基于单片机的智能温度控制系统设计

1、基于单片机的智能温度控制系统设计 摘 要：传统的加热炉控制系统大多建立在一定的模型基础上，难以保证加热工艺要求。温度控制在热处理工艺过程中,是一个非常重要的环节。控制精度直接影响着产品质量的好坏。本文将模糊控制算法引入传统的加热炉控制系统构成智能模糊控制系统。单片机在热处理炉温度控制中的应用，对温度控制模块的组成及主要所选器件进行了详细的介绍。并根据具体的要求本文编写了适合本设计的软件程序。关键词：单片机；处理温度控制；电路Design of Intelligent Temperature Control System Based MCUAbstract：The traditional hea

2、ting furnace control system is based on some model,it is difficult to guarantee the demand of heating process.Temperature control in the heat treatment process,is a very important link.This paper will adopt fuzzy control fuzzy control algorithm to the control system of heating furnace in the intelli

3、gent fuzzy control system.Single chip microcomputer in heat treatment furnace temperature control applied to the temperature control module,the main components and the selected device are introduced in detail.And according the specific requirements for the design of the paper prepared by the softwar

4、e program. Keyword：SCM；Temperature control；Circuit1 前言工业生产中使用的热处理设备种类繁多，如窖炉、鼓风炉、烘炉、退火炉、锅炉等。如果按加温方法分类，可将热处理设备分为两大类1： (1)电热炉 这类设备通过电热元件通电发热而升温，调节加入炉子的电功率则改变炉内的温度。电功率调节一般采用接触器通断控制、晶闸管移相触发或通断控制。这一类设备在工厂占有相当大的比例。 (2)燃料炉 这类设备通过燃烧燃料发热而升温，调节加入炉子的燃料量则改变炉的温度。如锅炉、焦炉等。常用燃料有煤、煤气、重油等。燃料量的调节通常利用阀门、翻板等实现。这类设备在工厂中也占

5、有较大比例 热处理设备虽然种类繁多，控制方法各有差异，但对他们采用微机控制时，控制原理和方法是基本相同的。电炉是热处理生产中应用最广的加热设备，通过布置在炉内的电热元件将电能转化为热能,借助辐射与对流的传热方式加热工件。通常可用以下公式定性描述 (1) 式中X电炉内温升（指炉内温度与室温温差) K放大系数 t加热时间 T时间系数V控制电压0纯滞后时间但在实际热力过程中，由于被加热金属的导热率、装入量以及加热温度等因素的不同，直接影响着 K 、T 、0等参数的变化，因此电炉本身具有很大的不确定2。温度控制在热处理工艺过程中,是一个非常重要的环节。控制精度直接影响着产品质量的好坏。根据不同的目的，

6、将材料及其制件加热到适宜的温度。1.1 研究目的与意义电子技术的发展，特别是随着大规模集成电路的产生，给人们的生活带来了根本性的变化，如果说微型计算机的出现使现代的科学研究得到了质的飞跃，那么单片机技术的出现则是给现代工业控制测控领域带来了一次新的革命。目前，单片机在工业控制系统诸多领域得到了极其广泛的应用。特别是其中的C51系列的单片机的出现，具有更好的稳定性，更快和更准确的运算精度，推动了工业生产，影响着人们的工作和学习。80年代以来，自动控制系统被控对象日益复杂，它不仅表现在控制系统具有多输入一多输出的强藕合性、参数时变性和严重的非线性特征，更突出的是从系统对象所能获得的知识信息量相对地

7、减少，以及与此相反地对控制性能的要求却日益高度化。然而，正如Zadeh教授于1973年所指出的:“当一个系统复杂性增大时，人们能使它精确化的能力将降低，当达到一定的闭值时，复杂性和精确性将相互排斥”(即“不相容原理”)。也就是说，在多变量、非线性、时变的大系统中，要想精确地描述复杂对象与系统的任何物理现象和运动状态，实际上是不可能的。关键的是如何使准确和简明之间取得平衡，而使问题的描述具有意义。1.2 研究内容研究内容主要分为：研究单片机智能温度控制的工作原理。单片机智能温度控制系统整体方案设计，对系统各个组成部分进行详细设计。选择适当的单片机等应用元件。分析所选元件的特性，以满足温度系统的要

8、求。2 系统硬件电路设计 电炉是热处理生产中应用最广的加热设备，其本身是一个较为复杂的被控对象，虽然可用以下模型定性描述它 (2) 式中K 放大系数 T 时间系数 纯滞后时间但在实际热力过程中，由于实际工况的复杂性(加工工件的材质、初温、升温、幅度规格、装炉量以及电气环境等因素)，使得上述数学模型偏离实际情况相当严重，本文将在具有在线自调整功能模糊自整定PID控制器基础上设计一个炉温控制系统，以期较理想地解决被加热物件透烧过程的测量与控制。2.1 系统的总体结构控制系统组成框图如图2所示。图2 电炉温度控制系统Fig 2 Electric furnace temperature control

