电加热炉温度控制硬件系统设计 精品.doc

题 目：电加热炉温度控制硬件系统设计 绪论随着微电子技术和微型计算机的迅猛发展，微机测量和控制技术以其逻辑简单、控制灵活、使用方便及性能价格比高的优点得到了广泛的应用。它不仅在航空、航天、铁路交通、冶金、电力、电讯、石油化工等领域得到了广泛应用，而且在日常生活中诸如电梯、微波炉、电冰箱、电视机等高科技产品中也有广阔的使用前景，为工业生产的自动化、智能控制奠定了坚实的技术基础。加热炉作为一种应用广泛的热工设备之一。尽管它使用的加热方法不同， 或工艺要求不同，温度有高低、精度也有差异，但作为被控参数之一的温度总是可用不同的测温元件和方法来获得，并通过微型计算机加以处理和控制，并按一定温度曲线工作，以满足生产需要。本课题的研究现状和研究意义：电加热炉以其无污染、操作方便、自动化程度高、可调范围大、节省基建投资等诸多优点逐渐受到人们的欢迎。但这其中对温度的控制上不是很理想，温差大、温度控制精度不准确 。针对这一情况。本将介绍一种应用单片机对电热加热炉进行智能控制的温度系统。 一般的电加热炉温度控制系统（如温度控制表控制接触器）的主要缺点是温度波动范围大。传统的以普通双向晶闸管(SCR) 控制的高温电加热炉采用移相触发电路改变晶闸管导通角的大小来调节输出功率, 达到自动控制电炉温度的目的。这种移相方式输出一种非正弦波, 实践表明这种控制方式产生相当大的中频干扰, 并通过电网传输, 给电力系统造成“公害”。他们的工作多数是采用PID及改善的PID控制规律进行的。但是，PID控制算法也有它的局限性。尤其在离散系统中，采用周期较大或对象具有较大时滞特性时，控制效果不是很理想。本的研究意义是怎么用51系列单片机作为控制器去实现温度控制，达到需要的工业要求，实现起温度控制的作用，达到工作稳定、性能可靠。利用热电偶的冷端补偿采用铂电阻温度传感器，测量标准，克服了常规方法补偿误差大的缺点，该系统具有软启动、程序升温、键盘输入、显示打印等功能，使温度控制为误差达到5，调节温度的超调量小于30%，实时显示炉内温度，记录温度变化的过程。单片机在电子产品中的应用已经越来越广泛，在很多的电子产品中也用到了温度检测和温度控制。随着温度控制器应用范围的日益广泛和多样性，各种适用于不同场合的智能温度控制器应运而生。在科研、生产中，常常需要对某些系统进行温度的监测和控制。需检测和控制的温度系统一旦确定，其热惯性大小和散热等各项硬件条件就确定了。这时，影响系统热平衡的因素主要有：系统温度T、设定温度Ta、系统周围的环境温度Ts 以及加热方式和调节方法。目前已有的实现温控的方法有很多种，如：恒温法、比例式、积分式及其组合的调节方法等等，其中有的方法达到热平衡需要的时间很长，但是其控温精度很高，而有的是达到热平衡的时间短，但其控温精度却不够高。本文介绍如何用单片机模型来实现系统温度的自动控制。用这种方法控温，使整个系统灵活、可靠性高，系统达到热平衡较快，而且精度也比较高，融合了前面列举方法的优点，而且更加简单方便。“单片机模型法”是根据设计需要建立模型曲线，再根据模型曲线各阶段的特点，选择相应的加热模式，然后通过软件设计实现温度的自动调节。的目的、内容及研究方向：温度是工业对象中主要的被控参数之一，象冶金、机械、食品、化工各类工业中，广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等，对工件的处理温度要求严格控制，计算机温度控制系统使温度控制指标得到了大幅度提高。电阻炉炉温控制系统的控制过程是：单片机定时对炉温进行检测，经A/D转换芯片得到相应的数字量，经过计算机进行数据转换，得到应有的控制量，去控制加热功率，从而实现对温度的控制。电加热炉是一个非线性的、时变的、分布参数的复杂被控对象。要实现其最优控制，必须建立被控对象的数学模型，然后求取相应的控制器方程，例如自适应控制、随机最优控制、预测控制、解耦控制和变结构控制等。这类控制方法由于数学工具深奥，算法复杂，现场工程师难以理解和接受，因而这些先进控制算法的推广受到制约。人们在实践中知道，许多复杂的生产过程难以实现目标控制，但是熟练的操作工、技术人员和专家操作自如，而不要建立什么数学模型，就可以得到比较满意的控制效果。设想把这些专家的经验和知识总结起来赋予计算机，让计算机参与生产过程控制，这类系统一般称为智能控制系统，它包含专家控制、模糊控制和神经网络控制。本文就没有建立电加热炉的数学模型，而直接采用算法简单、效果好的单神经元自适应PID智能控制算法和单神经元自适应PSD智能控制算法。与传统PID控制算法相比，智能控制算法具有计算量小、控制器结构简单、静动态性能指标好的特点，有较高的实用价值和理论价值。