加热炉温度监测课设

辽宁工业大学

单片机原理及接口技术课程设计（论文）题目：加热炉温度监测仪设计

院（系）：电气工程学院

专业班级：测控091

学号： 090301014

学生姓名：陈新儒

指导教师：

起止时间：2012.06.18-2012.06.29

课程设计（论文）任务及评语

院（系）：电气工程学院教研室：Array

注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算

摘要

本文主要从硬件和软件两方面介绍了如何运用51单片机设计加热炉的温度控制系统，说明了怎么实现对加热炉温度的控制，并对硬件原理图和程序流程图作了简洁的描述。还介绍了在加热炉温度控制系统的软硬件设计中的一些主要技术关键环节,该系统主要以AT89S51单片机为核心,由 LED显示电路，温度检测电路,模/数转换电路,指示电路组成。

但用AT89S51单片机设计的温度检测电路是本次设计的主要内容，是整个单片机温度控制系统设计中不可缺少的一部分，该系统对温度进行了实时采集与检测。本设计介绍的单片机温度自动控制系统的主要内容包括：系统方案、元器件选择、系统理论分析、硬件设计、软件设计、系统调试及主要技术性能参数。

关键词：单片机；温度传感器；温度检测

目录

第1章绪论 (1)

第2章课程设计的方案 (2)

2.1概述 (2)

2.2系统组成总体结构 (2)

第3章硬件设计 (3)

3.1单片机最小系统设计 (4)

3.2微处理器及温度检测设计 (5)

3.3看门狗及温度显示设计 (8)

第4章软件设计 (11)

4.1程序的总体设计 (11)

4.2显示子程序设计 (13)

第5章系统测试与分析/实验数据及分析 (115)

第6章课程设计总结 (16)

参考文献 (17)

附录Ⅰ (18)

附录Ⅱ (19)

第1章绪论

加热炉随着科学技术的发展和工业生产水平的提高，已经在冶金、化工、机械等各类工业控制中得到了广泛的应用，并且在国民经济中占有举足轻重的地位。对于这样一个具有非线性、大滞后性、大惯性、时变性、升温单向性等特点，很难用数学方法建立精确的数学模型，因此用传统的控制理论很难达到良好的控制效果。所以我们要开发一种新的控制系统，不用建立数学模型就能对被测对象进行良好的控制。

近年来，由于单片机技术的运用与发展以及各种先进控制理论的形成，为我们开拓新的控制技术提供了条件。现在很多控制系统的核心都是单片机，因为单片机的体积小、价格低廉、可靠性高，可用其构成计算机控制系统中的智能控制单元, 受到广大工程技术人员的重视。

因此，加热炉的温度控制系统以单片机为核心，就可以省去建立繁琐的数学模型，而且控制系统更加稳定与精确。本次设计的加热炉温度控制系统正是以单片机为核心。

本系统的设计依据实际生产需要，具有很高的实际应用价值，且系统结构简单，能够进行大批量生产。

第2章课程设计的方案

2.1 概述

本次设计：加热炉温度控制系统的设计，正是运用单片机和温度传感器对温度进行控制。本次设计的内容为：以89S51单片机为核心，设计加热炉温度控制系统，用于进行金属的热处理。工业中金属的热处理是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，又以不同速度冷却，通过改变金属材料表面或内部的组织结构来控制其性能的一种工艺。金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。为使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，除合理选用材料和各种成形工艺外，热处理工艺往往是必不可少的。而进行金属热处理最主要的设备为加热炉。因此，本次设计的温度监测器主要应用于热处理加热炉。

2.2 系统组成总体结构

方案一：选用AT89C51为控制核心，是大家所熟悉的单片机，因为教材就是以C51为实力讲解，但C51单片机不支持ISP（在线更新程序）功能，必须加上ISP功能等新功能才能更好延续CS51的传奇。

方案二：选用AT89S51为控制核心，新增加ISP在线编程功能，这个功能的优势在于改写单片机储存器内的程序不需要把芯片从工作环境中剥离。是一个强大易用的功能。向下完全兼容51全部字系列产品。比如8051、89C51等等早期MCS-51兼容产品。也就是说所有教科书、网络教程上的程序（不论教科书上采用的单片机是8051还是89C51还是MCS-51等等），在89S51上一样可以照常运行，但价格比C51甚至还要便宜。

