毕业设计（论文）-以单片机为核心的温度控制设计.doc

兰州工业高等专科学校毕业论文 i 摘摘 要要 随着科技的不断进步，在工业生产中温度是常用的被控参数，而采用单片机 来对这些被控参数进行控制已成为当今的主流。本文介绍了数字温度测量及自 动控制系统的设计。本文采用单片机来实现对温度的控制。它的主要组成部分 有：at89s51单片机、温度传感器、键盘与显示电路、温度控制电路。它可以实 时的显示和设定温度，实现对温度的自动控制。通过测试表明，本设计对温度 的控制有方便、简单的特点，从而大幅提高了被控温度的技术指标。 关键词关键词 : 单片机 温度传感器 键盘和显示 pid算法 兰州工业高等专科学校毕业论文 ii abstract as the technology advances in industrial production in the temperature is charged with common parameters, and the use of those charged with scm to the parameters of control has become the mainstream. in this paper, digital temperature measurement and automatic control system design. in this paper, scm to achieve the temperature control. it is a major component of: at89s51 scm, temperature sensor, keyboard and display circuit, temperature control circuit. it can display real-time and temperature settings, and the temperature control. passed the tests show that the design of the temperature control is convenient and simple characteristics, thus greatly raising the temperature was charged with the technical indicators. key words: mcu temperature sensor keyboard and demonstration pid algorithm 兰州工业高等专科学校毕业论文 iii 目录目录 摘摘 要要i 第第 1 章章 绪绪 论论 .1 1.1 课题的背景.1 1.2 选题的意义.2 1.3 课题研究现状.2 1.4 电路的总体工作原理.3 第二章第二章 总体方案总体方案 .4 2.1 最小系统的构成.4 2.2 温度测量.4 2.3 a/d 转换5 2.4 驱动功率的控制.5 第第 3 章章 系统硬件电路设计系统硬件电路设计 .6 3.1 微型计算机的选择.6 3.2 温度传感器的选用及参数指标.8 3.2.1 热电偶的工作原理.8 3.2.2 热电偶特点及使用范围.9 3.2.3 温度测量电路及原理.9 3.3 输入输出通道设计.10 3.3.1 a/d 与微机的接口10 3.3.2 加热功率的控制.12 3.4 外围电路设计.15 3.4.1 显示电路.15 3.4.2 键盘接口.17 3.4.3 报警电路.18 第第 4 章章 系统软件设计系统软件设计 .20 4.1 pid 控制算法20 4.2 软件的流程图.21 第第 5 章章 通信接口通信接口 .29 第第 6 章章 全文总结全文总结 .30 致致 谢谢 .31 参考文献参考文献 .32 附件一附件一 .33 附件二附件二 .36 附件三附件三 .39 兰州工业高等专科学校毕业论文 1 第第 1 1 章章 绪绪 论论 1.11.1 课题的背景课题的背景 羰基合成模试评价装置为一典型的研究性化工生产线（年产5吨） ，借助于某一化工 产品生产的完整过程，可对该产品性能或催化剂活性进行评价，以对催化剂的大规模生 产提供中试。该装置采用稀烃中压羰基合成制醇反应工艺，长链稀烃和合成气在钴磷配 位催化剂体系作用下完成反应。整个生产工艺由催化剂制备、造气、净化、反应、分离、 蒸馏组成。整个产品的生产在密闭的管网和密闭罐中进行。羰基合成反应对温度和压力 的要求较高。只有保证一定精度的温度和压力，才能保证产品的质量和精确的研究性数 据。近年来随着单片机、计算机及自动控制技术的发展和应用，采用了具有程序升温、 pid 算法，对反应罐内温度实现了自动控制。由于市场上所售智能化仪表一般采用专家智 能 pid 系统，主要解决惯性环节的控制问题。而由实验结果及理论分析表明，羰基合成 反应罐的温度控制为一阶惯性加纯滞后环节，市售智能化仪表的控制结果不是很理想。 另外，反应罐内的温度除了与介质、散热面积、环境温度有关外，还与稀烃进料量、合 成气流速、相邻罐温度的热耦合等多种因素有关，故无法建立一个对应的数学模型以确 定相应的控制算法。对温度控制影响的因素进行综合分析后，稀烃进料量、合成气流速 变化造成的温度误差可采用相应措施加以解决，相邻罐单向热耦合造成的温度误差本反 应罐控制器无法进行跟踪控制，因此，反应罐的温度始终达不到生产工艺的要求。