【基于單片機的溫度顯示和控制系統(tǒng)設(shè)計（附程序）11000字（論文）】

PAGE４５PAGE基于單片機的溫度顯示和控制系統(tǒng)設(shè)計第一章前言 ２1.1本文研究的目的和意義 ２1.2系統(tǒng)實現(xiàn)的功能 ２1.3設(shè)計的要求與方案 ３第二章總體設(shè)計分析 ４2.1組成框圖 ４2.2主要功能模塊的簡介 ４2.2.1傳感器溫度采集 ４2.2.2溫度設(shè)置 ４2.2.3LCD液晶顯示 ５2.2.4溫度控制 ５第三章硬件設(shè)計 ７3.1主控系統(tǒng) ７3.1.1STC12C5A60S2單片機簡介 ７3.1.2最小應(yīng)用系統(tǒng)模塊 ９3.2傳感器溫度采集模塊 １１3.2.1器件選型與簡介 １１3.2.2整個模塊設(shè)計與分析 １３3.3溫度設(shè)置模塊 １４3.4LCD液晶顯示模塊 １５3.4.1器件選型與簡介 １５3.4.2整個模塊設(shè)計與分析 １８3.5溫度控制模塊 １９3.5.1光耦器件選型與簡介 １９3.5.2可控硅器件選型及簡介 ２０3.5.3整個模塊設(shè)計與分析 ２０第四章軟件設(shè)計 ２２4.1主程序設(shè)計 ２２4.2子程序部分 ２３4.2.1A/D轉(zhuǎn)換程序 ２３4.2.2溫度設(shè)置程序 ２４4.2.3LCD顯示程序 ２６4.2.4PID溫度控制程序 ３０總結(jié) ３４參考文獻 ３５附錄一（電路原理圖及PCB圖） ３６附錄二（部分程序） ３７致謝 ４５摘要：溫度是工業(yè)生產(chǎn)以及科學(xué)實驗中的重要參數(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。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)計進行的分析與設(shè)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(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)中單片機將采集到的溫度與設(shè)定的溫度進行比較，由此來判定硅碳棒上是否繼續(xù)加熱。此外還加入了顯示模塊，將采集到的溫度以及設(shè)定的溫度進行實時顯示，使得整個設(shè)計更加完整，更加靈活。關(guān)鍵詞：硅碳棒；單片機；溫度控制第一章前言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(xué)穩(wěn)定性。與自動化電控系統(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算判別當(dāng)前溫度值與設(shè)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(dāng)系統(tǒng)溫度上升至設(shè)定點時就關(guān)斷電源，當(dāng)系統(tǒng)溫度下降至設(shè)定點時就開通電源，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。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(shè)計是十分必要的。1.2系統(tǒng)實現(xiàn)的功能設(shè)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)節(jié)硅碳棒的控制電壓，從而調(diào)節(jié)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)節(jié)范圍在0～1300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)節(jié)功能，使溫度到達設(shè)定溫度。1.3設(shè)計的要求與方案所設(shè)計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單片機中的A/D轉(zhuǎn)換相配合，從而實現(xiàn)對初始溫度的采集；(2溫度設(shè)置：此部分依靠四個撥盤與單片機配合實現(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，與單片機配合，運用PID控制方式來控制正弦波導(dǎo)通的周期個數(shù)，從而實現(xiàn)對溫度的控制功能。第二章總體設(shè)計分析2.1組成框圖根據(jù)設(shè)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(shè)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傳感器溫度采集電路STC12C5A60S2單片機溫度設(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。2.2.2溫度設(shè)置通過用四個撥盤以及四個電阻連接STC12C5A60S2單片機，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(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。