电阻炉温度智能控制系统-毕业论文.doc

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1、 编号 本科生毕业设计电阻炉智能温度控制系统Intelligent Temperature Control System of Resistance Furnace学 生 姓 名专 业学 号指 导 教 师学 院二一四年六月 毕业设计（文论）原创承诺书1本人承诺：所呈交的毕业设计（论文）电阻炉智能温度控制系统，是认真学习理解学校的长春理工大学本科毕业设计（论文）工作条例后，在教师的指导下，保质保量独立地完成了任务书中规定的内容，不弄虚作假，不抄袭别人的工作内容。2本人在毕业设计（论文）中引用他人的观点和研究成果，均在文中加以注释或以参考文献形式列出，对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体均已在

2、文中注明。3在毕业设计（论文）中对侵犯任何方面知识产权的行为，由本人承担相应的法律责任。4本人完全了解学校关于保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交论文和相关材料的印刷本和电子版本；同意学校保留毕业设计（论文）的复印件和电子版本，允许被查阅和借阅；学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存毕业设计（论文），可以公布其中的全部或部分内容。 以上承诺的法律结果将完全由本人承担！ 作 者 签 名： 年 月 日摘 要热处理是提高金属材料及其制品质量的重要技术手段。近年来随工业的发展，对金属材料的性能提出了更多更高的要求，因而热处理技术也向着优质、高效、节能、无公害方向发展。电阻炉是热处理

3、生产中应用最广泛的加热设备，加热时恒温过程的测量与控制成为了关键技术，促使人们更加积极地研制热加工工业过程的温度控制器。 本文基于实验室的基本条件，设计了具有上、下位机的小型集散控制系统。上位机起到监控和信息管理的作用，具有通信功能，下位机实现基本控制、数据采样、控制输出、实时显示温度控制器运行状态和通信功能。控制器采用51单片机作为处理器，改型后的温度控制器具有自动检测、数据实时采集处理及控制结果显示等功能，控制的稳定性和精度上都有改进，温度控制器的面板简洁，操作方便，满足了本次改造的技术要求。关键词：电阻炉 温度控制 单片机IABSTRACT Heat treatment is a mai

4、n means of improving metal material and metalwork. In recent yeas, with the development of industry, there are more and more supernal request for metalwork, so heat treatment is hammering at high quality and efficient, low-power and zero-social effects of pollution. Resistance furnace is a used broa

5、dest heating equipment in heat treatment, and measurement and control of temperature in heating is becoming pivotal technic. These urge people study methods of controlling heating process.In this thesis, based on basic experimental conditions, we design the Distributed Control System(DCS). Host comp

6、uter plays the role of monitoring and information management. Slave computer realizes basic control, data acquisition, control output, real-time display and communication functions. MCS-51 Single-Chip Microcomputer as a processor, the modified temperature controller possess automatic detection, real

7、-time data acquisition and real-time display. The modified temperature improves stability and control precision, The control panel of temperature control system is very concise and convenient.The modified temperature control system satisfies technical requirements.Keywords：resistance furnace ;temper

8、eature control ;single-chip micromputerII目 录摘 要IABSTRACTII目 录III第一章 绪论11.1 选题的背景11.2 电阻炉炉温控制的国内外发展11.3 温度控制系统的设计要求31.4.操作规范设计4第二章 系统硬件设计52.1 CPU选型52.2 温度检测电路的设计62.3 输入/输出接口设计102.4 与上位机通信电路的设计112.5 保温定时电路设计132.6 温度控制电路设计16第三章 系统软件设计173.1 软件总体设计173.2 主程序设计183.3 温度检测及处理程序设计193.4 按键检测程序设计203.5 计时程序设计223

9、.6 显示程序设计223.7 定时中断程序设计22第四章 结论24参考文献25致 谢26附录127附录230III第一章 绪论1.1 选题的背景在现代化的工业生产中，电流、电压、温度、流速、流量、压力和开关量都是常用的主要被控参数。例如：在机械制造、电力工程、化工生产、造纸行业、冶金工业和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。其中温度控制在生产过程中占有相当大的比例，即使日常生活中的电热水器、空调、微波炉、电烤箱等家用电器也同样需要温度监控。可见温度控制电路广泛应用于社会生活的各领域，所以对温度进行控制是非常有必要和有意义的。准确地测量和有

