退火炉温度控制系统毕业设计

1、本科生毕业设计（论文）摘 要退火炉是金属热处理中的重要设备，而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。所以，本次毕业设计设计了基于单片机的退火炉温度自动控制系统，实现了温度的自动控制。本控制系统是采用at89s52单片机为核心，对退火炉温度和燃料流量进行实时监控。由按键设定温度初值，通过温度和流量传感器进行信号的采集，由ad574对其电压信号转换数字信号。通过at89s52单片机和lcd1602液晶显示屏处理和实时显示相应的数据。当所有设定值设定结束后，通过dac8420将数字信号转换成模拟信号驱动电动调节阀进行阀门

2、大小的调节即流量调节，进而改变炉内温度，实现温度的自动控制。软件部分采用一种新型的智能控制方法，大林算法来控制系统的温度、流量。其最突出的优点是具有专门针对大滞后系统设计的算法。此算法具有消除余差、对纯滞后有补偿作用等特点，能够达到良好控制效果。本系统实现了对退火炉的温度、燃料的流量进行实时监控。它不但工程造价较低、运行维护简单、运行费用低，而且是一种简便、可靠、经济、快速的退火方法。 关键词：退火炉；数据采集；大林算法；单片机abstractannealing is an important metal heat treatment equipment, and annealing temp

3、erature is the main controlled variable to ensure the quality of their products. therefore, the furnace temperature control stability and control accuracy directly affects the quality of products. so, this graduation project is designed based on single-chip furnace temperature control system to achi

4、eve automatic control of temperature.the mcu at89s52 is used to the center of the control system , the annealing furnace temperature and fuel flow is real-timely monitered.initial temperature is setted by the key.it is used the temperature transducer and flow transducer to aquire the signal .it is c

5、hanged from the voltage signals to the digital signal by useing the ad574 .processing and real-time display the corresponding data by useing the mcu at89s52 and lcd1602 display . when the setting is completed all settings, the digital signal is converted by dac8420 into an analog signal to drive the

6、 electric control valve is the valve flow control regulation of the size, thereby changing the furnace temperature, automatic temperature control. software part uses a new type of intelligent control method to control the system dahlin temperature, flow. its most prominent advantage is a system desi

7、gned specifically for large delay algorithms. this algorithm has to eliminate residual error, there is compensation for pure lag effect and other characteristics, can achieve good control effect.the annealing temperature, fuel flow rate for real-time monitoring is realized in the system.it is not on

8、ly lower costproject, simple operation and maintenance, low operating costs, but also it is a simple, reliable, economical, rapid annealing method.key words：annealer；date acquisition；computing control ；mcu目 录第1章 绪 论11.1 课题研究的背景及意义11.2 国内外研究现状和发展21.3 本文研究的主要内容2第2章 方案设计及论证32.1 方案设计32.2 方案论证6第3章 硬件电路设计

9、93.1 温度传感器的选择93.2 气体流量传感器的选择113.3 控制阀门的选择123.4 a/d转换器的选择133.5 d/a转换器的选择143.6 单片机的选择163.7 8255扩展i/o口的设计163.8 电源电路的设计183.9 晶振电路的设计193.10 复位电路的设计203.11 温度检测电路的设计213.12 i/v转换电路的设计223.13 多路转换开关的设计243.14 a/d转换电路的设计243.15 d/a转换电路的设计263.16 键盘电路的设计263.17 报警电路的设计283.18 显示电路的设计28第4章 软件设计304.1 主程序系统流程图304.2 温度检

10、测系统流程图314.3 流量检测系统流程图314.4 键盘系统流程图324.5 a/d转换系统流程图334.6 lcd显示系统流程图344.7 控制量输出程序流程图354.8 大林算法系统流程图354.9 燃料配比系统流程图37第5章 结 论38参考文献39致 谢40附 录i41附 录ii43附 录iii59iv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会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，对于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

11、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。退火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，消除人为的不稳定因素，提高温度控制的精

12、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具有十分重要的意义。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，生产过程中对钢材等退火原料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

13、有效控制，使燃烧在合理的空燃比下进行，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。1.2 国内外研究现状和发展 随着工业技术的飞速发展，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，如何提高退火炉设备的性能指标，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，一些发达的工业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

14、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、改善炉温的均匀性、提高退火产品的质量、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。退火炉用的能源有电力，柴油，天然气，煤气。炉型有批量式的与连续式的，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%都集中在钢铁企业

