烘干炉温度自动控制系统.doc

此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 目目 录录 第第 1 1 章章 概概 述述 3 1 1 课题研究的目的和意义 3 1 2 烘干炉温度自动控制系统现状和发展趋势 4 1 3 本文的主要内容 6 第第 2 2 章章 系统总体方案设计系统总体方案设计 7 2 1 系统的组成 7 2 2 控制系统结构和功能特点 7 2 3 系统总体方案设计 8 2 3 1 系统控制器的选择 8 2 3 2 检测元件的选择 10 2 3 3 输入通道方案选择 11 2 3 4 输出通道方案选择 12 2 3 5 外围接口设备的选择 12 第第 3 3 章章 系统硬件设计系统硬件设计 14 3 1 控制单元电路设计 14 3 1 1 引脚特性 16 3 1 2 晶振电路设计 18 3 2 信号检测电路设计 19 3 3 前向通道电路设计 19 3 4 控制电路设计 22 3 5 外围设备接口电路的设计 23 3 5 1 显示器接口电路设计 23 3 5 2 键盘接口电路设计 25 3 6 报警电路 25 第第 4 4 章章 系统软件设计系统软件设计 27 4 1 总体设计思想 27 4 2 主程序设计 28 4 3 数据采集及处理子程序设计 31 4 3 1 数据采集子程序设计 31 4 3 2 数字滤波子程序 32 4 4 控制算法子程序设计 34 4 4 1 PID 算法程序 34 4 4 2 输出控制程序设计 35 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 4 4 3 采样值调整程序 35 4 5 键盘显示子程序 36 4 5 1 显示子程序设计 36 4 5 2 键盘子程序设计 37 总总 结结 39 致致 谢谢 40 参参 考考 文文 献献 42 附录附录 A A 硬件原理图硬件原理图 43 附录附录 B B 单片机系统软件源程序清单单片机系统软件源程序清单 44 第第 1 1 章章 概概 述述 1 11 1 课题研究的目的和意义课题研究的目的和意义 在工业生产中 涂装工艺占据着举足轻重的地位 烘干是涂装工艺的三大主 要工序之一 它使液态 湿态或粉状 的涂膜快速转化为固态的漆膜 对生产效率 涂层质量和涂装成本等有直接的影响 烘干是用加热设备 烘干室或烘干炉 来实 现的 因此烘炉是涂装生产线必不可少的设备之一 在干燥固化过程中 烘炉内 各点的温度是否能保证在规定的工艺要求的范围内 将对被涂装的材料 产品 工件的质量 降低能耗以及提高生产效率和经济效益都会产生重要的影响 而且 随着整机度的提高和元器件的微型化 复杂化在各种工业过程中对 温度工艺的 要求越来越高 烘炉温度一时间曲线是根据被烘干涂料的固化特性 由涂料厂家 和涂装厂商定的 必须严格遵守 这就需要一种可移动的温度数据采集仪器 可 以连续追踪烘炉温度 而我国目前采用的传统的定点式烘炉测温方法 己经显得 比较落后 无法满足生产工艺对温度测量的要求 烘炉温度追踪仪 可移动式温度 数据采集仪 就是在这种情况下提出的 近年来 随着计算机技术的飞速发展 给烘炉炉温的检测提供有力的技术支 持 目前 计算机应用控制领域采用三种配置 1 可编程序控制器 PLC 2 微 型计算机 3 单片机 本烘炉温度追踪系统 作为检测系统的一种 采用单 片机作为前段数据采集单元 对炉温及炉内工件温度进行采集和处理 监控烘炉 的热加工过程及产品的质量状态 应用微型计算机实现数据保存 分析统计 本课题研究开发的目的 就是要通过借鉴国外的先进技术 研究出具有我国 自主知识产权的烘炉温度自动检测系统 研制的烘炉温度自动温度检测系统 可 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 用来连续测量各点的温度变化 准确的绘制出烘炉长度区间上的时间一温度曲线 以及测量出被加工的零件产品木身的温度状态变化 掌握不同温度下的固化时间 最大 温差 变化斜率和参考曲线等技术指标 以此来优化生产过程 提高烘炉热加工 的 产品质量和生产效率 降低能耗 同时该装置也为快速查找烘炉故障提供了便利 的条件 该课题研究的意义在于目前国内尚没有生产采用隔热装置的烘炉温度自动检 测系统的企业 因此通过本文的研究 希望对我国该类仪器仪表的开发能起到抛 砖引玉的作用 研制烘炉温度自动检测仪 可以把国外的先进的温度测量技术和 方法引入我国 一是可以改变我国热加工领域测温技术相对落后的状态 二是填 补了我国在该技术领域的空白 目前 国内代理销售的该项产品是英国 DATAPAQ 达塔帕克 公司制造的 OvenTracker 炉温追踪仪 其每台零售价 格卖到约 4 到 5 万元人民币 由于其价格 l 一分昂贵 一般企业以承受 因此限 制了它的推广和应用 如果该课题的研究能获得成功 那么研制出的产品会以优 越的性能 价格比占领国内市场 每台在 1 万元人民币以内 同 l 寸还可以参与 国际市场竞争 为国家外汇创收做出贡献 并且该项技术不仅局限于烘炉热加工 过程的温度测量 只要略加改进 就可以应用于其它领域的热加工过程的温度测 量 因此说 该项目的研究对改变我国目前在热加工技术领域的落后状态具有极 其深远的意义 1 21 2 烘干炉温度自动控制系统现状和发展趋势烘干炉温度自动控制系统现状和发展趋势 生产管理一体化 网络化是当今工业自动化控制领域的大趋势 