021540138尹凯强自动控温的韧化机控制装置的设计

装订线长 春 大 学 毕业设计（论文）纸自动控温的韧化机控制装置的设计摘要：随着微处理器控制技术的发展，温度的测量与控制技术作为工业中应用最广泛的技术之一与单片机控制系统实现了完美的结合，在很大程度上的满足了温度控制在生产和生活的各种需求。本次设计不仅实现了以STM32F103ZET6单片机为核心的控制系统设计，而且还实现了单片机对温度的采集和控制。温度采集系统把Pt100温度传感器作为主要元件，然后结合配套的温度变送器，将这个信号处理，并将处理后的温度模拟变量通过ADS1115模数转换器转换成0-65535中一个数值，最后把这个值送到单片机中进行计算，处理，对比。把A/D模块读取通过IIC通信发给STM32，然后让获取的数据在LCD液晶屏上显示给人们看。硬件电路有STM32F103ZET6单片机的最小系统，Pt100温度测量电路，温度变送器，LCD1602外接电路和蜂鸣器报警等部分组成。控制程序主要包括主程序，读取温度数值子程序，温度读取后的处理子程序，按键，LCD显示程序等等。除此以外还有工位的卡紧与松开装置的设计等。关键词：STM32F103ZET6单片机；Pt100温度传感器；ADS1115 A/D转换模块； The Design of the Control device of the automatic temperature-controlling toughening MachineAbstract: With the development of microprocessor control technology, temperature measurement and control technology, as one of the most widely used technologies in industry, has been perfectly combined with single-chip microcomputer control system. To a large extent, it meets the needs of temperature control in production and life. This design not only realizes the design of the control system based on STM32F103ZET6 single chip microcomputer, but also realizes the collection and control of temperature by single chip microcomputer. The temperature acquisition system takes the Pt100 temperature sensor as the main component, and then processes the signal with the matching temperature transmitter, and passes the processed temperature simulation variable through A/D. The S1115 analog-to-digital converter is converted into a value in 0 65535. Finally, the value is sent to the single chip microcomputer for calculation, processing and comparison. The AD module is read and sent to STM32, through IIC communication and then the obtained data is displayed to people on the LCD screen. The hardware circuit consists of the minimum system of STM32F103ZET6 single chip microcomputer, Pt100 temperature measuring circuit, temperature transmitter, LCD1602 external circuit and buzzer alarm. The control program mainly includes the main program, reading temperature numerical subroutine, processing subroutine after temperature reading, keystroke, L CD display program and so on. In addition, there is the design