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1、摘要： 本文介绍了以单片机AT89C52作为核心元件构成的电阻炉温度控制系统的工作原理，详细说明了采用的新型元件，分析了系统硬件结构，最后给出了系统流程图。采用单片机进行炉温控制,具有电路设计简单、精度高、控制效果好等优点,对提高生产效率、促进科技进步等方面具有重要的现实意义。在对各种加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中温度进行监测和控制中，采用单片机控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。本文进行介绍。该控制系统以ms-51单片机为控制核心，采用增量式PID控制算法，实现对温度的智能控制。同时，具有超调量小、温度上升快、
2、稳定性好等特点。关键字：电阻炉；单片机；温度控制系统 ；通信Summary ： This paper introduces the AT89C52 microcontroller which is the core component consisting of resistance furnace temperature control system works, detailing the use of new components, analyzes the structure of the system， at the end of the paper flow chart is gi
3、ven. Temperature control by MCU,with a simple circuit design, high accuracy and good control effect on increasing productivity, and promote scientific and technological progress has important practical significance. In a variety of furnace, heat treatment furnace, reactor and boiler temperature moni
4、toring and control, the use of SCM is not only easy to control, the advantages of simplicity and flexibility of a large, but can greatly improve the technical indicators accused of temperature, which can greatly improve the quality and quantity. The control system for the control of ms-51 MCU core,
5、an incremental PID control algorithm to realize the intelligent control of temperature. Meanwhile, a small overshoot, fast rise in temperature, good stability.Key words: Resistance Furnace; microcontroller;temperature control system;communicate第一章 绪论1.1 电阻加热炉温度控制系统的目的和意义温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内
6、生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。成熟的温控产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，它们只能适应一般温度系统控制，而用于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。随着我国经济的发展及加入WTO，我国政府及企业对此都非常重视，对相关企业资源进行了重组，相继建立了一些国家、企业的研发中心，开展创新性研究，使我国仪表工业得到了迅速的发展。随着新技术的不断开发与应用，近年来单片机发展十分迅速，一个以微机应用为主的新技术革命浪潮正在蓬勃兴起，单片机的应用已经渗透到电力、冶金、化工
