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1、系统硬件和电路设计3.1 引言电炉是热处理生产中应用最广的加热设备，其本身是一个较为复杂的被控对 象，虽然可用以下模型定性描述它G （s）= K ysTs + 1（3-1）式中 K 放大系数T 时间系数T纯滞后时间但在实际热力过程中，由于实际工况的复杂性（加工工件的材质、初温、升 温、幅度规格、装炉量以及电气环境等因素），使得上述数学模型偏离实际情况 相当严重，本文将在具有在线自调整功能模糊自整定 PID 控制器基础上设计一个 炉温控制系统，以期较理想地解决被加热物件透烧过程的测量与控制。3.2 系统的总体结构控制系统组成框图如图 3-1 所示。图 3-1 电炉温度控制系统3.3 温度检测电路
2、温度检测是温度控制系统的一个重要的环节，直接关系到系统性能。在微机 温度控制系统中，温度的检测不仅要完成温度到模拟电压量的转换，还要将电压 转换为数值量送计算机。其一般结构如图 3-2 所示。图 3-2 温度数字检测的一般结构3.3.1 温度传感器温度传感器将测温点的温度变换为模拟电压，其值一般为 mV 级，需要放大 为满足模/数转换要求的电压值。微机通过控制把电路电压送到模/数转换器进行 模/数转换，得到表示温度的电压数字量，再用软件进行标度变换与误差补偿， 得到测温点的实际温度值。温度传感器种类繁多，但在微机温度控制系统中使用得传感器，必须是能够 将非电量变换成电量得传感器，此次设计中选用
3、的是热电偶传感器，热电偶传感 器是工业温度测量中应用最广泛得一种传感器，具有精确度高、测量范围广、构 造简单、使用方便等优点。热电偶是由两种不同材料得导体 A 和 B 连接在一起构 成得感温元件，如图3-3所示。A和B得两个接点1和2之间穿在温度差时，回 路中便产生电动势，形成一定大小得电流，这种现象称为热电效应，也叫温差效 应。热电偶就是利用这个原理测量 温度的5。3.3.2 测量放大器的组成测量放大器的基本电路如图 3-4 所示。UiRsr2RiUoR2fRjU图 3-4 测量放大器的原理图测量放大器由三个运算放大器组成，其中A、A两个同相放大器组成前级, 为对称结构，输入信号加在A、A的
4、同相输入端从而具有高抑止共模干扰的能力 12和高输入阻抗。差动放大器 A 为后级,它不仅切断共模干扰的传输,还将双端输3 入方式变换成单端输出方式,适应对地负载的需要。UR测量放大器的放大倍数用下面公式计算1 RR1 + _L + _L RRGG3-2)式中，R为用于调节放大倍数的外接电阻，通常R采用多圈电位器，并靠GG近组件，若距离较远，应将联线胶合在一起，改变R可使放大倍数在11000G范围内调节。3.3.3 热电偶冷端温度补偿方法用热电偶测量温度时，热电偶的工作端（热端）被放置在待测温场中，而自 由端（冷端）通常被放在0C的环境中。若冷端温度不是0C,则会产生测量误 差，此时要进行冷端补
5、偿。冷端补偿方法较多，在本次的设计中我们采用的冷端 温度补偿为电桥式冷端补偿。 35对与冷端温度补偿器，在工业上采用如图 3-5 所示补偿电桥的冷端补偿电 路。图 3-5 热电偶冷端温度补偿电桥图中所示的补偿电桥桥臂电阻 R、R、R 和 R 通常与热电偶的冷端置于相同的环境中。取R = R = R = 10，用锰铜线绕成；R是用铜导线绕制成的补偿123Cu电阻。R是供桥电源E的限流电阻，R由热电偶的类型决定。若电桥在20C时处 SS于平衡状态。当冷端温度升高时，R补偿电阻将随之增大，则电桥a、b两点间 的电压Nab也增大，此时热电偶温差电势却随冷端温度升高而降如果V的增加量 等于热电偶温差电势
6、的减小量，则热电偶输出电势 VAB 的大小将保持不变，从而 达到冷端补偿的目的。 363.4 多路开关的选择在本次的设计中，我们的温度传感器有5 个，因此，我们采用了一种16 的 多路开关，以实现对 5 个温度传感器的巡回检测。CC4067是单片.CMOS.16通道.模拟多路转换器。该电路包括16选1的译码器和译码器的输出分别控制的 16个 CMOS 双向开关，通道的输出状态由电路外部 输入的地址所决定。CC4067 可用模拟信号或数字信号去控制模拟开关的接通或断开，具有低的导 通电阻和高的断开电阻，所控制的模拟信号最大峰值为15V,而数字信号的幅度 3V-5V .CC4067芯片具有禁止端i
7、nh。当禁止时，inh=l，这时所有的双向开关均不接 通，在公共端呈现高阻抗。1 、主要性能CMOS 工艺制造；直接驱动 DTL/TTL/CMOS 电平；单路、16 选 1 模拟多路转 换器；具有双向转换功能；单电源供电；标准24引脚DIP封装；功耗：1.5mW； 开关接通电阻：180欧(typ);开关接通时间：1.5us(max);开关断开时间： 1us(max).2、CC4067 引脚图示与图 3-6。OUT/ININ/OUT7 -6 5 -4 -3 2 .1 .0 .AB Vss123y6厂8910111224 Vdd23822 921 10矿111213141515_ inhCDIN/