单片 机的特点是体积较小，也就是其集成特性，其内部结构是普通计算机系统的简化，增加 一些外围电路，就能够组成一个完整的小系统，单片机具有很强的可扩展性。它具有和 普通计算机类似的、强大的数据处理功能，通过使用一些科学的算法，可以获得很强的 数据处理能力。所以单片机在工业中应用中，可以极大地提高工业设备的智能化、数据 处理能力和处理效率，而且单片机无需占用很大的空间。 随着温度检测理论和技术的不断更新, 温度传感器的种类也越来越多，在微机系统中 使用的传感器，必须是能够将非电量转换成电量的传感器，目前常用的有热电偶传感器、 热电阻传感器和半导体集成传感器等，每种传感器根据其自身特性，都有它自己的应用 领域。 兰州工业高等专科学校毕业论文 2 1.21.2 选题的意义选题的意义 工业产品生产线实现自动化、信息管理自动化、网络化是信息时代的特征之一，而 计算机控制系统的可靠性、稳定性及控制精度又是衡量控制系统性能的重要标志。 “羰基 合成模试评价装置”是对化学反应中的催化剂活性做出定性定量评价的研究性装置，对 过程参量的控制精度要求较高，同时对计算机控制系统的可靠性、稳定性及抗干扰性能 要求也很高。 “羰基合成模式评价装置”通过对某一化工产品的完整生产过程的实施，对 催化剂活性可做出定性定量评价。该装置实际上是一个典型完整的化工产品研究性生产 线，其过程参量几乎包含了所有工业生产的过程参量，但又有其自身的特殊性高压 （10mpa、6.4mpa） 、高压差（6.4mpa 降为 0.5mpa 并稳压） 、高温（340） 。整个系统拟 全部采用国产件（包括工控组态软件）实现自动控制和信息管理自动化。 “羰基合成模试 评价装置计算机控制系统”的研制成功，意味着整个系统全部采用国产件（包括工控组 态软件）实现自动控制和信息管理自动化，这将对我国民族工业的发展和提高工业自动 化水平具有极其重要的社会意义和现实意义。 一般意义下的温度控制装置中，作为一种传统的控制设备，目前在国内外的工业、 医疗及日常生活领域等各个方面，其种类繁多，控制方式及控制手段不胜枚举，其概念 也并不新奇。然而温度控制技术在工程应用中，在专用化和高指标方面还有很大的发展 空间，特别是本课题所涉及的反应罐温度控制系统是带有时滞特性的，既具有温度控制 的一般问题（时滞、惯性） ，同时又具有羰基合成反应的特殊性（单向串级热耦合） ，因 此这个课题的研究不仅可以解决羰基合成反应罐的温度控制精度问题，而且对化工生产 中的温度控制及其它领域的类似温度控制具有一定的应用价值。 1.31.3 课题研究现状课题研究现状 温度是一个非常重要的物理量，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。温度控制失误就可 能引起生产安全、产品质量、产品产量等一系列问题。因此对温度的检测的意义就越来 越大。温度采集控制系统在工业生产、科学研究和人们的生活领域中，得到了广泛应用。 在工业生产过程中，很多时候都需要对温度进行严格的监控，以使得生产能够顺利的进 行，产品的质量才能够得到充分的保证。使用自动温度控制系统可以对生产环境的温度 进行自动控制，保证生产的自动化、智能化能够顺利、安全进行，从而提高企业的生产 效率。 温度采集控制系统是在嵌入式系统设计的基础上发展起来的。嵌入式系统虽然起源 于微型计算机时代，但是微型计算机的体积、价位、可靠性，都无法满足广大对象对嵌 入式系统的要求，因此，嵌入式系统必须走独立发展道路。这条道路就是芯片化道路。 将计算机做在一个芯片上，从而开创了嵌入式系统独立发展的单片机时代。单片机诞生 于二十世纪七十年代末，经历了 scm、mcu 和 soc 三大阶段。 在现代化的工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用 兰州工业高等专科学校毕业论文 3 的主要被控参数。例如：在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食 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。采用 mcs-51单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和 灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的 质量和数量。因此，单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题。同 时温度也是生活中最常见的一个物理量，也是人们很关心的一个物理量，它与我们的生 活息息相关，有着十分重要的意义，在工业生产中，温度过高或过低会直接影响到产品 的质量、对机械设备和控制系统中的各种元器件造成一定的损坏，严重的会影响到生产 安全。在日常生活中，温度过高或过低同样会造成一些不良影响。 对于温度控制对象构成的（一阶或二阶）惯性环节，传统的控制算法就是采用 pid 构成闭环以控制温度。对于电加热的功率控制问题，一般采用可控整流方式或采用 pwm 技术以实现对加热交流功率的连续控制。 就目前国内自动控制领域而言，采用 pid 算法组成温度控制系统在国内有关专业杂 志、学报已多有报道。 1.41.4 电路的总体工作原理电路的总体工作原理 温度控制系统采用 at89s51 八位机作为微处理单元进行控制。采用 4x4 键盘把设定 温度的最高值和最低值存入单片机的数据存储器，还可以通过键盘完成温度检测功能的 转换。