电阻加热炉温度控制系统毕业论文(编辑修改稿)

电阻加热炉温度控制系统毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

是在显 示器工作时，各位的共阴极（共阳极）连接在一起并接地（ +5V） ，每位的段选线分别与一个 8位的锁存器相 连接 ， 每个 LED 的显示字符一经确定，相应的锁存器输出将维持不变，直至显示下一个字符。 因此，静态显示器的输出亮度较高。 LED 静态扫描方式的接口编程容易，但缺点是占用较多的口线。 长春工业大学人文信息学院毕业设计 （论文） 10 如果使用锁存器接口，则有几位 LED 显示器就需要几个锁存器。 正因为如此在显示位数较多的情况下，不易使用静态扫描方式。 本次设计只使用 4个 LED 显示器，显示位数不多，因此 采用 4 片 8 位移位寄存 器串级使用的 LED 静态显示方式 长春工业大学人文信息学院毕业设计 （论文） 11 第 3 章 系统硬件设计 控制单元的 设计 本次设计从 价格和性能入手对 微处理器 进行选择 ， 性能主要包括指令系统功能和寻址方式、存储器配置及可寻址空间、对电源的要求、环境情况及抗干扰性、 I/O接口的配置情况等。 根据以上 两 个方面考虑，本设计选用 MCS51 系列的单片机AT89C2051，其优点在于： （ 1）片内含有 2K 字节的 Flash 程序存储器， 128 字节的片内 RAM； （ 2）允许工作时钟为 0～ 25MHz； （ 3）集成度高； （ 4）处理功能强大； （ 5）在市场上较为流行且性价比高。 图 31 AT89C2051管脚图 复位电路选用了按键式复位电 路 ，如图 32所示。 长春工业大学人文信息学院毕业设计 （论文） 12 在振荡器工作时，保持 RST 在连续两个机器周期内为高电平就实现了复位操作 ，当复位结束时， I/O 引脚都复位为“ 1”。 单片机检测到复位信号后在第二个机器周期执行一系列片内复位操作，并且在 RST 变低前的每一个周期内重复执行。 电阻 R1 和 R2为 10 KΩ ，电容 C 为 22μ F。 图 32 复位电路 时钟电路 XTAL1 和 XTAL2 为内部放大器的输入端和输出端，这个放大器可以配置一个内部振荡器，如图 33 所示： 图 33 时钟电路 选用 12MH 的晶振作为 8031 的时钟电路， 电容 C1=C2=30pF177。 10pF. 模数转换电路的设计 目前 A/D 转换电路得到了广泛的应用。 但在某些数据要求长距离传输，资金有 长春工业大学人文信息学院毕业设计 （论文） 13 限，精确度和精密度要求高的场合， A/D 转换器在使用时就多有不便，因此常使用V/F 转换器代替 A/D 转换器。 V/F 转换器具有接线简单，价格便宜，转换精度高等特点，本次设计使用的就是现在使用较为广泛的 LM331V/F 转换器。 其转换电路如图 34所示： 图 34 模数转换电路 LM331 各 个 引脚同能说明如下：脚 1为脉冲电流 输入 端，内部相当于脉冲恒流源，脉冲宽度与内 部单稳态电路相通；脚 2为输出端脉冲电流幅度调节， RS 越小，输出电流越大；脚 3 为脉冲电压输出端， OC 门结构 ，不用时可悬空或接地；脚 4为接地；脚 5 为单稳态外接定时时间常数 RC；脚 6 为单稳态触发脉冲输入端，低于脚 7电压触发有效，要求输入负脉冲宽度小于单稳态输出脉冲宽度 Tw；脚 7 为 长春工业大学人文信息学院毕业设计 （论文） 14 比较器基准电压，用于设置输入脉冲的有效触发电平高低；脚 8为电源 Vss，正常工作电压范围为 4～ 40V。 由于 LM331 的转换线性度直接影响转换结果的准确性，而通常引起 V/F 转换产生非线性误差的原因是引脚 1 的输出阻抗，它使输出电流随输入电 压的变化而变化，因而影响转换精度，为了克服此缺点，高精度 V/F 转换器在脚 1和脚 7 间加入了一个积分器， 这个积分器是由运算放大器和积分电容构成的反积分器 ,加上积分电容后，由于电流源（引脚 1）总保持 接地，电压不随着 Vin 或 Fout 变化，因此有很高 的 线性度。 