加热炉温度控制器

1、毕业论文模板喷塑加热炉温度控制器的设计学 院： 电气与电子工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学生姓名： 学 号： 指导教师： 2012 年 6月摘要摘 要本设计为模板喷塑加热炉温度控制器的设计，系统的主要构成包括以单片机为核心的智能控制单元，人机对话模块的键盘/显示器，提供外部电源的电源电路，温度、重量信号检测电路，具有过零检测和过零触发功能的双向可控硅控制电路等。根据本设计的控制要求和技术指标，采用E型热电偶检测加热炉的温度，通过软件控制双向可控硅的工作情况，实现温度闭环控制；由压力变送器采集工件重量，作为工件喷塑时的恒温保持时间，并外接指示灯作为加热完成时的信号。通过以上方案可以实现

2、对加热炉温度的检测和闭环控制，并能通过键盘设定工作温度。关键词：单片机，加热炉，温度，控制系统 IVAbstractAbstractThe design for the template spray furnace temperature controller design, the main components of the system include intelligent control unit MCU as the core module of man-machine,dialogue keyboard / monitor power supply circuit to prov

3、ide an external power supply, temperature, weight of the signal detection circuit, with zero and zero crossing detection trigger function triac control circuit and so on. E-type thermocouple detection temperature of the furnace according to the design control requirements and technical specification

4、s, software to control the triac, the temperature closed-loop control; workpiece weight collected by the pressure transmitter, as the workpiece spray plastic thermostat to keep the time, and an external indicator signal as the heating is completed. Furnace temperature detection and closed-loop contr

5、ol can be achieved through the above program, and through the keyboard to set the operating temperature.Keywords: microcontroller, furnace, temperature, control system目录目 录摘 要IAbstractII第一章 引 言11.1课题背景11.2 近年来国内外研究现状11.3 本课题完成的工作4第二章 系统综述52.1 系统概述52.2 系统的工作原理52.3具体设计考虑5第三章 硬件系统的设计73.1 单片机最小系统73.1.1

6、芯片型号73.1.2 时钟电路与复位电路83.2 温度信号采集电路的设计83.2.1 传感器的选型83.2.2 热电偶测温原理93.2.3 热电偶冷端温度补偿及信号放大103.3 重量信号采集电路的设计123.4 数据选择器和模数转换电路133.4.1 数据选择器芯片133.4.2模数转换芯片133.5 键盘显示电路与报警电路163.5.1键盘电路163.5.2显示电路和报警电路173.6 温度控制电路193.6.1 加热原件的选择203.6.2 过零检测电路203.6.3过零触发电路22第四章 软件系统的设计24结 论35致 谢36参考文献37附 录38引言第一章 引 言1.1课题背景温度是

7、现代工业生产中的一个重要参数，尤其是近年来随着科学技术和工业生产水平的提高，对产品质量提出了更高的要求，因此，要求温度控制系统对温度信号实现更加可靠，准确的采集和控制。电加热炉在冶金、化工、机械、食品等多个领域的广泛应用，使其在现代工业生产中占有重要地位，但由于它具有大惯性，非线性，大滞后，时变性，升温单向性等特点，很难对加热炉建立一个准确的数学模型，相对于较高的温度控制精度，无法满足控制要求。随着电子技术和微型计算机的飞速发展，以微机测量和控制的技术得到了迅猛的发展，在现代控制技术中广泛应用。单片机以其价格低廉，高可靠性，控制方便编程简单易实现，控制灵活和低功耗等优点，在工业控制中得到了广泛

8、的应用。加热炉温度控制系统以单片机作为系统的控制核心，利用先进的PID控制算法，可以弥补系统无法建立准确地数学模型的缺点，使系统的控制在指定范围内，控制精度满足工程要求。1.2 近年来国内外研究现状温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。成熟的温控产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，它们只能适应一般温度系统控制，而用于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。随着我国经济的发展，我国政府及企业对此都非常重视，对相关

9、企业资源进行了重组，相继建立了一些国家、企业的研发中心，开展创新性研究，使我国仪表工业得到了迅速的发展。随着新技术的不断开发与应用，近年来单片机发展十分迅速，一个以微机应用为主的新技术革命形势正在蓬勃兴起，单片机的应用已经渗透到电力、冶金、化工、建材、机械、食品、石油等各个行业。传统的温度采集方法不仅费时费力，而且精度差，单片机的出现使得温度的采集和数据处理问题能够得到很好的解决。温度是工业对象中的一个重要的被控参数。然而所采用的测温元件和测量方法也不相同；产品的工艺不同，控制温度的精度也不相同。因此对数据采集的精度和采用的控制方法也不相同。传统的控制方式不能满足高精度，高速度的控制要求，如温