因為外圍電路通常是交流電壓為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)，必須采用光耦。又因為本系統(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(dāng)輸入是高電平時，電路導(dǎo)通；當(dāng)輸入是低電平時，則電路不導(dǎo)通。與單片機結(jié)合，軟件部分采用PID控制方法對溫度進行控制，由于其算法簡單，可靠性高等優(yōu)點被廣泛使用，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)場實現(xiàn)在線整定，因此具有較大的靈活性。第三章硬件設(shè)計本設(shè)計的題目為硅碳棒電加熱溫度控制器的設(shè)計，其主要是應(yīng)用以STC12C5A60S2單片機作為控制核心，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)3.1.1STC12C5A60S2單片機簡介STC12C5A60S2/AD/PWM單片機是STC生產(chǎn)的單時鐘機器周期（1T）的單片機，是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，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)，且針對電機控制，強干擾場合。1.增強型的8051CPU，1T，單時鐘機器周期，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）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250K/S（每秒鐘25萬次）8.時鐘源：外部高精度晶體/時鐘，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，可選擇是使用內(nèi)部R/C振蕩器或是外部晶體/時鐘在常溫下，內(nèi)部R/C振蕩器頻率為：11MHz~17MHz精度要求不高時，可選擇使用內(nèi)部時鐘，但因為有制造誤差和溫漂，所以以實際測試為準(zhǔn)9.內(nèi)部集成了MAX810專用復(fù)位電路(外部晶體12M以下時，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），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，強推免/強上拉，僅為輸入/高阻，開漏。每個I/O口驅(qū)動能力均可以達到20mA，但整個芯片最大不要超過120mA13.共有4個16位定時器2個與傳統(tǒng)8051兼容的定時器/計數(shù)器，16位定時器T0和T1，沒有定時器2，但是有獨立波特率發(fā)生器做為串行通訊的波特率發(fā)生器，再加上2路PCA模塊可再實現(xiàn)2個16位定時器14.3個時鐘輸出口，可由T0的溢出在P3.4/T0輸出時鐘，可由T1的溢出在P3.5/T1輸出時鐘，獨立波特率發(fā)生器可以在P1.0口輸出時鐘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，PowerDown模式可由外部中斷喚醒，INT0_/P3.2，INT1_/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口有一個低壓門檻比較器，為1.33V，誤差為+/_5%18.PWM（2路）/PCA（可編程計數(shù)器陣列，2路）——也可以來當(dāng)2路D/A使用——也可以來再實現(xiàn)2個定時器——也可以來再實現(xiàn)2個外部中斷（上升沿中斷/下降沿中斷均可分別或同時支持）19.通用全雙工異步串行口（UART），由于STC12系統(tǒng)是高速的8051，可再用定時器或PCA軟件實現(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，可用2到3根普通I/O口線外接74HC164/165/595(均可級聯(lián))來擴展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3-1STC12C5A60S2引腳圖3.1.2最小應(yīng)用系統(tǒng)模塊目前的單片機開發(fā)系統(tǒng)只能夠仿真單片機，卻沒有給用戶提供一個通用的系統(tǒng)。由設(shè)計的要求，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)用特點包括以下幾點：（1）全部I/O口線均可供用戶使用；（2）內(nèi)部存儲器容量有限；（3）應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)具有特殊性。圖3-2最小系統(tǒng)圖單片機最小系統(tǒng)如圖3-2所示，其中有4個雙向的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。時鐘電路用于產(chǎn)生單片機工作所必須的時鐘控制信號，內(nèi)部電路在時鐘信號的控制下，嚴(yán)格地按照時序指令工作。單片機內(nèi)部有一個用于構(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，輸出端為芯片的引腳XTAL2。