毕业设计（论文）-热流道温度控制器研究与设计.doc

全套图纸加扣 3012250582 共57页 第56页编号： 毕业设计说明书题 目： 热流道温度控制器研究与设计 学 院： 机电工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学生姓名： 学 号： 指导教师： 职 称： 工 程 师 题目类型： 理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发2010年 5月 26日引言随着世界的不断发展，制造业与以往相比有了翻天覆地的不变化，而塑料加工是制造业的重要组成部分，其中注射塑料又是塑料加工的重要组成部分。随着塑料工业的飞速发展和通用与工程塑料在强度和精度等方面的不断提高，注射塑料加工制品的应用范围也在不断扩大，小到日常用品，大到高精尖技术产品的应用等。而热流道塑料加工又在塑料加工中占了重要地位。热流道的出现不但改变了传统的塑料加工方法，而且也为当今的制造加工提供了一种非常好的加工手段。热流道系统，又称热浇道系统，主要由热浇口套，热浇道板，温控电箱构成。流道处于一个或多个有恒温的热流道板及热唧嘴里，无冷料脱模，流道及浇口直接在产品上，所以流道不需要脱模，此系统又称为无水口系统，可节省原材料，适用于原材料较贵、制品要求较高的情况，设计及加工困难，模具成本较高。 热流道系统的优势在于（1）无水口料，不需要后加工，节省工作时间，提高工作效率。（2压力损耗小。（3）水口料重复使用会使塑料性能降解，而使用热流道系统没有水口料，可减少原材料的损耗，从而降低产品成本。（4）独特设计加工的电加热圈，可达到加热温度均匀，使用寿命长。热流道系统配备热流道板、温控器等，设计精巧，种类多样，使用方便，质量稳定可靠。 在加工的时候流道的温度控制要求精度到，温度变化小，温度控制平衡等。这就是要求热流道的流道温度不能有大的变化，因此，对热流道的温度控制乃是决定加工质量与加工精度的保证。在热流道加工中有的时候就是一两度的温度误差也会给加工产品的质量产生很大的影响。所以，控制热流道的温度是一个非常重要的质量保证的手段。而本文中将用单片机来实现对热流道温度的控制，采用先进的算法来分析控制误差进而来提高控制精度。1 绪论1.1 概述热流道是通过加热的办法来保证流道和浇口的塑料保持熔融状态。由于在流道附近或中心设有加热棒和加热圈，从注塑机喷嘴出口到浇口的整个流道都处于高温状态，使流道中的塑料保持熔融，停机后一般不需要打开流道取出凝料，再开机时只需加热流道到所需温度即可。热流道模具应用项目需要多个环节予以保障。其中最重要的有两个技术因素。一是塑料温度的控制，二是塑料流动的控制。 其中塑料温度的控制在热流道模具应用中塑料温度的控制极为重要。许多生产过程中出现的加工及产品质量问题直接来源于热流道系统温度控制的不好。在很多时候，往往是极小的温度问题就给生产出的产品带来极大的质量问题，如使用热针式浇口方法注塑成型时产品浇口质量差问题，阀式浇口方法成型时阀针关闭困难问题，多型腔模具中的零件填充时间及质量不一致问题等。如果可能应尽量选择具备多区域分别控温的热流道系统，以增加使用的灵活性及应变能力。本系统讲述的是通过单片机来对在热流道中极为重要的温度要求进行的控。单片机不但应用广泛，智能化，价格便宜而且可靠性高。在本系统中，温度信号通过温度传感器转换为电信号，再通过放大器的放大与模拟数字信号的相互转化而为单片机提供控制信号来源，单片机通过先进的算法计算后输出控制信号，这样来对热流道的温度进行控制。 1.2 热流道温度控制的现状与发展热流道技术是应用于塑料注塑模浇注流道系统的一种先进技术，是塑料注塑成型工艺发展的热点方向，在欧美国家的普及使用可以追溯到上个世纪中期甚至更早。而在中国，这一技术的真正推广应用不过是近几年的事。随着热流道技术的日渐推广应用，热流道模具在塑料模具中所占比重将逐步提升。在国外，许多塑料模具厂生产的模具50%以上采用热流道技术，有的甚至达80%以上，效果十分明显。热流道在国内也已用于生产，但目前总体不足10%，这个差距相当巨大，但也意味着这个行业在国内有着相当大的发展空间。 近年来，热流道技术在中国的逐渐推广，在很大程度上是由于国产模具向欧美公司的快速出口带来的。在欧美国家，注塑生产已经相当依赖于热流道技术。可以这样说，基本不使用热流道技术的模具现在已经很难出口。但由于很多进口热流道模具价格较贵，国内很大一部分厂家接受不了，所以就出现了一些国产的商品化热流道模具。这对于热流道技术在中国的推广有很大的好处。 热流道技术在我国渐行渐热的同时，其元件呈现出几个主要发展趋势。