【正文】 2 軟件功能應(yīng)包括 A 溫度檢測應(yīng)包括定時(shí)采樣和軟 件慮波 B 溫度控制的實(shí)現(xiàn)即根據(jù)溫度給定值和采樣值的大小決定電阻絲的通斷從而影響加熱溫度 C 利用定時(shí)器定時(shí)以滿足采樣周期的要求 D 顯示溫度 E 輸出報(bào)警信息 3 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì) 31 微處理器 在總體方案確定之后首要的任務(wù)是選擇一臺(tái)合適的微型計(jì)算機(jī)雖然現(xiàn)在的微型計(jì)算機(jī)種類很多但是所選的微型計(jì)算機(jī)必須符合本次設(shè)計(jì)的具體要求 本次設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)精度較高需要的 IO 接口也比較多因此采用AT89C51 單片機(jī)作為本系統(tǒng)的微處理器 AT89C51 是一個(gè)低電壓高性能 CMOS 8 位單片機(jī) 40 個(gè)引腳 32 個(gè)外部雙向輸入輸出 IO端 口同時(shí)內(nèi)含 2個(gè)外中斷口 2 個(gè) 16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器 2個(gè)全雙工串行通信口片內(nèi)含 4k bytes 的可反復(fù)擦寫的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器和 128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM 可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程也可以在線編程器件采用 ATMEL 公司的高密度非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)片內(nèi)置通用 8 位中央處理器和 Flash 存儲(chǔ)單元內(nèi)置功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的 AT89C51提供了高性價(jià)比的解決方案 AT89C51 的主要特性如下壽命達(dá) 1000 寫擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時(shí)間 10 年 全靜態(tài)工作 0Hz－ 24MHz VCC40＋ 5VGND20 接地 P0 口 39－ 32P0 口為 8 位漏極開路雙向 IO 口每引腳可吸收 8 個(gè) TTL 門電流 P1 口 1－ 8P1 口是從內(nèi)部提供上拉電阻器的 8 位雙向 IO 口 P1 口緩沖器能接收和輸出 4 個(gè) TTL 門電流 P2 口 21－ 28P2 口為內(nèi)部上拉電阻器的 8 位雙向 IO 口 P2 口緩沖器可接收和輸出 4 個(gè) TTL 門電流 P3 口 10－ 17P3 口是 8 個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻器的雙向 IO 口可接收和輸出 4 個(gè)TTL 門電流 P3 口也可作為 AT89C51 的特殊功能口 RST9 復(fù)位輸入當(dāng)振蕩器復(fù)位時(shí)要保持 RST 引腳 2 個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間 ALEPROG30 當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)在 FLASH編程期間此引腳用于輸入編程脈沖在平時(shí) ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)此頻率為振蕩器頻率的 16 它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的要注意的是每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過 1 個(gè) ALE 脈沖 PSEN29 外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)在由外部程序存儲(chǔ)器取期間每個(gè)機(jī)器周期 2 次 PSEN 有效但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)這 2 次有效的 PSEN 信號(hào)將不出現(xiàn) EAVPP31 當(dāng) EA 保持低電平時(shí)外部程序存儲(chǔ)器地址為 0000H－ FFFFH 不管是否有內(nèi)部程序存 儲(chǔ)器 FLASH 編程期間此引腳也用于施加 12V 編程電源 VPP XTAL119 反向振蕩器放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入 XTAL218 來自反向振蕩器的輸出 名稱 型號(hào) 分度號(hào) 測溫范圍 ℃ 允許偏差 偶絲直徑 鎳鉻鎳硅 WREU K 長期 短期 0300℃ 177。 