10、度控制表温度接触器，其主要缺点是温度波动范围大，由于他主要通过控制接触器的通断时间比例来达到改变加热功率的目的，受仪表本身误差和交流接触器的寿命限制，通断频率很低。近几年来快速发展了多种先进的温度控制方式，如：PID控制，模糊控制，神经网络及遗传算法控制等。这些控制技术大大的提高了控制精度，不但使控制变得简便，而且使产品的质量更好，降低了产品的成本，提高了生产效率。1.PID控制PID控制即为比例、积分和微分控制。自从19世纪40年代开始以来,就广泛应用于工业生产中,长期以来,因为其结构简单、易于实现，,广泛的应用于过程领域中，并且可以实现较为满意的控制效果。温度控制系统将热电偶实时采集到的温

11、度值与预先设定值相比较,差值作为P ID的输入。PID控制根据比例、积分、微分系数通过算法计算出合适的输出控制量,利用修改控制变量误差的方法实现温度控制系统的温度闭环控制,使温度控制过程连续。它的缺点是现场P ID参数整定较为复杂,被控对象模型参数难以准确确定,外界干扰信号容易使控制系统偏离最佳的控制状态。2.神经网络控制人工神经网络是现代控制中十分重要的人工智能技术,它采用数理模型的方法模拟生物神经细胞结构以及对信息的记忆和处理的思想，从而构成的一种信息处理方法。它根据大量简单的处理单元广泛连接形成各种复杂网络,拓扑结构算法相异,其中误差反向传播算法得到了广泛的应用。温度控制系统由于所承受负

12、载的变化以及外界干扰因素的影响,而P ID控制算法只能对电参数的影响做精确的计算,而只能估算外界环境因素的变换,影响系统控制精度。人工神经网络以其高度的非线性映射,自组织,自学和联想记忆等功能,可以实现对复杂的非线性系统建模。该控制方法响应速度快,抗干扰能力较强,控制算法简单,软硬件较易实现。训练方法是网络的自学习过程,即根据事先设定好的学习规则,按照提供的学习实例,用来调节网络系统各节点之间相互连接的权值大小,以实现记忆功能以及联想,归纳等。在温度控制系统中,将温度的影响因素如天气、大气温度、外施电压、被加热对象性质以及被加热对象温度等作为神经网络的输入,将其输出量作为P ID控制器的参数,

13、利用实验数据作为样本,在计算机上反复迭代,随实验与研究工作的进行与深入,不断自我完善与修正,直到系统收敛,得到网络权值,因此实现自整定P ID控制器参数的目的。3.模糊控制模糊控制是基于模糊逻辑思想的描述一个过程的控制算法,。它适用于控制过程难以建立精确数学模型和数学模型不确定或时变的对象。在电力系统的模型通常是不完善的,即使系统模型已知,但同时也存在参数变化的问题。P ID控制虽然控制过程简单、方便,但难以解决出现非线性和参数变化的情形,模糊控制不需要控制装置的精确数学模型,它依赖于操作人员的经验,应用十分方便。模糊温控的实现:(1)将温控对象的偏差和偏差变化率以及输出量划分成不同的模糊值,

14、建立规则如下： 如果温度太高，或者温度正在上升, 那么就减少控制输入,或风冷。将这些模糊规则写成模糊条件程序,得到了模糊模型。(2)根据控制查询表,形成模糊算法。(3)对温度误差采样数值的精确量模糊化,经过数学算法处理与计算机通信,计算机根据模糊规则做出模糊决策,得出相应的控制量,变成精确量去驱动执行机构,实现输入量的调整,达到温度的稳定调整。同传统的P ID控制算法相比较,模糊控制具有响应速度快,超调量小,参数变化不敏感等优点，因此也得到了较为广泛的应用。4.遗传算法遗传算法是模拟达尔文的自然淘汰和遗传选择的生物进化过程的全局优化搜索算法。它将生物进化过程中的适者生存规则与群体内部染色体的随

15、机信息交换机制结合在一起,通过正确的编码机制和选择的适应度函数来操作称为染色体的二进制串1或0。引入了繁殖交叉和变异等方法，在要求解的问题空间上进行全局、并行和随机的搜索优化,向着全局最优的方向收敛。基于遗传算法温控系统的设计就是通过传感器检测到的温度信号经过放大,数字化以后送入单片机,单片机将其与给定温度值进行比较,用遗传算法来优化3个PID参数,然后将对应的控制量输出。具体实现将3个PID参数串接在一起从而构成了一个完整的染色体。进而构成遗传空间中的一个个体,通过繁殖交叉和变异遗传操作生成新一代群体,经过多次搜索，选择最大适应度值的个体即为所求。在硬件上采用单片机作为控制核心。具有调试方便

16、温控精度高,抗干扰能力强，经济等优点。在软件上采用遗传算法对PID参数进行优化控制，具有很高的控制稳定度,温控精度较高。1.3 本课题完成的工作根据控制要求本设计以AT89C52为控制系统的主控芯片，针对模板喷塑加热炉温度控制系统的控制要求，对炉内温度通过热电偶采集温度信号，经过信号放大，AD变换后得到一个数字量并与单片机通信，按照预定的控制规律，输出相应的控制量，作为控制加热丝通断的双向可控硅的控制信号，对可控硅的触发采用过零触发方式，实现加热炉温度闭环控制，通过压力变送器采集工件重量，利用软件程序决定加热炉恒温保持时间，重量越大恒温保持时间越长。另外，可以通过键盘、显示电路和报警电路可实现

