【文章內(nèi)容簡介】 塑焊機溫度控制系統(tǒng)的硬件設計12隨著集成電路的發(fā)展，越來越多的芯片隨著體積的不斷減小，而其功能反而越來越強大，并且價格也越來越便宜。由于塑料焊接機的工作環(huán)境比較惡劣，而溫控系統(tǒng)又很容易受到干擾，因此其穩(wěn)定性就顯得非常重要，為了增加設計電路的穩(wěn)定性和簡潔性，我們最終選擇了具有放大和補償雙重功能的智能芯片，這樣既減小了電路板的面積，簡化了電路，其數(shù)字化的設計又使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到加強?？紤]到以上原因，我們最終選擇的是 AD 公司的 AD595。AD595 簡介：AD595 IC 具有熱電偶信號放大和冰點補償雙重功能, 它適用于 K 型熱電偶,是 14 腳 DIP 封裝。具有二個等級(C 級和 A 級) , 分別具有177。1 ℃和177。3 ℃的校準準確度。它們具有以下特性:低阻抗電壓輸出:10mV/ ℃片內(nèi)冰點補償電源電壓范圍: + 5V～ 177。15V低功耗: 1mW熱電偶斷線報警功能高阻抗差動輸入可用作攝氏溫度傳感器差動輸入可抑制熱電偶引線上的共模噪聲電壓由于熱電偶的輸出電勢與溫度成非線性關系, 下列轉(zhuǎn)換函數(shù)將決定芯片的實際輸出電壓:AD595 輸出= ( K 型熱電勢+ 11μV) 247. 3AD595 應用電路連接：圖 AD595 應用接線圖山東科技大學學士學位論文 塑焊機溫度控制系統(tǒng)的硬件設計13 AD 轉(zhuǎn)換模塊由于本系統(tǒng)采集的是溫度信號，一般而言，溫度信號都比較微弱，并且對于溫控系統(tǒng)而言，最重要的往往是溫度的控制精度問題，因此，我們在選用 AD 轉(zhuǎn)換模塊時，應該選擇轉(zhuǎn)換高、抗干擾能力強，最好價格低廉的 AD 轉(zhuǎn)換芯片。在本系統(tǒng)的設計中，我們選擇了 ICL7135 作為我們的 AD轉(zhuǎn)換器，一是因為它滿足以上條件，另外一個原因是它的一種特殊接線方法非常簡單，并且我們在軟件編程中比較容易實現(xiàn)。 7135 簡介 該系統(tǒng)的 A/D 轉(zhuǎn)換器選用的是 ICL7135，它是一種 4 位半的雙積分 A/ D 轉(zhuǎn)換器,該器件的接口為驅(qū)動 LED 顯示器而設計。輸入為差分信號，輸出177。20200 個碼，分辯率高，其內(nèi)部沒有時鐘電路，必須全部外接。D1 到 D5 是顯示器位掃描信號,每位對應 200 個時鐘周期。BBBB8 是 BCD 碼數(shù)據(jù)輸出線。STB 信號為數(shù)據(jù)的外部鎖存而設置。除此之外還有極性信號 POL 、超量程信號 OVER、欠量程信號 UNDER。由于該芯片具有精度高、抗干擾能力強、價格低廉的特點,在智能化儀表中得到廣泛的應用 ?；鶞孰妷阂惨客獠侩娐穪硖峁?，并且為單端輸入，基準電壓值為滿量程的一半。ICL7135 的輸出不是三態(tài)的，不可直接與總線相連，它每次轉(zhuǎn)換完畢立即輸出新的轉(zhuǎn)換結(jié)果，不需要特別控制。ICL7135 有專門的極性顯示，過量程顯示和欠量程顯示引腳，使用起來特別方便。山東科技大學學士學位論文 塑焊機溫度控制系統(tǒng)的硬件設計14 7135 接口電路一般接口電路如下圖所示：這種接線方法占用單片機的口線多，并且軟件編程復雜，因此我們放棄了這種一般接線方法，而采用了特殊接線方法。