畢業(yè)設計：基于單片機的工業(yè)電阻爐智能溫度控制系統(tǒng)設計(共54頁)

1、桂林航天工業(yè)學院畢業(yè)設計(論文）桂林航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 題目：智能溫度監(jiān)測控制系統(tǒng)設計 專業(yè)：應用電子技術 姓名： 學號： 指導教師： 2014年6月10日 畢 業(yè) 設 計（ 論 文 ）評 語指導教師評語 簽字： 20 年 月 日評閱教師評語 簽字： 20 年 月 日畢 業(yè) 設 計 任 務 書裝 訂 線專業(yè)：應用電子技術年級： 2011級 姓名學號指導教師（簽名）畢業(yè)設計題目智能溫度監(jiān)測控制系統(tǒng)的設計與制作 任務下達日期2013年11月10日設計提交期限2014年6 月10日設計主要內(nèi)容利用多個溫度傳感器，基于單片機系統(tǒng)，對多個點的溫度進行監(jiān)測處理并設置上下報警溫度。在上下限報警溫度時，除了

2、通過燈和聲響報警外，還能輸出控制信號啟動加溫或降溫電路工作 。主要技術參數(shù)指標采集到的溫度數(shù)據(jù)通過顯示電路顯示出來，采集的溫度范圍為0到99度，精確到±0.5。成果提交形式論文、實物設計進度安排2014年1月 日2月 日 方案設計、提交開題報告2014年3月 日3月 日 電路設計、制作2014年4月 日5月 日 電路調(diào)試、撰寫論文2014年6月 日6月 日 提交論文、答辯 教研室意見 簽名： 20 年 月 日 系主任意見簽名： 20 年 月 日桂林航天工業(yè)學院電子工程系畢 業(yè) 設 計 開 題 報 告裝 訂 線姓名學號指導教師畢業(yè)設計題目智能溫度監(jiān)測控制系統(tǒng)的設計與制作同組設計目的意義

3、20世紀20年代以來，電阻爐就在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛地應用。隨著社會的發(fā)展，科學技術的進步，電阻爐被大量的應用在電力、冶金、機械、石油化工等工業(yè)生產(chǎn)中。在這些工業(yè)生產(chǎn)中，溫度的測量及控制影響著生產(chǎn)安全、產(chǎn)品質量、生產(chǎn)效率等重要的技術經(jīng)濟指標，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。而在各個領域測溫儀器的實際應用表明，智能化儀器已經(jīng)是現(xiàn)代電阻爐溫度控制系統(tǒng)發(fā)展的主要方向1?；诖耍O計一種智能化的電阻爐溫度控制系統(tǒng)有廣泛的應用前景及實際意義。方案論證本系統(tǒng)由單片機、溫度信號采集與轉換、鍵盤輸入、PID控制、溫度顯示等五部分組成。 其中，測溫元件用K型熱電偶，用來檢測爐內(nèi)溫度，將爐中

4、溫度的物理量值轉換成毫伏信號輸出，經(jīng)MAX6675進行處理后，爐溫給定值的電壓信號和所檢測到的爐溫電壓信號都轉換為數(shù)字量送入單片機內(nèi)進行比較，得到實際爐溫與給定爐溫的差值。由單片機系統(tǒng)構成的數(shù)字控制器，對偏差按PID調(diào)節(jié)規(guī)律進行運算，并且在LED顯示器上顯示溫度值，將運算結果送至D/A轉換器轉換為模擬電壓，電壓值經(jīng)過功率放大器放大后，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。 時間安排2014年1月3 日 方案設計、2014年1月5日 電路設計、制作2014年1月8日 電路調(diào)試、 指導教師意見 簽字： 20 年 月 日 審核小組意見 組長

5、簽字： 20 年 月 日摘要溫度是日常生活中無時不在的物理量，溫度的控制在各個領域都有積極的意義。如電阻爐是通過電流流過電阻體產(chǎn)生熱量來加熱或熔化物料的一種電爐。電阻爐廣泛地應用在化工、冶金等行業(yè)。它對溫度控制的要求較高，溫度控制的好壞直接影響著產(chǎn)品質量及生產(chǎn)效率，因此電阻爐的溫度控制在科學研究、工業(yè)生產(chǎn)中具有重要的意義。本設計采用單片機作為數(shù)據(jù)處理與控制單元，以電阻爐作為控制對象，用熱電偶作為測量元件，用晶閘管作為輸出控制元件來實現(xiàn)對電阻爐溫度自動控制。該系統(tǒng)利用K型熱電偶溫度傳感器，把檢測到的電阻爐溫度的信號送入MAX6675芯片，經(jīng)過信號放大等一系列轉換后，再將信號送到單片機STC89C

6、52內(nèi)進行PID運算，同時可以通過鍵盤調(diào)節(jié)PID參數(shù)。經(jīng)PID運算后，將控制信號輸出，同時通過LED顯示器顯示溫度值，進而使電阻爐的爐溫始終保持在設定范圍內(nèi)。本設計根據(jù)系統(tǒng)的需要，設計了硬件電路并詳盡的介紹了組成硬件電路各個部分；根據(jù)各部分軟件流程圖編寫了軟件程序。關鍵詞：電阻爐；MAX6675；單片機；PID控制 Abstract Temperature is the ever-present quantities in daily life, temperature control in various fields have positive significance. Such as

