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1、1 绪论密炼机是在开炼机的基础上发展起来的一种高强度间隙性的混炼设备。它在橡胶混炼过程中显示出来比开炼机优异的一系列特征，如：混炼容量大、时间短、生产效率高；较好的克服粉尘飞扬，减少配合剂的损失，改善产品质量和工作环境1；操作安全便利，减轻劳动强度；有益于实现机械与自动化操作等。但是，较之过去，混炼的精确性更高，使用的胶料更硬，粘度更大。加之近几年来研制的新型转子使混炼周期缩减到2至3分钟，允许误差极小2。于是，温度控制就成了关键性问题。而随着产业规模的扩大和作业地域的拓展，使得我国传统的人工管理以及现场简单仪表加人工操作和巡检的密炼机工作模式已无法满足日趋严峻的高效生产工作的需要，密炼机安全
2、高效生产工作也必须遵循“科技兴安”的战略，以技术进步和硬件建设提升企业的安全生产技术水平3，用现代信息技术提升密炼机信息资源采集和处理的效率和能力，预防和控制密炼机安全事故的发生以及提高炼胶的质量，系统建设的总体目标是为密炼机设计一套技术先进、运行成熟、操作简单、扩展性好、容易维护和使用方便的温度监控方案，实现对密炼机温度即时监控4。1.1 温度巡检控制系统的现状和进展1.1.1 温度检测控制系统的现状密炼机的温度是一个重要的物理参数5。自然界中任何物理化学过程都紧密地与温度相联系。在密炼机的正常运行中，温度检测和控制都直接和安全运营、运行效率、节约能源等重大技术经济指标相联系，因此不仅在密炼
3、机系统中十分重要，在国民经济的各个领域中都受到普遍重视。温度检测控制系统也得到了广泛应用。以单片机为主的嵌入式系统已广泛应用于橡胶生产以及各个领域6。传统的机械式温度检测控制系统在工厂企业中已经有上百年的历史了。近年来由于微电子学的进步以及计算机应用的日益广泛，智能化检测控制系统已经取得了巨大的进步。智能仪表在测量过程自动化，测量结果的数据处理以及功能的多样化方面，都取得了巨大的进展7。目前在研制高箱度、高性能、多功能的测量控制仪表时，几乎没有不考虑采用单片机使之成为智能仪表的。我国的单片机 开发应用始于80年代，在这二十年中单片机应用向纵深发展，技术日趋成熟。单片机为主体取代常规电子线路，可
4、以熟练的将计算机技术、预测量控制技术结合在一起。单片机为主体取代常规电子线路，可以熟练的将计算机技术、预测量控制技术结合在一起。与国内己经出现的各种各样的智能化测量控制系统相比，国际上更是品种繁多9，而国内的开发规模相对较小，开发费用相对较高，与国际相比还存在很大的差距，在密炼机温度的巡检方式上也是各不相同，往往采取逐点的检测，这种检测方式的巡检非常繁杂，耗时耗力。1.1.2 温度巡检控制系统的进展温度巡检控制系统已广泛应用于测量、监测、诊断、控制、科学试验等各个领域中。近二十年来，温度巡检控制技术由于采用了一系列新技术，得到了飞速的发展10。其数据采集的分辨率从4位、8位到现在的24位分辨率
5、；采集的速率从几KBS到现在的最高速率已达2GPS，记录设备从原来的手记的、模拟或数字记录到磁盘记录，一直到现在的硬盘记录。所有这些都是不断采用新技术的成果。所谓温度巡检控制，就是系统按照所定的定时间隔顺序读取各个待测温度点的温度值，读取的温度数据经运算处理后存入数据库，同时将设定的温度限值进行比较，如发现越限，则发出报警信号，显示越限点的名称、地点和温度，并将其自动打印输出，以便工作人员进行检查和处理并通过温度控制电路对越限温度进行控制；如未越限，则顺序显示各个温度点的温度值。温度巡检控制与电子学、精密仪器学、计算机科学密切相关。尽管温度巡检控制技术起步早，应用广，但在核物理试验这样复杂的试
6、验系统中，获得广泛的应用，还是七十年代以后的事情。从七十年代到现在，温度巡检控制技术在核物理试验中不断完善和发展，已形成了一个独立的分支，它们不再是温度检测控制的简单系统，而是包括数据存储、数据采集、数据变换、数据压缩及实时处理等一系列功能的复杂系统11。由于许多物理现象无法通过人的直接观察来了解其规律，这就需要通过一定的仪器设备进行信息转换，成为人能够直接观察的对象，使用计算机进行这种转换时就需要数据采集与处理系统，随着过程控制技术，自动化仪表技术和计算机网络技术的成熟和发展，控制领域又发生了一次技术变革，这次变革使传统的温度巡检控制系统无论在结构上还是性能上都发生了巨大的飞跃12。1.2
