电化学玻璃电极智能烧结炉的研制.doc

1、摘 要本论文主要详细介绍了电化学玻璃电极智能烧结炉的功能和设计方法。玻璃电极广泛应用于电化学分析科研等领域，玻璃电极的生产成功率的提高大大有助于加快科研实验的进程，而此方案便设计提供了一种能够进行高效大批量玻璃电极生产的自动控制系统。该设计方案基于PIC单片机控制技术实现玻璃电极烧结的自动化控制，不仅能够提高烧结玻璃电极的效率和成功率，而且降低了科研实验的成本。系统中采用PIC单片机处理器进行控制，通过电路主控模块对玻璃电极的参数分析，计算出电极所需烧结时间，自动控制玻璃电极定时入炉出炉的操作。使用WS100T10集成电路和可控硅功率控制技术改变加热部件的功率大小并使其处于恒温加热状态，并采用

2、高精度温度传感器进行温度信号的采集取样，实现系统的温度设定与定时烧结时间的精确配置。通过595数码管显示模块，显示当前玻璃电极的各项参数，实时温度与设定温度以及入炉和出炉的时间等参数。本论文详细阐述了控制系统的方案设计，并对其系统性能进行了必要的分析讨论。关键词：电化学玻璃电极； PIC单片机； 烧结炉 ； WS100T10 ；可控硅Abstract This paper mainly introduced the electrode electrochemical glass intelligent sintering furnace function and design method.

3、Glass electrodes are widely used in the fields such as electrochemical analysis and scientific research, the production of glass electrodes success rate contribute greatly to speed up the process of scientific research experiment, and this plan and design provides a can effectively mass production g

4、lass electrodes of the automatic control system. The design scheme based on PIC microcontroller control technology realize the automation of sintering glass electrodes, can not only improve the efficiency and sintering glass electrodes success rate, and reduce the cost of research. System by PIC mic

5、rocontroller processor control, through the circuit control module to the glass electrodes parameters analysis, calculates the electrode sintering time required, automatic control glass electrodes timing charging from the operation. Use WS100T10 integrated circuit and SCR power control technology to

6、 change the size of the power and heating components that it is in constant temperature and heating condition, and by using the high precision temperature sensors for temperature signal collection sampling, the temperature of the system and the timing of sintering set time accurately with. Through t

7、he 595 digital pipe display module, show the current the parameters of the glass electrodes, real-time temperature and set temperature and charging and baked time parameters. This paper expounds the design of the control system, and the system performance through the necessary and discussed.Keywords

8、:Electrochemical glass electrodes; PIC microcontroller; Intelligent sintering furnace; WS100T10; SCR目 录摘 要3Abstract41、系统概述62、系统设计要求及功能指标63、系统设计总体方案73.1 系统总体框图73.2 系统关键方案（控制芯片的选取）的论证与比较8四 、系统硬件详细设计94.1 硬件模块设计94.1.1 恒温控制系统104.1.2电力载波模块（电力载波芯片BWP08介绍）124.1.3可控硅控制模块154.2模块方案分析比较与方案选择174.2.1 温度信号采样模块174.

9、2.2 驱动电路模块174.2.3 数码管显示模块174.2.4单片机控制方案184.3 电路硬件的设计与实现18 4.3.1单片机控制电路184.3.2 串口通信电路204.3.3 可控硅功率控制电路214.3.4 功率控制电路23 4.3.5 温度控制采样电路25 4.3.6 驱动及显示模块设计264.3.7 显示电路模块284.4 电路PCB板的设计与制作294.4.1 元器件封装304.4.2 PCB布局304.4.3 PCB布线324.4.4 使用电气规则检查345、系统软件详细设计355.1 系统软件设计说明355.2软件设计流程图35六、调试与测试方案376.1 电源部分的调试3

