硅碳棒電加熱溫度控制器的設計

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本科畢業(yè)設計

題目：硅碳棒電加熱溫度控制器的設計

學院：信息科學技術(shù)學院專業(yè)：電子信息工程（微電子）學號：學生姓名：指導老師：職稱：

二零一二年五月

摘要

溫度是工業(yè)生產(chǎn)以及科學試驗中的重要參數(shù)之一。溫度的控制在大量領(lǐng)域中都有著積極的意義。在好多行業(yè)中都有大量的用電加熱設備，如硅碳棒等。采用單片機對其進行控制不僅具有控制便利，簡單，靈活性大等特點，而且還可以較大幅度的提高被控溫度的技術(shù)指標，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計進行的分析與設計，我們采用了以STC12C5A60S2單片機為主體，鉑銠10-鉑熱電偶溫度采集模塊，溫度設置模塊，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)中單片機將采集到的溫度與設定的溫度進行比較，由此來判定硅碳棒上是否繼續(xù)加熱。此外還參與了顯示模塊，將采集到的溫度以及設定的溫度進行實時顯示，使得整個設計更加完整，更加靈活。

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，溫度控制成為各個領(lǐng)域中的一項很關(guān)鍵的技術(shù)，研究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，同時具有良好的化學穩(wěn)定性。與自動化電控系統(tǒng)配套，還可得到確切的恒定溫度，又可根據(jù)需要按曲線自動調(diào)溫。使用硅碳棒加熱既便利，又安全可靠。現(xiàn)已廣泛應用于各類加熱設備的電加熱元件。

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算判別當前溫度值與設定溫度值之間的關(guān)系，進而對系統(tǒng)加熱源進行通斷控制。這種開關(guān)控溫方法較簡單，是當系統(tǒng)溫度上升至設定點時就關(guān)斷電源，當系統(tǒng)溫度下降至設定點時就開通電源，因而無法戰(zhàn)勝溫度變化過程的滯后性，導致系統(tǒng)溫度波動大，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)整定和自適應控制理論，其具有算法簡單，可靠性高等特點。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。采用此方法實現(xiàn)的溫度控制器，其控制品質(zhì)的好壞主要取決于三個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)的設計是十分必要的。

1.2系統(tǒng)實現(xiàn)的功能

設計基于STC12C5A60S2單片機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)理硅碳棒的控制電壓，從而調(diào)理溫度，實現(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)理范圍在0～

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1300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算機軟件方法來進行PID調(diào)理功能，使溫度到達設定溫度。

1.3設計的要求與方案

所設計的硅碳棒電加熱控制器應具有以下功能：

(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單片機中的A/D轉(zhuǎn)換相協(xié)同，從而實現(xiàn)對初始溫度的采集；

(2溫度設置：此部分依靠四個撥盤與單片機協(xié)同實現(xiàn)對最終溫度的設置；

(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定溫度進行顯示；

(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實現(xiàn)對單片機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，與單片機協(xié)同，運用PID控制方式來控制正弦波導通的周期個數(shù)，從而實現(xiàn)對溫度的控制功能。

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其次章總體設計分析

2.1組成框圖

根據(jù)設計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作為微處理單元進行控制。其次由傳感器溫度采集電路，溫度設置電路，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。

▲圖2.1組成框圖

溫度設置電路傳感器溫度采集STC12C5A60S2單片機LCD液晶顯示電路溫度控制電路2.2主要功能模塊的簡介

2.2.1傳感器溫度采集

測溫電路的設計是采用型號為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，抗氧化性能強以及測量精度高等優(yōu)點，可以較為確鑿的測溫。利用其感溫效應，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單片機中進行A/D轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)由模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，再利用STC12C5A60S2單片機進行數(shù)據(jù)的處理，從而采集得到溫度。

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2.2.2溫度設置

通過用四個撥盤以及四個電阻連接STC12C5A60S2單片機，應用編程來設置要給定的

四位數(shù)的溫度。其中S1與單片機的一個I/O口連接，用軟件編程，使其每按一下溫度增加1度；S2也與單片機的一個I/O口連接，用軟件編程，使其每按一下溫度增加10度；S3也與單片機的一個的I/O口連接，用軟件編程，使其每按一下溫度增加100度；S4也與單片機的一個I/O口連接，用軟件編程，使其每按一下溫度增加1000度。

