叶腊石烘干炉温度控制系统的研制

1、编号： 毕业设计毕业设计(论文论文)说明书说明书 题 目： 叶腊石烘干炉温度 控制系统的研制 摘摘 要要 叶腊石是合成人造金刚石的重要原料之一，研究叶腊石烘干炉的工作原理对合成 金刚石的品质和单产起重要作用。叶腊石块是包裹碳棒的主要材料，起到传压、密封、 保温的作用。碳棒合成金刚石是一个高温高压的过程，叶腊石块中水分的含量，直接 影响到生产过程的安全。叶腊石块中水分的烘干主要通过烘烤环节完成。现有的烘烤 设备自动化程度低，劳动力耗费较大，生产效率低。此外，现有设备也缺少系统工作 异常的检测和报警功能。 本文针对现有叶腊石烘干炉存在的问题，在控制方法，硬件设计和软件设计上提 出相应的解决方法。作

2、者在叶腊石烘干炉工作原理的基础上，以单片机（AT89S52） 为主控制器，设计、制作了一套叶腊石烘干炉控制系统。该系统具有三段保温功能， 可随时保存和调用历史数据，能显示温度和时间（LCD） ，并在超温及发生故障时发出 报警并自动切断加热源以保护设备。该方法通过控制晶闸管的通断比来调节输出功率 以取代常用的电压调节，并将增量式 PID 控制算法应用于闭环温度控制系统中，从而 在设计中实现对温度的测量，显示及控制。文章中详细的分析了系统设计方案的选择 与硬件电路的设计并且给出了系统的调试过程及部份软件程序。 关键词：AT89S52；PID 控制；温度控制；叶腊石烘干炉 Abstract Pyro

3、phyllite is one of the important raw materials of synthetic diamond. Pyrophyllite drying furnace works play an important role in the quality and yield of the synthetic diamond. Pyrophyllite block is the main material wrapped carbon rod, primarily as the mass pressure ,sealing and thermal insulation

4、effect .Carbon turning to synthetic diamond is a process of high temperature and pressure; Pyrophyllite block the moisture content directly affects the safety of the production process. Pyrophyllite blocks moisture drying by baking link. The baking low degree of automation equipment and labor-consum

5、ing greater production efficiency is low. In addition, the existing baking equipment is also lack of system working abnormal detection and alarm function. This paper aiming at finding out the solution on the control methods, hardware and software design of the existing problems of pyrophyllite dryin

6、g furnace. Author is On the basis of the pyrophyllite drying furnace works, and using the Microcontroller (AT89S52) as the main controller to design the production of a pyrophyllite drying furnace control system. It has three sections of insulation functions. Its historical data can be saved and rec

7、alled at any time. It can display the temperature and time by the LCD. And it can automatically cut off the heat source to protect the equipment, when the temperature is over the setting value or malfunction. The method through controlling the on-off thyristor to regulate the output power instead of

8、 the commonly used voltage regulation, and used the incremental PID control algorithm in a closed loop temperature control system, which is realized in the design of the temperature measurement, display and control. The article detailed analysis of the choice of system design and hardware design and

9、 give out the debugging process and some software programs. Keyword: AT89S52；PID control；Temperature control；Pyrophyllite drying oven 目目 录录 1 绪论.1 1.1 研究的目的和意义.1 1.2 叶腊石烘干炉温度控制系统的现状.1 1.3 对叶腊石烘干炉存在的问题提出解决的方法.2 1.4 被控对象及控制策略研究.2 1.4.1 被控对象特点.2 1.4.2 叶腊石烘烤工艺分析.3 1.4.3 控制方法分析.4 2 叶腊石烘干炉温度控制系统设计.9 2.1 设

10、计任务要求.9 2.2 系统原理框图.9 2.3 设计方案论证.10 2.3.1 主控制器.10 2.3.2 温度检测部分.11 2.3.3 显示部分.12 2.3.4 加热控制部分.12 2.3.5 电源电路部分.13 2.3.6 其他设计部分.13 3 各模块硬件电路设计分析.14 3.1 主控制电路的设计.14 3.1.1 AT89S52 单片机介绍.14 3.1.2 主控制电路.16 3.2 加热控制电路设计.17 3.3 LCD 显示电路设计.18 3.5 温度采集电路设计.19 3.5.1 PT100 传感器测温原理和特性.19 3.5.2 恒流源设计.20 3.5.3 放大电路设

11、计.21 3.5.4 A/D 转换电路的设计.23 3.6 电源电路设计.25 3.6.1 单片机供电电源设计.25 3.6.2 掉电保护电路设计.26 3.7 报警电路设计.26 3.8 存储电路设计.27 4 系统软件设计.29 4.1 系统总程序设计框图.29 4.2 各部分软件设计简述.29 5 系统调试.33 5.1 硬件调试.33 5.2 软件调试.33 6 结束语.37 致 谢.38 参考文献.39 附 录.40 附件一：程序清单.40 附件二：PCB 原理图.65 附件三：电路原理图.66 1 绪论 叶腊石的烘烤品质对人造金刚石的产量和质量都起着非常重要的作用，本章详细 介绍了

