基于單片機(jī)的工業(yè)電阻爐智能溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　XXX大學(xué)</b></p><p>　　本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文）</p><p>　　題 目：基于單片機(jī)的工業(yè)電阻爐</p><p>　　智能溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) </p><p><b>　　學(xué)生姓名：XXX</b></p><p>

2、　　學(xué) 號(hào)：08XX</p><p><b>　　專(zhuān) 業(yè)：XX</b></p><p><b>　　班 級(jí)：XX</b></p><p>　　指導(dǎo)教師：XX 講師</p><p>　　基于單片機(jī)的工業(yè)電阻爐智能溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p><b&

3、gt;　　摘要</b></p><p>　　電阻爐是通過(guò)電流流過(guò)電阻體產(chǎn)生熱量來(lái)加熱或熔化物料的一種電爐。電阻爐廣泛地應(yīng)用在化工、冶金等行業(yè)。它對(duì)溫度控制的要求較高，溫度控制的好壞直接影響著產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率，因此電阻爐的溫度控制在科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)中具有重要的意義。</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理與控制單元，以電阻爐作為控制對(duì)象，用熱電偶作為測(cè)量元件，用晶閘

4、管作為輸出控制元件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電阻爐溫度自動(dòng)控制。該系統(tǒng)利用K型熱電偶溫度傳感器，把檢測(cè)到的電阻爐溫度的信號(hào)送入MAX6675芯片，經(jīng)過(guò)信號(hào)放大等一系列轉(zhuǎn)換后，再將信號(hào)送到單片機(jī)STC89C52內(nèi)進(jìn)行PID運(yùn)算，同時(shí)可以通過(guò)鍵盤(pán)調(diào)節(jié)PID參數(shù)。經(jīng)PID運(yùn)算后，將控制信號(hào)輸出，同時(shí)通過(guò)LED顯示器顯示溫度值，進(jìn)而使電阻爐的爐溫始終保持在設(shè)定范圍內(nèi)。本設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)的需要，設(shè)計(jì)了硬件電路并詳盡的介紹了組成硬件電路各個(gè)部分；根據(jù)各部分軟件流程圖編寫(xiě)

5、了軟件程序。</p><p>　　關(guān)鍵詞：電阻爐；MAX6675；單片機(jī)；PID控制</p><p>　　he temperature control intelligent system of industry resistance furnace design based on SCM</p><p><b>　　Abstract</b>&

6、lt;/p><p>　　Resistance furnace can produce heat to melting materials flowing through the resistor body by the current. Resistance furnace widely used in chemical industry, metallurgy industry, etc. Its temperat

7、ure control requirements is very high, the temperature control will have a direct impact on the product quality and production efficiency, therefore resistance furnace temperature control has an important meaning in scie

8、ntific research and industrial production.</p><p>　　This design uses the single chip microcomputer as the data processing and control unit, the resistance furnace as control object; the thermocouples used as

9、 measuring element, SCR as the output control elements to achieve resistance furnace temperature automatic control. The system uses K thermocouple temperature sensor type; it sent the examination of the resistance furnac

10、e temperature signal into MAX6675 chip, through a series of amplification after conversion, therefore send a signal to STC89C</p><p>　　Key words：The resistance furnace; MAX6675; Single-chip microcomputer; PI

11、D control</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p>　　1.1 課題研究的背景及意義

12、1</p><p>　　1.2 電阻爐的應(yīng)用與發(fā)展2</p><p>　　第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案4</p><p>　　2.1設(shè)計(jì)總體思路4</p><p>　　2.2 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)4</p><p>　　2.3 設(shè)計(jì)方案選擇4</p><p>　　2.4系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案5<

13、;/p><p>　　第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)7</p><p>　　3.1溫度檢測(cè)部分7</p><p>　　3.1.1 溫度傳感器的選擇7</p><p>　　3.1.2 熱電偶的工作原理8</p><p>　　3.1.3溫度信號(hào)處理芯片MAX66758</p><p>　　3.2 單片機(jī)

14、10</p><p>　　3.3 時(shí)鐘電路13</p><p>　　3.4 復(fù)位電路14</p><p>　　3.5 串口通信電路14</p><p>　　3.6 報(bào)警電路15</p><p>　　3.7 顯示電路15</p><p>　　3.8 按鍵電路18</p>

15、<p>　　3.9 D/A轉(zhuǎn)換電路19</p><p>　　第四章 軟件設(shè)計(jì)22</p><p>　　4.1 軟件設(shè)計(jì)思路22</p><p>　　4.2 系統(tǒng)軟件流程圖22</p><p>　　4.2.1 主程序流程圖22</p><p>　　4.2.2 溫度檢測(cè)與處理子程序23</p&g

16、t;<p>　　4.2.3 報(bào)警子程序24</p><p>　　4.2.4 PID子程序25</p><p>　　4.2.5 顯示流程圖27</p><p>　　4.2.6 鍵盤(pán)掃描流程圖28</p><p>　　4.2.7 鍵盤(pán)處理流程圖29</p><p>　　4.2.7 D/A轉(zhuǎn)換子程序流

17、程圖30</p><p>　　第五章 調(diào)試結(jié)果31</p><p>　　5.1硬件調(diào)試31</p><p>　　5.2 軟件調(diào)試31</p><p>　　5.3 聯(lián)機(jī)調(diào)試31</p><p><b>　　總結(jié)35</b></p><p><b>　　參

18、考文獻(xiàn)36</b></p><p>　　附錄A：硬件原理圖38</p><p><b>　　附錄B：程序39</b></p><p><b>　　致謝49</b></p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　

19、1.1 課題研究的背景及意義</p><p>　　20世紀(jì)20年代以來(lái)，電阻爐就在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛地應(yīng)用。隨著社會(huì)的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，電阻爐被大量的應(yīng)用在電力、冶金、機(jī)械、石油化工等工業(yè)生產(chǎn)中。在這些工業(yè)生產(chǎn)中，溫度的測(cè)量及控制影響著生產(chǎn)安全、產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率等重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，電阻爐溫度控制的穩(wěn)定性、精度、可靠性等要求也逐步提高。而在各個(gè)領(lǐng)域測(cè)溫儀器的實(shí)際應(yīng)用表明，智能化儀器已經(jīng)是現(xiàn)代電阻爐溫度控制

20、系統(tǒng)發(fā)展的主要方向[1]?；诖?，設(shè)計(jì)一種智能化的電阻爐溫度控制系統(tǒng)有廣泛的應(yīng)用前景及實(shí)際意義。</p><p>　　電阻爐是利用電流流過(guò)電阻體，使其產(chǎn)生熱量來(lái)加熱或熔化物料的一類(lèi)電爐。它的特點(diǎn)是：</p><p><b>　　①電路簡(jiǎn)單；</b></p><p>　　②對(duì)爐料種類(lèi)的限制較少；（小型電阻爐可用來(lái)加熱食品、干燥木材）；</p

21、><p><b>　　③爐溫控制精度高；</b></p><p>　?、苋菀自谡婵罩屑訜岬忍攸c(diǎn)。</p><p><b>　　它主要作用于：</b></p><p>　?、贆C(jī)械零件的淬火、退火、滲碳等熱處理 ；</p><p>　?、诟鞣N材料的干燥、加熱、燒結(jié)、熔化等。</

22、p><p>　　電阻爐的參數(shù)有工作空間尺寸、額定溫度、額定電壓、額定功率。電阻爐按爐溫不同可分為低溫電阻爐(600～700℃以下)、中溫電阻爐(700℃～1200℃)、高溫電阻爐(1200℃以上)[2]。</p><p>　　電阻爐的溫度控制主要有：1、傳統(tǒng)PID控制；2、智能控制。</p><p>　　PID控制溫度系統(tǒng)的效果，主要取決于P、I、D三個(gè)參數(shù)。PID控制