8、OUT图 3-6 CC4067 引脚图3、CC4067功能框图如图3-7所示。IN/OUTY图 3-7 CC4067 功能框图禁止inh地址 3.5 A/D 转换器的选择及连接5G14433是我国制造的31/2位模/数变换器，是目前市场上广泛流行的最典 型的双积分模/数变换器。该芯片具有抗干扰性能好、转换精度高、自动校零、 自动极性输出、自动量程控制信号输出、外接元件少、价格便宜等特点。因此广 泛应用在低速微控制器应用系统，智能仪表和数字三用表等领域。5G14433与国 外型号MC14433兼容。5G14433的外部连接电路，尽管5G14433外部连接元件很少，但为使其工作 于最佳状态，也必须
9、注意外部电路的连接和外接元件的选择，其实际连接电路如 图3-8所示。为了提高电源抗干扰的能力，正，负电源分别通过去耦电容0.047uF、 0.02uF与Vss (VAG)相连。图中DU端和EOC端短接，以选择连续转换方式，使 每一次转换的结果都输出。图 3-8 外部连接电路当 C1=0.1uF，VDD=5V，fCLK=66KHz 时，若 Vxmax=+2V，则 Rl=480KQ ；若 Vxmax=+200mV，则R1=28KQ。外接失调补偿电容固定为O.luF。外接时钟电阻 Rc=470KQ 时，fLCK66KHz;当 Rc=200KQ 时，fLCK=140KHz。实际电路中一般取 Rc=30
10、0KQ 。3.6 单片机系统的扩展3.6.1 系统扩展概述MCS51 系列单片机的功能较强，从一定意义上说，一块单片机就相当于 一台单片机的功能。这就使得在智能仪器、仪表、小型检测及控制系统、家用电 器中可直接应用单片机而不必再扩展外围芯片，使用极为方便。但对于一些较大 的应用系统来说，单片机片内所具有的功能将显得不足，这时就必须在片外连接 一些外围芯片。这些外围芯片，既可能是存储器芯片，也可能是输入 /输出接口芯片。 系统的扩展一般有以下几方面的内容： 外部程序存储器的扩展； 外部数据存储器的扩展； 输入/输出接口的扩展； 管理功能器件的扩展（如定时/计数器、键盘/显示器、中断优先编码等）。
11、3.6.2 常用扩展器件简介一、总线驱动器 74LS244总线驱动器74LS244经常用作三态数据缓冲器，74LS244为单向三态数据缓 冲器，而74LS244为双向三态数据缓冲器。单向的内部有8个三态驱动器，分成 两组，分别由控制端1G和2G控制；双向的有16个三态驱动器，每个方向8个。 在控制端G有效时（G为低电平），由DIR端控制驱动方向；DIR为“1”时方向 从左到右（输出允许），DIR为“0”时方向从右到左（输入允许）。74LS244的引 脚如图 3-9所示。1G1A12Y41A22Y31A32Y21A42Y1GND74LS244O 987654321 _| 1 1 1 1- 1-
12、l l l IV(2G1Y11Y32A21Y42A1图 3-9 74LS244 的引脚二、地址锁存器 74LS37374LS373 是一种带输出三态门的 8D 锁存器，其结构示意图如图3-10 所示。图 3-10 74LS373 的结构图其中：ID8D为8个输入端。1Q8Q为8个输出端。G为数据打入端:当G 为1时,锁存器输出端状态（1Q8Q）同输入状态（1D8D）；当G由1变0时，数据 打入锁存器中。OE为输出允许端；当0E = 0时,三态门打开；当OE=1时,三态门 关闭, 输出呈高阻。在MCS 51单片机系统中，经常米用74LS373作为地址锁存器使用，其连接方 法如图3-11所示。其中
13、输入端1D8D接至单片机的P0 口，输出端1Q 8Q提供的是地址的低8位，G端接至单片机的地址锁存器信号ALE。输出允 许端 OE 接地表示输出三态门一直打开。PO. 7-P0. 0 二ALEID1Q=AT AO8D8Q74LS373OE图 3-11 74LS373 的结构图3.7 存储器的扩展3.7.1 程序存储器的扩展3.7.1.1 只读存储器简介半导体存储器分为随机存取存储器(Random Access Memory)和只读存储 器(Read Only Memory)两大类，前者主要用于存放数据，后者主要用于存放 程序。只读存储器的特点是信息一旦写入之后就不能随意跟更改，特别是不能在 程
14、序运行过程中写入新的内容，而只能读出其中的内容，故称之为只读存储器； 只读存储器的另一个特点是断电以后信息不会消失，能够长久保存。只读存储器是由MOS管阵列构成的，以MOS管的接通或断开来存储二进制信 息。按照程序要求确定ROM存储阵列中各MOS管状态的过程叫做ROM编程。3.7.1.2 EPROM2764 简介1 ) 2764 的引脚自从EPROM276芯片被逐渐淘汰后，目前比较广泛采用的是2764芯片为双列 直插式28引脚的标准芯片，容量为8KX8位，其管角如图3-12所示。M3斗56V吕它1O111213X7S5斗321CI3曰 765FGMA-A 1 1-QE-A 1 OT65斗3cm
15、图 3-12 2764 的引脚_ 其中：A12AO： 13位地址线。D7DO： 8位数据线。CE：片选信号，低电 平有效。OE：输出允许信号，当OE=O时，输出缓冲器打开，被寻址单元的内容 才能被卖出。Vpp:编程电源，当芯片编程时，该端加上编程电压+25V或+12V)；正常使 用时，该端加+5V电源。(NC为不用的管脚)。2) 2764 的工作时序2764在使用时，只能将其所存储的内容读出，其过程与RAM的读出十分类 似。即首先送出要读出的单元地址飞后使CE和OE均有效（低电平），贝V在芯 片的DOD7数据线上就可以输出要读出的内容。其过程的时序关系如图3-13 所示有效地址QE有效数据A12-A0D7rD0图 3-13 2764 的工作时序EPR
