电阻炉设计方案

1 电阻炉 设计方案 从 20世纪 20年代开始，电阻炉就在工业上得到使用。随着科学技术的发展，电阻炉被广泛的应用在冶金、机械、石油化工、电力等工业生产中，在很多生产过程中，温度的测量和控制与生产安全、生产效率、产品质量、能源节约等重大技术经济指标紧紧相连。因此各个领域对电阻炉温度控制的精度、稳定性、可靠性等要求也越来越高，温度测控制技术也成为现代科技发展中的一项重要技术。 温度控制技术发展经历了三个阶段： l、定值开关控制； 2、 3、智能控制。定值开关控制方法的原理是若所测温度比设定温度低，则开启控制开关加热，反之则关断控制开关。其控温方法简单，没有考虑温度变化的滞后性、惯性，导致系统控制精度低、超调量大、震荡明显。 、 I、 D 三个参数。 制效果良好，但对于控制大滞后、大惯性、时变性温度系统，控制品质难以保证。电阻炉是由电阻丝加热升温，靠自然冷却降温，当电阻炉温度超调时无法靠控制手段降温，因而电阻炉温度控制具有非线性、滞后性、惯性、不确定性等特点。目前国内成熟的电阻炉温度测控系 统以 对于大型工业电阻炉就难以保证电阻炉控制系统的精度、稳定性等。智能控制是一类无需人的干预就能独立驱动智能机械而实现其目标的自动控制，随着科学技术和控制理论的发展，国外的温度测控系统发展迅速，实现对温度的智能控制。应用广泛的温度智能控制的方法有模糊控 2 制、神经网络控制、专家系统等，具有自适应、自学习、自协调等能力，保证了控制系统的控制精度、抗干扰能力、稳定性等性能。比较而言，国外温度控制系统的性能要明显优于国内，其根本原因就是控制算法的不同。 本 文的研究，以电阻炉为控制对象，以单片机 计一种新型的温度测控系统，使其具有硬件电路简单、系统性能优良等优点。 内外温度控制系统的发展与现状 国外先进国家设计的各种温度控制自动化水平较高，装备有完善的检测仪表和计算机控制系统。其计算机控制系统已采用集散系统和分布式系统的形式，大部分配有先进的控制算法，能够获得较好的工艺性能指标。而国内大多数采用仪表控温，由于控制设备精度低，使产品质量受到很大影响。很多企业由于种种原因，尚无能力购置先进的温度自动控制系统。 随着国内外工业 的日益发展，温度检测技术也有了不断的进步。温度测量系统主要由两部分组成，一部分是传感器，它将温度信号转换为电信号。另一部分是电子装置，它主要完成对信号的接收、处理、对测点进行控制、温度显示等功能。对应于不同的温度段及测量精度要求，测温装置也不尽相同，从传感器方面看，已出现有各种金属材料、非金属材料、半导体材料制成的传感器，也有红外传感器。仪器本身也趋向小型化，多采用集成度较高的芯片或元件组成电路。对于测点较多，并具有报警、巡测、控制等多功能测温装置，一般采用单片机电路。目前的温度检测技术原理很多，大致包括以 下几种 :(1)物体热胀冷缩原理 (2)热电效应 (3)热阻效应 (4)利热辐射原理。 传统的温度传感器 (如 ,热电偶、铂电阻、双金属开关等 )虽然有着各自不可替代的优点 ,但由于自身因自热效应影响了测量精度 ,从而制约了它们在微型化高端电子产品中的应用。与之相比较 ,半导体温度传感器具有灵敏度高、体积小、功耗低、时间常数小、自热温升小、抗干扰能力强等诸多优点 ,无论是电压、电流还是频率输出 ,在相当大的温度范围内 ( - 55 150 )都与温度成线性关系 ,适合在集成电路系统中应用。目前 ,半导体温度传感器工作的温度范围还限于 - 50 150 。未来主要的研究方向将是如何扩大它的温度适用范围 ,以及智能化、网络化等方面。 近年来，在温度检测技术领域中，多种新的检测原理与技术的开发应用己取得了具有实用性的重大进展。新一代温度检测元件正在不断出现和完善化，主要包括以下几种。 (1)晶体管温度检测元件 (2)集成电路温度检测元件 (3)核磁共振温度检测器 (4)热噪声温度检测器 (5)石英晶体温度检测器 (6)光纤温度检测 3 器 (7)激光温度检测器。 目前国内外的温度控制方式越来越趋向于智能化，温度测量首先是由温度传感器来实现的。测温仪器由温度传感器 和信号处理两部分组成。温度测量的过程就是通过温度传感器将被测对象的温度值转换成电的或其它形式的信号 ,传递给信号处理电路进行信号处理转换成温度值显示出来。温度传感器随着温度变化而引起变化的物理参数有 : 膨胀、电阻、电容、热电动势 ,磁性能、频率、光学特性及热噪声等等。随着生产的发展 ,新型温度传感器还会不断出现 ,目前 ,国内外通用的温度传感器及测温仪大致有以下几种 : 热膨胀式温度计、电阻温度计、热电偶、辐射式测温仪表、石英温度传感器测温仪。 目前市场上大致有 3 类温度控制系统分别是：单片机温度控制系统、嵌入式温度控制 系统、基于 温度控制系统。