7、、建材、机械、食品、石油等各个行业。传统的温度采集方法不仅费时费力，而且精度差，单片机的出现使得温度的采集和数据处理问题能够得到很好的解决。温度是工业对象中的一个重要的被控参数。然而所采用的测温元件和测量方法也不相同；产品的工艺不同，控制温度的精度也不相同。因此对数据采集的精度和采用的控制方法也不相同。传统的控制方式以不能满足高精度，高速度的控制要求，如温度控制表温度接触器，其主要缺点是温度波动范围大，由于他主要通过控制接触器的通断时间比例来达到改变加热功率的目的，受仪表本身误差和交流接触器的寿命限制，通断频率很低。近几年来快速发展了多种先进的温度控制方式，如：PID控制，模糊控制，神经网络及
8、遗传算法控制等。这些控制技术大大的提高了控制精度，不但使控制变得简便，而且使产品的质量更好，降低了产品的成本，提高了生产效率。本设计使用单片机作为核心进行控制。单片机具有集成度高，通用性好，功能强，特别是体积小，重量轻，耗能低，可靠性高，抗干扰能力强和使用方便等独特优点，在数字、智能化方面有广泛的用途。本系统所使用的加热器件是电炉丝，功率为一千瓦，加热温度在4001000。静态控制精度为2.43。测量温度范围为0-1000，测量误差为1。1.2 电阻加热炉的工作原理电阻炉是利用电流使炉内电热元件或加热介质发热，从而对工件或物料加热的工业炉。自从发现电流的热效应(即楞茨-焦耳定律)以后，电热法首
9、先用于家用电器，后来又用于实验室小电炉。随着镍铬合金的发明，到20世纪20年代，电阻炉已在工业上得到广泛应用。工业上用的电阻炉一般由电热元件、砌体、金属壳体、炉门、炉用机械和电气控制系统等组成。加热功率从不足一千瓦到数千千瓦。工作温度在650以下的为低温炉；6501000为中温炉;1000以上为高温炉。在高温和中温炉内主要以辐射方式加热。在低温炉内则以对流传热方式加热，电热元件装在风道内，通过风机强迫炉内气体循环流动，以加强对流传热。电阻炉有室式、井式、台车式、推杆式、步进式、马弗式和隧道式等类型。可控气氛炉、真空炉、流动粒子炉等也都是电阻炉。电热元件具有很高的耐热性和高温强度，很低的电阻温度
10、系数和良好的化学稳定性。常用的材料有金属和非金属两大类。金属电热元件材料有镍铬合金、铬铝合金、钨、钼、钽等，一般制成螺旋线、波形线、波形带和波形板。非金属电热元件材料有碳化硅、二硅化钼、石墨和碳等，一般制成棒、管、板、带等形状。电热元件的分布和线路接法，依炉子功率大小和炉温要求而定。电阻炉与火焰炉相比，具有结构简单、炉温均匀、便于控制、加热质量好、无烟尘、无噪声和环保等优点。1.3 电阻加热炉温度控制系统的技术要求及主要问题电阻加热炉控制的核心是温度，而温度在工业控制中是个很重要的参数,特别在冶金、机械、食品、化工等工业中,对工件的处理温度都要求严格控制，对于温度的精确度和稳定性均有较高的要求
11、。电阻炉在化工、冶金等行业应用广泛,因此温度控制在工业生产和科学研究中具有重要意义。其控制系统属于一阶纯滞后环节,具有大惯性、纯滞后、非线性等特点,导致传统控制方式超调大、调节时间长、控制精度低。电阻加热炉温度控制系统的目的是控制炉内温度的变化，它的出现简化了许多繁杂操作，具有重大意义。例如：人们可以在洗澡时任意设定加热炉内水的温度并使之保持在固定的温度内。在人工孵化厂孵化炉内,温度也不需要人的干预，它会按照预先设定好的温度工作，当某种特殊的环境要求温度稳定并保持不变的情况下，温度控制系统都可以发挥它的作用。就系统控制方式来说，模糊控制虽然能够得到较好的动态响应特性,但模糊控制也存在固有的缺点
12、,容易受模糊规则有限等级的限制而引起误差。而数字PID 控制则能够较好地解决控制精度的问题,并且计算机能够用程序既简单又方便地实现数字PID控制规律,对精度调整很方便。 在模拟控制系统中，其过程控制是将被测参数，如温度、压力、流量、成分、液位等由传感器变换成统一的标准信号后输入调节器，在调节器中与给定值进行比较，再把比较出的差值经PID运算后送到执行机构，改变进给量，已达到自动调节的目的。在数字控制系统中则是用数字调节器来代替模拟调节器，按偏差的比例、积分和微分进行控制和调节，是连续系统中应用最广泛的一种调节器。在工业过程控制中，由于控制对象的精确数字模型难以建立，系统的参数又经常发生变化，运
