毕业设计（论文）-基于AT89S52单片机的煤气退火炉控制系统.doc

本科生毕业设计（论文） I 摘 要 退火炉是金属热处理中的重要设备，它把压力容器加热到一定温度并维持一 段时间，然后让其自然冷却。其目的在于消除压力容器的整体压力，提高压力容 器的使用寿命，提高产品的质量。温度是退火炉的主要被控变量，是保证其产品 质量的一个重要因素。因此，退火炉温度控制的稳定性和控制精度直接影响产品 的质量。 本设计是基于 AT89S52 单片机的煤气退火炉控制系统。温度控制是工业控制 对象中主要的被控对象之一。本设计采用大林算法进行控制，被控对象是退火炉， 被控参数是炉内温度。燃料为天然气，通过改变阀门的开度大小来改变天然气与 空气的混合气体的流量，从而改变炉内温度。炉温由热电偶进行检测、采集。设 计中综合利用单片机的可编程性，灵活利用 A/D 转换器、LCD 等，完成温度采 集、运算控制、输出显示等功能。A/D 能够较高精度和较大范围的进行温度测量， 保证了系统设计的精度要求；运算控制部分主要使用单片机小系统对采集的数据 进行处理，方便快捷；输出显示部分使用 LCD 液晶显示屏实现，简单明了。系 统性能指标均达到了设计要求。整个系统电路简单，操作方便，用户界面友好。 本文设计的退火炉温度控制系统，其硬件电路所用元件较少、成本低、调节 简单；生产出来的产品质量高、可靠性好；软件采用 C 语言编程，其灵活性高， 可读性强，适合未来广阔的市场。 关键词：退火炉；温度采集；大林算法；LCD 显示 本科生毕业设计（论文） II Abstract Annealing furnace is an important equipment for heat treatment of metal, the pressure vessel is heated to a certain temperature and maintain for a period of time, and then let it cool. Its purpose is to eliminate the pressure of pressure vessel. To improve the service life of pressure vessel. Temperature is the main controlled variable annealing furnace, is an important factor to guarantee the quality of the products. Stability and control precision of furnace temperature control directly affects the quality of the products. This design is the control system based on MCU AT89S52 gas annealing furnace. Design of comprehensive utilization of single-chip programmable, flexible use of A/D converter, LCD, temperature to complete the collection, operation control, output display and other functions. A/D can measure the temperature with high precision and wide range, to ensure that the system design precision requirements; operation control part of the main use of singlechip processor system, the collection of data is convenient; the output display part of the use of LCD liquid crystal display, simple and clear. The performance index of the system meets the design requirements. The whole system is simple, convenient operation, friendly user interface. In