10、效地控制温度是优质、高产、低耗和安全生产的重要条件1-2。原有的温度控制系统（控制柜）存在以下缺点：(1) 原有的温度控制柜体积庞大，系统未采用微处理器，温度控制的精度低，故障率高，炉温波动大，影响热处理质量；(2) 原有的温度控制系统通过对继电器的通断实现炉温的调节控制，电路工作时对电网的质量有影响，在一定程度上影响了实验室其他的用电设备；(3) 原有的温度控制系统没有故障自诊断与提示功能，当系统出现故障后，无法为操作人员及时指示故障类型和准确位置；(4) 原有的温度控制系统没有预留通信接口，无法与实验室其他的电炉联网工作，也无法通过上位机进行数据的采集与管理，多台电炉工作效率低；(5) 原

11、有的温度控制系统采用指针式显示，不便于观察与记录；(6) 原有的温度控制系统没有温度参数设定与温度保持定时功能，如果需要温度保持（定时）必须要有操作人员现场监控，自动化程度非常低，使用不方便；正是由于存在以上的问题，它直接影响到了产品的产量、质量和正常的教学工作。所以，单位提出重新设计电阻炉的温度控制系统，实现降低故障率，并提高炉温的控制精度，使控制系统能更加可靠、稳定的运行，更好的满足生产与教学要求。1.2 电阻炉炉温控制的国内外发展电阻炉是热处理生产中应用最广泛的加热设备，它在机械、冶金等行业的生产中占有十分重要的地位3-4，温度控制质量的好坏将直接影响着热处理产品的产量和质量，对于提高生

12、产率和节约能源也有举足轻重的意义，所以国内外关于电阻炉自动控制的研究一直备受重视，发展比较快，已有广发的应用案例。1.2.1 电阻炉国外的发展动态国际上对电阻炉计算机控制系统的研究始于上世纪从70年代，随着计算机技术的飞速发展与新的控制方法的出现，电阻炉计算机控制的水平得到了大幅提高，应用也日趋广泛。国外电阻炉计算机控制应用的现状如表 1-1 所示5。表 1-1 电阻炉计算机控制在国外的一些应用现状厂家名称所用机型应用现状日本PLC钢坯目标出炉温度计算，钢温预报，空燃比控制，炉温最优控制瑞典PLC确定最佳加热曲线和炉温控制美国DEV MICTO VAXIII空燃比控制，炉压控制，设定值选择，生

13、产调度模型随着数字计算机向小型、高速、大容量、低成本方向的发展，传统的PID控制和现代控制理论都在不断的发展，并取得了丰硕的成果。智能化、网络化已成为发展的趋势。1.2.2 电阻炉国内的发展动态我国对电阻炉的控制进行了广泛的研究始于上世纪80年代，随着微型计算机控制技术的发展，电阻炉计算机控制逐步进入实用化阶段6。目前，国内电阻炉控制系统的研究现状如下：(1) 采用先进的控制设备随着单片机、可编程控制器与工业控制机等先进控制系统的发展，逐步取代了以前大规模的继电器、模拟式控制仪表。单片机也因其极高的性价比而受到人们的重视和关注，获得广泛地应用和迅速地发展。(2) 采用新的控制方法对传统的负反馈

14、、单一PID控制系统做了多种补充，从而使控制性能更佳。同时，越来越多的控制系统采用新的控制方法如：模糊控制、神经网络控制、遗传算法控制、最优控制、自整定PID参数控制器、自适应控制和自校正控制器等，这些在工业上都有了成功应用的工程案例7。单片机具有体积小、重量轻、控制功能强、价格低与开发方便等优点。单片机应用的意义不仅在于它的广阔范围及所带来的经济效益，更重要的意义在于，单片机的应用从根本上改变了控制系统传统的设计思想和设计方法。以前采用硬件电路实现的大部分控制功能，现在可以用单片机通过软件的方法来实现。以前自动控制中的PID调节，现在可以用单片机实现具有智能化的数字计算控制、模糊控制和自适应

