电阻炉炉温控制系统的研制

-摘要电阻炉作为工业炉窑中的一种常用的加热设备被广泛的应用于工业生产中。对电阻炉温度控制准确与否将直接影像到产品的质量和生产效率。电阻炉是一种具有纯滞后的大惯性系统，开关炉门，加热材料，环境温度以及电网电压等都影像控制过程，传统的电阻炉控制系统大多建立在一定的模型根底上，难以保证加热要求。本文将PID控制算法引入到传统的电阻炉控制系统中，借此提高其控制效果。设计一个控制精度高，运行稳定的电阻炉温度控制系统是很有必要的。本设计是以电阻炉温度为被控对象，单片机为核心的一种控制系统。其中以K型热电偶作为温度传感器。AT89c51单片机为控制核心，PID运算规律作为控制算法。文化中详细介绍了该控制系统的硬件电路设计。软件电路设计及PID控制算法。在对电阻炉温度控制系统的研究之后，本设计主要完成温度控制系统的总体方案设计，硬件原理图的绘制，信号调理电路的设计，固态继电器的应用及温度控制电路的设计同时也完成了系统程序设计，并通过软件完成了对温度的控制功能。关键词：电阻炉温度控制PID算法单片机. z.-The Design of Temperature Control System of Resistance FurnaceAbstractResistance furnace was widely used in industrial production,the effect of the temperature control of Resistance furnace has a direct impact on product quality and productivity. Therefore, the design of high-precision control and stable operation of the resistance furnace temperature control system has a high application value.In this design, the resistance furnace as a controlled object,singlechip as the design of a control unit. Which type of thermocouple temperature sensor as K,AT89c51 microcontroller as control core and PID control algorithm for operation rule, This paper introduces the control system of the hardware circuit, software design and the PID control algorithm.On the resistance furnace temperature control system, the design of the main pleted the overall scheme of the temperature control system design, hardware circuit principle diagram, the signal of the temperature contral circuit design of the system ,meanwhile finish the program design, through the software control to plete the function of temperature control.Key words：The resistance furnace Temperature control PID control Single-chip microp. z.-目录第一章绪论11.1课题研究的背景意义11.2课题国外研究现状及趋势11.3本文的主要容1第二章总体设计及其方案论证12.1设计工艺流及其要求12.2 不同方案比拟12.3 研究容12.3.1 设计原理12.3.2 方框图12.3.3 系统组成12.3.4 控制算法1第三章硬件设计13.1 系统设计原理13.2 单片机的选择13.2.1 单片机AT89c51的介绍13.2.1.1 AT89C51单片机的功能特性13.2.1.2 AT89C51单片机的根本组成13.2.1.3 AT89C51单片机引脚及其功能13.2.1.4 单片机的复位电路13.2.1.5 单片机的时钟电路13.3 前向通道设计13.3.1 温度检测电路设计13.3.1.1 K型热电偶的介绍13.4 后向通道设计13.4.1 温度控制电路13.4.2 继电器的工作原理和特性13.4.3 继电器主要产品技术参数13.4.4 继电器测试13.4.5 继电器的电符号和触点形式13.4.6 继电器的选用13.5 外围接口电路设计13.5.1 显示电路设计13.5.2 键盘电路设计13.5.3 报警电路设计13.5.4 通信电路设计13.6 电源设计13.7 抗干扰设计13.7.1 抗干扰渠道13.7.2 抗干扰措施1第四章系统软件设计14.1设计思路1. z.