要实现这些 功能 必须借助于工业计算机 现场网络及开放的工业数据库 利用先进技术手 段监测各种复杂生产环境的被控参数 如温度 流量及压力等 使生产和管理一 体化 可以有效地提高生产和管理的自动化水平 温度追踪测量 也可以称作是温度分布测定技术 是一种利用微机来实现数据 采集 数据通讯传输和数据分析处理的一门新技术 是在生产过程中一记录和说 明热加工产品与空气温度关系的技术 追踪测量得到的数据被显示为图表或数字 这个过程最简单的形式就是它可以告诉生产者所生产的产品的温度 保持这个温 度有多长时间以及在什么时间达到了什么温度 通过分析数据 生产人员可以保 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 证产品达到最好的质量 解决产品存在问题 优化生产工艺路线及节约能耗 无 论是在电子产品的生产 食品加工 其它工业生产 还是在医疗器械生产方面 只要在生产 过程中温度是重要的控制指标 温度检测 也称追踪 技术就具有非常广阔的应用 前 景 国外的温度检测技术起于 80 年代 其先进的技术可以以 1984 年成立的英国 达塔帕克公司为代表 该公司是世界上最先进的温度追踪技术的代表 于 1985 年 首次生产出温度追踪的产品 是温度追踪技术的开拓者 目前它的产品已遍布世 界各地 主要生产精加工工业用烘炉温度追踪器 电子工业用回焊追踪仪 热处 理工业用高温炉温追踪仪 陶瓷工业用炉窑温度追踪器 食品加工业用的多功能 温度追踪器等 可见该项技术在工业领域的应用十分广泛 国外的温度追踪技术 除了在理论上进行先进的研究外 在实践中更是日益成熟 国际上 另一个在该 领域的先进技术的代表就是波兰 早在 1992 年就利用连续温度监测法预报煤井的 瓦斯状态 国外的温度追踪技术从普通的室温监测到高温监测技术 从遥感监测 到各种炉膛的内部监测技术 正随着新技术的出现在不断的更新及完善 随着科技进步 计算机检测技术的发展 我国从 90 年代开始对温度监测进行 理论上的研究 在生产实践中也进行了一系列的应用 比如在 2001 年杭州商学院 计算机与信息工程系用 VB6 0 开发出粮库温度监测系统的监控软件 利用微机来 实现串行通信 数据处理的温度监测系统 而我国采用的烘炉温度测量方法一般 是定点测量 既在炉内留出测量孔 把传感器通过测量孔伸到炉膛内 对温度进 行测量 这种测量方法的缺点一是测量孔多了将影响烘炉的保温性能 二是它测 量的温度 在烘炉长度区间分布上 不是连续的量和存在测量死区 另外它无法 测量烘炉内产品自身的温度 由于在工业现场的外部环境很不好 抗干扰问题就 成为计算机检测技术中必须要解决的问题 而我国在此方而的技术与国外相比有 很大的差距 虽然我国在理论方面紧跟国外的步伐 但研究的方向是针对专门的 行业 技术的应用没有普遍性 而且目前我国尚无烘炉温度追踪仪方面的研究报 道 更无生产该类型温度追踪仪的产品的厂家 而国内代理销售的进口温度追踪 仪 最便宜一台也要 4 至 5 万元人民币左右 进口产品的昂贵价格 使国内企业 难以承受 其销路难以推广 以致使我国烘炉热加领域的检测技术和工艺水平长 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 期处于落后状态使热加工的产品质量难以提高 因此 可以说烘炉温度检测系统的研究与开发的前景广阔 同时也可带来巨 大的经济效 益和社会效益 它不仅可以大大降低我国烘炉热加 产品的成本和提高产品的质 量 还将生产出第一台国产的温度追踪仪 它可以广泛的应用于使用烘炉以及其 它热加工的行业 满足国内市场的需求 推动我国烘炉温度测量技术的发展 使 其早日跨入世界先进行列 1 31 3 本文的主要内容本文的主要内容 设计一个适用的烘干炉 主要参数如下 1 机体尺寸 3500 540 1250 L W H 2 额定功率 30KW 3 工作电压 220V 4 温度可调可控 4 点测温 5 温度范围 80 150 6 恒温精度 0 5 7 具有四位数字显示功能 分别显示路数 预置值 实测值 第第 2 2 章章 系统总体方案设计系统总体方案设计 2 12 1 系统的组成系统的组成 根据系统基本要求 将本系统划分为 温度测量电路 A D 转换电路 键盘 输入部 控制处理电路 显示电路 微处理器 2 22 2 控制系统结构和功能特点控制系统结构和功能特点 烘干炉温度控制系统主要由温度检测 温度控制和调节 图文显示 语音报 警以及数据通信等部分组成 其结构框图如图1 所示 系统以89C51 单片机作为控 制CPU 对炉温进行检测 依据相应的控制算法 通过分析计算 得到合适的控制量 以控制加热元件 从而实现对温度的控制 控制系统的主要功能特点如下 1 采用高速单片机作为系统的控制核心 确保系统的运行速度 启用看门狗 以及上电延时复位和掉电检测功能 增强了系统的可靠性 简化了电路设计 2 采用更适于现场安装的平板式结构液晶显示器 以文本和图形两种方式实现 了温度的实时显示 3 采用12 位高速A D 转换器以及新型的模拟信号隔离放大器 保证了模拟信 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 号的完整性 具有放大器体积小 隔离电压高 非线性失真小等突出优点 4 实现了和车间级监控计算机之间的通讯 在数据通讯设计中 采用了独特的 高速光电隔离耦合技术 以及数据正确性鉴别等软件技术 