張鐵剛--1209624009--自動(dòng)化--反應(yīng)釜溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、南 陽(yáng) 理 工 學(xué) 院 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）學(xué)院（系）： 電子與電氣工程學(xué)院專 業(yè)： 自動(dòng)化 學(xué) 生： 張鐵剛 指導(dǎo)教師： 尹應(yīng)鵬 完成日期 2014年 5 月南陽(yáng)理工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）反應(yīng)釜溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)Design of Reactor Temperature Controlling System 總計(jì)：畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）25頁(yè)表格：6個(gè)公式：3個(gè) 插圖：24幅南 陽(yáng) 理 工 學(xué) 院 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文）反應(yīng)釜溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) Design of Reactor Temperature Controlling System 學(xué) 院： 電子與電氣工程學(xué)院 專 業(yè)： 自動(dòng)化

2、 學(xué) 生 姓 名： 張鐵剛 學(xué) 號(hào)： 1209624009 指 導(dǎo) 教 師： 尹應(yīng)鵬 （導(dǎo)師） 評(píng) 閱 教 師： 完 成 日 期： 南陽(yáng)理工學(xué)院 Nanyang Institute of Technology 反應(yīng)釜溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)反應(yīng)釜溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 自動(dòng)化 張鐵剛摘 要 本設(shè)計(jì)以STC公司生產(chǎn)的8位STC89C52單片機(jī)為硬件核心處理器,首先，通過PT100熱電阻型傳感器采集反應(yīng)釜內(nèi)溫度值,然后再通過使用雙向積分型A/D模數(shù)轉(zhuǎn)化器TLC7135將脈沖信號(hào)經(jīng)過標(biāo)度轉(zhuǎn)化為單片機(jī)可處理的脈沖頻率信號(hào)送給STC單片機(jī)處理，并通過液晶顯示模塊LCD1602顯示電壓值、脈沖值及溫度參數(shù)值等信息。設(shè)計(jì)

3、流程結(jié)構(gòu)上采用模塊化分割設(shè)計(jì)，先將各個(gè)模塊設(shè)計(jì)出來(lái)再通過主程序調(diào)用各個(gè)模塊，具有可讀性好，移植性強(qiáng)，便于發(fā)現(xiàn)解決問題。關(guān)鍵詞 單片機(jī)；PT100；LCD1602Design of Reactor Temperature Controlling System Automation Specialty Zhang Tie-gangAbstract:Hold this design by famous STC companys eight STC89C52 single-chip microcomputer as the hardware core processor,first of all, t

4、hrough the thermal resistance PT100 temperature sensor acquisition in the reaction kettle,and then through the use of double integral type A/D module converter TLC7135 pulse signal through scale into pulse frequency signal to microcontroller can pick up on STC microcontroller processing,and through

5、LCD1602 LCD module display the voltage value,pulse and temperature parameter values and other information.Modular division is used to design structure of design process, first the various modules designed by the main program calls each module, has a good readability, portability, easy to find and so

6、lve the problem.Key words：STC89C52; PT100; LCD1602目 錄1 引言12 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)22.1 方案比較22.2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)32.3 溫度控制系統(tǒng)總體方框流程42.4反應(yīng)釜控制總體流程設(shè)計(jì)42.5 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)53 溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)53.1 溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原則53.2 微處理器應(yīng)用63.3 A/D模數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)73.3 溫度檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)83.5 操作界面93.6 液晶顯示單元設(shè)計(jì)103.7 按鍵電路設(shè)計(jì)113.8 數(shù)據(jù)保護(hù)電路設(shè)計(jì)123.9 驅(qū)動(dòng)控制部分133.10 電加熱型反應(yīng)釜134 溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)144.1軟件

7、設(shè)計(jì)概述144.2 按鍵模塊設(shè)計(jì)144.3 液晶顯示模塊設(shè)計(jì)154.4 主控制器模塊軟件設(shè)計(jì)165 系統(tǒng)的調(diào)試運(yùn)行結(jié)果及分析195.1系統(tǒng)調(diào)試195.2系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果19結(jié)束語(yǔ)22參考文獻(xiàn)23附錄24致謝25 II1 引言反應(yīng)釜廣泛應(yīng)用于染料、醫(yī)藥、石油化工及大專院校隸屬的科研單位，憑借它優(yōu)良的密封性克服了機(jī)械密封和填料密封無(wú)法解決的泄漏問題，是易燃、易爆、劇毒、貴重等物質(zhì)加溫、加壓攪拌反應(yīng)的理想設(shè)備容器，也是目前市場(chǎng)上最理想最流行的無(wú)泄漏反應(yīng)裝置2。上世紀(jì)四十年代以前,反應(yīng)釜的生產(chǎn)絕大多數(shù)處于剛剛起步階段,更多的還是沿用傳統(tǒng)的壓力表、溫度計(jì)等儀器儀表類設(shè)備，操作工人主要是根據(jù)反映物質(zhì)主要工藝參

8、數(shù)的儀表指示情況,用來(lái)改變化學(xué)反應(yīng)條件,生產(chǎn)過程完全依賴于經(jīng)驗(yàn)和手工操作進(jìn)行,不僅操作的勞動(dòng)強(qiáng)度大,控制精度不高,而且一旦發(fā)生操作失誤，極容易引發(fā)安全事故的發(fā)生2。隨著計(jì)算機(jī)和電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)的化工過程監(jiān)控方法也面臨了前所未有的沖擊,許多的人開始把目光轉(zhuǎn)向研究各種反應(yīng)釜的自動(dòng)控制裝置。從七十年代以來(lái),國(guó)外溫度控制系統(tǒng)發(fā)展迅速并在智能化自適應(yīng)參數(shù)自整定領(lǐng)域取得顯著突破性成果,并且制造出了一大批適合市場(chǎng)要求的商品化性能優(yōu)異的溫度控制器設(shè)施及儀器儀表,溫度控制系統(tǒng)及儀器儀表正以高精度智能化、小型化等方向快速發(fā)展3。溫度控制系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)的各行各業(yè)的應(yīng)用雖已十分廣泛，但從國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的溫度控制器來(lái)看總