23、對(duì)于確定了的溫度系統(tǒng)控制效果較好，但是對(duì)控制大慣性、大滯后、時(shí)變性溫度系統(tǒng)則難以保證其控制品質(zhì)。電阻爐大多是經(jīng)電阻絲加熱升溫，自然冷卻降溫的，當(dāng)電阻爐的溫度超調(diào)時(shí)，無(wú)法靠控制手段降溫，所以電阻爐溫度的控制具有滯后性、非線性、慣性、不確定性等特點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)較成熟的電阻爐溫度控制系統(tǒng)中，以PID控制器為主。PID控制器對(duì)小型實(shí)驗(yàn)用的電阻爐控制效果良好，但對(duì)于大型工業(yè)用電阻爐，就難以保證電阻爐溫度控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性及精度等問(wèn)題。</p&g

24、t;<p>　　智能控制是一種不需要人操作就能驅(qū)動(dòng)智能機(jī)械來(lái)實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的自動(dòng)控制。隨著科學(xué)技術(shù)、控制理論的發(fā)展，國(guó)外的溫度控制系統(tǒng)發(fā)展很迅速，基本實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的智能控制。被廣泛應(yīng)用的溫度智能控制方法有：模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專(zhuān)家系統(tǒng)等。具有自適應(yīng)、自協(xié)調(diào)、自學(xué)習(xí)等能力，使控制系統(tǒng)的控制精度、穩(wěn)定性、抗干擾能力等性能得到保證[4]。</p><p>　　本文以電阻爐為控制對(duì)象，以單片機(jī)STC89C52

25、為硬件核心元件，采用PID控制，該系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、控制算法成熟穩(wěn)定、系統(tǒng)性能優(yōu)良。</p><p>　　1.2 電阻爐的應(yīng)用與發(fā)展</p><p>　　整體上，我國(guó)的電阻爐控制系統(tǒng)比國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家要落后四、五十年，占主導(dǎo)地位的是模擬儀表控制，這種系統(tǒng)的控制參數(shù)由人工選擇，需要配置專(zhuān)門(mén)的儀表調(diào)試人員，費(fèi)時(shí)、費(fèi)力且不準(zhǔn)確。控制精度依賴于試驗(yàn)者的調(diào)節(jié)，控制精度不高，一旦生產(chǎn)環(huán)境發(fā)生變化就需要

26、重新設(shè)置，操作不方便，控制數(shù)據(jù)無(wú)法保存。因而，對(duì)生產(chǎn)工藝的研究很困難，造成產(chǎn)品質(zhì)量低、廢品率高、工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度大、勞動(dòng)效率低、這些都縮減了企業(yè)的效益[3]。</p><p>　　目前在控制領(lǐng)域，電阻爐控制系統(tǒng)的水平在很大程度上取決于測(cè)控水平的高低。由于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和生產(chǎn)工藝的日益復(fù)雜，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制提出了越來(lái)越高的要求，不但要求自動(dòng)控制系統(tǒng)有優(yōu)越的控制性能、良好的性能價(jià)格比、良好的可維護(hù)性

27、等，還要求高可靠性、靈活的構(gòu)成方式和簡(jiǎn)易的操作方法。這也使得生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制技術(shù)得到了不斷的發(fā)展。</p><p>　　近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、超大規(guī)模集成電路技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的進(jìn)步，工業(yè)控制已逐步從單機(jī)監(jiān)控、直接數(shù)字控制發(fā)展到以新型工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)、智能化儀表和控制器為主要支撐技術(shù)的過(guò)程自動(dòng)化與信息管理自動(dòng)化相結(jié)合的計(jì)算機(jī)綜合型控制系統(tǒng)，其本質(zhì)是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)視、操作和管理。從控制系統(tǒng)的角度講，計(jì)

28、算機(jī)控制系統(tǒng)經(jīng)歷了直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DDC)、分散控制系統(tǒng)(DCS)、現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS)三個(gè)階段。而在過(guò)程控制系統(tǒng)中采用分散控制系統(tǒng)己經(jīng)成為主流。分散控制系統(tǒng)中有以可編程序控制器為中心或以微型計(jì)算機(jī)為中心的兩種主要形式，二者的設(shè)計(jì)思想及方法均有較大差別。國(guó)外先進(jìn)電阻爐的控制系統(tǒng)普遍采用了以PC、PLC、PCC等為核心的可編程系統(tǒng)，并在一些高精度生產(chǎn)裝備上采用了模糊控制、統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制(SPC)，以及基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程監(jiān)控、故障診斷和控

29、制系統(tǒng)。而我國(guó)在先進(jìn)測(cè)量系統(tǒng)方面，基本上依賴進(jìn)口。因此利用現(xiàn)有技術(shù)改造原有生產(chǎn)系統(tǒng)勢(shì)在必行。而單片機(jī)以其功能強(qiáng)、性價(jià)比高、小巧靈活、可靠性好、適應(yīng)溫度范圍寬而成為工業(yè)控制系統(tǒng)的首選。</p><p>　　目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)電阻爐的溫度控制系統(tǒng)正逐步由傳統(tǒng)分離式儀表控制轉(zhuǎn)變?yōu)镻ID控制和簡(jiǎn)單的模糊控制。由生產(chǎn)實(shí)踐可知電阻爐溫度控制系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)大、純滯后長(zhǎng)。溫度控制過(guò)程所具有的高度非線性、動(dòng)態(tài)突變性、多時(shí)間尺度性、信息

30、復(fù)雜性、傳感元件與執(zhí)行元件的分散性以及決策機(jī)構(gòu)的分層分散性等，決定了其難以用精確的數(shù)學(xué)模型(微分方程或差分方程)來(lái)表征。PID控制器簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、可靠性高，普通PID控制器常用于一些線性定常系統(tǒng)的控制，但對(duì)于非線性、時(shí)變系統(tǒng)難以取得預(yù)期的效果[3]。</p><p>　　目前電阻爐溫度控制主要問(wèn)題是：由于電阻爐是一個(gè)特性參數(shù)隨爐溫變化而變化的被控對(duì)象，常規(guī)PID控制方法難以滿足工藝溫度在大范圍變化時(shí)的控制要求。

31、另外采用常規(guī)PID控制，使得系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)差，超調(diào)量大、調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)，系統(tǒng)的跟蹤性差。</p><p>　　隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)熱處理溫度控制提出了越來(lái)越高的要求。為了適應(yīng)工業(yè)要求，己有不少公司研究了一些先進(jìn)控制策略，實(shí)現(xiàn)了許多相對(duì)復(fù)雜的高級(jí)控制算法。</p><p>　　第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案</p><p><b>　　2.1設(shè)計(jì)總體思路<

32、/b></p><p>　　本設(shè)計(jì)是對(duì)工業(yè)電阻爐溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，主要的溫度控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)基本的溫度控制功能：當(dāng)電阻爐爐內(nèi)溫度低于設(shè)定的下限溫度時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)對(duì)電阻爐發(fā)出加熱信號(hào)，使其溫度上升；當(dāng)電阻爐爐內(nèi)溫度高于設(shè)定的上限溫度時(shí)，系統(tǒng)將停止加熱電阻爐，使?fàn)t內(nèi)溫度下降。通過(guò)PID調(diào)節(jié)不斷重復(fù)該過(guò)程，使溫度值始終保持在上下限溫度之間，并且使LED顯示器即時(shí)顯示溫度。</p><p>

33、;　　2.2 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)</p><p>　　本系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)要求如下：</p><p>　　1.測(cè)量溫度和控制溫度均可以數(shù)字顯示；</p><p>　　2.被測(cè)溫度范圍為0～1000℃，精度為±0.5℃；</p><p>　　3.控制溫度可連續(xù)可調(diào)，精度為±1℃；</p><p>　　4.溫度超

