【文章內(nèi)容簡介】 量大，長壽命，無輻射等諸多優(yōu)點。液晶 顯示 器 可以顯示 不同的圖形 與 符號，但顯示這些圖形符號使得軟件 編程 變的復雜，不太容易 實現(xiàn) 。而且液晶 顯示器 的價位相對也比較高。 比較之后，無論從價格方面，還是方便實用的方面，使用 LED 顯示器都較使用 LCD好一些，所以本設計的 溫度顯示部分采用 LED 顯示器。 系統(tǒng)總體設計方案 本系統(tǒng)由單片機、溫度信號采集 與轉(zhuǎn)換 、 鍵盤輸入 、 PID 控制 、 溫度顯示等五 部分組成 。 其中，測溫元件用 K 型熱電偶，用來檢測爐內(nèi)溫度，將爐中溫度的物理量值轉(zhuǎn)換成毫伏信號輸出，經(jīng) MAX6675 進行處理后，爐溫給定值的電壓信號和所檢測到的爐溫電壓信號都轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送入單片機內(nèi)進行比較，得到實際爐溫與給定爐溫的差值。由單片機系統(tǒng)構(gòu)成的數(shù)字控制器，對偏差按 PID 調(diào)節(jié)規(guī)律進行運算，并且在 LED 顯示器上顯示溫度值，將運算結(jié)果送至 D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬電壓，電壓值經(jīng)過功 率放大器放大后，送到晶閘管調(diào)壓器觸發(fā)晶閘管，并且改變其導通角的大小，從而調(diào)節(jié)電阻爐的加溫電壓，起到控制爐溫的作用。其 方案 圖如圖 所示： 大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 6 單片機電阻爐溫 度 轉(zhuǎn) 換 傳 感 器晶 閘 管報 警L E D 顯 示鍵 盤時 鐘 電 路 圖 系統(tǒng) 總體設計方案 圖 單片機：該部分的功能包括向讀取溫度數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理， 并且 還要對執(zhí)行單元進行控制。單片機是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理核心及控制核心。 溫度信號采集與 處理 ：本部分的主要是用傳感器檢測溫度信號，溫度傳感器 里的 電流 會 隨環(huán)境溫度值 的變化而 變化。 然后將 電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，使用 MAX6675 將模擬電 壓信號 ， 轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓信號 能在 單片機 中 進行數(shù)據(jù)處理 。 人機交互及串口通信：人機交 互主要 是為了提高系統(tǒng)的 友好性 和實用性。主要包括輸出顯示 、 按鍵輸入。輸出顯示 進行 數(shù)據(jù)的顯示輸出 ， 通過按鍵輸入完成系統(tǒng)參數(shù)設置，而串口通信的主要 作用 是完成單片機與上位機的通信。 電源系統(tǒng)單元：主要功能是為單片機提供 合適 的工作電源，同時也為其他 硬件 模塊提供電源 ， 如 LED 顯示器 、按鍵等 。 在本設計中，電源系統(tǒng)輸出 +5 V 的電源。 執(zhí)行單元：是 本系統(tǒng) 的輸出控制執(zhí)行部分， 本設計中由于技術原因，無法實現(xiàn)，僅作理論闡述。 溫度采集和控制系統(tǒng)已廣 泛應用于工業(yè)生產(chǎn)，科研和人民生活的領域 。在工業(yè)生產(chǎn)過程中， 為 使生產(chǎn) 過程 能順利進行，充分保證產(chǎn)品的質(zhì)量 ， 需要對溫度進行嚴格的監(jiān)控。使用自動溫度控制系統(tǒng) ， 可以對生產(chǎn)環(huán)境的溫度 ， 進行自動控制，保證生產(chǎn)順利、安全的 進行，從而提高 工廠 的生產(chǎn)效率。 