7、resistance furnace is produced by electric current flows through the resistor body heat to the heating or melting materials of a furnace. Resistance furnace is widely used in chemical industry, metallurgy, etc. It high to the requirement of temperature control, temperature control is good or bad a d

8、irect impact on product quality and production efficiency, therefore the resistance furnace temperature control in scientific research, industrial production has important significance. This design USES the single chip microcomputer as the control unit, data processing and in electric resistance fur

9、nace as control object, the thermocouples used as measuring element, SCR as the output control components to achieve automatic control of resistance furnace temperature. By K type thermocouple temperature sensor, the system of resistance furnace temperature of the detected signals into MAX6675 chip,

10、 after signal amplification and a series of transformations, again to send signal to microcontroller STC89C52 within the PID arithmetic, at the same time can through the keyboard to adjust PID parameters. After PID arithmetic, the control signal output, through the LED display shows the value at the

11、 same time, and then make the resistance furnace temperature always stay within the range set. This design according to the needs of the system, designed the hardware circuit and detailed introduces the various parts of hardware circuit; According to each part of the software flow chart. Write the s

12、oftware programs.Key words: resistance furnace; MAX6675; Single chip microcomputer; PID controlIV目錄摘要I第一章 引言11.1 課題研究的背景及意義11.2 電阻爐的應用與發(fā)展2第二章 系統(tǒng)總體設計方案42.1設計總體思路42.2 系統(tǒng)技術指標42.3 設計方案選擇42.4系統(tǒng)總體設計方案5第三章 系統(tǒng)硬件設計73.1溫度檢測部分73.1.1 溫度傳感器的選擇73.1.2 熱電偶的工作原理83.1.3溫度信號處理芯片MAX667583.2 單片機103.3 時鐘電路133.4 復位電路143.5

13、串口通信電路143.6 報警電路153.7 顯示電路153.8 按鍵電路183.9 D/A轉換電路19第四章 軟件設計224.1 軟件設計思路224.2 系統(tǒng)軟件流程圖224.2.1 主程序流程圖224.2.2 溫度檢測與處理子程序234.2.3 報警子程序244.2.4 PID子程序254.2.5 顯示流程圖274.2.6 鍵盤掃描流程圖284.2.7 鍵盤處理流程圖294.2.7 D/A轉換子程序流程圖30第五章 調(diào)試結果315.1硬件調(diào)試315.2 軟件調(diào)試315.3 聯(lián)機調(diào)試31第六章 小結32第七章 致謝33參考文獻34附錄原理圖35附錄程序36第 VI 頁第1章 引言1.1 課題研

14、究的背景及意義20世紀20年代以來，電阻爐就在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛地應用。隨著社會的發(fā)展，科學技術的進步，電阻爐被大量的應用在電力、冶金、機械、石油化工等工業(yè)生產(chǎn)中。在這些工業(yè)生產(chǎn)中，溫度的測量及控制影響著生產(chǎn)安全、產(chǎn)品質量、生產(chǎn)效率等重要的技術經(jīng)濟指標，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。而在各個領域測溫儀器的實際應用表明，智能化儀器已經(jīng)是現(xiàn)代電阻爐溫度控制系統(tǒng)發(fā)展的主要方向1?；诖?，設計一種智能化的電阻爐溫度控制系統(tǒng)有廣泛的應用前景及實際意義。電阻爐是利用電流流過電阻體，使其產(chǎn)生熱量來加熱或熔化物料的一類電爐。它的特點是：電路簡單；對爐料種類的限制較少；（小型電阻爐可用

15、來加熱食品、干燥木材）；爐溫控制精度高；容易在真空中加熱等特點。它主要作用于：機械零件的淬火、退火、滲碳等熱處理 ；各種材料的干燥、加熱、燒結、熔化等。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(600700以下)、中溫電阻爐(7001200)、高溫電阻爐(1200以上)2。電阻爐的溫度控制主要有：1、傳統(tǒng)PID控制；2、智能控制。PID控制溫度系統(tǒng)的效果，主要取決于P、I、D三個參數(shù)。PID控制對于確定了的溫度系統(tǒng)控制效果較好，但是對控制大慣性、大滯后、時變性溫度系統(tǒng)則難以保證其控制品質。電阻爐大多是經(jīng)電阻絲加熱升溫，自然冷卻降溫的，當電阻爐的

16、溫度超調(diào)時，無法靠控制手段降溫，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。目前國內(nèi)較成熟的電阻爐溫度控制系統(tǒng)中，以PID控制器為主。PID控制器對小型實驗用的電阻爐控制效果良好，但對于大型工業(yè)用電阻爐，就難以保證電阻爐溫度控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性及精度等問題。智能控制是一種不需要人操作就能驅動智能機械來實現(xiàn)其目標的自動控制。隨著科學技術、控制理論的發(fā)展，國外的溫度控制系統(tǒng)發(fā)展很迅速，基本實現(xiàn)對溫度的智能控制。被廣泛應用的溫度智能控制方法有：模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制、專家系統(tǒng)等。具有自適應、自協(xié)調(diào)、自學習等能力，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。本文以電阻爐為控