15、。自1985年以后，全世界就没有建立连续式气垫退火炉，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能完全能满足生产要求，而且单位产品的能耗也低一些。所以，退火炉发展前景良好。1.3 本文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、流量进行实时监控。利用温度、流量传感器及信号处理单元将检测到的温度、流量信号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）来实现退火

16、炉的温度高低的控制。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，控制精度高。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。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

17、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。流量控制利用大林算法进行控制，具有控制精度高的特点。本次设计基于单片机系统设计，退火炉控制系统系统包括10大部分，即核心控件（89s52主控模块），复位电路，晶振电路，温度检测电路，流量检测电路，键盘电路，lcd显示电路，报警电路，a/d转换电路，d/a转换电路。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

18、.1所示。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流量传感器1流量传感器2电动调节阀3电动调节阀2电源电路图2.1 退火炉系统框图本设计的退火炉以天然气、空气混合气为辅助燃料，天然气和空气的理想比例为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，调节流量控制阀门c的开启角度，改变混合

19、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。 执行机构c2执行机构c1流量传感器1流量变送器1流量传感器2流量变送器2温度传感器温度变送器退火炉控制器d(z)执行机构c3 天然气 温度设定值 - r(t) + 空气 图2.2 退火炉的结构框图70本设计中由于天然气和空气的理想比例为3:2，炉温的高低直接与混合气体的进给量，所以需要精确控制比例。而由于天然气为不可控变量，受上一工序影响比较大，比较危险；而空气比较稳定，本方案使用单闭环比值控

20、制方案，它不但能实现副流量跟随主流量的变化而变化，而且还可以克服副流量本身干扰对比值的影响，因此主副流量的比值较为准确；另外，该方案结构形式简单，实施起来也很容易，其具体f1t f1c f2c f2t 天然气q1空气q2示意图和方块图如图2.3所示。图2.3 调节气体比例的单闭环控制系统图空气流量 天然气流量流量变送器1控制器1控制器2执行器1被控对象流量变送器2 在稳定情况下，主流量满足工艺要求的比值，即q2/q1=k；当主流量发生改变时，经变送器送至主控制器f1c，f1c按预先设置好的比值使输出成比例变化，也就是成比例地改变副流量控制f2c的给定值，此时副流量闭环系统为一个随动控制系统，从

21、而q2跟随q1变化，使得在新工况下，流量比值k保持不变；当主流量没有变化而q2由于自身干扰发生变化时，此副流量闭环系统相当于一个定值控制系统，通过控制克服干扰，使工艺要求的流量比值仍保持不变。最后达到天然气与空气比例为3:2。控制过程方框图如图2.4所示。 图2.4 调节气体比例的单闭环控制系统框图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2.5所示。 图2.5 系统控制原理图 “温度”的表现，可以用纯滞后一阶

22、惯性环节来描述，即 （2-1）式中：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；时间常数。设传递函数为 （2-2）采样周期t=0.1s，零阶保持器为 （2-3）系统广义对象的脉冲传递函数为 ： （2-4）方案二：采用大林算法进行控制。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2.6所示。d(s)gc(s)h（s）89s52单片机d(z)温度传感器 - -t(c) t(c) t(x) 温度设定值 + r（t） 图2.6 系统控制原理图采用“温度”的表现，

23、可以用纯滞后一阶惯性环节来描述，即 （2-5）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）含纯滞后的一阶惯性环节的大林计算式为： （2-7）若令： （2-8） （2-9） （2-10） （2-11）d(z)的简化表达式便为： （2-12）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： （2-13）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的计算公式为： （2-14）退火炉的温度控制具有升温速度快

24、，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，本设计采用方案二的大林控制算法进行控制。因为大林算法是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

25、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，能够达到良好控制效果。因此，本设计选择方案二。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

26、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型热电偶为廉价金属热电偶，是一种最新的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

27、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 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。由热电偶的工作原理可知，热电偶电动势的大小不仅与测量端的温度有关，而且与冷端的温度有关，是测量端温度t和冷端温度t0 的函数差。为保证输出热电势是被测温度的单值函数，必须使冷端温度保持恒定；热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度0为依据，否则会产生误差。因此，常采用一些措施来消除冷锻

