电阻炉温度智能控制系统毕业论文

1、长春理工大学本科毕业论文编号 本科生毕业设计电阻炉智能温度控制系统Intelligent Temperature Control System of Resistance Furnace学 生 姓 名专 业学 号指 导 教 师学 院二一四年六月 毕业设计（文论）原创承诺书1本人承诺：所呈交的毕业设计（论文）电阻炉智能温度控制系统，是认真学习理解学校的长春理工大学本科毕业设计（论文）工作条例后，在教师的指导下，保质保量独立地完成了任务书中规定的内容，不弄虚作假，不抄袭别人的工作内容。2本人在毕业设计（论文）中引用他人的观点和研究成果，均在文中加以注释或以参考文献形式列出，对本文的研究工作做出重要

2、贡献的个人和集体均已在文中注明。3在毕业设计（论文）中对侵犯任何方面知识产权的行为，由本人承担相应的法律责任。4本人完全了解学校关于保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交论文和相关材料的印刷本和电子版本；同意学校保留毕业设计（论文）的复印件和电子版本，允许被查阅和借阅；学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存毕业设计（论文），可以公布其中的全部或部分内容。 以上承诺的法律结果将完全由本人承担！ 作 者 签 名： 年 月 日 第一章 绪论1.1 选题的背景在现代化的工业生产中，电流、电压、温度、流速、流量、压力和开关量都是常用的主要被控参数。例如：在机械制造、电力工程、化工生产、

3、造纸行业、冶金工业和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。其中温度控制在生产过程中占有相当大的比例，即使日常生活中的电热水器、空调、微波炉、电烤箱等家用电器也同样需要温度监控。可见温度控制电路广泛应用于社会生活的各领域，所以对温度进行控制是非常有必要和有意义的。准确地测量和有效地控制温度是优质、高产、低耗和安全生产的重要条件1-2。原有的温度控制系统（控制柜）存在以下缺点：(1) 原有的温度控制柜体积庞大，系统未采用微处理器，温度控制的精度低，故障率高，炉温波动大，影响热处理质量；(2) 原有的温度控制系统通过对继电器的通断实现炉温的调节控

4、制，电路工作时对电网的质量有影响，在一定程度上影响了实验室其他的用电设备；(3) 原有的温度控制系统没有故障自诊断与提示功能，当系统出现故障后，无法为操作人员及时指示故障类型和准确位置；(4) 原有的温度控制系统没有预留通信接口，无法与实验室其他的电炉联网工作，也无法通过上位机进行数据的采集与管理，多台电炉工作效率低；(5) 原有的温度控制系统采用指针式显示，不便于观察与记录；(6) 原有的温度控制系统没有温度参数设定与温度保持定时功能，如果需要温度保持（定时）必须要有操作人员现场监控，自动化程度非常低，使用不方便；正是由于存在以上的问题，它直接影响到了产品的产量、质量和正常的教学工作。所以，

5、单位提出重新设计电阻炉的温度控制系统，实现降低故障率，并提高炉温的控制精度，使控制系统能更加可靠、稳定的运行，更好的满足生产与教学要求。1.2 电阻炉炉温控制的国内外发展电阻炉是热处理生产中应用最广泛的加热设备，它在机械、冶金等行业的生产中占有十分重要的地位3-4，温度控制质量的好坏将直接影响着热处理产品的产量和质量，对于提高生产率和节约能源也有举足轻重的意义，所以国内外关于电阻炉自动控制的研究一直备受重视，发展比较快，已有广发的应用案例。1.2.1 电阻炉国外的发展动态国际上对电阻炉计算机控制系统的研究始于上世纪从70年代，随着计算机技术的飞速发展与新的控制方法的出现，电阻炉计算机控制的水平

6、得到了大幅提高，应用也日趋广泛。国外电阻炉计算机控制应用的现状如表 1-1 所示5。表 1-1 电阻炉计算机控制在国外的一些应用现状厂家名称所用机型应用现状日本PLC钢坯目标出炉温度计算，钢温预报，空燃比控制，炉温最优控制瑞典PLC确定最佳加热曲线和炉温控制美国DEV MICTO VAXIII空燃比控制，炉压控制，设定值选择，生产调度模型随着数字计算机向小型、高速、大容量、低成本方向的发展，传统的PID控制和现代控制理论都在不断的发展，并取得了丰硕的成果。智能化、网络化已成为发展的趋势。1.2.2 电阻炉国内的发展动态我国对电阻炉的控制进行了广泛的研究始于上世纪80年代，随着微型计算机控制技术

