MCS-51单片机智能温度控制系统设计（林晋斌）(4)

浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文）

第3章 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

Ke??sG?s??Ts?1

（3-1）

式中 K －－放大系数

T －－时间系数 τ－－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

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浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） 3.3 温度检测电路

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]。

图3-3 热电偶测温原理图

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。

图3-4 测量放大器的原理图

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浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） 测量放大器由三个运算放大器组成，其中A1、A2两个同相放大器组成前级，为对称结构，输入信号加在A1、A2的同相输入端从而具有高抑止共模干扰的能力和高输入阻抗。差动放大器A3为后级,它不仅切断共模干扰的传输,还将双端输入方式变换成单端输出方式,适应对地负载的需要。

测量放大器的放大倍数用下面公式计算

U0R3?R1R1'???? （3-2） G? ?1?UIR2?RGRG?式中，RG为用于调节放大倍数的外接电阻，通常RG采用多圈电位器，并靠近组件，若距离较远，应将联线胶合在一起，改变RG可使放大倍数在1～1000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0℃的环境中。若冷端温度不是0℃，则会产生测量误差，此时要进行冷端补偿。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R1、R2、R3和RCu通常与热电偶的冷端置于相同的环境中。取R1?R2?R3?1?，用锰铜线绕成；RCu是用铜导线绕制成的补偿电阻。RS是供桥电源E的限流电阻，RS由热电偶的类型决定。若电桥在20℃时处于平衡状态。当冷端温度升高时，RCu补偿电阻将随之增大，则电桥a、b两点间的电压Vab也增大，此时热电偶温差电势却随冷端温度升高而降如果Vab的增加量等于热电偶温差电势的减小量，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。[36]

3.4 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A.B.C.D所决定。

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浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） 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inh。当禁止时，inh=1，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/IN123456789101112242322212019181716151413Vdd89101112131415inhCDIN/OUT76543210ABVssIN/OUT 图3-6 CC4067引脚图

3、 CC4067功能框图如图3-7所示。

图3-7 CC4067功能框图

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

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浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） 状态，也必须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R1=480KΩ；若Vxmax=+200mV，则R1=28KΩ。外接失调补偿电容固定为0.1uF。外接时钟电阻Rc=470KΩ时，fLCK≈66KHz;当Rc=200KΩ时，fLCK=140KHz。实际电路中一般取Rc=300KΩ。

3.6 单片机系统的扩展

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