硅碳棒電加熱溫度控制器設(shè)計(jì)

1、 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 題目：硅碳棒電加熱溫度控制器的設(shè)計(jì)學(xué) 院： 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院 專 業(yè)： 電子信息工程（微電子）學(xué) 號： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)老師： 職 稱： 二 零 一 二 年 五 月 摘要 溫度是工業(yè)生產(chǎn)以及科學(xué)實(shí)驗(yàn)中的重要參數(shù)之一。溫度的控制在許多領(lǐng)域中都有著積極的意義。在很多行業(yè)中都有大量的用電加熱設(shè)備，如硅碳棒等。采用單片機(jī)對其進(jìn)行控制不僅具有控制方便，簡單，靈活性大等特點(diǎn)，而且還可以較大幅度的提高被控溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大的提高產(chǎn)品的質(zhì)量。所以，智能化的溫度控制技術(shù)正在被廣泛地采用。 本次課題即是針對高溫控制系統(tǒng)-硅碳棒電加熱溫度控制器的設(shè)計(jì)進(jìn)行的分析與設(shè)計(jì)，我們采用了以STC12

2、C5A60S2單片機(jī)為主體，鉑銠10-鉑熱電偶溫度采集模塊，溫度設(shè)置模塊，LCD液晶顯示模塊以及溫度控制模塊相搭配的控制系統(tǒng)。 本系統(tǒng)中單片機(jī)將采集到的溫度與設(shè)定的溫度進(jìn)行比較，由此來判定硅碳棒上是否繼續(xù)加熱。此外還加入了顯示模塊，將采集到的溫度以及設(shè)定的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，使得整個(gè)設(shè)計(jì)更加完整，更加靈活。關(guān)鍵詞：硅碳棒 單片機(jī) 溫度控制Abstract Temperature is one of the important parameters in industrial production and scientific experiment.In many areas temperatur

3、e control have a positive significance.There are a large number of electric heating equipment in many industries , such as silicon carbide, using the micro controller to control the temperature not only has a convenient, simple, flexible features, but also can greatly improve the technical indexes o

4、f the accused temperature was charged , which can greatly improve the quality of the product. Therefore, intelligent temperature control technology is being widely adopted. This issue is for the analysis and design of high-temperature control system - silicon carbide electric heating temperature con

5、troller design, we have adopted STC12C5A60S2 micro controller as the main, platinum and rhodium - platinum thermocouple temperature acquisition module, the temperature setting module , LCD module and temperature control module with the control system. In the system, micro controller will compare the

6、 collected temperature and setting temperature , and thus to determine whether to continue heating the silicon carbide. In addition,the system joined the display module will be collected temperature and set temperature in real-time display, making the whole design is more complete and more flexibleK

7、ey words：Silicon Carbide MCU Temperature Control目錄摘要第一章 前言1.1 本文研究的目的和意義1.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能1.3 設(shè)計(jì)的要求與方案第二章 總體設(shè)計(jì)分析2.1 組成框圖2.2 主要功能模塊的簡介2.2.1 傳感器溫度采集2.2.2 溫度設(shè)置2.2.3 LCD液晶顯示2.2.4 溫度控制第三章 硬件設(shè)計(jì)3.1 主控系統(tǒng)3.1.1 STC12C5A60S2單片機(jī)簡介3.1.2 最小應(yīng)用系統(tǒng)模塊3.2 傳感器溫度采集模塊3.2.1 器件選型與簡介3.2.2 整個(gè)模塊設(shè)計(jì)與分析3.3溫度設(shè)置模塊3.4 LCD液晶顯示模塊3.4.1 器件選型與簡

8、介3.4.2 整個(gè)模塊設(shè)計(jì)與分析3.5 溫度控制模塊3.5.1 光耦器件選型與簡介3.5.2 可控硅器件選型及簡介3.5.3 整個(gè)模塊設(shè)計(jì)與分析第四章 軟件設(shè)計(jì)4.1 主程序設(shè)計(jì)4.2 子程序部分4.2.1 A/D轉(zhuǎn)換程序4.2.2 溫度設(shè)置程序4.2.3 LCD顯示程序4.2.4 PID溫度控制程序結(jié)束語1 設(shè)計(jì)歷程2 設(shè)計(jì)特點(diǎn)3 存在的問題和改進(jìn)4 展望和體會(huì)致謝參考文獻(xiàn)附錄1（電路原理圖及PCB圖）附錄2（部分程序）第一章 前言1.1 本文研究的目的和意義 溫度是日常生活中的重要參數(shù)。對溫度的控制效果將直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量及其使用壽命，因此，溫度控制成為各個(gè)領(lǐng)域中的一項(xiàng)很關(guān)鍵的技術(shù)，研究

9、高性能的溫度控制器具有重要意義。 硅碳棒的使用溫度高，又具有耐高溫、抗氧化、耐腐蝕、升溫快、壽命長、高溫變形小等特點(diǎn)，同時(shí)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。與自動(dòng)化電控系統(tǒng)配套，還可得到精確的恒定溫度，又可根據(jù)需要按曲線自動(dòng)調(diào)溫。使用硅碳棒加熱既方便，又安全可靠?，F(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各類加熱設(shè)備的電加熱元件。 本次研究的硅碳棒電加熱溫度控制器的關(guān)鍵在于溫度控制器的控溫方面，采用PID控制方式。這是由于傳統(tǒng)的定值開關(guān)溫度控制法通過硬件電路或者軟件計(jì)算判別當(dāng)前溫度值與設(shè)定溫度值之間的關(guān)系，進(jìn)而對系統(tǒng)加熱源進(jìn)行通斷控制。這種開關(guān)控溫方法較簡單，是當(dāng)系統(tǒng)溫度上升至設(shè)定點(diǎn)時(shí)就關(guān)斷電源，當(dāng)系統(tǒng)溫度下降至設(shè)定點(diǎn)時(shí)就開通電源，

