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熱流道溫度控制器研究與設(shè)計(jì)
摘 要
本文簡(jiǎn)要介紹了熱流道的概率和熱流道溫度控制的重要性。詳細(xì)闡述了熱流道溫度控制器硬件、軟件的組成和溫度控制算法的設(shè)計(jì)，并對(duì)PID控制算法進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)。文中詳細(xì)介紹了控制系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)，確定了控制軟件、硬件的各個(gè)組成部分。在硬件部分，根據(jù)設(shè)計(jì)的控制要求和程序量，本系統(tǒng)選擇了性價(jià)比高的AT89C52單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控單片機(jī)。其中，溫度信號(hào)輸入采用了鉑電阻Pt100和A/D轉(zhuǎn)換，控制信號(hào)采用了過(guò)零光電耦合器和雙向可控硅來(lái)完成對(duì)熱流道溫度的控制。
本系統(tǒng)軟件部分主要由溫度信號(hào)采集模塊、溫度顯示模塊、控制算法模塊和控制信號(hào)輸出模塊組成。本系統(tǒng)的控制思想是單片機(jī)根據(jù)采集到的溫度和設(shè)定的溫度進(jìn)行比較，然后得到溫度誤差，再根據(jù)得到的溫度誤差進(jìn)行PID應(yīng)算，最后輸出控制模塊根據(jù)PID應(yīng)算的結(jié)果做出相應(yīng)的變化，而這些變化通過(guò)過(guò)零光電耦合器和雙向可控硅來(lái)完成對(duì)溫度控制。本系統(tǒng)軟件最主要的部分就是PID控制算法的設(shè)計(jì)和輸出控制算法的設(shè)計(jì)，在文中詳細(xì)介紹了P、I、D三個(gè)控制參數(shù)的整定方法和對(duì)這三個(gè)參數(shù)進(jìn)行了整定，給出了系統(tǒng)控制程序。
關(guān)鍵詞：溫度控制；單片機(jī)； PID
Abstract
At first, the paper introduces the conception of the hot runner and the importance of hot runner temperature control. What’s more, the paper described in detail of the hardware and software of the temperature control system and the design of temperature control algorithm, and analysis and design of the PID control algorithm. The paper introduces the control system design of overall program, and determine the composing of the control software and hardware. In the hardware ，according to the design control requirements and the program, the system selected the cost-effective microcontroller of AT89C52 microcontroller as the master control system. Among them, the temperature signal input using a Pt100 platinum resistance and the A / D conversion, the control signal using zero-crossing optocoupler and triac to complete hot runner temperature control.
The system software mainly composed of the temperature signal acquisition module, the temperature display module, the control algorithm module and the control signal output module. This system of thought control is the microcontroller according to the collected temperature and compare the temperature setting, and then get the temperature error, Then according to the temperature error by PID should be counted, the final output control module according to the results of PID should be considered to make the appropriate changes, and these changes through zero optical coupler and triac to complete temperature control. The most important part of system software is the PID Control algorithm design and output control algorithm design, in the paper described in detail the P, I, D parameter setting of three control methods, and given system control program.
