電阻爐溫度智能控制系統(tǒng)畢業(yè)論文

1、長春理工大學(xué)本科畢業(yè)論文編號(hào) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)電阻爐智能溫度控制系統(tǒng)Intelligent Temperature Control System of Resistance Furnace學(xué) 生 姓 名專 業(yè)學(xué) 號(hào)指 導(dǎo) 教 師學(xué) 院二一四年六月 畢業(yè)設(shè)計(jì)（文論）原創(chuàng)承諾書1本人承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）電阻爐智能溫度控制系統(tǒng)，是認(rèn)真學(xué)習(xí)理解學(xué)校的長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作條例后，在教師的指導(dǎo)下，保質(zhì)保量獨(dú)立地完成了任務(wù)書中規(guī)定的內(nèi)容，不弄虛作假，不抄襲別人的工作內(nèi)容。2本人在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中引用他人的觀點(diǎn)和研究成果，均在文中加以注釋或以參考文獻(xiàn)形式列出，對(duì)本文的研究工作做出重要

2、貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體均已在文中注明。3在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中對(duì)侵犯任何方面知識(shí)產(chǎn)權(quán)的行為，由本人承擔(dān)相應(yīng)的法律責(zé)任。4本人完全了解學(xué)校關(guān)于保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交論文和相關(guān)材料的印刷本和電子版本；同意學(xué)校保留畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的復(fù)印件和電子版本，允許被查閱和借閱；學(xué)?？梢圆捎糜坝　⒖s印或其他復(fù)制手段保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），可以公布其中的全部或部分內(nèi)容。 以上承諾的法律結(jié)果將完全由本人承擔(dān)！ 作 者 簽 名： 年 月 日摘 要熱處理是提高金屬材料及其制品質(zhì)量的重要技術(shù)手段。近年來隨工業(yè)的發(fā)展，對(duì)金屬材料的性能提出了更多更高的要求，因而熱處理技術(shù)也向著優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、無公害方

3、向發(fā)展。電阻爐是熱處理生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的加熱設(shè)備，加熱時(shí)恒溫過程的測(cè)量與控制成為了關(guān)鍵技術(shù)，促使人們更加積極地研制熱加工工業(yè)過程的溫度控制器。 本文基于實(shí)驗(yàn)室的基本條件，設(shè)計(jì)了具有上、下位機(jī)的小型集散控制系統(tǒng)。上位機(jī)起到監(jiān)控和信息管理的作用，具有通信功能，下位機(jī)實(shí)現(xiàn)基本控制、數(shù)據(jù)采樣、控制輸出、實(shí)時(shí)顯示溫度控制器運(yùn)行狀態(tài)和通信功能?？刂破鞑捎?1單片機(jī)作為處理器，改型后的溫度控制器具有自動(dòng)檢測(cè)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集處理及控制結(jié)果顯示等功能，控制的穩(wěn)定性和精度上都有改進(jìn)，溫度控制器的面板簡(jiǎn)潔，操作方便，滿足了本次改造的技術(shù)要求。關(guān)鍵詞：電阻爐 溫度控制 單片機(jī)ABSTRACT Heat treatmen

4、t is a main means of improving metal material and metalwork. In recent yeas, with the development of industry, there are more and more supernal request for metalwork, so heat treatment is hammering at high quality and efficient, low-power and zero-social effects of pollution. Resistance furnace is a

5、 used broadest heating equipment in heat treatment, and measurement and control of temperature in heating is becoming pivotal technic. These urge people study methods of controlling heating process.In this thesis, based on basic experimental conditions, we design the Distributed Control System(DCS).

6、 Host computer plays the role of monitoring and information management. Slave computer realizes basic control, data acquisition, control output, real-time display and communication functions. MCS-51 Single-Chip Microcomputer as a processor, the modified temperature controller possess automatic detec

7、tion, real-time data acquisition and real-time display. The modified temperature improves stability and control precision, The control panel of temperature control system is very concise and convenient.The modified temperature control system satisfies technical requirements.Keywords：resistance furna

8、ce ;tempereature control ;single-chip micromputer目 錄摘 要IABSTRACTII目 錄III第一章 緒論11.1 選題的背景11.2 電阻爐爐溫控制的國內(nèi)外發(fā)展11.3 溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求31.4.操作規(guī)范設(shè)計(jì)4第二章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)52.1 CPU選型52.2 溫度檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)62.3 輸入/輸出接口設(shè)計(jì)102.4 與上位機(jī)通信電路的設(shè)計(jì)112.5 保溫定時(shí)電路設(shè)計(jì)132.6 溫度控制電路設(shè)計(jì)16第三章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)173.1 軟件總體設(shè)計(jì)173.2 主程序設(shè)計(jì)183.3 溫度檢測(cè)及處理程序設(shè)計(jì)193.4 按鍵檢測(cè)程序設(shè)計(jì)203.5 計(jì)

9、時(shí)程序設(shè)計(jì)223.6 顯示程序設(shè)計(jì)223.7 定時(shí)中斷程序設(shè)計(jì)22第四章 結(jié)論24參考文獻(xiàn)25致 謝26附錄127附錄230第一章 緒論1.1 選題的背景在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中，電流、電壓、溫度、流速、流量、壓力和開關(guān)量都是常用的主要被控參數(shù)。例如：在機(jī)械制造、電力工程、化工生產(chǎn)、造紙行業(yè)、冶金工業(yè)和食品加工等諸多領(lǐng)域中，人們都需要對(duì)各類加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐中的溫度進(jìn)行檢測(cè)和控制。其中溫度控制在生產(chǎn)過程中占有相當(dāng)大的比例，即使日常生活中的電熱水器、空調(diào)、微波爐、電烤箱等家用電器也同樣需要溫度監(jiān)控。可見溫度控制電路廣泛應(yīng)用于社會(huì)生活的各領(lǐng)域，所以對(duì)溫度進(jìn)行控制是非常有必要和有意義的。準(zhǔn)確

10、地測(cè)量和有效地控制溫度是優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗和安全生產(chǎn)的重要條件1-2。原有的溫度控制系統(tǒng)（控制柜）存在以下缺點(diǎn)：(1) 原有的溫度控制柜體積龐大，系統(tǒng)未采用微處理器，溫度控制的精度低，故障率高，爐溫波動(dòng)大，影響熱處理質(zhì)量；(2) 原有的溫度控制系統(tǒng)通過對(duì)繼電器的通斷實(shí)現(xiàn)爐溫的調(diào)節(jié)控制，電路工作時(shí)對(duì)電網(wǎng)的質(zhì)量有影響，在一定程度上影響了實(shí)驗(yàn)室其他的用電設(shè)備；(3) 原有的溫度控制系統(tǒng)沒有故障自診斷與提示功能，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，無法為操作人員及時(shí)指示故障類型和準(zhǔn)確位置；(4) 原有的溫度控制系統(tǒng)沒有預(yù)留通信接口，無法與實(shí)驗(yàn)室其他的電爐聯(lián)網(wǎng)工作，也無法通過上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與管理，多臺(tái)電爐工作效率低；