9、 system2.2 温度检测电路 温度检测是温度控制系统的一个重要的环节，直接关系到系统性能。在微机温度控制系统中，温度的检测不仅要完成温度到模拟电压量的转换，还要将电压转换为数值量送计算机。其一般结构如图10所示。图3 温度数字检测的一般结构Fig 3 General structure of digital temperature detection2.2.1 温度传感器温度传感器将测温点的温度变换为模拟电压，其值一般为mV级，需要放大为满足模/数转换要求的电压值。微机通过控制把电路电压送到模/数转换器进行模/数转换，得到表示温度的电压数字量，再用软件进行标度变换与误差补偿，得到测温点的

10、实际温度值。温度传感器种类繁多，但在微机温度控制系统中使用得传感器，必须是能够将非电量变换成电量得传感器，此次设计中选用的是热电偶传感器，热电偶传感器是工业温度测量中应用最广泛得一种传感器，具有精确度高、测量范围广、构造简单、使用方便等优7。热电偶是由两种不同材料得导体A和B连接在一起构成得感温元件，如图4所示。A和B得两个接点1和2之间穿在温度差时，回路中便产生电动势，形成一定大小得电流，这种现象称为热电效应，也叫温差效应。热电偶就是利用这个原理测量 温度的5。 图4 热电偶测温原理图Fig 4 Schematic diagram of the thermocouple temperatur

11、e measurement2.2.2 测量放大器的组成 测量放大器的基本电路如图5所示。 图5 测量放大器的原理图Fig 5 Schematic diagram of measuring amplifier 测量放大器由三个运算放大器组成，其中A1、A2两个同相放大器组成前级，为对称结构，输入信号加在A1、A2的同相输入端从而具有高抑止共模干扰的能力和高输入阻抗。差动放大器A3为后级,它不仅切断共模干扰的传输,还将双端输入方式变换成单端输出方式,适应对地负载的需要。 测量放大器的放大倍数用下面公式计算 (3) 式中，为用于调节放大倍数的外接电阻，通常采用多圈电位器，并靠近组件，若距离较远，应将

12、联线胶合在一起，改变可使放大倍数在11000范围内调节。2.2.3 热电偶冷端温度补偿方法用热电偶测量温度时，热电偶的工作端（热端）被放置在待测温场中，而自由端（冷端）通常被放在0的环境中。若冷端温度不是0，则会产生测量误差，此时要进行冷端补偿。冷端补偿方法较多，在本次的设计中我们采用的冷端温度补偿为电桥式冷端补8。对与冷端温度补偿器，在工业上采用如图6所示补偿电桥的冷端补偿电路。 图 6 热电偶冷端温度补偿电桥Fig 6 Thermocouple cold end temperature compensation bridge图中所示的补偿电桥桥臂电阻R1、R2、R3和RCu通常与热电偶的冷

13、端置于相同的环境中。取，用锰铜线绕成；RCu是用铜导线绕制成的补偿电阻。RS是供桥电源E的限流电阻，RS由热电偶的类型决定。若电桥在20时处于平衡状态。当冷端温度升高时，RCu补偿电阻将随之增大，则电桥a、b两点间的电压Vab也增大，此时热电偶温差电势却随冷端温度升高而降如果Vab的增加量等于热电偶温差电势的减小量，则热电偶输出电势VAB的大小将保持不变，从而达到冷端补偿的目9。2.3 多路开关的选择 在本次的设计中，我们的温度传感器有5个，因此，我们采用了一种16的多路开关，以实现对5个温度传感器的巡回检测。 CC4067是单片. CMOS.16通道.模拟多路转换器。该电路包括16选1的译码

14、器和译码器的输出分别控制的16个CMOS双向开关，通道的输出状态由电路外部输入的地址A.B.C.D所决定。 CC4067可用模拟信号或数字信号去控制模拟开关的接通或断开，具有低的导通电阻和高的断开电阻，所控制的模拟信号最大峰值为15V，而数字信号的幅度3V-5V . CC4067芯片具有禁止端inh。当禁止时，inh=1，这时所有的双向开关均不接通，在公共端呈现高阻抗。 (1)主要性能 CMOS工艺制造；直接驱动 DTL/TTL/CMOS电平；单路、16选1模拟多路转换器；具有双向转换功能；单电源供电；标准24引脚DIP封装；功耗：1.5mW；开关接通电阻：180欧（typ）;开关接通时间：1

