毕业设计（论文）恒温箱温度控制

第1章绪论11温度控制系统的重要性和发展趋势温度是工业对象中一个主要的被控参数，它是一种常见的过程变量，因为它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形，结晶以及空气流动等物理和化学过程。温度控制不好就可能引起生产安全，产品质量和产量等一系列问题。温度控制是许多机器的重要的构成部分，它的功能是将温度控制在所需要的温度范围内，然后进行工件的加工与处理。不论是在生活中还是在工业生产过程中，温度的变化对生活、生产的某些细节环节都会造成不同程度的影响，所以适时地对温度进行控制具有重要的意义。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。温度控制器是实现可测温和控温的电路,是对温度进行控制的电开关设备，它主要分为机械式温控器和电子式温控器两种，温度器属于信息技术的前沿尖端产品，已被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域，数量高居各种传感器之首。现今社会，越来越多的环境需要对温度进行控制,随着温控器应用领域和范围的日益广泛，温控器的研究与应用正在市场中逐渐占有一席之地,并在日渐成熟中占有巨大的市场前景。随着研究的发展与深入,温控器现已陆续推出基本款的A系列、高功能的B系列、模块化省配线的C系列等等齐全系列温度控制器。温度控制器的发展与研究已越来越势不可挡,但目前温控器行业进入门坎相对较低，如何为客户提供更合适、性价比更好的产品，以及如何及时开发新的需求并实现它的价值已越来越重要,在这种情况下温度控制器的研究十分必要进行系统设计时应考虑如下问题炉温变化规律的控制，即炉温按预定的温度时间关系变化，这主要在控制程序设计中考虑。温度控制范围如0500，这就涉及到测温元件、电炉功率的选择等。控制精度、超调量等指标，这涉及到A/D转换精度、控制规律选择等。目前，市场上有很多比较先进的温度控制仪，如美国福禄克公司FLUKECORPORATION提供的紧凑式高准确度标准温度炉，能满足只有极少公司才可达到的IECIOIO和CSA安全标准。其500系列温控仪有以下特点45670可选温度范围，温度稳定性为002，温度一致性为005，温度不确定性01，计算机接口包括RS232标准配置，重量136KG，尺寸为318203267MM。福禄克公司旗下的HART公司更是温度校准的恒温曹世界第一销量的公司，HART设计的独一无二的控制技术能够给出00001的温度稳定性。恒温槽设置点的超高分辨力可达到小数点后5位的高精度。另外，还有德国的LAUDA公司生产的加热/冷却恒温浴槽、冷却器，温度控制精度可达正负001。这些都是当今在温度控制领域研究出来的比较先进的产品，其势头还将一路发展下去，本领域的研究还将不断地进行，也必将会有更多、更加先进、经济的产品问世第2章单片机概况21单片机简介单片机是一种集成电路芯片。它采用超大规模技术将具有数据处理能力的微处理器CPU、存储器（含程序存储器ROM和数据存储器RAM）、输入、输出接口电路I/O接口集成在同一块芯片上，构成一个即小巧又很完善的计算机硬件系统，在单片机程序的控制下能准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。所以说，一片单片机芯片就具有了组成计算机的全部功能。由此来看，单片机有着一般微处理器（CPU）芯片所不具备的功能，它可单独地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能，这是单片机最大的特征。然而单片机又不同于单板机（一种将微处理器芯片、存储器芯片、输入输出接口芯片安装在同一块印制电路板上的微型计算机），单片机芯片在没有开发前，它只是具备功能极强的超大规模集成电路，如果对它进行应用开发，它便是一个小型的微型计算机控制系统，但它与单板机或个人电脑PC机有着本质的区别。单片机的应用属于芯片级应用，需要用户（单片机学习者与使用者）了解单片机芯片的结构和指令系统以及其它集成电路应用技术和系统设计所需要的理论和技术，用这样特定的芯片设计应用程序，从而使该芯片具备特定的功能。不同的单片机有着不同的硬件特征和软件特征，即它们的技术特征均不尽相同，硬件特征取决于单片机芯片的内部结构，用户要使用某种单片机，必须了解该型产品是否满足需要的功能和应用系统所要求的特性指标。这里的技术特征包括功能特性、控制特性和电气特性等等，这些信息需要从生产厂商的技术手册中得到。软件特征是指指令系统特性和开发支持环境，指令特性即我们熟悉的单片机的寻址方式，数据处理和逻辑处理方式，输入输出特性及对电源的要求等等。开发支持的环境包括指令的兼容及可移植性，支持软件包含可支持开发应用程序的软件资源及硬件资源。要利用某型号单片机开发自己的应用系统，掌握其结构特征和技术特征是必须的。单片机控制系统能够取代以前利用复杂电子线路或数字电路构成的控制系统，可以以软件控制来实现，并能够实现智能化，现在单片机控制范畴无所不在，例如通信产品、家用电器、智能仪器仪表、过程控制和专用控制装置等等，单片机的应用领域越来越广泛。诚然，单片机的应用意义远不限于它的应用范畴或由此带来的经济效益，更重要的是它已从根本上改变了传统的控制方法和设计思想。是控制技术的一次革命，是一座重要的里程碑。22单片机的产生与发展1946年第一台电子计算机诞生至今，依靠微电子技术和半导体技术的进步，从电子管晶体管集成电路大规模集成电路，使得计算机体积更小，功能更强。