11、(5) 原有的溫度控制系統(tǒng)采用指針式顯示，不便于觀察與記錄；(6) 原有的溫度控制系統(tǒng)沒有溫度參數(shù)設(shè)定與溫度保持定時(shí)功能，如果需要溫度保持（定時(shí)）必須要有操作人員現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控，自動(dòng)化程度非常低，使用不方便；正是由于存在以上的問題，它直接影響到了產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量和正常的教學(xué)工作。所以，單位提出重新設(shè)計(jì)電阻爐的溫度控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)降低故障率，并提高爐溫的控制精度，使控制系統(tǒng)能更加可靠、穩(wěn)定的運(yùn)行，更好的滿足生產(chǎn)與教學(xué)要求。1.2 電阻爐爐溫控制的國內(nèi)外發(fā)展電阻爐是熱處理生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的加熱設(shè)備，它在機(jī)械、冶金等行業(yè)的生產(chǎn)中占有十分重要的地位3-4，溫度控制質(zhì)量的好壞將直接影響著熱處理產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，

12、對(duì)于提高生產(chǎn)率和節(jié)約能源也有舉足輕重的意義，所以國內(nèi)外關(guān)于電阻爐自動(dòng)控制的研究一直備受重視，發(fā)展比較快，已有廣發(fā)的應(yīng)用案例。1.2.1 電阻爐國外的發(fā)展動(dòng)態(tài)國際上對(duì)電阻爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的研究始于上世紀(jì)從70年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展與新的控制方法的出現(xiàn)，電阻爐計(jì)算機(jī)控制的水平得到了大幅提高，應(yīng)用也日趨廣泛。國外電阻爐計(jì)算機(jī)控制應(yīng)用的現(xiàn)狀如表 1-1 所示5。表 1-1 電阻爐計(jì)算機(jī)控制在國外的一些應(yīng)用現(xiàn)狀廠家名稱所用機(jī)型應(yīng)用現(xiàn)狀日本PLC鋼坯目標(biāo)出爐溫度計(jì)算，鋼溫預(yù)報(bào)，空燃比控制，爐溫最優(yōu)控制瑞典PLC確定最佳加熱曲線和爐溫控制美國DEV MICTO VAXIII空燃比控制，爐壓控制，設(shè)定

13、值選擇，生產(chǎn)調(diào)度模型隨著數(shù)字計(jì)算機(jī)向小型、高速、大容量、低成本方向的發(fā)展，傳統(tǒng)的PID控制和現(xiàn)代控制理論都在不斷的發(fā)展，并取得了豐碩的成果。智能化、網(wǎng)絡(luò)化已成為發(fā)展的趨勢(shì)。1.2.2 電阻爐國內(nèi)的發(fā)展動(dòng)態(tài)我國對(duì)電阻爐的控制進(jìn)行了廣泛的研究始于上世紀(jì)80年代，隨著微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，電阻爐計(jì)算機(jī)控制逐步進(jìn)入實(shí)用化階段6。目前，國內(nèi)電阻爐控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀如下：(1) 采用先進(jìn)的控制設(shè)備隨著單片機(jī)、可編程控制器與工業(yè)控制機(jī)等先進(jìn)控制系統(tǒng)的發(fā)展，逐步取代了以前大規(guī)模的繼電器、模擬式控制儀表。單片機(jī)也因其極高的性價(jià)比而受到人們的重視和關(guān)注，獲得廣泛地應(yīng)用和迅速地發(fā)展。(2) 采用新的控制方法對(duì)傳

14、統(tǒng)的負(fù)反饋、單一PID控制系統(tǒng)做了多種補(bǔ)充，從而使控制性能更佳。同時(shí)，越來越多的控制系統(tǒng)采用新的控制方法如：模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、遺傳算法控制、最優(yōu)控制、自整定PID參數(shù)控制器、自適應(yīng)控制和自校正控制器等，這些在工業(yè)上都有了成功應(yīng)用的工程案例7。單片機(jī)具有體積小、重量輕、控制功能強(qiáng)、價(jià)格低與開發(fā)方便等優(yōu)點(diǎn)。單片機(jī)應(yīng)用的意義不僅在于它的廣闊范圍及所帶來的經(jīng)濟(jì)效益，更重要的意義在于，單片機(jī)的應(yīng)用從根本上改變了控制系統(tǒng)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法。以前采用硬件電路實(shí)現(xiàn)的大部分控制功能，現(xiàn)在可以用單片機(jī)通過軟件的方法來實(shí)現(xiàn)。以前自動(dòng)控制中的PID調(diào)節(jié)，現(xiàn)在可以用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)具有智能化的數(shù)字計(jì)算控制、模糊控

15、制和自適應(yīng)控制。這種以軟件取代硬件并能提高系統(tǒng)性能的控制技術(shù)稱為微控技術(shù)8。1.3 溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求電阻爐溫度控制系統(tǒng)應(yīng)具備溫度測(cè)量、顯示、與上位機(jī)通信、過限報(bào)警等功能，并要求具有良好的穩(wěn)定性、高控制精度，以滿足實(shí)驗(yàn)室熱處理對(duì)溫度的需求。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先確定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，確定溫度控制器的規(guī)格與技術(shù)指標(biāo)，這對(duì)于明確設(shè)計(jì)的目的性和控制功能的邏輯性有重要的意義。然后設(shè)計(jì)系統(tǒng)的操作面板，面板設(shè)計(jì)遵循簡(jiǎn)潔實(shí)用的原則，并規(guī)劃出相關(guān)的操作規(guī)范及運(yùn)行參數(shù)，為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)確定具體的目標(biāo)。1.3.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)針對(duì)原有電阻爐溫度控制系統(tǒng)的功能缺陷及現(xiàn)有控制要求，確定本次設(shè)計(jì)的目標(biāo)如下：(1) 系統(tǒng)滿足

16、穩(wěn)、準(zhǔn)、快的系統(tǒng)要求；(2) 系統(tǒng)的測(cè)溫范圍在01000，控溫精度±2，顯示精度0.1；(3) 控制面板能便捷輸入控制參數(shù)，如P、I、D及保溫時(shí)間；(4) 用7段高亮數(shù)碼管顯示設(shè)定爐溫（5位數(shù)碼管）、爐溫實(shí)時(shí)溫度（5位數(shù)碼管）、保溫時(shí)間（3位數(shù)碼管）等系統(tǒng)信息；(5) 用四個(gè)發(fā)光二極管以不同的顏色和發(fā)光狀態(tài)來指示顯系統(tǒng)的工作狀態(tài)。1.3.2系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)與規(guī)格整個(gè)系統(tǒng)最終達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)是由系統(tǒng)中的各個(gè)環(huán)節(jié)共同作用后完成的。比如要提高溫度檢測(cè)的精度，只用高精度的A/D轉(zhuǎn)換器是不夠的，還要好的抗干擾措施、精確度高的傳感器及軟件線性化處理等9。據(jù)實(shí)驗(yàn)室熱處理的實(shí)際需要，確定所設(shè)計(jì)的溫度控制