15、.5us(max);开关断开时间：1us(max). (2)CC4067引脚图示与图7。图7 CC4067引脚图Fig 7 The CC4067 pin diagram (3)CC4067功能框图如图8所示。 图8 CC4067功能框图Fig 8 The CC4067 function block diagram2.4 A/D转换器的选择及连接 5G14433是我国制造的31/2位模/数变换器，是目前市场上广泛流行的最典型的双积分模/数变换器。该芯片具有抗干扰性能好、转换精度高、自动校零、自动极性输出、自动量程控制信号输出、外接元件少、价格便宜等特点。因此广泛应用在低速微控制器应用系统，智能仪

16、表和数字三用表等领域。5G14433与国外型号MC14433兼10。5G14433的外部连接电路，尽管5G14433外部连接元件很少，但为使其工作于最佳状态，也必须注意外部电路的连接和外接元件的选择，其实际连接电路如图9所示。为了提高电源抗干扰的能力，正，负电源分别通过去耦电容0.047uF、0.02uF与Vss（VAG）相连。图中DU端和EOC端短接，以选择连续转换方式，使每一次转换的结果都输出。 图9 外部连接电路Fig 9 The external connection circuit 当C1=0.1uF，VDD=5V，fCLK=66KHz时，若Vxmax=+2V，则R1=480K；若V

17、xmax=+200mV，则R1=28K。外接失调补偿电容固定为0.1uF。外接时钟电阻Rc=470K时，fLCK66KHz;当Rc=200K时，fLCK=140KHz。实际电路中一般取Rc=300K。2.5 单片机系统的扩展2.5.1 系统扩展概述MCS51系列单片机的功能较强，从一定意义上说，一块单片机就相当于一台单片机的功能。这就使得在智能仪器、仪表、小型检测及控制系统、家用电器中可直接应用单片机而不必再扩展外围芯片，使用极为方便。但对于一些较大的应用系统来说，单片机片内所具有的功能将显得不足，这时就必须在片外连接一些外围芯片。这些外围芯片，既可能是存储器芯片，也可能是输入/输出接口芯片。

18、系统的扩展一般有以下几方面的内容：(1)外部程序存储器的扩展；(2)外部数据存储器的扩展；(3)输入/输出接口的扩展；管理功能器件的扩展（如定时/计数器、键盘/显示器、中断优先编码等）。2.5.2 常用扩展器件简介 (1)总线驱动器74LS244总线驱动器74LS244经常用作三态数据缓冲器，74LS244为单向三态数据缓冲器，而74LS244为双向三态数据缓冲器。单向的内部有8个三态驱动器，分成两组，分别由控制端1G和2G控制；双向的有16个三态驱动器，每个方向8个。在控制端G有效时（G为低电平），由DIR端控制驱动方向；DIR为“1”时方向从左到右（输出允许），DIR为“0”时方向从右到左

19、（输入允许）。74LS244的引脚如图10所示。图10 74LS244的引脚Fig 10 74LS244 pin (2)地址锁存器74LS37374LS373是一种带输出三态门的8D锁存器，其结构示意图如图11所示。 图11 74LS373的结构图Fig 11 The 74LS373 structure diagram 其中：1D8D为8个输入端。1Q8Q为8个输出端。G为数据打入端:当G为1时,锁存器输出端状态(1Q8Q)同输入状态(1D8D)；当G由1变0时,数据打入锁存器中。OE为输出允许端;当OE0时,三态门打开;当OE1时,三态门关闭,输出呈高阻。在MCS51单片机系统中,经常采用7

20、4LS373作为地址锁存器使用,其连接方法如图3-11所示。其中输入端接至单片机的口，输出端提供的是地址的低位，端接至单片机的地址锁存器信号。输出允许端OE接地表示输出三态门一直打开。 图12 74LS373的结构图Fig 12 The 74LS373 structure diagram2.6 存储器的扩展2.6.1 只读存储器简介半导体存储器分为随机存取存储器（Random Access Memory）和只读存储器（Read Only Memory）两大类，前者主要用于存放数据，后者主要用于存放程序。只读存储器的特点是信息一旦写入之后就不能随意跟更改，特别是不能在程序运行过程中写入新的内容，

