硅碳棒电加热温度控制器的设计毕业设计.doc

硅碳棒电加热温度控制器的设计毕业设计目录摘要第一章 前言1.1 本文研究的目的和意义1.2 系统实现的功能1.3 设计的要求与方案第二章 总体设计分析2.1 组成框图2.2 主要功能模块的简介2.2.1 传感器温度采集2.2.2 温度设置2.2.3 LCD液晶显示2.2.4 温度控制第三章 硬件设计3.1 主控系统3.1.1 STC12C5A60S2单片机简介3.1.2 最小应用系统模块3.2 传感器温度采集模块3.2.1 器件选型与简介3.2.2 整个模块设计与分析3.3温度设置模块3.4 LCD液晶显示模块3.4.1 器件选型与简介3.4.2 整个模块设计与分析3.5 温度控制模块3.5.1 光耦器件选型与简介3.5.2 可控硅器件选型及简介3.5.3 整个模块设计与分析第四章 软件设计4.1 主程序设计4.2 子程序部分4.2.1 A/D转换程序4.2.2 温度设置程序4.2.3 LCD显示程序4.2.4 PID温度控制程序结束语1 设计历程2 设计特点3 存在的问题和改进4 展望和体会致谢参考文献附录1（电路原理图及PCB图）附录2（部分程序）第一章 前言1.1 本文研究的目的和意义 温度是日常生活中的重要参数。对温度的控制效果将直接影响到产品的质量及其使用寿命，因此，温度控制成为各个领域中的一项很关键的技术，研究高性能的温度控制器具有重要意义。 硅碳棒的使用温度高，又具有耐高温、抗氧化、耐腐蚀、升温快、寿命长、高温变形小等特点，同时具有良好的化学稳定性。与自动化电控系统配套，还可得到精确的恒定温度，又可根据需要按曲线自动调温。使用硅碳棒加热既方便，又安全可靠。现已广泛应用于各类加热设备的电加热元件。 本次研究的硅碳棒电加热温度控制器的关键在于温度控制器的控温方面，采用PID控制方式。这是由于传统的定值开关温度控制法通过硬件电路或者软件计算判别当前温度值与设定温度值之间的关系，进而对系统加热源进行通断控制。这种开关控温方法较简单，是当系统温度上升至设定点时就关断电源，当系统温度下降至设定点时就开通电源，因而无法克服温度变化过程的滞后性，导致系统温度波动大，控制精度低，不适于高精度温度控制。PID控制器中引入了参数整定和自适应控制理论，其具有算法简单，可靠性高等特点。由于 PID 控制器模型中考虑了系统的误差，误差变化以及误差积累三个因素，因此其控制性能一定优越于定值开关控温法。采用此方法实现的温度控制器，其控制品质的好坏主要取决于三个PID 参数，即比例值，积分值，微分值。只要 PID 参数选取的正确，对于一个确定的受控系统，其控制精度比较令人满意。 硅碳棒电加热温度控制器的可靠性高、精度高、操作简单、功耗低、成本低。所以本系统的设计是十分必要的。1.2 系统实现的功能 设计基于STC12C5A60S2单片机的硅碳棒电加热温度控制器，用于控制温度。功能如下： 根据给定的温度，调节硅碳棒的控制电压，从而调节温度，实现温度的闭环控制。温度通过通讯方式传入系统，硅碳棒电源电压为220V，功率为10kw，温度调节范围在01300度，测量精度为1%。采用双向可控硅温度控制电路对其采用计算机软件方法来进行PID 调节功能，使温度到达设定温度。1.3 设计的要求与方案 所设计的硅碳棒电加热控制器应具有以下功能：(1) 温度采集：此部分是使用型号为WRP-130的铂铑10-铂热电偶为测温元件，再将其输出电压经过处理变送再经过电压跟随后，与STC12C5A60S2单片机中的A/D转换相配合，从而实现对初始温度的采集；(2温度设置：此部分依靠四个拨盘与单片机配合实现对最终温度的设置；(3)LCD液晶显示部分：采用FYD12864-0402B液晶显示模块，对温度采集所得温度以及设定温度进行显示；(4)温度控制部分：此部分首先采用过零触发双硅输出光耦MOC3061实现对单片机及可控硅温度控制器的隔离功能；然后采用双向可控硅MAC97A6构成过零比较电路，与单片机配合，运用PID控制方式来控制正弦波导通的周期个数，从而实现对温度的控制功能。第二章 总体设计分析2.1 组成框图 根据设计思想所要完成的功能，该硅碳棒电加热温度控制器采用单片机作为微处理单元进行控制。其次由传感器温度采集电路，温度设置电路，LCD液晶显示电路以及温度控制电路组成。系统的组成框图如下图2.1所示。