13、用现代控制理论分析综合要耗费很大代价进行模拟辨识，建立系统的数学模型十分困难，应用直接数字控制方法比较困难，甚至跟本不可能，所以人们经常用PID调节器，并根据经验进行在线整定，即用实验和分析的方法来确定数字PID调节器的参数。但是，常规PID调节三个参数的整定一般需要经验丰富的工程技术人员来完成，步骤繁琐复杂，即耗时又耗力。而且当对象特性变化时，又要重新整定，并且在现代工业控制过程中，许多被控对象机理复杂，具有多输入多输出的强耦合性、参数时变性、严重的非线性特性、滞后性等特点。在这种情况下，采用常规PID调节器，三个参数的整定比较困难，为此本文提出了采用归一参数整定法，即只整定一个参数，这样减
14、少了许多工作量，提高了工作效率，为实现简易的自整定控制带来方便。随着计算机运算速度的大幅度提高和存储信息的大量增加，PID调节在工业过程控制、航空航天领域中将得到广泛应用，因此研究PID控制具有较高的工程意义，具有广泛的应用前景。本文设计了一种基于单片机的温度控制系统,该系统以单片机AT89C51 为控制核心,并采用了数字PID 控制算法结合PWM 脉宽调制技术对电阻炉温度进行控制, 具有精度高、稳定性好的特点。经论证，此系统具有良好的经济效益和较高的推广价值。第二章 总体方案根据课题功能和指标要求，本系统可以从元件级开始设计，选用MCS-51单片机AT89C51为主控机。通过扩展必要的外围接
15、口电路，实现对电阻炉炉温的测量和控制。2.1主控制器的选择（1） 继电器控制 控制功能是用硬件继电器实现的。继电器串接在控制电路中的电压、电流、转速、时间及温度等参量变化而动作，以实现电力拖动装置的自动控制及保护。系统复杂，在控制过程中，如果某个继电器损坏，都会影响整个系统的正常运行，查找和排除故障往往非常困难，虽然继电器本省价格不太贵，但是控制柜的安装接线工作量大，因此整个控制柜价格非常高，灵活性差，响应速度慢。（2） 工业控制计算机控制工控机采用总线结构，各厂家产品兼容性强，有实时操作系统的支持，在要求快速、使用性强、功能复杂的领域中占优势。但工控机价格较高，将它用于开关量控制有些大材小用
16、。且其外部I/O接线一般都用于多芯扁平电缆和插头、插座、直接从印刷电路板上引出，不如接线端子可靠。（3） 单片机控制单片机作为一个超大规模的集成电路，结构上包括CPU、存储器、定时器和多种输入输出接口电路。其低功耗、低电压和很强的控制功能，成为工控领域、尖端武器、日常生活中最广泛的计算机之一。另外，有相当的新型集成电路如MAX6675、MC1413等，可以和单片机组成较简单且精密的输入输出通道。综上考虑，本设计选择基于单片机的电阻炉温度控制方式。2.2 温度传感器的选择（1）热电阻热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不
17、仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。但其只适用于-200500范围内的温度测量，对于系统设计要求中的温控范围: 01000的要求难以达到。（2） 热电偶热电偶也是一种感温元件，属于一次仪表。它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号, 在通过电气仪表转换成被测介质的温度，或由A/D转换电路变为数字信号交由数字控制器做后续处理。其中的型（镍铬镍硅）热电偶，其可测量1312以内的温度，且其线性度较好，而且价格也便宜。综上考虑，本系统采用了型（镍铬镍硅）热电偶，型热电偶的输出是毫伏级电压信号，最终要将其转换成数字信号与CPU通信。2.3 温度检测、放大和模数转换电路的选择根据系统框图的
18、设计思想，输入电路包括温度检测电路、检测放大电路、数据采集电路和模数转换电路。（1） 传统温度检测电路 传统的温度检测电路采用“传感器滤波器放大器冷端补偿线性化处理/D转换”模式，转换环节多、电路复杂、精度低。（2） 新型温度检测电路若采用高精度集成芯片MAX6675来完成“热电偶电势温度”的转换，不需外围电路、I/O接线简单、精度高、成本低。综上考虑，本系统采用集成芯片MAX6675来完成“热电偶电势温度”的转换工作。2.4 显示电路的方案选择（1） LED数码管显示LED是Light Emiting Diode（发光二极管）的缩写，发光二极管是能将电信号转换成光信号的电致发光器件。由条形发
