電阻爐爐溫控制系統(tǒng)的研制

1、中文摘要摘 要 電阻爐作為工業(yè)爐窯中的一種常用的加熱設(shè)備被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。對(duì)電阻爐溫度控制精確與否將直接影像到產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。電阻爐是一種具有純滯后的大慣性系統(tǒng)，開關(guān)爐門，加熱材料，環(huán)境溫度以及電網(wǎng)電壓等都影像控制過程，傳統(tǒng)的電阻爐控制系統(tǒng)大多建立在一定的模型基礎(chǔ)上，難以保證加熱要求。本文將PID控制算法引入到傳統(tǒng)的電阻爐控制系統(tǒng)中，借此提高其控制效果。設(shè)計(jì)一個(gè)控制精度高，運(yùn)行穩(wěn)定的電阻爐溫度控制系統(tǒng)是很有必要的。本設(shè)計(jì)是以電阻爐溫度為被控對(duì)象，單片機(jī)為核心的一種控制系統(tǒng)。其中以K型熱電偶作為溫度傳感器。AT89c51單片機(jī)為控制核心，PID運(yùn)算規(guī)律作為控制算法。文化中詳細(xì)介紹了

2、該控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)。軟件電路設(shè)計(jì)及PID控制算法。在對(duì)電阻爐溫度控制系統(tǒng)的研究之后，本設(shè)計(jì)主要完成溫度控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)，硬件原理圖的繪制，信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)，固態(tài)繼電器的應(yīng)用及溫度控制電路的設(shè)計(jì)同時(shí)也完成了系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)，并通過軟件完成了對(duì)溫度的控制功能。關(guān)鍵詞：電阻爐 溫度控制 PID算法 單片機(jī)IAbstractThe Design of Temperature Control System of Resistance FurnaceAbstractResistance furnace was widely used in industrial production,the ef

3、fect of the temperature control of Resistance furnace has a direct impact on product quality and productivity. Therefore, the design of high-precision control and stable operation of the resistance furnace temperature control system has a high application value.In this design, the resistance furnace

4、 as a controlled object,singlechip as the design of a control unit. Which type of thermocouple temperature sensor as K,AT89c51 microcontroller as control core and PID control algorithm for operation rule, This paper introduces the control system of the hardware circuit, software design and the PID c

5、ontrol algorithm.On the resistance furnace temperature control system, the design of the main completed the overall scheme of the temperature control system design, hardware circuit principle diagram, the signal of the temperature contral circuit design of the system ,meanwhile finish the program de

6、sign, through the software control to complete the function of temperature control.Key words：The resistance furnace Temperature control PID control Single-chip microcompII目錄目 錄第一章緒論11.1課題研究的背景意義11.2課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及趨勢21.3本文的主要內(nèi)容3第二章 總體設(shè)計(jì)及其方案論證52.1設(shè)計(jì)工藝流及其要求52.2 不同方案比較52.3 研究內(nèi)容62.3.1 設(shè)計(jì)原理62.3.2 方框圖62.3.3 系統(tǒng)組

7、成72.3.4 控制算法7第三章 硬件設(shè)計(jì)93.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理93.2 單片機(jī)的選擇103.2.1 單片機(jī)AT89c51的介紹103.2.1.1 AT89C51單片機(jī)的功能特性103.2.1.2 AT89C51單片機(jī)的基本組成113.2.1.3 AT89C51單片機(jī)引腳及其功能123.2.1.4 單片機(jī)的復(fù)位電路133.2.1.5 單片機(jī)的時(shí)鐘電路143.3 前向通道設(shè)計(jì)153.3.1 溫度檢測電路設(shè)計(jì)153.3.1.1 K型熱電偶的介紹153.4 后向通道設(shè)計(jì)213.4.1 溫度控制電路213.4.2 繼電器的工作原理和特性223.4.3 繼電器主要產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)233.4.4 繼電器測試2

8、33.4.5 繼電器的電符號(hào)和觸點(diǎn)形式243.4.6 繼電器的選用243.5 外圍接口電路設(shè)計(jì)253.5.1 顯示電路設(shè)計(jì)253.5.2 鍵盤電路設(shè)計(jì)263.5.3 報(bào)警電路設(shè)計(jì)283.5.4 通信電路設(shè)計(jì)283.6 電源設(shè)計(jì)293.7 抗干擾設(shè)計(jì)303.7.1 抗干擾渠道303.7.2 抗干擾措施30第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)324.1設(shè)計(jì)思路3214.2程序設(shè)計(jì)384.1.1 程序設(shè)計(jì)384.1.2 顯示字程序設(shè)444.1.3 按鍵字程序494.1.4 PID算法子程序54總結(jié)58致謝59參考文獻(xiàn)602長春工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)論文28第一章 緒論電阻爐是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常用的電加熱設(shè)備,廣泛應(yīng)用于冶金

9、、化工、電力工程、造紙、機(jī)械制造、建材和食品加工等諸多生產(chǎn)過程中，而大功率的電阻爐則應(yīng)用在各種工業(yè)生產(chǎn)過程中。在生產(chǎn)過程中要對(duì)各類加熱爐、熱處理、反應(yīng)爐和鍋爐的溫度進(jìn)行檢測和控制，所以溫度是工業(yè)控制的對(duì)象中比較重要的參數(shù)之一。電阻爐是工業(yè)爐的其中之一，是利用電流通過電熱體元件將電能轉(zhuǎn)化為熱能來加溫或熔化工件或者物料的加工設(shè)備。然而，大多數(shù)電阻爐存在著各種干擾因素，將會(huì)給工業(yè)生產(chǎn)帶來極大的不便。因此，在電阻爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量考慮到如何有效地避免各種干擾因素而采用一個(gè)較好的控制方案，選擇合適的芯片及控制算法是非常有必要的。隨著單片機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，通過單片機(jī)對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制日益成為今