15、控制。这种以软件取代硬件并能提高系统性能的控制技术称为微控技术8。1.3 温度控制系统的设计要求电阻炉温度控制系统应具备温度测量、显示、与上位机通信、过限报警等功能，并要求具有良好的稳定性、高控制精度，以满足实验室热处理对温度的需求。系统设计时，首先确定系统的设计目标，确定温度控制器的规格与技术指标，这对于明确设计的目的性和控制功能的逻辑性有重要的意义。然后设计系统的操作面板，面板设计遵循简洁实用的原则，并规划出相关的操作规范及运行参数，为硬件设计和软件设计确定具体的目标。1.3.1 设计目标针对原有电阻炉温度控制系统的功能缺陷及现有控制要求，确定本次设计的目标如下：(1) 系统满足稳、准、快

16、的系统要求；(2) 系统的测温范围在01000，控温精度2，显示精度0.1；(3) 控制面板能便捷输入控制参数，如P、I、D及保温时间；(4) 用7段高亮数码管显示设定炉温（5位数码管）、炉温实时温度（5位数码管）、保温时间（3位数码管）等系统信息；(5) 用四个发光二极管以不同的颜色和发光状态来指示显系统的工作状态。1.3.2系统的技术指标与规格整个系统最终达到的技术指标是由系统中的各个环节共同作用后完成的。比如要提高温度检测的精度，只用高精度的A/D转换器是不够的，还要好的抗干扰措施、精确度高的传感器及软件线性化处理等9。据实验室热处理的实际需要，确定所设计的温度控制系统的主要技术参数如表

17、 1-2 ： 表 1-2 主要技术参数额定功率（KW）12额定电压（V）单相220V10% 50Hz1Hz输出电压（V）220V（调功控制）最大电流（A）30最高控制温度（）1000控温误差（）2保温时间（min）0600（最大10个小时）热电偶类型K型热电偶显示方式13个高亮LED数码管（MAX7219驱动控制）输入方式5个轻触按键报警方式声、光报警器与上位机通信接口RS-4851.4.操作规范设计程序设计之前必须规划好操作的流程，也就是做好规范化设计。操作规范是编写操作程序的重要依据，良好的操作设计便于操作与程序的编写。为了提高系统设计效率，应对系统的设计过程进行规划，系统的总体设计步骤如

18、图 1-2 所示。图 1-2 系统总体设计步骤第二章 系统硬件设计电阻炉控制系统应具备温度测量、显示、记录、参数输入等功能，并要求具有可靠性高、通用性强、控制精度佳等特点，以满足控制需求。基于上述性能要求，系统的硬件结构如图 2-1 所示，系统包括单片机AT89S51、温度检测与处理电路、键盘与显示接口电路、声光报警电路、串口通信电路以及计时电路10。图 2-1 温度控制系统硬件结构图控制系统采用热电偶作为温度传感器，热电偶把温度转换为毫伏级的电压信号，这个信号必须进行放大处理、冷端补偿、非线性化处理和数字处理后才能送到单片机中，这个过程环节多，容易受到干扰，为简化设计，在设计中采用集成芯片M

19、AX6675来完成整个过程的温度数据处理。单片机对温度数据进行数据处理后，首先进行超限报警处理，如果超限就调用超限处理子程序，若未超限就对温度数据进行数字滤波后进行PID算法控制，得到输出控制量。具体控制过程是：当温度偏差大于50时，让双向晶闸管全导通或全关闭实现快速缩小温差，减小调节时间，当温度偏差小于50时调用PID控制算法，由算法得到双向晶闸管导通率实现对双向晶闸管正弦半波的个数控制以达到调温的目的。系统中的时钟电路的功能是根据热处理工艺要求设置保温时间，温度控制系统所有的参数通过13位高亮7段数码管显示，状态信息通过4个发光二极管指示。2.1 CPU选型本温度控制系统选用ATMEL89

