某厂炉温检测系统的设计Led动态扫描论文Word文档下载推荐.docx
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1.2传感器简介6
1.3系统组成7
1.4热处理设备的分类7
1.4.1电热炉7
1.4.2燃料炉7
1.5温度控制的工艺要求7
1.5.1自然升温段8
1.5.2等速升（降）温度8
1.5.3恒温段（亦称保温段）8
1.5.4自然降温段8
第2章系统总体方案确定9
2.1确定系统任务9
2.2系统组成与工作原理9
2.3 电阻炉的数学模型及炉温控制要求9
2.3.1数学模型9
2.3.2炉温控制要求10
第3章系统设计11
3.1主机电路与电源部分的设计11
3.1.2主机电路的选择11
3.1.2电源部分的设计11
3.2温度检测以及补偿放大电路12
3.2.1热电偶测温原理12
3.2.2电偶的温度补偿电路12
3.2.3放大电路12
3.3A/D转换电路和过零检测电路的设计13
3.3.1A/D转换电路13
3.3.2过零检测电路设计13
3.4晶闸管触发电路设计14
3.4.1晶闸管的工作原理14
3.4.2可控硅触发电路15
3.5声光报警电路设计16
3.6键盘设置电路16
3.7LED动态扫描显示电路17
3.7.1LED显示器17
3.7.2LED动态扫描现实电路各单元电路的设计17
3.7.2.1计数器与译码器的设计17
3.7.2.2一位共阳极LED动态驱动电路设计18
3.7.2.3七段数码管的设计18
3.7.4LED数码管的段驱动电路19
3.7.5LED动态扫描显示电路整体电路图及工作原理20
第4章LED软件设计22
4.1主程序设计22
4.2LED显示程序的设计22
4.3数据采集23
4.4PID参数的计算、过零控制及定时控制24
结论26
致谢27
参考文献28
引言
而单片机对温度的测量与控制并不是简单的按顺序先后执行一些机械的动作，而是要进行相应的复杂运算和判断，这就是单片机的智能性所在。
在本系统中，单片机采用了运用较为广泛的PID控制算法，把检测温度和人们输入的期望温度相比较，然后通过PID控制算法，计算出系统本工作周期内应该导通的波头数，由此调节输入功率，从而达到控制温度的目的。
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，单片机和智能理论的结合，将来不但更多的改进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。
本设计为单片机控制电阻炉温控系统，系统智能控制部分由单片机及其相关的外围电路组成，外围电路包括温度检测以及补偿放大电路、A/D转换电路、过零检测电路、晶闸管触发电路、声光报警电路、LED动态扫描电路和键盘设计电路。
论文共分四章节，主要阐述了设计方案的选择和确定对硬件设计、软件设计作了较为具体的论述。
由于本人知识及实际应用水平有限，在本次毕业设计中难免产生一些错误，敬请各位老师批评指正。
第1章系统概述
1.1AT89C51单片机功能与特点
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
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。
芯片图如图1.1所示：
图1.1AT89C51引脚图
（1）与MCS-51兼容
（2）4K字节可编程闪烁存储器
（3）寿命：
1000写/擦循环数据保留时间：
10年
（4）全静态工作：
0Hz-24Hz
（5）三级程序存储器锁定
（6）128*8位内部RAM
（7）32可编程I/O线
（8）两个16位定时器/计数器
（9）5个中断源
（10）可编程串行通道
（11）低功耗的闲置和掉电模式
片内振荡器和时钟电路
（1）VCC：
供电电压。