28、温度变化所产生的影响，如冷端恒温法、冷端温度校正法、补偿导线法、补偿电桥法。本设计采用电桥冷端补偿法进行冷端补偿。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。所以，本设计需要进行冷端补偿。补偿电桥现已标准化。不平衡电桥（即补偿电桥）是由电阻r1、r2、r3和rcu组成。其中r1=r2=r3=1 ；rs是用温度系数很小的锰铜丝绕制而成的；rcu是有温度系数较大的铜线绕制而成的补偿电阻，0时，rcu=1 ；rs=2。此桥串联在热电偶测量回路中，热电偶冷

29、端与电阻rcu感受相同的温度，在某一温度下（通常取0）调整电桥平衡，使r1=r2=r3=rcu。当冷端温度变化时，rcu随温度改变，破坏了电桥平衡，产生一不平衡电压u，此电压则与热电势相叠加，一起送入测量仪表。适当选择rs的数值，可是电桥产生的不平衡电压u在一定温度范围内基本上能补偿由于冷端温度变化而引起的热电势变化值。这样，当冷端温度有一定变化时，仪表仍然可给出正确的温度示值。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来达到实时监控。热式气体流量计采用热扩散原理，热扩散技术

30、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

31、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探杆直径：18mm工作压力：1.6mpa 现场显示：上排为

32、瞬时流量每行4个字符，下排为累积流量每行8个字符 数据保护：累计量保存在eerom内传感器及管线表体材料：316l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。图3.3 qzl系列热式气体质量流量计实物图3.3 控制阀门的选择 本次设计的温度控制是通过单片机处理后，经过d/a转换后输出的信号控制阀门开度来控制天燃气和空气的流量，从而实现对退火炉温度的控制。检测来的信号经过单片机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。电动调节阀的接收信号为010v或420ma，故本设计选择电动调节阀。电动调节阀是工业自动化过程控制

33、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420ma）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+250zdlw电子式电动调节阀如图3.4所示。图3.4

34、 zdlw电子式电动调节阀实物图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到数字量的转换，单电源供电。本设计中，要求精度达到1%，则选用分辨率为12位的芯片可以满足精度要求，故本设计选用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

35、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

36、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 ad574a/d转换器实物图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。dac8420 d/a转换器实物图如图3.6所示。图3.6 dac8420 d/a转换器实物图dac8420 d/a其主要特点如下：可选择单极或双极模式

37、；复位后，输出置0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；低功耗：35mw(最大值)；复位至零电平或中间电平；高速数字串行接口。dac8420的引脚排列如图3.7所示。图3.7 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（具体由clsel决定）。但数据在转换寄存器时不

38、受该控制信号的影响。clsel：为低时，clr将寄存器a到d置o；为高时，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

39、，输出为vreflo，取值范围为vssvrefhi-2.5v。voutavoutd：电压输出端。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

40、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

41、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 8255扩展i/o口的设计由于本设计的单片机i/o接口不够用，所以进行i/o扩展。选用8255进行扩展满足设计要求。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

42、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d

43、b：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发片选信号选中8255芯片，然后发读信号或写信号对8255进行读或写数据的操作。2）与外设接口部分根据定义，8255有3个通道a、b、c与外设连接，每个通道又有8根线与外设连接，所以8255可以用24根线与外设连接，若进行开关量控制，则8255可同时控制24路开关。各通道的引脚编号如下：（1）a口：编号为pa0pa7，用于8255向外设输入输出8位并行数据。

44、（2）b口：编号为pb0pb7，用于8255向外设输入输出8位并行数据。（3）c口：编号为pc0pc7，用于8255向外设输入输出8位并行数据，当8255工作于应答i/o方式时，c口用于应答信号的通信。3）控制器8255将3个通道分为两组，即pa0pa7与pc4pc7组成a组，pb0pb7与pc0pc3组成b组。如图7.5所示，相应的控制器也分为a组控制器与b组控制器，各组控制器的作用如下：（1）a组控制器：控制a口与上c口的输入与输出。（2）b组控制器：控制b口与下c口的输入与输出。8255扩展i/o口电路图如图3.9所示。图3.9 8255扩展i/o口电路图3.8 电源电路的设计本设计需要

45、三个电源，分别为5v和15v电源。所以使用cw7905、cw7805、cw7815三端固定正集成稳压器，使电源参输出电压稳定在5v和15v，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。工作原理：如图所示电路为输出电压+5v、输出电流1.5a的稳压电源。它由电源变压器，桥式整流电路d1，滤波电容c1、c3，防止自激电容c2、c3（c2，c3主要用来消除可能产生的高频寄生振荡）和一只固定式三端稳压器(7805)极为简捷方便地搭成的。220v交流电通过电源变压器变换成交流低压，再经过桥式整流电路d1和滤波电容