以上分析选折89S51为控制核心及加热炉的功能和指标要求，本系统可以从元件级开始设计，选用89S51单片机为主控机，通过连接外围控制电路，实现对加热炉温度的测量。由温度传感器、运算放大器、A/D转换器、入驱动电路、LED显示电路共同组成。在系统中，温度的设置、温度值及误差显示、控制参数的设置、运行、暂停及复位等功能由键盘及显示电路完成。温度传感器把测量的电阻炉温

度信号转换成弱电压信号，经过信号放大电路，送入低通滤波电路，以消除噪音和干扰，滤波后的信号输入到A/D转换器，转换成数字信号输入89S51单片机。下图为加热炉温度控制系统框图：

图2.1 加热炉温度控制系统框图

具体设计如下：

1、由于温度测量范围为0～1000℃，温度控制精度要求高，温度控制范围大，因此采用K型热电偶温度传感器进行温度测量。并选用K型热电偶信号放大器

MAX6675对热电偶检测的温度信号进行放大。

2、温度显示由四路LED显示电路组成，实时显示加热炉内温度值并能显示温度给定值及各种参数值。进行各种操作时有必要的声、光提示。

硬件和软件功能划分：

1.硬件系统应包括以下电路：

A、测量电路，应包括温度传感器、放大器、A\D转换及接口。

B、温度显示电路。由4位LED显示电路组成。

C、报警电路。

2.软件功能应包括：

A、温度检测，应包括定时采样和软件虑波。

B、利用定时器定时，以满足采样周期的要求，显示温度。

第3章硬件设计

3.1单片机最小系统设计

在课题设计的温度控制系统设计中，控制核心是89S52单片机，该单片机为51系列增强型8位单片机，它有32个I/O口，片内含4K FLASH工艺的程序存储器，便于用电的方式瞬间擦除和改写，而且价格便宜，其外部晶振为12MHz，一个指令周期为1μS。使用该单片机完全可以完成设计任务，其最小系统主要包括：复位电路、震荡电路以及存储器选择模式（EA脚的高低电平选择），一片AT89S51,加晶振，加复位电路，加电源。顺便把P0,1,2,3引脚都用排针引出来。这就是最小系统了。主要用来验证程序算法，过排线外扩各种电路。由于最小系统可靠性高，以此为前提很方便验证外扩电路的正确性和可靠性,或者方便通电路如下图所示:

图3.1 AT89S51最小系统

在总体方案确定之后，首要的任务是选择一台合适的微型计算机。虽然现在的微型计算机种类很多，但是所选的微型计算机必须符合本次设计的具体要求。

本次设计的温度控制系统精度较高，需要的I/O接口也比较多，因此采用AT89S51单片机作为本系统的微处理器。

89S51 在工艺上进行了改进，89S51 采用 0.35 新工艺，成本降低,而且将功能提升,增加了竞争力。89SXX 可以像下兼容89SXX 等51 系列芯片。市场上见到的89S51 实际都是Atmel 前期生产的巨量库存而以。如果市场需要，Atmel当然也可以再恢复生产AT89S51。 AT89S51/LS51单片机是低功耗的、具有4KB在线课编程Flash存储器的单片机。它与通用80S51系列单片机的指令系统和引脚兼容。片内的Flash可允许在线重新编程，也可使用非易失性存储器编程。他将通用CPU和在线可编程Flash集成在一个芯片上，形成了功能强大、使用灵活和具有较高性能性价比的微控制器。

温度检测电路是本次设计的主要内容，是整个单片机温度控制系统设计中不可缺少的一部分。本系统要求对加热炉内温度进行实时采集与检测，在充分保证安全的情况下对待加工器件进行热处理。

根据要求，本系统的温度检测电路主要由温度传感器、运算放大器及A/D转换器组成。经固定周期T对加热炉内温度进行检测，实现加热功能，并使系统安全稳定。

温度传感器的选择:

由于本次设计的加热炉温度范围为：0℃—1000℃，加热温度高，而本系统对加热炉温度控制精度的要求为±5℃，此K型热电偶温度传感器的测温基本原理是：将两种不同材料的导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。热电偶温度传感器就是利用这一效应来工作的。

由于热电偶温度传感器的材料一般都比较贵重，而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，降低成本，通常采用补偿导线把温度传感器热电偶的冷端（自由端）延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端子上。必须指出，热电偶温度传感器补偿导线的作用只起延伸热电极，使温度传感器热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上，它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，不起补偿作用。因此，还需采用其他修正方法来补偿冷端温度t0≠0℃时对测温的影响。

