工业加温炉温度控制系统设计方案

1 工业加温炉温度控制系统 设计方案 第 1 章 绪 论 随着科学技术 的发展，特别是现代仪器的发展，微型化、集成化、数字化正成为检测技术发展的一个重要方向。 温度是工业生产和日常生活中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关，因此温度采集是自动化的重要任务。 温度控制系统广泛应用于社会生活的各个领域 ,如家电、汽车、材料、电力电子等 ,常用的控制电路根据应用场合和所要求的性能指标有所不同 , 在工业企业中 ,如何提高温度控制对象的运行性能向来都是现场技术人员和控制人员攻克解决的问题。这种类型控制对象惯性很大 ,滞后现象比较严重不理想 ,有许多不确定的因素 ,建立精确的数学模型比较困难 ,会导致控制系统性能不 ,甚至出现控制不稳定、失控现象。传统的继电器调温电路简单实用 ,但由于继电器动作频繁 ,可能会因触点不良而影响正常工作。控制领域还大量采用传统的 但 制对象的模型难以建立 ,并且当扰动因素不明确时 ,参数调整不便仍是普遍存在的问题 。但是采用数字温度传感器 话，因为它的内部集成了 A/以使电路结构更为地简单，并且会减少温度测量转换时候的精度损失，使测温更为准确。数字温度传感器 需要一个引脚就可以和单片机连接进行通信，大大地减少了接线带来的麻烦，使得单片机更加具有扩展性。由于 片的小型化，更加可以通过单跳数据线就可以和主电路连接，可以做成探头，探入到狭小的地方，增加了实用性。更能串接多个数字温度传感器 单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，成为自动化和各个测控领域中的广泛应用的期间，在工业生产中称为必不可少的器件，尤其在日常生活中发挥的作用也越来越大。在温度控制系统中，单片机更是取到了必不可少的核心作用。 本系统采用 感器、 片机、 警装置、执行装置（交流接触器）等器件构成了温度的监控与控制。系统能实时监测对象的温度变化，数据通过单片机的运算处理后反馈给系统进行显示、执行、报警功能，从而完成对温度控制系统的设计。 课题分析 单 片机控制系统由危机和工业生产对象两大部分组成，其中包括硬件电路和软件程序，整个控制系统是通过接口将计算机和生产过程联系起来实现计算机对生产过程重点额数据处理和控制。 本设计介绍了 片机对温度控制系统硬件接口和软件设计的基 2 本思想。包括单片机系统的扩展即程序存储器和数据存储器的扩展，输入 /输出接口扩展和温度控制电路的接口 设计思路 根据系统具体指标要求，对每一个具体步骤记性分析和设计。整个温度控制系统分为硬件电路设计和软件程序设计两大部分。 度控制系统的简要介绍 温度控制系统是以温度为主要 的控制变量。系统主要是通过温度传感器对工业现场的温度变化引起的其他物理量变化进行测量，然后通过电路转化为数字量转送到单片机中。在单片机对温度数据进行处理之后，根据用户的设定对加热电路或制冷电路进行控制，从而达到控制调节温度的目的。控制系统主要由控制器和控制对象两部分组成，通过一定的控制方法使系统达到所要求的控制性能。控制模式有开环控制、闭环控制和复合控制三种。所谓的开环控制是控制器与控制对象之间只有正向作用，没有反相联系，是一种单向的控制过程。如果控制器与控制对象之间既有正向作用又有反相联系，这种控制方式称 为闭环控制或反馈控制。在某种情况下，为了达到较好的控制效果，往往将开环控制和闭环控制结合起来，这种控制方式称为复合控制。 大部分温度控制系统采用典型的负反馈式温度控制系统，系统基本框图1中数字控制器的功能由微型计算机实现。 度控制系统在国内外的发展概况 国外温度控制系统 从 70 年代到现在，因为工业过程控制的需求，尤其是在计算机技术和微电子技术的快速发展以及设计方法和自动控制理论进步的推动下，国外温度控制系统进步很快，并且在参数、智能化、自整定、自适应等方面优良成果，相对而 言，以瑞典、日本、德国、美国等技术领先于其他国家，研发出了一系列商品化的、性能优异的温度控制器和仪器仪表，在各个领域之间广泛应用。