Key words: Temperature Control ；Microcontroller ；PID
目 錄
引言 1
1 緒論 2
1.1 概述 2
1.2 熱流道溫度控制的現(xiàn)狀與發(fā)展 2
1.3 課題的設(shè)計(jì)與分析 3
1.3.1系統(tǒng)性能要求及特點(diǎn) 3
1.3.2系統(tǒng)硬件方案分析 3
1.3.3系統(tǒng)軟件方案分析 4
2 硬件電路設(shè)計(jì) 5
2.1 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu) 5
2.2 主控模塊器件選擇及設(shè)計(jì) 5
2.2.1單片機(jī)的選用 5
2.2.2單片機(jī)介紹 6
2.2.3主控模塊設(shè)計(jì) 9
2.3 信號(hào)輸入電路設(shè)計(jì) 10
2.3.1溫度傳感器的選用與介紹 10
2.3.2 A/D轉(zhuǎn)換 13
2.4 鍵盤及顯示電路 17
2.4.1鍵盤電路設(shè)計(jì) 17
2.4.2顯示電路設(shè)計(jì) 18
2.5 信號(hào)輸出電路設(shè)計(jì) 19
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 21
3.1 軟件設(shè)計(jì)思想 21
3.2 系統(tǒng)軟件組成 21
3.3 主程序模塊 22
3.4 數(shù)據(jù)采集模塊 23
3.5 數(shù)據(jù)處理模塊 23
3.5.1數(shù)字濾波 24
3.5.1溫標(biāo)轉(zhuǎn)換 24
3.6 鍵盤與顯示模塊 25
3.6.1鍵盤模塊 25
3.6.2顯示模塊 25
3.7 控制算模塊 25
3.8 其他模塊 26
3.9 抗干擾措施 27
4 系統(tǒng)控制方案 29
4.1 PID控制 30
4.1.1PID控制理論 30
4.2 PID控制參數(shù)整定 32
5 系統(tǒng)調(diào)試 33
5.1 系統(tǒng)硬件調(diào)試 33
5.2 系統(tǒng)軟件調(diào)試 33
6 結(jié)論 35
謝辭 36
參考文獻(xiàn) 37
附錄 38
附錄1 源程序清單 38
附錄2 系統(tǒng)電路總圖 54
引言
隨著世界的不斷發(fā)展，制造業(yè)與以往相比有了翻天覆地的不變化，而塑料加工是制造業(yè)的重要組成部分，其中注射塑料又是塑料加工的重要組成部分。隨著塑料工業(yè)的飛速發(fā)展和通用與工程塑料在強(qiáng)度和精度等方面的不斷提高，注射塑料加工制品的應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大，小到日常用品，大到高精尖技術(shù)產(chǎn)品的應(yīng)用等。而熱流道塑料加工又在塑料加工中占了重要地位。
熱流道的出現(xiàn)不但改變了傳統(tǒng)的塑料加工方法，而且也為當(dāng)今的制造加工提供了一種非常好的加工手段。熱流道系統(tǒng)，又稱熱澆道系統(tǒng)，主要由熱澆口套，熱澆道板，溫控電箱構(gòu)成。流道處于一個(gè)或多個(gè)有恒溫的熱流道板及熱唧嘴里，無(wú)冷料脫模，流道及澆口直接在產(chǎn)品上，所以流道不需要脫模，此系統(tǒng)又稱為無(wú)水口系統(tǒng)，可節(jié)省原材料，適用于原材料較貴、制品要求較高的情況，設(shè)計(jì)及加工困難，模具成本較高。
熱流道系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于（1）無(wú)水口料，不需要后加工，節(jié)省工作時(shí)間，提高工作效率。（2壓力損耗小。（3）水口料重復(fù)使用會(huì)使塑料性能降解，而使用熱流道系統(tǒng)沒(méi)有水口料，可減少原材料的損耗，從而降低產(chǎn)品成本。（4）獨(dú)特設(shè)計(jì)加工的電加熱圈，可達(dá)到加熱溫度均勻，使用壽命長(zhǎng)。熱流道系統(tǒng)配備熱流道板、溫控器等，設(shè)計(jì)精巧，種類多樣，使用方便，質(zhì)量穩(wěn)定可靠。
在加工的時(shí)候流道的溫度控制要求精度到，溫度變化小，溫度控制平衡等。這就是要求熱流道的流道溫度不能有大的變化，因此，對(duì)熱流道的溫度控制乃是決定加工質(zhì)量與加工精度的保證。在熱流道加工中有的時(shí)候就是一兩度的溫度誤差也會(huì)給加工產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響。所以，控制熱流道的溫度是一個(gè)非常重要的質(zhì)量保證的手段。而本文中將用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)熱流道溫度的控制，采用先進(jìn)的算法來(lái)分析控制誤差進(jìn)而來(lái)提高控制精度。
1 緒論
1.1 概述
熱流道是通過(guò)加熱的辦法來(lái)保證流道和澆口的塑料保持熔融狀態(tài)。由于在流道附近或中心設(shè)有加熱棒和加熱圈，從注塑機(jī)噴嘴出口到澆口的整個(gè)流道都處于高溫狀態(tài)，使流道中的塑料保持熔融，停機(jī)后一般不需要打開(kāi)流道取出凝料，再開(kāi)機(jī)時(shí)只需加熱流道到所需溫度即可。