1 此熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一其優(yōu)點(diǎn)是 ①測量精度高因溫度傳感器熱電偶直接與被測對(duì)象接觸不受中間介質(zhì)的影響 ②測量范圍廣此熱電偶溫度傳感器從 0℃均可測量 ③ 構(gòu)造簡單使用方便此熱電偶是由兩種不同的金屬絲組成而且不受大小和開頭的限制外有保護(hù)套管用起來非常方便 此 K 型熱電偶溫度傳感器的測溫基本原理是將兩種不同材料的導(dǎo)體 A 和 B焊接起來構(gòu)成一個(gè)閉合回路當(dāng)導(dǎo)體 A和 B的兩個(gè)執(zhí)著點(diǎn) 1 和 2之間存在溫差時(shí)兩者之間便產(chǎn)生電動(dòng)勢因而在回路中形成一個(gè)大小的電流這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)熱電偶溫度傳感器就是利用這一效應(yīng)來工作的 由于熱電偶溫度傳感器的材料一般都比較貴重而測溫點(diǎn)到儀表的距離都很遠(yuǎn)為了節(jié)省熱電偶材料降低成本通常采用補(bǔ)償導(dǎo)線把溫度傳感器熱電偶的冷端自由端延伸到溫度比較穩(wěn)定的控制室內(nèi)連 接到 儀表端子上必須指出熱電偶溫度傳感器補(bǔ)償導(dǎo)線的作用只起延伸熱電極使溫度傳感器熱電偶的冷端移動(dòng)到控制室的儀表端子上它本身并不能消除冷端溫度變化對(duì)測溫的影響不起補(bǔ)償作用因此還需采用其他修正方法來補(bǔ)償冷端溫度 t0≠ 0℃時(shí)對(duì)測溫的影響 在使用熱電偶溫度傳感器補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)必須注意型號(hào)相配極性不能接錯(cuò)補(bǔ)償導(dǎo)線與溫度傳感器熱電偶連接端的溫度不能超過 100℃ 6675 是一復(fù)雜的單片熱電偶數(shù)字轉(zhuǎn)換器其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示主要包括低噪聲電壓放大器 A1 電壓跟隨器 A2 冷端溫度補(bǔ)償二極管基準(zhǔn)電壓源 12 位 AD轉(zhuǎn)換器 SPI 串行接口模擬 開關(guān)及數(shù)字控制器 其工作原理如下 K 型熱電偶產(chǎn)生的熱電勢經(jīng)過低噪聲電壓放大器 A1 和電壓跟隨器 A2 放大緩沖后得到熱電勢信號(hào) U1 再經(jīng)過 S4 送至 ADC 對(duì)于 K 型熱電偶電壓變化率為 41μ V℃ 電壓可由如下公式來近似熱電偶的特性 U1 41μ V℃ TT0 上式中 U1 為熱電偶輸出電壓 mVT 是測量點(diǎn)溫度 T0 是周圍溫度 在將溫度電壓值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的溫度值之前對(duì)熱電偶的冷端溫度進(jìn)行補(bǔ)償冷端溫度即是 6675 周圍溫度與 0℃實(shí)際參考值之間的差值通過冷端溫度補(bǔ)償二極管產(chǎn)生補(bǔ)償電壓 U2 經(jīng) S4 輸入 ADC 轉(zhuǎn)換器 U2 41μ V℃ T0 在數(shù)字控制器的控制下 ADC 首先將 U1U2 轉(zhuǎn)換成數(shù)字量即獲得輸出電壓 U0的數(shù)據(jù)該數(shù)據(jù)就代表測量點(diǎn)的實(shí)際溫度值 T 這就是 6675 進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償和測量溫度的原理 6675 采用標(biāo)準(zhǔn)的 SPI 串行外設(shè)總線與單片機(jī)接口 6675從 SPI 串行接口輸出數(shù)據(jù)的過程如下單片機(jī)使 CS置為低電平并提供時(shí)鐘信號(hào)給 SCK由 SO讀取測量結(jié)果 CS 變低將停止任何轉(zhuǎn)換過程 CS 變高將啟動(dòng)一個(gè)新的轉(zhuǎn)換過程將 CS 變低在 SO端輸出第一個(gè)數(shù)據(jù)一個(gè)完整串行接口讀操作需 16 個(gè)時(shí)鐘周期在時(shí)鐘的下降沿讀16 個(gè)輸出位第 1 個(gè)輸出位是 D15 是一偽標(biāo)志位并總為 0D14 位到 D3 位為以 MSB到 