焊接温度场温度检测系统设计【毕业作品】

BI YE SHE JI
（20 届）
焊接温度场温度检测系统设计
所在学院
专业班级自动化
学生姓名学号
指导教师职称
完成日期年月
Ⅰ
摘要
在管道铺设、大型机件制造等生产中，焊接是一种必不可少的的技术手段，在工农业生产中占有重要地位。

焊接是一个不均匀加热和冷却的特殊的热处理过程，会在焊接热影响区产生不均匀的组织和性能，同时也会产生复杂的应力和应变。

而焊接过程的温度场决定了焊接应力场和应变场，是影响焊接质量和生产率的主要因素。

因此控制好焊接温度对焊接产品的质量具有十分重要的意义。

因此我们需要设计相应的焊接温度场温度测量系统。

本课题设计了以AT89C51为控制核心的温度采集、显示系统。

着重介绍了8路模拟信号选择芯片CD4051及热电偶模拟信号调理转换芯片MAX6675的原理，以及在本系统的重要应用。

本设计实现了对焊接温度场温度的检测和数字显示，并能实现阈值报警和与上位机进行通讯。

关键词：温度场温度，单片机，数字显示
Ⅰ
Abstract
In plumbing and mainframe parts manufacturing production, welding is an ess- -ential technical means, it occupies an important position in the industrial and agricultural production. Welding is a non-uniform heating and cooling of a special heat treatment process, causing uneven in the weld heat affected zone microstructure and properties, but also a complex stress and strain. The temperature field of the welding process determines the welding stress and strain fields,and its the main factors to affect the welding quality and productivity. Take good control of the welding temperature on the welding quality of the product is of great significance. Therefore, we need to design a special temperature measurement system of the welding temperature field.
In this issue,I have made the design of the AT89C51 as the control core temperature acquisition and display system. This paper firstly introduces the 8-channel analog signal chip CD4051 and thermocouple analog signal conditioning chip MAX6675 conversion of principle, as well as important applications of this system. Also introduced a special driver chip HD7279 display part of the LED. And draw the various parts of the hardware schematics and overall hardware schematic. Finally, each chip driver of temperature acquisition procedures have been given.
Key words: Temperature field, Temperature, 51 MCU, Digital display
Ⅲ
目录
摘要 (I)
ABSTRACT (IV)
目录 (Ⅳ)
第一章引言 (1)
1.1课题的背景和意义 (1)
1.2焊接温度场研究的近况 (1)
1.2.1焊接温度场的基本理论 (1)
1.2.2焊接温度场研究的情况 (1)
1.2.3焊接温度场温度测量的现状与前景 (2)
1.3本设计主要的目标和工作 (2)
第二章方案设计 (3)
2.1方案整体概述 (3)
2.2传感器测量部分 (4)
2.3主控制部分 (4)
2.4数字显示部分 (5)
2.5系统方案 (5)
第三章系统硬件设计 (6)
3.1温度传感器 (6)
3.2信号调理及模数转换电路设计 (6)
3.2.1 MAX6675芯片 (7)
3.2.2 MAX6675与单片机的连接 (8)
3.38路模拟信号选通电路 (10)
3.4控制电路设计 (10)
3.4.1 按键复位电路 (11)
3.4.2 单片机时钟电路 (13)
3.4.3 AT89C51单片机 (14)
Ⅲ
3.5显示电路设计 (15)
Ⅲ
3.5.1显示驱动芯片HD7279 (16)
3.5.2 显示器件LED组 (17)
3.5.3显示部分连接图 (18)
3.6报警电路设计 (18)
3.7电源电路设计 (18)
3.8串口通讯电路设计 (19)
3.8.1RS232接口 (20)
3.8.2MAX232芯片 (21)
3.8.3PC机与单片机的串行通讯连接 (22)
3.9整体电路 (22)
第四章软件设计 (23)
4.1主程序设计 (23)
4.2子程序设计 (24)
4.2.1温度循环采集及键盘扫描和按键处理子程序设计 (27)
4.2.2显示子程序设计 (28)
4.2.3报警子程序设计 (29)
结论 (30)
参考文献 (31)
致谢及声明 (32)
附录A 主程序清单 (35)
附录B 整体电路图 (36)
Ⅳ
第一章引言
1.1 课题的背景和意义
在管道铺设，大型机件制造等生产中，焊接是一种必不可少的的技术手段，在工农业生产中占有重要地位。