7、的发展，电阻炉计算机控制逐步进入实用化阶段6。目前，国内电阻炉控制系统的研究现状如下：(1) 采用先进的控制设备随着单片机、可编程控制器与工业控制机等先进控制系统的发展，逐步取代了以前大规模的继电器、模拟式控制仪表。单片机也因其极高的性价比而受到人们的重视和关注，获得广泛地应用和迅速地发展。(2) 采用新的控制方法对传统的负反馈、单一PID控制系统做了多种补充，从而使控制性能更佳。同时，越来越多的控制系统采用新的控制方法如：模糊控制、神经网络控制、遗传算法控制、最优控制、自整定PID参数控制器、自适应控制和自校正控制器等，这些在工业上都有了成功应用的工程案例7。单片机具有体积小、重量轻、控制功

8、能强、价格低与开发方便等优点。单片机应用的意义不仅在于它的广阔范围及所带来的经济效益，更重要的意义在于，单片机的应用从根本上改变了控制系统传统的设计思想和设计方法。以前采用硬件电路实现的大部分控制功能，现在可以用单片机通过软件的方法来实现。以前自动控制中的PID调节，现在可以用单片机实现具有智能化的数字计算控制、模糊控制和自适应控制。这种以软件取代硬件并能提高系统性能的控制技术称为微控技术8。1.3 温度控制系统的设计要求电阻炉温度控制系统应具备温度测量、显示、与上位机通信、过限报警等功能，并要求具有良好的稳定性、高控制精度，以满足实验室热处理对温度的需求。系统设计时，首先确定系统的设计目标，

9、确定温度控制器的规格与技术指标，这对于明确设计的目的性和控制功能的逻辑性有重要的意义。然后设计系统的操作面板，面板设计遵循简洁实用的原则，并规划出相关的操作规范及运行参数，为硬件设计和软件设计确定具体的目标。1.3.1 设计目标针对原有电阻炉温度控制系统的功能缺陷及现有控制要求，确定本次设计的目标如下：(1) 系统满足稳、准、快的系统要求；(2) 系统的测温范围在01000，控温精度2，显示精度0.1；(3) 控制面板能便捷输入控制参数，如P、I、D及保温时间；(4) 用7段高亮数码管显示设定炉温（5位数码管）、炉温实时温度（5位数码管）、保温时间（3位数码管）等系统信息；(5) 用四个发光二

10、极管以不同的颜色和发光状态来指示显系统的工作状态。1.3.2系统的技术指标与规格整个系统最终达到的技术指标是由系统中的各个环节共同作用后完成的。比如要提高温度检测的精度，只用高精度的A/D转换器是不够的，还要好的抗干扰措施、精确度高的传感器及软件线性化处理等9。据实验室热处理的实际需要，确定所设计的温度控制系统的主要技术参数如表 1-2 ： 表 1-2 主要技术参数额定功率（KW）12额定电压（V）单相220V10% 50Hz1Hz输出电压（V）220V（调功控制）最大电流（A）30最高控制温度（）1000控温误差（）2保温时间（min）0600（最大10个小时）热电偶类型K型热电偶显示方式1

11、3个高亮LED数码管（MAX7219驱动控制）输入方式5个轻触按键报警方式声、光报警器与上位机通信接口RS-4851.4.操作规范设计程序设计之前必须规划好操作的流程，也就是做好规范化设计。操作规范是编写操作程序的重要依据，良好的操作设计便于操作与程序的编写。为了提高系统设计效率，应对系统的设计过程进行规划，系统的总体设计步骤如图 1-2 所示。图 1-2 系统总体设计步骤第二章 系统硬件设计电阻炉控制系统应具备温度测量、显示、记录、参数输入等功能，并要求具有可靠性高、通用性强、控制精度佳等特点，以满足控制需求。基于上述性能要求，系统的硬件结构如图 2-1 所示，系统包括单片机AT89S51、

12、温度检测与处理电路、键盘与显示接口电路、声光报警电路、串口通信电路以及计时电路10。图 2-1 温度控制系统硬件结构图控制系统采用热电偶作为温度传感器，热电偶把温度转换为毫伏级的电压信号，这个信号必须进行放大处理、冷端补偿、非线性化处理和数字处理后才能送到单片机中，这个过程环节多，容易受到干扰，为简化设计，在设计中采用集成芯片MAX6675来完成整个过程的温度数据处理。单片机对温度数据进行数据处理后，首先进行超限报警处理，如果超限就调用超限处理子程序，若未超限就对温度数据进行数字滤波后进行PID算法控制，得到输出控制量。具体控制过程是：当温度偏差大于50时，让双向晶闸管全导通或全关闭实现快速缩