34、過(guò)限時(shí)，產(chǎn)生聲、光報(bào)警信號(hào)。</p><p>　　2.3 設(shè)計(jì)方案選擇</p><p>　　在選擇控制器的時(shí)候，有下面幾種方案。</p><p>　　方案一：控制核心采用8031。使用最為常用的器件ADC0809作模數(shù)轉(zhuǎn)換，使用對(duì)電阻絲加電使?fàn)t升溫。此方案理論上是可行的，所選元件的價(jià)格便宜，但8031內(nèi)部沒(méi)有設(shè)置存儲(chǔ)器,需要內(nèi)存擴(kuò)展，加大了電路的復(fù)雜性，且ADC08

35、09是8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換的精度較低，所以不能滿足控制的要求。</p><p>　　方案二：采用比較流行的STC89C52為電路的控制核心，STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位單片機(jī)。數(shù)據(jù)的采集部分使用K型熱電偶傳感器，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換部分采用MAX6675，改變了傳統(tǒng)溫度測(cè)試方法，在現(xiàn)場(chǎng)采集溫度數(shù)據(jù)，并直接將溫度模擬量變換為數(shù)字信號(hào)，送到單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，檢測(cè)溫度范圍為- 270℃～ + 1300℃?？蓱?yīng)

36、用于多種領(lǐng)域、各種環(huán)境的智能化測(cè)試和控制系統(tǒng)，精度高，使用方便靈活，優(yōu)于大多傳統(tǒng)的溫度測(cè)控設(shè)備。</p><p>　　方案三：采用PLC作為控制部分的核心，其他部分的電路，用和方案二同樣的設(shè)計(jì)。這種方案具有和方案二相同的控制精度，而且整個(gè)電路比方案二的穩(wěn)定性更高，但是單片機(jī)的價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于PLC，考慮到價(jià)格因素，并不適合大批量的生產(chǎn)，所以此種方案不選擇。</p><p>　　綜上分析，我們采

37、取方案二。系統(tǒng)由單片機(jī)STC89C52、鍵盤(pán)、溫度檢測(cè)電路、顯示電路等部分組成。</p><p>　　在選擇顯示器部分的時(shí)候，有以下幾種方案。</p><p>　　采用四位LED數(shù)碼管顯示。這種方式可以把測(cè)量溫度的數(shù)值及小數(shù)點(diǎn)一同顯示。硬件電路的連接也很簡(jiǎn)單，只需要有相應(yīng)的四個(gè)74ls164芯片作為驅(qū)動(dòng)器件，就能使檢測(cè)溫度值直觀的顯示出來(lái)。軟件編程也比較容易，相對(duì)來(lái)說(shuō)使用起來(lái)方便，而且價(jià)格

38、較便宜，性價(jià)比也高。</p><p>　　采用液晶顯示器LCD（Liquid Crystal Display）。它具有：微功耗，顯示信息量大，長(zhǎng)壽命，無(wú)輻射等諸多優(yōu)點(diǎn)。液晶顯示器可以顯示不同的圖形與符號(hào)，但顯示這些圖形符號(hào)使得軟件編程變的復(fù)雜，不太容易實(shí)現(xiàn)。而且液晶顯示器的價(jià)位相對(duì)也比較高。</p><p>　　比較之后，無(wú)論從價(jià)格方面，還是方便實(shí)用的方面，使用LED顯示器都較使用LCD好

39、一些，所以本設(shè)計(jì)的溫度顯示部分采用LED顯示器。</p><p>　　2.4系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案</p><p>　　本系統(tǒng)由單片機(jī)、溫度信號(hào)采集與轉(zhuǎn)換、鍵盤(pán)輸入、PID控制、溫度顯示等五部分組成。 </p><p>　　其中，測(cè)溫元件用K型熱電偶，用來(lái)檢測(cè)爐內(nèi)溫度，將爐中溫度的物理量值轉(zhuǎn)換成毫伏信號(hào)輸出，經(jīng)MAX6675進(jìn)行處理后，爐溫給定值的電壓信號(hào)和所檢測(cè)到的爐溫

40、電壓信號(hào)都轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送入單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行比較，得到實(shí)際爐溫與給定爐溫的差值。由單片機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成的數(shù)字控制器，對(duì)偏差按PID調(diào)節(jié)規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算，并且在LED顯示器上顯示溫度值，將運(yùn)算結(jié)果送至D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬電壓，電壓值經(jīng)過(guò)功率放大器放大后，送到晶閘管調(diào)壓器觸發(fā)晶閘管，并且改變其導(dǎo)通角的大小，從而調(diào)節(jié)電阻爐的加溫電壓，起到控制爐溫的作用。其方案圖如圖2.1所示：</p><p>　　圖2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案圖<

41、;/p><p>　　單片機(jī)：該部分的功能包括向讀取溫度數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理，并且還要對(duì)執(zhí)行單元進(jìn)行控制。單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理核心及控制核心。</p><p>　　溫度信號(hào)采集與處理：本部分的主要是用傳感器檢測(cè)溫度信號(hào)，溫度傳感器里的電流會(huì)隨環(huán)境溫度值的變化而變化。然后將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，使用MAX6675將模擬電壓信號(hào)，轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓信號(hào)能在單片機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。</p>

42、<p>　　人機(jī)交互及串口通信：人機(jī)交互主要是為了提高系統(tǒng)的友好性和實(shí)用性。主要包括輸出顯示、按鍵輸入。輸出顯示進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示輸出，通過(guò)按鍵輸入完成系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，而串口通信的主要作用是完成單片機(jī)與上位機(jī)的通信。</p><p>　　電源系統(tǒng)單元：主要功能是為單片機(jī)提供合適的工作電源，同時(shí)也為其他硬件模塊提供電源，如LED顯示器、按鍵等。在本設(shè)計(jì)中，電源系統(tǒng)輸出+5 V 的電源。</p>&

43、lt;p>　　執(zhí)行單元：是本系統(tǒng)的輸出控制執(zhí)行部分，本設(shè)計(jì)中由于技術(shù)原因，無(wú)法實(shí)現(xiàn)，僅作理論闡述。</p><p>　　溫度采集和控制系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，科研和人民生活的領(lǐng)域。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，為使生產(chǎn)過(guò)程能順利進(jìn)行，充分保證產(chǎn)品的質(zhì)量，需要對(duì)溫度進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)控。使用自動(dòng)溫度控制系統(tǒng)，可以對(duì)生產(chǎn)環(huán)境的溫度，進(jìn)行自動(dòng)控制，保證生產(chǎn)順利、安全的進(jìn)行，從而提高工廠的生產(chǎn)效率。</p><

44、p>　　第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)</p><p><b>　　3.1溫度檢測(cè)部分</b></p><p>　　3.1.1 溫度傳感器的選擇</p><p>　　本部分主要是溫度傳感器的選型。傳感器的選擇受到許多方面的影響，比如各種溫度傳感器本身有各自優(yōu)缺點(diǎn)，適應(yīng)于不同的場(chǎng)合；還有現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境因素各有不同，再有就是根據(jù)系統(tǒng)要求的不同，所需實(shí)現(xiàn)的精

45、度也不同，所以在不同的場(chǎng)合當(dāng)中，選擇溫度傳感器的類(lèi)型也將不同。</p><p>　　方案一：熱電偶傳感器</p><p>　　熱電偶傳感的原理，是將溫度變化轉(zhuǎn)化為電勢(shì)變化。這種感溫元件具有熱電效應(yīng)原理，是利用把兩種不同的金屬材料連在一起構(gòu)成的。其優(yōu)點(diǎn)為構(gòu)造簡(jiǎn)單、精確度高、測(cè)量范圍廣、型號(hào)種類(lèi)比較多、使用方便且技術(shù)成熟等。目前在工業(yè)與民用產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛。這種傳感器的種類(lèi)較多，應(yīng)結(jié)合考慮其精確