19、光二极管组成“8”字形的LED显示器，也称数码管。通过数码管中发光二极管的亮暗组合，可以显示多种数字、字母记忆其他符号。数码管有7段数码管和8段和数码管之分。8段数码管是在7段数码管的基础上再加上一个圆点型发光二极管，用于显示小数点。优点一是占用IO口少，便于做到显示电路与控制电路分离，亮度高。缺点是在背景光较强时，显示不清晰，功耗大，显示图形需要软件扫描编制，程序设计复杂。 8段数码管中发光二极管的排列形状如下图所示：（2） 液晶显示屏显示液晶显示器，或称LCD(Liquid Crystal Display)，为平面超薄的显示设备，它由一定数量的彩色或黑白画素组成，放置于光源或者反射面前方。
20、液晶显示器功耗很低，因此倍受工程师青睐。液晶显示器的显像原理，是将液晶置于两片导电玻璃之间，靠两个电极间电厂的驱动，引起液晶分子扭曲向列的电场效应，以控制光源投射或遮蔽功能。在电源开关之间产生明暗而将影像显示出来，若加上彩色滤波片则可以显示彩色影像，在两片玻璃基本上装有配向模，所以液晶会沿着沟槽配向，由于玻璃基板配向模沟槽偏离90，所以液晶分子成为扭曲型，当玻璃基板没有加入电场时，光线透过偏光板跟着液晶做90扭曲，通过下方偏光板，液晶面板显示白色；当玻璃基板加入电压时，液晶分子产生配列变化，光线通过液晶分子空隙维持原方向，被下方偏光板遮蔽，光线被吸收透出，液晶面板显示黑色。液晶显示器便是根据此
21、电压有无，使面板达到显示效果。液晶显示器具有功耗低， 寿命长的特点。是目前单片机应用的重要领域，无论机器，仪表，等都可以看到他的身影，其中的1602型显示器更具有使用简单，容易掌握的特点。综上，本设计选用EN_TC1602.液晶显示器用于温度和其他系统信息饿显示。2.5 键盘电路的方案选择（1） 独立式键盘在单片机控制系统中，只需要用到功能键的时候一般采用独立式结构，独立式按键是各按键相互独立的接通一条输入数据线，每个键的工作不会影响其它的I/0口，这是一种较简单的键盘结构，电路一般采用查询方式。当某一个键闭合时，相应的IO口线变为低/高电平。当程序查询到低/高电平的IO口线时，就可以确定处于
22、闭合状态的键并执行相应的命令。这种键盘的优点是电路简单；缺点是当键数较多时，要占用较多的I/O线。（2） 矩阵式键盘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，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。本设计中，要求可通过键盘设置测量温度上、下限，超过下限则控制加热系统加热，
23、加热到温度上限则停止加热等要求，所以选择矩阵式键盘进行参数的设置。2.6 控制算法的选择（1） 模糊控制模糊控制使用隶属度函数和模糊合成法则等思想巧妙地综合了人们的直觉经验，从而在其他经典控制理论和现代控制理论不太奏效的场合，如具有纯滞后、大惯性、参数漂移大的非线性不确定分布参数系统中能够实现较满意的控制效果，所以它至少应是一种有效的补充控制手段。反过来也就是说，模糊控制也并非是一味放之任何系统均有效的“万能药”。加入某系统可由一组线性微分方程很好地加以描述，那么也就没必要使用模糊控制了。可见，模糊 控制应用于工业控制领域相对来讲更为合适些；另外，量化因子和比例因子的选择也影响整个系统的品质，
24、这些因素使简单模糊控制器存在一些缺陷。一是精度不太高。这主要是由于模糊控制表的档级有限而造成，通过增加量化等级数目随可提高精度，但查询表将过于庞大，往往受物理条件的限制。二是自适应能力有限。这是因为模糊控制器对某些参数变化不敏感，只能说明具有鲁棒性，而不能讲具有自适应能力。三是很容易产生振荡现象。如果查询表构造不合理或量化因子和比例因子选择不当，都会导致振荡现象。由于以上缺点，不采用模糊控制算法。（2） 神经网络算法神经网络从模仿人脑内部结构出发，试图在模拟推理、自动学习等方面接近人脑的自组织和并行处理能力，它在模式识别、聚类分析和专家系统等方面已显示出很好的前景。模糊控制理论突出对人的外在表
