張鐵剛--1209624009--自動化--反應釜溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

1、南 陽 理 工 學 院 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）學院（系）： 電子與電氣工程學院專 業(yè)： 自動化 學 生： 張鐵剛 指導教師： 尹應鵬 完成日期 2014年 5 月南陽理工學院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）反應釜溫度控制系統(tǒng)設(shè)計Design of Reactor Temperature Controlling System 總計：畢業(yè)設(shè)計（論文）25頁表格：6個公式：3個 插圖：24幅南 陽 理 工 學 院 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計（論文）反應釜溫度控制系統(tǒng)設(shè)計 Design of Reactor Temperature Controlling System 學 院： 電子與電氣工程學院 專 業(yè)： 自動化

2、 學 生 姓 名： 張鐵剛 學 號： 1209624009 指 導 教 師： 尹應鵬 （導師） 評 閱 教 師： 完 成 日 期： 南陽理工學院 Nanyang Institute of Technology 反應釜溫度控制系統(tǒng)設(shè)計反應釜溫度控制系統(tǒng)設(shè)計 自動化 張鐵剛摘 要 本設(shè)計以STC公司生產(chǎn)的8位STC89C52單片機為硬件核心處理器,首先，通過PT100熱電阻型傳感器采集反應釜內(nèi)溫度值,然后再通過使用雙向積分型A/D模數(shù)轉(zhuǎn)化器TLC7135將脈沖信號經(jīng)過標度轉(zhuǎn)化為單片機可處理的脈沖頻率信號送給STC單片機處理，并通過液晶顯示模塊LCD1602顯示電壓值、脈沖值及溫度參數(shù)值等信息。設(shè)計

3、流程結(jié)構(gòu)上采用模塊化分割設(shè)計，先將各個模塊設(shè)計出來再通過主程序調(diào)用各個模塊，具有可讀性好，移植性強，便于發(fā)現(xiàn)解決問題。關(guān)鍵詞 單片機；PT100；LCD1602Design of Reactor Temperature Controlling System Automation Specialty Zhang Tie-gangAbstract:Hold this design by famous STC companys eight STC89C52 single-chip microcomputer as the hardware core processor,first of all, t

4、hrough the thermal resistance PT100 temperature sensor acquisition in the reaction kettle,and then through the use of double integral type A/D module converter TLC7135 pulse signal through scale into pulse frequency signal to microcontroller can pick up on STC microcontroller processing,and through

5、LCD1602 LCD module display the voltage value,pulse and temperature parameter values and other information.Modular division is used to design structure of design process, first the various modules designed by the main program calls each module, has a good readability, portability, easy to find and so

6、lve the problem.Key words：STC89C52; PT100; LCD1602目 錄1 引言12 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計22.1 方案比較22.2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計32.3 溫度控制系統(tǒng)總體方框流程42.4反應釜控制總體流程設(shè)計42.5 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計53 溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計53.1 溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計原則53.2 微處理器應用63.3 A/D模數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換設(shè)計73.3 溫度檢測模塊設(shè)計83.5 操作界面93.6 液晶顯示單元設(shè)計103.7 按鍵電路設(shè)計113.8 數(shù)據(jù)保護電路設(shè)計123.9 驅(qū)動控制部分133.10 電加熱型反應釜134 溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計144.1軟件

7、設(shè)計概述144.2 按鍵模塊設(shè)計144.3 液晶顯示模塊設(shè)計154.4 主控制器模塊軟件設(shè)計165 系統(tǒng)的調(diào)試運行結(jié)果及分析195.1系統(tǒng)調(diào)試195.2系統(tǒng)運行結(jié)果19結(jié)束語22參考文獻23附錄24致謝25 II1 引言反應釜廣泛應用于染料、醫(yī)藥、石油化工及大專院校隸屬的科研單位，憑借它優(yōu)良的密封性克服了機械密封和填料密封無法解決的泄漏問題，是易燃、易爆、劇毒、貴重等物質(zhì)加溫、加壓攪拌反應的理想設(shè)備容器，也是目前市場上最理想最流行的無泄漏反應裝置2。上世紀四十年代以前,反應釜的生產(chǎn)絕大多數(shù)處于剛剛起步階段,更多的還是沿用傳統(tǒng)的壓力表、溫度計等儀器儀表類設(shè)備，操作工人主要是根據(jù)反映物質(zhì)主要工藝參

8、數(shù)的儀表指示情況,用來改變化學反應條件,生產(chǎn)過程完全依賴于經(jīng)驗和手工操作進行,不僅操作的勞動強度大,控制精度不高,而且一旦發(fā)生操作失誤，極容易引發(fā)安全事故的發(fā)生2。隨著計算機和電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)的化工過程監(jiān)控方法也面臨了前所未有的沖擊,許多的人開始把目光轉(zhuǎn)向研究各種反應釜的自動控制裝置。從七十年代以來,國外溫度控制系統(tǒng)發(fā)展迅速并在智能化自適應參數(shù)自整定領(lǐng)域取得顯著突破性成果,并且制造出了一大批適合市場要求的商品化性能優(yōu)異的溫度控制器設(shè)施及儀器儀表,溫度控制系統(tǒng)及儀器儀表正以高精度智能化、小型化等方向快速發(fā)展3。溫度控制系統(tǒng)在國內(nèi)的各行各業(yè)的應用雖已十分廣泛，但從國內(nèi)生產(chǎn)的溫度控制器來看總

