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序号（学号）： 021540138长 春 大 学毕 业 设 计（论 文）自动控温的韧化机控制装置的设计姓 名尹凯强学 院电子信息工程学院专 业电气工程及其自动化班 级电气15401指导教师 吴旭志（讲师）2019年6月13日装订线长 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AD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。硬件电路主要包括STM32F103ZET6单片机最小系统，Pt100温度采集电路，温度变送器，LCD1602显示电路和报警等系统。程序主要包括主程序，读取温度子程序，温度处理子程序，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 AD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 adopts Pt100 temperature sensor and temperature transmitter, and converts the collected analog value into digital quantity through ADS1115 analog-to-digital converter. Finally, the digital quantity is converted into digital quantity. Send to the single chip microcomputer for processing, comparison. Single chip microcomputer can display the collected temperature on LCD1602 LCD screen in real time. The hardware circuit mainly includes STM32F103ZET6 single chip microcomputer minimum system, Pt100 temperature acquisition circuit, temperature transmitter, LCD1602 display circuit and alarm system. The program mainly includes the main program, reading temperature subroutine, temperature processing subroutine, keystroke, LCD 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 AD conversion module;ii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133.4按键输入电路的设计133.5 蜂鸣器报警电路的设计143.6 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194.3 LCD1602显示子程序204.4 调节温度子程序214.5 输出控制子程序21总结22致谢23参考文献24附 录25附录1 程序清单25附录2 原理图32I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，不仅对于工人而言劳动强度大，而且无法实现对温度的精确控制，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，在不长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，微波炉和冰箱的温度和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同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释放，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，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，这种变化是可以看到的，这满足了让工业生产的自动化、智能化的发展的技术要求。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，运行稳定和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，这就使得温度测量的精度与控制系统的灵活性和可靠性被进一步的提高。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，实现对温度控制实时性，高精度，高稳定性的生产工艺要求，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，温度变送器电路和AD转换电路，ADS1115模数转换芯片与STM32的通信方式IIC，模数转换后的数字量被IIC通信送给了单片机，然后单片机进行处理，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花销。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，这就是得它快速的发展了起来。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，改善工人工作条件，增强生产过程的安全性，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，这比以前好了不知道多少。由于单片机系统控制温度，工人就不用不断的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.提高控制精度。SCM可以实时控制温度，减少加热滞后的温度，提高加热的精度。