21、而只能读出其中的内容，故称之为只读存储器；只读存储器的另一个特点是断电以后信息不会消失，能够长久保存。只读存储器是由MOS管阵列构成的，以MOS管的接通或断开来存储二进制信息。按照程序要求确定ROM存储阵列中各MOS管状态的过程叫做ROM编程。 EPROM2764简介 2764的引脚 自从EPROM276芯片被逐渐淘汰后，目前比较广泛采用的是2764芯片为双列直插式28引脚的标准芯片，容量为8K×8位，其管角如图13所示。 图13 2764的引脚 Fig 13 2764 pin 其中：A12A0：13位地址线。D7D0：8位数据线。CE：片选信号，低电平有效。OE：输出允许信号，当O

22、E=0时，输出缓冲器打开，被寻址单元的内容才能被卖出。Vpp：编程电源，当芯片编程时，该端加上编程电压（+25V或+12V）；正常使用时，该端加+5V电源。（NC为不用的管脚）。 2764的工作时序2764在使用时，只能将其所储存的内容读出，其过程与RAM的读出十分类似。即首先送出要读出的单元地址，然后使CE和OE均有效（低电平），则在芯片的D0D7数据线上就可以输出要读出的内容。其过程的时序关系如图14所示 图14 2764的工作时序Fig 14 2764 the work sequence EPROM的一个重要特点就是在于它可以反复擦除，即在其存储的内容擦除后可通过编程（重新）写入新的内容

23、。这就是用户调试和修改程序带来很大的方便。EPROM的编程过程如下： (1)擦除：如果EPROM芯片是第一次使用的新芯片，则它是干净的。干净的标志通常是一个存储单元的内容都是FFH。若芯片是使用过的，则它需要利用紫外线照射其窗口，以便将其内容擦除干净。一般照射击1520min即可擦除干净。 (2)编程：EPROM的编程有两种方式：标准编程和灵巧编程。标谁编程的过程为：将Vcc接+5V电源，Vpp接+21V电源（注意：不同厂家的芯片其编程电压Vpp是不一样的），然后输入需编程的单元地址，在数据线上加上要写入的数据，使CE保持低电平，OE为高电平。当上述信号稳定后，在PGM端加上50±5

24、ms的负脉冲。这样就将1个字节的数居写到了相应的地址单元中。重复上述过程，即可将要写入编程过程。标准编程中，每写入1个字节需要50ms左右的时间，对于2764来说共需78分钟时间。而且芯片容量愈大，所需的时间就愈多。另一方面，编程脉冲愈宽，芯片功耗愈大，芯片愈容易损坏。这此，人们提出了另一个编程方式灵巧编程。11 2764与单片机的连接图如图15示。 图15 2764与单片机的连接图Fig 15 2764 and the SCM connection diagram2.6.2 数据存储器概述 数据存储器即随机存取存储器（Random Access Memory），简称RAM，用于存放可随时修改

25、的数据信息。它与ROM不同，对RAM可以进行读、写两种操作。RAM为易失性存储器，断电后所存信息立即消失。按半导体工艺，RAM分为MOS型和双极型两种。MOS型集成度高、功耗低、价格便宜，但速度较慢。双极型的特点恰好相反。在单片机系统中多数采用MOS型数据存储器，使得输入输出信号能与TTL相兼容，扩展后的信号连接也很方便。按工作方式，RAM分为静态（SRAM）和动态（DRAM）两种。静态RAM只要电源加上，所存信息就能可靠保存。而动态RAM使用的是动态存储单元，需要不断进行刷新以便周期性地再生，才能保存信息。动态RAM的集成密度大，如集成同样的位容量，那么动态RAM所占芯片面积只是静态RAM的

26、四分之一。此外动态RAM的功耗低，价格便宜。由于动态存储器要增加刷新电路，因此只适用于较大的系统，而在单片机系统中则很少使用。2.6.3 静态RAM6264简介 6264是8K×8位的静态数据存储器芯片，采用CMOS工艺制造，为28引脚双列直插式封装，其引脚图如图16所示。图16 RAM6264引脚图Fig 16 The RAM6264 pin diagram需要说明的是，6264有两个片选信号CE1和CE2，只有当CE10，CE21时，芯片才被选中。在实际应用中，往往只用其中1个，而将另一个接成常有效；也可以将系统片选信号以及取反后的信号分别接至CE1和CE2端。2.6.4 数据存

27、储器扩展举例数据存储器的扩展与程序存储器的扩展相类似，不同之处主要在与控制信号的接法不一样，不用PSEN信号，而用RD和WR信号，且直接与数据存储器的OE端和WE端相连即可。图17为外扩1片6264的连接图。采用线选法，将片选信号CE1与P2.7相连，片选信号CE2与P2.6相连。其地址译码关系为：A15 A14 A13 A12 A11 A1001·×××××××××××××所占用的地址为:第一组 4000H5FFFH (A130) 第二组 6000H7F