它们主要具有如下特点： 1）适应于大滞后性、大惯性等复杂的温度控制系统的控制。 2）适应于受控系统数学模型不易建立的温度控制系统的控制。 3 3）适应于受控系统参数时变、过程复杂的温度控制系统的控制。 4）这些温度控制系统通常采用模糊控制、人工智能、，自适应控制、自校正控制等理论和计算机技术，采用先进的算法，适用的范围非常广泛。 5）通常温控器具有参数自我整定功能。相助于计算机软件技术，温控器可以对控制对象控制的参数和特性进行自我调整的功能。它们有的还具备自我学习功能，能够依据控制对象和历史经验的不同变化情况，自动调整与它相关控制的参数，从来保障控制效果的最大优化。 6）温度控制系统具有抗干扰能力强、控制精度高的特点。 目前，国外温度控制系统及仪表在小型化、高精度、智能化等方面发展迅速。 国内温度控制系统 我国对模糊控制理论的研究与应用起步比较晚，然而发展很快，在各个领域取得了许多有影响的成果。诸如在模糊控制、模糊辨识、模糊聚类分析、模糊图像处理、模糊集合论、模糊模式识别等领域取得了不少有实际影响的结果。 1988年哈尔滨工业大学在酒精厂 10T/H 工业染料煤链条路上实现鼓风量 1990 年模糊控制应用于电场过热汽温回路的自动控制。 1994年模糊控制成功应用于镇海发电厂 200 目前，我国在温度等控制仪表业与国外的差距主要表现在如下几个方面： 1） 国内企业规模不大且分散不集中，创新研发能力不足，制约控制技术的发展 2）商品化产品主要以 制器处于主导地位，智能化仪表比较少，与国外相比差距较大。现在，国内企业精度要求高且复杂的温控系统大多数采用的是进口温度控制仪表，价格昂贵且维修麻烦。 3）仪表控制用相关算法、关键技术和控制软件方面的研究相比较于国外落后很多。比如：在仪表控制参数的自调节方面，国外很多企业已经研发出了较多的成熟产品，但是由于国外技术的保密及我国开发工作和技术的滞后，目前还没有研发出性能优越可靠的自整定软件。许多控制参数都是靠人工经验以 及现场调试之后确定的。这种技术上的落后，是我们必须加快脚步追赶的。 伴随着我国经济的快速发展，政府及企业对此科学技术的发展与进步都重视非常，对相关的企业资源进行了整合与重组，先后建在各地建立了许多国家、企业的研发中心，并且通过合资、技术合作等不同方式，建设了一批合作、合资及独资的企业，促使我国温度等仪表工业在良好环境下得到迅速发展。 4 第 2 章 设计方案的选择与论证 温度控制有许多种方法，可供选择的器件和运用的技术也有多种，因此，系统的总体方案设计应在满足系统整体性能指标的前提下，充分考虑系统使用的环境，所 选的结构要尽量简单实用，易于实现，器件的选用要着眼于合适的参数、稳定的性能、较低的功耗、低廉的成本以及较好的性能等等。本章将介绍基于单片机的测控系统的总体方案的设计并给出结构框图，分别从软硬件两个方面来进行讨论。 统总体方案设计 温控系统是将负载的电加热丝看成是被控对象，温度是控制量 ,控制前先设定温度值，然后对电加热丝进行温度采集，并将采集的数据通过串行通信传送给上位机，通过控制 制电加热丝的通断，从而实现对温度的控制。 此课题是一个基于单片机的温度测控系统，主要由单片机构成温度采集与控制终端，实现温度采集与控制。此系统由软硬件两部分组成，硬件电路是系统的结构框架，是软件的载体，软件是系统的内核，通过硬件来进行具体操作，因此软硬件相互配合，共同完成各种功能。此系统硬件主要由以下几个部分构成：单片机、温度采集电路、温度控制电路、系统软件主要通过对单片机编程来实现，此系统使用 件总体方案设计 本文所研究的系统硬件部分按照功能大致分为以下几个部分：最小系统、测温部分、控温部分以及 结构框图如图 5 图中所示温度经 字式温度传感器采集后，由 片机控制读出并送本地 602 显示出来。如果温度超过设定的温度，切断加温装置，如果温度低于设定温度，继续加温。 本设计本着低功耗、低成本、性能好等原则，最终选用以下器件来搭建硬件 平台： 单片机最小系统包括单片机芯片，时钟电路和复位电路。时钟电路用于产生单片机工作时所必须的时钟信号。 