of clamping and loosening device of the station, and so on.Keywords：STM32F103ZET6 single chip microcomputer, Pt100 temperature sensor, ADS1115 A/D conversion moduleii装订线长 春 大 学 毕业设计（论文）纸目录第1章 绪论11.1引言11.2论文工作背景、内容及意义21.2.1论文的研究背景21.2.2论文的主要内容21.2.2论文的研究意义2第2章 总体方案设计42.1系统总体设计42.2系统主控模块42.2.1 STM32F103ZET6的简介42.2.2 STM32F103ZET6的最小系统6第3章 硬件电路设计93.1温度传感器模块的选择与设计93.2 A/D转换模块的选择与设计113.3显示电路的选择与设计123.4按键输入电路的设计133.5 蜂鸣器报警电路的设计153.6 步进电机驱动模块设计153.7 输出模块设计16第4章 软件设计184.1 温度采集子程序194.2 按键输入子程序204.3 LCD1602显示子程序214.4 调节温度子程序224.5 输出控制子程序22第5章 总结23致谢24参考文献25附 录27附录1 程序清单27附录2 原理图36I第1章 绪论1.1引言在现代化工业生产中，温度不仅是一个工业设计中非常常见的指标，同时也是一个产品生产中重要的工艺参数。温度与大多数材料的物理特性和化学特性密切相关，并且温度还存在于物理变化和化学变化过程中，在现代化自动生产的一个重要任务就是密切关注温度的变化以及将温度控制在要求的范围内。生产不同的产品和不同的生产方式对于工艺的要求也有所不同。因此，温度的控制也用了不同的方式实现，传统的温度测量方法是用一般的温度计读数。温度计不能跟上由于环境温度的变化引起的温度升高或降低，这种方法会消耗大量的人力和物力，而且对温度值的快速变化不能及时同步测量，控制效果不佳。由于读取误差也是人类所不能被忽略的影响因素之一。想用人工控制温度这种方法，不仅对于工人而言需要的工作更多了，而且无法精确的实现对温度的测量和调节，所以需要寻求更好的温度控制和温度测量方法。随着微电子硬件和微电脑软件的不断被开发，以及微电脑测控技术的日益完善。因为它控制的逻辑方便和简单，控制方式灵活、有效，用户反馈良好，性能绝佳。因此，此项令人喜欢的技术被越来越多的人使用，传播速度很快，在很短的时间和一定的区域内被广大电子爱好者采纳。所以，在航空航天领域，轨道交通控制方面，冶金工艺要求方面，电力控制领域，电信和通信行业，石油和化工提炼过程中把这项控制技术完美的融合在一起，而且这项技术在我们的日常生活中，就像扶梯和直梯运用了不一样的控制技术，微波炉和冰箱温度的定时设定和控制也是用了这项技术，电视机这个每个家庭必备的家用电器，由于这个技术的开发让电视机有了越来越多的功能，玩具与控制的结合让小孩子的童年变得更加丰富多彩，智能相机把我们生活中的每个瞬间得到了记录，全自动洗衣机让不愿意做家务的人得到了解放，智能空调等方面得到了更加广泛的应用。这项技术的应用，使得的一些应用这项技术的高科技产品,前景更加的广阔，特别是在引进计算机控制技术后，许多智能化仪器仪表和测控系统的性能得到了改善。当今社会的仪器仪表设备与传统的仪器设备相比较发生了天翻地覆的变化，这满足了让工业生产的自动化、智能化发展的技术要求。因此，智能单片机控制方法被越来越多的人开发和应用。SCM是由CPU,RAM,ROM, I/O接口，中断系统以及集成器件这几部分组成，把外加的功率和振动的部分融合在一起就可以把单片机读的数字信息进行一系列的处理和控制。因此，越来越多的现代化工业控制生产中都在用单片机控制系统。此系统具有不占空间，小巧易拿，价格实惠，运行稳定以及能适应各种控制系统等诸多优点，所以，温度的测量，处理以及控制选择单片机来进行这一系列的操作是非常明智的，这就使得人们在对温度进行控制时能更加的灵活，稳定和精确。1.2论文工作背景、内容及意义 1.2.1论文的研究背景在微电子技术和微电脑的发展之前，大多数的炉温度控制需要进行手动操作，根据生产工艺要求设置温度，增加对炉的供电时间来使炉内的温度增加，使用这种方式加热就很难实现线性，并且对恒温保持的影响非常大，更不能实现实时的控制，除了控制对象简单的工艺要求是可以实现的，其他的很难实现。为了实现完全自动化的过程控制，实现对温度实时的控制，相对精确，稳定可靠的生产工艺要求，智能温度实时控制系统的研究是非常有意义的。当在温度控制中使用，主要是通过人工控制方式，就是根据加热需要的时间来估计热到预定温度需要的一些条件，然后使用一个普通的温度计来测量，读取和控制加热的时间。这种控制方式不仅让劳动工人感觉特别的累，而且对温度变化快的时候不能调节到需要的范围内，所以就无法实现精确的控制。所以，必须改善加热炉温度控制的模式，以减轻了劳动强度和提高控制精度。1.2.2论文的主要内容使用单片机测量炉的温度，并对温度进行处理，控制，以满足要求。