17、系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)如表 1-2 ： 表 1-2 主要技術(shù)參數(shù)額定功率（KW）12額定電壓（V）單相220V±10% 50Hz±1Hz輸出電壓（V）220V（調(diào)功控制）最大電流（A）30最高控制溫度（）1000控溫誤差（）±2保溫時(shí)間（min）0600（最大10個(gè)小時(shí)）熱電偶類型K型熱電偶顯示方式13個(gè)高亮LED數(shù)碼管（MAX7219驅(qū)動(dòng)控制）輸入方式5個(gè)輕觸按鍵報(bào)警方式聲、光報(bào)警器與上位機(jī)通信接口RS-4851.4.操作規(guī)范設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)之前必須規(guī)劃好操作的流程，也就是做好規(guī)范化設(shè)計(jì)。操作規(guī)范是編寫操作程序的重要依據(jù)，良好的操作設(shè)計(jì)便于操作與程序的編寫。為了提高系統(tǒng)

18、設(shè)計(jì)效率，應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程進(jìn)行規(guī)劃，系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)步驟如圖 1-2 所示。圖 1-2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)步驟第二章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)電阻爐控制系統(tǒng)應(yīng)具備溫度測(cè)量、顯示、記錄、參數(shù)輸入等功能，并要求具有可靠性高、通用性強(qiáng)、控制精度佳等特點(diǎn)，以滿足控制需求。基于上述性能要求，系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖 2-1 所示，系統(tǒng)包括單片機(jī)AT89S51、溫度檢測(cè)與處理電路、鍵盤與顯示接口電路、聲光報(bào)警電路、串口通信電路以及計(jì)時(shí)電路10。圖 2-1 溫度控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖控制系統(tǒng)采用熱電偶作為溫度傳感器，熱電偶把溫度轉(zhuǎn)換為毫伏級(jí)的電壓信號(hào)，這個(gè)信號(hào)必須進(jìn)行放大處理、冷端補(bǔ)償、非線性化處理和數(shù)字處理后才能送到單片機(jī)中，這個(gè)過

19、程環(huán)節(jié)多，容易受到干擾，為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)中采用集成芯片MAX6675來完成整個(gè)過程的溫度數(shù)據(jù)處理。單片機(jī)對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，首先進(jìn)行超限報(bào)警處理，如果超限就調(diào)用超限處理子程序，若未超限就對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波后進(jìn)行PID算法控制，得到輸出控制量。具體控制過程是：當(dāng)溫度偏差大于50時(shí)，讓雙向晶閘管全導(dǎo)通或全關(guān)閉實(shí)現(xiàn)快速縮小溫差，減小調(diào)節(jié)時(shí)間，當(dāng)溫度偏差小于50時(shí)調(diào)用PID控制算法，由算法得到雙向晶閘管導(dǎo)通率實(shí)現(xiàn)對(duì)雙向晶閘管正弦半波的個(gè)數(shù)控制以達(dá)到調(diào)溫的目的。系統(tǒng)中的時(shí)鐘電路的功能是根據(jù)熱處理工藝要求設(shè)置保溫時(shí)間，溫度控制系統(tǒng)所有的參數(shù)通過13位高亮7段數(shù)碼管顯示，狀態(tài)信息通過4個(gè)發(fā)光二極

20、管指示。2.1 CPU選型本溫度控制系統(tǒng)選用ATMEL89系列單片機(jī)中的AT89S51作為微處理器。AT89S51是一個(gè)低功耗，高性能CMOS型8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k Bytes ISP(In-system programmable)Flash存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C5引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT89S51可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。AT89S51具有如下特點(diǎn)：40個(gè)引腳，4k Bytes 的Flash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，128byte

21、s的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí) 2 層中斷嵌套中斷，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，2個(gè)全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。此外，AT89S51設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設(shè)置省電模式。AT89S51在空閑模式下，CPU暫停工作，而RAM定時(shí)計(jì)數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。同時(shí)該芯片還具有PDIP、TQFP和PLCC等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求11。2.2 溫度檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)2.2.1 熱電偶的選擇熱電偶在工程上使用

22、最為廣泛的溫度傳感器之一，它具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、精度高、熱響應(yīng)時(shí)間快、測(cè)溫范圍大（-200+2000均可連續(xù)測(cè)溫）以及性能可靠使用壽命長的優(yōu)點(diǎn)，在溫度測(cè)量中占有很重要的地位。熱電耦的種類很多，熱電偶有K型（鎳鉻-鎳硅）WRN系列，N型（鎳鉻硅-鎳硅鎂）WRM系列，E型（鎳鉻-銅鎳）WRE系列，J型（鐵-銅鎳）WRF系列，T型（銅-銅鎳）WRC系列，S型（鉑銠10-鉑）WRP系列，R型（鉑銠13-鉑）WRQ系列，B 型（鉑銠30-鉑銠6）WRR系列等12。考慮設(shè)計(jì)成本與實(shí)際的溫度范圍（01000），在本設(shè)計(jì)中選用分度號(hào)為K的鎳鉻-鎳硅熱電偶WRN-120，表 2-1 所列的是常用熱電偶的材料規(guī)格和線徑

23、使用溫度的關(guān)系：表 2-1 常用熱電偶材料規(guī)格和線徑使用溫度熱電偶分度號(hào)熱點(diǎn)極材料線徑與作用溫度的關(guān)系（）正極負(fù)極線徑（mm）長期短期S鉑銠10純鉑0.513001600R鉑銠13純鉑0.513001600B鉑銠30鉑銠60.516001800K鎳鉻鎳硅1.280010002.5110012003.2120013002.2.2 熱電耦的測(cè)溫原理將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體兩端焊接起來，構(gòu)成一個(gè)閉合回路，當(dāng)兩導(dǎo)體之間存在溫差時(shí)，便產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，在回路中就會(huì)形成一個(gè)大小的電流，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，而這種電動(dòng)勢(shì)稱為熱電勢(shì)13。熱電偶就是利用這種原理進(jìn)行溫度測(cè)量的，其中，直接用作測(cè)量介質(zhì)溫度的一端叫做