2.2.3LCD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32個16*16點陣的漢字，每個顯示RAM可顯示1個中文字符或2個16*8點陣全高ASCII字符，即每屏最多可實現(xiàn)32個中文字符或64個ASCII碼字符的顯示。在本系統(tǒng)中，利用該模塊與單片機進行相連，對其進行編程使用，用來顯示溫度采集所得溫度以及溫度設置給定的四位數(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通的周期個數(shù)來調(diào)理輸出功率。

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)動發(fā)光二極管（LED），使之發(fā)出一定波長的光，然后被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進一步放大后輸出。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。由于外圍電路尋常是交流電壓為220V，強電是不能和弱電有任何電器接觸的，所以為防止強電進入單片機內(nèi)，必需采用光耦。又由于本系統(tǒng)電路需要進行過零檢測，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，用其對單片機和可控硅溫度控制電路進行隔離。然后采用雙向可控硅MAC97A6構(gòu)成過零比較電路，當輸入是高電平日，電路導通；當輸入是低電平日，則電路不導通。與單片機結(jié)合，軟件部分采用PID控制方法對溫度進

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行控制，由于其算法簡單，可靠性高等優(yōu)點被廣泛使用，特別是適用于可建立確切數(shù)學模型的確定性控制系統(tǒng)，其中數(shù)字PID調(diào)理器的參數(shù)可以在現(xiàn)場實現(xiàn)在線整定，因此具有較大的靈活性。

第三章硬件設計

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理及化學性能良好，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℃，熱響應時間小于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)生的電信號必需進行調(diào)理才能被確切、可靠的采集，所以將其進行變送，得到溫度范圍在0~1300度所對應的0~5V的電壓信號。

將該0~5V的電壓信號，送給一個電壓跟隨器，它的作用就是對信號進行隔離，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，與此同時它使輸出電阻值減小，使電路的負載能力得到提高。電壓跟隨器采用的是：HA17358運放芯片，為單電源運放，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償?shù)?。其芯片引腳圖如下圖3.4所示。

▲圖3.4HA17358引腳圖

在得到模擬信號以后需要進行A/D轉(zhuǎn)換，所謂A/D轉(zhuǎn)換器即為模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（AnalogtoDigitalConverter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，而STC12C5A60S2單片機又是自帶A/D轉(zhuǎn)換的，所以我們不用再另外選取A/D轉(zhuǎn)換器。

下面對STC12C5A60S2單片機中的A/D轉(zhuǎn)換功能進行介紹。

STC12C5A60S2單片機的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250K/S（每秒鐘25萬次）。

STC12C5A60S2單片機ADC(A/D轉(zhuǎn)換器)的結(jié)構(gòu)如圖3.6所示。

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▲圖3.6ADC結(jié)構(gòu)圖

當AUXR.1/ADRJ=0時，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果寄放器格式如下：

ADC_RES[7:0]

ADC_B9ADC_B8ADC_B7ADC_B6ADC_B5ADC_B4ADC_B3ADC_B2

ADC_B1ADC_B0------ADC_RES[1:0]當AUXR.1/ADRJ=1時，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果寄放器格式如下：ADC_RES[1:0]

------ADC_B9ADC_B8ADC_B7ADC_B6ADC_B5ADC_B4ADC_B3ADC_B2ADC_B1

ADC_B0ADC_RES[7:0]

STC12C5A60S2單片機的ADC由多路選擇開關(guān)，比較器，逐層比較寄放器，10位DAC，

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轉(zhuǎn)換結(jié)果寄放器（ADC_RES和ADC_RESL）及ADC_CONTR構(gòu)成。

STC12C5A60S2單片機的ADC是逐層比較型的ADC。逐層比較型的ADC是由一個比較器和D/A轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的，通過逐層比較，從最高位（MSB）開始，順序地對每一個輸入電壓與內(nèi)置的D/A轉(zhuǎn)換器輸出進行比較，經(jīng)過屢屢的比較，使得轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量逐次迫近輸入模擬量的對應值。逐次比較型的ADC具有速度高、功耗低等優(yōu)點。