通讯可以在现场电路 干扰严重 传输距离长的条件下高速 可靠进行 5 语音报警单元采用ISD4004 作为控制核心 为工作人员提供告警提示 6 结构化程序设计增强了系统软件的可移植性 也易于调试和检验 AT89C51 单片机系 统 8255A LCD 显 示屏 键盘输入 A D 转 换器 语音警报 温度 传感 器 控制 电路 隔离电路烘干 炉 加热元件 图2 1 烘干炉温度控制系统结构图 2 32 3 系统总体方案设计系统总体方案设计 传感器部分将模拟输入量 温度转换成电量值 由于 R V 转换后的输出电 压很微弱 所以采用运算放大电路使输出电压扩大到 0 5V A D 转换电路主要 是将模拟信号转化为与温度相对应的数字量 每当采样周期到达 即可将炉温值 与键盘设定值比较 然后通过比较结果去改变可控硅在固定控制周期内的导通时 间 从而达到控制炉温的目的 2 3 12 3 1 系统控制器的选择系统控制器的选择 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 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 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 单片机自动完成赋予它的任务的过程 也就是单片机执行程序的过程 即一 条条执行的指令的过程 所谓指令就是把要求单片机执行的各种操作用的命令的 形式写下来 这是在设计人员赋予它的指令系统所决定的 一条指令对应着一种 基本操 作 单片机所能执行的全部指令 就是该单片机的指令系统 不同种类的单片机 其指令系统亦不同 为使单片机能自动完成某一特定任务 必须把要解决的问题 编 成一系列指令 这些指令必须是选定单片机能识别和执行的指令 这一系列指 令的集合就成为程序 程序需要预先存放在具有存储功能的部件 存储器中 存储器由许多存储单元 最小的存储单位 组成 就像大楼房有许多房间组成一 样 指令就存放在这些单元里 单元里的指令取出并执行就像大楼房的每个房间 的被分配到了唯一一个房间号一样 每一个存储单元也必须被分配到唯一的地址 号 该地址号称为存储单元的地址 这样只要知道了存储单元的地址 就可以找 到这个存储单元 其中存储的指令就可以被取出 然后再被执行 程序通常是顺 序执行的 所以程序中的指令也是一条条顺序存放的 单片机在执行程序时要能 把这些指令一条条取出并加以执行 必须有一个部件能追踪指令所在的地址 这 一部件就是程序计数器 PC 包含在 CPU 中 在开始执行程序时 给 PC 赋以程 序中第一条指令所在的地址 然后取得每一条要执行的命令 PC 在中的内容就会 自动增加 增加量由本条指令长度决定 可能是 1 2 或 3 以指向下一条指令的 起始地址 保证指令顺序执行 PLC 主要是指数字运算操作电子系统的可编程逻辑控制器 用于控制机械的 生产过程 也是公共有限公司 电源线车等的名称缩写 PLC Programmable Logic Controller 可编程逻辑控制器 一种数字 运算操作的电子系统 专为在工业环境应用而设计的 它采用一类可编程的存 储器 用于其内部存储程序 执行逻辑运算 顺序控制 定时 计数与算术操 作等面向用户的指令 并通过数字或模拟式输入 输出控制各种类型的机械或 生产过程 是工业控制的核心早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 PLC 它主要用来代替继电器实现逻辑控制 随着技术的发展 这种采用 微型计算机技术 的工业控制装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围 因此 今天这种装置称作可编程控制器 简称 PC 但是为了避免与个人计算机 Personal Computer 的简称混淆 所以将可编程序控制器简称PLC plc 自 1966 年美国数据设备公司 DEC 研制出现 现行美国 日本 德国的可编程序控 制器质量优良 功能强大部分 工控机 Industrial Personal Computer IPC 是一种加固的增强型个人计 算机 它可以作为一个工业控制器在工业环境中可靠运行 早在 80 年代初期 美国 AD 公司就推出了类似 IPC 的 MAC 150 工控机 随后美国 IBM 公司正式推出工业个人计算机 IBM7532 由于 IPC 的性能可靠 软件丰富 价格低廉 而在工控机中异军突起 后来居上 应用日趋广泛 工工控控机机的的内内部部结结构构图图 图 2 2 现在国内品牌主要有研祥 EVOC 公司产品丰富 综上所述的种种特点 所以系统控制器我们选择单片机 2 3 22 3 2 检测元件的选择检测元件的选择 由于传感器能将各种物理量 化学量和生物量等信号转变为电信号 使得人 们 可以利用计算机实现自动测量 信息处理和自动控制 但是它们都不同程度地存 在 温漂和非线性等影响因素 传感器主要用于测量和控制系统 它的性能好坏直接 影响系统的性能 根据设计总要求 我们要用到 A D 转换的部分所以我们要选择 模拟的温度传感器 温度控制范围为 25 150 最小区分温度为 0 5 温度 传感 器是检测温度的器件 其种类最多 应用最广 发展最快 众所周知 日常使用 的材料及电子元件大部分特性都随温度而变化 最常用的热电阻和热电偶两类产 品 热电偶具有构造简单 适用温度范围广 