【《冶金工业炉温度控制系统的硬件电路设计案例》4300字（论文）】

冶金工业炉温度控制系统的硬件电路设计案例系统的控制核心是AT89C51单片机，结合对温度的测量技术，采用热电偶做为工业炉温度信号的采集装置，热电偶可将温度信号转换为连续信号（模拟信号），传送到信号调理电路，经过信号调理电路处理，将其转换为标准连续信号输出，传送至A/D转换器将其转换成离散信号（数字信号），最后将离散信号传送给单片机保存数据并对其进行分析处理，判断系统温度是否超温且控制固态继电器，固态继电器进一步控制执行机构通电与否，使得工业炉温度稳定在设定值上，并由一个四位LED数码管交替显示工业炉设定温度以及实时温度，由键盘输入给定温度值，当测量温度超过给定值时发出声光报警信号。AT89C51单片机可以说是将CPU和存储器相结合，也就使得AT89C51单片机具有可擦除的存储空间，是一种高性能的微机处理器，因其使用较为灵活，价格相对便宜，故而在嵌入式微机控制系统中较为常见。单片机引脚图如图3.1所示。图3.1单片机引脚图单片机引脚功能如表3-1所示。表3-1单片机引脚功能引脚功能P0.0～P0.7P0口是一组8位输入输出线，当外部连接存储器或者扩展端口芯片时，可作为数据传输总线或者是地址总线；当P0口不连接外部扩展时，做为一般输入输出口使用，因为其内部没有上拉电阻，所以引脚处于高阻抗状态，在使用时需要连接外部上拉电阻。当P0口作为输入时，上拉电阻将引脚电位拉高，当输入信号为低电平时，相当于提供一个电流源。P1.0～P1.7P1口是一组8位输入输出线，无特殊功能。P2.0～P2.7P2口是一组8位输入输出线，也可以扩展外部存储，但作为地址总线；当做输入输出口使用时，不需要外部连接上拉电阻。P3.0～P3.7P3口是一组8位输入输出线，除了可以作为一般输入输出口使用外，其P3口引脚还具备特殊的引脚功能，但其功能由特殊寄存器来设置。PSEN访问外部程序的读取选通信号端，在读取外部存储时，该引脚低电平信号有效，以实现外部ROM的读取操作。当读取内部ROM时，该引脚不发生动作；当ROM外部读取时，每个周期发生两次动作。ALE/PROG控制地址锁存信号端。PORG作为编程脉冲输入端，存放运行时需要的程序。EA/VPP控制外部程序存储访问允许端。要对Flash进行编程时，需要连接编程电压。XTAL1/XTAL2当单片机系统使用内部时钟信号时，引脚连接晶振和电容；当单片机系统使用外部时钟信号时，此时XTAL1引脚连接外部脉冲时钟信号、XTAL2引脚处于悬空状态。VCC电源+5V输入VSSGND接地RST输入复位信号端，输入高电平有效。最小工作系统，是指使用最少的电子器件，使得单片机能够进行有效工作的最简单电路，其必须要有为其提供电能的电源电路、提供时钟信号的时钟电路（晶振）、以及防止单片机死机的复位电路。复位电路：主要作用是防止单片机系统出现直接死机，以及程序执行的过程中有错误出现时，通过复位电路对系统进行有效的复位操作，使得单片机重新执行程序，由此可见单片机的复位电路是用来控制其启动状态。单片机的复位方式主要有两种：上电自动复位以及外部手动按键复位。为了简化设计，系统使用外部手动按键复位方式，即高电平信号复位。当复位按键处于释放状态时，单片机RST端接收到的信号为低电平，当复位按键处于按下状态时，单片机的RST端接收到的信号变为高电平，实现系统电路复位。复位电路如图3.2所示。图3.2复位电路时钟电路：其本质是晶振，电容和单片机引脚XTAL1/XTAL2所构成的自激振荡电路，用来给单片机提供方波信号，使其进行工作。时钟电路决定了单片机的运行速率，以及单片机对数据处理的能力。时钟电路如图3.3所示。