10、86.2 电路故障测试386.2.1 单片机起振测试386.2.2 可控硅功率控制测试386.3 电路参数的测定40附录141附录24238电化学玻璃电极智能烧结炉的研制 详细设计报告辅导教师：梁西银制作者：王 冠 野 静 陈雪莲 王君保1系统概述 本设计以电力载波技术为核心，以PIC单片机作为处理器，稳压技术以及串口通信技术为基础，通过PIC单片机连接和控制温度采样模块，可控硅功率控制模块，显示模块，机械结构驱动模块等四个模块电路，实现整个系统的自动控制过程，并进行相应的参数分析和显示。通过温度变送器将温度信号传送给采样电路，经过单片机处理实现相应的控制，由可控硅WS100T进行加热部件的功

11、率控制，运用驱动芯片驱动继电器使之连接机械控制部分实现自动入炉出炉。1、实现炉温度控制。可实现对每个烧结装置的温度控制点分别进行温度检测、显示、控制；并可分别自动校正各个烧结控制装置的电极参数、烧结时间；2、检测参数。 加热炉体及各个烧结炉系统的温度控制点的温度值， 烧结玻璃电极的长度，直径等参数，以此计算出在特定温度下所需烧结时间；3、实现玻璃电极生产过程自动化。通过集中操作，提供完善的操作方式设置，提供状态及运行、显示，可实时监控温度等参数，自行进行功率加热调整，自动定时入炉出炉控制。2系统设计要求及功能指标系统的设计要求如下： （1） 设计基于电力载波的智能化烧结炉系统的体系结构。（2）

12、 克服电力载波固有的信号衰减、阻抗失配以及等幅震荡干扰等问题。（3） 利用经验参数和单片机技术实现玻璃电极烧结的自动化控制，提高玻璃电极烧结的成功率。（4） 设计电力线接口电路。（5） 通过单片机技术控制一系列的工作，比如说玻璃的参数分析，烧结过程中的时间计算，如何自动控制入炉出炉，利用可控硅控制加热部件的功率，显示模块可以通过数码管显示，主要显示玻璃电极上的各个参数，拉伸电极时的温度，入炉和出炉的时间等等。（6） 玻璃电极参数的精确计算方法，入炉和出炉的过程平稳控制算法。（7） 以PIC单片机控制为主，实现整个系统的自动控制，以及相应参数的内容显示。（8） 通过烧结使得玻璃电极达到一定的熔点

13、后，根据实验的需要拉伸不同型号玻璃电极。（9） 该智能系统对多工位烧结炉能够实现了有效控制，使升温阶段可以按照设定的要求上升，而且也可以很快就达到恒温状态，且温度变化量很小。3系统设计总体方案 3.1 系统总体框图 分析系统设计要求，可将系统分为两个部分，分别是输入模块和输出模块。其中，输入模块包括：电源模块、温度采样模块、按键输入模块；输出模块包括：数码管显示模块、串口通信模块、继电器驱动模块。系统设计的原理框图如下面图1所示，系统的电路设计框图如图2所示：图1 系统总体结构框图图2 电路设计结构框图 3.2 系统关键方案（控制芯片的选取）的论证与比较 方案一：选取MC51单片机为核心，具体

14、型号为AT89C52，配合BWP08电力载波模块可控硅控制模块，构成电路的主体结构。该MCS-51单片机是8位的低电压，低功耗的复杂指令单片机。其主要特性是具有一个用于多处理器通讯的增强型串口和一个增/减定时器计数器，专门适用于控制应用。选用89C52的另外一个重要原因就是在芯片上实现了256字节的RAM，高端128字节的地址和特殊功能寄存器（SFR）的地址相同，但可以通过不同寻址方式区分，因此解决了测量仪的软件编程所用的RAM空间，不必再另外扩展随机存储器，节约了硬件资源。不过，由于该单片的精度和性能达不到我们需要的技术要求，故放弃。方案二：此方案选用PIC单片机作为核心控制芯片，具体的型号