传感器温度采集电路STC12C5A60S2 单片机温度设置电路 温度控制电路LCD液晶显示电路 图 2.1 组成框图 2.2 主要功能模块的简介2.2.1 传感器温度采集 测温电路的设计是采用型号为WRP-130的铂铑10-铂热电偶，其测温范围在0-1300度，精度在+/_2.4%，其具有性能稳定，抗氧化性能强以及测量精度高等优点，可以较为准确的测温。利用其感温效应，把随被测温度变化的电压采集过来，将其经变送过后的信号送入电压跟随器后，传入STC12C5A60S2单片机中进行A/D转换，实现由模拟量到数字量的转换，再利用STC12C5A60S2单片机进行数据的处理，从而采集得到温度。2.2.2 温度设置 通过用四个拨盘以及四个电阻连接STC12C5A60S2单片机，应用编程来设置要给定的四位数的温度。其中S1与单片机的一个I/O口连接，用软件编程，使其每按一下温度增加1度；S2也与单片机的一个I/O口连接，用软件编程，使其每按一下温度增加10度；S3也与单片机的一个的I/O口连接，用软件编程，使其每按一下温度增加100度；S4也与单片机的一个I/O口连接，用软件编程，使其每按一下温度增加1000度。2.2.3 LCD液晶显示 采用FYD12864-0402B液晶显示模块，该液晶模块每屏可显示4行8列共32个16*16点阵的汉字，每个显示RAM可显示1个中文字符或2个16*8点阵全高ASCII字符，即每屏最多可实现32个中文字符或64个ASCII码字符的显示。在本系统中，利用该模块与单片机进行相连，对其进行编程使用，用来显示温度采集所得温度以及温度设置给定的四位数的温度。2.2.4 温度控制温度控制是本系统的关键，而此部分的关键在于可控硅，我们采用PID控制方式来控制温度。在本系统中是通过控制可控硅管的正弦波导通的周期个数来调节输出功率。所以首先采用光耦，其以光为媒介传输电信号。一般由三部分组成：光的发射，光的接收及信号的放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，然后被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电-光-电的转换，从而起到对输入、输出电信号的良好隔离的作用。因为外围电路通常是交流电压为220V，强电是不能和弱电有任何电器接触的，所以为防止强电进入单片机内，必须采用光耦。又因为本系统电路需要进行过零检测，而过零触发双硅输出光耦MOC3061自带过零检测的功能，所以被选为本系统的光耦元件，用其对单片机和可控硅温度控制电路进行隔离。 然后采用双向可控硅MAC97A6构成过零比较电路，当输入是高电平时，电路导通；当输入是低电平时，则电路不导通。与单片机结合，软件部分采用PID控制方法对温度进行控制，由于其算法简单，可靠性高等优点被广泛使用，尤其是适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统，其中数字PID调节器的参数可以在现场实现在线整定，因此具有较大的灵活性。 第3章 硬件设计 本设计的题目为硅碳棒电加热温度控制器的设计，其主要是应用以STC12C5A60S2单片机作为控制核心，传感器温度采集、温度设置、LCD液晶显示以及温度控制模块相结合的系统。3.1 主控系统3.1.1 STC12C5A60S2单片机简介 STC12C5A60S2/AD/PWM单片机是STC生产的单时钟机器周期（1T）的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统的8051，但是速度却快8-12倍。内部集成了MAX810专用的复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换(250K/S,即25万次/秒)，且针对电机控制，强干扰场合。1. 增强型的8051CPU，1T，单时钟机器周期，指令代码完全兼容传统的80512. 工作电压：5.5V - 3.5V（5V单片机）3. 工作频率范围：0 - 35MHz，相当于普通8051的0 - 420MHz4. 工作温度范围：40 +85度（工业级）/ 0 75度（商业级）5. 用户应用程序空间 8K/16K/20K/32K/40K/48K/52K/60K/62K字节6. 片上集成了1280字节RAM7. A/D转换，10位精度ADC，共八路，转换速度可达250K/S（每秒钟25万次）8. 