this paper, the design of the gas furnace control system, the hardware circuit components used less, low cost, simple adjustment; out of the production of products of high quality, good reliability; software is programmed by C language, its high flexibility, readability is strong. For the future market. Key words：annealer；temperature acquisition；computing control ；LCD display 本科生毕业设计（论文） III 目 录 第 1 章 绪 论.1 1.1 课题研究的背景及意义.1 1.2 国内外研究现状和发展.2 1.3 本文的研究的主要内容.2 第 2 章 方案设计及论证.3 2.1 方案设计.3 2.2 方案论证.5 第 3 章 硬件电路设计.8 3.1 温度传感器的选择.8 3.2 气体流量传感器的选择.9 3.3 阀门的选择.11 3.4 A/D 转换器的选择 .12 3.5 D/A 转换器的选择 .13 3.6 单片机的选择.14 3.7 温度检测电路的设计.15 3.8 复位电路的设计.16 3.9 晶振电路的设计.17 3.10 电源电路的设计.17 3.11 8255 扩展 I/O 口的设计.18 3.12 多路转换开关的设计.19 3.13 A/D 转换电路的设计 .20 3.14 D/A 转换电路的设计 .21 3.15 键盘电路的设计.21 3.16 显示电路的设计.22 3.17 报警电路的设计.23 本科生毕业设计（论文） 0 第 1 章 绪 论 1.1 课题研究的背景及意义 退火炉是冶金和机械行业经常用到的热处理工业设备。一般说来，退火处理 是生产冶金和机械产品的最后处理工序，它的处理效果将直接影响产品的质量。 因此，对退火炉的基本要求就是根据退火处理工艺曲线，提供准确的升温，保温 及降温操作，同时保证退火炉内各处的温度均匀。在目前实际生产中，退火炉的 种类很多，按燃料分有燃油炉、燃气炉、电炉等。电炉按台数计算占 80%，燃油 炉和燃气炉占 20%。 研究退火炉的意义在于退火是金属热处理中的重要工序，它的处理效果将直 接影响产品的质量。它是将金属缓慢加热到一定温度并保持足够时间，然后以适 宜速度冷却（通常是缓慢冷却，有时是控制冷却）的一种金属热处理工艺。目的 是使经过铸造、锻轧、焊接或切削加工的材料或者工件软化，使其化学成分均匀 化，改善其塑性和韧性，并去除其参与应力，或者得到预期的物理性能。温度控 制是热处理质量控制的重要技术措施，是退火控制的核心。智能温度控制将大大 提高热处理质量，消除认为的不稳定因素，提高温度控制的精确程度，满足特殊 材料的热处理要求。所以，本设计研究的单片机退火炉温度自动控制系统十分重 要。 退火炉采用自动化技术控制温度，对保护生态环境方面也具有重要意义。退 火炉的炉温动态特性直接影响产品的质量，生产过程中对钢材的温升曲线有较高 的要求，温度过低，达不到退火的预期目的；温度过高将导致过热，甚至过烧。 通过对退火炉中生产过程的优化控制和自动工艺管理控制，不但可以缩短生产周 期，提高产量和质量，还可以减少人为因素造成的废品率。热处理后产生的废气 对自然环境的污染很大，退火炉的燃料如果是欠氧燃烧，燃料燃烧不充分，则会 产生大量黑烟，而过氧燃烧又会产生氮氧化合物等有害气体。若通过对燃烧过程 进行有效控制，使燃烧在合理的空燃比下运行，则可以极大的减少退火炉对周边 环境的污染，对构建科持续发展型社会就有积极的意义。 目前世界各国对能源消耗和大气环境的污染越来越重视，而我国既是钢铁大 国又是能源大国，因此，研究高性能退火炉温度控制系统具有极为重要的意义。 本科生毕业设计（论文） 1 本科生毕业设计（论文） 2 1.2 国内外研究现状和发展 随着工业技术的发展，国内外退火产品的规格和产量都在不断地增加，在 保证退火产品力学性能和组织结构符合产品标准要求的条件下，如何提高退火炉 的设备性能指标，降低能耗引起了国内外工业行业广泛的重视。近二三十年来， 一些工业发达国家从热处理炉结构、热源、温控系统以及退火工艺等方面进行了 大量的研究工作，开发了许多新产品，如高温轴流通风机，卡口式加热元件等等。 