特别是近20年时间里，计算机技术获得飞速的发展，计算机在工农业，科研，教育，国防和航空航天领域获得了广泛的应用，计算机技术已经是一个国家现代科技水平的重要标志。单片机诞生于20世纪70年代，象FAIRCHILD公司研制的F8单片微型计算机。所谓单片机是利用大规模集成电路技术把中央处理单元CENTERPROCESSINGUNIT,也即常称的CPU和数据存储器RAM、程序存储器ROM及其他I/O通信口集成在一块芯片上，构成一个最小的计算机系统，而现代的单片机则加上了中断单元，定时单元及A/D转换等更复杂、更完善的电路，使得单片机的功能越来越强大，应用更广泛。20世纪70年代，微电子技术正处于发展阶段，集成电路属于中规模发展时期，各种新材料新工艺尚未成熟，单片机仍处在初级的发展阶段，元件集成规模还比较小，功能比较简单，一般均把CPU、RAM有的还包括了一些简单的I/O口集成到芯片上，象FAIRCHILD公司就属于这一类型，它还需配上外围的其他处理电路方才构成完整的计算系统。类似的单片机还有ZILOG公司的Z80微处理器。1976年INTEL公司推出了MCS48单片机，这个时期的单片机才是真正的8位单片微型计算机，并推向市场。它以体积小，功能全，价格低赢得了广泛的应用，为单片机的发展奠定了基础，成为单片机发展史上重要的里程碑。在MCS48的带领下，其后，各大半导体公司相继研制和发展了自己的单片机，象ZILOG公司的Z8系列。到了80年代初，单片机已发展到了高性能阶段，象INTEL公司的MCS51系列，MOTOROLA公司的6801和6802系列，ROKWELL公司的6501及6502系列等等,此外,日本的著名电气公司NEC和HITACHI都相继开发了具有自己特色的专用单片机。80年代，世界各大公司均竞相研制出品种多功能强的单片机，约有几十个系列，300多个品种，此时的单片机均属于真正的单片化，大多集成了CPU、RAM、ROM、数目繁多的I/O接口、多种中断系统，甚至还有一些带A/D转换器的单片机，功能越来越强大，RAM和ROM的容量也越来越大，寻址空间甚至可达64KB，可以说，单片机发展到了一个新的平台单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SOC三大阶段。1SCM即单片微型计算机（SINGLECHIPMICROCOMPUTER）阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。“创新模式”获得成功，奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上，INTEL公司功不可没。2MCU即微控制器（MICROCONTROLLERUNIT）阶段，主要的技术发展方向是不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。从这一角度来看，INTEL逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。在发展MCU方面，最著名的厂家当数PHILIPS公司。PHILIPS公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将MCS51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。因此，当我们回顾嵌入式系统发展道路时，不要忘记INTEL和PHILIPS的历史功绩。3单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SOC化趋势。随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SOC的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。23单片机在我国的产生我国开始使用单片机是在1982年，短短五年时间里发展极为迅速。1986年在上海召开了全国首届单片机开发与应用交流会，有的地区还成立了单片微型计算机应用协会，那是全国形成的第一次高潮。截止今日，单片机应用技术飞速发展，我们上因特网输入一个“单片机”的搜索，将会看到上万个介绍单片机的网站，这还不包括国外的。与它相应的专业杂志现在也有很多，比如由单片机界的权威何立民主编的单片机与嵌入式系统应用杂志现以风靡电子界，在2003年7月在上海、广州、北京等大城市所做的一次专业人才需求报告中，单片机人才的需求量位居第一。一块小小的片子，为何有这样的魔力我们首先从它的构成说起单片机，亦称单片微电脑或单片微型计算机。它是把中央处理器（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入/输出端口（I/0）等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。计算机的产生加快了人类改造世界的步伐，但是它毕竟体积大。微计算机（单片机）在这种情况下诞生了，它为我们改变了什么纵观我们现在生活的各个领域，从导弹的导航装置，到飞机上各种仪表的控制，从计算机的网络通讯与数据传输，到工业自动化过程的实时控制和数据处理，以及我们生活中广泛使用的各种智能IC卡、电子宠物等，这些都离不开单片机。以前没有单片机时，这些东西也能做，但是只能使用复杂的模拟电路，然而这样做出来的产品不仅体积大，而且成本高，并且由于长期使用，元器件不断老化，控制的精度自然也会达不到标准。在单片机产生后，我们就将控制这些东西变为智能化了，我们只需要在单片机外围接一点简单的接口电路，核心部分只是由人为的写入程序来完成。