它们有各自的优点与缺点，我们可以根据具体要求进行选择。 单片机温度自动控制系统中，材料温度由热电阻测量，信号通过放大器放大，毫伏信号放大后由 A/D 转换成相应的数字量，再通过光电耦合器，进入主机电路。由主机进行数据处理，判断分析，再输出数字控制量，去控制加热功率，从而实现对温度的控制。同时，超过上下限时进行自动报警，控制中自动显示温度值。 基于 测控系统主要由测温器件、 处理器、键盘及显示单元组成。测温器件是用作温度的采集。 处理器是系统的核心部分，它用来控制整个系统的工作流程。整个系统的硬件部分分为五个部分，即电路部分、检测电路部分、控制及显示电路部分以及输出控制。系统工作原理为 处理器向传感器发出信号，启动温度传感器采集温度数据，温度传感器采集完一次数据后，将模拟量转换为 理器能识别的数值信号。 处理器实时扫描进行数据的采集，对采集到的信号进行处理。 基于 温度控制系统通过合理地搭建 入式平台，采用 整定算法，与常规 制算法比较，使被控对象的温度波动大幅度减小，具有响应时间短、超调量小、控制精度高、稳定性好、智能化等优点。在进行软硬件调试的基础上，应用于热电系数测量仪中，经测试，此控制系统工作稳定可靠，满足了系统温度控制精度要求，具有较高的实用价值。 市场上大多数的温度自动控制系统是基于单片机或 列芯片来设计的。对比这两种设计，基于单片机的温度自动控制系统的使用更方便，价格低廉，易于实现，因此受到广泛使用。 4 度控制系统在国内外的应用实例 通过网上查询，翻阅图书了解到目前国内外市场单片机为核心的温度控制系 统很多，而且方便灵活，且应用面比较广，可用于工业上的加热炉、热处理炉，在生活中的应用也比较广泛，如热水器，室温控制，农业中的大棚温度控制。以上出现的温度控制系统产品，根据其系统组成、使用技术、功能特点、技术指标。选出其中具有代表性的几种如下： （ 1）虚拟仪器温室大棚温度控制系统在农业应用方面 虚拟仪器大棚温度控制系统是一种比较智能，经济的方案，适用于大力推广，该系统能够对大棚内的温度进行采集，然后再进行比较，通过比较对大棚内的温度是否超过温度限制进行分析，如果超过温度限制，温度报警系统进行报警，来通知管理员 。 （ 2）电烤箱温度控制系统 该方案采用美国 司生产的 超低功耗 16 位单片机 过热电偶监测系统温度，用集成传感器 为温度测量器件利用该芯片内置的比较器完成高精度 号采样，根据温度的变化情况，通过单片机编写闭环算法，从而成功地实现了对温度控制的测量和自动控制功能。其温度范围较低，大概在 0有精度高，相应速度开等特点。 （ 3）小型热水炉温度控制系统 该系统解决了北方冬季分散取暖采用人工定时烧水供热耗煤量大，浪费人力温度变化大的问题。设计方案硬件方面采用 列 8031 单片机为核心，扩展程序存储器 2732， 度检测元件测量环境温度和供水温度，行模数转换，同向驱动器 7407 光电耦合器及 9103 的功放完成对点击的控制。软件方面建立了供暖系统的控制系统数学模型。本系统的硬件电路简单，程序易于实现。它可用于一台或多台小型取暖热水锅炉的温度控制，可是居室温度基本恒定，节煤节电省人力。 （ 4）单片机控制电阻炉温度系统 该系统由 8098 单片机 ,2764/6264 存贮器 , 8279 键盘显示 , 打、双向晶闸管过零触发控制 , 掉电检测与保护 , 故障声光报警、自动与手动转换等电路组成。控制回路采用 积分分离增量式 法。系统具有结构先进合理、功能完善、控制精度高、杭干扰能力强、通用性好、价格低 , 使用方便等特点 , 具有很好的社会经济效益。 (5）单片机在水温控制中的应用 传统的公众浴室采用双回路冷热水分开供给的系统 , 使用中需经常调节阀门 , 阀门损坏率较高。应用单片机技术对浴室水温进行自动控制 , 水温可人工 5 或自动设定 , 这对传统的浴室供水系统是一种突破。电路大量采用新型集成电路 , 提高了系统的可靠性。 (6)电阻炉温度单片机控制系统 该系统把二端式半导体集成温度传感器 于一个封闭严密的箱内的中心位置 , 通过 单片机 口 , 控制电阻。因此 , 系统应具有对工业现场数据进行采集、处理的功能。 温度控制系统模型 单片机应用系统的硬件电路设计就是为本单片机温控系统选择合适的、最优的系统配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、打印机、 A/计合适的接口电路等。系统设 计应本着以下原则： (1) 尽可能选择典型电路，并符合单片机常规用法。本设计采用了典型的显示电路、 A/硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础。 (2) 硬件结构应结合应用软件考虑。软件能实现的功能尽可能由软件实现，以简化硬件结构。由软件实现的硬件功能，一般响应时间比硬件实现长，且占用 间。由于本设计的响应时间要求不高，所以有一些功能可以用软件编程实现，如键盘的去抖动问题。 (3) 系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配。系统中所有芯片都应尽可能选择低功耗产品。 6 第 2章 系统总体方案设计 本设计要实现对电阻炉温度的检测与控制，本系统由单片机 换器及报警电路、显示电路、温度控制电路等部分组成， 本系统功能由硬件和软件两大部分协调完成 ,硬件部分主要完成传感器信号的采集处理 ,信息的显示等 ;软件主要完成对采集的温度信号进行处理及显示控制等功能。系统结构框图如图 2示： 图 2统结构框图 在系统中，利用 测得的电压信号经过转换成与炉温相对应的数字信号进入单片机，单片机进行数据处理后，通过 晶显示器显示温度并判断是否报警，同时将温度与设定温度比较，由设定的控制算法计算出控制量，根据控制量通过控制固态继电器的导通和关闭从而控制电阻丝的导通时间，以实现对炉温的控制。电阻炉内温度小于 280 度电阻丝全速加热 ,超过 300度则进入降温 ,以使温度控制在 280 液晶显示 片机 传感器 A/电 阻 炉 报警电路 温度控制 7 第 3章 硬件设计 单片机应用系统的硬件电路设计就是为本单片机温控系统选择合适的、最优的系统配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、打印机、设计合适的接口电路等。系统设计应本着以下原则： (1) 尽可能选择典型电路，并符合单片机常规用法。本设计采用了典型的显示电路，为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础。 (2) 硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。软件能实现的功能尽可能由软件实现，以简化硬件结构。由软件实现的硬件功能，一般响应时间比硬件实现长，且占用 间。由于本设计的响应时间要求不高，所以有一些功能可以用软件编程实现，如键盘的去抖动问题。 (3) 系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配。系统中所有芯片都应尽可能选择低功耗产品。 本系统的硬件电路主要包括模拟部分和数字部分，从功能模块上来分有主机电路、数据采集电路、键盘显示电路、控制执行电路。系统硬件包括：温度传感器、 盘输入、 度控制电路。 一种带 4K 字节 储器 （ 低电压、高性能 位微处理器，俗称 单片机 。 一种带 2K 字节闪存可编程可擦除 只读存储器 的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 1000 次。该器件采用 密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 闪烁存储器组合在单个芯片中， 它的一种精简版本。 片机为很多 嵌入式控制系统 提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图 3示 : 8 图 3脚图 电电压。 地。 ： 为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8电流。当 的管脚第一次写 1 时，被定义为 高阻 输入。 够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据 /地址的低八位。在 程时， 作为原码输入口，当 行校验时， 出原码，此时 部必须接上拉电阻。 ： 是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， 缓冲器能接收输出 4电流。 管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入，被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 ： 为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， 缓冲器可接收，输出 4 个 电流，当 被写“ 1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作 为输入时， 的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。 