10、后自動(dòng)控制領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向。本設(shè)計(jì)要求采用單片機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)電阻爐溫度控制系統(tǒng)。1.1課題研究的背景意義近幾年來，我國以信息化帶動(dòng)的工業(yè)化正在蓬勃發(fā)展，溫度已成為工業(yè)對(duì)象控制中一種重要的參數(shù)，特別是在冶金，化工，機(jī)械等各類工業(yè)中，廣泛使用各種加熱爐，熱處理爐，反應(yīng)爐等。由于爐子的種類及原理不同，因所采用的加熱方法及燃料也不同，如煤氣，天然氣，油電等。對(duì)于不同生產(chǎn)情況和工藝要求下的溫度控制，所采用的加熱方式，選用的燃料，控制方案也有所不同。例如冶金，機(jī)械，食品，化工等各類工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的各種加熱爐，熱處理爐，反應(yīng)爐等；燃料有煤氣，天然氣，油，電等；控制方案有直接數(shù)字控制（DDC）,推斷控制

11、，預(yù)測控制，模糊控制（Fuzzy），專家控制（Exper Control），魯棒控制（Robust Control），推理控制等。隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的控制方式已不能滿足高精度，高速度的控制要求，如溫度控制表溫度接觸器，其主要缺點(diǎn)是溫度波動(dòng)范圍大，由于他主要通過控制接觸器的通斷時(shí)間比例來達(dá)到改變加熱功率的目的，受儀表本身的誤差和交流接觸器的壽命限制，通斷頻率很低。近幾年來快速發(fā)展了多種先進(jìn)的溫度控制方式，如：PID控制，模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及遺傳算法控制等。這些控制技術(shù)大大的提高了控制精度，不但使控制變得簡單，而且使產(chǎn)品的質(zhì)量更好，降低了產(chǎn)品的成本，提高了生產(chǎn)效率。單片微型計(jì)算機(jī)的功能不

12、斷的增強(qiáng)，為先進(jìn)的控制算法提供的載體，許多高性能的新型機(jī)種應(yīng)運(yùn)而生。單片機(jī)以其功能強(qiáng)，體積小，可靠性高，造價(jià)低和開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，成為自動(dòng)化領(lǐng)域和其他測控領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的器件，在工業(yè)生產(chǎn)中成為必不可少的器件。在溫度控制系統(tǒng)中，單片機(jī)更是起到了不可代替的核心作用。像用于熱處理的加熱爐，用于融化金屬的坩堝電阻爐等類似工業(yè)用加熱爐中都可以廣泛應(yīng)用，隨著生產(chǎn)的發(fā)展，在工業(yè)中，一些設(shè)備對(duì)溫度的控制要求越來越高，而本文則以單片機(jī)為核心，PID算法為控制方式而設(shè)計(jì)的電阻爐溫度控制系統(tǒng)。1.2課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及趨勢當(dāng)前，隨著電氣信息技術(shù)在加熱爐系統(tǒng)中的應(yīng)用，發(fā)達(dá)國家如美國，德國，日本，澳大利亞等成功開發(fā)了一

13、些列用途廣泛，功能極強(qiáng)的溫度控制器，隨著電力資源的日趨緊張及信息技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的爐溫控制系統(tǒng)不僅具有廣闊的市場前景，而且具有巨大的社會(huì)效益。國外在爐溫自動(dòng)控制技術(shù)和設(shè)備的研究上發(fā)展迅速，美國微型電子計(jì)算機(jī)的普及和單片機(jī)的應(yīng)用使自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)生了根本的變化，因而達(dá)到了較高的自動(dòng)化程度?，F(xiàn)在已有許多由單片機(jī)控制的儀器設(shè)備，使電阻絲加熱和溫度控制完全自動(dòng)連續(xù)的進(jìn)行。德國是世界上爐溫控制技術(shù)最先進(jìn)的國家之一，加熱爐系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高度的自動(dòng)化，都由單片機(jī)或PLC控制。在我國，節(jié)約電力資源的潛力非常大。據(jù)有關(guān)國際組織發(fā)表的資料顯示：中國的單位國民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值所消耗的電是美國的4倍左右。由于我國人

14、口基數(shù)大，所以人均占有資源相對(duì)很少。在我國一方面電力供應(yīng)緊張，而另一方面，電的浪費(fèi)十分嚴(yán)重。特別是用于傳統(tǒng)工業(yè)電熱爐加熱方面對(duì)電力資源的利用極為不合理。在對(duì)目前幾種傳統(tǒng)電加熱方式做比較后我們發(fā)現(xiàn)，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)：1,電磁繼電器控制，即操作人員用過電磁繼電器來控制加熱爐電源開關(guān)的閉合來控制加熱爐的加熱過程它要求操作人員對(duì)加熱爐和工作狀態(tài)實(shí)行實(shí)時(shí)檢測。這種方式開關(guān)速度慢，溫度變化慣性大，控制效果不理想。不僅效率低浪費(fèi)大量的人力資源和電力資源，而且不能實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的精確控制。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)可靠性高。2,常規(guī)智能控制系統(tǒng)，目前應(yīng)用比較廣泛的是在以單片機(jī)或PLC為核心的控制系統(tǒng)中采用常規(guī)算法（如PI

15、D算法）來實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫的智能控制。這種系統(tǒng)自動(dòng)化程度較高。然而由于加熱爐具有大慣性純滯后等非線性以及時(shí)變的特點(diǎn)，爐門的開關(guān)及電網(wǎng)等都影響控制過程。而基于精確數(shù)學(xué)模型的常規(guī)控制難以滿足加熱工藝曲線的要求?？v觀國際和國內(nèi)爐溫自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，國外在爐溫自動(dòng)控制技術(shù)方面的研究比較深入，憑借雄厚的科技實(shí)力，先進(jìn)的生產(chǎn)工藝，嚴(yán)格的質(zhì)量控制和對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的刻意追求和先進(jìn)的技術(shù)，因地制宜的解決方案，豐富的工業(yè)知識(shí)，其產(chǎn)品遍布世界十多個(gè)國家和地區(qū)。國外一些溫控系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制的量比較多，成本較高，安裝，維護(hù)過程都很復(fù)雜很不適合阿紫我國鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)使用。而我國國內(nèi)制造的加熱設(shè)備，成本相對(duì)低廉，所控制的量比較