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，这就让工作能轻松，按时的完成生产任务。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:LM1117-5电源模块供电电路，Pt100温度传感器模块检测电路，按键输入模块输入设定温度电路，AD转换模块模数转换电路，温度变送器模块放大电路，LCD1602液晶显示模块显示实时温度电路，步进电机驱动模块卡紧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AD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系列的单片机是一款很容易见到的单片机，它的功能在32位的ARM微控制器中不算是中高端的，意法半导体（ST）公司设计并生产出了这个系列的芯片。最新一代的嵌入式ARM处理器就是运用了Cortex-M3，它以比较少的钱实现了MCU的要求，以价格低廉的平台，较少的引脚数，很低的系统功率损耗被大多数人接受，同时它还具有很强的计算能力和先进的中断系统响应。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Stm32的内核是ARM 32位的Cortex-M3 CPU，它具有最高72MHz的工作频率，在存储器的0等待周期访问时可达1.25DMips/MHz(Dhrystone2.1)，以及单周期乘法和硬件除法。存储器：256K至512K字节的闪存程序存储器，高达64K字节的SRAM，带4个片选的静态存储器控制器，支持CF卡、SRAM、PSRAM、NOR和NAND存储器，并行LCD接口，兼容8080/6800模式。时钟、复位和电源管理，具有2.0-3.6伏供电和I/O引脚、上电/断电复位(POR/PDR)、可编程电压监测器(PVD)、4-16MHz晶体振荡器、内嵌经出厂调校的8MHz的RC振荡器、内嵌带校准的40kHz的RC振荡器以及带校准功能的32kHz RTC振荡器。低功耗，具有睡眠、 停机和待机模式，以及VBAr为RTC和后备寄存器供电。模数转换器，具有2个12位模数转换器，1us转换时间（多达16个输入通道），转换范围：0至3.6V，双采样和保持功能，温度传感器。DMA，2个DMA控制器，共12个DMA通道：DMA1有7个通道，DMA2有5个通道；支持的外设：定时器、ADC、SPI、USB、IIC和UART，多达112个快速I/O端口(仅Z系列有超过100个引脚)，26/37/51/80/112个I/O口，所有I/O口一块映像到16个外部中断；几乎所有的端口均可容忍5V信号。调试模式，串行单线调试（SWD)和JTAG接口，多达8个定时器，3个16位定时器，每个定时器有多达4个用于输入捕获/输出比较/PWM或脉冲计数的通道和增量编码器输入，1个16位带死区控制和紧急刹车，用于电机控制的PWM高级控制定时器，2个看门狗定时器（独立的和窗口型的），系统时间定时器：24位自减型计数器，多达9个通信接口：2个I2C接口(支持SMBus/PMBus)，3个USART接口（支持ISO7816接口，LIN，IrDA接口和调制解调控制），2个SPI接口(18M位/秒），CAN接口（2.0B主动），USB 2.0全速接口。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单片机运行模式选择电路、JTAG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。它的管脚的设置与国家半导体的工业标准器件LM317的一样。LM1117也有可以利用不同的电阻比调电压的功能，通过2个外部电阻可实现1.2513.8V输出电压的调节，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个固定电压输出（1.8V、2.5V、2.85V、3.3V和5V）的芯片，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，它的材料就是石英材料，全称石英晶体谐振器，俗称晶振。它的作用就是产生精确的频率，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。晶振的作用是为最小系统提供最基本的时钟信号，电容的作用是保证晶振输出的震荡频率更加稳定。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SYSCLK的第4个上升沿，把BOOT引脚的值锁住。我们在选择在复位后的启动方式的时候，BOOT1和BOOT0引脚不一样状态，启动凡是也有所不同。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引脚功能介绍图2.5 BOOT启动电路原理图(4) 调试接口电路：JTAG是一种国际标准测试协议（IEEE 1149.1兼容），这个调试方式就是可以在线调试，这样能更加容易的检查程序的错误。JTAG协议被越来越多的高级元件所接受，如ARM、DSP、FPGA器件等。标准的JTAG接口是4线：TMS、TCK、TDI、TDO，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编程方式是在线编程，传统生产流程中先对芯片进行预编程然后再装到板上，简化的流程为先固定器件到电路板上，再用JTAG编程，从而大大加快工程进度。JTAG接口可对DSP芯片内部的所有部件进行编程。调试接口电路原理图如图2.6所示。(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，温度传感器的分类方法都很多种，没有确定的分类方法。有根据输出的模拟温度传感器和数字温度传感器的两种。把温度测量方法这个方面分为有接触温度传感器和非接触式温度传感器这两种。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，精度不是特别的高，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，这就需要花费更多的钱。