12、叶腊石对人造金刚石产量影响的历史背景和重要意义，仔细分析了叶腊石烘干 炉的特性，并针对现有叶腊石烘干炉的缺点提出相应的解决方案。 1.1 研究的目的和意义 20 世纪 90 年代开始我国金刚石产业发展迅猛，产量居世界第一，约占世界金刚石 产量的 70%以上。金刚石为我国经济发展提供了强大动力，目前金刚石工具已广泛应 用于地质勘探、石材、机械、汽车及国防工业等各个领域。机械加工用的磨具、地质 钻头及石材锯切工具的制造工艺水平已有很大提高。 在金刚石加工领域中，叶腊石块是一种不可缺少的材料。叶腊石块，碳棒，导电 堵头共同组成了人造金刚石块。合成块在高温高压的条件下，按照一定的步骤流程将 碳棒合成为

13、金刚石。 叶腊石是在自然条件下形成的一种硅酸盐矿物，在超高温超高压的条件下常被用 作高压腔的介质，其能较好的解决高压固体封闭，压力传递，隔热，电绝缘，试样支 撑等问题，因而在金刚石高压合成中被广泛应用。 叶腊石块是经过的叶腊石粉碎，过筛，混合，搅拌，封存等一系列工艺并在专用 液压机下入模，压制成型后，经烤箱烘干其水分，最后降温而成。叶腊石块中的水分 含量直接影响生产安全，如果水分过多在金刚石压机中施加高压时容易发生爆炸，对 人身财产安全造成巨大的损失。叶腊石块水分的烘干主要在烘干炉内完成，核心是烤 箱温度按照一定的工艺曲线变化进行控制，并配合排湿动作促成水分散发，因此对叶 腊石烘干炉温度控制系

14、统的研究具有很大的研究意义。 目前我国对叶腊石烘干炉温度控制系统的研究较少，自动化程度低，操作人员要 按照温度工艺曲线定时启动，关闭排湿动作，需耗费较大的劳动力，而且在长期工作 下，工人劳累困乏往往不能按照烘烤工艺进行操作，造成叶腊石块的质量得不到保证， 且有可能会引发安全问题。 通过对叶腊石烘干炉温度控制系统的研究改进，不但会提高叶腊石块的生产质量， 稳定性和生产效率，而且能降低工人的劳动强度。随着叶腊石块质量的提高，大大降 低合成金刚石过程中发生事故的概率，对人造金刚石的生产领域具有很大的现实意义。 1.2 叶腊石烘干炉温度控制系统的现状 目前我国对叶腊石烘干炉温度控制系统的研究较少，市场

15、上使用的烘干烤箱制作 简单，控制效果不佳，自动化程度低，其主要具有以下几个特点： （1）现有的叶腊石烘干炉规格不统一，通常以作坊式生产为主，控制方法和手段相 当简单。 （2）叶腊石烘干炉多采用温度仪进行温度控制，控制方法常采用简单的两点式控制， 控制效果不佳，稳定性差，精度低，抗干扰能力差。 （3）叶腊石烘干炉温度控制系统自动化程度低，工人劳动强度大，生产效率低，且 生产工艺不容易得到保障。 （4）系统不具备故障报警功能，对严重影响叶腊石块质量的情况，工作人员无法进 行判断。 1.3 对叶腊石烘干炉存在的问题提出解决的方法 烘烤环节的目的就是在不改变叶腊石块的形状，结构和表面质量等的情况下，对

16、 叶腊石块的水分进行烘烤干净。现对烤箱存在的一些问题在本设计中提出一些解决方 案。 （1）现有的烤箱没有异常检测和报警功能，当发生掉电或超过要求的加热温度时无 法进行检测，这将严重影响叶腊石块的烘烤质量。本设计利用蜂鸣器报警电路进行报 警，当系统发生掉电和超温故障时向单片机发出中断信号，由单片机控制蜂鸣器鸣响 报警。 （2）叶腊石烘干炉的响应速度慢，精度低，稳定性差，抗干扰能力差。本设计引进 传统 PID 控制原理并加上积分分离算法抑制积分饱和，可以提高系统的稳定性，适应 性等性能，解决被控对象的模型参数的时变问题。 （3）烘干炉自动化控制程度低，长时间的烘烤和排湿工艺由人监督操作完成，由于

17、人的困乏劳累往往不能严格进行工艺操作，容易造成叶腊石块烘烤质量得不到保障。 本设计用 AT89S52 控制晶闸管的通断来控制加热源自动按照工艺曲线进行烘烤，并通 过液晶 LCD 进行实时显示。 1.4 被控对象及控制策略研究 在控制一个对象之前，必须对该对象的一些特性进行研究，只有掌握了该对象的 特点才能找到适合其的控制方式。不同的研究对象具有不同的特点，需要采取不同的 控制策略。以下对叶腊石烘干炉的特性进行分析。 1.4.1 被控对象特点 叶腊石烤箱体积大，箱底部安装有排湿风扇便于排水，有专门的温度传感器安装 位置。叶腊石块在烤箱内分布比较密集，在烘烤过程中伴有排湿动作和偶尔的开门动 作带来