9、體發(fā)展狀態(tài)來看仍然處于初級階段，與同時期國外先進國家相比仍然有著較大差距。我國在這方面總體技術(shù)水平處于二十世紀八十年代中后期水準狀況，成果產(chǎn)品主要以點位控制及常規(guī)的PID控制器為主打，僅僅只能適用于常規(guī)系統(tǒng)控制難于控制滯后復雜時變的溫度系統(tǒng)控制為主2。踏入21世紀以后智能溫度控制器正以多功能、高精度、高可靠性、總線標準化及安全性等方向快速發(fā)展。 近年來，多種控制方式如雨后春筍應運而生，如：PID控制、神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊控制及遺傳算法控制等各種先進控制理論3。這些技術(shù)提升了控制控制系統(tǒng)的精度，不僅使控制變得越來越簡便，而且使產(chǎn)品的質(zhì)量更好，同時也大大的降低成本，提高生產(chǎn)效率，但是，高昂的設(shè)備投資成本

10、費用，仍然讓許多中小企業(yè)望而卻步3。單片微型計算機的功能不斷增強，提供了許多行之有效的先進的控制算法，許多高性能的新型機種得到應用，尤其是單片機，依據(jù)其特性優(yōu)點成為自動化控制領(lǐng)域中的重要器件。在自能控制系統(tǒng)領(lǐng)域中，單片機占據(jù)著不可或缺的地位，比如：用于自能玩具的生產(chǎn)開發(fā)，家用電器的智能化以及商務應用，甚至部分軍事應用。在我們的生活中無處不在的使用單片機及以此為基礎(chǔ)的延生的各種控制芯片。伴隨著社會的進步，人類生活的智能化及生活觀念的進步提高，人們對工業(yè)智能化的需求也越來大，迫切需要不斷進步提升，而單片機恰恰能夠滿足人們這一愿望，尤其是對于要求精度不是太高且成本較低的情況。自能控制領(lǐng)域低成本、多功

11、能、智能化將是未來其發(fā)展的重要方向。同樣，反應釜的智能控制也將是其未來發(fā)展的重要方向。2 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計2.1 方案比較從目前流行的控制方法而言，重要的控制理論有以下幾類：（1）比較控制法：其定義就是通過比較當前參數(shù)與設(shè)定參數(shù)值之間的關(guān)系，進行指令輸出控制，如果當前參數(shù)值比設(shè)定參數(shù)值高，則相應操作；同理，如當前參數(shù)值比設(shè)定參數(shù)值低，則同樣做出設(shè)定操作控制1。這種比較溫度控制方法比較容易理解，也很容易能夠?qū)?。國?nèi)許多企業(yè)就是使用的這種簡單易懂的傳統(tǒng)方式。同樣，這種控制方式也有其天生的弊端，例如：控制精度低、無法解決滯后和延問題，無法勝任高精度要求，只適用于低精度要求的生產(chǎn)。 （2）PID控制

12、法：1922年Minorsky發(fā)表了關(guān)于比例積分微分（PID，Proportional Integral Differential）控制器的設(shè)計方法文章，標志著PID控制方法的產(chǎn)生1。此后，PID控制方法依其優(yōu)異的特性很快被運用到各行各業(yè)中。PID理論進入了黃金時期。在解決人們需要問題的同時，自身也得到了迅速發(fā)展?，F(xiàn)在PID更加完善、更加可靠穩(wěn)定、使用也更加簡單普及、更加適合帶有滯后的延時等特點的控制系統(tǒng)中去。然而，同比較控制方法一樣也有天生的缺陷不足，例如：在面度滯后溫度問題時候能過很好的解決它，但是在面度非線性問題時候，卻無能為力，對于時變問題也是力不從心，甚至，對大滯后問題也是愛莫能助，

13、因此就需要一種更加完美的控制方法，既要解決提高精度要求，同時也要解決滯后性和非線性及延時問題1。 （3）智能溫控方法：1971年傅京孫教授提出并發(fā)表了智能控制系統(tǒng)（Intelligent Control Systems）。在IEEE控制學術(shù)討論會上智能控制原理及以智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為主題的會議標志著智能控制方法的誕生1。在隨后的幾十年里，大量科學巨人把目光投向了這個剛出生的太陽，還有政府巨額資金的支持及社會企業(yè)的擁戴，智能控制理論得到迅猛發(fā)展，產(chǎn)生了一大批控制理論1。例如：模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制、自適應控制等等。已經(jīng)成為控制領(lǐng)域的前沿學科，被廣泛的應用到各個方面。雖然智能控制有很多特點是現(xiàn)行最理

