塑料焊接机温控系统设计

塑料焊接机温控系统设计内容摘要：

塑焊机温度控制系统的硬件设计12随着集成电路的发展，越来越多的芯片随着体积的不断减小，而其功能反而越来越强大，并且价格也越来越便宜。 由于塑料焊接机的工作环境比较恶劣，而温控系统又很容易受到干扰，因此其稳定性就显得非常重要，为了增加设计电路的稳定性和简洁性，我们最终选择了具有放大和补偿双重功能的智能芯片，这样既减小了电路板的面积，简化了电路，其数字化的设计又使得系统的稳定性得到加强。 考虑到以上原因，我们最终选择的是 AD 公司的 AD595。 AD595 简介：AD595 IC 具有热电偶信号放大和冰点补偿双重功能, 它适用于 K 型热电偶,是 14 脚 DIP 封装。 具有二个等级(C 级和 A 级) , 分别具有177。 1 ℃和177。 3 ℃的校准准确度。 它们具有以下特性:低阻抗电压输出:10mV/ ℃片内冰点补偿电源电压范围: + 5V～ 177。 15V低功耗: 1mW热电偶断线报警功能高阻抗差动输入可用作摄氏温度传感器差动输入可抑制热电偶引线上的共模噪声电压由于热电偶的输出电势与温度成非线性关系, 下列转换函数将决定芯片的实际输出电压:AD595 输出= ( K 型热电势+ 11μV) 247. 3AD595 应用电路连接：图 AD595 应用接线图山东科技大学学士学位论文 塑焊机温度控制系统的硬件设计13 AD 转换模块由于本系统采集的是温度信号，一般而言，温度信号都比较微弱，并且对于温控系统而言，最重要的往往是温度的控制精度问题，因此，我们在选用 AD 转换模块时，应该选择转换高、抗干扰能力强，最好价格低廉的 AD 转换芯片。 在本系统的设计中，我们选择了 ICL7135 作为我们的 AD转换器，一是因为它满足以上条件，另外一个原因是它的一种特殊接线方法非常简单，并且我们在软件编程中比较容易实现。 7135 简介 该系统的 A/D 转换器选用的是 ICL7135，它是一种 4 位半的双积分 A/ D 转换器,该器件的接口为驱动 LED 显示器而设计。 输入为差分信号，输出177。 20200 个码，分辩率高，其内部没有时钟电路，必须全部外接。 D1 到 D5 是显示器位扫描信号,每位对应 200 个时钟周期。 BBBB8 是 BCD 码数据输出线。 STB 信号为数据的外部锁存而设置。 除此之外还有极性信号 POL 、超量程信号 OVER、欠量程信号 UNDER。 由于该芯片具有精度高、抗干扰能力强、价格低廉的特点,在智能化仪表中得到广泛的应用。 基准电压也要靠外部电路来提供，并且为单端输入，基准电压值为满量程的一半。 ICL7135 的输出不是三态的，不可直接与总线相连，它每次转换完毕立即输出新的转换结果，不需要特别控制。 ICL7135 有专门的极性显示，过量程显示和欠量程显示引脚，使用起来特别方便。 山东科技大学学士学位论文 塑焊机温度控制系统的硬件设计14 7135 接口电路一般接口电路如下图所示：这种接线方法占用单片机的口线多，并且软件编程复杂，因此我们放弃了这种一般接线方法，而采用了特殊接线方法。 以往使用 7135 是利用它具有多重动态扫描的 BCD 码输出来读取 A/D转换结果，这样既费时、又占用较多口线。 在测控仪表中，尽量少占用微处理器 I/O 口线，以最少原器件、完成尽可能多的任务是十分重要的。 这里介绍的 ICL7135 与单片机接口的简易方法，是利用 7135 的“BUSY”端，只需占用单片机 89C51 的一个 I/O 口和内部的一个定时器，就可以在十几微秒的中断服务程序中把 ICL7135 的 A/D 转换值送入单片机内。 实践证明，该方法具有实际应用价值。 7135 的 BUSY 信号与积分过程的关系如下图所示：图 7135 与单片机一般接线图山东科技大学学士学位论文 塑焊机温度控制系统的硬件设计15BUSY 信号正好是两个积分过程的长度,根据这个关系设计一种简单接口,如图 4 (b) 所示。 将时钟信号 CLK 连到单片机的 T0 (P3. 4) ,将 BUSY信号连到单片机的 INT0 (P3. 2) ,将 POL 连到单片机的 P3. 5。 BUSY 有两个作用:一是作为计数器 T0 的门控信号,在 BUSY 信号的高电平期间允许T0 对 CLK 计数。 二是在下降边沿对单片机产生中断。 