大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 7 第三章 系統(tǒng)硬件設計 溫度檢測部分 溫度傳感器的選擇 本部分主要是溫度傳感器的選型。傳感器的選擇受到 許 多 方面 的影響， 比如 各種溫度傳感器 本 身 有各自 優(yōu)缺點， 適應于不同的場合；還有現(xiàn)場 的環(huán)境因素各 有 不同， 再 有就是 根據(jù) 系統(tǒng) 要求 的不同，所需 實現(xiàn)的精度 也不同 ，所 以在不同的 場合 當中 ， 選擇溫度傳感器的 類型 也將不同。 方案一：熱電偶傳感器 熱電偶傳感的原理 ， 是將溫度變化轉(zhuǎn) 化 為電勢變化。 這 種感溫元件 具有熱電效應原理 ， 是利用 把 兩種不同的金屬材料 連在一起 構(gòu)成的。其優(yōu)點為構(gòu)造簡單、精確度高、測量范圍廣 、 型號種類比較多、使用方便且技術成熟等。目前 在 工業(yè)與民用產(chǎn)品中應用廣泛。 這種 傳感器的種類 較 多， 應結(jié)合 考慮其精確度、靈敏度、穩(wěn)定性、可靠性等條件 來選擇 [4]。 方案二：熱電阻傳感器 熱電阻傳感器 把 溫度 的 變化轉(zhuǎn)換為電阻值變化 為 原理。熱電阻傳感器是常用 在 中低溫區(qū)的一種溫度傳感器。 其 主要特 點是：精度高，性能穩(wěn)定。其中測量精度最高的 為 鉑熱電阻，被制作成標準的基準儀 ， 廣泛應用 在 工業(yè)測溫 領域 。從熱電阻的測溫原理可知，被測溫度的 改變 是直接通過熱 敏 電阻阻值的 改變 來 體 現(xiàn)的。因此，熱電阻的 引出導 線電阻的變化會影響 到 測溫 ，所以 一般采用三線制或四線制 來 消除引線電阻的影響 。熱電阻測溫系統(tǒng) 大多以 熱電阻、連接導線 以及 顯示儀表組成。 方案三：半導體集成模擬溫度傳感器 半導體集成 電路模擬 溫度傳感器是 一種 利用半導體 PN結(jié)的電壓 、 電流 與 其 溫度 的 變換關系來測溫的 感溫元件。這種傳感器精度 較高， 輸出線性 化 好，可以 將 信號處理電路及 傳感器驅(qū)動電路等 與溫度傳感器部分集成 為 同一硅片 。其 體積小，使用方便，應用 較廣泛的有 AD590等。半導體集成模擬溫度傳感器通常用于室溫或 周圍 環(huán)境溫度的檢測，以便 單片機系統(tǒng) 對溫度測量值進行補償。 方案四：半導體集成數(shù)字溫度傳感器 隨著社會的不斷進步和科學技術的發(fā)展，許多新的溫度傳感器， 應用 日益廣泛，并大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 8 開始從模擬 式 向數(shù)字 式 ，單總線 型 ，雙總線 類 型，多總線類型 發(fā)展。 這種 數(shù)字溫度傳感器， 能 與各種 單片機 的 I/O接口連接，組成 智能 控制系統(tǒng)，這種系統(tǒng) 改善了 模擬傳感器與 單片機 接口 之 時 ， 需要信號 轉(zhuǎn)換 電路和 A/D變 換 器的弊端， 廣泛 應用于工業(yè)控制、醫(yī)療儀器、電子測溫 等 溫度控制系統(tǒng)中，數(shù)字溫度傳感器中有代表性的有 DS18B20等 。 AD590與 PT100都不能直接與單片機的 I/O口相連，需要設計信號 轉(zhuǎn)換 電路， A/D轉(zhuǎn)換電路。 DS18B20是數(shù)字溫度傳感器，采用單總線技術，可以直接與單片機 I/O口相連。使用 DS18B20可以節(jié)約單片機 I/O口，還能使系統(tǒng)成本降低。但 它 的測溫范圍僅限 55℃ ～+125℃ ，而電阻爐的溫度在一千度 上下 ，所以 結(jié) 合精度要求、測溫范圍的大小以及價格等 各 方面因素考慮，選擇 K型熱電偶傳感器。 K型（鎳鉻－鎳硅）熱電偶 能 測 量 1300℃ 以內(nèi)的溫度，其線性度 極 好，且價格便宜。但測溫部分用 K型熱電偶需經(jīng)過 A/D轉(zhuǎn)換、放大電路等一系列措施，使得硬件電路部分顯得冗余，本設計使用 能處理 K型熱電偶 輸出信號 的芯片 MAX6675，該芯片可實現(xiàn) A/D轉(zhuǎn)換、放大電路等功能，且可以和單片機直接通訊，節(jié)約了硬件部分，降低了成本。 