14、想的控制方案，然而，其價格卻是很昂貴理論要求高、技術(shù)尖端、對工作人員的素也要求也很高且投資成本過高等原因，使很多中小型企業(yè)望洋興嘆。該設(shè)計是以單片機作為核心處理器的溫度控制系，同時，其控制原理也同樣適用于其他類型的反應釜系統(tǒng)的控制系統(tǒng)。選用STC公司的單片機為控制核心處理器芯片，使用繼電器作為執(zhí)行元件。工作人員可以從鍵盤設(shè)定被控溫度上限及溫度下限等參數(shù)，按下運行鍵后，系統(tǒng)將進入自動工作狀態(tài)，當超出設(shè)定狀態(tài)時，有報警器提醒工作人員并自動停止加熱等智能處理，具有投資成本小、改裝方便、易于操作與維護、對技術(shù)人員要求低、工作穩(wěn)定等優(yōu)點，特別適合中小型企業(yè)。究的反應釜溫度控制設(shè)計：（l）在參數(shù)顯示方面，

15、采用長沙太陽人生產(chǎn)的顯示器LCD1602對系統(tǒng)參數(shù)進行顯示，界面美觀、操作方便。（2）在反應釜選擇上，采用太康一諾醫(yī)藥化工容器有限公司生產(chǎn)的新一代電加熱反應釜。（3）在功能上，具有手動設(shè)置溫度上/下限值，通過手動按鍵設(shè)置溫度上/下限值，如果被測釜內(nèi)溫度小于設(shè)定值時，則立即對反應釜加熱，如果被測反應釜內(nèi)溫度大于設(shè)定值相則立即停止加熱對反應釜加熱。2.2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計反應釜溫度控制系統(tǒng)主要由主控制器電路模塊和反應釜狀態(tài)控制電路模塊倆個部分組成體。 （l）主控制器模塊主要由中央處理器STC89C52、矩陣按鍵、液晶顯示LCD1602、數(shù)據(jù)保護等電路組成，如圖1所示。 圖1 主控制器總體電路圖 （

16、2）反應釜狀態(tài)控制電路模塊 過使用中間繼電器與控制單片機相連接，已達到控制繼電器進而實現(xiàn)對控制對電源模塊的有效控制，從而，控制反應釜的工作狀態(tài)等，其電路圖如圖2所示。圖2 反應釜狀態(tài)控制電路2.3 溫度控制系統(tǒng)總體方框流程主控制器模塊主要由信息采集、信息處理和輸出控制三部分構(gòu)成。信號采集包括對反應釜的溫度信號的采集和操作人員的按鍵信號的采集，信號處理是包括對采集系統(tǒng)信息參數(shù)的轉(zhuǎn)化及其相應合理的處理，輸出部分包括輸出經(jīng)過信息轉(zhuǎn)化和變成處理后的結(jié)果及通過液晶顯示出來的狀態(tài)結(jié)果。主控制器在溫度控制系統(tǒng)中起至關(guān)重要的作用是該溫度控制系的核心。主控制器總體框圖如圖3所示。圖3 主控制器總體框圖2.4反應

17、釜控制總體流程設(shè)計加熱輸出控制電路的硬件總體框圖如圖4所示。 圖4 反應釜加熱控制電路的硬件總體框圖2.5 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計軟件方面設(shè)計中使用比較先進的模塊化設(shè)計，模塊化設(shè)計方法是指將系統(tǒng)總統(tǒng)的程序人為得分割為幾個部分模塊而不是一氣呵成的完整體，使用一個主程序和若干個子程組成，通過主程序調(diào)用各個子程序1。這樣既能保持思路的清晰性，也可以增加程序的可移植性，于快速查找錯誤漏洞。溫度控制主控制器模塊可以劃分為以下幾部分：（l）數(shù)據(jù)采集模塊通過PT100熱電阻性測溫器件反應釜內(nèi)溫度信號測得并經(jīng)過模擬量前向通道模塊將溫度信號轉(zhuǎn)化為單片機可識別的數(shù)字信號。（2）數(shù)據(jù)處理模塊當各個部分將其所需的溫度信號采

18、集過后都送給單片機進行目的性處理，并輸出相應的控制命令給各個執(zhí)行部分，如繼電器部分、液晶顯示部分。（3）數(shù)據(jù)輸出模塊接收單片機處理過后的指令，輸出給繼電器模塊控制反應釜工作狀態(tài)和相應的顯示模塊，供操作者實時了解反應釜內(nèi)狀況和修改數(shù)據(jù)信息以便達到工作要求。（4）參數(shù)顯示模塊采用長沙太陽人生產(chǎn)的顯示器LCD1602顯示反應釜溫度設(shè)定值和當前值參數(shù)。3 溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1 溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計原則硬件電路的設(shè)計主要由中央處理器STC89C52、矩陣按鍵、液晶顯示LCD1602、數(shù)據(jù)保護等電路組成。硬件是系統(tǒng)設(shè)計的基石，合理的硬件設(shè)計不但能夠有效降低設(shè)計成本，而且，還能減少軟件編程的難度1。本