时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器（温漂为+/_5 +/_10%以内） 用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C振荡器或是外部晶体/时钟 在常温下，内部R/C振荡器频率为：11MHz 17MHz 精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，所以以实际测试为 准9. 内部集成了MAX810专用复位电路(外部晶体12M以下时，复位脚可直接1K电阻到地）10. 有EEPROM功能11. 看门狗12. 通用I/O口（36/40/44个），复位后为：准双向口、弱上拉（普通8051传统的I/O口）可以设置成四种模式：准双向口/弱上拉，强推免/强上拉，仅为输入/高阻，开漏。每个I/O口驱动能力均可以达到20mA，但整个芯片最大不要超过120mA13. 共有4个16位定时器 2个与传统8051兼容的定时器/计数器，16位定时器T0和T1，没有定时器2，但是有独立波特率发生器做为串行通讯的波特率发生器，再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器14. 3个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟，可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟，独立波特率发生器可以在P1.0口输出时钟15. 外部中断I/O口7路，传统的下降沿中断或低电平触发中断，并新增支持上升沿中断的PCA模块，Power Down模式可由外部中断唤醒，INT0_/P3.2，INT1_/P3.3，T0/P3.4，T1/P3.5，RxD/P3.0，CCP0/P1.3（也可以通过寄存器设置到P4.2）CCP1/P1.4（也可通过寄存器设置到P4.3）16. ISP(在系统可编程)/IAP（在应用可编程），无需专用的编程器，也无需专用的仿真器，可以通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒钟即可完成一片17. 外部掉电检测电路：在P4.6口有一个低压门槛比较器，为1.33V，误差为+/_5%18. PWM（2路）/PCA（可编程计数器阵列，2路） 也可以来当2路D/A使用 也可以来再实现2个定时器 也可以来再实现2个外部中断（上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持）19. 通用全双工异步串行口（UART），由于STC12系统是高速的8051，可再用定时器或PCA软件实现多串口20. STC12C5A60S2系统有双串口，后缀有S2标志的才有双串口，RxD2/P1.2（可通过寄存器设置到P4.2），TxD2/P1.3（可通过寄存器设置到P4.3）21. I/O口不够时，可用2到3根普通I/O口线外接74HC164/165/595(均可级联)来扩展I/O口，还可以用A/D做按键扫描来节省I/O口，或用双CPU，三线通信，还多了串口。 图3.1 STC12C5A60S2引脚图 3.1.2 最小应用系统模块 目前的单片机开发系统只能够仿真单片机，却没有给用户提供一个通用的系统。由设计的要求，只要做很小集成度的系统应用在一些小的控制单元。其基本的应用特点包括以下几点：（1） 全部I/O口线均可供用户使用；（2） 内部存储器容量有限；（3） 应用系统开发具有特殊性。 图3.2 最小系统图单片机最小系统如图3.2所示，其中有4个双向的8位并行I/O端口，分别记作P0、P1、P2、P3，都可以用于数据的输出和输入，P3口具有第二功能，为系统提供一些控制信号。时钟电路用于产生单片机工作所必须的时钟控制信号，内部电路在时钟信号的控制下，严格地按照时序指令工作。单片机内部有一个用于构成振荡的高增益反向放大器，该高增益反向放大器的输入端为芯片的引脚XTAL1，输出端为芯片的引脚XTAL2。这两个引脚跨接石英振荡器和微调电容，这就构成了一个稳定的自激振荡器。电路中的石英振荡器通常选振荡频率为11.0592MHz的。微调电容通常选用两个22pf的，该电容的大小会影响振荡器频率的高低，振荡器的稳定性以及起振的快速性。 复位电路是单片机的一个重要的工作方式，该电路一般是由外部的复位电路来实现的。在单片机应用系统工作时，复位电路除了使系统正常的初始化以外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为了要摆脱该死锁状态，也需要用之来重新启动。