一是元件小型化。二是元件标准化。三是设计可靠化。如今国内外各大模具公司对热流道板的设计和热喷嘴联接部分的压力分布、温度分布、密封等问题的研发极为重视。四是温控系统精确化。在热流道模具模塑中，开发更精密的温控装置，控制热流道板和浇口中熔融树脂的温度，是防止树脂过热降解和产品性能降低的有效措施。 目前国外的热流道温控系统已实现微电脑控制，采用PIDD连续调节，其精度可达0.5。国内热流道元件生产商也正在向电脑控温的方向努力。总体来讲，热流道技术在中国的普及率很低，和欧美相比较还有很大的差距，原因是多方面的，虽然我们国家也一直在努力提高和发展这方面技术，但是如果没有真正的创新和自主产权而只是走拿来而不消化的路的话，那么差距将会越来越大。1.3 课题的设计与分析1.3.1系统性能要求及特点本系统要求的温度控制精度较高，温度测量误差1%，输出负载能力：20A，100W4400W（220V）。而由于温度系统本身的热惯性与热的大滞后性，所以系统的控制灵敏度要求较难控制，而且误差由于热惯性也较难控制。本系统通过PID参数整定来对系统的响应和滞后进行调节，力求达到系统的性能要求。鉴于系统功能设计要求应该具有的体积小、成本低、功能强、抗干扰并尽可能达到更高精度的要求。本系统在硬件设计方面具有如下特点:控制主板采用AT89C52作为核心芯片。作为与MCS一51系列兼容的单片机，无论在运算速度，还是在内部资源上均可胜任本系统的性能要求。根据温控箱测温范围的要求，本系统适合采用R100铂电阻作为温度传感器，而Pt100铂电阻在大温度范围内测温时表现出的不可忽视的非线性不容忽视，因此在温度测量的过程中必须对铂电阻温度传感器的非线性进行优化，从而提高系统温度测量的精确度。本文采用最小二乘法拟合的方法对铂电阻的非线性进行优化。为了简化系统硬件，控制量采用双向可控硅输出，这样就省去了D/A转换环节。整个系统遵循了冗余原则及以软代硬的原则，并尽可能选用典型、常用、易于替换的芯片和电路，为系统的开放性、标准化和模块化打下良好基础。1.3.2系统硬件方案分析温度控制仪的硬件电路一般采用模拟电路和单片机两种形式。模拟控制电路的各控制环节一般由运算放大器、电压比较器、模拟集成电路以及电容、电阻等外围元器件组成。它的最大优点是系统响应速度快，能实现对系统的实时控制。根据计算机控制理论可知，数字控制系统的采样速率并非越快越好，它还取决于被控系统的响应特性。在本系统中，由于温度的变化是一个相对缓慢的过程，对温控系统的实时性要求不是很高，所以模拟电路的优势得不到体现。另外，模拟电路依靠元器件之间的电气关系来实现控制算法，很难实现复杂的控制算法。单片机是大规模集成电路技术发展的产物，属于第四代电子计算机。它是把中央处理单元CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、定时/计数器以及1/0输入输出接口电路等主要计算机部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机，它的特点是:功能强大、运算速度快、体积小巧、价格低廉、稳定可靠、应用广泛。由此可见，采用单片机设计控制系统，不仅可以降低开发成本，精简系统结构，而且控制算法由软件实现，还可以提高系统的兼容性和可移植性。目前，市面上的单片机不仅种类繁多，而且在性能方面也各有所长。AT89C52单片机是ATMEL公司出品的与MCS一51系列兼容的低电压、高性能CMOSS位单片机。本系统选择AT89C52为核心器件组成的控制系统。此外，在选取外围扩展芯片时，本着节约成本的原则，尽量选取典型的、易于扩展和替换的芯片及器件。1.3.3系统软件方案分析目前，MCS51单片机的开发主要用到两种语言:汇编语言和C语言。与C语言相比，汇编语言具有以下的特点: 它要直接使用CPU的资源，执行的高效率，实时性好，程序紧凑等。由于整个系统软件比较复杂，为了便于编写、调试、修改和增删，系统程序的编制适合采用模块化的程序结构，故要求整个控制系统软件由许多独立的小模块组成，它们之间通过软件接口连接，遵循模块内数据关系紧凑，模块间数据关系松散的原则，将各功能模块组织成模块化的软件结构。温度控制算法方面，在对温控箱数学模型辨识的基础之上，结合本温控系统的要求采用了经典的PID控制算法，这主要是由于PID控制相对来说算法简单、鲁棒性好和可靠性高。此外，在设计PID控制器时，依靠经验和试验的方法在系统调试时确定PID控制器的参数K，、K，、K。，然后用代码实现了算法。2 硬件电路设计2.1 系统硬件总体结构本系统硬件部分按照功能大致可以分为以下几部分：单片机主控模块、信号输入模块、控制信号输出模块、键盘模块及显示模块等。