熱流道模具應(yīng)用項(xiàng)目需要多個(gè)環(huán)節(jié)予以保障。其中最重要的有兩個(gè)技術(shù)因素。一是塑料溫度的控制，二是塑料流動(dòng)的控制。
其中塑料溫度的控制在熱流道模具應(yīng)用中塑料溫度的控制極為重要。許多生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的加工及產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題直接來(lái)源于熱流道系統(tǒng)溫度控制的不好。在很多時(shí)候，往往是極小的溫度問(wèn)題就給生產(chǎn)出的產(chǎn)品帶來(lái)極大的質(zhì)量問(wèn)題，如使用熱針式澆口方法注塑成型時(shí)產(chǎn)品澆口質(zhì)量差問(wèn)題，閥式澆口方法成型時(shí)閥針關(guān)閉困難問(wèn)題，多型腔模具中的零件填充時(shí)間及質(zhì)量不一致問(wèn)題等。如果可能應(yīng)盡量選擇具備多區(qū)域分別控溫的熱流道系統(tǒng)，以增加使用的靈活性及應(yīng)變能力。
本系統(tǒng)講述的是通過(guò)單片機(jī)來(lái)對(duì)在熱流道中極為重要的溫度要求進(jìn)行的控。單片機(jī)不但應(yīng)用廣泛，智能化，價(jià)格便宜而且可靠性高。在本系統(tǒng)中，溫度信號(hào)通過(guò)溫度傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再通過(guò)放大器的放大與模擬數(shù)字信號(hào)的相互轉(zhuǎn)化而為單片機(jī)提供控制信號(hào)來(lái)源，單片機(jī)通過(guò)先進(jìn)的算法計(jì)算后輸出控制信號(hào)，這樣來(lái)對(duì)熱流道的溫度進(jìn)行控制。
1.2 熱流道溫度控制的現(xiàn)狀與發(fā)展
熱流道技術(shù)是應(yīng)用于塑料注塑模澆注流道系統(tǒng)的一種先進(jìn)技術(shù)，是塑料注塑成型工藝發(fā)展的熱點(diǎn)方向，在歐美國(guó)家的普及使用可以追溯到上個(gè)世紀(jì)中期甚至更早。而在中國(guó)，這一技術(shù)的真正推廣應(yīng)用不過(guò)是近幾年的事。
????隨著熱流道技術(shù)的日漸推廣應(yīng)用，熱流道模具在塑料模具中所占比重將逐步提升。在國(guó)外，許多塑料模具廠生產(chǎn)的模具50%以上采用熱流道技術(shù)，有的甚至達(dá)80%以上，效果十分明顯。熱流道在國(guó)內(nèi)也已用于生產(chǎn)，但目前總體不足10%，這個(gè)差距相當(dāng)巨大，但也意味著這個(gè)行業(yè)在國(guó)內(nèi)有著相當(dāng)大的發(fā)展空間。
????近年來(lái)，熱流道技術(shù)在中國(guó)的逐漸推廣，在很大程度上是由于國(guó)產(chǎn)模具向歐美公司的快速出口帶來(lái)的。在歐美國(guó)家，注塑生產(chǎn)已經(jīng)相當(dāng)依賴于熱流道技術(shù)?？梢赃@樣說(shuō)，基本不使用熱流道技術(shù)的模具現(xiàn)在已經(jīng)很難出口。但由于很多進(jìn)口熱流道模具價(jià)格較貴，國(guó)內(nèi)很大一部分廠家接受不了，所以就出現(xiàn)了一些國(guó)產(chǎn)的商品化熱流道模具。這對(duì)于熱流道技術(shù)在中國(guó)的推廣有很大的好處。
????熱流道技術(shù)在我國(guó)漸行漸熱的同時(shí)，其元件呈現(xiàn)出幾個(gè)主要發(fā)展趨勢(shì)。一是元件小型化。二是元件標(biāo)準(zhǔn)化。三是設(shè)計(jì)可靠化。如今國(guó)內(nèi)外各大模具公司對(duì)熱流道板的設(shè)計(jì)和熱噴嘴聯(lián)接部分的壓力分布、溫度分布、密封等問(wèn)題的研發(fā)極為重視。四是溫控系統(tǒng)精確化。在熱流道模具模塑中，開(kāi)發(fā)更精密的溫控裝置，控制熱流道板和澆口中熔融樹(shù)脂的溫度，是防止樹(shù)脂過(guò)熱降解和產(chǎn)品性能降低的有效措施。
????目前國(guó)外的熱流道溫控系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)微電腦控制，采用PIDD連續(xù)調(diào)節(jié)，其精度可達(dá)±0.5℃。國(guó)內(nèi)熱流道元件生產(chǎn)商也正在向電腦控溫的方向努力?？傮w來(lái)講，熱流道技術(shù)在中國(guó)的普及率很低，和歐美相比較還有很大的差距，原因是多方面的，雖然我們國(guó)家也一直在努力提高和發(fā)展這方面技術(shù)，但是如果沒(méi)有真正的創(chuàng)新和自主產(chǎn)權(quán)而只是走拿來(lái)而不消化的路的話，那么差距將會(huì)越來(lái)越大。
1.3 課題的設(shè)計(jì)與分析
1.3.1系統(tǒng)性能要求及特點(diǎn)