13、小温差，减小调节时间，当温度偏差小于50时调用PID控制算法，由算法得到双向晶闸管导通率实现对双向晶闸管正弦半波的个数控制以达到调温的目的。系统中的时钟电路的功能是根据热处理工艺要求设置保温时间，温度控制系统所有的参数通过13位高亮7段数码管显示，状态信息通过4个发光二极管指示。2.1 CPU选型本温度控制系统选用ATMEL89系列单片机中的AT89S51作为微处理器。AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS型8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)Flash存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指

14、令系统及80C5引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89S51具有如下特点：40个引脚，4k Bytes 的Flash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级 2 层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。AT89S51在空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时

15、计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求11。2.2 温度检测电路的设计2.2.1 热电偶的选择热电偶在工程上使用最为广泛的温度传感器之一，它具有构造简单、精度高、热响应时间快、测温范围大（-200+2000均可连续测温）以及性能可靠使用寿命长的优点，在温度测量中占有很重要的地位。热电耦的种类很多，热电偶有K型（镍铬-镍硅）WRN系列，N型（镍铬硅-镍硅镁）WRM系列，E型（镍铬-铜镍）WRE系列，J型（铁-铜镍）WRF系列，T型（铜-铜

16、镍）WRC系列，S型（铂铑10-铂）WRP系列，R型（铂铑13-铂）WRQ系列，B 型（铂铑30-铂铑6）WRR系列等12。考虑设计成本与实际的温度范围（01000），在本设计中选用分度号为K的镍铬-镍硅热电偶WRN-120，表 2-1 所列的是常用热电偶的材料规格和线径使用温度的关系：表 2-1 常用热电偶材料规格和线径使用温度热电偶分度号热点极材料线径与作用温度的关系（）正极负极线径（mm）长期短期S铂铑10纯铂0.513001600R铂铑13纯铂0.513001600B铂铑30铂铑60.516001800K镍铬镍硅1.280010002.5110012003.2120013002.2.2

17、 热电耦的测温原理将两种不同材料的导体或半导体两端焊接起来，构成一个闭合回路，当两导体之间存在温差时，便产生电动势，在回路中就会形成一个大小的电流，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电势13。热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端，另一端叫做冷端；冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。不同种类的两根金属导线A、B连接起来并保持接点的温度为t0。若设由电压计引出的导线与金属线A、B连接点的温度为t，则显现出来的热电势EAB(t，t0)为： （2-1）对于已选定的热电偶，当参考端温度t0时，EAB(t，t0)=C为常数，则

18、总的电动势与连接的方法和沿金属线的温度分布等细节无关，仅由热电偶的类型及测量温度t决定。2.2.3 热电偶的温度补偿热电偶都有对应的分度表，即在参考端温度为0时，热电势和测量温度的对应表。热电偶的分度表是以冷端温度0为基准进行分度的，热电偶的实际工作环境，冷端温度往往不为0，不能直接使用分度表，因此必须对热电偶的冷端温度进行温度补偿。常用的冷端温度补偿方法有：冷端0恒温法（将冷端放在冰水混合物的恒温容器中等）、冷端温度修正法、电桥补偿法和冷端温度自动补偿法等。在本设计中采用集成芯片MAX6675完成冷端温度的自动补偿，可在很大程度上简化系统的设计14。2.2.4 炉温数据采集电路的设计型热电偶

19、是工业生产中最常用的温度传感器，具有结构简单、制造容易、使用方便、测温范围宽等特点，本次设计就是选用K型热电偶作为系统的温度传感器。目前，在以型热电偶为测温元件的工业测温系统中，热电偶输出的热电势信号必须经过中间转换环节，才能输入基于单片机系统。中间转换环节包括信号放大、冷端补偿、线性化及数字化等几个部分，实际应用中，由于中间环节较多，调试较为困难，系统的抗干扰性能往往也不理想。MAXIM公司推出的MAX 6675，它是一个集成了热电偶放大器、冷端补偿、A/D转换器及SPI串口的热电偶放大器与数字转换器，可以直接与单片机接口，大大简化系统的设计，保证了温度测量的快速性与准确性。故在本设计中，为