24、工作端，另一端叫做冷端；冷端與顯示儀表或配套儀表連接，顯示儀表會(huì)指出熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)。不同種類的兩根金屬導(dǎo)線A、B連接起來并保持接點(diǎn)的溫度為t0。若設(shè)由電壓計(jì)引出的導(dǎo)線與金屬線A、B連接點(diǎn)的溫度為t，則顯現(xiàn)出來的熱電勢(shì)EAB(t，t0)為： （2-1）對(duì)于已選定的熱電偶，當(dāng)參考端溫度t0時(shí)，EAB(t，t0)=C為常數(shù)，則總的電動(dòng)勢(shì)與連接的方法和沿金屬線的溫度分布等細(xì)節(jié)無關(guān)，僅由熱電偶的類型及測(cè)量溫度t決定。2.2.3 熱電偶的溫度補(bǔ)償熱電偶都有對(duì)應(yīng)的分度表，即在參考端溫度為0時(shí)，熱電勢(shì)和測(cè)量溫度的對(duì)應(yīng)表。熱電偶的分度表是以冷端溫度0為基準(zhǔn)進(jìn)行分度的，熱電偶的實(shí)際工作環(huán)境，冷端溫度往往不為

25、0，不能直接使用分度表，因此必須對(duì)熱電偶的冷端溫度進(jìn)行溫度補(bǔ)償。常用的冷端溫度補(bǔ)償方法有：冷端0恒溫法（將冷端放在冰水混合物的恒溫容器中等）、冷端溫度修正法、電橋補(bǔ)償法和冷端溫度自動(dòng)補(bǔ)償法等。在本設(shè)計(jì)中采用集成芯片MAX6675完成冷端溫度的自動(dòng)補(bǔ)償，可在很大程度上簡(jiǎn)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)14。2.2.4 爐溫?cái)?shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)型熱電偶是工業(yè)生產(chǎn)中最常用的溫度傳感器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、使用方便、測(cè)溫范圍寬等特點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)就是選用K型熱電偶作為系統(tǒng)的溫度傳感器。目前，在以型熱電偶為測(cè)溫元件的工業(yè)測(cè)溫系統(tǒng)中，熱電偶輸出的熱電勢(shì)信號(hào)必須經(jīng)過中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，才能輸入基于單片機(jī)系統(tǒng)。中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)包括信號(hào)放大、

26、冷端補(bǔ)償、線性化及數(shù)字化等幾個(gè)部分，實(shí)際應(yīng)用中，由于中間環(huán)節(jié)較多，調(diào)試較為困難，系統(tǒng)的抗干擾性能往往也不理想。MAXIM公司推出的MAX 6675，它是一個(gè)集成了熱電偶放大器、冷端補(bǔ)償、A/D轉(zhuǎn)換器及SPI串口的熱電偶放大器與數(shù)字轉(zhuǎn)換器，可以直接與單片機(jī)接口，大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，保證了溫度測(cè)量的快速性與準(zhǔn)確性。故在本設(shè)計(jì)中，為簡(jiǎn)化系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)采用芯片 MAX 6675作為熱電偶電勢(shì)與溫度的轉(zhuǎn)換。2.2.5 MAX6675芯片MAX6675是具有冷端補(bǔ)償和A/D轉(zhuǎn)換功能的單片集成型熱電偶變換器，測(cè)溫范圍01024，溫度范圍滿足本臺(tái)電爐的溫度需要，其主要功能特點(diǎn)如下：(1) 直接將熱電偶信號(hào)轉(zhuǎn)換為

27、數(shù)字信號(hào)；(2) 具有冷端補(bǔ)償功能；(3) 簡(jiǎn)單的 SPI 串行接口與單片機(jī)通訊；(4) 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器、0.25分辨率；(5) 單一+5V 的電源電壓；(6) 熱電偶斷線檢測(cè)；16(7) 工作溫度范圍-20+85。MAX6675采用SO-8封裝形式。有8個(gè)引腳，腳1（GND）接地，腳2（T-）接熱電偶負(fù)極，腳3（T+）接熱電偶正極，腳4（VCC）電源端，腳5（SCK）串行時(shí)鐘輸入端，腳6（CS）片選端，使能啟動(dòng)串行數(shù)據(jù)通訊，腳7（SO）串行數(shù)據(jù)輸出端，腳8（NC）未用。在VCC 和GND之間接0.1F電容。2.2.6 MAX6675的測(cè)溫原理MAX6675是一復(fù)雜的單片熱電偶數(shù)字轉(zhuǎn)

28、換器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括：低噪聲電壓放大器A1、電壓跟隨器A2、冷端溫度補(bǔ)償二極管、基準(zhǔn)電壓源、12位AD轉(zhuǎn)換器、SPI串行接口、模擬開關(guān)及數(shù)字控制器。其工作原理如下：K型熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)，經(jīng)過低噪聲電壓放大器A1和電壓跟隨器A2放大、緩沖后，得到熱電勢(shì)信號(hào)U1，再經(jīng)過S4送至ADC。對(duì)于K型熱電偶，電壓變化率為(41V/)，電壓可由如下公式來近似熱電偶的特性。 （2-2）上式中，U1為熱電偶輸出電壓（mV），T是測(cè)量點(diǎn)溫度，T0是周圍溫度。在將溫度電壓值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的溫度值之前，對(duì)熱電偶的冷端溫度進(jìn)行補(bǔ)償，冷端溫度即是MAX6675周圍溫度與 0實(shí)際參考值之間的差值。通過冷端溫度補(bǔ)償二極管，

29、產(chǎn)生補(bǔ)償電壓U2經(jīng)S4輸入ADC轉(zhuǎn)換器。 （2-3）在數(shù)字控制器的控制下，ADC 首先將U1、U2 轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，即獲得輸出電壓U0的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)就代表測(cè)量點(diǎn)的實(shí)際溫度值T，這就是MAX6675進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償和測(cè)量溫度的原理15-16。2.2.7 MAX6675與單片機(jī)的連接MAX6675采用標(biāo)準(zhǔn)的SPI串行外設(shè)總線與單片機(jī)接口。MAX6675從SPI串行17接口輸出數(shù)據(jù)的過程如下：?jiǎn)纹瑱C(jī)使CS置為低電平，并提供時(shí)鐘信號(hào)給SCK，由SO讀取測(cè)量結(jié)果。CS變低將停止任何轉(zhuǎn)換過程，CS變高將啟動(dòng)一個(gè)新的轉(zhuǎn)換過程。將CS變低在SO端輸出第一個(gè)數(shù)據(jù)，一個(gè)完整串行接口讀操作需16個(gè)時(shí)鐘周期，在時(shí)鐘的下