在提高产品的加热速度、改善炉温均匀性、提高退火产品质量、降低能耗和提高 退火炉的综合技术性能等方面取得了很好的效果。 在国内，退火炉的平均热效率为 58%，比工业发达国家的 80%约低 22 个百 分点。钢铁退火炉的容量一般为 1040 吨。通常，每年生产 1kt 钢铁需要配备 1520 吨的退火炉 1 台。铝材退火炉用的能源有电力，柴油，天然气，煤气。炉 型有批量的与连续式的，在板、带、箔材生产过程中退火工序是必不可少的，线 材的拉制也必须经过退火，高强度铝合金管、棒、型材的生产也需要退火。1998 年国内约有 860 台退火炉，其中现代化的空气循环批量退火炉约 180 台，80%集 中在钢铁企业。自 1985 年以后，全世界就没有建力连续式气垫退火炉，因为投 资大，同时现代化的强气流循环的大型批量退火炉在技术上完全能满足生产要求， 而且单位产品的能耗也低一些。 1.3 本文的研究的主要内容 本系统设计的是一个基于单片机的退火炉自动控制系统，根据需要选择单片 机为系统的控制核心，对退火炉的温度、流量实时监控。利用温度传感器及信号 处理单元将检测到的温度进行处理后传到主控电路上，再经过主控电路处理之后 送到显示单元显示，同时与给定的温度值进行比较,。当到达预定的设定退火温度， 便停止供给燃料，既停止加热。通过控制天然气与空气的混合气体的流量（即阀 门开度）来控制退火炉的温度高低。 本文提出的退火炉以天然气为燃料，炉温采集系统采用 N 型镍铬硅镍硅热 电偶为温度检测元件，利用热电偶测温电路及 A/D 转换器以获得较高的测温精度， 利用 AT89S52 单片机实现控制，同时采用大林算法进行控制。按键盘设定值、所 测温度值，自动进行温度控制，按程序设定温度曲线升温，并具有键盘输入及 LCD 显示功能。 本科生毕业设计（论文） 3 第 2 章 方案设计及论证 2.1 方案设计 本文设计的退火炉选用单片机进行控制。以天然气为燃料，炉温控制系统 采用 N 型镍铬硅镍硅热电偶热电偶为温度检测元件，利用热电偶测温电路及 A/D 转换器以获得较高的测温精度，利用 AT89S52 单片机实现控制，按键盘设定 值、所测温度值，自动进行温度控制，按程序设定温度曲线升温，并具有键盘输 入及 LCD 显示功能。系统所得的当前的输出控制量，则由 D/A 转换单元来完成 数/模转换所得到的模拟量来控制阀门开度，从而实现了炉温的自动控制过程。 本次设计基于单片机系统设计，本次设计的退火炉控制系统系统包括 6 大部 分，即核心控件（89S52 主控模块） ，复位电路，温度检测电路，按键电路， LCD 显示电路，报警电路。主控模块，具有控制功能，主要由 AT89S52 单片机 组成，是退火炉温度控制系统的核心。复位开关连接控制器的 RST 端，实现复位 控制。其系统结构图如图 2.1 所示： 图 2.1 退火炉系统框图 电源电路 温度传感器 A/D 转换器 LCD 显示电路 键盘电路 单片机 复位电路 晶振电路 D/A 转换器 电动调节阀 1压力传感器 1 压力传感器 2 电动调节阀 3 电动调节阀 2 本科生毕业设计（论文） 4 退火炉以天然气、空气混合气为辅助燃料，天然气和空气的比例为 3:2，炉 温的高低直接与混合气体的进给量有关，适当调节混合气体的进给量，即恰当地 控制混合气的阀门的开启角度就可以控制退火炉的温度高低。其工作原理是退火 炉温度 Tx 经传感器、变送器检测、变换的 T(t)值，与温度给定值 R(t)比较后，两 者的偏差值 Et(t)经单片机 D(z)分析、运算，输出相应的控制量，驱动执行机构 C，调节流量控制阀阀门 C 的开启角度，改变混合气的进给量，进而来控制退火 炉的温度。同时，应该考虑天然气与空气比例不是理想状态，所以设计两个流量 传感器对管道气体流量进行实时监测，通过大林算法进行调节，使其保持理想比 例。退火炉的结构框图如图 2.2 所示： 温度设定值 - R(t) + 空气 图 2.2 退火炉的结构框图 退 火 炉 温度变送器温度传感器 控 制 器 D(z) 执行机构 C3 执行机构 C1 天然气 执行机构 C2 流量传感器 1 流量变送器 1 流量传感器 2 流量变送器 2 本科生毕业设计（论文） 5 2.2 方案论证 方案一：采用最少拍控制原理：在采样控制系统中，通常把一个采样周期 称作一拍。在典型输入信号作用下，经过最少拍，使输出量采样时刻的数值能完 全跟踪参考输入量的数值，跟踪误差为零的系统称为最少拍系。