以往使用 7135 是利用它具有多重動態(tài)掃描的 BCD 碼輸出來讀取 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，這樣既費時、又占用較多口線。在測控儀表中，盡量少占用微處理器 I/O 口線，以最少原器件、完成盡可能多的任務是十分重要的。這里介紹的 ICL7135 與單片機接口的簡易方法，是利用 7135 的“BUSY”端，只需占用單片機 89C51 的一個 I/O 口和內(nèi)部的一個定時器，就可以在十幾微秒的中斷服務程序中把 ICL7135 的 A/D 轉(zhuǎn)換值送入單片機內(nèi)。實踐證明，該方法具有實際應用價值。 7135 的 BUSY 信號與積分過程的關系如下圖所示：圖 7135 與單片機一般接線圖山東科技大學學士學位論文 塑焊機溫度控制系統(tǒng)的硬件設計15BUSY 信號正好是兩個積分過程的長度,根據(jù)這個關系設計一種簡單接口,如圖 4 (b) 所示。將時鐘信號 CLK 連到單片機的 T0 (P3. 4) ,將 BUSY信號連到單片機的 INT0 (P3. 2) ,將 POL 連到單片機的 P3. 5 。BUSY 有兩個作用:一是作為計數(shù)器 T0 的門控信號,在 BUSY 信號的高電平期間允許T0 對 CLK 計數(shù)。二是在下降邊沿對單片機產(chǎn)生中斷。需要的結(jié)果是對應于參考電壓的積分時間內(nèi)的 CLK 周期數(shù) N , 實際計數(shù)值比 N 大 10 000 ,將計數(shù)值減去 10 000 即得到所需要的結(jié)果,或者在計數(shù)器賦初值時將 10 000 寫入計數(shù)器,忽略計數(shù)器的溢出即自動得到所需要的結(jié)果。這個結(jié)果是二進制的結(jié)果,比 5 位 BCD 碼的結(jié)果更有利于單片機的數(shù)據(jù)處理。因此可得我們下圖所示的 7135 與單片機的特殊接線電路：又圖 7135busy 信號與積分過程關系圖圖 X25045 與單片機接線圖山東科技大學學士學位論文 塑焊機溫度控制系統(tǒng)的硬件設計16由于 7135 工作的時鐘周期大約在 500HZ，因此我們還要經(jīng)過特殊的電路來構設分頻，以滿足 7135 的正常工作。因此我們便采用了用 74LS161 來構設分頻器，由于單片機的外部晶振選用的是 ，因此我們直接把它的時鐘信號 12 分頻為 7135 的時鐘信號。下圖便為 161 分頻電路： 輸出控制模塊 常見的功率控制有兩種方法，一是調(diào)功，通過控制單位時間內(nèi)加在功率器上的正弦波的波頭數(shù)來控制功率；二是調(diào)相，通過控制可控硅的導通角，來控制導通時加在功率器上的電壓幅值，實現(xiàn)對功率器件的精確均勻控制，本系統(tǒng)采用方法一來實現(xiàn)功率控制。89C52 根據(jù)采樣的溫度數(shù)值對其進行相應規(guī)則的計算、處理、判斷后，得出控制結(jié)果，從其 P1 口輸出相應的控制信號，此控制信號為 0,1(低、高電平)連續(xù)脈沖信號，經(jīng)過一定的上拉后，去控制繼電器動作，再經(jīng)過繼電器控制發(fā)熱器件。SSR 簡介交流固態(tài)繼電器 SSR(solid state releys)是一種無觸點通斷電子開圖 74LS161 連線圖山東科技大學學士學位論文 塑焊機溫度控制系統(tǒng)的硬件設計17關，它利用電子元件(如開關三極管、雙向可控硅等半導體器件)的開關特性，可達到無觸點無火花地接通和斷開電路的目的，為四端有源器件，其中兩個端子為輸入控制端，另外兩端為輸出受控端。