在普通的电加热炉是一种常见的设备。在其控制系统中，温度控制是其中的关键部分，目前国内电加热炉普遍采用PID模拟控制算法，而这种算法一般温差大，很难保证温度控制在5，本的目的的怎么用51系列单片机去实现此功能。温度是工业控制对象中的主要被控参数，特别是在冶金、化工、机械、检定计量等领域，广泛的使用着各种加热炉、热处理等，所采用的加热方法及燃料也不相同，但就温度控制系统本身而言，均属于一阶纯滞后环节，本介绍的温度控制系统，是对电加热炉的改良，它能与PC机及数据采集器一起构成对炉温的多点控制及热电偶的自动检测主要技术指标有：电加热炉温度加热范围：1500，施加电压范围：0-220V相AC或DC，加热方式：电阻丝直接加热，炉内容积：0.30.250.3M3，最大功率：4KW。使用电加热炉其主要优点是：(1)污染小；(2) 能量转化率高；(3) 可以完全实现智能化无人操作；(4) 占地面积及空间小，锅炉房造价低；(5) 安全性能好；这些同时也是本的内容及其研究方向。 1. 电加热炉温度单片机控制系统总体方案设计在本章中主要介绍了系统的设计原则和总体方案及系统概述等。1.1 系统的设计原则1(1)安全可靠首先要选用高性能的AT89C52单片机，保证在恶劣的工业环境下能正常运行。其次是设计可靠的控制方案，并具有各种安全保护措施，如报警、事故预测、事故处理和不间断电源等。(2)操作维护方便操作方便表现在操作简单、直观形象和便于掌握且不强求操作工要掌握计算机知识才能操作。(3)实时性强选用高性能的8031单片机的实时性，表现在内部和外部事件能及时地响应，并做出相应的处理。(4)通用性好系统设计时应考虑能适应不同的设备和各种不同设备和各种不同控制对象，并采用积木式结构，按照控制要求灵活构成系统。主要表现在两个方面：一是硬件板设计采用标准总线结构（如PC总线），配置各种通用的模板，以便扩充功能时，只需增加功能模板就能实现；二是软件功能模块或控制算法采用标准模块结构，用户使用时不需要二次开发，只需各种功能模块，灵活地进行控制系统组态。(5)经济效益高1.2 系统总体方案设计和工艺要求2(1)确定系统的性质和结构 (2)确定系统的构成方式(3)现场设备选择(4)确定控制策略和控制算法(5)硬件、软件的功能划分(6)系统总体方案系统的主要功能、技术指标、原理性方框及文字说明。系统的硬件结构几配置，主要软件的功能、结构框图。保证性能指标要求的技术措施。抗干扰性和可靠性设计。 (7)工艺要求设定出口温度、实际测量的出口温度、入口温度数码管显示。调节温度的超调量小于30%。 实现温度闭环控制，控制温度误差范围5。实时显示炉温内温度，记录变化过程。温度范围：0 1500。供电电压：交流220V 。 1.3 系统概述一般的电加热炉控制系统（如温度控制表控制接触器）的主要缺点是温度波动范围大。由于它重主要通过接触器的通断时间比例来达到该表加热功率的目的，受仪表本身误差和交流接触器的寿命限制，通断频率很低，故温度控制精度低，单片机脉宽调温闭环系统以8031单片机作为该控制系统的核心，采用脉冲调宽技术，双向可控硅输出，工作稳定、性能可靠。热点偶的冷端补偿采用热电阻温度传感器，测量准确，克服了常规方法补偿误差大的缺点。该系统具有软启动、程序升温、键盘输入、显示打印等功能，使温度控制稳态误差精度达5。1.3.1 系统的总体结构和框架图3过程计算机控制系统的设计过程分为总体设计、硬件设计、软件设计和系统调试四个部分。在进行控制系统设计前，应该首先考虑对控制对象进行深入的调查和分析，并熟悉工艺流程，根据生产中提出来的问题，确定系统所需要完成的任务。然后写出论证，选择控制方案，控制方案的好坏，直接影响控制效果、系统投资和系统的经济效益。用单片机实现的电加热炉温度控制系统如下:图1-1 系统的结构框架图(1)键盘输入系统，主要用于预置温度的输入，修改个其他功能操作。(2)温度传感器，采用高精度热电偶检测老炉温信号。 (3)中心控制单元，主要由微处理器（8031单片机）、片外存储器和接口电路组成，担负数据的比较、运算、内外部中断处理以及驱动外设的任务。(4) 功率放大电路，采用大功率双向可控硅控制加热炉的温度。 (5)过零检测电路，双向可控硅过零触发电路，以往通过控制双向可控硅导通角来改变流过可控硅的电流，从而改变输出功率。(6)键盘显示器，本系统键盘/显示器接口采用8279芯片。8279用硬件完成键盘与显示器扫描。(7)本系统用其“看门狗”功能和对主电源Vcc的监视功能。本系统温度控制范围为01500；控制精度高，控制温度误差范围5；调节温度的超调量小于30%；最大功率：4KW；炉内容积：0.30.250.3M3。