LSB 順序排列的轉(zhuǎn)換溫度值 D2位平時(shí)為低當(dāng)熱電偶輸入開放時(shí)為高開放熱電偶檢測電路完全由 6675實(shí)現(xiàn)為開放熱電偶檢測器操作 T必須接地并使接地點(diǎn)盡可能接近 GND 腳 D1 位為低以提供 6675 器件身份碼 D0 位為三態(tài)標(biāo)志位 D12D3為 12 位數(shù)據(jù)其最小值為 0 對(duì)應(yīng)的溫度值為 0℃最大值為 4095 對(duì)應(yīng)的溫度值為102375℃由于 6675 內(nèi)部經(jīng)過激光矯正因此其轉(zhuǎn)換結(jié)果與對(duì)應(yīng)溫度值有很好的線性關(guān)系溫度值與數(shù)字量的對(duì)應(yīng)關(guān)系為 溫度值 102375轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量 4095 3 溫度測量電路原理圖 以 上我們將溫度傳感器及其信號(hào)放大器選擇完畢下面我們要把選擇好的鎳鉻鎳硅溫度傳感器及其信號(hào)放大器 6675 與 89C51 單片機(jī)進(jìn)行連接組成溫度測量電路具體的電路原理圖如下 此溫度檢測電路的工作原理可簡單理解為鎳鉻鎳硅溫度傳感器檢測到的溫度信號(hào)經(jīng) 6675 運(yùn)算放大處理后輸入 89C51 單片機(jī)單片機(jī)根據(jù)檢測到的溫度數(shù)據(jù)對(duì)溫度進(jìn)行顯示與控制 33 溫度控制電路設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)的另一個(gè)重要環(huán)節(jié)為溫度的控制通過選擇合理的加熱原件溫度控制原件及其他輔助原件對(duì)加熱爐的溫度進(jìn)行控制從而實(shí)現(xiàn)加熱爐的加熱功能 1 加熱原件的選擇 本次設(shè)計(jì)的加 熱爐為電阻爐因此采用高性能的加熱電阻作為加熱原件根據(jù)加熱爐的加熱范圍 0℃ 1000℃及加熱最高溫度 102375℃本系統(tǒng)選用的加熱電阻為鐵鉻鋁高電阻電熱合金 類型 鐵鉻鋁電熱合金上海合金廠 GB／ T1234199525AL5 常溫電阻 142Ω 300180000W 加熱 GB／ T123419951400℃ 1mm 鐵鉻高電阻電熱合金具有電阻率高電阻溫度系數(shù)小使用溫度高的特點(diǎn)在高溫下耐腐蝕性好且價(jià)格低廉是工業(yè)電爐理想的發(fā)熱材料 4 溫度控制電路原理圖 89C51 單片機(jī)對(duì)溫度的控制是通過雙向可控硅實(shí)現(xiàn)的雙向可控硅管和 加熱電阻串接在交流 220V50Hz 的回路中 89C51 單片機(jī)只要改變可控硅管的接通時(shí)間即可改變加熱絲的功率以達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的可控硅接通時(shí)間可以通過可控硅控制極上觸發(fā)脈沖控制該觸發(fā)脈沖由 89C51用軟件在 P27引腳上產(chǎn)生在過零同步脈沖同步后經(jīng)驅(qū)動(dòng)器 7407 和光電耦合器 MOC3021 輸出送到可控硅的控制極上具體電路圖如下 34 看門狗電路設(shè)計(jì) 提到看門狗則必須提一下電源監(jiān)控和上電復(fù)位電路為了使用者的方便現(xiàn)在芯片都把上電復(fù)位電源監(jiān)控及看門狗集成到一起近年來各廠家開發(fā)出多種看門狗芯片如 813X504524C021 等 其中 X5045 是 SPI 總線格式的具有看門狗電源監(jiān)控和 PROM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的多功能芯片目前應(yīng)用較為廣泛使用者可根據(jù)自己所選擇的具體 MCU 來配置外圍看門狗電路及電源監(jiān)控其引腳功能如下 CS 電路選擇端低電平有效 SO 串行數(shù)據(jù)輸出端 SI 串行數(shù)據(jù)輸入端 SCK 串行時(shí)鐘輸入端 寫保護(hù)輸入端低電平有效 RESET 復(fù)位輸出端 VCC 電源端 VSS 接地端 本系統(tǒng)采用的看門狗芯片就為 X5045 其與 89C51 單片機(jī)的接口如下圖所示 35 人機(jī)通道設(shè)計(jì) 人機(jī)通道的設(shè)計(jì)包括三個(gè)部分鍵盤溫度顯示電路報(bào)警 電路其中溫度值及參數(shù)設(shè)定由鍵盤輸入溫度顯示電路由 4位 LED顯示器及發(fā)光二級(jí)管總成報(bào)警電路由一個(gè)驅(qū)動(dòng)器及蜂鳴器組成由于報(bào)警電路的設(shè)計(jì)非常簡單在此不做贅述下面具體介紹鍵盤及溫度顯示電路 1 鍵盤 