焊接是一个不均匀加热和冷却的特殊的热处理过程，会在焊接热影响区造成不均匀的组织和性能，同时也会产生复杂的应力和和应变。

而焊接过程的温度场决定了焊接应力场和应变场，是影响焊接质量和生产率的主要因素。

在实际操作中焊接温度过高会造成过烧熔透，而焊接温度过低会在表面形成虚焊，造成原料的浪费。

因此控制好焊接温度对焊接产品的质量具有十分重要的意义。

因此我们需要设计响应的焊接温度场温度测量系统。

1.2 焊接温度场研究的近况
1.2.1 焊接温度场的基本理论
所谓温度场指的是在某一瞬间，空间各个点温度的总计。

温度场可以分为不稳定温度场和稳定温度场[1]。

稳定温度场是指温度不仅在空间上变化，而且也随时间变化的温度场。

而稳定温度场是指不随时间而变的温度场（温度只是坐标的函数）。

在一般情况下，会用等温面图或者等温线图来表示温度场。

而焊接温度场就是指金属焊接时焊件上各点在瞬时的温度分布。

一般在焊接时，焊件上各点的温度都随时间而变化，因此焊接温度场也是不稳定温度场。

而在正常焊接条件下的移动热源，在经过一定时间后在焊件上也会形成准稳定温度场。

影响焊接温度场的主要因素有：（1）热源的性质；（2）焊接工艺参数；（3）金属的热物理性能；（4）工件的厚度与形状等。

1.2.2焊接温度场研究的情况
当前温度场研究的方法主要有：（1）解析法，即直接应用现有的数学理论和定律去推导和演绎数学方程或者模型。

（2）数值方法，又叫作数值分析法，是使用计算机程序对数学模型近似求解，所以又被称作数学模拟或计算机模拟。

亦有人称为数值实验。

随这计算机技术的普及，数值解法的应用日益广泛。

而
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数值实验中最重要的是如何获得实验所需要的数值信息，即当前焊接温度场的实时温度信息。

因此温度场多点温度的获得就成为焊接温度场研究中的一个十分重要的内容。

1.2.3焊接温度场温度测量的现状与前景
随着科技的进步，温度测量的当方法越来越多，而分类也很多。

由于测量原理的多种多样，很难找到一种完全理想的分类方法。

传统的热电偶、热电阻测温方法以其技术成熟、结构简单、使用方便等特点, 在未来温度测量领域中依然能够广泛使用。

新材料、新工艺以及一些新技术的发展, 其应用范围更加拓展。

而随着科技的进步，出现了很多新型的温度传感器，推动了温度测量手段的多样发展。

进入新世纪后，温度传感器正朝着精度高，功能多样，总线可以标准化，可靠性及安全性高的方向发展。

并且开发出了虚拟传感器和网络传感器。

单片测温系统的设计迅速发展。

1.3本设计主要的目标和工作
在本课题中需要设计出一个能测量焊接温度场温度的系统。

在这个系统中能循环测量出温度场中多点的温度，并能够实时在显示屏上显示出来，还可以把想要知道的某点的温度显示出来。

并且还要预留串行通讯接口与PC机进行通讯，把传感器测的温度传入计算机进行处理等。

主要设计技术指标与参数（1）温度测量范围是0℃～1100℃。

（2）温度测量精度为±0.5℃。

为了达到预期的目标，设计了一个基于51单片机的温度测量系统。

通过8路传感器测量8点的实时温度，经过处理之后送入单片机。

由单片机控制显示模块，键盘模块等的工作。

同时还设计了阈值报警电路等，在当前温度超过为保证焊接质量需要而设定的阈值时，可以发出报警信号。

从而为后续温度控制提供依据，从而保证焊接的质量。

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第二章方案设计
2.1 方案整体概述
为了实现前面所述的功能，焊接温度场温度测量系统应该具有温度采集模块，信号调理模块，控制模块，显示模块，键盘模块等。

其方框图如图2-1所示。

图2-1焊接温度场温度测量系统方框图
具体温度测量系统的设计，根据部分电路方案的不同可以有不同的方案。

根据测量部分的不同，可以有热电偶等分立元件测量和集成芯片测量等方案。

根据控制部分的不同，可以有计算机控制，单片机控制等方案。

根据显示部分的不同可以有LED显示，LCD显示等方案。

2.2 传感器测量部分
方案一：采用热敏电阻测温，可以实现-200～600℃的测量范围。

经过改进后的热电阻也可以实现近1000℃的测量。

这类传感器的的特点是灵敏性高，体
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积小，结构简单，使用方便。