18、的扰动，其温度控制系统复杂，具有以下特点： （1）叶腊石烤箱温度控制系统是一个大惯性大滞后的复杂系统，控制过程有很多 不确定因素，如开门动作造成的扰动。 （2）烤箱内叶腊石分布密集，在烤箱工作的不同时期，叶腊石的水分含量不同， 导致烤箱内水蒸气的含量不同，烤箱的环境参数会改变。多样化的叶腊石型号也会是 控制对象参数发生变化。 （3）由于控制过程中，系统会受到随机噪声，外部负载变化，环境变化等的干扰， 测量和控制噪声的存在也会使系统的控制精度下降。 1.4.2 叶腊石烘烤工艺分析 叶腊石的烘烤工艺选择非常关键，烘烤工艺的好坏严重影响叶腊石的生产质量， 不同规格的烤箱和不同规格的叶腊石，烘烤工艺不

19、尽相同。叶腊石烤箱的最终目的是 把叶腊石块中的水分烘烤干净，但是叶腊石块在制作过程中已经被压得很实，很坚硬， 水分不易被烘干，其实物图如图 1-1 所示。综上我们需对叶腊石块烘烤过程中的各阶 段特性进行分析。 （1）烘烤初始阶段：叶腊石所含水分较多，如果温度上升过快过高，叶腊石表面出 现气泡严重影响叶腊石的烘烤质量。所以在烘烤初期选择低温度且温度波动不能太大。 （2）在烘烤中期:经过第一步的烘烤，叶腊石大部分水分已排出，仅剩下较内部的 水分。所以要适当提高烘烤温度，并在合适的温度点保持一段时间保温和一定频率的 水分的排除。 （3）烘烤的最后阶段:在最后阶段水分已经排除得差不多了，但因烤箱内部温

20、度分 布不均匀,叶腊石分布比较密集，有某些叶腊石块烘烤不到位，水分还没烘烤完毕，因 此采用高温下保温的策略，防止因内部温度不均导致叶腊石块烘烤效果不好，水分没 排出完全。 图 1-1 叶腊石块实物图 1.4.3 控制方法分析 （1）根据控制对象的特点和设计要求，本系统采用闭环控制。 其框图如图 1-2 所示： 图 1-2 闭环控制原理框图 （2）PID 控制原理 普遍采用的控制方法为 PID 控制，其在机械，化工，冶金等行业得到了广泛应用。 当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数 时，最适合用 PID 控制技术。PID 控制包含比例，积分，微分控制，结构简单

21、，稳定 性好，工作可靠，调整方便。其控制原理框图如图 1-3 所示： 图 1-3 PID 控制系统原理框图 则 PID 控制的表达式为： （1-1） )( )( 1 )()( 0 t dt tde Tddtte Ti teKptu 其中： 比例控制（P）作用：当前值和给定值存在误差时，控制器将以最快的速度作用以 减少误差。比例系数 Kp越大，系统反应越快，Kp越小系统响应越慢，调节时间越长。 但过大的比例系数容易产生超调，导致系统稳定性下降。 积分控制作用：积分控制作用主要是消除静差，积分系数 Ki越大，静差消除的速 度越快。但过大的 Ki在相应初期容易引起饱和现象，使超调过大。过小的 Ki消

22、除静差 的速度较慢，影响调节精度。 微分控制的作用：微分控制能改善系统的动态性能，反应误差的变化趋势，抑制 误差向任何方向发展。具有提前预报，减小调节时间，提高系统反应速度的作用。但 若微分系数 Kd过大，会降低系统的抗干扰能力。 （3）PID 参数整定 要得到比较好的控制效果就要采用较合适的 PID 参数，所以参数整定是 PID 控制 的核心。在工程应用中，PID 参数方法有试凑法（trial and error）,临界比例法，阶跃曲 线法等。 试凑法整定步骤：先加入比例环节，将其他环节的参数设定为零，当仅调节比例 环节参数，系统静差还达不到设计要求时，需要加入积分环节。若使用比例积分调节

23、器能消除静差，但动态过程经反复调节后仍达不到要求，则要加入微分环节。 临界比例整定法：设置积分微分环节的系数为 0，逐步增大比例系数直到系统刚好 震荡即临界状态。确定这时的增益为 Kr,时间为 Tr。则有 Kp=3*Kr/5 (1-2) Ki=6*Kr/(5*Tr) (1-3) Kd=3*Kr*Tr/40 (1-4) 阶跃曲线整定法：数字控制器不接入控制系统，系统开环，并处于手动状态，再 手动给对象输入阶跃信号。记录系统对阶跃信号的响应曲线。根据曲线求得滞后时间 t, 被控对象时间常数 Tt，其阶跃响应曲线如图 1-4 所示。则有 Kp=Tt/t (1-5) Ki=0.8TtU0/t (1-6

24、) Kd=1.2Tt/t (1-7) 图 1-4 阶跃响应曲线 在实际调试中有以下有用的经验口诀： 对于温度系统：P（%）20-60，I（分）3-10，D（分）0.53； 对于压力系统：P（%）30-70，I（分）0.43； 对于液位系统：P（%）20-80，I（分）15； 参数整定找最佳，从小到大顺序查； 先是比例后积分，最后再把微分加； 曲线振荡很频繁，比例度盘要放大； 曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳； 曲线偏离回复慢，积分时间往下降； 曲线波动周期长，积分时间再加长； 曲线振荡频率快，先把微分降下来； 动差大来波动慢。微分时间应加长； 理想曲线两个波，前高后低 4 比 1； 一看二调多分

