实验室再流焊温度控制

1、目目 录录1 绪论.12 设计理论基础.12.1 再流焊.12.1.1 再流焊设备的发展.12.1.2 温度曲线的建立.22.1.3 影响再流焊加热不均匀的主要因素.42.1.4 再流焊相关焊接缺陷的原因分析.42.2 单片机.52.2.1 单片机温度控制系统方案简介.52.2.2 AT89C51 系列单片机介绍.62.2.3 AT89C51 系列引脚功能.72.3 ADC0809 模数转换器 .92.4 移位寄存器 74LS164.112.5 数码显示管 LED.112.6 温度传感器 PTJ401.123 系统硬件设计.133.1 单片机控制单元.133.2 温度采样部分.143.3 A/

2、D 转换.143.4 显示部分.163.5 键盘接口.173.6 控制电路.184 系统软件设计.204.1 主程序流程图.204.2 控制子程序.204.3 A/D 转换子程序.214.4 显示流程图.224.5 键盘子程序.235 总结.24致谢.25参考文献.26附录.271.系统总程序清单.272 系统原理图.3411 绪论绪论 再流焊是预先在PCB(Printed Circuit Board)板的焊接部位(焊盘)放置适量和适当形式的焊料,然后贴放表面组装元器件,经固化(在采用焊膏时)后,再利用外部热源使焊料再次流动达到焊接目的的一种成组或逐点焊接工艺。只要设置合适的再流焊设备的各区温

3、度,几乎能完全满足各类表面组装元器件对焊接的要求,实现可靠的连接。但目前在国内还没有建立再流焊接温度场的模型,仍采用反复试验的方法制定再流焊接工艺,造成了巨大的财力和人力的浪费。用ANSYS软件,根据所用Pb63Sn37钎料的性能,分析了获得良好焊点性能的再流焊温度曲线;利用传热学的理论,将再流焊中红外加热转化为对流加热,结合再流焊设备对PCAs(Printed Circuit Assemblis)加热的实际物理过程,建立了红外热风再流焊方法的传热数学模型;根据再流焊设备的尺寸,结合获得良好性能产品的再流焊焊膏熔化温度曲线的要求,建立了再流焊传输带速度(v)和再流焊各加热温区功能的模型。本设计

4、使用单片机作为核心进行再流焊的温度控制。单片机具有集成度高，通用性好，功能强，特别是体积小，重量轻，耗能低，可靠性高，抗干扰能力强和使用方便等独特优点，在数字、智能化方面有广泛的用途。本系统所使用的单片机AT89C51有128K的RAM，使温度控制大为简便。2 设计理论基础设计理论基础2.1 再流焊再流焊再流焊接是表面贴装技术(SMT)特有的重要工艺，焊接工艺质量的优劣不仅影响正常生产，也影响最终产品的质量和可靠性。因此对再流焊工艺进行深入研究，并据此开发合理的再流焊温度曲线，是保证表面组装质量的重要环节2.1.1 再流焊设备的发展再流焊设备的发展在电子行业中，大量的表面组装组件(SMA)通过

5、再流焊机进行焊接，目前再流焊的热传递方式经历了远红外线全热风红外热风三个阶段。 远红外再流焊 八十年代使用的远红外再流焊具有加热快、节能、运行平稳的特点，但由于印制板及各种元器件因材质、色泽不同而对辐射热吸收率有很大差异，造成电路上各种不同元器件以及不同部位温度不均匀，即局部温差。例如集成电路的黑色塑料封装体上会因辐射吸收率高而过热，而其焊接部位银白色引线上反而温度低产生假焊。另外，印制板上热辐射被阻挡的部位，例如在大(高)元器件阴影部位的焊接引脚或小元器件就会因加热不足而造成焊接不良。2 全热风再流焊 全热风再流焊是一种通过对流喷射管嘴或者耐热风机来迫使气流循环，从而实现被焊件加热的焊接方法

6、。该类设备在90年代开始兴起。由于采用此种加热方式，印制板和元器件的温度接近给定的加热温区的气体温度，完全克服了红外再流焊的温差和遮蔽效应，故目前应用较广。 在全热风再流焊设备中，循环气体的对流速度至关重要。为确保循环气体作用于印制板的任一区域，气流必须具有足够快的速度。这在一定程度上易造成印制板的抖动和元器件的移位。此外，采用此种加热方式就热交换方式而言，效率较差，耗电较多。 红外热风再流焊 这类再流焊炉是在IR炉基础上加上热风使炉内温度更均匀，是目前较为理想的加热方式。这类设备充分利用了红外线穿透力强的特点，热效率高，节电，同时有效克服了红外再流焊的温差和遮蔽效应，并弥补了热风再流焊对气体

7、流速要求过快而造成的影响，因此这种IR+Hot的再流焊目前在国际上是使用得最普遍的。 随着组装密度的提高、精细间距组装技术的出现，还出现了氮气保护的再流焊炉。在氮气保护条件下进行焊接可防止氧化，提高焊接润湿力，加快润湿速度，对未贴正的元件矫正力大，焊珠减少，更适合于免清洗工艺。可靠的连接。2.1.2 温度曲线的建立温度曲线的建立 温度曲线是指SMA通过回流炉时，SMA上某一点的温度随时间变化的曲线。温度曲线提供了一种直观的方法，来分析某个元件在整个回流焊过程中的温度变化情况。这对于获得最佳的可焊性，避免由于超温而对元件造成损坏，以及保证焊接质量都非常有用。以下从预热段开始进行简要分析。 预热段