15、为PIC12F609，8引脚 ，这个PIC单片机具有4个10位的A/D转换通道，13位的程序计数器，可以寻址8K*14的程序存储空间，总体来说各项性能都满足实验要求，选取这个芯片的初衷是由于体积较小，性能优越，这样可以很好的实现总体设计要求体积小的原则，但是在进行扩展性设计时内部资源远远不够，并且打算在测试阶段要进行在线编程，所以最终还是放弃选用单片机PIC12F609。方案三：这个方案还是选取PIC单片机为控制芯片，但主模块选取的是28引脚的SOIC封装模式的PIC16F882，此芯片具有多用途、高性能、低成本和全静态的优点，高可靠性的看门狗自带了片上RC振荡器，能够避免程序锁死。从模块选取

16、的是28引脚的贴片芯片PIC16F688，此芯片的优点是内存资源丰富，运行速度快，性能稳定，完全可以实现系统的各项设计要求，而且有足够的引脚可以实现功能的扩展。此单片机的相关资料都很丰富，使用技术的熟练程度已经很高，便于进行程序的书写和调试工作，对整个设计的进程有很大的促进作用。所以，最后选定使用PIC16F882为核心的控制芯片，BWP08电力载波芯片，稳压芯片使用78M05，输出电压为5V，再配合可控硅控制电路构成最终的设计电路。 4.系统硬件详细设计 本系统设计的硬件主要包含以下几个部分：电源模块、温度采样模块、按键输入模块、数码管显示模块、串口通信模块、继电器驱动模块等。在设计中为了实

17、现设计要求所要求的体积尽可能小的原则，电路中所有的元件都使用贴片的（注：可控硅与电感以及个别电容除外），因为贴片元件的体积较小，这样可以使我们最终设计出来的印刷版体积小。由于上面已经对单片机选型进行了论证，在此不作赘述。 4.1 硬件模块设计4.1.1 恒温控制系统 图3 恒温控制系统原理框图(1) PIC16F882芯片功能及相关特性介绍PIC系列单片机的硬件系统设计简洁，指令系统设计精炼。在所有的单片机品种中，它是最容易学习、最容易应用的单片机品种之一。PIC单片机不仅采用哈佛体系结构（两种存储器位于不同的逻辑空间里），而且换采用了哈佛总线结构（如图4所示），在芯片内部将数据总线和指令总线

18、分离，采用不同的宽度，便于实现指令的“流水”作业，便于实现全部指令的单字节化、单周期化，从而有利于提高CPU的执行指令的速度。其他系列单片机共用同一条总线，摆脱不了瓶颈效应的制约，从而影响了CPU的运行速度。而且PIC单片机具有高性能，低功耗的特性，更适合于所要设计的电路控制系统。PIC单片机共有28引脚，采用SOIC封装模式，引脚如图4所示 图4 PIC16F882单片机引脚图该芯片的相关特性如下：A.PIC16F882单片机是28引脚的增强型闪存8位CMOS单片机，具有高性能、低功耗的特点。内部集成有高精度的振荡器，可通过软件选择的频率范围为：31 kHz至8MHz，具有双速启动模式，应用

19、晶振故障检测，在工作期间切换时钟模式可以达到节能的效果。CPU设定了上电复位，上电延时定时器和振荡器起振定时器，以及带有软件控制选项的掉电复位。B.低功耗特性: 待机电流2.0V 时典型值为 50 nA,工作电流 32 kHz、2.0V时典型值为11A,4 MHz、 2.0V时典型值为 220 A, 看门狗定时器电流-2.0V 时典型值为 1 A.其具有优良的外设特性，24个带有方向可单独控制的I/O 引脚：l 高灌/拉电流可直接驱动 LED；l 电平变化中断引脚；l 可单独编程的弱上拉引脚；l 超低功耗唤醒 （Ultra Low-Power Wake-up，ULPWU）。 (2) 模拟比较器