從上圖3.6可以看出，通過模擬多路開關(guān)，將通過ADC0~7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放器輸出其轉(zhuǎn)換結(jié)果。在A/D轉(zhuǎn)換終止后，最終的轉(zhuǎn)換結(jié)果保存到ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果寄放器ADC_RES和ADC_RESL中，與此同時，置位ADC控制寄放器ADC_CONTR中的A/D轉(zhuǎn)換終止標志位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控制寄放器ADC_CONTR中的CHS2~CHS0來確定的。ADC的轉(zhuǎn)換速度是由ADC控制寄放器中的SPEED1和SPEED0來確定的。使用ADC之前，應率先給ADC上電，即置位ADC控制寄放器中的ADC_POWER位。

當ADRJ=0時，假使要取10位結(jié)果，則按下面公式計算：

10-bitA/DConversionResult:(ADC_RES[7:0],ADC_RESL[1:0])=1024*Vin/Vcc當ADRJ=0時，假使要取8位結(jié)果，則按下面公式計算：8-bitA/DConversionResult:(ADC_RES[7:0])=256*Vin/Vcc當ADRJ=1時，假使要取10位結(jié)果，則按下面公式計算：

10-bitA/DConversionResult:(ADC_RES[1:0],ADC_RESL[7:0])=1024*Vin/Vcc式中，Vin為模擬輸入通道的輸入電壓，Vcc為單片機的實際工作電壓，用單片機的工作電壓作為模擬的參考電壓。

3.2.2整個模塊設計與分析

溫度采集電路如圖3.3所示：

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▲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0~5V的電壓信號，送給一個電壓跟隨器，通過電壓跟隨器對信號進行隔離，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，提高了電路的負載能力。

在經(jīng)過電壓跟隨器之后，得到的模擬信號需要進行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，將其通過軟件設置為A/D轉(zhuǎn)換口，此內(nèi)容將在第四章進行介紹。

3.3溫度設置模塊

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VCCR14.7KR24.7KR34.7KR44.7KS4P2.3SW-PBS3P2.2SW-PBS2P2.1SW-PBS1P2.0SW-PB

▲圖3.7鍵盤設置圖

這里要給單片機設定的溫度，所以選用了四個撥盤及四個4.7K的電阻連單片機的P2.0~P2.3口，通過編程來設置要給定的四位數(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。

3.4LCD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置的四位數(shù)的溫度進行顯示。

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)部含國標一級/二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊。其顯示的分辯率為128*64，

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內(nèi)置有8129個16*16點漢字，以及128個16*8點ASCII字符集。利用該模塊靈活的接口方式和簡單便利的操作指令，可以構(gòu)成全中文人機交互圖形界面?？梢燥@示8*4行16*16點陣的漢字。同時也可完成圖形顯示。該顯示模塊有一顯著特點，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陣液晶顯示模塊進行比較，不管是硬件電路結(jié)構(gòu)還是顯示程序都要簡單好多，且該模塊的價格也稍低于一致點陣的圖形液晶模塊。

其基本特征有以下幾點：

1.低電源電壓（VDD：+3.0~+5.5V）2.顯示分辯率：128*64點3.2MHZ時鐘頻率

4.顯示方式：STN，半透以及正顯6.驅(qū)動方式：1/32DUTY，1/5BIAS7.通訊方式：串口、并口8.內(nèi)置有128個16*8點陣字符

9.內(nèi)置有漢字字庫，提供8129個16*16點陣漢字（簡繁體均可）10.內(nèi)置有DC—DC轉(zhuǎn)換電路，無需外加負壓11.無需片選信號，簡化軟件設計

12.背光方式：側(cè)部高亮白色LED，功耗僅為普通LED的1/5—1/1013.工作溫度：0~+55度；儲存溫度：-20~+60度

其原理方框圖如下圖3.8所示。

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▲圖3.8FYD12864-0402B原理方框圖

其串行接口管腳信號如下表3.1：

表3.1FYD12864-0402B串行接口管腳表管腳號123456151719名稱VSSVDDV0CSSIDCLKPSB/RESETALEVEL0V+5V-H/LH/LH/LLH/LVDD功能電源地電源正（3.0V-5.5V）對比度（亮度）調(diào)整模組片選端，高電平有效串行數(shù)據(jù)輸入端串行同步時鐘：上升沿時讀取SID數(shù)據(jù)L:串口方式復位端，低電平有效背光源電壓+5V