7、课题的意义 多路温度的测量、记录、传输及控制在工业及民用领域应用中一直是量大面广的设备之一，所以目前多路温度巡检控制仪并不少见。甚至其中有很多己经作为例题出现在许多关于单片机应用的教科书中，虽然在电路结构、元器件的选择和相应的软件编程上略有区别，但是它们均能以单片机为核心，完成巡检、显示、记录和控制功能。这是由于温度的检测离不开温度传感器，而传统的温度传感器例如PT-100等都是模拟量输出，需要进行信号的放大和A/D转换只能被单片机接受，如果要增加测试路数，那么必定要增加放大器和A/D转换器的个数，接线将十分复杂。并且它们的准确性易受环境、接线、放大等因素的影响。密炼机温度巡检控制系统的整个工
8、作过程都是在软件程序的控制下自动完成的。装在仪表内部EPROM中的监控程序由许多程序模块组成，每一个模块完成一种特定的功能，例如实现某种算法、执行某一中断服务程序、接受并分析键盘输入命令等。编制完善的监控程序的某些功能模块，能够取代某些硬件电路的功能。这就为设计扩展或改变仪表具体功能给了方便。例如打印的内容、格式，报警值的上、下限，报警的方式(如发光、发声)等就完全可以通过改变具体的某一段程序来实现，同时又不会影响软件中其它程序的功能。仪表在使用上更具有灵活性。密炼机温度巡检系统中引入单片机之后，已经降低了对某些硬件电路的要求。但是测试电路仍然占有很重要的位置，尤其是直接获取被测信号的传感器部
9、分仍应给予充分的重视，有时提高整个系统性能的关键仍然在于测试电路的改进。现在传感器也正在受着微电子技术的影响，不断发展变化。传感器正朝着小型、固态、多功能和集成化的方向发展。有许多国家正致力于将微处理器与传感器集成于一体，以构成超小型、廉价的测量仪器的主体。但是密炼机传统的温度巡检方式一般是网点式检测，这种检测方式的巡检非常繁杂，耗时耗力。这就需要一种使用更加方便，检测更加精确的温度，巡检。而本文的密炼机温度巡检控制系统采用的分层次、分级别巡检就解决了以上的问题，所以意义十分重大。1.3 课题的内容本文介绍一种采用单片机实现对密炼机的温度进行自动监测和显示并进行相应控制的温度巡检系统。我国的密
10、炼机系统中，大部分还采用传统的测温控制方法，这不仅效率低、劳动时间长，而且由于该操作往往存在不合理，不能及时发现异常情况，并采取相应措施，致使危险发生，并使炼胶质量得不到保证，给国家造成重大的经济损失和严重的后果。密炼机温度巡检控制系统要求实现实时测量、显示、控制，以热电偶为温度传感器、以AD590为热电偶的冷端温度补偿、以MCS-51为处理器，以晶闸管为执行器来完成设计任务所做出的控制要求。本系统涉及硬件方案设计，单元电路设计和元器件选择。通过对机内数字PID参数的设置，达到对不同受控对象的不同温度要求进行高精度控制。此系统软件设计的核心是数据采集和处理系统，采用热电偶进行测温并伴有冷端温度
11、补偿电路和先进的单片机技术，采用分段巡检，使系统获得了更高的工作效率和更优良的工作性能。另外，该系统进行了抗干扰性的设计，从而使系统的可靠性得到明显的提高。该系统主要用在密炼机温度巡检系统中，数据通讯准确、可靠，可以有效预报温度情况，提高密炼机炼胶的质量，进而能够取得显著的经济和社会效益。通过对传感器的适当选型，本系统同时也适用于其他方面需要大规模测温的系统，如供暖系统、电站、粮仓等系统。2. 系统温度采集部分的设计2.1系统的测温原理 本文中采用热电偶进行温度测量，由于热电偶输出的电动势是两节点温度差的函数。如图所示，为了使输出的电动势是被测温度的单一函数，一般将T作为被测温度端，T0作为参
12、比温度端（冷端）。由于要求T0保持为0，但在实际中做到这一点很困难，于是采用热电偶冷端温度补偿。本系统设计中采用了AD590进行温度补偿。将两种不同性质的导体A、B串接成一个闭合回路，如果两结合点的温度不同（T0T），则在两导体间产生热电动势，并在回路中有一定大小的电流，因此产生了热电动势。由这两种导体的组合并将温度转换成热电动势的传感器叫做热电偶，即热电偶是将温度转换为电动势的装置。热电动势是由两种导体的接触电动势和单一导体的温差电动势所组成。图2-1 热电效应Fig. 2-1 Thermoelectric effect2.2 温度传感器密炼机各测试区点的温度值经过测温元件，被转换为模拟电压