1.3.2 系统的基本工作原理4工作原理：炉温控制程序及温度与热电偶电势之间的对于关系表存放在EPROM2746中，双向可控硅采用过零触发方式。触发脉冲由过零同步脉冲形成电路提供。在每个工作周期T内的工作占空比与单片机输出的门控脉冲信号决定。键盘与显示器用于各种参数的设置和显示。热电偶与放大器将被测温度转换成热电势信号并放大，再由A/D转换器换成相应的数字量供单片机识别处理。单片机每隔一定时间要启动一次A/D转换、采样一次现场温度，将温度数据与给定温度W进行比较，得到温差，再根据偏差的大小和正负，通过PID控制算法送出1个相应脉冲，让一定数量的触发脉冲在高电平上通过控制门去触发可控硅，送入8031，通过键盘显示来去控制温度。同时反应炉温的热电偶的电势，经冷端补偿后送运算放大器放大，其电压范围为010V，将此电压经多路开关CC4051送入12位A/D转换器后，计算机通过数据口获得相应的表征炉温的数字量。该数字量经数字滤波、线性化处理以及标度变换后，一方面通过LED显示炉温，另一方面当采样周期到达时，与设定温度进行比较，再做PD/PID运算；根据运算结果。计算机通过I/O口改变控制脉冲宽度，从而改变双向可控硅在一个固定的控制周期T内导通的时间（或交流电的周波数），即改变电加热炉的平均输入功率，以此达到控温的目的。本系统的功能主要有数据采集、数据处理、输出控制。能对01500C范围内的各种电加热炉的温度进行精密测量，同时，四位LED显示器直接跟踪显示被控对象的温度值，准确度高，显示清晰，稳定可靠，使用方便（在具体设计编程、调试过程中，为了调试方便，编程把温度范围设在01500C。 数据采集部分能完成对被测信号的采样，显示分辨率1C，测量精度1C ，控制精度1C，可以实现采集信号的放大及A/D转换，并自动进行零漂校正，同时按设定值、所测温度值、温度变化速率，自动进行FID参数自整定和运算，并输出010mA控制电流，配以主回路实现温度的控制。数据处理分为预处理、功能性处理、抗干扰等子功能。输出控制部分主要是数码管显示控制。 2. 温度控制硬件系统设计在本章中分块说了原理图的设计原则、芯片介绍，以及实现温度控制硬件系统的原理图，并做了分块仔细介绍。2.1 原理图的设计原则 原理图主要由设计、诊断与检查组成。 原理图的设计要符合以下几点要求： (1)原理图设计要符合项目的工作原理，连线要正确。 (2)图中所使用的元器件要合理选用，电阻，电容等器件的参数要正确标明。 (3)原理图要完整，CPU，外围器件，扩展接口，输入/输出装置要一应俱全。 原理图的设计、诊断与检查在Protel DXP软件环境下完成。系统设计完成后，进入印制板制作、器件焊接及软件编程阶段。在印制板设 计时，要仔细考虑印制板的面积、布局及连线长度，以减小对信号的延时和抗干 扰。对加工好的印制板还要进行仔细的检查，最后将器件、插座及元件等逐一焊 接在印制板上。2.2 芯片功能介绍在下面分别介绍了电路原理图中用到的芯片，如8031芯片、8279芯片、AD574A芯片等。2.2.1 8031芯片介绍58031单片机是Intel公司生产的MCS-51系列单片机中的一种，除无片内ROM外，其余特性与MCS-51单片机基本一样。 MCS-51单片机的引脚描述及片外总线结构。芯片的引脚描述：HMOS制造工艺的MCS-51单片机都采用40引脚的直插庾埃IP方式，制造工艺为CHMOS的80C51/80C31芯片除采用DIP封装方式外，还采用方型封装工艺，引脚排列如图。其中方型封装的CHMOS芯片有44只引脚，但其中4只引脚（标有NC的引脚1、12、23、34）是不使用的。在以后的讨论中，除有特殊说明以外，所述内容皆适用于CHMOS芯片。如图，是MCS-51的逻辑符号图。在单片机的40条引脚中有2条专用于主电源的引脚。2条外接晶体的引脚，4条控制或与其它电源 图2-1 8031芯片复用的引脚，32条输入/输出（I/O）引脚。图2-2 8031结构图下面按其引脚功能分为四部分叙述这40条引脚的功能。(1)主电源引脚VCC和VSS。VCC（40脚）接+5V电压；VSS（20脚）接地。(2)外接晶体引脚XTAL1和XTAL2。XTAL1（19脚）接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。当采用外部振荡器时，对HMOS单片机，此引脚应接地；对CHMOS单片机，此引脚作为驱动端。XTAL2（18脚）接外晶体的另一端。在单片机内部，接至上述振荡器的反相放大器的输出端。采用外部振荡器时，对HMOS单片机，该引脚接外部振荡器的信号，即把外部振荡器的信号直接接到内部时钟发生器的输入端；对XHMOS，此引脚应悬浮。(3)控制或与其它电源复用引脚RST/VPD、ALE/PROG、PSEN和EA/VPP。