //存储符号

unsigned int t;

uchar a,b;

//*********************读出温度函数*********************// Init_DS18B20(); //总线复位

WriteOneChar(0xCC); // 发Skip ROM命令

WriteOneChar(0xBE); // 发读命令

a = ReadOneChar(); //温度低8位

b = ReadOneChar(); //温度高8位

Init_DS18B20();

WriteOneChar(0xCC); // Skip ROM

WriteOneChar(0x44); // 发转换命令

t = (b << 8) + a;

return (t*0.0625);

}

键盘扫描程序

#include

#include"shuma.h"

extern unsigned char KeyCounter;

extern bit KeyFlag;

extern bit SetFlag;

extern bit DisFlag;

extern bit ShowTimeFlag;

unsigned char code keycode[16]={

0x77,0x7b,0x7d,0x7e, //1,2,3,A

0xb7,0xbb,0xbd,0xbe, //4,5,6,B

0xd7,0xdb,0xdd,0xde, //7,8,9,C

0xe7,0xeb,0xed,0xee, //*,0,#,D

};

unsigned char Key_Scan() //返回的是keycode[]数组的位数{

unsigned char i,X,Y;

unsigned char KeyCode;

P2 = 0x0f;

if(P2 != 0x0f)

{

Delay(500);

if(P2 != 0x0f)

{

X = P2;

P2 = 0xf0;

if(P2 != 0xf0)

{