16、少，能實(shí)現(xiàn)基本量的控制，但是由于絕大多采用的是普通的繼電器控制系統(tǒng)，調(diào)試，維護(hù)困難，靈敏度不夠高，不能實(shí)現(xiàn)定時(shí)的精確控制，而且產(chǎn)品產(chǎn)品先天性不足，使用壽命短，其產(chǎn)品市場占有率很低。本文采用的基于單片機(jī)的自動(dòng)化控制加熱系統(tǒng)是將自動(dòng)控制與電加熱系統(tǒng)有機(jī)的結(jié)合起來，使加熱系統(tǒng)在無人干預(yù)的情況下通過控制器按規(guī)定的程序或指令實(shí)現(xiàn)對(duì)電加熱的自動(dòng)控制。以單片機(jī)為核心的小型自控系統(tǒng)具有造價(jià)低廉，可靠性高適用于各種環(huán)境下運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)，并且在系統(tǒng)硬件組成不變的情況下通過更改軟件設(shè)置來適應(yīng)多種運(yùn)行方式的需要，是傳統(tǒng)繼電器控制的理想替代品。尤其是在中小規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)無人值守或半無人值守具有廣闊的應(yīng)用前景和使用價(jià)值。

17、總的來說，在智能溫度測量與控制電器中，單片機(jī)起了智能控制部件作用。它的存在，提高了電氣的品質(zhì)，增加了智能溫度測量與控制電器的功能；并在智能溫度測量與控制電器中執(zhí)行模擬人類智能的進(jìn)程。隨著智能控制理論和人工智能研究的深入，各種更加逼真地模擬人類智能的智能溫度測量與控制電器會(huì)更多的出現(xiàn)，而單片機(jī)和智能理論的結(jié)合，將來不但更多的改進(jìn)現(xiàn)行智能溫度測量與控制電器，而且將會(huì)產(chǎn)生全新的智能溫度測量與控制電器。1.3本文的主要內(nèi)容本研究內(nèi)容以電阻爐為研究對(duì)象，針對(duì)電阻爐的溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。論文將闡述電阻爐溫度控制的幾種不同算法及區(qū)別，從而得出一種最優(yōu)算法。設(shè)計(jì)并開發(fā)以單片機(jī)為控制核心，外置數(shù)據(jù)采集電路、功

18、率控制電路、鍵盤與顯示電路和報(bào)警電路等電路的硬件設(shè)計(jì)。從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)、顯示，系統(tǒng)的故障自診斷，超限報(bào)警等功能。本設(shè)計(jì)完成后實(shí)現(xiàn)一種硬件電路簡單、控制算法先進(jìn)、系統(tǒng)優(yōu)良的新型溫度控制系統(tǒng)。使系統(tǒng)具有較高的控制精度以及較高的靈活性和可靠性。設(shè)計(jì)要求：可根據(jù)獨(dú)立鍵盤按鍵設(shè)定目標(biāo)溫度，實(shí)現(xiàn)溫度的調(diào)試，能夠通過LCD顯示器顯示控溫時(shí)的實(shí)際爐溫和恒溫時(shí)間等信息。 設(shè)計(jì)內(nèi)容：應(yīng)用計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和溫度測量技術(shù)，采用單片機(jī)、溫度檢測電路、溫度控制電路等，實(shí)現(xiàn)電阻爐爐溫的實(shí)時(shí)監(jiān)控。采用單片機(jī)及相應(yīng)的組成部件完成電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)包括硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序設(shè)計(jì)。硬件電路包括AT89C51

19、單片機(jī)介紹，溫度檢測電路，LCD顯示電路，鍵盤輸入電路，時(shí)鐘電路，輔助電路。軟件設(shè)計(jì)包括鍵盤按鍵電路軟件設(shè)計(jì)及LCD顯示電路的軟件設(shè)計(jì)。第二章 總體設(shè)計(jì)及其方案論證2.1設(shè)計(jì)工藝流及其要求本設(shè)計(jì)是單片機(jī)定時(shí)對(duì)電阻爐溫度進(jìn)行檢測，經(jīng)過放大和A/D轉(zhuǎn)換得到相應(yīng)的數(shù)字量，再送到單片機(jī)進(jìn)行判斷和運(yùn)算，得到相應(yīng)的控制量來控制執(zhí)行部件，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制，同時(shí)又具有鍵盤輸入和顯示溫度等功能。主要技術(shù)指標(biāo)：（1） 電阻爐爐溫控制范圍：4001000（2） 系統(tǒng)的控溫精度為±2（3） 越上下限報(bào)警處理2.2 不同方案比較現(xiàn)有三種可行方案對(duì)電阻爐進(jìn)行爐溫控制：方案一： 采用8031單片機(jī)，16K電擦

20、寫程序存儲(chǔ)器、鍵盤及顯示器接口電路以及并行I/O芯片8255等組成。系統(tǒng)把傳感器送來的溫度信號(hào)進(jìn)行放大、比較、運(yùn)算等后再輸出控制信號(hào)，觸發(fā)執(zhí)行裝置，實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)控制。同時(shí)還實(shí)現(xiàn)多種溫度傳感器的轉(zhuǎn)換、調(diào)零、調(diào)幅的軟調(diào)整等功能。8031內(nèi)部包括1個(gè)8位CPU、128B RAM,21個(gè)特殊功能寄存器（SFR）、4個(gè)8位I/O口、1個(gè)全雙工串行口，2個(gè)16位定時(shí)器、計(jì)數(shù)器，但片內(nèi)無程序存儲(chǔ)器，需外擴(kuò)EPROM芯片。方案二：采用PLC作為控制電路的核心，其他部分采用和方案二同樣的設(shè)計(jì)。這種方案不僅具有和方案二同樣的控制精度，而且整個(gè)電路的穩(wěn)定性比方案二更高，但是PLC的價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單片機(jī)，其不適合大批

21、量的生產(chǎn)，所以考慮價(jià)格因素，此種方案不宜選擇。方案三：采用AT89C51單片機(jī),它是一個(gè)低功耗、高性能的含有4KB閃存儲(chǔ)器的8位CMOS單片機(jī)，時(shí)鐘頻率高達(dá)20MHz,與MCS-51的指令系統(tǒng)和引腳完全兼容。系統(tǒng)是由AT89C51單片機(jī)，溫度檢測放大電路、A/D轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)、鍵盤及顯示電路、固態(tài)繼電器控溫電路等組成的控制器和被控對(duì)象電阻爐構(gòu)成的一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的工作過程 ：溫度檢測及變換電路把溫度轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，經(jīng) A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送到單片機(jī)中，并與給定值(對(duì)應(yīng)著所要控制的溫度值)進(jìn)行比較，其偏差被 PID程序計(jì)算出輸出控制量，PWM調(diào)制出相應(yīng)的波形從而改變電阻爐單位時(shí)間內(nèi)電壓導(dǎo)通