25、析，调节质量不会低。 特别需要强调的是由于叶腊石烘干炉温度控制系统是一个复杂的时变控制系统， 在烤箱实际工作过程中，PID 控制的三个模型参数（Kp、Ki、Kd）会随着周围环境和 控制过程的变化而变化。在烤箱不同的工作阶段，叶腊石水分含量不同，烤箱环境参 数会不断改变，将被控对象的数学模型不断变化。此外，叶腊石块的型号规格和密集 程度的不同也会造成 PID 控制数学模型参数的改变。 （4）数字式 PID 算法 由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差计算控制量，而不 像 模拟控制那样连续输出控制量，进行连续控制，其是用矩形法数值积 分近似代替积分，用一阶后向差分近似代替微分，基于

26、这个特点必须对连续变量进行 离散化后才能使用，即用矩形法数值积分近似代替积分，用一阶后向差分近似代替微 分，数字式 PID 算法有位置式和增量式两种表达形式。 位置式 PID 的表达式为： （1- k j kekeKdjeKikeKpku 0 )1()()()(*)( 8） 其中： K 采样序号，k0，1，2，; U（k） 第 k 次采样时刻的计算机输出值; e(k) 第 k 次采样时刻输入的偏差值; e(k-1) 第 k1 次采样时刻输入的偏差值; Ki 积分系数，Ki=Kp*T/Ti; Kd 微分系数，Kd=Kp*Td/T; 式（1.2）表示的控制算法是直接按之前所给出的 PID 控制规律

27、定义进行计算的， 所以它给出了全部控制量的大小，因此被称为位置式或全量式 PID 控制算法。 增量式 PID 的表达式为： （1- )2(2) 1(1)(0 ) )2() 1(2)( )() 1()( ) 1()()( keqkeqkeq T kekeke Tdke Ti T kekeKp kukuku 9） 所谓增量式 PID 是指数字控制器的输出只是控制量的增量 u。当执行机构需要的 控制量是增量，而不是位置量的绝对数值时，可以使用增量式 PID 控制算法进行控制。 增量式算法不需要做累加，计算误差和计算精度问题对控制量的计算影响较小；位置 式算法要用到过去偏差的累加值，工作量大，容易产生

28、较大的累计误差。控制从手动 切换到自动时，位置式算法必须先将计算机的输出值置为原始值 U0才能保证无冲击切 换；增量式算法与原始值无关，易于实现手动到自动的无冲击切换。在实际应用中， 应根据被控对象的实际情况加以选择。一般认为，在以晶闸管或伺服电机作为执行器 件或对控制精度要求较高的系统中，应采用位置式算法；而在以步进电机或多圈电位 器作为执行器件的系统中，应采用增量式算法。 （5）抑制 PID“饱和”作用 PID 饱和作用来源于积分饱和，比例和微分饱和现象。 积分饱和现象及抑制方法 积分饱和：如果执行机构已到极限位置，仍不能消除偏差，由于积分的作用，尽 管计算 PID 差分方程式所得的运算结

29、果继续增大或减小，但执行机构已无相应的动作， 控制信号进入深度饱和区。 积分饱和会引起输出超调，甚至产生震荡，使系统不稳定，减小积分饱和的关键 在于不能使积分项累积过大。可采用的改进方法有： 遇限削弱积分法 基本控制思想是一旦控制量进入饱和区，则停止进行增大积分的运算。具体地说， 在计算 u（k）时，将判断上一时刻的控制量 u（k）是否已超出限制范围，如果已超出， 那么将根据偏差的符号，判断系统输出是否在超调区域，由此决定是否将相应偏差计 入积分项。 积分分离法 基本思路是当被控量和给定值偏差大时，取消积分控制，以免超调量过大；当被 控量和给定值接近时，积分控制投入，消除静差。其在 PID 算

30、法中的流程图如图 1-5 所示。 比例微分饱和现象及抑制方法 对于增量式 PID 算法，由于执行机构本身是存储元件，在算法中没有积分积累， 所以不容易产生积分饱和现象，但是可能会出现比例和微分饱和现象，其表现形式不 是超调而是减慢动态过程。其纠正方法有两种： 开始 初始化 采入r(k)及y(k) 计算偏差error PID控制PD控制 控制器输出 error(k) 参数更新 结束 否是 图 1-5 增量式积分分离 PID 算法流程图 积累补偿法 基本思路是将那些因饱和而未能执行的增量信息积累起来，一旦可能时，再补充 执行。 不完全微分 所谓不完全微分就是在微分部分串联一个一阶惯性环节。基本思想

31、即将过大的控 制输出分几次执行，以避免出现饱和现象。 前已经讲述了本系统是一个具有大惯性大滞后的复杂系统，一方面要求较快的反 应速度，另一方面要尽可能的较少超调，提高精度。因此增量式 PID 积分分离法比较 适合本系统。 2 叶腊石烘干炉温度控制系统设计 设计开始应根据设计任务要求，初步确定系统的原理框图，其次对每一部分采取 的方案进行论证，选择适合本设计的设计方案，进而进行下一步的软硬件设计。 2.1 设计任务要求 以单片机为主控制器，设计、制作一套叶腊石烘干炉控制系统，要求： （1） 具有三段保温功能，保温曲线图如图 2-1 所示。 图 2-1 温度控制曲线 （2）控制精度10，加热最高温