這兩個引腳跨接石英振蕩器和微調(diào)電容，這就構(gòu)成了一個穩(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22pf的，該電容的大小會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)位電路是單片機的一個重要的工作方式，該電路一般是由外部的復(fù)位電路來實現(xiàn)的。在本最小系統(tǒng)中，STC12C5A60S2單片機的復(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)生一個微分脈沖，其寬度大于兩個機器周期，則單片機復(fù)位。為保證微分脈沖寬度足夠大，R5、C3的時間常數(shù)應(yīng)大于兩個機器周期，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。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)生的電信號必須進行調(diào)理才能被精確、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(yīng)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(fù)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)摹Ｆ湫酒_圖如下圖3-3所示。圖3-3HA17358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ADC(A/D轉(zhuǎn)換器)的結(jié)構(gòu)如圖3-4所示。圖3-4ADC結(jié)構(gòu)圖當(dāng)AUXR.1/ADRJ=0時，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器格式如下：ADC_B9ADC_B8ADC_B7ADC_B6ADC_B5ADC_B4ADC_B3ADC_B2ADC_RES[7:0]------ADC_B1ADC_B0ADC_RES[1:0]當(dāng)AUXR.1/ADRJ=1時，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器格式如下：ADC_RES[1:0]ADC_B9ADC_B8ADC_B7ADC_B6ADC_B5ADC_B4ADC_B3ADC_B2ADC_B1ADC_B0ADC_RES[7:0]從上圖3-4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。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，如果要取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(dāng)ADRJ=0時，如果要取8位結(jié)果，則按下面公式計算：8-bitA/DConversionResult:(ADC_RES[7:0])=256*Vin/Vcc當(dāng)ADRJ=1時，如果要取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(shè)計與分析溫度采集電路如圖3-5所示：圖3-5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。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)容將在第四章進行介紹。3.3溫度設(shè)置模塊圖3-6鍵盤設(shè)置圖這里要給單片機設(shè)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(shè)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3-6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(shè)置的四位數(shù)的溫度進行顯示。其基本特征有以下幾點：1.低電源電壓（VDD：+3.0~+5.5V）2.顯示分辨率：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(fù)壓11.無需片選信號，簡化軟件設(shè)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3-7所示。圖3-7FYD12864-0402B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名稱LEVEL功能1VSS0V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串行同步時鐘：上升沿時讀取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3-2FYD12864-0402B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="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="HL"，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/RESETH/L復(fù)位端，低電平有效18VOUT-LCD驅(qū)動電壓輸出端19AVDD背光源正端（+5V）20KVSS背光源負(fù)端3.4.2整個模塊設(shè)計與分析圖3-8液晶顯示與單片機的接口電路圖如圖3-8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。