使用方便 承受热 机械冲击能力 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 强以及响应速度快快特点 常用于高温区域 振动冲击大等恶劣环境以及适合于 微小结构测温场合 采用热敏电阻 这种电阻是利用对温度敏感的半导体材料制 成 其阻值随温度变化有明显的改变 负温度系数热敏电阻器通常是由锰 钴的 氧化物烧制成半导体陶瓷制成 其特点是在工作温度范围内电阻阻值随温度的上 升而降低 可满足 40 90 测量范围 但热敏电阻精度 重复性 可靠性较 差 不适用于检测小于 1 的信号 而且线性度很差 不能直接用于 A D 转换 应该用硬件或软件对其进行线性化补偿 综上所述的种种特点 所以测温传感器我们选择热电偶 2 3 32 3 3 输入通道方案选择输入通道方案选择 在本设计中 A D 转换是要把一路模拟信输入转换为八路数字信号输出 MC14433 是美国 Motorola 公司推出的单片 3 1 2 位 A D 转换器 其中集成了 双积分式 A D 转换器所有的 CMOS 模拟电路和数字电路 具有外接元件少 输入阻抗高 功耗低 电源电压范围宽 精度高等特点 并且具有自动校零和 自动极性转换功能 只要外接少量的阻容件即可构成一个完整的A D 转换器 其主要功能特性如下 1 精度 读数的 0 05 1 字 2 模拟电压输入量程 1 999V 和 199 9mV 两档 3 转换速率 2 25 次 s 4 输入阻抗 大于 1000M 5 功耗 8mW 5V 电源电压时 典型值 MC14433 最主要的用途是数字 电压表 数字温度计等各类数字化仪表及 计算机数据采集系统的 A D 转换接口 2 3 42 3 4 输出通道方案选择 输出通道方案选择 固体继电器 SSR 是一种全部由电子元器件组成的新型无触点开关器件 具有 高可靠性 长寿命 低噪音 开关速度快 抗干扰能力强 耐振动 耐冲击 防 湿 防潮 防腐蚀 能与 TTL CMOS 等逻辑电路兼容的优点 逐渐被越来越多 的应用领域所接受 在电力无功补偿的控制领域中 对于免维护设备的操作要求 传 统的交流接触器控制容性负载受到了巨大的挑战 虽然通用交流 SSR 以其独特的 过零导通的特点被广大用户所青睐 但是对于高电压高冲击电流的容性负载 通用交 流 SSR 难以满足控制要求 制约着 SSR 在这一领域的推广应用 SSR 的优点 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 1 高寿命 高可靠 固态继电器没有机械零部件 有固体器件完成触点 功能 由于没有运动的零部件 因此能在高冲击 振动的环境下工作 由于组 成固态继电器的元器件的固有特性 决定了固态继电器的寿命长 可靠性高 2 灵敏度高 控制功率小 电磁兼容性好 固态继电器的输入电压范围较 宽 驱动功率低 可与大多数逻辑集成电路兼容不需加缓冲器或驱动器 3 快速转换 固态继电器因为采用固体器件 所以切换速度可从几毫秒至 几微妙 4 电磁干扰小 固态继电器没有输入 线圈 没有触点燃弧和回跳 因而 减少了电磁干扰 大多数交流输出固态继电器是一个零电压开关 在零电压处 导通 零电流处关断 减少了电流波形的突然中断 从而减少了开关瞬态效应 2 3 52 3 5 外围接口设备的选择 外围接口设备的选择 由于 89C51 是一种高性能低价位单片机 但因其引脚少 只有 15 根 I 0 口线 去掉信号输入 信号输出和按键输入以及复位电路等常规接口线外 一般所剩只 有 三至五根 I 0 口线 给系统设计尤其是 LED 显示接口电路的设计带来一定难度 2051 余下的并行 I 0 口线不足 8 根 数据并行输出已不可能 但可以考虑串行输出的 方 法 所以这里我们选用采用串入并出移位寄存器 74LS123 圆满地解决了这一问题 由于显示的位数只有四位 所以在这里我们采用静态显示来实现 第第 3 3 章章 系统硬件设计系统硬件设计 3 13 1 控制单元电路设计控制单元电路设计 本系统由89C51单片机 74HC373 74HC138 EPROM 27C512 构成最小应用系 统 外扩一片8255A RAM 32KB 用以存储工作参数及检测数据 硬件电路主要 包括温度检测电路 输出控制电路 液晶显示和语音输出电路 串行通信电路等 温度检测电路采用K 型热电偶作为温度检测元件 变送器将热电偶输出的毫伏级 信号转换为0 10 mA 的电流信号 再将电流信号转换为0 5 V的电压信号 以满 足A D 转换器MC14433的输入要求 图3 1 所示为89C51最小系统图 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 图 3 1 单片机最小系统图 输出控制电路设置隔离电路部分 采用光电耦合隔离放大器保证单片机输出 的信号与外界隔离 温度控制则采用SSR固体继电器 由于系统不仅要以文本形式显示温度及烘干炉工作状态信息 还需显示时间 温度曲线 所以采用点阵式液晶显示屏 通过液晶显示控制器SED13305控制和驱 动显示 报警信息以语音方式输出 用以提示操作人员 串行通信电路通过485 总线将采集记录的温度数据送到车间级监控机 以建立 烘干炉的检修数据库 既为保证检修质量提供了可靠依据 也使人机交互更为便 捷 由于PC 机的RS 232 电平与单片机的TT L 电平不兼容 系统中配置MAX485 和RS 485 232 