毕业设计（论文）-基于单片机的温度控制系统设计 (3).doc

摘 要本系统以单片机为核心，采用热电偶和DS18B20分别对高温大范围、低温小范围进行温度的测量，通过控制晶闸管的通断进而控制加热丝的加热，另外，能使加热丝保持在所设定的温度，温度值大概是从0到1000。整个测温或者是加热过程中的温度值通过四个数码管实时显示。单片机采用的是ATMEL公司的AT89C51， AT89C51是一种高效微控制器，AT89C系列的单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。整个系统的大致工作过程为：从热电偶过来的低电压信号经过放大和特殊的曲线补偿电路，进而产生可用的模拟信号。AD转换采用的是TLC1543，此模数转换芯片具有10位高分辨率、快速、易于和单片机接口等特点，它用于将模拟信号转化为数字信号，这些数字信号送往单片机，经过单片机的分析、比较和处理，然后输出，其一是在数码管上显示温度值，其二是控制晶闸管的通断进而确定是否对加热丝进行加热。此时热电偶仍用于测量温度值，并通过上述过程最终以数字信号送入单片机，再经过单片机的一系列处理，输出控制加热丝的加热，从而实现加热丝的温度保持恒定。关键词：温度采集； 信号整理； 单片机； 恒温控制AbstractThe core of the system is single-chip microcomputer, both thermocouple and DS18B20 can used to measur temperature ,but the former used in a wide range of high-temperature,the latter used in a small-scale of low-temperature,by controlling the thyristor to control the electric wire,and can keep it in a set temperature,which is prlbably the degrees from 0 to 1000. Throughout the temperature or the temperature of the heating value of the process through four real-time digital tube to display.Single-chip microcomputer is the AT89C51 which made by ATMEL Corporation, the AT89C51 is a highly efficient microcontroller,AT89C series of single-chip embedded control system provide for many flexible and inexpensive programs.the low-voltage single from thermocouple pass through amplification and special compensation circuitry,then it can be used to generate the analog signal, AD converter is used by TLC1543, this analog-to-digital converter chip has many features,such as 10-bit high-resolution,fastly and easily connect to MCU.and it used to transform analog signal into digital signal which is sent to microcontroller,after a single-chip analysis,comparison and processing,then output, one of which is shown in the digital tube,the other is to control the thyristor turn-off to determine whether the electric wire should be heated.At this point thermocouple used to measure temperature and finally the value of the temperture is sent to single-chip by means of digital signal,and then through a series of single-chip processing, the output control electric heating wire,in order to