46、c1的整流和滤波，在固定式三端稳压器lm7805的vin和gnd两端形成一个并不十分稳定的直流电压。此直流电压经过lm7805的稳压和c3的滤波便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定度好的直流输出电压。-5v和15v电源电路工作原理同上。本稳压电源可作为ttl电路或单片机电路的电源。三端稳压器是一种标准化、系列化的通用线性稳压电源集成电路，以其体积小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用简捷方便等特点，成为目前稳压电源中应用最为广泛的一种单片式集成稳压器件在稳压输出方面效果极佳。电源电路图如图3.10所示。图3.10 电源电路图3.9 晶振电路的设计 晶体振荡器，简称晶振。在电气上它可以等效成一

47、个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的频率是串联谐振，较高的频率是并联谐振。由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近，在这个极窄的频率范围内，晶振等效为一个电感，所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路。这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路，由于晶振等效为电感的频率范围很窄，所以即使其他元件的参数变化很大，这个振荡器的频率也不会有很大的变化。一般的晶振振荡电路都是在一个反相放大器的两端接入晶振，再有两个电容分别接到晶振的两端，每个电容的另一端再接到地，这两个电容串联的容量值就应该等于负

48、载电容，请注意一般ic的引脚都有等效输入电容，这个不能忽略。一般的晶振的负载电容为15p或12.5p，如果再考虑元件引脚的等效输入电容，则两个22p的电容构成晶振的振荡电路就是比较好的选择。振荡器直接应用于电路中，谐振器工作时一般需要提供3.3v电压来维持工作。振荡器比谐振器多了一个重要技术参数为：谐振电阻（rr），谐振器没有电阻要求。rr的大小直接影响电路的性能，也是各商家竞争的一个重要参数。晶振电路为系统提供基本的时钟信号。本设计晶振频率为11.0592mh。经过单片机内部分频出来的频率大约为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，

49、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 晶振电路图3.10 复位电路的设计在上电或复位过程中，控制cpu的复位状态，这段时间内让cpu保持复位状态，而不是一上电或刚复位完毕就工作，防止cpu发出错误的指令、执行错误操作，也可以提高电磁兼容性能。而单片机复位电路设计的好坏，直接影响到整个系统工作的可靠性。许多用户在设计完单片机系统，并在实验室调试成功后，在现场却出现了“死机”、“程序走飞”等现象，这主要是单片机的复位电路设计不可靠引起的。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，

50、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。按键复位是通过r18和r19形成回路，使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3.12所示。 图3.12 复位电路图3.11 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。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

51、=（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。仪用放大器由3个运算放大器排成两级：一个由两运放组成的前置放大器，后面跟一个差分放大器。前置放大器提供高输入阻抗、低噪声和增益。差分放大器抑制共模噪声，而且能在需要时提供一定的附加增益。热电偶检测的信号最大为40mv，所以要放大125倍得到5v输入到a/d转换器。原理分析：在第一级电路中，v1,

52、v2分别加到a1和a2的同向端，r10和两个r11组成的反馈网络，引入了负反馈，两运放a1、a2的两输入端形成虚短和虚断 （3-1） = （3-2） 故得 *vr1= （3-3）由求差电路关系可得： （3-4） 所以电路的电压增益为： （3-5）具体计算过程如下： 放大倍数，如以下公式： （3-6） （3-7） （3-8） 取r1=4.7k，rp=0.47k，rf=10k，rf=2k，可得kf=125，kf1=21，kf2=5。 （3-9） 温度检测电路如图3.13所示。图3.13 温度检测电路图3.12 i/v转换电路的设计本次毕业设计需要对天燃气和空气进行配比，保证3:2的理想比例，所以需要对气体流量进行检测来达到实时监控。而本设计选用的流量传感器输出的是电流信号，所以需要进行转换，因此设计了这个i/v转换电路。工作原理：转换器用于将输入电流信号转换为与之成线性关系的输出电压信号。本电路由于采用同相端输入，因此，电路运放中应该选共模抑制比较高的运算放大器，由节点方程可知下图所示的电路可实现420ma到05v的转换。 根据节点方程可知： （3-9） （3-10）故有 （3-11）若取、，调整rp使，则当输入电流时，可求得b点输出电压为。i/v转换电路如图3.14所示。图3.14 i/v转换电路图3.13 多