（2）GND：
接地。
（3）P0,P1,P2,P3:
输入/输出端口。
（1）P3.0RXD（串行输入口）
（2）P3.1TXD（串行输出口）
（3）P3.2/INT0（外部中断0）
（4）P3.3/INT1（外部中断1）
（5）P3.4T0（计时器0外部输入）
（6）P3.5T1（计时器1外部输入）
（7）P3.6/WR（外部数据存储器写选通）
（8）P3.7/RD（外部数据存储器读选通）
（9）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
（1）RST：
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。
（2）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地位字节。
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。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，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禁止，置位无效。
（3）/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。
在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
（4）/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；
当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
1.2传感器简介
传感器是能感受规定的被测量并按一定的规律将其转换成可用的输出信号的器件或装置。
传感器的输出信号通常由是电量，它便于传输，转换，处理，显示等。
通用的传感器由敏感元件和转换元件组成，组成框图如图1.2所示：
被测元件
图1.2传感器的基本组成框图
1.3系统组成
系统由计算机、接口电路、外部设备等组成，控制对象的被测参数经传感器、变换器，转换成统一的标准信号，再经多路开关送到A／D转换器时行模数转换，转换后的数字量经接口送入计算机。
这是模拟量输入通道。
除此之外，有些被测参数为数字量、开关量或脉冲量，它们可过接口直接加至计算机。
计算机对数据进行处理和计算，然后经模拟量或开关量输出通道输出，对被测参数进行控制。
1.4热处理设备的分类
工业生产中使用的热处理设备种类繁多，如窑炉、鼓风炉、烘炉、退火炉、锅炉等。
如果按加温方法分类，可将热处理设备分为两大类:
1.4.1电热炉
这类设备通过电热元件通电发热而升温，调节加入炉子的电功率则改变炉内的温度。
电功率的调节一般采用接触器通断控制、晶闸管移相触发或通断控制。
这一类设备在工厂中占有相当大的比例。
1.4.2燃料炉
这类设备通过燃烧燃料发热而升温，调节加入炉子的燃料量则改变炉内的温度，如锅炉、焦炉等。
常用的燃料有煤、燃气、重油等。
燃料量的调节通常利用阀门、翻版等实现。
这类设备在工厂中也占有较大的比例。
热处理设备虽然种类繁多，控制方法各有差异，但对他们采用微机控制时，控制原理和控制方法是基本相同的。
本章只要介绍电阻炉微机控制的设计方法。
1.5温度控制的工艺要求
在工业生产中，对温度控制系统的要求，主要是保证炉温按规定的工艺曲线变化，超调小或无超调，稳定性好，不震荡，对系统的快速性要求不高。
温度工艺曲线随产品不同而不同，一般由以下四部分组成：
1.5.1自然升温段
这一过程要求执行元件向加热炉输送最大能量，使加热炉全速升温到某一数值，升温的速度及时间没有具体要求。
这时，微机不须进行控制工作，只须监测炉子的温度，判断是否结束升温过程。