8、 该区域的目的是把室温的PCB尽快加热，以达到第二个特定目标，但升温速率要控制在适当范围以内，如果过快，会产生热冲击，电路板和元件都可能受损；过慢，则溶剂挥发不充分，影响焊接质量。由于加热速度较快，在温区的后段SMA内的温差较大。温度最高不要超过120。 保温段 保温段是指温度从120-150升至焊膏熔点的区域。其主要目的是使SMA内各元件的温度趋于稳定，尽量减少温差。在这个区域里给予足够的时间使较大元件的温度赶上较小元件，并保证焊膏中的助焊剂得到充分挥发。到保温段结束，焊盘、焊料球及元件引脚上的氧化物被除去，整个电路板的温度达到平衡。应注意的是SMA上所有元件在这一段结束时应具有相同的温度，

9、否则进入3到回流段将会因为各部分温度不均产生各种不良焊接现象。 回流段 在这一区域里加热器的温度设置得最高，使组件的温度快速上升至峰值温度。在回流段其焊接峰值温度视所用焊膏的不同而不同，一般推荐为焊膏的溶点温度加20-40。对于熔点为183的63Sn37Pb焊膏和熔点为179的Sn62Pb36Ag2焊膏，峰值温度一般为210-230，再流时间不要过长，以防对SMA造成不良影响。理想的温度曲线是超过焊锡熔点的“尖端区”覆盖的面积最小。 冷却段 这段中焊膏内的铅锡粉末已经熔化并充分润湿被连接表面，应该用尽可能快的速度来进行冷却，这样将有助于得到明亮的焊点并有好的外形和低的接触角度。缓慢冷却会导致电

10、路板的更多分解而进入锡中，从而产生灰暗毛糙的焊点。在极端的情形下，它能引起沾锡不良和减弱焊点结合力。冷却至75即可。保温段预热段回流段冷却段图图 2-12-1 再流焊的温度流程再流焊的温度流程 测量再流焊温度曲线时需使用温度曲线测试仪(以下简称测温仪)，其主体是扁平金属盒子，一端插座接着几个带有细导线的微型热电偶探头。测量时可用焊料、胶粘剂、高温胶带固定在测试点上，打开测温仪上的开关，测温仪随同被测印制板一起进入炉腔，自动按内编时间程序进行采样记录。测试记录完毕，将测试仪与打印机连接，便可打印出多根各种色彩的温度曲线。测温仪作为 SMT 工艺人员的眼睛与工具，在国外 SMT 行业中已被相当普遍

11、地使用。在使用测温仪时，应注意以下几点： 测定时，必须使用已完全装配过的板。首先对印制板元器件进行热特性分析，由于印制板受热性能不同，元器件体积大小及材料差异等原因，各点实际受热升温不相同，找出最热点、最冷点，分别设置热电偶便可测量出最高温度与最低温度。 尽可能多设置热电偶测试点，以求全面反映印制板各部分真实受热状态。例如印制板中心与边缘受热程度不一样，大体积元件与小型元件热容量不同及热敏感元件都必须设置测试点。 热电偶探头外形微小，必须用指定高温焊料或胶粘剂固定在测试位置，否则受热松动，偏离预定测试点，引起测试误差。4 所用电池为锂电池与可重复充电镍镉电池两种。结合具体情况合理测试及时充电，

12、以保证测试数据准确性。再流焊是预先在PCB(Printed Circuit Board)板的焊接部位(焊盘)放置适量和适当形式的焊料,然后贴放表面组装元器件,经固化(在采用焊膏时)后,再利用外部热源使焊料再次流动达到焊接目的的一种成组或逐点焊接工艺。只要设置合适的再流焊设备的各区温度,几乎能完全满足各类表面组装元器件对焊接的要求,实现可靠的连接。但目前在国内还没有建立再流焊接温度场的模型,仍采用反复试验的方法制定再流焊接工艺,造成了巨大的财力和人力的浪费。用ANSYS软件,根据所用Pb63Sn37钎料的性能,分析了获得良好焊点性能的再流焊温度曲线;利用传热学的理论,将再流焊中红外加热转化为对流

13、加热,结合再流焊设备对PCAs(Printed Circuit Assemblis)加热的实际物理过程,建立了红外热风再流焊方法的传热数学模型;根据再流焊设备的尺寸,结合获得良好性能产品的再流焊焊膏熔化温度曲线的要求,建立了再流焊传输带速度(v)和再流焊各加热温区功能的模型。2.1.3 影响再流焊加热不均匀的主要因素影响再流焊加热不均匀的主要因素 在SMT再流焊工艺造成对元件加热不均匀的原因主要有：再流焊元件热容量或吸收热量的差别，传送带或加热器边缘影响，再流焊产品负载等三个方面。 通常PLCC、QFP与一个分立片状元件相比热容量要大，焊接大面积元件就比小元件更困难些。 在再流焊炉中，传送带在