9、體發(fā)展?fàn)顟B(tài)來(lái)看仍然處于初級(jí)階段，與同時(shí)期國(guó)外先進(jìn)國(guó)家相比仍然有著較大差距。我國(guó)在這方面總體技術(shù)水平處于二十世紀(jì)八十年代中后期水準(zhǔn)狀況，成果產(chǎn)品主要以點(diǎn)位控制及常規(guī)的PID控制器為主打，僅僅只能適用于常規(guī)系統(tǒng)控制難于控制滯后復(fù)雜時(shí)變的溫度系統(tǒng)控制為主2。踏入21世紀(jì)以后智能溫度控制器正以多功能、高精度、高可靠性、總線標(biāo)準(zhǔn)化及安全性等方向快速發(fā)展。 近年來(lái)，多種控制方式如雨后春筍應(yīng)運(yùn)而生，如：PID控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制及遺傳算法控制等各種先進(jìn)控制理論3。這些技術(shù)提升了控制控制系統(tǒng)的精度，不僅使控制變得越來(lái)越簡(jiǎn)便，而且使產(chǎn)品的質(zhì)量更好，同時(shí)也大大的降低成本，提高生產(chǎn)效率，但是，高昂的設(shè)備投資成本

10、費(fèi)用，仍然讓許多中小企業(yè)望而卻步3。單片微型計(jì)算機(jī)的功能不斷增強(qiáng)，提供了許多行之有效的先進(jìn)的控制算法，許多高性能的新型機(jī)種得到應(yīng)用，尤其是單片機(jī)，依據(jù)其特性優(yōu)點(diǎn)成為自動(dòng)化控制領(lǐng)域中的重要器件。在自能控制系統(tǒng)領(lǐng)域中，單片機(jī)占據(jù)著不可或缺的地位，比如：用于自能玩具的生產(chǎn)開發(fā)，家用電器的智能化以及商務(wù)應(yīng)用，甚至部分軍事應(yīng)用。在我們的生活中無(wú)處不在的使用單片機(jī)及以此為基礎(chǔ)的延生的各種控制芯片。伴隨著社會(huì)的進(jìn)步，人類生活的智能化及生活觀念的進(jìn)步提高，人們對(duì)工業(yè)智能化的需求也越來(lái)大，迫切需要不斷進(jìn)步提升，而單片機(jī)恰恰能夠滿足人們這一愿望，尤其是對(duì)于要求精度不是太高且成本較低的情況。自能控制領(lǐng)域低成本、多功

11、能、智能化將是未來(lái)其發(fā)展的重要方向。同樣，反應(yīng)釜的智能控制也將是其未來(lái)發(fā)展的重要方向。2 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)2.1 方案比較從目前流行的控制方法而言，重要的控制理論有以下幾類：（1）比較控制法：其定義就是通過比較當(dāng)前參數(shù)與設(shè)定參數(shù)值之間的關(guān)系，進(jìn)行指令輸出控制，如果當(dāng)前參數(shù)值比設(shè)定參數(shù)值高，則相應(yīng)操作；同理，如當(dāng)前參數(shù)值比設(shè)定參數(shù)值低，則同樣做出設(shè)定操作控制1。這種比較溫度控制方法比較容易理解，也很容易能夠?qū)?。?guó)內(nèi)許多企業(yè)就是使用的這種簡(jiǎn)單易懂的傳統(tǒng)方式。同樣，這種控制方式也有其天生的弊端，例如：控制精度低、無(wú)法解決滯后和延問題，無(wú)法勝任高精度要求，只適用于低精度要求的生產(chǎn)。 （2）PID控制

12、法：1922年Minorsky發(fā)表了關(guān)于比例積分微分（PID，Proportional Integral Differential）控制器的設(shè)計(jì)方法文章，標(biāo)志著PID控制方法的產(chǎn)生1。此后，PID控制方法依其優(yōu)異的特性很快被運(yùn)用到各行各業(yè)中。PID理論進(jìn)入了黃金時(shí)期。在解決人們需要問題的同時(shí)，自身也得到了迅速發(fā)展?，F(xiàn)在PID更加完善、更加可靠穩(wěn)定、使用也更加簡(jiǎn)單普及、更加適合帶有滯后的延時(shí)等特點(diǎn)的控制系統(tǒng)中去。然而，同比較控制方法一樣也有天生的缺陷不足，例如：在面度滯后溫度問題時(shí)候能過很好的解決它，但是在面度非線性問題時(shí)候，卻無(wú)能為力，對(duì)于時(shí)變問題也是力不從心，甚至，對(duì)大滯后問題也是愛莫能助，

13、因此就需要一種更加完美的控制方法，既要解決提高精度要求，同時(shí)也要解決滯后性和非線性及延時(shí)問題1。 （3）智能溫控方法：1971年傅京孫教授提出并發(fā)表了智能控制系統(tǒng)（Intelligent Control Systems）。在IEEE控制學(xué)術(shù)討論會(huì)上智能控制原理及以智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為主題的會(huì)議標(biāo)志著智能控制方法的誕生1。在隨后的幾十年里，大量科學(xué)巨人把目光投向了這個(gè)剛出生的太陽(yáng)，還有政府巨額資金的支持及社會(huì)企業(yè)的擁戴，智能控制理論得到迅猛發(fā)展，產(chǎn)生了一大批控制理論1。例如：模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、自適應(yīng)控制等等。已經(jīng)成為控制領(lǐng)域的前沿學(xué)科，被廣泛的應(yīng)用到各個(gè)方面。雖然智能控制有很多特點(diǎn)是現(xiàn)行最理