需要的结果是对应于参考电压的积分时间内的 CLK 周期数 N , 实际计数值比 N 大 10 000 ,将计数值减去 10 000 即得到所需要的结果,或者在计数器赋初值时将 10 000 写入计数器,忽略计数器的溢出即自动得到所需要的结果。 这个结果是二进制的结果,比 5 位 BCD 码的结果更有利于单片机的数据处理。 因此可得我们下图所示的 7135 与单片机的特殊接线电路：又图 7135busy 信号与积分过程关系图图 X25045 与单片机接线图山东科技大学学士学位论文 塑焊机温度控制系统的硬件设计16由于 7135 工作的时钟周期大约在 500HZ，因此我们还要经过特殊的电路来构设分频，以满足 7135 的正常工作。 因此我们便采用了用 74LS161 来构设分频器，由于单片机的外部晶振选用的是 ，因此我们直接把它的时钟信号 12 分频为 7135 的时钟信号。 下图便为 161 分频电路： 输出控制模块 常见的功率控制有两种方法，一是调功，通过控制单位时间内加在功率器上的正弦波的波头数来控制功率；二是调相，通过控制可控硅的导通角，来控制导通时加在功率器上的电压幅值，实现对功率器件的精确均匀控制，本系统采用方法一来实现功率控制。 89C52 根据采样的温度数值对其进行相应规则的计算、处理、判断后，得出控制结果，从其 P1 口输出相应的控制信号，此控制信号为 0,1(低、高电平)连续脉冲信号，经过一定的上拉后，去控制继电器动作，再经过继电器控制发热器件。 SSR 简介交流固态继电器 SSR(solid state releys)是一种无触点通断电子开图 74LS161 连线图山东科技大学学士学位论文 塑焊机温度控制系统的硬件设计17关，它利用电子元件(如开关三极管、双向可控硅等半导体器件)的开关特性，可达到无触点无火花地接通和断开电路的目的，为四端有源器件，其中两个端子为输入控制端，另外两端为输出受控端。 为实现输入与输出之间的电气隔离，器件中采用了高耐压的专业光电耦合器。 当施加输入信号后，其主回路呈导通状态，无信号时呈阻断状态。 整个器件无可动部件及触点，可实现相当于常用电磁继电器一样的功能。 其封装形式也与传统电磁继电器基本相同。 它问世于 70 年代，由于它的无触点工作特性，使其在许多领域的电控及计算机控制方面得到日益广范的应用。 由于固态继电器是由固体元件组成的无触点开关元件，所以它较之电磁继电器具有工作可靠、寿命长、对外界干扰小、能与逻辑电路兼容、抗干扰能力强、开关速度快和使用方便等一系列优点。 因而具有很宽的应用领域，有逐步取代传统电磁继电器之势，并可进一步扩展到传统电磁继电器无法应用的领域。 固态继电器有三部分组成:输入电路，隔离(耦合)和输出电路。 安输入电压的不同类别，输入电路可分为直流输入电路，交流输入电路和交直流输入电路三种。 有些输入控制电路还具有与 TTL/CMOS 兼容，正负逻辑控制和反相等功能。 固态继电器的输入与输出电路的隔离和耦合方式有光电耦合和变压器耦合两种。 固态继电器的输出电路也可分为直流输出电路，交流输出电路和交直流输出电路等形式。 交流输出时，通常使用两个可控硅或一个双向可控硅，直流输出时可使用双极性器件或功率场效应管。 SSR 按使用场合可以分成交流型和直流型两大类，它们分别在交流或直流电源上做负载的开关，不能混用。 SSR 成功地实现了弱信号 (Vsr)对强电(输出端负载电压)的控制。 由于光耦合器的应用，使控制信号所需的功率极低(约十余毫瓦就可正常工作)，而且 Vsr 所需的工作电平与 TTL、HTL、CMOS 等常用集成电路兼容，山东科技大学学士学位论文 塑焊机温度控制系统的硬件设计18可以实现直接联接。 这使 SSR 在数控和自控设备等方面得到广泛应用。 在相当程度上可取代传统的“线圈—簧片触点式”继电器(简称“MER”)。 本次设计选用的固态继电器是一种四端器件，两端输入、两端输出，它们之间用光电耦合器隔离，其输入端导通电压为 ，导通电流10mA；输出端负载电压为 220V380V，电流,20A。 而从控制板上输出信号为 TTL 信号，因而需要进行驱动。 固态继电器的驱动电路如下图所示：输出控制模块电路图连接如下：图 X25045 管脚图图 固态继电器驱动图图 固态继电器驱动图图 输出模块电路图山东科技大学学士学位论文 塑焊机温度控制系统的硬件设计19 键盘与显示模块 矩阵式键盘 由于本系统需要用户控制的量很多，因此需要我们设计的键盘数量也非常多，再考虑到简洁电路和低成本的因素，我们选择了比较常见的矩阵键盘。 