使用温度传感器测量温度，温度变送器电路和A/D转换电路对温度作最初的处理，ADS1115模数转换芯片与STM32之间通过IIC的通信方式传输数据，模数转换后的温度数字量经IIC通信将数据作为单片机的输入，然后单片机进行再一次的处理，让单片机和按键输入电路对技术指标要求的温度的进行相应的设定、控制、测量以及显示电路的设计来实现自动控温的功能，再实现对工位的卡紧和松开功能达到韧化机实现汽车PVC管路的造型进行固化和成型的所需要达到的技术指标。自动控制温度的智能化、自动化使得工人在工作时减少了工作量，在生产中节省了原材料的消耗，不仅提高了工作效率而且还为公司降低了成本。1.2.2论文的研究意义单片机可以对加热、降温过程进行相应的控制，这就让生产过程使用了越来越多的自动化技术，这就使得这项技术快速的发展了起来。生产过程的自动化是使得生产的产品符合要求，减少生产中材料的消耗，工人工作时的环境条件得到了改善，生产过程的安全性得到了提高，按时完成生产任务的重要手段。温度控制系统来控制温度对企业具有重要的意义:1.工人在工作的时候不再像以前那么累，同时也让工作环境变的干净。由于单片机系统控制温度，工人就不用来来回回的检查温度是不是在范围内和加热炉是不是处于正常的运行情况，并可以将工人的工作区域与加热区域分离开，不会危害工人的健康。2.提高控制的准确性，以及数据读取的更加精确。SCM可以实时温度的变化与温度的处理同时进行，减少加热时因为加热开短时间影响出现的滞后温度，使得温度控制更加的准确，精度也有所提高。3.提高工作效率，降低成本，系统由SCM控制可以更快实现温度控制的效果，加快了工人完成生产任务的时间，减少了能源的损耗，生产成本少了很多，这就使得工人较比以前用更少的劳动完成应该完成的工作，也能过够在规定的时间内完成车间安排的生产任务。4.提高企业可控制电加热技术的应用水平。此技术开发和应用能锻炼企业技术人员的能力。第2章 总体方案设计2.1系统总体设计该系统使用STM32F103ZET6作为核心处理器，其他电路主要包括:LM2596电源模块供电电路，Pt100温度传感器检测电路，按键输入设定温度电路，A/D模数转换电路，温度变送器外接电路，LCD1602液晶屏显示实时温度电路，步进电机驱动步进电机卡紧PVC管电路，蜂鸣器报警电路以及加热模块构成的输出电路。使用Pt100温度传感器测量炉的温度，将测量到的温度模拟量经过ADS1115模块A/D转换后，转换得到的数字量传到STM32F103ZET6单片机内，单片机将得到的温度与设定的控制温度比较，通过单片机对温度的设定、控制、测量和显示电路的设计来实现自动控温和实时显示温度的功能，再实现对工位中PVC管道的卡紧和松开功能，来实现汽车PVC管路的造型进行固化和成型的功能。系统总体设计框图如图2.1所示。图2.1系统总体设计框图2.2系统主控模块2.2.1 STM32F103ZET6的简介STM32F系列的单片机是一个很常见的单片机，虽然32位的ARM微控制器中比它高端的有很多，但是还有很多人选择它。设计并生产出了这个系列芯片的是意法半导体（ST）公司。经过升级后的最先进的一代嵌入式ARM处理器就是运用了Cortex-M3，它以比较少的钱满足了MCU的要求，以价格低廉的平台，较少的引脚数，少到几乎没有的功率损耗被大多数人接受，同时它的计算速度比较快，能力比较强大，而且中断响应速度也很快。ARM的Cortex-M3是32位的RISC处理器，提供额外的代码效率，在通常8和16位系统的存储空间上发挥了ARM内核的高性能。STM32F103ZET6管脚图，如图2.2所示。图2.2 STM32F103ZET6管脚图2.2.2 STM32F103ZET6的最小系统STM32F103ZET6的最小系统主要有五个重要部分组成。这五个部分的完整性能过够让单片机能够稳定的运行。稳压模块供电电路、时钟源电路、BOOT单片机运行方式选择电路、JTAG程序在线调试电路、按键和上电复位电路。就是因为这五个部分的共同作用，才让STM32单片机在不一样的系统和要求的情况中得以展现不同的优势。(1) 电源电路：STM32单片机一般要用3.3伏的直流电压供电，因此，选择LM1117-3.3用作此次芯片供电的降压芯片，这是一个低压差的电压调节芯片。这个芯片的最低输入电压仅仅比输出电压高出1伏就可以让它正常的工作。管教的设置根据的是国家标准，在接线时方便了很多。LM1117也有可以通过电位器的调节来调节电压的功能，外部电路通过电位器分为两个电阻的比例来实现1.2513.8伏的输出电压调节，这就能在不一样供电要求的情况时完成技术指标。而且为了方便还生产了5个确定的电压输出（1.8伏、2.5伏、2.85伏、3.3伏和5伏）的模块，在使用时更加的方便，使电路简单了不少。电源电路原理图如图2.3所示。图2.3电源电路原理图(2) 时钟源电路：时钟源是用晶振和电容的产生谐振，可以提供精确的频率基准。单片机在时钟源电路中采用的一般都是石英晶振，它的材料就是石英，全称石英晶体谐振器，俗称晶振。它的作用就是提供精确的频率，因为石英化学性质和物理性质稳定，所以它很稳定，对外界环境有一定的抵抗性，晶振在各种电子产品中很常见。