14、想的控制方案，然而，其價(jià)格卻是很昂貴理論要求高、技術(shù)尖端、對(duì)工作人員的素也要求也很高且投資成本過高等原因，使很多中小型企業(yè)望洋興嘆。該設(shè)計(jì)是以單片機(jī)作為核心處理器的溫度控制系，同時(shí)，其控制原理也同樣適用于其他類型的反應(yīng)釜系統(tǒng)的控制系統(tǒng)。選用STC公司的單片機(jī)為控制核心處理器芯片，使用繼電器作為執(zhí)行元件。工作人員可以從鍵盤設(shè)定被控溫度上限及溫度下限等參數(shù)，按下運(yùn)行鍵后，系統(tǒng)將進(jìn)入自動(dòng)工作狀態(tài)，當(dāng)超出設(shè)定狀態(tài)時(shí)，有報(bào)警器提醒工作人員并自動(dòng)停止加熱等智能處理，具有投資成本小、改裝方便、易于操作與維護(hù)、對(duì)技術(shù)人員要求低、工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，特別適合中小型企業(yè)。究的反應(yīng)釜溫度控制設(shè)計(jì)：（l）在參數(shù)顯示方面，

15、采用長(zhǎng)沙太陽(yáng)人生產(chǎn)的顯示器LCD1602對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行顯示，界面美觀、操作方便。（2）在反應(yīng)釜選擇上，采用太康一諾醫(yī)藥化工容器有限公司生產(chǎn)的新一代電加熱反應(yīng)釜。（3）在功能上，具有手動(dòng)設(shè)置溫度上/下限值，通過手動(dòng)按鍵設(shè)置溫度上/下限值，如果被測(cè)釜內(nèi)溫度小于設(shè)定值時(shí)，則立即對(duì)反應(yīng)釜加熱，如果被測(cè)反應(yīng)釜內(nèi)溫度大于設(shè)定值相則立即停止加熱對(duì)反應(yīng)釜加熱。2.2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)反應(yīng)釜溫度控制系統(tǒng)主要由主控制器電路模塊和反應(yīng)釜狀態(tài)控制電路模塊倆個(gè)部分組成體。 （l）主控制器模塊主要由中央處理器STC89C52、矩陣按鍵、液晶顯示LCD1602、數(shù)據(jù)保護(hù)等電路組成，如圖1所示。 圖1 主控制器總體電路圖 （

16、2）反應(yīng)釜狀態(tài)控制電路模塊 過使用中間繼電器與控制單片機(jī)相連接，已達(dá)到控制繼電器進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)控制對(duì)電源模塊的有效控制，從而，控制反應(yīng)釜的工作狀態(tài)等，其電路圖如圖2所示。圖2 反應(yīng)釜狀態(tài)控制電路2.3 溫度控制系統(tǒng)總體方框流程主控制器模塊主要由信息采集、信息處理和輸出控制三部分構(gòu)成。信號(hào)采集包括對(duì)反應(yīng)釜的溫度信號(hào)的采集和操作人員的按鍵信號(hào)的采集，信號(hào)處理是包括對(duì)采集系統(tǒng)信息參數(shù)的轉(zhuǎn)化及其相應(yīng)合理的處理，輸出部分包括輸出經(jīng)過信息轉(zhuǎn)化和變成處理后的結(jié)果及通過液晶顯示出來(lái)的狀態(tài)結(jié)果。主控制器在溫度控制系統(tǒng)中起至關(guān)重要的作用是該溫度控制系的核心。主控制器總體框圖如圖3所示。圖3 主控制器總體框圖2.4反應(yīng)

17、釜控制總體流程設(shè)計(jì)加熱輸出控制電路的硬件總體框圖如圖4所示。 圖4 反應(yīng)釜加熱控制電路的硬件總體框圖2.5 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)軟件方面設(shè)計(jì)中使用比較先進(jìn)的模塊化設(shè)計(jì)，模塊化設(shè)計(jì)方法是指將系統(tǒng)總統(tǒng)的程序人為得分割為幾個(gè)部分模塊而不是一氣呵成的完整體，使用一個(gè)主程序和若干個(gè)子程組成，通過主程序調(diào)用各個(gè)子程序1。這樣既能保持思路的清晰性，也可以增加程序的可移植性，于快速查找錯(cuò)誤漏洞。溫度控制主控制器模塊可以劃分為以下幾部分：（l）數(shù)據(jù)采集模塊通過PT100熱電阻性測(cè)溫器件反應(yīng)釜內(nèi)溫度信號(hào)測(cè)得并經(jīng)過模擬量前向通道模塊將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為單片機(jī)可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。（2）數(shù)據(jù)處理模塊當(dāng)各個(gè)部分將其所需的溫度信號(hào)采