图3.3时钟电路电源电路：单片机使用5V的直流电压，需将220V市电经过交流变压器降压，输出8V的交流电压，通过桥式整流电路输出直流电压，再通过滤波电路对其进行滤波，最后通过稳压电路对其进行稳压，使得输出稳定的直流电压。电源电路如图3.4所示。图3.4电源电路单片机最小工作系统如图3.5所示。图3.5单片机最小工作系统由于单片机不能满足外部设备所需引脚，故需8155芯片作为单片机的外部扩展接口，单片机与8155连接图如图3.6所示。图3.6单片机与8155连接图8155芯片引脚功能如表3-2所示。表3-28155芯片引脚功能引脚功能RES复位端，输入高电平信号时有效。芯片复位后其上所有I/O口都为输入方式。AD0～AD7地址数据总线。作为单片机外部扩展端口芯片时，与单片机的P0口相连，单片机和8155芯片间的所有数据、指令、端口地址全部都由这个总线接口传送。RD读取选通信号端，控制8155读取操作，低电平有效。WR写选通信号端，控制8155写操作，低电平有效。CE片选信号线，低电平信号有效。IO/M8155的内部存储器或I/O口的选择线。当IO/M引脚为低电平信号时，则选择取其内部存储器，即PAD口地址是8155芯片中存储器单元的地址；反之，则选取8155的输入输出口，即PAD口上的地址是8155芯片输入输出口的地址。PA0～PA7是一组8位通用输入输出口，其输入信号和输出信号的传输方向，用程序控制。PB0～PB7功能同PA口相同。PC0～PC5功能同PA口相同，但是PC口可以通过程序，作为PA口与PB口的控制信号线。ALE地址信号锁存端。TIN定时/计数器脉冲输入端。TOUT定时/计数器输出端。根据系统设计要求，工业炉温度温度为0～800℃，测温元件要长期工作在高温环境，所以温度传感器使用热电偶作为工业炉温度检测装置，但是热电偶的测量结果，单片机不能直接接收使用，还需放大电路以及ADC0809转换器对热电偶所测数据进行处理，单片机才能使用。热电偶热电偶是在冶金工业生产中最为常见的接触式温度测量装置。因为热电偶可以长时间处于高温环境，可测量的温度变化范围大，其性能相对稳定，测量的结果可以实现远距离传输，其内部构造较为简单，使用方法简单且使用方便。热电偶可以将接收到的温度信号，通过内部直接转换输出直流电压信号，这样不仅显示方便，还有数据的记录与传输都显得比较容易。热电偶原理图如图3.7所示。图3.7热电偶原理图设计中选择的热电偶测温范围在0-1300℃，将温度信号转换为热电动势，其输出直流电压范围在0-52.410mv，输出为模拟信号，不能供单片机直接使用，需将信号做进一步处理，热电偶输出的模拟信号传送给放大电路，经放大电路输出标准信号，再通过A\D转换器输出数字信号，供单片机使用。放大电路放大电路主要是对接收到的信号进行调理放大，设计中采用电压串联负反馈放大的方式对信号进行调理，即信号电压Ui经过集成运放的同相输入端，输出端电压又反馈到集成运放的反相输入端，这样就构成了电压串联负反馈电路。放大电路如图3.8所示。图3.8放大电路设计中采用二级放大和一个电压跟随器，以达到在满足放大倍数的同时，防止信号出现失真现象，再经过电压跟随器，使得输出阻抗降低。信号经过放大处理，输出电压范围在0-5V，但信号依旧是模拟信号，单片机仍旧不能使用，需将信号处理成数字信号，所以设计A\D转换芯片来做信号处理。 A/D转换器A/D转换器是将连续信号转换为离散信号，即将连续的模拟信号通过A/D内部电路输出为离散的数字信号。设计中选用ADC0809转换器，ADC0809转换器引脚图如图3.9所示。图3.9ADC0809转换器引脚图ADC0809引脚功能如表3-3所示。表3-3ADC0809引脚功能引脚功能IN0～IN78路模拟量信号输入端。