格地按时序执行指令进行工作；复位操作是单片机的初始化操作，只需给单片机的复位引脚 上大于 2 个机器周期的高电平就可以使单片机复位。 传统的温度检测大多以热敏电阻为温度传感器，这种热敏传感器的工作原理是其电阻值随着温度的变化而发生显著变化，热敏传感器广泛用于一般精度的温度测量，或在计量设备、晶体管电路中作温度补偿。由于热敏电阻的可靠性差，测量温度准确率低，而且必须经过专门的接口电路转换为数字信号后才能由单片机进行处理，在高精度要求的温度检测应用中，热敏电阻已经被精度高、准确性好的各种集成温度采集设备所代替。 单片机 温度采集 温度控制 按键电路 受 控 对 象 6 本部分采用的是 感器进行温度测量，它在测量温度、转换时间、传输距离、分辨率等方面也有很大的改进。与传统的热敏电阻相比，它不仅能够直接读出被测温度值，并且可以根据实际要求通过简单的变成来读取 9到 12 位的温度值， 度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的 电，而无需额外电源，因而使用靠性更高，因此， 广泛应用于温度采集与处理、数字温度计及各种温度控制系统中。 该部分通过单片机的 而决定电热丝是否加热，当 P 口输出低电平时，加热电阻通电，周围的温度缓慢升高， 温度值也升高；当 热电路断开，温度回落。 警电路 通过单片机 控制蜂鸣器，来报警但温度低于或是高于设置温度时候，单片机的 拉低，这时候驱动继电器的三极管就会工作，起到报警的作用 发环境及开发工具 系统在软件程序设计过程中使用了 是集项目管理编译程序、工具配置、编辑器、高效的调试器的 系统在软件编写时使用了高效的 1 仿真器是德国 司出品的一款兼容单片机 C 语言和汇编语言的软件开发系统，它集编辑，编译，仿真等于一体，它是一款具有灵活、直观、可视化的开发软件，完全的 面友好，易学易用，是使用者更直观、更清晰的了解每一句程序所对应的单片机内部操作，这对开发者在开发过程中考虑内存和线路的分配很有帮助，同时在错的查找、执行过程中的数据查找等方面都变的简化了。同时 1 仿真器还提供了丰富的库函数和功能强大的集成开发调用工具。 1 它还支持众多不同公司的构的芯片， 在开发过程中可以给开发者更多的选择空间，多时在选择不同型号芯片的时候，他还会提供该芯片的相关信息介绍，这也 7 是多开发者很有帮助的一个方面，因此很多开发 51应用的工程师或普通的单片机爱好者，都对它十分喜欢 1 在安装运行后，可以首先要建立工程，在这一过程中最关键的是选择单片机的型号，在初学的时候经常会疏忽这一工作了造成不必要的麻烦。然后可以直接编写汇编 存之后工程里就可以直接调入进来，并构造目标文件了。它会自动完成编译的过程，这为我们省去了很多时间，如果通过了编译没有 错误的话，我们就可以查看程序的仿真运行情况了。它为我们提供了更方便的查看模式，我们可以把原程序在汇编和机器语言间切换，而且我们还可以单步执行程序，能够清晰的看出在程序运行过程中，单片机每一个接口和存储器的工作情况，这也是对开发者最有利的方面。 8 第 3 章 各个单元电路的设计 控电路 一般在系统的设计当中，能否完成设计任务最重要的就在于系统的核心器件是否选择合适，而单片机更是是系统控制的核心，所以对单片机的选择更是异常重要。如果选择了一个合适的单片机不仅可以最大地简化系统的操作，而且其功能可能是最好的，可靠性也比较高，对整个系统来说更方便。 示电路的设计 具体的电路如图 4 4 9 警电路的设计 图所示为蜂鸣器报警电路。由于单片机管脚的灌电流比拉电流容量大，因此电路设计为低电平输出时蜂鸣器响，高电平关闭。当 三极管 8550导通，有集电极电流通过，蜂鸣器鸣响。当 极管截止，蜂鸣器关闭。 图 3 报警电路的设计 度采集电路设计 本部分电路主要通过传感器来实现对温度的测量，本系统选用的是美国 司继 在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较 了很大的改进，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。 