make electric wire achieve constant temperature.Keyword: Temperature Acquisition； Signal finishing；single chip； Single-chip Temperature control目 录第一章：引言11.1温度控制系统的发展概况11.2温度控制系统的意义11.3本文要做的工作2第二章：方案的论证32.1系统简介32.2系统的方案论证42.2.1主控部分42.2.2加热测温部分42.2.3最终系统框图6第三章：硬件电路设计73.1电源部分设计73.2单片机主控部分的设计83.2.1单片机最小系统设计113.2.2模拟信号的处理153.2.3数码管显示部分133.3加热测温部分16第四章：系统程序设计及调试264.1本系统软件设计流程图264.2单片机主控部分264.2.1初始化程序设计264.2.2TLC1543程序设计314.2.2显示功能程序设计284.3加热测温部分程序设计29结论33参考文献35致谢36附录I系统原理图36附录II原程序代码3748第一章 引言1.1 温度控制系统的发展概况温度控制系统在国内各行各业的应用虽然己经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。成熟的温控产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，它们只能适应一般温度系统控制，而用于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少.随着我国经济的发展及加入WTO，我国政府及企业对此都非常重视，对相关企业资源进行了重组，相继建立了一些国家，企业的研发中心，开展创新性研究，使我国仪表工业得到了迅速的发展。 目前，温度控制器产品从模拟、集成温度控制器发展到智能数码温度控制器。智能温控器（数字温控器）是微电子技术、计算机技术和自动测试技术的结合，特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种控制器，并且它是在硬件的基础上通过软件来实现控制功能的，其智能化程度也取决于软件的开发水平，现阶段正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性的方向迅速发展。1.2温度控制系统的意义在人类的生活环境中，温度扮演着极其重要的角色。无论你生活在哪里，从事什么工作，无时无刻不在与温度打着交道。自18世纪工业革命以来，工业发展对是否能掌握温度有着绝对的联系。在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药等行业，可以说几乎80%的工业部门都不得不考虑着温度的因素。温度控制更为重要，温度控制不好就可能引起生产安全，产品质量和产量等一系列问题。温度控制是许多设备的重要的构成部分，它的功能是将温度控制在所需要的温度范围内，以利于进行工件的加工与处理。不论是在生活中还是在工业生产过程中，温度的变化对生活、生产的某些细节环节都会造成不同程度的影响，所以适时地对温度进行控制具有重要的意义。而对于现代工业中不同生产情况和工艺要求，所采用的加热方式、燃料、控制方案等也不尽相同。如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等；燃料有煤气、天然气、油、电等；控制方案有直接数字控制（DDC），推断控制，预测控制，模糊控制（Fuzzy），专家控制（Expert Contro1），推理控制等。温度控制如此重要和应用广泛，所以我们就试着研究一套温度控制系统，以便以后在各个领域的应用打个坚实的基础。1.3 本文要做的工作本设计是要求能够大范围的测量温度，并且能把测得温度信号经过处理转化为数字信号送往控制中心以便能够被识别，然后可以根据设定值的大小输出一系列控制量和进行温度值的显示，用来控制一个空间的温度，温度值再次被采集，这样循环控制达到恒温的目的。根据这些要求进而确定要做的工作。首先查找温度传感器测温，对温度传感器的型号、功能、测温原理熟悉了解；其次，对这些信号的处理，大致就是滤波、放大等，然后这些模拟信号需要AD转换，选择AD转换器，要求精度、转换速度和噪声等符合要求，把转换好的数字信号送往处理器，随之就是处理器的选择，关于处理器要求比较严格，因为它是整个系统的核心；最后就是对处理器处理过的信号进行输出，其一是控制加热丝的加热速度和和稳定性，其二是在显示器上显示。当然这其中还包括电阻、二极管、电容等的选择。软件设计要求实现温度的采集、AD转换、算法比较、输出控制、温度显示等。通过C语言编程来完成所要实现的功能，然后将程序用烧写器烧入单片机，经过一系列的调试和不断的修改软硬件，最后直到系统稳定运行。第二章 方案的论证2.1 系统简介随着科学技术的发展和工业生产水平的提高，在冶金、化工、机械等各类工业控制过程中，电加热炉得到了广泛的应用，电加热炉的温度是生产工艺的一项重要指标，温度控制的好坏将直接影响产品的质量。