17、制對象，以單片機STC89C52為硬件核心元件，采用PID控制，該系統(tǒng)硬件電路設計簡單、控制算法成熟穩(wěn)定、系統(tǒng)性能優(yōu)良。1.2 電阻爐的應用與發(fā)展整體上，我國的電阻爐控制系統(tǒng)比國外發(fā)達國家要落后四、五十年，占主導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，需要配置專門的儀表調(diào)試人員，費時、費力且不準確。控制精度依賴于試驗者的調(diào)節(jié)，控制精度不高，一旦生產(chǎn)環(huán)境發(fā)生變化就需要重新設置，操作不方便，控制數(shù)據(jù)無法保存。因而，對生產(chǎn)工藝的研究很困難，造成產(chǎn)品質量低、廢品率高、工作人員的勞動強度大、勞動效率低、這些都縮減了企業(yè)的效益3。目前在控制領域，電阻爐控制系統(tǒng)的水平在很大程度上取決于測控水平的

18、高低。由于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大和生產(chǎn)工藝的日益復雜，對生產(chǎn)過程的自動控制提出了越來越高的要求，不但要求自動控制系統(tǒng)有優(yōu)越的控制性能、良好的性能價格比、良好的可維護性等，還要求高可靠性、靈活的構成方式和簡易的操作方法。這也使得生產(chǎn)過程自動控制技術得到了不斷的發(fā)展。近年來，隨著計算機技術、超大規(guī)模集成電路技術、網(wǎng)絡通信技術的進步，工業(yè)控制已逐步從單機監(jiān)控、直接數(shù)字控制發(fā)展到以新型工業(yè)控制網(wǎng)絡、智能化儀表和控制器為主要支撐技術的過程自動化與信息管理自動化相結合的計算機綜合型控制系統(tǒng)，其本質是利用計算機技術對生產(chǎn)過程進行監(jiān)視、操作和管理。從控制系統(tǒng)的角度講，計算機控制系統(tǒng)經(jīng)歷了直接數(shù)字控制系統(tǒng)(

19、DDC)、分散控制系統(tǒng)(DCS)、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)三個階段。而在過程控制系統(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算機為中心的兩種主要形式，二者的設計思想及方法均有較大差別。國外先進電阻爐的控制系統(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)計過程控制(SPC)，以及基于網(wǎng)絡的遠程監(jiān)控、故障診斷和控制系統(tǒng)。而我國在先進測量系統(tǒng)方面，基本上依賴進口。因此利用現(xiàn)有技術改造原有生產(chǎn)系統(tǒng)勢在必行。而單片機以其功能強、性價比高、小巧靈活、可靠性好、適應溫度范圍寬而成為工業(yè)控制系統(tǒng)的首選。目前國內(nèi)大多數(shù)

20、電阻爐的溫度控制系統(tǒng)正逐步由傳統(tǒng)分離式儀表控制轉變?yōu)镻ID控制和簡單的模糊控制。由生產(chǎn)實踐可知電阻爐溫度控制系統(tǒng)的時間常數(shù)大、純滯后長。溫度控制過程所具有的高度非線性、動態(tài)突變性、多時間尺度性、信息復雜性、傳感元件與執(zhí)行元件的分散性以及決策機構的分層分散性等，決定了其難以用精確的數(shù)學模型(微分方程或差分方程)來表征。PID控制器簡單、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，但對于非線性、時變系統(tǒng)難以取得預期的效果3。目前電阻爐溫度控制主要問題是：由于電阻爐是一個特性參數(shù)隨爐溫變化而變化的被控對象，常規(guī)PID控制方法難以滿足工藝溫度在大范圍變化時的控制要求。另外采用常規(guī)

21、PID控制，使得系統(tǒng)的動態(tài)品質差，超調(diào)量大、調(diào)節(jié)時間長，系統(tǒng)的跟蹤性差。隨著現(xiàn)代工業(yè)技術的發(fā)展，對熱處理溫度控制提出了越來越高的要求。為了適應工業(yè)要求，己有不少公司研究了一些先進控制策略，實現(xiàn)了許多相對復雜的高級控制算法。第2章 系統(tǒng)總體設計方案2.1設計總體思路本設計是對工業(yè)電阻爐溫度進行實時監(jiān)測與控制，主要的溫度控制系統(tǒng)能實現(xiàn)基本的溫度控制功能：當電阻爐爐內(nèi)溫度低于設定的下限溫度時，系統(tǒng)就會對電阻爐發(fā)出加熱信號，使其溫度上升；當電阻爐爐內(nèi)溫度高于設定的上限溫度時，系統(tǒng)將停止加熱電阻爐，使爐內(nèi)溫度下降。通過PID調(diào)節(jié)不斷重復該過程，使溫度值始終保持在上下限溫度之間，并且使LED顯示器即時顯示

22、溫度。2.2 系統(tǒng)技術指標本系統(tǒng)的技術指標要求如下：1.測量溫度和控制溫度均可以數(shù)字顯示；2.被測溫度范圍為01000，精度為±0.5；3.控制溫度可連續(xù)可調(diào)，精度為±1；4.溫度超過限時，產(chǎn)生聲、光報警信號。2.3 設計方案選擇在選擇控制器的時候，有下面幾種方案。方案一：控制核心采用8031。使用最為常用的器件ADC0809作模數(shù)轉換，使用對電阻絲加電使爐升溫。此方案理論上是可行的，所選元件的價格便宜，但8031內(nèi)部沒有設置存儲器,需要內(nèi)存擴展，加大了電路的復雜性，且ADC0809是8位模數(shù)轉換器，轉換的精度較低，所以不能滿足控制的要求。方案二：采用比較流行的STC89C