这样产品的体积变小了，成本也降低了，长期使用也不会担心精度达不到了。所以，它的魔力不仅是在现在，在将来将会有更多的人来接受它、使用它。据统计，我国的单片机年容量已达13亿片，且每年以大约16的速度增长，但相对于世界市场我国的占有率还不到1。特别是沿海地区的玩具厂等生产产品多数用到单片机，并不断地辐射向内地。所以，学习单片机在我国是有着广阔前景的。第3章设计方案31技术指标烘干箱的具体指标如下1烘干箱由2KW电炉加热，最高温度为500。2烘干箱温度可预置，烘干过程恒温控制，温度控制误差2。3预置时显示设定温度，烘干时显示实时温度，显示精确到1。4温度超出预置温度5时发声报警。5对升降温过程的线性没有要求。32控制方案产品的工艺不同，控制温度精度也不同，因而所采用的控制算法也不同。就温度控制系统的动态特性来讲，基本上都是具有纯滞后的一阶环节，当系统精度及温度控制系统的线性要求较高时，多采用PID算法或达林顿算法来实现温度控制。本系统是一个典型的闭环控制系统。从技术指标可以看出，系统对控制精度的要求不高，对升降温过程的线性也没要求，因此，力求在满足主要性能指标的基础上实现系统的最佳性能/价格比。系统采用最简单的通断控制方式，即当烘干箱温度达到设定值时断开加热电炉，当温度降到低于某值时接通电炉开始加热，从而保持恒温控制。本系统用单片机来控制温度。第4章硬件系统的设计41总体设计思路单片机应用系统的设计可划分为两部分一是与单片机直接接口的数字电路范围的电路芯片的设计。如存储器和并行接口的扩展,定时系统、中断系统扩展,一般的外部设备的接口,甚至于A/D、D/A芯片的接口。二是与模拟电路相关的电路设计,包括信号整形、变换、隔离和选用传感器输出通道中的隔离和驱动以及执行元件的选用。1从应用系统的总线观念出发,各局部系统和通道接口设计与单片机要做到全局一盘棋。例如,芯片间的时间是否匹配,电平是否兼容,能否实现总线隔离缓冲等,避免“拼盘”战术。2尽可能选用符合单片机用法的典型电路。3尽可能采用新技术,选用新的元件及芯片。4抗干扰设计是硬件设计的重要内容,如看门狗电路、去耦滤波、通道隔离、合理的印制板布线等。5当系统扩展的各类接口芯片较多时,要充分考虑到总线驱动能力。当负载超过允许范围时,为了保证系统可靠工作,必须加总线驱动器。6可用印制板辅助设计软件,如PROTEL进行印制板的设计。42硬件电路设计系统的硬件电路包括主机、温度检测、温度控制、人机对话（键盘/显示/报警）4个主要部分。图1为系统的结构框图，图2为系统的硬件电路原理图。图41电烤箱控制系统结构框图42电烤箱控制系统硬件电路原理图A/D421主机4111主机的选择由于系统的控制方案简单，数据量不大，因此初步选用MCS51系列单片机作为控制系统的核心。单片机是大规模集成电路技术发展的产物，它将中央处理器（CPU）、存储器（ROM/RAM）、输入输出接口、定时器/计数器等主要计算机部件集成在一片芯片上，因此单片机被称为单片微型计算机（SINGLECHIPMICROCOMPUTER）。目前单片机是计算机家族中重要的一员。单片机配上适当的外围设备和软件，便可构成一个单片机应用系统。单片机具有功能强、体积小、价格低和抗干扰能力强等特点，被广泛应用于工农业生产、国防、科研及日常生活等各个领域。MCS51系列单片机包括8051、8751和8031三种产品，其硬件设计简单灵活。因此MSC51单片机被誉为“控制领域中的最佳8位微型计算机”。图43MSC51单片机的内部总体结构框图从图3中可以看出，在一小块芯片上集成了一台微型计算机的各个部分一个8位CPU，4KBROM，128BRAM，32条I/O口线2个16位定时器/计数器，一个具有5个中断源，两个优先基的嵌套中断结构，一个全双I/O串行口，一个片内振荡器和时钟电路。8051片内有4K的ROM。用户将已开发好的程序交给制造厂商，在制造芯片时用掩膜型工序将用户程序写入ROM。显然用户本身是无法将自己的程序写入8051芯片的。程序一经写入片内ROM，用户也无法改变程序。所以8051用在批量较大时，经济上才合算。8751片内有4K的EPROM。用户可以用高压脉冲将用户程序写入片内EPROM。所以当用户的程序不长时使用这种芯片可简化电路，也可以作为开发系统片内8051ROM单片机的代用芯片。由于EPROM可通过照射紫外光线抹去原有程序进行改写，所以这类芯片也可以用于程序的开发工作。8031片内无ROM或EPROM，使用时必须配置外部的程序存储器EPROM。如不使用8051或8751芯片片内的ROM或EPROM即可将其作为8031使用。这种引脚相容的产品均可寻址64KB的外部程序存储器和64KB的外部数据存储器。综合上述，选用8031作为控制系统的核心，其构成的成本低及不需要特殊的开发手段。8031内部没有ROM，外扩EPROM27256作为程序存储器，它具有价格低，使用灵活的优点。也可视具体情况换用8051、8052、8751、8752、80C51、89C51、89C52等。其中，8051、8052、8751、8752的各个引脚输入/输出电平只与TTL电平兼容；89C51、89C52、80C51各引脚输入/输出电平既与TTL电平兼容，也与CMOS电平兼容。8031的晶振频率为6MHZ。412MCS518031信号引脚介绍8031MCS51单片机是标准的40引脚双列直插封装（DIP）集成电路芯片，引脚排列见图4。其中，在40条引脚中有两条专用电源引脚，2条外接晶体的引脚，4条控制或其他电源复用的引脚，32条I/O引脚。