-4.2程序设计14.1.1 程序设计14.1.2 显示字程序设14.1.3 按键字程序14.1.4 PID算法子程序1总结1致1参考文献1. z.-. z.-第一章 绪论电阻炉是工农业生产中常用的电加热设备,广泛应用于冶金、化工、电力工程、造纸、机械制造、建材和食品加工等诸多生产过程中，而大功率的电阻炉则应用在各种工业生产过程中。在生产过程中要对各类加热炉、热处理、反响炉和锅炉的温度进展检测和控制，所以温度是工业控制的对象中比拟重要的参数之一。电阻炉是工业炉的其中之一，是利用电流通过电热体元件将电能转化为热能来加温或熔化工件或者物料的加工设备。然而，大多数电阻炉存在着各种干扰因素，将会给工业生产带来极大的不便。因此，在电阻炉温度控制系统的设计中，应尽量考虑到如何有效地防止各种干扰因素而采用一个较好的控制方案，选择适宜的芯片及控制算法是非常有必要的。随着单片机技术的飞速开展，通过单片机对被控对象进展控制日益成为今后自动控制领域的一个重要开展方向。本设计要求采用单片机设计一个电阻炉温度控制系统。1.1课题研究的背景意义近几年来，我国以信息化带动的工业化正在蓬勃开展，温度已成为工业对象控制中一种重要的参数，特别是在冶金，化工，机械等各类工业中，广泛使用各种加热炉，热处理炉，反响炉等。由于炉子的种类及原理不同，因所采用的加热方法及燃料也不同，如煤气，天然气，油电等。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，选用的燃料，控制方案也有所不同。例如冶金，机械，食品，化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉，热处理炉，反响炉等；燃料有煤气，天然气，油，电等；控制方案有直接数字控制DDC,推断控制，预测控制，模糊控制Fuzzy，专家控制E*per Control，鲁棒控制Robust Control，推理控制等。随着工业技术的不断开展，传统的控制方式已不能满足高精度，高速度的控制要求，如温度控制表温度接触器，其主要缺点是温度波动围大，由于他主要通过控制接触器的通断时间比例来到达改变加热功率的目的，受仪表本身的误差和交流接触器的寿命限制，通断频率很低。近几年来快速开展了多种先进的温度控制方式，如：PID控制，模糊控制，神经网络及遗传算法控制等。这些控制技术大大的提高了控制精度，不但使控制变得简单，而且使产品的质量更好，降低了产品的本钱，提高了生产效率。单片微型计算机的功能不断的增强，为先进的控制算法提供的载体，许多高性能的新型机种应运而生。单片机以其功能强，体积小，可靠性高，造价低和开发周期短等优点，成为自动化领域和其他测控领域中广泛应用的器件，在工业生产中成为必不可少的器件。在温度控制系统中，单片机更是起到了不可代替的核心作用。像用于热处理的加热炉，用于融化金属的坩埚电阻炉等类似工业用加热炉中都可以广泛应用，随着生产的开展，在工业中，一些设备对温度的控制要求越来越高，而本文则以单片机为核心，PID算法为控制方式而设计的电阻炉温度控制系统。1.2课题国外研究现状及趋势当前，随着电气信息技术在加热炉系统中的应用，兴旺国家如美国，德国，日本，澳大利亚等成功开发了一些列用途广泛，功能极强的温度控制器，随着电力资源的日趋紧及信息技术的开展，开发具有自主知识产权的炉温控制系统不仅具有广阔的市场前景，而且具有巨大的社会效益。国外在炉温自动控制技术和设备的研究上开展迅速，美国微型电子计算机的普及和单片机的应用使自动化系统发生了根本的变化，因而到达了较高的自动化程度。现在已有许多由单片机控制的仪器设备，使电阻丝加热和温度控制完全自动连续的进展。德国是世界上炉温控制技术最先进的国家之一，加热炉系统实现了高度的自动化，都由单片机或PLC控制。在我国，节约电力资源的潜力非常大。据有关国际组织发表的资料显示：中国的单位国民经济总产值所消耗的电是美国的4倍左右。由于我国人口基数大，所以人均占有资源相对很少。在我国一方面电力供给紧，而另一方面，电的浪费十分严重。特别是用于传统工业电热炉加热方面对电力资源的利用极为不合理。在对目前几种传统电加热方式做比拟后我们发现，它们各有优缺点：1,电磁继电器控制，即操作人员用过电磁继电器来控制加热炉电源开关的闭合来控制加热炉的加热过程它要求操作人员对加热炉和工作状态实行实时检测。这种方式开关速度慢，温度变化惯性大，控制效果不理想。不仅效率低浪费大量的人力资源和电力资源，而且不能实现对温度的准确控制。这种方式的优点是系统可靠性高。2,常规智能控制系统，目前应用比拟广泛的是在以单片机或PLC为核心的控制系统中采用常规算法如PID算法来实现对炉温的智能控制。这种系统自动化程度较高。然而由于加热炉具有大惯性纯滞后等非线性以及时变的特点，炉门的开关及电网等都影响控制过程。而基于准确数学模型的常规控制难以满足加热工艺曲线的要求。