23、52為電路的控制核心，STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位單片機。數(shù)據(jù)的采集部分使用K型熱電偶傳感器，數(shù)據(jù)轉換部分采用MAX6675，改變了傳統(tǒng)溫度測試方法，在現(xiàn)場采集溫度數(shù)據(jù)，并直接將溫度模擬量變換為數(shù)字信號，送到單片機進行數(shù)據(jù)處理，檢測溫度范圍為- 270 + 1300?？蓱糜诙喾N領域、各種環(huán)境的智能化測試和控制系統(tǒng)，精度高，使用方便靈活，優(yōu)于大多傳統(tǒng)的溫度測控設備。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計。這種方案具有和方案二相同的控制精度，而且整個電路比方案二的穩(wěn)定性更高，但是單片機的價格遠遠低于PLC，考慮到價格因素，并不適合大批量的生

24、產(chǎn)，所以此種方案不選擇。綜上分析，我們采取方案二。系統(tǒng)由單片機STC89C52、鍵盤、溫度檢測電路、顯示電路等部分組成。在選擇顯示器部分的時候，有以下幾種方案。采用四位LED數(shù)碼管顯示。這種方式可以把測量溫度的數(shù)值及小數(shù)點一同顯示。硬件電路的連接也很簡單，只需要有相應的四個74ls164芯片作為驅動器件，就能使檢測溫度值直觀的顯示出來。軟件編程也比較容易，相對來說使用起來方便，而且價格較便宜，性價比也高。采用液晶顯示器LCD（Liquid Crystal Display）。它具有：微功耗，顯示信息量大，長壽命，無輻射等諸多優(yōu)點。液晶顯示器可以顯示不同的圖形與符號，但顯示這些圖形符號使得軟件編程

25、變的復雜，不太容易實現(xiàn)。而且液晶顯示器的價位相對也比較高。比較之后，無論從價格方面，還是方便實用的方面，使用LED顯示器都較使用LCD好一些，所以本設計的溫度顯示部分采用LED顯示器。2.4系統(tǒng)總體設計方案本系統(tǒng)由單片機、溫度信號采集與轉換、鍵盤輸入、PID控制、溫度顯示等五部分組成。 其中，測溫元件用K型熱電偶，用來檢測爐內(nèi)溫度，將爐中溫度的物理量值轉換成毫伏信號輸出，經(jīng)MAX6675進行處理后，爐溫給定值的電壓信號和所檢測到的爐溫電壓信號都轉換為數(shù)字量送入單片機內(nèi)進行比較，得到實際爐溫與給定爐溫的差值。由單片機系統(tǒng)構成的數(shù)字控制器，對偏差按PID調(diào)節(jié)規(guī)律進行運算，并且在LED顯示器上顯示溫

26、度值，將運算結果送至D/A轉換器轉換為模擬電壓，電壓值經(jīng)過功率放大器放大后，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：圖2.1 系統(tǒng)總體設計方案圖單片機：該部分的功能包括向讀取溫度數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理，并且還要對執(zhí)行單元進行控制。單片機是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理核心及控制核心。溫度信號采集與處理：本部分的主要是用傳感器檢測溫度信號，溫度傳感器里的電流會隨環(huán)境溫度值的變化而變化。然后將電流信號轉換成電壓信號，使用MAX6675將模擬電壓信號，轉換成數(shù)字電壓信號能在單片機中進行數(shù)據(jù)處理。人機交互及串口通信：人機交互主要是為了提高系

27、統(tǒng)的友好性和實用性。主要包括輸出顯示、按鍵輸入。輸出顯示進行數(shù)據(jù)的顯示輸出，通過按鍵輸入完成系統(tǒng)參數(shù)設置，而串口通信的主要作用是完成單片機與上位機的通信。電源系統(tǒng)單元：主要功能是為單片機提供合適的工作電源，同時也為其他硬件模塊提供電源，如LED顯示器、按鍵等。在本設計中，電源系統(tǒng)輸出+5 V 的電源。執(zhí)行單元：是本系統(tǒng)的輸出控制執(zhí)行部分，本設計中由于技術原因，無法實現(xiàn)，僅作理論闡述。溫度采集和控制系統(tǒng)已廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)，科研和人民生活的領域。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，為使生產(chǎn)過程能順利進行，充分保證產(chǎn)品的質量，需要對溫度進行嚴格的監(jiān)控。使用自動溫度控制系統(tǒng)，可以對生產(chǎn)環(huán)境的溫度，進行自動控制，保證生

28、產(chǎn)順利、安全的進行，從而提高工廠的生產(chǎn)效率。第3章 系統(tǒng)硬件設計3.1溫度檢測部分3.1.1 溫度傳感器的選擇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，適應于不同的場合；還有現(xiàn)場的環(huán)境因素各有不同，再有就是根據(jù)系統(tǒng)要求的不同，所需實現(xiàn)的精度也不同，所以在不同的場合當中，選擇溫度傳感器的類型也將不同。方案一：熱電偶傳感器熱電偶傳感的原理，是將溫度變化轉化為電勢變化。這種感溫元件具有熱電效應原理，是利用把兩種不同的金屬材料連在一起構成的。其優(yōu)點為構造簡單、精確度高、測量范圍廣、型號種類比較多、使用方便且技術成熟等。目前在工業(yè)與民用產(chǎn)品中應用廣