温度传感器把采集的信号与单片机里的数据相比较来控制温度控制器。 系统框图如图 1.1： 图 1.1 系统框图 温度控制 报警电路 显示电路 温度传感器 键 盘 设 定 at89s51 兰州工业高等专科学校毕业论文 4 第二章第二章 总体方案总体方案 2.12.1 最小系统的构成最小系统的构成 鉴于此次设计的是温度控制系统，其主要目的是控制反应器中的温度和实现与上 位机通信的问题，根据设计的要求以51 系列单片机为控制核心构建最小硬件系统。 采用 mcs-51 单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便，组态简单和灵活性大等优 点，可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高整个系统精度和性能。 选择 51 系列是对温度控制要求的符合，而其主要是为了保证反应罐按规定的温度 变化，超调小或无超调，稳定性好，不振荡，对系统的快速性要求不高。所以单片机 温度控制系统设计过程为：用温度传感器将反应罐温度变换为模拟电压信号，经变送 器对信号处理放大为标准信号，后送往模 数转换器转换为数字量送单片机，经处理 后由数模转换器送出，经功率放大处理为执行机构能动作的信号，其中还必须设 置输入键盘和输出显示环节，对温度超限报警要做出重要的设置等。总体框图如下： 反 应 罐 温度测量 执行机构 信号调理 驱动功率控制 转换 单 片 机 报警 显示 键盘 图 2.1 总体框图 2.22.2 温度测量温度测量 就一般而言，生产工艺过程对温度控制精度要求较高。因此温度元件的 灵敏度， 温度稳定性对温度检测的精度至关重要。 传感器的作用就是 把工业现场的各种非电物理量检测出来，并转换成相应的电信 号。此次设计可以选用温度传感器来对温度进行测量，然而温度传感器的类型很多， 选用的同时要注意测量范围，稳定性和线性度及抗腐蚀性等设计的要求。根据设计的 要求，我们可以考虑铂、铑 10-铂热电偶。它的热稳定性好，抗氧化性强，精度高， 易在氧化性，惰性环境中工作。 传感器的输出信号调理电路的滤波、放大、隔离、变换，以及线性化处理等作适 当的处理使之成为适合 ad 转换的电压信号。 兰州工业高等专科学校毕业论文 5 2.32.3 a/da/d 转换转换 a/d 转换器的基本原理 由于模拟量时间和数值上是连续的，而数字量在时间和数值上都是离散的，所以转 换时要在时间上对模拟信号离散化（采样），还要在数值上离散化（量化），一般步 骤为： 采样保持量化编码 图 2.2 a/d 转换原理图 2.42.4 驱动功率的控制驱动功率的控制 在测控系统中，对被控设备的驱动常采用模拟量输出驱动和数字量（开关量）输 出驱动两种方式，其中模拟量输出是指其输出信号（电压.电流）可变，根据控制算 法，使设备在零到满负荷之间进行，在 一定的 时间 t 内输出所需的能量 p,开关量 输出则是通过控制设备处于 “开”或“关”状态的时间来达到运行控制的目的。在许 多场合开关量输出控制精度比一般的模拟量输出控制系统。故在本控制系统中采用了 固态继电器（ ssr）驱动电路。 固态继电器（亦称固体继电器）英文名称为solid state relay，简称 ssr。又 称为“无触点开关”。它有两个输入端用以引入控制电流，有两个输出端用以接通或 切断负载电流。器件内部有一个光电耦合器将输入输出隔离，与普通继电器一样，它 的输入侧与输出侧之间是电绝缘的，但是与普通电磁继电器相比，ssr 体积小，开 关速度快，无机械触动，因而没有机械摩擦，不怕有害气体腐蚀，没有机械噪声，耐 振动，耐冲击，使用寿命长，另外， ssr 驱动电压低，电流小，易与计算机接口，因 此，ssr 作为自动控制的执行部件得到越来越广泛的应用，特别是在防震，防腐蚀的 地方，ssr 更显出其优越性。 ssr 有直流 ssr（dcssr)和交流 ssr（acssr)两种。dcssr 用于接通或断开直流 电源供电的电路， acssr 用于接通或断开交流电源供电的电路， ssr 由于是全固态电 子元件组成，与线圈一簧片触点或继电器（简称mer)相比，它没有任何可动的机械 部件，工作中没有任何机械动作， ssr 由电路的工作状态变换实现 “通”和“断” 的开关功能，没有接触点，所以它有一系列mer 不具备的优点，即高寿命，高可靠， 没有机械噪声，耐振动，耐冲击，安装位置无限制，很容易用绝缘防水材料罐封做成 全密封形式，而且具有良好的防潮，防霉，防腐性能，在防爆，化工，井下采煤和各 种工业民用电控设备的应用中大显身手，具备超越mer 的技术。 兰州工业高等专科学校毕业论文 6 第第 3 3 章章 系统硬件电路设计系统硬件电路设计 3.13.1 微型计算机的选择微型计算机的选择 闸门控制系统所处环境十分恶劣。特别是现场控制单元，环境潮湿，电磁干扰较大。 因此，系统选用何种微机控制器就显尤为重要。可供选择的测控装置有 3 种:工业控制计 算机(简称工控机)、plc(可编程序控制器)和单片机。 工控机的功能强大，有相当强的通信功能和人机接口功能，在工业控制和测量中得 到了广泛的应用，但是价格高。要求闸门开度测量仪体积小巧，但是工控机的体积较大， 便携能力差，故不能满足要求。 plc 是在工业控制中广泛使用的控制产品，它具有使用方便，体积适中，功能强大， 可靠性高等优点，但价格相对也很昂贵，并且体积不适用于该产品，并且灵活性差，因 此也不选用。 