19、溫度控制系統(tǒng)在硬件設(shè)計上主要考慮以下幾點： （1）硬件設(shè)計，首要的工作就是對微處理器的選擇，既要滿足溫度控制任務的要求，又要不要增加設(shè)計成本。 （2）在電路設(shè)計方面，優(yōu)先使用典型的電路，這樣不但可以節(jié)約時間，降低設(shè)計難度，而且典型電路已經(jīng)過大量檢測，安全性、穩(wěn)定性、可靠性更高不易出現(xiàn)事故。 （3）在外接驅(qū)動模塊設(shè)計上，因為微處理器的驅(qū)動能力有限，所以，為其添加了一些必要的驅(qū)動電路模塊幫助其能夠正常工作。 （4）在處理硬件和軟件方面的問題時，一些功能作用既可以使用硬件完成，又可以使用軟件解決時，我們要需要綜合考慮。例如：當采用硬件方法則會大大增加了硬件設(shè)施，增加了系統(tǒng)成本；如換用軟件方法來解決，

20、將要導致CPU處理時間被大量占用，影響使用效率，因此，本控制系統(tǒng)在遇到此種情況時候，選擇了即可以節(jié)省CPU占用率，又可以不過量增加系統(tǒng)設(shè)計成本的措施，即軟件和硬件根據(jù)實際情況配合使用1。 3.2 微處理器應用微處理器是一個主控制器的最重要的核心數(shù)據(jù)處理器件，也是最重要的控制部分。在設(shè)計系統(tǒng)時，首當其沖是考慮選擇何種數(shù)據(jù)處理器。市場上流行的微處理器品牌眾多，然而在系統(tǒng)開發(fā)時應選擇既能滿足系統(tǒng)開發(fā)任務，又能把系統(tǒng)設(shè)計的成本及復雜度降到最低1。STC89C52單片機是宏晶科技公司推出的一代和傳統(tǒng)8051單片機指令代碼完全兼容，擁有靈巧的8位CPU和在線系統(tǒng)可編程Flash及6時鐘/機器周期和12個時

21、鐘/機器周期供用戶選擇等優(yōu)點，使STC89C52甚受用戶們的青睞，也是初學者常常首先學習接觸和應用的芯片，所以，成為自動化控制應用系統(tǒng)領(lǐng)域中寵物。其實物圖如圖5和引腳圖如圖6所示1。 圖5 STC實物圖圖6 STC89C522芯片引腳STC89C52單片機的主要功能有以下幾方面。表1 STC89C52主要功能特性表兼容MCS51指令系統(tǒng)8K可反復擦寫Flash Rom32個雙向I/O口2568bit內(nèi)部RAM3個16位定時/計數(shù)器中斷時鐘頻率0-24MHZ2個串行中斷可編程UART串行通道2個外部中斷源共6個中斷源2個讀寫中斷口線3級加密位低功耗空閑掉電模式軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能3.3 A/D

22、模數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換設(shè)計7135是采用CMOS制作工藝的單片4 1/2位A/D轉(zhuǎn)換器，只要附加譯碼器，數(shù)碼示器，驅(qū)動器及電阻電容等元件，就可組成一個滿量程為2 V的數(shù)字電壓表。7135主要特點如表2及其工作時序圖如圖6。表2 7135特性功能表主要特性功能7135實物圖在每次A/D轉(zhuǎn)換前，內(nèi)部電路都自動進行調(diào)零操作在每次A/D轉(zhuǎn)換前，內(nèi)部電路都自動進行調(diào)零操作在2000字范圍內(nèi)，保證轉(zhuǎn)換精度1字采用28外引線雙列直插式封裝輸出電流典型值1 PA具有自動極性轉(zhuǎn)換功能輸出端和TTL電路相容輸出為動態(tài)掃描BCD碼提供六個輸入,輸出控制信號,因此除用于數(shù)字電壓表外,還能與微處理器或其它控制電路連接使用有過量程和

23、欠量程標志信號輸出，可用作自動量程轉(zhuǎn)換的控制信號 圖6 7135工作時序圖3.3 溫度檢測模塊設(shè)計PT100電阻式溫度傳感器是一種特殊物質(zhì)材料做成的電阻器件,隨溫度的變化而發(fā)生阻值改變,它具有耐酸堿、不易變質(zhì)，線性性能好的特點，在工農(nóng)業(yè)中被廣泛使用。PT100溫度傳感器就以鉑(PT)為原料做成的電阻式溫度傳感器，其電阻和溫度變化的關(guān)系式如公式（1）所示。 R=R0(1+T) （1）其中=0.00392,R0為100 (在0 的電阻值),T為攝氏溫度，因此鉑作成的電阻式溫度傳感器，又稱為PT1001。其原理圖及實物圖8如下： 圖8 PT100原理圖及其實物圖溫度傳感器PT100的技術(shù)指標及使用，