硬件总体结构框图如图2一1所示。由结构框图可见，其中温度控制系统以AT89C52单片机为核心。热流道的温度由Pt1OO铂电阻温度传感器检测并转换出微弱的电压信号，这个电信号再通过放大器的放大后通过A/D转换器ADC0808而转换成数字量。此数字量经过软件数字滤波之后，一方面将热流道的温度通过温标转换后，输到显示器中显示出来;另一方面将该温度值与设定的温度值进行比较，根据其偏差值的大小，采用PID控制算法进行运算，应算结果最后通过控制双向可控硅控制的通断进而达到对温度进行控制的目的。如果实际测得的温度值超过了系统给定的温度，那么双向可控硅将断开而停止加热，而当实际温度小于给定温度，那么双向可控硅将接通而开始对热流道加热，因而使系统的温度能达到平衡。图2-1 系统总结构框图2.2 主控模块器件选择及设计2.2.1单片机的选用针对一定的用途，恰当的选择所使用的单片机是十分重要的。对于明确的应用对象，选择功能过少的单片机，无法完成控制任务;选择功能过强的单片机，则会造成资源浪费，使产品的性能价格比下降。目前，市面上的单片机不仅种类繁多，而且在性能方面也各有不同。在实际应用中，针对不同的需求要选择合适的单片机，选择单片机要重视的地方有：(1)单片机的基本性能参数，例如指令执行速度，程序存储器容量，中断能力及1/0口引脚数量等;(2)单片机的增强功能，例如看门狗，双串口，RTc(实时时钟)，EEPROM，CAN接口等;(3)单片机的存储介质，对于程序存储器来说，Flash存储器和OTP(一次性可编程)存储器相比较，最好是选择Flash存储器;(4)芯片的封装形式，如DIP封装，PLCC封装及表面贴附封装等。选择DIP封装在搭建实验电路时会更加方便一些;(5)芯片工作温度范围符合工业级、军品级还是商业级，如果设计户外产品，必须选用工业级芯片;(6)单片机的工作电压范围，例如设计电视机遥控器时，使用2节干电池供电，至少选择的单片机能够在1.8v一3.6v电压范围内工作;(7)单片机的抗干扰性能好; (8)编程器以及仿真器的价格，单片机开发是否支持高级语言以及编程环境要好用易学;(9)供货渠道是否畅通，价格是否低廉，是否具有良好的技术服务支持。根据上面所述的原则，结合本系统实际情况综合考虑，本文应用的温度控制系统选用ATMEL公司生产的AT89C52单片机作为主控模块的核心芯片。2.2.2单片机介绍本系统选用ATMEL公司生产的AT89系列单片机中的AT89C52，AT89C52单片机是一种新型的低功耗、高性能的8位CM0S微控制器，与工业标准MCS一51指令系列和引脚完全兼容。具有超强的三级加密功能，其片内闪电存储器(FlashMemory)的编程与擦除完全用电实现，数据不易挥发，编程/擦除速度快。AT89C52单片机DIP封装的引脚如图2一2所示：图2一2 DIP封装引脚AT89C52的主要特点有:(l)内部程序存储器为电擦除可编程只读存储器EEPROM，容量8KB，内部数据存储器容量256字节，最大寻址空间64KB;(2)三个16位定时/计数器;(3)可利用两根FO口线作为全双工的串行口，有四种工作方式，可通过编程设定;为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当工件是棒料时，使用夹持式手部当工件是板料时，使用气流负压式吸盘。(4)内部ROM中开辟了四个通用工作寄存器区，共32个通用寄存器，以适应多种中断或子程序嵌套的情况;(5)6个中断源，分为两个中断优先级，每个中断源优先级都是可编程的;(6)内部有一个由直接可位寻址组成的布尔处理机，在指令系统中包含了一个指令子集，专门用于对布尔处理机的各位进行各种布尔处理，特别适用于控制目的和解决逻辑问题；(7)AT89C52的状态周期由晶体振荡器2分频后获得，作为芯片工作的基本时间单位，在采用12MHz晶振时，ATsge52的状态周期为(2/12)xlo一6=167ns。AT89C52的引脚及功能：AT89C52为40脚双列直封装的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，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。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。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。