转换器 进行T TL 电平和RS 485 电平 RS 485 电平和 RS 232 电平间的转换 89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压 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 该 器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造 与工业标准的MCS 51指令集 和输出管脚相兼容 由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中 ATMEL的89C51是一种高效微控制器 89C2051是它的一种精简版本 89C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 89C51 的特性与 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 128 8 位内 部 RAM32 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 3 1 13 1 1 引脚特性 引脚特性 VCC 供电电压 GND 接地 P0 口 P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I O 口 每脚可吸收 8TTL 门电流 当 P1 口的管脚第一次写 1 时 被定义为 高阻输入 P0 能够用于外部程序数据 存储器 它可以被定义为数据 地址的低八位 在 FIASH 编程时 P0 口作为 原码输入口 当 FIASH 进行校验时 P0 输出原码 此时 P0 外部必须被拉高 P1 口 P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P1 口缓冲器能 接收输出 4TTL 门电流 P1 口管脚写入 1 后 被内部上拉为高 可用作输入 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 P1 口被外部下拉为低电平时 将输出电流 这是由于内部上拉的缘故 在 FLASH 编程和校验时 P1 口作为第八位地址接收 P2 口 P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 口缓冲器可接收 输出 4 个 TTL 门电流 当 P2 口被写 1 时 其管脚被内部上拉电阻拉高 且 作为输入 并因此作为输入时 P2 口的管脚被外部拉低 将输出电流 这是 由于内部上拉的缘故 P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储 器进行存取时 P2 口输出地址的高八位 在给出地址 1 时 它利用内部上 拉优势 当对外部八位地址数据存储器进行读写时 P2 口输出其特殊功能寄 存器的内容 P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号 P3 口 P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I O 口 可接收输出 4 个 TTL 门电流 当 P3 口写入 1 后 它们被内部上拉为高电平 并用作输入 作为输入 由于外部下拉为低电平 P3 口将输出电流 ILL 这是由于上拉的 缘故 P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口 如下表所示 口管脚 备选功能 P3 0 RXD 串行输入口 P3 1 TXD 串行输出口 P3 2 INT0 外部中断 0 P3 3 INT1 外部中断 1 P3 4 T0 记时器 0 外部输入 P3 5 T1 记时器 1 外部输入 P3 6 WR 外部数据存储器写选通 P3 7 RD 外部数据存储器读选通 P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号 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 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 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 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 如果微处理器在外部执行状态ALE 禁止 置位无效 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 则在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 图 3 2 89C51 引脚图 3 1 23 1 2 晶振电路设计 晶振电路设计 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 有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器 因此对外部 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 