LM331 把电压信号转化为脉冲信号后，将脉冲信号送到单片机的计数 /定时端口，由单片机对频率信号进行接收、处理和储存。 由于 LM331 的 V/F 转换关系成线性，所以我们可以根据采集到 的频率数据知道模拟信号的大小，从而实现了模拟信号到数字信号的转换。 本电路必须使用低 温度系数的原件，所以电容选用聚酯薄膜电容。 又因为运算放大器需选用低失调电压和低失调电流的器件，所以选用了 LM108。 输入输出计算： 输入电压范围为 0～ 10V 输出为ttLSINOUT CRRRVf  （ 式 31） 即 4 2 1 3 INOU T Vf  （ 式 32） 这样，就可算出 LM331 的输入输出值。 温度检测电路的设计 因为本系统要求的测温环境在 600～ 1000℃之间，所以选择 K 型热电偶作为测温 元 件。 要想保持测温的准确性，必须保持冷端的温度恒定 ，因此将热电偶冷端接地，这样就也省去了温度补偿部分，是电路大大简化。 本次设计的温度检测电路如图 35所示： 长春工业大学人文信息学院毕业设计 （论文） 15 图 35 热电偶温度检测电路 K 性热电偶检测到电阻炉的炉温后，经过 RC 滤波电路将电压信号传送至运算放大器 ADOP07。 表 31 为 K 性热电偶产生的对于基准点冷端的温差电势 ，由图可知，当 0℃ 时， K型热电偶的输出为 0mV，当 999℃ 时， K型热电偶的输出为。 若将 ADOP07 放大器的增益调整为 412 倍，则当 0℃ 时， K型热电偶的输出为 0mV，当 999℃ 时， K型热电偶的输出为 10V。 再经过两个串联的电阻分压，则得到 0～ 5V的电压信号 ，这样就满足了 V/F 转换器的电压输入条件。 表 31 K 型热电偶产生的对 于基准点冷端的温差电势 温度 /℃ 200 0 200 400 600 800 999 热电偶 /mV 0 存储器扩展电路的设计 本次设计使用 24C01 CMOS 芯片作为存储器的扩展，与单片机的连接如图 36所示。 24C01 是 1k 电可擦只读程序存储器，它只是用一条数据线和一条时钟线，所占用端口资源非常少，在一些端口资源不充足的情况下常常被使用。 24C01 的工 长春工业大学人文信息学院毕业设计 （论文） 16 作环境温度为 55℃ ～ 125℃ 之间，标准工作环境为 +5V，但在 ～ 之间均可正常工作，最大工作电压 ，功耗为 25mW，其引脚功能如下： SDA：串行数据 /地址传送； SCL：串行时钟信号输入； TEST：测试输入端； NC：无连接。 图 36 存储器扩展电路 24C01 的 SCL 和 SDA 引脚分别接入单片机得 引脚和 引脚上， 向24C01 提供时钟频率， 是与 24C01 之间进行串行数据传送。 当 TEST 为高电平时24C01 工作，而当其位低电平时 24C01 停止工作，由于 24C01 不需要停止工作，所以 TEST 直接接高 电平。 显示电路的设计 LED 发光二极管通常分为 7 段位和八段位（相差一个小数点），同时又被分成共阴极和共阳极。 共阴极 LED 发光二极管为共阴极接低电平其系统工作，相反共阳极 LED 发光二极管为共阳极接高电平其系统开始工作。 本次设计使用的是 LG5011 LED 发光二极管。 LED 在显示字符 的时候 有一定的段码，共阴极从数字 0～ 9 所对应的段码为 长春工业大学人文信息学院毕业设计 （论文） 17 3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH,6FH。 共阳极从数字 0～ 所对应的段码为C0H,F9H,A4H,B0H,99H,92H,82H,F8H,80H,90H。 熄灯对应的段码为 0FFH。 AT89C2051 余下的并行 I/O 线已经不能满足数据的并行输出，但可以考虑串行输出方法。 本此设计采用了 74LS164 这个串入并出的移位寄存器，很好的解决了AT89C2051 与 LED 的显示接口电路，如图 37，给出了串行口扩展的 4 位 LED 显示接口电路。 