20、简化系统电路设计采用芯片 MAX 6675作为热电偶电势与温度的转换。2.2.5 MAX6675芯片MAX6675是具有冷端补偿和A/D转换功能的单片集成型热电偶变换器，测温范围01024，温度范围满足本台电炉的温度需要，其主要功能特点如下：(1) 直接将热电偶信号转换为数字信号；(2) 具有冷端补偿功能；(3) 简单的 SPI 串行接口与单片机通讯；(4) 12 位 A/D 转换器、0.25分辨率；(5) 单一+5V 的电源电压；(6) 热电偶断线检测；16(7) 工作温度范围-20+85。MAX6675采用SO-8封装形式。有8个引脚，脚1（GND）接地，脚2（T-）接热电偶负极，脚3（T

21、+）接热电偶正极，脚4（VCC）电源端，脚5（SCK）串行时钟输入端，脚6（CS）片选端，使能启动串行数据通讯，脚7（SO）串行数据输出端，脚8（NC）未用。在VCC 和GND之间接0.1F电容。2.2.6 MAX6675的测温原理MAX6675是一复杂的单片热电偶数字转换器，其内部结构主要包括：低噪声电压放大器A1、电压跟随器A2、冷端温度补偿二极管、基准电压源、12位AD转换器、SPI串行接口、模拟开关及数字控制器。其工作原理如下：K型热电偶产生的热电势，经过低噪声电压放大器A1和电压跟随器A2放大、缓冲后，得到热电势信号U1，再经过S4送至ADC。对于K型热电偶，电压变化率为(41V/)

22、，电压可由如下公式来近似热电偶的特性。 （2-2）上式中，U1为热电偶输出电压（mV），T是测量点温度，T0是周围温度。在将温度电压值转换为相应的温度值之前，对热电偶的冷端温度进行补偿，冷端温度即是MAX6675周围温度与 0实际参考值之间的差值。通过冷端温度补偿二极管，产生补偿电压U2经S4输入ADC转换器。 （2-3）在数字控制器的控制下，ADC 首先将U1、U2 转换成数字量，即获得输出电压U0的数据，该数据就代表测量点的实际温度值T，这就是MAX6675进行冷端温度补偿和测量温度的原理15-16。2.2.7 MAX6675与单片机的连接MAX6675采用标准的SPI串行外设总线与单片机

23、接口。MAX6675从SPI串行17接口输出数据的过程如下：单片机使CS置为低电平，并提供时钟信号给SCK，由SO读取测量结果。CS变低将停止任何转换过程，CS变高将启动一个新的转换过程。将CS变低在SO端输出第一个数据，一个完整串行接口读操作需16个时钟周期，在时钟的下降沿读 16 个输出位，第1个输出位是D15，是一伪标志位，并总为0；D14位到D3位为以MSB到LSB顺序排列的转换温度值；D2位平时为低，当热电偶输入开放时为高，开放热电偶检测电路完全由MAX6675实现，为开放热电偶检测器操作，T-必须接地，并使接地点尽可能接近GND脚；D1位为低以提供MAX6675器件身份码，D0位为

24、三态标志位17。MAX6675的SO端输出温度数据的格式如表 2-2 所示。表 2-2 MAX 6675SO 端输出温度数据的格式位标志位12位温度数据热电偶开路判断设备序号状态位15141312111098765432100MSBLSB0三态MAX6675与AT89S51的电路连接如图 2-2 所示。AT89S51的P3.5与SCK相连，P3.6与片选CS相连，P3.5与SO相连。由MAX6675的控制时序可知，在CS=0且SCK有脉冲输入时，SO引脚就输出转换的数据。在每一个脉冲信号的下降沿SO输出一个数据，16个脉冲信号完成一串完整的数据输出。输出数据的格式先高位后低位，16位数据中D1

25、4D3为转后的温度数据。D14D3其最小值为0，对应的实际温度值为0；最大值为4095，对应的温度值为1023.75，分辨率为0.2518。实际温度与转换结果满具有很好的线性关系，实际温度与转换后的数字量的计算式为：实际温度值=1023.75转换后的数字量4095 (2-1)图 2-2 MAX 6675与 AT89S51 的连接2.3 输入/输出接口设计键盘和显示电路实现了人机交互功能，通过键盘电路可以设置系统运行状态和系统参数（P、I、D和保温时间），显示电路可以显示系统的运行状态、控制时间、设定温度、实际温度等。该温度控制系统采用7段高亮LED数码管（红色）显示系统的设置参数、保温时间及实

