【正文】 大小 [3]。出于上述原因，為提高工業(yè)效率，新型溫度控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。為了使系統(tǒng)與外界的能量交換盡可能滿足人們的要求，就需要采取一定的手段來(lái)對(duì)溫度進(jìn)行準(zhǔn)確的控制。 在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，發(fā)電廠鍋爐的溫度必須控制在一定范圍之內(nèi)；許多化學(xué)反應(yīng)工藝過(guò)程必須在適當(dāng)溫度下才能正常進(jìn)行；煉油過(guò)程中，原油必須在不同溫度和壓力條件下分餾才能得到汽油、柴油、煤油的產(chǎn)品；沒(méi)有合適的溫度環(huán)境許多電子設(shè)備就不能正常工作，糧倉(cāng)的糧食就會(huì)變質(zhì)霉?fàn)€，酒類(lèi)的品質(zhì)就沒(méi)有保障。 第 1 頁(yè) 共 36 頁(yè) 1 引言 課題研究的目的和意義 在化工、石油、冶金等生產(chǎn)過(guò)程的物理過(guò)程和化學(xué)反應(yīng)中，溫度往往是一個(gè)很重要的量，需要準(zhǔn)確地加以控制。這些都是以適當(dāng)?shù)臏囟葯z測(cè)與控制溫度對(duì)于提高產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)約能耗，降低成本，都具有重要意義 [2]。在利用電阻爐加熱過(guò)程中 當(dāng)燃料的熱值與壓力穩(wěn)定時(shí)，這種控制系統(tǒng)的控制效果還比較好，而對(duì)于燃料的熱值與壓力頻繁波動(dòng)的情況，常規(guī)模擬儀表系統(tǒng)就難以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，操作者必須經(jīng)常通過(guò)“看火孔”去觀察火焰，調(diào)節(jié)空燃比以改善燃燒效果，或者手動(dòng)的調(diào)節(jié)電源的電壓大小 [3]。 在實(shí)際的生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，由于系統(tǒng)內(nèi)部和外界的熱交換通常是難以控制的，再加上其他熱源的干擾也是無(wú)法精確計(jì)算的。這不僅給操作者帶來(lái)許多不便，而且靠人工隨時(shí)調(diào)節(jié)空燃比或者電壓大小，很難跟蹤熱值變化的速度，加之加熱爐都需要按照加熱工藝曲線進(jìn)行周期性的加熱，而爐子的特性是變化的，要使加熱爐實(shí)現(xiàn)最有效的節(jié)能運(yùn)行還應(yīng)該考慮到進(jìn)料狀況（冷錠或熱錠）以及軋機(jī)故障待軋的運(yùn)行狀態(tài)。采用單片機(jī)來(lái)對(duì)溫度進(jìn)行控制，不僅具有控制方便、組態(tài)簡(jiǎn)單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。 溫度控制系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 近年來(lái)，溫度的檢測(cè)在理論上發(fā)展比較成熟，但在實(shí)際測(cè)量和控制中，如何保證快速實(shí)時(shí)的隨溫度進(jìn)行采樣，確保數(shù)據(jù)的正確傳輸，并能對(duì)所測(cè)溫度場(chǎng)進(jìn)行較精確的控制，仍然是目前需要解決的問(wèn)題。就一般溫度控制系統(tǒng)中的測(cè)量裝置而言，它對(duì)被控溫度進(jìn)行測(cè)量，并將測(cè)量值與給定值比較，若存在偏差便由調(diào)節(jié)器對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行處理，再輸送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)增加或減少供給被控對(duì)象的熱量，使被控溫度調(diào)節(jié)到整定值。 2. 虛擬儀器溫室大棚溫度測(cè)控系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)應(yīng)用方面虛擬儀器溫室大棚溫度測(cè)控系統(tǒng)是一種比較智能，經(jīng)濟(jì)的方案，適于大力推廣，該系統(tǒng)能夠?qū)Υ笈飪?nèi)的溫度進(jìn)行采集、比較，通過(guò)比較對(duì)大棚內(nèi)的溫度是否超過(guò)溫度限制進(jìn)行分析，如果超過(guò)溫度限制，溫度報(bào)警系統(tǒng)將進(jìn) 行報(bào)警，來(lái)通知管理人員大棚內(nèi)的溫度超過(guò)限制，溫控系統(tǒng)出現(xiàn)故障。 3．電烤箱溫度控制系統(tǒng)，該方案采用美國(guó) TI 公司生產(chǎn)的 FLASH 型超低功耗 16 位單 片機(jī) MSP430F123 為核心器件，通過(guò)熱電偶檢測(cè)系統(tǒng)溫度，用集成溫度傳感器 AD590作為溫度測(cè)量器件利用該芯片內(nèi)置的比較器完成高精度 AD 信號(hào)采樣，根據(jù)溫度的變化情況，通過(guò)單片機(jī)編寫(xiě)閉環(huán)算法，從而成功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度的測(cè)量和自動(dòng)控制功能。 