本系統(tǒng)要求的溫度控制精度較高，溫度測(cè)量誤差±1%，輸出負(fù)載能力：20A，100W—4400W（220V）。而由于溫度系統(tǒng)本身的熱慣性與熱的大滯后性，所以系統(tǒng)的控制靈敏度要求較難控制，而且誤差由于熱慣性也較難控制。本系統(tǒng)通過(guò)PID參數(shù)整定來(lái)對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)和滯后進(jìn)行調(diào)節(jié)，力求達(dá)到系統(tǒng)的性能要求。
鑒于系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)要求應(yīng)該具有的體積小、成本低、功能強(qiáng)、抗干擾并盡可能達(dá)到更高精度的要求。本系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)方面具有如下特點(diǎn):控制主板采用AT89C52作為核心芯片。作為與MCS一51系列兼容的單片機(jī)，無(wú)論在運(yùn)算速度，還是在內(nèi)部資源上均可勝任本系統(tǒng)的性能要求。根據(jù)溫控箱測(cè)溫范圍的要求，本系統(tǒng)適合采用R100鉑電阻作為溫度傳感器，而Pt100鉑電阻在大溫度范圍內(nèi)測(cè)溫時(shí)表現(xiàn)出的不可忽視的非線性不容忽視，因此在溫度測(cè)量的過(guò)程中必須對(duì)鉑電阻溫度傳感器的非線性進(jìn)行優(yōu)化，從而提高系統(tǒng)溫度測(cè)量的精確度。本文采用最小二乘法擬合的方法對(duì)鉑電阻的非線性進(jìn)行優(yōu)化。為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)硬件，控制量采用雙向可控硅輸出，這樣就省去了D/A轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。整個(gè)系統(tǒng)遵循了冗余原則及以軟代硬的原則，并盡可能選用典型、常用、易于替換的芯片和電路，為系統(tǒng)的開(kāi)放性、標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化打下良好基礎(chǔ)。
1.3.2系統(tǒng)硬件方案分析
溫度控制儀的硬件電路一般采用模擬電路和單片機(jī)兩種形式。模擬控制電路的各控制環(huán)節(jié)一般由運(yùn)算放大器、電壓比較器、模擬集成電路以及電容、電阻等外圍元器件組成。它的最大優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)響應(yīng)速度快，能實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。根據(jù)計(jì)算機(jī)控制理論可知，數(shù)字控制系統(tǒng)的采樣速率并非越快越好，它還取決于被控系統(tǒng)的響應(yīng)特性。在本系統(tǒng)中，由于溫度的變化是一個(gè)相對(duì)緩慢的過(guò)程，對(duì)溫控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求不是很高，所以模擬電路的優(yōu)勢(shì)得不到體現(xiàn)。另外，模擬電路依靠元器件之間的電氣關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)控制算法，很難實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法。單片機(jī)是大規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，屬于第四代電子計(jì)算機(jī)。它是把中央處理單元CPU、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、定時(shí)/計(jì)數(shù)器以及1/0輸入輸出接口電路等主要計(jì)算機(jī)部件都集成在一塊集成電路芯片上的微型計(jì)算機(jī)，它的特點(diǎn)是:功能強(qiáng)大、運(yùn)算速度快、體積小巧、價(jià)格低廉、穩(wěn)定可靠、應(yīng)用廣泛。
由此可見(jiàn)，采用單片機(jī)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，不僅可以降低開(kāi)發(fā)成本，精簡(jiǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而且控制算法由軟件實(shí)現(xiàn)，還可以提高系統(tǒng)的兼容性和可移植性。目前，市面上的單片機(jī)不僅種類繁多，而且在性能方面也各有所長(zhǎng)。AT89C52單片機(jī)是ATMEL公司出品的與MCS一51系列兼容的低電壓、高性能CMOSS位單片機(jī)。本系統(tǒng)選擇AT89C52為核心器件組成的控制系統(tǒng)。此外，在選取外圍擴(kuò)展芯片時(shí)，本著節(jié)約成本的原則，盡量選取典型的、易于擴(kuò)展和替換的芯片及器件。
1.3.3系統(tǒng)軟件方案分析
目前，MCS51單片機(jī)的開(kāi)發(fā)主要用到兩種語(yǔ)言:匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言。與C語(yǔ)言相比，匯編語(yǔ)言具有以下的特點(diǎn): 它要直接使用CPU的資源，執(zhí)行的高效率，實(shí)時(shí)性好，程序緊湊等。