18、集過后都送給單片機(jī)進(jìn)行目的性處理，并輸出相應(yīng)的控制命令給各個(gè)執(zhí)行部分，如繼電器部分、液晶顯示部分。（3）數(shù)據(jù)輸出模塊接收單片機(jī)處理過后的指令，輸出給繼電器模塊控制反應(yīng)釜工作狀態(tài)和相應(yīng)的顯示模塊，供操作者實(shí)時(shí)了解反應(yīng)釜內(nèi)狀況和修改數(shù)據(jù)信息以便達(dá)到工作要求。（4）參數(shù)顯示模塊采用長(zhǎng)沙太陽(yáng)人生產(chǎn)的顯示器LCD1602顯示反應(yīng)釜溫度設(shè)定值和當(dāng)前值參數(shù)。3 溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原則硬件電路的設(shè)計(jì)主要由中央處理器STC89C52、矩陣按鍵、液晶顯示LCD1602、數(shù)據(jù)保護(hù)等電路組成。硬件是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基石，合理的硬件設(shè)計(jì)不但能夠有效降低設(shè)計(jì)成本，而且，還能減少軟件編程的難度1。本

19、溫度控制系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)上主要考慮以下幾點(diǎn)： （1）硬件設(shè)計(jì)，首要的工作就是對(duì)微處理器的選擇，既要滿足溫度控制任務(wù)的要求，又要不要增加設(shè)計(jì)成本。 （2）在電路設(shè)計(jì)方面，優(yōu)先使用典型的電路，這樣不但可以節(jié)約時(shí)間，降低設(shè)計(jì)難度，而且典型電路已經(jīng)過大量檢測(cè)，安全性、穩(wěn)定性、可靠性更高不易出現(xiàn)事故。 （3）在外接驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)上，因?yàn)槲⑻幚砥鞯尿?qū)動(dòng)能力有限，所以，為其添加了一些必要的驅(qū)動(dòng)電路模塊幫助其能夠正常工作。 （4）在處理硬件和軟件方面的問題時(shí)，一些功能作用既可以使用硬件完成，又可以使用軟件解決時(shí)，我們要需要綜合考慮。例如：當(dāng)采用硬件方法則會(huì)大大增加了硬件設(shè)施，增加了系統(tǒng)成本；如換用軟件方法來(lái)解決，

20、將要導(dǎo)致CPU處理時(shí)間被大量占用，影響使用效率，因此，本控制系統(tǒng)在遇到此種情況時(shí)候，選擇了即可以節(jié)省CPU占用率，又可以不過量增加系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本的措施，即軟件和硬件根據(jù)實(shí)際情況配合使用1。 3.2 微處理器應(yīng)用微處理器是一個(gè)主控制器的最重要的核心數(shù)據(jù)處理器件，也是最重要的控制部分。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，首當(dāng)其沖是考慮選擇何種數(shù)據(jù)處理器。市場(chǎng)上流行的微處理器品牌眾多，然而在系統(tǒng)開發(fā)時(shí)應(yīng)選擇既能滿足系統(tǒng)開發(fā)任務(wù)，又能把系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成本及復(fù)雜度降到最低1。STC89C52單片機(jī)是宏晶科技公司推出的一代和傳統(tǒng)8051單片機(jī)指令代碼完全兼容，擁有靈巧的8位CPU和在線系統(tǒng)可編程Flash及6時(shí)鐘/機(jī)器周期和12個(gè)時(shí)

21、鐘/機(jī)器周期供用戶選擇等優(yōu)點(diǎn)，使STC89C52甚受用戶們的青睞，也是初學(xué)者常常首先學(xué)習(xí)接觸和應(yīng)用的芯片，所以，成為自動(dòng)化控制應(yīng)用系統(tǒng)領(lǐng)域中寵物。其實(shí)物圖如圖5和引腳圖如圖6所示1。 圖5 STC實(shí)物圖圖6 STC89C522芯片引腳STC89C52單片機(jī)的主要功能有以下幾方面。表1 STC89C52主要功能特性表兼容MCS51指令系統(tǒng)8K可反復(fù)擦寫Flash Rom32個(gè)雙向I/O口2568bit內(nèi)部RAM3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷時(shí)鐘頻率0-24MHZ2個(gè)串行中斷可編程UART串行通道2個(gè)外部中斷源共6個(gè)中斷源2個(gè)讀寫中斷口線3級(jí)加密位低功耗空閑掉電模式軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能3.3 A/D

22、模數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)7135是采用CMOS制作工藝的單片4 1/2位A/D轉(zhuǎn)換器，只要附加譯碼器，數(shù)碼示器，驅(qū)動(dòng)器及電阻電容等元件，就可組成一個(gè)滿量程為2 V的數(shù)字電壓表。7135主要特點(diǎn)如表2及其工作時(shí)序圖如圖6。表2 7135特性功能表主要特性功能7135實(shí)物圖在每次A/D轉(zhuǎn)換前，內(nèi)部電路都自動(dòng)進(jìn)行調(diào)零操作在每次A/D轉(zhuǎn)換前，內(nèi)部電路都自動(dòng)進(jìn)行調(diào)零操作在2000字范圍內(nèi)，保證轉(zhuǎn)換精度1字采用28外引線雙列直插式封裝輸出電流典型值1 PA具有自動(dòng)極性轉(zhuǎn)換功能輸出端和TTL電路相容輸出為動(dòng)態(tài)掃描BCD碼提供六個(gè)輸入,輸出控制信號(hào),因此除用于數(shù)字電壓表外,還能與微處理器或其它控制電路連接使用有過量程和

23、欠量程標(biāo)志信號(hào)輸出，可用作自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換的控制信號(hào) 圖6 7135工作時(shí)序圖3.3 溫度檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)PT100電阻式溫度傳感器是一種特殊物質(zhì)材料做成的電阻器件,隨溫度的變化而發(fā)生阻值改變,它具有耐酸堿、不易變質(zhì)，線性性能好的特點(diǎn)，在工農(nóng)業(yè)中被廣泛使用。PT100溫度傳感器就以鉑(PT)為原料做成的電阻式溫度傳感器，其電阻和溫度變化的關(guān)系式如公式（1）所示。 R=R0(1+T) （1）其中=0.00392,R0為100 (在0 的電阻值),T為攝氏溫度，因此鉑作成的電阻式溫度傳感器，又稱為PT1001。其原理圖及實(shí)物圖8如下： 圖8 PT100原理圖及其實(shí)物圖溫度傳感器PT100的技術(shù)指標(biāo)及使用，