单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力 的中央处理器 cpu 随机存储器 ram、只读存储器 rom、多种 i/o 口和中断系统、定时器/ 计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、a/d 转换器 等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。 自 1971 年美国 inter 互公司研制出第一片单片机 mcs-4 以来，单片机技术在与其它 科学技术的融合中不断发展，已经成为一门应用广泛的成熟技术，应用领域涉及工业控 制、通讯、交通、消费电子产品、办公自动化等领域。在我 国 ， 单片机的应用开发已 走过二十个春秋。在各个工程应用领域，单片机应用都拥有大批的工程技术人员，他们 巧妙地将单片机引入自己熟悉的工程技术领域，解决了许多技术难题，使我国的单片机 应用达到一个新的水平。 综上所述，以单片机作为闸门控制系统的核心控制部件是必要而可行的。 在当今的单片机市场，种类繁多，功能齐备的单片机层出不穷。各种单片机都有其 独有特点，至于具体选择哪种单片机型号，则完全遵循设计的先进性和工程应用的实际 需要。中央微处理器 at89s51： at89s51 是一个低功耗，高性能 cmos 8 位单片机，片内 含 4k bytes isp(in-system programmable)的可反复擦写 1000 次的 flash 只读程序存储 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 指令系统 及 80s51 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 flash 片内程序存储器，128 bytes 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。 at89c51 是一个低电压，高性能 cmos 8 位单片机，片内含 4k bytes 的可反复擦写的 flash 只读程序存储器和 256 bytes 的随机存取数据存储器（ram） ，器件采用 atmel 公司 的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 mcs-51 指令系统，片内置通用 8 位中央处 理器和 flash 存储单元，at89c51 单片机在电子行业中有着广泛的应用。所以此次设计我 选用了 at89c51 作为核心。 at89c51 为 8 位通用微处理器，采用工业标准的 c51 内核，在内部功能及管脚排布 上与通用的 8xc52 相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主 ic 内 部寄存器、数据 ram 及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制， 兰州工业高等专科学校毕业论文 7 红外遥控信号 ir 的接收解码及与主板 cpu 通信等。主要管脚有：xtal1（19 脚）和 xtal2（18 脚）为振荡器输入输出端口，外接 12mhz 晶振。rst/vpd（9 脚）为复位输入 端口，外接电阻电容组成的复位电路。vcc（40 脚）和 vss（20 脚）为供电端口，分别 接+5v 电源的正负端。p0p3 为可编程通用 i/o 脚，其功能用途由软件定义，在本设计 中，p0 端口（3239 脚）被定义为 n1 功能控制端口，分别与 n1 的相应功能管脚相连接， 13 脚定义为 ir 输入端，10 脚和 11 脚定义为 i2c 总线控制端口，分别连接 n1 的 sdas（18 脚）和 scls（19 脚）端口，12 脚、27 脚及 28 脚定义为握手信号功能端口， 连接主板 cpu 的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。 at89c51 引脚图如图 3.1 所示： 图 3.1 at89c51 引脚图 at89c51 主要有以下特性： 1、兼容 mcs51 指令系统 2、4k 可反复擦写(大于 1000 次）flash rom； 3、32 个双向 i/o 口； 4、256x8bit 内部 ram； 5、3 个 16 位可编程定时/计数器中断； 6、时钟频率 0-24mhz； 7、2 个串行中断，可编程 uart 串行通道； 8、2 个外部中断源，共 8 个中断源； 9、2 个读写中断口线，3 级加密位； 10、低功耗空闲和掉电模式，软件设置睡眠和唤醒功能； 11、有 pdip、pqfp、tqfp 及 plcc 等几种封装形式，以适应不同产品的需求。 p0 口：p0 口是一组 8 位漏极开路型双向 i/o 口， 也即地址/数据总线复用口。作 为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动 8 个 ttl 逻辑门电路，对端口 p0 写“1”时， 可作为高阻抗输入端用。 兰州工业高等专科学校毕业论文 8 在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低 8 位）和数据 总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。 