20、模块具有：l 两个模拟比较器；l 可编程片上参考电压（CVREF）模块（占VDD的百分比）；l 固定的参考电压 （0.6V）；l 可从外部访问比较器的输入和输出；l 外部定时器选通 （使能计数）。(3)A/D转换器：10 位分辨率和11 个通道。(4)Timer0：带 8位可编程预分频器的 8 位定时器/计数器。(5)增强型Timer1：l 带预分频器的16 位定时器 /计数器；l 外部选通输入模式；l 专用低功耗32 kHz 振荡器。本设计中用到了多种单片机的优良性能，I/O引脚的高灌/拉电流直接驱动，以及电平变化中断等特点，尤其在设计中需要A/D转换模块，来实现模拟信号与数字信号之间的转换

21、控制，对于整个电路的设计是必不可少的部分。(6)增强型USART 模块：支持RS-485、RS-232 和LIN 2.0，本设计中主要采用RS232通信，它能够自动进行波特率检测，遇到起始位时自动唤醒。它可被配置为能与CRT终端和个人计算机等外设通信的全双工异步系统；也可以被配置为能与A/D或D/A集成电路、串行 EEPROM 等外设或其他单片机通信的半双工同步系统。与之通信的单片机通常不具有产生波特率的内部时钟，它需要主控同步器件提供外部时钟信号。 (7)EUSART异步模式EUSART 使用标准不归零码格式发送和接收数据。使用2 种电平实现NRZ：代表 1 数据位的 VOH 标号状态，和代

22、表0数据位的VOL空格状态。 采用NRZ格式连续发送相同值的数据位时，输出电平将保持该位的电平，而不会在发送完每个位后返回中间电平值。NRZ发送端口在标号状态空闲。每个发送的字符都包括一个起始位，后面跟有 8 个或 9 个数据位和一个或多个终止字符发送的停止位。起始位总是处于空格状态，停止位总是处于标号状态。最常用的数据格式为 8 位。每个发送位的持续时间为1/(波特率)。 EUSART 首先发送和接收 LSb。EUSART 的发送器和接收器在功能上是相互独立的，但采用相同的数据格式和波特率。硬件不支持奇偶校验，但可以用软件实现（奇偶校验位是第9 个数据位）。 4.1.2电力载波模块（电力载波

23、芯片BWP08介绍）BWP08 是专门针对智能家居及灯饰控制市场研发设计，产品具有体积小，通讯可靠，通讯频点可调，功能可定制特点，可以广泛应用于智能家居，灯饰控制，家电控制等领域。BWP08引脚图如图5所示： 图5 BWP08引脚图主要性能特点： （1）工作电源：5-12VDC。 （2）接口类型：TTL 电平串行接口(UART)，SPI，半双工通讯。 （3）线上载波速率：100bps、200bps、300bps、400bps、500bps、600bps，由用户设置。 （4）串行接口速率：1200bps、2400bps、4800bps、9600bps，由用户设置。 （5）工作环境：220VAC/

24、110VAC，50/60Hz，直流线路，无电导体。 （6）通讯距离：200m。(轻负载条件或者直流线路情况下，通讯距离可能大于 200m) （7）数据传输类型：固定字节长度传输（1-32 字节） 、固定帧长度传输（32-256 字节）。 （8）电力线载波频率：65KHz、88KHz、113 KHz、140KHz、170KHz、202KHz，可配置。 （9）调制解调方式：DSSS（直序扩频）。 （10）工作温度：2070。 其原理框图如图6所示:图6 原理图 SPI连接示意图如图7所示：图7 SPI连接示意图电力载波三相连接示意图如图8所示：图8 电力载波三相连接示意图 4.1.3 可控硅控制模

25、块 原理图如图9所示：图9 可控硅原理图WS100T10/WS100T20 是一块用于工频50Hz/60Hz 交流控制系统的专用集成电路，采用 CMOS 工艺制造。与外部交流脉冲同步的全数控精密双通道双向控硅移相触发电路。每个通道单独控制，并提供多种控制方式以满足用户不同的应用要求。该芯片的主要特点如下： l 低压 CMOS 工艺制造 l 工作电压（VDD5V） l 移相角度0-180 l 用户控制方式可选择 主要应用方向有： l 交流调压、交流灯光控制 l 摄影闪光灯充电控制，造型灯亮度控制 l 大小功率交流电加热恒温控制WS100T10/WS100T20 管脚排列如图10所示：图10 WS