24、如表3。 表3 PT100的技術(shù)指標及使用測量范圍：-200 +850 允通電流5 mA允許偏差值 ：A級（0.150.002 t）， B級（0.300.005 t）最小置入深度：熱電阻的最小置入深度200 mm熱響應時間30 sPT100溫度傳感器還具有抗振動、穩(wěn)定性好、準確度高、耐高壓等優(yōu)點PT100溫度傳感器三根芯線的接法：PT100電阻傳感器有三條引線,分別用黑、紅、黃表示,他們的接線方法，三根線間兩兩之間的常溫阻值為110 ，其中，有兩根接線在內(nèi)部是連接的。一根和其他不同的導線接一個固定的端子，另外兩個導線可任意接在兩個固定端子上8。這里我們選擇使用三線制接法，他比二線制精度要高，又

25、比四線制設(shè)計難度及其制造成本要低。PT100的基本尺寸和接法及測溫電路如9、10所示。 圖9 基本尺寸及接法 圖10 PT100熱電阻測溫電路圖3.5 操作界面人機操作界面通常由人對控制系統(tǒng)的設(shè)定和控制系統(tǒng)向人提供必要信息組成。合理的操作界面設(shè)計可以讓操作工程變得簡單易學、高效、安全等。鍵盤常用于作為人交互的輸入設(shè)備，LCD也是被常用作人機交互用的顯示設(shè)備。這些模塊設(shè)計成本較低、易于操作、穩(wěn)定性要高，在生活中到處都有易于人們接收。操作界面設(shè)計 反應釜溫度控制系統(tǒng)的操作面板主要由兩部分構(gòu)成。第一部分為輸入設(shè)定參數(shù)操作，由分布在鍵盤上的三個按鍵組成，包括：“+”、“-”、和位選擇鍵。第二部分為LC

26、D顯示：采用長沙太陽人生產(chǎn)的液晶顯示模塊LCD1602來顯示系統(tǒng)的各個參數(shù)。 主控制器面板的具體功能如下：（1）“選擇”鍵：用以修改當前選定設(shè)定的參數(shù)位，當按 “選擇”按鍵時，則光標移動到該選定位等待設(shè)定溫度值，位數(shù)有個位和十位及百位，按照循環(huán)移動移動方式移動。（2）“+” 按鍵：用來對當前設(shè)定參數(shù)值進行加一運算，每操作一次“+”按鍵，則該選定位參數(shù)值升高1 。并通過顯示器顯示設(shè)定結(jié)果值。（3）“-” 按鍵：用來對當前設(shè)定參數(shù)值進行減一運算，每操作一次“-”，則改選定為參數(shù)值降低1 。同理，其結(jié)果也是由液晶顯示器顯示。3.6 液晶顯示單元設(shè)計隨著科學技術(shù)的不斷進步，液晶顯示器的質(zhì)量和價格也在日

27、漸降低，液晶顯示器已被廣泛應用每一個領(lǐng)域內(nèi)。本控制系統(tǒng)的顯示部分就是采用LCD1602液晶顯示設(shè)定溫度、實際溫度等參數(shù)。LCD液晶顯示一般有三種常見規(guī)格:段式液晶、字符型液晶和圖形點陣液晶1。本控制系統(tǒng)的主控制器面板選擇字符型液晶顯示作為用戶操作界面。LCD1602采用標準的14引腳或16引腳接口，各引腳說明如表3及實物圖11。表3 LCD1602液晶顯示引腳說明編號符號引腳說明編號符號引腳說明1VSS電源地9D2數(shù)據(jù)2VDD正極性10D3數(shù)據(jù)3VL液晶顯示偏壓11D4數(shù)據(jù)4RS數(shù)據(jù)/命令選擇12D5數(shù)據(jù)5R/W讀/寫選擇13D6數(shù)據(jù)6E使能信號14D7數(shù)據(jù)7D0數(shù)據(jù)15BLA背光源正極8D1

28、數(shù)據(jù)16BLK背光源負極 圖11 1602液晶模塊實物圖 DDRAM就是顯示數(shù)據(jù)RAM，用來寄存待顯示的字符代碼，共80個字節(jié)，其地址和屏幕的對應關(guān)系如表4和DDRAM地址與顯示位置的對應關(guān)系表5。表4 DDRAM地址顯示位置123456740DDRAM地址第一行00H01H02H03H04H05H06H27H第二行40H41H42H43H44H45H46H67H表5 DDRAM地址與顯示位置的對應關(guān)系000102030405060708090A0B0C0D0E0F404142434445464748494A4B4C4D4E4F3.7 按鍵電路設(shè)計按鍵的應用按鍵運用是單片機控制系統(tǒng)的一個重大進