图 37 显示电路 其中 74LS164 的引脚 Q0～ Q7 为 8 位并行输出端，分别与 LED 的 8个引脚相连； 长春工业大学人文信息学院毕业设计 （论文） 18 引脚 A、 B 为串行输入端；引脚 CLK 为时钟脉冲输入端，在 CLK 脉冲的上升沿作用下实现移位， 在 CLK=0、 清除端 MR =1 时 74LS164 保持原来数据状态； MR =0 时，74LS164 输出清零。 显示电路的工作过程如下： AT89C2051 的串行口设定在方式 0 移位寄存器状态下，串行数据 由 (RXD)接受 ，移位时钟由 (TXD)送出。 在移位时钟的作用下，串行口发送缓冲器的数据一位一位地移入 74LS164 中。 4片 74LS164 串级扩展为 4 个 8 位并行输出口，分别连接到 4 个 LED 显示器的段选端作静态显 示。 需要指出的是，由于 74LS164 无并行输出控制端，因而在串行输入过程中，其输出端的状态会不断变化，造成不应该显示的字段仍有较暗的亮度，影响了显示效果 ,因此使用一个三态门解决该问题。 键盘电路的设计 本次设计使用 89C2051 的 T1 口与一片移位寄存器 74LS164 构成键盘输入接口电路 ，其电路图如图 38 所示： 图 28 键盘电路 键盘由 89C2051 的串行口驱动， T1 为定时扫描计时器。 89C2051 的串行口工作 长春工业大学人文信息学院毕业设计 （论文） 19 于方式 0，即移位寄存器方式。 T1 定时 /计数器工作于方式 1，即 16 位定时器方式。 T1 的定时时间计算公式为 T=12/主频。 定式扫描工作方式： 单片机对键盘采用定时扫描方式，即每隔 一段 时间对键盘扫描一次。 这种扫描方式利用 AT89C2051 产生 10ms 的定时中断， CPU 响应 定时器溢出中断请求并对键盘进行扫描，当按下按键时识别出该按 键，并执行相应键的程序。 在 AT89C2051 的 RAM 中设置两个标志位，第一个标志位为除抖动 F1，第二个标志位为 已识别完按键 F2。 初始状态时将两个标志位置 0，当有中断时，首先判断有无按键闭合，若没有按键闭合，则 F1， F2 置 0 并返回。 如果有按键闭合，则检查 F1，当 F1=0 时，表示仍未进行除抖动处理，将 F1置 1并中断返回。 当 F1=1 时 ，表示已完成除抖动处理，此时检查 F2，若 F2为 0，则将 F2 置 1并进行按键识别处理同时执行相应程序。 若 F2 为 1，则表明已执行按键识别处理但未松开按键，此时中断返回。 在松开按键后，将 F1 和 F2 置 0，为下次做好准备。 本次设计的四个按键分别为加，减，后退，确定，按下“加”减则依次显示 0～ 9 九个数字、小数点和灭灯，而“减”键则正好相反，“后退”键用于撤销错误输入 ，“确定”键是当输入完毕后，按下“确定”键，开始执行程序。 输出控制电路的设计 本次设计采用光耦合双向可控硅进行电阻炉的功率调控。 双向可控硅因为可以双向导通，故门极 G 以外的两个电极统称为主端子 ，用 T1 和 T2 表示。 当 G 极和T2 极相对于 T1 的电压均为正时， T2是阳极， T1是阴极，反之当 G 极和 T2 极相对于 T1 的电压均为负时， T2 是 阴极， T1 是阳极。 双向可控硅由于正、反特性曲线具有对称性，所以它可在任意一个方向导通。 其特点是： （ 1）主端子两端电压超过 时，无论极性如何，可用 G出发导通； （ 2） G极上无信号时，晶闸管两端为高阻抗，管子截止； （ 3）工作交流时，当每一半周交替时，纯阻负载能恢复截止。 由于 89C2051 的驱动能力不够，所以本次设计使用光耦合双向可控硅驱动器MOC3061，内部结构如图 39 所示。 其优点为输出为正弦波，波形无畸变、电磁干扰小、无噪声，而且触发电路简单可靠。 MOC3061 采用双列直插 6 引脚封装形式， 长春工业大学人文信息学院毕业设计 （论文） 20 器件有输入输出两部分组成 ， 2脚为输入端，输入级是一个砷化镓红外发光二 极管，该二极管在 5～ 15mA 正向电流作用下，发出足够的红外光，触发输出部分。 5 脚为空脚。 6 脚为输出端，输出级为具有过零检测的光控双向可控硅。 当红外发光二极管发射红外光时，光控双向可控硅出发导通。 MOC3061 特性如下： （ 1）触发电流值为 5～ 15mA； （。