30、降沿讀 16 個(gè)輸出位，第1個(gè)輸出位是D15，是一偽標(biāo)志位，并總為0；D14位到D3位為以MSB到LSB順序排列的轉(zhuǎn)換溫度值；D2位平時(shí)為低，當(dāng)熱電偶輸入開放時(shí)為高，開放熱電偶檢測(cè)電路完全由MAX6675實(shí)現(xiàn)，為開放熱電偶檢測(cè)器操作，T-必須接地，并使接地點(diǎn)盡可能接近GND腳；D1位為低以提供MAX6675器件身份碼，D0位為三態(tài)標(biāo)志位17。MAX6675的SO端輸出溫度數(shù)據(jù)的格式如表 2-2 所示。表 2-2 MAX 6675SO 端輸出溫度數(shù)據(jù)的格式位標(biāo)志位12位溫度數(shù)據(jù)熱電偶開路判斷設(shè)備序號(hào)狀態(tài)位15141312111098765432100MSBLSB0三態(tài)MAX6675與AT89S5

31、1的電路連接如圖 2-2 所示。AT89S51的P3.5與SCK相連，P3.6與片選CS相連，P3.5與SO相連。由MAX6675的控制時(shí)序可知，在CS=0且SCK有脈沖輸入時(shí)，SO引腳就輸出轉(zhuǎn)換的數(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)完成一串完整的數(shù)據(jù)輸出。輸出數(shù)據(jù)的格式先高位后低位，16位數(shù)據(jù)中D14D3為轉(zhuǎn)后的溫度數(shù)據(jù)。D14D3其最小值為0，對(duì)應(yīng)的實(shí)際溫度值為0；最大值為4095，對(duì)應(yīng)的溫度值為1023.75，分辨率為0.2518。實(shí)際溫度與轉(zhuǎn)換結(jié)果滿具有很好的線性關(guān)系，實(shí)際溫度與轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量的計(jì)算式為：實(shí)際溫度值=1023.75×轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量40

32、95 (2-1)圖 2-2 MAX 6675與 AT89S51 的連接2.3 輸入/輸出接口設(shè)計(jì)鍵盤和顯示電路實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互功能，通過鍵盤電路可以設(shè)置系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和系統(tǒng)參數(shù)（P、I、D和保溫時(shí)間），顯示電路可以顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、控制時(shí)間、設(shè)定溫度、實(shí)際溫度等。該溫度控制系統(tǒng)采用7段高亮LED數(shù)碼管（紅色）顯示系統(tǒng)的設(shè)置參數(shù)、保溫時(shí)間及實(shí)際溫度值等?？傆?jì)13數(shù)碼管和4個(gè)發(fā)光二極管（指示控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)）。數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)動(dòng)采用MAX7219，MAX7219是美國MAXIM公司生產(chǎn)的串行輸入輸出共陰極顯示驅(qū)動(dòng)器。該芯片可直接驅(qū)動(dòng)最多8位7段數(shù)字LED顯示器，或64個(gè)LED和條形圖顯示器。它與微處理

33、器的接口非常簡(jiǎn)單，僅用3個(gè)引腳與微處理器相應(yīng)端連接即可實(shí)現(xiàn)最高10MHz串行口。MAX7219的位選方式獨(dú)具特色，它允許用戶選擇多種譯碼方式譯碼選位，而且，每個(gè)顯示位都能個(gè)別尋址和刷新，而不需要重寫其他的顯示位，這使得軟件編程十分簡(jiǎn)單且靈活。另外，它具有數(shù)字和模擬亮度控制以及與MOTOROLA SPI，QSPI及MATIONAL MICROWIRE 串行口相兼容等特點(diǎn)。該芯片采用24腳DIP和SO封裝，工作電壓4.05.5V，最大功耗1.1W。本溫度控制系統(tǒng)采用兩片MAX7219級(jí)聯(lián)的方式驅(qū)動(dòng)控制13個(gè)7段數(shù)碼管，其中DIN引腳接P2.7，LOAD引腳接P2.6，CLCOK 引腳接P2.5，顯

34、示控制電路見附錄1系統(tǒng)的工作狀態(tài)由四個(gè)發(fā)光二極管以不同的顏色與狀態(tài)顯示，如有報(bào)警信號(hào)蜂鳴器啟動(dòng)，四個(gè)發(fā)光二極管與蜂鳴器用P2.0P2.4控制，具體電路連接如圖2-4所示。圖 2-4 工作狀態(tài)指示燈及報(bào)警電路設(shè)計(jì)對(duì)于參數(shù)的輸入通過按鍵實(shí)現(xiàn)，所設(shè)計(jì)的控制面板總計(jì)有5個(gè)按鍵，按鍵數(shù)量少，按鍵采用獨(dú)立按鍵的連接方式，其電路如圖 2-5 所示。圖 2-5 按鍵輸入電路2.4 與上位機(jī)通信電路的設(shè)計(jì)在數(shù)據(jù)通信，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)以及分布式工業(yè)控制系統(tǒng)當(dāng)中，經(jīng)常需要使用串行通信來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。目前有RS-232，RS-485，RS-422幾種接口標(biāo)準(zhǔn)用于串行通信。RS-232是最早的串行接口標(biāo)準(zhǔn)，在短距離（<

35、15M），較低波特率串行通信當(dāng)中得到了廣泛應(yīng)用。其后針對(duì) RS-232接口標(biāo)準(zhǔn)的通信距離短，波特率比較低的狀況，在RS-232接口標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上又提出了RS-422接口標(biāo)準(zhǔn)，RS-485接口標(biāo)準(zhǔn)來克服這些缺陷19。2.4.1 RS-232 與 RS-48521RS-485串行接口與RS-232接口相比具有以下性能優(yōu)點(diǎn)：(1) RS-232接口的信號(hào)電平值較高，易損壞接口電路的芯片，又因?yàn)榕cTTL電平不兼容故需使用電平轉(zhuǎn)換電路方能與TTL電路連接；(2) RS-232接口傳輸速率較低，在異步傳輸時(shí)，波特率為 20Kbps；(3) RS-232接口使用一根信號(hào)線和一根信號(hào)返回線而構(gòu)成共地的傳輸形式，

36、這種共地傳輸容易產(chǎn)生共模干擾，所以抗噪聲干擾性弱；(4) RS-232接口傳輸距離有限，最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)值為50英尺，實(shí)際上也只能用在50米左右；(5) RS-485接口的電氣特性：邏輯“1”以兩線間的電壓差為+(2-6)V表示，邏輯“0”以兩線間的電壓差為-(2-6)V表示，接口信號(hào)電平比RS-232降低了，就不易損壞接口電路的芯片；(6) RS-485接口的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為 10Mbps；(7) RS-485 接口是采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的組合，抗共模干能力增強(qiáng)，即抗噪聲干擾性好；(8) RS-485接口的最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)值為4000英尺，實(shí)際上可達(dá)3000米，另外RS-232接口在