在使用热电偶温度传感器补偿导线时必须注意型号相配，极性不能接错，补

偿导线与温度传感器热电偶连接端的温度不能超过100℃。

温度传感器信号转换设备的选择：由于温度传感器测量的温度信号为模拟信

号，且测量信号比较微弱，因此必须要对此温度信号进行处理。处理过程为：首

先要把温度信号经运算放大器进行放大，然后用A/D转换器把放大后的模拟信号

转换为数字信号输入单片机。因此要进行温度的检测，温度传感器信号转换设备

必不可少。

在本系统中，我们可以用单独的运算放大器和A/D转换器作为温度传感器的

信号转换设备，但是由于运算放大器的连接复杂，连接的器件数量较大。因此系

统不稳定，并且由于中间环节过多，影响系统的控制精度。

因此本系统采用MAX6675作为温度传感器的信号转换设备。

其工作原理如下：K型热电偶产生的热电势，经过低噪声电压放大器A1和电压

跟随器A2放大、缓冲后，得到热电势信号U1，再经过S4送至ADC。对于K型热电偶，

电压变化率为(41μV/℃)，电压可由如下公式来近似热电偶的特性。

U1=(41μV/℃)×(T-T0) (3-1)

上式中，U1为热电偶输出电压（mV），T是测量点温度；T0是周围温度。

在将温度电压值转换为相应的温度值之前，对热电偶的冷端温度进行补偿，

冷端温度即是MAX6675周围温度与0℃实际参考值之间的差值。通过冷端温度补偿

二极管，产生补偿电压U2经S4输入ADC转换器。

U2=(41μV/℃)×T0 (3-2)

在数字控制器的控制下，ADC首先将U1、U2转换成数字量,即获得输出电压U0

的数据，该数据就代表测量点的实际温度值T。这就是MAX6675进行冷端温度补偿

和测量温度的原理。该转换器集信号放大、冷端补偿、A/D转换于一体，直接输出

温度的数字信号，使温度测量的前端电路变得十分简单。MAX6675的内部由精密运

算放大器、基准电源、冷端补偿二极管、模拟开关、数字控制器及ADC电路构成，

完成热电偶微弱信号的放大、冷端补偿和A／D转换功能。因此，MAX6675简化了温

度控制系统中热电偶测温电路的设计，实际运行结果表明，该测温系统抗干扰能

力强、结构简单、可靠性高，测量精度满足要求。因此，在基于微处理器的单片

机嵌入式工业测温系统中，由MAX6675构成的单片机热电偶测温解决方案，具有良

好的实用价值。

图3.2 MAX6675内部原理图

温度测量电路原理图：我们将温度传感器及其信号放大器选择完毕，下面我们要把选择好的镍鉻—镍硅温度传感器及其信号放大器MAX6675与89S51单片机进行连接，组成温度测量电路，此温度检测电路的工作原理可简单理解为：镍鉻—镍硅温度传感器检测到的温度信号经MAX6675运算放大（一般可将运放简单地视为：具有一个信号输出端口（Out）和同相、反相两个高阻抗输入端的高增益直接耦合电压放大单元，因此可采用运放制作同相、反相及差分放大器，运放的供电方式分双电源供电与单电源供电两种。对于双电源供电运放，其输出可在零电压两侧变化，在差动输入电压为零时输出也可置零。采用单电源供电的运放，输出在电源与地之间的某一范围变化，运放的输入电位通常要求高于负电源某一数值，而低于正电源某一数值。经过特殊设计的运放可以允许输入电位在从负电源到正电源的整个区间变化，甚至稍微高于正电源或稍微低于负电源也被允许。这种运放称为轨到轨（rail-to-rail）输入运算放大器）、冷端补偿（其热电势大小才与测量温度呈一定的比例关系。若测量时，冷端的环境温度变化，将严重影响测量的准确性。在冷端采取一定措施补偿由于冷端温度变化造成的测量不准确称为热电偶的冷端补偿）、处理后输入89S51单片机，单片机根据检测到的温度数据对温度进行显示与控制。具体的电路原理图如下：