p1 口：p1 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口， p1 的输出缓冲级可驱动 （吸收或输出电流）4 个 ttl 逻辑门电路。对端口写“1” ，通过内部的上拉电阻把端口 拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被 外部信号拉低时会输出一个电流(iil)。 p2 口：p2 是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p2 的输出缓冲级可驱动 （吸收或输出电流）4 个 ttl 逻辑门电路。对端口 p2 写“1” ，通过内部的上拉电阻把 端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引 脚被外部信号拉低时会输出一个电流(iil)。 在访问外部程序存储器或 16 位地址的外部数据存储器（例如执行 movx dptr 指令） 时，p2 口送出高 8 位地址数据。在访问 8 位地址的外部数据存储器（如执行 movx ri 指令）时，p2 口输出 p2 锁存器的内容。 p3 口：p3 口是一组带有内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口。p3 口输出缓冲级可驱 动（吸收或输出电流）4 个 ttl 逻辑门电路。对 p3 口写入“1”时，它们被内部上拉电 阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的 p3 口将用上拉电阻输出电流。 p3 口除了作为一般的 i/o 口线外，更重要的用途是它的第二功能。 rst：复位输入。当振荡器工作时，rst 引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片 机复位。 ale/prog： 当访问外部程序存储器或数据存储器时，ale（地址锁存允许）输出脉 冲用于锁存地址的低 8 位字节。一般情况下，ale 仍以时钟振荡频率的 1/6 输出固定的 脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存 储器时将跳过一个 ale 脉冲。 movx 和 movc 指令才能将 ale 激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部 程序时，应设置 ale 禁止位无效。 psen：程序储存允许（psen）输出是外部程序存储器的读选通信号，当 at89c52 由 外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次 psen 有效，即输出两个脉冲。 在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次 psen 信号。 ea/vpp：外部访问允许。欲使 cpu 仅访问外部程序存储器（地址为 0000hffffh） ， ea 端必须保持低电平（接地） 。需注意的是：如果加密位 lb1 被编程，复位时内部会锁 存 ea 端状态。如 ea 端为高电平（接 vcc 端） ，cpu 则执行内部程序存储器中的指令。 xtal1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。 xtal2：振荡器反相放大器的输出端。 at89c52 有 256 个字节的内部 ram，80h-ffh 高 128 个字节与特殊功能寄存器 （sfr）地址是重叠的，也就是高 128。ram 还是访问特殊功能寄存器。如果指令是直接 寻址方式则为访问特殊功能寄存器。 基于以上强大的功能，我们选择 at68c51 为该系统的微型计算机。 3.23.2 温度传感器的选用及参数指标温度传感器的选用及参数指标 3.2.1 热电偶的工作原理 将两种不同成分的导体组成一个闭合回路。当闭合回路的两个接点分别置于不同的 温度场中时，回路将产生个电动势。该电动势的方向和大小与材料及两接点的温度有关。 这 种现象称为“热电效应” ，两种导体组成的回路称为“热电偶” 。 兰州工业高等专科学校毕业论文 9 3.2.2 热电偶特点及使用范围 图 3.2 热电偶示意图 （1）特点： 优点： 1）热电偶可将温度直接转换成电量信号，便于测量； 2）结构简单，制造容易，价格便宜； 3）惰性小，准确度高，测量范围广； 4）可做成多种结构，以满足各种测量对象的有要求，如点温和面温的测量； 5）适用于远距离测量与自动控制。 缺点： 1）准确度难于超过 0.2； 2）参考端温度影响测量，必须进行补偿； 3）在高温或长期使用时，因手被测介质的影响或环境气氛的腐蚀作用而发生劣化。 （2）使用范围： 热电偶适用于各个行业各个领域生产过程中-2001300范围内的温度测量，在 特殊情况下，可测量 2800的高温和 4k 的低温。常被用作测量炉窑、管道内的气体或液 体的温度及固体的表面温度。 本次设计选用了铂铑 10-铂热电偶，这种热电偶分度号为“s” 。它的正极是铂铑丝， 负极是纯铂丝。测量范围为 01600。其特点是精度高、热电性能稳定、抗氧化性强 ，宜在氧化性，惰性气体中工作。 热电偶的测温误差在低温为 2.5c 5c 在高温断为 0.4%1%。 