晶振就是为了给最小系统提供最基础的时钟信号。时钟源电路原理图如图2.4所示。图2.4 时钟源电路原理图(3) BOOT启动电路：启动，就是说在给单片机烧录了程序后，重新的启动芯片的时候，在系统时钟的第4个上升沿，锁住BOOT引脚的数值。我们在选择程序复位后的方式的时候，BOOT1的状态与BOOT0引脚不一样，启动方式也有所不同。BOOT引脚功能介绍如表2.1所示。BOOT启动电路原理图如图2.5所示。表2.1 BOOT引脚功能介绍启动模式选择引脚启动模式说明BOOT1BOOT0x0主闪存存储器主闪存存储器被选为启动区域01系统存储器系统存储器被选为启动区域11内置SRAM内置SRAM被选为启动区域图2.5 BOOT启动电路原理图(4) 调试接口电路：JTAG是国际上常见的标准测试过程中的一个协议，这个调试方式就是可以在线的进行程序的调试，这样能更加容易的检查程序的错误。被越来越多的高端元件都能够适应JTAG协议，如ARM、DSP、FPGA器件等。标准的JTAG接口是4根线：Test Clock Input、Test Mode Selection Input、Test Data Input、Test Data Output ，这四种接口为模式的选择、时钟、数据的输入和数据的输出线。JTAG调试方式是在线编程调试，比较常用的生产过程是芯片被预编程后再放到板子上，然而这个过程经过升级后变得方便了很多，元件先被放在板子上，再用JTAG编程，因此工作花费的时间减少了很多。JTAG不仅可以对STM32F系列在线调试编程，同时也可以对DSP控制系统里面全部的元件编程。调试接口电路原理图如图2.6所示。图2.6调试接口电路原理图(5) 复位电路：STM32有三种复位方式：系统复位、电源复位和后备域复位。采用电源复位的方式，当RST引脚被拉低产生外部复位时，产生复位脉冲，从而使系统复位。复位电路原理图如图2.7所示。图2.7复位电路原理图第3章 硬件电路设计3.1温度传感器模块的选择与设计温度传感器的选择：目前，温度传感器的分类的方式数不胜数，琳琅满目，但是仍然没有一个确切的方式。有的方式是通过输出信号是否是模拟量来分类，分成了输出模拟量的温度传感器和输出数字量的温度传感器这两大种类。还有把温度测量方法作为分类方式的，分成了有接触的温度传感器和非接触的温度传感器这两大类别。根据类型这个分类方式可分为以下三种：有分立式温度传感器(含敏感元件)，模拟集成的温度传感器和智能温度传感器(即数字式温度传感器)。从测量原理可分为变电阻式温度传感器，这种传感器根据电阻温度不同，电阻的大小不同这个原理制作出来；电势式温度传感器（热电偶）；压电效应频率，光学反应的温度传感器等，每一种温度传感器都有自己独特的用途和特点，在不同的场合应该应用不能同的传感器，这也是需要对他们的优点和缺点都有所了解，才能选出适合本次设计的温度传感器。使用体积膨胀这类的温度传感器，不需要供电。电阻温度传感器分为内部是用铜做的电阻，精度不高，价格便宜，容易买到；铂电阻,不仅精度相比较铜电阻变得更高了，而且价格也相应的提升了；热敏电阻，对于温度的变化不够及时的知道，反应速度慢，但他有测量准确的优点。热电效应温度传感器，虽然这个传感器有温度测量跨度大，测量准确的优点，但是测量温度的时候需要增加冷端补偿，这就大大增加了成本。压电效应这个原理和频率的改变可以让温度传感器输出的数值作为基准。高温非接触式测量温度的温度传感器被设计成根据不同光的强度并随着改变的传感器。温度传感器与其他的传感器相比被设计出来的很早，出现大的场合的也最多，这与温度的重要性一样，这类传感器在工业中变得也来越重要。温度传感器的种类很多，样式也很多，但是生活和工业中容易见到的也就以下三种：热电阻温度传感器、热敏电阻温度传感器和热电偶温度传感器。半导体在最近几十年技术越来越成熟，为热电偶温度传感器的设计和生产提供了大力支持，在本世纪先后研究出了热电偶传感器，半导体PN结温度传感器和集成温度传感器。因此， 声学温度传感器的研发把波和材料这两种物理物质的相互影响加入了其中，同时还研究并开发出了红外线温度传感器和微波温度传感器。解决方案一：选择热电偶传感器热电偶作为温度测量的元件，具有结构简单，测量准确，测量的温度范围比较大，具有良好的灵敏度的优点，是最广泛使用的温度测量。解决方案二：选择热电阻传感器在工业需要对温度控制时并且温度范围要求-200+ 500之间时通常把热电阻作为设计的第一选择，在科学技术不断更新进步的当今社会以及测量范围要求不断提高的今天，最低可以测量的温度是-272.5，然而可以测量的最高的温度是1000。热敏电阻温度传感器的特性是精度高，被较低的温度测量所使用。在560以下的某一温度的情况下，热电阻温度传感器测量温度输出的信号相比热电偶传感器更加容易获得。本次设计的系统对于温度的工艺要求是0 150，这个范围非常的容易实现，而且要求的精确度不是很高，虽然对于这两种传感器都能够非常轻松的满足，考虑到热敏电阻，热电偶和热敏电阻的特性，应该选择热电阻温度传感器。