复位电路通常用这几种方式，包括上电自动复位、按键电平复位以及系统复位这三种方式。在本最小系统中，STC12C5A60S2单片机的复位采用最简单的上电复位的方式，高电平有效。R5和C3构成的微分电路，在接电的瞬间产生一个微分脉冲，其宽度大于两个机器周期，则单片机复位。为保证微分脉冲宽度足够大，R5、C3的时间常数应大于两个机器周期，所以电容取10UF，电阻取10K。 3.2 传感器温度采集模块3.2.1 器件选型与简介本系统测量的温度范围较广，所以选用了热电偶，其是利用热电效应制成的温度传感器。热电偶回路中所产生的热电势是由两种导体的接触电势和单一导体的温差电势所组成。从理论上讲，任何两种不同导体（或半导体）都可以配制成热电偶，但是作为实用的测温元件，应该具有以下特性：（1） 在测温范围之内，热电性质稳定，不随时间而变化，有足够的物理化学稳定性，不易氧化或腐蚀；（2） 电阻温度系数小，导电率高，比热小；（3） 测温中产生热电势要大，并且热电势与温度之间呈线性或者接近线性的单值函数关系；（4） 材料复制性好，机械强度高，制造工艺简单，价格便宜。此段文字摘自参考文献1根据以上特性，又因为本系统测量的温度范围在0-1300度，所以选用型号为WRP-130的铂铑10-铂热电偶（S型热电偶），为贵金属热电偶。其正极（SP）的化学成分为铂铑合金，其中含铑为10%，含铂为90%，负极（SN）为纯铂，故俗称单铂铑热电偶。该热电偶在热电偶系列中具有准确度最高、稳定性最好、测温温区广、使用寿命长等优点。它的物理及化学性能良好，热电势稳定性高，且在高温下抗氧化性能好，适用于氧化性和惰性气氛中，具有优良的综合性能。其长期最高使用温度为1300，热响应时间小于150S，直径为16mm，测量精度小于+/-0.5%。本系统中所选的铂铑10-铂热电偶是将硅碳棒的温度转换成电信号的信号转换元件。然而由于热电偶的电气特性，其产生的电信号必须进行调理才能被精确、可靠的采集，所以将其进行变送，得到温度范围在01300度所对应的05V的电压信号。将该05V的电压信号，送给一个电压跟随器，它的作用就是对信号进行隔离，改变输入输出电阻值，使得阻抗得到匹配。它有效的提高了输入电阻值，降低了对输入的微小信号量的要求，与此同时它使输出电阻值减小，使电路的负载能力得到提高。电压跟随器采用的是：HA17358运放芯片，为单电源运放，且其使用宽电源电压范围和单功率电源电压，宽共模电压和提供具有一个0V输入和0V输出的可能操作，频率特性和输入偏置电流是温度补偿的。其芯片引脚图如下图3.4所示。 图3.4 HA17358引脚图在得到模拟信号以后需要进行A/D转换，所谓A/D转换器即为模拟/数字转换器（Analog to Digital Converter 简称ADC），是将输入的模拟信号转换为数字信号。在主控系统中，我们选取STC12C5A60S2单片机，而STC12C5A60S2单片机又是自带A/D转换的，所以我们不用再另外选取A/D转换器。下面对STC12C5A60S2单片机中的A/D转换功能进行介绍。STC12C5A60S2单片机的A/D转换口在P1口（P1.7 - P1.0），有8路10位高速A/D转换器，转换速度可达250K/S（每秒钟25万次）。STC12C5A60S2单片机ADC(A/D转换器)的结构如图3.6所示。 图3.6 ADC结构图 当AUXR.1/ADRJ=0时，A/D转换结果寄存器格式如下：ADC_B9ADC_B8ADC_B7ADC_B6ADC_B5ADC_B4 ADC_B3ADC_B2 ADC_RES7:0 - - - - - -ADC_B1ADC_B0 ADC_RES1:0当AUXR.1/ADRJ=1时，A/D转换结果寄存器格式如下： ADC_RES1:0- ADC_B9ADC_B8 ADC_B7 ADC_B6 ADC_B5ADC_B4ADC_B3ADC_B2ADC_B1ADC_B0 ADC_RES7:0 STC12C5A60S2单片机的ADC由多路选择开关，比较器，逐层比较寄存器，10位DAC，转换结果寄存器（ADC_RES和ADC_RESL）及ADC_CONTR构成。STC12C5A60S2单片机的ADC是逐层比较型的ADC。逐层比较型的ADC是由一个比较器和D/A转换器构成的，通过逐层比较，从最高位（MSB）开始，顺序地对每一个输入电压与内置的D/A转换器输出进行比较，经过多次的比较，使得转换所得的数字量逐次逼近输入模拟量的对应值。逐次比较型的ADC具有速度高、功耗低等优点。