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。其引腳圖如下圖3-9。圖3-9MOC3061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(dǎo)體器件，也稱雙向晶閘管。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）<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3-10所示。圖3-10BTB12-600B管腳圖3.5.3整個模塊設(shè)計與分析圖3-11溫度控制電路圖如圖3-11所示，圖中光電耦合雙向可控硅驅(qū)動器MOC3061，是用來驅(qū)動雙向可控硅（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STC12C5A60S2的P1.0引腳輸出負(fù)脈沖信號時，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，由于電源電壓超前負(fù)載電流一個相位角，所以，當(dāng)負(fù)載交流為零時，電源電壓為反向電壓，此外，再加上感性負(fù)載自感電動勢的作用，使雙向可控硅承受的電壓值要遠遠超過電源電壓。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RC阻容吸收電路，即C6與R9，以此實現(xiàn)雙向可控硅的過電壓保護。第四章軟件設(shè)計4.1主程序設(shè)計主程序是系統(tǒng)的監(jiān)控程序。在程序運行的過程中，主程序的任務(wù)是首先對系統(tǒng)進行初始化，包括按鍵程序以及各個端口的初始化工作，以實現(xiàn)參數(shù)輸入，并控制硅碳棒電加熱器的正常運行。在初始化完成后就進行溫度數(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時采集硅碳棒的溫度信號，計算出實際溫度與設(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。顯示采集所得溫度顯示采集所得溫度計算溫差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讀取A/D轉(zhuǎn)換值并計算當(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4.2.1A/D轉(zhuǎn)換程序本設(shè)計是將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，溫度經(jīng)過處理后轉(zhuǎn)換成電壓信號，進入單片機進行A/D轉(zhuǎn)換后成數(shù)字量。其中溫度范圍的計算原理為：每個溫度對應(yīng)一個電壓值。在0~1300度的溫度范圍內(nèi)，電壓范圍在0~5V的范圍內(nèi)，隨著溫度的增長，電壓呈現(xiàn)接近線性狀態(tài)的增長，即可計算出溫度。STC12C5A60S2單片機的A/D轉(zhuǎn)換流程圖如下圖4-2所示。選擇A/D轉(zhuǎn)換速度選擇A/D轉(zhuǎn)換速度選擇P1.1作為A/D轉(zhuǎn)換通道A/D轉(zhuǎn)換是否結(jié)束？啟動A/D轉(zhuǎn)換將ADC_FLAG(模數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)束標(biāo)志位)清零保存A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果結(jié)束開始圖4-2A/D轉(zhuǎn)換流程圖4.2.2溫度設(shè)置程序鍵盤是人與微機打交道的主要設(shè)備。在本次設(shè)計中，設(shè)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(shè)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(wù)，都是由軟件來實現(xiàn)完成的。本鍵盤設(shè)置的鍵輸入程序應(yīng)該完成的任務(wù)有：（1）監(jiān)測有無鍵按下：鍵的閉合與否，反映在電壓上呈現(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(rèn)按鍵是否按下；（2）判斷是哪個鍵按下；（3）完成按鍵的任務(wù)。按鍵的觸點在閉合和斷開時都會產(chǎn)生抖動，這時觸點的邏輯電平是不穩(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，再確定電平是否仍然保持閉合狀態(tài)電平，如果保持，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。