13、信号，这样得到的多路采样信号经放大器及A/D转换电路，由单片机控制多通道A/D转换，分时对电压信号进行循环采样和A/D转换。这是单片机处理非电量信号的传统方法，它的优点是测温范围广。选用合适的测温元件可以检测-3003000的温度。但是一方面，单片机外电路复杂，其传送数据的信号线总是多根的，这样系统连线非常复杂，并且需要额外的接口芯片，其成本也高；另一方面，A/D转换器要占用多个I/0口向单片机输入多位的数字量，这使得有限的I/0口在设计时显得较为局促。2.2.1 温度传感器热电偶温度传感器对整个系统的精确度非常重要，常用的温度传感器有热电阻、热电偶，半导体集成型等温度传感器。本系统对传感器的
14、测量精度、线性度要求较高，且信号采集与处理电路的距离变化较大，温度传感器热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。其优点是： 测量精度高；因温度传感器热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。 测量范围广；常用的温度传感器热电偶从-100+1800均可测量，某些特殊温度传感器热电偶最低可测到-269（如金铁镍铬），最高可达+2800（如钨-铼）；构造简单，使用方便。温度传感器热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，当导体A和B的两个接触点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势
15、,因而在回路中形成一定大小的电流,这种现象称为热电效应。温度传感器热电偶就是利用这一效应来工作的。2. 热电偶的种类及结构形式1）温度传感器热电偶的种类 常用温度传感器热电偶可分为标准温度传感器热电偶和非标准温度传感器热电偶两大类。所调用标准温度传感器热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的温度传感器热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化温度传感器热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化温度传感器热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。标准化温度传感器热电偶我国从1988年1月1日起，温度传感器热电偶和温度传感器热电阻全部按IE
16、C国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化温度传感器热电偶为我国统一设计型温度传感器热电偶。 2）温度传感器热电偶的结构形式 为了保证温度传感器热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下： 组成温度传感器热电偶的两个热电极的焊接必须牢固； 两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路； 补偿导线与温度传感器热电偶自由端的连接要方便可靠； 保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。3温度传感器热电偶冷端的温度补偿 由于温度传感器热电偶的材料一般都比较贵重（特别是采用贵金属时），而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，降低成本，通常采用补偿导线把温度传感器热电偶的冷端（自由端）
17、延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端子上。必须指出，温度传感器热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极，使温度传感器热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上，它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，不起补偿作用。因此，还需采用其他修正方法来补偿冷端温度t00时对测温的影响。 在使用温度传感器热电偶补偿导线时必须注意型号相配，极性不能接错，补偿导线与温度传感器热电偶连接端的温度不能超过100。2.2.2 热电偶的冷端温度补偿热电偶的冷端补偿经常应用补偿电桥法，也有利用二极管正向电压随温度上升而减小的特性进行冷端补偿的。1补偿原理在热电偶冷热端电势关系中，有如下公式存在EAB(t,0)=EAB(t,