17、人机交互。本设计实现对模版喷塑加热炉温度控制器的设计，温度控制范围0-300之间，温度误差为1左右。47第二章 系统综述第二章 系统综述2.1 系统概述 本系统主要由以下几部分组成：温度信号检测电路、重量信号检测电路、A/D变换电路、键盘显示电路、过零检测和过零触发电路、报警电路以及各芯片外围电路等。2.2 系统的工作原理系统框图如图2-1所示键盘显示MCUA/D变换A/D变换运算放大器温度传感器可控硅控制模块运算放大器压力变送器加热丝报警I/V变换图2-1 系统原理框图本设计以E型热电偶作为温度传感器检测炉温度，压力变送器测量工件重量，对传感器所得信号处理变换后，与单片机通信，根据软件实现预

18、定的工作状态，达到控制要求。过零检测电路和过零触发电路，可以实现触发信号与电网的同步，减少对电网的冲击并限制了较大的电压变换率。键盘显示电路作为设定温度和显示设定值当前值的外设，当加热完毕，报警电路工作，停止加热。2.3具体设计考虑具体设计如下：1、由于温度测量范围为0300摄氏度温度要求较高，因此采用E型热电偶温度传感器进行温度测量。并选用对E型热电偶信号具有冷端补偿作用的芯片LT1025进行冷端补偿.2、温度显示由六路LED数码管显示电路组成，实时显示加热炉内温度值并能显示温度设定值。3、本系统通过改变双向可控硅的导通角实现对加热丝端电压的改变，进而改变加热丝发热功率，实现温度调节。4、温

19、度设定值由键盘输入。5、采用PID控制算法实现对温度的控制。6、为了提高系统的抗干扰能力，采用MOC3061对执行原件与单片机进行光电隔离。7、采用压力变送器得到的信号为电流信号，要实现用AD574转换成数字量，需将电流转换成电压。8、采用PID控制算法，实现温度的闭环控制。9、加热完成后，点亮LED作为报警信号，并停止加热。第三章 硬件系统的设计第三章 硬件系统的设计本设计的硬件系统主要由以下几部分电路组成：温度信号检测电路、重量信号检测电路、A/D变换电路、键盘显示电路、稳压电路、过零检测和过零触发电路、报警电路以及各芯片外围电路等。以下为各电路模块的工作原理和作用。3.1 单片机最小系统

20、3.1.1 芯片型号根据设计要求选择51系列单片机中的AT89C52型1。AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出(I/O)端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口。片内含4k 字节的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128 字节的随机存取数据存储器(RAM)，可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的AT89C52提供了高性价比的解决方案。因此此单

21、片机完全能满足温度控制系统的要求。图3-1 AT89C52管脚图3.1.2 时钟电路与复位电路时钟电路：单片机的时钟产生方法有内部时钟方式和外部时钟方式两种。本设计采用最常用的内部时钟方式，采用外界晶体和电容组成并联谐振电路，电路如图。复位电路：MCS-51系列单片机通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。单片机在上电瞬间，RC电路充电，RST引脚出现正脉冲，只要RST端保持两个机器周期以上的高电平（因为振荡器从起振到稳定需要大约10ms的时间，故通常定为大于10ms），就能使单片机有效复位。通常因为系统运行等需要，需要人工按钮复位，如图3-2所示，只需将一个常开按钮并联于上电复位电路，按下开

22、关一定时间后就能就使RST引脚端为高电平，从而时单片机复位。图3-2 时钟电路和复位电路3.2 温度信号采集电路的设计温度采集电路是本设计硬件系统的重要组成部分，由于本设计要求测温范围大，温度较高，因此采用热电偶作为温度传感器检测加热炉温度。3.2.1 传感器的选型热电偶的选择要根据被测对象的温度范围和热电偶使用环境的气氛。根据设计要求温度控制范围在0-300之间，可以选择E型热电偶2作为测温元件，它是贱金属热电偶中热电势最大、灵敏度最高的。E型热电偶的技术指标如表3-1所示。表3-1 E型热电偶技术指标名称分度号测温范围 适用气氛稳定性镍鉻康铜E-2701000O,N中等注：O为氧化气氛，N

23、为中性气氛，R为还原气氛，V为真空。3.2.2 热电偶测温原理热电偶的测温原理是基于热电效应，就是将两种不同的导体A,B连成闭合回路，且两节点的温度不同，则回路内将有电势产生，这种现象叫做热电效应，回路内的电势称为热电势。这种现象是1821年有赛贝克首先提出来的因此被称为赛贝克效应，这个电动势是由于不同金属接触而形成的，所以它也称为接触电势。回路内各节点形成的接触电势共同构成热电偶的热电势。上述热电变换元件称为热电偶，A,B称为热电偶的电极。实际应用中将两热电极的其中一个端点焊接在一起，用于对温度的检测，这一端点工作于被测对象中，称为热端，另一端通常保持为某一特定的温度，通常选为0度，被称为冷