32、度 500。 （3）采用 6 位 LED 显示，其中，2 位显示运行状态的段号，4 位显示数值，通常显 示温度，也可改变为显示时间，10 秒后自动返回显示温度。 （4）具有显示系统运行状态及超温、故障报警功能，并在发生故障时自动切断加热 电源，达到保护作用。 （5）微机具有掉电保护功能； （6）可实现数据的保存及调用历史数据； （7）给出系统方案设计、电路原理图、程序框图和 PCB 图； （8）根据设计结果制作简单样机，实现基本功能。 2.2 系统原理框图 根据要求系统应该包含有温度采集模块，A/D 转换模块，显示模块，报警模块， 存储模块，电源/掉电保护模块，主控制模块，加热控制模块等。其中

33、： （1）温度采集模块用温度传感器检测叶腊石烘干炉内的温度。 （2）A/D 转化模块即将温度传感器采集到的温度转化为数字量送到单片机中。 （3）显示模块能显示当前烤箱温度，故障原因等，利于我们直观上认识叶腊石烘 干炉的运行情况。 （4）主控制部分控制加热模块进行相应操作。 （5）电源/掉电保护模块为系统正常工作提供电源，当电源无法正常供电时由掉电 保护模块的临时电源提供。 （6）报警模块用于报警便于采取措施排除故障。 （7）加热模块具体实施加热控制的动作。 （8）存储模块将数据存储起来，便于调用和查看历史数据。 由此得出系统原理框图 2-2。 温度检测 掉电保护 存储部分 显示部分 报警部分

34、控制部分 单 片 机 最 小 系 统 2-2 系统原理框图 2.3 设计方案论证 系统主要包含有主控制芯片，温度检测部分，显示部分，加热控制部分，掉电保 护部分，报警电路等，下文分别对各部分电路进行方案论证，确定采取怎样的方案以 便进行下一步的工作。 2.3.1 主控制器 主控制器在本设计中即为单片机，单片机型号分大类有 51 单片机，AVR 单片机， PIC 单片机等，根据不同的要求采用不同的型号。选择器件的原则是首先能满足控制 要求，其次要经济实惠。本设计利用单片机作为控制器件，使用普通的 51 单片机即可。 51 单片机中也有很多的小型号，其各有特点。 （1）8031 单片机：8031

35、片内不带程序存储器 ROM，使用时需外接程序存储器和 一片逻辑电路 373，外接的程序存储器多为 EPROM 的 2764 系列。用户若想对写入其 中的程序进行修改，必须通过一种特殊的紫外线灯进行擦除。写入到外接存储器的程 序代码无任何保密性可言。 （2）8051 单片机：8051 内部有 4KROM，无需外接存储芯片和 373，体现了“单片” 的干练简洁，但是所编写的程序无法自行烧到芯片中，只能交给厂家代为烧写，但也 只能是一次。之后无论谁也烧写不进去。 （3）ATMEL 单片机：ATMEL 公司生产的单片机分 C 和 S 两种，根据内存的不同 有 51 和 52，售价比 8031 低，市场

36、供应充足。该芯片完全兼容 8051 的指令和管脚，且 内部的存储器是 FLASH 工艺的可用电的方式瞬间擦除。此外写入单片机的程序还可以 进行加密，起到很好的保密作用。AT89S51 是在 AT89C51 的基础上多加了 ISP（在线 更新功能）编程和看门狗功能，其最高工作频率为 33MHz 且具有双 UART 串行通道， 性能更优越。 根据本设计的要求采用了运行效率较高且价格便宜的 AT89S52 型号的单片机，采 用 52 是根据编写程序所生成的代码大小要求选择的。 2.3.2 温度检测部分 温度是表征物体冷热程度的物理量，它可通过物体随温度变化的某些特征（如电 阻，电压等特性）来间接测量

37、。利用这一特性温度检测可以采用热电偶，热敏电阻， 数字式温度传感器，其各有特点： （1）热电偶是利用两种金属在不同温度下形成回路时压差不同的原理来测量温度 的一种方法。 优点：可测量到小范围的温度，热响应快，耐振动和耐冲击，可以测量高温区。 缺点：变化率小，需修正冷接点温度。 热电偶的信号调理复杂，将所得的电压转换成可用的温度需要大量的信息转换工 作，其耗费大量的工作时间，处理不当会降低精度。 （2）热电阻是对温度敏感的电阻，温度变化，电阻值也变化。 优点：可测量到小范围内的温度，变化率较大，固有电阻大，无需延长导线时的 误差补偿。 缺点：变化率非线性，不适合测量高温区。 热敏电阻工作原理简单