46、度、靈敏度、穩(wěn)定性、可靠性等條件來(lái)選擇[4]。</p><p>　　方案二：熱電阻傳感器</p><p>　　熱電阻傳感器把溫度的變化轉(zhuǎn)換為電阻值變化為原理。熱電阻傳感器是常用在中低溫區(qū)的一種溫度傳感器。其主要特點(diǎn)是：精度高，性能穩(wěn)定。其中測(cè)量精度最高的為鉑熱電阻，被制作成標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)儀，廣泛應(yīng)用在工業(yè)測(cè)溫領(lǐng)域。從熱電阻的測(cè)溫原理可知，被測(cè)溫度的改變是直接通過(guò)熱敏電阻阻值的改變來(lái)體現(xiàn)的。因此

47、，熱電阻的引出導(dǎo)線電阻的變化會(huì)影響到測(cè)溫，所以一般采用三線制或四線制來(lái)消除引線電阻的影響。熱電阻測(cè)溫系統(tǒng)大多以熱電阻、連接導(dǎo)線以及顯示儀表組成。</p><p>　　方案三：半導(dǎo)體集成模擬溫度傳感器</p><p>　　半導(dǎo)體集成電路模擬溫度傳感器是一種利用半導(dǎo)體PN結(jié)的電壓、電流與其溫度的變換關(guān)系來(lái)測(cè)溫的感溫元件。這種傳感器精度較高，輸出線性化好，可以將信號(hào)處理電路及傳感器驅(qū)動(dòng)電路等與溫

48、度傳感器部分集成為同一硅片。其體積小，使用方便，應(yīng)用較廣泛的有AD590等。半導(dǎo)體集成模擬溫度傳感器通常用于室溫或周?chē)h(huán)境溫度的檢測(cè)，以便單片機(jī)系統(tǒng)對(duì)溫度測(cè)量值進(jìn)行補(bǔ)償。</p><p>　　方案四：半導(dǎo)體集成數(shù)字溫度傳感器</p><p>　　隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，許多新的溫度傳感器，應(yīng)用日益廣泛，并開(kāi)始從模擬式向數(shù)字式，單總線型，雙總線類(lèi)型，多總線類(lèi)型發(fā)展。這種數(shù)字溫度傳

49、感器，能與各種單片機(jī)的I/O接口連接，組成智能控制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)改善了模擬傳感器與單片機(jī)接口之時(shí)，需要信號(hào)轉(zhuǎn)換電路和A/D變換器的弊端，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、醫(yī)療儀器、電子測(cè)溫等溫度控制系統(tǒng)中，數(shù)字溫度傳感器中有代表性的有DS18B20等。</p><p>　　AD590與PT100都不能直接與單片機(jī)的I/O口相連，需要設(shè)計(jì)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路，A/D轉(zhuǎn)換電路。DS18B20是數(shù)字溫度傳感器，采用單總線技術(shù)，可以直接與單片

50、機(jī)I/O口相連。使用DS18B20可以節(jié)約單片機(jī)I/O口，還能使系統(tǒng)成本降低。但它的測(cè)溫范圍僅限-55℃～+125℃，而電阻爐的溫度在一千度上下，所以結(jié)合精度要求、測(cè)溫范圍的大小以及價(jià)格等各方面因素考慮，選擇K型熱電偶傳感器。</p><p>　　K型（鎳鉻－鎳硅）熱電偶能測(cè)量1300℃以內(nèi)的溫度，其線性度極好，且價(jià)格便宜。但測(cè)溫部分用K型熱電偶需經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換、放大電路等一系列措施，使得硬件電路部分顯得冗余，本

51、設(shè)計(jì)使用能處理K型熱電偶輸出信號(hào)的芯片MAX6675，該芯片可實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換、放大電路等功能，且可以和單片機(jī)直接通訊，節(jié)約了硬件部分，降低了成本。</p><p>　　3.1.2 熱電偶的工作原理</p><p>　　兩種由不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體組成一個(gè)閉和的回路(如圖3.1所示)，當(dāng)兩接觸點(diǎn)溫度T和T0不同時(shí)，就會(huì)在該回路中產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種物理現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。這兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)

52、體的組合稱為熱電偶，導(dǎo)體A、B稱為熱電極。熱電效應(yīng)中的電動(dòng)勢(shì)由溫差電勢(shì)和接觸電勢(shì)組成，接觸電勢(shì)是由于兩種不同導(dǎo)體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動(dòng)勢(shì)。</p><p>　　圖 3.1熱電偶原理圖</p><p>　　熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償</p><p>　　熱電偶的分度表是以冷端溫度0℃為基準(zhǔn)進(jìn)行分度的，而在實(shí)際使用過(guò)程中，冷端溫度往往不為0℃，所以需要對(duì)熱電偶

53、的冷端溫度進(jìn)行溫度補(bǔ)償。常用的冷端溫度補(bǔ)償方法有：冷端溫度修正法、冷端0℃恒溫法、冷端溫度自動(dòng)補(bǔ)償法等。</p><p>　　3.1.3溫度信號(hào)處理芯片MAX6675</p><p>　　該器件采用8位引腳的SO封裝，引腳圖如圖3.2所示。</p><p>　　圖3.2 MAX6675引腳圖</p><p>　　引腳功能如表3.1所示。<

54、;/p><p>　　表3.1 MAX6675引腳功能表</p><p>　　MAX6675的內(nèi)部由精密運(yùn)算放大器A1、A2、基準(zhǔn)電壓源、冷端補(bǔ)償二極管、模擬開(kāi)關(guān)、數(shù)字控制器及ADC等組成，完成了熱電偶微弱信號(hào)的放大、冷端補(bǔ)償及模/數(shù)轉(zhuǎn)換功能[12]。</p><p>　　將K型熱電偶的熱電勢(shì)輸出端與MAX6675的引腳T+、T-相連，熱電偶輸出的熱電勢(shì)經(jīng)放大器A1、A2

55、進(jìn)行放大和濾波處理后送至ADC的輸入端，在轉(zhuǎn)換之前，先需要對(duì)熱電偶的冷端溫度進(jìn)行補(bǔ)償，MAX6675通過(guò)內(nèi)置的冷端補(bǔ)償?shù)碾娐穪?lái)實(shí)現(xiàn)冷端補(bǔ)償。它將冷端溫度通過(guò)冷端補(bǔ)償二極管轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)，MAX6675內(nèi)部電路將二極管電壓和放大后的熱電偶電勢(shì)同時(shí)送到ADC中進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即能得到測(cè)量端的絕對(duì)溫度值。</p><p>　　MAX6675采用標(biāo)準(zhǔn)的SPI串行外設(shè)總線與單片機(jī)接口，其與單片機(jī)通信時(shí)工作過(guò)程如下：當(dāng)單片機(jī)

56、使MAX6675的CS 引腳從低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，MAX6675將進(jìn)行新的轉(zhuǎn)換；當(dāng)單片機(jī)使MAX6675的CS 引腳從高電平變?yōu)榈碗娖讲⒔oSCK時(shí)鐘信號(hào)時(shí)，MAX6675停止信號(hào)轉(zhuǎn)換并從SO端輸出串行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。當(dāng)從SO端輸出串行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)時(shí)，一個(gè)完整的數(shù)據(jù)輸出過(guò)程需要16個(gè)時(shí)鐘周期，數(shù)據(jù)的輸出通常在SCK的下降沿完成，其中D15位是偽標(biāo)志位，始終為0；D14～D3是由高位到低位順序排列的溫度轉(zhuǎn)換值；D2用于檢測(cè)熱電偶是否斷線，當(dāng)D2為1時(shí)