2%； （ 3）設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理電路、鍵盤(pán)和顯示電路，編寫(xiě)控制程序，實(shí)現(xiàn)溫度控制、顯示及報(bào)警功能。 圖 基于單片機(jī)的閉環(huán)溫度控制系統(tǒng) 此方案采用單片機(jī)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。結(jié)論：前 一 種方案是傳統(tǒng)的模擬控制方式，數(shù) 據(jù) 采 集 信號(hào)放大 溫度預(yù)置 比 較 器 信 號(hào) 放 大 固態(tài)繼電器 負(fù)載 被控對(duì)象 溫度傳感器 A/D 轉(zhuǎn)換 鍵盤(pán)控制 單片機(jī) 報(bào)警電路 D/A 轉(zhuǎn)換 顯示電路 PWM控制器 繼電器加熱 第 5 頁(yè) 共 36 頁(yè) 而模擬控制系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律，控制方案的修改也較為繁瑣。 3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 第 6 頁(yè) 共 36 頁(yè) 單片機(jī)選型 單片機(jī)的組成 由中央處理器（ CPU）、存儲(chǔ)器（ RAM 和 ROM）、 I/O（ Input/Output）接口和 I/O 設(shè)備就構(gòu)成了通用的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)的運(yùn)算和處理都在這里進(jìn)行 控制器：是計(jì)算機(jī)的控制指揮部件，使計(jì)算機(jī)各部份能自動(dòng)協(xié)調(diào)的工作 存儲(chǔ)器：用于存放程序和數(shù)據(jù)（又分為內(nèi)存儲(chǔ)器和外存儲(chǔ)器，內(nèi)存儲(chǔ)器就如我們電腦的硬盤(pán)，外存儲(chǔ)器就如我們的 U 盤(pán)） 輸入設(shè)備：用于將程序和數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)（例如我們電腦的鍵盤(pán)、掃描儀） 輸出設(shè)備：輸出設(shè)備用于把計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)計(jì)算或加工的結(jié)果以用戶需要的形式顯示或保存（例如我們的打印機(jī)） 1 中央處理器（ CPU） 通常把運(yùn)算器和控制器合在一起稱為中央處理器（ Central Processing Unit） ,簡(jiǎn)稱 CPU。地址范圍為 00H～ FFH（ 256B）。地址 范圍為 0000H～ FFFFH（ 64KB）。具體功能在后面章節(jié)中將會(huì)詳細(xì)論述。 7 中斷控制系統(tǒng) MCS51 單片機(jī)的中斷功能較強(qiáng)，以滿足不同控制應(yīng)用的需要。系 統(tǒng)允許的晶振頻率為 12MHZ。不僅結(jié)合了 HMOS的高速和搞密度技術(shù)及 CHMOS 的低功耗特征，而且繼承和擴(kuò)展了 MCS48 的單片機(jī)的體系結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)。 在 Flash 編程時(shí) ,P0 口接收指令字節(jié) ,而在程序校驗(yàn)時(shí) ,輸出指令字節(jié) ,校驗(yàn)時(shí) ,要求外接上拉電阻。 在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或 16 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 (例如執(zhí)行 MOVX DPTR指令 )時(shí) ,P2口送出高 8位地址數(shù)據(jù) ,在訪問(wèn) 8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 (如執(zhí)行 MOVX RI 指令 )時(shí) ,P2 口線上的內(nèi)容 (也即特殊功能寄存器 (SFR)區(qū)中 R2 寄存器的內(nèi)容 ),在整個(gè)訪問(wèn)期間不改變。 2） ALE/PROG：當(dāng)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低 8位字節(jié)。如有必要，可通過(guò)對(duì)特殊功能寄存器（ SFR）區(qū)中的 8E 單元的 D0 位置位，可禁止 ALE 操作。在此期間，將訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，這再次有效的 PSEN 信號(hào)不出現(xiàn)。如 EA 端為高電平（接 VCC 端）， CPU 則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的指令。 7）時(shí)鐘振蕩器： AT89C51 中有一個(gè)用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的反相放大器，引腳 XTAL1 和 XTAL2 分別是該放大器的輸入端和輸出端。這兩種方式是控制專用寄存器 PCON（即電源控制寄存器）中的 PD（ ）和 IDL（ ）位來(lái)實(shí)現(xiàn)的。