1.5.2等速升（降）温度
这一工艺过程要求加热炉在规定的时间内等速从某个温度值变换到另一个温度值。
这时，微机不仅要检测炉温，还要对加热炉进行升（降）温控制。
1.5.3恒温段（亦称保温段）
这一工艺过程是是温度控制的主要工艺过程，它要求控制系统保证炉温在各种干扰下能稳定在允许的范围内。
1.5.4自然降温段
这一过程中执行元件不再向炉子输送能量，让其自然冷却到某一温度。
此时，微机只须监测炉温即可，有时甚至无须做任何工作。
第2章系统总体方案确定
2.1确定系统任务
设计任务：
用一台单片机及其相应的组成部件组成电阻炉温的自动控制系统，测温范围为0~1300°
C，使其控制系统控制的温度保温值的变化范围为：
800～1000°
C，超调量σ<
=10%,静态误差ev<
=2°
C,恒温时间为50－100min，显示控温时的实际炉温和恒温时间，并且要求对其主电路和控制电路设计相应的保护电路，使其安全可靠地工作。
2.2系统组成与工作原理
当电阻炉投入运行时，用热电偶连续检测其温度，热电偶电势经冷端补偿后，送入运算放大器，经过放大，可以得到在0—+2V范围内变化的直流电压信号。
再由A/D变换器变为数字信号后，送给单片机89C51。
由单片机的P2口引入。
经过处理后，一方面送往LED显示器，另一方面，与系统温度设定值相比较，求出系统偏差值，其结果通过输入/输出口去改变控制脉冲宽度
图2.1系统工作原理框图
以此来调节双向晶闸管在一个固定的控制周期内的导通时间，从而可以控制电阻炉的平均输入功率，实现炉温控制。
数据采集部分完成对被测信号的采样，显示分辨率0.1º
c，测量精度0.1º
c，控制精度1.5º
c，输出控制部分主要是数码管显示控制。
系统工作原理框图如图2.1所示。
2.3 电阻炉的数学模型及炉温控制要求
2.3.1数学模型
被控对象是一个电阻炉，它的传递函数可以表示为：
Wp（s）=
（2.1）
其中，Tp表示对象惯性时间，K表示对象放大系数,……。
2.3.2炉温控制要求
一个电炉的炉温控制要求按下图2.2所示曲线规律变化。
从加温开始到a点（对应温度为Ta）为自由升温段，当温度达到Ta后收入PID控制，使炉温在超调满足给定指标的条件下进入保温段b－c，保温段时间为50－100min，c－d段为自然降温段，无需控制。
T/°
C
根据炉温控制曲线，对各项品质
c
b
指标的要求如下：
Tb
过渡过程时间ts：
从升温开始到进入
Ta
a
保温段的时间：
ts≤100min
d
超调量σ：
升温过程的温度最大值（TM）
t/min
t2
ts
和要求保温值（To）之差与保温值之比。
σ ＝（TM－To）／To≤10%
静态误差ev：
保温段实际温度T与要求图2.2炉温控制曲线图
保温值To之差与要求保温值To之比。
ev ＝（T-To）/To≤2%
第3章系统设计
硬件电路主要由模拟和数字两大部分组成。
从功能模块上来分有：
主机电路、电源部分的电路、数据采集电路、键盘设置电路、显示电路、控制执行电路以及越限报警电路。
下面将具体介绍各部分电路。
3.1主机电路与电源部分的设计
3.1.2主机电路的选择
主机选用ATMELL公司的MCS-51系列单片机89C51来实现，利用单片机软件编程灵活、自由度大的特点，力求用软件完善各种控制算法和逻辑控制。
本系统选用的89C51芯片时钟可达12MHz，运算速度快，控制功能完善。
其内部具有128RAM，而且内部含有4KB的EEPROM，不需外扩展存储器，可使系统整体结构更为简单、实用。
芯片如图3.1所示：
图3.189C51芯片引脚图
3.1.2电源部分的设计
由于本系统所用到的一系列芯片的电源都是直流电源，而现实中用的都是交流电，故要把交流电整流成直流电，本设计运用的是桥式整流法把交流电整流成直流电，从而满足系统的要求。
整流原理图如图3.2所示：
图3.2桥式整流电路
3.2温度检测以及补偿放大电路