本文中测温电路主要使用 感器，通过 与单片机相连，实现数据的传递，其具体硬件原理图如图 10 图 温电路原理图 电器控制电路设计 该部分通过单片机的 P 口输出的高低电平来控制固态继电器的通断，从而决定电热丝是否加热，当 P 口输出低电平时，加热电阻通电，周围的温度缓慢升高， 得的温度值也升高 ；当 P 口输出高电平时，加热电路断开，温度回落。 11 12 第 4 章 片机 单片机就是在一片半导体硅片上，集成了中央处理元件（ 存储器（ 并行 I/O、串行 I/O、定时器 /计时器、中断系统、系统时钟电路及系统总线的用于测控领域的微型计算机，简称单片机。单片机是集成电路技术与微型计算机极速高速发展的产物。单片机体积小、价格低、应用方便、稳固可靠，因此，单片机的发展和普及给工业自动化领域带来了一场重大革命和技术进步。单片机体积小，很容易嵌入到系统之中，便于实现各种放松的检测或控制，在这一点上，一般的微型计算机根本做不到。由于单片机本身就是一个用于测控目的的微型计算机，因此只要在其外部适当增加一些必要的外围扩展电路，就可以灵活地构成各种应用系统，如工业自动监测监视系统、系统采集系统 、自动控制系统、智能仪器仪表等。 由于单片机技术在各个领域普遍得到广泛的应用，现在很多集成电路生产厂家前后研发了各种类型的单片机。在种类繁多的单片机中，术的成熟性及高性能和高可靠性价格比，占据了工业测控和自动化工程应用的众多市场，在国内单片机应用领域中的应用广泛。现在，适用于 合与它配套的各种软件、开发系统也得到日趋完善，所以可以很快速地利用手上的资源，开发出适用于不同目的的各种类型应用系统。 作 原理 是一种低电压，片内含有 8k 反复擦写 读 程序存储器 与 256 机存取数据存储器（ 高性能 位的 单片机 ， 器件采用的是 司 研发的 非易失性、高密度的存储技术所生产，片内置有通用的 8位中央处理器 ，兼容标准 令系统 ， 的 单片机内部结构特点为： 1、 256部 2、 2个串行中断，可编程 行通道； 13 3、时钟频率 0 4、 8反复擦写 (大于 1000次） 5、 32个双向 I/O 口； 6、 3个 16位可编程定时 /计数器中断； 7、 2兼容 8、 2个读写中断口线， 3级加密位； 9、 2个外部中断源，共 8个中断源； 10、掉电模式和低功耗空闲， 软件 设置唤醒和睡眠功能； 11、有 几种封装形式，以适应不同产品的需求。 所示。 14 图 3 片机内部结构总图 0引脚双列直差封装（ 式集成电路芯片，引脚排列如图 4所示，从引脚功能来看，我们可以将引脚分为 3个部分。 源及时钟引脚 +5地 钟引脚，外接晶体引线端。当使用芯片内部时钟时，此两个引脚端用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。 15 制引脚 复位信号输入端， 备用电源输入端。当 个机器周期以上高电平是，单片机完成复位初始化操作。 当主电源 生故障而突然下降到一定低电压或断电是，第 2功能 址锁存允许信号输出端。存取外存储器时，用于锁存的是低 8 位地址信号。单片机正常运行工作以后 就可以周期性地以时钟震荡频率的 1/6 固定频率来向外输出正脉冲信号。这引脚的第 2功能 751固 化程序作为编程脉冲输出端。 序存储允许输出端。为片外程序存储器的读选通信号，低电平时有效。 外部程序发出存储器取指令时， 号它会自动产生负脉冲，用作外部程序存储器的选通信号。 序存储器地址允许输入端。 是 的值超过 0，将会自动地转向执行片外程序的存储器指令；当 图 4 脚排列 16 I/O 口引脚 0 口 8位双向 I/ 1 口 8位准双向 I/ 2 口 8位准双向 I/ 3 口 8位准双向 I/ 时器 单片机的内部一般有 2个 /3个 16位 定时器 /计数器 ：定时器 1（ ：定时器 0（ 它们都具有事件计数或定时器的功能，可用于检测、定时控制延时和对外部事件等场合。 由 个特殊功能寄存器组成， 由 作计数器时，可通过引脚 对外部脉冲信号进行计数，当输入脉冲信号从 1 到 0 的负跳变时，计数器就自动加 1。 