从上图3.6可以看出，通过模拟多路开关，将通过ADC 07的模拟量输入送至比较器。用数/模转换器（DAC）转换的模拟量同本次输入的模拟量经过比较器进行比较，将比较的结果保存到逐次比较器中，并且通过逐次比较寄存器输出其转换结果。在A/D转换结束后，最终的转换结果保存到ADC转换结果寄存器ADC_RES 和ADC_RESL中，与此同时，置位ADC控制寄存器ADC_CONTR中的A/D转换结束标志位ADC_FLAG，该位是用来供程序查询或发出中断申请的。模拟通道的选择控制是通过ADC控制寄存器ADC_CONTR中的CHS2CHS0来确定的。ADC的转换速度是由ADC控制寄存器中的SPEED1和SPEED0来确定的。使用ADC之前，应该先给ADC上电，即置位ADC控制寄存器中的ADC_POWER位。 当ADRJ=0时，如果要取10位结果，则按下面公式计算： 10-bit A/D Conversion Result:(ADC_RES7:0,ADC_RESL1:0)=1024*Vin/Vcc当ADRJ=0时，如果要取8位结果，则按下面公式计算： 8-bit A/D Conversion Result:(ADC_RES7:0)=256*Vin/Vcc当ADRJ=1时，如果要取10位结果，则按下面公式计算： 10-bit A/D Conversion Result:(ADC_RES1:0,ADC_RESL7:0)=1024*Vin/Vcc式中，Vin为模拟输入通道的输入电压，Vcc为单片机的实际工作电压，用单片机的工作电压作为模拟的参考电压。3.2.2 整个模块设计与分析温度采集电路如图3.3所示： 图3.3 温度采集电路在本系统中直接将铂铑10-铂热电偶采集的电信号经变送后得到的05V的电压信号，送给一个电压跟随器，通过电压跟随器对信号进行隔离，改变输入输出电阻值，使阻抗得到匹配。此外电压跟随器还有效的提高了输入电阻值，降低了对输入的微小信号量的要求，它还减小了输出电阻值，提高了电路的负载能力。 在经过电压跟随器之后，得到的模拟信号需要进行A/D转换，即为模拟/数字转换，将输入的模拟信号转换为数字信号。而STC12C5A60S2单片机是自带A/D转换的，A/D转换口在P1口（P1.7 - P1.0），有8路10位高速A/D转换器，转换速度可达250K/S（每秒钟25万次），所以不必另外选取A/D转换器。在本系统中，选用STC12C5A60S2的P1.1口，将其通过软件设置为A/D转换口，此内容将在第四章进行介绍。3.3温度设置模块 图3.7 键盘设置图 这里要给单片机设定的温度，所以选用了四个拨盘及四个4.7K的电阻连单片机的P2.0P2.3口，通过编程来设置要给定的四位数的温度。 S1与P2.0口连接，用软件编程，使每按一下温度增加1度 S2与P2.1口连接，用软件编程，使每按一下温度增加10度 S3与P2.2口连接，用软件编程，使每按一下温度增加100度 S4与P2.3口连接，用软件编程，使每按一下温度增加1000度如图3.7所示。3.4 LCD液晶显示模块3.4.1 器件选型与简介在液晶显示部分，本系统将采用现成的FYD12864-0402B液晶显示模块对温度采集所得温度以及温度设置的四位数的温度进行显示。FYD12864-0402B是一种具有4位或8位并行，2线或3线串行多种接口方式，且内部含国标一级/二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块。其显示的分辨率为128*64，内置有8129个16*16点汉字，以及128个16*8点ASCII字符集。利用该模块灵活的接口方式和简单方便的操作指令，可以构成全中文人机交互图形界面。可以显示8*4行16*16点阵的汉字。同时也可完成图形显示。该显示模块有一显著特点，就是低电压低功率。将由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块进行比较，不论是硬件电路结构还是显示程序都要简洁很多，且该模块的价格也稍低于相同点阵的图形液晶模块。其基本特征有以下几点： 1. 低电源电压（VDD：+3.0 +5.5V） 2. 显示分辨率：128*64点 3. 2MHZ时钟频率 4. 显示方式：STN，半透以及正显 6. 驱动方式：1/32DUTY，1/5BIAS 7. 通讯方式：串口、并口 8. 内置有128个16*8点阵字符 9. 内置有汉字字库，提供8129个16*16点阵汉字（简繁体均可） 10. 