RST/VPD（9脚）当振荡器运行时，在此脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。推荐在此引脚与VSS引脚之间连接一个约8.2k的下拉电阻，与VCC引脚之间连接一个约10F的电容，以保证可靠地复位。 VCC掉电期间，此引脚可接上备用电源，以保证内部RAM的数据不丢失。当VCC主电源下掉到低于规定的电平，而VPD在其规定的电压范围（50.5V）内，VPD就向内部RAM提供备用电源。ALE/PROG（30脚）：当访问外部存贮器时，ALE（允许地址锁存）的输出用于锁存地址的低位字节。即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率周期性地出现正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。然而要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。ALE端可以驱动（吸收或输出电流）8个LS型的TTL输入电路。对于EPROM单片机（如8751），在EPROM编程期间，此引脚用于输入编程脉冲（PROG）。PSEN（29脚）：此脚的输出是外部程序存储器的读选通信号。在从外部程序存储器取指令（或常数）期间，每个机器周期两次PSEN有效。但在此期间，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。PSEN同样可以驱动（吸收或输出）8个LS型的TTL输入。EA/VPP（引脚）：当EA端保持高电平时，访问内部程序存储器，但在PC（程序计数器）值超过0FFFH（对851/8751/80C51）或1FFFH（对8052）时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序。当EA保持低电平时，则只访问外部程序存储器，不管是否有内部程序存储器。对于常用的8031来说，无内部程序存储器，所以EA脚必须常接地，这样才能只选择外部程序存储器。对于EPROM型的单片机（如8751），在EPROM编程期间，此引脚也用于施加21V的编程电源（VPP）。(4)输入/输出（I/O）引脚P0、P1、P2、P3（共32根）。P0口（39脚至32脚）：是双向8位三态I/O口，在外接存储器时，与地址总线的低8位及数据总线复用，能吸收电流的方式驱动8个LS型的TTL负载。P1口（1脚至8脚）：是准双向8位I/O口。由于这种接口输出没有高阻状态，输入也不能锁存，故不是真正的双向I/O口。P1口能驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。对8052、8032，P1.0引脚的第二功能为T2定时/计数器的外部输入，P1.1引脚的第二功能为T2EX捕捉、重装触发，即T2的外部控制端。对EPROM编程和程序验证时，它接收低8位地址。P2口（21脚至28脚）：是准双向8位I/O口。在访问外部存储器时，它可以作为扩展电路高8位地址总线送出高8位地址。在对EPROM编程和程序验证期间，它接收高8位地址。P2可以驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。P3口（10脚至17脚）：是准双向8位I/O口，在MCS-51中，这8个引脚还用于专门功能，是复用双功能口。P3能驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。作为第一功能使用时，就作为普通I/O口用，功能和操作方法与P1口相同。作为第二功能使用时，各引脚的定义如表所示。值得强调的是，P3口的每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入输出或第二功能。P3各口线的第二功能定义：口线引脚第二功能 P3.010RXD（串行输入口） P3.111TXD（串行输出口） P3.212INT0（外部中断0） P3.414T0（定时器0外部输入） P3.616WR（外部数据存储器写脉冲） P3.313INT1（外部中断1） P3.515T1（定时器1外部输入） P3.717RD（外部数据存储器读脉冲）2.2.2 8279芯片介绍6由80C51系列单片机构成的小型测控系统或智能仪表中，常常需要扩展显示器和键盘以实现人机对话功能。8279芯片在扩展显示器和键盘时功能强、使用方便。8279是Intel公司为8位微处理器设计的通用键盘/显示器接口芯片，其功能是：接收来自键盘的输入数据并作预处理；完成数据显示的管理和数据显示器的控制。