基于单片机的电加热炉温度控制毕业设计论文(编辑修改稿)

基于单片机的电加热炉温度控制毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

数据信号是相对于信号地。 典型的 RS232 信号在正负电平之间摆动，在发送数据时，发送端驱动器输出正电平在 +5～ 15V，负电平在 5～ 15V 电平。 正无数据传输时，线上为 TTL，从开始传送 数据到结束，线上电平从 TTL 电平到 RS232 电平再返回 TTL 电平。 接收器典 型的工作电压在 +3～ +12V 与 3～ 12V。 由于发送电平与接收电平的差仅为 2V 至 3V 左右，所以其共模抑制能力差，再加上双绞线上的分布电容，其传送距离最大约为 15 米，最高速率为 20Kbps。 RS232 是为点对点（即只用一对收、 13 发设备）通讯而设计的，其驱动器负载为 3KΩ～ 7KΩ。 因此 RS232 很 适合 于 本地设备之间的连接。 而 RS485 则 采用差分信号负逻辑。 它 采用平衡发送和差分接收， 因此 具有抑制共模干扰的能力。 RS485 串行总线通信距离能够达到几千米再 加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至 200mV 的电压， 因此 传输信号 即使 在千米以外 也能够 得到恢复。 其 采用 的是半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。 再次 应用 RS485 可以联网构成分布式系统，其允许最多并联 32 台驱动器和32 台接收器 ， 用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。 由于 PC 机默认的只带有 RS232 接口，有两种方法可以得到 PC 上位机的 RS485电路：（ 1）通过 RS232/RS485 转换电路将 PC 机串口 RS232 信号转换成 RS485 信号，对于情况比较复杂的工业环境最好 是选用防浪涌带隔离珊的产品。 （ 2）通过 PCI多串口卡，可以直接选用输出信号为 RS485 类型的扩展卡。 目前，大部分 PC 机的通信端口为 9 芯 D 型插头，在实际使用 PC 机进行串行通信时，通常只使用其中的 RTS、 RXD、 TXD 与 GND 四个端口，以构成简易的四线通信线路。 笔者采用这种方案巧妙地利用光电耦合器的隔离特性和 RS232 工作时 RTS 线与 TXD线之间的电平关系，给出了简单、可靠的电路设计。 具体转换电路如图 所示。 该电路使用了三片光电耦合器 TLP5211 进行隔离，这使 PC 机与 SN75LBC184 之间完全没有了 电的联系，从而提高了工作的可靠性。 当 RS232 的 RTS 端为逻辑电平 1(12V)时，光电耦合器的发光二极管不发光，光敏三极管不导通，输出端为 TTL 逻辑电平 1（ +5V），此时选中 RS485 的 DE端允许 RS485接收，这样， RS232 的 TXD 端就可以发送数据（工作逻辑与 RTS 端相似）。 当 RS232的 RTS 端为逻辑电平 0（ +12V）时，光电耦合器的发光二极管发光，光敏三极管导通，输出端为 TTL 逻辑电平 0(0V)，此时选中 RS485 的 RE 端允许 RS485 发送。 当 RS485的 R 端的输出为逻辑电平 1 时，光电耦合器发光 二极管不发光，光敏三极管不导通，这样，在 RS232 输出停止时，其 TXD 电平为 12V，电容被充电到 12V 以使其输出也变成12V，即逻辑电平 1；当其输出为逻辑电平 0 时，光电耦合器发光二极管发光，光敏三极管导通，这时，其输出为 +5V，也在 RS232 逻辑电平 0 的范围之内，即为逻辑电平 0。 14 将上述转换器应用于分布式温度采集和控制系统中时，可获得较为满意的转换效果（已有应用实例）。 因此，在对下位机的实时性要求较高、通信的数据量不太大的分布式控制场合，这种低成本、高可靠性的 RS232/RS485 转换器具有较大应用价 值。 RS232/RS485 转换电路如 所示。 RS232/RS485 转换电路图 PWM 式键盘接口电路 以往电路设计中，为实现单片机系统的键盘、 LED 显示，常采用两种方法：一是用815 8255 并行扩展 接 口构成显示、键盘电路。 这时应采用含有 P0、 P2 总线口的单片机，以便扩展并行口。 这种电路选用的器件大，引脚多，对小型系统资源有些浪费。 