10、因而無法克服溫度變化過程的滯后性，導(dǎo)致系統(tǒng)溫度波動(dòng)大，控制精度低，不適于高精度溫度控制。PID控制器中引入了參數(shù)整定和自適應(yīng)控制理論，其具有算法簡單，可靠性高等特點(diǎn)。由于 PID 控制器模型中考慮了系統(tǒng)的誤差，誤差變化以及誤差積累三個(gè)因素，因此其控制性能一定優(yōu)越于定值開關(guān)控溫法。采用此方法實(shí)現(xiàn)的溫度控制器，其控制品質(zhì)的好壞主要取決于三個(gè)PID 參數(shù)，即比例值，積分值，微分值。只要 PID 參數(shù)選取的正確，對于一個(gè)確定的受控系統(tǒng)，其控制精度比較令人滿意。 硅碳棒電加熱溫度控制器的可靠性高、精度高、操作簡單、功耗低、成本低。所以本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是十分必要的。1.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能 設(shè)計(jì)基于STC12C

11、5A60S2單片機(jī)的硅碳棒電加熱溫度控制器，用于控制溫度。功能如下： 根據(jù)給定的溫度，調(diào)節(jié)硅碳棒的控制電壓，從而調(diào)節(jié)溫度，實(shí)現(xiàn)溫度的閉環(huán)控制。溫度通過通訊方式傳入系統(tǒng)，硅碳棒電源電壓為220V，功率為10kw，溫度調(diào)節(jié)范圍在01300度，測量精度為1%。采用雙向可控硅溫度控制電路對其采用計(jì)算機(jī)軟件方法來進(jìn)行PID 調(diào)節(jié)功能，使溫度到達(dá)設(shè)定溫度。1.3 設(shè)計(jì)的要求與方案 所設(shè)計(jì)的硅碳棒電加熱控制器應(yīng)具有以下功能：(1) 溫度采集：此部分是使用型號為WRP-130的鉑銠10-鉑熱電偶為測溫元件，再將其輸出電壓經(jīng)過處理變送再經(jīng)過電壓跟隨后，與STC12C5A60S2單片機(jī)中的A/D轉(zhuǎn)換相配合，從而實(shí)

12、現(xiàn)對初始溫度的采集；(2溫度設(shè)置：此部分依靠四個(gè)撥盤與單片機(jī)配合實(shí)現(xiàn)對最終溫度的設(shè)置；(3)LCD液晶顯示部分：采用FYD12864-0402B液晶顯示模塊，對溫度采集所得溫度以及設(shè)定溫度進(jìn)行顯示；(4)溫度控制部分：此部分首先采用過零觸發(fā)雙硅輸出光耦MOC3061實(shí)現(xiàn)對單片機(jī)及可控硅溫度控制器的隔離功能；然后采用雙向可控硅MAC97A6構(gòu)成過零比較電路，與單片機(jī)配合，運(yùn)用PID控制方式來控制正弦波導(dǎo)通的周期個(gè)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對溫度的控制功能。第二章 總體設(shè)計(jì)分析2.1 組成框圖 根據(jù)設(shè)計(jì)思想所要完成的功能，該硅碳棒電加熱溫度控制器采用單片機(jī)作為微處理單元進(jìn)行控制。其次由傳感器溫度采集電路，溫度設(shè)

13、置電路，LCD液晶顯示電路以及溫度控制電路組成。系統(tǒng)的組成框圖如下圖2.1所示。傳感器溫度采集電路STC12C5A60S2 單片機(jī)溫度設(shè)置電路 溫度控制電路LCD液晶顯示電路 圖 2.1 組成框圖 2.2 主要功能模塊的簡介2.2.1 傳感器溫度采集 測溫電路的設(shè)計(jì)是采用型號為WRP-130的鉑銠10-鉑熱電偶，其測溫范圍在0-1300度，精度在+/_2.4%，其具有性能穩(wěn)定，抗氧化性能強(qiáng)以及測量精度高等優(yōu)點(diǎn)，可以較為準(zhǔn)確的測溫。利用其感溫效應(yīng)，把隨被測溫度變化的電壓采集過來，將其經(jīng)變送過后的信號送入電壓跟隨器后，傳入STC12C5A60S2單片機(jī)中進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)由模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，

14、再利用STC12C5A60S2單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，從而采集得到溫度。2.2.2 溫度設(shè)置 通過用四個(gè)撥盤以及四個(gè)電阻連接STC12C5A60S2單片機(jī)，應(yīng)用編程來設(shè)置要給定的四位數(shù)的溫度。其中S1與單片機(jī)的一個(gè)I/O口連接，用軟件編程，使其每按一下溫度增加1度；S2也與單片機(jī)的一個(gè)I/O口連接，用軟件編程，使其每按一下溫度增加10度；S3也與單片機(jī)的一個(gè)的I/O口連接，用軟件編程，使其每按一下溫度增加100度；S4也與單片機(jī)的一個(gè)I/O口連接，用軟件編程，使其每按一下溫度增加1000度。2.2.3 LCD液晶顯示 采用FYD12864-0402B液晶顯示模塊，該液晶模塊每屏可顯示4行8列共3