纵观国际和国炉温自动控制技术的开展状况，国外在炉温自动控制技术方面的研究比拟深入，凭借雄厚的科技实力，先进的生产工艺，严格的质量控制和对产品质量的刻意追求和先进的技术，因地制宜的解决方案，丰富的工业知识，其产品遍布世界十多个国家和地区。国外一些温控系统设备构造复杂，控制的量比拟多，本钱较高，安装，维护过程都很复杂很不适合阿紫我国乡镇企业使用。而我国国制造的加热设备，本钱相对低廉，所控制的量比拟少，能实现根本量的控制，但是由于绝大多采用的是普通的继电器控制系统，调试，维护困难，灵敏度不够高，不能实现定时的准确控制，而且产品产品先天性缺乏，使用寿命短，其产品市场占有率很低。本文采用的基于单片机的自动化控制加热系统是将自动控制与电加热系统有机的结合起来，使加热系统在无人干预的情况下通过控制器按规定的程序或指令实现对电加热的自动控制。以单片机为核心的小型自控系统具有造价低廉，可靠性高适用于各种环境下运行等优点，并且在系统硬件组成不变的情况下通过更改软件设置来适应多种运行方式的需要，是传统继电器控制的理想替代品。尤其是在中小规模工业生产中实现无人值守或半无人值守具有广阔的应用前景和使用价值。总的来说，在智能温度测量与控制电器中，单片机起了智能控制部件作用。它的存在，提高了电气的品质，增加了智能温度测量与控制电器的功能；并在智能温度测量与控制电器中执行模拟人类智能的进程。随着智能控制理论和人工智能研究的深入，各种更加逼真地模拟人类智能的智能温度测量与控制电器会更多的出现，而单片机和智能理论的结合，将来不但更多的改良现行智能温度测量与控制电器，而且将会产生全新的智能温度测量与控制电器。1.3本文的主要容本研究容以电阻炉为研究对象，针对电阻炉的温度控制系统进展设计。论文将阐述电阻炉温度控制的几种不同算法及区别，从而得出一种最优算法。设计并开发以单片机为控制核心，外置数据采集电路、功率控制电路、键盘与显示电路和报警电路等电路的硬件设计。从而实现数据采集、处理、存储、显示，系统的故障自诊断，超限报警等功能。本设计完成后实现一种硬件电路简单、控制算法先进、系统优良的新型温度控制系统。使系统具有较高的控制精度以及较高的灵活性和可靠性。设计要求：可根据独立键盘按键设定目标温度，实现温度的调试，能够通过LCD显示器显示控温时的实际炉温和恒温时间等信息。设计容：应用计算机的实时监控和温度测量技术，采用单片机、温度检测电路、温度控制电路等，实现电阻炉炉温的实时监控。采用单片机及相应的组成部件完成电阻炉温度控制系统设计，本设计包括硬件电路设计和软件程序设计。硬件电路包括AT89C51单片机介绍，温度检测电路，LCD显示电路，键盘输入电路，时钟电路，辅助电路。软件设计包括键盘按键电路软件设计及LCD显示电路的软件设计。第二章总体设计及其方案论证2.1设计工艺流及其要求本设计是单片机定时对电阻炉温度进展检测，经过放大和A/D转换得到相应的数字量，再送到单片机进展判断和运算，得到相应的控制量来控制执行部件，从而实现对温度的控制，同时又具有键盘输入和显示温度等功能。主要技术指标：（1） 电阻炉炉温控制围：4001000（2） 系统的控温精度为2（3） 越上下限报警处理2.2不同方案比拟现有三种可行方案对电阻炉进展炉温控制：方案一：采用8031单片机，16K电擦写程序存储器、键盘及显示器接口电路以及并行I/O芯片8255等组成。系统把传感器送来的温度信号进展放大、比拟、运算等后再输出控制信号，触发执行装置，实现温度的自动控制。同时还实现多种温度传感器的转换、调零、调幅的软调整等功能。8031部包括1个8位CPU、128B RAM,21个特殊功能存放器SFR、4个8位I/O口、1个全双工串行口，2个16位定时器、计数器，但片无程序存储器，需外扩EPROM芯片。方案二：采用PLC作为控制电路的核心，其他局部采用和方案二同样的设计。这种方案不仅具有和方案二同样的控制精度，而且整个电路的稳定性比方案二更高，但是PLC的价格远远高于单片机，其不适合大批量的生产，所以考虑价格因素，此种方案不宜选择。方案三：采用AT89C51单片机,它是一个低功耗、高性能的含有4KB闪存储器的8位CMOS单片机，时钟频率高达20MHz,与MCS-51的指令系统和引脚完全兼容。系统是由AT89C51单片机，温度检测放大电路、A/D转换环节、键盘及显示电路、固态继电器控温电路等组成的控制器和被控对象电阻炉构成的一个闭环控制系统。系统的工作过程：温度检测及变换电路把温度转换成电压信号，经 A/D转换器转换为数字信号送到单片机中，并与给定值(对应着所要控制的温度值)进展比拟，其偏差被 PID程序计算出输出控制量，PWM调制出相应的波形从而改变电阻炉单位时间电压导通的百分比即改变电阻炉的平均输入功率，以此来到达控温目的综合以上分析，我采用方案三。系统控制核心采用单片机AT89c51、此外还包括温度检测电路、键盘、显示电路、温度控制电路等局部组成。2.3 研究容设计原理系统的控制核心由单片机AT89C51来实现；温度信号的采集采用K型热电偶传感器，数据转换局部采用MA*6675，MA*6675是K型热电偶串行模数转换器，它能独立完成信号放大、冷端补偿、线性化、A/D转换及SPI串行口数字化输出功能，大大简化了热电偶测量智能装置的软/硬件设计。