二是用串行口配上移位寄存器 74HC4060 构成硬件译码静态显示、键盘接口电路。 这种电路大大减少 I／ O 口线，但使用芯片较多，一块 74HC4060 芯片 对应一位 LED 数码管，电路较复杂，耗电较大。 为了充分利用资源，使设计出的系统最小、最优，我们在设计智能化测控仪表时，选用 AT89C51 单片机与 MCl4499 译码驱动器构成串行口硬件译码显示、键盘接口，既简化电路又使单片机引脚得到充分利用。 接口电路如下图所示。 在本接口电路中，只使用三块芯片构成硬件译码锁存的动态 15 显示及键盘电路，动态扫描由硬件管理。 ⑴ 工作原理 AT89C51 的数据输入端 P1口，然后由传感器、运算放大器、 A 巾转换器 (如 5G14433等 )组成的前置通道，由 P1 口采集的数据是 4 位 BCD 码。 在单片机中对其进行数字滤波后，从串行口输出。 ⑵ 键盘部分 使用串行输入、并行输出移位寄存器 74HC4060 经串行口扩展并行 I／ o 口 (设定串行口工作在移位寄存器、方式 0 状态下 )。 本接口只扩展了 8 个键，如不够，还可串接。 ⑶ 显示部分 采用 MCl4499 译码、驱动。 AT89C51 的 RXD 提供串行输出的 BCD 码来显示数据，TXD 提供串行移位脉冲。 P3． 4 控制使能端 EN。 MCl4499 的输出端 A、 B、 C、 D、 E、F、 G、 DP 8 个脚分别接在 4 位一体 LED 的断码输入端 (a、 b、 c、 d、 e、 f、 g)上。 字位选择端 I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ经反向器驱动后，分别接在 4 个数码管的公共端。 由内部时序分时选通 4 个数码管，进行动态显示扫描。 如所用 LED 显示器不止 4 个，可再用一片MCl4499 级联来扩展。 为了使串行口的数据输出速率与 MCl4499 接收速率相匹配，单片机的工作频率应为 3MHz。 键盘接口电路 可控硅 调功电路 16 ⒈ 电路工作原理 电路原理图如图 所 示。 调节波段开关 SA的挡位，可以改变电容 C1的充放电速率。 利用 C1 两端交流电压通过双向触发二极管 VD3 去触发双向晶闸管 VS 导通、并改变了 VS 的导通角，使负载 RL 两端交流电压随之发生变化。 发光二极管 VD VD5 作为信号指示，由于导通角不同，发光亮度各异。 SA 置于 “1”挡， VD5 显示； SA置于 “4” 挡，则 VD2 显示； R5 是限流电阻，用来保护 VS。 电阻 R电容 C2 为吸收回路，用来吸收 SA在选挡时所产生的干扰脉冲，否则在 SA 选挡过程中将对电视机、音响及其他电声器件产生一定的干扰。 ⒉ 元器件选择 电容 C1 选用 ， C2 选 (涤纶电容器 )。 电阻 R1 为 56kΩ、 1/2W，R2 为 39kΩ、 1/4W， R3 为 27kΩ、 1/4W， R4 为 2kΩ、 1/4W， R5 为 47Ω、 1/2W， R6 为100kΩ、 1/2W(可变 )， R7 为 300Ω、 1/4W， R8 为 43kΩ、 1/2W。 二极管 VD VD4 用1N4004。 发光二极管 VD2 用 BT104(黄色 )， VD5 用 BT103(绿色 )。 触发二极管 VD3 为DB3 或 VR60。 双向晶闸管 V5 用 TLC226B(3A/400V)或 TLC336A(3A/600V)。 波段开关SA 用 KZX12D11W。 负载 RL 为交流 220V/300W(电炉丝 )。 ⒊ 制作方法与使用说明 本电路的核心器件是双向晶闸管，因此一定要对其质量进行检测。 由于电路简单可自行设计印制电路板。 只要按图连接无误，不用调试便可工作 图 调功电路图 17 第 4 章 芯片介绍 单片机 AT89C51 介绍 AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（ FPEROM— Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压 ,高性能 CMOS8 位微处理器，俗称单片机。 其 片内 4kbytes 可反复擦写的只读程序存储器 (EPROM)和 128kbytes 的随机存取数据存储器 (RAM)， 32 个 I／ O 口线。 两个 16 位定时，计数器，一个 5 向量两级中断机构，一个全双工串行通信 121，片内振荡器及时钟电路，兼容标准 MCS51 指令系统，片内置通用 8位中央处理器 (CPU)和 Flash 存储单元。 