在实际应用中，电加热炉温度控制遇到了以下困难：第一，很难建立精确的数学模型；第二，不能很好的解决非线性、大滞后的控制问题。在操作方面，控制过程扰动频繁，增加了工业电阻炉控制的复杂性、困难性。常规PID等控制方法无法满足恒温控制要求。目前工业电阻炉通常采用双位和常规PID结合的控制方法，稳态误差大，调节时间长。因此，研究适应工业电阻炉的有效控制方法及实用的控制技术，对提高产品产量，提高经济效益等都具有重要意义，有很高的应用价值。为了以后掌握温控方面的技术，我们试着做了一套恒温系统。根据系统所要实现的功能，原始系统框图如图2-1所示。控制器A/D转换器信号放大理温度传感器2晶闸管加热丝按键电源部分温度传感器1图2-1 原始系统框图2.2系统的方案论证2.2.1主控部分方案选择1.控制中心单片机和PLC这两种控制器件都是我们所熟悉的，都能实现对此系统的控制。单片机用于稳定的场所，配合外围电路，可以用来设计所需要的功能，价格便宜，并且方便编程和应用，容易查找相关的资料。PLC是一种可编程的控制器，相当于一种控制设备，主要用于工业自动化等领域，大都采用梯形图编程，也可以用组态软件，其特点是非常可靠，但价格太贵。综合各方面原因采用常用的单片机AT89C51做为控制器。2.A/D转换部分一是ADC0809是8位逐次逼近式A/D转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，从 8个模拟输入信号中选择的一个进行A/D转换。二是TLC1543具有输入通道多、高速、高分辨率、性价比高、易于和单片机接口等特点。由两种芯片的比较可知， TLC1543更加适合本设计要求，因为本设计对精度要求比较高，转换速度快，占用单片机引脚少。3. 显示部分我们可以采用数码管显示和液晶显示。由于本系统需要四位整数显示，用四个数码管就可以满足显示要求，数码管价格便宜，易于应用，控制简单。液晶显示器价格昂贵，控制复杂，亮度不如数码管。所以此系统就采用数码管用来显示温度值。2.2.2加热测温部分1.温度采集方式我们采用两种方式，低温范围采用DS18B20，它比较方便使用。从单片机到DS18B20只需要连接一根线，读、写和完成温度转换所需要的电源可由数据线本身提供，而不需要外部电源。所以我们采用此器件测量低温。DS18B20很方便使用，但它的测温范围很有限，对于高温部分我们采用K型热电偶，热电偶与铂热电阻一起，约占整个温度传感器总量的60%，可见它的应用范围之广。该热电偶的正极为含铬10%的镍铬合金，负极为含硅3%的镍硅合金（有些国家的产品负极为纯镍）。可测量01300的介质温度，适宜在氧化性及惰性气体中连续使用，短期使用温度为1200，长期使用温度为1000，其热电势与温度的关系近似线性，价格便宜，是目前用量最大的热电偶。加热丝我们采用自己绕制的电阻丝，阻值可以自己确定，方便、经济实惠，所以我们就采取了此种加热丝。加热部分利用加热丝来代替加热炉，具体做法为：需要找一个大概15cm的瓷管和钢丝长度8m，将钢丝均匀的缠绕在瓷管上，两头引出两根线，这样就变成了一个简易的加热丝，阻值大概为100。此加热丝的最高温度大概能达到1000。2.对加热丝的控制对加热丝通断的控制，可以采用的方案比较多，例如：继电器、接触器、晶闸管等。继电器通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用，但它的动作开关时间比较长，不能及时的控制通断。接触器主要用于主电路的通断，适用于大电流、大电压的场合。晶闸管习惯上称可控硅(整流元件)，英文名为Silicon Controlled Rectifier， 简写为SCR。这是一种大功率的半导体器件。它既有双向导电的整流作用,又有可以控制的开关作用。利用它可用较小的功率控制较大的功率，在交、直流电动机调速系统，调功系统，随动系统和无触点开关等方面均获得广泛的应用。考虑到由单片机送来的控制信号只经过光耦隔离就进行控制加热丝了，我们采用以小功率控制大功率的晶闸管作为加热丝的“开关”。可控硅分为单向的和双向的，符号也不同。单向可控硅有三个PN结，由最外层的P极和N极引出两个电极，分别称为阳极和阴极。由中间的P极引出一个控制极。单向可控硅有其独特的特性：当阳极接反向电压，或者阳极接正向电压但控制极不加电压时，它都不导通，而阳极和控制极同时接正向电压时，它就会变成导通状态。一旦导通，控制电压便失去了对它的控制作用，不论有没有控制电压，也不论控制电压的极性如何。将一直处于导通状态。要想关断，只有把阳极电压降低到某一临界值或者反向。双向可控硅的引脚多数是按T1、T2、G的顺序从左至右排列（电极引脚向下,面对有字符的一面时）。加在控制极G上的触发脉冲的大小或时间改变时,就能改变其导通电流的大小。与单向可控硅的区别是，双向可控硅G极上触发脉冲的极性改变时，其导通方向就随着极性的变化而改变，从而能够控制交流电负载。而单向可控硅经触发后只能从阳极向阴极单方向导通,所以可控硅有单双向之分。