24、端或参考端。图3-3 热电偶示意图热电偶闭合回路中产生的热电势是由温差电势和接触电势两者组成的。温差电势是指同一热电极两端因为温度不同而产生的电势，当同一热电极两端温度不同时，高温端的电子能量比低温端的电子能量高，因而从高温端扩散到低温端的电子数比逆向的多，结果造成了高温端因为失去电子而带有正电，低温端因为得到了电子而带有负电，当电子运动达到平衡时，在导体两端便产生了稳定的电位差，即为温差电势。如图3-3所示。接触电势是指导体不同而各自的自由电子密度不同，在热电极接触面产生自由电子的扩散现象，扩散的结果是接触面上逐渐形成了静电场，该静电场具有阻碍原扩散继续进行的作用，当达到平衡时，在接触面产生

25、一个稳定的电势差值称为接触电势。设热电偶两个热电极分别为A，B，两端温度分别为T,T0，且T>T0，则热电偶回路的总的电势可表示为Eab(T,T0)=Eab(T)-Eab(T0)-Ea(T,T0)+Eb(T,T0)由于温差电势比接触电势小的多，通常忽略，又因为T>T0，所以总的电势方向取决于接触电势的放向，并且Eab(T)和Eab(T0)的方向相反，因此上述表达式可以简化为Eab(T,T0)=Eab(T)-Eab(T0)综上，当热电偶的两个热电极材料确定后，热电偶两端的总电势只与两端的温度有关。3.2.3 热电偶冷端温度补偿及信号放大从热电偶测温原理可以知道，只要使热电偶冷端温度保

26、持不变，热电势便是被测温度的单值函数。在实际应用时，由于热电偶工作端与冷端距离很近，冷端被置于外界空间，很容易受到外界环境温度波动的影响，因而热电偶的冷端温度难以保持恒定。 正是由于基准点温度大都不在0，利用预先准备好的冰和水维持温度，在进行实际的测量时，非常不方便。实际应用中常采用冷端补偿电路。补偿电压必须与所使用的热电偶具有相同的温度特性。补偿电压只要能够覆盖像0到50的室温附近的很窄的一个温度范围，即可满足大部分的工程要求。市场上有多种类型的热电偶冷端补偿电压专用集成电路。LT10254 是美国LINEAR公司生产的低功耗热电偶冷端补偿器,内部自带特殊的非线性校正电路,其温度补偿准确度达

27、0.5。LT1025既可和各种热电偶配套使用,又可构成摄氏温度计,还可用于温度补偿网络中，它除了具有10mv/的基本输出外，还具有E输出端（60.9/），J输出端（51.7 /），K,T输出端（40.6 /）和R,S 输出端（6 /）当热电偶与测量仪距离较远的时候，最理想的办法是热电偶做的长度与到测量仪距离相同，这样做的结果是增加了成本。因此，使用比热电偶廉价的补偿导线代替热电偶。补偿线中有与热电偶使用同材料的延伸型和性能与热电偶类似的补偿型。在精度方面，延伸型更好些，在价格上，补偿型更便宜些。补偿导线的种类应与热电偶种类相同。本设计采用E型热电偶因此也应选择E热电偶用的补偿线。在将热电偶丝与

28、热电偶补偿导线连接时，使用热电偶用连接器是非常方便的。由于连接器采用与热电偶相同的金属材料制成，因此可以将连接器部分产生的测量误差减到最小。连接器上备有高温和屏蔽线用的接地线。由于从热电偶得到的信号为一弱电压信号，无法实现与单片机的直接通信，需要将其进行信号调理，热电偶的金属丝电阻随着应用场合的不同，阻值范围可能会超过几百欧姆，为了不受该电阻的影响，大都采用非反转型放大电路，非反转型放大器的输入阻抗非常高的特点，放大电路如图3-4所示。该电路的增益可以表示为G=1+（R2+RP3）/R3其中，RP3是RP3接入电路的有效使用电阻。利用图3-4所示电路图，实现将0-300的温度转化为0-5V的功

29、能，由于E型热电偶在300时的热电势为21.033mv，所以放大器的增益G为G=5V/21.033mv=238于是在图示电路中，R3=1K,R2=232K,RP3=20K，调节RP3使得电路增益G为238.R1与C1构成低通滤波器，对于高频信号呈现低阻抗，使得高频噪声能有效的滤除。图3-4 温度信号检测电路3.3 重量信号采集电路的设计 根据本设计要求需要对工件重量进行检测，作为对工件恒温保持时间的直接依据，本文采用ZP2600系列压力变送器4 ，测量的压力范围可达100Mpa，工作环境在-2585，二线制压力变送器接线实物如图3-5所示。图3-5 二线制压力变送器接线实物当工件作用于压力变送