15、2個(gè)16*16點(diǎn)陣的漢字，每個(gè)顯示RAM可顯示1個(gè)中文字符或2個(gè)16*8點(diǎn)陣全高ASCII字符，即每屏最多可實(shí)現(xiàn)32個(gè)中文字符或64個(gè)ASCII碼字符的顯示。在本系統(tǒng)中，利用該模塊與單片機(jī)進(jìn)行相連，對其進(jìn)行編程使用，用來顯示溫度采集所得溫度以及溫度設(shè)置給定的四位數(shù)的溫度。2.2.4 溫度控制溫度控制是本系統(tǒng)的關(guān)鍵，而此部分的關(guān)鍵在于可控硅，我們采用PID控制方式來控制溫度。在本系統(tǒng)中是通過控制可控硅管的正弦波導(dǎo)通的周期個(gè)數(shù)來調(diào)節(jié)輸出功率。所以首先采用光耦，其以光為媒介傳輸電信號。一般由三部分組成：光的發(fā)射，光的接收及信號的放大。輸入的電信號驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管（LED），使之發(fā)出一定波長的光，然后被

16、光探測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進(jìn)一步放大后輸出。這就完成了電-光-電的轉(zhuǎn)換，從而起到對輸入、輸出電信號的良好隔離的作用。因?yàn)橥鈬娐吠ǔＪ墙涣麟妷簽?20V，強(qiáng)電是不能和弱電有任何電器接觸的，所以為防止強(qiáng)電進(jìn)入單片機(jī)內(nèi)，必須采用光耦。又因?yàn)楸鞠到y(tǒng)電路需要進(jìn)行過零檢測，而過零觸發(fā)雙硅輸出光耦MOC3061自帶過零檢測的功能，所以被選為本系統(tǒng)的光耦元件，用其對單片機(jī)和可控硅溫度控制電路進(jìn)行隔離。 然后采用雙向可控硅MAC97A6構(gòu)成過零比較電路，當(dāng)輸入是高電平時(shí)，電路導(dǎo)通；當(dāng)輸入是低電平時(shí)，則電路不導(dǎo)通。與單片機(jī)結(jié)合，軟件部分采用PID控制方法對溫度進(jìn)行控制，由于其算法簡單，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛

17、使用，尤其是適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)，其中數(shù)字PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)可以在現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)在線整定，因此具有較大的靈活性。 第3章 硬件設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)的題目為硅碳棒電加熱溫度控制器的設(shè)計(jì)，其主要是應(yīng)用以STC12C5A60S2單片機(jī)作為控制核心，傳感器溫度采集、溫度設(shè)置、LCD液晶顯示以及溫度控制模塊相結(jié)合的系統(tǒng)。3.1 主控系統(tǒng)3.1.1 STC12C5A60S2單片機(jī)簡介 STC12C5A60S2/AD/PWM單片機(jī)是STC生產(chǎn)的單時(shí)鐘機(jī)器周期（1T）的單片機(jī)，是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051，但是速度卻快8-12倍。內(nèi)部集成了MAX810

18、專用的復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(250K/S,即25萬次/秒)，且針對電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場合。1. 增強(qiáng)型的8051CPU，1T，單時(shí)鐘機(jī)器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的80512. 工作電壓：5.5V - 3.5V（5V單片機(jī)）3. 工作頻率范圍：0 - 35MHz，相當(dāng)于普通8051的0 - 420MHz4. 工作溫度范圍：40 +85度（工業(yè)級）/ 0 75度（商業(yè)級）5. 用戶應(yīng)用程序空間 8K/16K/20K/32K/40K/48K/52K/60K/62K字節(jié)6. 片上集成了1280字節(jié)RAM7. A/D轉(zhuǎn)換，10位精度ADC，共八路，轉(zhuǎn)換速度可達(dá)250K/S（每秒

19、鐘25萬次）8. 時(shí)鐘源：外部高精度晶體/時(shí)鐘，內(nèi)部R/C振蕩器（溫漂為+/_5 +/_10%以內(nèi)） 用戶在下載用戶程序時(shí)，可選擇是使用內(nèi)部R/C振蕩器或是外部晶體/時(shí)鐘 在常溫下，內(nèi)部R/C振蕩器頻率為：11MHz 17MHz 精度要求不高時(shí)，可選擇使用內(nèi)部時(shí)鐘，但因?yàn)橛兄圃煺`差和溫漂，所以以實(shí)際測試為 準(zhǔn)9. 內(nèi)部集成了MAX810專用復(fù)位電路(外部晶體12M以下時(shí)，復(fù)位腳可直接1K電阻到地）10. 有EEPROM功能11. 看門狗12. 通用I/O口（36/40/44個(gè)），復(fù)位后為：準(zhǔn)雙向口、弱上拉（普通8051傳統(tǒng)的I/O口）可以設(shè)置成四種模式：準(zhǔn)雙向口/弱上拉，強(qiáng)推免/強(qiáng)上拉，僅為輸

20、入/高阻，開漏。每個(gè)I/O口驅(qū)動(dòng)能力均可以達(dá)到20mA，但整個(gè)芯片最大不要超過120mA13. 共有4個(gè)16位定時(shí)器 2個(gè)與傳統(tǒng)8051兼容的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，16位定時(shí)器T0和T1，沒有定時(shí)器2，但是有獨(dú)立波特率發(fā)生器做為串行通訊的波特率發(fā)生器，再加上2路PCA模塊可再實(shí)現(xiàn)2個(gè)16位定時(shí)器14. 3個(gè)時(shí)鐘輸出口，可由T0的溢出在P3.4/T0輸出時(shí)鐘，可由T1的溢出在P3.5/T1輸出時(shí)鐘，獨(dú)立波特率發(fā)生器可以在P1.0口輸出時(shí)鐘15. 外部中斷I/O口7路，傳統(tǒng)的下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷，并新增支持上升沿中斷的PCA模塊，Power Down模式可由外部中斷喚醒，INT0_/P3.2，IN