电子制作中常用可控硅,单向的有MCR-100等,双向的有TLC336等。2.2.3 最终系统框图根据上述方案的论证，最终的系统框图如图2-2所示。A T 8 9 C 5 1TLC1543信号放大整理热电偶晶闸管加热丝数码管按键电源部分DS18B20图2-2 最终系统框图第三章 硬件电路设计3.1电源部分设计本系统有两套电源组成，它们是不共地。另外电路中又新增加了一个正负12V的电源，其结构与正负5V电源相同。首先介绍整个中心模块所用到的电源：电源电路有传统的变压器电路和开关电源组成。电源电路是最基本，最必须的部分，任何电路都离不开电源部分，单片机系统也不例外电源部分做好才能保证电路的正常工作。单片机采用+5V供电的方式，核心是采用集成稳压器件7805，配合大的滤波电容，完全可满足单片机的工作要求。供电采用交流220V，经变压器变压成为12V交流电，在经过整流桥整流，经过7805稳压，最终获得直流+5V。另外运算放大器还用到-5V电源，核心采用集成稳压器件7905，配合大功率的滤波电容，完全可为运算芯片提供稳定的-5V电压。具体电路如图3-4所示。图3-4 核心电源部分另外电热丝加热部分需要的电源：此电源用于晶闸管的触发，由于触发电流不需要特别稳定，所以此整流部分只用到一个二极管IN4007进行半波整流，然后经过电容滤波，然后用于晶闸管的触发端。电路如图3-5所示。图3-5 电热丝加热部分电源3.2 单片机主控部分的设计3.2.1单片机最小系统的设计1.单片机的结构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），高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。主要特性：与MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环数据保留时间：10年全静态工作：0Hz-24MHz三级程序存储器锁定1288位内部RAM 32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源 可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路 管脚说明： VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口、P1口、P2口、P3口都是双向IO口，不过P0口当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口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的时间。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。它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式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，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。振荡器特性:XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。如图3-1所示。图3-1 单片机引脚图2.时钟电路晶振采用了内部时钟信号源的方式。对于时间要求不是很高的系统，只要按图进行设计就能使系统可靠起振并稳定运行。但由于图中的C9、C10电容起着系统时钟频率微调和稳定的作用，因此，在本系统的实际应用中一定要注意正确选择参数（3010 PF），并保证对称性（尽可能匹配）。晶振采用的12MHZ的，具体的电路如图3-2所示。图3-2 系统时钟电路3.复位电路复位电路我采用上电+按钮复位的方式。当开关打开时，RST通过电阻接地，当有开关闭合时由于电容的作用使电源VCC通过电阻施加在单片机复位端RST上，实现单片机的复位，也就是说此单片机为高电平复位。具体电路如图3-3所示。图3-3 系统复位电路3.2.2模拟信号的处理1.A/D转换一是ADC0809是8位逐次逼近式A/D转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，从 8个模拟输入信号中选择的一个进行A/D转换。二是TLC1543具有输入通道多、高速、高分辨率、性价比高、易于和单片机接口等特点。由两种芯片的比较可知， TLC1543更加适合本设计要求，因为本设计对精度要求比较高，转换速度快，占用单片机引脚少。 数码管显示部分2.滤波放大有热电偶的工作原理可知，它是有两种不同成分的导体产生的电势差，可以称之为电压，但此电压（毫伏级）很小，LCL1543不能直接使用，需要用运算处理之后才能送往AD转换。下面简单分析一下处理过程：从热电偶过来的模拟信号首先经过型滤波，然后送往比例放大器的同向输入端，放大倍数大概为50倍，况且在同向输入又并联了两个方向相反的二极管，它们的作用是限制输入电压不至于过大。