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KVSS背光源負端0V其并行接口管腳信號如下表3.2所示。表3.2FYD12864-0402B并行接口管腳表管腳號1234管腳名稱VSSVCCV0RS(CS)電平0V管腳功能描述電源地3.0-5.5V電源正-H/L對比度（亮度）調(diào)整R/S=\，表示DB7-DB0為顯示數(shù)據(jù)R/S=\，表示DB7-DB0為顯示指令數(shù)據(jù)5R/W(SID)H/LR/W=\，E=\，數(shù)據(jù)被讀到DB7-DB0R/W=\，E=\L\，DB7-DB0的數(shù)據(jù)被寫到IR或DR67891011121314151617

E(SCLK)DB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7PSBNC/RESETH/LH/LH/LH/LH/LH/LH/LH/LH/LH/L-H/L使能信號三態(tài)數(shù)據(jù)線三態(tài)數(shù)據(jù)線三態(tài)數(shù)據(jù)線三態(tài)數(shù)據(jù)線三態(tài)數(shù)據(jù)線三態(tài)數(shù)據(jù)線三態(tài)數(shù)據(jù)線三態(tài)數(shù)據(jù)線H:8位或4位并口方式，L：串口方式空腳復位端，低電平有效２２

181920

VOUTAK-VDDVSSLCD驅(qū)動電壓輸出端背光源正端（+5V）背光源負端

下面對控制器的接口信號進行簡要的說明：

1.RS，R/W的協(xié)同選擇決定控制界面的4種模式，如下表3.3所示。

表3.3RS，R/W功能表

RSLLHHR/WLHLH功能說明MPU寫指令到指令寄放器（IR）讀出忙標志（BF）及地址計數(shù)器（AC）的狀態(tài)MPU寫入數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)暫存器（DR）MPU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。

表3.4E信號的控制功能表

E狀態(tài)高低高低/低高執(zhí)行動作I/O緩沖DRDRI/O緩沖無動作

3.忙標志：BF

BF標志提供內(nèi)部的工作狀況。當BF=1時，表示模塊在進行內(nèi)部操作，此時的模塊不接受外部指令和數(shù)據(jù)；當BF=0時，表示模塊為準備狀態(tài)，此時的模塊隨時可以接受外部指令和數(shù)據(jù)。

利用STATUSRD指令，可將BF讀到DB7總線上，從而來檢驗模塊的工作狀態(tài)。4.字型產(chǎn)生ROM（CGROM）

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結(jié)果協(xié)同W進行寫數(shù)據(jù)或指令協(xié)同R進行讀數(shù)據(jù)或指令

字型產(chǎn)生ROM（CGROM）提供8129個此觸發(fā)器，其用于模塊屏幕顯示開和關(guān)的控制。當DFF=1時，為開顯示（DISPLAYON），DDRAM的內(nèi)容就顯示在屏幕上；當DFF=0時，為關(guān)顯示（DISPLAYOFF）。

DFF的狀態(tài)，由指令DISPLAYON/OFF和RST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個位元組的空間，最多可以控制4行16字（64個字）的中文字型顯示。當寫入顯示數(shù)據(jù)RAM時，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0000H—0006H的編碼中（其代碼分別是0000、0002、0004、0006，共4個），將選擇CGRAM的自定義字型，在02H—7FH的編碼中將選擇ASCII碼字的字型，而A1以上的編碼將會自動結(jié)合下一個位元組，組成兩個位元組的編碼，形成中文字型的編碼BIG5（A140—D75F），GB(A1A0—F7FFH)。字符顯示RAM在液晶模塊中的地址80H~9FH。字符顯示的RAM的地址與32個字符顯示區(qū)域有一一對應的關(guān)系，其對應關(guān)系如下表3.5所示。