系统控制原理框 图如图 2.3 所示： 图 2.3 系统控制原理图 “温度”的表现，可以用纯滞后一阶惯性环节来描述，即 （2- 1 ( )( )*( )*1 1 s cc Ke G sG sD s s 1） 式中： 煤气退火炉的传递函数；）（sGc D(s) 比例环节取 1； K比例系数； 纯滞后时间； 时间常数。 1 设传递函数为 （2- 11 . 0 10 ss sGC 2） 采样周期 T=0.1s，零阶保持器为 D(s) B(s) Gh(s)Go(s) - G(s) C(s) E(z) U(z) E(s) G(z) R(z) R(s) C(z) 本科生毕业设计（论文） 6 （2- s e sH Ts 1 )( 3） 系统广义对象的脉冲传递函数为 ： （2-4） )3679 . 0 1)(1 ( )11 . 0 1 (9 ) 11 . 0( 101 11 11 zz zz sss e ZzG Ts 本科生毕业设计（论文） 7 方案二：大林算法的设计目标是设计一个合适的数字控制器，使整个闭环系 统的传递函数相当于一个带有纯滞后的一阶惯性环节，即通常认为对象与一个零 阶保持器相串联。系统控制框图如图 2.4 所示： - -T(c) T(c) T(x) 温度设定值 + R（t） 图 2.4 系统控制原理图 采用“温度”的表现，可以用纯滞后一阶惯性环节来描述，即 （2-5） 1 ( )( )*( )*1 1 s cc Ke G sG sD s s 式中： Gc(s) 煤气退火炉的传递函数； D(s) 比例环节取 1； K比例系数； 纯滞后时间； 1时间常数。 与一个零阶保持器串联时，系统广义被控对象的脉冲传递函数为： （2-6） 1 1 / 1 / 1 1 ( ). 1. T N T e G zKz ez 含纯滞后的一阶惯性环节的大林计算式为： （2-7） 1 1 /1/ /1/1 (1)(1) ( ) (1)1(1) TT c TTTN eze D Z Keezez 若令： （2-8） 1 / 0 / 1 (1) T T e a Ke （2-9） 11 1 /( / ) 1 / (1) TTT T ee a Ke D(s)Gc(s) H（s ） 89S52 单片机 D(z) 温度传感器 本科生毕业设计（论文） 8 （2- / 1 T be 10） （2-11） / 2 1 T be D(z)的简化表达式便为： （2-12） 1 01 11 12 ( ) 1 N aa z D z b zb z 式中： T采样周期； 1被控对象时间常数； 闭环系统时间常数； 设 K1，T1s ，3 ，11s ，N=1。 最后求得： （2- 1 12 0.6320.165) D(z)= 1 0.7170.283 z zz 13） 当对表达式中各项求 Z 变换后，可求出混合气流量调节器输出量( ) c Uz 的计算公式为：( ) c Uk （2- 1201 ( )(1)(1)( )(1) cccTT UkbUkbUkNa Eka Ek 14） 退火炉的温度控制具有升温速度快，惯性大，时变等特点。其升温，保温是 依靠其炉内的天然气空气混合燃烧来达到工艺要求的，降温则是依靠环境自然冷 却。炉温温度一旦超调就无法用控制手段使其降温，因此对于各个温度段控制的 主要控制目标就是超调量，超调量的失调会导致炉温控制不稳定，产品废品率高。 安全隐患大，所以对于此类的工业控制对象采用普通的 PID 控制很难保证小超调 或无超调，系统的振荡会严重影响产品质量。 通过方案比较，方案二的大林控制算法。因为大林算法具有专门针对大滞后 系统设计的算法，是运用于自动控制领域中的一种算法，是一种先设计好闭环系 统的响应再反过来综合调节器的方法。设计的数字控制器（算法）使闭环系统的 特性为具有时间滞后的一阶惯性环节，且滞后时间与被控对象的滞后时间相同。 此算法具有消除余差、对纯滞后有补偿作用等特点，达到良好控制效果。因此， 本设计选择方案二。 本科生毕业设计（论文） 9 本科生毕业设计（论文） 10 第 3 章 硬件电路设计 3.1 温度传感器的选择 本次毕业设计是对温度进行检测，而温度检测传感器元件有多种选择，常用 的有热电偶、热电阻以及其他温度传感器。由于热电偶可以将被测温度直接转换 成电势信号，便于远传、自动记录和实现自动控制，在工业中应用极为广泛。所 以，本系统采用热电偶传感器为温度检测元件。 本文设计要求的温度检测范围在 0+1000。由于所测的温度范围不同，所 选用的热电偶材料及型号也不尽相同，目前的热电偶传感器有：铂铑 10铂热电 偶，其可在 1100以下范围长期工作，符号 S；镍铬镍铝（硅）热电偶，测量 范围在-40+1200，符号 K 型；此外还有铂铑 13铂热电偶（R 型） ，镍铬硅 镍硅热电偶（N 型） ，测温范围为 0+1300，等等。 