由于整個(gè)系統(tǒng)軟件比較復(fù)雜，為了便于編寫(xiě)、調(diào)試、修改和增刪，系統(tǒng)程序的編制適合采用模塊化的程序結(jié)構(gòu)，故要求整個(gè)控制系統(tǒng)軟件由許多獨(dú)立的小模塊組成，它們之間通過(guò)軟件接口連接，遵循模塊內(nèi)數(shù)據(jù)關(guān)系緊湊，模塊間數(shù)據(jù)關(guān)系松散的原則，將各功能模塊組織成模塊化的軟件結(jié)構(gòu)。溫度控制算法方面，在對(duì)溫控箱數(shù)學(xué)模型辨識(shí)的基礎(chǔ)之上，結(jié)合本溫控系統(tǒng)的要求采用了經(jīng)典的PID控制算法，這主要是由于PID控制相對(duì)來(lái)說(shuō)算法簡(jiǎn)單、魯棒性好和可靠性高。此外，在設(shè)計(jì)PID控制器時(shí)，依靠經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)的方法在系統(tǒng)調(diào)試時(shí)確定PID控制器的參數(shù)K，、K，、K。，然后用代碼實(shí)現(xiàn)了算法。
2 硬件電路設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)硬件部分按照功能大致可以分為以下幾部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)主控模塊、信號(hào)輸入模塊、控制信號(hào)輸出模塊、鍵盤模塊及顯示模塊等。硬件總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2一1所示。由結(jié)構(gòu)框圖可見(jiàn)，其中溫度控制系統(tǒng)以AT89C52單片機(jī)為核心。熱流道的溫度由Pt1OO鉑電阻溫度傳感器檢測(cè)并轉(zhuǎn)換出微弱的電壓信號(hào)，這個(gè)電信號(hào)再通過(guò)放大器的放大后通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器ADC0808而轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。此數(shù)字量經(jīng)過(guò)軟件數(shù)字濾波之后，一方面將熱流道的溫度通過(guò)溫標(biāo)轉(zhuǎn)換后，輸?shù)斤@示器中顯示出來(lái);另一方面將該溫度值與設(shè)定的溫度值進(jìn)行比較，根據(jù)其偏差值的大小，采用PID控制算法進(jìn)行運(yùn)算，應(yīng)算結(jié)果最后通過(guò)控制雙向可控硅控制的通斷進(jìn)而達(dá)到對(duì)溫度進(jìn)行控制的目的。如果實(shí)際測(cè)得的溫度值超過(guò)了系統(tǒng)給定的溫度，那么雙向可控硅將斷開(kāi)而停止加熱，而當(dāng)實(shí)際溫度小于給定溫度，那么雙向可控硅將接通而開(kāi)始對(duì)熱流道加熱，因而使系統(tǒng)的溫度能達(dá)到平衡。
圖2-1 系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)框圖
2.2 主控模塊器件選擇及設(shè)計(jì)
2.2.1單片機(jī)的選用
針對(duì)一定的用途，恰當(dāng)?shù)倪x擇所使用的單片機(jī)是十分重要的。對(duì)于明確的應(yīng)用對(duì)象，選擇功能過(guò)少的單片機(jī)，無(wú)法完成控制任務(wù);選擇功能過(guò)強(qiáng)的單片機(jī)，則會(huì)造成資源浪費(fèi)，使產(chǎn)品的性能價(jià)格比下降。目前，市面上的單片機(jī)不僅種類繁多，而且在性能方面也各有不同。在實(shí)際應(yīng)用中，針對(duì)不同的需求要選擇合適的單片機(jī)，選擇單片機(jī)要重視的地方有：
(1)單片機(jī)的基本性能參數(shù)，例如指令執(zhí)行速度，程序存儲(chǔ)器容量，中斷能力及1/0口引腳數(shù)量等;
(2)單片機(jī)的增強(qiáng)功能，例如看門狗，雙串口，RTc(實(shí)時(shí)時(shí)鐘)，EEPROM，CAN接口等;
(3)單片機(jī)的存儲(chǔ)介質(zhì)，對(duì)于程序存儲(chǔ)器來(lái)說(shuō)，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器和OTP(一次性可編程)存儲(chǔ)器相比較，最好是選擇Flash存儲(chǔ)器;
(4)芯片的封裝形式，如DIP封裝，PLCC封裝及表面貼附封裝等。選擇DIP封裝在搭建實(shí)驗(yàn)電路時(shí)會(huì)更加方便一些;
(5)芯片工作溫度范圍符合工業(yè)級(jí)、軍品級(jí)還是商業(yè)級(jí)，如果設(shè)計(jì)戶外產(chǎn)品，必須選用工業(yè)級(jí)芯片;
(6)單片機(jī)的工作電壓范圍，例如設(shè)計(jì)電視機(jī)遙控器時(shí)，使用2節(jié)干電池供電，至少選擇的單片機(jī)能夠在1.8v一3.6v電壓范圍內(nèi)工作;
(7)單片機(jī)的抗干擾性能好;
(8)編程器以及仿真器的價(jià)格，單片機(jī)開(kāi)發(fā)是否支持高級(jí)語(yǔ)言以及編程環(huán)境要好用易學(xué);