29、步，是人和機器交流的重要媒介。人們通過鍵盤可以向機器輸入目的要求參數(shù)。本控制系統(tǒng)使用常用的矩陣式鍵盤，具有操作方便、結(jié)構(gòu)簡單和成本低廉等特點1，用于實現(xiàn)LCD溫度值的設(shè)定和顯示。通常的按鍵為機械彈性開關(guān)，當機械觸點斷開、閉合時，機械觸點的彈性作用，使一個按鍵開關(guān)在閉合時不會馬上穩(wěn)定地接通，在斷開時也不會一下子斷開。因而在閉合及斷開的瞬間均伴隨有一連串的抖動，為了避免這種現(xiàn)象的出現(xiàn)而采取的措施就是按鍵消抖，消抖方法有兩大主流6，即硬件和軟件消抖。硬件去抖在鍵數(shù)較少的情況下可采用硬件方法來達到消除鍵抖動。圖12所示的RS觸發(fā)器為常用的硬件去抖。由兩個“與非”構(gòu)成的RS 9，可以有效地解決抖動問題。

30、圖12 硬件消抖原理圖軟件消抖如果按鍵較多，則用軟件方法去抖更為合理，其原理是編寫一個延時(510) ms的延時子程序，之后再次掃描檢測，最后確定操作。軟件消抖方法的實質(zhì)是通過不斷檢測按鍵值，直至按鍵值穩(wěn)定6。本文使用硬件和軟件相結(jié)合的方法，既不增加程序的復雜度，又能節(jié)省設(shè)計成本，更適合控制系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)，按鍵消抖電路如圖13所示。圖13 具體按鍵消抖電路3.8 數(shù)據(jù)保護電路設(shè)計反應釜溫度控制系統(tǒng)在每一次上電初始化之后，其參數(shù)都應該保存為上一次斷電時的參數(shù)值，為實現(xiàn)這一個目的，選用了一個EEPROMAT24C02用于保護數(shù)據(jù)參數(shù)，它同時具備可電擦除編程只讀存儲器的功能1，AT24C02是一個2

31、 K位串CMOSEEPROM，內(nèi)部包含有256個8位字節(jié)。 AT24C02特性如表6。表6 AT24C02引腳功能名稱功能A0 A1 A2器件地址選擇SDA串行數(shù)據(jù)/地址SCL串行時鐘VCC1.8-6.OV工作電壓GND地 WP 寫保護AT24C02與單片機的接口電路如圖14所示。圖14 AT24C02與單片機接口電路3.9 驅(qū)動控制部分控制系統(tǒng)在加熱輸出部分采用ULN2003。ULN2800是高壓大電流達林頓晶體管系列產(chǎn)品，具有電流增益高、工作電壓高、帶負載能力強等特點,適應于各種要求高速大功率驅(qū)動的系統(tǒng)中。ULN2003是單片機和繼電器連接用于驅(qū)動繼電器進而實現(xiàn)對繼電器的控制，通過HK41

32、00F-DC5V-SHG繼電器和電加熱型反應釜相連接控制其加熱開關(guān)狀態(tài)，既起到了電氣隔離的作用，又為操作人員提供了可靠地安全環(huán)境7。其引腳和實物圖如圖15。 圖15 ULN2003芯片引腳圖及其實物圖3.10 電加熱型反應釜電加熱反應釜是在吸收國內(nèi)外先進技術(shù)的基礎(chǔ)上研制成功的新型產(chǎn)品，廣泛地應用于食品醫(yī)藥、化工、建材、樹脂等行業(yè)，具有衛(wèi)生、加熱迅速、耐高溫、耐腐蝕、無環(huán)境污染、使用方便等特點?？刂葡到y(tǒng)：配備相關(guān)的智能控制儀采集電機轉(zhuǎn)速、釜內(nèi)反應溫度及壓力等的數(shù)據(jù)采集和控制，具備操作簡便、精度高、抗干擾能力強等特點。其特點如下： 1、不銹鋼材質(zhì)具有優(yōu)良的機械性能，耐高壓和承受塊狀固體物料加料時的

33、沖擊。 2、耐熱性能好，工作溫度范圍很廣（-196至600度）。高溫度下不會氧化起皮，可直接用于火加熱。 3、具有良好的耐腐蝕性能，無生銹現(xiàn)象。 4、傳熱效果好，升溫和降溫速度較快。 5、具有良好的加工性能，可以按工藝要求制成各種不同形狀和結(jié)構(gòu)的反應釜，釜內(nèi)壁可以打磨拋光，使之不掛料，便于清洗。 圖16 反應釜結(jié)構(gòu)圖及其實物圖4 溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計軟件設(shè)計是控制系統(tǒng)的大腦，合理的設(shè)計思路方式讓有限的硬件發(fā)揮其最大潛力，也讓程序編寫難度降到最低。4.1軟件設(shè)計概述控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計和硬件設(shè)計同等重要，是一個統(tǒng)一有機體，軟件依賴于硬件以其為基礎(chǔ)，硬件依靠軟件來執(zhí)行，能否最大程度揮依賴于軟件的設(shè)計