18、tn )+ EAB(tn,0)其中，t为实测温度；tn为冷端温度；EAB (t,0)为冷端温度为0时，热电偶电势输出；EAB(t，tn )冷端温度为tn时，热电偶电势输出；EAB (tn，0)冷端补偿电势。上式中，EAB (t，tn )可直接从热电偶输出中检测到，只要获取冷端温度tn ，就可以由分度表换算出EAB (tn,0)，进而求出EAB (t,0)。于是完成了冷端电势补偿，并可换算出实测温度t。2 冷端温度的获取冷端温度的影响是不可忽略的，且热电偶冷端暴露于作业环境中，因而可以认为冷端温度与作业环境温度一致。作业环境温度随季节气候变化而变化，因此冷端温度的测定是动态测定，冷端电势补偿是动
19、态补偿。由于电位补偿法和电桥补偿法都对电阻要求较高，尤其在多路温度测量中不易调试，因而随着芯片技术的发展出现了用集成温度传感器精密测量冷端温度对冷端进行补偿的方法。从原理上讲，这种方法就是由集成温度传感器测得冷端温度(电势)，再与热电偶所测温度(电势)叠加。电路实现主要有两种形式，即模拟信号叠加形式和数字信号叠加形式。这里选用美国AD公司生产的专用集成温度传感器AD590作为冷端温度补偿输入，它属于电流输出型，满足I=K(T+273.2)，其中I和T的单位分别是A和,K=A/。它直接将温度转换成输出电流，且具有标准化(1A/K)的线性输出。AD590工作时，两端加上+4V+30V的电压，器件呈
20、现为一个高阻抗(1 0M)的电流源，对激励电压变化不敏感，功耗低，用长线传输信号时不会因为电压降或感应的噪声电压而产生误差，抑制干扰的能力也很强，因此可用于较远距离的温度测量，在5 5+150优于其他温度传感器(测温误差士0.3。这些特点使它极易与热电偶配合，进行高精度的温度测量。此外它还具有体积小、测量精度高、线性好和互换性强等优点，其主要技术指标为： 1) AD590的测温范围为-55+150；2) AD590的电源电压范围为4V30V。电源电压可在4V6V范围变化，电流Ir变化1mA，相当于温度变化1K。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏；3) 输
21、出电阻为710MW；4) 精度高。AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55+150范围内，非线性误差为0.3；2.3 热电偶冷端温度补偿电路AD590,R1,R2构成冷端补偿电路，补偿电压为：V=I(Rl/R2)=K(T+273.2)(Rl/R2), 而K=1A/，调节电位器R2即可调整补偿电势。图2-2 热电偶冷端温度补偿电路Fig. 2-2 Thermocouple cold junction compensation circuit图2-3所示是AD590的内部电路，R5、R6是薄膜工艺制成的低温度系数电阻，供出厂前调整之用。T7、T8，T10为对称的Wilson
22、电路，用来提高阻抗。T5、T12和T10为启动电路，其中T5为恒定偏置二极管。T6可用来防止电源反接时损坏电路，同时也可使左右两支路对称。R1，R2为发射极反馈电阻，可用于进一步提高阻抗。T1T4是为热效应而设计的连接方式。而C1和R4则可用来防止寄生振荡。该电路的设计使得T9，T10，T11三者的发射极电流相等，并同为整个电路总电流I的1/3。T9和T11的发射结面积比为8：1，T10和T11的发射结面积相等。T9和T11的发射结电压互相反极性串联后加在电阻R5和R6上，因此可以写出：UBE（R62 R5）I/3R6上只有T9的发射极电流，而R5上除了来自T10的发射极电流外，还有来自T11
23、的发射极电流，所以R5上的压降是R5的2/3。根据上式不难看出，要想改变UBE，可以在调整R5后再调整R6，而增大R5的效果和减小R6是一样的，其结果都会使UBE减小，不过，改变R5对UBE的影响更为显著，因为它前面的系数较大。实际上就是利用激光修正R5以进行粗调，修正R6以实现细调，最终使其在250之下使总电流I达到1A/K。温度经过热电偶及AD590采集后是一个模拟信号，这个模拟信号要传送给模数转换器ADC0809进行模数转换。 图2-3 AD590内部电路Fig. 2-3 the internal circuit of AD590本部分详细介绍了热电偶的工作原理及种类和结构形式。温度采集