14、周而复始传送产品进行再流焊的同时，也成为一个散热系统。此外在加热部分的边缘与中心散热条件不同，边缘一般温度偏低，炉内除各温区温度要求不同外，同一载面的温度也有差异。 产品装载量不同的影响。再流焊的温度曲线的调整要考虑在空载、负载及不同负载因子情况下能得到良好的重复性。负载因子定义为：LF=L(L+S)；其中L=组装基板的长度，S=组装基板的间隔。 再流焊工艺要得到重复性好的结果，负载因子愈大愈困难。通常再流焊炉的最大负载因子的范围为05-09。这要根据产品情况(元件焊接密度、不同基板)和再流炉的不同型号来决定。要得到良好的焊接效果和重复性，实践经验是很重要的。2.1.4 再流焊相关焊接缺陷的原

15、因分析再流焊相关焊接缺陷的原因分析 桥联 焊接加热过程中也会产生焊料塌边，这个情况出现在预热和主加热两种场5合，当预热温度在几十至一百度范围内，作为焊料中成分之一的溶剂即会降低粘度而流出，如果其流出的趋势是十分强烈的，会同时将焊料颗粒挤出焊区外的含金颗粒，在熔融时如不能返回到焊区内，也会形成滞留的焊料球。 除上面的因素外，SMD元件端电极是否平整良好，电路线路板布线设计与焊区间距是否规范，阻焊剂涂敷方法的选择和其涂敷精度等都会是造成桥联的原因。 立碑(曼哈顿现象) 片式元件在遭受急速加热情况下发生的翘立，这是因为急热使元件两端存在温差，电极端一边的焊料完全熔融后获得良好的湿润，而另一边的焊料未

16、完全熔融而引起湿润不良，这样促进了元件的翘立。因此，加热时要从时间要素的角度考虑，使水平方向的加热形成均衡的温度分布，避免急热的产生。 防止元件翘立的主要因素有以下几点：选择粘接力强的焊料，焊料的印刷精度和元件的贴装精度也需提高；元件的外部电极需要有良好的湿润性和湿润稳定性。推荐：温度40以下，湿度70RH以下，进厂元件的使用期不可超过6个月；采用小的焊区宽度尺寸，以减少焊料熔融时对元件端部产生的表面张力。另外可适当减小焊料的印刷厚度，如选用100m； 焊接温度管理条件设定也是元件翘立的一个因素。通常的目标是加热要均匀，特别在元件两连接端的焊接圆角形成之前，均衡加热不可出现波动。 润湿不良 润

17、湿不良是指焊接过程中焊料和电路基板的焊区(铜箔)或SMD的外部电极，经浸润后不生成相互间的反应层，而造成漏焊或少焊故障。其中原因大多是焊区表面受到污染或沾上阻焊剂，或是被接合物表面生成金属化合物层而引起的。譬如银的表面有硫化物、锡的表面有氧化物都会产生润湿不良。另外焊料中残留的铝、锌、镉等超过0.005以上时，由于焊剂的吸湿作用使活化程度降低，也可发生润湿不良。因此在焊接基板表面和元件表面要做好防污措施。选择合适的焊料，并设定合理的焊接温度曲线。2.2 单片机单片机单片机是单片微型计算机SCM(single chip micro-computer)的译名简称，在国内也常简称为“单片机”。它包括

18、中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、中断系统、定时器/计数器、串行口和I/O等等。单片机主要应用于工业控制领域，用来实现对信号的检测、数据的采集以及对应用对象的控制。它具有体积小、重量轻、价格低、可靠性高、耗电少和灵活机动等许多优点，单片微型计算机(简称单片机)是微型计算机的一个重要分支，也是一种非常活跃和颇具生命力的机种，特别适合用于智能控制系统。62.2.1 单片机温度控制系统方案简介单片机温度控制系统方案简介单片机温度控制系统是数控系统的一个简单应用。在冶金、化工、建材、机械、食品、石油等各类工业中，广泛使用着加热炉、热处理炉、反应炉等，因此，温度是工业对象中一个主要的

19、被控参数。由于炉子的种类不同，因而所使用的燃料和加热方法也不同，例如煤气、天然气、油、电等;由于工艺不同，所需要的温度高低不同，因而所采用的测温元件和测温方法也不同;产品工艺不同，控制温度的精度也不同，因而对数据采集的精度和所采用的控制算法也不同。单片微型计算机的功能不断的增强，为先进的控制算法提供的载体，许多高性能的新型机种应运而生。本系统所使用的加热炉为电加热炉，炉丝功率为2kw，系统要求炉膛恒温，超调量可能小，温度上升较快且有良好的稳定性. 单片机温度控制系统是以AT89C81单片机为控制核心，辅以采样反馈电路，驱动电路，晶闸管主电路对电炉炉温进行控制的微机控制系统。其系统结构框图可表示

20、为:系统采用单闭环形式，其基本控制原理为:将温度设定值(即输入控制量)和温度反馈值同时送入控制电路部分，然后经过调节器运算得到输出控制量，输出控制量控制驱动电路得到控制电压施加到被控对象上，电炉因此达到一定的温度。 图图2-22-2 温度控制原理图温度控制原理图2.2.2 AT89C51 系列单片机介绍系列单片机介绍AT89C51是一种带4k字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。而在众多的51系列单片机中，要算 ATMEL 公司的AT89C5