為實現(xiàn)輸入與輸出之間的電氣隔離，器件中采用了高耐壓的專業(yè)光電耦合器。當施加輸入信號后，其主回路呈導通狀態(tài)，無信號時呈阻斷狀態(tài)。整個器件無可動部件及觸點，可實現(xiàn)相當于常用電磁繼電器一樣的功能。其封裝形式也與傳統(tǒng)電磁繼電器基本相同。它問世于 70 年代，由于它的無觸點工作特性，使其在許多領域的電控及計算機控制方面得到日益廣范的應用。由于固態(tài)繼電器是由固體元件組成的無觸點開關元件，所以它較之電磁繼電器具有工作可靠、壽命長、對外界干擾小、能與邏輯電路兼容、抗干擾能力強、開關速度快和使用方便等一系列優(yōu)點。因而具有很寬的應用領域，有逐步取代傳統(tǒng)電磁繼電器之勢，并可進一步擴展到傳統(tǒng)電磁繼電器無法應用的領域。固態(tài)繼電器有三部分組成:輸入電路，隔離(耦合)和輸出電路。安輸入電壓的不同類別，輸入電路可分為直流輸入電路，交流輸入電路和交直流輸入電路三種。有些輸入控制電路還具有與 TTL/CMOS 兼容，正負邏輯控制和反相等功能。固態(tài)繼電器的輸入與輸出電路的隔離和耦合方式有光電耦合和變壓器耦合兩種。固態(tài)繼電器的輸出電路也可分為直流輸出電路，交流輸出電路和交直流輸出電路等形式。交流輸出時，通常使用兩個可控硅或一個雙向可控硅，直流輸出時可使用雙極性器件或功率場效應管。SSR 按使用場合可以分成交流型和直流型兩大類，它們分別在交流或直流電源上做負載的開關，不能混用。SSR 成功地實現(xiàn)了弱信號 (Vsr)對強電(輸出端負載電壓)的控制。由于光耦合器的應用，使控制信號所需的功率極低(約十余毫瓦就可正常工作)，而且 Vsr 所需的工作電平與 TTL、HTL、CMOS 等常用集成電路兼容，山東科技大學學士學位論文 塑焊機溫度控制系統(tǒng)的硬件設計18可以實現(xiàn)直接聯(lián)接。這使 SSR 在數(shù)控和自控設備等方面得到廣泛應用。在相當程度上可取代傳統(tǒng)的“線圈—簧片觸點式”繼電器(簡稱“MER”)。 本次設計選用的固態(tài)繼電器是一種四端器件，兩端輸入、兩端輸出，它們之間用光電耦合器隔離，其輸入端導通電壓為 ，導通電流10mA；輸出端負載電壓為 220V380V，電流,20A。而從控制板上輸出信號為 TTL 信號，因而需要進行驅(qū)動。 固態(tài)繼電器的驅(qū)動電路如下圖所示：輸出控制模塊電路圖連接如下：圖 X25045 管腳圖圖 固態(tài)繼電器驅(qū)動圖圖 固態(tài)繼電器驅(qū)動圖圖 輸出模塊電路圖山東科技大學學士學位論文 塑焊機溫度控制系統(tǒng)的硬件設計19 鍵盤與顯示模塊 矩陣式鍵盤 由于本系統(tǒng)需要用戶控制的量很多，因此需要我們設計的鍵盤數(shù)量也非常多，再考慮到簡潔電路和低成本的因素，我們選擇了比較常見的矩陣鍵盤。通過 P0 口的 8 位來構設 16 位按鍵。這樣使得硬件電路比較簡潔，不過這使得軟件比較繁瑣?？梢哉f是犧牲了軟件的效率來簡化硬件電路。矩陣式鍵盤的結(jié)構與工作原理：在鍵盤中按鍵數(shù)量較多時，為了減少 I/O 口的占用，通常將按鍵排列成矩陣形式，如圖 1 所示。在矩陣式鍵盤中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過一個按鍵加以連接。這樣，一個端口（如 P1 口）就可以構成4*4=16 個按鍵，比之直接將端口線用于鍵盤多出了一倍，而且線數(shù)越多，區(qū)別越明顯，比如再多加一條線就可以構成 20 鍵的鍵盤，而直接用端口線則只能多出一鍵（9鍵） 。