24、电路中使用热电偶和AD590，AD590作为热电偶的冷端温度补偿，这一结构形式保证了温度采集的精度。3. 系统的硬件设计3.1 系统的总体设计思想由于被控对象的复杂程度不相同，对控制性能指标的要求也不尽相同，另外采用的加热方法及燃料也就不同，如煤气、天然气、油、电等，用普通仪表调节很不理想，有时很难达到理想的控制速度和精度。但就其控制系统本身的动态特性而言，基本上都是一阶纯滞后环节。不同的控制对象和不同的要求，应该有不同的设计思想。密炼机的温度巡检控制系统是一个基于单片机的温控系统，系统内部除单片机以外的其它硬件部分均可看作是单片机的外设部分。在本系统中，CPU在温度采集和处理时，主要是对温度
25、值进行分级、分层次的巡回检测控制，效率高，速度快，数据记录、数据计算、数据统计和整理、数据越限报警对这些数据进行积累和实时控制。CPU不直接参与过程控制，对生产过程不会直接产生影响。 温度经过采样、转换后以数字形式进入CPU，利用CPU具有运算、逻辑判断能力、速度快等特点，在它内部可以对这些输入数据进行必要的集中、加工和处理，并通过DAC8032进行数模转换进入温度控制单元。另外，添加存储器，预先存入各个测试点的温度极限值和其他的相关数据，以便在处理过程中可以进行越限报警、调整参数和维修调试等。通过以上分析，本论文所做的系统的整体结构如图2-1。采用热电偶作为温度传感器主要是采集每个测试点的温
26、度值，并将其采集到的温度值转换成数字信号，送入单片机集中进行处理。因为单片机的I/O口有限，所以每个温度传感器不可能直接接入单片机，本系统采用ADC0809对信号进行模数转换，再送入单片机。存储器将存储各种与温度传感器有关的数据，例如，每个传感器的相关信息、每个测试点的温度值和相关的时间数据，以实现单片机对数据的集中管理，并防止丢失。可编程通信接口芯片8255用于键盘输入和LED显示。报警电路在温度异常时送出保护信号并能进行故障点的跟踪定位。键盘在本系统中是操作员控制巡检系统的重要途径，是安装调试的必备手段。在系统需要改变某些数据，以及操作人员在出现故障时能够实时了解故障路数，对应的时间、温度
27、数据等均应通过键盘完成相应的操作。图3-1密炼机温度巡检控制整体结构框图Fig. 3-1 The frame diagram of the whole structure3.2 系统设计的关键技术根据以上所述的总体设计思想，设计中需解决的技术关键性问题是：第一，这种巡检仪由于需要检测的点多达几十个，为了便于用户安装使用，在硬件的设计时，应分级别分层次检测，力求电路最简单，安装调试最方便。第二，为保证本系统高可靠性运行，仪器本身要具备很强的抗干扰能力，为此应在硬件及软件设计上引入各种抗干扰措施。特别是系统中各个部分电路的电源均设计为直流稳压电源供电，当仪器用于复杂的工业环境时，直流电源能够不受干
28、扰的对各部分电路提供直流电压就显得十分重要了。第三，硬件电路简洁，软件功能强大，在软件设计时也应寻找尽可能简单完善的设计思路，保证程序易于修改、调试。第四，系统是一个实时运行的系统，当主机电源因某种原因停电时，为了保证系统工作的的数据的实时性，其后备电源应能可靠工作。第五，系统对单片机和温度传感器的选择也是十分重要的。3.3 模数转换ADC08093.3.1 ADC0809的特性ADC0809是采样频率为8位的、以逐次逼近原理进行模数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换13。1主要特性1）8路8位A/D转换器，即
29、分辨率8位； 2）具有转换起停控制端； 3）转换时间为100s；4）单个5V电源供电； 5）模拟输入电压范围05V，不需零点和满刻度校准； 6）工作温度范围为-4085摄氏度； 7）低功耗，约15mW；2内部结构 ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，内部结构如图3-3所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型D/A转换器、逐次逼近。3外部特性（引脚功能） ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图3-3所示。下面说明各引脚功能。 IN0IN7：8路模拟量输入端。2-12-8：8位数字量输出端。ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于