此外，铂电阻，耐热性和铁和镍和铜的电阻等相比，各有其特点。因为铂电阻稳定性，性能稳定可靠，因此本次的设计选择的是生活和工业生产中容易见到和使用比较多的Pt100温度传感器。所以，根据本次系统设计的工艺要求以及一些精度要求，所以解决方案二。 Pt100温度传感器与生活和工业上的所用的传感器相似，是一个能够转换温度的数值并且可以将标准信号输的模块。这种传感器常常被用在生活和工业生产中测量控制工程工艺参数中的温度。与温度传感器配套的变送器只要有两个部分组成：传感器和信号变换器。对于传感器来说，就是上面介绍的传感器，热电偶和热电阻的都可以；然而信号变换器，组成部分大概有测量单元，信号放大滤波以及转换单元，这种独立的变换器也可以看作一个发射机，先进的发射机还被加入了显示部分，有的还把现场总线的部分加入其中。在医疗，电力，工业，温度的计算和高精度恒温设备，应用范围很广。Pt100温度变送器把能够常常碰到的热电偶和热电阻温度传感器当作测量元件，然后把测量元件测得的微弱和带有谐波的信号输出给变送器模块，变送器模块中的稳压和滤波电路，经过运算放大器组成的放大电路，再把滤波放大的信号进行处理得到相对线性的信号，然后电压和电流之间的转换，变成一个几乎不变的电流信号以及对模块防止反流的保护电流，经过这一系列的处理，最后输出的信号变成了线性4-20毫安的电流信号或者0-5伏的电信号以及0-10伏的电压信号这三种输出信号。这个温度变送器与Pt100传感器常常被用在在石油、化工、化纤；纺织、橡胶、建材；电力、冶金、医药；食品等工业生产中作为测量温度的器件以及现场测温过程控制，与此同时，这种传感器与计算机的测量控制系统结合在一起，而且还能够与其他的一些测控仪器放在一起使用，这就让温度的控制变的简单了很多。本次设计用到这个变送器有很多独特的优点：测量精准确切，量程可以根据设计的需要调节，外部连接的零点也是可以改变的，测量温度稳定可靠，正迁移可达500%、负迁移可达600%，连线方式种类多，在不同的控制系统的有相对的选择性，例如有二线制的连接方式、三线制连接方式和四线制的连接方式，内部的阻尼也可以根据需要调节、对于高电压的耐压性较好，固体传感器设计，没有机械可以活动的器件，基本不需要维修，节省了人工成本，轻巧好拿，一个系列的所有变送器都具有一样的结构，互换性强，小型化。Pt100温度传感器、温度传感器变送器如图3.1所示。图3.1 Pt100温度传感器、温度传感器变送器3.2 A/D转换模块的选择与设计A/D转换模块的选择：模数转换器就是A/D转换器，或简称ADC，这个器件的主要功能就是把模拟量变成数字量。一个输入的模拟信号被常常用到的数转换器转变成一个输出的数字信号。然而，由于数字信号本身的性质，它没有实际含义，只是用来代表一个相对于模拟信号的大小关系。因此，在经过模数转换器转变后输出的数字量不仅需要根据不同信号选择不同的公式进行换算，还需要一个模拟信号作为参考，这个参考量一般选择最大的迷你信号，最后算出来的就是模拟量想要代表的物理量。解决方案一：选择MC14433MC14433是31/2 BCD输出，双积分型A/D转换芯片，转换一次的时间大概是100毫秒到1秒之间，转换速度挺慢的，它的工作电压是5伏的电压，当测量的电压是299.9毫伏时输入的模拟电压相应为300毫伏，并且2.999伏的模拟输入的电压是3伏。解决方案二：选择ADS1115ADS1115是一个16位的模数转换芯片，它的转换的很精准，芯片的PCB封装很小巧，在PCB板子上占的面积很小，所以不仅在很多实际的工程中应用它能够节省很大的空间，而且它16位的精度能够满足大部分设计的需要。ADS1113/4/5这些芯片设计商在设计他们的时候就把精确度、工作时的功率损耗和简单明了的外部电路作为设计的核心。ADS1115是一块非常实用的芯片，在它的板子上就设置了一个基准和振荡器。不仅对ADS1115的寄存器发送指令配置而且还有A/D转换后的数据输出给单片机都是用的IIC通信的方式，这种方式不仅接线简单而且还为单片机节省了IO口。通过给ADS1115的寄存器发送不同的指令，可以在4个IIC从机地址中选择不同的转换通道。ADS1115只需要用单个电源就可以，而且电压范围很广，2伏到5.5伏都可以。ADS1115这个模数转换器在工作时可以最高860个采样数据的速度转换输入到芯片中的模拟量。ADS1115在芯片的内部还设置了一个可任意编程的增益放大器，这个增益放大器能够满足从供电电压到最低256mV的输入电压的范围，因此能够把大的输入信号和小的输入信号用高的精度进行测量。除此之外，ADS1115还具有一个输入多路复用器(MUX),可提供2个差分输入或4个单端输入。ADS1115有两个工作模式，分为连续的转换模式和单触发的转换模式。单触发的转换模式在一次转换过后就会断电，因此这种工作模式几乎不会顺豪公路，能够有效的节约能源。ADS1115具有-40至+125的规定温度范围。根据MC14433和ADS1115的特性，ADS1115的采样速度和转换速度快，工作电源范围广泛，使用起来比MC14433方便。