更重要的是，与热电偶相比，热敏电阻不需要进行冷端温度补偿。

但是，这类传感器的互换性较差，测量范围不会高于1000℃。

在本课题中的传感器最高测温可达到1100℃的要求有些不符。

故不宜采用。

方案二：采用热电偶进行测温，可以实现0～1600℃的测量范围。

这类元件的特点是测量精度高，便于远距离、多点、集中检测和自动控制，抗氧化性强，广泛应用在工业控制中。

关键是其温度测量范围大，可以测量高温[2]。

但是缺点是需要进行冷端温度补偿，但是在出现了热电偶专用补偿芯片之后这一问题就得到了解决。

其应用广泛的另一个重要原因是其结构简单，成本低廉，可以大规模应用。

因此，在此次课题设计中可以采用。

方案三：采用新型集成芯片进行测温。

随着技术的进步，出现了很多集成了温度传感器，信号调理，AD转换单元的集成芯片。

这类元件的特点是精度高，集成度高，便于携带。

但是成本较高，不利于大规模工业应用。

更重要的是在高温等环境恶劣的工作现场中，集成芯片中的电子元件不能承受高温，因此限制了其在高温环境中的应用。

综上所述，在本课题中，温度测量部分的传感器采用Ｋ型镍镉－镍硅热电偶。

2.3主控制部分
方案一：采用PC机进行控制。

用PC机控制的优点是可以在线编程，也可以在线仿真。

可以对采集到的信号进行处理。

但是PC机的体积庞大，安装携带不方便，在高温环境中不能正常工作。

且成本较高，不利于大规模应用。

位单片机进行控制。

方案二：利用单片机进行控制。

可以应用A T89C518
其特点是结构较简单，体积小，便于携带。

单片机软件编程的自由度大，可以通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制。

既可以作为现场控制元件，也可以与PC机进行通讯。

运用主从分布式思想，由一台上位PC机，数台下位机（单片机）多点数据采集，组成两级多点温度数据巡回检测系统，从而实现远程控制。

另外，单片机与PC相比较而言，价格低廉，便于大规模应用。

还有就是，单片机的编程技术及外围功能电路的配合使用已经很成熟。

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第二章方案设计
通过分析两个方案的利弊，最终选定方案二的AT89C51单片机作为温度采集系统的控制单元。

2.4数字显示部分
方案一：采用液晶LCD进行显示。

LCD显示屏的优点是技术成熟，成本较低，集成化水平高。

但是相比较LED而言，LCD的功耗较大，寿命较短，使用时间越长亮度下降愈快。

机构复杂，亮度输出均匀性差。

体积较大，不利于携带。

方案二：采用LED进行显示。

LED显示部件的优点是功耗低，节能。

经久耐用，寿命长，LED的寿命可以达到同等LCD寿命的2-3倍。

同时LED显示的画面效果更加清晰，亮度更高。

虽然集成LED屏的价格很高，但是在应用中可以用几个分立式的LED显示小模块进行插接，就可以降低成本[3]。

所以可以在工业中可以大规模应用。

通过分析上述两个方案的利弊，最终选定方案二，即采用LED显示模块进行插接组成温度显示部分。

2.5 系统方案
综上所述，温度传感器，模数转换，控制部分及显示部分都采用方案二。

即采用K型热电偶对温度进行测量，用单片机作为主控部分，显示部分采用LED 显示器阵列。

再加上其他一些功能电路和辅助电路，就可以组成所要设计的焊接温度场温度检测系统。

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第三章系统硬件设计
3.1 温度传感器
在本课题中根据所要求的工作环境，工作指标等应选用热电偶作为温度传感器，用于检测焊接时温度场多点的实时温度。

在本课题中，要求温度传感器所能测量的温度范围是0～1100摄氏度。

在实际应用中正常工作时会控制温度场温度在1000摄氏度以下，也就是说短时会超过1000摄氏度，可以选择K型镍镉-镍硅热电偶。

为了实现对焊接温度场的温度测量，在本课题中设计了8路热电偶温度采集部分。

正如前面提到的，热电偶在工作时需要进行冷端温度补偿[2]。

常见的方法都是设计电桥进行补偿。

但是电路较繁杂。

随着技术的进步，出现了很多热电偶专用温度补偿芯片，用于校正误差等。

在本课题中运用的就是温度补偿专用芯片MAX6675。

3.2 信号调理及模数转换电路设计
3.2.1 MAX6675芯片
MAX6675芯片是由美国MAXIM公司生产的[4],自身具有冷端温度补偿、线性校正、热电偶断线检测的功能,是串行K型热电偶专用的模数转换器。