24、如表3。 表3 PT100的技術(shù)指標(biāo)及使用測(cè)量范圍：-200 +850 允通電流5 mA允許偏差值 ：A級(jí)（0.150.002 t）， B級(jí)（0.300.005 t）最小置入深度：熱電阻的最小置入深度200 mm熱響應(yīng)時(shí)間30 sPT100溫度傳感器還具有抗振動(dòng)、穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、耐高壓等優(yōu)點(diǎn)PT100溫度傳感器三根芯線的接法：PT100電阻傳感器有三條引線,分別用黑、紅、黃表示,他們的接線方法，三根線間兩兩之間的常溫阻值為110 ，其中，有兩根接線在內(nèi)部是連接的。一根和其他不同的導(dǎo)線接一個(gè)固定的端子，另外兩個(gè)導(dǎo)線可任意接在兩個(gè)固定端子上8。這里我們選擇使用三線制接法，他比二線制精度要高，又

25、比四線制設(shè)計(jì)難度及其制造成本要低。PT100的基本尺寸和接法及測(cè)溫電路如9、10所示。 圖9 基本尺寸及接法 圖10 PT100熱電阻測(cè)溫電路圖3.5 操作界面人機(jī)操作界面通常由人對(duì)控制系統(tǒng)的設(shè)定和控制系統(tǒng)向人提供必要信息組成。合理的操作界面設(shè)計(jì)可以讓操作工程變得簡(jiǎn)單易學(xué)、高效、安全等。鍵盤常用于作為人交互的輸入設(shè)備，LCD也是被常用作人機(jī)交互用的顯示設(shè)備。這些模塊設(shè)計(jì)成本較低、易于操作、穩(wěn)定性要高，在生活中到處都有易于人們接收。操作界面設(shè)計(jì) 反應(yīng)釜溫度控制系統(tǒng)的操作面板主要由兩部分構(gòu)成。第一部分為輸入設(shè)定參數(shù)操作，由分布在鍵盤上的三個(gè)按鍵組成，包括：“+”、“-”、和位選擇鍵。第二部分為L(zhǎng)C

26、D顯示：采用長(zhǎng)沙太陽(yáng)人生產(chǎn)的液晶顯示模塊LCD1602來(lái)顯示系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)。 主控制器面板的具體功能如下：（1）“選擇”鍵：用以修改當(dāng)前選定設(shè)定的參數(shù)位，當(dāng)按 “選擇”按鍵時(shí)，則光標(biāo)移動(dòng)到該選定位等待設(shè)定溫度值，位數(shù)有個(gè)位和十位及百位，按照循環(huán)移動(dòng)移動(dòng)方式移動(dòng)。（2）“+” 按鍵：用來(lái)對(duì)當(dāng)前設(shè)定參數(shù)值進(jìn)行加一運(yùn)算，每操作一次“+”按鍵，則該選定位參數(shù)值升高1 。并通過顯示器顯示設(shè)定結(jié)果值。（3）“-” 按鍵：用來(lái)對(duì)當(dāng)前設(shè)定參數(shù)值進(jìn)行減一運(yùn)算，每操作一次“-”，則改選定為參數(shù)值降低1 。同理，其結(jié)果也是由液晶顯示器顯示。3.6 液晶顯示單元設(shè)計(jì)隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，液晶顯示器的質(zhì)量和價(jià)格也在日

27、漸降低，液晶顯示器已被廣泛應(yīng)用每一個(gè)領(lǐng)域內(nèi)。本控制系統(tǒng)的顯示部分就是采用LCD1602液晶顯示設(shè)定溫度、實(shí)際溫度等參數(shù)。LCD液晶顯示一般有三種常見規(guī)格:段式液晶、字符型液晶和圖形點(diǎn)陣液晶1。本控制系統(tǒng)的主控制器面板選擇字符型液晶顯示作為用戶操作界面。LCD1602采用標(biāo)準(zhǔn)的14引腳或16引腳接口，各引腳說(shuō)明如表3及實(shí)物圖11。表3 LCD1602液晶顯示引腳說(shuō)明編號(hào)符號(hào)引腳說(shuō)明編號(hào)符號(hào)引腳說(shuō)明1VSS電源地9D2數(shù)據(jù)2VDD正極性10D3數(shù)據(jù)3VL液晶顯示偏壓11D4數(shù)據(jù)4RS數(shù)據(jù)/命令選擇12D5數(shù)據(jù)5R/W讀/寫選擇13D6數(shù)據(jù)6E使能信號(hào)14D7數(shù)據(jù)7D0數(shù)據(jù)15BLA背光源正極8D1

28、數(shù)據(jù)16BLK背光源負(fù)極 圖11 1602液晶模塊實(shí)物圖 DDRAM就是顯示數(shù)據(jù)RAM，用來(lái)寄存待顯示的字符代碼，共80個(gè)字節(jié)，其地址和屏幕的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表4和DDRAM地址與顯示位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系表5。表4 DDRAM地址顯示位置123456740DDRAM地址第一行00H01H02H03H04H05H06H27H第二行40H41H42H43H44H45H46H67H表5 DDRAM地址與顯示位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系000102030405060708090A0B0C0D0E0F404142434445464748494A4B4C4D4E4F3.7 按鍵電路設(shè)計(jì)按鍵的應(yīng)用按鍵運(yùn)用是單片機(jī)控制系統(tǒng)的一個(gè)重大進(jìn)