20、系列单片机中的AT89S51作为微处理器。AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS型8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)Flash存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C5引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89S51具有如下特点：40个引脚，4k Bytes 的Flash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出

21、（I/O）口，5个中断优先级 2 层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。AT89S51在空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求11。2.2 温度检测电路的设计2.2.1 热电偶的选择热电偶在工程上使用最为广泛的温度传感器之一，它具有构造简单、精度高、热响应时

22、间快、测温范围大（-200+2000均可连续测温）以及性能可靠使用寿命长的优点，在温度测量中占有很重要的地位。热电耦的种类很多，热电偶有K型（镍铬-镍硅）WRN系列，N型（镍铬硅-镍硅镁）WRM系列，E型（镍铬-铜镍）WRE系列，J型（铁-铜镍）WRF系列，T型（铜-铜镍）WRC系列，S型（铂铑10-铂）WRP系列，R型（铂铑13-铂）WRQ系列，B 型（铂铑30-铂铑6）WRR系列等12。考虑设计成本与实际的温度范围（01000），在本设计中选用分度号为K的镍铬-镍硅热电偶WRN-120，表 2-1 所列的是常用热电偶的材料规格和线径使用温度的关系：表 2-1 常用热电偶材料规格和线径使用温

23、度热电偶分度号热点极材料线径与作用温度的关系（）正极负极线径（mm）长期短期S铂铑10纯铂0.513001600R铂铑13纯铂0.513001600B铂铑30铂铑60.516001800K镍铬镍硅1.280010002.5110012003.2120013002.2.2 热电耦的测温原理将两种不同材料的导体或半导体两端焊接起来，构成一个闭合回路，当两导体之间存在温差时，便产生电动势，在回路中就会形成一个大小的电流，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电势13。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，另一端叫做冷端；冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示

24、仪表会指出热电偶所产生的热电势。不同种类的两根金属导线A、B连接起来并保持接点的温度为t0。若设由电压计引出的导线与金属线A、B连接点的温度为t，则显现出来的热电势EAB(t，t0)为： （2-1）对于已选定的热电偶，当参考端温度t0时，EAB(t，t0)=C为常数，则总的电动势与连接的方法和沿金属线的温度分布等细节无关，仅由热电偶的类型及测量温度t决定。2.2.3 热电偶的温度补偿热电偶都有对应的分度表，即在参考端温度为0时，热电势和测量温度的对应表。热电偶的分度表是以冷端温度0为基准进行分度的，热电偶的实际工作环境，冷端温度往往不为0，不能直接使用分度表，因此必须对热电偶的冷端温度进行温度

25、补偿。常用的冷端温度补偿方法有：冷端0恒温法（将冷端放在冰水混合物的恒温容器中等）、冷端温度修正法、电桥补偿法和冷端温度自动补偿法等。在本设计中采用集成芯片MAX6675完成冷端温度的自动补偿，可在很大程度上简化系统的设计14。2.2.4 炉温数据采集电路的设计型热电偶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，本次设计就是选用K型热电偶作为系统的温度传感器。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系统。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

26、节较多，调试较为困难，系统的抗干扰性能往往也不理想。MAXIM公司推出的MAX 6675，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性与准确性。故在本设计中，为简化系统电路设计采用芯片 MAX 6675作为热电偶电势与温度的转换。2.2.5 MAX6675芯片MAX6675是具有冷端补偿和A/D转换功能的单片集成型热电偶变换器，测温范围01024，温度范围满足本台电炉的温度需要，其主要功能特点如下：(1) 直接将热电偶信号转换为数字信号；(2) 具有冷端补偿功能；(3) 简单的 SPI

27、 串行接口与单片机通讯；(4) 12 位 A/D 转换器、0.25分辨率；(5) 单一+5V 的电源电压；(6) 热电偶断线检测；16(7) 工作温度范围-20+85。MAX6675采用SO-8封装形式。有8个引脚，脚1（GND）接地，脚2（T-）接热电偶负极，脚3（T+）接热电偶正极，脚4（VCC）电源端，脚5（SCK）串行时钟输入端，脚6（CS）片选端，使能启动串行数据通讯，脚7（SO）串行数据输出端，脚8（NC）未用。在VCC 和GND之间接0.1F电容。2.2.6 MAX6675的测温原理MAX6675是一复杂的单片热电偶数字转换器，其内部结构主要包括：低噪声电压放大器A1、电压跟随器