26、100T10/WS100T20引脚图WS100T10/WS100T20 管脚说明如图11所示：图11 WS100T10/WS100T20管脚说明 4.2模块方案分析比较与方案选择4.2.1 温度信号采样模块现温度测量的传感器有很多种，刚开始考虑采用电压变化型的温度传感器，如LM35，LM35是由National Semiconductor所生产的温度感测器，其输出电压与摄氏温标呈线性关系， 0C时输出为0V，每升高 1C，输出电压增加10mV。但由于其测量温度范围很小，不能满足高温下的测量所以不采用此方案。在本设计中采用Pt100铂电阻温度传感器它是热电阻传感器的一种，其测量温度范围大，并且可

27、以通过跟变送器相连接直接将温度信号传送为电流信号，方便了CPU进行数据处理，使得控制系统更简洁。在进行信号转换时用到了运算放大器，首先考虑用的是LM324，其内部有4个运算放大器，有相位补偿电路。电路功耗很小，lm324工作电压范围宽，可用正电源330V，或正负双电源15V15V工作。但由于电路中用到的运算放大器只需两个就可以实现电路的要求，故为了降低成本，不选取LM324作为运算放大器。运放OP777既可以单电源2.7V-30V操作，也可以+1.35V-15V双电源操作，没有相位反转，且输出稳定，制备过程中产生一个低频噪声拐角频率，大大提高了低频噪声的性能类似于OP07功率放大器，从整体电路

28、设计的成本来考虑，选择OP777运放为最佳。4.2.2 驱动电路模块驱动电路模块的设计关系到是否能够最终整个控制系统的自动化，刚开始考虑的方案是采用L9110驱动芯片，其电源电压围2.5V-12V，每道具有800mA的连续电流输出能力，控制和驱动集成于单片机中，本为考虑最佳方案，但由于它的两个输出端输出的脉冲信号是正转信号与反转信号，不适合实际所需要的控制操作。最终选用高耐压、大电流达林顿陈列ULN2003，驱动电流也可以达到500mA左右，可以驱动继电器进行操作，符合电路要求。4.2.3 数码管显示模块要实现驱动四个数码管显示，74164和74595相类似，都是8位串行输入转并行输出移位寄存

29、器74164的电流（25mA）要比74595(35mA)的要小，74595的主要优点是具有数据存储寄存器，在移位的过程中，输出端的数据可以保持不变。这在串行速度慢的场合很有用处，数码管没有闪烁感。因此，与74164相比较，选用74595作为数码管显示的驱动芯片。通过以上的方案论证，多方面考虑，从而选定合适的电路模块进行整个电路的设计与调整，达到预期的系统设计。4.2.4单片机控制方案方案一：选取MC51单片机为核心，具体型号为AT89C52，配合BWP08电力载波模块可控硅控制模块，构成电路的主体结构。该MCS-51单片机是8位的低电压，低功耗的复杂指令单片机。其主要特性是具有一个用于多处理器

30、通讯的增强型串口和一个增/减定时器计数器，专门适用于控制应用。选用89C52的另外一个重要原因就是在芯片上实现了256字节的RAM，高端128字节的地址和特殊功能寄存器（SFR）的地址相同，但可以通过不同寻址方式区分，因此解决了测量仪的软件编程所用的RAM空间，不必再另外扩展随机存储器，节约了硬件资源。不过，由于该单片的精度和性能达不到我们需要的技术要求，故放弃。方案二：此方案选用PIC单片机作为核心控制芯片，具体的型号为PIC12F609，8引脚 ，这个PIC单片机具有4个10位的A/D转换通道，13位的程序计数器，可以寻址8K*14的程序存储空间，总体来说各项性能都满足实验要求，选取这个芯