2-1～2-88位数字量信号输出端。ADDA、ADDB、ADDC模拟量输入地址选通线，主要作用是对模拟量信号输入端进行选择，在同一时间只有一路模拟量输入。ALE允许地址信号锁存端，产生正脉冲用以锁存地址。START转换启动端。EOC转换信号结束端，当数据转换完成时，该引脚输出一个高电平信号，数据转换期间该引脚一直为低电平信号。OE允许数据信号输出端，输入端，连接高电平信号时有效。当数据转换完成时，该引脚输入一个高电平信号，使得三态门打开输出信号，即输出数字量。CLK时钟脉冲输入端。REF（+）、REF（-）基准电压。Vcc电源，单一+5V。GND接地ADC0809电路设计：给三位地址输入线一个低电平信号，并给地址锁存端高电平信号，设计中地址输入端口使用IN0，因为模拟量输入只有一路，所以默认接收IN0这一路模拟量输入信号。START端信号的上升沿用于对ADC0809内部寄存器的复位，下降沿用于启动ADC0809中数据的转换，当EOC脚输出低电平时，则表示正在进行数据转换，当ADC0809数据转换完成时，EOC脚输出由低电平转变为高电平，转换的数据结果已经保存到锁存器，此时EOC脚的高电平信号可作为中断申请信号。当数据输出允许端OE接收到高电平信号时，使得三态门打开，将通过转换得到的离散信号传送给数据总线，再送到单片机，单片机对接收到的离散数据进行分析并处理。ADC0809与AT89C51连接图如图3.10所示。图3.10ADC0809与AT89C51连接图1.固态继电器固态继电器是一种控制开关，有输入输出共四个接线端口。当输入端接收到的信号达到最小导通电流值5mA时，输出受控端导通，达到控制效果。固态继电器原理图如图3.11所示。图3.11固态继电器原理图固态继电器内部主要由控制信号输入电路，光电耦合（隔离）以及负载受控输出电路这三部分组成。隔离耦合：有光电耦合以及变压器耦合这两种方式，其光电耦合主要是由发电二极管和光敏三极管组成，实现输入控制端与输出受控端的光电隔离控制。控制电路控制电路与单片机P2.3脚连接，P2.3脚输出低电平信号经过非门转化为高电平信号，使得发光二极管导通输出光信号，光敏三极管接收到光信号并实现光电信号的逆转，控制开关电路，即通过加热器电源的通断，实现系统温度控制。单片机给控制电路低电平信号，再经过非门转换为高电平，是因为单片机引脚默认为高电平，防止系统出现死机状态时，引脚输出高电平，导致加热器继续工作，控制电路如图3.12所示。图3.12控制电路系统使用4*4的矩阵按键（行列式键盘），以实现给定温度的输入，给定温度的重置，系统的启动与关闭。矩阵键盘一共16个按键,其中有10个按键分别定义数字0～9，3个分别定义系统给定值输入、给定值输入确认、请求显示给定值。键盘电路如图3.13所示。图3.13键盘电路键盘工作原理：如果把行线设置为输入口线，列线设置为输出口线，检测当前是否有键被按下，先令列线P2.4为低电平，其余列线为高电平（P2.5～P2.7），再读取行线状态（读取P2.0～P2.3的状态），若行线P2.0～P2.3全为高电平，则P2.4这一列无键闭合，若行线P2.0～P2.3有一列为低电平，则该列线与行线交叉的键闭合。如果P2.4这一列没有按键按下，令列线P2.5为低电平，其余列线为高电平，使用同样的方法，确定P2.5这一列有无按键按下，以此类推，确定键盘有无按键按下REF_Ref7223\r\h[3]。按键消抖：当系统检测到有按键按下时，先进行延时，一段时间后，再做检测判断是否有按键按下。1.LED数码管LED数码管是单片机系统显示中最为常见的显示器件，数码管共计八段（包括小数点段在内）或七段（没有小数点段），分为