29、泛。這種傳感器的種類較多，應結合考慮其精確度、靈敏度、穩(wěn)定性、可靠性等條件來選擇4。方案二：熱電阻傳感器熱電阻傳感器把溫度的變化轉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。其主要特點是：精度高，性能穩(wěn)定。其中測量精度最高的為鉑熱電阻，被制作成標準的基準儀，廣泛應用在工業(yè)測溫領域。從熱電阻的測溫原理可知，被測溫度的改變是直接通過熱敏電阻阻值的改變來體現(xiàn)的。因此，熱電阻的引出導線電阻的變化會影響到測溫，所以一般采用三線制或四線制來消除引線電阻的影響。熱電阻測溫系統(tǒng)大多以熱電阻、連接導線以及顯示儀表組成。方案三：半導體集成模擬溫度傳感器半導體集成電路模擬溫度傳感器是一種利用

30、半導體PN結的電壓、電流與其溫度的變換關系來測溫的感溫元件。這種傳感器精度較高，輸出線性化好，可以將信號處理電路及傳感器驅動電路等與溫度傳感器部分集成為同一硅片。其體積小，使用方便，應用較廣泛的有AD590等。半導體集成模擬溫度傳感器通常用于室溫或周圍環(huán)境溫度的檢測，以便單片機系統(tǒng)對溫度測量值進行補償。方案四：半導體集成數(shù)字溫度傳感器隨著社會的不斷進步和科學技術的發(fā)展，許多新的溫度傳感器，應用日益廣泛，并開始從模擬式向數(shù)字式，單總線型，雙總線類型，多總線類型發(fā)展。這種數(shù)字溫度傳感器，能與各種單片機的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接口之時，需要信號轉換電路和A

31、/D變換器的弊端，廣泛應用于工業(yè)控制、醫(yī)療儀器、電子測溫等溫度控制系統(tǒng)中，數(shù)字溫度傳感器中有代表性的有DS18B20等。AD590與PT100都不能直接與單片機的I/O口相連，需要設計信號轉換電路，A/D轉換電路。DS18B20是數(shù)字溫度傳感器，采用單總線技術，可以直接與單片機I/O口相連。使用DS18B20可以節(jié)約單片機I/O口，還能使系統(tǒng)成本降低。但它的測溫范圍僅限-55+125，而電阻爐的溫度在一千度上下，所以結合精度要求、測溫范圍的大小以及價格等各方面因素考慮，選擇K型熱電偶傳感器。K型（鎳鉻鎳硅）熱電偶能測量1300以內(nèi)的溫度，其線性度極好，且價格便宜。但測溫部分用K型熱電偶需經(jīng)過A

32、/D轉換、放大電路等一系列措施，使得硬件電路部分顯得冗余，本設計使用能處理K型熱電偶輸出信號的芯片MAX6675，該芯片可實現(xiàn)A/D轉換、放大電路等功能，且可以和單片機直接通訊，節(jié)約了硬件部分，降低了成本。3.1.2 熱電偶的工作原理兩種由不同材料的導體或半導體組成一個閉和的回路(如圖3.1所示)，當兩接觸點溫度T和T0不同時，就會在該回路中產(chǎn)生電動勢，這種物理現(xiàn)象稱為熱電效應。這兩種不同材料的導體或半導體的組合稱為熱電偶，導體A、B稱為熱電極。熱電效應中的電動勢由溫差電勢和接觸電勢組成，接觸電勢是由于兩種不同導體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動勢。圖 3.1熱電偶原理圖熱電偶的冷端溫度

33、補償熱電偶的分度表是以冷端溫度0為基準進行分度的，而在實際使用過程中，冷端溫度往往不為0，所以需要對熱電偶的冷端溫度進行溫度補償。常用的冷端溫度補償方法有：冷端溫度修正法、冷端0恒溫法、冷端溫度自動補償法等。3.1.3溫度信號處理芯片MAX6675該器件采用8位引腳的SO封裝，引腳圖如圖3.2所示。圖3.2 MAX6675引腳圖引腳功能如表3.1所示。表3.1 MAX6675引腳功能表引腳名稱功能1GND接地端2T-K型熱電偶負極3T+K型熱電偶正極4VCC正電源端5SCK串行時鐘輸入6CS片選信號端7SO串行數(shù)據(jù)輸出8NC懸空 不用MAX6675的內(nèi)部由精密運算放大器A1、A2、基準電壓源、