定时器共有 2 个控制寄存器 软件写入 个 8 位寄存器，设置各个定时器的操作模式和控制功能，控制寄存器和工作方式寄存器的格式如图 5和图 6 所示。 图 5 定时器控制寄存器（地址为 89H） （地址为 88H） 定时器初值的计算方式：当处于定时器模式下时，计数器会由单片机主脉冲经过 12 分频之后来计数。所以，定时器的所用定时时间 T=（ T 计数 上式也可写成： T 计数 式中， M 为模值，与定时器的工作方式有关； T 计数 （即单片机机器周期）是单片机振荡周期 2倍； 定时器的定时初值。 节地址 地址分别是 格式如图 7示。 T C O D 2D 3D 4D 5D 6D 71888980 ： 停 T 计 数01 ： 启 T 计 数00 ： 无 T 中 断 （ 硬 件 复 位 ）1 ： 有 T 溢 出 中 断 00 ： 无 T 中 断 （ 硬 件 复 位 ）10 ： 停 T 计 数1 ： 有 T 溢 出 中 断1 ： 启 T 计 数1110 ： 关 I N T 中 断 01 ： 开 I N T 中 断 00 ： 关 T 中 断1 ： 开 T 中 断 001 ： 开 T 中 断0 ： 关 T 中 断0 ： 关 I N T 中 断1 ： 开 I N T 中 断11110 ： 关 T 中 断1 ： 开 T 中 断 221 ： 开 所 有 中 断0 ： 关 所 有 中 断1 ： 开 串 行 口 中 断0 ： 关 串 行 口 中 断位地址0112 18 图 7 中断允许寄存器 址为 中断优先寄存器 特殊功能寄存器中，字节地址为 地址分别是来锁存各中断源优先级的控制位，其格式如图 8 所示。 图 8 中断优先寄存器 址为 以下为各周期之间的换算，若 2单片机的四个周期的具体值为： 振荡周期 1/121/12 s s 时钟周期 1/6 s s 机器周期 1 s 指令周期 1 4 s 19 第 5 章 传感器及显示模块 度传感器 美国 导体厂家生产的数字化温度传感器 用的是单总线协议，就是和微机接口只需要占有一个 I/O 端口，不需要任何外部的元器件，可以直接把温度转化成为数字信号，然后 9 位数字码的方式串行输出，故而大大地简化了传感器和微处理器的接口。温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关，因此温度采集 是生产自动化的重要任务。所以我们这里采用了一个较为简单的元件来实现温度采集，从而简化传统的方法。 目前大多数传感器系统都是采用放大 数模转换这种处理模式。这种模式一般要占用数条数据控制线，限制了单片机功能的扩展。而一线总线技术则很好的解决了这个问题。 技术性能描述 1、 和微处理器相连接的时候，只需要用一条口线就可以实现微处理器与向通讯。 2 可实现多点组网功能，多个的 并联在唯一三线上，但是最多只可以并联 8 个，能够实现多点的测温，因为数量过于多的话，会导致供电电源电压过低，造成信号传输的不稳定。 3 、测温范围 55 +125 ，本身具有测温的误差 4、工作电源 : C （可以数据线寄生电源） 5 、在使用中不需要任何的外围元件 6、 测量结果以 912 位数字量方式串行传送 7、适用于 5, 种介质工业管道和狭小空间设备测温 8、不锈钢保护管直径 6 9、 标准安装螺纹 10 ”任选 10、 缆直接出线或者德式球型接线盒出线 ,便于和其它电器设备连接。 20 目前大多数传感器系统都是采用放大 数模转换这种处理模式。这种模式一般要占用数条数据控制线，限制了单片机功能的扩展。而一线总线技术则很好的解决了这个问题。 特性 1) 测温的范围是 75，精度是 2) 不需要外围元件 3) 电源是由总线提供的 4) A/00) 单线接口： 接和需要一根 13 线 6) 九位温度读数 7） 用户根据自己需要设定温度上下限报警，初始值是非易失性的报警搜索命令可识别出哪片 2 a) 温度传感器； b) 非易失性温度报警触发器 c) 64 64结构图如下： 图 9 储器映像图 可用外部 5V 电源来供电源也可以寄生供电。寄生供电时，总线为高电平的时候， 以从总线获得能量同时存储在内部的电容上，当总线为地电平的时候，有电容会向 电。 