21、1更实用，也是一种高效微控制器，因为它不但和8051指令、管脚完全兼容，而且其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的，这种工艺的存储器，用户可以用电的方式达到瞬间擦除、改写。而这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。AT89C51基本功能描述如下：AT89C51是一种低损耗、高性能、CMOS八位微处理器，而且在其片种还有4k字节的在线可重复编程快擦快写程序存储器，89C51单片机键盘设定数据采集数码显示控制电路7能重复写入/擦除1000次，数据保存时间为十年。它与MCS-51系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容，不仅可完全代替MCS-51系列单片机，而且能使系统具有许多MCS-51

22、系列产品没有的功能。AT89C51可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积, 增加系统的可靠性，降低了系统成本。只要程序长度小于4k, 四个I/O口全部提供给用户。可用5V电压编程，而且写入时间仅10毫秒, 仅为8751/87C51 的擦除时间的百分之一，与8751/87C51的12V电压擦写相比, 不易损坏器件, 没有两种电源的要求，改写时不拔下芯片，适合许多嵌入式控制领域。AT89C51 芯片提供三级程序存储器锁定加密， 提供了方便灵活而可靠的硬加密手段, 能完全保证程序或系统不被仿制。另外,AT89C51 还具有MCS-51系列单片机的所有优点。1288 位内部RAM, 32 位双向

23、输入输出线, 两个十六位定时器/计时器, 5个中断源, 两级中断优先级, 一个全双工异步串行口及时钟发生器等。AT89C51有间歇、掉电两种工作模式。间歇模式是由软件来设置的, 当外围器件仍然处于工作状态时, CPU可根据工作情况适时地进入睡眠状态, 内部RAM和所有特殊的寄存器值将保持不变。这种状态可被任何一个中断所终止或通过硬件复位。掉电模式是VCC电压低于电源下限, 当振荡器停止振动时, CPU 停止执行指令。该芯片内RAM和特殊功能寄存器值保持不变, 一直到掉电模式被终止。只有VCC电压恢复到正常工作范围而且在振荡器稳定振荡后，通过硬件复位、掉电模式可被终止。2.2.3 AT89C51

24、 系列引脚功能系列引脚功能 AT89C51有40引脚双列直插（DIP）形式。其与80C51引脚结构基本相同，其逻辑引脚图如图2-1。8图图2-32-3 AT89C51AT89C51逻辑引脚图逻辑引脚图各引脚功能叙述如下： 电源和晶振VCC运行和程序校验时加+5VGND接地XTAL1输入到振荡器的反向放大器XTAL2反向放大器的输出，输入到内部时钟发生器（当使用外部振荡器时，XTAL1接地，XTAL2接收振荡器信号）RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间

25、，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。 I/O（4个口，32根）P0口8位、漏极开路的双向I/O口。当使用片外存储器（ROM、RAM）时，作地址和数据分时复用。在程序校验期间，输出指令字节（需加外部上拉电路）。P0口（作为总线时）能驱动8个LSTTL负载。P1口8位、准双向I/O口。在编程/

26、校验期间，用于输入低位字节地址。P1口可驱动4个LSTTL负载。对于80C51，P1.0T2，是定时器的计数端且位输入；P1.1T2EX，是定时器的外部输入端。这时，读两个特殊输入引脚的输出锁存器应由程序置1。P2口8位、准双向I/O口。当使用片外存储器（ROM及RAM）时，输出高8位地址。在编程/校验期间，接收高位字节地址。P2口可以驱动4个LSTTL负载。P3口8位、准双向I/O口，具有内部上拉电路。P3口提供各种替代功能。在提供这些功能时，其输出锁存器应由程序置1。P3口可以输入/输出4个LSTTL负载。 串行口P3.0RXD（串行输入口），输入。P3.1TXD（串行输出口），输出。中断

27、9P3.2INT0外部中断0，输入。P3.3INT1外部中断1，输入。 定时器/计数器P3.4T0定时器/计数器0的外部输入，输入。P3.5T1定时器/计数器1的外部输入，输入。 数据存储器选通P3.6WR低电平有效，输出，片外存储器写选通。P3.7RD低电平有效，输出，片外存储器读选通。 控制线(共4根)输入：RST复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。EA/Vpp片外程序存储器访问允许信号，低电平有效。在编程时，其上施加21V的编程电压。注意：在加密方式1时，EA将内部锁定为RESET；当EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也

28、用于施加12V编程电源（VPP）。输入、输出：ALE/PROG地址锁存允许信号，输出。ALE以1/6的振荡频率稳定速率输出，可用作对外输出的时钟或用于定时。在EPROM编程期间，作输入，输入编程脉冲（PROG）。ALE可以驱动8个LSTTL负载。当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。注意：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在

29、执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。输出：PSEN片外程序存储器选通信号，低电平有效。在从片外程序存储器取址期间，在每个机器周期中，当PSEN有效时，程序存储器的内容被送上P0口（数据总线）。PSEN可以驱动8个LSTTL负载。2.3 ADC0809 模数转换器模数转换器ADC0809 是位 A/D 转换芯片，它是采用逐次逼近的方法完成 A/D 转换的。10ADC0809 由单+5V 电源供电；片内带有锁存功能的 8 路模拟多路开关，可对 8路 05V 的输入模拟电压分时进行转换，完成一次转换约需 100S；片内具