在Flash 编程时，P0 口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节校验时，要求外接上拉电阻。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。Flash 编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。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（IIL）。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P3 口还接收一些用于Flash 闪速存储器编程和程序校验的控制信号。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。对Flash 存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH 单元的D0 位置位，可禁止ALE 操作。该位置位后，只有一条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。Flash 存储器编程时，该引脚加上+12V 的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V 编程电压Vpp。XTAL1/XTAL2:分别是振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端和输出端。2.2.3主控模块设计主控模块电路由AT89C52单片机、外部时钟电路、复位电路组成。电路如图2一3所示。系统与其他元件相接的电路图采用总线模式。图2一3 总控制模块 单片机的复位是由外部复位电路来实现的。在单片机的复位引脚RST上保持两个机器周期的高电平就能使AT89C52完全复位。复位电路的接法很多，本系统中采用上电复位的方式。系统时钟电路设计采用内部方式。AT89C52内部有一个用于构成振荡器高增益反相放大器。引脚XTALI(19脚)和XTALZ(18脚)分别是此放大器的输端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自振荡器。外接晶体谐振器以及电容构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回中。本系统电路采用的晶体振荡器频12MHz。复位电路和时钟电路如图2一4所示。图2一4 复位电路和时钟电路2.3 信号输入电路设计系统输入通道的作用是将热流道的温度(非电量)通过传感器电路转化为电量(电压或电流)输出，本系统就是将温度转化为电压的输出。由于此时的电量(电压)还是单片机所不能识别的模拟量，所以还需要进行A/D转换，即将模拟的电量转化成与之对应的数字量，提供给单片机判断和控制。信号输入电路由温度传感器、A/D转换等电路组成。2.3.1温度传感器的选用与介绍温度传感器的种类比较繁杂，各种不同的温度传感器由于其构成材料、构成方式及测温原理的不同，使得其测量温度的范围、测量精度也各不相同。因此在不同的应用场合，应选择不同的温度传感器。Pt100型铂电阻，在一200到850范围内是精度最高的温度传感器之一。与热电偶、热敏电阻相比较，铂的物理、化学性能都非常稳定，尤其是耐氧化能力很强，离散性很小，精度高，灵敏度也较好。这些特点使得铂电阻温度传感器具有信号强、精度高、稳定性和复现性好的特点。由于在本系统中，测温范围不大(100到350C)，且要求检测精度高、稳定性好和相应速度快等，因此选用Pt100铂电阻作为本温度控制系统的温度传感器。铂电阻温度传感器主要有两种类型:标准铂电阻温度传感器和工业铂电阻温度传感器。在测量精度方面，工业铂电阻的测量稳定性和复现性一般不如标准铂电阻，这主要有两个方面的原因，其一是高温下金属铂与周围材料之间的扩散使其纯度受到污染，从而降低了铂电阻测温的复现性能，其二是因为高温条件下的应力退火影响了其复现性能。但是标准铂电阻温度传感器也存在价格昂贵，维护起来较为困难等缺点。考虑到成本，故在本系统中采用工业级Pt100铂电阻作为温度传感器。温度传感器的测量电路如图2-5所示：2-5 Pt100测量电路铂电阻温度传感器是利用其电阻值随温度的变化而变化这一特性进行温度测量的，根据IEC(InternationalEleetri。ianCommittee)标准751一1983: （-200t0） (2-1) (0t850) (2-2)其中，Rt为t时的电阻值，R。