3 23 2 信号检测电路设计信号检测电路设计 根据系统总体方案 本系统需要进行温度检测 目前 非电量转化为电量的 测量均采用传感器技术 热电偶是温度测量仪表中常用的测温元件 是由两种不同 成分的导体两端接合成回路时 当两接合点 热电偶温度不同时 就会在回路内产 生热电流 如果热电偶的工作端与参比端存有温差时 显示仪表将会指示出热电 偶产生的热电势所对应的温度值 热电偶的热电动热将随着测量端温度升高而增 长 它的大小只与热电偶材料和两端的温度有关 与热电极的长度 直径无关 各种热电偶的外形常因需要而极不相同 但是它们的基本结构却大致相同 通常 由热电极 绝缘套保护管和接线盒等主要部分组成 通常和显示仪表 记录仪表和 电子调节器配套使用 热电偶是一种感温元件 是一种仪表 它直接测量温度 并把温度信号转换成热电动势信号 通过电气仪表 二次仪表 转换成被测介 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 质的温度 热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路 当两端存在温度梯度时 回路中就会有电流通过 此时两端之间就存在电动势 热电动势 这就是所谓的塞贝克效应 Seebeck effect 两种不同成份的 均质导体为热电极 温度较高的一端为工作端 温度较低的一端为自由端 自 由端通常处于某个恒定的温度下 根据热电动势与温度的函数关系 制成热电 偶分度表 分度表是自由端温度在 0 时的条件下得到的 不同的热电偶具有 不同的分度表 在热电偶回路中接入第三种金属材料时 只要该材料两个接点的温度相同 热电偶所产生的热电势将保持不变 即不受第三种金属接入回路中的影响 因 此 在热电偶测温时 可接入测量仪表 测得热电动势后 即可知道被测介 质的温度 热电偶测量温度时要求其冷端 测量端为热端 通过引线与测量电路 连接的端称为冷端 的温度保持不变 其热电势大小才与测量温度呈一定的比例 关系 若测量时 冷端的 环境 温度变化 将严重影响测量的准确性 在冷端 采取一定措施补偿由于冷端温度变化造成的影响称为热电偶的冷端补偿 3 33 3 前向通道电路设计前向通道电路设计 MC14433 是美国 Motorola 公司推出的单片 3 1 2 位 A D 转换器 其中集成 了双积分式 A D 转换器所有的 CMOS 模拟电路和数字电路 具有外接元件少 输入阻抗高 功耗低 电源电压范围宽 精度高等特点 并且具有自动校零和 自动极性转换功能 只要外接少量的阻容件即可构成一个完整的A D 转换器 其主要功能特性如下 1 精度 读数的 0 05 1 字 2 模拟电压输入量程 1 999V 和 199 9mV 两档 3 转换速率 2 25 次 s 4 输入阻抗 大于 1000M 5 输入阻抗 大于 1000M 6 功耗 8mW 5V 电源电压时 典型值 7 功耗 8mW 5V 电源电压时 典型值 MC14433 最主要的用途是数字电压表 数字温度计等各类数字化仪表及计 算机数据采集系统的 A D 转换接口 MC14433 的引脚说明 图 3 5 图 3 5 1 Pin1 VAG 模拟地 为高科技阻输入端 被测电压和基准电压的接 入地 2 Pin2 VR 基准电压 此引脚为外接基准电压的输入端 MC14433 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 只要一个正基准电压即可测量正 负极性的电压 此外 VR 端只要加上一个 大于 5 个时钟周期的负脉冲 VR 就能够复为至转换周期的起始点 3 Pin3 Vx 被测电压的输入端 MC14433 属于双积分型 A D 转换器 因而被测电压与基准电压有以下关系 式 1 因此 满量程的 Vx VR 当满量程选为 1 999V VR 可取 2 000V 而当满量程 为 199 9mV 时 VR 取 200 0mV 在实际的应用电路中 根据需要 VR 值可在 200mV 2 000V 之间选取 4 Pin4 Pin6 R1 C1 C1 外接积分元件端 次三个引脚外接积分电 阻和电容 积分电容一般选 0 1uF 聚脂薄膜电容 如果需每秒转换 4 次 时钟 频率 选为 66kHz 在 2 000V 满量程时 电阻 R1 约为 470k 而满量程为 200mV 时 R1 取 27k 5 Pin7 Pin8 C01 C02 外接失调补偿电容端 电容一般也选 0 1uF 聚脂薄膜电容即可 6 Pin9 DU 更新显示控制端 此引脚用来控制转换结果的输出 如果 在积分器反向积分周期之前 DU 端输入一个正跳变脉冲 该转换周期所得到的 结果将被送入输出锁 存器 经多路开关选择后输出 否则继续输出上一个转换周期所测量的数据 这个作用可用于保存测量数据 若不需要保存数据而是直接输出测量数据 将 DU 端与 EOC 引脚直接短接即可 7 Pin10 Pin11 CLK1 CLK0 时钟外接元件端 MC14433 内置了时 钟振荡电路 对时钟频率要求不高的场合 可选择一个电阻即可设定时钟频率 时钟频率为 66kHz 时 外接电阻取 300k 即可 若需要较高的时钟频率稳定度 则需采用外接石英晶体或LC 电路 参考 附图 图 3 6 图 3 6 8 Pin12 VEE 负电源端 VEE 是整个电路的电压最低点 此引脚的电 流约为 0 8mA 