37、總線上只允許連接1個(gè)收發(fā)器，即單站能力。而RS-485接口在總線上是允許連接多達(dá)128個(gè)收發(fā)器，即具有多站能力，這樣用戶可以利用單一的RS-485接口方便地建立起設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。RS-485接口組成的半雙工網(wǎng)絡(luò)，一般只需二根連線，所以RS-485接口均采用屏蔽雙絞線傳輸。RS-485 接口連接器采用DB-9的9芯插頭座，與智能終端RS-485接口采用DB-9(孔)，與鍵盤連接的鍵盤接口RS-485采用DB-9(針)20。2.4.2 串口通信電路設(shè)計(jì)美國Maxim公司推出的RS485異步通信收發(fā)芯片MAX1487，具有差分平衡系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)、速度快、控制方便等優(yōu)點(diǎn)，在通信上有著廣泛的應(yīng)用，MAX14

38、87主要管腳功能描述如下：第1腳為接收器輸入端（RO），2腳為接收器輸入使能端（/RE），第3腳為驅(qū)動(dòng)器輸出使能端（DE），第4腳為驅(qū)動(dòng)器輸出端（DI），A接收器同相輸入端和驅(qū)動(dòng)器同相輸出端，B接收器反相輸入端和驅(qū)動(dòng)器反相輸出端。在RS-485串行通信的時(shí)候，接收器同相輸入(A)電平比接收器反相輸入(B)電平高出200mV或更高，那么接收器輸入為“1”；當(dāng)B電平較A電平高出200mV或更高，那么接收器輸入為“0”。驅(qū)動(dòng)器帶負(fù)載輸出邏輯“1”的電壓范圍是1.5V6V；輸出邏輯“0”的電壓范圍是-1.5V-6V，圖2-6為單片機(jī)的串口通信接口電路。圖2-6 通信接口電路2.5 保溫定時(shí)電路設(shè)計(jì)電爐

39、在某些時(shí)候需要某個(gè)溫度值保持一定的時(shí)間，系統(tǒng)必須有定時(shí)的功能單元。單片機(jī)有很多途徑實(shí)現(xiàn)定時(shí)與計(jì)時(shí)的功能，如軟件延時(shí)、采用內(nèi)部定時(shí)器定時(shí)。其中軟件定時(shí)要占用CPU資源，特別當(dāng)定時(shí)時(shí)間比較長的時(shí)候，其定時(shí)的精度也無法保證；采用定時(shí)器定時(shí)，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)精確定時(shí)，但長久定時(shí)也不能有效保證定時(shí)精度。為了提高定時(shí)精度、降低系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，在本次設(shè)計(jì)采用專用時(shí)鐘芯片DS1302來完成系統(tǒng)計(jì)時(shí)功能。DS1302是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，它可以對(duì)年、月、日、周日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，具有閏年補(bǔ)償功能，工作電壓為2.5V5.5V。采用三線接口與CPU進(jìn)行同步通信

40、，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號(hào)或 RAM 數(shù)據(jù)。DS1302內(nèi)部有一個(gè)31×8的用于臨時(shí)性存放數(shù)據(jù)的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升級(jí)產(chǎn)品，與DS1202兼容，但增加了主電源/后背電源雙電源引腳，同時(shí)提供了對(duì)后背電源進(jìn)行涓細(xì)電流充電的能力21。2.5.1 DS1302 的引腳功能DS1302的引腳排列，其中Vcc1為后備電源，Vcc2為主電源。在主電源關(guān)閉的情況下，也能保持時(shí)鐘的連續(xù)運(yùn)行。DS1302由Vcc1或Vcc2兩者中的較大者供電。當(dāng)Vcc2大于Vcc10.2V時(shí)，Vcc2給DS1302供電。當(dāng)Vcc2小于Vcc1時(shí)，DS1302由Vcc1供電。X1

41、和X2是振蕩源，外接32.768kHz晶振。RST是復(fù)位/片選線，通過把RST輸入驅(qū)動(dòng)置高電平來啟動(dòng)所有的數(shù)據(jù)傳送。RST輸入有兩種功能：首先，RST接通控制邏輯，允許地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供終止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送手段。當(dāng)RST為高電平時(shí)，所有的數(shù)據(jù)傳送被初始化，允許對(duì)DS1302進(jìn)行操作。如果在傳送過程中RST置為低電平，則會(huì)終止此次數(shù)據(jù)傳送，I/O引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)。上電運(yùn)行時(shí)，在Vcc2.5V之前，RST必須保持低電平。只有在SCLK為低電平時(shí)，才能將RST置為高電平。I/O為串行數(shù)據(jù)輸入輸出端(雙向)，SCLK為時(shí)鐘輸入端。2.5.2 DS1302 的控制與寄存

42、器DS1302的控制字如表 2-3 所示?？刂谱止?jié)的最高有效位(位7)必須是邏輯1，如果它為0，則不能把數(shù)據(jù)寫入DS1302中，位6如果為0，則表示存取日歷時(shí)鐘數(shù)據(jù)，為1表示存取RAM數(shù)據(jù)；位5至位1指示操作單元的地址；最低有效位(位0)如為0表示要進(jìn)行寫操作，為1表示進(jìn)行讀操作，控制字節(jié)總是從最低位開始輸出。表2-3 DS1302的控制字1RAM/CKA4A3A2A1A0RAM/K在控制指令字輸入后的下一個(gè)SCLK時(shí)鐘的上升沿時(shí)，數(shù)據(jù)被寫入DS1302，數(shù)據(jù)輸入從低位即位0開始。同樣，在緊跟8位的控制指令字后的下一個(gè)SCLK脈沖的下降沿讀出DS1302的數(shù)據(jù)，讀出數(shù)據(jù)時(shí)從低位0位到高位7。D

43、S1302有12個(gè)寄存器，其中有7個(gè)寄存器與日歷、時(shí)鐘相關(guān)，存放的數(shù)據(jù)位為BCD碼形式,其日歷、時(shí)間寄存器及其控制字見表 2-4。表 2-4 日歷、時(shí)間寄存器及其控制字電寄存器名命令字取值范圍各位內(nèi)容寫操作讀操作7654321秒寄存器80H81H0059CH10SECSEC分鐘寄存器82H83H0059010MINMIN小時(shí)寄存器84H85H0012或002312/24010HRHRAP日期寄存器86H87H0128,2930，310010DATEDATE月份寄存器88H89H011200010MMONTH周日寄存器8AH8BH010700000DAY年份寄存器8CG8DH0099YEARYE

44、AR此外，DS1302還有年份寄存器、控制寄存器、充電寄存器、時(shí)鐘突發(fā)寄存器及與RAM相關(guān)的寄存器等。時(shí)鐘突發(fā)寄存器可一次性順序讀寫除充電寄存器外的所有寄存器內(nèi)容。DS1302與RAM相關(guān)的寄存器分為兩類：一類是單個(gè)RAM單元共31個(gè)，每個(gè)單元組態(tài)為一個(gè)8位的字節(jié)，其命令控制字為C0HFDH，其中奇數(shù)為讀操作，偶數(shù)為寫操作；另一類為突發(fā)方式下的RAM寄存器，此方式下可一次性讀寫所有的RAM的31個(gè)字節(jié)，命令控制字為FEH(寫)、FFH(讀)。2.5.3 DS1302 與單片機(jī)的連接DS1302工作機(jī)理與MAX1487相似，與單片機(jī)的連接非常簡(jiǎn)單，具體連接如圖 2-9 所示。圖2-7 DS130