转换后的数字量与炉温的给定值数字化后进展比拟，即可得到实际炉温和给定炉温的偏差；炉温的设定值由键盘输入。由单片机构成的数字控制器按最小拍进展计算，计算出所需要的控制量。控制器的输出经标度变换后送给由P1.5通过T0送至固态继电器，从而改变电阻炉单位时间电压导通的百分比,从而控制电阻炉加热功率，起到调温的作用。此外，该智能控制器还包括与上位机的通讯接口，数据显示电路等。2.3.2 方框图系统整体构造框图如下：图2.1 系统整体构造框图系统组成系统由三局部构成，分别是前向通道，后向通道和外围接口电路。前向通道就是我们所说的温度采集电路局部，温度采集电路局部由传感器，温度检测电路和A/D转换电路组成。后向通道就是我们所说的温度控制电路，温度控制电路局部由控制信号，固态继电器和电阻丝组成。外围接口电路局部由键盘，显示，声光报警和人机通讯组成。控制算法根据炉温对给定温度的偏差，自动接通或断开供给炉子的热源能量，或连续改变热源能量的大小，使炉温稳定有给定温度围，以满足热处理工艺的需要。温度自动控制常用调节规律有二位式、三位式、比例、比例积分和比例积分微分等几种。电阻炉炉温控制是这样一个反响调节过程，比拟实际炉温和需要炉温得到偏差，通过对偏差的处理获得控制信号，去调节电阻炉的热功率，从而实现对炉温的控制。按照偏差的比例、积分和微分产生控制作用PID控制，是过程控制中应用最广泛的一种控制形式。系统控制程序采用两重中断嵌套方式设计。首先使T0计数器产生定时中断，作为本系统的采样周期。在中断效劳程序中启动A/D，读入采样数据，进展数字滤波、上下限报警处理，PID计算，然后输出控制脉冲信号。脉冲宽度由T1计数器溢出中断决定。在等待T1中断时，将本次采样值转换成对应的温度值放入显示缓冲区，然后调用显示子程序。从T1中断返回后，再从T0中断返回主程序并且、继续显示本次采样温度，等待下次T0中断。二位式调节-它只有开、关两种状态，当炉温低于限给定值时执行器全开；当炉温高于给定值时执行器全闭。三位式调节-它有上下限两个给定值，当炉温低于下限给定值时招待器全开；当炉温在上、下限给定值之间时执行器局部开启；当炉温超过上限给定值时执行器全闭。如管状加热器为加热元件时，可采用三位式调节实现加热与保温功率的不同比例调节P调节-调节器的输出信号M和偏差输入e成比例。即：M=k式中：K-比例系数比例调节器的输入、输出量之间任何时刻都存在-对应的比例关系，因此炉温变化经比例调节到达平衡时，炉温不能加复到给定值时的偏差-称“静差比例积分PI调节-为了“静差，在比例调节中添加积分I调节积分，调节是指调节器的输出信号与偏差存在随时间的增长而增强，直到偏差消除才无输出信号，故能消除“静差比例调节和积分调节的组合称为比例积分调节.比例积分微分PID调节-比例积分调节会使调节过程增长，温度的波动幅值增大，为此再引入微分D调节。微分调节是指调节器的输出与偏差对时间的微分成比例，微分调节器在温度有变化“苗头时就有调节信号输出，变化速度越快、输出信号越强，故能加快调节速度，降低温度波动幅度，比例调节、积分调节和微分调节的组合称为比例积分微分调节。第三章硬件设计3.1系统设计原理系统由AT89c51、温度检测电路、按键电路、液晶显示及报警电路、时钟电路、温度控制电路等局部组成。单片机AT89C51键盘显示报警通讯温度检测电路传感器电阻炉温度控制图3.1 系统的整体框图本设计主要是以硬件设计以及简单的编写系统的主程序，用单片机进展温度控制，同时采用一种高精度的集成芯片来完成A/D转换以及一些辅助电路的功能，使系统获得良好的性能指标，电路设计简单，精度高，控制效果好等优点，对提高生产效率刺激科技进步等方面具有重要意义。温度传感器：能感受温度并能转换成可用输出信号的传感器。按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。由于热电阻所感受的物体温度一般都是比拟低的，而工业生产如机械制造，冶金中电阻炉加热的上限温度非常高，所以一般不用于工业生产中。所以传感器要选择热电偶来传达电阻炉的实时温度。温度检测电路：温度检测系统在自动控制系统中的使用是相当广泛的，系统往往需要对控制部或者外部的温度进展检测，并根据条件的变化进展处理，如补偿*些参数，实现*种控制和处理。进展超高温警告等。因此对所监控的环境温度进展准确检测是非常必要的，尤其是一些对温度检测精度要求很高的控制系统更是如此。在工业上温度检测电路是非常重要的，它能及时的把温度反响给单片机，在计算机的控制下把温度反响给显示电路以便及时的显示当下的温度，在和设定的温度进展比拟，如果温度超过上限温度，则会触发报警电路，便于值班人员进展检修，以保证正常的生产。液晶显示：用于显示电阻炉的实时温度，便于人工和自动控制系统对温度的监控，当出现超出上限温度的时候及时反响给系统或值班人员，也可显示设定时间，实际时间，使工作人员能更清楚和准确的了解电阻炉当前的运行情况。