21、T1_/P3.3，T0/P3.4，T1/P3.5，RxD/P3.0，CCP0/P1.3（也可以通過寄存器設(shè)置到P4.2）CCP1/P1.4（也可通過寄存器設(shè)置到P4.3）16. ISP(在系統(tǒng)可編程)/IAP（在應(yīng)用可編程），無需專用的編程器，也無需專用的仿真器，可以通過串口（P3.0/P3.1）直接下載用戶程序，數(shù)秒鐘即可完成一片17. 外部掉電檢測電路：在P4.6口有一個(gè)低壓門檻比較器，為1.33V，誤差為+/_5%18. PWM（2路）/PCA（可編程計(jì)數(shù)器陣列，2路） 也可以來當(dāng)2路D/A使用 也可以來再實(shí)現(xiàn)2個(gè)定時(shí)器 也可以來再實(shí)現(xiàn)2個(gè)外部中斷（上升沿中斷/下降沿中斷均可分別或同時(shí)支

22、持）19. 通用全雙工異步串行口（UART），由于STC12系統(tǒng)是高速的8051，可再用定時(shí)器或PCA軟件實(shí)現(xiàn)多串口20. STC12C5A60S2系統(tǒng)有雙串口，后綴有S2標(biāo)志的才有雙串口，RxD2/P1.2（可通過寄存器設(shè)置到P4.2），TxD2/P1.3（可通過寄存器設(shè)置到P4.3）21. I/O口不夠時(shí)，可用2到3根普通I/O口線外接74HC164/165/595(均可級聯(lián))來擴(kuò)展I/O口，還可以用A/D做按鍵掃描來節(jié)省I/O口，或用雙CPU，三線通信，還多了串口。 圖3.1 STC12C5A60S2引腳圖 3.1.2 最小應(yīng)用系統(tǒng)模塊 目前的單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)只能夠仿真單片機(jī)，卻沒有給用戶

23、提供一個(gè)通用的系統(tǒng)。由設(shè)計(jì)的要求，只要做很小集成度的系統(tǒng)應(yīng)用在一些小的控制單元。其基本的應(yīng)用特點(diǎn)包括以下幾點(diǎn)：（1） 全部I/O口線均可供用戶使用；（2） 內(nèi)部存儲(chǔ)器容量有限；（3） 應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)具有特殊性。 圖3.2 最小系統(tǒng)圖單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖3.2所示，其中有4個(gè)雙向的8位并行I/O端口，分別記作P0、P1、P2、P3，都可以用于數(shù)據(jù)的輸出和輸入，P3口具有第二功能，為系統(tǒng)提供一些控制信號。時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作所必須的時(shí)鐘控制信號，內(nèi)部電路在時(shí)鐘信號的控制下，嚴(yán)格地按照時(shí)序指令工作。單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩的高增益反向放大器，該高增益反向放大器的輸入端為芯片的引腳XTAL1，輸

24、出端為芯片的引腳XTAL2。這兩個(gè)引腳跨接石英振蕩器和微調(diào)電容，這就構(gòu)成了一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。電路中的石英振蕩器通常選振蕩頻率為11.0592MHz的。微調(diào)電容通常選用兩個(gè)22pf的，該電容的大小會(huì)影響振蕩器頻率的高低，振蕩器的穩(wěn)定性以及起振的快速性。 復(fù)位電路是單片機(jī)的一個(gè)重要的工作方式，該電路一般是由外部的復(fù)位電路來實(shí)現(xiàn)的。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)工作時(shí)，復(fù)位電路除了使系統(tǒng)正常的初始化以外，當(dāng)由于程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為了要擺脫該死鎖狀態(tài)，也需要用之來重新啟動(dòng)。復(fù)位電路通常用這幾種方式，包括上電自動(dòng)復(fù)位、按鍵電平復(fù)位以及系統(tǒng)復(fù)位這三種方式。在本最小系統(tǒng)中，STC12C5A6

25、0S2單片機(jī)的復(fù)位采用最簡單的上電復(fù)位的方式，高電平有效。R5和C3構(gòu)成的微分電路，在接電的瞬間產(chǎn)生一個(gè)微分脈沖，其寬度大于兩個(gè)機(jī)器周期，則單片機(jī)復(fù)位。為保證微分脈沖寬度足夠大，R5、C3的時(shí)間常數(shù)應(yīng)大于兩個(gè)機(jī)器周期，所以電容取10UF，電阻取10K。 3.2 傳感器溫度采集模塊3.2.1 器件選型與簡介本系統(tǒng)測量的溫度范圍較廣，所以選用了熱電偶，其是利用熱電效應(yīng)制成的溫度傳感器。熱電偶回路中所產(chǎn)生的熱電勢是由兩種導(dǎo)體的接觸電勢和單一導(dǎo)體的溫差電勢所組成。從理論上講，任何兩種不同導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）都可以配制成熱電偶，但是作為實(shí)用的測溫元件，應(yīng)該具有以下特性：（1） 在測溫范圍之內(nèi)，熱電性質(zhì)穩(wěn)定，

26、不隨時(shí)間而變化，有足夠的物理化學(xué)穩(wěn)定性，不易氧化或腐蝕；（2） 電阻溫度系數(shù)小，導(dǎo)電率高，比熱??；（3） 測溫中產(chǎn)生熱電勢要大，并且熱電勢與溫度之間呈線性或者接近線性的單值函數(shù)關(guān)系；（4） 材料復(fù)制性好，機(jī)械強(qiáng)度高，制造工藝簡單，價(jià)格便宜。此段文字摘自參考文獻(xiàn)1根據(jù)以上特性，又因?yàn)楸鞠到y(tǒng)測量的溫度范圍在0-1300度，所以選用型號為WRP-130的鉑銠10-鉑熱電偶（S型熱電偶），為貴金屬熱電偶。其正極（SP）的化學(xué)成分為鉑銠合金，其中含銠為10%，含鉑為90%，負(fù)極（SN）為純鉑，故俗稱單鉑銠熱電偶。該熱電偶在熱電偶系列中具有準(zhǔn)確度最高、穩(wěn)定性最好、測溫溫區(qū)廣、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。它的物理及化