当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时， 输出地址的高八位。在给出地址“ 1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时， 输出其特殊功能寄存器的内容。 ： 管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个 9 电流。当 写入“ 1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平， 将输出电流（ 是由于上拉的缘故。 一些特殊功能管脚备选功能 行输入口） 行输出口） 部中断 0） 部中断 1） 0（记时器 0外部输入） 1（记时器 1外部输入） 部数据存储器写选通） 部数据存储器读选通） 位输入。当振荡器复位器件时，要保持 两个机器周期的高电平时间。 访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在 程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时， 以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 冲。如想禁止 输出可在 址上置 0。此时， 有在执行 令是 起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态 位无效。 /部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次 /效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的 /号将不出现。 / /持低电平时，则在此期间外部程序存储器（ 0000不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1 时， /内部锁定为 /保持高电平时，此间内部程序存储器。在 程期间，此引脚也用于施加 12V 编程电源（ 向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 自反向振荡器的输出。 振荡器特性： 别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件， 10 不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 芯片擦除： 整个 列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持 脚处于低电平 10完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“ 1”且 在 任 何 非 空 存 储 字 节 被 重 复 编 程 以 前 ， 该 操 作 必 须 被 执 行 。 此外， 有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下， 止工作。但 时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存 内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。 复位电路的设计 复位使单片机处于起始状态，并从该起始状态开始运行。 引脚连续保持 2 个机器周期（ 24 个时钟振动周期）以上高电平，则可使单片机复位。内部复位电路在每一个机器周期的 间采样斯密特触发器的输出端，该触发器可抑制 脚的噪声干扰，并在复位期间不产生 号，内部 于不断电状态。其中的数据信息不会丢失，也即复位后，只影响 的内容，内部 的数据不受影响。外部复位有上电复位和按键电平复位。由于单片机运行过程中，其本身的干扰或外界干扰会导致出错，此时我们可按复位键重新开始运行。为了便于本设计运行调试，复位电路采用按键复位方式。按键复位电路如图 图 3 11 随着数字电子技术的迅速发展，各种数字设备，特别是数字电子计算机的应用日益广泛，几乎渗透到国民经济的所有领域之中。数字计算机只能够对数字信号进行处理，处理的结果还是数字量，它在用于生产过程自动控制的时候，所要处理的变量往往是连续变化的物理量，如温度、压力、速度等都是模拟量，这些非电子信号的模拟量先要经过传感器变成电压或者电流信号， 然后再转换成数字量，才能够送往计算机进行处理。 