ADS1115具有16位分辨率，满足误差要求,故选择ADS1115作为本次设计的A/D转换模块。ADS1115模块原理图如图3.2所示。图3.2 ADS1115模块原理图3.3显示电路的选择与设计在单片机系统，数码管和LCD常常被用来作为显示的部分。解决方案一：数码管显示器采用七段码显示，在数码管每一段都相当于一个发光二极管。数码管分为两种类型的，主要分为共阳极和共阴极的数码管。共阳极的数码管内的每个发光二极管的阳极被连接在一起，当另一端为低电平时数码管的那一段就会亮。对于共阴极的数码管，就与共阳极的正好反过来，内部发光二极管的阴极连一起，阳极则为段选线。它们不仅内部的连接方式不一样，而且每一位的驱动方式也有不一样的地方。当共阳极的数码管需要被点亮其中 的一段的时候，公共引脚连接的时电源的正极，因此选择段的那一端连接的为低电平的时候，才能把这一段点亮。当共阴极的数码管需要被点亮其中 的一段的时候，公共引脚连接的时电源的负极，因此选择段的那一端连接的为高电平的时候，才能把这一段点亮。解决方案二：LCD显示电路大都是采用LCD01602 液晶显示屏。LCD01602 液晶显示屏也被称为1602字符液晶，它只能被用来显示数字、符号以及字母并不能显示汉字。它是由许多5*7或者5*11的点阵中点的不同位置的组合来显示想要的符号的，每一个点阵每一次可以显示一个字符，点阵与点阵之间有一定的间隔，方便看显示的内容，行与行之间也具有一定的间距。LCD1602液晶屏能够两行同时显示，每一行里面最多显示16个字符。它的功率损耗非常大的小，占用的空间也很小，可以满足小空间的情况，并且屏幕比较薄等优势。被运用到在一些小的仪表和功率小的工程中。数码管与LCD背光没有太大的差异，都是有相同的TN面板。背照射型，CCFL二极管和冷阴极管，比较好的二极管，节能，环保，地方小，亮度高，款式新颖，但价格昂贵。LCD相比来说不错，可调范围是相当高的。所以，本次设计选择解决方案二。LCD1602显示电路原理图如图3.3所示。图3.3 LCD1602显示电路原理图3.4按键输入电路的设计 在很大一部分单片机控制系统中，很多都需要人与机器之间有一些交互的功能，采用按键输入的方式时最常用的方式之一。工程中常常用到的按键接线电路主要有两种，例如一对一直接连接的接线方式和矩阵键盘动态扫描的连接方式。解决方案一：运用一对一直接连接的接线方式。在独立式键盘中，每一个按键都互相不会影响，独立的工作，因为每一个按键都分别把按键的一端通过一根导线与单片机I/O口相连接，所以每一根导线上传输额按键状态都不会与其他的线出现信号的干扰情况。根据这个工作原理，通过检测导线上输入给单片机的高低电平信号就很容易被单片机读取出来，并判断按键是否已经被按下了。独立式键盘之所以广泛的应用这工程中，就是因为它灵活、可靠和稳定等一些列优势，不仅外电路简单而且程序写起来也不是特别难。由于每一个按键都需要占用单片机的一个I/O口，所以当系统被设计的时候需要很多按键来输入不同的数据就会造成I/O的浪费，不仅电路接线杂乱无章，还是得程序显得特别的多。因此，这种形式的按键接线方式常常被用在按键少和动作快的工程中。解决方案二：采用矩阵键盘动态扫描的连接方式。矩阵式键盘可由行线和列线组成，按键位在行、列的交叉点上，分别连按键开关的两端。行线通过上拉电阻连到VCC上。平时若无按键的动作的时候，则行线处于低电平状态，当有按键按下的时候，列线电平则应该为低电平，行线电平为高电平。这是识别矩阵式是否被按下的重要依据。因此，各按键彼此将相互影响，所以必须得将行、列线信号配合起来并作适合处理，才能确定闭合键位置。很明显来看，在按键数量较多场合，矩阵式键盘与独立式键盘相比而言，是要节省很多的I/O口。由于本系统需要7个按键，分别控制进入数值加、数值减、确认、退出和PID参数的设置。故选择独立式键盘。按键输入电路原理图如图3.4所示。图3.4 按键输入电路原理图3.5 蜂鸣器报警电路的设计在单片机控制系统中，为了安全生产，对于一些重要数据或系统关键重要部位，都有紧急状态报警装置系统，来提醒操作人员注意，或者采取紧急措施。其方法就是把PC采集数据或记过PC进行数据处理滤波,然后数据的标度变换之后，与参数数据给定值或者设定值范围进行比较，如果高于上限值(或低于下限值)则进行报警，否则就作为正常的采样值，进行控制与显示。在现实工作过程中，很容易碰到由于偶然因素造成的未能及时控制加热炉的温度从而造成工业上的重大事故，对于工业生产可能造成非常不好的影响，所以对于温度进行过限报警有着很重要的现实意义。此次设计是针对工业生产中的温度的自动控制来控制装置，低温加热的控制达到工业生产的范围。也可以调整测量的温度的范围，达到设定值。不仅在温度低于限定值是可以报警，在温度超过限定温度是，亦可以进行报警，避免因未及时报警造成损失。该电路采用一个小功率三极管Q1驱动蜂鸣器BELL,当单片机接收到超额温度信号或危险信号时，输出脚BEEP输出高点平，Q1导通，致使蜂鸣器BELL得电工作，发出报警声。同时，电路中的发光二极管指示出电路的工作状态。报警电路如图3.5所示。