30、有多路开关的地址译码器和锁存器、高阻抗斩波器、稳定的比较器，256 电阻 T型网络和树状电子开关以及逐次逼近寄存器。ADC0809 是引脚双列直插式封装，引脚及其功能（图 2-2）：D7D0：8 位数字量输出引脚。IN0IN7：8 路模拟量输入引脚。VCC：+5V 工作电压。GND：接地。REF（+）：参考电压正端。REF（-）：参考电压负端。START：A/D 转换启动信号输入端。A、B、C：地址输入端。ALE：地址锁存允许信号输入端。EOC：转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，当转换结束时为高电平。OE： 输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。CLK：时钟信号输入端，译码后可选

31、通 IN0IN7 八个通道中的一个进行转换。表表 2-12-1 A A、B B、C C 的输入与被选通道的通道关系的输入与被选通道的通道关系被选中的通道CBAIN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN700001111001100110101010111 图图 2-42-4 ADC0809ADC0809 脚图脚图2.4 移位寄存器移位寄存器 74LS164移位寄存器 74LS164 的引脚如图 2-6 所示：图图 2-52-5 移位寄存器移位寄存器 74LS16474LS164 引脚图引脚图74LS164 为串行输入、并行输出移位寄存器，其引脚功能如下：A、B 串行输入端；Q0Q7 并行输

32、出端； 清除端，低电平有效；MRCLK 时钟脉冲输入端，上升沿有效。多片 74LS164 串联，能实现多位 LED 静态显示。每扩展一片 164 就可增加一位显示。MR 接+5V，不清除。122.5 数码显示管数码显示管 LED图图 2-62-6 数码显示管数码显示管 LEDLED 引脚图引脚图LED 显示器是单片机应用系统中常见的输出器件，而在单片机的应用上也是被广泛运用的。如果需要显示的内容只有数码和某些字母，使用 LED 数码管是一种较好的选择。LED 数码管显示清晰、成本低廉、配置灵活，与单片机接口简单易行。 LED 数码管作为显示字段的数码型显示器件，它是由若干个发光二极管组成的。当

33、发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发亮，控制不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符，常用的 LED 数码管有 7 段和“米”字段之分。这种显示器有共阳极和共阴极两种。共阴极 LED 显示器的发光二极管的阴极连在一起，通常此共阴极接地。当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。同样，共阳极 LED 显示器的发光二极管的阳极接在一起，通常此共阳极接正电压，当某个发光二极管的阴极接低电平时，发光二极管被点亮，相应的段被显示。本次设计所用的 LED 数码管显示器为共阳极。LED 数码管的使用与发光二极管相同，根据材料不同正向压降一般为1.52V，额定电流为 10MA，最

34、大电流为 40MA。静态显示时取 10MA 为宜，动态扫描显示可加大脉冲电流，但一般不超过 40MA。2.6 温度传感器温度传感器 PTJ401PTJ401 超高温传感器采用特殊进口材质、隔离式膜片设计、水循环冷却方式，测量介质温度可达 1000，适用于发动机燃气和高温介质的压力测量与控制其广泛应用于各种工业自控环境，涉及石油管道、水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道送风、锅炉负压、高温试验机压力测试等众多行业。工作原理：高温传感器的工作原理风压传感器的压力直接作用在传感器的膜片上，使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻发生变化

35、，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这个压力的标准信号。相关参数 量 程： -0.101150(MPa)13 综合精度：0.25%FS、0.5%FS、1.0%FS 输出信号： 420mA(二线制)、05V、15V、010V(三线制) 供电电压： 24DCV(936DCV) 介质温度： -20800 环境温度： 常温(-2085) 零点温漂移： 0.05%FS 量程温度漂移： 0.05%FS 补偿温度： 070 安全过载： 150%FS 极限过载： 200%FS 响应时间： 5 mS(上升到 90%FS) 负载电阻： 电流输出型：最大 800；电压输出型：大于 5K 绝缘电阻： 大于

36、 2000M (100VDC) 密封等级： IP65 长期稳定性能： 0.1%FS/年 振动影响： 在机械振动频率 20Hz1000Hz 内，输出变化小于0.1%FS 电气接口(信号接口)： 赫丝曼接头+四芯屏蔽线 机械连接(螺纹接口)： 1/2-20UNF、M141.5、M201.5、M221.5等，其它螺纹可依据客户要求设计相关特性3 系统硬件设计系统硬件设计本设计采用按键作为输入控制，通过温度多采样单元采集温度信息，经过OP07 放大器放大及 ADC0809 数模转换器将其转换，由主机 AT89C51 进行处理并将实际温度值和设定温度值分别显示在共阳极数码显示管 LED 上。3.1 单片

37、机控制单元单片机控制单元本次设计采用 MCS-51 单片机作为控制芯片，采用半导体集成温度传感器PTJ401 采集温度信号。通过温度传感器将采集的温度信号转换成与之相对应的电信号，经过放大处理送入 A/D 转换器进行 A/D 转换，将模拟信号转换成数字信号送入到控制芯片进行数据处理。通过在芯片外围添加显示、控制等外围电路来实现对保温箱温度的实时检测和控制功能。本系统功能由硬件和软件两大部分协调完成,硬件部分主要完成传感器信号的采集处理,信息的显示等;软件主要完成对采集的温度信号进行处理及显示控制14等功能。图 3-1 为单片机最小系统。E A/V P31X 119X 218R ESE T9R