25、达方式的描述，以模糊逻辑为基础，抓住人脑思维的模糊性特点，用以模仿人的模糊综合判断推理来处理一般数学控制难以解决的模糊综合控制。两者之间存在着必然、密切的联系。神经网络的优点之一是不依赖于控制系统的数学模型，它是通过学习，将输入与输出以权值的方式编码，将它们关联起来，但以网络的表达权值难以理解为代价换取的，从权值很难知道网络编码的内容是什么。另一个问题是它的训练样本如何从专家那里取来，如何表达成神经网络能接受的知识，怎么知道它们是否可靠和具有代表性，还不清楚，有用的信息是如何存储在网络中的各神经元中的，其机理尚不清楚，因此关于神经结构的选择缺乏充分的理论分析，究竟选择几层？每层有多少个神经元为
26、可行？对此目前只能凭经验。由于以上缺点，不采用神经网络算法。（3） PID 控制算法本文对工业对象中主要的被控参数电阻炉温度进行研究，设计了硬件电路和软件程序。硬件电路选用8051单片机，软件程序采用中断查询方式。提出了一种PID控制的方法，即是调节kp一个参数，来实现PID控制。与常规PID三个参数调节整相比，省时、高效，为实现简易的自整定控制带来方便。电阻炉炉温为一阶惯性纯滞后系统，调节kp的值，可得到较为理想的阶跃响应曲线。热电阻炉的发热体为电阻丝，常规方式多采用模拟仪表测量温度，并通过控制交流接触器的通断时间比例来控制加热功率，此方法存在某些固有的缺点，如温度与仪表值不符，温度延迟等问
27、题。而采用微机进行炉温控制，可大大提高控制质量和自动化水平，具有良好的经济效益。由于模拟仪表本身的测量精度差，加上交流接触器的寿命短，通断比例低，故温度控制精度低，且无法实现按程序设定的升温线升温和故障自诊断功能。本文提出的炉温控制系统采用高精度放大器及A/D转化器以获得较高的测温精度，并采用传感器对热电偶进行冷端补偿，利用单片机8051实现控制算法，按设定值、所测温度值、温度变化速率，自动进行P参数自整定和运算，按程序设定温度曲线升温，具有键盘输人及显示功能，使用双向导通可控硅实现加热功率控制，显著提高了测量精度。本设计采用单片微型计算机、双向可控硅调功、动态给定和变参数的PID控制系统，与
28、以前常用的模拟控制系统比较，不但控制精确（本系统恒温期间温度波动可1摄氏度C）较高，编程简单方便，大大减轻运行工人的劳动强度，而且能降低电耗（本系统电耗低于10%以上），有较好的经济效益和社会效益，使电阻炉的温度控制提高到一个新的水平。2.7 总体方案总结本系统由单片机AT89C52、温度检测电路、键盘显示及报警电路、时钟电路、温度控制电路等部分组成。系统中采用了新型元件,功能强、精度高、硬件电路简单。其硬件系统框图如图所示。键盘输入AT89CS52单片机电阻炉温度检测电路传感器液晶显示温度控制报警电路电阻加热炉温度控制系统系统框图在系统中, 利用热电偶测得电阻炉实际温度并转换成毫伏级电压信号
29、。该电压信号经过温度检测电路转换成与炉温相对应的数字信号进入单片机,单片机进行数据处理后,通过液晶显示器显示温度并判断是否报警,同时将温度与设定温度比较,根据设定的PID 算法计算出控制量, 根据控制量通过控制固态继电器的导通和关闭从而控制电阻丝的导通时间, 以实现对炉温的控制。该系统中的时钟电路可以根据要求进行准确计时。电阻加热炉温度控制系统基本主要由温度检测系统，信号处理系统，输入输出系统，输出控制系统四部分组成。温度检测主要由温度传感器构成，根据精度及测量范围的要求选择也不同，可以是热电偶式的，也可以是热电阻式的，还可以是热敏电阻或集成温度传感器器件的等等。在信号处理系统原理上无外乎是信
30、号的放大，数模转换，微机处理一系列环节，根据不同的要求其内部结构也不同，但基本都是遵循这条原则。输入输出可根据不同的需要和不同的场合来设计，在精度要求高，设置要求快的环境下可使用多键键盘和LCD液晶显示，在精度和速度要求不高的情况下则可使用简易键盘和LED数码管显示，输出方面在精度要求高的情况下采用连续调节电阻两端的电压进行功率调节，而精度要求不是很高的情况下则是通过控制电阻两端电压的通断来进行对温度的控制。第三章 元件简介3.1 AT89C51单片机311 概述AT89C51是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2