初始化地址參數(shù)初始化地址參數(shù)鍵入去抖動判斷P2.3是否有信號？千位+1判斷P2.2是否有信號？百位+1調(diào)用顯示程序調(diào)用顯示程序判斷P2.1是否有信號？十位+1調(diào)用顯示程序判斷P2.0是否有信號？個位+1調(diào)用顯示程序開始返回主程序圖4-3溫度設(shè)置子程序流程圖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，基本指令和擴充指令如下：基本指令（當(dāng)RE=0時）的指令表如下表4-1所示。表4-1基本指令表指令指令碼功能RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D0清除顯示0000000001將DDRAM填滿"20H"，并設(shè)定DDRAM的地址計器（AC）"00H"地址歸位000000001X設(shè)定DDRAM的地址計數(shù)器（AC）到"00H"，并且將游標(biāo)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(biāo)0NB=1：游標(biāo)位置反白允許進入點設(shè)定00000001I/DS指定在數(shù)據(jù)的讀取與寫入時，設(shè)定游標(biāo)的移動方向及指定顯示的移位游標(biāo)或顯示移位控制000001S/CR/LXX設(shè)定游標(biāo)的移動與顯示的移位控制位；這個指令不改變DDRAM的內(nèi)容功能設(shè)定00001DLXREXXDL=0/1：4/8位數(shù)據(jù)RE=1：擴充指令操作RE=0：基本指令操作設(shè)定CGRAM地址0001AC5AC4AC3AC2AC1AC0設(shè)定CGRAM地址設(shè)定DDRAM地址0010AC5AC4AC3AC2AC1AC0設(shè)定DDRAM地址（顯示位址）第一行：80H-87H第二行：90H-97H讀取忙標(biāo)志和地址01BFAC6AC5AC4AC3AC2AC1AC0讀取忙標(biāo)志（BF）可以確認(rèn)內(nèi)部動作是否完成，同時可以讀出地址計數(shù)器（AC）的值寫數(shù)據(jù)到RAM10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）擴充指令（當(dāng)RE=1時）的指令表如下圖4-2所示。表4-2擴充指令表指令指令碼功能RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D0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000000001SRSR=1：允許輸入垂直卷動地址SR=0：允許輸入IRAM和CGRAM地址反白選擇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(shè)定為反白顯示，再次設(shè)定變回正常睡眠模式0000001SLXXSL=0：進入睡眠模式SL=1：脫離睡眠模式擴充功能設(shè)定00001CLXREG0CL=0/1：4/8位數(shù)據(jù)RE=1：擴充指令操作RE=0：基本指令操作G=1/0：繪圖開關(guān)

該LCD液晶顯示模塊的子程序流程圖如下圖4-4所示。顯示內(nèi)容寫入緩存顯示內(nèi)容寫入緩存LCD12864啟動延時液晶屏正常顯示初始化LCD12864定義接口給定主程序入口地址開始返回圖4-4液晶顯示子程序流程圖4.2.4PID溫度控制程序從實現(xiàn)溫度控制原理圖如下圖4-5所示。圖4-5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4-6所示。圖4-6改進型PID控制系統(tǒng)原理圖PID控制方式子程序流程圖如下圖4-7所示。開始開始給定值與采樣值偏差e(k)e(k)Δe(k)=e(k)-e(k-1)e(k-1)=e(k)計算控制增量ΔU(k)=KP×[e(k)－e(k－1)]＋KI×e(k)＋KD×[e(k)－2e(k－1)＋e(k－2)]計算控制量U(k)=ΔD(k)+U(k-1)U(k-1)=U(k)U(k)輸出限幅輸出U(k)圖4-7PID控制方式子程序流程圖本系統(tǒng)的溫度控制采用PD控制，因為硅碳棒具有較大的熱慣性，而PID運算中的積分項（I）具有較明顯的延遲效應(yīng)所以不能保留，我們必須把積分項去掉。而微分項（D）有較強的預(yù)見性，能加快反應(yīng)速度，抑制超調(diào)量。所以采用PD控制。該方式根據(jù)溫度給定值和采集值之間的偏差調(diào)節(jié)，給出調(diào)節(jié)量。本系統(tǒng)中采用對可控硅管的正弦波進行過零比較，控制其導(dǎo)通的周期個數(shù)，從而達到使溫度升高的目的。隨后整個系統(tǒng)再通過檢測前一階段控制后的溫度，進行近一步的控制修正，最終實現(xiàn)預(yù)期的溫度監(jiān)控目的。總結(jié)本系統(tǒng)的設(shè)計本著簡單，使用性，易于擴展的指導(dǎo)思想，采用STC12C5A60S2為中央處理器加上各種外圍電路構(gòu)成整個單片機控制系統(tǒng)。在設(shè)計中運用溫度傳感器（熱電偶）采集溫度，通過處理、放大、轉(zhuǎn)換，與設(shè)定值進行比較，從而得到控制信號，用以控制硅碳棒電加熱器的溫度，以此實現(xiàn)硅碳棒電加熱器溫度的控制功能。