本系统采用 N 型热电偶为温度检测元件，N 型热电偶为廉金属热电偶，是一 种最新国际标准化的热电偶，测温范围为 0+1300，允差等级 A，而且 N 型热 电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度较高，稳定性和均匀性较好，抗氧化 性能强，价格便宜，不受短程有序化影响等优点满足控制系统设计要求。 工作原理：N 型热电偶的电极由两根不同导体材质组成。当测量端与参比端 存在温差时，就会产生热电势，工作仪表便显示出热电势所对应的温度值。 N 型热电偶主要技术参数：测量范围() 0-1300；允差等级 A；分度号 N； 外形尺寸(mm)不限；热响应时间(s)90；联接型式多种可选择。WRM-130 型 N 型 镍铬硅镍硅热电偶传感器实物图如图 3.1 所示： 图 3.1 WRM-130 型 N 型镍铬硅镍硅热电偶传感器实物图 本科生毕业设计（论文） 11 热电偶测量温度时要求其冷端（测量端为热端，通过引线与测量电路连接的 端称为冷端）的温度保持不变，其热电势大小才与测量温度呈一定的比例关系。 若测量时，冷端的（环境）温度变化，将影响严重测量的准确性。在冷端采取一 定措施补偿由于冷端温度变化造成的影响称为热电偶的冷端补偿。本系统采用的 冷端补偿电路如图 3.2 所示： 图 3.2 热电偶冷端补偿电路 3.2 气体流量传感器的选择 本次毕业设计需要对燃气和空气进行配比，保证理想比例，所以需要对气体 流量进行检测。热式气体流量计采用热扩散原理，热扩散技术是一种在苛刻条件 下性能优良、可靠性高的技术。其典型传感元件包括两个热电阻（铂 RTD） ，一 个是速度传感器，一个是自动补偿气体温度变化的温度传感器。当两个 RTD 被 置于介质中时，其中速度传感器被加热到环境温度以上的一个恒定的温度，另一 个温度传感器用于感应介质温度。流经速度传感器的气体质量流量是通过传感元 件的热传递量来计算的。气体流速增加，介质带走的热量增多。使传感器温度随 之降低。为了保持温度的恒定，则必须增加通过传感器的工作电流，此增加的部 12345678 A B C D 87654321 D C B A Title NumberRevisionSize A3 Date:9-May-2013 Sheet of File:C:UsersAdministratorDesktop30传传 - 传传 - 传传.DDBDrawn By: Rs 2K R51K Rcu 1KR71K R61K VCC R2 1K R3 1K R4 1K 传传传 本科生毕业设计（论文） 12 分电流大小与介质的流速成正比。 QZL 系列热式气体质量流量计既可进行气体流量计量工作,也可用于过程控 制领域。它引进美国先进技术生产，无须温压补偿，直接测出流体的质量流量。 它的突出特点是：没有可动部件；压力损失小；量程比宽；精度高；可靠性高； 安装简单，操作方便。可以在所有领域全面替代孔板和差压式流量计。 特别是 计量精确，不受压力及环境温度变化的影响，属更新换代产品。 技术参数 测量范围：（0.0580）Nm/s（标准状态为 20，101.33KPa） 温度范围：环境温度：-40+60 介质温度：-10+200 准 确 度：1%的读数；0.5%满量程 重 复 性：0.5%的满量程 输 出：瞬时流量 4-20mA DC 最大负载 600,RS232,RS485 机械连接：3/4 NPT 不锈钢紧固件 探杆长度：800mm（此长度为标准长度，特殊请声明） 探杆直径：18mm 工作压力：1.6MPa 现场显示：（LED）上排为瞬时流量每行 4 个字符，下排为累积流量每行 8 个字符，可以按英制或公制单位显示流量、累积流量。 数据保护: 累计量保存在 EEROM 内， （断电可保存百年） 传感器及管线表体材料:316L（可选哈氏合金 C） 防护等级：IP65 变送单元：选择防爆封装。 QZL系列热式气体质量流量计如图3.3所示： 本科生毕业设计（论文） 13 图 3.3 QZL 系列热式气体质量流量计实物图 本科生毕业设计（论文） 14 3.3 阀门的选择 本次设计的温度控制是通过单片机输出的信号控制阀门开度来控制燃气和 空气的流量，从而实现对温度的控制。单片机经过 D/A 转换输出 010V 电压， 所以，需要选择线性阀门，而且接收范围也是 010V 电压。 电动调节阀是工业自动化过程控制中的重要执行单元仪表。通过接收工业自 动化控制系统的信号（如：420mA）来驱动阀门改变阀芯和阀座之间的截面积 大小控制管道介质的流量、温度、压力等工艺参数。