此运算的输出其一直接送给tlc1543进行AD转换，这个转换值是测温的信号。另外作为另一个运算的同向输入端，这个运算的输出又经过另一个运算形成反馈环节送入第一个运算的反向输入端。设定值是通过一个电位器完成的，电位器输出的值与测温的信号作为一个运算的两个输入端，两个信号的大小相比较，根据两个信号的大小点亮两个不同的发光二极管。总起来说，这块电路的作用是：对从热电偶过来的微压信号进行放大。在输入端设置了桥式电路，这样全桥工作时输出电压最大，检测的灵敏度最高，能够消除非线性误差，另外桥式电路的一个重要作用是能够对温度误差进行补偿。具体电路如图3-18所示。从图3-14电路处理过来的信号虽然已经滤波，但杂波信号仍然很多，如果直接使用的话，势必会使测量结果产生很大的误差，另外数码管显示很不稳定，为了解决这个问题，我们又一次采用型滤波再次滤波。然后对模拟信号进一步放大，最后的输出信号送入TCL1543进行AD转换。此块电路如图3-17所示。图3-17 滤波放大电路3.2.3 数码管显示部分数码管工作原理：这里我们介绍8段数码管的工作原理。8段数码管又称为8字型数码管，分为8段：A、B、C、D、E、F、G、DP。其中，DP为小数点。其中各段代码的分布如图2-6所示，数码管常用的有10根管脚，每一段有一根管脚，另外两根管脚为一个数码管的公共段，两根之间相互连通。发光二极管的发光原理，我们已经介绍过了，同理，8段LED数码管，则是在一定形状的绝缘材料上，利用不同形状点划的发光二极管组合，排列成“8”字型的数码管，分别引出它们的电极，点亮相应的点划来显示0-9的数字。其数码显示内部原理电路图如图3-6所示。数码管显示分为动态和静态两种，静态时公共极接高电平或低电平不再改变，在数码管动态显示时，公共端由单片机的I/O口提供位选信号，让数码管动态扫描显示。图3-6 数码管内部电路图图3-6所示电路上，按数码管的接法不同又分为共阴和共阳两种。图3-7是共阴和共阳极数码管的内部电路，它们的发光原理是一样的，只是它们的电源极性不同而已。本系统用到的是四个共阴极数码管，采用流动显示。PO口是代码段输出口，P1口的第四位是四个片选端。图3-7 数码管的共阴和共阳接法将多只LED的阴极连在一起即为共阴式，而将多只LED的阳极连在一起即为共阳式。以共阴式为例，如把阴极接地，在相应段的阳极接上正电源，该段即会发光。当然，LED的电流通常较小，一般均需在回路中接上限流电阻。假如我们将b和c段接上正电源，其它端接地或悬空，那么b和c段发光，此时，数码管将显示数字“1”。而将 a、b、d、e和g 段都接上正电源，其它引脚悬空，此时数码管将显示“2”。其它字符的显示原理类同。 上面有提到数码管的工作原理就是点亮相应的点划来显示出09的数字。我们称数码管的点划 ag 为其段选，用应用的I/O端口与段选信号连接，编程时只需给I/O端口附上相应的值便可以控制其显示数字。考虑到本设计用于数字的显示，没有涉及到汉字和图像，因此，考虑到成本问题，选用了最简单的LED数码管显示。数码管的接法可分为共阴和共阳两类，本系统采用共阴极的LED 数码管，被选中时的段码为高电平有效，熄灭的段码为低电平；共阳极的LED，被选中的段为低电平时有效，熄灭的段码为高电平。由程序控制其点亮与熄灭。LED显示采用静态和动态显示两种中的动态显示方法，这种动态显示形式所有数码管共用同一个段码输出口，分时轮流通电，从而大大简化了硬件线路，降低成本。若LED 位数较多时应采用增加驱动能力，以提高显示亮度的措施。显示主要是为人机交互提供即时的信息，能让人们与机器进行很好的交流。在众多种类的显示器中，越来越多的仪器仪表及人机交互界面采用液晶显示器。LCD可分为段位式、字符式和点阵式。其中段位式和字符式只能用于数字和字符的简单显示，点阵式则可以显示字符、数字、汉字以及图形等，但其成本也较高。加热过程中温度变化和测温过程中的温度值变化都需要直观的显示出来，所以本系统需要四个共阴极数码管用来显示温度值。采用的是动态轮流显示，这样可节约I/O端口，节省单片机资源。P0口作为代码端，P1口低四位用于片选。数码管另外还用于显示设定的超调量和占空比，具体设定由四个按键来完成，四个按键的功能分别为：数字加、数字减、位转换和确认，当设定好各个参量后，按下确认键开始对电热丝加热，当然加热的速度和精度有超调量和占空比决定。四个数码管第一位代表超调量或者占空比，第二位为“-”，它用来表示超调量或占空比和它们的大小的隔离，后两位数码管显示它们的大小。发光二极管的工作电压一般在1.8V2.2V，为计算方便，通常选2V即可。发光二极管的工作电流选取在1020mA，电流选小了，7段数码管不太亮，选大了工作时间长了发光管易烧坏。对于大功率7段数码管可根据实际情况来选取限流电阻及电阻的瓦数。具体如图3-8所示。图3-8 数码管显示电路3.3 加热测温部分1.加热部分加热丝是自己制作的，具体做法为：需要找一个大概15cm的瓷管和钢丝长度8m，将钢丝均匀的缠绕在瓷管上，两头引出两根线，这样就变成了一个简易的电炉丝，阻值大概为100。