38、D17W R16IN T012IN T113T 014T 115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29A LE /P30T XD11R XD10ST C8 9C 52Y 111 .05 92C 130 pC 230 pR ST+5VS5C 3R 1120 0R 121K+5VS2D OW NS1U PR 610 K R 510 K+5V图图 3-13-1 单片机最小系统部分单片机最小系统部分3.2

39、温度采样部分温度采样部分经过温度传感器采集输出的电压信号一般来说是非常微弱的，因此，在送往单片机处理之前应对该信号进行放大。本系统所采用的 A/D 转换器为ADC0809，由于 ADC0809 的输入信号应在 05V 之间，因此，经过放大电路放大的信号进入 A/D 转换器的电压信号应控制在 05V 之间，根据此原则可设计合适的放大倍数。信号调理电路主要由运算放大器 OP07 等组成。为了使温度检测电路的输出电压能够适合于 A/D 转换器的参考电压，利用超低温漂移高精度运算放大器0P07 将温度电压信号进行放大到 05V 的范围之内,便于 A/D 进行转换,以提高温度采集电路的可靠性。本设计中，

40、信号调理电路部分由集成运放 OP07 分别构成一个电压跟随器，电压比较器和一个同相输入放大器用于对 PTJ401 输出的小电压信号进行放大处理。信号调理电路如图 3-2 所示。15图图 3-23-2 温度检测电路温度检测电路在该放大电路中，电压跟随器起阻抗匹配的作用。反馈电阻为零时，放大倍数为 1，电压跟随器的输入电压等于输出电压oiVV11电压比较器用于对输出电压小信号电压进行调零，在上述电路图中的电压比较器部分由于 R6=R4,R7=R5 可得电压比较器的输出电压 根据120iiUUU电压跟随器的输出电压调节电位计 R9 就改变电压比较器的输入电压。2iU1 iU使得当温度为温度测量下限时

41、电压比较器的输出电压为零。起放大作用的是同相输入放大器 OP07。其放大倍数： A=1+R9/R10 因此放大器的输出电压iUAU*03.3 A/D 转换转换AT89C51 与 ADC0809 的连接方法如图 3-3 所示，AT89C51 通过地址线P2.7 和写控制信号线用一个或非门联合控制启动转换信号端(START)和地址_WR锁存信号端(ALE)。地址线 P2.7 和读控制信号线用一个或非门联合控制输出_RD允许控制端(EOC)。低三位地址线加到 ADC0809 的 ADDA、ADDB、ADDC 端，所以选中 ADC0809 的 IN0 通道的地址为 7FF8H。转换结束信号 EOC 通

42、过一个反相器接到 INT1。16123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:18-Jun-2007Sheet of File:C:Documents and SettingsAdministratorMy Documents件件件件件件件件件件件件件件.ddbDrawn By:IN-026msb2-1212-220IN-1272-3192-418IN-2282-582-615IN-312-714lsb2-817IN-42EOC7IN-53ADD-A25IN-64ADD-B24ADD-C23IN-75ALE22ref(-)16ENABLE9S

43、T ART6ref(+)12CLOCK10U8ADC0809D03Q02D14Q15D27Q26D38Q39D413Q412D514Q515D617Q616D718Q719OE1LE11U674LS373EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE /P30TXD11RXD10U5AT89C51D0D1

44、D2D3D4D5D6D7D0D1D2D3D4D5D6D7D0D1D2D3D4D5D6D7CLKDINCLK3D2SD4CD1Q5Q6U7A74LS74CLK11D12SD10CD13Q9Q8U7B74LS74VCCVCCVCC564U9B74LS02231U9A74LS028910U9C74LS02VCCGNDP1.2图图 3-33-3 AT89C51AT89C51 与与 ADC0809ADC0809 连接图连接图AT89C51 和 ADC0809 连接通常可以采用查询和中断两种方式。本系统采用中断方式传送数据，EOC 线作为 CPU 的中断请求输入线。CPU 线响应中断后，应在中断服务程序中

45、使 OE 线变为高电平，以提取 A/D 转换后的数字量。对 ADC0809 地址的确定：根据系统硬件连接图可知所选定模拟电压路数为IN0，其对应的地址为 ABC=000，即 P0.0、P0.1、P0.2=0 0 0;又 P2.7=0 时才能启动 ADC0809 工作和使 AT89C51 从 ADC0809 接收 A/D 转换电压的数字量。故确定 ADC0809 其中一个地址为: 0111 1111 1111 1000B=7FF8H ,其中“_ ”表示固定量。ADC0809 的 IN0 和变送器输出端线连，故 IN0 上输入的 0V5V 范围的模拟电压经 A/D 转换后可由 AT89C51 通过