表3.5字符顯示的RAM的地址與32個字符顯示區(qū)域的對應關(guān)系表

80H90H88H98H81H91H89H99H82H92H8AH9AH83H93H8BH9BH84H94H8CH9CH85H95H8DH9DH86H96H8EH9EH87H97H8FH9FH6.地址計數(shù)器AC

地址計數(shù)器AC，用來貯存DDRAM/CGRAM之一的地址，它可以由設定指令暫存器來改變，而之后只要讀取或者寫入DDRAM/CGRAM的值時，地址計數(shù)器的值就會自動的加一，當RS為“0〞、R/W為“1〞時，地址計數(shù)器的值就會被讀取到D86—D80中。7.光標/閃爍控制電路

此模塊提供硬體光標以及閃爍控制電路，通過地址計數(shù)器的值來指定DDRAM中的光標或者閃爍的位置。

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3.4.2整個模塊設計與分析

▲圖3.11液晶顯示與單片機的接口電路圖

如圖3.11所示是FYD12864-0402B液晶顯示與單片機的接口電路圖。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16*16點陣的漢字，每個顯示RAM可顯示1個中文字符或2個16*8點陣全高ASCII碼字符，即每屏最多可實現(xiàn)32個中文字符或64個ASCII碼字符的顯示。將FYD12864-0402B液晶顯示模塊與單片機相連，通過軟件編程來顯示傳感器采集所得到的溫度以及設定的溫度。

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3.5溫度控制模塊

3.5.1光耦器件選型與簡介

光耦合器（OpticalCouple，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)點包括：信號單向傳輸，輸入端與輸出端完全實現(xiàn)了電氣隔離，輸出信號對輸入端無影響，且抗干擾能力強，工作穩(wěn)定，無觸點，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-40～85℃，雙6腳，用于驅(qū)動雙向晶閘管。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，其也可用于115/240V交流電源下的帶有可控硅驅(qū)動的規(guī)律接口電路。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。其過零檢測功能是被選作本系統(tǒng)隔離作用的重點。其引腳圖如下圖3.9?！鴪D3.8MOC3061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率半導體器件，也稱雙向晶閘管。在單片機控制系統(tǒng)中，可以作為功率驅(qū)動器件。一般雙向可控硅接通的都是一些功率較大的用電器，且連接在強電網(wǎng)絡中。其觸發(fā)電路的抗干擾問題很重要，所以尋常是通過光電耦合器將單片機控制系統(tǒng)中的觸發(fā)信號加載到可控硅的控制極。為了減小驅(qū)動功率及雙向可控硅觸發(fā)時產(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

２６

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，反向耐壓VRRM>600V，觸發(fā)電流IGT（I/II/III/IV）

ADC_RESLAUXR1BEhA/D轉(zhuǎn)換結(jié)果寄放器低A2HAuxiliaryregister1-PCA_P4SPI_P4S2_P4GF2ADRJ-DPSAUXR1寄放器的ADRJ位是A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果寄放器（ADC_RES、ADC_RESL）的數(shù)據(jù)格式調(diào)整控制位。

當ADRJ=0時，10位A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的高8位存放在ADC_RES中，而低2位則存放在ADC_RESL的低2位中。其存放方式如下表4.8所示。

表4.8ADRJ=0時結(jié)果的存放方式

MnemonicAddNameB7B6B5B4B3B2B1B0ADC_RESBDhA/D轉(zhuǎn)化結(jié)果寄放器高8位ADC_RES9ADC_RES8ADC_RES7ADC_RES6ADC_RES5ADC_RES4ADC_RES3ADC_RES2ADC_RESLAUXR1

BEhA/D轉(zhuǎn)換結(jié)果寄放器低2位A2HAuxiliaryregister1------ADC_RES1ADC_RES0ADRJ=0此時，假使用戶需要取完整的10位結(jié)果，則按下面公式計算：

10—bitA/D轉(zhuǎn)換器結(jié)果（ADC_RES[7:0]，ADC_RESL[1:0]）=1024*Vin/Vcc假使用戶只需要取8位結(jié)果，則按下面公式計算：

8—bitA/D轉(zhuǎn)換器結(jié)果（ADC_RES[7:0]）=256*Vin/Vcc

式中，Vin為模擬輸入通道的輸入電壓，Vcc為單片機的實際工作電壓，把單片機的工作電壓作為模擬的參考電壓。

當ADRJ=1時，10位A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的高2位存放在ADC_RES的低2位中，而低8位則存放在ADC_RESL中。