驱动电流并不流经此引脚 故对提供此负电压的电源供给 电流要求不高 9 Pin13 Vss 数字电路的负电源引脚 Vss 工作电压范围为 VDD 5V Vss VEE 除 CLK0 外 所有输出端均以 Vss 为低电平基准 10 Pin14 EOC 转换周期结束标志位 每个转换周期结束时 EOC 将 输出一个正脉冲信号 11 Pin15 OR 非 过量程标志位 当 Vx VREF 时 输出为低电平 12 Pin16 17 18 19 DS4 DS3 DS2 DS1 多路选通脉冲输出端 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 DS1 DS2 DS3 和 DS4 分别对应千位 百位 十位 个位选通信号 当某一位 DS 信号有效 高电平 时 所对应的数据从 Q0 Q1 Q2 和 Q3 输出 两 个选通脉冲之间的间隔为 2 个时钟周期 以保证数据有充分的稳定时间 13 Pin20 21 22 23 Q0 Q1 Q2 Q3 BCD 码数据输出端 该 A D 转换器以 BCD 码的方式输出 通过多路开关分时选通输出个位 十位 百位和 千位的 BCD 数据 同时在 DS1 期间输出的千位 BCD 码还包含过量程 欠量程和 极性标志信息 这些信息所代表的意义见下表 13 Pin24 VDD 正电源电压端 3 43 4 控制电路设计控制电路设计 固态继电器 Solid State Relay 缩写 SSR 是由微电子电路 分立电子器 件 电力电子功率器件组成的无触点开关 用隔离器件实现了控制端与负载端的 隔离 固态继电器的输入端用微小的控制信号 达到直接驱动大电流负载 固态 继电器有三部分组成 输入电路 隔离 耦合 和输出电路 按输入电压的不同 类别 输入电路可分为直流输入电路 交流输入电路和交直流输入电路三种 有些输入控制电路还具有与 TTL CMOS 兼容 正负逻辑控制和反相等功能 固 态继电器的输入与输出电路的隔离和耦合方式有光电耦合和变压器耦合两种 固态继电器的输出电路也可分为直流输出电路 交流输出电路和交直流输出电 路等形式 交流输出时 通常使用两个可控硅或一个双向可控硅 直流输出时 可使用双极性器件或功率场效应管 它是用半导体器件代替传统电接点作为切 换装置的具有继电器特性的无触点开关器件 单相SSR 为四端有源器件 其中 两个输入控制端 两个输出端 输入输出间为光隔离 输入端加上直流或脉冲 信号到一定电流值后 输出端就能从断态转变成通态 交流固态继电器按开关方式分有电压过零导通 型 简称过零型 和随机导 通型 简称随机型 按输出开关元件分有双向可控硅输出型 普通型 和单向可控硅反并联型 增强型 按安装方式分有印刷线路板上用的针插式 自然冷却 不必带散热器 和 固定在金属底板上的装置式 靠散热器冷却 另外输入端又有宽范围输入 DC3 32V 的恒流源型和串电阻限流型等 SSR 固态继电器以触发形式 可分为零压型 Z 和调相型 P 两种 在输入端施加合适的控制信号 IN 时 P 型 SSR 立即导通 当 IN 撤销后 负载电 流低于双向可控硅维持电流时 交流换向 SSR 关断 Z 型 SSR 内部包括过零检测 电路 在施加输入信号 IN 时 只有当负载电源电压达到过零区时 SSR 才能导通 并 有可能造成电源半个周期的最大延时 Z 型 SSR 关断条件同 P 型 但由于负载工作 电流近似正弦波 高次谐波干扰小 所以应用广泛 北京灵通电子公司的 SSR 由于 采用输出器件不同 有普通型 S 采用双向可控硅元件 和增强型 HS 采用单向可控 硅元件 之分 当加有感性负载时 在输入信号截止 t1 之前 双向可控硅导通 电流 滞后电源电压 90O 纯感时 t1 时刻 输入控制信号撤销 双向可控硅在小于维持 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 电流时关断 t2 可控硅将承受电压上升率 dv dt 很高的反向电压 这个电压将通 过双向可控硅内部的结电容 正反馈到栅极 如果超过双向可控硅换向 dv dt 指标 典型值 10V s 将引起换向恢复时间长甚至失败 单向可控硅 增强型 SSR 由于 处在单极性工作状态 此时只受静态电压上升率所限制 典型值 200V s 因此 增强型固态继电器 HS 系列比普通型 SSR 的换向 dv dt 指标提高了 5 20 倍 由于 采用两只大功率单向可控硅反并联 改变了电流分配和导热条件 提高了 SSR 输出 功率 增强型 SSR 在大功率应用场合 无论是感性负载还是阻性负载 耐电压 耐 电流冲击及产品的可靠性 均超过普通固态继电器 并达到了进口产品的基本指标 是替代普通固态继电器的更新产品 3 3 5 5 外外围围设设备备接接口口电电路路的的设设计计 3 5 13 5 1 显示器接口电路设计显示器接口电路设计 这部分硬件设计利用 AT89C2051 的串行口和移位寄存器 8255A 作为四位静态 显示的驱动接口 其所需显示的字符的各字段连续通过电流 从而使显示的字段 连续发光 由于显示位数只有四位 故采用静态显示 在发光二极管导通电流一 定的情况下显示器的亮度大 显示稳定 8255A 是一个串行输入并行输出的移位 寄存器 并带有清除端 8255A 在使用前要写入一个方式控制字 选择 A B C 三个端口各自的工作方式 共有三种 方式 0 基本的输入输出方式 即无须联络就可以直接进行的 I O 方式 