31、个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口。片内含4k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案。312 主要特性AT89C51的主要特性如下： 寿命达1000写/擦循环数据保留时间：10年 全静态工作：0Hz24MHz 三级程序存储器锁定1288位内部RAM 32可编程I/O线 2个16位定时器/
32、计数器6个中断源可编程串行通道低功耗闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路313 引脚功能AT89C51引脚排列如图所示，引脚功能如下： VCC（40）：5VGND（20）：接地P0口（3932）：P0口为8位漏极开路双向I/O口，每个引脚可吸收8个TTL门电流。 P1口（18）：P1口是从内部提供上拉电阻器的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收和输出4个TTL门电流。 P2口（2128）：P2口为内部上拉电阻器的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收和输出4个TTL门电流。 P3口（1017）：P3口是8个带有内部上拉电阻器的双向I/O口，可接收和输出4个TTL门电流，P3口也可作为AT89C51
33、的特殊功能口。 RST（9）：复位输入。当振荡器复位时，要保持RST引脚2个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG（30）：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低位字节，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，它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的，要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过1个ALE脉冲。 PSEN（29）：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取值期间，每个机器周期2次PSEN有效，但在访问外部数据存储器时，这2次有效的PSEN信号将不出现。EA/VPP（31）：
34、当EA保持低电平时，外部程序存储器地址为（0000HFFFFH）不管是否有内部程序存储器。FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1（19）：反向振荡器放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2（18）：来自反向振荡器的输出。 3.2 EN_TC1602液晶显示器3.2.1基本原理液晶板上排列着若干57 或510 点阵的字符显示位,每个显示位可显示1 个字符，从规格上分为每行8、16、20、24、32、40 位，有一行、两行及四行三类。接口方面，有8 条数据，三条控线。可与微处理器或微控制相连,通过送入相应的数据和指令，就可使模块正常工作。其与单片机的连接
35、示意图如下所示：AT89C513.2.2引脚、指令功能模块引脚功能表：引脚号符号名称功能1VSS接地0V2VDD电路电源5V10%3VEE液晶驱动电压见示意图4RS寄存器选择信号H: 数据寄存器L: 指令寄存器5R/W读/写信号H: 读 L: 写 6E片选信号下降沿触发714DB0DB7数据线数据传输寄存器选择功能：RSR/W操作00指令寄存器（IR）写入01忙标志和地址计数器读出10数据寄存器（DR）写入11数据寄存器读出备注：忙标志为“1”时，表明正在进行内部操作，此时不以输入指令或数据，要等内部操作结束忙标志“0”时。格式：RS R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 D