26、际温度值等。总计13数码管和4个发光二极管（指示控制系统的工作状态）。数码管的驱动动采用MAX7219，MAX7219是美国MAXIM公司生产的串行输入输出共阴极显示驱动器。该芯片可直接驱动最多8位7段数字LED显示器，或64个LED和条形图显示器。它与微处理器的接口非常简单，仅用3个引脚与微处理器相应端连接即可实现最高10MHz串行口。MAX7219的位选方式独具特色，它允许用户选择多种译码方式译码选位，而且，每个显示位都能个别寻址和刷新，而不需要重写其他的显示位，这使得软件编程十分简单且灵活。另外，它具有数字和模拟亮度控制以及与MOTOROLA SPI，QSPI及MATIONAL MICR

27、OWIRE 串行口相兼容等特点。该芯片采用24脚DIP和SO封装，工作电压4.05.5V，最大功耗1.1W。本温度控制系统采用两片MAX7219级联的方式驱动控制13个7段数码管，其中DIN引脚接P2.7，LOAD引脚接P2.6，CLCOK 引脚接P2.5，显示控制电路见附录1系统的工作状态由四个发光二极管以不同的颜色与状态显示，如有报警信号蜂鸣器启动，四个发光二极管与蜂鸣器用P2.0P2.4控制，具体电路连接如图2-4所示。图 2-4 工作状态指示灯及报警电路设计对于参数的输入通过按键实现，所设计的控制面板总计有5个按键，按键数量少，按键采用独立按键的连接方式，其电路如图 2-5 所示。图

28、2-5 按键输入电路2.4 与上位机通信电路的设计在数据通信，计算机网络以及分布式工业控制系统当中，经常需要使用串行通信来实现数据交换。目前有RS-232，RS-485，RS-422几种接口标准用于串行通信。RS-232是最早的串行接口标准，在短距离（15M），较低波特率串行通信当中得到了广泛应用。其后针对 RS-232接口标准的通信距离短，波特率比较低的状况，在RS-232接口标准的基础上又提出了RS-422接口标准，RS-485接口标准来克服这些缺陷19。2.4.1 RS-232 与 RS-48521RS-485串行接口与RS-232接口相比具有以下性能优点：(1) RS-232接口的信号

29、电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与TTL电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接；(2) RS-232接口传输速率较低，在异步传输时，波特率为 20Kbps；(3) RS-232接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱；(4) RS-232接口传输距离有限，最大传输距离标准值为50英尺，实际上也只能用在50米左右；(5) RS-485接口的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+(2-6)V表示，逻辑“0”以两线间的电压差为-(2-6)V表示，接口信号电平比RS-232降低了，就不易损坏接口电路的芯片；(6) R

30、S-485接口的数据最高传输速率为 10Mbps；(7) RS-485 接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，即抗噪声干扰性好；(8) RS-485接口的最大传输距离标准值为4000英尺，实际上可达3000米，另外RS-232接口在总线上只允许连接1个收发器，即单站能力。而RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器，即具有多站能力，这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。RS-485接口组成的半双工网络，一般只需二根连线，所以RS-485接口均采用屏蔽双绞线传输。RS-485 接口连接器采用DB-9的9芯插头座，与智能终端RS-485接口采用D

31、B-9(孔)，与键盘连接的键盘接口RS-485采用DB-9(针)20。2.4.2 串口通信电路设计美国Maxim公司推出的RS485异步通信收发芯片MAX1487，具有差分平衡系统抗干扰能力强、速度快、控制方便等优点，在通信上有着广泛的应用，MAX1487主要管脚功能描述如下：第1脚为接收器输入端（RO），2脚为接收器输入使能端（/RE），第3脚为驱动器输出使能端（DE），第4脚为驱动器输出端（DI），A接收器同相输入端和驱动器同相输出端，B接收器反相输入端和驱动器反相输出端。在RS-485串行通信的时候，接收器同相输入(A)电平比接收器反相输入(B)电平高出200mV或更高，那么接收器输入为

32、“1”；当B电平较A电平高出200mV或更高，那么接收器输入为“0”。驱动器带负载输出逻辑“1”的电压范围是1.5V6V；输出逻辑“0”的电压范围是-1.5V-6V，图2-6为单片机的串口通信接口电路。图2-6 通信接口电路2.5 保温定时电路设计电炉在某些时候需要某个温度值保持一定的时间，系统必须有定时的功能单元。单片机有很多途径实现定时与计时的功能，如软件延时、采用内部定时器定时。其中软件定时要占用CPU资源，特别当定时时间比较长的时候，其定时的精度也无法保证；采用定时器定时，虽然能够实现精确定时，但长久定时也不能有效保证定时精度。为了提高定时精度、降低系统程序设计的复杂度，在本次设计采用