单片机应用系统采用8279管理键盘和显示器，软件编程极为简单，显示稳定，且减少了主机的负担。 图2-3 8279数据缓冲器将双向三态8位内部数据总线D0D7与系统总线相连，用于传送CPU与8279之间的命令和状态。控制和定时寄存器用于寄存键盘和显示器的工作方式，锁存操作命令，通过译码器产生相应的控制信号，使8279的各个部件完成相应的控制功能。定时器包含一些计数器，其中有一个可编程的5位计数器（计数值在231间），对CLK输入的时钟信号进行分频，产生100 KHz的内部定时信号（此时扫描时间为5.1ms，消抖时间为10.3ms）。外部输入时钟信号周期不小于500ns。扫描计数器有两种输出方式：一是编码方式，计数器以二进制方式计数，4位计数状态从扫描线SL3SL0 输出，经外部译码器可以产生16位的键盘和显示器扫描信号；另一种是译码方式，扫描计数器的低两位经内部译码后从SL3SL0 输出，直接作为键盘和显示器的扫描信号。回送缓冲器、键盘消抖及控制完成对键盘的自动扫描以搜索闭合键，锁存RL7RL0的键输入信息，消除键的抖动，将键输入数据写入内部先进先出存储器（FIFO RAM）。RL7RL0为回送信号线作为键盘的检测输入线，由回送缓冲器缓冲并锁存，当某一键闭合时，附加的移位状态SHIFT、控制状态TL及扫描码和回送信号拼装成一个字节的“键盘数据”送入8279内部的FIFO（先进先出）RAM。 表2-1 表键盘的数据格式位76543210TLSHIFT扫描（闭合键行号）回送（闭合键行号）在传感器矩阵方式和选通方式时，回送线RL7RL0的内容被直接送往相应的FIFO RAM。输入数据即为RL7RL0。数据格式为：表2-2 数据格式位76543210RL7 RL6RL5RL4RL3RL 2RL1RL0FIFO/传感器RAM是具有双功能的88 RAM。在键盘或选通方式时，它作为FIFO RAM，依先进先出的规则输入或读出，其状态存放在FIFO/传感器RAM状态寄存器中。只要FIFO RAM不空，状态逻辑将置中断请求IRQ=1；在传感器矩阵方式，作为传感器RAM，当检测出传感器矩阵的开关状态发生变化时，中断请求信号IRQ=1。在外部译码扫描方式时，可对88矩阵开关的状态进行扫描，在内部译码扫描方式时，可对48矩阵开关的状态进行扫描。显示RAM用来存储显示数据，容量是168位。在显示过程中，存储的显示数据轮流从显示寄存器输出。显示寄存器输出分成两组，即OUTA0OUTA3和OUTB0OUTB3，两组可以单独送数，也可以组成一个8位的字节输出，该输出与位选扫描线SL0SL3配合就可以实现动态扫描显示。显示地址寄存器用来寄存CPU读/写显示RAM的地址，可以设置为每次读出或写入后自动递增。DB7DB0为双向外部数据总线 ； 为片选信号线，低电平有效； 和为读和写选通信号线；IRQ为中断请求输出线。RL7RL0为键盘回送线。SL3SL0为扫描输出线。OUTB3OUTB0、OUTA3OUTA0为显示寄存器数据输出线。RESET为复位输入线。 SHIFT为换档键输入线。TL/STB为控制/选通输入线。CLK为外部时钟输入线。为显示器消隐控制线图2-4 8279引脚8279是可编程接口芯片，通过编程使其实现相应的功能，编程的过程实际上就是CPU向8279发送控制指令的过程。在软件设计中，显示方式采用了8个字符显示，进入方式，编码扫描键盘，双键锁定。2.2.3 AD574A芯片介绍712位A/D转换器AD574/AD1674。D574A 是美国模拟器件公司生产的12位依次逼近型快速A/D转换器。转换速度最大为35us，转换精度0.05%，是目前我国市场应用最广泛、价格适中的A/D转换器。AD574A片内配有三态输出缓冲电路，因而可直接与各种典型的8位或16位的微处理器连接，而无须附加逻辑接口电路，且能与CMOS及TTL电平兼容。由于AD574A片内含高精度的参考电压源和时钟电路，这使它在不需要任何外部电路和时钟信号的情况下完成一切A/D转换功能，应用非常方便。(1)AD574A的内部结构与引脚功能8AD574A的内部结构主要由模拟芯片和数字芯片两片混合集成，其中模拟芯片就是该公司生产的AD565型快速12位单片机集成D/A转换器 芯片。数字芯片则包括高性能比较器、依次 比 图2-5 AD574A较逻辑寄存器、时钟电路、逻辑控制电路以及三态输出数据锁存器等。 AD574A的引脚如右上图：CS：片选信号，低电平有效。CE：芯片允许信号，高电平有效。只有CS和CE同时有效，AD574A才能工 作。RC读出或转换控制信号，用于控制ADC574A是转换还是读出。当为低电 平时，启动AD转换；当为高电平时，将转换结果读出。128：数据输出方式控制信号。