36、B1 DB0 共11种指令：清除、返回、输入方式设置、显示开关、控制、移位、功能设置、CGRAM 地址设置、DDRAM 地址设置、DDRAM 地址设置、读忙地址和地址、写数据到CG/DDRAM、读数据由CG/DDRAM。3.3 驱动芯片MC1413MC1413是一种高电压，大电流的大林顿管阵列集成驱动集成电路，这7组NPN达林顿晶体管阵列通过合适的连接，广泛的应用在打印机、继电器等各种工业和消费应用驱动电路中。据偶较高的击穿电压，峰值浪涌电流为500 mA的驱动器允许它们驱动白炽灯。此集成电路为集电极开路输出。正电源经负载接在输出端上。与输出端对应的输入端为高电平时，输出端为低电平，拉入负载电
37、流。其管脚示意图如下：其性能参数如下表所示：项目符号数值单位输出电压VO50V输入电压VI30V集电极电流持续IC500mA基极电流持续IB25mA工作环境温度范围TA-20+85C保存温度范围Tstg-55+150C节点温度TJ150C3.4 MAX6675MAX6675是一复杂的单片热电偶数字转换器，其内部结构如图2所示。主要包括：低噪声电压放大器A1、电压跟随器A2、冷端温度补偿二极管、基准电压源、12位AD转换器、SPI串行接口、模拟开关及数字控制器。其工作原理如下：K型热电偶产生的热电势，经过低噪声电压放大器A1和电压跟随器A2放大、缓冲后，得到热电势信号U1，再经过S4送至ADC。
38、对于K型热电偶，电压变化率为(41V/)，电压可由如下公式来近似热电偶的特性。U1=(41V/)(T-T0)上式中，U1为热电偶输出电压（mV），T是测量点温度；T0是周围温度。在将温度电压值转换为相应的温度值之前，对热电偶的冷端温度进行补偿，冷端温度即是MAX6675周围温度与0实际参考值之间的差值。通过冷端温度补偿二极管，产生补偿电压U2经S4输入ADC转换器。U2=(41V/)T0在数字控制器的控制下，ADC首先将U1、U2转换成数字量,即获得输出电压U0的数据，该数据就代表测量点的实际温度值T。这就是MAX6675进行冷端温度补偿和测量温度的原理。MAX6675是MAXIM公司新近开发
39、出的一种K型热电偶信号转换器(IC)MAX6675，该转换器集信号放大、冷端补偿、A/D转换于一体，直接输出温度的数字信号，使温度测量的前端电路变得十分简单。MAX6675的内部由精密运算放大器、基准电源、冷端补偿二极管、模拟开关、数字控制器及ADC电路构成，完成热电偶微弱信号的放大、冷端补偿和AD转换功能。MAX6675采用8脚SO形式封装，下图为其引脚排列图，T+接K型热电偶的正极(镍铬合金)，T-接K型热电偶的负极(镍硅合金或镍铝合金)；片选信号端CS为高电平时启动温度转换，低电平时允许数据输出；SCK为时钟输入端；SO为数据输出端，温度转换后的12位数据由该脚以SPI方式输出。图1 M
40、AX6675的引脚图项目参数电源电压3.05.5V工作电流0.7mA(最大1.5mA)测温范围0+1024C分辨率0.25 C转换误差8LSB冷端温度补偿范围-20+85C冷端温度补偿误差3C典型转换时间0.17S3.5 E 系列Z型SSR固态继电器（Solid State Relay,缩写SSR）,是由微电子电路，分立电子器件，电力电子功率器件组成的无触点开关。用隔离器件实现了控制端与负载端的隔离。固态继电器的输入端用微小的控制信号，达到直接驱动大电流负载。如图所示，固态继电器有三部分组成:输入电路，隔离(耦合)和输出电路。按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
41、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。E 系列固态继电器是直流输入控制，交流过零导通，过零关断输出型无触点继电器，因此，具有di/dt 的比值小，启动性能平稳，对电网辐射干扰小，关断时可降低感性负载的反电动势，对用电器和固态继电器都有一定的保护作用等优点，是控制一般用电器，如电动机、加热器、白炽灯的首选器件。“
42、交流调功”是一种Z型SSR普遍采用的方法，也能实现PID调节。即在固定周期内控制交流正弦电流半波个数,达到调功目的。模拟电路常采用电压比较器,将一个固定周期的锯齿电压和来自前级误差电压作比较,输出方波实现调节。在计算机上采用计时算法产生占空比可调的方波脉冲击来实现。例如日本的SHIMADEW和OMRON公司的SR22、FD20、E5系列智能化控温产品配合Z型SSR，实现自适应“自动翻转”控制,即通过计算机产生扰动，算出最佳PID控制参数。3.6 型（镍铬镍硅）热电偶两种不同成份的导体（称为热电偶丝材或热电极）两端接合成回路，当接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，而