基本参数如下：
工作电压：3.0～5.5V 。

冷端温度补偿能力：-20℃～+80℃。

为温度分辨能力0.25℃。

MAX6675采用SO-8封装，体积小，可靠性好。

引脚图见图3-1所示。

各引脚功能如下：
T-: 热电偶负极（使用时接地）；
T+:热电偶正极；
SCK:串行时钟输入；
CS SO:串行数据输出；
;
：片选信号
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Vcc:电源端
GND:接地端
图3-1 MAX6675引脚图
N.C:悬空，不用。

MAX6675的内部机构如图3-2所示，它主要有热电偶模拟信号放大电路、冷端补偿信号产生电路、A/D转换器及数字控制电路等组成。

T-T+
SCK
SO
CS 图3-2 MAX6675内部结构图
MAX6675可以与单片机或其他数字系统通过3线串口进行通讯。

其工作时序是：当MAX6675的片选信号引脚从高电平变为低电平时，MAX6675将停止信号的转换，同时在时钟SCK的作用下向外输出转换后的数据。

相对的，当片选引脚从低电平变回高电平时，芯片会进行新的转换。

MAX6675输出数据是16位的，其中D14～D3是数据位，其最小值是0，对应的温度值是0℃；最大值是
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4095，对应的温度值是1023.75℃。

MAX6675芯片的内部由于采用了激光校正，所以其换结果与对应的温度能保持良好的线性关系。

温度值与数字量的对应关系为：
温度值=1023.75×转换后的数字量/4095 (1)
3.2.2 MAX6675与单片机的连接
由于MAX6675芯片是3位串行输出，因此在与单片机进行连接时只需要占用单片机的3各I/O口。

具体连接方式如图3-3所示。

在使用时，同步串行读取过程可以用软件进行模拟。

图中串行外界时钟由微处理器的P1.3提供，片选信号由P1.2提供。

转换信号由P1.1读取。

热电偶的模拟信号由T-和T+端输入，其中T-需要接地。

MAX6675的转换结果将在SCK 的控制下连续输出。

MAX6675
图3-3 MAX6675与8051连接图
3.3 8路模拟信号选通电路
为实现对热电偶测得的8点温度信号进行循环显示，需要设置专门的电路可以对信号进行选通[5]。

既可以通过编程定时巡检显示，也可以通过按键选择显示。

为此，在本课题中，选用了8路模拟信号选通开关CD4501。

CD4501/CC4051是单8通道数字控制模拟信号电子开关，有A,B,C三个二进制控制输入端以及INH总共4个输入端口。

其导通阻抗和截至漏电流都比较低。

可以实现 4.5～20V的数字信号对最高峰值20V的模拟信号的控制。

当VDD=+5V,VSS=0,VEE=-13.5时，则0～5V的数字信号可以控制-13.5V～4.5V的
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模拟信号。

芯片的引脚图如图3-4所示。

对于8路模拟信号的巡检，可以采取定时采样控制方式进行工作，每隔0.5S 对8路模拟量进行循环显示一次。

系统工作之后，CPU启动定时器T0，定时50ms,定时到时存储单元加1，当存储单元加到10之后机0.5s到后，开始启动C D4051分别对8路模拟信号进行选通，送入下一环节中。

同时，也可以根据键盘的输入命令将对应路采集数据送入显示，经显示电路显示出来。

需要注意的MAX6675的T-脚要求接热电偶负极且接地，模拟开关切换的是各热电偶的正极。

输入通道选通通道如表3-2所示。

八路温度采集传送总体电路图如图3-5所示。

图3-4 C D4051引脚图
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INH C B A 输出
0 0 0 0 0
0 0 0 1 1
0 0 1 0 2
0 0 1 1 3
0 1 0 0 4
0 1 0 1 5
0 1 1 0 6
0 1 1 1 7
1 均不接通
图3-5八路温度采集传送总体电路图
3.4 控制电路设计
在本课题中，选用单片机作为控制部分。

控制部分可以接收经过处理和转化后的信号。

并可以在显示部分显示，也可以通过串行口送入PC机中。

这里采用的是AT89C51单片机[6]作为控制单元。

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3.4.1 按键复位电路
设计单片机应用系统，必须设置复位电路。