设冷端温度为 c，热短温度为 t(c)，热电势 e 的单位为 mv，铂铑 10-铂热电偶的计算公式如下： 0 0t 在 63c 1064c 范围内，按下式计算温度： （3.1） 32 3210 ta ea ea ea 其中 1 0 2.6418007 10a 6 2 2.9892294 10a 3 1 8.0468681 10a 6 3 1.9338477 10a 总上所述可知：常见 te 关系可表示为： （3.2） 432 4320 ta ea ea ea 43210 ()a ea ea ea ea 3.2.3 温度测量电路及原理 温度变送器是温度测量系统中的一个关键环节，主要作用是信号调理、变换，目的 是提高测量准确度，使温度传感器在工业现场应用中方便、简单。 兰州工业高等专科学校毕业论文 10 温度变送器的数据处理功能和伟大变送器模块基本相同，即输入为热电阻或热电偶 信号，输出为正比于被测温度的标准电流或标准电压信号。所不同的是从方便性，可靠 性，安全性及外观结构上采用了优化设计，表现在： 既可直流 24v 供电，又可交流 220v 供电； 输入、输出、电源全隔离，目的是增加系统的可靠性； 具有标准的外壳和接线端子，便于现场安装； 温度变送器按其使用特点可分为普通型温度变送器，一体化型温度变送器，智能型 温度变送器等 。 （1）一体化型温度变送器 它的最大特点是温度传感器和变送器安装杂一个外壳中， 缩短了两者间的引线，采用直流 24v 二线制供电，使用十分方便。不足之处是输入输出 无隔离，测量精度较低。 （2） 智能型温度变送器 它是在普通温度变送器的基础上增加了微处理系统,使其 具有 “设定”功能,即使用手持终端对变送器类型,量程范围,输出形式等参数进行本地 或远程设定; 控制功能,即通过处理被测温度和给定值之间的偏差,从而输出(4200)ma 的信号，该信号被传送到控制执行机构，实现温度控制。 （3） 普通型温度变送器。 在量程单元中包括有冷端温度补偿回路，线性化回路。而放大器单元包括有小信号 放大回路，输入输出隔离回路和多谐振荡式的直流变送器才能是热点偶的 mv 信号通过放 大器 a1 的放大，加到晶体管 q1 的极基。q1 的集电极加有 dc-ac 变换器产生的矩形波电 压，其集电极电流 i 是与输入信号的大小成比例的。电流 i 在电阻 r5 上所产生的电压 ef 加到放大器 a2“+”端，而 a2 的输出又反馈到 a1 的“-”输入端。随着 a2 输出电压的增 加，于是 a2 反馈回路上的齐纳二极管依次导通， 使 a2 的增益也随之改变，把由 a2 和 齐纳二极管组成的折线近似回路(线性化回路)加到 a1 的反馈回路中，用以对热电偶的温 度-毫伏特性的非线性化进行补偿，从而得到与温度成线性化关系的输出。电流互感器 t2 的次级回路电流 i0 等于 q1 集电极电流 i，由于电流 i0 通过负载电阻或短路块形成闭 合回路，所以在 rc 的两端就可得到一与输入信号形成比例的输出电压 e0 。为了减少温 度变送器的输出端的交流共模电压，因而使用变压器 t1、t2 使输入回路、输出回路和电 源回路相互隔离。 3.33.3 输入输出通道设计输入输出通道设计 3.3.1 a/d 与微机的接口 （1） adc 的性能指标和选择方法 adc 的性能指标有：转换时间、 分辨率、 量化误差、偏差误差、增益误差、非线性 误差、精度误差、失码和单调性。 adc 的种类很多，特性各异，从中选择适当的 adc 时，首先要根据用户的需要，合理 的选择转换速度、精度及分辨率以满足设计任务要求的技术指标。但要注意到，一般情 况下，位数愈多，精度越高，其转换的时间越长。如果高速度又高精度，则芯片价格越 高。在这次设计中。转换精度要求不是很高，我们选用 adc0809 就可以了。 （2）adc0809 及其单片机接口 adc0809 是典型的 8 位 8 通道逐次逼近式 a/d 转换器，cmos 工艺。 1）adc0809 的内部逻辑结构 adc0809 内部逻辑结构如图 3.3 所示。adc0809 由单一+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 的输入模拟电压信号分时进行转换，完成一次 兰州工业高等专科学校毕业论文 11 转换约需用 100us。输出具有 ttl 三态锁存缓冲器，可直接接到单片机数据总线上；通过 适当的外接电路，adc0809 可对 05v 的双极性模拟信号进行转换。 st clk eoc d0 d7 in0 in7 a b c ale a/d vcc gnd oe vr(+)vr(-) 3 8 图 3.3 adc0809 内部逻辑结构 图 3.3 中多路开关可选通 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。地址锁存与译码电路完成对 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 3.4 所示。 2） 信号引脚 adc0809 芯片为 28 引脚双列直插式封装，其引脚排列见图 3.4。 