３５

表4.9ADRJ=1時結(jié)果的存放方式

MnemonicAddNameB7B6B5B4B3B2B1B0ADC_RESBDhA/D轉(zhuǎn)化結(jié)果寄放器高2位ADC_RES9ADC_RES8ADC_RESLAUXR1

BEhA/D轉(zhuǎn)換結(jié)果寄放器低8位A2HAuxiliaryregister1ADC_RES7ADC_RES6ADC_RES5ADC_RES4ADC_RES3ADC_RES2ADC_RES1ADC_RES0ADRJ=1此時，假使用戶需要取完整的10位結(jié)果，則按下面公式計算：

10—bitA/D轉(zhuǎn)換器結(jié)果（ADC_RES[1:0]，ADC_RESL[7:0]）=1024*Vin/Vcc

式中，Vin為模擬輸入通道的輸入電壓，Vcc為單片機的實際工作電壓，把單片機的工作電壓作為模擬的參考電壓。

4.與A/D中斷有關(guān)的寄放器

IE：中斷允許寄放器（可位尋址）。其格式如下表4.10所示。

表4.10中斷允許寄放器格式

SFRnameIE

EA：CPU的中斷開放標志。當EA=1時，CPU開放中斷；當EA=0時，則CPU屏蔽所有的中斷申請。

EA的作用是使中斷允許形成多級控制。各中斷源首先受到EA的控制，然后還要受到各中斷源自己的中斷允許控制位控制。

EADC：A/D轉(zhuǎn)換中斷允許位。當EADC=1時，允許A/D轉(zhuǎn)換中斷；當EADC=0時，禁

３６

AddressA8HbitB7B6B5B6B3B2B1B0nameEAELVDEADCESET1EX1ET0EX0

止A/D轉(zhuǎn)換中斷。

假使要允許A/D轉(zhuǎn)換中斷，則需將相應的控制位置1：

1.將EADC置1，則允許ADC中斷，其為ADC轉(zhuǎn)換的中斷控制位。

2.將EA置1，開啟單片機的總中斷控制位。假使此位不開啟，也是無法產(chǎn)生ADC中斷的。在A/D中斷服務程序中，要用軟件清0。A/D中斷請求標志位ADC_FLAG，該位也是A/D轉(zhuǎn)換終止標志位。

IPH：中斷優(yōu)先級控制寄放器高（不可位尋址）。其格式如下表4.11所示。

表4.11中斷優(yōu)先級控制寄放器高格式

SFRAddbitB7B6B5B6B3B2B1B0nameressIPHB7HnamePPCAHPLVDHPADCHPSHPT1HPX1HPT0H

IP：中斷優(yōu)先級控制寄放器低（可位尋址）。其格式如下表4.12所示。

表4.12中斷優(yōu)先級控制寄放器低格式

SFRnameIP

PADCH，PADC：A/D轉(zhuǎn)換中斷優(yōu)先級控制位。

當PADCH=0且PADC=0時，A/D轉(zhuǎn)換中斷為最低優(yōu)先級中斷（優(yōu)先級0）

當PADCH=0且PADC=1時，A/D轉(zhuǎn)換中斷為較低優(yōu)先級中斷（優(yōu)先級1）當PADCH=1且PADC=0時，A/D轉(zhuǎn)換中斷為較高優(yōu)先級中斷（優(yōu)先級2）當PADCH=1且PADC=1時，A/D轉(zhuǎn)換中斷為最高優(yōu)先級中斷（優(yōu)先級3）

AddressB8HbitB7B6B5B4B3B2B1B0PX0HnamePPCAPLVDPADCPSPT1PX1PT0PX0３７

STC12C5A60S2單片機的A/D轉(zhuǎn)換流程圖如下圖4.2所示。

A/D轉(zhuǎn)換是否終止？N啟動A/D轉(zhuǎn)換選擇A/D轉(zhuǎn)換速度選擇P1.1作為A/D轉(zhuǎn)換通道開始Y

▲圖4.2A/D轉(zhuǎn)換流程圖

終止保存A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果將ADC_FLAG(模數(shù)轉(zhuǎn)換器終止標志位)清零３８