以便在系统工作过程中出现“死机”，“程序跑飞”等情况时可以进行复位。

所以一个单片机复位电路的好坏。

直
接影响到一个系统工作的可靠性。

51系列单片机都有一个复位引脚RESET，高电平有效。

只要引脚是高电平，就会使器件复位。

此时ALE,PESN,P0,P1,P2,P3端口都输出高电平。

RESET变低时，退出复位状态，CPU从初始状态开始工作。

51单片机通常采取上电自动复位和按钮复位两种方式。

当采用上电自动复位时，单片机在上电的瞬间，就能使单片机复位。

由于系统运行等需要，常常需要人工按键复位，如图3-6所示，只需要一个常开按钮并联与上电复位电路，按下开关一段时间之后就能使单片机的复位引脚变为高电平，从而使单片机复
位。

vcc
图3-6单片机按键复位电路
3.4.2 AT89C51单片机时钟电路
计算机的正常工作是在时序脉冲的控制下有条不紊的进行的，这个脉冲可以由单片机的时钟电路产生。

单片机的时钟产生方法有两种：内部时钟和外部时钟。

最常见的内部时钟方式是采用外接晶体和电容组成并联谐振电路。

无论是HMOS还是CMOS型单片机，其并联回路及参数相同，如图3-7所示。

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AT89C51单片机允许的震荡晶体可在0～24MHZ之间进行选择，一般选择12MHZ。

外部时钟方式是利用外部震荡信号源直接接入X1或X2。

由于HMOS和CMOS单片机进入的引脚不同，其外部信号源接入方式也不同。

图3-8和图3-9分别是两种接入方式。

在本课题中，AT89C51单片机采用的是内部时钟方式，产生12MHZ的时钟信号。

图3-7内部时钟方式的时钟电路
源
图3-8 HMOS型单片机外部信号源接入方法
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外部震荡信
号源
图3-9CMOS型单片机外部信号源接入方法
3.4.3 AT89C51单片机
AT89C51单片机出自美国ATMEL公司[7]，具有低电压、CMOS8位高性能。

片内含2kb的PEROM和128b RAM，器件沿用了ATMEL公司的独特技术，可以进行高密度、非易失性存储，能够与标准MCS-51指令系统兼容，片内内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大。

其主要特性是：
单片机能够进行兼容。

（1）与IntelMCS51
（2）内部具有4K字节的可编程FLASH存储器；
（3）可以进行最多1000次的写/擦循环操作；
（4）内部数据最多可以保留十年；
（5）工作时钟频率：0Hz-24MHz；
（6）具有32位的可编程I/O线；
（7）内部具有两个16位计数器/定时器；
（8）内部具有5个中断源；
（9）一般运用片内振荡器和时钟电路；
（10）设有可编程串行通道
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（11）采用5V直流电源供电
在实际绘制电路图时，一般会把电源端口和接地端口默认省略掉。

3.5 显示电路设计
3.5.1 显示驱动芯片HD7279
HD7279是一种LED显示专用驱动芯片，具有串行接口的最多可驱动8位共阴极LED显示器或者64位独立显示元件，同时该芯片也可以管理多达64键的键盘矩阵。

芯片内部设有译码器，可以将2进制码直接翻译为七段码。

HD7279为双列直插式28引脚，如图3-10所示。

主要特性:
(1)具有串行接口，无需外围元件就可以直接驱动LED元件。

(2)芯片各位可以独立控制译码/不译码及消隐和闪烁属性。

(3)能够进行循环左/右移。

(4) 能够进行段寻址，因此可以方便控制独立的LED元件。

(5)可以控制64位键盘，内含去抖电路。

引脚说明：
(1)VDD,GND:电源与接地。

(2)CS:片选输入端。

引脚为低电平时，可向芯片发送指令及读取键盘数据
(3)CLK:同步时钟输入端。

(4)DATA:串行数据输入/输出端。

KEY按键有效输出端，当检测到有效按键时，引脚变低。

按键响应时间典
(5):
型值为18ms。

:LED显示器的段g～a段驱动输出。

(6)SG SA
(7) DP:小数点输出驱动。

(8)DIG0~DIG7:LED显示器位驱动输出。

(9)CLKO:片内振荡器振荡输出端。

(10)RC:外接RC振荡器端，典型值：R=1.5KΩ.，C=15pF
(11)RESET:复位引脚。

可以连接一外部的复位电路，或者由单片机控制，也可直接接正电。

- 22 -。