為了方便使用，本系統(tǒng)采用STC12C5A60S2單片機，其自帶A/D轉(zhuǎn)換器(ADC)，使系統(tǒng)的設(shè)計方便不少。該硅碳棒電加熱控制器的設(shè)計，雖小但功能齊全，有溫度采集，鍵盤設(shè)置，LCD液晶顯示以及溫度控制。該溫度控制方面，采用了過零比較電路，運用MOC3061，過零檢測雙向可控硅輸出光電耦合器，一種新型的光電耦合器件，對單片機以及硅碳棒電加熱器進行隔離，因為該芯片自帶過零檢測功能，所以不用另外設(shè)計電路進行過零檢測，為系統(tǒng)的設(shè)計帶來了方便。由于時間和經(jīng)驗的限制，本硅碳棒電加熱溫度控制器的設(shè)計還存在不少需要改進的地方，來使系統(tǒng)達到更有的控制效果。此外，系統(tǒng)還有很多可以利用的資源沒有充分的得到利用，例如STC12C5A60S2中的ADC的輸入道還沒用完全被開發(fā)，以及其I/O口也沒有完全被利用。在設(shè)計上也還有很多潛力可以挖掘。硅碳棒電加熱器的溫度控制是本設(shè)計的關(guān)鍵，其如果采用PID控制方法與其他方法相結(jié)合對溫度進行控制，對溫度的控制效果會更好，但由于個人的能力有限問題并未實行。本次設(shè)計是對我大學(xué)四年里所學(xué)的知識進行一次綜合的利用。在設(shè)計中，涉及到了許多知識，幾乎涵蓋了我在大學(xué)所學(xué)的所有知識，其中包括單片機，溫度控制，電子技術(shù)，傳感器等多領(lǐng)域知識。通過這次的設(shè)計，讓我學(xué)會了不少東西，包括學(xué)會查找問題，分析問題，處理問題等等的方法，為我今后的工作、學(xué)習(xí)打下了堅實的基礎(chǔ)。參考文獻[1]丁利輝.硅碳棒式加熱爐的爐溫控制系統(tǒng)設(shè)計[J].有色金屬加工,2013,06:54-56.[2]張世生.基于硅碳棒的電爐溫度控制研究[J].制造業(yè)自動化,2014,01:118-121.[3]黃運生,孫奇兵,陳學(xué).硅碳爐溫度與表面負(fù)荷的最優(yōu)控制[J].微計算機信息,2013,12:7-9.[4]盧永霞,趙占雄,姚瑞英,楊輝靜.三菱PLC特殊模塊在感應(yīng)電爐溫度控制中的應(yīng)用[J].鑄造技術(shù),2013,12:1755-1757.[5]厲成金.工業(yè)電爐溫度控制系統(tǒng)中數(shù)字PID算法的改進研究[J].河南化工,2013,19:53-56.[6]于峰杰.某密閉電爐溫度軟測量及控制[D].鄭州大學(xué),2014.[7]努爾哈孜·朱瑪力.可編程序控制器在電爐溫度控制系統(tǒng)中應(yīng)用的研究[J].新疆大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2014,02:229-232.[8]畢厚煌,何家寧,郭凱,黎土煜.中頻感應(yīng)電爐溫度補償控制系統(tǒng)研究與分析[J].特種鑄造及有色合金,2016,07:700-702.[9]王長成.中頻感應(yīng)電爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計[J].鑄造技術(shù),2014,07:1571-1572.[10]周建壯.基于自校正PID算法的電爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計[J].長春教育學(xué)院學(xué)報,2014,12:50-51.[11]王恩亮.基于MSP4305438A的中頻電爐溫度控制設(shè)計[J].鄂州大學(xué)學(xué)報,2014,10:104-106.[12]王付敏.高精度熱處理電爐溫度控制及其EMC系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].電子科技大學(xué),2014.[13]周正林,張昕.基于單片機的電爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計[J].信息技術(shù),2013,12:115-116.[14]袁平.PID控制在中低頻電爐溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].鑄造技術(shù),2013,10:1413-1415.[15]關(guān)艷翠.自校正PID算法在電爐溫度控制中的應(yīng)用[J].科技信息,2013,06:441-442.附錄一（電路原理圖及PCB圖）