此加热丝的最高温度大概能达到1000。测温部分采用的是热电偶：热电偶实际上是一种能量转换器，它将热能转换为电能，用所产生的热电势测量温度。工作原理为：两种不同成份的导体（称为热电偶丝材或热电极）两端接合成回路，当接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电势。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（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿端）；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。晶闸管又叫可控硅，有阳极、阴极和控制极，其内有四层PNPN半导体，三个PN结。控制极不加电压时，阳极（+）、阴极（-）间加正向电压不导通，阴极（+）、阳极（-）间加反向电压也不导通，分别称为正向阻断和反向阻断。阳极（+）、阴极（-）加正向电压，控制极（+）、阴极（-）加一电压触发，可控硅导导通，此时控制极去除触发电压，可控硅仍导通，称为触发导通。要想关断（不导通），只要电流小于维持电流就行了，去除正向电压也能关断。加热电路与主电路用光耦p521进行光电隔离，这样防止对送往单片机的信号干扰。可控硅电力控制器又可分为调压器和调功器采用相位控制模式的可控硅电力控制器可叫做调压器，由于触发控制回路采用了专用集成电路器件，明显提高了该调压器的稳定性和可靠性。具有体积小、效率高、控制灵活、调节平滑、三相对称性好、操作维修方便等一系列优点。克服了原可控硅调压器对电网冲击大，使用调节精度差的缺点。它可以方便地调节电压有效值，可用于电炉温度控制，灯光调节，非同步电动机降压软启动和调压调速等，也可用做调节变压器一次侧电压，代替效率低下的调压变压器。采用零位控制模式的可控硅电力调节器可叫做调功器，它对交流电压的周波进行控制。采用这种控制，即实现了温度控制，又消除了相位控制时带来的高次谐波污染电网，不过控制精度有所降低。综观国内外可控硅电力控制器产品，控制模式无非就是两种：相位控制和零位控制（分配式零位控制、时间比例零控制）。相位控制：作用于每一个交流正弦波，改变正弦波每个正半波和负半波的导通角来控制电压的大小，进而可以调节输出电压和功率的大小。零位控制：在设定的周期Tc内，Tc通常为一秒，触发信号使主回路接通几个周波（几个完整的正弦波），再断开几个周波（几个完全的正弦波），改变晶闸管在设定周期内的通断时间比例，以调节负载上交流电的平均功率，即可达到调节负载功率的目的。三者之间的比较请见图3-14所示。图3-14 三种控制模式表3-4 控制模式优劣性比较控制模式优点缺点相位控制1.控制精度高2.任何负载皆可控制3.可做各种控制变化1.控制不当易造成电磁干扰，须加装各种防制措施2.费用较高时间比例零位控制1.无电磁干扰2.构造较简单3.费用较低1.只能控制纯阴性负载2.负载较易受冲击3.控制精度较低分配式零位控制1.无磁干扰2.构造较简单3.费用较低4.控制效果比时间比例零位控制优异1.只能控制纯阴性负载2.负载较易受冲击3.控制精度较低零位控制又分为分配式零位控制，既在Tc周期内根据输出百分比平均分布周波；时间比例零位控制则在Tc周期内根据输出百分比连续接通几个周波，然后在Tc周期剩余的时间内连续关掉几个周波。优劣性比较见表3-4所示。图3-15 单向晶闸管加热电路系统采用时间比例零位控制来控制晶闸管的导通与关闭，单片机控制晶闸管的工作过程如下：单片机的P2.0口给光耦p521的阴极输入端一个低电平信号，此时p521工作给晶闸管的触发引脚一个适当的电流使晶闸管导通，电炉丝开始加热。另外还有一个发光二极管用来指示晶闸管的通断，二极管亮表示正在加热，熄灭表示停止加热，灯熄亮的时间间隔间接的表示占空比的大小。具体电路如图3-15所示。2.测温部分该系统也可以使用18B20测温,用于测低温，低温时比较精确。DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现912位的数字值读数方式。DS18B20的性能特点：独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能；无须外部器件；零待机功耗；温度以9或12位数字；用户可定义报警设置；报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；不能负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但正常工作。 DS18B20的引脚如图3-12所示： 图3-12(a) DS18B20的引脚 图3-12(b) DS18B20的引脚DS18B20详细引脚功能如表3-1所示：表3-1 DS18B20详细引脚功能序号名称引脚功能描述1GND地信号2DQ数据输入/输出引脚。