30、器时，压力变送器便可以得到大小为4-20mA的弱电流信号，让该电流通过阻值为250的电阻便可以将此电流转化为1-5V电压，因为利用集成运放输入电阻无穷大的特点和虚断的概念6，采用了电压跟随器实现电压传输，输出电压与电阻上的电压几乎完全一致，因此可以实现电流到电压的信号的转化与处理，然后将该1-5V的电压送至AD574完成模数转化，变成数字量。电路中的1电容对高频信号呈现低阻抗，能滤除高频信号，减少噪声干扰。具体电路如图3-6所示。图3-6 重量信号处理电路3.4 数据选择器和模数转换电路本设计需要对温度信号和重量信号两路模拟信号转换，考虑到简化设备结构和降低设备成本，而且对于重量信号只需在进行

31、喷塑前进行一次检测和转化，因此可以利用一片A/D转换器配合数据选择器，分时完成温度信号和重量信号的转换，便可以实现设计要求。3.4.1 数据选择器芯片数据选择器11亦称为多路开关，多路选择器。功能是在选择信号的控制下，从若干信号中选择对应的一路作为输出信号。74LS151是一种典型的集成数据选择器，它有3个地址输入端A0,A1，A2和8个数据输入端D0-D7。地址输入端按照三位二进制进行译码的原则，分别对应0-7八个数，即对应8路数据输入端。将三条地址输入端A0,A1，A2分别连接至74LS373的Q0，Q1，Q2输出端，通过软件改变P1口的数据就可以实现对不同模拟输入端的信号的选择，由热电偶

32、所得到的信号经处理后的数据连接至D4输入端，当三条地址输入端A2A1A0的数据为100时，便可以选择温度信号作为模拟输入。由压力变送器所得信号经处理后的数据连接至D3上，当三条地址输入端，A2A1A0得数据为011时，便可以选择转换重量信号作为模拟输入，片选端接地令其实时有效。3.4.2模数转换芯片转换时间和分辨率是A/D转换器件主要的两个技术指标，模数转换器完成一次转换所需要的时间就是转换时间，它反映了转换数据快慢的一个性能指标。分辨率是器件最小量化单位，对模拟输入的最小分辨能力，根据本设计要求，温度控制范围是0-300，温度误差要求在1，8位模拟转换芯片，其分辨率为1/28，温度误差为30

33、0/256,其结果大于1，不符合设计要求，因此，本设计选用12位的A/D转换器AD574构成模数转换电路，转换的温度误差是300/4096，其结果小于1，符合设计的温度控制要求。本设计选用AD574A3作为模数转换芯片，AD574A 是美国模拟数字公司（Analog）推出的单片高速12 位逐次比较型A/D 转换器，可以直接与8位或者16位微处理器电源相连，而无需附加其它接口电路。片内有高精度电源和时钟电路，不需要外接时钟和参考电压就可以工作，AD574A的转换时间为25。AD574控制信号状态表如表3-2所示。表3-2 AD574控制信号状态表CE12/R/A0功能说明01X0012位转换01

34、X018位转换01+5V1X12位输出01地10高8位输出01地11低4位输出图3-7 模数转换电路3.5 键盘显示电路与报警电路3.5.1键盘电路1.键输入原理15键盘是用来向控制系统提供操作人员操作命令及数据的接口设备，键盘主要可分为编码键盘和非编码键盘两种类型。对于一个键或一个键盘，需要通过接口电路与主机连接。主机可以通过中断方式或查询方式检测是否有按键按下，并将该按键键号送至累加器A，然后通过指令转入执行此按键的功能程序，执行完程序后返回至原始状态。2.键输入接口应解决的问题键输入接口应该准确而且快速的实现信息的输入并执行该按键的功能。应注意一下几点：按键状态的可靠输入：键盘大都利用机

35、械触点的合、断作用，按键的接触与断开瞬间都有抖动的存在，抖动过程时间一般为5-10ms。完善键盘控制程序：1）检测有没有按键按下；2）有键按下时，通过软件或者硬件进行去抖动检测，消除抖动影响；3）有可靠的逻辑处理方法，即在处理某一按键对应功能程序时，有其它按键按下时不予处理；4）输出确定的键号以满足散转指令的要求。根据设计要求需要对温度进行设定，因此采用键盘实现人机对话，本设计定义12个按键，分别为数字0-9十个数，“确定” 键和“取消”键，由于按键数量较多，因此采用4*4矩阵键盘，便可满足要求，同时也方便扩展功能。矩阵键盘的硬件电路如图3-8所示。图3-8 键盘电路3.5.2显示电路和报警电

36、路1.LED数码管显示器的结构与原理通常的七段LED显示器5中有8个发光二极管。从引脚a-dp输入不同的数字信息便可以在数码管中显示不同的数字，根据8个发光二极管的阴极或阳极的连接方式，分为共阴极接法和共阳极接法。数码管的每一段都是一个发光二极管，在二极管工作时都要有足够的电流令其发光，不同的二极管具有不同的发光电流，因此，在硬件电路中应设置数码管驱动，以保证数码管的正常工作。由于PA 口的最大负载驱动能力不足以驱动数码管，因此需要一个驱动器驱动数码管，对于LED的驱动本设计采用芯片74LS245，它是8路同相三态双向总线收发器，可以双向传输数据。由于它具有双向三态功能，因此可用于输