46、程序从 P0 口输入到它的内部 RAM单元。ADC0809 所需时钟信号可以由 AT89C51 的 ALE 信号提供。AT89C51 的ALE 信号通常是每个机器周期出现两次，故它的频率是单片机时钟频率的1/6。本系统 AT89C51 主频是 12MHZ，ALE 信号频率为 2MHZ，使 AT89C51的 ALE 上信号经过 4 分频后接到 ADC0809 的 CLOCK 输入端，就可获得500KHZ 的 A/D 转换脉冲，当然，ALE 上脉冲会在 MOVX 指令的每个机器周期少出现一次，但通常情况下影响不大。ADC0809 时序图如图 3-4 所示。 17ALE地址稳定模拟入START 启动

47、EOCtEoc10us图图 3-43-4 ADC0809ADC0809 时序图时序图从时序图可以看出，在启动 ADC0809 后，EOC 约在 10us 后才变为低电平，EOC 线经过反相器和 AT89C51 线相连，这即是 AT89C51 采用中断方式来和ADC0809 传送 A/D 转换后的数字量的。为了给 OE 线分配一个地址，把AT89C51RD 和 P2.7 经或门和 OE 相连。平时，使 OE 处于低电平封锁状态，在响应中断后，AT89C51 执行中断服务程序中如下两条指令就可以使 OE 变为高电平，从而打开三态输出锁存器，让 CPU 提取 A/D 转换后的数字量。AT89C51

48、执行如下程序可以启动 ADC0809 工作。MOV DPTR , # 7FF8H MOVX A , DPTR; OE 变为高电平，数字量送 A3.4 显示部分显示部分本设计显示采用 LED 串行静态显示。MCS-51 系列单片机的串行口RXD，TXD 为一个全双工串行通信口，当工作在方式 0 下可作同步移位寄存器用，其数据由 RXD（P3.0）端串行输入或输出；而同步移位时钟由TXD（P3.1）串行输出，在同步时钟的作用下，实现由串行到并行的数据通信。在不需要使用串行通信的场合，利用串行口加外围芯片 74LS164 就可以构成一个或多个并行输入/输出口，用于显示器 LED 驱动。波特率（每秒传

49、输的位数）固定在 fosc/12,即当晶振为 12MHZ 时，波特率为 1MBPS。在 CPU 将数据写入SBUF 寄存器后，立即启动发送。待 8 位数据输完后，硬件将状态寄存器的 TI位置 1，TI 必须由软件清零。单片机与 4 片串入并出移位寄存器 74LS164 相连。18其中，RXD 作为 164 的数据输入，TXD 作为 4 片 164 的同步时钟。程序运行时，单片机将 4 个数码管的段码（4 个字节）连续发送出来，通过串行口送给164。4 位字型码送完后，TXD 保持高电平。此时每片 164 的并行输出口将送出保存在内部移位寄存器中的 8 位的段码给数码管，令数码管稳定地显示所需的

50、字符。串行显示电路属于静态显示，比动态显示亮度更大一些。由于 74LS164 在低电平输出时，允许通过的电流达 8mA，故不必添加驱动电路，亮度也比较理想。与动态扫描相比较，无需 CPU 不停的扫描，频繁地为显示服务，节省了CPU 时间，软件设计也比较简单。由于本设计采用的是共阳极数码管，所以相应的亮段必须送 0，相应的暗段必须送 1。原理图如图 3-5 所示：123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:18-Jun-2007Sheet of File:C:Documents and SettingsAdministratorMy Docu

51、ments件件件件件件件件件件件件件件.ddbDrawn By:A1B2Q03Q14Q25Q36Q410Q511Q612Q713CLK8MR9U174LS164RXDTXDA1B2Q03Q14Q25Q36Q410Q511Q612Q713CLK8MR9U274LS164A1B2Q03Q14Q25Q36Q410Q511Q612Q713CLK8MR9U374LS164A1B2Q03Q14Q25Q36Q410Q511Q612Q713CLK8MR9U474LS164VCCTXDTXDTXDabfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdp99DS1DPY_7-SEG_DPabfcgdeDPY12

52、34567abcdefg8dpdp99DS2DPY_7-SEG_DPabfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdp99DS3DPY_7-SEG_DPabfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdp99DS4DPY_7-SEG_DPR110KR210KR310KR410K图图 3-53-5 LEDLED 串行静态显示串行静态显示3.5 键盘接口键盘接口键盘在单片机应用系统中，实现输入数据、传送命令的功能，是人工干预的主要手段。键盘分两大类：编码键盘和非编码键盘。编码键盘：由硬件逻辑电路完成必要的键识别工作与可靠性措施。每按一次键，键盘自动提供被按键的读数，同时产生一个选通脉

53、冲通知微处理器，一般还具有反弹跳和同时按键保护功能。这种键盘易于使用，但硬件比较复杂，对于主机任务繁重之情况，采用 8279 可编程键盘管理接口芯片构成编码式键盘系统是很实用的方案。非编码键盘：只简单地提供键盘的行列与矩阵，其他操作如键的识别，决定按键的读数等都靠软件完成，故硬件较为简单，但占用 CPU 较多时间。非编码键盘有：独立式按键结构、矩阵式按键结构。本设计采用的是非编码独立连接式的键盘。在非编码键盘系统中，键闭合和键释放的信息的获取，键抖动的消除，键值查找及一些保护措施的实施等任务，均由软件来完成。单片机应用系统中，键盘扫描只是 CPU 的工作内容之一。CPU 忙于各项任务时，如何兼