38、，结构简单，成本低，但其精度、重复性、可靠性较差， 对于检测 1 摄氏度的信号是不适用的。 （3）数字式温度传感器 近年来各半导体厂商陆续开发了数字式的温度传感器，如 DALLAS 公司 DS18B20，MAXIM 公司的 MAX6576、MAX6577，ADI 公司的 AD7416 等，这些芯片 的显著优点是与单片机的接口简单，如 DS18B20 该温度传感器为单总线技术， MAXIM 公司的两种温度传感器一个为频率输出，一个为周期输出，其本质均为数字 输出，而 ADI 公司的 AD7416 的数字接口则为近年也比较流行的 I2C 总线，这些本身 都带数字接口的温度传感器芯片给用户带来了极大

39、的方便，但这类器件的最大缺点是 测温的范围太窄，一般只有-55+125，而且温度的测量精度都不高，好的才0.5, 一般有2左右，因此在高精度的场合不太满足用户的需要。 综上所述，热电阻的常温范围比较窄，达不到这么高的温度，数字芯片虽然简单 方便无需 AD 转换电路但是最高的测量温度也只有 125，目前存在的数字式温度传感 器还达不到 500的高温。由于本设计的任务是要求测量的范围为 0500，测量 的误差为正负 10。综合价格以及后续的电路，决定采用线性度相对较好的 PT100 作 为本课题的温度传感器，具体的型号为 WZP 型铂电阻，该传感器的测温范围从 200650。该方案采用热电阻 PT

40、100 做为温度传感器、AD620 作为信号放大 器，TLC2543 作为 A/D 转换部件，对于温度信号的采集具有大范围、高精度的特点。 所以设计应当采用 Pt100 温度传感器。 2.3.3 显示部分 （1）采用 LED 数码管显示。数码管可实现高亮度显示，成本低，价格便宜，但连 线复杂还需驱动电路。本设计需要 6 个数码管显示，会造成电路复杂，硬件制作麻烦。 此外其只能显示 0 至 9 的数字，不能直观明了的显示本设计的一些信息，如加热，保 温，报警等。 （2）采用 LCD 液晶显示。液晶显示极其省电，人机交互界面良好，控制制作简单， 显示内容直观丰富，一次性可显示多行数据。但其是反光式

41、的，在外界光线很明亮的 情况下很容易看不清楚。 根据本设计要求显示的内容较多，且考虑到电路硬件制作问题，采用 LCD 液晶显 示，利用可调电阻解决可视角度，亮度问题。 2.3.4 加热控制部分 （1）采用达林顿管驱动电路。简单的两级达林顿管由两个三极管搭建而成，电路 简单易行，但管压降大，功耗大，效率低。由大的管压降还会引起器件温度过高，容 易烧毁器件，硬件实现上要加散热片。 （2）采用可控硅驱动电路。可控硅触发电路可实现连续控制，功耗低。其中分两 种形式： 可控硅移相调压调温。通过改变可控硅导通角调节加在热源上的有效电压，从 而实现温度调节。该方法需要解决触发脉冲与主回路电压之间同步的问题，

42、且这种方 法要求触发电路发生相位可变且具有一定幅值的脉冲。电路复杂，较难实现。 可控硅过零调功调温。过零调功方式就是通过在给定的时间内改变加进负载的 交流正弦波个数来调节负载功率的一种控制方法。过零调功通过的工作电压是完整的 正弦波形，过零导通且过零截止。在电压过零时触发可控硅导通，导通波形是完整的 半波或正弦波，所以对可控硅移相调压方式所存在的一切缺点都不需考虑。同时也由 于可控硅是在电压过零时导通，其负载浪涌电流和电流变化率都很小，有利于可控硅 的安全工作。 考虑到实际硬件制作问题，本设计采用可控硅过零调功方式进行调温。 2.3.5 电源电路部分 （1）采用 USB 外接电源直接供给单片机

43、系统。电路简单，元器件少，印制 PCB 简单，易于实现，价格经济实惠，但电流较小，电压不稳定。 （2）采用 12V 直流蓄电池经稳压芯片稳压后供给单片机系统。相对于第一个电路 比较复杂，成本较高，但是电流较大。本设计涉及较多元器件，考虑到有些元器件正 常工作需要电压较稳定，且需构造掉电保护电路，需要充电动作，故本设计采用该电 源电路。 2.3.6 其他设计部分 其他设计部分都是采用常规的电路。报警电路采用简单的蜂鸣器报警，电路简单 可行，经济实惠。虽然单片机内部也可以存储数据，但是掉电后数据就会丢失，无法 保存，也就不能调出历史数据以供参考，所以采用外部 ROM 保存数据，掉电后数据不 会丢失

44、。考虑实际情况，存储电路采用 EEPROM 芯片 AT24C02 和两个电阻构成，在 调用历史数据时，可以采用软件设定一定时间显示历史数据，但不能根据实际需要手 动调出，可能会造成液晶显示画面混乱。故采用硬件实现数据的调用，即用 5 个按键 实现数据的保存和调用。按键功能分别为清屏，调出保温状态一，状态二，状态三的 数据，以及返回当前温度显示。 3 各模块硬件电路设计分析 该温度控制硬件设计系统由各部分电路组成，运用到电力电子技术，单片机，模 拟电子技术等基础知识，利用单片机作为主控制器，控制其他部分电路按照要求执行， 实现功能。晶闸管驱动电路涉及到电力电子技术的相关知识，模拟电子技术有三极管

