【正文】 出一定波長(zhǎng)的光，然后被光探測(cè)器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過(guò)進(jìn)一步放大后輸出。所以首先采用光耦，其以光為媒介傳輸電信號(hào)。 溫度控制溫度控制是本系統(tǒng)的關(guān)鍵，而此部分的關(guān)鍵在于可控硅，我們采用PID控制方式來(lái)控制溫度。 LCD液晶顯示 采用FYD128640402B液晶顯示模塊，該液晶模塊每屏可顯示4行8列共32個(gè)16*16點(diǎn)陣的漢字，每個(gè)顯示RAM可顯示1個(gè)中文字符或2個(gè)16*8點(diǎn)陣全高ASCII字符，即每屏最多可實(shí)現(xiàn)32個(gè)中文字符或64個(gè)ASCII碼字符的顯示。 溫度設(shè)置 通過(guò)用四個(gè)撥盤(pán)以及四個(gè)電阻連接STC12C5A60S2單片機(jī)，應(yīng)用編程來(lái)設(shè)置要給定的四位數(shù)的溫度。傳感器溫度采集電路STC12C5A60S2 單片機(jī)溫度設(shè)置電路 溫度控制電路LCD液晶顯示電路 ▲圖 組成框圖 主要功能模塊的簡(jiǎn)介 傳感器溫度采集 測(cè)溫電路的設(shè)計(jì)是采用型號(hào)為WRP130的鉑銠10鉑熱電偶，其測(cè)溫范圍在01300度，精度在+/%，其具有性能穩(wěn)定，抗氧化性能強(qiáng)以及測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，可以較為準(zhǔn)確的測(cè)溫。第二章 總體設(shè)計(jì)分析 組成框圖 根據(jù)設(shè)計(jì)思想所要完成的功能，該硅碳棒電加熱溫度控制器采用單片機(jī)作為微處理單元進(jìn)行控制。采用雙向可控硅溫度控制電路對(duì)其采用計(jì)算機(jī)軟件方法來(lái)進(jìn)行PID 調(diào)節(jié)功能，使溫度到達(dá)設(shè)定溫度。功能如下： 根據(jù)給定的溫度，調(diào)節(jié)硅碳棒的控制電壓，從而調(diào)節(jié)溫度，實(shí)現(xiàn)溫度的閉環(huán)控制。所以本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是十分必要的。只要 PID 參數(shù)選取的正確，對(duì)于一個(gè)確定的受控系統(tǒng)，其控制精度比較令人滿意。由于 PID 控制器模型中考慮了系統(tǒng)的誤差，誤差變化以及誤差積累三個(gè)因素，因此其控制性能一定優(yōu)越于定值開(kāi)關(guān)控溫法。這種開(kāi)關(guān)控溫方法較簡(jiǎn)單，是當(dāng)系統(tǒng)溫度上升至設(shè)定點(diǎn)時(shí)就關(guān)斷電源，當(dāng)系統(tǒng)溫度下降至設(shè)定點(diǎn)時(shí)就開(kāi)通電源，因而無(wú)法克服溫度變化過(guò)程的滯后性，導(dǎo)致系統(tǒng)溫度波動(dòng)大，控制精度低，不適于高精度溫度控制。 本次研究的硅碳棒電加熱溫度控制器的關(guān)鍵在于溫度控制器的控溫方面，采用PID控制方式。使用硅碳棒加熱既方便，又安全可靠。 硅碳棒的使用溫度高，又具有耐高溫、抗氧化、耐腐蝕、升溫快、壽命長(zhǎng)、高溫變形小等特點(diǎn)，同時(shí)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。硅碳棒電加熱溫度控制器的設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)目錄摘要 １第一章 前言 ５ 本文研究的目的和意義 ５ 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能 ５ 設(shè)計(jì)的要求與方案 ６第二章 總體設(shè)計(jì)分析 ７ 組成框圖 ７ 主要功能模塊的簡(jiǎn)介 ７ 傳感器溫度采集 ７ 溫度設(shè)置 ８ LCD液晶顯示 ８ 溫度控制 ８第三章 硬件設(shè)計(jì) １０ 主控系統(tǒng) １０ STC12C5A60S2單片機(jī)簡(jiǎn)介 １０ 最小應(yīng)用系統(tǒng)模塊 １２ 傳感器溫度采集模塊 １４ 器件選型與簡(jiǎn)介 １４ 整個(gè)模塊設(shè)計(jì)與分析 １７ １９ LCD液晶顯示模塊 １９ 器件選型與簡(jiǎn)介 １９ 整個(gè)模塊設(shè)計(jì)與分析 ２５ 溫度控制模塊 ２６ 光耦器件選型與簡(jiǎn)介 ２６ 可控硅器件選型及簡(jiǎn)介 ２６ 整個(gè)模塊設(shè)計(jì)與分析 ２７第四章 軟件設(shè)計(jì) ２９ 主程序設(shè)計(jì) ２９ 子程序部分 ３１ A/D轉(zhuǎn)換程序 ３１ 溫度設(shè)置程序 ３９ LCD顯示程序 ４１ PID溫度控制程序 ４５結(jié)束語(yǔ) ４９1 設(shè)計(jì)歷程 ４９2 設(shè)計(jì)特點(diǎn) ４９3 存在的問(wèn)題和改進(jìn) ５０4 展望和體會(huì) ５０致謝 ５１參考文獻(xiàn) ５２附錄1（電路原理圖及PCB圖） ５３附錄2（部分程序） ５５第一章 前言 本文研究的目的和意義 溫度是日常生活中的重要參數(shù)。