43、这种电动势称为热电势。热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿端）；冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。热电偶实际上是一种能量转换器，它将热能转换为电能，用所产生的热电势测量温度。热电偶是一种感温元件，是一次仪表。它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号, 通过电气仪表（二次仪表）转换成被测介质的温度。在热电偶回路中接入第三种金属材料时，只要该材料两个接点的温度相同，热电偶所产生的热电势将保持不变，即不受第三种金属接入回路中的影响。因此，在热电偶测温时，可接入测量仪表，测得热
44、电动势后，即可知道被测介质的温度。热电偶测量温度时要求其冷端（测量端为热端，通过引线与测量电路连接的端称为冷端）的温度保持不变，其热电势大小才与测量温度呈一定的比例关系。若测量时，冷端的（环境）温度变化，将严重影响测量的准确性。在冷端采取一定措施补偿由于冷端温度变化造成的影响称为热电偶的冷端补偿。型热电偶属于标准化热电偶的一种，其中K是指材料为镍铬和镍硅，测温范围是 -200-+1000C，是工业生产中最常用的温度传感器，具有结构简单、制造容易、使用方便、测温范围宽等特点。目前，在以型热电偶为测温元件的工业测温系统中，热电偶输出的热电势信号必须经过中间转换环节，才能输入基于单片机的嵌入式系统。
45、中间转换环节包括信号放大、冷端补偿、线性化及数字化等几个部分，实际应用中，由于中间环节较多，调试较为困难，系统的抗干扰性能往往也不理想。在本次设计中，采用了MAXIM公司新近推出的MAX6675，它是一个集成了热电偶放大器、冷端补偿、A/D转换器及SPI串口的热电偶放大器与数字转换器，可以直接与单片机接口，大大简化系统的设计，保证了温度测量的快速、准确。 3.7 MAX232电平转换芯片串口通讯作为一种古老而又灵活的通讯方式，被广泛地应用于PC间的通讯以及PC和单片机之间的通讯之中，由于PC机端的RS232电平与单片机端TTL的并不不匹配，故应注意电平转换。而MAX232芯片是美信公司专门为电
46、脑的RS-232标准串口设计的接口电路,使用+5v单电源供电。该器件包含2驱动器、2接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。该器件符合TIA/EIA-232-F标准，每一个接收器将TIA/EIA-232-F电平转换成5-V TTL/CMOS电平。每一个发送器将TTL/CMOS电平转换成TIA/EIA-232-F电平。 3.8 外部数据存储器2817A片内的资源如不满足需要，需外扩存储器和I/O功能部件：系统外部存储器扩展问题，又分为外部程序存储器和外部数据存储器，2817A既可作为外部的数据存储器，又可作为程序存储器。2817A管脚图引脚名称功能A0A10地址输入I/O0
47、I/O7数据输入/输出片选端输出使能端写使能R/闲/忙VCC电源电压GND地（0V）3.9 并行接口芯片82558255是Intel公司生产的可编程并行I/O接口芯片，有3个8位并行I/O口。具有3个通道3种工作方式的可编程并行接口芯片（40引脚）。 其各口功能可由软件选择，使用灵活，通用性强。8255可作为单片机与多种外设连接时的中间接口电路。3.9.1 8255工作特性(1)一个并行输入/输出的LSI芯片,多功能的I/O器件,可作为CPU总线与外围的接口.(2)具有24个可编程设置的I/O口,即使3组8位的I/O口为PA口,PB口和PC口.它们又可分为两组12位的I/O口,A组包括A口及C口(高4位,PC4PC7),B组包括B口及C口(低4位,PC0PC3).A组可设置为基本的I/O口,闪控(STROBE)的I/O闪控式,双向I/O3种模式;B组只能设置为基本I/O或闪控式I/