内置有DCDC转换电路，无需外加负压 11. 无需片选信号，简化软件设计 12. 背光方式：侧部高亮白色LED，功耗仅为普通LED的1/51/10 13. 工作温度：0+55度；储存温度：-20 +60度 其原理方框图如下图3.8所示。 图3.8 FYD12864-0402B原理方框图其串行接口管脚信号如下表3.1： 表3.1 FYD12864-0402B串行接口管脚表 管脚号名称LEVEL功能1VSS0V电源地2VDD+5V电源正（3.0V-5.5V）3V0-对比度（亮度）调整4CSH/L模组片选端，高电平有效5SIDH/L串行数据输入端6CLKH/L串行同步时钟：上升沿时读取SID数据15PSBLL:串口方式17/RESETH/L复位端，低电平有效19AVDD背光源电压+5V20KVSS背光源负端0V其并行接口管脚信号如下表3.2所示。 表3.2 FYD12864-0402B并行接口管脚表 管脚号管脚名称电平管脚功能描述1VSS0V电源地2VCC3.0-5.5V电源正3V0 -对比度（亮度）调整4RS(CS)H/LR/S=H，表示DB7-DB0为显示数据R/S=L，表示DB7-DB0为显示指令数据5R/W(SID)H/LR/W=H，E=H，数据被读到DB7-DB0R/W=L，E=H L ，DB7-DB0的数据被写到IR或DR6E(SCLK)H/L使能信号7DB0H/L三态数据线8DB1H/L三态数据线9DB2H/L三态数据线10DB3H/L三态数据线11DB4H/L三态数据线12DB5H/L三态数据线13DB6H/L三态数据线14DB7H/L三态数据线15PSBH/LH:8位或4位并口方式，L：串口方式16NC -空脚17/RESETH/L复位端，低电平有效18VOUT -LCD驱动电压输出端19AVDD背光源正端（+5V）20KVSS背光源负端 下面对控制器的接口信号进行简要的说明：1. RS，R/W的配合选择决定控制界面的4种模式，如下表3.3所示。表3.3 RS，R/W功能表RSR/W功能说明LLMPU写指令到指令寄存器（IR）LH读出忙标志（BF）及地址计数器（AC）的状态HLMPU写入数据到数据暂存器（DR）HHMPU从数据暂存器（DR）中读出数据2. E信号，其控制功能如下表3.4所示。E状态执行动作结果高 低I/O缓冲 DR配合W进行写数据或指令高DR I/O缓冲配合R进行读数据或指令低/低 高无动作 表3.4 E信号的控制功能表3. 忙标志：BFBF标志提供内部的工作情况。当BF=1时，表示模块在进行内部操作，此时的模块不接受外部指令和数据；当BF=0时，表示模块为准备状态，此时的模块随时可以接受外部指令和数据。利用STATUS RD指令，可将BF读到DB7总线上，从而来检验模块的工作状态。4. 字型产生ROM（CGROM）字型产生ROM（CGROM）提供8129个此触发器，其用于模块屏幕显示开和关的控制。当DFF=1时，为开显示（DISPLAY ON），DDRAM的内容就显示在屏幕上；当DFF=0时，为关显示（DISPLAY OFF）。DFF的状态，由指令DISPLAY ON/OFF和RST信号控制的。5. 显示数据RAM（DDRAM）模块内部显示数据RAM提供64*2个位元组的空间，最多可以控制4行16字（64个字）的中文字型显示。当写入显示数据RAM时，可以分别显示CGROM与CGRAM的字型。此模块可显示三种字型，分别是HCGROM(ASCII码字库)、CGRAM（自定义字形）及CGROM（中文字型）。这三种字型的选择是由在DDRAM中写入的编码来选择的，在0000H0006H的编码中（其代码分别是0000、0002、0004、0006，共4个），将选择CGRAM的自定义字型，在02H7FH的编码中将选择ASCII码字的字型，而A1以上的编码将会自动结合下一个位元组，组成两个位元组的编码，形成中文字型的编码BIG5（A140D75F），GB(A1A0F7FFH)。字符显示RAM在液晶模块中的地址80H9FH。字符显示的RAM的地址与32个字符显示区域有一一对应的关系，其对应关系如下表3.5所示。表3.5 字符显示的RAM的地址与32个字符显示区域的对应关系表80H81H82H83H84H85H86H87H90H91H92H93H94H95H96H97H88H89H8AH8BH8CH8DH8EH8FH98H99H9AH9BH9CH9DH9EH9FH6. 