37、入也可用于输出数据。2.显示电路在本设计中的实际应用本设计选用6只数码管作为温度显示器，其中3只作为实时温度显示，另外3只作为工作温度的设定值，数码管为共阳极接法，对于所要显示的温度值，采用数码管的动态显示工作方式显示出来。具体的工作过程为：将通过模数转换电路所得到的数字量，通过软件程序所得的温度值，经过转化成对应数字的显示字段码，送至输出口扩展芯片8255A的PA口，然后通过具有锁存功能的芯片74LS245，让显示的内容保持到下一机器周期，将所要显示内容送至数码管的各段选线，在位选线有效的一位上便可以显示对应位的温度值，通过8255A的PB口输出位选线的值，实现对不同位的显示。另外对于数码管

38、的驱动选用7407来实现。具体电路连接形式如图3-9所示。图 3-9 LED数码管显示电路对于报警电路是由一个发光二极管连接至一个P1.1上，通过软件当加热完成时，在P1.1上输出一个低电平的信号，令发光二极管发光作为报警信号。连接时发光二极管要串联一只200的限流电阻。电路如图3-10所示。图3-10 报警电路为了满足设计要求，需要的I/O口较多，单片机的I/O口数量不足以满足控制要求对I/O口的需求，因此应该扩展并行I/O口，本设计利用8255A可编程芯片扩展并行输入输出口 。单片机与8255A的连接电路如图3-11所示。图3-11 单片机与8255A的连接电路3.6 温度控制电路根据设计

39、要求需要对炉温进行实时监测与控制，对温度的控制是由加热丝的发热功率实现的，通过改变加热炉两端的电压，进而可以改变加热丝的发热功率，实现炉内温度的改变。双向可控硅是一种半导体器件，又称为双向晶闸管，由于它可以实现双向导通，因此管子不存在反向耐压问题，而且简化了控制电路，双向可控硅一般连接较大功率的用电器，而且一般直接连接在强电网中，因此在应用于单片机电路中需要将强弱电路隔离，通常都采用光电耦合器将单片机控制系统与强电网分开，单片机所发出的控制信号通过光电耦合器传递到双向可控硅的控制极上，实现弱电控制强电。为了减小可控硅的驱动功率，在实际应用中双向可控硅通常采用过零触发电路，即在交流电压过零瞬间触

40、发可控硅。由于采用此种触发方式，因此需要对交流电压信号进行过零检测的过零检测电路。3.6.1 加热原件的选择本设计的加热炉为电加热炉，采用高性能的加热电阻作为加热炉的加热元件。根据设计要求加热炉的温度控制范围0300，因此本系统选用的加热元件为：铁铬铝高电阻电热合金。其具体参数表3-3所示。表3-3 铁铬铝电热合金参数类型铁铬铝电热合金品牌上海合金厂型号GBT1234-1995材质25AL5常温电阻1.42（）功率300-180000（W）主要用途加热产品认证GBT1234-1995最高耐温1400（）规格1（mm）铁铬铝高电阻电热合金具有电阻率高、电阻温度系数小、使用温度高的特点。在高温下耐

41、腐蚀性好，抗氧化，而且价格低廉，是工业电加热炉理想的发热材料。3.6.2 过零检测电路为了提高效率，使电路中的触发脉冲与电网的交流电压同步，因此在每半个周期的过零瞬间完成对双向晶闸管的触发，并且触发脉冲的电压大于4V脉冲的宽度应大于20。过零检测电路如图3-12所示。图中TPL521-2是光电耦合器，起电气隔离作用。当电网的正弦电压波形接近于零时，电压低到不足以使得发光二极管导通，三极管VT1由于基极偏置电阻的作用使其导通，将集电极电位从+5V拉到接近于零（实际为管压降约为0.3V左右），相当于产生了一个负脉冲，根据电路连接形式，集电极接到单片机的外部中断0，通过软件设置该中断的触发方式为电平

42、触发，所以当出现了电平的跳变时，就会引起中断，通过在中断服务程序中设置不同占空比的方波输出信号，令其控制双向可控硅的导通时间，在一个周期内不同的导通时间就可以实现交流调压的功能，进而便可以改变加热丝的加热功率。在中断服务程序中使用定时器设置的累计移相时间即触发角，然后向双向可控硅发出同步触发信号。图3-12 交流电压过零检测电路和稳压电路稳压电路采用W7800系列的三端稳压器中的W7805和W78158，其输出电压为5V和15V，它的三个引脚分别为输入端、输出端和公共端，两端的电容C3用于抵消由于输入线较长而引起的电感效应，用来防止电路中产生自激震荡，电容容量一般较小，电容C4用于消除输出电压