28、FFH (A131) 图17 扩展一片RAM6264的连接图Fig 17 The extension of a RAM6264 connected graph2.7 单片机I/O口的扩展（8155扩展芯片）2.7.1 8155的结构和引脚 Intel 8155是一种多功能的可编程的可编程接口芯片，它具有3个可编程I/O（A口和B口是8位，C口是6位）、1个可编程定时器/计数器和256B的RAM，能方便地进行I/O扩展和RAM扩展，其组成框图及引脚如图18所示。图18 8155引脚和结构图Fig 18 8155 pin and structure diagram 8155为40脚双列直插式封装，

29、其引脚的功能及特点说明如下：RESET：复位端，高电平有效。当RESET端加入5us左右宽的正脉冲时，8155初始化复位。把A口、B口、C口均初始化为输入方式。AD0AD7：三态地址数据总线。采用时方法区分地址及数据信息。通常与MCS-51单片机的P0口相连。其地址码可以是8155中RAM单元地址或I/O地址。地址信息由ALE的下降沿锁存到8155的地址锁存器中，与RD和WR信号配合输入或输出数据。CE：片选信号端，低电平有效。它与地址信息一起由ALE信号的下降沿锁到8155的锁存器中。 IO/M：RAM和I/O接口选择端。IO/M=0时，选中8155的片内RAM，AD0AD7为RAM地址（0

30、0HFFH）；IO/M=1时，选中8155片内3个I/O接口以及命令/状态寄存器和定时器/计数器。AD0AD7为I/O接口地址，见下表1。表1 8155口地址分配Table 1 8155 address allocationAD7-AD0A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0选中的寄存器 X x x x x 0 0 0 X x x x x 0 0 1 X x x x x 0 1 0 X x x x x 0 1 1 X x x x x 1 0 0 X x x x x 1 0 1 命令/状态寄存器A口（PA0-PA7）B口（PB0-PB7）C口（PC0-PC7）定时器/计数器低B位寄存器定

31、时器/计数器高B位寄存器及工作方式2位 RD：读选通信号端。低电平有效。当CE=0、RD=0时，将8155片内RAM单元或I/O接口的内容传送到AD0AD7总线上。WR：写选通信号端，低电平有效。当CE=0、WR=0时，将CPU输出送到AD0AD7总线上的信息写到片内RAM单元或I/O借口中。ALE：地址锁存允许信号端。ALE信号的下降沿将AD0AD7总线上的地址信息和CE及IO/M的状态信息都锁存到8155内部锁存器中。PA7PA0：A口通用输入/输出线。它由命令寄存器中的控制字来决定输入/输出。PA7PB0：B口通用输入/输出线。它由命令寄存器中的控制字来决定输入/输出。PC5PC0：可用

32、编程的方法来决定C口作为通用输入/输出线或作A口、B口数据传送的控制应答联络线。TIME IN：定时器/计数器脉冲输入端。TIME OUT：定时器/计数器矩形脉冲或方波输出端（取决于工作方式）。Vcc：+5电源端。Vss：接地端。2.7.2 8155的控制字的及其工作方式命令/状态字的格式及功能8155的I/O接口的工作方式选择是通过 对8155内部寄存器送命令来实现的，命令寄存器由8位锁存器组成，只能写入、不能读出。命令字每位的定义如下所示：AINTR：A口中断请求信号ABF：B口缓冲器信号ASTB：A口选通信号BINTR：B口中断请求信号BBF：B口缓冲满信号BSTB：B口选通信号8155

33、的状态寄存器口地址和命令寄存器相同。与控制字相反，状态字寄存器只能读出、不能写入，其格式及定义如图19，20所示：图19 8155状态字格式Fig 19 8155 status word format图20 8155状态字定义Fig 20 8155 status word definition2.7.3 8155与8031的连接如图21所示为8155与8031的连接 图21 8155与8031的连接Fig 21 8155 and 8031 connection2.8 看门狗、报警、复位和时钟电路的设计2.8.1 看门狗电路的设计 为提高系统的可靠性,由硬件的 “看门狗”。由NE555定时器构成

34、的看门狗电路如图22所示R3、C6为定时元件，由单稳态电路产生的正脉冲宽度为，C5用于滤除高频干扰。下面分析看门狗电路的工作原理： (1)当系统工作正常时，看门狗电路不起作用。(2)当系统运行不正常时，8031不能给定时器送去触发脉冲，NE555中的单稳态触发器就输出脉宽大于4us的负脉冲，经F6反相后加至80C31的复位端，使系统能可靠地复位，迅速恢复正常运行状态。 图22 看门狗电路Fig 22 The watchdog circuit2.8.2 报警电路的设计当温度过大地超了给定的温度时，系统就会发出报警信号。在这方面的设计中我们采用了如图23所示的报警电路。其工作原理是：温度过高时，单