31、片的初衷是由于体积较小，性能优越，这样可以很好的实现总体设计要求体积小的原则，但是在进行扩展性设计时内部资源远远不够，并且打算在测试阶段要进行在线编程，所以最终还是放弃选用单片机PIC12F609。方案三：这个方案还是选取PIC单片机为控制芯片，但主模块选取的是采用SOIC封装模式的PIC16F882，此芯片是28引脚的增强型闪存8位CMOS单片机，具有高性能、低功耗的特点。内部集成有高精度的振荡器，可通过软件选择的频率范围为：31 kHz至8MHz，具有双速启动模式，应用晶振故障检测，在工作期间切换时钟模式可以达到节能的效果。CPU设定了上电复位，上电延时定时器和振荡器起振定时器，以及带有软

32、件控制选项的掉电复位。 4.3 电路硬件的设计与实现4.3.1单片机控制电路(1)ADC模块配置模数转换器（ADC）可以将模拟输入信号转换为表示该信号的一个 10 位二进制数。器件使用的模拟输入通道共用一个采样保持电路。采样保持电路的输出与模数转换器的输入相连。模数转换器采用逐次逼近法产生一个10 位二进制结果，并将该结果保存在 ADC 结果寄存器（ADRESL和ADRESH）中。可用软件选择转换所使用的参考电压为内部产生的参考电压或者由外部提供。A、ADC的配置：配置和使用时需要考虑的因素：端口配置，通道选择，ADC参考电压的选择，转换时钟源，中断控制，结果的存储格式。在进行端口设置时，AD

33、C 既可以转换模拟信号，又可以转换数字信号。当转换模拟信号时，应该通过将相应的TRIS和ANSEL位置1，将I/O引脚配置为模拟输入引脚。 B、ADC的工作原理： 总共分三步，转换过程如图12所示： 图12 ADC工作流程 A/D转换步骤： 第一步： 端口配置（禁止引脚输出驱动器（TRIS寄存器），将引脚配置为模拟输入引脚）；第二步：配置ADC模块（选择ADC转换时钟，配置参考电压，选择 ADC 输入通道，选择结果的格式，启动ADC模块）；第三步：配置ADC中断（清零ADC中断标志位,允许ADC中断,允许外设中断,允许全局中断）；第四步：等待所需的采集时间；第五步：将 GO/DONE置1 启动

34、转换；第六步：用以下方法等待ADC转换结束，查询GO/DONE位，等待ADC中断 （允许中断）；第七步：读ADC结果，将ADC中断标志位清零（如果允许中断的话，需要进行此操作）。（2）单片机电路原理A、设计思路设计上电延时复位电路需考虑电源电压VDD的上升时间和振荡器的起振时间。电源电压VDD的上升时间，与供电电源、电源所负担的整个单片机应用系统内各部分电路有关；振荡器的起振时间与振荡器频率有关，例如振荡频率为10MHz时，、起振时间约为1ms，振荡频率为1MHz时，起振时间约10ms。为了保证系统可靠地复位，在单片机内部的上电复位功能POR和两个定时器PWRT与OST满足不了需求时，可以设计

35、外接阻容RC延时电路，使MCLR引脚上的低电平维持足够长的延迟时间。注意，当芯片电压VDD加电上升时间大于100s时，片内的电源上电复位功能POR和电源上电延时定时器PWRT可能不能起到正常的作用，而使芯片的复位（即PG复位地址）出现不正常，一般在这种情况下不再采用PWRT。当阻容元件值较小时，其RC时间常数小于定时器PWRT的延迟时间。而当阻容元件值较大时，其RC时间常数大于定时器PWRT和定时器OST的延迟时间总和，这时，单片机脱离复位状态的时刻由MCLR引脚的低电平延迟时间决定，一般对于多片单片机并行工作常见。如果VDD上升时间很长，此时的单片机通常需要附加更长的电源上电延时电路，在MC