43、中的高频噪声，其大小一般约为1，也可以几微法甚至几十个微法，这样可以输出较大的脉冲电流。但是如果容量过大，若输入端断开，C4将从稳压器的输出端向稳压器放电，这样容易稳压器受到损坏。因此可以在稳压器的输入引脚与输出引脚之间连接一个二极管，放电时电流由输出端经过二极管流过，起到保护稳压器的作用，具体电路连接形式如图3-15。3.6.3过零触发电路在本设计的驱动电路中，由于是由弱电控制强电，而弱电系统又很容易受到强电的干扰，会直接影响系统的工作效率和实时性，甚至会烧毁整个单片机控制系统，导致不可恢复的后果，因此必须要在电路中加入抗干扰措施，将强弱电路隔离。光耦合器是依靠光传送信号，切断了各部件之间电

44、气的直接联系，从根本上对强弱电进行了隔离，从而可以有效地抑制掉干扰信号对弱电系统的干扰。本设计采用MOC30619光电耦合器实现单片机控制系统与电网的隔离，而且它还具有对可控硅驱动的作用，用来驱动双向可控硅THY，电路如图3-13所示，图中R9为限流电阻，其阻值由交流电网电压的峰值Upeak及输出端的允许重复浪涌电流峰值Ipeak决定，若AC接220V电网Ipeak为1A，那么 ,限流电阻的阻值可由下式确定R9=Upeak/Ipeak=220/1A=311可取330的标准电阻。R10为THY的门极电阻，当灵敏度较高时，门极电阻也较高，并联R10可以防止可控硅的误触发，提高电路的抗干扰能力。双向

45、可控硅具有双向导通的功能，在交流电的正负半周都可以导通。它由门极G和两个主电极。双向可控硅的通断由控制极门极G决定，当门极无信号时主电极间成高阻态，晶闸管截止；而当两主电极之间加一个阈值电压，一般大于1.5V的电压时，就可以利用控制极门极电压来使可控硅导通与关断。同普通晶闸管的控制极一样，双向可控硅的控制极在触发完成后便失去了控制作用。双向可控硅将维持低阻态，直到流过的电流低于维持电流I H，然后再转换到高阻态。在电源为正弦交流电压时，每次电源电压过零时双向可控硅都会自动截止，所以双向可控硅每半个周期都重新触发。当单片机使P1.0引脚输出一个负脉冲时，三极管VT2导通，电流流通至MOC3061

46、，光电耦合器接通工作，使得THY触发导通，接通加热丝。另外，对于本设计考虑到为负载为加热丝是一个感性负载，负载电压与电流不是同相位，负载电压超前电流一个相位角，即在负载电流为零时，负载电压不为零，所以流过可控硅的电流为零时，它承受电源的反向电压和由于电感的自感电动势的作用两者之和，其大小可能远超过电源电压，虽然它正常工作时具有反向导通的特性，但此时很容易反向击穿，造成永久的损坏，因此必须采取措施防止在此种情况下造成的击穿可能性，电路中采取在双向可控硅两极之间并联一个RC阻容吸收电路，它主要用于防止来自电源传来的尖峰电压，浪涌电压对双向可控硅的冲击和干扰。实现对可控硅的保护。图中C5和R11构成

47、阻容吸收电路。图3-13 过零触发电路从电路中可以看出单片机的输出通道P1.0通过采用了MOC3061进行驱动双向晶闸管有以下优点：（1）控制简单。可用输出高低电平和不同占空比的波形以控制加热丝的工作与否和实现交流调压。（2）MOC3061由于采用了过零触发电路，可以简化双向可控硅的触发电路，把对晶闸管的控制变为利用数字脉冲控制。（3）MOC3061与双向可控硅实际实现了无触点控制。（4）输出通道实现了光电隔离，防止了强弱电电路间的干扰。（5）输出通道用P1.0直接控制双向可控硅，省去了的D/A转换电路，大大简化了接口电路。第四章 软件系统的设计第四章 软件系统的设计4.1 主程序流程图初始化

48、开始键盘处理压力信号输入压力信号处理AD变换温度信号数输入AD变换可控硅控制温度信号处理温度值显示调整显示图4-1主程序流程图整个设计的具体软件流程为：首先调用初始化T0子程序和完成对8255的三个并行I/O口的工作方式，然后，完成对键盘的扫描，根据工作人员输入的温度设定值并按下确定键以后，将输入的数字送入显示缓冲区，并调用显示，显示出该设定值，通过给P1口一个数值，利用数据选择器选择压力传感器得来的那一路模拟信号进行模数转换，并根据压力信号处理子程序确定当加热温度达到温度设定值的时候，需要维持的加热时间；再通过P1口使数据选择器选择热电偶模拟信号的输入进行模数转换，同时令加热丝导通，以额定功