35、片机就从P1.5口发出一个低电平信号，经反向后使发光二极管发光，同时使蜂鸣器发音，从而达到报警的日的。 图23 报警电路Fig 23 Alarm circuit2.8.3 复位电路的设计在单片机应用系统工作时，除了进入系统正常的初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需要按复位键以重新启动。所以，系统的复位电路必须准确、可靠地工作。另外，单片机的复位状态与应用系统的复位状态又是密切相关的，因此，必须熟悉单片机的复位状态。 (1)复位单片机的复位都是靠外部电路实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的RST引脚上出现24个时钟振荡脉冲（2个机器周期）以上的高电平

36、，单片机便实现初始化状态复位。为了保证应用系统可靠地复位，在设计复位电路时，通常使RST引脚保持10ms以上的高电平。只要RST保持高电平，则MCS-51单片机就循环复位。单片机的复位状态要注意以下几点： 复位是单片机的初始化操作。其主要功能是把 PC初始化为0000H，使单片机从 0000H单元开始执行。 复位操作除了把PC初始化为0000H之外，还对一些特殊功能寄存器（专用寄存器）有影响，它们的复位状态见表2。 复位操作还对单片机的个别引脚信号有影响，例如把ALE和PSEN信号变为无效状态，即ALE=0,PSEN=1。但复位不影响单片机内部的RAM状态。表2单片机的复位状态Table 2

37、MCU reset state专用寄存器复位状态专用寄存器复位状态PC0000HTMOD00HACC00HTCON00HB00HTL000HPSW00HTH000HSP07HTL100HDPTR000H0TH100HP0P3FFHSCON00HIP××000000BSBUF不定IE0×000000BPCON0×××0000B (2)复位电路 从以上的叙述中，我们已经清楚复位电路的设计原理：在单片机的 RST引脚上出现24个时钟振荡脉冲（2个机器周期）以上的高电平（为了保证应用系统可靠地复位，通常使 RST引脚保持10ms以上的高电平）

38、。根据这个原则，采用的电路是：按键电平复位，如图24所示，按键电平复位是通过使复位端经电阻与Vcc电源接通而实现的。 图24复位电路 Fig 24 Reset circuit2.8.4 时钟电路的设计 时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。而时序所研究的则是指令执行中各信号之间的相互时间关系。 (1)时钟电路在介绍单片机引脚时，我们已经叙述过有关振荡器的概念。振荡电路产生的振荡脉冲，并不是时钟脉冲。这二者既有联系又有区别。在由多片单片机组成的系统中，为了各单片机之间时钟信号

39、的同步，还引人公用外部脉冲信号作为各单片机的振荡脉冲。 (2)时钟信号的产生XTAL1（19脚）是按外部晶体管的一个引脚。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。输出端为引脚XTAL2，在芯片的外部通过这两个引脚接晶体震荡器和微调电容，形成反馈电路，构成一个稳定的自激震荡器。我们可以用示波器测出XTAL2上的波形。电路中的C1和C2一般取30PF 左右而晶体震荡器的频率范围通常是1.212 MHZ，晶体震荡器的频率越高，振荡频率就越高。振荡电路产生的振荡脉冲并不是时钟信号，而是经过二分频后才作为系统达到时钟信号。如图25所示。在二分频的基础上再三分频产生 ALE信

40、号在二分频的基础上再六分频得到机器周期信号。本次设计中我们采用了6MHZ的晶体震荡器。 图25 时钟电路图Fig 25 Clock circuit diagram2.9 键盘与显示电路的设计2.9.1 LED数码显示器的接口电路实际使用的LED数码显示器位数较多,为了简化线路、降低成本，大多采用以软件为主的接口方法。对于多位LED数码显示器，通常采用动态扫描显示方法，即逐个地循环地点亮各位显示12。这样虽然在任一时刻只有1位显示器被点亮，但是由于人眼具有视觉残留效应，看起来与全部显示器持续点亮的效果基本一样（在亮度上要有差别）。为了实现LED显示器的动态扫描显示，除了要给显示器提供显示段码之外

41、，还要对显示器进行位的控制，即通常所说的“位控”。因此对于多位LED数码显示器的接口电路来说，需要有两个输出口，其中一个用于输出显示段码；另一个用于输出位控信号，“位控”实际上就是对LED显示器的公共端进行控制，位控信号的数目与显示器的位数相同。 图25 6位LED数码显示器接口的电路Fig 25 6 LED digital display interface circuit 图25是使用8155作为6位LED数码显示器接口的电路，其中8155的A口为输出口（段控口），用以输出8位显示段码（包括小数点）。考虑到LED显示器的段电流为8mA左右，不能用8155的A口直接驱动，因此要加1级电流驱动