模拟量转换成数字量的过程被称为模数转换，简称 A/D(换；完成模数转换的电路被称为 A/D 转换器，简称 数字量转换成模拟量的过程称为数模转换， 简称D/A(换；完成数模转换的电路称为 D/A 转换器，简称模拟信号由传感器转换为电信号，经放大送入 换器转换为数字量，由数字电路进行处理，再由 换 器还原为模拟量，去驱动执行部件。为了保证数据处理结果的准确性， 换器和换器必须有足够的转换精度。同时，为了适应快速过程的控制和检测的需要， 换器和 换器还必须有足够快的转换速度。因此，转换精度和转换速度乃是衡量 换器和 分辨率 (指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量， 定义为满刻度与 2n 的比值。分辨率又称精度，通常以数字信号的位数来表示。 转换速率 (指完成一次从模拟转换到数字的 时间的倒数。 积分型 转换时间是毫秒级属低速 次比较型 微秒级属中速并行 /串并行型 采样时间则是另外一个概念，是指两次转换的间隔。为了保证转换的正确完成，采样速率 (须小于或等于转换速率。因此有人习惯上将转换速率在数值上等同于采样速率也是可以接受的。常用单位是 示每 秒采样千 /百万次（ 量化误差 ( 由于 有限分辨率 D（理想 转移特性曲线（直线）之间的最大偏差。通常是 1个或半个最小数字量的模拟变化量，表示为 11/2 偏移误差 ( 12 输入信号为零时输出信号不为零的值，可外接电位器调至最小。 满刻度误差 ( 满度输出时对应的输入信号与理想输入信号值之差。 线性度 ( 实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移，不包括以上三种误差。 其他指标还有：绝对精 度 (，相对精度 (微分非线性，单调性和无错码，总谐波失真（ 积分非线性。 位的、以逐次逼近原理进行模 /数转换的器件。其内部有一个 8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行 A/ 能基本相同。一般在硬件仿真时采用 行 A/际使用时采用。 图 3脚图 13 (1)内部结构 片型逐次逼近式 A/有 8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、 8位开关树型 A/ (2)引脚功能（外部特性） 8条引脚，采用双列直插式封装，如右图所示。各引脚功能如下： 1 5和 26 28（ 8路模拟量输入端。 8、 14、 15和 17 21： 8位数字量输出端。 22（ 地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 6（ A/D 转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少 100其启动（脉冲上升沿使 0809复位，下降沿启动 A/ 7（ A/D 转换结束信号，输出，当 A/端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。 9（ 数据输出允许信号，输入，高电平有效。当 A/端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。 10（ 时钟脉冲 输入端。要求时钟频率不高于 640 12（ +）和 16（ -）：参考电压输入端 11（ 主电源输入端。 13（ 地。 23 25（ 3位地址输入线，用于选通 8路模拟输入中的一路 单片机与 口设计如图 3 14 图 3片机与 口图 3 传感器的定义是：“能感受规定的被测量件并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。 (1)传感器按照其用途分类 压力敏和 力敏传感器 ； 位置传感器 ； 液位传感器 ；能耗 传感器 ； 速度传感器 ； 加速度传感器 ； 射线辐射传感器； 热敏传感器。 4(2)传感器按照其原理分类 振动传感器 湿敏传感器 磁敏传感器 气敏传感器 真空度传感器 生物传感器等。 15 (3)传感器按照其输出信号为标准分类 模拟传感器 将被测量的非电学量转换成模拟电信号。 数字传感器 将被测量的非电学量转换成数字输出信号 (包括直接和间接转换 )。 膺数字传感器 将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号的输出 (包括直接或间接转换 )。 开关传感器 当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时，传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。 