27、學(xué)性能良好，熱電勢穩(wěn)定性高，且在高溫下抗氧化性能好，適用于氧化性和惰性氣氛中，具有優(yōu)良的綜合性能。其長期最高使用溫度為1300，熱響應(yīng)時(shí)間小于150S，直徑為16mm，測量精度小于+/-0.5%。本系統(tǒng)中所選的鉑銠10-鉑熱電偶是將硅碳棒的溫度轉(zhuǎn)換成電信號的信號轉(zhuǎn)換元件。然而由于熱電偶的電氣特性，其產(chǎn)生的電信號必須進(jìn)行調(diào)理才能被精確、可靠的采集，所以將其進(jìn)行變送，得到溫度范圍在01300度所對應(yīng)的05V的電壓信號。將該05V的電壓信號，送給一個(gè)電壓跟隨器，它的作用就是對信號進(jìn)行隔離，改變輸入輸出電阻值，使得阻抗得到匹配。它有效的提高了輸入電阻值，降低了對輸入的微小信號量的要求，與此同時(shí)它使輸出

28、電阻值減小，使電路的負(fù)載能力得到提高。電壓跟隨器采用的是：HA17358運(yùn)放芯片，為單電源運(yùn)放，且其使用寬電源電壓范圍和單功率電源電壓，寬共模電壓和提供具有一個(gè)0V輸入和0V輸出的可能操作，頻率特性和輸入偏置電流是溫度補(bǔ)償?shù)?。其芯片引腳圖如下圖3.4所示。 圖3.4 HA17358引腳圖在得到模擬信號以后需要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，所謂A/D轉(zhuǎn)換器即為模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Converter 簡稱ADC），是將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。在主控系統(tǒng)中，我們選取STC12C5A60S2單片機(jī)，而STC12C5A60S2單片機(jī)又是自帶A/D轉(zhuǎn)換的，所以我們不用再另外選取A

29、/D轉(zhuǎn)換器。下面對STC12C5A60S2單片機(jī)中的A/D轉(zhuǎn)換功能進(jìn)行介紹。STC12C5A60S2單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換口在P1口（P1.7 - P1.0），有8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速度可達(dá)250K/S（每秒鐘25萬次）。STC12C5A60S2單片機(jī)ADC(A/D轉(zhuǎn)換器)的結(jié)構(gòu)如圖3.6所示。 圖3.6 ADC結(jié)構(gòu)圖 當(dāng)AUXR.1/ADRJ=0時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器格式如下：ADC_B9ADC_B8ADC_B7ADC_B6ADC_B5ADC_B4 ADC_B3ADC_B2 ADC_RES7:0 - - - - - -ADC_B1ADC_B0 ADC_RES1:0當(dāng)AUXR.1/A

30、DRJ=1時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器格式如下： ADC_RES1:0- ADC_B9ADC_B8 ADC_B7 ADC_B6 ADC_B5ADC_B4ADC_B3ADC_B2ADC_B1ADC_B0 ADC_RES7:0 STC12C5A60S2單片機(jī)的ADC由多路選擇開關(guān)，比較器，逐層比較寄存器，10位DAC，轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器（ADC_RES和ADC_RESL）及ADC_CONTR構(gòu)成。STC12C5A60S2單片機(jī)的ADC是逐層比較型的ADC。逐層比較型的ADC是由一個(gè)比較器和D/A轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的，通過逐層比較，從最高位（MSB）開始，順序地對每一個(gè)輸入電壓與內(nèi)置的D/A轉(zhuǎn)換器輸出進(jìn)行比較，經(jīng)過

31、多次的比較，使得轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量逐次逼近輸入模擬量的對應(yīng)值。逐次比較型的ADC具有速度高、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。從上圖3.6可以看出，通過模擬多路開關(guān)，將通過ADC 07的模擬量輸入送至比較器。用數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（DAC）轉(zhuǎn)換的模擬量同本次輸入的模擬量經(jīng)過比較器進(jìn)行比較，將比較的結(jié)果保存到逐次比較器中，并且通過逐次比較寄存器輸出其轉(zhuǎn)換結(jié)果。在A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，最終的轉(zhuǎn)換結(jié)果保存到ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器ADC_RES 和ADC_RESL中，與此同時(shí)，置位ADC控制寄存器ADC_CONTR中的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志位ADC_FLAG，該位是用來供程序查詢或發(fā)出中斷申請的。模擬通道的選擇控制是通過ADC控制寄存器AD

32、C_CONTR中的CHS2CHS0來確定的。ADC的轉(zhuǎn)換速度是由ADC控制寄存器中的SPEED1和SPEED0來確定的。使用ADC之前，應(yīng)該先給ADC上電，即置位ADC控制寄存器中的ADC_POWER位。 當(dāng)ADRJ=0時(shí)，如果要取10位結(jié)果，則按下面公式計(jì)算： 10-bit A/D Conversion Result:(ADC_RES7:0,ADC_RESL1:0)=1024*Vin/Vcc當(dāng)ADRJ=0時(shí)，如果要取8位結(jié)果，則按下面公式計(jì)算： 8-bit A/D Conversion Result:(ADC_RES7:0)=256*Vin/Vcc當(dāng)ADRJ=1時(shí)，如果要取10位結(jié)果，則按下