的内部计数器是对一个受到温度影响的振荡器脉冲记数，低温表示的是是振荡器的脉冲它可以通过门电路，但是当到达某一 设置高温时 ,振荡器的脉冲是无法通过门电路的。 记数器设定值为 的值，如果记数器到达 0 之前，门电路还未关闭，那么温度寄存器的值就会增加，表示的是当前温度高于 与此同时，计数器从头开始计数直到回零。如果门电路仍然没有关闭，那么重复以上过程。温度表示 21 为 9位为符号位。如图 10所示： 图 10 温度值格式图 内部结构 结构主要由四部分组成：温度传感器、 64 位光刻 置寄存器和非挥发的温度报警触发器 L。 图 11 脚图 图 12 物图 光刻 4 位序列号是在出厂之前就被光刻好的，可以把它看作是这个 64位光刻 始 8位（ 28H）是产品的类型标号，接着 48 位是该 身序列号，最后的 8位是前面 56 位的循环冗余校验码（ 8+4+1）。光刻 各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个 22 输出端； 外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。 的温度传感器可实现对温度的测量，以 12 位转化举例 :用 16 位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以 ，其中 格式如表 1所示。 表 1 二进制代码表 这些是 12 位转化后所得到的 12 位数据，存储在 两个 8比特的 进制中的前面 5位是符号位，如果所测得温度大于 0，这 5位为 0，只要将测到数值乘于 能知道到实际温度； 如果温度小于 0，这 5位为 1，测到的数值需要取反加 1再乘于 可得到实际温度。 例如 +125的数字输出为 07+数字输出为 0191H，数字输出为 数字输出为 度与代码对照如表 2所示。 表 2 温度对比表 23 度传感器的内部存储器包括一个高速暂存 一个非易失性的可电擦除的 者存放的是高温度和低温度触发器 暂存存储器它包含了 8个连续字节，前面两个字节是测得温度信息，第一个字节内容是温度的低八位，第二个字节是温度的高八位。第三个和第四个字节是 五个字节是结构寄存器的易失性拷贝，这三个字节的内容在每一次上电复位时被刷新。第六、七、八个字节用于内部计算。第九个字节是冗余检验字节。 该字节各位的意义如下： 1 1 1 1 1 低五位一直都是 1 ， 于设置 工作模式还是在测试模式。在 厂时该位被设置为 0，用户不要去改动。 来设置分辨率，如表 3 所示：（ 厂时被设置为12位）。 表 3 分辨率设置表 根据 通讯协议，主机控制 成温度转换必须经 24 过三个步骤：每一次读写之前都要对 行复位，复位成功后发送一条 令，最后发送 令，这样才能对 行预定的操作。复位要求 主 数据线下拉 500 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 令代码及其含义 1) 令代码 当温度值高于 低于 的数值的时候，此命令可以读出报警的 2） 令代码 55H：多个 线是，可以用此命令匹配一个给定序列号的 后的命令就针对该 3） 令代码 此命令执行后的存储器操作将针对在线所有的 4） 用以读出在线的 5存储器操作命令代码及其含义 1) 令代码 读取温度寄存器的温度值。 2) 令代码 4写两个字节的数据到温度寄存器。 3) 令代码 48H：将温度寄存器的数值拷贝到 证温度值不丢失。 4) 令代码 将 的数值拷贝到温度积存器中去。 5) 44H：启动在线 。 6) 令代码 在本命令送到 后的每一个读数据间隙，指出电源的模式：“ 0”为寄生电源；“ 1”为外部电源。 6 温系统简单、占用口线少、连接方便等优点，但是在实际的应用中我们应该注意以下的几个方面 : 1) 较小的硬件开销需要相对复杂的软件来进行补偿，因为 以在对 们必须严格地保证读写时序，否则将无法读取测温结果。 25 在使用 、 作部分最好采用汇编语言实现。 