(9)供貨渠道是否暢通，價(jià)格是否低廉，是否具有良好的技術(shù)服務(wù)支持。
根據(jù)上面所述的原則，結(jié)合本系統(tǒng)實(shí)際情況綜合考慮，本文應(yīng)用的溫度控制系統(tǒng)選用ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C52單片機(jī)作為主控模塊的核心芯片。
2.2.2單片機(jī)介紹
本系統(tǒng)選用ATMEL公司生產(chǎn)的AT89系列單片機(jī)中的AT89C52，AT89C52單片機(jī)是一種新型的低功耗、高性能的8位CM0S微控制器，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MCS一51指令系列和引腳完全兼容。具有超強(qiáng)的三級(jí)加密功能，其片內(nèi)閃電存儲(chǔ)器(FlashMemory)的編程與擦除完全用電實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)不易揮發(fā)，編程/擦除速度快。AT89C52單片機(jī)DIP封裝的引腳如圖2一2所示：
圖2一2 DIP封裝引腳
AT89C52的主要特點(diǎn)有:
(l)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器為電擦除可編程只讀存儲(chǔ)器EEPROM，容量8KB，內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器容量256字節(jié)，最大尋址空間64KB;
(2)三個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器;
(3)可利用兩根FO口線作為全雙工的串行口，有四種工作方式，可通過(guò)編程設(shè)定;為了使機(jī)械手的通用性更強(qiáng)，把機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成可更換結(jié)構(gòu)，當(dāng)工件是棒料時(shí)，使用夾持式手部當(dāng)工件是板料時(shí)，使用氣流負(fù)壓式吸盤。
(4)內(nèi)部ROM中開(kāi)辟了四個(gè)通用工作寄存器區(qū)，共32個(gè)通用寄存器，以適應(yīng)多種中斷或子程序嵌套的情況;
(5)6個(gè)中斷源，分為兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，每個(gè)中斷源優(yōu)先級(jí)都是可編程的;
(6)內(nèi)部有一個(gè)由直接可位尋址組成的布爾處理機(jī)，在指令系統(tǒng)中包含了一個(gè)指令子集，專門用于對(duì)布爾處理機(jī)的各位進(jìn)行各種布爾處理，特別適用于控制目的和解決邏輯問(wèn)題；
(7)AT89C52的狀態(tài)周期由晶體振蕩器2分頻后獲得，作為芯片工作的基本時(shí)間單位，在采用12MHz晶振時(shí)，ATsge52的狀態(tài)周期為(2/12)xlo一6=167ns。
AT89C52的引腳及功能：
AT89C52為40腳雙列直封裝的8 位通用微處理器，采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的C51內(nèi)核，在內(nèi)部功能及管腳排布上與通用的8xc52 相同，其主要用于會(huì)聚調(diào)整時(shí)的功能控制。功能包括對(duì)會(huì)聚主IC 內(nèi)部寄存器、數(shù)據(jù)RAM及外部接口等功能部件的初始化，會(huì)聚調(diào)整控制，會(huì)聚測(cè)試圖控制，紅外遙控信號(hào)IR的接收解碼及與主板CPU通信等。主要管腳有：XTAL1（19 腳）和XTAL2（18 腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9 腳）為復(fù)位輸入端口，外接電阻電容組成的復(fù)位電路。VCC（40 腳）和VSS（20 腳）為供電端口，分別接+5V電源的正負(fù)端。P0~P3 為可編程通用I/O 腳，其功能用途由軟件定義，在本設(shè)計(jì)中，P0 端口（32~39 腳）被定義為N1 功能控制端口，分別與N1的相應(yīng)功能管腳相連接，13 腳定義為IR輸入端，10 腳和11腳定義為I2C總線控制端口，分別連接N1的SDAS（18腳）和SCLS（19腳）端口，12 腳、27 腳及28 腳定義為握手信號(hào)功能端口，連接主板CPU 的相應(yīng)功能端，用于當(dāng)前制式的檢測(cè)及會(huì)聚調(diào)整狀態(tài)進(jìn)入的控制功能。
P0口：
P0口是一組8位漏極開(kāi)路型雙向I/O 口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時(shí)，每位能吸收電流的方式驅(qū)動(dòng)8 個(gè)TTL邏輯門電路，對(duì)端口P0 寫(xiě)“1”時(shí)，可作為高阻抗輸入端用。
在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低8 位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問(wèn)期間激活內(nèi)部上拉電阻。