34、冷端補償二極管、模擬開關、數(shù)字控制器及ADC等組成，完成了熱電偶微弱信號的放大、冷端補償及模/數(shù)轉換功能12。將K型熱電偶的熱電勢輸出端與MAX6675的引腳T+、T-相連，熱電偶輸出的熱電勢經(jīng)放大器A1、A2進行放大和濾波處理后送至ADC的輸入端，在轉換之前，先需要對熱電偶的冷端溫度進行補償，MAX6675通過內(nèi)置的冷端補償?shù)碾娐穪韺崿F(xiàn)冷端補償。它將冷端溫度通過冷端補償二極管轉換為相應的電壓信號，MAX6675內(nèi)部電路將二極管電壓和放大后的熱電偶電勢同時送到ADC中進行轉換，即能得到測量端的絕對溫度值。MAX6675采用標準的SPI串行外設總線與單片機接口，其與單片機通信時工作過程如下：當單

35、片機使MAX6675的CS 引腳從低電平變?yōu)楦唠娖綍r，MAX6675將進行新的轉換；當單片機使MAX6675的CS 引腳從高電平變?yōu)榈碗娖讲⒔oSCK時鐘信號時，MAX6675停止信號轉換并從SO端輸出串行轉換數(shù)據(jù)。當從SO端輸出串行轉換數(shù)據(jù)時，一個完整的數(shù)據(jù)輸出過程需要16個時鐘周期，數(shù)據(jù)的輸出通常在SCK的下降沿完成，其中D15位是偽標志位，始終為0；D14D3是由高位到低位順序排列的溫度轉換值；D2用于檢測熱電偶是否斷線，當D2為1時表明熱電偶斷開；D1為MAX6675的標識符，始終為0；D0位為三態(tài)。MAX6675的串行接口時序圖如圖3.2所示。圖3.2 MAX6675的時序圖圖3.3為

36、本系統(tǒng)中溫度檢測電路，當STC89C52的P3.3為低電平且P3.1口產(chǎn)生時鐘脈沖時，MAX6675的SO腳輸出轉換數(shù)據(jù)。在每一個脈沖信號的下降沿SO輸出一個數(shù)據(jù)，16個脈沖信號完成一串完整的數(shù)據(jù)輸出，先輸出高電位D15，最后輸出的是低電位D0，D14-D3為相應的溫度轉換數(shù)據(jù)，共12位，其最小值為0，對應的溫度值為0；最大值為4095，對應的溫度值為1023.75，分辨率為0.25。由于MAX6675內(nèi)部經(jīng)過了激光修正，因此，其轉換結果與對應溫度值具有較好的線性關系。溫度值與數(shù)字量的對應關系為：溫度值=1023.75×轉換后的數(shù)字量/4095。當P3.3為高電平時，MAX6675開

37、始進行新的溫度轉換。圖3.3 溫度檢測電路3.2 單片機在多數(shù)電子設計當中，基于性價比的考慮，8位單片機仍是首選。STC89C52是一種低功耗/低電壓、高性能的8位單片機。片內(nèi)帶有一個8KB的Flash可編程、可擦除只讀存儲器（EPROM）。它采用了CMOS工藝和ATMEL公司的高密度非易失性存儲器（NURAM）技術，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)的非易失性存儲器編程器來編程。因此，STC89C52是一種功能強、靈活性高，且價格合理的單片機，可方便地應用在各種控制領域12?；谏鲜鲞@些特點，這里選擇STC89C52單片機作為控制

38、核心。因為單片機的工作電源為+5V，STC89C52電源輸入支持的電壓范圍為5v3.4v，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：圖3.4供電電路本部分主要介紹單片機最小系統(tǒng)的設計。單片機系統(tǒng)的擴展，一般是以基本最小系統(tǒng)為基礎的。所謂最小系統(tǒng)，是指一個真正可用的單片機最小配置系統(tǒng)，對于片內(nèi)帶有程序存儲器的單片機，只要在芯片外接時鐘電路和復位電路就是一個小系統(tǒng)了。小系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)開發(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、復位電路及時鐘電路16。STC89C52 單片機的引腳說明13VCC：供電電壓； GND：接地。RST：

39、復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。振蕩器特性：XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。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。如采用外部時鐘源驅動器件，XTAL2應不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，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，ALE端以不

40、變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時，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，置位無效。PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取值期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器，不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密

41、方式1時EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。 P0是一個8位雙向I/O端口，端口置1時作高阻抗輸入端，作為輸出口時能驅動8個TTL電平。對內(nèi)部Flash程序存儲器編程時，接收指令字節(jié)；校驗程序時輸出指令字節(jié)，需要接上拉電阻。在訪問外部程序和外部數(shù)據(jù)存儲器時，P0口是分時轉換的地址(低8位)/數(shù)據(jù)總線，訪問期間內(nèi)部的上拉電阻起作用。P1是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8 位準雙向I/0端口。輸出時可驅動4個TTL電平。端口置1時，內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平作輸入用。對內(nèi)部Flash程序存儲器編程時，接收

42、低8位地址信息。P2是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位準雙向I/0端口。輸出時可驅動4個TTL電平。端口置1 時，內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平作輸入用。對內(nèi)部Flash程序存儲器編程時，接收高8位地址和控制信息。在訪問外部程序和16位外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口送出高8位地址。而在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時其引腳上的內(nèi)容在此期間不會改變。P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“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。 P3口也可作為STC89C52的一些特殊功能口