地址计数器AC 地址计数器AC，用来贮存DDRAM/CGRAM之一的地址，它可以由设定指令暂存器来改变，而之后只要读取或者写入DDRAM/CGRAM的值时，地址计数器的值就会自动的加一，当RS为“0”、R/W为“1”时，地址计数器的值就会被读取到D86D80中。7. 光标/闪烁控制电路此模块提供硬体光标以及闪烁控制电路，通过地址计数器的值来指定DDRAM中的光标或者闪烁的位置。3.4.2 整个模块设计与分析 图3.11 液晶显示与单片机的接口电路图如图3.11所示是FYD12864-0402B液晶显示与单片机的接口电路图。本系统选用的是FYD12864-0402B的并行接口。FYD12864-0402B每屏可显示4行8列共32个16*16点阵的汉字，每个显示RAM可显示1个中文字符或2个16*8点阵全高ASCII码字符，即每屏最多可实现32个中文字符或64个ASCII码字符的显示。将FYD12864-0402B液晶显示模块与单片机相连，通过软件编程来显示传感器采集所得到的温度以及设定的温度。3.5 温度控制模块 3.5.1 光耦器件选型与简介 光耦合器（Optical Couple，英文缩写为OC）亦称光电隔离器，简称光耦。其以光为媒介传输电信号，对输入、输出电信号有良好的隔离作用。其主要的优点包括：信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响，且抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高等。 在本系统中，选用MOC3061，为过零检测双向可控硅输出光电耦合器，是一种新型的光电耦合器件，其通态电流为100ma，触发电流为15ma，峰值电压为600V，隔离电压为7.5KV，工作温度为 -4085，双6脚，用于驱动双向晶闸管。其不但具有隔离功能，而且还可用于输出通道作为开关器件使用。可用直流低电压、小电流来控制交流高电压、大电流。与此同时，其也可用于115/240V交流电源下的带有可控硅驱动的逻辑接口电路。其耐压高，具有过零关断功能，用来控制大功率可控硅的开关。具有结构简单、成本低、触发可靠等优点。其过零检测功能是被选作本系统隔离作用的重点。其引脚图如下图3.9。 图3.8 MOC3061引脚图3.5.2 可控硅器件选型及简介双向可控硅是一种功率半导体器件，也称双向晶闸管。在单片机控制系统中，可以作为功率驱动器件。一般双向可控硅接通的都是一些功率较大的用电器，且连接在强电网络中。其触发电路的抗干扰问题很重要，所以通常是通过光电耦合器将单片机控制系统中的触发信号加载到可控硅的控制极。为了减小驱动功率及双向可控硅触发时产生的干扰，交流电路双向可控硅的触发常采用过零触发电路。过零触发即指在电压为零或零的瞬间接通。在本系统中，选用型号为BTB12-600B的双向可控硅。其主要用途在：变频电路，调光，调温，调光等控制电路。其主要参数有：通态平均电流IT(RMS)为12A，通态浪涌电流ITSM为120A，正向耐压VDRM600V，反向耐压VRRM600V，触发电流IGT（I/II/III/IV）50/50/50/100mA，通态压降VTM1.55V(ITM=17A)，触发电压VGT=1.5V，结温为125度，其管脚排列为T1-T2-G。管脚图如图3.9所示。 图3.9 BTB12-600B管脚图 3.5.3 整个模块设计与分析 图3.10 温度控制电路图 如图3.8所示，图中光电耦合双向可控硅驱动器MOC3061，是用来驱动双向可控硅（BCR）BTB12-600B的，并且也起到隔离的作用。R7为触发限流电阻，R8为双向可控硅门极电阻，有防止误触发，提高抗干扰能力等作用。当单片机STC12C5A60S2的P1.0引脚输出负脉冲信号时，MOC3061导通，触发双向可控硅导通，接通交流负载。如果双向可控硅接感性交流负载时，由于电源电压超前负载电流一个相位角，所以，当负载交流为零时，电源电压为反向电压，此外，再加上感性负载自感电动势的作用，使双向可控硅承受的电压值要远远超过电源电压。虽然双向可控硅是反向导通的，但是也容易击穿，所以必须使双向可控硅能承受这种反向电压。所以，一般在双向可控硅两级间并联一个RC阻容吸收电路，即C6与R9，以此实现双向可控硅的过电压保护。 第四章 软件设计4.1 主程序设计 主程序是系统的监控程序。在程序运行的过程中，主程序的任务是首先对系统进行初始化，包括按键程序以及各个端口的初始化工作，以实现参数输入，并控制硅碳棒电加热器的正常运行。在初始化完成后就进行温度数据采集及处理，以及智能控制等部分。