29、步，是人和機(jī)器交流的重要媒介。人們通過鍵盤可以向機(jī)器輸入目的要求參數(shù)。本控制系統(tǒng)使用常用的矩陣式鍵盤，具有操作方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和成本低廉等特點(diǎn)1，用于實(shí)現(xiàn)LCD溫度值的設(shè)定和顯示。通常的按鍵為機(jī)械彈性開關(guān)，當(dāng)機(jī)械觸點(diǎn)斷開、閉合時(shí)，機(jī)械觸點(diǎn)的彈性作用，使一個(gè)按鍵開關(guān)在閉合時(shí)不會(huì)馬上穩(wěn)定地接通，在斷開時(shí)也不會(huì)一下子斷開。因而在閉合及斷開的瞬間均伴隨有一連串的抖動(dòng)，為了避免這種現(xiàn)象的出現(xiàn)而采取的措施就是按鍵消抖，消抖方法有兩大主流6，即硬件和軟件消抖。硬件去抖在鍵數(shù)較少的情況下可采用硬件方法來(lái)達(dá)到消除鍵抖動(dòng)。圖12所示的RS觸發(fā)器為常用的硬件去抖。由兩個(gè)“與非”構(gòu)成的RS 9，可以有效地解決抖動(dòng)問題。

30、圖12 硬件消抖原理圖軟件消抖如果按鍵較多，則用軟件方法去抖更為合理，其原理是編寫一個(gè)延時(shí)(510) ms的延時(shí)子程序，之后再次掃描檢測(cè)，最后確定操作。軟件消抖方法的實(shí)質(zhì)是通過不斷檢測(cè)按鍵值，直至按鍵值穩(wěn)定6。本文使用硬件和軟件相結(jié)合的方法，既不增加程序的復(fù)雜度，又能節(jié)省設(shè)計(jì)成本，更適合控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)，按鍵消抖電路如圖13所示。圖13 具體按鍵消抖電路3.8 數(shù)據(jù)保護(hù)電路設(shè)計(jì)反應(yīng)釜溫度控制系統(tǒng)在每一次上電初始化之后，其參數(shù)都應(yīng)該保存為上一次斷電時(shí)的參數(shù)值，為實(shí)現(xiàn)這一個(gè)目的，選用了一個(gè)EEPROMAT24C02用于保護(hù)數(shù)據(jù)參數(shù)，它同時(shí)具備可電擦除編程只讀存儲(chǔ)器的功能1，AT24C02是一個(gè)2

31、 K位串CMOSEEPROM，內(nèi)部包含有256個(gè)8位字節(jié)。 AT24C02特性如表6。表6 AT24C02引腳功能名稱功能A0 A1 A2器件地址選擇SDA串行數(shù)據(jù)/地址SCL串行時(shí)鐘VCC1.8-6.OV工作電壓GND地 WP 寫保護(hù)AT24C02與單片機(jī)的接口電路如圖14所示。圖14 AT24C02與單片機(jī)接口電路3.9 驅(qū)動(dòng)控制部分控制系統(tǒng)在加熱輸出部分采用ULN2003。ULN2800是高壓大電流達(dá)林頓晶體管系列產(chǎn)品，具有電流增益高、工作電壓高、帶負(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn),適應(yīng)于各種要求高速大功率驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)中。ULN2003是單片機(jī)和繼電器連接用于驅(qū)動(dòng)繼電器進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器的控制，通過HK41

32、00F-DC5V-SHG繼電器和電加熱型反應(yīng)釜相連接控制其加熱開關(guān)狀態(tài)，既起到了電氣隔離的作用，又為操作人員提供了可靠地安全環(huán)境7。其引腳和實(shí)物圖如圖15。 圖15 ULN2003芯片引腳圖及其實(shí)物圖3.10 電加熱型反應(yīng)釜電加熱反應(yīng)釜是在吸收國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上研制成功的新型產(chǎn)品，廣泛地應(yīng)用于食品醫(yī)藥、化工、建材、樹脂等行業(yè)，具有衛(wèi)生、加熱迅速、耐高溫、耐腐蝕、無(wú)環(huán)境污染、使用方便等特點(diǎn)?？刂葡到y(tǒng)：配備相關(guān)的智能控制儀采集電機(jī)轉(zhuǎn)速、釜內(nèi)反應(yīng)溫度及壓力等的數(shù)據(jù)采集和控制，具備操作簡(jiǎn)便、精度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。其特點(diǎn)如下： 1、不銹鋼材質(zhì)具有優(yōu)良的機(jī)械性能，耐高壓和承受塊狀固體物料加料時(shí)的

33、沖擊。 2、耐熱性能好，工作溫度范圍很廣（-196至600度）。高溫度下不會(huì)氧化起皮，可直接用于火加熱。 3、具有良好的耐腐蝕性能，無(wú)生銹現(xiàn)象。 4、傳熱效果好，升溫和降溫速度較快。 5、具有良好的加工性能，可以按工藝要求制成各種不同形狀和結(jié)構(gòu)的反應(yīng)釜，釜內(nèi)壁可以打磨拋光，使之不掛料，便于清洗。 圖16 反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)圖及其實(shí)物圖4 溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)是控制系統(tǒng)的大腦，合理的設(shè)計(jì)思路方式讓有限的硬件發(fā)揮其最大潛力，也讓程序編寫難度降到最低。4.1軟件設(shè)計(jì)概述控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)同等重要，是一個(gè)統(tǒng)一有機(jī)體，軟件依賴于硬件以其為基礎(chǔ)，硬件依靠軟件來(lái)執(zhí)行，能否最大程度揮依賴于軟件的設(shè)計(jì)