2) 在 量问题，容易使人误认为可以挂任意多个 实际应用中并非如此。当单总线上所挂 个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题，这一点在进行多点测温系统设计时要加以注意。 3) 连接 验中，当采用普通信号电缆传输长度超过 50取 的测温数据将发生错误。当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达 150m，当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离进一步加长。这种情况主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的。因此，在用 4) 在 出温度转换命令后，程序总要等待 返回信号，一旦某个 程序读该 ，将没有返回信号，程序进入死循环。这一点在进行 件连接和软件设计时也要给予一定的重视。 测温电缆线建议采用屏蔽 4芯双绞线，其中一对线接地线与信号线，另一组接 蔽层在源端单点接地。 晶显示器的优点 同 七段数码显示器 比较，液晶显示器 个是一种功耗极低显示器。 是一种平板薄膜的显示器件，除了功耗低的特性以外，它还具有外表美观、显示工作电压较低、抗干扰的能力强、和 此它的应用范围非常广泛，电子表到计算器、袖珍式仪表到便携式微型计算机和一些文字处理机都应用到了 在， 种，在只涉及数据显示和简单字母提示的时候，智能仪器它通常会采用段式 26 晶显示器介绍 本次设计系统显示电路选择的是液晶显示器 单片机系统中应用晶液显示器作为的输出器件有以下几个优点： 显示质量比较高 因为液晶显示器的每一个点它在收到信号后就会一直保持着那种亮度和色彩，恒定发光，而且不会像阴极射线管显示器（ 样子需要不断地刷新新的亮点。所以液晶显示器画质高但是不会闪烁。 数字式接口 液晶显示器都是数字式接口，它和单片机系统的接口更加简单地可靠，操作更加地方便。 重量轻、体积小 液晶显示器它通过显示屏上电极控制液晶分子的状态来达到显示目的，在重量这方面，它比相同显示面积的传统显示器要轻得多。 功耗低 相对而言，液晶显示器功耗大都消耗在它的内部电极和驱动 而耗电量同其它显示器相比较要少得多。 液晶显示器的原理 液晶显示它的原理就是利用液晶物理特性，通过电压对其它的显示区域进行控制，有电就会有显示，这样就可以显示出图形。液晶显示器它具有厚度较薄、适合用于大规模的集成电路直接驱动、容易实现全彩色显示的特点，现在已经被广泛地应用于数字摄像机、便携式电脑、 晶显示分类方法有很多类，一般可按它的显示方式分为点阵式、段式、字符式等。除了黑白的显示之外，液晶显示器它具有多灰度有彩色显示等。如果根据驱动的方式来分，可以分类为单纯矩阵驱动（ 主动矩阵驱动（ 静态驱动（ 种。 点阵图形式液晶由 M 设 4行，每行有 128 列，每 8 列对应 1 字节的 8 位，即每行由 16 字节，共 168=128 个点组成，屏上 64 16 个显示单元与显示 1024 字节相对应，每一字节的内容和显示屏上相应位置的亮暗对应。例如屏的第一行的亮暗由 00H 006 字节的内容决定，当（ 000H） =屏幕的左上角显示一条短亮线，长度为 8 个点；当（ 3=7 时，则屏幕的右下角显示一条短亮线；当（ 000H） = 001H） =00H，（ 002H） =00H， （ 00=00H，（ 00=00H 时，则在屏幕的顶部显示一条由 8 段亮线和 8 条暗线组成的虚线。这就是 示的基本原理。 用 为一个字符由 6 8或 8 8点阵组成，既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示 的 8 字节，还要使每字节的不同位为 “ 1”，其它的为 “ 0” ，为 “ 1”的点亮，为 “ 0”的不亮。这样一来就组成某个字符。但由于内带字符发生器的控制器来说，显示字符就比较简单了，可以让控制器工作在文本方式，根据在 立光标，在此送上该字符对应的代码即可。 