使用压电效应和频率改变温度传感器的输出值可以用作标准。使用随光学的变化而变化的温度传感器是适用于高温非接触测量。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，这个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，但是常用的也就以下三类热电阻温度传感器，热敏电阻温度传感器和热电偶温度传感器。然而半导体技术的大力支持下，本世纪相继开发出热电偶传感器，半导体PN结温度传感器和集成温度传感器。相应地，根据波和材料之间的相互作用的规律，相继开发声学温度传感器，红外线传感器和微波传感器。解决方案一：选择热电偶传感器原件热电偶作为温度测量具有结构简单，精度高，宽的测量范围，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上热电阻被广泛应用于测量-200+ 500的温度，随着科学和热电阻温度计测量范围技术的发展可达到-272.5的低温端，高端可测量到1000。热敏电阻温度传感器的特性是精度高，适用于低的温度测量。而在560以下的温度测量时，输出信号比热电偶测量更容易。这个系统的选择加热炉温度的通常的室温的范围内是0 150，范围窄也低，要求的精度也不高，考虑到热敏电阻，热电偶和热敏电阻的特性，选择更好是热电阻。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，性能可靠的，所以这种设计选择的常用Pt100 铂电阻作为温度传感器。由于本设计的控制温度范围在室温0150，由于铂电阻的精度高，所以本设计选择方案二。 Pt100温度传感器是一种转换温度变量可以传输标准的输出信号仪器。它主要用于测量和控制工业过程和温度参数。传感器变送器通常包括两部分:传感器和信号转换器。传感器主要是热电偶或电阻;信号转换器主要由测定单元，信号处理和转换单元的(由于在工业中使用的热敏电阻和热电偶分度表是标准化的，所以该信号转换器作为单独的产品也被称为发射机)，一些发射机增加了显示单元，有的还具有现场总线的功能。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温度变送器采用热电偶、热电阻作为测温元件，从测温元件输出信号送到变送器模块，经过稳压滤波、运算放大、非线性校正、V/I转换、恒流及反向保护等电路处理后，转换成与温度成线性关系的420mA电流信号0-5V/0-10V电压信号，RS485数字信号输出。此温度变送器广泛的应用在石油、化工、化纤；纺织、橡胶、建材；电力、冶金、医药；食品等工业领域现场测温过程控制；特别适用于计算机测控系统,也可与仪表配套使用。本产品的优势：精度高，量程、零点外部连续可调，稳定性能好，正迁移可达500%、负迁移可达600%，二线制、三线制、四线制，阻尼可调、耐过压，固体传感器设计，无机械可动部件、维修量少，重量轻，全系列统一结构、互换性强，小型化，接触介质的膜片材料可选，单边抗过压强，低压浇铸铝合金壳体。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：模数转换器即A/D转换器，或简称ADC，通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小。故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准，比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小。而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小。模数转换器的工作原理：逐次逼近法、双积分法、电压频率转换法。(1) 逐次逼近法逐次逼近式A/D是比较常见的一种A/D转换电路，转换的时间为微秒级。采用逐次逼近法的A/D转换器是由一个比较器、D/A转换器、缓冲寄存器及控制逻辑电路组成。基本原理是从高位到低位逐位试探比较，好像用天平称物体，从重到轻逐级增减砝码进行试探。逐次逼近法的转换过程是：初始化时将逐次逼近寄存器各位清零；转换开始时，先将逐次逼近寄存器最高位置1，送入D/A转换器，经D/A转换后生成的模拟量送入比较器，称为 Vo，与送入比较器的待转换的模拟量Vi进行比较，若VoVi，该位1被保留，否则被清除。然后再置逐次逼近寄存器次高位为1，将寄存器中新的数字量送D/A转换器，输出的 Vo再与Vi比较，若VoVi，该位1被保留，否则被清除。重复此过程，直至逼近寄存器最低位。转换结束后，将逐次逼近寄存器中的数字量送入缓冲寄存器，得到数字量的输出。逐次逼近的操作过程是在一个控制电路的控制下进行的。(2) 双积分法采用双积分法的A/D转换器由电子开关、积分器、比较器和控制逻辑等部件组成。如图所示。基本原理是将输入电压变换成与其平均值成正比的时间间隔，再把此时间间隔转换成数字量，属于间接转换。积分法A/D转换的过程是：先将开关接通待转换的模拟量Vi，Vi采样输入到积分器，积分器从零开始进行固定时间T的正向积分，时间T到后，开关再接通与Vi极性相反的基准电压VREF，将VREF输入到积分器，进行反向积分，直到输出为0V时停止积分。Vi越大，积分器输出电压越大，反向积分时间也越长。计数器在反向积分时间内所计的数值，就是输入模拟电压Vi所对应的数字量，实现了A/D转换。(3) 电压频率转换法采用电压频率转换法的A/D转换器，由计数器、控制门及一个具有恒定时间的时钟门控制信号组成，它的工作原理是V/F转换电路把输入的模拟电压转换成与模拟电压成正比的脉冲信号。电压频率转换法的工作过程是：当模拟电压Vi加到V/F的输入端，便产生频率F与Vi成正比的脉冲，在一定的时间内对该脉冲信号计数，时间到，统计到计数器的计数值正比于输入电压Vi，从而完成A/D转换。解决方案一：选择MC14433MC14433是31/2 BCD输出，双积分型A/D转换芯片，约1 10次/秒的转换率,工作需要+ 5V电源，199.9 mV或1.999 V的基准的模拟输入电压相应为200mV或2V。解决方案二：选择ADS1115ADS1115是具有16位分辨率的高精度模数转换器(ADC)，采用超小型的无引线QFN-10封装或MSOP-10封装。