实现自动化调节功能。 电动调节阀一般包括驱动器，接受驱动器信号（010V 或 4-20mA）来控制 阀门进行调节，也可根据控制需要，组成智能化网络控制系统，优化控制实现远 程监控。 技术参数： 电源电压：AC220V 50Hz 作用模式：电开式（K）型、电闭式（B）型 流量特性：直线、等百分比 允许泄漏量（L/h）硬密封：10-4阀的额定容量；软密封： VI级 适用介质：水蒸汽油品类气液体 工作温度范围：-30+250 ZDLW电子式电动调节阀如图3.4所示： 图 3.4 ZDLW 电子式电动调节阀实物图 本科生毕业设计（论文） 15 3.4 A/D 转换器的选择 A/D转换器采用A/D转换芯片，其中A/D转换器用于实现模拟量数字量的转换， 单电源供电。本设计中，要求精度达到1%，则选用分辨率为12位的芯片，本设计 选用12位A/D转换器AD574。AD574A是美国模拟数字公司（Analog）推出的单片 高速12位逐次比较型A/D转换器，内置双极性电路构成的混合集成转换显片，具 有外接元件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能， 只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器，其主要功能特性如下： 分辨率：12位 非线性误差：小于1/2LBS或1LBS 转换速率：25us 模拟电压输入范围：010V和020V，05V和010V两档四种 电源电压：15V和15V 数据输出格式：12位/8位 芯片工作模式：全速工作模式和单一工作模式 AD574A的CE和A0对其工作状态的控制过程。在CE=1、=0同时满足时， AD574A才会正常工作，在AD574处于工作状态时，当=0时A/D转换，当=1是进 行数据读出。和A0 端用来控制启动转换的方式和数据输出格式。A0-0时，启动 的是按完整12位数据方式进行的。当A0=1时，按8位A/D转换方式进行。当=1， 也即当AD574A处于数据状态时，A0和控制数据输出状态的格式。当=1时，数据 以12位并行输出，当=0时，数据以8位分两次输出。而当A0=0时，输出转换数据 的高8位，A0=1时输出A/D转换数据的低4位，这四位占一个字节的高半字节，低 半字节补零。AD574A/D 转换器如图3.5所示： 图 3.5 AD574 A/D 转换器实物图 本科生毕业设计（论文） 16 3.5 D/A 转换器的选择 本设计的控温精度要求3,所以选择 12 位 D/A 转换器来保证其精度。 DAC8420 是 AD 公司生产的四路输出 12 位 DAC。该 DAC 具有高速串行接口， 而且功耗很低，能广泛应用于伺服系统控制、过程自动化控制及 ATE 中。其主 要特点如下： 可选择单极或双极模式； 复位后，输出置或置中间值； 电源选择广泛，单+5V15V 均可； 采用 16 脚 PDP、ICERDIP 或 SOIC 封装。 DAC8420 的引脚功能： DAC8420 的引脚排列如图 3.6 所示： 图 3.6 DAC8420 的引脚图 各引脚功能及使用说明如下： VDD：正电源，范围为+5V15V； VSS：负电源,范围为 015V； GND：数字地。 CLK：系统串行时钟输入，逻辑上与 CS 信号相或。在时钟上升沿，由 SDI 输入的串行数据将进入 DAC 内部的串/并转换寄存器。 CLR：异步清除,低有效。可用于将内部寄存器 A 到 D 置 O 或者置为中间值 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:10-May-2013Sheet of File:C:UsersAdministratorDesktop30传传 - 传传 - 传传.DDBDrawn By: VRFEHI 5 VRFELO 4 GND 9 VOUTA 7 VOUTB 6 VOUTC 3 VOUTD 2 VDD 1 CLSEL 16 CLR 15 LD 14 NC 13 CS 12 CLK 11 SDI 10 VSS 8 DAC8420 本科生毕业设计（论文） 17 （具体由 CLSEL 决定） 。但数据在转换寄存器时不受该控制信号的影响。 CLSEL：该端为低时，CLR 将寄存器 A 到 D 置 O；为高时，CLR 将其置为 中间值； CS：片选信号，低有效。与 CLK 信号相或。 LD：异步 DAC 寄存器载入控制，低有效。在 LD 的下降沿，串行输入寄存 器里面的数据将移到寄存器 AD。