36、LR端外接复位电路，其延迟时间可以由自行选定。 图13 复位和振荡电路 4.3.2 串口通信电路运用串口实现系统与PC机的通信，进行相应的参数设置和读取，加强了系统自动控制的多样化，以及可操作性。电路图如下所示：图14 串口电路4.3.3 可控硅功率控制电路A、可控硅及集成电路可控硅是一种以硅单晶为基本材料的P1N1P2N2四层三端器件，由于它特性类似于真空闸流管，所以国际上通称为硅晶体闸流管，简称晶闸管T。又由于晶闸管最初应用于可控整流方面所以又称为硅可控整流元件，简称为可控硅SCR。可控硅分单向可控硅与双向可控硅。单向可控硅一般用于彩电的过流、过压保护电路。双向可控硅一般用于交流调节电路，

37、如调光台灯及全自动洗衣机中的交流电源控制。 双向可控硅是在普通可控硅的基础上发展而成的，它不仅能代替两只反极性并联的可控硅，而且仅需一个触发电路，是目前比较理想的交流开关器件，一直为家电行业中主要的功率控制器件。近几年，随着半导体技术的发展，大功率双向可控硅不断涌现，并广泛应用在变流、变频领域，可控硅应用技术日益成熟。B、WS100T10集成电路WS100T10/WS100T20 是一块用于工频50Hz/60Hz 交流控制系统的专用集成电路，采用CMOS 工艺制造。与外部交流脉冲同步的全数控精密双通道双向控硅移相触发电路。每个通道单独控制，并提供多种控制方式以满足用户不同的应用要求。芯片的主要

38、特点有，采取低压CMOS工艺制造 ，工作电压为（VDD5V）， 移相角度为0-180 ，用户控制方式可以自行选择 。主要应用于交流调压、交流灯光控制，摄影闪光灯充电控制，造型灯亮度控制，大小功率交流电加热恒温控制。本设计中主要用到的是利用芯片实现大功率交流电加热恒温控制。引脚图如下 图15 WS100T1O引脚图 引脚定义：表1管脚编号管脚名称输入/输出功能描述1VDD-电源+5V端2DATAIN根据型号有不同的定义3CLKIN（同上）4STBIN（同上）5AC_CP_ININ交流同步脉冲输入6CH2_OUTOUT通道2触发脉冲输出7CH1_OUTOUT通道1触发脉冲输出8VSS-电源地波形及

39、时序图如下：图16 波形图图17 时序图发送0XXXXXXX是控制第7脚，1XXXXXXX是控制第6脚，XXXXXXX=0输出恒低电平（关闭）XXXXXXX=1全功率输出，从1到80（50Hz）功率从最大到关闭，60Hz从1到100是全功率到关闭。 4.3.4 功率控制电路A、光耦的作用及组成光电耦合器(以下简称光耦)是一种发光器件和光敏器件组成的光电器件。它能实现电光电信号的变换，并且输入信号与输出信号是隔离的。B、光耦的主要特点：光耦的主要特点是使输入与输出之间绝缘；信号传送为单方向，输出信号不会对输入信号有影响；模拟和数字信号都可以传输；抗干扰能力强、体积小、寿命长；抗振性强。C、光耦M

40、OC3022的内部结构 图18 光耦MOC3022的内部结构(1阳极 2-阴极3-主端子4,6-主端子)D、单片机控制的异步三总线交流双通道功率交流电加热恒温控制电路：图19 功率控制原理图4.3.5 温度控制采样电路 A、信号采集流程图图20 信号采集流程图B、变送器介绍将物理测量信号或普通电信号转换为标准电信号输出或能够以通讯协议方式输出的设备。本设计采用二线制温度变送器，现场变送器与控制室仪表联系仅用两根导线，这两根线既是电源线，又是信号线。两线制与三线制相比，不易受寄生热电阻和沿电线电阻压降和温漂的影响，可用非常便宜的更细的导线，还可以降低信号干扰。二线制温度变送器热电阻相配合，可以将