對(duì)溫度的控制效果將直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量及其使用壽命，因此，溫度控制成為各個(gè)領(lǐng)域中的一項(xiàng)很關(guān)鍵的技術(shù)，研究高性能的溫度控制器具有重要意義。與自動(dòng)化電控系統(tǒng)配套，還可得到精確的恒定溫度，又可根據(jù)需要按曲線自動(dòng)調(diào)溫?，F(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各類加熱設(shè)備的電加熱元件。這是由于傳統(tǒng)的定值開(kāi)關(guān)溫度控制法通過(guò)硬件電路或者軟件計(jì)算判別當(dāng)前溫度值與設(shè)定溫度值之間的關(guān)系，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)加熱源進(jìn)行通斷控制。PID控制器中引入了參數(shù)整定和自適應(yīng)控制理論，其具有算法簡(jiǎn)單，可靠性高等特點(diǎn)。采用此方法實(shí)現(xiàn)的溫度控制器，其控制品質(zhì)的好壞主要取決于三個(gè)PID 參數(shù)，即比例值，積分值，微分值。 硅碳棒電加熱溫度控制器的可靠性高、精度高、操作簡(jiǎn)單、功耗低、成本低。 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能 設(shè)計(jì)基于STC12C5A60S2單片機(jī)的硅碳棒電加熱溫度控制器，用于控制溫度。溫度通過(guò)通訊方式傳入系統(tǒng)，硅碳棒電源電壓為220V，功率為10kw，溫度調(diào)節(jié)范圍在0～1300度，測(cè)量精度為1%。 設(shè)計(jì)的要求與方案 所設(shè)計(jì)的硅碳棒電加熱控制器應(yīng)具有以下功能：(1) 溫度采集：此部分是使用型號(hào)為WRP130的鉑銠10鉑熱電偶為測(cè)溫元件，再將其輸出電壓經(jīng)過(guò)處理變送再經(jīng)過(guò)電壓跟隨后，與STC12C5A60S2單片機(jī)中的A/D轉(zhuǎn)換相配合，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)初始溫度的采集；(2溫度設(shè)置：此部分依靠四個(gè)撥盤(pán)與單片機(jī)配合實(shí)現(xiàn)對(duì)最終溫度的設(shè)置；(3)LCD液晶顯示部分：采用FYD128640402B液晶顯示模塊，對(duì)溫度采集所得溫度以及設(shè)定溫度進(jìn)行顯示；(4)溫度控制部分：此部分首先采用過(guò)零觸發(fā)雙硅輸出光耦MOC3061實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)及可控硅溫度控制器的隔離功能；然后采用雙向可控硅MAC97A6構(gòu)成過(guò)零比較電路，與單片機(jī)配合，運(yùn)用PID控制方式來(lái)控制正弦波導(dǎo)通的周期個(gè)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制功能。其次由傳感器溫度采集電路，溫度設(shè)置電路，LCD液晶顯示電路以及溫度控制電路組成。利用其感溫效應(yīng)，把隨被測(cè)溫度變化的電壓采集過(guò)來(lái)，將其經(jīng)變送過(guò)后的信號(hào)送入電壓跟隨器后，傳入STC12C5A60S2單片機(jī)中進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)由模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，再利用STC12C5A60S2單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，從而采集得到溫度。其中S1與單片機(jī)的一個(gè)I/O口連接，用軟件編程，使其每按一下溫度增加1度；S2也與單片機(jī)的一個(gè)I/O口連接，用軟件編程，使其每按一下溫度增加10度；S3也與單片機(jī)的一個(gè)的I/O口連接，用軟件編程，使其每按一下溫度增加100度；S4也與單片機(jī)的一個(gè)I/O口連接，用軟件編程，使其每按一下溫度增加1000度。