鍵盤是向系統(tǒng)提供操作人員干預(yù)命令及數(shù)據(jù)的接口設(shè)備鍵盤可分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤兩種類型本系統(tǒng)采用的是直觀簡單的獨(dú)立式非編碼按鍵 獨(dú)立式按鍵是指直接用 IO 口線構(gòu)成的單個(gè)按鍵電路每個(gè)獨(dú)立式按鍵單獨(dú)占有一根 IO 口線每根 IO 口線上的按鍵工作狀態(tài)不會(huì)影響其它 IO 口線的工作狀態(tài)通常的按鍵都是低電平有效 獨(dú)立式按鍵電路配置靈活軟件結(jié)構(gòu) 簡單但每個(gè)按鍵必須占用一根 IO 口線在按鍵數(shù)量較多時(shí) IO 口線浪費(fèi)較大故在按鍵數(shù)量不多時(shí)常采用這種按鍵電路由于我所做的設(shè)計(jì)案件數(shù)量少因此可以選用此按鍵結(jié)構(gòu)具體鍵盤電路圖如下 2 溫度顯示電路 動(dòng)態(tài)掃描顯示接口是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一其接口電路是把所有顯示器的 8 個(gè)筆劃段 ah 同名端連在一起而每一個(gè)顯示器的公共極COM 是各自獨(dú)立地受 IO 線控制這種顯示方式可以起到節(jié)省系統(tǒng) IO 口的作用但是CPU的工作量會(huì)大大增大 CPU向字段輸出口送出字形碼時(shí)所有顯示器接收到相同的字形碼但究竟是那個(gè)顯示器亮則取決于 COM 端 而這一端是由 IO 控制的所以我們就可以自行決定何時(shí)顯示哪一位了而所謂動(dòng)態(tài)掃描就是指我們采用分時(shí)的方法輪流控制各個(gè)顯示器的 COM 端使各個(gè)顯示器輪流點(diǎn)亮 在輪流點(diǎn)亮掃描過程中每位顯示器的點(diǎn)亮?xí)r間是極為短暫的約 1ms 但由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)盡管實(shí)際上各位顯示器并非同時(shí)點(diǎn)亮但只要掃描的速度足夠快給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)不會(huì)有閃爍感 考慮到本系統(tǒng)的 IO 口有限所以采用了動(dòng)態(tài)掃描的方法由于是采用了74LS374和 74LS145地址寄存器與數(shù)碼管相連所以無須再連接限流電阻具體電路圖如下 此電路中 74LS374用于驅(qū)動(dòng) LED的 8位段碼 8 位 LED相應(yīng)的 ag段連在一起它們的公共端連至 74LS145譯碼器的輸出端這樣當(dāng)選通某一位 LED時(shí)相應(yīng)的地址線輸出的是低電平所以這里選用共陰 LED 數(shù)碼管 4 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) 41 軟件設(shè)計(jì)概述 本次設(shè)計(jì)的加熱爐溫度控制系統(tǒng)的功能是由硬件電路配合相應(yīng)的軟件來實(shí)現(xiàn)的上一章我們已經(jīng)詳細(xì)設(shè)計(jì)了此控制系統(tǒng)的硬件電路本章將著重介紹一下整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)所用的編程語言是匯編語言首先在編程之前要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析包括對(duì)系統(tǒng)功能的分析程序的總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)資源的分配具體的 溫度控制算法然后再進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的計(jì)算流程圖的繪制具體編程仿真調(diào)試對(duì)程序進(jìn)行修改等多個(gè)方面 42 程序的總體設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)的軟件主要實(shí)現(xiàn)的功能為溫度傳感器測量的溫度信號(hào)經(jīng) 6675 進(jìn)行信號(hào)的放大與 AD 轉(zhuǎn)換把轉(zhuǎn)換好的數(shù)字量輸入單片機(jī)經(jīng)過標(biāo)度變換顯示碼處理后將顯示碼送到數(shù)碼管上顯示出來同時(shí)單片機(jī)對(duì)輸入的數(shù)字量進(jìn)行處理經(jīng)過 PID控制算法對(duì)溫度進(jìn)行控制此外軟件還應(yīng)該實(shí)現(xiàn)按鍵操作例如設(shè)置參數(shù)的功