开漏单总线接口引脚。当被用着在寄生电源下，也可以向器件提供电源。3VDD可选择的VDD引脚。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。DS18B20采用3脚PR35封装或8脚SOIC封装，其内部结构框图如图3-13所示。其中，64位ROM的结构开始8位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有48位，最后8位是前面56位的CRC检验码，这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。DS18B20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EPRAM。高速暂存RAM的结构为9字节的存储器，头2个字节包含测得的温度信息；第3和第4字节TH和TL的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新；第4个字节，为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率，具体设置方式见下面介绍；高速暂存RAM的第5、6、7字节保留未用，表现为全逻辑1；第8字节读出前面所有8字节的CRC码，可用来检验数据，从而保证通信数据的正确性。 C64 位ROM和单线接口高速缓存存储器温度传感高温触发器TH低温触发器TL配置寄存8位CRC发生Vdd图3-13 DS18B20内部结构DS18B20工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。其低5位一直为1，TM是工作模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式，DS18B20出厂时该位被设置为0，用户要去改动，R1和R0决定温度转换的精度位数，来设置分辨率。DS18B20分辨率的配置如表3-2所示。表3-2 DS18B20分辨率的配置图R1R0分辨率/位温度最大转向时间/ms00993.750110187.510113751112750由表可见，DS18B20温度转换的时间比较长，而且分辨率越高，所需要的温度数据转换时间越长。因此，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1、2字节。单片机可以通过单线接口读出该数据，读数据时低位在先，高位在后，数据格式以0.0625LSB形式表示。 当符号位S0时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制位转换为十进制；当符号位S1时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码，再计算十进制数值。表3-3是一部分温度值对应的二进制温度数据。表3-3 部分温度值对应的二进制温度数据温度/二进制表示十六进制表示+1250000 0111 1101 000007D0H+850000 0101 0101 00000550H+25.06250000 0001 1001 00000191H+10.1250000 0000 1010 000100A2H+0.50000 0000 0000 00100008H00000 0000 0000 10000000H-0.51111 1111 1111 0000FFF8H-10.1251111 1111 0101 1110FF5EH-25.06251111 1110 0110 1111FE6FH-551111 1100 1001 0000FC90HDS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与RAM中的TH、TL字节内容作比较。若TTH或TTL，则将该器件内的报警标志位置位，并对主机发出的报警搜索命令作出响应。因此，可用多只DS18B20同时测量温度并进行报警搜索。在64位ROM的最高有效字节中存储有循环冗余检验码（CRC）。主机ROM的前56位来计算CRC值，并和存入DS18B20的CRC值作比较，以判断主机收到的ROM数据是否正确。DS18B20的测温原理是这这样的,器件中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1；高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入。器件中还有一个计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将55所对应的一个基数分别置入减法计数器1、温度寄存器中，计数器1和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器计数到0时，停止温度寄存器的累加，此时温度寄存器中的数值就是所测温度值。