34、。既要有良好的編程設(shè)計，又要有高效的程序編寫。以此軟件的設(shè)計采用模塊化和高級語言制作，故本溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計使用模塊化的C語言編程10。其制分析制作步驟如下：（1）確定目標任務要求：根據(jù)任務明確系統(tǒng)需要完成的任務指標。（2）確定設(shè)計框圖：按模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計將整體分割為幾個模塊，分別編寫，然后再通過主程序?qū)⒏鱾€模塊有機組合為統(tǒng)一體塊。（3）編程語言：選擇可讀性好、移置性強的C語言來完成程序的編寫。（4）程序優(yōu)化：在滿足要求功能的條件下，節(jié)減程序的長度，提高程序的執(zhí)行效率，節(jié)省寶貴的存儲資源。4.2 按鍵模塊設(shè)計最簡單的鍵盤為獨立鍵盤，這種鍵盤的缺點，就是當鍵盤上的鍵較多時，引線太多，占用的I/O

35、端口也太多，所以只適于僅有幾個鍵的小鍵盤。與獨立式鍵盤相對應是矩陣鍵盤，矩陣鍵盤是單片機外部設(shè)備中所使用的排布類似于矩陣的鍵盤組，它是通過分行分列的循環(huán)掃描來判斷到底是哪個鍵被按下了。鍵盤掃描程序一般應具備以下四點功能：(1)判斷按鍵是否有操作。其方法為列全部輸出為低電平，然后讀取行線的態(tài)，如果行為全高電平，則表示鍵盤操作；若不全為高電平，則表示有按鍵有操作。(2)去除鍵的抖動。通過延時5 ms到10 ms來達到消抖。 (3)求按鍵位置。根據(jù)前面介紹的鍵盤掃描方法，逐列逐行掃描，以確定被按下鍵的位置。 (4)調(diào)用功能處理程序，對按鍵進行處理。中斷處理方式中，CPU響應中斷請求后，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷服

36、務程序，在中斷服務程序中確定鍵盤操作的鍵號，并相應的處理，方法與程序查詢方式相同。鍵盤程序流程圖及接線圖如圖17所示。 圖17 鍵盤流程圖及對應接線圖圖為4行4列鍵盤接法，共16個鍵。行線通過上拉電阻接+5V，平時無按鍵動作時，行線處于高電平狀態(tài)，而當有按鍵按下時，則對應的行和列短接，行線電平狀態(tài)將由與此行相連的列電平?jīng)Q定。 4.3 液晶顯示模塊設(shè)計液晶顯示的字碼是通過在方格中依次連接所得，組成每一個字符，通過控制不同的像素通斷顯示不同的字符或數(shù)字。每個字符占據(jù)八個方格，十一個方格的高度，但并非每顯示一個字符都要用十一行八列。液晶顯屏不能夠顯示漢字，因為字符與漢字所占據(jù)的位數(shù)不同。在該溫控系統(tǒng)

37、中，因為對顯示的要求不是太大，只要顯示數(shù)字就可以了，同時為降低開發(fā)成本，所以選用LCD1602。 主要技術(shù)參數(shù)：顯示容量：216個字符。芯片工作電壓：4.55.5 V。工作電流：2.0 mA。工作電壓：5.0 V。字符尺寸：4.352.95（WH）mm。 通過以上的介紹，所畫的LCD顯示電路原理圖如圖18所示。圖18 1602LCD顯示接線圖4.4 主控制器模塊軟件設(shè)計主控制器模塊軟件設(shè)計由數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理及控制輸出三部分構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集是將PT100測得的釜內(nèi)溫度信號和鍵盤掃描得到的輸入控制信號進行收集，數(shù)據(jù)處理是將采集來的溫度信號以及按鍵信號按照程序設(shè)計功能要求執(zhí)行，數(shù)據(jù)輸出是將數(shù)據(jù)處理后

38、的信息輸出給對應的執(zhí)行器件進行控制操作1。主控制器模塊程序及設(shè)計流程圖如圖18所示。void main() /主函數(shù) Set_T=0; KEY_ADD=1; /按鍵置高電平KEY_DEC=1;init();LCD_Init();DelayMs(20); /延時LCD_Clear();/清屏int1_int();Init_Timer1();while(1) while(!P3_2); /啟動定時器TR0=1; /啟動定時器并開始計數(shù)TH0=0x00;TL0=0x00; while(P3_2); TR0=0; temp=TH0*256+TL0; TempData=(temp-10000)*0.51