30、选通8路模拟输入中的一路。ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 START： A/D转换启动信号，输入，高电平有效。 EOC： A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。 OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。 REF（+）、REF（-）：基准电压。 Vcc：电源，单一5V。 GND：地。 3.3.2 ADC0809的工作过程模数转换ADC0809的工作过程是：首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址
31、锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上14。 3.4 温度巡检系统部分模数转换ADC0809与89C51连接的硬件结构见图3-6：本系统采用了应用广泛的MCS-51单片机，由于本系统设计了八个大区以及每个大区有八个检测点进行检测，因此采用三八译码器74LS138以及模数转换器ADC0809 九片，标号为零的A
32、DC0809是一级巡检阶层，标号为一到八的ADC0809是二级巡检。标号为零的ADC0809的八个输入分别检测八个大区的温度，标号为一到八的ADC0809 分别检测八个大区里面每个点的具体温度。普通状态下，MCS8051只巡检标号为零的ADC0809，以它的A、B、C管脚接入单片机，并通过单片机的P2.0、P2.1、P2.2管脚来控制八个大区的检测。当某一大区温度出现异常时，此时单片机的管脚P1.0、P1.1、P1.2与三八译码器的管脚A、B、C相连，因此单片机能够通过74LS138选中该区域并进入温度异常的大区，通过检测此大区的ADC0809检测出具体是八个检测点的哪一个检测点出现了问题，以
33、便对系统进行有效的控制。这样即能增加该系统的巡检效率，又能提高该系统的控制质量，使系统的控制精度得到提高。图3-3 ADC0809与MCS-51接线图Fig. 3-3 ADC0809 and MCS-51 wiring diagram3.5 温度控制系统部分3.5.1 数模转换器DAC0832与AT89C51的连接图DAC0832是采用CMOS工艺和控制逻辑制成的单片直流输出型8位双缓冲数/模转换器。它由倒T型R-2R电阻网络、模拟开关、运算放大器和参考电压VREF四大部分组成。1对于DAC0832的各管脚说明：1）D0D7：数字信号输入端；2）ILE：输入寄存器允许，高电平有效；3）：片选信
34、号，低电平有效；4）：写信号1，低电平有效；5）：传送控制信号，低电平有效；6）：写信号2，低电平有效；7）IOUT1、IOUT2：DAC电流输出端；8）Rfb：是集成在片内的外接运放的反馈电阻； 9）Vref：基准电压（-1010V）；10）Vcc：是源电压（+5+15V）；11）AGND：模拟地；12）DGND：数字地，可与AGND接在一起使用；DAC0832输出的是电流，一般要求输出是电压，所以还必须经过一个外接的运算放大器转换成电压15。2数模转换器DAC0832与AT89C51的连接图 图3-4 DAC0832与MCS-51接线图Fig. 3-4 DAC0832 and MCS-51
35、 wiring diagram3.5.2 温度控制电路设计部分 温度控制电路由温度设定和温度加热两部分电路组成。温度设定电路为温度加热电路提供工作条件，由键盘设定电路结合软件编程来共同实现。每一个设定按键除与 8255的 I/O 口相连外，还通过一个与门与 AT89C51的定时器 T0相连 ，以便当按键按下后立即向AT89C51申请中断，查询 8255口状态，同时进行相应的功能控制。温度控制电路如图所示。其中设定量是由设定键键入并经 AT89C51、D/A转换的电压模拟量，测量量是 AD590的检测信号经过 AT89C51、D/A转换提供的模拟量 ，IC3构成 比较放大器 ，IC4构成 比例放