为0时的电阻值。图2一6所示为铂电阻温度电阻曲线。 由于本系统中温控箱的温度范围在室温到600之间，故只针对(2一2)式进行讨论。由(2一2)式可知，铂电阻温度传感器在其测量范围内具有非线性，即阻值变化具有饱和特性。为了减少铂电阻的饱和特性给温度测量带来的误差，这里采用最小二乘法对铂电阻的非线性进行优化。图2-6 铂电阻温度电阻曲线在O一800之间均匀的抽取100个温度点，对应的铂电阻阻值利用(2一2)式计算出来，然后将此电阻值代入图2一5所示采样电路求得电压值，这样就有100组数据点。对这100组温度和电压数据利用最小二乘法进行拟合，求出温度与电压关系的三次多项式为: (2-3)求解出测温多项式后，在O一800之间随机抽取10个点，对此多项式进行检验，其结果如表2一1所示：表2-7 实际温度与测量温度对照表实际温度（C）计算温度（C）误差（C）39.0038.993-0.007117.00117.0190.019195.00195.0130.013273.00273.995-0.005351.00351.982-0.018429.00429.982-0.018507.00506.996-0.004624.00624.0230.023702.00702.0190.019780.00779.961-0.039由上表可以看到经过最小二乘法优化之后，(2一3)式误差绝对值的最大值仅为0.039，测量精度已经满足系统的要求。2.3.2 A/D转换在单片机控制系统中，控制或测量对象的有关变量，往往是一些连续变化的模拟量，如温度、压力等物理量。但是大多数单片机本身只能识别和处理数字量，因此必须经过模拟量到数字量的转换(A/D转换)，才能够实现单片机对被控对象的识别和处理。完成A/D转换的器件即为A/D转换器。A/D转换器的主要性能参数有:(1)分辨率分辨率表示A/D转换器对输入信号的分辨能力。A/D转换器的分辨率以输出二进制数的位数表示;(2)转换时间转换时间指A/D转换器从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。不同类型的转换器转换速度相差甚远;(3)转换误差转换误差表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别，常用最低有效位的倍数表示;(4)线性度线性度指实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移。目前有很多类型的A/D转换芯片，它们在转换速度、转换精度、分辨率以及使用价值上都各具特色，其中大多数积分型或逐次比较型的A/D转换器对于高精度测量，其转换效果不够理想。温度控制中A/D转换是非常重要的一个环节。而根据实际情况和系统的性能要求，本系统采用ADC0808作为A/D转换芯片。ADC0808是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模数转换的器件。ADC0808与ADC0809的功能和性能几乎相同，其区别仅在于转换的精度。ADC0808内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。主要性能：1）8路输入通道，8位AD转换器，即分辨率为8位。 2）具有转换起停控制端。 3）转换时间为100s4）单个5V电源供电 5）模拟输入电压范围05V，不需零点和满刻度校准。 6）工作温度范围为-4085摄氏度 7）低功耗，约15mW。内部结构：ADC0808是CMOS单片型逐次逼近式AD转换器，内部结构如图2-8所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型DA转换器、逐次逼近。图2-8 ADC0808内部结构引脚及功能：ADC0808的封装引脚图如2-9所示：图2-9 ADC0808封装引脚IN0IN7：8路模拟量输入端。2-12-8：8位数字量输出端。ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 START： AD转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。 EOC： AD转换结束信号，输出，当AD转换结束时，此端输出一个高电（转换期间一直为低电平）。 OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当AD转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。 