22、的百分比即改變電阻爐的平均輸入功率，以此來達(dá)到控溫目的綜合以上分析，我采用方案三。系統(tǒng)控制核心采用單片機(jī)AT89c51、此外還包括溫度檢測電路、鍵盤、顯示電路、溫度控制電路等部分組成。2.3 研究內(nèi)容2.3.1 設(shè)計(jì)原理系統(tǒng)的控制核心由單片機(jī)AT89C51來實(shí)現(xiàn)；溫度信號(hào)的采集采用K型熱電偶傳感器，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換部分采用MAX6675，MAX6675是K型熱電偶串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它能獨(dú)立完成信號(hào)放大、冷端補(bǔ)償、線性化、A/D轉(zhuǎn)換及SPI串行口數(shù)字化輸出功能，大大簡化了熱電偶測量智能裝置的軟/硬件設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量與爐溫的給定值數(shù)字化后進(jìn)行比較，即可得到實(shí)際爐溫和給定爐溫的偏差；爐溫的設(shè)定值由鍵盤輸入

23、。由單片機(jī)構(gòu)成的數(shù)字控制器按最小拍進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算出所需要的控制量?？刂破鞯妮敵鼋?jīng)標(biāo)度變換后送給由P1.5通過T0送至固態(tài)繼電器，從而改變電阻爐單位時(shí)間內(nèi)電壓導(dǎo)通的百分比,從而控制電阻爐加熱功率，起到調(diào)溫的作用。此外，該智能控制器還包括與上位機(jī)的通訊接口，數(shù)據(jù)顯示電路等。2.3.2 方框圖 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如下：圖2.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖2.3.3 系統(tǒng)組成系統(tǒng)由三部分構(gòu)成，分別是前向通道，后向通道和外圍接口電路。前向通道就是我們所說的溫度采集電路部分，溫度采集電路部分由傳感器，溫度檢測電路和A/D轉(zhuǎn)換電路組成。后向通道就是我們所說的溫度控制電路，溫度控制電路部分由控制信號(hào)，固態(tài)繼電器和電阻絲組

24、成。外圍接口電路部分由鍵盤，顯示，聲光報(bào)警和人機(jī)通訊組成。2.3.4 控制算法根據(jù)爐溫對(duì)給定溫度的偏差，自動(dòng)接通或斷開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)定有給定溫度范圍，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)過程，比較實(shí)際爐溫和需要爐溫得到偏差，通過對(duì)偏差的處理獲得控制信號(hào)，去調(diào)節(jié)電阻爐的熱功率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫的控制。按照偏差的比例、積分和微分產(chǎn)生控制作用（PID控制），是過程控制中應(yīng)用最廣泛的一種控制形式。系統(tǒng)控制程序采用兩重中斷嵌套方式設(shè)計(jì)。首先使T0計(jì)數(shù)器產(chǎn)生定時(shí)中斷，作為

25、本系統(tǒng)的采樣周期。在中斷服務(wù)程序中啟動(dòng)A/D，讀入采樣數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)字濾波、上下限報(bào)警處理，PID計(jì)算，然后輸出控制脈沖信號(hào)。脈沖寬度由T1計(jì)數(shù)器溢出中斷決定。在等待T1中斷時(shí)，將本次采樣值轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的溫度值放入顯示緩沖區(qū)，然后調(diào)用顯示子程序。從T1中斷返回后，再從T0中斷返回主程序并且、繼續(xù)顯示本次采樣溫度，等待下次T0中斷。二位式調(diào)節(jié)-它只有開、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；當(dāng)爐溫高于給定值時(shí)執(zhí)行器全閉。 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；當(dāng)爐溫在上、下限給定值之間時(shí)執(zhí)行器部分開啟；當(dāng)爐溫超過上限給定值時(shí)執(zhí)行器全閉。（如管狀加熱器為加熱元件時(shí)，

26、可采用三位式調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)加熱與保溫功率的不同）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=k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-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)，爐溫不能加復(fù)到給定值時(shí)的偏差-稱“靜差”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)間的增長而增強(qiáng)，直到偏差消除才無輸出信號(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).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)過程增長，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)

27、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)。第三章 硬件設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理系統(tǒng)由AT89c51、溫度檢測電路、按鍵電路、液晶顯示及報(bào)警電路、時(shí)鐘電路、溫度控制電路等部分組成。單片機(jī)AT89C51鍵盤顯示報(bào)警通訊溫度檢測電路傳感器電阻爐溫度控制圖3.1 系統(tǒng)的整體框圖本設(shè)計(jì)主要是以硬件設(shè)計(jì)以及簡單的編寫系統(tǒng)的主程序，用單片機(jī)進(jìn)行溫度控制，同時(shí)采用一種高精度的集成芯片來完成A/D轉(zhuǎn)換以及一些輔助電路的功能，使系統(tǒng)獲得良好的性能指標(biāo)，

28、電路設(shè)計(jì)簡單，精度高，控制效果好等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)提高生產(chǎn)效率刺激科技進(jìn)步等方面具有重要意義。 溫度傳感器：能感受溫度并能轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器。按測量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類，按照傳感器材料及電子元件特性分為熱電阻和熱電偶兩類，按照傳感器材料及電子元件特性分為熱電阻和熱電偶兩類。由于熱電阻所感受的物體溫度一般都是比較低的，而工業(yè)生產(chǎn)（如機(jī)械制造，冶金）中電阻爐加熱的上限溫度非常高，所以一般不用于工業(yè)生產(chǎn)中。所以傳感器要選擇熱電偶來傳達(dá)電阻爐的實(shí)時(shí)溫度。 溫度檢測電路：溫度檢測系統(tǒng)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中的使用是相當(dāng)廣泛的，系統(tǒng)往往需要對(duì)控制內(nèi)部或者外部的溫度進(jìn)行檢測，并根據(jù)條件的 變化進(jìn)行處理，