当为高电平时，输出数据为12位；当为 低电平时，数据是作为两个8位字输出。A0转换位数控制信号。当为高电平是，进行8位转换，为低电平进行12位转换。REFOUT：+10 V基准电压输出，最大输出电流为15 mA。REFIN：参考电压输入。BIPOFFSET：双极性偏移以及零点调整。该引脚接0 V，单极性输入；接+10 V，双极性输 入。10 Vin： 10 V范围输入端，单极性输入0+10 V，双极性输入-5 V+5 V。20 Vin： 20 V范围输入端，单极性输入020 V，双极性输入-10 V10 V。DB11DB0：12位数字输出。STS：转换结束信号。转换过程中为高电平，转换结束后变为低电平。(2)AD574A的主要特点如下9 非线性误差：AD574AJ为1LSB；AD574AK为2LSB。 转换速度：最大转换时间为35us，属于中档速度。 输入模拟信号范围为0+10V，0+20V，也可以双极性5V或10V。 AD574A有两个模拟输入端，分别用于不同的电压范围：10Vin是适用于5V的模拟输如，20Vin适用于10V的模拟输入端。输出12位，即DB0DB11。 用不同的控制信号，即可以实现高精度的12位变换，又可以做快速的8位转换。转换后的数据有两种读出方式：12位一次输出；8位、4位分两次输出。设有三态输出缓冲器，可直接与8位或16位的微处理器接口。 需要三组电源：+5V，Vcc(+12 +15V)，Vee（-12V -15V）。由于转换精度高，所以提供电源必须有良好的稳定性，并加以充分滤波，以防止高频率噪声的干扰。 内设高精度的参考电压（10。00V）只需要外接一只适当阻值的电阻，便可向DAC部分的解码网络提供Iref，转换操作所需的时钟信号由内部提供，不需要任何元器件。 低耗型：典型功耗为3mW。AD574A为28引脚双列直插式封装，其引脚如图2-5所示。AD574A引脚介绍如下：Vl：数字逻辑部分电源+5V。12/8：数据输出格式选择信号引脚。当12/8=1（+5V）时，双字节输出，即12条数据线同时有效输出，当12/8=0（0V）时，为单字节输出，即只有高8为或低4为有效。CS：片选信号端，低电平有效。AO：字节选择控制线。在转换期间：AO=0时，高8位数据有效；AO=1时，低4位数据有效，中间4位为0，高4位为三态。因此当采用两次读出12位数据时，应遵循左对齐原则R/C：读数据/转换控制信号，当R/C=1时，ADC转换结果的数据允许被读取；当R/C=0时，则允许启动A/D转换。CE：启动转换信号，高电平有效。可作为A/D转换启动或读数据的信号。Vcc , Vee：模拟部分供电的正电源和负电源，为12V或15V。REF OUT：10V内部参考电压输出端。REF IN：内部解码网络所需要参考电压输入端。BIP OFF：补偿调整。接至正负可调的分压网络，以调整ADC输出的零点。10Vin、20Vin：模拟量10V及20V两程的输入端口，信号的一端接至AG引脚。DG：数字公共端（数字地）。AG：模拟公共端（模拟地）。它是AD574A的内部参考点，必须与系统的模拟参考点相连。为了在高数字噪声含量的环境中从AD574A获得高精度的性能，AG和DG在封装时已连接在一起，在某些情况下，AG可在最方便的地方与参考点相连。DB0 DB11：数字量输出。STS：输出状态信号引脚。转换开始时，STS达到高电平，转换过程中保持高电平。转换完成时返回低电平。STS可以作为状态信息被CPU查询，也可以用它的下降沿向CPU发中断信号申请。通知A/D转换已完成。CPU可以直接读取转换结果。(3)AD574A的应用特性及校准 AD574A控制信号的功能及应用特性。AD574A的工作状态由CE、CS、R/C、12/8、A0五个控制信号决定，这些控制信号的组合控制功能如表所示： 表2-3 AD574A控制信号的组合功能CECSR/C12/8A0A工作状态01111110000000111接1脚（+5V）接地接地0101禁止禁止启动12位转换启动8位转换12位并行输出有效高8位并行输出有效低4位加上尾随4个0有效由上表可见，当CE=1，CS=0同时满足时，AD574A才能处于工作状态。当AD574A处于工作状态时，R/C=0时启动A/D转换；R/C=1时进行数据读出。12/8和A0端用来控制转换字长和数据格式。A0=0时启动转换，则按完整的12位A/D转换方式工作，如果按A0=1启动转换，则按8位A/D转换方式工作。当AD574A处于疏忽读出工作状态（R/C=1）时，A0和12/8成为数据输出格式控制器。12/8=1，对应12位并行输出，12/8=0则对应8位双字节输出。其中A0=0时输出高8位。A0=1时输出低4位，并以4个0补足尾随的4位。