由于本系统要求的测温范围为0～1300℃,是不能选用热电阻作为传感器的，只能选热电偶，根据要测的温度范围，选用镍铬-镍硅热电偶作为温度传感器。
热电偶是工程上应用最广泛的温度传感器，它具有结构简单、使用方便、热惯性小、精度高、稳定性及复现性好等优点，能够满足本系统的设计要求。
3.2.1热电偶测温原理
两种不同材料的导体（或半导体）组成一个闭和回路，当两接点温度不同时，则在该回路中会产生电动势，这种现象称为热电效应，这种点电势称为热电势。
这两种不同材料的导体（或半导体）的组合称为热电偶。
两个接点，一个称为热端，又称测量端或工作端，测量时它置于被测介质中；
另一个称冷端，又称参考端或自由端，它通过导线与仪表相连。
3.2.2电偶的温度补偿电路
当热电偶材料选定后，热电势只与热端和冷端温度有关。
因此只有当冷端温度恒定时，热电偶的热电势和温度才有单值的函数关系。
此外热电偶的
分度是以冷端温度0℃作为基准进行分度的，而在实际使用过程中，冷端温度往往不为0℃，所以必须所以需要设计一个冷端温度补偿电路对冷端温度进行处理，消除冷端温度的影响。
当然，也可以用软件的方法对其进行补偿，为了简化程序的复杂性，在本系统中，采用电桥法对冷端温度进行补偿，能够达到同样的效果。
图3.3是热电偶及温度补偿电路：
图3.3热电偶及温度补偿电路
补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压信号Uab作为补偿信号。
它由三个电阻温度系数较小的锰铜丝绕制的电阻r1、r2、r3及温度系数较大的铜丝绕制的电阻Rcu和稳压电源组成。
补偿电桥与热电偶冷端处在同一环境温度，当冷端温度变化引起的热电势变化时，由于Rcu的阻值随冷端温度变化而变化，适当选择桥臂电阻和桥路电流，就可以使电桥产生的不平衡电压Uab补偿由于冷端温度变化引起的热电势变化量，从而达到自动补偿的目的。
3.2.3放大电路
热电偶的输出信号是一个微弱的毫伏信号，因此在进行A/D转换之前，先要进行一定的处理和放大。
而进行放大，我们经常用运算放大器来完成，在选择放大器时，我们应该考虑该放大器是不是有足够的放大倍数，从而使输入的模拟信号与A/D转换器相匹配。
另外，还要考虑是不是具有高的共模抑制比、小的温度漂移和良好的线性度。
根据上面这些要求和本系统选择的AD转换器，我在该系统中选择了HA-OP07作本系统的信号放大器。
HA-OP07具有：
输入阻抗高（可达109欧），偏置电流低，共模抑制比高，平衡的差动输入，良好的温度稳定性。
超低温漂移高精度运算OP07将温度负电压信号进行放大，便于A/D进行转换，以提高温度采集电路的可靠性。
3.3A/D转换电路和过零检测电路的设计
3.3.1A/D转换电路
在控制系统中，把被检测信号送入CPU中进行处理，被测量的信号要经过多次的变换，每次的变换都有一定的目地。
传感器是被测信号的第一次变换，它是将非电量信号变换成电量信号。
为了将它输入到微机中进行实时处理，需要将电信号送给A/D转换器进行第二次变换，模拟的电信号被转换成数字量送入CPU中，以便对其作进一步的处理。
在本系统中采用ICL7135（28个管角）作为A/D转换芯片。
ICL7135是高准确度通用型CMOS4位半A/D转换器，采用正负5V双电源供电。
满量程为2.0000V，能自动调零，能自动判别信号极性，可实现自动转换量程，具有智能或自动测量系统，输入阻抗高，采用多路动态扫描BCD码输出并以闪烁方式表示超量程。
由于本系统温度信号变换缓慢，所以在模拟量输入通道中省去了采样保持电路。
3.3.2过零检测电路设计
为实现双向晶闸管的过零触发，需要获得电网电压过零同步信号，系统因而设有电压过零检测电路。
在交流电每一个正半周的起始零点处产生上升沿，并在正半周回零处产生一个下降沿，从而构成一串矩形脉冲序列，送往单片机的P3．2口，INT0 获得一个负跳变的有效中断请求信号。