42、。电流驱动即可以用反相的，也可以用相同的。反相电流驱动器经常使用7406；同相电流驱动器则采用7407或74LS244。（注意：使用OC门7406或7407时要加上拉电阻）C口作为输出口（位控口），以PC0PC5输出位控信号。由于位控信号控制的是LED显示器的公共端，驱动电流较大，8段全亮时需要4060mA。因此必须在C口与LED的位控线之间增加电流驱动器以提高驱动能力，常用的有SN75452（反相）、7406（反相）或7407（同相）等。2.9.2 键盘接口电路对于8751或8051型单片机来说，如果不再外扩程序存储器的话，则可以利用P0P2口中的任意两个口构成多打8*8的键盘，其中1个作为

43、输出口，1个作为输入口，既可以采用扫描法，也可以采用线反转法。如果单片机本身的口线已被占用的话，则可以通过外扩I/O接口芯片来构成键盘借口电路，较常用的是8155、8255A等接口芯片，图26是采用8155接口芯片构成2*6键盘的接口电路，其中B口为输入，作为行线；C口为输出，作为列线。 图27 采用8155接口芯片构成2*6键盘的接口电路Fig 27 Using 8155 interface chip 2*6 keyboard interface circuit 在本次的毕业设计中我们的显示与键盘的设计如图28。其中显示器5个按键10个。 图28 显示与键盘的设计图Fig 28 Displa

44、y and keyboard design 显示器可显示通道、温度、升降温速率、恒温时间这几项功能。10个按键盘分别为SET：恒温设置键；SETUP：升温速率设置键；SETDN；降温速率设置键；SETTM：恒温时设置键盘；CHN：通道选择键；SUM：增一键；RL：右移键，ENTER：回车键盘；DTS：显示键。2.10 DAC7521数模转换接口 数模转换电路的主要任务是:将模糊自整定PID控制器输出的数字量转换成可控硅过零触发电路所需的模拟控制量。本系统采用的触发芯片TL494的触发电压需调至010V，移相范围0°170°，故每度所需的移相电压 控制0.1°所需移

45、相电压增量为5.882 mV。这里采用12位DAC7521作为数模转换器，其满度输出10 V，输出电流经运放OP07变成电压，分辨率为 每个量化单位可控制的移相角设为x°，则0.10°/5.882°= x°/2.44，即 可见控制器的控制平滑度和精度，都有较大的余量。D/A转换器的接口逻辑如图29所示。 图29 数模转换接口电路Fig 29 D/d conversion interface circuit DAC7521从8031的8位数据线上获取12位的数据必须分两次进行。为了防止D/A转换书输出会有“毛刺”现象，这里采用了两级缓冲器结构。即8031先

46、把低8位送入第一级缓冲器，然后再送高4位数据时，同时选通第二级的两片74LS373构成的第一级缓冲器，使12位数据同时出现在DAC7521的数据输出线上，进行D/A转换。D/A输出的电流经OP07反相后变为010V的电压信号。2.11 隔离放大器的设计电子电路抗干扰设计的有效方法是利用光电隔离。但是，由于光电隔离器件的电流传输系数是非线性的，直接用来传输模拟量时，非线性失真较大、精度差，我们利用光电耦合器件与运算放大器结合设计一个线性度较好的模拟量光隔离放大器电13。如图30所示。图30光电隔离放大器Fig 30 Photoelectric isolation amplifier 其中，G1,

47、G2是两个性能、规格相同(同一封装)的光电耦合器，G1,G2的初级串连，并用同一偏置电流I1激励，设G1和G2的电流传输系数分别为a2和a2，则 ， 则集成运放A4具有理想性能，则 而输出电压U0为 因此，电路的电压增益AV可由下式确定 则 (4) 由于G1、G2是同性能、同型号、同封装的光电耦合器（MOC8111）,因此G1、G2的电流传输系数a1和a2可看作是相等的，所以光耦合放大器的电压增益为 由此可知，如图所示的光耦放大器增益与G1,G2的电流传输系数a1和a2无关。实际上是利用G1,G2电流传输系数的对称性补偿了它们之间的非线性。运放A5(uA741)接成跟随器形式，以提高电路的负载