28、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。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。 （2-2）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。 （2-3）在数字

29、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15-16。2.2.7 MAX6675与单片机的连接MAX6675采用标准的SPI串行外设总线与单片机接口。MAX6675从SPI串行17接口输出数据的过程如下：单片机使CS置为低电平，并提供时钟信号给SCK，由SO读取测量结果。CS变低将停止任何转换过程，CS变高将启动一个新的转换过程。将CS变低在SO端输出第一个数据，一个完整串行接口读操作需16个时钟周期，在时钟的下降沿读 16 个输出位，第1个输出位是D15，是一伪标志位

30、，并总为0；D14位到D3位为以MSB到LSB顺序排列的转换温度值；D2位平时为低，当热电偶输入开放时为高，开放热电偶检测电路完全由MAX6675实现，为开放热电偶检测器操作，T-必须接地，并使接地点尽可能接近GND脚；D1位为低以提供MAX6675器件身份码，D0位为三态标志位17。MAX6675的SO端输出温度数据的格式如表 2-2 所示。表 2-2 MAX 6675SO 端输出温度数据的格式位标志位12位温度数据热电偶开路判断设备序号状态位15141312111098765432100MSBLSB0三态MAX6675与AT89S51的电路连接如图 2-2 所示。AT89S51的P3.5与

31、SCK相连，P3.6与片选CS相连，P3.5与SO相连。由MAX6675的控制时序可知，在CS=0且SCK有脉冲输入时，SO引脚就输出转换的数据。在每一个脉冲信号的下降沿SO输出一个数据，16个脉冲信号完成一串完整的数据输出。输出数据的格式先高位后低位，16位数据中D14D3为转后的温度数据。D14D3其最小值为0，对应的实际温度值为0；最大值为4095，对应的温度值为1023.75，分辨率为0.2518。实际温度与转换结果满具有很好的线性关系，实际温度与转换后的数字量的计算式为：实际温度值=1023.75转换后的数字量4095 (2-1)图 2-2 MAX 6675与 AT89S51 的连接

32、2.3 输入/输出接口设计键盘和显示电路实现了人机交互功能，通过键盘电路可以设置系统运行状态和系统参数（P、I、D和保温时间），显示电路可以显示系统的运行状态、控制时间、设定温度、实际温度等。该温度控制系统采用7段高亮LED数码管（红色）显示系统的设置参数、保温时间及实际温度值等。总计13数码管和4个发光二极管（指示控制系统的工作状态）。数码管的驱动动采用MAX7219，MAX7219是美国MAXIM公司生产的串行输入输出共阴极显示驱动器。该芯片可直接驱动最多8位7段数字LED显示器，或64个LED和条形图显示器。它与微处理器的接口非常简单，仅用3个引脚与微处理器相应端连接即可实现最高10MH

33、z串行口。MAX7219的位选方式独具特色，它允许用户选择多种译码方式译码选位，而且，每个显示位都能个别寻址和刷新，而不需要重写其他的显示位，这使得软件编程十分简单且灵活。另外，它具有数字和模拟亮度控制以及与MOTOROLA SPI，QSPI及MATIONAL MICROWIRE 串行口相兼容等特点。该芯片采用24脚DIP和SO封装，工作电压4.05.5V，最大功耗1.1W。本温度控制系统采用两片MAX7219级联的方式驱动控制13个7段数码管，其中DIN引脚接P2.7，LOAD引脚接P2.6，CLCOK 引脚接P2.5，显示控制电路见附录1系统的工作状态由四个发光二极管以不同的颜色与状态显示