键盘：是人工设定时间，温度等的输入通道，单片机I/O接口控制，通过键盘录入设定时间，设定温度，有的按键在不同的情况下可以实现不同的功能。温度控制电路：在设定温度与反响过来的电阻温度出现偏差，单片机触发温度控制电路，调节电阻炉的温度，直至到达生产要求的温度。3.2 单片机的选择单片机AT89c51的介绍单片机自20世纪70年代问世以来，以其极高的性能价格比，受到人们的重视和关注，应用很广，开展很快。单片机体积小，重量轻，抗干扰能力强，环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好。由于具有以上优点，单片机被广泛应用于诸多领域，如工业控制系统、智能化仪表、自动检测、数据采集系统等各个方面。本设计采用MCS-51系列单片机AT89C51作为控制机构的核心。AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，可以按照常规方法进展编程，也可以在线编程。外形及引脚排列如图3.2所示。图3.2 单片机AT89C51的引脚图3.2.1.1 AT89C51单片机的功能特性与MCS-51 兼容4K字节可编程FLASH存储器寿命：1000写/擦循环数据保存时间：10年全静态工作：0Hz-24MHz 三级程序存储器锁定1288位部RAM 32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片振荡器和时钟电路3.2.1.2 AT89C51单片机的根本组成1CPU：CPU是单片机的核心局部，CPU包括两个根本局部：运算器和控制器。运算器：运算器即算术逻辑运算单元ALUArithmetic Logic Unit是进展算术或逻辑运算的部件。可实现算术运算和逻辑运算。操作的结果一般送回累加器 ACCAccumulator，而其状态信息送至程序状态存放器PSWProgram Status Word。控制器：控制器是用来控制计算机工作的部件。控制器接收来自存储器的指令，使各局部协调工作，完成指令所规定的操作。2部数据存储器：AT89C51芯片共有256B地址为：00HFFH的数据存储器，其中高128B地址为：80HFFH被专用存放器占用，能作为存放器供用户使用的只是低128B地址为：00H7FH，用于存放可读写的数据，如程序执行过程中的变量。3部程序存储器：AT89C51共有4KB地址为：0000H0FFFH的flash程序存储器，用于存放程序、原始数据或表格常数。4定时/计数器：定时计数器AT89C51共有两个16位的定时/计数器，每个定时/计数器都可以设置成计数方式，用于对外部事件进展计数；也可以设置成定时方式，并可以根据计数或定时的结果实现对单片机运行的控制。5并行I/O口：并行口共有4个8位的I/O口P0、Pl、P2、P3。每个8 位的口，既可用作输入口，也可用作输出口，每个口即可以8位同步读写，又可对每一位进展单独的操作，十分的方便。6串行口：AT89C51单片机有一个全双工的串行接口，以实现单片机和其他设备之间的串行数据传送。该串行口功能较强，既可作为全双工异步通信收发器使用，也可作为同步移位器使用。7中断控制系统：AT89C51单片机有较强的中断系统，可以满足控制应用的需要。AT89C51的中断系统有5个中断源，包括两个外中断、两个定时/计数中断和一个串行口中断。8时钟电路：AT89C51芯片的部有时钟电路，但石英晶体和微调电容需外接。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列。3.2.1.3 AT89C51单片机引脚及其功能（一） 主电源引脚VCC和GNDVCC：供电电压。GND：接地。（二） 输入/输出I/O)引脚P0、P1、P2和P3P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进展校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1时，其管脚被部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进展存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1时，它利用部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进展读写时，P2口输出其特殊功能存放器的容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1后，它们被部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流ILL这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：管脚备选功能P3.0 R*D串行输入口P3.1 T*D串行输出口P3.2 /INT0外部中断0P3.3 /INT1外部中断1P3.4 T0记时器0外部输入P3.5 T1记时器1外部输入P3.6 /WR外部数据存储器写选通P3.7 /RD外部数据存储器读选通P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。