提到看门狗，则必须提一下电源监控和上电复位电路。为了使用者的方便，现在芯片都把上电复位、电源监控及“看门狗”集成到一起。近年来各厂家开发出多种看门狗芯片，如：MAX813、X5045、24C021等。其中，X5045是SPI总线格式的具有看门狗、电源监控和2E PROM数据存储的多功能芯片，大多数51 系列单片机都有看门狗，当看门狗没有被定时清零时，将引起复位。这可防止程序跑飞。也可以防止程序在线运行时候出现死循环。设计者必须清楚看门狗的溢出时间以决定在合适的时候，清看门狗。清看门狗也不能太过频繁否则会造成资源浪费。程序正常运行时，软件每隔一定的时间（小于定时器的溢出周期）给定时器置数，即可预防溢出中断而引起的误复位，看门狗是恢复系统的正常运行及有效的监视管理器（具有锁定光驱，锁定任何指定程序的作用，可用在家庭中防止小孩无节制地玩游戏、上网、看录像）等具有很好的应用价值.目前应用较为广泛，使用者可根据自己所选择的具体MCU来配置外围看门狗电路及电源监控。本系统采用的看门狗芯片就为X5045。

动态扫描显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一。其接口电路是把所有显示器的8个笔划段a-h同名端连在一起，而每一个显示器的公共极

COM是各自独立地受I/O线控制，这种显示方式可以起到节省系统I/O口的作用，但是CPU的工作量会大大增大。CPU向字段输出口送出字形码时，所有显示器接收到相同的字形码，但究竟是那个显示器亮，则取决于COM端，而这一端是由I/O 控制的，所以我们就可以自行决定何时显示哪一位了。而所谓动态扫描就是指我们采用分时的方法，轮流控制各个显示器的COM端，使各个显示器轮流点亮。

在轮流点亮扫描过程中，每位显示器的点亮时间是极为短暂的（约1ms），但由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位显示器并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感。

LED（Light Emitting Diode），发光二级管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电能转化为光能。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端着在一个支架上，是负极，另一端连接电源的正极，整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长决定光的颜色，是由形成P-N结材料决定的。

考虑到本系统的I/O口有限所以采用了动态扫描的方法，由于是采用了74LS374和74LS145地址寄存器与数码管相连，所以无须再连接限流电阻。

图3.4 看门狗与单片机相连

在温度显示设计中，74LS374用于驱动LED的8位段码，8位LED相应的"a"—"g"段连在一起，它们的公共端连至74LS145译码器的输出端。这样当选通某一位LED

时，相应的地址线输出的是低电平，所以这里选用共阴LED数码管。具体电路如下面的图所示：

图3.5 温度显示电路

第4章软件设计

4.1程序的总体设计

本次设计的软件主要实现的功能为:温度传感器测量的温度信号经MAX6675进行信号的放大与A/D转换，把转换好的数字量输入单片机，经过标度变换、显示码处理后将显示码送到数码管上显示出来。

为了能够实现上述功能，经过认真的分析和整理，以及对整体功能进行细化、分配，把系统的程序划分为以下几个主要模块:

1、初始化模块：通过该模块来对堆栈、定时器、计数器、中断和特殊功能寄存器进行赋值，有关寄存器的清零，以及计数器/定时器的初值存放等。

2、A/D转换模块：把温度传感器测量的温度信号经MAX665转换为数字量。

4、标度变换：主要是把数字量转换为要显示的物理量。

5、显示模块：该模块应能够把温度值进行准确显示。

除了上述功能以外，本着操作友好、功能齐全、安全可靠的设计原则，该系统的程序还具有报警提示功能、看门狗等功能。

为了便于编程，我们先把89S51单片机系统中，片内、外RAM，EEPROM以及I/O的地址进行分配：

片内RAM地址分配

00H～07H，R0～R7 供主程序使用

中断向量初始地址为000H；

P1.0～P1.3为按键接口

20H～24H LED显示寄存器，其中20H为状态显示码寄存器，21H～24H为数码管显示码寄存器；

25H定时3s时间常数；

参数

26H K

P

参数

27H K

I

28H Tc参数

29H e(n)参数暂存

2AH e(n-1)参数暂存

2BH，2CH分别存放AD值的底位和高位；

30H～3FH SP指针工作区

40H存放状态标志位；

45H存放AD转换状态标志位；

44H存放设置完成标志位；

40H存放设置项目标志位；

41H存放按键完成的标志位。

42H存放软件定时器状态标志位。

系统的程序包括主程序、中断服务程序和一些具有特定功能的子程序，是系统软件的主要组成部分。该系统的主程序有初始化（包括89S51的初始化，定时器初始化，看门狗初始化等）、A/D转换，标度变换，功程序模块组成，其流程图如图所示:

图4.1主程序流程

本系统在进行显示时，外界的物理量经过A/D转换变为数字量再经过标度变

换、显示处理，显示出来，因此显示程序应该写在中断里面，这里本人设定的是

每隔10ms一次，即每隔10ms送因此显示。

4.2显示子程序的设计

标度变换：生产中的各种参数都有不同的数值和量纲，例如本系统的温度单

位℃，这些参数经A/D转换后，统一变成数字量，这些数字量虽然代表参数值的

大小，但是不能表示带有量纲的参数值，因此必须将其转换成有量纲的数值，才

能进行显示。这种转换就称为标度变换或工程量转换。

线性标度变换是最常用的标度变换方式，其前提条件是参数值与A/D转换结

果（采样值）之间应呈线性关系。本系统正适合这种标度变换。当输入信号为0

（即参数值起点值），A/D输出值不为0时，标度变化公式为：

Ax=(Am-Ao)*(Nx-No)/Nm-No +Ao (4-1) 式中：

Ao：参数量程起点值，一次测量仪表的下限；

Am：参数量程终点值，一次测量仪表的上限；

Ax：参数测量值，实际测量值（工程量）；

No：量程起点对应的A/D转换后的值，仪表下限对应的数字量；

Nm：量程终点对应的A/D值，仪表上限对应的数字量；

Nx：测量值对应的A/D值（采样值），实际上是经数字滤波后确定的采样值。

其中，Am、Ao、Nm、No对一个检测系统来说是常数。

由于本系统采用的MAX6675内部经过激光矫正，因此其转换结果与对应温度

值有很好的线性关系，其数字量最小值为0，对应的温度值为0℃，数字量最大值

为4095，对应的温度值为1023.75℃，即Ao=0，Am =1023.75，No =0，Nm =4095。

则

Ax=（1023.75-0）（Nx-0）/4095 +0 (4-2)

Ax=1023.75*Nx/4095 (4-3)

显示处理：本系统的显示主要包括四位LED数码管及其4个发光二极管，DPX

为显示指针，当DPX=1时，显示工作状态下加热炉的温度值，当DPX=0时，显示

设置状态的参数值，显示控制流程图如下：

图4.2 显示流程图

第5章系统测试与分析/实验数据及分析

5.1系统测试

将整体电路连接，从温度采集到运算放大，运算放大电路到AD转换电路，AD 转换电路到单片机，前向通道连接完成。后向通道由独立式按键和8位数码管构成。连接完毕后进行实验检测。

实验过程中，传感器的工作状况良好，运算放大电路由于环境的影响有时候出现失真，不能够精确的实现放大倍数。AD转换电路在转换过程中时长出现无法及时转换的问题，数码管显示正常。

实验能够基本实现各点温度的显示，但是存在延时，失真等问题。有时候不能很精确的显示某点的温度，存在很多方面的误差。

5.2误差分析

本次设计通过实验验证，存在很多方面的误差。有人为因素，有环境因素等随即误差，还有器件由于老化等产生的系统误差。

在实验过程中，运算放大电路的抗干扰能力有限，受环境影响很大，AD转换电路未能及时转换完成给显示带来很大的延时。

由于器件的老化，操作的不熟练，也产生了很多随机误差，但是总体来看，本设计基本能够实现多点温度的实时监测这一功能。

第6章课程设计总结

本设计介绍的单片机温度控制系统，可了解微机系统硬、软件的构成及各种控制参数变化对系统动、静态特性的影响。准确度和稳定性都可以令人满意。

89S51单片机，体积小，重量轻，抗干扰能力强，对环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，即使是非电子计算机专业人员，通过学习一些专业基础知识以后也能依靠自己的技术力量，来开发所希望的单片机应用系统。本文的温度控制系统，只是单片机广泛应用于各行各业中的一例，相信单片机的应用会更加广泛化。

本系统的设计方案有多种，上述方案是从多种方案中选出的最优方案，其具有功能强、成本低、元件少、精度高、可靠性好、稳定性高、抗干扰性强、执行速度快、简单易行、具有实效性、使用范围广等特点，故具有推广价值。