在本系統(tǒng)中，利用該模塊與單片機(jī)進(jìn)行相連，對(duì)其進(jìn)行編程使用，用來(lái)顯示溫度采集所得溫度以及溫度設(shè)置給定的四位數(shù)的溫度。在本系統(tǒng)中是通過(guò)控制可控硅管的正弦波導(dǎo)通的周期個(gè)數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)輸出功率。一般由三部分組成：光的發(fā)射，光的接收及信號(hào)的放大。這就完成了電光電的轉(zhuǎn)換，從而起到對(duì)輸入、輸出電信號(hào)的良好隔離的作用。又因?yàn)楸鞠到y(tǒng)電路需要進(jìn)行過(guò)零檢測(cè)，而過(guò)零觸發(fā)雙硅輸出光耦MOC3061自帶過(guò)零檢測(cè)的功能，所以被選為本系統(tǒng)的光耦元件，用其對(duì)單片機(jī)和可控硅溫度控制電路進(jìn)行隔離。與單片機(jī)結(jié)合，軟件部分采用PID控制方法對(duì)溫度進(jìn)行控制，由于其算法簡(jiǎn)單，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用，尤其是適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)，其中數(shù)字PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)可以在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)在線整定，因此具有較大的靈活性。 主控系統(tǒng) STC12C5A60S2單片機(jī)簡(jiǎn)介 STC12C5A60S2/AD/PWM單片機(jī)是STC生產(chǎn)的單時(shí)鐘機(jī)器周期（1T）的單片機(jī)，是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051，但是速度卻快812倍。1. 增強(qiáng)型的8051CPU，1T，單時(shí)鐘機(jī)器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的80512. 工作電壓： （5V單片機(jī)）3. 工作頻率范圍：0 35MHz，相當(dāng)于普通8051的0 420MHz4. 工作溫度范圍：－40 ~ +85度（工業(yè)級(jí)）/ 0 ~ 75度（商業(yè)級(jí)）5. 用戶應(yīng)用程序空間 8K/16K/20K/32K/40K/48K/52K/60K/62K字節(jié)……6. 片上集成了1280字節(jié)RAM7. A/D轉(zhuǎn)換，10位精度ADC，共八路，轉(zhuǎn)換速度可達(dá)250K/S（每秒鐘25萬(wàn)次）8. 時(shí)鐘源：外部高精度晶體/時(shí)鐘，內(nèi)部R/C振蕩器（溫漂為+/_5 ~ +/_10%以內(nèi)） 用戶在下載用戶程序時(shí)，可選擇是使用內(nèi)部R/C振蕩器或是外部晶體/時(shí)鐘 在常溫下，內(nèi)部R/C振蕩器頻率為：11MHz ~ 17MHz 精度要求不高時(shí)，可選擇使用內(nèi)部時(shí)鐘，但因?yàn)橛兄圃煺`差和溫漂，所以以實(shí)際測(cè)試為 準(zhǔn)9. 內(nèi)部集成了MAX810專用復(fù)位電路(外部晶體12M以下時(shí)，復(fù)位腳可直接1K電阻到地）10. 有EEPROM功能11. 看門(mén)狗12. 通用I/O口（36/40/44個(gè)），復(fù)位后為：準(zhǔn)雙向口、弱上拉（普通8051傳統(tǒng)的I/O口）可以設(shè)置成四種模式：準(zhǔn)雙向口/弱上拉，強(qiáng)推免/強(qiáng)上拉，僅為輸入/高阻，開(kāi)漏。 ▲ STC12C5A60S2引腳圖 最小應(yīng)用系統(tǒng)模塊 目前的單片機(jī)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)只能夠仿真單片機(jī)，卻沒(méi)有給用戶提供一個(gè)通用的系統(tǒng)。其基本的應(yīng)用特點(diǎn)包括以下幾點(diǎn)：（1） 全部I/O口線均可供用戶使用；（2） 內(nèi)部存儲(chǔ)器容量有限；（3） 應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)具有特殊性。時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作所必須的時(shí)鐘控制信號(hào)，內(nèi)部電路在時(shí)鐘信號(hào)的控制下，嚴(yán)格地按照時(shí)序指令工作。這兩個(gè)引腳跨接石英振蕩器和微調(diào)電容，這就構(gòu)成了一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。 