40条引脚说明如下（1）信号引脚介绍40只引脚按其功能来分，可分为如下三类1）电源及时钟引脚VCC、VSS、XTAL1、XTAL2VSS20脚接地。VCC40脚正常操作、对EPROM编程时，接5V。XTAL119脚、XTAL218脚时钟引脚，两个时钟引脚XTAL1、XTAL2外接晶体与片内的反相放大器构成一个振荡器，它为单片机提供了时钟控制信号。2个时钟引脚也可外接独立的晶体振荡器。XTAL119脚芯片内部振荡电路单级反相放大器输入端。XTAL218脚芯片内部振荡电路单级反相放大器输出端。8031的时钟可以由两种方式产生，即内部时钟方式和外部时钟方式。内部时钟方式利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，内部振荡电路将自激振荡。可以用示波器观察到XTAL2输出的波形。定时元件可用晶体振荡器和电容组成并联谐振回路，图44MCS518031引脚图图458031时钟电路外部振荡器是使用现成的外部振荡器产生的脉冲信号，常用于多片MCS51单片机的同时工作，以便于多片MCS51单片机之间的同步，一般为低于12MHZ的方波。接线如图5即312（A）所示。晶体振荡频率可在212MHZ之间选择，C01、C02在530PF之间选择，外部时钟方式XTAL1接地，XTAL2接外部振荡源。2）控制引脚PSEN、ALE、EA、RESET即RST。RST9脚复位信号输入端。当输入的复位信号延续两个机器周期（24个时钟振荡周期）以上的高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作。单片机正常工作时，此脚应为小于或等于05V的低电平。在8031单片机的时钟电路工作以后，RST引脚上出现24个振荡周期以上的高电平，8031单片机芯片内部初始复位。复位后，P0P3口输出高电平，即P0P3口的内容为FFH，初值07H写入栈指针SP，其余的特殊功能寄存器和程序计数器PC被清“0”。RST从高电平变为低电平后，8031单片机从0地址开始执行程序。8031单片机初始复位不影响内部RAM的状态，包括工作寄存器R0R7。8031单片机的复位方式有上电自动复位和手动按钮复位两种，另外，该引脚还具有复用功能。VCC掉电期间，此引脚可接上备用电源，以保持内部RAM的数据。VCC下降到低于规定的电平，而VPD在其规定的电平范围内，VPD就向内部RAM提供备用电源。ALE（30脚）地址所存允许信号。在系统扩展时，ALE用于控制把P0口输出的低8位地址锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。当访问外部存贮器时（外部程序存贮器或外部数据存贮器），ALE的输出用于锁存地址的地位字节。此外，由于即使不访问外部存贮器时，ALE是仍以晶振1/6的固定频率输出的正脉冲，因此，可作为外部时钟或外部定时脉冲使用。然而要注意的是，每当访问外部数据存贮器时，将跳过一个ALE脉冲。ALE端可以驱动8个LSTTL输入。PSEN（29脚）外部程序存储器读选通信号。在读外部ROM时，PSEN有效（低电平），以实现外部ROM单元的读操作当8031单片机访问外部程序存贮器时,将PC的16位地址输出到P2口和P0口外部地址寄存器后，PSEN产生负脉冲选通外部程序存贮器，相应的存贮器单元的指令字节送到P0口，供8031读取。只要看PSEN、ALE和XTAL2是否有信号输出，就可以判断出8031是否在工作。EA（31脚）内/外程序存储器选择控制端。当EA信号为低电平时，单片机只访问外部存储器，不论是否有内部存储器，对于8031，因其无内部程序存储器，所以EA必须接地；当EA为高电平时，对8051和8751来说，内部有4K字节的程序存贮器。开机后，CPU首先访问4KB内部程序存贮器，然后再访问外部程序存贮器。当EA接地，则不使用内部程序存贮器，CPU取指令时，总是访问外部程序存贮器。因此，对8051和8751，EA要接高电平，对8031来说，EA必须接地。3）I/O口引脚P0、P1、P2、P3,为4个8位I/O口的外部引脚。P0口P00P07（3932脚）P口是一个漏极开路的8位准双向I/O端口。作为漏极开路的输出端口，每位能驱动8个LS型TTL负载。当P0口作为输入口使用时，应先向锁存器（地址80H）写入全1，此时P0口的全部管脚浮空，可作为高阻抗输入。作输入口使用时要先写1，这就是准双向的含义。CPU访问片外存储器时，P0口是分时提供低8位地址和8位数据的复用总线。在此期间，P0口内部上拉电阻有效。P1口P10P17（18脚）P1口是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口。P1口的每一位能驱动（吸收或输出电流）4个LS型TTL负载。在P1口作为输入口使用时，应先向P1口锁存器（地址90H）写入全1，此时P1口管脚由内部上拉电阻接成高电平。P2口P20P27（P2128脚）P2口是一个带内部上接电阻的8位准双向I/O端口。P2口的每一位能驱动（吸收或输出电流）4个LS型TTL负载。P3口P30P37（P2128脚）P3口是一个带内部上接电阻的8位准双向I/O端口。P3口的每一位能驱动（吸收或输出电流）4个LS型TTL负载。P3口与其他I/O端口有很大区别，它除了作为一般准双向I/O口外，每个管脚还具有专门的功能。（2）某些信号引脚的第二功能由于工艺及标准化等原因，芯片的引脚功能是有限的。因此就出现了需要与可能的矛盾，“兼职”是唯一可行的办法，即给一些信号引脚赋以双重功能（第二功能）。MCS51某些引脚的第二功能如下1P3口的第二功能。P3口的8条口线都定义有第二功能。