图3.5蜂鸣器报警电路3.6 步进电机驱动模块设计步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制电机，是当今社会在单片机控制系统中被作为重要的执行器件，生活中方方面面基本都在应用它。步进电机在负载不多的情况下，电机的转动速度和电机转过的角度仅仅由脉冲信号的频率和脉冲数所决定，并会因为负载而改变。每当输入步进电机的驱动模块一个脉冲信号，它就会使得步进电机按照设置的方向转动一个固定的角，这个角在工程上称为“步距角”。在对步进电机进行控制的时候，我们能够把脉冲个数的控制来完成对角度的控制，就能够将步进电机精准的定位。与此同时，电机的转动速度以及加速度能够被脉冲频率所控制，完成对速度调节的任务。步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。步进电机驱动模块电路图如图3.6所示。图3.6步进电机驱动模块电路图3.7 输出模块设计输出模块主要是加热装置。本次设计的加热装置采用电阻丝。电阻加热是最简单（也是最老的）基于电力的加热方法，可加热金属、熔融金属或非金属，效率几乎可达到100%，同时工作温度可达到2000。故而可应用于高温加热，也可应用于低温加热。因为它可以很方便的控制和能够在很短的时间内升高温度，所以从加热至熔融状态的金属到加热食物的很多方面都常常的选择用电阻加热。电阻加热这种方法就是把电流流过电阻后消耗的电功率转变成热效应，利用这个热效应产生的热能对物体进行加热。电阻加热根据电流流过的导体不同可分为间接加热和直接加热两大类别。间接电阻加热是让电流通过电热元件或导电介质，例如电阻丝、热敏电阻（PTC）、电热膜等，使电热元件首先发热，然后利用电热元件产生的热量以热传导、热对流或热辐射等方式间接加热目标物体。传统的利用埋入模具中的电热元件加热模具的方法均属于间接电阻加热。电阻丝加热电路如图3.7所示。图3.7电阻丝加热电路第4章 软件设计本次系统运用的软件主要是采用C语言，C语言是一种对于各种各样的编程语言来说比较容易的语言，把这个语言作为单片机编程的语言可以比较容易的完成本次温度控制系统设计的任务。主程序对每一个模块进行初始化配置，而后调用AD转换子程序读取实时的温度，将读取到的温度进行一系列的处理，送到LCD1602 液晶显示屏显示，键盘设定需要达到的温度，读取的温度与设定的温度对比，比较。此温度控制系统的工作流程是，操作人员在键盘输入模块上通过按不同按键可以输入不同的数值，以此满足所有设定值的要求，当人们输入的温度数值与温度传感器测量到温度数值不相同时，单片机控制系统就会进入相应的程序，控制外部电路完成想要的动作，最后实现设定的温度与实际温度相匹配。此设计的程序流程主要包括六个部分，第一部分是主程序，这部分程序主要描述了每个部分的初始化配置和总体的硬件动作过程;第二部分是Pt100温度采集子程序，其功能是通过Pt100传感器采集温度值，再经过温度变送器的处理送到AD转换模块，最后经AD模数转换后得到温度的数字量，IIC的通信方式把模数转换芯片和单片机之间实现了沟通，单片机把得到的温度数字量数据经过特定的公式计算，还要对数据进行滤波矫正;第三部分程序是LCD160液晶屏幕显示温度和设定的温度的子程序，首先要把一些指令通过8个数据口发送给LCD1602寄存器，为了对屏幕初始化设置显示的位置，测量到的温度经过上一步后被发送到屏幕上显示;第四部分是输出控制部分的子程序，把工人设置的温度值与实际测量到的温度值相减作差值，根据差值的大小来控制输出电路是否要给PVC管加热;第五部分是按钮输入电路，这部分电路就是工人设置温度关键的一部分，不仅修改需要的温度还要将温度范围的上下限值输入。第六部分，PVC管工件卡进和松开电路，在工人设置温度数值之前先将PVC管放在卡紧装置之间，当温度设定好了自动卡进，当加热的温度和时间达到要求后就将工件松开，符合要求的进行实现工位的卡紧和松开的功能的实现。本次设计把循环查询方式作为控制程序的形式，用这种方式不断的查询数据，把改变的数据重新在程序中处理一次，就像温度的变化，由于外界温度的变化，温度也是无时无刻都在变化的，所以要不断的采集温度才能实现自动化。主程序的主要功能就是整个控制系统的控制流程，主要包含了Pt100温度测量、温度变送器的处理、液晶屏上的温度显示、按键输入温度和设定以及输出等等子程序。程序流程图如图4.1所示。图4.1程序流程图4.1 温度采集子程序温度采集子程序的主要功能包括初始化IO端口，把IO口设置成输入模式用以读取温度数值，然后初始化IIC通信，因为模数转换器和单片机之间是经过IIC进行沟通的，然后把配置AD模数转换器的指令通过IIC通信发送给模数转化器，在读取温度时就是读取AD转换模块的转换值，将AD转换后的得到的转换值经过温度公式计算后变成相对应的温度值，温度值作为返回值返回。