34、，如有报警信号蜂鸣器启动，四个发光二极管与蜂鸣器用P2.0P2.4控制，具体电路连接如图2-4所示。图 2-4 工作状态指示灯及报警电路设计对于参数的输入通过按键实现，所设计的控制面板总计有5个按键，按键数量少，按键采用独立按键的连接方式，其电路如图 2-5 所示。图 2-5 按键输入电路2.4 与上位机通信电路的设计在数据通信，计算机网络以及分布式工业控制系统当中，经常需要使用串行通信来实现数据交换。目前有RS-232，RS-485，RS-422几种接口标准用于串行通信。RS-232是最早的串行接口标准，在短距离（15M），较低波特率串行通信当中得到了广泛应用。其后针对 RS-232接口标准

35、的通信距离短，波特率比较低的状况，在RS-232接口标准的基础上又提出了RS-422接口标准，RS-485接口标准来克服这些缺陷19。2.4.1 RS-232 与 RS-48521RS-485串行接口与RS-232接口相比具有以下性能优点：(1) RS-232接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与TTL电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接；(2) RS-232接口传输速率较低，在异步传输时，波特率为 20Kbps；(3) RS-232接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱；(4) RS-232接口传输

36、距离有限，最大传输距离标准值为50英尺，实际上也只能用在50米左右；(5) RS-485接口的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+(2-6)V表示，逻辑“0”以两线间的电压差为-(2-6)V表示，接口信号电平比RS-232降低了，就不易损坏接口电路的芯片；(6) RS-485接口的数据最高传输速率为 10Mbps；(7) RS-485 接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，即抗噪声干扰性好；(8) RS-485接口的最大传输距离标准值为4000英尺，实际上可达3000米，另外RS-232接口在总线上只允许连接1个收发器，即单站能力。而RS-485接口在总线上是允许连接多

37、达128个收发器，即具有多站能力，这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。RS-485接口组成的半双工网络，一般只需二根连线，所以RS-485接口均采用屏蔽双绞线传输。RS-485 接口连接器采用DB-9的9芯插头座，与智能终端RS-485接口采用DB-9(孔)，与键盘连接的键盘接口RS-485采用DB-9(针)20。2.4.2 串口通信电路设计美国Maxim公司推出的RS485异步通信收发芯片MAX1487，具有差分平衡系统抗干扰能力强、速度快、控制方便等优点，在通信上有着广泛的应用，MAX1487主要管脚功能描述如下：第1脚为接收器输入端（RO），2脚为接收器输入使能端

38、（/RE），第3脚为驱动器输出使能端（DE），第4脚为驱动器输出端（DI），A接收器同相输入端和驱动器同相输出端，B接收器反相输入端和驱动器反相输出端。在RS-485串行通信的时候，接收器同相输入(A)电平比接收器反相输入(B)电平高出200mV或更高，那么接收器输入为“1”；当B电平较A电平高出200mV或更高，那么接收器输入为“0”。驱动器带负载输出逻辑“1”的电压范围是1.5V6V；输出逻辑“0”的电压范围是-1.5V-6V，图2-6为单片机的串口通信接口电路。图2-6 通信接口电路2.5 保温定时电路设计电炉在某些时候需要某个温度值保持一定的时间，系统必须有定时的功能单元。单片机有很多

39、途径实现定时与计时的功能，如软件延时、采用内部定时器定时。其中软件定时要占用CPU资源，特别当定时时间比较长的时候，其定时的精度也无法保证；采用定时器定时，虽然能够实现精确定时，但长久定时也不能有效保证定时精度。为了提高定时精度、降低系统程序设计的复杂度，在本次设计采用专用时钟芯片DS1302来完成系统计时功能。DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或 RAM 数据。DS1302内部

40、有一个318的用于临时性存放数据的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力21。2.5.1 DS1302 的引脚功能DS1302的引脚排列，其中Vcc1为后备电源，Vcc2为主电源。在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。DS1302由Vcc1或Vcc2两者中的较大者供电。当Vcc2大于Vcc10.2V时，Vcc2给DS1302供电。当Vcc2小于Vcc1时，DS1302由Vcc1供电。X1和X2是振荡源，外接32.768kHz晶振。RST是复位/片选线，通过把RST输入驱动置高