通过 P0 口的 8 位来构设 16 位按键。 这样使得硬件电路比较简洁，不过这使得软件比较繁琐。 可以说是牺牲了软件的效率来简化硬件电路。 矩阵式键盘的结构与工作原理：在键盘中按键数量较多时，为了减少 I/O 口的占用，通常将按键排列成矩阵形式，如图 1 所示。 在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。 这样，一个端口（如 P1 口）就可以构成4*4=16 个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成 20 键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键（9键）。 由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。 矩阵式结构的键盘显然比直接法要复杂一些，识别也要复杂一些，上图中，列线通过电阻接正电源，并将行线所接的单片机的 I/O 口作为输出端，而列线所接的 I/O 口则作为输入。 这样，当按键没有按下时，所有的输出端都是高电平，代表无键按图 矩阵式键盘电路图图 输出模块电路图山东科技大学学士学位论文 塑焊机温度控制系统的硬件设计20下。 行线输出是低电平，一旦有键按下，则输入线就会被拉低，这样，通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了。 对于按键识别方法，我们选择了比较通用的“行扫描法”。 行扫描法又称为逐行（或列）扫描查询法，是一种最常用的按键识别方法，其基本原理如下。 1. 判断键盘中有无键按下 将全部行线 Y0Y3 置低电平，然后检测列线的状态。 只要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平线与 4 根行线相交叉的 4 个按键之中。 若所有列线均为高电平，则键盘中无键按下。 2. 判断闭合键所在的位置在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。 其方法是：依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其它线为高电平。 在确定某根行线位置为低电平后，再逐行检测各列线的电平状态。 若某列为低，则该列线与置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键。 LCD 液晶显示LCD 液晶显示屏外观如下图所示：本系统显示部分采用 LCD 液晶显示屏，第一它可以直观的显示汉字，方便操作人员操作，第二采用液晶屏的优点再于它的耗电量比较小，能够山东科技大学学士学位论文 塑焊机温度控制系统的硬件设计21减小系统的功耗。 一般用于电子行业的 LCD 液晶主要分为两大类，一类是采用并行方式传输数据，另外一类是采用串行通信传输数据。 在本系统中，由于需要的口线比较多，所以我们选择了采用串行通信传输数据的液晶屏。 根据价格和性能我们选择了北京金创业有限公司的 KYD29X 液晶显示模块。 KYD29型智能液晶终端参数：采用国产单色液晶模块 , 128 x 64点 , 2色 , 显示颜色 :黑白2色(无背光)显示分辨率 : 128x 64点显示点尺寸 : x 视域尺寸 : (对角线:=)外形尺寸 : 113 x 65 x 24mm电源: +5V , LCD管脚接线表格如下所示：引脚 信号 方向 说明1 Va 输入 当不使用电位器时由此输入液晶对比度调节电压2 BUSY(TTL 电平)输出 高电平表示终端正在处理数据,不能接收用户数据,用户只能在 BUSY 时通过 DATA 端发送数据3 DC+5V 输入 输入直流 DC+5V 电源输入端4 DATA(TTL 电平)输入 串行数据输入端,与用户单片机串行数据输出端相连,当 BUSY=0 时,终端以设定的波特率由此接收数据5 GND 输出 GND6 Vn 输入 当需要控制背光时由此输入 05V 的背光电源由于本系统采用的是串行通信方式给 LCD 传输数据，而在本系统中由于串口要与上位机进行通讯，所以在本模块中串行口就不能再使用。 考虑到实际情况，我们最终采用了普通 I/O 口模拟串行口通信，实际证明此方表 LCD 管脚接线表格图 输出模块电路图山东科技大学学士学位论文。