57、表明熱電偶斷開(kāi)；D1為MAX6675的標(biāo)識(shí)符，始終為0；D0位為三態(tài)。MAX6675的串行接口時(shí)序圖如圖3.2所示。</p><p>　　圖3.2 MAX6675的時(shí)序圖</p><p>　　圖3.3為本系統(tǒng)中溫度檢測(cè)電路，當(dāng)STC89C52的P3.3為低電平且P3.1口產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖時(shí)，MAX6675的SO腳輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。在每一個(gè)脈沖信號(hào)的下降沿SO輸出一個(gè)數(shù)據(jù)，16個(gè)脈沖信號(hào)完成一串完整

58、的數(shù)據(jù)輸出，先輸出高電位D15，最后輸出的是低電位D0，D14-D3為相應(yīng)的溫度轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，共12位，其最小值為0，對(duì)應(yīng)的溫度值為0℃；最大值為4095，對(duì)應(yīng)的溫度值為1023.75℃，分辨率為0.25℃。由于MAX6675內(nèi)部經(jīng)過(guò)了激光修正，因此，其轉(zhuǎn)換結(jié)果與對(duì)應(yīng)溫度值具有較好的線性關(guān)系。溫度值與數(shù)字量的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：溫度值=1023.75×轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量/4095。當(dāng)P3.3為高電平時(shí)，MAX6675開(kāi)始進(jìn)行新的溫度轉(zhuǎn)換。&l

59、t;/p><p>　　圖3.3 溫度檢測(cè)電路</p><p><b>　　3.2 單片機(jī)</b></p><p>　　在多數(shù)電子設(shè)計(jì)當(dāng)中，基于性價(jià)比的考慮，8位單片機(jī)仍是首選。STC89C52是一種低功耗/低電壓、高性能的8位單片機(jī)。片內(nèi)帶有一個(gè)8KB的Flash可編程、可擦除只讀存儲(chǔ)器（EPROM）。它采用了CMOS工藝和ATMEL公司的高密度非

60、易失性存儲(chǔ)器（NURAM）技術(shù)，而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與MCS-51兼容、片內(nèi)的Flash存儲(chǔ)器允許在系統(tǒng)內(nèi)改編程序或用常規(guī)的非易失性存儲(chǔ)器編程器來(lái)編程。因此，STC89C52是一種功能強(qiáng)、靈活性高，且價(jià)格合理的單片機(jī)，可方便地應(yīng)用在各種控制領(lǐng)域[12]。基于上述這些特點(diǎn)，這里選擇STC89C52單片機(jī)作為控制核心。</p><p>　　因?yàn)閱纹瑱C(jī)的工作電源為+5V，STC89C52電源輸入支持的電壓范圍為5

61、v~3.4v，且底層電路功耗很小。Vcc，電源端；GND，接地端[6]。其電源供電電路如圖3.4所示：</p><p><b>　　圖3.4供電電路</b></p><p>　　本部分主要介紹單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。單片機(jī)系統(tǒng)的擴(kuò)展，一般是以基本最小系統(tǒng)為基礎(chǔ)的。所謂最小系統(tǒng)，是指一個(gè)真正可用的單片機(jī)最小配置系統(tǒng)，對(duì)于片內(nèi)帶有程序存儲(chǔ)器的單片機(jī)，只要在芯片外接時(shí)鐘電路和

62、復(fù)位電路就是一個(gè)小系統(tǒng)了。小系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的基石。本電路的小系統(tǒng)主要由三部分組成，一塊STC89C52芯片、復(fù)位電路及時(shí)鐘電路[16]。</p><p>　　STC89C52 單片機(jī)的引腳說(shuō)明[13]</p><p>　　VCC：供電電壓； </p><p><b>　　GND：接地。</b></p><p>　　

63、RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。</p><p>　　XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。</p><p>　　XTAL2：來(lái)自反向振蕩器的輸出。</p><p><b>　　振蕩器特性：</b></p><p>　　XTAL1和XTAL2分別為反向放大

64、器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過(guò)一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無(wú)任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。</p><p>　　ALE/PROG：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的

65、頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無(wú)效。</p><p>　　PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)

66、器取值期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。</p><p>　　EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器，不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。 </p><p>　　

67、P0是一個(gè)8位雙向I/O端口，端口置1時(shí)作高阻抗輸入端，作為輸出口時(shí)能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL電平。對(duì)內(nèi)部Flash程序存儲(chǔ)器編程時(shí)，接收指令字節(jié)；校驗(yàn)程序時(shí)輸出指令字節(jié)，需要接上拉電阻。在訪問(wèn)外部程序和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P0口是分時(shí)轉(zhuǎn)換的地址(低8位)/數(shù)據(jù)總線，訪問(wèn)期間內(nèi)部的上拉電阻起作用。</p><p>　　P1是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8 位準(zhǔn)雙向I/0端口。輸出時(shí)可驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL電平。端口置1時(shí)，內(nèi)部上拉電阻將端

68、口拉到高電平作輸入用。對(duì)內(nèi)部Flash程序存儲(chǔ)器編程時(shí)，接收低8位地址信息。</p><p>　　P2是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/0端口。輸出時(shí)可驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL電平。端口置1 時(shí)，內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平作輸入用。對(duì)內(nèi)部Flash程序存儲(chǔ)器編程時(shí)，接收高8位地址和控制信息。在訪問(wèn)外部程序和16位外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2口送出高8位地址。而在訪問(wèn)8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)其引腳上的內(nèi)容在此期間不會(huì)改變。

69、</p><p>　　P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門(mén)電流。當(dāng)P3口寫(xiě)入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。 </p><p>　　P3口也可作為STC89C52的一些特殊功能口，如下所示： </p><p>　　P3.0 /RXD（

70、串行輸入口）；</p><p>　　P3.1 /TXD（串行輸出口）；</p><p>　　P3.2 /INT0（外部中斷0）； </p><p>　　P3.3 /INT1（外部中斷1）；</p><p>　　P3.4 T0（記時(shí)器0外部輸入）； </p><p>　　P3.5 T1（記時(shí)器1外部輸入）； </p

71、><p>　　P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通）； </p><p>　　P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）； </p><p>　　P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。 </p><p>　　本設(shè)計(jì)STC89C52單片機(jī)的P1.0口和P1.1口接LED顯示，X1和X2接的是晶振電路，RESET接復(fù)位電路。</p&g

72、t;<p><b>　　3.3 時(shí)鐘電路</b></p><p>　　時(shí)鐘電路提供單片機(jī)的時(shí)鐘控制信號(hào)，單片機(jī)時(shí)鐘產(chǎn)生方式有內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。最常用的是內(nèi)部時(shí)鐘方式，是采用外接晶振和電容組成的。</p><p>　　時(shí)鐘振蕩電路如圖3.5所示：</p><p>　　圖3.5時(shí)鐘振蕩電路 </p><p

73、>　　單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反向放大器，引腳XTAL1和引腳XTAL2分別是反相放大器的輸入端和輸出端，由這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成一個(gè)自己振蕩器，這種方式形成的時(shí)鐘信號(hào)稱為內(nèi)部時(shí)鐘方式。系統(tǒng)的時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)是采用的內(nèi)部方式，即利用芯片內(nèi)部的振蕩電路。內(nèi)部方式時(shí)，時(shí)鐘發(fā)生器對(duì)振蕩脈沖二分頻，如晶振為12MHz，時(shí)鐘頻率就為6MHz。晶振的頻率可以在1MHz-24MHz內(nèi)選擇。電容取30PF