当 LD 为低时，输入数据必须保持稳定。 SDI：串行数据输入。在输入的 16 位数据中，头两位 A1、A2 用于选择寄存 器 AD，后 12 位 D11D0 是具体数值，输入的数据先进入 DAC 内部的串/并转 换寄存器。注意，当 CS 为高时，该数据无效。具体的数据输入格式如下： VREFHI：参考电压高值端，取值范围是 VDD-2.5VVREFLO+2.5V； VREFLO：参考电压低值端,当输入为 O 时，输出为 VREFLO，取值范围为 VSSVREFHI-2.5V。 VOUTAVOUTD：电压输出端。 DAC8420 D/A 转换器实物图如图 3.7 所示： 图 3.7 DAC8420 D/A 转换器实物图 3.6 单片机的选择 目前单片机种类很多，如何选择性价比最低、开发容易、开发周期最短的产 品，是工程师考虑的主要问题之一。目前我国销售的主流 MCU 产品有 8051、PIC、MCP430、STC、AVR 等系列的单片机。 本毕业设计采用的单片机为 AT89S52。因为 AT89S52 是一个低功耗、高性 能的 CMOS 8 位单片机, 片内饿含 8 KB 的可反复擦写的只读存储器和 256 B 的 随机存储器(RAM)，器件采用 ATMEL 公司的高密度，非易失性存储技术生产， 兼容 MCS- 51 标准指令系统，片内配置通用 8 位中央处理器和存储单元。 AT89S52 有 40 个引脚，32 个外部双向输入/输出(I/O)端口，同时内含 2 个外部中 断，3 个 16 位可编程定时/计数器，2 个全双工串行通信口，2 个读写端口， AT89S52 可以按常规方法进行编程也可以在线编程。其丰富的片内存储、内外中 本科生毕业设计（论文） 18 断和 I/O 等资源，可以充分满足系统的设计及未来的扩展要求。为了下载及存储 记录数据的方便采取 AT89S52 的单片机。 AT89S52 有 PDIP、PQFP/TQFP 及 PLCC 等三种封装形式，以适应不同产品 的需求。 主要功能特性：兼容 MCS51 指令系统 、8k 可反复擦写(1000 次）Flash ROM 、32 个双向 I/O 口 、256x8bit 内部 RAM、3 个 16 位可编程定时/计数器中 断、时钟频率 0-24MHz、2 个串行中断、可编程 UART 串行通道、2 个外部中断 源、共 6 个中断源 、2 个读写中断口线、3 级加密位、低功耗空闲和掉电模式。 AT89S52 的单片机实物图如图 3.8 所示： 图 3.8 AT89S52 的单片机实物图 3.7 温度检测电路的设计 由于退火炉的温度检测需要检测退火炉内平均温度，所以前端热电偶检测电 路选择热电偶平均温度测温电路。热电偶平均温度测温电路一般采用热电偶并联 的方法，如下图所示。输入放大器的两端毫伏值为三个热电偶输出热电动势的平 均值，即 E=（E1+E2+E3)/3，如三个热电偶均工作在特性曲线的线性部分时，则 代表各点温度的算术平均值，为此，每个热电偶需要串联较大电阻。本电路中分 别串联 1K 电阻。 热电偶检测来的平均温度经过之后的滤波电路进入仪用放大器进行放大，放 大后的信号为传入 A/D 转换器进行模/数转换，转换后送入单片机。完成温度检 测功能。 本科生毕业设计（论文） 19 温度检测电路如图 3.9 所示： 图 3.9 温度检测电路 3.8 复位电路的设计 AT89S52 单片机在启动运行时或者出现死机时需要复位，使 CPU 及其他功 能部件处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。为了保证系统可靠复 位，在设计复位电路时，一般使 RST 引脚保持 10ms 以上的高电平，单片机便可 以可靠地复位。当 RST 从高电平变为低电平以后，单片机从 0000H 地址开始重 新执行程序。可通过按键实现复位，按下键后，RST 端产生高电平。按键的时间 决定了复位的时间。