34、。既要有良好的編程設(shè)計(jì)，又要有高效的程序編寫。以此軟件的設(shè)計(jì)采用模塊化和高級(jí)語(yǔ)言制作，故本溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)使用模塊化的C語(yǔ)言編程10。其制分析制作步驟如下：（1）確定目標(biāo)任務(wù)要求：根據(jù)任務(wù)明確系統(tǒng)需要完成的任務(wù)指標(biāo)。（2）確定設(shè)計(jì)框圖：按模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將整體分割為幾個(gè)模塊，分別編寫，然后再通過主程序?qū)⒏鱾€(gè)模塊有機(jī)組合為統(tǒng)一體塊。（3）編程語(yǔ)言：選擇可讀性好、移置性強(qiáng)的C語(yǔ)言來(lái)完成程序的編寫。（4）程序優(yōu)化：在滿足要求功能的條件下，節(jié)減程序的長(zhǎng)度，提高程序的執(zhí)行效率，節(jié)省寶貴的存儲(chǔ)資源。4.2 按鍵模塊設(shè)計(jì)最簡(jiǎn)單的鍵盤為獨(dú)立鍵盤，這種鍵盤的缺點(diǎn)，就是當(dāng)鍵盤上的鍵較多時(shí)，引線太多，占用的I/O

35、端口也太多，所以只適于僅有幾個(gè)鍵的小鍵盤。與獨(dú)立式鍵盤相對(duì)應(yīng)是矩陣鍵盤，矩陣鍵盤是單片機(jī)外部設(shè)備中所使用的排布類似于矩陣的鍵盤組，它是通過分行分列的循環(huán)掃描來(lái)判斷到底是哪個(gè)鍵被按下了。鍵盤掃描程序一般應(yīng)具備以下四點(diǎn)功能：(1)判斷按鍵是否有操作。其方法為列全部輸出為低電平，然后讀取行線的態(tài)，如果行為全高電平，則表示鍵盤操作；若不全為高電平，則表示有按鍵有操作。(2)去除鍵的抖動(dòng)。通過延時(shí)5 ms到10 ms來(lái)達(dá)到消抖。 (3)求按鍵位置。根據(jù)前面介紹的鍵盤掃描方法，逐列逐行掃描，以確定被按下鍵的位置。 (4)調(diào)用功能處理程序，對(duì)按鍵進(jìn)行處理。中斷處理方式中，CPU響應(yīng)中斷請(qǐng)求后，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷服

36、務(wù)程序，在中斷服務(wù)程序中確定鍵盤操作的鍵號(hào)，并相應(yīng)的處理，方法與程序查詢方式相同。鍵盤程序流程圖及接線圖如圖17所示。 圖17 鍵盤流程圖及對(duì)應(yīng)接線圖圖為4行4列鍵盤接法，共16個(gè)鍵。行線通過上拉電阻接+5V，平時(shí)無(wú)按鍵動(dòng)作時(shí)，行線處于高電平狀態(tài)，而當(dāng)有按鍵按下時(shí)，則對(duì)應(yīng)的行和列短接，行線電平狀態(tài)將由與此行相連的列電平?jīng)Q定。 4.3 液晶顯示模塊設(shè)計(jì)液晶顯示的字碼是通過在方格中依次連接所得，組成每一個(gè)字符，通過控制不同的像素通斷顯示不同的字符或數(shù)字。每個(gè)字符占據(jù)八個(gè)方格，十一個(gè)方格的高度，但并非每顯示一個(gè)字符都要用十一行八列。液晶顯屏不能夠顯示漢字，因?yàn)樽址c漢字所占據(jù)的位數(shù)不同。在該溫控系統(tǒng)

37、中，因?yàn)閷?duì)顯示的要求不是太大，只要顯示數(shù)字就可以了，同時(shí)為降低開發(fā)成本，所以選用LCD1602。 主要技術(shù)參數(shù)：顯示容量：216個(gè)字符。芯片工作電壓：4.55.5 V。工作電流：2.0 mA。工作電壓：5.0 V。字符尺寸：4.352.95（WH）mm。 通過以上的介紹，所畫的LCD顯示電路原理圖如圖18所示。圖18 1602LCD顯示接線圖4.4 主控制器模塊軟件設(shè)計(jì)主控制器模塊軟件設(shè)計(jì)由數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理及控制輸出三部分構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集是將PT100測(cè)得的釜內(nèi)溫度信號(hào)和鍵盤掃描得到的輸入控制信號(hào)進(jìn)行收集，數(shù)據(jù)處理是將采集來(lái)的溫度信號(hào)以及按鍵信號(hào)按照程序設(shè)計(jì)功能要求執(zhí)行，數(shù)據(jù)輸出是將數(shù)據(jù)處理后

38、的信息輸出給對(duì)應(yīng)的執(zhí)行器件進(jìn)行控制操作1。主控制器模塊程序及設(shè)計(jì)流程圖如圖18所示。void main() /主函數(shù) Set_T=0; KEY_ADD=1; /按鍵置高電平KEY_DEC=1;init();LCD_Init();DelayMs(20); /延時(shí)LCD_Clear();/清屏int1_int();Init_Timer1();while(1) while(!P3_2); /啟動(dòng)定時(shí)器TR0=1; /啟動(dòng)定時(shí)器并開始計(jì)數(shù)TH0=0x00;TL0=0x00; while(P3_2); TR0=0; temp=TH0*256+TL0; TempData=(temp-10000)*0.51