43、，如下所示： P3.0 /RXD（串行輸入口）；P3.1 /TXD（串行輸出口）；P3.2 /INT0（外部中斷0）； P3.3 /INT1（外部中斷1）；P3.4 T0（記時器0外部輸入）； P3.5 T1（記時器1外部輸入）； P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）； P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）； P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。 本設計STC89C52單片機的P1.0口和P1.1口接LED顯示，X1和X2接的是晶振電路，RESET接復位電路。3.3 時鐘電路時鐘電路提供單片機的時鐘控制信號，單片機時鐘產(chǎn)生方式有內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。最常用的是內(nèi)部時鐘

44、方式，是采用外接晶振和電容組成的。時鐘振蕩電路如圖3.5所示：圖3.5時鐘振蕩電路 單片機內(nèi)部有一個用于構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，由這個放大器與作為反饋元件的片外晶體或陶瓷諧振器一起構成一個自己振蕩器，這種方式形成的時鐘信號稱為內(nèi)部時鐘方式。系統(tǒng)的時鐘電路設計是采用的內(nèi)部方式，即利用芯片內(nèi)部的振蕩電路。內(nèi)部方式時，時鐘發(fā)生器對振蕩脈沖二分頻，如晶振為12MHz，時鐘頻率就為6MHz。晶振的頻率可以在1MHz-24MHz內(nèi)選擇。電容取30PF左右。因此，此系統(tǒng)電路的晶體振蕩器的值為12MHz，電容應盡可能的選擇陶瓷電容，電容值為

45、30F。在焊接刷電路板時，晶體振蕩器和電容應盡可能安裝得與單片機芯片靠近，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，外部振蕩信號應直接加到XTAL1，而XTAL2懸空。3.4 復位電路計算機在啟動運行的時候都需要復位，使中央處理器CPU和系統(tǒng)中的其他部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，并且從這個初始狀態(tài)開始工作。單片機的復位是靠外部電路實現(xiàn)的，MCS-51單片機有一個復位引腳RST，高電平有效。MCS-51單片機通常采用上電自動復位和按鈕復位兩種。復位電路的基本功能是系統(tǒng)上電時，RC電路充電，RST引腳出現(xiàn)正脈

46、沖，提供復位信號直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復位信號，為可靠起見，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時，才撤銷復位信號，以防電源開關或電源插頭分合過程中引起的抖動而影響復位。RC復位電路可以實現(xiàn)上述基本功能4。調(diào)整RC常數(shù)會令對驅動能力產(chǎn)生影響。復位電路如下圖3.6所示：圖3.6 復位電路圖3.5 串口通信電路串口通信的主要功能是完成單片機與上位機的通信，便于進行溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計，為將來系統(tǒng)功能的擴展做好基礎工作。串行通信的主要功能是實現(xiàn)單片機與PC機的數(shù)據(jù)交換，當需要進行數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、數(shù)據(jù)分析的時候，可以把數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機，使用上位機進行數(shù)據(jù)處理，并且將數(shù)據(jù)處理的結果又發(fā)送給單片機11。這樣可以大大提高

47、系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理速度，還可以方便的對單片機進行控制。計算機與外界的數(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：圖3.7串行口通信電路圖3.6 報警電路報警電路實現(xiàn)的是當環(huán)境溫度值超過系統(tǒng)設置的上限值或者小于系統(tǒng)設置的下限值時，都將通過I/O 口驅動蜂鳴器，進行蜂鳴器報警。而單片機I/O 口輸出的電流無法直接驅動蜂鳴器，所以設計了蜂鳴器驅動電路，具體電路連接如圖3.8所示： 圖3.8報警電路圖3.7 顯示電路電子設計中常用的輸出顯示設備有兩種：數(shù)碼管和LCD。數(shù)碼管是現(xiàn)在電子設計中普遍使用的一種顯示設備，每個數(shù)碼管由七個發(fā)光二極管按照一定的排列結構組成，根

48、據(jù)七個發(fā)光二極管的正負極連接不同，又分為共陰極數(shù)碼管和共陽極數(shù)碼管兩種，選擇的數(shù)碼管不同，程序設計上也有一定的差別。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中的任意一個數(shù)字，一個數(shù)碼管可以顯示一位，多個數(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，外圍電路設計都十分簡單，但是當要顯示的位數(shù)相對多的時候，數(shù)碼管操作起來十分煩瑣，顯示的速度受到限制。液晶顯示屏具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富等特點，用戶可以根據(jù)自己的需求，顯示自己所需要的、甚至是自己動手設計的圖案。當需要顯示的數(shù)據(jù)比較復雜的時候，它的優(yōu)點就突現(xiàn)出來了，并且當硬件設計完成時，可以通過軟件的修改來不斷擴展系統(tǒng)顯示能力

49、。外圍驅動電路設計比較簡單，顯示能力的擴展將不會涉及到硬件電路的修改，可擴展性很強。不足之處在于其價格比較昂貴，驅動程序編寫比較復雜。由于本設計所需要顯示的內(nèi)容比較簡單，只包括現(xiàn)場溫度值、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)顯示設備采用LED數(shù)碼管。設計中采用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、個位。由于單片機不能直接驅動數(shù)碼管顯示，所以必須在單片機與LED164之間加上74LS164，它的管腳圖如圖3.9所示。圖3.9 74LS164管腳圖A和B為74LS64的串行輸入端；QA-QH為74LS64的并行輸出端；CLK是串行時鐘輸入