74、左右。因此，此系統(tǒng)電路的晶體振蕩器的值為12MHz，電容應(yīng)盡可能的選擇陶瓷電容，電容值為30μF。在焊接刷電路板時(shí)，晶體振蕩器和電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機(jī)芯片靠近，以減少寄生電容，更好地保證震蕩器穩(wěn)定和可靠地工作。XTAL1是片內(nèi)振蕩器的反相放大器輸入端，XTAL2則是輸出端，使用外部振蕩器時(shí)，外部振蕩信號(hào)應(yīng)直接加到XTAL1，而XTAL2懸空。</p><p><b>　　3.4 復(fù)位電路</b

75、></p><p>　　計(jì)算機(jī)在啟動(dòng)運(yùn)行的時(shí)候都需要復(fù)位，使中央處理器CPU和系統(tǒng)中的其他部件都處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并且從這個(gè)初始狀態(tài)開(kāi)始工作。單片機(jī)的復(fù)位是靠外部電路實(shí)現(xiàn)的，MCS-51單片機(jī)有一個(gè)復(fù)位引腳RST，高電平有效。MCS-51單片機(jī)通常采用上電自動(dòng)復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種。復(fù)位電路的基本功能是系統(tǒng)上電時(shí)，RC電路充電，RST引腳出現(xiàn)正脈沖，提供復(fù)位信號(hào)直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷(xiāo)復(fù)位信號(hào)，為可靠起見(jiàn)

76、，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時(shí)，才撤銷(xiāo)復(fù)位信號(hào)，以防電源開(kāi)關(guān)或電源插頭分合過(guò)程中引起的抖動(dòng)而影響復(fù)位。RC復(fù)位電路可以實(shí)現(xiàn)上述基本功能[4]。調(diào)整RC常數(shù)會(huì)令對(duì)驅(qū)動(dòng)能力產(chǎn)生影響。復(fù)位電路如下圖3.6所示：</p><p>　　圖3.6 復(fù)位電路圖</p><p>　　3.5 串口通信電路</p><p>　　串口通信的主要功能是完成單片機(jī)與上位機(jī)的通信，便于進(jìn)行溫度數(shù)

77、據(jù)統(tǒng)計(jì)，為將來(lái)系統(tǒng)功能的擴(kuò)展做好基礎(chǔ)工作。</p><p>　　串行通信的主要功能是實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)的數(shù)據(jù)交換，當(dāng)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)分析的時(shí)候，可以把數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，使用上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并且將數(shù)據(jù)處理的結(jié)果又發(fā)送給單片機(jī)[11]。這樣可以大大提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理速度，還可以方便的對(duì)單片機(jī)進(jìn)行控制。計(jì)算機(jī)與外界的數(shù)據(jù)傳送大部分都是串行的，其傳送距離可以從幾米到幾千米。串行口通信原理圖如圖3.7所示

78、：</p><p>　　圖3.7串行口通信電路圖</p><p><b>　　3.6 報(bào)警電路</b></p><p>　　報(bào)警電路實(shí)現(xiàn)的是當(dāng)環(huán)境溫度值超過(guò)系統(tǒng)設(shè)置的上限值或者小于系統(tǒng)設(shè)置的下限值時(shí)，都將通過(guò)I/O 口驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，進(jìn)行蜂鳴器報(bào)警。而單片機(jī)I/O 口輸出的電流無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，所以設(shè)計(jì)了蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路，具體電路連接如圖3.8所示

79、： </p><p><b>　　圖3.8報(bào)警電路圖</b></p><p><b>　　3.7 顯示電路</b></p><p>　　電子設(shè)計(jì)中常用的輸出顯示設(shè)備有兩種：數(shù)碼管和LCD。</p><p>　　數(shù)碼管是現(xiàn)在電子設(shè)計(jì)中普遍使用的一種顯示設(shè)備，每個(gè)數(shù)碼管由七個(gè)發(fā)光二極管按照一定的排列結(jié)構(gòu)

80、組成，根據(jù)七個(gè)發(fā)光二極管的正負(fù)極連接不同，又分為共陰極數(shù)碼管和共陽(yáng)極數(shù)碼管兩種，選擇的數(shù)碼管不同，程序設(shè)計(jì)上也有一定的差別。數(shù)碼管顯示的數(shù)據(jù)內(nèi)容比較直觀，通常顯示從0到9中的任意一個(gè)數(shù)字，一個(gè)數(shù)碼管可以顯示一位，多個(gè)數(shù)碼管就可以顯示多位，在顯示位數(shù)比較少的電路中，程序編寫(xiě)，外圍電路設(shè)計(jì)都十分簡(jiǎn)單，但是當(dāng)要顯示的位數(shù)相對(duì)多的時(shí)候，數(shù)碼管操作起來(lái)十分煩瑣，顯示的速度受到限制。</p><p>　　液晶顯示屏具有體積小

81、、功耗低、顯示內(nèi)容豐富等特點(diǎn)，用戶可以根據(jù)自己的需求，顯示自己所需要的、甚至是自己動(dòng)手設(shè)計(jì)的圖案。當(dāng)需要顯示的數(shù)據(jù)比較復(fù)雜的時(shí)候，它的優(yōu)點(diǎn)就突現(xiàn)出來(lái)了，并且當(dāng)硬件設(shè)計(jì)完成時(shí)，可以通過(guò)軟件的修改來(lái)不斷擴(kuò)展系統(tǒng)顯示能力。外圍驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，顯示能力的擴(kuò)展將不會(huì)涉及到硬件電路的修改，可擴(kuò)展性很強(qiáng)。不足之處在于其價(jià)格比較昂貴，驅(qū)動(dòng)程序編寫(xiě)比較復(fù)雜。</p><p>　　由于本設(shè)計(jì)所需要顯示的內(nèi)容比較簡(jiǎn)單，只包括現(xiàn)場(chǎng)

82、溫度值、溫度限定值以及PID系數(shù)的顯示，所以本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示設(shè)備采用LED數(shù)碼管。設(shè)計(jì)中采用4位共陰極LED靜態(tài)顯示方式，選用7段顯示數(shù)碼管。顯示內(nèi)容有溫度值的千位、百位、十位、個(gè)位。由于單片機(jī)不能直接驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示，所以必須在單片機(jī)與LED164之間加上74LS164，它的管腳圖如圖3.9所示。</p><p>　　圖3.9 74LS164管腳圖</p><p>　　A和B為74LS64

83、的串行輸入端；QA-QH為74LS64的并行輸出端；CLK是串行時(shí)鐘輸入端；CLR是串行輸出清零端；VCC：+5V；GND：接地端。</p><p>　　74LS164功能如表3.2所示。</p><p>　　表3.2 74LS164功能表</p><p>　　LED顯示器的管腳如圖3.10所示，其中a-g段用來(lái)顯示數(shù)字或字符的筆畫(huà)，dp顯示小數(shù)點(diǎn)，9引腳作為公共地

84、。一英寸以下的的LED數(shù)碼管內(nèi)，每一筆段含有一只LED發(fā)光二極管，導(dǎo)通壓降為1.2-2.5V；一英寸及以上的LED數(shù)碼管的每一筆段由多只LED發(fā)光二極管以串、并聯(lián)方式連接而成，筆段導(dǎo)通電壓與筆段內(nèi)包含的LED發(fā)光二極管的數(shù)目、連接方式有關(guān)。在串聯(lián)方式中，確定電源電壓VCC時(shí)，每只LED工作電壓通常以2.0V計(jì)算，例如4英寸7段LED數(shù)碼顯示器LC4141的每一筆段由四只LED發(fā)光二極管按串聯(lián)方式連接而成，因此導(dǎo)通電壓應(yīng)在7-8V之間，電