其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数器门仍未关闭就重复上述过程，直到温度寄存器值达到被测温度值。加热过程中温度变化和测温过程中的温度值变化都需要直观的显示出来，所以本系统需要四个共阴极数码管用来显示温度值，采用的是动态轮流显示，这样可节约I/O端口，节省单片机资源。P0口作为代码端，P1口低四位用于片选。数码管另外还用于显示设定的超调量和占空比，具体设定由四个按键来完成，四个按键的功能分别为：数字加、数字减、位转换和确认，按键没按下的时候是送给单片机高电平信号，按下时是低电平。具体电路如图3-16所示。图3-16 按键电路3.10 模拟信号的处理部分图3-18 模拟信号处理比较电路第四章 系统程序设计及调试4.1本系统软件设计流程图本设计依靠DS18B20和热电偶进行测温，依据测温键来选择测温工具，然后通过加热参数键设置加热参数，以及温度控制的控制方式。图4-1 程序设计流程图4.2单片机主控部分4.2.1初始化程序设计在本设计中，温度显示、信号的采集以及加热部分都通过定时器来完成的，所以程序开始的时候就要对定时器的工作方式，定时器的中断进行设置，以及程序中所用到的部分变量进行初始化。具体的初始化程序如下。/*初始化*/void inital(void) TMOD=0x11; TH0=0xd8; TL0=0xf0; /定时10ms TH1=0xd8; TL1=0xf0; TR0=0; /time0启动 ET0=1; /time0中断允许 ET1=1;EA=1; /中断允许 PT1=1;TR1=1; /利用定时器1进行温度显示jishu=0; /定时用 ds=0; /定时用 dz=2; /时间递增 shuchu=1;alt=0;bl_2=0; k=0;tp=16; 4.2.2 TLC1543程序设计1543转换程序有两种，一是采用查询方式，查询EOC引脚是否变成高电平，转换结束，另一种是转换时延迟一定的时间后直接输出数据，本设计中采用第二种方法，直接进行数据的输出具体的TLC1543程序设计流程图如图4-3所示。图4-3 TLC1543程序设计流程图4.2.3显示功能程序设计本系统中，为了使显示效果更好，防止闪烁和跳变的发生，显示部分在定时器和子程序中，分两部分显示，这样可以准确控制显示间隔的时间，使显示稳定。在四个数码管中采用动态扫描显示，其流程图4-4所示。图4-4 数码管显示流程图4.3加热测温控制的程序设计1.测温部分DS18B20是一种单总线一线式数字温度传感器，总线协议保证了数据可靠的传输，任一时刻单总线上只能有一个控制信号或数据。一次数据传输可分为以下四个操作过程：、初始化；、传送 ROM 命令；、传送 RAM 命令；、数据交换。单总线上所有的处理都从初始化开始。初始化时序是由一个复位脉冲（总线命令者发出）和一个或多个从者发出的应答信号（总线从者发出）组成。应答脉冲的作用是：从器件让总线命令者知道该器件是在总线上的，并准备好开始工作。当总线命令者检测到某器件的存在时，首先发送7个ROM 功能命令中的一个命令：（1）读ROM（总线上只有一个器件时，即读出其序列号）（2）匹配ROM（总线上有多个器件时，寻址某个器件）（3）查找ROM（系统首次启动后，须识别总线上各器件）（4）跳过ROM（总线上只有一个器件时，可跳过读ROM命令直接向器件发送命令，以节省时间）（5）超速匹配ROM（超速模式下寻址某个器件）（6）超速跳过ROM（超速模式下跳过读ROM命令）（7）条件查找ROM（只查找输入电压超过设置的报警门限值的器件）。当成功执行上述命令之一后，总线命令者都可发送任何一个可使用命令来访问存储器和控制功能，进行数据交换。所有数据的读写都是从最低位开始的。单总线传送的数据或命令是由一系统的时序信号组成的，单总线上共有4种时序信号：（1）初始化信号；（2）写0信号；（3）写1信号；（4）读信号。DS18B20的高速暂存器由便笺式RAM 和非易失性电擦写EERAM组成，后者用于存储TH、TL值。数据先写入便笺式RAM，经校验后再传给EERAM。便笺式RAM占9个字节，包括温度信息（第0、1字节）、TH和TL值（2、3字节）、配置寄存器数据（4字节）、CRC（第8字节）等，第5、6、7字节不用。DS18B20存储控制命令指令如表4-1所示。温度显示是在PC机程序界面上显示的，考虑到车间内温度变化不是太明显，所以温度数据采取定时中断的方式进行采集与上传，定时时间为2分钟。其程序流程图如图4-2所示。表4-1 DS18B20存储控制命令指令表指 令说 明温度转换（44H）启动在线DS18B20 作温度A/D转换读数据（BEH）从高速暂存器读9位温度值和CRC值写数据（4EH）将数据写入高速暂存器的第3和第4字节中复制（48H）将高速暂存器中第3和第4字节复制到EERAM读EERAM（88H）将EERAM内容写入高速暂存器中第3和第4字节读电源供电方式（B4H）了解DS18B20的供电方式图4-2温度采集程序流程图2.模糊控制在控制过程中，一些复杂被控制对