36、大器，BG1、BG2、T构成可控硅导通角控制电路，单结晶体管振荡电路的频率越低，可控硅的导通时间越短加热功率越小，相反则高。而单结晶体管的振荡频率受比例放大器输出电压控制，AT89C51单片机通过温度设定值与温度采样值比较后的差值，经比较放大后产生随温度变化的电压值来调解可控硅的导通角，从而实现对加热功率的调节 ，满足了密炼机炼胶工艺的温度要求。图3-5 温度控制电路Fig. 3-5 Temperature control circuit3.5.3 可编程通信接口芯片8255 8255芯片用作键盘和LCD显示电路。D7D0（data bus）：三态、双向数据线，与CPU数据总线连接，用来传送数
37、据。CS（chip select）：片选信号线，低电平有效时，芯片被选中。A1, A0（port address）：地址线，用来选择内部端口。（read）：读出信号线，低电平有效时，允许数据读出。（write）：写入信号线，低电平有效时，允许数据写入。RESET（reset)：复位信号线，高电平有效时，将所有内部寄存器（包括控制寄存器）清0。PA7PA0（port A）：A口输入/输出信号线。PB7PB0（port B）：B口输入/输出信号线。PC7PC0（port C）：C口输入/输出信号线。VCC：5V电源。 GND：电源地线。 图3-6 8255与AT89C51的连接图Fig. 3-6
38、8255 and MCS-51wiring diagram3.6 报警及存储器部分在本系统中，故障时间及温度测量值等相关的数据需要保存。例如，在温度巡检中，高于上限警戒值时或低于下限警戒值时，我们需要记录超出某个温度范围的时间，以便工作人员做出相应处理。这使得定时计数器的使用变地很关键，本系统使用的是PCF8653芯片。3.6.1 各种数据的存储和时钟在电路设计中，温度值、温度传感器的相关数据、时间数据等都需要保存，并且掉电时要求数据不丢失。有两种电路可以实现数据的非易失性保存。如果选用静态RAM及专用的上电、掉电数据保护电路，但这种结构占用较多的软硬件资源，不宜采用。若使用串行E2PROM作
39、为数据存储器，且串行E2PROM具有很强的抗干扰能力，与单片机硬件接口非常简单,擦写次数多。因此本设计采用E2PROM作为数据存储器。在密炼机温度巡检控制系统中需要记录故障发生的时间，所以要考虑实时时钟。实时时钟分为硬时钟和软时钟两种。硬时钟有独立的实时时钟芯片组成，硬时钟的优点是时钟的准确度与单片机无关，不易产生误差；缺点是成本较高、体积大，并且与单片机通信时可能会受到外界的干扰。软时钟是利用单片机内部的定时器，由软件程序产生实时时间，节省了外部硬件资源。缺点是当单片机发生故障时，时钟也容易遭到破坏，单片机采用了看门狗电路时，会影响软时钟的准确度。因此，本设计采用独立的硬件时钟芯片。这样，即
40、使看门狗电路令单片机复位，程序也只须将时钟芯片里的数据读出即可，不会影响时钟的准确度。PCF8653是一款工业级内含I2C总线接口的具有极低功耗的CMOS多功能实时时钟/日历芯片。它提供一个可编程时钟输出，一个中断输出和掉电检测器，所有的地址和数据通过接口串行传送。最大总线速度为400Kbits/s,每次读写数据后，内嵌的字地址寄存器会自动产生增量。PCF8653能完成各种复杂的定时任务，甚至可为单片机提供看门狗功能。内部时钟电路、内部振荡电路、内部低电压检测电路以及两线制I2C总线通讯方式，不仅使外围电路极其简洁，而且也增加了芯片的可靠性。这是一款性价比极高的时钟芯片，适用于IC卡水表、IC
41、卡煤气表、便携式仪器等。3.6.2 PCF8653芯片定时计数器PCF8653具体来说有以下特点:1.低工作电流：典型值为0.25uA(Vdq=3.0V,Tamb=25时)；低休眠电流：典型值为0.25uA(Vdq=3.0V,Tamb=25时)；2.世纪标志；3.大工作电压范围：1.0V5.5V；4.400KHz的I2C总线接口(Vdq=1.85V5V)；5.可编程时钟输出频率为：32768Hz,1024Hz,32Hz,1Hz；6.报警和定时器；7.内部集成的振荡器电容、片内电源复位功能、掉电检测器；8.I2C总线从地址：读，OA3H；写，OA2H；9.开漏中断引脚；图3-7 PCF8653管
42、脚图Fig. 3-7 The pin diagram of the PCF8653PCF8653有16个8位寄存器：一个可自动增量的地址寄存器，一个内置32.768KHz的振荡器(带有一个内部集成的电容)，一个分频器(用于给实时时钟RTC提供源时钟)，一个可编程时钟输出，一个定时器，一个报警器，一个掉电检测器和一个400KHzI2C总线接口。所有16个寄存器设计成可寻址的8位并行寄存器，但不是所有位都有用。前两个寄存器(内存地址00H，0lH)用于控制寄存器和状态寄存器，内存地址02H08H用于时钟计数器(秒、年计数器)，地址09H0FH用于报警寄存器(定义报警条件)，地址ODH控制CLKOU