当 我们在做系统设计的时候，选用产品是一个重要组成部分。拿传感器来说，一个好的产品，可以给后期工作带来很多方便。传感器种类很多，我们该怎么选择呢？那些参数都是什么意思？ 一、根据测量对象和环境确定类型 首先，认真分析测量工作，考虑采用哪种原理的传感器进行测量，因为即使测量同一物理量，也可以通过不同的原理实现。其次就得考虑量程、体积（空间是否足够）、安装方式、信号类型（模拟还是数字信号）、测量方式（直接测量还是间接测量）等等。 二、精度 传感器的精度等级关乎到整个系统精度，是一个非常重要的参数。一般，精度越高，价格越贵。所以我们选择的时候，得从整体考虑，适合自己的才是最好的，不要一味追求所谓的高精度，除非在需要定量测量精确值的场合，我们才选用精度等级高些的传感器。 三、灵敏度的选择 灵敏度指输出量的增量与相应的输入量增量之比。我们得正确认识该参数，它分为两方面： 1、在线性范围内，灵敏度高，输出信号值比较大，这是优点。 2、灵敏度高，与测量无关的外界噪声也容易混入，在处理过程中，影响精度。 四、线性范围 16 线形范围是指输出与输入成正比的范围，所以我们都希望线性范围越宽越好，线性范围越宽，量程就大，精度就高。但是任何传感器的线性范围都是相对的。我们只需要把测量量估算好，以便在线性范围内。 五、频率响应特性 在测量过程中，传感器的输出总有一定的延迟，跟实际值也有一定的差别。所以我们希望频率响应快一点，这样延迟时间就短一点。但由于受到结构等特性的影响，频率也难以提高。 六、稳定性 稳定性指使用时间长了以后，其性能还能维持不变的能力。影响稳定性的因素除自身原因外，主要是环境因素。因此，选用的传感器要具有较强的环境适应 能力，适当的时候还得采取保护措施。 通过温度传感器检测当前电炉的电压值，经过 A|过单片机的处理在 键用来设定想要控制的温度值的上下限，单片机在内部通过比较设定的温度和当前的温度，当前温度小于温度下限时，电阻丝会加热，当温度达到设定的上限值时，报警器报警，温度开始下降，以保持在上下限之间。 此次设计应该选用热电偶，热电偶是工程上应用最广泛的温度传感器，它具有构造简单、使用方便、准确度高、稳定性好、温度测量范围 宽等特点，在温度测量中占有很重要的地位。热电偶的类型有多种，在测量高温时通常使用的有镍铬一镍硅 (、铂铑一铂 (、镍铬一铜镍 (三种热电偶，在本设计中选用的是镍铬一铜镍 度范围： 800，精度等级分两级一级误差 二级误差 其特点是热电势大，热电势率高，灵敏度最高。故选择这种热电偶。 17 3 4键盘和显示电路的设计 键盘和显示电路实现了人机交互功能，通过键盘电路可以设置系统运行状态和系统参数，显示电路可以显示系统的运行状态、设定温度、实际温度等。 3 根据硬件连接方式的不同，键盘可以分为独立式键盘和矩阵式键盘。独立式键盘是指各按键相互独立，每个按键分别与单片机的 I 常每根输入线上按键的工作状态不会影响其他输入线的工作状态，通过检测输入线的电平就可以很容易地判断哪个按键被按下了。独立式键盘电路配置灵活，软件简单，但在按键数较多时就会占用大量的输入口线，该设计方法只适用于按键较少或操作速度较高的场合。矩阵式键盘适用于按键数量多的场合，它通常由行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上。单片机的键盘检测通常 有三种方式：查询、中断、定时扫描。查询和中断方式同普通的 I 时扫描方式是利用单片机内部定时器产生定时中断，在中断服务程序中对键盘进行扫描获得键值。 在本设计中采用的是独立键组成的键盘，其电路图如图 3路中共 5个按键，包括设置键、 4个温度参数设置键。通过设置温度键来进入调节状态，进行温度上限限值的调节，再按一下设置键，系统则进入工作状态。电阻炉开始工作。 图 3盘与单片机接口 18 3 4 2显示电路的设计 在单片机应用系统中使用的显示器主要有发光二极管显示器（ 液晶显示器（ 由于 能实现温度值及其单位“”的理想表示，并且接占用较多的单片机 I/O 口，此外多位 态扫描占用 理时间，因此本方案中选择 1602液晶也叫 1602 字符型液晶它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的 点阵 型液晶模块它有若干个 5点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。