54、顾键盘的输入，取决于键盘的工作方式。考虑仪表系统中 CPU19任务的份量，来确定键盘的工作方式。键盘的工作方式选取的原则是：既要保证能及时响应按键的操作，又不过多的占用 CPU 的工作时间。键盘的工作方式有：查询方式（编程扫描，定时扫描方式） 、中断扫描方式。独立式按键接口就是各按键相互独立，每个按键单独占用一根 I/O 口线，每根 I/O 口线的按键工作状态不会影响其他 I/O 口线上的工作状态。因此，通过检测输入线的电平状态可以很容易判断哪个按键被按下了。优点就是电路配置灵活，软件结构简单；缺点就是每个按键需占用一根 I/O 口线，在按键数量较多时，I/O 口浪费大，电路结构显得复杂。因此

55、，此键盘是用于按键较少或操作速度较高的场合8。本设计中由于所用键盘不多，所以采用独立连接式的查询式键盘就能够满足设计要求。键盘接口与键盘程序的根本任务就是要检测有没有键按下？按下的是那个位置的键？键值是多少？在本次设计中采用了软件扫描的方法。通过对键盘接口 P1.0 和 P1.1 的查询判断是否有键按下。本次设计采用了软件去抖动的方法。当有键按下时，按键的触点在闭合和断开时均会产生抖动，这时触点的逻辑电平是不稳定的，如果不妥善处理，将会使按键命令的错误执行和重复执行。采用软件延时的方法来避开抖动阶段，这一延时过程一般大于 5ms3.6 控制电路控制电路在本设计中，被测温度信号经采样处理后，还需

56、要通过单片机系统的 P1.2口输出用以控制保温箱的温度，通过这种方式达到控制的目的。控制的方式主要有模拟量控制和开关量控制。本系统采用的是开关量控制。所谓的开关量控制就是通过控制设备的“开”或“关”状态的时间来达到控制的目的。由于输出设备往往需要大电压来控制，而单片机系统输出的为 TTL 电平，这种电平不能直接驱动外部设备的开启和关闭。另一方面，许多外部设备在开关过程中会产生很强的电磁干扰信号，如果不隔离会使系统进行错误的处理。因此在开关量的输出控制过程中要考虑到两个问题，一要隔离；二要放大。本设计采用继电器作为控制电路的主要器件，继电器具有一定的隔离作用，在继电器前面加一个三极管用以放大输出

57、信号就可以驱动继电器的闭合和断开，从而实现弱电控制强电的效果。继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路） ，通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流控制较大电流的一种开关。故在电路中起自动调节、安全保护、转换电路等作用。在工业自动化控制系统中,继电器经常被用来控制执行机构, 特别是应用在一些耐潮、耐腐蚀、防爆的特殊装置中。固态继电器和 MCS-51 系列单片机组成的控制系统, 具有抗干扰性强、编程简单、系统兼20容性好等特点,具有非常广阔的应用前景。继电器一般由通电线圈和触电组成。当线圈通电时，由于磁场作用，使开关触电闭合。当不通电时，则开关触

58、点断开。一般线圈可用直流低电压控制（+5V，+9V，+12V） 。继电器的特性参数包括输入和输出参数，主要的参数为额定输入电压、额定输出电流、浪涌电流。根据输入电压参数值大小，可确定工作电压大小。如采用 TTL 或 CMOS 等逻辑电平控制时，采用有足够带载能力的低电平驱动，并尽可能使“0”电平低于 0.8 V。如在噪声很强的环境下工作，不能选用通、断电压值相差小的产品，必需选用通、断点压值相差大的产品，(如选接通电压为8 V 或 12 V 的产品)这样不会因噪声干扰而造成控制失灵 。本设计就是采用直流驱动电压为+5V 的继电器。触电输出部分可以直接与市电连接。继电器控制电路如图 3-6 所示

59、：图图 3-63-6 继电器控制电路继电器控制电路214 系统软件设计系统软件设计4.1 主程序流程图主程序流程图系统的软件部分由主程序流程图、中断子程序流程图、按键流程图和显示流程图四部分组成。系统的主程序流程图如图 4-1，当有信号输入时，主程序启动，根据内部设定的条件逐步运行，达到设计目的。初 始 化处理按键、显示设定值启动 A/D 转换数值处理显示实际温度比较设定温度值和实际温度值是否大于？加 热开 始停 止图图 4-14-1 主程序流程图主程序流程图4.2 控制子程序控制子程序本设计采用 P1.2 作为输出控制口。当设定温度比当前温度高 2以上时，P1.2 置 1，使其输出高电平，用

60、以驱动继电器，使继电器闭合，保温箱开始加热。当设定温度比当前温度低 2以下时，P1.2 置零，使继电器断开，保温箱停止加热。控制程序流程图如图 4-2 所示NY22开始存当前温度进位清零存设定温度温度比较P1.2 置 1P1.2 清零继电器闭合继电器断开维持状态图图 4-24-2 控制程序流程图控制程序流程图4.3 A/D 转换子程序转换子程序根据系统硬件连接图可知，在系统中将 ADC0809 作为一个外部扩展并行I/O 口，采用线选寻址。由 P2.7 和联合控制启动转换信号端（ATART）和RWALE 端，低三位地址线架到 ADC0809 和 ADDA，ADDB，ADDC 端，所以选中 AD