其中 A B C 口的高四位或低四位可分别设置成输入或输出 方式 1 选通 I O 此时接口和外围设备需联络信号进行协调 只有A 口和 B 口可以工作在方式 1 此时 C 口的某些线被规定为 A 口或 B 口与外围设备的 联络信号 余下的线只有基本的 I O 功能 即只工作在方式 0 方式 2 双向 I O 方式 只有 A 口可以工作在这种方式 该 I O 线即可 输入又可输出 此时 C 口有 5 条线被规定为 A 口和外围设备的双向联络线 C 口剩下的三条线可作为 B 口方式 1 的联络线 也可以和 B 口一起方式 0 的 I O 线 8255A 是一个并行输入 输出器件 具有 24 个可编程设置的 I O 口 包括 3 组 8 位的 I O 为 PA 口 PB 口 PC 口 又可分为 2 组 12 位的 I O 口 A 组包括 A 口及 C 口高 4 位 B 组包括 B 口及 C 组的低 4 位 系统在运行过程 中 仅在需要更新显示内容时 CPU 才执行一次显示更新子程序 这样大大节省了 CPU 的时间 提高了 CPU 的工作效率 其串行口工作在方式 0 数据由 RXD 串行的 输出 TXD 输出移位脉冲 使外部的移位寄存器移位 完成一个字节的输出 此 时 CPU 自动置位发送中断标志 TI 但此标志必须有软件清 0 其显示电路图 3 9 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 图 3 9 显示电路图 数码管的发光二极管电流不宜太大 以免被烧坏 因此需对其进行限流 一 般电路是采用驱动加限流电阻 而数码管公共端接 5V 的电压 这里采用共阳级 七段 LED 这样每个数码管的每一段将挂上一个限流电阻 即有 32 个限流电阻 硬件电路将被复杂化 占据了不少空间 故采用三端可调稳压器 LM317 进行分压 处理 使其输出电压控 V0 VR 1 R2 R1 输出端所接电容用于防止输出端自激 改善负载的瞬间响应 3 5 2 3 5 2 键盘接口电路设计键盘接口电路设计 键盘的输入部分主要作用是用键盘设定温度以及温度的上下限设定 温度的 上下限设定包括四个按键 1 模式切换键 进行模式之间的切换 模式包括设置上限模式 设置温度下 限模式 每次按下该键就在返两种模式之间切换 2 温度上下限增加键 增加温度上下限的值 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 3 温度上下限减少键 减少温度上下限的值 1 温控开关键 是温控与非温控之间的切换键 它用于设置 是否进行温度 控 制即是否让越界的温度值触发加热器的启动或停止 3 63 6 报警电路报警电路 报警电路由一个三极管和蜂呜器组成 当温度值在设定的范围时 单片机 AT89C51 的 P3 7 口高电平引脚始终保持高电平 当所采集的温度越限时 P3 7 口便由高电平改为低电平 使三极管导通从而发山蜂鸣声进行报警来提醒操作人 员实施相应的捕施 如图 3 10 所示 图 3 10 报警模块 第第 4 4 章章 系统软件设计系统软件设计 4 14 1 总体设计思想总体设计思想 烘干炉温控制是这样一个反馈调节过程 比较实际炉温和需要炉温得到偏差 通过对偏差的处理获得控制信号 再去调节炉内的加热功率 从而实现对温度的 控制 系统由温度传感器测温后 把电信号通过放大电路 A D 转换器传入到单 片机 使用 PID 控制算法 由执行机构进行温度控制 温度控制电路采用可控硅 调功率的方式 双向可控硅串在 50Hz 交流电源和电加热管电路中 只要在给定周 期里改变可控硅开关的接通时间 就能达到改变加热功率的目的 从而实现温度 调节 如图 5 1 所示 为了达到过零触发的目的 需要交流电过零检测电路 此 电路输出对应于 50Hz 交流电压过零时刻的脉冲 作为触发双向可控硅的同步脉冲 使可控硅在交流电压过零时刻触发导通 此脉冲一路作为触发同步脉冲加到温控 电路 一路作为计数脉冲加到单片机 89C51 的 P3 4 T0 和 P3 5 T1 输出端 图 4 1 可控硅调功器输出功率与通断电时间的关系 系统控制程序采用两重中断嵌套方式来设计 首先使 T0 定时器产生每秒一次 的定时中断 作为本系统的采样周期 在其中断服务程序中启动 A D 读入采样 数据 进行数字滤波 上下限报警处理 PID 计算等 然后输出控制脉冲信号 脉冲的宽度则有 T1 计数器溢出中断决定 在等待 T1 中断时 将本次采样数值转 换成对应的温度值放入显示缓冲区 然后调用显示子程序 从 T1 中断返回后 再 从 T0 中断返回主程序并继续显示本次采样温度 等待下次中断 T0 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 4 24 2 主程序设计主程序设计 本次系统包括主程序 初始化 8255A 键盘 显示等程序 其中需要说明的 是 T1中断嵌套在T0中断之内 而T1 的初值是由PID计算值决定的 所以PID的最大输 出必须小于250 即保证在T0再次溢出中断之前 T1中断服务结束 并以T0中断返 回到主程序 否则程序不能正常工作 图4 2单片机系统主程序流程图 图4 3 T1中断 程序 图4 2 单片机系统主程序流程图 图 4 3 T1 中断程序 主程序模块包含的主要函数定义及功能 1 初始化部分 函数定义 void Initial void 功能 对AT89C51