in3 1 in4 2 in5 3 in6 4 in7 5 start 6 eoc 7 d3 8 oe 9 clock 10 vcc 11 vref(+) 12 gnd 13 d1 14 d2 15 vref(-) 16 d0 17 d4 18 d5 19 d6 20 d7 21 ale 22 addc 23 addb 24 adda 25 in0 26 in1 27 in2 28 adc0809 图 3.4 adc0809 引脚图 表 3.4 通道选择表 要信号引脚的功能说明如下： 表 3.5 adc0809 的引脚功能 d7d0 8 位数字量输 出引脚 ref(-) 参考电压负端 in0in7 8 路模拟量输 入引脚 start a/d 转换启动信号 输入端 c b a 选择的通道 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 in0 in1 in2 in3 in4 in5 in6 in7 兰州工业高等专科学校毕业论文 12 vcc +5v 工作电压 ale 地址锁存允许信号 输入端 gnd 地 eoc 转换结束信号输出 引脚 ref(+) 参考电压正 端 oe 输出允许控制端 clk 时钟信号输 入端 a、b、 c 地址输入线 3） adc0809 与单片机的接口 图 3.5 adc0809 与 8051 单片机的接口电路 图中由 8051 的 ale 把低 8 位地址信号锁存在 74ls373 里。74ls373 输出的低 3 位 a2，a1 和 a0 加到 adc0809 的 c，b，a，作为通道编码。由与 p2.7（对于 8051 单片机） wr 进行或非操作得到一个正脉冲加到 adc0809 的 ale 和 start 引脚上。adc0809 的 ale 上的 正脉冲把通道编码 c，b，输入并锁存于“地址锁存和译码”里，接通所需通道。如果震 荡频率为 12mhz，对于 mcs-51 的单片机，在图中加入 adc0809 的 ale（及 start）的正脉 冲宽度约为 250us，大于 200us，满足 adc0809 对 ale 引角信号的要求。 start 的上升沿清除 adc0809 的逐次逼近寄存器 sar，对时间没有严格要求。次后的 start 的下跳便启动 a/d 转换。在 adc0809 进行 a/d 转换的期间，eoc=0，a/d 转换结束 时 eoc 上跳为高电平。eoc 反相后加到 8051 的作为中断请求信号。 1int 对于 8051 来说，ale 的频率约为震荡频率的。设震荡频率为 6mhz，那么 ale 的 61 频率约为 1mhz，经二分频后为 500khz，adc0809 能可靠工作。fosc=12mhz,则把 ale 二分 频后为 1mhz，小于 1280khz，adc0809 仍能正常工作。 3.3.2 加热功率的控制 单片机控制系统和强电控制回路共地是引起干扰的主要原因，因为强电控制回路中 的电流和电压往往很大，并会在强电用电器和地之间形成强大的脉动干扰。消除这系脉 兰州工业高等专科学校毕业论文 13 冲干扰的最有效的方法是是单片机弱电部分和强电控制回路的地分离开来，在电器连接 上切断它们彼此间的耦合通路。 隔离传输实现电气上隔离的方法从耦合方式来看，可以分为磁耦合隔离方法、光电 耦合隔离方法、电容耦合隔离方法等。光电耦合器以光电转换原理传输信息，它不仅是 信息发出端（一次侧）以信息接收并输出端（二次侧）是电绝缘的，从而对地电位差干 扰有很强的抑制能力，且速度高，价格低，接口简单，因而得到广泛的应用。光电耦合 器的一次侧都是发光二级管，但是二次侧有多种结构，如光敏二级管、光敏晶体管等， 因而就有二级管二级管光电耦合器、二级管晶体管光电耦合器等多种型号的光电耦 合器。我们选用二级管晶体管光电耦合器。它的应用线路如下： uin 图 3.6 光隔离器电路图 有这种光电耦合器的原理图知，发光二级管发出的光照射到光敏三极管上，光线起 到基极电流的作用，激发产生集电极电流。 在单片机控制系统中，电器隔离通常可分为单片机对开关量的输入/输出隔离和单片 机对模拟量输入的隔离。 （1） 单片机对开关量输出的控制 在单片机控制开关量输出电路时，通常需要把输出开关量先锁存在 74ls373 等锁存 器中，然后在锁存器和开关量输出回路中间放置隔离电路。隔离电路用于消除开关量输 出电路在控制动力设备起停时所产生的冲击干扰。光隔离器隔离的响应速度快（可达 10us 左右） ，但驱动能力小，输出电流范围为 1020ma。光电隔离器有光源（如发光二 极管）和光传感器（如光敏三极管）组成，有图知当 12v 的脉冲加到光隔离器输入端时， 发光二极管因导通而发光，光敏三极管因光耦合而导通，故可在输出端 vout 输出高电平； 否则，光敏三极管截至，vout 输出低电平。 （2） 单片机对开关量和模拟量输入的隔离 通常，光隔离器也用来隔离输入的开关量和模拟量，以消除输入回路对单片机的共 地干扰。它的输出可直接与 8051 的某端口相连。 在实际应用中考虑数字隔离的方法，即将模拟信号通过 a/d 转换变成数字信号，再 采用光电耦合器进行数字隔离。送入单片机进行数剧处理，之后通过 d/a 转换器把处理 的模拟信号去控制执行系统。原理图如下图 3.7： 图 图 3.7 模拟隔离传输 +5v d1t2 vo vc ic rl a/d 转 换 数据处理 cpu d/a 变 换 光电隔离 信号输入 信号输出 兰州工业高等专科学校毕业论文 14 固态继电器（简写为 ssr）是采用一种固体元件组装而成的一种无触点功率型无触点 电子开关。它利用光电隔离技术实现了控制端（输入端）与负载回路（输出端）之间的 电气隔离，同时又能控制电子开关的动作。 （1）固态继电器的结构和工作原理 其结构一般由耦合电路、整形放大电路、开关电路和吸收电路四部分构成，交 流型固态继电器的结构如图 3.8 所示。 