见表41表41P3口各引脚于第二功能引脚第二功能信号名称P30RXD串行数据接收P31TXD串行数据发送P31INT0外部中断0申请P33INT1外部中断1申请P34T0定时/计数器0的外部输入P35T1定时/计数器1的外部输入P36WR外部RAM写选通P37RD外部RAM读选通2EPROM存储程序固化所需的信号。有内部EPROM的单片机芯片为写入程序需提供专门的编程脉冲和编程电源，这些信号也是由信号引脚以第二功能的形式提供的，即编程脉冲30脚（ALE/PROG）对于EPROM型单片机，在EPROM编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。编程电压（21V）31脚（EA/VPP）对于EPROM型单片机，在EPROM编程期间，此引脚应施加21V的编程电源（VPP）。3）备用电源引入由9脚（RST/VPD）引入，当电源发生故障，电压降低到下限值时，备用电源经此端向内部RAM提供电压，以保护内部RAM中的信息不丢失。422温度检测这部分包括温度传感器、变速器和A/D转换三部分。温度传感器和变送器的类型选择与被控温度的范围及精度等级有关。A/D转换器件的选择主要取决于温度的控制精度。4221温度传感器（1）温度传感器的含义传感器，从广义上讲，就是能感知外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的装置；简单说传感器是将外界信号转换为电信号的装置。它由敏感元器件（感知元件）和转换器件两部分组成，有的半导体敏感元器件可以直接输出电信号，本身就构成传感器。敏感元器件品种繁多，就其感知外界信息的原理来讲，可分为物理类，基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。化学类，基于化学反应的原理。生物类，基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。通常据其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类（还有人曾将传感器分46类）。温度传感器主要由热敏元件组成。热敏元件品种教多，市场上销售的有双金属片、铜热电阻、铂热电阻、热电偶及半导体热敏电阻等。以半导体热敏电阻为探测元件的温度传感器应用广泛，这是因为在元件允许工作条件范围内，半导体热敏电阻器具有体积小、灵敏度高、精度高的特点，而且制造工艺简单、价格低廉。（2）温度传感器产品的分类目前，温度传感器没有统一的分类方法。其中，按输出量分类有模拟式温度传感器和数字式温度传感器。按测温方式分类有接触式温度传感器和非接触式温度传感器。按类型分类有分立式温度传感器（含敏感元件）、模拟集成温度传感器和智能温度传感器（即数字温度传感器）。模拟式温度传感器输出的是随温度变化的模拟量信号。其特点是输出响应速度较快，和CPU（微处理器）接口较复杂。数字式温度传感器输出的是随温度变化的数字量，同模拟输出相比，它输出速度响应较慢，但容易与CPU接口。（3）选择传感器的总原则传感器作为单片机测控系统前向通道的关键部件，在选择传感器时应考虑以下几个方面1根据测控对象与测控环境确定传感器的类型由被测对象的特点和传感器的使用条件综合考虑以下一些具体问题传感器的量程；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；传感器信号的引出是有线还是无线；使购买传感器还是自行研制传感器以及价格因素等。在综合考虑以上因素之后就能确定选择何种传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。2灵敏度的选择通常情况下，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为灵敏度越高，与被测量变化相对应的输出信号的值越大，有利于信号处理。但是，传感器的灵敏度越高，与被测量无关的的外界噪声越容易混入，噪声被放大系统放大后会影像测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量减少从外界引入的干扰信号。另外某些传感器的灵敏度是具有方向性的。当被测量是单向量，而且对方向性要求较高，则应选择其他方向灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。3频率响应特性传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，传感器的频率响应好，可测的信号频率范围就越宽，传感器的输出信号必须在允许的频率范围内保持不失真，实际上传感器的响应总有一定的延迟，希望延迟时间越短越好。4线性范围传感器的线性范围是指输出信号与输入量成正比的范围。从理论上讲，在此范围内灵敏度应保持定值。传感器的线性范围越宽，其量程越大，并且能保证一定的精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定之后首先要看其量程是否满足要求。实际上任何传感器都不能保持绝对的线性，其线性度也是相对的。5稳定性传感器使用一定时间以后，其性能保持不变话的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要是传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。6精度的选择精度是传感器一个重要的性能指标，它是关系到整个测控系统测量精度的一个重要指标。