必须指出12/8端与TTL电平不兼容，故只能用通过布线接至+5V或0V以上。另外A0在数据输出期间不能变化。如果要求AD574A以独立方式工作，只要将CE、12/8端接入+5V，CS和A0接至0V，将R/C作为数据读出和数据转换启动控制。当R/C=1时，数据输出端出现被转换后的数据，R/C=0时，即启动一次A/D转换。在延时0.5us后STS=1表示转换正在进行.经过一次转换周期Tc(典型值25us)后STS跳回低电瓶表示A/D转换完毕,可以从数据输出端读取新的数据。 AD574A的输入特性通过改变AD574A引脚8、10、12的外接点路，可使AD574A进行单极性和双极性模拟信号的转换，单极性转换电路如图所示，其系统模拟信号的地线应与引脚9相连，使其地线的接触电阻尽可能小，双极性转换电路如图所示。单极性输入：图2-6 单极性输入双极性输入： 图2-7 双极性输入在上面两个图中，电位器RP1用于调节零点，电位器RP2用于调节增益（满量程），模拟地AG和数字地DG要一点共地。2.2.4 其他主要芯片10(1) SN74LS138N译码器：将具有特定含义的输入代码换成相应的输出信号。译码器的功能：实现译码功能的逻辑电路。 图2-8 框图 图2-9 引脚排列信号：S1：高电平有效 表2-4 功能表S2 S3：低电平有效表达式：3-8译码器的功能表：(2)2764和74LS373 74LS373片内是8个输出带三态门的D锁存器，其结构图如下。当使能端G程 高电平时锁存器中的内容可以改变更新，而在返回低电平瞬间实现锁存。如此时芯片的输出控制端为OE低，即输出三态门打开，锁存器中的地址信息便可经由三态门输出。74LS373是带清除端CLR的8D触发器。它不带三态门，但CLR端为低时，8个D触发器中的内容将被清除而输出全零，所以正常工作时该端应接高电平。它在时钟端CLK输入为上升沿时触发器中的内容更新，因此单片机的ALE引脚应先经反相，再与该端相连接。经过我们对他们的分析最终我们采用74LS373。2764用做片外存储器。(3)DBWM 型热电偶 DBWM 型热电偶温度变送器是DDZ 一型系列DBW 热电偶温度变送器的改进型产品。本仪表与各种不同型号的热电偶配套使用，将被测温度线性地转换成统一的标准信号4 20mA DC 及 1 5V DC 输出供给指示记录仪，摸拟调节器，可编程数字调节器，分散系统及工业过程控制机使用。本仪表采用四线制连接方式，由于在电路上采用了高性能的功能模块结构方式，使整机结构紧凑，体积缩小，重量轻安装调校简单，维护工作量小。且具有断偶报警功能（输入信号大于5V 或小1V）。主要技术指标和如图形状：输入信号：各档热电势（适配于各种型号热电偶）输出信号：15V DC；420mA DC输出信号：负载电阻：0500工作条件：环境温度：540相对湿度：1O75%供电电源：24V1.2V DC周围空气中不含有腐蚀性气体消耗功率：2.5W 图2-10 DDZ 一(4)LM7805CTLM7805CT主要的功能是电源电路，制作可调稳压电源，常因电位器接触不良使输出电压升高而烧毁负载。如果增加一只三极管，在正常情况下，T1的基极电位为0，T1截止，对电路无影响；而当W1接触不良时，T1的基极电位上升，当升至0.7V时，T1导通，将LM317T的调整端电压降低，输出电压也降低，从而对负载起到保护作用。如去掉三极管、断开W1中心点连线，3.8V小电珠立刻烧毁，测输出电压高达21V。而加有T1时，此时 LM7805CT输出电压仅为2V，从而有效的保护了负载。(5)热电偶(铂銠10-铂铑热电偶自1885年Le-chatelier发明铂铑10-铂铑热电偶以来，已有100多年的历史，对其性能及制造工艺曾作过详细研究。该种热电偶正极的明义成分为含铑10%的铂铑合金（代号为SP），负为纯铂（代号为SN）。该种热电偶的特点是热电性能稳定、抗氧化性强，宜在氧化性、惰性气氛中连续使用。长期使用温度为1400，超过此温度时，即使在空气中，纯铂丝也将因再结晶致使晶粒粗大。故长期使用温度限定在1400以下，短期使用温度为1600。在所有的热电偶中，它的准确度等级最高，通常用作标准或作为测量高温的热电偶，它的使用温度范围广、均质性及互换性好。 本系统选用铂铑30-铂铑6（即B型）热电偶作为温度传感器，并配以高精度运放调理电路和冷端补偿电路实现高精度测温。2.3 分模块详述系统各部分的实现方法11下面主要是说明把电路原理图中的部分电路分块介绍。2.3.1 交流电过零检测电路同步变压器和电压比较器LM7805组成正弦交流电的正半波过零检测电路，见下图。它在交流电每一个正半周的起始零点处产生一个下降沿，从而构成一串矩形脉冲序列，输送给8031的一个I/O口，在方波的上跳沿或下跳沿刻产生中断。