45、 等器件。 3.1 主控制电路的设计 主控制电路采用常规的单片机控制，基于本系统在内存及运算速度方面的要求， 采用 AT89S52 作为主控制器，以下对其进行简要介绍。 3.1.1 AT89S52 单片机介绍 本设计采用 AT89S52 单片机，AT89S52 是一种低功耗，高性能 CMOS 8 位微控 制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存储器 技术制造，与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上 Flash 允许程序存储器在系 统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使得 AT

46、89S52 在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。其引脚图如图 3-1 所示。 图 3-1 AT89S52 的管脚排列 其中 VCC、GND：电源、地。 P0 口：口：P0 口是一个 8 位漏极开路的双向 I/O 口。作为输出口，每位能驱动 8 个 TTL 逻辑电平。对 P0 端口写“1”时，引脚用做高阻抗输入。当访问外部程序和数据存 储器时，P0 口也被作为低 8 位地址/数据复用。在这种模式下，P0 具有内部上拉电阻。 在 Flash 编程时，P0 口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。需注意 的是在程序校验时，需要外部上拉电阻。 P1 口口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的

47、 8 位双向 I/O 口，P1 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。当对 P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为 输入口使用。当作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电 流（IIL） 。此外，P1.0 和 P1.2 分别作为定时器/计数器 2 的外部计数输入（P1.0/T2） 和定时器/计数器 2 的触发输入（P1.1/T2EX） ，具体如表 3-1 所示。在 Flash 编程和校 验时，P1 口接收低 8 位地址字节。 表 3-1 P1 口部分管脚第二功能 端口引脚 第二功能 P1.0T2（定时器/计数器 T2 的外部计数输入） ，时钟输出 P

48、1.1T2EX（定时器/计数器 T2 的捕捉/重载触发信号和方向控制） P1.5MOSI（在系统编程用） P1.6MISO（在系统编程用） P1.7SCK （在系统编程用） P2 口口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。对 P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输 入口使用。当作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流 （IIL） 。在访问外部程序存储器或用 16 位地址读取外部数据存储器（如执行 MOVX DPTR）时，P2 口送出高 8 位地址。在这种应用中，P2 口使用很强的

49、内部上拉发送 1。在使用 8 位地址（如 MOVX RI）访问外部数据存储器时，P2 口输出 P2 锁存器 的内容。在 Flash 编程和校验时，P2 口也接收高 8 位地址字节和一些控制信号。 P3 口口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。对 P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输 入口使用。当作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流 （IIL） 。P3 口也作为 AT89S52 特殊功能（第二功能）使用，如表 3-2 所示。在 Flash 编程和校验时，P3 口也接收一些控

50、制信号。 表 3-2 P3 口的第二功能 端口引脚功能特征 P3.0RXD（串行输入口） P3.1TXD（串行输出口） P3.2INT0（外部中断 0） P3.3INT1（外部中断 1） P3.4T0（T0 定时器的外部计数输入） P3.5T1（T1 定时器的外部计数输入） P3.6WR（外部数据存储器的写选通） P3.7RD（外部数据存储器的读选通） RST: 复位输入。在晶振工作时，RST 脚持续两个机器周期高电平将使单片机复位。 看门狗计时完成后，RST 脚输出 96 个晶振周期的高电平。特殊寄存器 AUXR（地址 8EH）上的 DISRTO 位可以使此功能无效。在 DISRTO 默认状

51、态下，复位高电平有效。 ALE/PROG：地址锁存控制信号（ALE）在访问外部程序存储器时，锁存低 8 位 地址的输出脉冲。在 Flash 编程时，此引脚（PROG）也用做编程输入脉冲。 在一般情况下，ALE 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时 器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE 脉冲将会跳过。 如果需要，通过将地址为 8EH 的 SFR 的第 0 位置“1”，ALE 操作将无效。这一位置 “1”，ALE 仅在执行 MOVX 或 MOVC 指令时有效。否则，ALE 将被微弱拉高。这个 ALE 使能标志位（地址为 8EH 的 SFR 的第 0 位）

52、的设置对微控制器处于外部执行模 式下无效。 PSEN：外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。当 AT89S52 从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN 在每个机器周期被激活两次，而 在访问外部数据存储器时，PSEN 将不被激活。 EA/VPP：访问外部程序存储器控制信号。为使能从 0000H 到 FFFFH 的外部程序 存储器读取指令，EA 必须接 GND。为了执行内部程序指令，EA 应该接 VCC。在 Flash 编程期间，EA 也接收 12 伏 VPP 电压。 XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。 XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。 3.1.