三控制信号引脚RST、ALE/PROG、/PSEN、/EA/VPPRST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想制止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOV*，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE制止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器0000HFFFFH，不管是否有部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源VPP。四时钟电路引脚*TAL1和*TAL2*TAL1：反向振荡放大器的输入及部时钟工作电路的输入。*TAL2：来自反向振荡器的输出。振荡器特性:*TAL1和*TAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片振荡器。石晶振荡和瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，*TAL2应不接。有余输入至部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的上下电平要求的宽度。3.2.1.4 单片机的复位电路手动复位电路：为确保单片机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一局部，复位电路的第一功能是上电复位。一般单片机电路正常工作需要供电电源为5V5%，即4.755.25V。由于单片机电路是时序数字电路，它需要稳定的时钟信号，因此在电源上电时只有当4.75VVCCNb，则在两导体的接触面上，电子在两个方向的扩散率就不一样，由导体A扩散到导体B的电子数比从B扩散到A的电子数要多。导体A失去电子而显正电，导体B获很电子而显负电。因此，在A、B两导体的接触面上便形成一个由A到B的静电场，这个电场将阻碍扩散运动的继续进展，同时加速电子向相反方向运动，使从B到A的电子数增多，最后到达动态平衡状态。此时A、B之间也形成一电位差，这个电位差称为接触电势。此电势只与两种导体的性质相接触点的温度有关，当两种导体的材料一定，接触电势仅与其接点温度有关。温度越高，导体中的电子就越活泼，由A导体扩散到B导体的电子就越多，致使接触面处所产生的电场强度越高，因而接触电势也就越大。这样将1产生的温差热电势通过连接导线2在显示仪表3中显示出来。3.3.1.3 热电偶安装注意点(1)热电偶应尽量垂直装在水平或垂直管道上，安装时应有保护套管，以方便检修和更换。(2)热电偶的冷端应处在同一环境温度下，应使用同型号的补偿导线，且正负要接对。(3)测量管道温度时，元件长度应在管道中心线上(即保护管插入深度应为管径的一半)。(4)温度动圈表安装时，开孔尺寸要适宜，安装要美观大方。(5)高温区使用耐高温电缆或耐高温补偿线。(6)要根据不同的温度选择不同的测量元件。一般测量温度大于100时，应选择热电偶，小于100时选择热电阻。(7)接线要合理美观，表针指示要正确。3.3.2 温度检测电路3.3.2.1 MA*6675的介绍在工业检测系统中，热电偶作为一种主要的测温元件，具有构造简单、制造容易、使用方便、测温围宽、测温精度高等特点，被广泛应用于工业温度控制过程中。但是热电偶输出电势及其微弱，而且存在冷端温度误差和输出电势与被测温度的分线性问题，易引起较大测量误差，尤其在以单片机为核心器件的智能装置中，需要进展复杂的信号放大、A/D转换、查表线性、温度补偿及数字化输出接口等软件硬件设计，硬件芯片使用过多，软件编写任务重，不能适应现阶段产品集成、模块化的需要。MA*6675是Ma*im司新近推出的K型热电偶串行模数转换器，它能独立完成信号放大、冷端补偿、线性化、A/D转换及SPI串口数字化输出功能，大大简化了热电偶测量智能装置的软件硬件设计。3.3.2.2 MA*6675的性能特点简单的SPI串行口温度值输出； 0+1024的测温围； 12位0.25的分辨率；片冷端补偿；高阻抗差动输入；热电偶断线检测；单一+5V的电源电压；低功耗特性；工作温度围-20+85； 2000V的ESD保护。该器件采用8引脚SO贴片封装。引脚排列和引脚功能如下列图所示：图3.7 MA*6675引脚排列表3.1 MA*6675引脚功能3.3.2.3 MA*6675的工作原理MA*6675的部构造如图3.8所示。该器件是一个复杂的单片热电偶数字转换器，部具有信号调节放大器、12位的模拟/数字化热电偶转换器、冷端补偿传感和校正、数字控制器、1个SPI兼容接口和1个相关的逻辑控制。