REF（+）、REF（-）：基准电压。 Vcc：电源，单一5V。 GND：地。工作过程：首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 AD转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到AD转换完成，EOC变为高电平，指示AD转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。ADC0808的时序图如图2-10，通过时序图可以很清楚地知道0808的工作过程。在START启动后，EOC并不是低电平，而需要一小段时间后才变为低电平，这一段时间约为10us。图2-10 ADC0808时序根据系统的性能和要求，本系统设计的0808的结构图如图2-11所示，其中工作时间频率clock的信号通过二分频和单片机相接ALE引脚相接，由于单片机的时钟频率为12MHZ，所以单片机ALE引脚得到的频率为2MHZ，再通过二分频得到1MHZ的ADC工作频率。图2-11 ADC0808系统接线图74LS74芯片：本系统中应用了74LS74芯片来进行二分频，而74LS74芯片是一种D触发器，应用它来完成对单片机的时钟信号与0808时钟信号的相结合。其原理图与功能分别见图2-12和图2-13。如果在CP高电平期间输入端出现干扰信号，那么就有可能使触发器的状态出错。边沿触发器允许在CP触发沿来到前一瞬间加入输入信号。图2-12图2-12引脚号引脚代码引脚功能参数：R+/R-备注1CLR1复位信号9.10/4.382D1触发信号无穷/4.713CK1时钟信号9.10/4.914PR1控制无穷/4.685Q1同相位输出3.71/3.006/Q1反向位输出无穷/6.287GND地0/08/Q2反向位输出无穷/6.289Q2同相位输出3.71/3.0010PR2控制0.21/0.2111CLK2时钟信号无穷/4.2012D2触发信号0.33/0.3313CLR2时钟信号9.10/4.3814Vcc电源0.21/0.21+5.00V表2-132.4 键盘及显示电路2.4.1键盘电路设计在本系统中，采用的是独立式键盘。本键盘完成的功能为输入控制系统的设定值，以便于系统的采样值相比较，求出系统的误差大小，供以后的PID算法控制子程序使用。其中第一个键盘和第二个键盘选择的双稳态的刀式的开关，但是用于没有买到这样的开关，使用系统的这两个开关选择了按键式开关来代替，这几个要按的时候就要注意使用顺序。而另外两个键盘也选用了按键式键盘，着4个键盘分别于单片机的P.4到P2.7脚相接。这两个键盘分别是第三和第四键，用来增加与减少设定的温度数值。第1个键盘用来判断是转入控制处理子程序运行，还是转入键盘处理子程序。若按下则转控制处理子程序运行，按下则转入键盘处理子程序运行；若第1个键盘按下则第2个键盘开始起作用。第2 个键盘是用来判断是十位进行加减操作，还是个位进行加减操作。若二键盘没有按下，转入十位进行加减操作，否则转入个位进行加减操作；第3 个键盘为减一操作，第4个键盘为加1操作。为了进一步解决上面提出的前面两个问题，将个位和十位的设定值都在程序中先设定，如果加一操作结果等于11，给加一单元重新赋值，如果减一操作结果等于0FFH，给减一单元重新赋值。键盘的电路图如图2-14所示：图2-14 键盘接线图2.4.2显示电路设计本系统电路采用两个4位LED显示数码管，共阴极接法（第一个数码管显示A/D转换数据采集的采样值，选用3位的显示采样值，显示范围为0到100，而第二个数码管显示的是键盘按键输入的设定值，用来显示将要输入系统的温度值，其显示范围是0到100，也选用3位的显示设置）。由于LED数码管显示电路较多选用的是动态扫描的方式，为了实现LED显示器的动态扫描，除了要给显示器加位的控制，还要给显示器提供段码的输入控制，既是要有位码和段码的输入控制。因此，本系统选择了P1口为输出6条段控制线，来输出数码管的段码。位控制线选择的是P2.1、P2.2、P2.3、P3.0、P3.1、P3.2进行位码的输出，其中P2.1、P2.2与P2.3用来驱动键盘的设定值的数码管的位控制线，P3.0、P3.1、P3.2用来驱动显示A/D转换数码管的数据位码控制线，位控制线的数目等于数码管显示的位数。系统显示电路图如图2-15所示，采用的是总线模式。P1口最多可以接8个LED显示器。