33、面公式計(jì)算： 10-bit A/D Conversion Result:(ADC_RES1:0,ADC_RESL7:0)=1024*Vin/Vcc式中，Vin為模擬輸入通道的輸入電壓，Vcc為單片機(jī)的實(shí)際工作電壓，用單片機(jī)的工作電壓作為模擬的參考電壓。3.2.2 整個(gè)模塊設(shè)計(jì)與分析溫度采集電路如圖3.3所示： 圖3.3 溫度采集電路在本系統(tǒng)中直接將鉑銠10-鉑熱電偶采集的電信號經(jīng)變送后得到的05V的電壓信號，送給一個(gè)電壓跟隨器，通過電壓跟隨器對信號進(jìn)行隔離，改變輸入輸出電阻值，使阻抗得到匹配。此外電壓跟隨器還有效的提高了輸入電阻值，降低了對輸入的微小信號量的要求，它還減小了輸出電阻值，提高了電

34、路的負(fù)載能力。 在經(jīng)過電壓跟隨器之后，得到的模擬信號需要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，即為模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換，將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。而STC12C5A60S2單片機(jī)是自帶A/D轉(zhuǎn)換的，A/D轉(zhuǎn)換口在P1口（P1.7 - P1.0），有8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速度可達(dá)250K/S（每秒鐘25萬次），所以不必另外選取A/D轉(zhuǎn)換器。在本系統(tǒng)中，選用STC12C5A60S2的P1.1口，將其通過軟件設(shè)置為A/D轉(zhuǎn)換口，此內(nèi)容將在第四章進(jìn)行介紹。3.3溫度設(shè)置模塊 圖3.7 鍵盤設(shè)置圖 這里要給單片機(jī)設(shè)定的溫度，所以選用了四個(gè)撥盤及四個(gè)4.7K的電阻連單片機(jī)的P2.0P2.3口，通過編程來設(shè)置要給定的四

35、位數(shù)的溫度。 S1與P2.0口連接，用軟件編程，使每按一下溫度增加1度 S2與P2.1口連接，用軟件編程，使每按一下溫度增加10度 S3與P2.2口連接，用軟件編程，使每按一下溫度增加100度 S4與P2.3口連接，用軟件編程，使每按一下溫度增加1000度如圖3.7所示。3.4 LCD液晶顯示模塊3.4.1 器件選型與簡介在液晶顯示部分，本系統(tǒng)將采用現(xiàn)成的FYD12864-0402B液晶顯示模塊對溫度采集所得溫度以及溫度設(shè)置的四位數(shù)的溫度進(jìn)行顯示。FYD12864-0402B是一種具有4位或8位并行，2線或3線串行多種接口方式，且內(nèi)部含國標(biāo)一級/二級簡體中文字庫的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊。其顯示的

36、分辨率為128*64，內(nèi)置有8129個(gè)16*16點(diǎn)漢字，以及128個(gè)16*8點(diǎn)ASCII字符集。利用該模塊靈活的接口方式和簡單方便的操作指令，可以構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面?？梢燥@示8*4行16*16點(diǎn)陣的漢字。同時(shí)也可完成圖形顯示。該顯示模塊有一顯著特點(diǎn)，就是低電壓低功率。將由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊進(jìn)行比較，不論是硬件電路結(jié)構(gòu)還是顯示程序都要簡潔很多，且該模塊的價(jià)格也稍低于相同點(diǎn)陣的圖形液晶模塊。其基本特征有以下幾點(diǎn)： 1. 低電源電壓（VDD：+3.0 +5.5V） 2. 顯示分辨率：128*64點(diǎn) 3. 2MHZ時(shí)鐘頻率 4. 顯示方式：STN，半透以及正

37、顯 6. 驅(qū)動(dòng)方式：1/32DUTY，1/5BIAS 7. 通訊方式：串口、并口 8. 內(nèi)置有128個(gè)16*8點(diǎn)陣字符 9. 內(nèi)置有漢字字庫，提供8129個(gè)16*16點(diǎn)陣漢字（簡繁體均可） 10. 內(nèi)置有DCDC轉(zhuǎn)換電路，無需外加負(fù)壓 11. 無需片選信號，簡化軟件設(shè)計(jì) 12. 背光方式：側(cè)部高亮白色LED，功耗僅為普通LED的1/51/10 13. 工作溫度：0+55度；儲(chǔ)存溫度：-20 +60度 其原理方框圖如下圖3.8所示。 圖3.8 FYD12864-0402B原理方框圖其串行接口管腳信號如下表3.1： 表3.1 FYD12864-0402B串行接口管腳表 管腳號名稱LEVEL功能1V

38、SS0V電源地2VDD+5V電源正（3.0V-5.5V）3V0-對比度（亮度）調(diào)整4CSH/L模組片選端，高電平有效5SIDH/L串行數(shù)據(jù)輸入端6CLKH/L串行同步時(shí)鐘：上升沿時(shí)讀取SID數(shù)據(jù)15PSBLL:串口方式17/RESETH/L復(fù)位端，低電平有效19AVDD背光源電壓+5V20KVSS背光源負(fù)端0V其并行接口管腳信號如下表3.2所示。 表3.2 FYD12864-0402B并行接口管腳表 管腳號管腳名稱電平管腳功能描述1VSS0V電源地2VCC3.0-5.5V電源正3V0 -對比度（亮度）調(diào)整4RS(CS)H/LR/S="H"，表示DB7-DB0為顯示數(shù)據(jù)R/S

39、="L"，表示DB7-DB0為顯示指令數(shù)據(jù)5R/W(SID)H/LR/W="H"，E="H"，數(shù)據(jù)被讀到DB7-DB0R/W="L"，E="H L" ，DB7-DB0的數(shù)據(jù)被寫到IR或DR6E(SCLK)H/L使能信號7DB0H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線8DB1H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線9DB2H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線10DB3H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線11DB4H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線12DB5H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線13DB6H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線14DB7H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線15PSBH/LH:8位或4位并口方式，L：串口方式16NC -空腳17/RES