復(fù)位電路是單片機(jī)的一個(gè)重要的工作方式，該電路一般是由外部的復(fù)位電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。復(fù)位電路通常用這幾種方式，包括上電自動(dòng)復(fù)位、按鍵電平復(fù)位以及系統(tǒng)復(fù)位這三種方式。R5和C3構(gòu)成的微分電路，在接電的瞬間產(chǎn)生一個(gè)微分脈沖，其寬度大于兩個(gè)機(jī)器周期，則單片機(jī)復(fù)位。 傳感器溫度采集模塊 器件選型與簡(jiǎn)介本系統(tǒng)測(cè)量的溫度范圍較廣，所以選用了熱電偶，其是利用熱電效應(yīng)制成的溫度傳感器。從理論上講，任何兩種不同導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）都可以配制成熱電偶，但是作為實(shí)用的測(cè)溫元件，應(yīng)該具有以下特性：（1） 在測(cè)溫范圍之內(nèi)，熱電性質(zhì)穩(wěn)定，不隨時(shí)間而變化，有足夠的物理化學(xué)穩(wěn)定性，不易氧化或腐蝕；（2） 電阻溫度系數(shù)小，導(dǎo)電率高，比熱??；（3） 測(cè)溫中產(chǎn)生熱電勢(shì)要大，并且熱電勢(shì)與溫度之間呈線性或者接近線性的單值函數(shù)關(guān)系；（4） 材料復(fù)制性好，機(jī)械強(qiáng)度高，制造工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。其正極（SP）的化學(xué)成分為鉑銠合金，其中含銠為10%，含鉑為90%，負(fù)極（SN）為純鉑，故俗稱單鉑銠熱電偶。它的物理及化學(xué)性能良好，熱電勢(shì)穩(wěn)定性高，且在高溫下抗氧化性能好，適用于氧化性和惰性氣氛中，具有優(yōu)良的綜合性能。本系統(tǒng)中所選的鉑銠10鉑熱電偶是將硅碳棒的溫度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的信號(hào)轉(zhuǎn)換元件。將該0~5V的電壓信號(hào)，送給一個(gè)電壓跟隨器，它的作用就是對(duì)信號(hào)進(jìn)行隔離，改變輸入輸出電阻值，使得阻抗得到匹配。電壓跟隨器采用的是：HA17358運(yùn)放芯片，為單電源運(yùn)放，且其使用寬電源電壓范圍和單功率電源電壓，寬共模電壓和提供具有一個(gè)0V輸入和0V輸出的可能操作，頻率特性和輸入偏置電流是溫度補(bǔ)償?shù)?。在主控系統(tǒng)中，我們選取STC12C5A60S2單片機(jī)，而STC12C5A60S2單片機(jī)又是自帶A/D轉(zhuǎn)換的，所以我們不用再另外選取A/D轉(zhuǎn)換器。STC12C5A60S2單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換口在P1口（ ），有8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速度可達(dá)250K/S（每秒鐘25萬(wàn)次）。 ▲ ADC結(jié)構(gòu)圖 ，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器格式如下：ADC_B9ADC_B8ADC_B7ADC_B6ADC_B5ADC_B4 ADC_B3ADC_B2 ADC_RES[7:0] ADC_B1ADC_B0 ADC_RES[1:0]，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器格式如下： ADC_RES[1:0] ADC_B9ADC_B8 ADC_B7 ADC_B6 ADC_B5ADC_B4ADC_B3ADC_B2ADC_B1ADC_B0 ADC_RES[7:0] STC12C5A60S2單片機(jī)的ADC由多路選擇開(kāi)關(guān)，比較器，逐層比較寄存器，10位DAC，轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器（ADC_RES和ADC_RESL）及ADC_CONTR構(gòu)成。逐層比較型的ADC是由一個(gè)比較器和D/A轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的，通過(guò)逐層比較，從最高位（MSB）開(kāi)始，順序地對(duì)每一個(gè)輸入電壓與內(nèi)置的D/A轉(zhuǎn)換器輸出進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)多次的比較，使得轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量逐次逼近輸入模擬量的對(duì)應(yīng)值。，通過(guò)模擬多路開(kāi)關(guān)，將通過(guò)ADC 0~7的