图 3.8 固态继电器的结构 （2） 各部分作用 合电路由光电耦合器组成，作用是耦合控制信号同时实现隔离； 2）放大电路的作用是将光电管接收到的控制信号进行整形放大用于触发电子开关； 3）开关电路的作用是使电子开关 t 导通与负载构成回路； 4）吸收电路 d 的作用是用于防止从负载电源传来的尖峰、浪涌电压对开关器件的冲 击。 （3） ssr 应用中应注意的问题 1）直流型和交流型用途不同，不能互换。 2）交流型有过零型和移相型两种，要求射频干扰小的场合应使用过零型。 3）使用交流型应有吸收电路。 4）ssr 的输入均为发光二极管，可直接由 ttl 驱动，也可以用 cmos 电路再加一级跟 随器驱动。驱动电流约 510ma 时输出端导通，1ma 以下输出端断开。 5）选用 ssr 时，电压和电流是两个最重要的参数。 6）为减少 ssr 的射频干扰，可在电源变压器原边处与电源引线之间并接 0.047f 电容。 7）切忌负载短路。 图 3.9 固态继电器的驱动 （4） 固态继电器的应用电路 固态继电器主要用于大功率驱动场合，基本的驱动电路如图 3.10 所示因为 ssr 的输入电压为 4-32v，dc-ssr 的输入电流小于 500ma。因此，要选用适当的电压 vcc 和限流电阻 r。dc-ssr 可用 oc 门或晶体管直接驱动。dc-ssr 的输出断态电流一般小于 5ma，输出工作电压 30-180v。所接为感性负载，对一般电阻性负载可直接加负载设备。 ac-ssr 可用于 220v，380v 等常用市电场合，输出断态电流一般小于 10ma，一般应让 ac- t - + 4 3 2 1 负载 s rl d r2 r1 整形 放大 电路 直流 电源 交流 电源 ttl cmos +vcc 电源 +vcc 电源 电源 +vcc 负载 ssr ssr 负载 负载 ssr 兰州工业高等专科学校毕业论文 15 ssr 的开关电流至少为断态电流的 10 倍，负载电流若低于该值，则应并联电阻 rp 以提高 开关电流。 图 3.10 固态继电器的应用电路 3.43.4 外围电路设计外围电路设计 3.4.1 显示电路 led（light emitting diode）是发光二极管的缩写。led 显示器是由发光二极管构 成的，所以显示器前面灌以“led” 。它是智能测量控制仪表中简单而常用的输出设备， 通常用来指示机器的状态或其他信息。它的有优点是价格低，寿命长，对电压电流的要 求低以及容易实现多路，阈值特性好，体积小， ，响应速度快，可靠性高，亮度高，与单 片机接口灵活等诸多优点等，因而在单片机中的应用非常广泛。 led 近似于恒压元件，导电发光时的正向压降一般约为 1.6v 或 2.4v 左右，反向击穿 电压一般大于等于 5v，工作电流通常在 1020ma 左右，故电路中需要串入适当的限流电 阻。发光强度基本上与正向电流成正比。发光效率和颜色取决于制造材料。七段显示器 与单片机接口非常容易，只要将一个 8 位并行输出口与显示器的引脚相连即可。 （1） led 的结构和分类 led 显示器是由 7 个发光二极管组成，因此也称七段 led，其排列形状如图（b）所 示。另外还有一个圆点形的发光二极管用于显示小数点。 通过发光二极管的被点亮段的组合，可以显示全部十个数字和部分字母符号。 兰州工业高等专科学校毕业论文 16 图 3.11 led 的类型和管脚 led 显示器有两种类型，共阴极与共阳极。两者不能互换,本次设计选用共阴极 led 显示器。共阴极 led 显示器是将 8 个发光二极管的阴极连一起，并接地。这样，阳极端 输入高电平的段就会发光，输入低电平的段就不发光。 （2） led 显示器接口方法 点亮 led 显示器有静态和动态两种，即静态显示和动态显示。静态显示为动态显示 亮度的 n 倍，n 约为显示器位数。静态显示时，每段 led 流过恒定的电流，每段驱动电流 约为 610ma。动态显示时，每段 led 流过随时间变化的脉动电流，每段驱动脉冲电流的 大小与显示器位数有关，如显示器的位为 6 位，要达到静态显示的亮度时，则脉动电流 约需要 3660ma，故选用动态显示法。所谓动态显示法，是指在每一刻只有一位 led 显 示，其他 led 不显示。但显示是逐位 led 依次轮流显示，由于人眼有视觉残留效应，所 以人看到的是全显示。 （3） led 与 8051 接口电路 在动态显示方式中，多位 led 显示器的各位短选线并联，由一个 8 位 i/o 口控制， 形成段选的多路复用。而各位的公共端由相应的 i/o 口线控制，实现各位的选通。位控 线的个数等于 led 显示器的个数。 因段选线共用，若要各位 led 能显示出与本位相应的字符 ，就必须采用扫描方式。 即某一时刻，只让某一位的位选线处于选通状态，同时段选线输出要显示字符的段码， 在这一时刻被选通的显示器显示字符，未被选通的显示器全灭。单片机依次发出段选码 和对应位 led 显示器的位选码，显示器逐个循环点亮。适当选择扫描速度，利用人眼的 “视觉暂留”作用。 10 9 8 7 6 1 2 3 4 5 dp g f gnd a b e d gnd c dp e a b c d f g （a）共阴极（b）管脚配置图 兰州工业高等专科学校毕业论文 17 采用动态显示控制的 led 与 8051 接口电路如图 3.12 所示。 图 3.12 动态显示器与 8051 的接口电路 3.