40、ETH/L復(fù)位端，低電平有效18VOUT -LCD驅(qū)動(dòng)電壓輸出端19AVDD背光源正端（+5V）20KVSS背光源負(fù)端 下面對控制器的接口信號進(jìn)行簡要的說明：1. RS，R/W的配合選擇決定控制界面的4種模式，如下表3.3所示。表3.3 RS，R/W功能表RSR/W功能說明LLMPU寫指令到指令寄存器（IR）LH讀出忙標(biāo)志（BF）及地址計(jì)數(shù)器（AC）的狀態(tài)HLMPU寫入數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)暫存器（DR）HHMPU從數(shù)據(jù)暫存器（DR）中讀出數(shù)據(jù)2. E信號，其控制功能如下表3.4所示。E狀態(tài)執(zhí)行動(dòng)作結(jié)果高 低I/O緩沖 DR配合W進(jìn)行寫數(shù)據(jù)或指令高DR I/O緩沖配合R進(jìn)行讀數(shù)據(jù)或指令低/低 高無動(dòng)作 表

41、3.4 E信號的控制功能表3. 忙標(biāo)志：BFBF標(biāo)志提供內(nèi)部的工作情況。當(dāng)BF=1時(shí)，表示模塊在進(jìn)行內(nèi)部操作，此時(shí)的模塊不接受外部指令和數(shù)據(jù)；當(dāng)BF=0時(shí)，表示模塊為準(zhǔn)備狀態(tài)，此時(shí)的模塊隨時(shí)可以接受外部指令和數(shù)據(jù)。利用STATUS RD指令，可將BF讀到DB7總線上，從而來檢驗(yàn)?zāi)K的工作狀態(tài)。4. 字型產(chǎn)生ROM（CGROM）字型產(chǎn)生ROM（CGROM）提供8129個(gè)此觸發(fā)器，其用于模塊屏幕顯示開和關(guān)的控制。當(dāng)DFF=1時(shí)，為開顯示（DISPLAY ON），DDRAM的內(nèi)容就顯示在屏幕上；當(dāng)DFF=0時(shí)，為關(guān)顯示（DISPLAY OFF）。DFF的狀態(tài)，由指令DISPLAY ON/OFF和RS

42、T信號控制的。5. 顯示數(shù)據(jù)RAM（DDRAM）模塊內(nèi)部顯示數(shù)據(jù)RAM提供64*2個(gè)位元組的空間，最多可以控制4行16字（64個(gè)字）的中文字型顯示。當(dāng)寫入顯示數(shù)據(jù)RAM時(shí)，可以分別顯示CGROM與CGRAM的字型。此模塊可顯示三種字型，分別是HCGROM(ASCII碼字庫)、CGRAM（自定義字形）及CGROM（中文字型）。這三種字型的選擇是由在DDRAM中寫入的編碼來選擇的，在0000H0006H的編碼中（其代碼分別是0000、0002、0004、0006，共4個(gè)），將選擇CGRAM的自定義字型，在02H7FH的編碼中將選擇ASCII碼字的字型，而A1以上的編碼將會(huì)自動(dòng)結(jié)合下一個(gè)位元組，組成

43、兩個(gè)位元組的編碼，形成中文字型的編碼BIG5（A140D75F），GB(A1A0F7FFH)。字符顯示RAM在液晶模塊中的地址80H9FH。字符顯示的RAM的地址與32個(gè)字符顯示區(qū)域有一一對應(yīng)的關(guān)系，其對應(yīng)關(guān)系如下表3.5所示。表3.5 字符顯示的RAM的地址與32個(gè)字符顯示區(qū)域的對應(yīng)關(guān)系表80H81H82H83H84H85H86H87H90H91H92H93H94H95H96H97H88H89H8AH8BH8CH8DH8EH8FH98H99H9AH9BH9CH9DH9EH9FH6. 地址計(jì)數(shù)器AC 地址計(jì)數(shù)器AC，用來貯存DDRAM/CGRAM之一的地址，它可以由設(shè)定指令暫存器來改變，而之后

44、只要讀取或者寫入DDRAM/CGRAM的值時(shí)，地址計(jì)數(shù)器的值就會(huì)自動(dòng)的加一，當(dāng)RS為“0”、R/W為“1”時(shí)，地址計(jì)數(shù)器的值就會(huì)被讀取到D86D80中。7. 光標(biāo)/閃爍控制電路此模塊提供硬體光標(biāo)以及閃爍控制電路，通過地址計(jì)數(shù)器的值來指定DDRAM中的光標(biāo)或者閃爍的位置。3.4.2 整個(gè)模塊設(shè)計(jì)與分析 圖3.11 液晶顯示與單片機(jī)的接口電路圖如圖3.11所示是FYD12864-0402B液晶顯示與單片機(jī)的接口電路圖。本系統(tǒng)選用的是FYD12864-0402B的并行接口。FYD12864-0402B每屏可顯示4行8列共32個(gè)16*16點(diǎn)陣的漢字，每個(gè)顯示RAM可顯示1個(gè)中文字符或2個(gè)16*8點(diǎn)陣全