4.2.2溫度設置程序

鍵盤是人與微機打交道的主要設備。在本次設計中，設定溫度采用4個撥盤的方式給定。這四個鍵分別代表，個，十，百，千位，由程序給定。

在本系統(tǒng)的鍵盤設置中，鍵閉合和鍵釋放的信息獲取，鍵抖動的消除，鍵值的查找以及一些保護措施的實施等任務，都是由軟件來實現(xiàn)完成的。本鍵盤設置的鍵輸入程序應當完成的任務有：（1）監(jiān)測有無鍵按下：鍵的閉合與否，反映在電壓上浮現(xiàn)高電平或低電平，所以通過電平的高低狀態(tài)來進行檢測，即可確認按鍵是否按下；（2）判斷是哪個鍵按下；（3）完成按鍵的任務。

按鍵的觸點在閉合和斷開時都會產(chǎn)生抖動，這時觸點的規(guī)律電平是不穩(wěn)定的。所以這里采用采用軟件延時的方法避開抖動，這一延時程序一般是大于5ms的。在第一次檢測到有鍵按下時，執(zhí)行一段延時子程序，再確定電平是否依舊保持閉合狀態(tài)電平，假使保持，則確實有鍵按下。這種軟件延時的方法很切實可行的消除了軟件抖動的影響。鍵盤子程序流程圖如圖4.3所示。

３９

開始初始化地址參數(shù)鍵入去抖動

N判斷P2.0是否有信號？N返回主程序調(diào)用顯示程序百位+1YNN判斷P2.1是否有信號？Y調(diào)用顯示程序十位+1N調(diào)用顯示程序判斷P2.3是否有信號？Y千位+1判斷P2.2是否有信號？Y

個位+1Y調(diào)用顯示程序▲圖4.2溫度設置子程序流程圖

４０

4.2.3LCD顯示程序

在本系統(tǒng)中，采用FYD12864-0402B液晶顯示模塊。

該模塊控制芯片提供兩套控制命令，基本指令和擴展指令如下：基本指令（當RE=0時）的指令表如下表4.13所示。

表4.13基本指令表

指令RSR/WD7D60指令碼D50D40D30D20D10D01功能清除顯示000將DDRAM填滿\，并設定DDRAM的地址計器（AC）\地址歸位000000001X設定DDRAM的地址計數(shù)器（AC）到\，并且將游標移到開頭原點位置：這個指令不改變DDRAM的內(nèi)容顯示狀態(tài)開/關(guān)0000001DCBD=1：整個顯示0NC=1：游標0NB=1：游標位置反白允許進入點設定00000001I/DS指定在數(shù)據(jù)的讀取與寫入時，設定游標的移動方向及指定顯示的移位游標或顯示移位控制

000001S/CR/LXX設定游標的移動與顯示的移位控制位；這個指令不改變DDRAM的內(nèi)容４１

功能設定00001DLXREXXDL=0/1：4/8位數(shù)據(jù)RE=1：擴展指令操作RE=0：基本指令操作設定CGRAM地址設定DDRAM地址0001AC5AC4AC3AC2AC1AC0設定CGRAM地址0010AC5AC4AC3AC2AC1AC0設定DDRAM地址（顯示位址）第一行：80H-87H其次行：90H-97H讀取忙標志和地址寫數(shù)據(jù)到RAM01BFAC6AC5AC4AC3AC2AC1AC0讀取忙標志（BF）可以確認內(nèi)部動作是否完成，同時可以讀出地址計數(shù)器（AC）的值10數(shù)據(jù)將數(shù)據(jù)D7-D0寫入到內(nèi)部的RAM（DDRAM/CGRAM/IRAM/GRAM）讀出RAM的值11數(shù)據(jù)從內(nèi)部RAM讀取數(shù)據(jù)D7-D0（DDRAM/CGRAM/IRAM/GRAM）