33、专用时钟芯片DS1302来完成系统计时功能。DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或 RAM 数据。DS1302内部有一个318的用于临时性存放数据的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力21。2.5.1 DS1302 的引脚功能DS1302的引脚排列，其中Vcc1为后备电

34、源，Vcc2为主电源。在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。DS1302由Vcc1或Vcc2两者中的较大者供电。当Vcc2大于Vcc10.2V时，Vcc2给DS1302供电。当Vcc2小于Vcc1时，DS1302由Vcc1供电。X1和X2是振荡源，外接32.768kHz晶振。RST是复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。RST输入有两种功能：首先，RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供终止单字节或多字节数据的传送手段。当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。如果在传送过程中RST置为低电平，则会终

35、止此次数据传送，I/O引脚变为高阻态。上电运行时，在Vcc2.5V之前，RST必须保持低电平。只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。I/O为串行数据输入输出端(双向)，SCLK为时钟输入端。2.5.2 DS1302 的控制与寄存器DS1302的控制字如表 2-3 所示。控制字节的最高有效位(位7)必须是逻辑1，如果它为0，则不能把数据写入DS1302中，位6如果为0，则表示存取日历时钟数据，为1表示存取RAM数据；位5至位1指示操作单元的地址；最低有效位(位0)如为0表示要进行写操作，为1表示进行读操作，控制字节总是从最低位开始输出。表2-3 DS1302的控制字1RAM/CKA4

36、A3A2A1A0RAM/K在控制指令字输入后的下一个SCLK时钟的上升沿时，数据被写入DS1302，数据输入从低位即位0开始。同样，在紧跟8位的控制指令字后的下一个SCLK脉冲的下降沿读出DS1302的数据，读出数据时从低位0位到高位7。DS1302有12个寄存器，其中有7个寄存器与日历、时钟相关，存放的数据位为BCD码形式,其日历、时间寄存器及其控制字见表 2-4。表 2-4 日历、时间寄存器及其控制字电寄存器名命令字取值范围各位内容写操作读操作7654321秒寄存器80H81H0059CH10SECSEC分钟寄存器82H83H0059010MINMIN小时寄存器84H85H0012或002

37、312/24010HRHRAP日期寄存器86H87H0128,2930，310010DATEDATE月份寄存器88H89H011200010MMONTH周日寄存器8AH8BH010700000DAY年份寄存器8CG8DH0099YEARYEAR此外，DS1302还有年份寄存器、控制寄存器、充电寄存器、时钟突发寄存器及与RAM相关的寄存器等。时钟突发寄存器可一次性顺序读写除充电寄存器外的所有寄存器内容。DS1302与RAM相关的寄存器分为两类：一类是单个RAM单元共31个，每个单元组态为一个8位的字节，其命令控制字为C0HFDH，其中奇数为读操作，偶数为写操作；另一类为突发方式下的RAM寄存器，

38、此方式下可一次性读写所有的RAM的31个字节，命令控制字为FEH(写)、FFH(读)。2.5.3 DS1302 与单片机的连接DS1302工作机理与MAX1487相似，与单片机的连接非常简单，具体连接如图 2-9 所示。图2-7 DS1302与单片机的连接2.6 温度控制电路设计温控系统的精度不仅受制于输入检测量的精度，同时也受制于输出控制量的精度，要提高整个系统的精度，必须使两者匹配。工艺要求加热时在升温阶段快速，采用较大的恒定功率，但随着温度偏差减少，逐渐减少定周期内的导通周波。降低加热功率，防止热惯性的作用而产生较大的温度超调。控制器能够及时控制加热器件在电源半波内的输入有效值。可控硅调

39、功控制温度具有不冲击电网，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。目前，采用可控硅进行功率调节的触发方式有两种：过零触发和移相触发。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22：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50，五次谐波也可达到基波的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响。为

40、此，人们研究了各种避免电压瞬间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。MOTOROLA公司生产的MOC3021-3081器件可以很好地解决这些问题。该器件用于触发晶闸管，具有价格低廉、触发电路简单可靠的特点。本系统采用MOC3061作为可控硅的驱动器，控制可控硅的导通与关断，改变平均电压的大小值，形成最佳加热方式，从而控制温度的超调。MOC3061系列光电双向可控硅驱动器是一种光电耦合器件，它可用直流低电压、小电流来控制交流高电压、大电流。用该器件触发晶闸管，具有结构简单、成本低、触发可靠等优点。采