29、如補(bǔ)償某些參數(shù)，實(shí)現(xiàn)某種控制和處理。進(jìn)行超高溫警告等。因此對(duì)所監(jiān)控的環(huán)境溫度進(jìn)行精確檢測是非常必要的，尤其是一些對(duì)溫度檢測精度要求很高的控制系統(tǒng)更是如此。在工業(yè)上溫度檢測電路是非常重要的，它能及時(shí)的把溫度反饋給單片機(jī)，在計(jì)算機(jī)的控制下把溫度反饋給顯示電路以便及時(shí)的顯示當(dāng)下的溫度，在和設(shè)定的溫度進(jìn)行比較，如果溫度超過上限溫度，則會(huì)觸發(fā)報(bào)警電路，便于值班人員進(jìn)行檢修，以保證正常的生產(chǎn)。液晶顯示：用于顯示電阻爐的實(shí)時(shí)溫度，便于人工和自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)溫度的監(jiān)控，當(dāng)出現(xiàn)超出上限溫度的時(shí)候及時(shí)反饋給系統(tǒng)或值班人員，也可顯示設(shè)定時(shí)間，實(shí)際時(shí)間，使工作人員能更清楚和準(zhǔn)確的了解電阻爐當(dāng)前的運(yùn)行情況。鍵盤：是人工設(shè)

30、定時(shí)間，溫度等的輸入通道，單片機(jī)I/O接口控制，通過鍵盤錄入設(shè)定時(shí)間，設(shè)定溫度，有的按鍵在不同的情況下可以實(shí)現(xiàn)不同的功能。溫度控制電路：在設(shè)定溫度與反饋過來的電阻溫度出現(xiàn)偏差，單片機(jī)觸發(fā)溫度控制電路，調(diào)節(jié)電阻爐的溫度，直至達(dá)到生產(chǎn)要求的溫度。3.2 單片機(jī)的選擇3.2.1 單片機(jī)AT89c51的介紹單片機(jī)自20世紀(jì)70年代問世以來，以其極高的性能價(jià)格比，受到人們的重視和關(guān)注，應(yīng)用很廣，發(fā)展很快。單片機(jī)體積小，重量輕，抗干擾能力強(qiáng)，環(huán)境要求不高，價(jià)格低廉，可靠性高，靈活性好。由于具有以上優(yōu)點(diǎn)，單片機(jī)被廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，如工業(yè)控制系統(tǒng)、智能化儀表、自動(dòng)檢測、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等各個(gè)方面。本設(shè)計(jì)采用MC

31、S-51系列單片機(jī)AT89C51作為控制機(jī)構(gòu)的核心。AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲(chǔ)器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，可以按照常規(guī)辦法進(jìn)行編程，也可以在線編程。外形及引腳排列如圖3.2所示。圖3.2 單片機(jī)AT89C51的引腳圖3.2.1.1 AT89C51單片機(jī)的功能特性·與MCS-51 兼容 ·4K字節(jié)可編程FLASH存儲(chǔ)器 ·壽命：1000寫/擦循環(huán) ·數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年 ·全靜態(tài)工作：0Hz-24MHz

32、·三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定 ·128×8位內(nèi)部RAM ·32可編程I/O線 ·兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 ·5個(gè)中斷源 ·可編程串行通道 ·低功耗的閑置和掉電模式 ·片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路3.2.1.2 AT89C51單片機(jī)的基本組成1CPU：CPU是單片機(jī)的核心部分，CPU包括兩個(gè)基本部分：運(yùn)算器和控制器。運(yùn)算器：運(yùn)算器即算術(shù)邏輯運(yùn)算單元ALU（Arithmetic Logic Unit）是進(jìn)行算術(shù)或邏輯運(yùn)算的部件?？蓪?shí)現(xiàn)算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。操作的結(jié)果一般送回累加器 ACC（Accumulator），而其狀態(tài)信息

33、送至程序狀態(tài)寄存器PSW（Program Status Word）?？刂破鳎嚎刂破魇怯脕砜刂朴?jì)算機(jī)工作的部件?？刂破鹘邮諄碜源鎯?chǔ)器的指令，使各部分協(xié)調(diào)工作，完成指令所規(guī)定的操作。2內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器：AT89C51芯片內(nèi)共有256B（地址為：00HFFH）的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，其中高128B（地址為：80HFFH）被專用寄存器占用，能作為寄存器供用戶使用的只是低128B（地址為：00H7FH），用于存放可讀寫的數(shù)據(jù)，如程序執(zhí)行過程中的變量。3內(nèi)部程序存儲(chǔ)器：AT89C51共有4KB（地址為：0000H0FFFH）的flash程序存儲(chǔ)器，用于存放程序、原始數(shù)據(jù)或表格常數(shù)。4定時(shí)/計(jì)數(shù)器：定時(shí)計(jì)數(shù)器AT89C

34、51共有兩個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，每個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器都可以設(shè)置成計(jì)數(shù)方式，用于對(duì)外部事件進(jìn)行計(jì)數(shù)；也可以設(shè)置成定時(shí)方式，并可以根據(jù)計(jì)數(shù)或定時(shí)的結(jié)果實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)運(yùn)行的控制。5并行I/O口：并行口共有4個(gè)8位的I/O口（P0、Pl、P2、P3）。每個(gè)8 位的口，既可用作輸入口，也可用作輸出口，每個(gè)口即可以8位同步讀寫，又可對(duì)每一位進(jìn)行單獨(dú)的操作，十分的方便。6串行口：AT89C51單片機(jī)有一個(gè)全雙工的串行接口，以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和其他設(shè)備之間的串行數(shù)據(jù)傳送。該串行口功能較強(qiáng)，既可作為全雙工異步通信收發(fā)器使用，也可作為同步移位器使用。7中斷控制系統(tǒng)：AT89C51單片機(jī)有較強(qiáng)的中斷系統(tǒng)，可以滿足控制應(yīng)用的

35、需要。AT89C51的中斷系統(tǒng)有5個(gè)中斷源，包括兩個(gè)外中斷、 兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)中斷和一個(gè)串行口中斷。 8時(shí)鐘電路：AT89C51芯片的內(nèi)部有時(shí)鐘電路，但石英晶體和微調(diào)電容需外接。時(shí)鐘電路為單片機(jī)產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖序列。3.2.1.3 AT89C51單片機(jī)引腳及其功能（1） 主電源引腳VCC和GNDVCC：供電電壓。GND：接地。（2） 輸入/輸出（I/O)引腳P0、P1、P2和P3P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P0口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入

36、口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)