熱電偶的工作原理 兩種 由 不同材料的導體或半導體組成一個閉和 的 回路 (如圖 所示 )， 當兩接 觸 點溫度 T 和 T0 不同時，就會在該回路中產(chǎn)生電動勢，這種 物理 現(xiàn)象稱為熱電效應。這兩種不同材料的導體或半導體的組合稱為熱電偶， 導體 A、 B 稱為熱電極。熱電效應中的電動勢由溫差電勢和接觸電勢組成，接觸電勢是由于兩種不同導體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電 動勢。 圖 熱電偶原理圖 熱電偶的冷端溫度補償 熱電偶的分度表是以冷端溫度 0℃為基準進行分度的，而在實際使用過程中，冷端溫度往往不為 0℃，所以需要對熱電偶的冷端溫度進行溫度補償。常用的冷端溫度補償方法有：冷端溫度修正法、冷端 0℃恒溫法、冷端溫度自動補償法等。 溫度信號處理芯片 MAX6675 該器件采用 8 位引腳的 SO 封裝，引腳圖如圖 所示。 大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 9 圖 MAX6675 引腳圖 引腳功能如表 所 示 。 表 MAX6675 引腳功能表 引腳 名稱 功能 1 GND 接地端 2 T K 型熱電偶負極 3 T+ K 型熱電偶正極 4 VCC 正電源端 5 SCK 串行時鐘輸入 6 CS 片選信號 端 7 SO 串行數(shù)據(jù)輸出 8 NC 懸空 不用 MAX6675 的內(nèi)部由精密運算放大器 A A基準電壓源、冷端補償二極管、模擬開關、數(shù)字控制器及 ADC 等組成，完成了熱電偶微弱信號的放大、冷端補償及模 /數(shù)轉(zhuǎn)換功能 [12]。 將 K 型熱電偶的熱電勢輸出端與 MAX6675 的引腳 T+、 T相連 ， 熱電偶輸出的熱電勢經(jīng)放大器 A A2 進行放大和濾波處理后送至 ADC 的輸入端，在轉(zhuǎn)換之前，先需要對熱電偶的冷端溫度進行補償， MAX6675 通過內(nèi)置的冷端補償?shù)碾娐穪韺崿F(xiàn)冷端補償 。 它將冷端溫度通過冷端補償二極管轉(zhuǎn)換為相應的電壓信號， MAX6675 內(nèi)部電路將二極管電壓和放大后的熱電偶電勢同時送到 ADC 中進行轉(zhuǎn)換，即能得到測量端的絕對溫度值。 MAX6675 采用標準的 SPI 串行外設總線與單片機接口，其與單片機通信時工作過程如下：當單片機使 MAX6675 的 CS 引腳從低電平變?yōu)楦唠娖?時， MAX6675 將進行新的轉(zhuǎn)換；當單片機使 MAX6675的 CS 引腳從高電平變?yōu)榈碗娖讲⒔o SCK時鐘信號時，大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 10 MAX6675 停止信號轉(zhuǎn)換并從 SO 端輸出串行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。當從 SO 端輸出串行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)時，一個完整的數(shù)據(jù)輸出過程需要 16 個時鐘周期，數(shù)據(jù)的輸出通常在 SCK 的下降沿完成，其中 D15 位是偽標志位，始終為 0； D14～ D3 是由高位到低位順序排列的溫度轉(zhuǎn)換值；D2 用于檢測熱電偶是否斷線，當 D2 為 1 時表明熱電偶斷開； D1 為 MAX6675 的標識符 ， 始終為 0； D0 位為三態(tài)。 MAX6675 的串行接口時序圖如圖 所示。 圖 MAX6675 的時序圖 圖 為本系統(tǒng)中溫度檢測電路，當 STC89C52 的 為低電平且 口產(chǎn)生時鐘脈沖時， MAX6675 的 SO 腳輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。