49、率进行加热。在一个循环程序中，完成显示的调用和待显示的数据的不断更新，当检测到的温度值大于温度的设定值时，初始化定时器T1并启动定时器定时，并根据通过压力信号处理子程序得到的加热数值作为参考，进行恒温加热，同时允许外部中断0中断，在其中断服务程序中，通过设置不同占空比的输出信号控制加热丝的加热功率，作为恒温保持功率。当加热完成后向外接LED引脚输出一个低电平，点亮LED 作为报警信号 ，令过零触发电路的输入端置高电平，停止加热。4.2键盘管理与键盘处理流程图通过对键盘的粗扫描和细扫描，并由键值计算确定对应按下的按键，根据不同的按键，将对应按下的数字送入显示缓冲区，并完成显示，可以在输入温度设定

50、值的过程中看到对应按下的数字。在本扫描程序中只有检测到“确定”键按下时，才能完成键盘扫描函数的执行。本设计的实际矩阵键盘的软件管理通常去抖动影响的方法有硬件、软件去抖动两种。在硬件上采取在按键输出端加R-S触发器或单稳态电路构成去抖动电路。在软件上采取的办法是：在检测到有按键按下时在程序中设定一个20ms的延时程序，时间到后再进行检测是否有按键按下，如果依然检测到有键按下，则可以确认键盘中有键按下，进而转去执行按键功能程序，如果没有检测到有键按下，则可以认为是键盘的抖动原因所致，不予执行按键功能程序，继续检测键盘按键按下的状态。因而可以实现去除按键抖动的影响。本设计中对键盘的软件管理具体步骤如

51、下：首先，判断键盘是否有按键按下：采用粗扫描的方法。让PC0-PC3输出0，读取PC4-PC7的值，如果读取的值不全为1则有键按下，否则无按键按下。其次，判断所按按键的具体位置：采用细扫描的办法，即PC0-PC3，逐行输出0，并读取列值。如果全为1，那么该行无按按键按下，再另下一行输出0，读取列值，直到读取的列值为0，则说明该行有键按下。第三，计算被按键的键值，进而确定要完成对应的功能：采用特定的算法，将行和列的信息合并为一个信息，该信息称为键值，并按照一定的顺序形成一个键值表。第四，对各键的处理：各按键分别定义为数字0到数字9和“确定” ， “取消”。可以根据输入数据的个数判断是否是误操作，

52、因为温度设定值是三位数，因此当按键按下的次数超过3时，如果检测到按下的数字仍然是0-9之间的数，则视为无效的输入，继续扫描键盘。键盘扫描和处理的程序流程图如图4-2所示。开始有键按下吗？PC0-PC3置0读PC4-PC7状态置输入个数为0延时20ms去抖动PC4-PC7全为1吗?扩展功能输入位数3吗？YY扫描位从PC0逐行输出0NN置行扫描初值N相对位置是11吗？Y扫描下一行扫描到最后一行了吗？N相对位置是10吗？N相对位置送显示缓冲区，输入个数加1Y求得列值在键值表中的相对位置9？Y返回3位温度设定值NY N结束 图4-2 键盘处理流程图4.3压力信号处理原理和流程图通过判定由AD转换子程序

53、得到的数字量的范围，决定恒温保持时间（程序中设定的是返回基值个数），程序中的m1，m2，t1，t2要根据现场的工程需要确定，只需在变量定义处确定它的大小，另外程序中也可以方便的更改各个重量级别的个数和大小。压力信号处理流程图如图4-3所示。小于m2？结束超重报警返回基值个数m2返回基值个数t1小于m1？读取AD变换结果开始NNYY图4-3 压力信号处理程序流程图4.4 实际温度显示调整和流程图1.标度变换各种模拟信号都有不同的数值和量纲，如本系统的温度单位为摄氏度，把这些参数经A/D转换后，统一变成数字量后，虽然这些数字量代表各对应参数的大小，却不能表示带有量纲的参数值，因此必须将其转换成有量

54、纲的数值，才能使我们对该参数具有更为直观的把握，把这种转换称为标度变换或工程量转换。工程上线性标度变换是最常用的标度变换方式，本系统正采用这种标度变换。当输入信号为0（即模拟参数值起点值），A/D输出值不为0时，标度变化公式为：Ax=(Am-Ao)*(Nx-No)/Nm-No +Ao上式中：Ao：模拟参数量程起点值；Am：模拟参数量程终点值；Ax：模拟参数测量值，对应实际测量值；No：起点值对应的A/D转换后的数字量；Nm：终点对应的A/D转换后的数字量；Nx：测量值对应的A/D值，实际上是经过数字滤波后确定的采样值。其中，Am、Ao、Nm、No对一个检测系统来说是常数。在本系统数字量最小值为0，对应的温度值为0，数字量最大值为4095，对应的温度值为300，即Ao=0，Am =300，No =0，Nm =4095。则 Ax=（300-0）（Nx-0）/4095 +0；即为 Ax=1023.75*Nx/40952.实际温度显示调整流程图开始采样个数为11吗？NY采样值数组中值滤波标度变换Ax=300*temp/4095除以100对100取余后再除以1