37、據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。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門電流。當(dāng)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AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： 管腳 （備選功能） P3.0 RXD（串行輸入口） P3.1 TXD（串行輸出口） P3.2 /INT0（

38、外部中斷0） P3.3 /INT1（外部中斷1） P3.4 T0（記時(shí)器0外部輸入） P3.5 T1（記時(shí)器1外部輸入） P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通） P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） 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)。（三）控制信號(hào)引腳RST、ALE/PROG、/PSEN、/EA/VPPRST：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。ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的

39、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，置位無效。/PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。/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（0000HFFFFH），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

40、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）。（四）時(shí)鐘電路引腳XTAL1和XTAL2XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)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(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)的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。3.2.1.4 單片機(jī)的復(fù)位電路手動(dòng)復(fù)位電路：為確

41、保單片機(jī)系統(tǒng)中電路穩(wěn)定可靠工作，復(fù)位電路是必不可少的一部分，復(fù)位電路的第一功能是上電復(fù)位。一般單片機(jī)電路正常工作需要供電電源為5V±5%，即4.755.25V。由于單片機(jī)電路是時(shí)序數(shù)字電路，它需要穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)，因此在電源上電時(shí)只有當(dāng)4.75V<VCC<5.25V以及晶體振蕩器穩(wěn)定工作時(shí)，復(fù)位信號(hào)才被撤除，單片機(jī)電路才開始正常工作。復(fù)位電路的工作原理如下圖所示，VCC上電時(shí)，C充電，在1K電阻上出現(xiàn)電壓，使得單片機(jī)復(fù)位；幾個(gè)毫秒后，C充滿，1K電阻上電流將為0，電壓也為0，使得單片機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)。工作期間，按下S，C放電。S松手，C又充電，在10K電阻上出現(xiàn)電壓，使得單片

42、機(jī)復(fù)位。幾個(gè)毫秒后，單片機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)。圖3.3 手動(dòng)復(fù)位電路3.2.1.5 單片機(jī)的時(shí)鐘電路本系統(tǒng)使用AT89C51單片機(jī)片內(nèi)振蕩和時(shí)鐘產(chǎn)生電路外接微調(diào)電容和振蕩晶體來產(chǎn)生時(shí)鐘周期信號(hào)來完成對(duì)時(shí)間周期的準(zhǔn)確計(jì)時(shí)，不但節(jié)省了開支，而且提高元件利用效率。AT89C51中有一個(gè)用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反向放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外石英晶體構(gòu)成自激振蕩器。外接石英晶體及電容接在放大器的反饋回路中并構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。電容容量的大小會(huì)稍微影響振蕩頻率的高低，振蕩器工作的穩(wěn)定性用石英晶體電容使用30pf，后面的電容是負(fù)載電容，可以用來

43、微調(diào)晶體振蕩頻率，這個(gè)電容要根據(jù)所用晶體來選擇。晶振電路如下圖所示。圖3.4 時(shí)鐘電路3.3 前向通道設(shè)計(jì)溫度采集電路部分包括：傳感器，信號(hào)調(diào)理電路，A/D轉(zhuǎn)換。從資料中查到，目前在溫度測量領(lǐng)域內(nèi)除了廣泛使用熱電偶外，電阻溫度計(jì)也得到了廣泛的應(yīng)用，尤其工業(yè)生產(chǎn)中-120+500范圍內(nèi)的溫度測量常常使用電阻溫度計(jì)。由于本系統(tǒng)要求的溫度屬于中高溫范圍，所以本系統(tǒng)采用K型（鎳鎘-鎳硅）熱電偶，可測量1312，其線性度較好，而且價(jià)格便宜。K型熱電偶的輸出時(shí)毫伏級(jí)電壓信號(hào)，最終要將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)與CPU通信。傳統(tǒng)的溫度檢測電路采用“傳感器-濾波器-放大器-冷端補(bǔ)償-線性化處理-A/D轉(zhuǎn)換”模式，轉(zhuǎn)換環(huán)

44、節(jié)多、電路復(fù)雜、精度低。在本系統(tǒng)中，采用的是高精度的集成芯片MAX6675來完成“熱電偶電勢-溫度”的轉(zhuǎn)換，不需要外圍電路、I/O接線簡單、精度高、成本低。本次設(shè)計(jì)采用的MAX6676是MAXIM公司開發(fā)的K型熱電偶轉(zhuǎn)換器，集成了濾波器、放大器等，并帶有熱電偶斷線檢測電路，自帶冷端補(bǔ)償，能將K型熱電偶輸出的電勢直接轉(zhuǎn)換成12位數(shù)字量，分辨率0.25，工作電壓3.05.5V。溫度數(shù)據(jù)通過SPI端口輸出給單片機(jī)，其冷端補(bǔ)償?shù)姆秶?2080，測量范圍01024。3.3.1 溫度檢測電路設(shè)計(jì)3.3.1.1 K型熱電偶的介紹K型熱電偶作為一種溫度傳感器，K型熱電偶通常和顯示儀表，記錄儀表和電子調(diào)節(jié)器配

45、套使用。K型熱電偶可以直接測量各種生產(chǎn)中從0到1300范圍的液體蒸汽和氣體介質(zhì)以及固體的表面溫度。 圖3.5 型熱電偶圖片K型熱電偶通常由感溫元件、安裝固定裝置和接線盒等主要部件組成。K型熱電偶是目前用量最大的廉金屬熱電偶，其用量為其他熱電偶的總和。K型熱電偶絲直徑一般為1.24.0mm。正極（KP）的名義化學(xué)成分為：Ni：Cr=92：12，負(fù)極（KN）的名義化學(xué)成分為：Ni：Si=99：3，其使用溫度為-2001300。K型熱電偶具有線性度好，熱電動(dòng)勢較大，靈敏度高，穩(wěn)定性和均勻性較好，抗氧化性能強(qiáng)，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，能用于氧化性惰性氣氛中廣泛為用戶所采用。K型熱電偶不能直接在高溫下用于硫，還