为了提高显示的亮度，本系统选择了74LS05进行段码控制输出驱动，与七段数码管得段码驱动输入端相接，由于位控制线的驱动电流较大，八段全点亮要40到60mA的电流，所以要用三极管来提高驱动能力，其集电极接到七位数码管的位码驱动输入端，三极管的发射极接地，将AT89C52的P3.0、P3.1、P3.2口分别和一个2千欧的电阻相接到三极管的基极，用来驱动采样值显示数码管，将单片机的P2.0、P2.1与P2.2口分别和一个2千欧的电阻连接到三极管的基极，用来驱动设定值显示数码管。图2-15 显示电路图2-15c 显示器与单片机接线图74LS05位集电极开路输出的6组反相器，其极限值电源为7V。2.5 信号输出电路设计温度控制是通过对加热电阻丝的电源的通断来实现的。本系统采用的是晶闸管调功率方式。晶闸管开关控制方式有两种：相位控制和过零控制。相位控制会使负载上的电压波形发生畸形变化，产出高次谐波，对电网造成公害。过零控制则能时负载上产生较完善的正弦波电压波形，同时由于过零时通断，防止了过大电流的冲击。系统采用MOC4061过零光电耦合驱动器实现对功率晶闸管的过零触发。MOC4061内部含有过零检测电路，在单片机控制电压作用下，完成了功率晶闸管的触发导通。晶闸管串联接到50HZ的交流电源和加热丝中，只要在个给定周期内改变晶闸管的接通时间，就能达到加热功率的改变的目的。当单片机的控制脚位高电平的时候晶闸管就断开，当单片机的控制脚为低电平的时候晶闸管就接通加热、。系统是输出电路图如图2-16所以：图2-16 输出控制电路输出控制电路的输入接口是单片机的P3.4口，P3.4口与放大器7407相接。光电耦合器MOC4061的1脚与+5V的电源相接。而控制通断就元件采用双向可控硅来控制，加热端与双向可控硅与电阻端与220V的交流电源相接。交流电磁继电器由双向晶闸管KS驱动。KS的选择要满足：额定工作电路为交流继电器线圈工作电流的23倍；额定工作电压为交流电磁线圈工作电压的23倍。对于中小型220V工作电压的交流电磁继电器，可以选择3A，600V的双向晶闸管。光电耦合驱动器MOC4061的作用是触发双向晶闸管KS以及隔离单片机系统和电磁继电器系统。光电耦合器MOC4061的输入端接7407，由单片机P3.4端控制。P3.4为低电平时候，KS导通，加热元件加热；P3.4为高电平的时候，KS断开，加热器停止加热。MOC4061内部带有过零控制电路，使KS工作在过零触发方式。当继电器动作时，电压电压较低，这时接上用电器，对电源的影响较小。3系统软件设计在微机测控系统中，软件与硬件同样重要。硬件是系统的躯体，软件则是灵魂，当系统的硬件电路设计好之后，系统的主要功能还是要靠软件来实现，而且软件的设计在很大程度上决定了测控系统的性能。为了满足系统的要求，编制软件时一般要符合以下基本要求:(l)易理解性、易维护性要达到易理解和易维护等指标，在软件的设计方法中，结构化设计是最好的一种设计方法，这种设计方法是由整体到局部，然后再由局部到细节，先考虑整个系统所要实现的功能，确定整体目标，然后把这个目标分成一个个的任务，任务中可以分成若干个子任务，这样逐层细分，逐个实现;(2)实时性实时性是电子测量系统的普遍要求，即要求系统及时响应外部事件的发生，并及时给出处理结果。近年来，由于硬件的集成度与运算速度的提高，配合相应的软件，实时性比较容易满足设计要求;(3)准确性准确性对整个系统具有重要意义，尤其是测量系统，系统要进行一定量的运算，算法的正确性和准确性对结果有着直接的影响，因此在算法的选择、计算的精度等方面都要符合设计的要求;(4)可靠性是系统软件最重要的指标之一，作为能够稳定运行的系统，抗干扰技术的应用是必不可少的，最起码的要求是在软件受到干扰出现异常时，系统还能恢复正常工作。3.1 软件设计思想本系统的系统软件较为复杂，单个软件设计模块的话将给软件的编程和检测带来巨大的麻烦，所以本系统的软件设计分为了很多小模块，各个小模块之间的联系较为分散，而小模块又是整个系统软件的各个子模块。因此，设计与调试都不会受到各个小模块的影响。这样不但提高了编程的效率而且也为编程完成的时候减少了调试的工作量，因此，本系统采用了这种分散的方法进行编制程序。3.2 系统软件组成为了便于编写、调试、修改和增删，系统软件的编制采用了模块化的设计。即整个控制软件由许多独立的小模块组成，它们之间通过软件接口连接，遵循模块内部数据关系紧凑，模块之间数据关系松散的原则，按功能形成模块化结构。系统的软件主要由主程序模块、数据采集模块、数据处理模块、控制算法模块等组成。主模块的功能是为其余几个模块构建整体框架及初始化工作;数据采集模块的作用是将A/D转换的数字量采集并储存到存储器中;数据处理模块是将采集到的数据进行一系列的处理，其中最重要的是数字滤波程序;控制算法模块完成控制系统的PID运算并且输出控制量。