传感器的精度越高，其价格就越昂贵。因此，传感器的精度越高只要能满足整个测控系统的要求就行了，不必选的过高。这样就可以能在满足在满足统一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的的传感器。（3）温度传感器的选择不同的传感器具有不同的应用场合，由于在温度测控系统中，传感器事前向通道的关键部件，因此选择合适的传感器是非常重要的。选择的原则要考虑温度范围、温控精度、测温场合、价格等级方面的因素。如果被测温度较高，一般可选择热电偶式或辐射式温度传感器；对于常温区域的温度测量，如果要求精度较高，已选择集成温度传感器；如果要求精度不高，宜选择热敏电阻温度传感器；如果要求对对被测温度能快速反应，则应选择时间常数小的温度传感器；若被测环境具有较强腐蚀性，则选择的传感器就要考虑能耐何种腐蚀，必要时要对传感器进行一定的耐腐蚀封装。总之，传感器的选择要与温度测控系统的要求相适应，除此之外再考虑成本。在满足要求的前提下，尽可能选择成本较低的传感器。综上，因此选择型号为WZB003，分度号为BA2的铂热电阻适用于0500的温度测量范围，其可以满足本系统的要求。（4）铂热电阻温度传感器铂热电阻温度传感器是利用热电阻温度系数随温度变化的特性而制成的温度传感器，其电阻值具有随温度升高而增大的特性。其特点是精度高，稳定性好、重复性好、温度系数高。因此，它是目前制造热电阻温度传感器最理想的材料，可用作标准电阻温度计，被广泛应用于作为温度的基准。常用标准铂电阻温度传感器的特性铂的纯度常以R100/R0来表达，通常用W（100）来表示，一般温度测控系统中常用的铂电阻的W（100）不得小于1391。BA2铂热电阻特性R010000；R100/R013910001精度等级为2级；R0允许的误差为0505；最大允许误差05000345103T0345103T。4222变送器变送器将电阻信号转换成与温度成正比的电压，由毫伏变送器和电流/电压变送器组成毫伏变送器用于把热电偶输出的0MV4132MV变换成4MA20MA的电流；电流/电压变送器用于把毫伏变送器输出的4MA20MA电流变换成05V的电压。为了提高测量精度，变送器可以进行零点迁移。例如若温度测量范围为5001000，则热电偶输出为206MV4132MV，毫伏变送器零点迁移后输出4MA20MA范围电流。这样，采用8位A/D转换器就可使量化温度达到196以内,当温度在0500时变送器输出049V左右的电压。在此，变送器将电阻信号转换成与温度成正比的电压，当温度在0500时变送器输出049V左右的电压。4223A/D转换器（1）A/D转换器的作用A/D转换器用于实现模拟量到数字量的转换，即将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小。故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准，比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小。而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小。（2）A/D转换器的主要技术指标转换时间和转换速率转换时间是A/D完成一次转换所需要的时间。转换时间的倒数为转换速率。分辨率A/D转换器的分辨率习惯上用输出二进制位数或BCD码位数表示量化过程引起的误差为量化误差。量化误差是由于有限位数字量对模拟量进行量化而引起的误差。量化误差理论上规定为一个单位分辨率的1/2LSB,提高分辨率可减小量化误差。转换精度A/D转换器的转换精度定义为一个实际A/D转换器与一个理想A/D转换器在量化值上的误差。可用绝对误差或相对误差表示A/D转换器最重要的参数是转换的精度，通常用输出的数字信号的位数的多少表示。转换器能够准确输出的数字信号的位数越多，表示转换器能够分辨输入信号的能力越强，转换器的性能也就越好。（3）A/D转换器的分类A/D转换器的种类很多，按转换原理可分为4种，即技术式A/D转换器、双积分式A/D转换器、逐次逼近式A/D转换器和并行式A/D转换器。目前最常用的是双积分式A/D转换器和逐次逼近式A/D转换器。双积分式A/D转换器的主要优点是转换精度高，抗干扰性能好，价格便宜。其缺点是转换速度较慢，因此，这种转换器主要用于速度要求不高的场合。另一种常用的A/D转换器是逐次逼近式的，逐次逼近式A/D转换器是一种速度较快，精度较高的转换器，其转换时间大约在几微秒到几百微秒之间。通常使用的逐次逼近式A/D转换器芯片有1）ADC0801ADC0805型八位MOS型A/D转换器（美国国家半导体公司产品）。它是目前流行的中速廉价型产品，偏内有三态数据输出锁存器，但通道输入，转换时间约100毫秒左右。2）ADC0808/0809型八位MOS型A/D转换器。它可实现8路模拟信号的分时采集，片内有8路模拟选通开关，以及相应的通道地址锁存用译码电路，其转换时间为100毫秒右。3）ADC0816/0817。这类产品除输入通道数增加至16个外，其他性能与ADC0808/0809型基本相同。（4）A/D转换器的选择A/D转换器的选择原则如下根据前向通道的总误差，选择A/D转换器精度及分辨力。应将综合精度在各个环节上进行分配，已确定对A/D转换精度的要求，据此确定A/D转换器的位数。根据信号对象的变化率及转换精度的要求，确定A/D转换器的速度，以保证系统的实时要求。根据环境条件选择A/D转换芯片的一些环境参数要求，如工作温度、功耗、可靠性等指标。