MA*6675部具有将热电偶信号转换为与ADC输入通道兼容电压的信号调节放大器，T+和T-输入端连接到低噪声放大器A1，以保证检测输入的高精度，同时使热电偶连接导线与干扰源隔离。热电偶输出的热电势经低噪声放大器A1放大，再经过A2电压跟随器缓冲后，被送至ADC的输入端。在将温度电压值转换为等图3.8 MA*6675部构造框图价的温度值之前，它需要对热电偶的冷端温度进展补偿，冷端温度即是MA*6675周围温度与0实际参考值之间的差值。对于K型热电偶，电压变化率为41V/，电压可由线性公式Vout=41V/tRtAMB来近似热电偶的特性。上式中，Vout为热电偶输出电压mV，tR是测量点温度；tAMB是周围温度。热电偶的功能是检测热、冷两端温度的差值，热电偶热节点温度可在0+1023.75围变化。冷端即安装MA*6675的电路板周围温度，此温度在 -20+85围变化。当冷端温度波动时，MA*6675仍能准确检测热端的温度变化。MA*6675是通过冷端补偿检测和校正周围温度变化的。该器件可将周围温度通过部的温度检测二极管转换为温度补偿电压，为了产生实际热电偶温度测量值，MA*6675从热电偶的输出和检测二极管的输出测量电压。该器件部电路将二极管电压和热电偶电压送到ADC中转换，以计算热电偶的热端温度。当热电偶的冷端与芯片温度相等时，MA*6675可获得最正确的测量精度。因此在实际测温应用时，应尽量防止在MA *6675附近放置发热器件或元件，因为这样会造成冷端误差。在测温应用中，芯片自热将降低MA*6675温度测量精度，误差大小依赖于MA*6675封装的热传导性、安装技术和通风效果。为降低芯片自热引起的测量误差，可在布线时使用大面积接地技术提高MA*6675温度测量精度。MA*6675的测量精度对电源耦合噪声较敏感。为降低电源噪声的影响，可在MA*6675的电源引脚附近接入1只0.1F瓷旁路电容。热电偶系统的测量精度可通过以下预防措施来提高：尽量采用不能从测量区域散热的大截面导线；如必须用小截面导线，则只能应用在测量区域，并且在无温度变化区域用扩展导线；防止受到拉紧导线的机械挤压和振动；当热电偶距离较远时，应采用双绞线作热电偶连线；在温度额定值围使用热电偶导线；防止急剧温度变化；在恶劣环境中，使用适宜的保护套以保护热电偶导线；仅在低温和小变化率区域使用扩展导线；保持热电偶电阻的事件记录和连续记录。MA*6675采用标准的SPI串行外设总线与MCU接口，且MA*6675只能作为从设备。MA*6675SO端输出温度数据的格式如表3.2所示，MA*6675SPI接口时序如图3.9所示。MA*6675从SPI串行接口输出数据的过程如下：MCU使CS变低并提供时钟信号给SCK，由SO读取测量结果。CS变低将停顿任何转换过程；CS变高将启动一个新的转换过程。一个完整串行接口读操作需16个时钟周期，在时钟的下降沿读取16个输出位，第1位和第15位是一伪标志位，并总为0；第14位到第3位为以MSB到LSB顺序排列的转换温度值；第2位平时为低，当热电偶输入开放时为高，开放热电偶检测电路完全由MA*6675实现，为开放热电偶检测器操作，T-必须接地，并使接地点尽可能接近GND脚；第1位为低以提供MA*6675器件身份码，第0位为三态。表3.2 MA*6675 S0端输出数据的格式图3.9 MA*6675 SPI接口时序在本次设计中当MA*6675的CS引脚从高电平变为低电平时，MA*6675将停顿任何信号的转换并在时钟SCK的作用下向外输出已转化的数据。相反，当CS引脚从低电平变回高电平时，MA*6675将进展新的转换。在CS引脚从高电平变成低电平时，第一个字节D15将出现在引脚SO。一个完整的数据读过程需要16个时钟周期，数据的读取通常在SCK的下降沿进展。MA*6675的输出数据为16位，其中D15始终无用，D14D3对应于热电偶模拟输入电压的数字转换量，D2用于检测热电偶是否断线D2为1说明热电偶断开，D1为MA*6675的标示符，D0为三态。需要指出的是：在以往的热电偶电路设计中，往往需要专门的断线检测电路，而MA*6675已将断线检测电路集成于片，从而简化了电路设计。D14D3为12位数据，其最小值为0，对应的温度值为0；最大值为4095，对应的温度值为1023.75；由于MA*6675部经过了激光修正，因此，其转换结果与对应温度值具有较好的线性关系。温度值与数字量的对应关系为：温度值=1023.75转换后的数字量/4095由于MA*6675 的数据输出为3 位串行接口, 因此只需占用微处理器的3个I/O口。使用时, 可用软件模拟同步串行读取过程。图中数据串行输出口由微处理器的P1.4 提供,片选信号由P1.5提供, 串行时钟输入端由P1.6 读取。热电偶的模拟信号由T+和T-端输入,其中T-需接地。MA*6675 的转换结果将在SCK的控制下连续输出，如下所示：图3.10 温度检测电路图 MA*6675将热电偶测温应用时复杂的线性化、冷端补偿及数字化输出等问题集中在一个芯片上解决，简化了将热电偶测温方案应用于嵌入式系统领域时复杂的软硬件设计，因而该器件是将热电偶测温方案应用于嵌入式系统领域的理想选择。