41、用 MOC3061触发晶闸管，强、弱的电之间在电气上完全隔离，且可以直接可靠地触发50A或更大的功率的晶闸管。经软件分析所得的控制脉冲送至 MOC3061，直接形成驱动信号，控制可控硅的导通与关断，改变平均电压的大小值，形成最佳加热方式，从而控制温度的超调，控制电路见附录1图 2-8 输出电路设计电路中C8、R19为阻容吸收电路，MOC3061在输出关断下，有500uA的漏电流，串入R8这个限流电阻，可以控制触发电流，消除漏电流对双向可控硅的影响，防止双向晶闸管的误触发。R13为限流电阻，R14为门极电阻，提高控制级的抗干扰性，电路中Q1集电极发出正弦过零出发脉冲。第三章 系统软件设计硬件电路

42、确定之后，系统的主要功能将依赖于软件来实现。对同一个硬件电路，配以不同的软件，它所实现的功能也就不同，而且有些硬件电路的功能可用软件来替代。因此，系统的设计很大程度上是软件设计。在目前的单片机软件开发中，常用的语言是汇编语言和C语言两种。汇编语言是一种用文字助记符来表示机器指令的符号语言，是最接近机器码的一种语言。其主要优点是占用资源少、程序执行效率高。但是不同的CPU其汇编语言可能有所差异，所以不易移植。C语言是一种结构化的高级语言。它兼顾了多种高级语言的特点，并具备汇编语言的功能。C语言有功能丰富的库函数、运算速度快、编译效率高、有良好的可移植性，而且可以直接实现对系统硬件的控制，它支持当

43、前程序设计中广泛采用的由顶向下结构化程序设计技术。此外，C语言程序具有完善的模块程序结构，从而为软件开发中采用模块化程序设计方法提供了有力的保障。因此，用C语言来编写目标系统软件，会大大缩短开发周期，能有效增强软件的可读性，便于改进和扩充。基于此，在本设计中程序开发采用C语言作为编程语言。3.1 软件总体设计整个温度控制系统不仅要处理按键、显示和通信功能外，而且要实时处理对温度的采集信息并处理。整个系统包括主模块、初始化模块、温度检测模块、键盘处理模块、显示控制模块、计时控制模块、中断服务模块、控制算法模块、输出通断率控制模块等几个部分，其软件总体结构图如图 3-1 所示。温度控制系统设计的重

44、点也就是对控制程序的设计与调试。整个系统软件相当大，为了便于编写、调试、修改，并使设计的软件总体结构合理，在进行程序设计时采用了以下几个措施：(1) 根据软件功能的要求，将系统软件分成若干个相对独立的部分。各功能程序实现模块化，在各模块间通过软件接口连接，原则是模块内数据关系紧凑，模块间数据关系松散；(2) 编写软件前，绘制出相应的程序流程图，这不仅是程序设计的一个重要组成部分，而且是决定程序设计成败的关键部分；(3) 合理分配系统资源，包括定时/计数器，中断源等；(4) 为了提高程序的可读性，在程序的有关位置进行功能注释。图 3-1 软件总体结构3.2 主程序设计上电或复位后系统，首先进行系

45、统自检，诊断正常后各功能模块进行初始化，接着进行数据采集，经过数字滤波、标度变换后，计算温度偏差及偏差变化率的大小，再由控制算法模块得到输出控制量。系统开放定时器及外部中断，一旦发生中断或其他外部响应，首先判断是哪个响应源，然后调用相应的功能模块完成执行程序，监控程序流程如图 3-2。 图 3-2 主程序流程图3.3 温度检测及处理程序设计温度检测采用K型热电偶转换器MAX6675完成，由MAX 6675构成的温度检测电路具有控制程序易于编写，读数精确度高等优点。MAX6675的转换结果与温度的数量关系满足实际温度值=1023.75热电偶转换后的数字量4095 （3-1）MAX 6675芯片实