空闲方式停止 CPU 的工作．但允许RAM、定时／计数器、串行通信口及中断系统继续工作。 掉电方式保存 RAM 中的内容。 由于将多功能 8位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 其引脚电路图如图 所示： 图 AT89C51 引脚电路图 MC14499 芯片介绍 MCl4499 是一个 CMOS LED 译码驱动器，片内主要包括一个 20 位移位寄存器、一个锁存器、一个多路输出器，由多路输出器输出的 BCD 码经译码器译码后，换成点七段码送至片驱动器输出 (a、 b、 d、 e、 f、 g)和小数点 DP。 另外，由片内振荡器经过四分频的 信号，经位译码后提供 4 个位控信号，经位驱动器至四位控制线 (I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ )。 由于 MCl4499 片内具有 BCD 译码器和串行接口，所以它几乎可以与任何单片机接口相连。 芯片主要控制信号为 D：串行数据输入端； a、 b、 d、 e、 f、 g：七段显示输出；工、 18 Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ：字位选择端，用来产生 LED 选通信号； OSC：振荡器外接电容端，外接电容使片内振荡器产生 200～ 800Hz 扫描信号以防 LED 显示器闪烁； CLK：时钟输入端，用以提供串行接收的控制时钟，标准时钟频率为 50kHz；丽：使能端，为 0 时， MCl4499 允许接收串行 数据输入，为 1时，片内的移位寄存器将数据送入锁存器中锁存。 MC14499 管脚配置如下图 ： 图 MC14499 引脚电路图 MAX197 芯片 在数据采集系统中 ， A/D 转换的速度和精度又决定了采集系统的速度和精度。 MAX197是 Maxim 公司推出的具有 12 位测量精度的高速 A/D 转换芯片 ， 只需单一电源供电 ,且转换时间很短 (6ms)， 具有 8 路输入通道 ,还提供了标准的并行接口 —— 8 位三态数据 I/O口 ， 可以和大部分单片机直接接口 ， 使用十分方便。 MAX197 无需外接元器件就可独立完成 A/D 转换功能。 它可分为内部采样模式和外部采样模式 ， 采样模式由控制寄存器的 D5 位决定。 在内部采样控制模式 (控制位置 0)中 ，由写脉冲启动采样间隔 ,经过瞬间的采样间隔 (芯片时钟为 2MHz 时 ，频率 为 3ms)， 即开始 A/D 转换。 在外部采样模式 (D5=1)中 ， 由两个写脉冲分别控制采样和 A/D 转换。 在第一个写脉冲出现时 ， 写入 ACQMOD 为 1， 开始采样间隔。 在第二个写脉冲出现时 ， 写入控制字 ACQMOD 为 0， MAX197 停止采样 ， 开始Ａ /Ｄ转换。 这两个写脉冲之间的时间间隔为一次采样时间。 当一次转换结束后 ， MAX197 相应的 INT引脚置低电平 ， 通知处理器可以读取转换结果 及 内部采样模式的数据转换时序。 对于模拟到数字量的转换 ， 时序要求非常严格 ， 由于 MAX197 的数字信号输出引脚是复用的 ,要正确读出转换结果 ， 时序要求尤其重要。 在一次采样开始前 ， 可以通过单片机 19 的 8 位数据线把这些控制字写入 MAX197 来初始化相应的参数。 然后按照一定的时序进行采样和转换。 图中 HBEN为 12位数据高 4位或低 8位有效控制位 ,当此位为高时 ， 高 4位数据有效 ，为低时低 8 位数据有效。 可以通过控制这个引脚来读取 12 位的转换结果。 其管脚排列图如图 所示： 图 MAX197 的引脚电路图 74HC4060 芯片 74HC4060 是一款高速 CMOS 器件， 74HC4060 引脚兼容 HEF4060。 74HC4060 是 14 阶脉动进位计数器 /振荡器，带有 3 个振荡器端口（ RS， RTC 和 CTC），10 个缓冲输出（ Q3 至 Q9， Q11 至 Q13）和 1 个最高优先级异步主复位（ MR）。 振荡器配置可以是 RC 振荡设计，也可以是晶振电路设计。 通过 RS 输入端，振荡器可由外部时钟信号代替。 这种情况下，需保持其他振荡器引脚（ RTC 和 CTC）悬空。 74HC4060 的计数器在 RS 的下降沿增 长， MR 端输入高电平则会清零计数器（ Q3 至 Q9， Q11 至 Q13 为低），且不依赖于其他输入条件。 其管脚排列图如下图 ： 20 图 74HC4060 的引脚 电路图。