AT89S52 单片机按键式复位电路如图 3.10 所示： 图 3.10 复位电路 12345678 A B C D 87654321 D C B A Title NumberRevisionSize A3 Date:9-May-2013 Sheet of File:C:UsersAdministratorDesktop30传传 - 传传 - 传传.DDBDrawn By: C10 22uF RESET R180.1K R191K VCC 12345678 A B C D 87654321 D C B A Title NumberRevisionSize A3 Date:9-May-2013 Sheet of File:C:UsersAdministratorDesktop30传传 - 传传 - 传传.DDBDrawn By: Rs 2K C6 0.1uF C5 2.2uF Rp1 100K R8 100K R9 100K Rp2 100K R12 10K R11 100K R10 100K R14 100K R15 100K R13 10K +5V +5V -5V A R51K Rcu 1KR71K R61K VCC R2 1K R3 1K R4 1K 5 6 7 U1B LM324 5 6 7 U2B LM324 5 6 7 U3B LM324 传传传 本科生毕业设计（论文） 20 3.9 晶振电路的设计 晶振电路为系统提供基本的时钟信号。本设计晶振频率为 12MH。经过单片 机内部分频出来的频率为 2MH 它结合单片机内部电路产生所需的时钟频率，单 片机晶振提供的时钟频率越高，单片机运行速度就越快，单片接的一切指令的执 行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。晶振电路如图 3.11 所示： 图 3.11 晶振电路 3.10 电源电路的设计 本设计需要两个电源，分别为 5V 和 15V 电源。所以使用 CW7805、CW7815 三端固定正集成稳压器，使电源参输出电压稳定在+5V，输出电流在 1.5A。该器 件内部设置有过热保护和调整管安全工作区保护电路。内部电路采用噪声低，温 度漂移小的带隙基准源结构，可确保使用安全。是该三端温雅电源的电路图，图 中的 C1，C2 主要用来消除可能产生的高频寄生振荡。在稳压输出方面效果极佳。 电源电路图如图 3.12 所示： 图 3.12 电源电路 12345678 A B C D 87654321 D C B A Title NumberRevisionSize A3 Date:29-Apr-2013Sheet of File:C:UsersAdministratorDesktop29传传.DDBDrawn By: 12M C11 22pF C12 22pF XT1 XT2 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:10-May-2013Sheet of File:C:UsersAdministratorDesktop30传传 - 传传 - 传传.DDBDrawn By: C2 0.01uF C3 0.01uF R1 0.5K VCC C4 100uF C1 2200uF Vin 1 GND 2 Vout 3 7805 5V传传传传 D2 LED T1 1 2 3 4 D1 220V9V C9 0.33uF C10 0.1uF R30 1.5K 15V C11 100uF C8 470uF Vin 1 GND 2 Vout 3 7815 15V传传传传 D4 LED T1 1 2 3 4 D4 220V18V 本科生毕业设计（论文） 21 3.11 8255 扩展 I/O 口的设计 8255 是 Intel 公司生产的可编程并行 I/O 接口芯片，有 3 个 8 位并行 I/O 口。 具有 3 个通道 3 种工作方式的可编程并行接口芯片（40 引脚） 。 其各口功能可由 软件选择，使用灵活，通用性强。8255 可作为单片机与多种外设连接时的中间接 口电路。8255 作为主机与外设的连接芯片，必须提供与主机相连的 3 个总线接口， 即数据线、地址线、控制线接口。同时必须具有与外设连接的接口 A、B、C 口。 由于 8255 可编程,所以必须具有逻辑控制部分，因而 8255 内部结构分为 3 个部分： 与 CPU 连接部分、与外设连接部分、控制部分。 1）与 CPU 连接部分 根据定义，8255 能并行传送 8 位数据，所以其数据线为 8 根 D0D7。由于 8255 具有 3 个通道 A、B、C，所以只要两根地址线就能寻址 A、B、C 口及控制 寄存器，故地址线为两根 A0A1。此外 CPU 要对 8255 进行读、写与片选操作， 所以控制线为片选、复位、读、写信号。各信号的引脚编号如下： （1）数据总线 DB：编号为 D0D7，用于 8255 与 CPU 传送 8 位数据。 （2）地址总线 AB：编号为 A0A1，用于选择 A、B、C 口与控制寄存器。 （3）控制总线 CB：片选信号、复位信号 RST、写信号、读信号。当 CPU 要对 8255 进行读、写操作时，必须先向 8255 发片