在Flash 編程時(shí)，P0 口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)校驗(yàn)時(shí)，要求外接上拉電阻。
P1口：
P1 是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL 邏輯門電路。對(duì)端口寫(xiě)“1”，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流(IIL)。
P2口：
P2 是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P2的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)端口P2寫(xiě)“1”，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口，作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流(IIL)。
在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或16 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行MOVX @DPTR指令）時(shí)，P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在訪問(wèn)8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（如執(zhí)行MOVX @RI指令）時(shí)，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。
Flash 編程或校驗(yàn)時(shí)，P2亦接收高位地址和一些控制信號(hào)。
P3口：
P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O 口。P3口輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)P3口寫(xiě)入“1”時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。此時(shí)，被外部拉低的P3 口將用上拉電阻輸出電流（IIL）。
P3 口除了作為一般的I/O 口線外，更重要的用途是它的第二功能
P3 口還接收一些用于Flash 閃速存儲(chǔ)器編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。
RST:復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。
ALE/PROG:當(dāng)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí),ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。一般情況下，ALE仍以時(shí)鐘振蕩頻率的1/6 輸出固定的脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。要注意的是每當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過(guò)一個(gè)ALE 脈沖。
對(duì)Flash 存儲(chǔ)器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。
如有必要，可通過(guò)對(duì)特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH 單元的D0 位置位，可禁止ALE 操作。該位置位后，只有一條MOVX 和MOVC指令才能將ALE 激活。此外，該引腳會(huì)被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置ALE 禁止位無(wú)效。
PSEN: 程序儲(chǔ)存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng)AT89C52由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個(gè)脈沖。在此期間，當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，將跳過(guò)兩次PSEN信號(hào)。
EA/Vpp: 外部訪問(wèn)允許。欲使CPU 僅訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器（地址為0000H—FFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1 被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（接Vcc端），CPU 則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的指令。