39、2; T_Data=TempData; deal(T); WenDu(); key_scan();/調(diào)用計算溫度子程序 Display_1(); Display_2(); DelayMs(115); dat4=(int)set_temp/255;dat5=(int)set_temp%255; dat6 = (int)temp/255; dat7 =(int)temp%255; dat8 = (int)kp*100/255; dat9 =(int)kp*100%255; dat10 = (int)ki*100/255; dat11 =(int)ki*100%255; dat12 = (int)k

40、d*100/255; dat13 =(int)kd*100%255; communication();初 始 化處理按鍵、顯示設(shè)定值啟動A/D轉(zhuǎn)換數(shù)值處理顯示實際溫度比較設(shè)定溫度值和實際溫度值是否大于？加 熱開 始停 止 圖18 主控制器軟件流程圖5 系統(tǒng)的調(diào)試運行結(jié)果及分析5.1系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)調(diào)試在控制系統(tǒng)研發(fā)過程屬于最后的步驟，但也是檢驗設(shè)計成功與否的重要環(huán)節(jié)，同樣處于重要地位。通過溫度控制系統(tǒng)的調(diào)試可以發(fā)現(xiàn)找到比解決系統(tǒng)存在的缺陷和錯誤，讓設(shè)計出來的溫度控制系統(tǒng)更加可靠穩(wěn)定和安全，符合設(shè)計目標任務10。同時，也為以后的開發(fā)設(shè)計積累寶貴的參數(shù)和經(jīng)驗。調(diào)試運行是解決程序不當?shù)闹匾^程，其步驟為

41、：步驟一：連STC89C52單片機下載并成功下載燒進去。步驟二：檢驗反應釜狀態(tài)是否正常，連接好PT100，接通電源。步驟三：觀察并再次檢驗所有設(shè)備連接是否正常運行，通過按鍵手動修改溫度設(shè)定值，看按鍵是否能正常工作及液晶顯示是否一致。步驟四：觀察運行結(jié)果，是否與預期效果一致，否則查找原因并及時解決。5.2系統(tǒng)運行結(jié)果通過以上步驟可得如圖19運行結(jié)果。LCD1602顯示設(shè)定溫度值、當前溫度值、脈沖值、電壓值。同樣，可以通過鍵盤手動修改設(shè)定溫度值，以便能夠滿足各種溫度條件下的工藝要求（用于測量-200+500范圍內(nèi)的溫度，如果超出該范圍則無法正常工作）。圖19 整體實物運行圖系統(tǒng)有四大模塊部分組成，

42、即主控制模塊（單片機開發(fā)板）、模擬量前向通道、開關(guān)模塊、PWM繼電器模塊。圖20為主控制器，是該系統(tǒng)最繁忙的部分，負責絕大部分數(shù)據(jù)的分析處理和輸出控制及設(shè)定顯示。通過它的鍵盤操作可以設(shè)定目標溫度值并通過LCD1602顯示出來，通過向中間繼電器輸出控制命令控制反應釜的工作狀態(tài)，接收并處理模擬量前向通道轉(zhuǎn)化后的溫度信息值并進行分析比較處理和顯示。圖20 主控制器運行結(jié)果圖 圖21是溫控系統(tǒng)的模擬量前向通道，負責將PT100熱電阻測溫器的電壓信號通過7135轉(zhuǎn)化為脈沖信號，然后再經(jīng)過標度變化轉(zhuǎn)化為單片機可識別的信號，其轉(zhuǎn)化公式如公式（2）、（3）所示： Uo=(Rt/(R1+Rt)UiG (2)Rt

43、=R0(1+At+Bt2) (3)圖21 模擬量前向通道圖22為開關(guān)模塊，將220V的電壓值轉(zhuǎn)化為正負5V 和12V供單片機和繼電器使用，完成系統(tǒng)驅(qū)動所需電壓。圖22 開關(guān)模塊實物圖結(jié)束語本設(shè)計是反應釜溫度控制系統(tǒng)具有如下功能：（1）在液晶顯示方面，選擇長沙太陽人公司生產(chǎn)的LCD1602液晶顯示器來顯示系統(tǒng)的溫度和時間參數(shù)，相對于數(shù)碼管具有顯示更加美觀，參數(shù)顯示更加全面等優(yōu)點。（2）在控制方面，把反應釜溫控系統(tǒng)進行模塊化設(shè)計，可以進行獨立調(diào)試控制。相對于傳統(tǒng)控制來說，具有更好的靈活性，消費者可以根據(jù)需要進行分區(qū)設(shè)定。本溫度控制系統(tǒng)是在實驗室環(huán)境下調(diào)試和運行的，尚未正真的受到工廠生產(chǎn)環(huán)境的檢測，因此，還應該接收更多的實踐檢測。對系統(tǒng)的設(shè)計工作也有以下幾點展望：（1）主控制器在顯示部分選用的是長沙太陽人公司生產(chǎn)的LCD1602液晶顯示器顯示器，為了使顯示更加人性化、更為友好，不妨試用一下能夠顯示漢字的12864液晶顯示屏作為人機交互界面。（