每位之间有一个点距的间隔每行之间也有间隔起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以他不能显示图形 1602采用标准的 16脚接口，其中： 第 1脚： 第 2脚： 第 3 脚： 液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会 产生“鬼影”，使用时可以通过一个 10K 的电位器调整对比度）。 第 4 脚： 寄存器选择，高电平 1 时选择数据寄存器、低电平 0 时选择指令寄存器。 第 5 脚： 读写 信号线，高电平 (1)时进行读操作，低电平 (0)时进行写操作。 第 6脚： E(或 为使能 (。 第 7 14脚： 位双向数据端。 第 15 16脚：空脚或背灯电源。 15脚背光正极， 16脚背光负极。 图 3示器与单片机接口 19 声光报警电路由单片机控制 ,输出控制信号 ,驱动声光报警电路 一个蜂鸣器 ,一个三极管组成 ,如图 3 图 3光报警电路 蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用 直流电压 供电，广泛应用于计算机 、打印机、复印机、报警器、 电子玩具 、汽车 电子设备、电话机、 定时器 等电子产品中作发声 器件 。 ；蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。蜂鸣器在 电路 中用字母“ H”或“ 旧标准用“ “ “ ）表示。 1压电式蜂鸣器 压电式蜂鸣器主要由 多谐振荡器 、压电蜂鸣片、 阻抗匹配器 及共鸣箱、外壳等组成。有的压电式蜂鸣器外壳上还装有 发光二极管 。 多谐振荡器由 晶体管 或集成电路构成。当接通 电源 后（ 5,多谐振荡器起振 ,输出 频信号 ，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。 压电蜂鸣片由锆钛酸铅或铌镁酸铅压电 陶瓷 材料制成。在陶瓷片的两面镀上银 电极 ，经极化和老化处 理后，再与黄铜片或不锈钢片粘在一起。 2电磁式蜂鸣器 电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁 线圈 、磁铁、振动膜片及外壳等组成。 接通电源后，振荡器产生的音频信号 电流 通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场 。振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声 20 （ 1）驱动设计 由于这里要介绍两种 驱动方式 的方法，所以在设计模块系统中将两种驱动方式做到一块，即程序里边不仅介绍了 出口驱动蜂鸣器的方法，还要介绍 I/O 口驱动蜂鸣器的方法。所以，我们将设计如下的一个系统来说明单片机对蜂鸣器的驱动：系统有两个他激蜂鸣器，频率都为 2000个由 I/O 口进行控制，另一个由 出口进行控制；系统还有两个按键，一个按键为 键， I/O 口控制的蜂鸣器不鸣叫时按一次按键 I/O 口控制的蜂鸣器鸣叫，再按一次停止鸣叫，另一个按键为 键， 控制的蜂鸣器不鸣叫时按一次按键 按一次停止鸣叫。 （ 2）软件设计方法 先分析一下蜂鸣器。所使用的蜂鸣器的工作频率是 2000就是说蜂鸣器的驱动信号波形周期是 500 s，由于是 1/2信号，所以一个周期内的高电平和 低电平 的时间宽度都为 250 s。软件设计上，我们将根据两种驱动方式来进行说明。 a) 出口直接驱动蜂鸣器方式 由于 控制固定频率的蜂鸣器，所以可以在程序的 系统初始化 时就对输出波形进行设置。 首先根据 出的周期宽度是 10 位数据来选择 钟。系统使用 4晶振作为主振荡器，一个 时间就是 s，若是将时钟设置为 话， 则蜂鸣器要求的波形周期 500 s 的计数值为500 s/s=（ 2000） 10=（ 716， 7 11 位的数据，而 输出周期宽度只是 10 位数据，所以选择 时钟为 不能实现蜂鸣器所要的驱动波形的。 这里我们将 时钟设置为 4样一个 时钟周期就是 1 s 了，由此可以算出 500 s 对应的计数值为 500 s/1 s=（ 500） 10=（ 16，即分别在周期寄存器的高 2 位、中 4 位和低 4 位三个寄存器中填入 1、 F 和 4，就完成了对输出周期的设置。再来设置占空比寄存器，在 出中占空比的实现是 21 通过设定一个周期内电平的宽度来实现的。当输出模式选择为普通模式时，占空比寄存器是用来设置高电平的宽度。 250 s 的宽度计数值为 250s/1 s=（ 250） 10=（ 016。