Flash 存儲(chǔ)器編程時(shí)，該引腳加上+12V 的編程允許電源Vpp，當(dāng)然這必須是該器件是使用12V 編程電壓Vpp。
XTAL1/XTAL2:分別是振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端和輸出端。
2.2.3主控模塊設(shè)計(jì)
主控模塊電路由AT89C52單片機(jī)、外部時(shí)鐘電路、復(fù)位電路組成。電路如圖2一3所示。系統(tǒng)與其他元件相接的電路圖采用總線模式。
圖2一3 總控制模塊
單片機(jī)的復(fù)位是由外部復(fù)位電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在單片機(jī)的復(fù)位引腳RST上保持兩個(gè)機(jī)器周期的高電平就能使AT89C52完全復(fù)位。復(fù)位電路的接法很多，本系統(tǒng)中采用上電復(fù)位的方式。
系統(tǒng)時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)采用內(nèi)部方式。AT89C52內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器高增益反相放大器。引腳XTALI(19腳)和XTALZ(18腳)分別是此放大器的輸端和輸出端。這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外晶體諧振器一起構(gòu)成一個(gè)自振蕩器。外接晶體諧振器以及電容構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回中。本系統(tǒng)電路采用的晶體振蕩器頻12MHz。復(fù)位電路和時(shí)鐘電路如圖2一4所示。
圖2一4 復(fù)位電路和時(shí)鐘電路
2.3 信號(hào)輸入電路設(shè)計(jì)
系統(tǒng)輸入通道的作用是將熱流道的溫度(非電量)通過(guò)傳感器電路轉(zhuǎn)化為電量(電壓或電流)輸出，本系統(tǒng)就是將溫度轉(zhuǎn)化為電壓的輸出。由于此時(shí)的電量(電壓)還是單片機(jī)所不能識(shí)別的模擬量，所以還需要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，即將模擬的電量轉(zhuǎn)化成與之對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，提供給單片機(jī)判斷和控制。信號(hào)輸入電路由溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換等電路組成。
2.3.1溫度傳感器的選用與介紹
溫度傳感器的種類比較繁雜，各種不同的溫度傳感器由于其構(gòu)成材料、構(gòu)成方式及測(cè)溫原理的不同，使得其測(cè)量溫度的范圍、測(cè)量精度也各不相同。因此在不同的應(yīng)用場(chǎng)合，應(yīng)選擇不同的溫度傳感器。Pt100型鉑電阻，在一200°到850℃范圍內(nèi)是精度最高的溫度傳感器之一。與熱電偶、熱敏電阻相比較，鉑的物理、化學(xué)性能都非常穩(wěn)定，尤其是耐氧化能力很強(qiáng)，離散性很小，精度高，靈敏度也較好。這些特點(diǎn)使得鉑電阻溫度傳感器具有信號(hào)強(qiáng)、精度高、穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性好的特點(diǎn)。由于在本系統(tǒng)中，測(cè)溫范圍不大(100到350°C)，且要求檢測(cè)精度高、穩(wěn)定性好和相應(yīng)速度快等，因此選用Pt100鉑電阻作為本溫度控制系統(tǒng)的溫度傳感器。
鉑電阻溫度傳感器主要有兩種類型:標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度傳感器和工業(yè)鉑電阻溫度傳感器。在測(cè)量精度方面，工業(yè)鉑電阻的測(cè)量穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性一般不如標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻，這主要有兩個(gè)方面的原因，其一是高溫下金屬鉑與周圍材料之間的擴(kuò)散使其純度受到污染，從而降低了鉑電阻測(cè)溫的復(fù)現(xiàn)性能，其二是因?yàn)楦邷貤l件下的應(yīng)力退火影響了其復(fù)現(xiàn)性能。但是標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度傳感器也存在價(jià)格昂貴，維護(hù)起來(lái)較為困難等缺點(diǎn)?？紤]到成本，故在本系統(tǒng)中采用工業(yè)級(jí)Pt100鉑電阻作為溫度傳感器。
溫度傳感器的測(cè)量電路如圖2-5所示：
2-5 Pt100測(cè)量電路
鉑電阻溫度傳感器是利用其電阻值隨溫度的變化而變化這一特性進(jìn)行溫度測(cè)量的，根據(jù)IEC(InternationalEleetri。ianCommittee)標(biāo)準(zhǔn)751一1983:
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