附錄二（部分程序）A/D轉(zhuǎn)換部分;**********************************************************A/D轉(zhuǎn)換子程序#include<intrins.h>VoidDelay_ms(unsignedintcnt){unsignedchari;while(cnt--!=0){for(i=0;i<600;i++);}}voidRead_init(unsignedcharCHA){unsignedcharAD_FIN=0;//存儲A/D轉(zhuǎn)換標(biāo)志CHA&=0x01;//選擇ADC的8個接口中的一個（00000001清0高5位）ADC_CONTR=0x40; //ADC轉(zhuǎn)換的速度（0XX00000其中XX控制速度）_nop_();ADC_CONTR|=CHA;//選擇A/D當(dāng)前通道_nop_();ADC_CONTR|=0x80;//啟動A/D電源DELAY_MS(1);//使輸入電壓達到穩(wěn)定（1ms即可）}unsignedintADC_Read(void){ unsignedcharAD_FIN=0;//存儲A/D轉(zhuǎn)換標(biāo)志ADC_CONTR|=0x08;//啟動A/D轉(zhuǎn)換（00001000令A(yù)DCS=1）_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();while(AD_FIN==0)//等待A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束{AD_FIN=(ADC_CONTR&0x10);//00010000測試A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束否}ADC_CONTR&=0xE7;//11110111清ADC_FLAG位,關(guān)閉A/D轉(zhuǎn)換 return(ADC_RES*4+ADC_RESL);//返回A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果（10位ADC數(shù)據(jù)高8位在ADC_RES中，低2位在ADC_RESL中）};*********************************溫度設(shè)置部分;*********************************************************溫度設(shè)置子程序#include<reg51.h>#defineuintunsignedintsbitK0=P2.0;sbitK1=P2.1;sbitK2=P2.2;sbitK3=P2.3;uinttemp;voidkeybord();voidinit();voiddisplay_1();voidmain(){init();while(1){keybord();display();}}voidinit()//初始化函數(shù){scan=1;temp=0;TMOD=0x01;TH0=(65536-50000)/256;TL0=(65536-50000)%256;EA=1;ET0=1;}voidkeybord(){if(K4==1){Delay_ms(50);//延時去抖動if(K4==1)//S4有按鍵，溫度加1000度{temp=+1111101000;Display_1();}elseif(K3==1)//S3有按鍵，溫度加100度{Delay_ms(50);if(K3==1){temp=+1100100;Display_1();}elseif(K2==1)//S2有按鍵，溫度加10度{Delay_ms(50);if(K2==1){temp=+1010;Display_1();}elseif(K1==1)//S1有按鍵，溫度加1度{Delay_ms(50);if(K1==1){temp=+1Display_1();}}***************************3.LCD液晶顯示部分;*********************************************************LCD液晶顯示子程序LCD接口：1：GND2：VCC3：V04：RS5：RW6：E7~14：DB0-DB715：PSB16：NC17：RST18：VOUT19:A20:K#include"STC12C5A60S2.h"#include"type.h"#include"lcd.h"#include"delay.h"#defineLCD_dataP0//帶字庫液晶12864數(shù)據(jù)口sbitRS=P1.3;sbitRW=P1.4;sbitE=P1.5;sbitPSB=P1.6;sbitRST=P2.7;voidLCD_init(void){Clr_SID();Clr_SCLK();Delay_ms(100);//延時等待液晶完成復(fù)位W_1byte(0,0,0x30);//功能設(shè)置:一次送8位數(shù)據(jù),基本指令集Delay_ms(2);W_1byte(0,0,0x0c);//顯示設(shè)定:開顯示,不顯示光標(biāo),不做當(dāng)前顯示位反白閃動Delay_ms(2);W_1byte(0,0,0x01);//清屏，將DDRAM的位址計數(shù)器調(diào)整為“00H”Delay_ms(2);W_1byte(0,0,0x02);//DDRAM地址歸位Delay_ms(2);W_1byte(0,0,0x80);//功能設(shè)置，點設(shè)定:顯示字符/光標(biāo)從左到右移位,DDRAM地址加1Delay_ms(2); }**********************************寫一個字節(jié)的數(shù)據(jù)到12864液晶，包括指令和數(shù)據(jù)說明：RW=1，從液晶讀數(shù)據(jù)到MCU；RW=0，寫一個數(shù)據(jù)到液晶；（一般RW都設(shè)為0，即只向液晶寫數(shù)據(jù)，不讀數(shù)據(jù)）RS=1，寫入的是數(shù)據(jù)；RS=0，寫入的是指令；一般模式：RW=0，RS=1;寫數(shù)據(jù)RW=