所以每一周波INT0都中断一次。
图3.4即为过零检测电路：
图3.4过零检测电路图
由于本系统是通过调控晶闸管在一个工作周期中导通的波头数来达到控制温度的目的的，所以，本系统中需要设计一个对交流电源的过零检测电路，当交流电源每次过零点时都会产生一个脉冲，可以作为微机的外部中断申请信号。
同时，微机也对其进行计数，当计数溢出时，则表示采样周期到，对电阻炉的炉温进行检测，然后再作出相应的处理。
图3-5中还用到了74LS123，它的工作逻辑表如表3.1所示:
表3.174LS123工作逻辑表
INPUT
OUTPUT
CLR
A
B
Q
/Q
0
×
0
1
H
×
1
↑
正脉冲
负脉冲
↓
1
根据图3.4和表3.1，其工作原理分析如下：
由于从插座输入的信号为工频50HZ，因此在1秒内有100次过零点，而当电源信号正好为零点时，则两个光电偶合都会同时截止，使74LS123的B端都会输入信号由0变为1，又因为A端始终为0，CLR始终为1，所以每次到过零点，74LS123都会产生一个正脉冲，达到过零检测的目的。
由于我们使用的电源信号1秒内会有100次过零点，因此，74LS123产生的脉冲周期为10ms。
该信号在系统中被引入了单片机的T0和INT0端，用来对其进行计数和中断。
3.4晶闸管触发电路设计
3.4.1晶闸管的工作原理
晶闸管有三个极，分别为阳极、阴极和控制极。
为了说明晶体闸管的工作原理，我们把晶闸管看成由PNP（T1）和NPN（T2）两个三极管组合而成，用图3-7表示电路模型来表示。
当阳-阴极之间加正向电压Vak（Ea）时，同时控制极-阴极间加正向电压Vgk（Eg）时，就产生控制极电流Ig（Ib2），经T2放大后，形成集电极电流Ic2=β2Ib2，这个电流又是T1的基极电流Ib1，即Ib1=Ic2，同样经T1放大，产生集电极电流Ic1=β1β2Ib2，此电流又作为T2的基极电流再行放大，如此循环往复，形成正反馈过程，从而使晶闸管完全导通。
这个导通过程是在极短的时间内完成的，一般不超过几微秒，称为触发导通过程。
导通后即使去掉Eg，晶闸管依靠自身的正反馈作用仍然可以维持导通，并成为不可控。
因此Eg只起触发导通的作用，一经触发后，不管Eg存在与否，晶闸管仍将导通。
图3.5晶闸管的电路模型
晶体闸管导通时，其正向压降（阳-阴极间）一般约为0.6～1.2V，但应注意的是，如果因外电路负载电阻增加而使晶闸管的阳极电流Ia降低到小于某一数值Ih时，就不能维持正反馈过程，晶闸管就不能导通，而呈阻断状态因此称Ih为晶闸管的最小维持电流，它表示维持晶闸管导通的最小阳极电。
如果阳极电流Ia小于Ih，则晶闸管呈现正向阻断状态。
如果已导通的晶闸管的外加电压降到零（或切断电源），则阳极电流Ia降到零，晶闸管自行阻断。
如果晶闸管加上反向电压，则此时PN结承受反向电压，无论控制极是否加上触发电压，晶闸管均不导通，呈反向阻断状态。
综上分析可知，晶闸管的导通条件为：
除了在阳-阴极间加上一定大小的电压外，还要在控制极-阴极间加正向触发电压，只要电路满足这两个条件，晶闸管才能导通，否则就处于阻断状态。
同时还要注意到，一旦管子触发导通后，控制极即失去控制作用，这时要使电路阻断，必须使阳极电压降到足够小，使阳极电流降到Ih以下。
双向可控硅的优点是控制电路简单，没有反向耐压问题。
3.4.2可控硅触发电路
本设计采用固定周期控制方式，设控制周期T为1秒（100个电网周波）。
设P为电阻炉全导通时功率，N为导通周期数，P为电阻炉平均输出功率，则P＝（N／100）PH。
当U（K）不等于0，经转换的N也不为0，在外部中断0服务程序中将P3.4为“1”，使MOC3041的1、2引脚导通，由于这时正好是电压的这零点，由此使MOC3041自带的过零检测器有效
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