45、2與單片機(jī)的連接2.6 溫度控制電路設(shè)計(jì)溫控系統(tǒng)的精度不僅受制于輸入檢測(cè)量的精度，同時(shí)也受制于輸出控制量的精度，要提高整個(gè)系統(tǒng)的精度，必須使兩者匹配。工藝要求加熱時(shí)在升溫階段快速，采用較大的恒定功率，但隨著溫度偏差減少，逐漸減少定周期內(nèi)的導(dǎo)通周波。降低加熱功率，防止熱慣性的作用而產(chǎn)生較大的溫度超調(diào)?？刂破髂軌蚣皶r(shí)控制加熱器件在電源半波內(nèi)的輸入有效值?？煽毓枵{(diào)功控制溫度具有不沖擊電網(wǎng)，對(duì)用電設(shè)備不產(chǎn)生干擾等優(yōu)點(diǎn)，是一種應(yīng)用廣泛的控溫方式。所謂調(diào)功控溫就是在給定周期內(nèi)控制可控硅的導(dǎo)通時(shí)間，從而改變加熱功率，來實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)。目前，采用可控硅進(jìn)行功率調(diào)節(jié)的觸發(fā)方式有兩種：過零觸發(fā)和移相觸發(fā)。移相觸發(fā)方

46、式調(diào)功實(shí)際上是控制可控硅的導(dǎo)通角，達(dá)到調(diào)節(jié)功率的目的，此方式易造成電磁干擾且電路復(fù)雜。據(jù)文獻(xiàn)專門介紹22：采用移相觸發(fā)的可控硅交流調(diào)功裝置，往往在可控硅導(dǎo)通的瞬間使電網(wǎng)電壓出現(xiàn)畸變，當(dāng)控制角為90時(shí)，產(chǎn)生的三次諧波電流為基波電流的50，五次諧波也可達(dá)到基波的1/6。這些諧波分量引起電網(wǎng)電壓波形畸變，功率因數(shù)下降，給其它用電設(shè)備和通訊系統(tǒng)的工作帶來不良影響。為此，人們研究了各種避免電壓瞬間大幅度下降和抑制高次諧波的方法，過零觸發(fā)方式很好地解決了此類問題，它可把可控硅導(dǎo)通的起始點(diǎn)限制在電源電壓過零點(diǎn)，從而大大降低了諧波分量。MOTOROLA公司生產(chǎn)的MOC3021-3081器件可以很好地解決這些問

47、題。該器件用于觸發(fā)晶閘管，具有價(jià)格低廉、觸發(fā)電路簡(jiǎn)單可靠的特點(diǎn)。本系統(tǒng)采用MOC3061作為可控硅的驅(qū)動(dòng)器，控制可控硅的導(dǎo)通與關(guān)斷，改變平均電壓的大小值，形成最佳加熱方式，從而控制溫度的超調(diào)。MOC3061系列光電雙向可控硅驅(qū)動(dòng)器是一種光電耦合器件，它可用直流低電壓、小電流來控制交流高電壓、大電流。用該器件觸發(fā)晶閘管，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、觸發(fā)可靠等優(yōu)點(diǎn)。采用 MOC3061觸發(fā)晶閘管，強(qiáng)、弱的電之間在電氣上完全隔離，且可以直接可靠地觸發(fā)50A或更大的功率的晶閘管。經(jīng)軟件分析所得的控制脈沖送至 MOC3061，直接形成驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制可控硅的導(dǎo)通與關(guān)斷，改變平均電壓的大小值，形成最佳加熱方式，從

48、而控制溫度的超調(diào)，控制電路見附錄1圖 2-8 輸出電路設(shè)計(jì)電路中C8、R19為阻容吸收電路，MOC3061在輸出關(guān)斷下，有500uA的漏電流，串入R8這個(gè)限流電阻，可以控制觸發(fā)電流，消除漏電流對(duì)雙向可控硅的影響，防止雙向晶閘管的誤觸發(fā)。R13為限流電阻，R14為門極電阻，提高控制級(jí)的抗干擾性，電路中Q1集電極發(fā)出正弦過零出發(fā)脈沖。第三章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)硬件電路確定之后，系統(tǒng)的主要功能將依賴于軟件來實(shí)現(xiàn)。對(duì)同一個(gè)硬件電路，配以不同的軟件，它所實(shí)現(xiàn)的功能也就不同，而且有些硬件電路的功能可用軟件來替代。因此，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)很大程度上是軟件設(shè)計(jì)。在目前的單片機(jī)軟件開發(fā)中，常用的語言是匯編語言和C語言兩種。匯

49、編語言是一種用文字助記符來表示機(jī)器指令的符號(hào)語言，是最接近機(jī)器碼的一種語言。其主要優(yōu)點(diǎn)是占用資源少、程序執(zhí)行效率高。但是不同的CPU其匯編語言可能有所差異，所以不易移植。C語言是一種結(jié)構(gòu)化的高級(jí)語言。它兼顧了多種高級(jí)語言的特點(diǎn)，并具備匯編語言的功能。C語言有功能豐富的庫函數(shù)、運(yùn)算速度快、編譯效率高、有良好的可移植性，而且可以直接實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)硬件的控制，它支持當(dāng)前程序設(shè)計(jì)中廣泛采用的由頂向下結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)技術(shù)。此外，C語言程序具有完善的模塊程序結(jié)構(gòu)，從而為軟件開發(fā)中采用模塊化程序設(shè)計(jì)方法提供了有力的保障。因此，用C語言來編寫目標(biāo)系統(tǒng)軟件，會(huì)大大縮短開發(fā)周期，能有效增強(qiáng)軟件的可讀性，便于改進(jìn)和擴(kuò)充。

50、基于此，在本設(shè)計(jì)中程序開發(fā)采用C語言作為編程語言。3.1 軟件總體設(shè)計(jì)整個(gè)溫度控制系統(tǒng)不僅要處理按鍵、顯示和通信功能外，而且要實(shí)時(shí)處理對(duì)溫度的采集信息并處理。整個(gè)系統(tǒng)包括主模塊、初始化模塊、溫度檢測(cè)模塊、鍵盤處理模塊、顯示控制模塊、計(jì)時(shí)控制模塊、中斷服務(wù)模塊、控制算法模塊、輸出通斷率控制模塊等幾個(gè)部分，其軟件總體結(jié)構(gòu)圖如圖 3-1 所示。溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)也就是對(duì)控制程序的設(shè)計(jì)與調(diào)試。整個(gè)系統(tǒng)軟件相當(dāng)大，為了便于編寫、調(diào)試、修改，并使設(shè)計(jì)的軟件總體結(jié)構(gòu)合理，在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)采用了以下幾個(gè)措施：(1) 根據(jù)軟件功能的要求，將系統(tǒng)軟件分成若干個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部分。各功能程序?qū)崿F(xiàn)模塊化，在各模塊間通