其中温度数据采集及处理主要包括实时采集硅碳棒的温度信号，计算出实际温度与设定值的差值以及温差的变化率，并对硅碳棒的温度信号进行处理。而智能控制则是指温度控制系统的控制方法。显示采集所得温度计算温差e(k)和温差变化率 开始 系统初始化键盘设置给定温度LCD显示给定的温度值经处理过后的信号传入单片机读取A/D转换值并计算当前温度PID控制方式程序求出输出控制量控制输出 图4.1 主程序流程图 4.2 子程序部分4.2.1 A/D转换程序 本设计是将模拟信号转换成数字信号，温度经过处理后转换成电压信号，进入单片机进行A/D转换后成数字量。其中温度范围的计算原理为：每个温度对应一个电压值。在01300度的温度范围内，电压范围在05V的范围内，随着温度的增长，电压呈现接近线性状态的增长，即可计算出温度。下面对与STC12C5A60S2单片机的A/D转换相关的寄存器进行简要的介绍。相关的寄存器列于下表4.1。表4.1 A/D转换相关寄存器符号描述地址 位地址及其符号MSB LSB复位值P1ASFP1 Analog Function Configure register9DHP17ASFP16ASFP15ASFP14ASFP13ASFP12ASFP11ASFP10ASF0000 0000BADC_CONTRADC Control RegisterBCHADC_POWERSPEED1SPEED0ADC_FLAGADC_STARTCHS2CHS1CHS00000 0000BADC_RESADC Result highBDH0000 0000BADC_RESLADC Result lowBEH0000 0000BAUXR1Auxiliary register 1A2H-PCA_P4SPI_P4S2_P4GF2ADRJ-DPSX000 00X0BIEInterrupt EnableA8HEAELVDEADCESET1EX1ET0EX00000 0000BIPInterrupt Priority LowB8HPPCAPLVDPADCPSPTIPX1PT0PX00000 0000BIPHInterrupt Priority HighB7HPPCAHPLVDHPADCHPSHPT1HPX1HPT0HPX0H0000 0000B 1. P1口模拟功能控制寄存器P1ASF STC12C5A60S2单片机的A/D转换通道与P1口（P1.7P1.0）复用，上电复位后P1口为弱上拉型I/O口。我们可以通过软件设置将8路中的任何一路设置为A/D转换，不需要作为A/D转换使用的P1口则可以继续作为I/O口使用。需要作为A/D使用的口应先将P1ASF特殊功能寄存器中的相应位置1，将相应的口设置为模拟功能。P1ASF寄存器的格式如下：PIASF：P1口模拟功能控制寄存器（该寄存器为只写寄存器，读无效）。其介绍如下表4.2所示。表4.2 PIASF格式SFR nameAddressbitB7B6B5B4B3B2B1B0P1ASF9DH nameP17ASFP16ASFP15ASFP14ASFP13ASFP12ASFP11ASFP10ASF当P1口中的相应位作为A/D使用时，要将P1ASF中的相应位置1。其选择功能如下表4.3所示。表4.3 P1ASF设计功能P1ASF7:0P1.x的功能其中P1ASF寄存器地址为：9DH（不能进行位寻址）P1ASF.0=1P1.0口作为模拟功能A/D使用P1ASF.1=1P1.1口作为模拟功能A/D使用P1ASF.2=1P1.2口作为模拟功能A/D使用P1ASF.3=1P1.3口作为模拟功能A/D使用P1ASF.4=1P1.4口作为模拟功能A/D使用P1ASF.5=1P1.5口作为模拟功能A/D使用P1ASF.6=1P1.6口作为模拟功能A/D使用P1ASF.7=1P1.7口作为模拟功能A/D使用 2. ADC控制寄存器ADC_CONTR其格式如下表4.4所示：表4.4 ADC控制寄存器格式SFR nameAddressbitB7B6B5B4B3B2B1B0ADC_CONTRBCHnameADC_POWERSPEED1SPEED0ADC_FLAGADC_STARTCHS2CHS1CHS0ADC_POWER：ADC电源控制位。当为0时：关闭A/D转换器电源； 当为1时：打开A/D转换器电源。进入空闲模式前，最好将ADC电源关闭，即ADC_POWER=0。在启动A/D转换之前一定要确认A/D电源已经打开，A/D转换结束后关闭A/D电源，可以降低功耗，也可以不关