41、电平来启动所有的数据传送。RST输入有两种功能：首先，RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供终止单字节或多字节数据的传送手段。当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。如果在传送过程中RST置为低电平，则会终止此次数据传送，I/O引脚变为高阻态。上电运行时，在Vcc2.5V之前，RST必须保持低电平。只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。I/O为串行数据输入输出端(双向)，SCLK为时钟输入端。2.5.2 DS1302 的控制与寄存器DS1302的控制字如表 2-3 所示。控制字节的最高有效位(位7)必须是逻辑1，如果它

42、为0，则不能把数据写入DS1302中，位6如果为0，则表示存取日历时钟数据，为1表示存取RAM数据；位5至位1指示操作单元的地址；最低有效位(位0)如为0表示要进行写操作，为1表示进行读操作，控制字节总是从最低位开始输出。表2-3 DS1302的控制字1RAM/CKA4A3A2A1A0RAM/K在控制指令字输入后的下一个SCLK时钟的上升沿时，数据被写入DS1302，数据输入从低位即位0开始。同样，在紧跟8位的控制指令字后的下一个SCLK脉冲的下降沿读出DS1302的数据，读出数据时从低位0位到高位7。DS1302有12个寄存器，其中有7个寄存器与日历、时钟相关，存放的数据位为BCD码形式,其

43、日历、时间寄存器及其控制字见表 2-4。表 2-4 日历、时间寄存器及其控制字电寄存器名命令字取值范围各位内容写操作读操作7654321秒寄存器80H81H0059CH10SECSEC分钟寄存器82H83H0059010MINMIN小时寄存器84H85H0012或002312/24010HRHRAP日期寄存器86H87H0128,2930，310010DATEDATE月份寄存器88H89H011200010MMONTH周日寄存器8AH8BH010700000DAY年份寄存器8CG8DH0099YEARYEAR此外，DS1302还有年份寄存器、控制寄存器、充电寄存器、时钟突发寄存器及与RAM相关

44、的寄存器等。时钟突发寄存器可一次性顺序读写除充电寄存器外的所有寄存器内容。DS1302与RAM相关的寄存器分为两类：一类是单个RAM单元共31个，每个单元组态为一个8位的字节，其命令控制字为C0HFDH，其中奇数为读操作，偶数为写操作；另一类为突发方式下的RAM寄存器，此方式下可一次性读写所有的RAM的31个字节，命令控制字为FEH(写)、FFH(读)。2.5.3 DS1302 与单片机的连接DS1302工作机理与MAX1487相似，与单片机的连接非常简单，具体连接如图 2-9 所示。图2-7 DS1302与单片机的连接2.6 温度控制电路设计温控系统的精度不仅受制于输入检测量的精度，同时也受

45、制于输出控制量的精度，要提高整个系统的精度，必须使两者匹配。工艺要求加热时在升温阶段快速，采用较大的恒定功率，但随着温度偏差减少，逐渐减少定周期内的导通周波。降低加热功率，防止热惯性的作用而产生较大的温度超调。控制器能够及时控制加热器件在电源半波内的输入有效值。可控硅调功控制温度具有不冲击电网，对用电设备不产生干扰等优点，是一种应用广泛的控温方式。所谓调功控温就是在给定周期内控制可控硅的导通时间，从而改变加热功率，来实现温度调节。目前，采用可控硅进行功率调节的触发方式有两种：过零触发和移相触发。移相触发方式调功实际上是控制可控硅的导通角，达到调节功率的目的，此方式易造成电磁干扰且电路复杂。据文献专门介绍22：采用移相触发的可控硅交流调功装置，往往在可控硅导通的瞬间使电网电压出现畸变，当控制角为90时，产生的三次谐波电流为基波电流的50，五次谐波也可达到基波的1/6。这些谐波分量引起电网电压波形畸变，功率因数下降，给其它用电设备和通讯系统的工作带来不良影响。为此，人们研究了各种避免电压瞬间大幅度下降和抑制高次谐波的方法，过零触发方式很好地解决了此类问题，它可把可控硅导通的起始点限制在电源电压过零点，从而大大降低了谐波分量。