擴展指令（當RE=1時）的指令表如下圖4.14所示。

表4.14擴展指令表

指令RSR/WD7

指令碼D6D5D4D3４２

功能D2D1D0

待命模式0000000001進入待命模式，執(zhí)行其他指令都可終止待命模式卷動地址開關(guān)開啟反白選擇000000001SRSR=1：允許輸入垂直卷動地址SR=0：允許輸入IRAM和CGRAM地址00000001R1R0選擇2行中的任一行作反白顯示，并可決定反白與否，初始值R1R0=00，第一次設定為反白顯示，再次設定變回正常睡眠模式擴展功能設定0000001SLXXSL=0：進入睡眠模式SL=1：脫離睡眠模式00001CLXREG0CL=0/1：4/8位數(shù)據(jù)RE=1：擴展指令操作RE=0：基本指令操作G=1/0：繪圖開關(guān)

４３

該LCD液晶顯示模塊的子程序流程圖如下圖4.3所示。

開始定義接口給定主程序入口地址初始化LCD12864

顯示內(nèi)容寫入緩存LCD12864啟動延時液晶屏正常顯示返回▲圖4.3液晶顯示子程序流程圖

４４

4.2.4PID溫度控制程序

從實現(xiàn)溫度控制的算法方面來看有以下幾點：

1.傳統(tǒng)的開關(guān)式溫度控制，此方法使用簡單，但控制精度不；

2.經(jīng)典PID控制算法控制（模糊理論）：此算法以比例（P）、積分（I）、微分（D）函數(shù)為基礎(chǔ)，通過大量試驗確定需要的參數(shù)，建立數(shù)學模型，編程來達到更好的精度控制。這種算法比較繁雜，需大量的試驗確定參數(shù)，其控制原理圖如下圖4.3所示。

▲圖4.3經(jīng)典PID控制系統(tǒng)原理圖

3.改進型PID控制算法控制：此方法在經(jīng)典PID算法的基礎(chǔ)上，在其軟件方面進行改進，提高了控制精度，所以次方法目前最常用，其控制原理圖如下圖4.4所示。

▲圖4.4

改進型PID控制系統(tǒng)原理圖

在本系統(tǒng)中采用改進型的PID控制算法來實現(xiàn)高精度的溫度控制。

４５

PID(ProportionalIntegralDerivative)控制是控制工程中技術(shù)成熟，且應用較廣泛的一種控制方式。經(jīng)過長期的工程實踐，已形成了一套完整的控制方法和典型的結(jié)構(gòu)。它不僅適用于數(shù)字模型已知的控制系統(tǒng)中，而且對于大多數(shù)數(shù)學模型難以確定的工業(yè)過程中也可應用，在眾多工業(yè)過程控制中取得了滿意的應用效果。

其實PID的實質(zhì)就是對偏差（e(k)值）進行比例、積分、微分運算，根據(jù)運算結(jié)果控制執(zhí)行部件的過程。

比例（P）控制能迅速反應誤差，從而減小穩(wěn)態(tài)誤差。但比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。比例放大系數(shù)的加大，會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分（I）控制的作用是：只要系統(tǒng)有誤差存在，積分控制就能完全消除誤差，使系統(tǒng)誤差為零，從而消除穩(wěn)態(tài)誤差。但是積分作用太強會使系統(tǒng)超調(diào)加大，甚至引起系統(tǒng)的振蕩。而微分（D）控制可以減小超調(diào)量，戰(zhàn)勝振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高，同時加快系統(tǒng)的動態(tài)響應速度、減小調(diào)整時間，從而改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。根據(jù)不同的被控對象的控制特性，又可以分為P、PI、PD、PID等等不同的控制模型。

在計算機控制系統(tǒng)中，由于計算機基于采樣控制理論，計算方法也不能再沿襲傳統(tǒng)的模擬PID控制算法，所以必需將控制模型離散化，即數(shù)字PID控制。數(shù)字PID的實現(xiàn)：在連續(xù)—時間控制系統(tǒng)（模擬PID控制系統(tǒng)）中，PID控制器應用得十分廣泛。其設計技術(shù)成熟，長期以來形成了典型的結(jié)構(gòu)，參數(shù)整定便利，結(jié)構(gòu)更改靈活，能滿足一般的控制要求。隨著計算機的快速發(fā)展，人們將計算機引入到了PID控制領(lǐng)域，也就出現(xiàn)了數(shù)字式PID控制。

數(shù)字PID控