由此可見，在需要的鍵數(shù)比較多時，采用矩陣法來做鍵盤是合理的。矩陣式結(jié)構的鍵盤顯然比直接法要復雜一些，識別也要復雜一些，上圖中，列線通過電阻接正電源，并將行線所接的單片機的 I/O 口作為輸出端，而列線所接的 I/O 口則作為輸入。這樣，當按鍵沒有按下時，所有的輸出端都是高電平，代表無鍵按圖 矩陣式鍵盤電路圖圖 輸出模塊電路圖山東科技大學學士學位論文 塑焊機溫度控制系統(tǒng)的硬件設計20下。行線輸出是低電平，一旦有鍵按下，則輸入線就會被拉低，這樣，通過讀入輸入線的狀態(tài)就可得知是否有鍵按下了。對于按鍵識別方法，我們選擇了比較通用的“行掃描法” 。行掃描法又稱為逐行（或列）掃描查詢法，是一種最常用的按鍵識別方法，其基本原理如下。1. 判斷鍵盤中有無鍵按下 將全部行線 Y0Y3 置低電平，然后檢測列線的狀態(tài)。只要有一列的電平為低，則表示鍵盤中有鍵被按下，而且閉合的鍵位于低電平線與 4 根行線相交叉的 4 個按鍵之中。若所有列線均為高電平，則鍵盤中無鍵按下。2. 判斷閉合鍵所在的位置在確認有鍵按下后，即可進入確定具體閉合鍵的過程。其方法是：依次將行線置為低電平，即在置某根行線為低電平時，其它線為高電平。在確定某根行線位置為低電平后，再逐行檢測各列線的電平狀態(tài)。若某列為低，則該列線與置為低電平的行線交叉處的按鍵就是閉合的按鍵。 LCD 液晶顯示LCD 液晶顯示屏外觀如下圖所示：本系統(tǒng)顯示部分采用 LCD 液晶顯示屏，第一它可以直觀的顯示漢字，方便操作人員操作，第二采用液晶屏的優(yōu)點再于它的耗電量比較小，能夠山東科技大學學士學位論文 塑焊機溫度控制系統(tǒng)的硬件設計21減小系統(tǒng)的功耗。一般用于電子行業(yè)的 LCD 液晶主要分為兩大類，一類是采用并行方式傳輸數(shù)據(jù)，另外一類是采用串行通信傳輸數(shù)據(jù)。在本系統(tǒng)中，由于需要的口線比較多，所以我們選擇了采用串行通信傳輸數(shù)據(jù)的液晶屏。根據(jù)價格和性能我們選擇了北京金創(chuàng)業(yè)有限公司的 KYD29X 液晶顯示模塊。KYD29型智能液晶終端參數(shù)：采用國產(chǎn)單色液晶模塊 , 128 x 64點 , 2色 , 顯示顏色 :黑白2色(無背光)顯示分辨率 : 128x 64點顯示點尺寸 : x 視域尺寸 : (對角線:=)外形尺寸 : 113 x 65 x 24mm電源: +5V , LCD管腳接線表格如下所示：引腳 信號 方向 說明1 Va 輸入 當不使用電位器時由此輸入液晶對比度調(diào)節(jié)電壓2 BUSY(TTL 電平)輸出 高電平表示終端正在處理數(shù)據(jù),不能接收用戶數(shù)據(jù),用戶只能在 BUSY 時通過 DATA 端發(fā)送數(shù)據(jù)3 DC+5V 輸入 輸入直流 DC+5V 電源輸入端4 DATA(TTL 電平)輸入 串行數(shù)據(jù)輸入端,與用戶單片機串行數(shù)據(jù)輸出端相連,當 BUSY=0 時,終端以設定的波特率由此接收數(shù)據(jù)5 GND 輸出 GND6 Vn 輸入 當需要控制背光時由此輸入 05V 的背光電源由于本系統(tǒng)采用的是串行通信方式給 LCD 傳輸數(shù)據(jù)，而在本系統(tǒng)中由于串口要與上位機進行通訊，所以在本模塊中串行口就不能再使用?？紤]到實際情況，我們最終采用了普通 I/O 口模擬串行口通信，實際證明此方表 LCD 管腳接線表格圖 輸出模塊電路圖山東科技大學學士學位論文