下面就介绍本系统几个主要的程序模块。3.3 主程序模块主程序模块的程序流程图如图3一1所示。图3-1 主程序流程图 主程序模块要做的主要工作是上电后对系统初始化和构建系统整体软件框架，其中初始化包括对单片机的初始化、A/D芯片初始化等。然后等待温度设定，若温度已经设定好了，判断系统运行条件是不是达到，如果条件达到，系统运行，则依次调用各个相关模块，循环控制直到系统停止运行。在附录中给出了系统初始化完整程序。 3.4 数据采集模块 数据采集既是启动A/D转换与A/D转换的结果送到单片机处理。其中，A/D转换子程序流程图如下图3-12所示，先送地址所存允许信号ALE的上跳沿，使A,B,C地址送入到锁存器中，然后送开始信号上眺沿使内部寄存器清零，再给其一个下降沿，开始进行A/D转换，然后判断转换结束状态信号EOC是不是为1。为0则继续等待转换，为1则将转换完数字量通过ADC0808的8个数据输出口D0到D1送到AT89C52的P0.0到P0.7口中，转换流程图如图3-2所示。图3-2 A/D转换流程图3.5 数据处理模块数据处理是单片机控制的核心所在，单片机通过得到A/D转换的数据后，通过控制算法对所得到的控制前变量进行应算，但是在这种运算之前要对数据进行处理，而得到单片机需要数据。本数据处理子程序就是为了完成这样的工作而设计的。数据处理模块在本系统中分为了两个方面的子模块，他们分别是数字滤波模块与温标转换模块。3.5.1数字滤波 模拟信号都必须经过A/D转换后才能为单片机接受，如果模拟信号受到扰动影响，将使A/D转换结果偏离真实值。因此仅仅对模拟量采样一次，是无法确定该结果是否可信的，必须经过多次采样，得到一个A/D转换的数据序列，通过某种处理后，才能得到一个可信度较高的结果。这种从数据序列中提取逼近真值数据的软件算法，通常称为数字滤波算法。数字滤波克服了模拟滤波器的不足，它与模拟滤波器相比具有以下几个方面的优点:(l)由于数字滤波是用程序实现的，因而不需要增加硬件设备，而且可以多个输入通道共用一个滤波程序;(2)由于数字滤波不需要硬件设备，因而可靠性高、稳定性好，各回路之间不存在阻抗匹配等问题;(3)数字滤波可以对频率很低的信号实现滤波，克服了模拟滤波器的缺陷，而且通过改变数字滤波程序，可以实现不同的滤波方法或改变滤波参数，这比改变模拟滤波器的硬件要更灵活方便。数字滤波是为了提高单片机所得信号的与实际温度值的偏差最小，本系统采用的是中值法，既是平均值法。单片机从ADC0808中得到的信号一共有7组，为了提高稳定性和数字的可靠性因此采用了大量的数字7次。当单片机得到这7组数值后，去除一个最低值和一个最大值，剩下的5组数据相加然后除以5而得到平均值。这个平均值不但要用来给显示温度的LED数码管显示，而且还要给单片机进行PID运算，因此，系统的误差大小及控制的精度都和数字滤波有很大的关系。数字滤波子程序在附件中1。3.5.1温标转换控制系统在读人被测量模信号并转换为转换为数字信号之后，需要转换为操作人员所熟悉的物理量。这种转换就是温标转换，温标转换的线性公式为： （3-5） 式中的Y为参数测量值，为测量范围最大值。是测量范围最小值。N为对应的ADC转换的值，为对应的ADC转换的值，X为测量值，Y为对应的ADC转换值。本系统中，=0度，为550度，为0而为255。因此，Y=+ 式中=0.39，=0由于x的系数为小数，在单片机中编制小数是很难的事情，因此需要对这样的小数进行处理。3.6 键盘与显示模块3.6.1键盘模块 本系统采用的是4个独立式的键盘，键盘数量少，这就要求键盘的功能多。因此，键盘的编程较复杂，键盘子程序将在附件中完整的体现出来。虽然如此，但是键盘控制子程序的总体思想是一个功能键，一个控制键，还有两个加减数字键。由于键盘的数量少，所以单片机的首先给定温度就先在编程的时候固化在程序中，以后要改默认的设定温度也只有在程序中来该。这给单片机控制的灵活性造成了伤害，但是这也给单片机留下了较多的接口。3.6.2显示模块 显示的程序流程图如图3-3所示，显示子程序分为了键盘显示和系统测量温度显示。显示模块的功能为：使第一个数码管显示A/D转换数据采集的采样值，而第二个数码管显示键盘设定值，用来显示对系统的温度设定，在整个系统进行测控的过程中，两个数码管同时显示。图3-3 显示处理子程序流程图3.7 控制算模块PID控制器（比例-积分-微分），由比例单元 P、积分单元 I 和微分单元 D 组成。通过Kp， Ki和Kd三个参数的设定。PID控制器主要适用于基本线性和动态特性