其中在Pt100采集电路中，Pt100输出的是一个很小的电阻模拟量信号，这个经过温度变送器两级放大和转换后，输出0-5V的电压模拟量信号，得的电压模拟量信号不能够直接被单片机获取，最后输入到单片机电路中的最终数据，因为单片机IO口接受信号时只能读取数字量，而不能够读取出来模拟量，这就需要把模数转换放在单片机读取输入信号之前，将模拟信号转换为数字信号后，再用导线发送给单片机，模数转换器ADS1115转换精度是16位的，这就减小了采集和程序中产生的误差，虽然其中还会或多或少的存在一些误差，有些误差是不可避免的，但是在控制加热炉的的过程中，这些误差对于整的系统是不会产生影响的。温度采集子程序如图4.2所示。图4.2温度采集子程序4.2 按键输入子程序按键输入子程序主要功能就是将工业生产中的工艺要求的温度输入到单片机中，与温度传感器测量到的温度比较，如果实际测到的温度比需要的温度小了，就将输出电路供电，进行加热。本次设计按键输入电路用了四个按键，分别是设置按键,加一，减一，确定按键这个功能。首先，程序先对四个IO口进行初始化，配置为输入，按键按下单片机能检测到单片机IO的状态，这样程序就可以开始运行。初始化后，按下设置按键，LCD液晶屏上的光标开始闪烁，当按下加一按键时，屏幕显示的设定温度在原有的数值上加一，如果需要比原来的温度低一些就可以按下减一按键，这样设置的温度就可以降下来，最后，屏幕上显示的温度与我们想要设置的温度相同时，就可以按下确认按键。经过上边这些操作就完成了对温度的设定，之所以选择了四个按键，就是因为操作很简单，不需要培训就可以使用。按键输入子程序如图4.3所示。图4.3按键输入子程序4.3 LCD1602显示子程序LCD1602液晶显示子程序主要是把Pt100温度传感器测得的数据实时的显示出来以及需要设定的温度设置时显示光标的位置和数值的变化。首先要对液晶屏进行初始化，初始化包括两部分内容，分别是对端口的初始化和对屏幕寄存器的配置，端口初始化就是将IO口设置为推挽输出模式还要初始化端口的传输速度，然后发送DDRAM的内容和地址进行操作的指令就能对屏幕的寄存器进行配置。温度的实时显示，屏幕是在实时刷新的。在对需要的温度设定时，不光需要改变屏幕上的字，而且还需要显示光标的位置。LCD1602显示子程序如图4.3所示。图4.3 LCD1602显示子程序4.4 调节温度子程序在单片机收到设定的温度后，与现在的温度进行比较，算出了温度之间的差值，如果差值大于某一设定值就将信号发送给输出模块，输出模块开关闭合后，开始对PVC管加热，然后当差值小于或者等于这个差值时，就用单片机控制输出模块将开关断开，这就实现了温度的调节。由于外界环境的原因，如果不在加热，温度会慢慢的降低直至与环境温度相同，所以不仅要在设定后完成对加热模块控制，还得让温度保持在与设定温度相近，并且允许的范围内，这就需要这个子程序不断的循环，直至完成车间的生产任务。4.5 输出控制子程序输出控制的程序相对来说比较简单，因为主要是输出模块的作用，单片机主要是控制继电器的线圈是否得电吸合。当温度差值大于设定值时，单片机就让IO口输出一个高电平，然后通过上啦电阻的作用，使得继电器线圈得电，常开触点闭合，加热模块开始加热，加热到与设顶的温度相近时，单片机输出一分低电平信号，使得继电器线圈失电，常开触点断开，加热模块停止加热。第5章 总结本次设计的目的就是为了实现对温度的自动控制来控制韧化机对PVC管的塑性工作，可以在温度过低或过高时，发出报警。设计的主要电路部分是温度传感器采集温度部分，LCD显示温度和设定值部分，输出电路对PVC管加热部分，按键输入设定值的部分和温度调节部分。本设计是基于单片机的自动控温的韧化机控制装置的设计，在控制器之外还要再扩展一些外部的模块，这就需要我在选择外部模块的时候根据实际情况来选择，先大概选出两到三个，再对比他们的优缺点选择最适合本次设计的传感器。其中，关于温度传感器模块的选择，最后决定选择使用Pt100温度传感器并且还运用了与Pt100传感器配套使用的变送器来进行温度采集工作，由于Pt100的温度采集的结果很准确稳定以及外部电路连接相对简单，所以选择这一套温度采集模块来完成温度测量工作。单片机对采集的温度数据和设定的温度数据用程序进行计算，处理，输出高低电平信号给输出模块，用来控制加热的时间和是否加热。经过对本系统的调试，本系统完全能够让单片机完成温度采集的工作，温度设定的工作以及将采集的温度信息传送到屏幕上呈现给人们的工作。对于测量到的温度还需要是监测并且在不符合要求时报警，这就需要单片机系统能够准确的测量到实时的温度和与设定温度的差值是否在合理范围，并在温度超过设定值合理范围时报警，并且作用继电器停止加热，当温度低于设定值很多的情况下发出警报而且加快加热的速度，与此同时，也能实现对韧化机的控制装置的功能。在这半个学期的设计过程中，让我从刚刚接触office和Altium Designer到能够熟练的操作这两款软件了，这就是一项技能，在以后的工作或者学习中能够用到，这也算是毕业设计的一项巨大收获吧。最后，由于受限于自己的知识和时间，关于所做温度控制系统的控制装置还有很多未完善的地方，我会在今后的学习生活中进行完善。致谢本次毕业设计论文是在我的指导老师吴旭志老师一点一点的告诉我论文分为几个部分，并且每个部分该怎么