在每一個脈沖信號的下降沿 SO 輸出一個數(shù)據(jù)， 16 個脈沖信號完成一串完整的數(shù)據(jù)輸出，先輸出高電位 D15，最后輸出的是低電位 D0， D14D3 為相應的溫度轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，共 12 位，其最小值為 0，對應的溫度值為 0℃；最大值為 4095，對應的溫度值為 ℃，分辨率為 ℃。由于 MAX6675 內(nèi)部經(jīng)過了激光修正，因此，其轉(zhuǎn)換結(jié)果與對應溫度值具 有較好的線性關系。溫度值與數(shù)字量的對應關系為：溫度值 =轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量 /4095。當 為高電平時， MAX6675開始進行新的溫度轉(zhuǎn)換。 圖 溫度檢測電路 單片機 在多數(shù)電子設計當中，基于性價比的考慮， 8 位單片機仍是首選。 STC89C52 是一種低功耗 /低電壓、高性能的 8 位單片機。片內(nèi)帶有一個 8KB 的 Flash 可編程、可擦除大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 11 只讀存儲器（ EPROM）。它采用了 CMOS 工藝和 ATMEL 公司的高密度非易失性存儲器（ NURAM）技術，而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與 MCS51 兼容、片 內(nèi)的 Flash 存儲器允許在系統(tǒng)內(nèi)改編程序或用常規(guī)的非易失性存儲器編程器來編程。因此， STC89C52是一種功能強、靈活性高，且價格合理的單片機，可方便地應用在各種控制領域 [12]?；谏鲜鲞@些特點，這里選擇 STC89C52 單片機作為控制核心。 因為單片機的工作電源為 +5V， STC89C52電源輸入支持的電壓范圍為 5v~， 且底層電路功耗很小。 Vcc，電源端； GND，接地端 [6]。其電源供電電路如圖 ： 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN um be r R e v i s i onS i z eBD a t e : 13 Ju n 20 11 S he e t of F i l e : F : \設計 \畢業(yè)設計 \設計 \ 99 原理圖 \ x d D B D ra w n B y :R6510D 10LEDJ4RCAGND+ 5V 圖 供電電路 本部分主要介紹單片機最小系統(tǒng)的設計。單片機系統(tǒng)的擴展，一般是以基本最小 系統(tǒng)為基礎的。所謂最小系統(tǒng)，是指一個真正可用的單片機最小配置系統(tǒng)，對于片內(nèi)帶有程序存儲器的單片機，只要在芯片外接時鐘電路和復位電路就是一個小系統(tǒng)了。小系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的基石。本電路的小系統(tǒng)主要由三部分組成，一塊 STC89C52芯片、復位電路及時鐘電路 [16]。 STC89C52 單片機的 引腳說明 [13] VCC：供電電壓； GND：接地。 RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持 RST 腳兩個機器周期的高電平時間。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩 器的輸出。 振蕩器特性： XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件， XTAL2應不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 12 ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因 此它可用作對外部