50、端；CLR是串行輸出清零端；VCC：+5V；GND：接地端。74LS164功能如表3.2所示。表3.2 74LS164功能表輸 入輸 出清除時鐘ABQAQBQHLLLLHLQA0QB0QH0HHHHQAnQGnHLLQAnQGnHLLQAnQGnLED顯示器的管腳如圖3.10所示，其中a-g段用來顯示數(shù)字或字符的筆畫，dp顯示小數(shù)點，9引腳作為公共地。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。在串聯(lián)方

51、式中，確定電源電壓VCC時，每只LED工作電壓通常以2.0V計算，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，因此導通電壓應在7-8V之間，電源電壓VCC必須取9V以上。圖3.10 LED數(shù)碼管顯示器數(shù)碼管結構有共陰極和共陽極之分。本設計采用的是共陰極數(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(負極)都聯(lián)在一起，此數(shù)碼管陰極(負極)在外部只有一個引腳。LED顯示電路如下圖3.11所示。圖中的P11和P10分別連接到單片機的P1.1和P1.0引腳，作為時鐘輸入端和數(shù)據(jù)端口。圖3.11LED顯示電路3.8 按鍵電

52、路按鍵是現(xiàn)階段電子設計中最常用、最實用的輸入設備。按鍵能夠成為最普遍的輸入設備，主要是其具備了以下幾個優(yōu)點：工作原理、硬件電路連接簡單、操作實用性強、價格便宜，程序編寫簡單。缺點：機械抖動比較嚴重、外型不夠美觀。按鍵部分實現(xiàn)的主要原理是單片機讀取與按鍵相連接的I/O口狀態(tài)，來判定按鍵是否按下，達到系統(tǒng)參數(shù)設置的目的。鍵盤在單片機應用系統(tǒng)中的作用是實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入、命令輸入，是人工干預的主要手段。獨立式按鍵就是按鍵相互獨立，每個按鍵單獨占用一根I/O口線，每根I/O口線的按鍵的工作狀態(tài)，不會影響其他I/O口線上的工作狀態(tài)。各按鍵開關均需要采用了上拉電阻，是為了保證在按鍵斷開時，各I/O有確定的高電平

53、。當輸入口線內(nèi)部已有上拉電阻，外電路的上拉電阻可省去。因此，通過檢測輸入線的電平狀態(tài)就可以很容易判斷是哪個按鍵被按下了。優(yōu)點：電路配置靈活，軟件結構簡單。缺點：每個按鍵需占用一根I/O口線，在按鍵數(shù)量較多時，I/O口浪費大，電路結構顯得復雜。因此，此鍵盤適用于按鍵較少或操作速度較高的場合。矩陣式鍵盤適用于按鍵數(shù)量多的場合，它通常由行線和列線組成，按鍵位于行、列的交叉點上。單片機的鍵盤檢測通常有三種方式：查詢、中斷、定時掃描。查詢和中斷方式同普通的 I/O 傳送是一致的，定時掃描方式是利用單片機內(nèi)部定時器產(chǎn)生定時中斷，在中斷服務程序中對鍵盤進行掃描獲得鍵值。在本設計中采用的是 4 行*4 列鍵盤

54、，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口控制。電路中共 16個按鍵，包括設置鍵、3 個溫度參數(shù)和時間設置鍵、1個增加鍵、1個減小鍵。系統(tǒng)在程序初始化時控制鍵盤行線的 P2.0-P2.3口輸出高電位，控制鍵盤列線的P2.4-P2.7口輸出低電位，在判斷電路是否有按鍵按下時，讀 P2.0-P2.7端口值，若端口值不是11110000，則說明電路中有按鍵按下。然后根據(jù)程序進行去抖動處理和計算鍵值。 圖3.12 矩陣式鍵盤電路圖3.9 D/A轉換電路DAC0832的基本原理是把數(shù)字量的每一位按照權重轉換成相應的模擬分量，然后根據(jù)疊加定理將每一位對應的模

55、擬分量相加，輸出相應的電流或電壓。DAC0832是一個8位D/A轉換器。單電源供電，從+5V+15V均可正常工作?；鶞孰妷旱姆秶鸀?#177;10V；電流建立時間為1S；CMOS工藝，低功耗20mW。DAC0832轉換器芯片為20引腳，雙列直插式封裝，其引腳排列如圖3.13所示。 圖3.13 DAC0832引腳圖D/A轉換電路是一個R-2R T型電阻網(wǎng)絡，實現(xiàn)8位數(shù)據(jù)的轉換。對各引腳信號說明如下：(1) DI7DI0：轉換數(shù)據(jù)輸入(2) CS：片選信號（輸入），低電平有效(3) ILE：數(shù)據(jù)鎖存允許信號（輸入），高電平有效(4) WR1：寫信號1（輸入），低電平有效上述兩個信號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ILE=1和WR1=0時，為輸入寄存器直通方式；當ILE=1和WR1=1時，為輸入寄存器鎖存方式。(5) WR2：寫信號2（輸入），低電平有效(6) XFER：數(shù)據(jù)傳送控制信號（輸入），低電平有效上述兩個信號控制DAC寄存器是數(shù)據(jù)直通方式還是數(shù)據(jù)鎖存方式；當WR2=0和XFER=0時，為DAC寄存器直通方式；當WR1=1和XFER=0時，為D