53、2 主控制电路 单片机控制一般要求具有最小系统，包括复位电路，振荡电路。复位电路给单片 机一个短时间的高电平复位，使程序从头开始执行，图中有上电复位和手动复位两种。 上电复位即是在系统一上电时 ，利用电容两端电压不能突变的原理给系统一个短时的 高电平复位。手动复位即按下按钮系统高电平复位，若一直按着不放系统就一直复位， 不能正常工作。图中采用的是电解电容，有正负极性之分，安装电路时要特别注意。 振荡电路是单片机系统正常工作的保证，如果振荡器不起振，系统将不能正常工 作。因为单片机中，每条指令的执行都建立在时钟频率这一基础上的，晶振所提供的 时钟频率和单片机的运行速度是成正比的。假如振荡器运行不

54、规律，系统执行程序的 时候就会出现时间上的误差，电路将无法通信。振荡电路分内部电路和外部电路两种， 因为内部振荡电路较稳定，所以采用之。振荡电路由一个 12MZH 的晶振和两个瓷片电 容组成，两电容相连的一端接地。 因为系统要用到 P0 端口进行输出控制，P0 口作为 I/O 口输出的时候输出低电平为 0，输出高电平为高组态（并非 5V，相当于悬空状态） 。也就是说 P0 口不能真正的输 出高电平给所接的负载提供电流。因此必须接上拉电阻（电阻连接到 VCC） ，由电源 通过这个上拉电阻给负载提供电流。单片机最小系统电路原理图如图 3-2 所示。 图 3-2 单片机最小系统 3.2 加热控制电路

55、设计 按照本设计要求，要实现温度的三段式加热保温控制，利用 PWM 技术控制晶闸 管的通断来执行温度控制算法。考虑到晶闸管的特性，设计采用电烙铁模拟加热源， 直接接交流 220V 电压供电。单片机的工作电压为 5V，为避免加热部分电路影响控制 部分电源品质，采用光耦进行隔离。光电耦合是由发光器件和受光器件组成一体的光 耦合器件的总称，它能将加热源产生的干扰电流隔离掉。信号单向传输，输入端与输 出端完全实现了电气隔离，抗干扰能力强，使用寿命长，传输效率高。本设计采用 MOC3041 光电耦合器。 MOC3041 内部含有过零检测电路，它集光电隔离、过零检测、过零触发等功能于 一身，特别适合于驱动

56、晶闸管。设计采用过零调功方式，对于晶闸管的触发本就需要 有过零检测电路，该光耦用在此处恰到好处，大大简便了电路和程序设计。 如图所示，单片机响应用户的参数设置，在 I/O 口输出一个高电平，经反向器反 向后，送出一个低电平，使光电耦合器导通，同时触发双向可控硅，使工作电路导通 工作。图中 R13 和 C8 组成吸收回路，主要有两个作用，一是吸收开、关瞬间所产生 的高压脉冲，以免击穿可控硅开关元件，二是减少电磁脉冲的干扰，若更换高耐压可 控硅后完全可以去掉 RC 吸收回路。 图 3-3 加热控制原理图 在给定时间内，负载得到的功率可用下式表示： （3-UI N n P 1） 式中 P 负载得到的

57、功率； n 给定时间内可控硅导通的正弦波个数； N 给定时间内交流正弦波的总个数； U 可控硅在一个电源周期全导通时所对应的电压有效值； I 可控硅在一个电源周期全导通时所对应的电流有效值。 由上式可知，U，I，N 是定值，只要改变 n 值的大小即可控制功率的输出，从 而达到调节温度的目的。 3.3 LCD 显示电路设计 设计采用 LCD12864 是 128*64 点阵液晶模块，数据总线 8 位并口/6800 方式串口， 每屏可显示 4 行 8 列共 32 个 1616 点阵的汉字，每个显示 RAM 可显示 1 个中文字符 或 2 个 168 点阵全高 ASCII 码字符，即每屏最多可实现

58、32 个中文字符或 64 个 ASCII 码字符的显示。直接与单机相连，在不影响性能的条件下还不用添加其它硬件，简化 了电路，降低了成本。带中文字库的 128X64-0402B 内部提供 1282 字节的字符显示 RAM 缓冲区（DDRAM） 。字符显示是通过将字符显示编码写入该字符显示 RAM 实现 的。根据写入内容的不同，可分别在液晶屏上显示 CGROM（中文字库） 、 HCGROM（ASCII 码字库）及 CGRAM（自定义字形）的内容。三种不同字符/字型的 选择编码范围为：00000006H（其代码分别是 0000、0002、0004、0006 共 4 个）显 示自定义字型，02H7F

59、H 显示半宽 ASCII 码字符，A1A0HF7FFH 显示 8192 种 GB2312 中文字库字形。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 个字符显示区域有着一一对应的关系。 图 3-4 液晶显示电路 3.5 温度采集电路设计 测温的模拟电路是把当前 PT100 热电阻传感器的电阻值，转换为比较容易测量的 电压值，经过放大器放大信号后送给 A/D 转换器把模拟电压转为数字信号后传给单片 机 AT89S52，单片机再根据公式换算把测量得到的温度传感器的电阻值转换为温度值， 并将数据送出到 LCD 液晶进行显示。 3.5.1 PT100 传感器测

60、温原理和特性 电阻式温度传感器(RTD, Resistance Temperature Detector)是指由一种特殊物质材料 作成的电阻,它会随温度的改变而改变电阻值。PT100 温度传感器是一种以铂(Pt)做成的 电阻式温度传感器，属于正电阻温度系数（即阻值随温度的升高而增大）,其电阻阻值 与温度的关系可以近似用下式表示： 在 0650范围内： Rt =R0(1+At+Bt2) 式中 A、B 为常数， A=3.9684710-3； B=-5.84710-7； 由于它的电阻温度关系的线性度非常好，因此在测量较小范围内其电阻和温度 变化的关系式如下：R=Ro(1+T) 其中 =0.00392