41、温度信号线性地转换成420mA 直流标准输出信号。二线制温度变送器应具有如下主要特点：a.二根线完成电源的输入及420mA直流电流输出, 即二根线既是电源线也是420mA标准信号输出线。 b.由于二线制一体化变送器安装在传感器接线盒中,所以必须有良好的可靠性、稳定性及较宽温度工作范围(085)和较小的温漂，同时要求体积尽可能小。 c.在热电偶和热电阻温度变送器中采用了线性化电路，从而使变送器的420mA 输出信号和被测温度呈线性关系。 变送器在线路结构上分为量程单元和放大单元两个部分，其中放大单元是通用的，而量程单元，则随品种、测量范围的不同而不同。 图21 二线制温度变送器结构框图图中粗线为

42、电源线，细线为信号流程，两根外接导线既是电源线也是信号线。C、 信号转换电路 根据电路需要，温度变送器输出的420mA电流，需要变换成电压以利于后续驱动和处理。在电流转换电压的过程中，电压信号需要放大，故采用OP777运算放大器，由于运放的电压放大倍数很大，一般通用型运算放大器的开环电压放大倍数都在80 dB以上。而运放的输出电压是有限的，一般在 10 V14 V。因此运放的差模输入电压不足1 mV，两输入端近似等电位，相当于 “短路”。开环电压放大倍数越大，两输入端的电位越接近相等。转换电路如图所示： 图22 信号转换原理图 4.3.6 驱动及显示模块设计A、继电器驱动结构继电器是一种电子控

43、制器件，它具有控制系统和被控制系统通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。选用继电器时，一般控制电路的电源电压可作为选用的依据。控制电路应能给继电器提供足够的工作电流，否则继电器吸合是不稳定的。继电器可以用晶体管，光耦，集成电路驱动，本设计中考虑到自动控制中机械结构的设计，故采用集成电路ULN2003来驱动继电器，从而控制整个机械结构。B、驱动芯片及驱动电路 ULN2003是一个单片高电压、高电流的达林顿晶体管阵列集成电路。它是由7对NPN达林顿管组成的，它的高电压输出特性和阴极箝位二极管可以转换感应负载。单个达林顿对的集电极电流是500mA。达林顿管

44、并联可以承受更大的电流。此电路主要应用于继电器驱动器，字锤驱动器，灯驱动器，显示驱动器（LED气体放电），线路驱动器和逻辑缓冲器。ULN2003的每对达林顿管都有一个2.7k串联电阻，可以直接和TTL或5V CMOS装置。其主要特性：具有500mA 额定集电极电流（单个输出），高电压输出：50V，输入和各种逻辑类型兼容 ，可以作为继电器驱动器。极限值：表2参数名称符号数值单位输入电压Vin30V输入电流Iin25mA功耗Pd1W工作环境温度Topr-20+85贮存温度Tstg-55+150 芯片内部逻辑框图 图23 ULN2003逻辑框图驱动电路原理图设计 图24 驱动电路图4.3.7 显示电

45、路模块本设计中要用到数码管显示电路，主要是关于温度，时间及其他一些参数的显示，并要在电路中做到轮显，可以进行参数的设置。驱动芯片采用74HC595，74HC595是一款漏极开路输出的 CMOS 移位寄存器，输出端口为可控的三态输出端，亦能串行输出控制下一级级联芯片。主要特点有：高速移位时钟频率Fmax25MHz，采用标准串行（SPI）接口，CMOS 串行输出，可用于多个设备的级联，具有低功耗的特性，TA=25时，Icc=4A（MAX）。管脚说明：管脚编号管脚名说明17、15QAQH三态输出管脚8GND电源地9SQH串行数据输出管脚10SCLR移位寄存器清零端11SCK数据输入时钟线12RCK输出存储器锁存时钟段13OE输出使能14SI数据线15VCC电源端 表3真值表：输入管脚输出管脚SISCKSCLRRCKOEXXXXHQAQH输出高阻XXXXLQAQH输出有效值XXLXX移位寄存器清零L上沿HXX移位寄存器存储LH