46、现了对热电偶输出的电压信号的放大、冷端补偿和线性化的自动处理，所以其转换程序比较简单，程序流程如图 3-3 所示。程序见附录2 图 3-3 温度检测控制程序流程图3.4 按键检测程序设计操作者要进行参数（P、I、D和保温时间等）的设定或状态切换，必需通过按键（键盘）来实现，按键（键盘）是人机联系的重要通道。键盘处理程序的主要任务是进行有无按键按下的判断并获取键值，根据键值转入相应的按键控制程序，实现对应的控制操作。一个按键处理的流程有如下几步内容：首先键盘扫描，判断是否有键按下。P1口的第04位分别接5个按键。程序在初始化时指定P1口为输入功能，读P1口的低5位是否全为一，是则无键按下，否则有

47、键按下；去抖动处理。在按键被按下与释放时，由于机械触点的弹性及电压突变等原因，在触点闭合或断开的瞬间会出现抖动，抖动会引起按键功能的实现出现误操作。因此，必须对抖动进行处理（去抖动），去抖动有硬件与软件两种方法，在本次设计中采用软件去抖动的方法。抖动的时间一般在1020ms，只要调用延时程序跳过1020ms 重新在对按键的状态进行判断，信号仍保持，就认为本次按键有效；(3) 键值的计算。软件去抖动之后再进行一次键盘扫描，若仍有按键按下就计算闭合键键值，程序转向对应控制功能去执行。计算方法直接读取P1口的低5位的电平，无键按下则返回。若为11110，则S5（左移）键按下；11101则S4（右移）

48、键按下；11011则S3（增一）键按下；10111则S2（减一）键按下；01111则S1（SET设置）键按下，其他则视为无效按键返回，变量key_value存放键值，key_value=0 xff 表示无键或非法按键，程序对键值进行判断处理后调用不同的控制子程序；等待键释放。计算键值以后，要进行延时操作等待键释放，其目的是为了保证键的一次闭合仅进行一次处理。按键检测程序见附录2图 3-4 按键检测程序流程图3.5 计时程序设计本设计中采用DALLAS公司生产的时钟芯片DSl302来完成计时程序，计时程序的作用是使系统的各种运行状态严格按照设定时间进行，其流程图如图 3-5 图 3-5 DS13

49、02 计时流程图DS1302读写时序要求比较严格，包含位与字节数据的读写，得到的时间信息保存在数ucCurtime中，具体设置码见附录2。3.6 显示程序设计控制面板要显示的内容比较多总计有13个7段数码管，为了简化系统的硬件设计，采用两片MAX7219级联方式来驱动控制所有的数码管，MAX7219须进行初始化设置后才能正常工作，MAX7219相关的常量与函数见附录23.7 定时中断程序设计系统用到了T0和T1两个定时器，其中定时器T1作为串口通信的波特率发生器，定时器T0作为10ms的定时中断，10ms也是一个正弦半波的时间，在T0的服务程序中设置相应标志位如falg10S、falg500m

50、S，若温度采样时间（10S）到时，则标志位flag10S=1，接着判断读DSl302时钟芯片时间是否到，若到读芯片时间，则标志位 flag500mS=l。在本系统软件设计中设置每500ms读一次DS1302时钟芯片时间。电阻炉是一个较强的滞后性和惯性的系统，滞后时间等于采样周期的N倍，如果滞后时间是60S，采样周期可以是10S。本系统采样周期为10S，每10S进行一次温度采样，系统根据控制算法产生新的控制输出。系统的外接晶振频率为12MHz，使用T0定时器产生10ms中断时，定时器的计数初值为=55536，即为d8f0H。第四章 结论所设计的温度控制系统采用的是数字增量式PID的控制原理，控制

51、原理并不高深，对电阻炉这样一个大惯性、大滞后、非线性的被控对象，使用时干扰和扰动比较频繁，须详尽考虑温度测控过程中的各种因素。如在硬件电路设计部分，考虑到电阻炉的温度较高，要求炉温的控制精度也高，所以在选择硬件时做了一些处理，测温元件选用测量精度高，稳定性好的热电偶作为测温元件。在软件方面也充分考虑温度控制系统扰动的特点，采用了软件滤波去干扰的技术（本次设计采用中值滤波），使系统的工作的稳定性有了进一步的保障。本系统经过多次调试与测试，最终完成了设计。可以认为整个系统的设计思路是可行的，设计结果是合理、可靠的。现在将整个设计过程中总结如下：1、温度控制系统总体设计思路合理。首先提出了系统的总体设计方案，规划系统的参数规格，为硬件设计和软件设计确定了具体的设计目标。在整个系统的开发过程中，查询了大量的资料与参考文献，为设计的顺利完成提供了条件。2、硬件