85、源電壓VCC必須取9V以上。</p><p>　　圖3.10 LED數(shù)碼管顯示器</p><p>　　數(shù)碼管結(jié)構(gòu)有共陰極和共陽(yáng)極之分。本設(shè)計(jì)采用的是共陰極數(shù)碼管。共陰極公共端接地，高電平有效（燈亮），共陰極數(shù)碼管內(nèi)部發(fā)光二極管的陰極(負(fù)極)都聯(lián)在一起，此數(shù)碼管陰極(負(fù)極)在外部只有一個(gè)引腳。</p><p>　　LED顯示電路如下圖3.11所示。圖中的P11和P10

86、分別連接到單片機(jī)的P1.1和P1.0引腳，作為時(shí)鐘輸入端和數(shù)據(jù)端口。</p><p>　　圖3.11 LED顯示電路</p><p><b>　　3.8 按鍵電路</b></p><p>　　按鍵是現(xiàn)階段電子設(shè)計(jì)中最常用、最實(shí)用的輸入設(shè)備。按鍵能夠成為最普遍的輸入設(shè)備，主要是其具備了以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：工作原理、硬件電路連接簡(jiǎn)單、操作實(shí)用性強(qiáng)、價(jià)格便

87、宜，程序編寫(xiě)簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：機(jī)械抖動(dòng)比較嚴(yán)重、外型不夠美觀。</p><p>　　按鍵部分實(shí)現(xiàn)的主要原理是單片機(jī)讀取與按鍵相連接的I/O口狀態(tài)，來(lái)判定按鍵是否按下，達(dá)到系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置的目的。鍵盤(pán)在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的作用是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入、命令輸入，是人工干預(yù)的主要手段。</p><p>　　獨(dú)立式按鍵就是按鍵相互獨(dú)立，每個(gè)按鍵單獨(dú)占用一根I/O口線，每根I/O口線的按鍵的工作狀態(tài)，不會(huì)影響其他I/O

88、口線上的工作狀態(tài)。各按鍵開(kāi)關(guān)均需要采用了上拉電阻，是為了保證在按鍵斷開(kāi)時(shí)，各I/O有確定的高電平。當(dāng)輸入口線內(nèi)部已有上拉電阻，外電路的上拉電阻可省去。因此，通過(guò)檢測(cè)輸入線的電平狀態(tài)就可以很容易判斷是哪個(gè)按鍵被按下了。優(yōu)點(diǎn)：電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：每個(gè)按鍵需占用一根I/O口線，在按鍵數(shù)量較多時(shí)，I/O口浪費(fèi)大，電路結(jié)構(gòu)顯得復(fù)雜。因此，此鍵盤(pán)適用于按鍵較少或操作速度較高的場(chǎng)合。</p><p>　　矩陣式鍵

89、盤(pán)適用于按鍵數(shù)量多的場(chǎng)合，它通常由行線和列線組成，按鍵位于行、列的交叉點(diǎn)上。單片機(jī)的鍵盤(pán)檢測(cè)通常有三種方式：查詢、中斷、定時(shí)掃描。查詢和中斷方式同普通的 I/O 傳送是一致的，定時(shí)掃描方式是利用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器產(chǎn)生定時(shí)中斷，在中斷服務(wù)程序中對(duì)鍵盤(pán)進(jìn)行掃描獲得鍵值。</p><p>　　在本設(shè)計(jì)中采用的是 4 行*4 列鍵盤(pán)，其電路圖如圖3.12所示，列線由 P2.4-P2.7口控制，行線由 P2.0-P2.3口控

90、制。電路中共 16個(gè)按鍵，包括設(shè)置鍵、3 個(gè)溫度參數(shù)和時(shí)間設(shè)置鍵、1個(gè)增加鍵、1個(gè)減小鍵。系統(tǒng)在程序初始化時(shí)控制鍵盤(pán)行線的 P2.0-P2.3口輸出高電位，控制鍵盤(pán)列線的P2.4-P2.7口輸出低電位，在判斷電路是否有按鍵按下時(shí)，讀 P2.0-P2.7端口值，若端口值不是11110000，則說(shuō)明電路中有按鍵按下。然后根據(jù)程序進(jìn)行去抖動(dòng)處理和計(jì)算鍵值。 </p><p>　　圖3.12 矩陣式鍵盤(pán)電路圖</p

91、><p>　　3.9 D/A轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　DAC0832的基本原理是把數(shù)字量的每一位按照權(quán)重轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬分量，然后根據(jù)疊加定理將每一位對(duì)應(yīng)的模擬分量相加，輸出相應(yīng)的電流或電壓。</p><p>　　DAC0832是一個(gè)8位D/A轉(zhuǎn)換器。單電源供電，從+5V～+15V均可正常工作?；鶞?zhǔn)電壓的范圍為±10V；電流建立時(shí)間為1μS；CMOS工藝，

92、低功耗20mW。</p><p>　　DAC0832轉(zhuǎn)換器芯片為20引腳，雙列直插式封裝，其引腳排列如圖3.13所示。</p><p>　　圖3.13 DAC0832引腳圖</p><p>　　D/A轉(zhuǎn)換電路是一個(gè)R-2R T型電阻網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)8位數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。對(duì)各引腳信號(hào)說(shuō)明如下：</p><p>　　(1) DI7～DI0：轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸入<

93、;/p><p>　　(2) CS：片選信號(hào)（輸入），低電平有效</p><p>　　(3) ILE：數(shù)據(jù)鎖存允許信號(hào)（輸入），高電平有效</p><p>　　(4) WR1：寫(xiě)信號(hào)1（輸入），低電平有效</p><p>　　上述兩個(gè)信號(hào)控制輸入寄存器是數(shù)據(jù)直通方式還是數(shù)據(jù)鎖存方式；當(dāng)ILE=1和WR1=0時(shí)，為輸入寄存器直通方式；當(dāng)ILE=1和W

94、R1=1時(shí)，為輸入寄存器鎖存方式。</p><p>　　(5) WR2：寫(xiě)信號(hào)2（輸入），低電平有效</p><p>　　(6) XFER：數(shù)據(jù)傳送控制信號(hào)（輸入），低電平有效</p><p>　　上述兩個(gè)信號(hào)控制DAC寄存器是數(shù)據(jù)直通方式還是數(shù)據(jù)鎖存方式；當(dāng)WR2=0和XFER=0時(shí)，為DAC寄存器直通方式；當(dāng)WR1=1和XFER=0時(shí)，為DAC寄存器鎖存方式。&

95、lt;/p><p>　　(7) Iout1：電流輸出1</p><p>　　(8) Iout2：電流輸出2</p><p>　　DAC轉(zhuǎn)換器的特性之一是：Iout1+Iout2=常數(shù)。</p><p>　　(9) Rfb—反饋電阻端</p><p>　　0832是電流輸出，為了取得電壓輸出，需在電壓輸出端接運(yùn)算放大器，Rf

96、b即為運(yùn)算放大器的反饋電阻端。</p><p>　　(10) Vref：基準(zhǔn)電壓，其電壓可正可負(fù),范圍-10V～+10V。</p><p>　　(11) DGND：數(shù)字地</p><p>　　(12) AGND：模擬地  </p><p>　　DAC0832與單片機(jī)的接法如圖3.14所示。</p><p

97、>　　圖3.14 D/A轉(zhuǎn)換電路圖</p><p>　　DAC0832有三種工作方式：直通方式、單緩沖方式、雙緩沖方式。</p><p><b>　　1、直通方式</b></p><p>　　8位輸入寄存器和8位DAC寄存器都直接處于直通狀態(tài)，8位數(shù)字量到達(dá)DI0～DI7，就立即進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，從輸出端得到轉(zhuǎn)換的模擬量。 </p&g