46、原性或還原，氧化交替的氣氛中和真空中，也不推薦用于弱氧化氣氛.3.3.1.2 K型熱電偶的測溫原理熱電偶測溫必須由熱電偶、連接導(dǎo)線及顯示儀表三部分組成。下圖3.6是最簡單的熱電偶測溫示意圖。 圖3.6 熱電偶溫度計(jì)示意圖按右圖組成的熱電偶芯及測溫電偶絲1 ，如果將熱電偶的熱端加熱，使得冷、熱兩端的溫度不同，則在該熱電偶回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電勢，這種物理現(xiàn)象就稱為熱電現(xiàn)象(即熱電效應(yīng))。在熱電偶回路中產(chǎn)生的電勢由溫差電勢和相接觸電勢兩部分組成接觸電勢：它是兩種電子密度不同的導(dǎo)體相互接觸時(shí)產(chǎn)生的一種熱電勢。當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體A和B相接觸時(shí)，假設(shè)導(dǎo)體A和B的電子密度分別為Na和Nb并且Na>Nb，則

47、在兩導(dǎo)體的接觸面上，電子在兩個(gè)方向的擴(kuò)散率就不相同，由導(dǎo)體A擴(kuò)散到導(dǎo)體B的電子數(shù)比從B擴(kuò)散到A的電子數(shù)要多。導(dǎo)體A失去電子而顯正電，導(dǎo)體B獲很電子而顯負(fù)電。因此，在A、B兩導(dǎo)體的接觸面上便形成一個(gè)由A到B的靜電場，這個(gè)電場將阻礙擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的繼續(xù)進(jìn)行，同時(shí)加速電子向相反方向運(yùn)動(dòng)，使從B到A的電子數(shù)增多，最后達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。此時(shí)A、B之間也形成一電位差，這個(gè)電位差稱為接觸電勢。此電勢只與兩種導(dǎo)體的性質(zhì)相接觸點(diǎn)的溫度有關(guān)，當(dāng)兩種導(dǎo)體的材料一定，接觸電勢僅與其接點(diǎn)溫度有關(guān)。溫度越高，導(dǎo)體中的電子就越活躍，由A導(dǎo)體擴(kuò)散到B導(dǎo)體的電子就越多，致使接觸面處所產(chǎn)生的電場強(qiáng)度越高，因而接觸電勢也就越大。這樣將1

48、產(chǎn)生的溫差熱電勢通過連接導(dǎo)線2在顯示儀表3中顯示出來。3.3.1.3 熱電偶安裝注意點(diǎn)(1)熱電偶應(yīng)盡量垂直裝在水平或垂直管道上，安裝時(shí)應(yīng)有保護(hù)套管，以方便檢修和更換。(2)熱電偶的冷端應(yīng)處在同一環(huán)境溫度下，應(yīng)使用同型號(hào)的補(bǔ)償導(dǎo)線，且正負(fù)要接對(duì)。(3)測量管道內(nèi)溫度時(shí)，元件長度應(yīng)在管道中心線上(即保護(hù)管插入深度應(yīng)為管徑的一半)。(4)溫度動(dòng)圈表安裝時(shí)，開孔尺寸要合適，安裝要美觀大方。(5)高溫區(qū)使用耐高溫電纜或耐高溫補(bǔ)償線。(6)要根據(jù)不同的溫度選擇不同的測量元件。一般測量溫度大于100時(shí)，應(yīng)選擇熱電偶，小于100時(shí)選擇熱電阻。(7)接線要合理美觀，表針指示要正確。3.3.2 溫度檢測電路3.

49、3.2.1 MAX6675的介紹在工業(yè)檢測系統(tǒng)中，熱電偶作為一種主要的測溫元件，具有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、使用方便、測溫范圍寬、測溫精度高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)溫度控制過程中。但是熱電偶輸出電勢及其微弱，而且存在冷端溫度誤差和輸出電勢與被測溫度的分線性問題，易引起較大測量誤差，尤其在以單片機(jī)為核心器件的智能裝置中，需要進(jìn)行復(fù)雜的信號(hào)放大、A/D轉(zhuǎn)換、查表線性、溫度補(bǔ)償及數(shù)字化輸出接口等軟件硬件設(shè)計(jì)，硬件芯片使用過多，軟件編寫任務(wù)重，不能適應(yīng)現(xiàn)階段產(chǎn)品集成、模塊化的需要。MAX6675是Maxim司新近推出的K型熱電偶串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它能獨(dú)立完成信號(hào)放大、冷端補(bǔ)償、線性化、A/D轉(zhuǎn)換及SPI串口

50、數(shù)字化輸出功能，大大簡化了熱電偶測量智能裝置的軟件硬件設(shè)計(jì)。3.3.2.2 MAX6675的性能特點(diǎn) 簡單的SPI串行口溫度值輸出； 0+1024的測溫范圍； 12位0.25的分辨率； 片內(nèi)冷端補(bǔ)償； 高阻抗差動(dòng)輸入； 熱電偶斷線檢測； 單一+5V的電源電壓； 低功耗特性； 工作溫度范圍-20+85； 2000V的ESD保護(hù)。該器件采用8引腳SO貼片封裝。引腳排列和引腳功能如下圖所示：圖3.7 MAX6675引腳排列 表3.1 MAX6675引腳功能3.3.2.3 MAX6675的工作原理MAX6675的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.8所示。該器件是一個(gè)復(fù)雜的單片熱電偶數(shù)字轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部具有信號(hào)調(diào)節(jié)放大器、1

51、2位的模擬/數(shù)字化熱電偶轉(zhuǎn)換器、冷端補(bǔ)償傳感和校正、數(shù)字控制器、1個(gè)SPI兼容接口和1個(gè)相關(guān)的邏輯控制。MAX6675內(nèi)部具有將熱電偶信號(hào)轉(zhuǎn)換為與ADC輸入通道兼容電壓的信號(hào)調(diào)節(jié)放大器，T+和T-輸入端連接到低噪聲放大器A1，以保證檢測輸入的高精度，同時(shí)使熱電偶連接導(dǎo)線與干擾源隔離。熱電偶輸出的熱電勢經(jīng)低噪聲放大器A1放大，再經(jīng)過A2電壓跟隨器緩沖后，被送至ADC的輸入端。在將溫度電壓值轉(zhuǎn)換為等圖3.8 MAX6675內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖價(jià)的溫度值之前，它需要對(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。對(duì)于K型熱電偶，電壓變化率為41V/，電壓可由線性公式V