汉字的显示一般采用图形的方式，事先从微机中提取要显示的汉字的点阵码（一般用字模提取软件），每个汉字占 32B，分左右两半，各占 16B，左边为 1、 3、 5右边为 2、 4、 6根据在 开始显示的行列号及每行的列数可找出显示 应的地址，设立光标，送上要显示的汉字的第一字节，光标位置加 1，送第二个字节，换行按列对齐，送第三个字节 直到 32 为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别，两者尺寸差别如下图所示。 28 脚接口说明表 第 1脚： 电源。 第 2脚： 第 3脚： 晶显示器对比度调整端，接正电源对比度最弱，接地对比度最高，对比 度过高会产生 “ 鬼影 ” ，使用可以通过一个 10 第 4脚： 存器选择，高电平时会选择数据寄存器、低电平时会选择指令寄存器。 第 5脚： R/写信号线，高电平会进行读操作，低电平时会进行写操作。当 ，当 ，当 R/ 第 6脚： 晶模块执行命令。 第 7 14脚： 位双向数据线。 第 15脚：背光源是正极。 第 16 脚：背光源是负极。 1602指令说明及时序 1602 液晶模块内部的控制器共有 11 条控制指令，如表所示： 29 14：控制命令表 1602液晶模块的屏幕、读写操作和光标的操作它们都是通过指令的编程来实现。（说明： 1是 高电平、 0是 低电平） 指令 1：清显示，光标复位到地址 00H， 位置指令码 01H,。 指令 2：光标复位，光标返回至地 址 00H。 指令 3：光标和显示模式的设置 I/D：光标的移动方向，高电平向右移，低电平往左移 S:屏幕上的所有文字是否往左移或者右移。高电平则有效，低电平表示无效。 指令 4：显示开关的控制。 D：控制整体显示开与关，高电平是开显示，低电平是关显 示 C：控制光标开与关，高电平有光标，低电平无光标 B：控制光标是否闪烁，高电平为闪烁，低电平为不闪烁。 指令 5：光标或显示的移位 S/C：高电平移动显示的文字，低电平则时移动光标。 指令 6：功能设置为命令 电平时 4位总线，低电平为 8位总线 N：低电平为单 30 行 显示，高电平时为双行显示 F: 低电平时显示 5电平时显示 5 指令 7：字符发生器 址设置。 指令 8： 址设置。 指令 9：读忙信号与光标地址 1为忙标志位，高电平表示为忙，此时模块不它能接收命令或者数据，如果为低电平则表示不忙。 指令 10：写数据。 指令 11：读数据。 本操作时序表 图 ： 读操作时序 图 ： 写操作时序 31 32 第 6 章 软件介绍 件总体方案设计 温度控制系统的硬件电路确定之后，其主要功能将依赖于软件来实现，本系统的软件主要是完成温度数据的采集并把采集的数据通过串口通信传送给上位机，同时接收上位机的命令，达到温度控制的目的。软件具体结构框图如图 开始 初始化 采集温度 判断温度与设定值 继电器控制 执行相应的模块 33 统软件的设计 根据温度控制系统硬件设计的软件程序，实际上就是对系统的管理程序和控制程序进行设计。管理程序是对显示 行动态刷新、控制指示灯、处理键盘的扫描和响应等。控制程序是对被控制过程进行采样、数据处理，根据控制算式进行计算和输出等。由于整个系统软件相当庞大，为便于编写、调试和修改，系统软件的编制采用了模块化结构，及整个控制软件由许多独立的小模块组成，他们之间通过软件接口连接，主控程序主要包括条件判断和子程序调用等关键部分。在进行微机控制系统设计时，系统设计人员必须把系统要执行的任务和应具备的功能合理地分配给硬件和 软件来实现，既要考虑系统的价格，又要考虑系统满足实时性要求的工作进度，做到硬件、软件合理权衡，并尽量节省机器时间和内存空间。 统的总体流 34 温度经 字式温度传感器采集后，由 片机控制读出并送本地 602显示出来并且判断温度是否符合设定值。如果温度超过设定温度上限，红灯亮，启动风扇降低温度。如果显示温开 始 初始化 示当前温度 判断当前温度值 超过设定 温度上限 启动风扇 降低温度 红灯亮 设定温度上、下限 启动电热炉升高温度 是 否 低于设定 温度下限 是 绿灯亮 否 35 度低于设定温度下限，绿灯亮，启动电热炉升高温度。如果显示温度不是