39、2; T_Data=TempData; deal(T); WenDu(); key_scan();/調(diào)用計(jì)算溫度子程序 Display_1(); Display_2(); DelayMs(115); dat4=(int)set_temp/255;dat5=(int)set_temp%255; dat6 = (int)temp/255; dat7 =(int)temp%255; dat8 = (int)kp*100/255; dat9 =(int)kp*100%255; dat10 = (int)ki*100/255; dat11 =(int)ki*100%255; dat12 = (int)k

40、d*100/255; dat13 =(int)kd*100%255; communication();初 始 化處理按鍵、顯示設(shè)定值啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換數(shù)值處理顯示實(shí)際溫度比較設(shè)定溫度值和實(shí)際溫度值是否大于？加 熱開 始停 止 圖18 主控制器軟件流程圖5 系統(tǒng)的調(diào)試運(yùn)行結(jié)果及分析5.1系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)調(diào)試在控制系統(tǒng)研發(fā)過程屬于最后的步驟，但也是檢驗(yàn)設(shè)計(jì)成功與否的重要環(huán)節(jié)，同樣處于重要地位。通過溫度控制系統(tǒng)的調(diào)試可以發(fā)現(xiàn)找到比解決系統(tǒng)存在的缺陷和錯(cuò)誤，讓設(shè)計(jì)出來(lái)的溫度控制系統(tǒng)更加可靠穩(wěn)定和安全，符合設(shè)計(jì)目標(biāo)任務(wù)10。同時(shí)，也為以后的開發(fā)設(shè)計(jì)積累寶貴的參數(shù)和經(jīng)驗(yàn)。調(diào)試運(yùn)行是解決程序不當(dāng)?shù)闹匾^程，其步驟為

41、：步驟一：連STC89C52單片機(jī)下載并成功下載燒進(jìn)去。步驟二：檢驗(yàn)反應(yīng)釜狀態(tài)是否正常，連接好PT100，接通電源。步驟三：觀察并再次檢驗(yàn)所有設(shè)備連接是否正常運(yùn)行，通過按鍵手動(dòng)修改溫度設(shè)定值，看按鍵是否能正常工作及液晶顯示是否一致。步驟四：觀察運(yùn)行結(jié)果，是否與預(yù)期效果一致，否則查找原因并及時(shí)解決。5.2系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果通過以上步驟可得如圖19運(yùn)行結(jié)果。LCD1602顯示設(shè)定溫度值、當(dāng)前溫度值、脈沖值、電壓值。同樣，可以通過鍵盤手動(dòng)修改設(shè)定溫度值，以便能夠滿足各種溫度條件下的工藝要求（用于測(cè)量-200+500范圍內(nèi)的溫度，如果超出該范圍則無(wú)法正常工作）。圖19 整體實(shí)物運(yùn)行圖系統(tǒng)有四大模塊部分組成，

42、即主控制模塊（單片機(jī)開發(fā)板）、模擬量前向通道、開關(guān)模塊、PWM繼電器模塊。圖20為主控制器，是該系統(tǒng)最繁忙的部分，負(fù)責(zé)絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)的分析處理和輸出控制及設(shè)定顯示。通過它的鍵盤操作可以設(shè)定目標(biāo)溫度值并通過LCD1602顯示出來(lái)，通過向中間繼電器輸出控制命令控制反應(yīng)釜的工作狀態(tài)，接收并處理模擬量前向通道轉(zhuǎn)化后的溫度信息值并進(jìn)行分析比較處理和顯示。圖20 主控制器運(yùn)行結(jié)果圖 圖21是溫控系統(tǒng)的模擬量前向通道，負(fù)責(zé)將PT100熱電阻測(cè)溫器的電壓信號(hào)通過7135轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)，然后再經(jīng)過標(biāo)度變化轉(zhuǎn)化為單片機(jī)可識(shí)別的信號(hào)，其轉(zhuǎn)化公式如公式（2）、（3）所示： Uo=(Rt/(R1+Rt)UiG (2)Rt

43、=R0(1+At+Bt2) (3)圖21 模擬量前向通道圖22為開關(guān)模塊，將220V的電壓值轉(zhuǎn)化為正負(fù)5V 和12V供單片機(jī)和繼電器使用，完成系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)所需電壓。圖22 開關(guān)模塊實(shí)物圖結(jié)束語(yǔ)本設(shè)計(jì)是反應(yīng)釜溫度控制系統(tǒng)具有如下功能：（1）在液晶顯示方面，選擇長(zhǎng)沙太陽(yáng)人公司生產(chǎn)的LCD1602液晶顯示器來(lái)顯示系統(tǒng)的溫度和時(shí)間參數(shù)，相對(duì)于數(shù)碼管具有顯示更加美觀，參數(shù)顯示更加全面等優(yōu)點(diǎn)。（2）在控制方面，把反應(yīng)釜溫控系統(tǒng)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，可以進(jìn)行獨(dú)立調(diào)試控制。相對(duì)于傳統(tǒng)控制來(lái)說(shuō)，具有更好的靈活性，消費(fèi)者可以根據(jù)需要進(jìn)行分區(qū)設(shè)定。本溫度控制系統(tǒng)是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下調(diào)試和運(yùn)行的，尚未正真的受到工廠生產(chǎn)環(huán)境的檢測(cè)，因此，還應(yīng)該接收更多的實(shí)踐檢測(cè)。對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作也有以下幾點(diǎn)展望：（1）主控制器在顯示部分選用的是長(zhǎng)沙太陽(yáng)人公司生產(chǎn)的LCD1602液晶顯示器顯示器，為了使顯示更加人性化、更為友好，不妨試用一下能夠顯示漢字的12864液晶顯示屏作為人機(jī)交互界面。（