52、out=（41V/）×（tRtAMB）來近似熱電偶的特性。上式中，Vout為熱電偶輸出電壓（mV），tR是測量點(diǎn)溫度；tAMB是周圍溫度。熱電偶的功能是檢測熱、冷兩端溫度的差值，熱電偶熱節(jié)點(diǎn)溫度可在0+1023.75范圍變化。冷端即安裝MAX6675的電路板周圍溫度，此溫度在 -20+85范圍內(nèi)變化。當(dāng)冷端溫度波動(dòng)時(shí)，MAX6675仍能精確檢測熱端的溫度變化。MAX6675是通過冷端補(bǔ)償檢測和校正周圍溫度變化的。該器件可將周圍溫度通過內(nèi)部的溫度檢測二極管轉(zhuǎn)換為溫度補(bǔ)償電壓，為了產(chǎn)生實(shí)際熱電偶溫度測量值，MAX6675從熱電偶的輸出和檢測二極管的輸出測量電壓。該器件內(nèi)部電路將二極管電壓

53、和熱電偶電壓送到ADC中轉(zhuǎn)換，以計(jì)算熱電偶的熱端溫度。當(dāng)熱電偶的冷端與芯片溫度相等時(shí)，MAX6675可獲得最佳的測量精度。因此在實(shí)際測溫應(yīng)用時(shí)，應(yīng)盡量避免在MA X6675附近放置發(fā)熱器件或元件，因?yàn)檫@樣會(huì)造成冷端誤差。在測溫應(yīng)用中，芯片自熱將降低MAX6675溫度測量精度，誤差大小依賴于MAX6675封裝的熱傳導(dǎo)性、安裝技術(shù)和通風(fēng)效果。為降低芯片自熱引起的測量誤差，可在布線時(shí)使用大面積接地技術(shù)提高M(jìn)AX6675溫度測量精度。MAX6675的測量精度對(duì)電源耦合噪聲較敏感。為降低電源噪聲的影響，可在MAX6675的電源引腳附近接入1只0.1F陶瓷旁路電容。熱電偶系統(tǒng)的測量精度可通過以下預(yù)防措施來

54、提高：盡量采用不能從測量區(qū)域散熱的大截面導(dǎo)線；如必須用小截面導(dǎo)線，則只能應(yīng)用在測量區(qū)域，并且在無溫度變化區(qū)域用擴(kuò)展導(dǎo)線；避免受到拉緊導(dǎo)線的機(jī)械擠壓和振動(dòng)；當(dāng)熱電偶距離較遠(yuǎn)時(shí)，應(yīng)采用雙絞線作熱電偶連線；在溫度額定值范圍內(nèi)使用熱電偶導(dǎo)線；避免急劇溫度變化；在惡劣環(huán)境中，使用合適的保護(hù)套以保護(hù)熱電偶導(dǎo)線；僅在低溫和小變化率區(qū)域使用擴(kuò)展導(dǎo)線；保持熱電偶電阻的事件記錄和連續(xù)記錄。MAX6675采用標(biāo)準(zhǔn)的SPI串行外設(shè)總線與MCU接口，且MAX6675只能作為從設(shè)備。MAX6675SO端輸出溫度數(shù)據(jù)的格式如表3.2所示，MAX6675SPI接口時(shí)序如圖3.9所示。MAX6675從SPI串行接口輸出數(shù)據(jù)的過

55、程如下：MCU使CS變低并提供時(shí)鐘信號(hào)給SCK，由SO讀取測量結(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。一個(gè)完整串行接口讀操作需16個(gè)時(shí)鐘周期，在時(shí)鐘的下降沿讀取16個(gè)輸出位，第1位和第15位是一偽標(biāo)志位，并總為0；第14位到第3位為以MSB到LSB順序排列的轉(zhuǎn)換溫度值；第2位平時(shí)為低，當(dāng)熱電偶輸入開放時(shí)為高，開放熱電偶檢測電路完全由MAX6675實(shí)現(xiàn)，為開放熱電偶檢測器操作，T-必須接地，并使接地點(diǎn)盡可能接近GND腳；第1位為低以提供MAX6675器件身份碼，第0位為三態(tài)。表3.2 MAX6675 S0端輸出數(shù)據(jù)的格式圖3.9 MAX6675 SPI接口時(shí)序在本次設(shè)計(jì)

56、中當(dāng)MAX6675的CS引腳從高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，MAX6675將停止任何信號(hào)的轉(zhuǎn)換并在時(shí)鐘SCK的作用下向外輸出已轉(zhuǎn)化的數(shù)據(jù)。相反，當(dāng)CS引腳從低電平變回高電平時(shí)，MAX6675將進(jìn)行新的轉(zhuǎn)換。在CS引腳從高電平變成低電平時(shí)，第一個(gè)字節(jié)D15將出現(xiàn)在引腳SO。一個(gè)完整的數(shù)據(jù)讀過程需要16個(gè)時(shí)鐘周期，數(shù)據(jù)的讀取通常在SCK的下降沿進(jìn)行。MAX6675的輸出數(shù)據(jù)為16位，其中D15始終無用，D14D3對(duì)應(yīng)于熱電偶模擬輸入電壓的數(shù)字轉(zhuǎn)換量，D2用于檢測熱電偶是否斷線（D2為1表明熱電偶斷開），D1為MAX6675的標(biāo)示符，D0為三態(tài)。需要指出的是：在以往的熱電偶電路設(shè)計(jì)中，往往需要專門的斷線檢測電

57、路，而MAX6675已將斷線檢測電路集成于片內(nèi)，從而簡化了電路設(shè)計(jì)。D14D3為12位數(shù)據(jù)，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；由于MAX6675內(nèi)部經(jīng)過了激光修正，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由于MAX6675 的數(shù)據(jù)輸出為3 位串行接口, 因此只需占用微處理器的3 個(gè)I/O口。使用時(shí), 可用軟件模擬同步串行讀取過程。圖中數(shù)據(jù)串行輸出口由微處理器的P1.4 提供,片選信號(hào)由P1.5 提供, 串行時(shí)鐘輸入端由P1.6 讀取。熱電偶的模擬信號(hào)由T+ 和T-端輸入,其中T- 需接地。MAX6675 的轉(zhuǎn)換結(jié)果將在SCK的控制下連續(xù)輸出，如下所示：圖3.10 溫度檢測電路圖 MAX6675將熱電偶測溫應(yīng)用時(shí)復(fù)雜的線性化、冷端補(bǔ)償及數(shù)字化輸出等問題集中在一個(gè)芯