根据计算机接口特征，考虑如何选择A/D转换器的输出状态。A/D转换器件的选择主要取决于温度的控制精度。本系统要求温度控制误差2，采用8位A/D转换器，其最大量化误差为12（1/250500）1，完全能够满足精度要求。这里我们采用ADC0809作为A/D转换器。电路设计好后，调整变送器的输出，使0500的温度变化对应于049V的输出，则A/D转换对应的数字量为00HFAH，即0250，则转换结果乘以2正好是温度值。用这种方法一方面可以减少标度转换的工作量，另一方面还可以避免标度转换带来的计算误差。（5）ADC0809的内部结构及转换原理ADC0809是典型的8位8通道逐次逼近式A/D转换器，CMOS工艺。0809是采用逐次比较的方法完成A/D转换的。由单一的5V电源供电。片内带有锁存功能的8路选1的模拟开关，由C、B、A的编码来决定所选的通道。0809完成一次转换需100微秒左右，输出具有TTL三态锁存缓冲器，可直接连到MCS51的数据总线上。通过适当的外接电路，0809可对05V的模拟信号进行转换。ADC0809的内部逻辑结构如图6所示。图46ADC0809的内部逻辑结构如图6中所示，多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换。地址锁存于译码电路完成对A、B、C三个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，如表43所示。表43通道选择表CBA选择的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN78位A/D转换器是逐次逼近式，由控制与时序电路、逐次逼近寄存器、树状开关以及256R电阻阶梯网络等组成。输出锁存器用于存放和输出转换得到的数字量。（6）A/D0809信号引脚介绍ADC0809芯片为28引脚双列直插是封装，其引脚排列见图47对ADC0809主要信号引脚的功能说明如下IN7IN0模拟量输入通道。ADC0809对输入模拟量的要求主要有信号单极性，电压范围05V，若信号过小还需进行放大。另外，在A/D转换过程中模拟量输入的值不应变化太快，因此，对变化速度快的模拟量，在输入前应增加采样保持电路。A、B、C地址线。A为地位地址，C为高位地址，用于对模拟通道进行选择。上图中为ADDA、ADDB和ADDC，其地址状态与通道相对应的关系见表3。ALE地址锁存允许信号。在对应ALE上跳沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中。图47ADC0809引脚图START；转换启动信号。START上跳沿时，所有内部寄存器清零；START下跳沿时，开始进行A/D转换；在A/D转换期间，START应保持低电平。D7DO数据输出线。其为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接连接。OE输出允许信号。其用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE0时，输出数据线呈高电阻；OE1时，输出转换得到的数据。CLOCK时钟信号。ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。通常使用频率为500KHZ的时钟信号。EOC转换结束状态信号。EOC0，正在进行转换；EOC1,转换结束。该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。VCC5V电源。VREF参考电源。参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。其典型值为5VVREF5V,VREF0V。（7）ADC0809应用说明1）ADC0809内部带有输出锁存器，可以与AT89S51单片机直接相连。2）初始化时，使ST和OE信号全为低电平。3）送要转换的哪一通道的地址到A，B，C端口上。4）在ST端给出一个至少有100NS宽的正脉冲信号。5）是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断。6）当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就输出给单片机了。（8）ADC0809的工作过程1）当模拟量送至某一输入通道INT后，CPU将标识该通道编码的三位地址信号经数据线或地址线输入到ADDC、ADDB、ADDA引脚上。2）地址锁存允许ALE锁存这三位地址信号，启动命令START启动A/D转换。3）转换开始,EOC变低电平，转换结束，EOC变为高电平。EOC可作为中断请求信号。4）转换结束后，可通过执行IN指令，设法在输出允许OE脚上形成一个正脉冲，打开三态缓冲器把转换的结果输入到DB，一次A/D转换便完成了。（9）ADC0809与CPU的接口技术由于ADC0809输入端具有可控的三态输出门，所以它既能同微处理器直接相连，也能通过并行接口芯片同微处理器连接，其与CPU的连接见图48ADC0809直接与单片机8031连接。由于A/D0809片内无时钟，可利用8031提供的地址所存允许信号ALE经D触发器二分频后获得，ALE脚的频率是8031单片机时钟频率的1/6（但要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将少一个ALE脉冲）。单片机时钟频率选用6MHZ，则ALE引脚的输出频率为1MHZ，在二分频后为500KHZ，恰好符合ADC0809对时钟频率的要求。