48、能力。运放A1连接反馈电容C，用来消除电路的自激振荡。由于光电耦合器初级、次级之间存在着延迟，使G1和G2组成的负反馈电路之间显得迟缓，容易引起电路C自激振荡，连接电容之后，保证了电路对瞬变信号的负反馈作用，提高了电路的稳定性。电容C的容量可根据电路的频率特性要求来确定，经实验和实际应用，电路的非线性误差小于0.2%较好地解决了模拟信号不共地传输的问题。2.12 可控硅调功控温可控硅调功控温具有不冲击电网，对用电设备不产生干扰等优点，是一种应用广泛的控温方式。所谓调功控温就是在给定周期内控制可控硅的导通时间，从而改变加热功率，来实现温度调节。设采取(控制)周期为T,在T周期内工频交流电的半周波

49、数为N，如全导通时额定加热功率为PH则实际的平均加热功率与T周期内实际导通的半周波数n成正比，即 (5) 2.12.1 过零触发调功器的组成 目前，采用可控硅进行功率调节的触发方式有两种:过零触发、移相触发。移相触发方式调功实际上是控制可控硅的导通角，达到调节功率的目的，此方式易造成电磁干扰且电路复杂。据文献专门介绍:采用移相触发的可控硅交流调功装置，往往在可控硅导通的瞬间使电网电压出现畸变，当控制角为90°时，产生的三次谐波电流为基波电流的50%五次谐波也可达基波的1/6。这些谐波分量引起电网电压波形畸变，功率因数下降，给其它用电设备和通讯系统的工作带来不良影14。为此，人们研究了

50、各种避免电压瞬时大幅度下降和抑制高次谐波的方法，过零触发方式很好地解决了此类问题，它可把可控硅导通的起始点限制在电源电压过零点，从而大大降低了谐波分量。然而，传统的可控硅过零触发调功器由同步脉冲产生电路、检零电路、隔离电路组成，结构复杂，降低了可靠性，而且采用分立元件，器件的离散性和温漂严重影响调功器控制精度及使用寿命。实现可控硅调功控温需解决3个技术关键:获取工频交流电源的过零触发脉冲，作为触发双向可控硅的同步脉冲:将控制算法得到的控制量变为可控硅在周期内的导通时间:隔离工频交流电源强电对单片机系统和控制电路弱电的干扰。根据上述要求设计的可控硅调功控温电路如图31所示。该调功器主要由跟随器、

51、PWM脉冲形成电路、光隔离/光耦合过零双向可控硅驱动器及电源四部分组成。 图31 可控硅调功原理图Fig 31 Thyristor power diagram2.12.2 主要电路介绍 (1)PWM脉冲形成及脉宽调制电路TL494是德克萨斯仪器公司研制的双端脉宽调制器，其功能框图与引脚如图32所示。图32 TL494功能框图与引脚Fig 32 The TL494 function block diagram and pins TL494在开关电源中应用较多，在此，利用其脉宽调制功能构成脉冲形成及脉宽调制电路。将芯片的5,6脚分别接振荡器的电阻、电容，通过改变电阻、电容的大小，即可调节振荡器频率

52、(为了保证振荡器的稳定性，应采用金属膜电阻和漏电流的电容)。振荡器产生的锯齿形振荡波被送到PWM比较器的反相输入端，脉冲调宽电压送到PWM比较器的同相输入端，通过PWM比较器进行比较，输出一定宽度的脉冲波。当调宽电压变化时，TL494输出的脉冲宽度也随之改变，从而改变开关管的导通时间，达到调节、稳定输出电压的目15。脉宽调宽电压可由3脚直接送入的电压来控制，也可分别从两个误差放大器输入端送入，通过比较、放大经隔离二极管输出到PWM比较器的正相输入端，此时3脚应接RC网络，提高整个电路的稳定性。本设计将两个误差放大器的输入端和反馈接地，将3脚直接接控制电压，这时比较器A7输出为一定额率的脉冲信号

53、，将13脚接地，则触发器不起作用，所以改变控制电压大小，即可改变10脚输出脉冲的宽度。(2)光隔离/光耦合过零双向可控硅驱动器MOC3041新型器件MOC3041的使用使调功器电路变得非常简练，它集光电隔离、过零检测功能于一身，具有体积小、功耗低、抗干扰能力强、无噪声等优点，图33为其构成的可控硅基本驱动电路。图33可控硅基本驱动电路Fig 33 The basic drive circuit of controlled silicon 图中有关元件功能如下: Rs,Cs为吸收电路，并接在功率可控硅的阳极和阴极之间，起保护作用。因为负载若为感性，可控硅通、断时会产生较大的反电动势，可能引起可控硅的损坏，在相关电路上并联吸收电路后，就能削弱高的瞬时电压，从而保护可控硅。一般Cs,Rs取值靠经验确定，暂无一套完整的计算方法。