45、高ASCII碼字符，即每屏最多可實(shí)現(xiàn)32個(gè)中文字符或64個(gè)ASCII碼字符的顯示。將FYD12864-0402B液晶顯示模塊與單片機(jī)相連，通過軟件編程來顯示傳感器采集所得到的溫度以及設(shè)定的溫度。3.5 溫度控制模塊 3.5.1 光耦器件選型與簡介 光耦合器（Optical Couple，英文縮寫為OC）亦稱光電隔離器，簡稱光耦。其以光為媒介傳輸電信號，對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用。其主要的優(yōu)點(diǎn)包括：信號單向傳輸，輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，輸出信號對輸入端無影響，且抗干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定，無觸點(diǎn)，使用壽命長，傳輸效率高等。 在本系統(tǒng)中，選用MOC3061，為過零檢測雙向可控硅輸出光

46、電耦合器，是一種新型的光電耦合器件，其通態(tài)電流為100ma，觸發(fā)電流為15ma，峰值電壓為600V，隔離電壓為7.5KV，工作溫度為 -4085，雙6腳，用于驅(qū)動(dòng)雙向晶閘管。其不但具有隔離功能，而且還可用于輸出通道作為開關(guān)器件使用?？捎弥绷鞯碗妷?、小電流來控制交流高電壓、大電流。與此同時(shí)，其也可用于115/240V交流電源下的帶有可控硅驅(qū)動(dòng)的邏輯接口電路。其耐壓高，具有過零關(guān)斷功能，用來控制大功率可控硅的開關(guān)。具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、觸發(fā)可靠等優(yōu)點(diǎn)。其過零檢測功能是被選作本系統(tǒng)隔離作用的重點(diǎn)。其引腳圖如下圖3.9。 圖3.8 MOC3061引腳圖3.5.2 可控硅器件選型及簡介雙向可控硅是一種功

47、率半導(dǎo)體器件，也稱雙向晶閘管。在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，可以作為功率驅(qū)動(dòng)器件。一般雙向可控硅接通的都是一些功率較大的用電器，且連接在強(qiáng)電網(wǎng)絡(luò)中。其觸發(fā)電路的抗干擾問題很重要，所以通常是通過光電耦合器將單片機(jī)控制系統(tǒng)中的觸發(fā)信號加載到可控硅的控制極。為了減小驅(qū)動(dòng)功率及雙向可控硅觸發(fā)時(shí)產(chǎn)生的干擾，交流電路雙向可控硅的觸發(fā)常采用過零觸發(fā)電路。過零觸發(fā)即指在電壓為零或零的瞬間接通。在本系統(tǒng)中，選用型號為BTB12-600B的雙向可控硅。其主要用途在：變頻電路，調(diào)光，調(diào)溫，調(diào)光等控制電路。其主要參數(shù)有：通態(tài)平均電流IT(RMS)為12A，通態(tài)浪涌電流ITSM為120A，正向耐壓VDRM>600V，反向耐

48、壓VRRM>600V，觸發(fā)電流IGT（I/II/III/IV）<50/50/50/100mA，通態(tài)壓降VTM<1.55V(ITM=17A)，觸發(fā)電壓VGT=1.5V，結(jié)溫為125度，其管腳排列為T1-T2-G。管腳圖如圖3.9所示。 圖3.9 BTB12-600B管腳圖 3.5.3 整個(gè)模塊設(shè)計(jì)與分析 圖3.10 溫度控制電路圖 如圖3.8所示，圖中光電耦合雙向可控硅驅(qū)動(dòng)器MOC3061，是用來驅(qū)動(dòng)雙向可控硅（BCR）BTB12-600B的，并且也起到隔離的作用。R7為觸發(fā)限流電阻，R8為雙向可控硅門極電阻，有防止誤觸發(fā)，提高抗干擾能力等作用。當(dāng)單片機(jī)STC12C5A60S2

49、的P1.0引腳輸出負(fù)脈沖信號時(shí)，MOC3061導(dǎo)通，觸發(fā)雙向可控硅導(dǎo)通，接通交流負(fù)載。如果雙向可控硅接感性交流負(fù)載時(shí)，由于電源電壓超前負(fù)載電流一個(gè)相位角，所以，當(dāng)負(fù)載交流為零時(shí)，電源電壓為反向電壓，此外，再加上感性負(fù)載自感電動(dòng)勢的作用，使雙向可控硅承受的電壓值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電源電壓。雖然雙向可控硅是反向?qū)ǖ模且踩菀讚舸?，所以必須使雙向可控硅能承受這種反向電壓。所以，一般在雙向可控硅兩級間并聯(lián)一個(gè)RC阻容吸收電路，即C6與R9，以此實(shí)現(xiàn)雙向可控硅的過電壓保護(hù)。 第四章 軟件設(shè)計(jì)4.1 主程序設(shè)計(jì) 主程序是系統(tǒng)的監(jiān)控程序。在程序運(yùn)行的過程中，主程序的任務(wù)是首先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，包括按鍵程序以及各個(gè)端口的初始化工作，以實(shí)現(xiàn)參數(shù)輸入，并控制硅碳棒電加熱器的正常運(yùn)行。在初始化完成后就進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集及處理，以及智能控制等部分。其中溫度數(shù)據(jù)采集及處理主要包括實(shí)時(shí)采集硅碳棒的溫度信號，計(jì)算出實(shí)際溫度與設(shè)定值的差值以及溫差的變化率，并對硅碳棒的溫度信號進(jìn)行處理。而智能控制則是指溫度控制系統(tǒng)的控制方法。顯示采集所得溫度計(jì)算溫差e(k)和溫差變化率 開始 系統(tǒng)初始化鍵盤設(shè)置給定溫度LCD顯示給定的溫度值經(jīng)處理過后的信號傳入單片機(jī)讀取A/D轉(zhuǎn)換值并計(jì)算當(dāng)前溫度PID控制方式程序求出輸出控制量控制輸出 圖4.1 主程序流程圖 4.2 子程序部分4.2.1 A/D轉(zhuǎn)換程序 本設(shè)計(jì)