43、T管脚的输出频率，地址0EH和0FH分别用于定时器控制寄存器和定时器寄存器。秒、分钟、小时、日、月、年、分钟报警、小时报警、日报警寄存器，编码格式为BCD码，星期和星期报警寄存器不以BCD码格式编码。当一个RTC寄存器被读时，所有计数器的内容被锁存，因此，在传送条件下，可以禁止对时钟旧历芯片的错读。在本系统中要主使用它的计时功能和定时功能。1、在本系统中，PCF8653由SCL配合SDA提供关于年、月、日、时、分的实时时钟，按I2C总线协议规定，PCF8653有唯一的器件地址OA2H，单片机按这个地址在SCL配合下从SDA上读取时钟；如果需要修改时间信息，也应按对应的时序写入。时间信息以BCD
44、码格式依次存在地址为08H，07H，05H，04H，03H的寄存器中。2、PCF8653的8位倒计数器由定时器控制寄存器控制，定时器控制寄存器控制用于设定定时器的频率(4096，64，1/60Hz)，以及设定定时器有效或无效。定时器从软件设置的8位二进制数倒计数，每次倒计数结束，定时器设置标志位TF，TF只可用软件清除。在本系统中将定时器频率设置为1/60Hz。3、PCF8563内嵌掉电检测器，当VDD低于Vlow时，位VL被置1，用于指明可能产生不准确的时钟/日历信息，VL只可用软件清除。当VDD慢速降低达到Vlow时，标志位VL被设置，这时可能会产生中断。为保证掉电后时钟的正常运行，PCF
45、8653需要后备电源。本系统的要求是低功耗、便携式，所以考虑的重点是保持体积小、重量轻。在此选用干电池作为PCF8653的后备电源。PCF8653的工作电压为1.85.5V，根据这一点可以选用性能优越的锂电池为其供电。锂电池一般有八到十年的储藏寿命，每节电池的电压为3.6V，仅需一节即可。在电源电压正常的情况下，由正电源通过D1对芯片供电且通过D3对电池进行涓流充电；在电源电压故障的情况下，切换到由电池通过D2对时钟芯片供电。3.6.3 时钟系统设计PCF8653与89C51连接的硬件结构见下图： 图3-8 时钟部分硬件接线图Fig. 3-8 The hardware connecting l
46、ine of the clock 3.7 键盘键盘是一组按键的组合，它的作用主要是控制系统的工作状态以及向系统中输入数据和命令，有编码式键盘和非编码式键盘两类。编码式键盘除了按键之外，还包括了产生键码的硬件电路、去抖动电路和多键、窜键保护电路。每按下一个键，能自动产生这个键的键码，与此同时，产生一个脉冲信号，通知CPU接收。这种键盘使用方便，接口程序简单，但是需要较多的硬件电路，价格较贵，一般的单片机应用系统较少采用。非编码式键盘仅由排成行、列矩阵形式的按键组成，按键的作用只是简单的实现接点的接通或断开，键的去抖动、键的编码的形成和键识别等均由软件来完成。由于它经济实用，在单片机应用系统中广泛
47、采用。非编码式键盘中有独立式非编码式键盘和行列式非编码式键盘两种。行列式键盘主要用于键数较多时为了减少键盘与单片机接口时所占用I/O口线的数目的情况。当键盘上没有键闭合时，行列线之间是断开的，所有行线输入全为高电平。当某个键被按下闭合时，则对应的行线和列线短接，行线输入即为列线输出；根据I/O口读入的状态信息，便可判断出是否有键按下。键盘中究竟哪一个键被按下，还要通过键盘扫描来确定。键盘扫描有三种方式：程序控制扫描方式、定时扫描方式和中断扫描方式。独立式按键是各按键相互独立地接通一条输入数据线，每个按键安排一根I/O口线，每根I/O口线上的按键工作状态不影响其他I/O口线上的工作状态。当任何一个键按下时，与之相连的输入数据线即被置0。而平时该线为1，要判别是否有键按下，用单片机的位处理指令十分方便。这种键盘结构的优点是电路简单，缺点是当键数较多时要占用较多的I/O口线。目前，键盘上的按键大部分都是机械式的。机械触点在闭合和断开瞬间，均有一连串的抖动过程，从而使电压信号也出现抖动，抖动的时间一般为510ms。按键的稳定闭合时间，一般为十分之几秒至几秒。键抖动会引起一次按键被误读多次16。通常去抖动影响的措施有硬、软件两种。在硬件上采取的措施是：在键的输出端加RS触发器或单稳态电路构成去抖动电路。利用双稳态电路的延时性，使其输出为正规的矩形波。软件上采取的措施是：在检测到有键闭合时，