ADS1113/4/5在设计时考虑到了精度、功耗和实现的简易性。ADS1115具有一个板上基准和振荡器。数据通过一个IIC兼容型串行接口进行传输，可以选择4个IIC从地址。ADS1115采用2.0V至5.5V的单工作电源。ADS111 5能够以高达每秒860个采样数据(SPS)的速率执行转换操作。ADS1115具有一个板上可编程增益放大器(PGA),该PGA可提供从电源电压到低至256mV的输入范围，因而使得能够以高分辨率来测量大信号和小信号。另外，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可工作于连续转换模式或单触发模式，后者在一个转换完成之后将自动断电,从而极大地降低了空闲状态下的电流消耗。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AD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，常用的显示电路有数码管显示，LCD显示。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。共阳极的数码管，其中每个发光二极管的阳极是连在一起的，成为第公共栅极线，发光二极管阴极变段选线。对于共阴极数码管，则反之，内部发光二极管的阴极连一起，阳极则为段选线。它们的驱动方式是不同的。当你需要点亮共阳极数码管一段的同时，公共部分接连高电平，此段的段选线连低电平。因此该段被点亮。当需点亮共用阴极数码管得一段的时候，公共部分需要接收低电平，段选线则选择高点平，这时才点亮。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，它是一种特殊的用于显示字母，数字，符号等的点阵型液晶模块。它是由许多5X7或者5X11的点阵的字符组合，每个点阵字符谁可以显示一次一个字符的，有各间隔之间的距离，也有每行之间的空间，字符之间的间距和行距。LCD1602是指内容的显示，可显示两行，每行16字符液晶显示模块(显示字符和数字)。其微功耗，体积小，液晶显示屏显示内容丰富，超薄等诸多优点，在袖珍仪表和低功耗应用中得到越来越广泛的应用。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 单片机组成的小系统中，有的需要人机交互功能，按键是最常见的输入方式。最常见的按键电路大致有，一对一的直接连接和动态扫描的矩阵式连接两种。解决方案一：在独立式键盘中，按键的相互独立，每个按键都各连一根输入线，每根输入线上按键工作状态都不会影响其它输入线。所以，通过检测输入线的电平状态就能很轻松的判断按键是否被按下了。独立式键盘电路的配置相当灵活，而且软件的结构相对简单。但各个按键都需占用一根输入线，按键数量相对多时，输入口浪费大，显得电路结构很繁杂，所以此种按键应适用于按键较少或者操作速度较高场合。解决方案二：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。由于本系统只需要4个按键，分别控制进入数值加、数值减、确认和退出。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，是现代数字程序控制系统中的主要执行元件，应用极为广泛。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。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。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。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。由于其可控性和快速升温的特性，电阻加热应用于从加热熔融金属到加热食物的方方面面。电阻加热是利用电流流过导体的焦耳效应产生的热能对物体进行的电加热。电阻加热可分为间接电阻加热和直接电阻加热两大类。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 软件设计系统的软件主要是采用C语言，对单片机进行编程实现各项功能。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输入需要设定的温度限定值，当设定的温度值与检测温度值不同时，单片机控制系统则会采取相应的调节动作，最后实现设定的温度与实际温度相匹配。此程序流程包括六个部分，第一部分是主程序，其描述总体的硬件动作流程;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转换后，采用iic的通信方式，单片机采集到温度，并进行修正;第三部分是LCD1602显示子程序，对LCD1602进行初始化，将采集到温度进行显示;第四部分是输出控制子程序，对设定值和实际值进行判断以决定是否进行温度的调节;第五部分是按键输入电路，用来修改温度上下限值。第六部分，对温度和实际值判定，符合要求的进行实现工位的卡紧和松开的功能的实现。用的是循环查询数据的方式，来显示温度和控制温度，主程序的主要功能是负责温度的实时显示、然后读出并处理Pt100的测量的当前温度值并负责调用各子程序，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端口的配置，初始化IIC，配置AD转换模块的寄存器，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，因为单片机只能识别数字量，无法识别模拟量，这就需要先进行模数转换，将模拟信号转换为数字信号，ADS1115模数转换器精度是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按键输入子程序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。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叙述，这个过程让我学习和研究的兴趣更加浓厚。从最初的选择题目，查找与本论文相关的资料，到整体构思写作，慢慢的改正