3.4 后向通道设计温度控制电路此局部用于闭环控制系统中对被控对象实施控制，被控对象是电阻炉，采用对加在电阻炉两端的电压进展通断的方法进展控制，以实现对电阻炉功率的调整，从而到达对电阻炉温度控制点目的。对电阻丝通断的控制采用SSR-40DA固态继电器。它的使用非常简单，只要在控制端TTL电平，即可实现对继电器的开关，使用时完全可以用PNP型三极管接成电压跟随器的形式驱动。当单片机的P1.7为高电平时，PNP型三极管驱动固态继电器工作接通加热器工作，当单片机的P.17为低电平时固态继电器关断，加热器不工作。控制电路如下列图3.11所示：图3.11 温度控制电路图其中，固态继电器SSR-40DA是由固态元件组成的无触点开关，具有工作平安可靠、寿命长、无触点、无火花、无污染、高绝缘、高耐压越过2.5KV、低触发电流、开关速度快、可与数字电路匹配，以阻燃型环氧树脂为原料，采用灌封技术，使与外界隔离，具有良好的耐压、防潮、防腐、抗震动等性能。固态继电器部采用电压过零时开启，负载过零时关断的特性，在负载上可以得到一个完整的正弦波形。因此电路的射频干扰很小，可降低感性负载如风扇、三相电动机等的反电动势以及驱动阻性负载如白炽灯、发热丝等时可显著降低浪涌电流等优点，其部构造如下列图3.12所示：图3.12 SSR-40DA部构造图3.4.2 继电器的工作原理和特性当输入量(如电压、电流、温度等)到达规定值时，使被控制的输出电路导通或断开的电器。可分为电气量如电流、电压、频率、功率等继电器及非电气量如温度、压力、速度等继电器两大类。具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点。广泛应用于电力保护、自动化、运动、遥控、测量和通信等装置中。1、电磁继电器的工作原理和特性电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克制返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点常开触点吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用返回原来的位置，使动触点的静触点常闭触点吸合。这样吸合、释放，从而到达了电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点；处于接触状态的静触点称为“常闭触点。2、热敏干簧继电器的工作原理和特性热敏干簧继电器使一种利用热敏磁性材料检测和控制温度的新型热敏开关。它由感温磁环、干簧管、导热安装片、塑料衬底及其他一些组成。热敏干簧继电器不用线圈励磁，而由恒磁环产生的磁力驱动开关动作。恒磁环能否向干簧管提供磁力是由感温磁环的温度特性决定的。3、固态继电器SSR的工作原理和特性固态继电器是一种两个接线端为输入端，另两个接线端为输出端的四端器件，中间采用隔离器件实现输入输出的电隔离。固态继电器按负载电源类型可分为交流型和直流型。按开关型式可分为常开型和常闭型。按隔离型可分为混合型、变压器隔离型和光电隔离型，以光电隔离型为最多，本系统则采用的光电隔离型。继电器主要产品技术参数1、额定工作电压是指继电器正常工作时线圈所需要的电压。根据继电器的型号不同，可以是交流电压，也可以是直流电压。2、直流电阻是指继电器中线圈的直流电阻，可以通过万能表测量。3、吸合电流是指继电器能够产生吸合动作的最小电流。在正常使用时，给定的电流必须略大于吸合电流，这样继电器才能稳定地工作。而对于线圈所加的工作电压，一般不要超过稳定工作电压的1.5倍，否则会产生较大的电流而把线圈烧毁。4、释放电流是指继电器产生释放动作的最大电流。当继电器吸合状态的电流减小到一定程度时，继电器就会恢复到未通电的释放状态。这时的电流远远小于吸合电流。5、触点切换电压和电流是指继电器允许加载的电压和电流。它决定了继电器能控制电压和电流的大小，使用时不能超过此值，否则很容易损坏继电器的触点。继电器测试1、测触点电阻用万能表的电阻档，测量常闭触点与动点电阻，其阻值应为0，用加确式可测得触点阻值在100毫欧以；而常开触点与动点的阻值就为无穷大。由此可以区别出那个是常闭触点，那个是常开触点。2、测线圈电阻可用万能表R10档测量继电器线圈的阻值，从而判断该线圈是否存在着开路现象。3、测量吸合电压和吸合电流找来可调稳压电源和电流表，给继电器输入一组电压，且在供电回路中串入电流表进展监测。慢慢调高电源电压，听到继电器吸合声时，记下该吸合电压和吸合电流。为求准确，可以试多几次而求平均值。 4、测量释放电压和释放电流也是像上述那样连接测试，当继电器发生吸合后，再逐渐降低供电电压，当听到继电器再次发生释放声音时，记下此时的电压和电流，亦可尝试多几次而取得平均的释放电压和释放电流。一般情况下，继电器的释放电压约在吸合电压的1050，如果释放电压太小小于1/10的吸合电压，则不能正常使用了，这样会对电路的稳定性造成威胁，工作不可靠。继电器的电符号和触点形式继电器线圈在电路中用一个长方框符号表示，如果继电器有两个线圈，画个