双向可控硅过零触发电路，以往通过控制双向可控硅导通角来改变流过可控硅的电流，从而改变输出功率；但这样得到的电压波形并非正弦波，对电网会形成较大的危害。2-11 过零检测电路 图2-12 过零触发电路本设计采用双向可控硅过零触发技术，如图所示。8031的一个I/O口输出0触发信号，经反向驱动(光电耦合器LM113起控制门和强、弱电隔离作用)，在经过功率放人后加到双向可控硅的控制端上。由于加热元件(电阻丝)在冷态电阻很小，启动电流大，故本电路比采用固态继电器更便于系统启动，经济性也十分明显。由于2-5可知，当8031引脚P1.4检测到有过零跳变时，即由P1.5脚输出一个触发泳冲，使双向可控硅导通(负向触发)。因而，通过晶闸管的电流是完整的正弦波。本系统采用固定周期控制方式，控制周期T=1秒，即50个电网周波。由于电阻加热炉平均输出功率为： （2 -1）其中：Pm为加热炉全导通时功率。n为在一个控制周期内导通的电网周波数。可见，P与n成比，即输出功率与每个控制周期内导通的电网周波数成正比，改变了n，就改变了P，从而也就实现了炉温的自动控制。图中R和C组成浪涌吸收网络，它起到防止电源尖峰电压和浪涌电流对双向可控硅的冲击。2.3.2 A/D转换电路11被采样的模拟信号经放大后进入A/D转换器，选用的A/D转换器是AD574A。工作流程是：当由传感器（由热电偶来实现）传来模拟信号，经放大电路放大之后，送到AD574A A/D转换器，转换为数字信号。此信号到8031里，由8031发出的控制信号送到EPROM2764、键盘显示接口8279。程序指令由EPROM2764送到8031。经8279 输出的信号送到LED数码显示器，再送到数码显示器显示。 图2-13 A/D转换电路本系统选用12位AJD转换器AD574A实现模数转换。对CE、R/C、12/8、A0五端的控制，可实现对AD574A的转换启停、转换位数、数据读出的控制，如表2-1所示。其中，CE和CS是片选控制，只有当CE=1和CS=0同时满足时，才能对AD579A进行启动、数据读出的操作。R/C是工作状态控制端。R/C=0为启动转换命令，R/C=1为数据读出命令。12/8读出数据字长控制，一般由硬布线确定.12/8接+5V，输出数据按一次读出12位方式输出:12/8接OV，则分高、低字节两次读出(数据有效位仍为十二位)，并接受Ao(可以接最低位地址线)。本文用8031单片机，因此12/8接地，采用高、低字节读数据。若Ao=0. DB1DB4输出高8为数据；若A0=1，DB8DB11出低4位数据，DB11DB4呈高阻态。另外，在控制A/D转换启动(R/C=0)时，Ao还起到控制转换位数的作用。A0=0，启动12位转换；A0=1启动8位转换。木系统要求精度高，采用12位A/D转换，分辨率为0. 440C，可以满足需要。STS端输出电平指示芯片工作状态；STS=1, A/D转换正在进行；STS=0，表示A/D转换完成，可以读出数据。因此，用它作为系统读中断的请求信号。AD57A的入口地址为6000H6003H 。表2-5 AD574A逻辑控制真值表CECSR/C12/8A0工作状态0不工作1不工作1000启动12位转换1001启动8位转换101接1脚(+5V)12位并行输出有效101接15脚(DV)0高8位并行输出有效101同上1低4位加上尾随4个0输出有效AD574将传感器传来的50Hz交流信号转换为交变的数字量序列，8031取交变周期中的各点，与该点所在相位确定的电压上下界进行比较，如果在上下界范围内，则该点电压偏差正常。由于AD转换存在误差，这将带来采样值与信号电压和单片机中存储的上下界值与对应信号电压上下界之间的误差。这两个误差的最大值相同，各等于AD574转换的12位二进制数据第一位的“1”对应的模拟电压的一半，即（102）OFFFFH2）000245V。由分辨率误差产生的电压判断误差应是采样值和上下界值分辨率误差的叠加，对一个周期中的各采样点是不变的。但相对电压判断误差则依各点电压值不同而有所不同。比如，当某点信号电压为2V时，该点采样值相对误差e1000245201225。若该点下界值为2V，其相对误差e2也为01225（上界相对误差小于e2）。对该点而言，e2是不变的，但e1却随信号电压的不同而不同。只有信号电压低于2V时，e1才大于01225。但信号电压更低的时候，已可得出对电压状态的判断，不必考虑e1的影响。即当下界比较值大于、等于2V时，由这两个相对误差合成的最大电压判断误差10122520245。要使采样点与相比较的上下界相位相同，需要确定采样点的相位，可以通过捕捉电压信号各周期起点、终点来实现。当连续两采样点的前一点为负值，后一点为正值时，周期的起始点