由于ADC0809具有输出三态锁存器，其八位数据输出引脚可直接与数据总线相连。地址译码引脚C、B、A图48ADC0809与8031单片机的连接分别与地址总线的低三位A2、A1、A0相连，以选通IN0IN7中的一个通路。将P27地址总线A15作为片选信号，在启动A/D转换时，由单片机的低电平写信号WR和P27控制ADC的地址锁存和转换启动，由于ALE和START连在一起，因此ADC0809在锁存通道地址的同时，启动并进行转换。在读取转换结果的时，用低电平的读信号RD和P27脚经一级或非门后，产生正脉冲作为OE信号，用以打开三态输出锁存器。采用中断方式大大节省了CPU的时间，EOC脚经过非门与8031的低电平INT1脚连接，当转换结束时，EOC发出一个脉冲，向单片机提出中断申请，单片机响应中断请求，由外部中断1的中断服务程序读AD结果，并启动0809的下一次转换，外部中断1采用跳沿触发方式。423温度控制电炉控制采用可控硅来实现，双向可控硅和电炉电阻丝串接在交流220V市电回路中。单片机的P17口通过光电隔离器和驱动电路送到可控硅的控制端，由P17口的高低电平来控制可控硅的导通与断开，从而控制电阻丝的通电加热时间。晶闸管又叫可控硅。自从20世纪50年代问世以来已经发展成了一个大的家族，它的主要成员有单向晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管、逆导晶闸管、可关断晶闸管、快速晶闸管，等等。今天大家使用的是单向晶闸管，也就是人们常说的普通晶闸管，它是由四层半导体材料组成的，有三个PN结，对外有三个电极第一层P型半导体引出的电极叫阳极A，第三层P型半导体引出的电极叫控制极G，第四层N型半导体引出的电极叫阴极K。从晶闸管的电路符号图2可以看到，它和二极管一样是一种单方向导电的器件，关键是多了一个控制极G，这就使它具有与二极管完全不同的工作特性。温度控制电路采用晶闸管调功方式。双向晶闸管串在50HZ交流电源和加热丝电路中，只要在给定周期里改变晶闸管开关的接通时间的脉冲信号即可。这可以用一条I/O线，通过程序输出控制脉冲。为了达到过零触发的目的，需要交流电过零检测电路。此电路输出对应于50HZ交流电压过零时刻的脉冲，作为触发双向晶闸管的同步脉冲，使晶闸管，在交流电压过零时刻导通。电压比较器LM311将50HZ正弦交流电压变成方波。方波上升沿和下降沿分别作为单稳态触发器的触发信号，单稳触发器输出的窄脉冲经二极管或门混合，就得到对应于220V市电过零时刻的同步脉冲。此脉冲一路作为触发同步脉冲加到温控电路，一路作为计数脉冲加到单片机8031的P34和P35输入端。424人机对话这部分包括键盘、显示和报警三部分电路。4241键盘键盘是一组按键的集合，它是最常用的单片机输入设备，操作人员可以通过键盘输入数据或命令，实现简单的人机通信。键是一种常开型按纽开关，平时键的两个触点处于断开状态，按下键时它们才闭合。键盘分编码和非编码键盘。键盘上闭合键的识别由专用的硬件译码器实现并产生键编号或键值的称为编码键盘，如BCD码键盘、ASCII码键盘等；靠软件识别的称为非编码键盘。为使系统简单紧凑，键盘只设置4个功能键，分别是启动、“百位”、“十位”和“个位”键，由P1口低4位作为键盘接口。利用1按键可以分别对预置温度的百位、十位和个位进行加1设置，并在LED上显示当前设置值。连续按动相应位的加1键即可实现0500的温度设置。4242显示器本系统设有3位LED数码显示器，停止加热时显示设定温度，启动加热时显示当前烤箱温度。采用串行口扩展的静态显示电路作为显示接口电路。所谓静态显示，就是当显示器显示某个字符时，相应的段（发光二极管）恒定地导通或截止，直到显示另一个字符为止。例如，七段显示器的A,B,C段恒定导通，其余段和小数点恒定截止时显示“7”，当更换显示另一个字符“0”时，显示器的A,B,C,D,F段恒定导通，G、DP截止。LED显示器工作于静态显示方式时，各位的共阴极（公共端K0）接地，若为共阳极（公共K0）时接5V电源。每位的段选线（ADP）分别与一个8位锁存输出口相连，显示器中的各位相互独立，而且各位的显示字符一经确定，相应锁存的输出将维持不变。正因为如此，静态显示器的亮度较高。LED的动态显示方式，在多位LED显示时，为了简化电路，降低成本，将所有位的选线并联在一起，由一个8位I/O口控制。而共阴I/O线控制，实现各部分的分时选通。由于所有6位选线皆由一个I/O口控制，因此，在每一瞬间，6位LED会显示相同的字符。要想每位显示不同的字符，就必须采用扫描方法流点亮各位LED，即在一瞬间只使某一位显示字符。在此瞬间，段选控制I/O口输出相应字符段选码（字型码），而位选则控制I/O口在该显示位送入选通电平（因为LED为共阴，故应送低电平），以保证该位显示相应字符。如此轮流，每位分时显示该位应显示字符。数码显示器与8031的接口电路给出了6位共阴极显示器和8031的接口逻辑，8155的A口控制显示器的阴极电位，称为扫描口，B口控制各显示器的字形显示，称为段数据输出口。8031的P27经反相后接到8155的片选端CE，P26接8155的I/O口与RAM选择端IO/M。P0口作为数据线与8155的D0D7相连接。8031的ALE与8155的ALE相连。4243报警器报警功能由蜂鸣器实现。当由于意外因素导致烤箱温度高于设置温度时，P16口送出的低电平经反向器驱动蜂鸣器鸣叫报警。1）蜂鸣器的介绍1）蜂鸣器的作用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。2）蜂鸣器的分