只需要在占空比寄存器的高 2 位、中 4 位和低4 位中分别填入 0、 F 和 A 就可以完成对占空比的设置了，设置占空比为1/2 以后只需要打开 出， 出口自然就能输出频率为 2000空比为 1/2方波。 b) I/O 口定时翻转电平驱动蜂鸣器方式 使用 I/O 口定时翻转电平驱动蜂鸣器方式的设置比较简单，只需要对波形分析一下。由于驱动的信号刚好为周期 500 s，占空比为 1/2方波，只需要每 250 s 进行一次电平翻转，就可以得到驱动蜂鸣器的方波信号。在程序上，可以使用 定时，将 预分频设置为 /1，选择 始终为 系统时钟 (主振荡器时钟 /4)，在 载入 /计数寄存器的高 4 位和低 4 位分别写入 00H 和 06H，就能将 中断设置为 250 s。当需要I/O 口驱动的蜂鸣器鸣叫时，只需要在进入 断的时候对该 I/O 口的电平进行翻转一次，直到蜂鸣器不需要鸣叫的时候，将 I/O 口的电平设置为低电平即可。不鸣叫时将 I/O 口的输出电平设置为低电平是为了防止漏电。 22 第 4章 软件设计方案 本次单片机温控系统的功能是由硬件电路配合软件来实现的，当硬件基本定型后，软件的功能也就基本定下来了。系统的软件设计采用模块化设计，采用模块化设计可以简化系统软件的编写，使软件编写思路更加简单明了。系统软件主要由三大模块组成：主程序模块、功能实现模块和运算控制模块。主程序模块用于实现各个子程序间的跳转。功能实现模块主要由键盘处理子程序、显示子程序等部分组成。 由于系统程序比较复杂，为了便于编写、调试、修改，系统程序的编写采用了模块化的结构，整个系统包括主模块、初始化模块、温度检测模块、键盘输入模块、液晶显示模块、中断服务模块、控制算法模块、输出控制模块等几个部分，其软件总体结构图如图 4 图 4件总体结构 主程序的编写是为了实现程序在各个模块间的跳转。这样使程序编写思路更加明了，简化了程序的编写难度，有利于程序的调试。本软件系统包括温度采集模块，显示模块，键盘模块，控制模块等。主程序流程图如图 4示。 主模块 温度检测模块 输出控制模块 控制算法模块 中断服务模块 键盘输入模块 液晶显示模块 23 图 4盘子程序 键盘是人与微机打交道的主要设备，从系统监控软件的设计角度来看，仅仅通过键盘扫描，读取当前时刻的键盘状态是不够的，还有不少问题需要解决，否则，在操作键盘时就容易引起误操作和操作失控等现象。 在非编码键盘系统中，键闭合和键释放的信息的获取，键抖动的消除，键值查找及一些保护措施的实施等任务，均由软件来完成。非编码键盘的键输入程序应完成的基本任务：监测有无键按下；键的闭合与否，反映在电压上就开始 初始化 检测当前温度 显示当前温度 温度值小于或等于下限值？ Y 开始加热 N 温度大于或等于上限值？ Y 停止加热 24 是呈现出高电平或低电平，所以通过电平的高低状态的检测，便可确认按键按下与否。判断是哪个键按下。完成键处理任务。 按键的触点在闭合和断开时均会产生抖动，这时触点的逻辑电平是不稳定的，如不妥善处理，将会使按键命令的错误执行或重复执行。在这里采用软件延时的方法来避开抖动阶段，这一延时程序一般大于 5第一次 检测到有键按下时，执行一段延时子程序后，再确认电平是否仍保持闭合状态电平，如果保持闭合状态电平，则确认真正有键按下，进行相应处理工作，消除了抖动的影响。这种消除抖动影响的软件措施是切实可行的。键盘子程序流程图如图4 N Y N 图 4盘子程序流程图 程序包括显示程序、初始化程序等，显示内容包括当前温度和设定温度两个参数。程序流程图如图 4 预设温度检查 显示温度上下限 按下设置键 Y 数据加 1 上限温度加按下？ Y N 数据减 1 上限温度减按下？ Y 数据加 1 下限温度加按下？ N Y 数据减 1 下限温度减按下？ 25 图 4度采集子程序 根据 机控制 成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都要对 位成功后发送一条 后发送 样才能对 行预定的操作。复位要求主00 微秒，然后释放， 到信号后等待 16 60 微秒左右，后发出 60 240 微秒的存在低脉冲，主 图 4开始 初始化 设置扩充指令 液晶清屏 设置字符移劢方向 打开显示开关 设置字符显示坐标 代入数据 显示温度 结束 A/开始 显示温度 26 本系统是一个典程的线性也没有要求，因此，系统采用最简单的通断控制方式，当电阻炉温度达到上限值时，电阻炉停止加热，温度低于下限值时，开始加热，从而保持对温型的闭环控制系统。从技术指标可以看出，系统对控制精度的要求不高，对升降温度的控制，如图 4 图 4度控制子程序 开始 初始化温度控制 采集当前温度 当前温度和设定温度送显示缓冲 Y N 当前温度大于上限值 加热 可控硅导通 读键值 27 第 5章 调