98、t;<p>　　適用：?jiǎn)温份敵銮覕?shù)據(jù)輸入總線無(wú)需和其他電路共享的情況。</p><p><b>　　2、單緩沖方式</b></p><p>　　內(nèi)部?jī)蓚€(gè)鎖存器的一個(gè)處于直通狀態(tài)，另一個(gè)處于受控制狀態(tài)，DAC0832就工作于單緩沖方式。一般控制輸入寄存器，DAC寄存器處于直通方式。</p><p>　　適用：總線方式，是DA轉(zhuǎn)換器常

99、用的方式且DA轉(zhuǎn)換器只有一路，或是多路但是不同步</p><p><b>　　3、雙緩沖方式</b></p><p>　　內(nèi)部?jī)蓚€(gè)寄存器均受控制，轉(zhuǎn)換分兩步：</p><p>　　(1) CPU分時(shí)控制輸入寄存器，輸入數(shù)據(jù)。 </p><p>　　(2) CPU同時(shí)控制各路的DAC寄存器，使得輸入寄存器中的數(shù)據(jù)進(jìn)入DAC

100、寄存器，實(shí)現(xiàn)同步轉(zhuǎn)換輸出。</p><p>　　適用：多片DA轉(zhuǎn)換器同步輸出，必須用雙緩沖模式。</p><p><b>　　第四章 軟件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　4.1 軟件設(shè)計(jì)思路</p><p>　　本部分詳細(xì)介紹了基于STC89C52單片機(jī)的電阻爐溫度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。</p><p

101、>　　根據(jù)系統(tǒng)功能，可以將系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為若干個(gè)子程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，如溫度采集子程序、PID控制子程序、報(bào)警子程序、顯示子程序、鍵盤(pán)掃描子程序、鍵盤(pán)處理子程序、D/A轉(zhuǎn)換子程序等。采用Keil uVision3集成編譯環(huán)境和C語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。本章從設(shè)計(jì)思路、軟件系統(tǒng)框圖出發(fā)，先介紹整體的思路，再逐一分析各模塊程序算法的實(shí)現(xiàn)，最終編寫(xiě)出滿足任務(wù)需求的程序。</p><p>　　本系統(tǒng)要完成溫度信號(hào)的采集與控

102、制，需要實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)的采集與A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)傳輸?shù)然竟δ堋墓δ苌峡蓪⑵浞譃闇囟刃盘?hào)采集及數(shù)據(jù)處理、人機(jī)交互、執(zhí)行三大部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。</p><p>　　4.2 系統(tǒng)軟件流程圖</p><p>　　4.2.1 主程序流程圖</p><p>　　在系統(tǒng)軟件中，主程序依次完成系統(tǒng)初始化、爐溫檢測(cè)與處理、PID控制算法、溫度顯示、鍵盤(pán)輸入等，這些都由

103、子程序來(lái)完成。流程圖如圖4.1所示。</p><p>　　圖4.1主程序流程圖</p><p>　　4.2.2 溫度檢測(cè)與處理子程序</p><p>　　溫度信號(hào)采集與處理子程序，主要完成溫度信號(hào)采集與A/D功能、數(shù)據(jù)處理的功能，由芯片MAX6675來(lái)完成。溫度信號(hào)采集子程序主要包括傳感器初始化、單片機(jī)給傳感器寫(xiě)命令、單片機(jī)給傳感器寫(xiě)數(shù)據(jù)、單片機(jī)從傳感器讀數(shù)據(jù)等部分

104、，數(shù)據(jù)處理部分對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，主要是把采集到的二進(jìn)制的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制溫度數(shù)據(jù)。流程圖如圖4.2所示。</p><p>　　圖4.2 溫度檢測(cè)與處理子程序</p><p>　　4.2.3 報(bào)警子程序</p><p>　　報(bào)警子程序主要實(shí)現(xiàn)在溫度超限的情況下，進(jìn)行聲光報(bào)警，并切斷電源。程序流程圖如下圖4.3。</p><p>　　圖4.3

105、報(bào)警子程序流程圖</p><p>　　4.2.4 PID子程序</p><p>　　根據(jù)爐溫對(duì)給定溫度的偏差，自動(dòng)接通或斷開(kāi)供給爐子的熱源能量，或連續(xù)改變熱源能量的大小，使?fàn)t溫穩(wěn)定在給定溫度范圍內(nèi)，以滿足熱處理工藝的需要。溫度自動(dòng)控制常用調(diào)節(jié)規(guī)律有二位式、三位式、比例、比例積分和比例積分微分等幾種。電阻爐爐溫控制是這樣一個(gè)反饋調(diào)節(jié)過(guò)程，比較實(shí)際爐溫和需要爐溫得到偏差，通過(guò)對(duì)偏差的處理獲得控

106、制信號(hào)，去調(diào)節(jié)電阻爐的熱功率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電阻爐溫度的控制。按照偏差的比例、積分和微分產(chǎn)生控制作用（PID控制），是過(guò)程控制中應(yīng)用最廣泛的一種控制形式。</p><p>　　二位式調(diào)節(jié)——它只有開(kāi)、關(guān)兩種狀態(tài)，當(dāng)爐溫低于限給定值時(shí)執(zhí)行器全開(kāi)；當(dāng)爐溫高于給定值時(shí)執(zhí)行器全閉。</p><p>　　三位式調(diào)節(jié)——它有上下限兩個(gè)給定值，當(dāng)爐溫低于下限給定值時(shí)招待器全開(kāi)；當(dāng)爐溫在上、下限給定值之間時(shí)執(zhí)

107、行器部分開(kāi)啟；當(dāng)爐溫超過(guò)上限給定值時(shí)執(zhí)行器全閉。如管狀加熱器為加熱元件時(shí)，可采用三位式調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)加熱與保溫功率的不同。</p><p>　　比例調(diào)節(jié)（P調(diào)節(jié)）——調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)（M）和偏差輸入（e）成比例。即：M=Ke；式中：K——比例系數(shù)。比例調(diào)節(jié)器的輸入、輸出量之間任何時(shí)刻都存在一一對(duì)應(yīng)的比例關(guān)系，因此爐溫變化經(jīng)比例調(diào)節(jié)達(dá)到平衡時(shí)，爐溫不能復(fù)加到給定值時(shí)的偏差稱“靜差”。</p><p&g

108、t;　　比例積分（PI）調(diào)節(jié)，為了“靜差”，在比例調(diào)節(jié)中添加積分（I）調(diào)節(jié)積分，調(diào)節(jié)是指調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)與偏差存在隨時(shí)間的增長(zhǎng)而增強(qiáng)，直到偏差消除才無(wú)輸出信號(hào)，故能消除“靜差”比例調(diào)節(jié)和積分調(diào)節(jié)的組合稱為比例積分調(diào)節(jié)。</p><p>　　比例積分微分（PID）調(diào)節(jié)——比例積分調(diào)節(jié)會(huì)使調(diào)節(jié)過(guò)程增長(zhǎng)，溫度的波動(dòng)幅值增大，為此再引入微分（D）調(diào)節(jié)。微分調(diào)節(jié)是指調(diào)節(jié)器的輸出與偏差對(duì)時(shí)間的微分成比例，微分調(diào)節(jié)器在溫度有變

109、化“苗頭”時(shí)就有調(diào)節(jié)信號(hào)輸出，變化速度越快、輸出信號(hào)越強(qiáng)，故能加快調(diào)節(jié)速度，降低溫度波動(dòng)幅度，比例調(diào)節(jié)、積分調(diào)節(jié)和微分調(diào)節(jié)的組合稱為比例積分微分調(diào)節(jié)。根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行情況，這種控溫方法，精度比較高，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，滿足生產(chǎn)的實(shí)際需要。主要設(shè)備：熱電偶或熱電阻，智能PID溫控儀，可控硅觸發(fā)調(diào)功器等。</p><p>　　PID控制是在連續(xù)的生產(chǎn)過(guò)程中，將偏差的比例（Proportional）、積分（Integral