51、過軟件接口連接，原則是模塊內(nèi)數(shù)據(jù)關(guān)系緊湊，模塊間數(shù)據(jù)關(guān)系松散；(2) 編寫軟件前，繪制出相應(yīng)的程序流程圖，這不僅是程序設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成部分，而且是決定程序設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵部分；(3) 合理分配系統(tǒng)資源，包括定時(shí)/計(jì)數(shù)器，中斷源等；(4) 為了提高程序的可讀性，在程序的有關(guān)位置進(jìn)行功能注釋。圖 3-1 軟件總體結(jié)構(gòu)3.2 主程序設(shè)計(jì)上電或復(fù)位后系統(tǒng)，首先進(jìn)行系統(tǒng)自檢，診斷正常后各功能模塊進(jìn)行初始化，接著進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過數(shù)字濾波、標(biāo)度變換后，計(jì)算溫度偏差及偏差變化率的大小，再由控制算法模塊得到輸出控制量。系統(tǒng)開放定時(shí)器及外部中斷，一旦發(fā)生中斷或其他外部響應(yīng)，首先判斷是哪個(gè)響應(yīng)源，然后調(diào)用相應(yīng)的功

52、能模塊完成執(zhí)行程序，監(jiān)控程序流程如圖 3-2。 圖 3-2 主程序流程圖3.3 溫度檢測(cè)及處理程序設(shè)計(jì)溫度檢測(cè)采用K型熱電偶轉(zhuǎn)換器MAX6675完成，由MAX 6675構(gòu)成的溫度檢測(cè)電路具有控制程序易于編寫，讀數(shù)精確度高等優(yōu)點(diǎn)。MAX6675的轉(zhuǎn)換結(jié)果與溫度的數(shù)量關(guān)系滿足實(shí)際溫度值=1023.75×熱電偶轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量4095 （3-1）MAX 6675芯片實(shí)現(xiàn)了對(duì)熱電偶輸出的電壓信號(hào)的放大、冷端補(bǔ)償和線性化的自動(dòng)處理，所以其轉(zhuǎn)換程序比較簡(jiǎn)單，程序流程如圖 3-3 所示。程序見附錄2 圖 3-3 溫度檢測(cè)控制程序流程圖3.4 按鍵檢測(cè)程序設(shè)計(jì)操作者要進(jìn)行參數(shù)（P、I、D和保溫時(shí)間等）

53、的設(shè)定或狀態(tài)切換，必需通過按鍵（鍵盤）來實(shí)現(xiàn)，按鍵（鍵盤）是人機(jī)聯(lián)系的重要通道。鍵盤處理程序的主要任務(wù)是進(jìn)行有無按鍵按下的判斷并獲取鍵值，根據(jù)鍵值轉(zhuǎn)入相應(yīng)的按鍵控制程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的控制操作。一個(gè)按鍵處理的流程有如下幾步內(nèi)容：(1) 首先鍵盤掃描，判斷是否有鍵按下。P1口的第04位分別接5個(gè)按鍵。程序在初始化時(shí)指定P1口為輸入功能，讀P1口的低5位是否全為一，是則無鍵按下，否則有鍵按下；(2) 去抖動(dòng)處理。在按鍵被按下與釋放時(shí)，由于機(jī)械觸點(diǎn)的彈性及電壓突變等原因，在觸點(diǎn)閉合或斷開的瞬間會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)，抖動(dòng)會(huì)引起按鍵功能的實(shí)現(xiàn)出現(xiàn)誤操作。因此，必須對(duì)抖動(dòng)進(jìn)行處理（去抖動(dòng)），去抖動(dòng)有硬件與軟件兩種方法，

54、在本次設(shè)計(jì)中采用軟件去抖動(dòng)的方法。抖動(dòng)的時(shí)間一般在1020ms，只要調(diào)用延時(shí)程序跳過1020ms 重新在對(duì)按鍵的狀態(tài)進(jìn)行判斷，信號(hào)仍保持，就認(rèn)為本次按鍵有效；(3) 鍵值的計(jì)算。軟件去抖動(dòng)之后再進(jìn)行一次鍵盤掃描，若仍有按鍵按下就計(jì)算閉合鍵鍵值，程序轉(zhuǎn)向?qū)?yīng)控制功能去執(zhí)行。計(jì)算方法直接讀取P1口的低5位的電平，無鍵按下則返回。若為11110，則S5（左移）鍵按下；11101則S4（右移）鍵按下；11011則S3（增一）鍵按下；10111則S2（減一）鍵按下；01111則S1（SET設(shè)置）鍵按下，其他則視為無效按鍵返回，變量key_value存放鍵值，key_value=0xff 表示無鍵或非法按

55、鍵，程序?qū)︽I值進(jìn)行判斷處理后調(diào)用不同的控制子程序；(4) 等待鍵釋放。計(jì)算鍵值以后，要進(jìn)行延時(shí)操作等待鍵釋放，其目的是為了保證鍵的一次閉合僅進(jìn)行一次處理。按鍵檢測(cè)程序見附錄2圖 3-4 按鍵檢測(cè)程序流程圖3.5 計(jì)時(shí)程序設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中采用DALLAS公司生產(chǎn)的時(shí)鐘芯片DSl302來完成計(jì)時(shí)程序，計(jì)時(shí)程序的作用是使系統(tǒng)的各種運(yùn)行狀態(tài)嚴(yán)格按照設(shè)定時(shí)間進(jìn)行，其流程圖如圖 3-5 圖 3-5 DS1302 計(jì)時(shí)流程圖DS1302讀寫時(shí)序要求比較嚴(yán)格，包含位與字節(jié)數(shù)據(jù)的讀寫，得到的時(shí)間信息保存在數(shù)ucCurtime中，具體設(shè)置碼見附錄2。3.6 顯示程序設(shè)計(jì)控制面板要顯示的內(nèi)容比較多總計(jì)有13個(gè)7段數(shù)碼管，為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，采用兩片MAX7219級(jí)聯(lián)方式來驅(qū)動(dòng)控制所有的數(shù)碼管，MAX7219須進(jìn)行初始化設(shè)置后才能正常工作，MAX7219相關(guān)的常量與函數(shù)見附錄23.7 定時(shí)中斷程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)用到了T0和T1兩個(gè)定時(shí)器，其中定時(shí)器T1作為串口通信的波特率發(fā)