1、 摘 要本科毕业论文（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 摘 要摘 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
2、。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 目 录AbstractIn plumbing and mainframe parts manufacturing production, welding is an ess- -ential technical means, it occupies an important position in the industrial and agri
3、cultural 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 str
4、ain 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
5、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 o
6、f 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
7、, Digital display目 录目 录摘 要 . IABSTRACT. IV目 录 . 第一章 引 言 . 11.1 课题的背景和意义 . 11.2 焊接温度场研究的近况 . 11.2.1 焊接温度场的基本理论 . 11.2.2 焊接温度场研究的情况 . 11.2.3 焊接温度场温度测量的现状与前景 . 21.3 本设计主要的目标和工作 . 2第二章 方案设计 . 32.1 方案整体概述 . 32.2 传感器测量部分 . 42.3 主控制部分 . 42.4 数字显示部分 . 52.5 系统方案 . 5第三章 系统硬件设计 . 63.1 温度传感器 . 63.2 信号调理及模数转换电路设
8、计 . 63.2.1 MAX6675 芯 片 . 73.2.2 MAX6675 与 单 片 机 的 连 接 . 83.3 8 路模拟信号选通电路 . 103.4 控制电路设计 . 103.4.1 按 键 复 位 电 路 . 113.4.2 单 片 机 时 钟 电 路 . 133.4.3 AT89C51 单 片 机 . 14目 录3.5 显示电路设计 . 15目 录3.5.1 显示驱动芯片 HD7279 . 163.5.2 显示器件 LED 组 . 173.5.3 显示部分连接图 . 183.6 报警电路设计 . 183.7 电源电路设计 . 183.8 串口通讯电路设计 . 193.8.1 R
9、S232 接口 . 203.8.2 MAX232 芯片 . 213.8.3 PC 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 . 234.1 主程序设计 . 234.2 子程序设计 . 244.2.1 温度循环采集及键盘扫描和按键处理子程序设计 . 274.2.2 显示子程序设计 . 284.2.3 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第一章 引 言- 1 -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，
10、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
11、，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
12、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第一章 引 言- 2 -泛。而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
13、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
14、指标与参数（1）温度测量范围是 01100 。（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。第二章 方案设计- 3 -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。多 路
15、温 度 采 集 模 块时 钟 模 块复 位 模 块键 盘 模 块报 警 模 块P C 串 行 接 口 模 块电 源 模 块A T 8 9 C 5 1 单 片 机L E D 显 示 模 块图 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-200600的测量范围。经过改进第二章 方案设计- 4 -后的热电
16、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 01600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
17、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。方案二：利用单片机进行控制。可以应用 位单片机进行控制。 AT89C51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