掉電模式：在掉電模式下，振蕩器停止工作，進(jìn)入掉電模式的指令是最后一條被執(zhí)的指令，片內(nèi) RAM 和特殊功能寄存器的內(nèi)容在終止掉電模式前被凍結(jié)。2 ℃ 顯然采用8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器完全可以達(dá)到要求的精度。 3． VCC： +5V 工作電壓。 7． START： A/D 轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)輸入端。 11． OE： 輸出允許控制端，用以打開(kāi)三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器。多路開(kāi)關(guān)可選通 8 個(gè)模擬通道，允許 8路模擬量分時(shí)輸入，共用 A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 ADC0809 對(duì)輸入模擬量要求：信號(hào)單極性，電壓范圍是 0－ 5V，若信號(hào)太小，必須進(jìn)行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過(guò)程中應(yīng)該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。通道選擇表如表 ： 第 15頁(yè) 共 36頁(yè) 表 通道選擇 C B A 選擇的通道 0 0 0 IN0 0 0 1 IN1 0 1 0 IN2 0 1 1 IN3 1 0 0 IN4 1 0 1 IN5 1 1 0 IN6 1 1 1 IN7 數(shù)字量輸出及控制線： 11 條 ST為轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)。 OE 為輸出允許信號(hào)，用于控制三條輸出鎖存器向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。因 ADC0809 的內(nèi)部沒(méi)有時(shí)鐘電路，所需時(shí)鐘信號(hào)必須由外界提供，通常使用頻率為 500KHZ。③ 送要轉(zhuǎn)換的哪一通道的地址到 A， B， C 端口上。 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì) 由圖 可以看出 A、 B、 C 都接地（都為 0），故信號(hào)輸入口選 IN0，其空間地址為 7FF8H。 PT100 的阻值與溫度變化關(guān)系為：當(dāng) PT100 溫度為 0℃ 時(shí)它的阻值為 100 歐姆 ，在 100℃ 時(shí)它的阻值約為 歐姆。實(shí)體圖如 所示： 第 17頁(yè) 共 36頁(yè) 圖 pt100 溫度傳感器實(shí)體圖 主要技術(shù)參數(shù)如下： ① 測(cè)量范圍： 200℃～ +850℃； ② 允許偏差值 ? ℃： A 級(jí) ? ? t?? ， B 級(jí) ? ? t?? ； ③ 響應(yīng)時(shí)間＜ 30s； ④ 最小置入深度：熱電阻的最小置入深度≥ 200mm； ⑤ 允通電流≤ 5mA?？梢?jiàn) PT100在常溫 0～ 100 攝氏度之間變化時(shí)線性度非常好，其阻值表達(dá)式可近似簡(jiǎn)化為：? ?100 1RtR At? ? ?，當(dāng)溫度變化 1℃， PT100 阻值近似變化 ? 。 圖 信號(hào)放大電路 其增益計(jì)算公式為： RkA ??? 式 溫度值計(jì)算過(guò)程： 由于 A/D 檢測(cè)到的模擬電壓值 ARPR RRR RU T T ?????? 2)( 110 109 式 計(jì)算可到的 TR 值，然后利用如下公式求出溫度值： 21 1 BtAtRPRT ??? 式 其中 ???A ， ????B 。 數(shù)碼管原理 LED 數(shù)碼管是由發(fā)光二極管作為顯示字段的數(shù)碼型顯示器件。共陽(yáng)型是將各段發(fā)光二極管的正極連在一起，作為公共端 COM，公共端COM 接高電平， a～ g、 dp 各筆段通過(guò)限流電阻接控制端。 LED 數(shù)碼管編碼方式 當(dāng) LED 數(shù)碼管與單片機(jī)相連時(shí)，一般將 LED 數(shù)碼管的各筆段引腳 a、 b、?、g、 dp 按某一順序接到 MCS－ 51 型單片機(jī)某一個(gè)并行 I/O 口 D0、 D?、 D7，當(dāng)該 I/O 口輸出某一特定數(shù)據(jù)時(shí)，就能使 LED 數(shù)碼管顯示出某個(gè)字符。顯示時(shí)，每一位字段碼分別從 I/O控制口輸出，保持不變直至 CPU 刷新顯示為止。顯示器由 4 個(gè) LED 數(shù)碼管組成。為 LED 顯示器提供電流的電路稱為 LED 的驅(qū)動(dòng)電路。 驅(qū)動(dòng)電路可采用分立元件電路，也可采用集成驅(qū)動(dòng)電路，此外有些硬件譯碼電路本身包括驅(qū)動(dòng)電路。 本設(shè)計(jì)的溫度控制環(huán)節(jié)采用 DAC0832 轉(zhuǎn)換器， DAC0832 為 8位 D/A 轉(zhuǎn)換器。 7 IOUT1：電流輸出端 1，其值隨 DAC 寄存器的內(nèi)容線性變化； 8 IOUT2：電流輸出端 2，其值與 IOUT1 值之和為一常數(shù)； 9 Rfb：反饋信