電阻加熱爐溫度控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　摘要：</b></p><p>　　本文介紹了以單片機(jī)AT89C52作為核心元件構(gòu)成的電阻爐溫度控制系統(tǒng)的工作原理，詳細(xì)說明了采用的新型元件，分析了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，最后給出了系統(tǒng)流程圖。采用單片機(jī)進(jìn)行爐溫控制,具有電路設(shè)計(jì)簡單、精度高、控制效果好等優(yōu)點(diǎn),對(duì)提高生產(chǎn)效率、促進(jìn)科技進(jìn)步等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。在對(duì)各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐中溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制

2、中，采用單片機(jī)控制不僅具有控制方便、簡單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。本文……進(jìn)行介紹。該控制系統(tǒng)以ms-51單片機(jī)為控制核心，采用增量式PID控制算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的智能控制。同時(shí)，具有超調(diào)量小、溫度上升快、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。</p><p>　　關(guān)鍵字：　電阻爐；單片機(jī)；溫度控制系統(tǒng) ；通信</p><p><b>　　

3、Summary ：</b></p><p>　　This paper introduces the AT89C52 microcontroller which is the core component consisting of resistance furnace temperature control system works, detailing the use of new componen

4、ts, analyzes the structure of the system， at the end of the paper flow chart is given. Temperature control by MCU,with a simple circuit design, high accuracy and good control effect on increasing productivity, and promot

5、e scientific and technological progress has important practical significance. In a variety of furnace,</p><p>　　Key words: Resistance Furnace; microcontroller;temperature control system;communicate</p>

6、<p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1 電阻加熱爐溫度控制系統(tǒng)的目的和意義</p><p>　　溫度控制系統(tǒng)在國內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用雖然已經(jīng)十分廣泛，但從國內(nèi)生產(chǎn)的溫度控制器來講，總體發(fā)展水平仍然不高，同日本、美國、德國等先進(jìn)國家相比，仍然有著較大的差距。成熟的溫控產(chǎn)品主要以“點(diǎn)位”控制及常規(guī)的PID控制器為主，它們只能適應(yīng)一般

7、溫度系統(tǒng)控制，而用于較高控制場(chǎng)合的智能化、自適應(yīng)控制儀表，國內(nèi)技術(shù)還不十分成熟，形成商品化并廣泛應(yīng)用的控制儀表較少。隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及加入WTO，我國政府及企業(yè)對(duì)此都非常重視，對(duì)相關(guān)企業(yè)資源進(jìn)行了重組，相繼建立了一些國家、企業(yè)的研發(fā)中心，開展創(chuàng)新性研究，使我國儀表工業(yè)得到了迅速的發(fā)展。</p><p>　　隨著新技術(shù)的不斷開發(fā)與應(yīng)用，近年來單片機(jī)發(fā)展十分迅速，一個(gè)以微機(jī)應(yīng)用為主的新技術(shù)革命浪潮正在蓬勃興起，單片

8、機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)滲透到電力、冶金、化工、建材、機(jī)械、食品、石油等各個(gè)行業(yè)。傳統(tǒng)的溫度采集方法不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且精度差，單片機(jī)的出現(xiàn)使得溫度的采集和數(shù)據(jù)處理問題能夠得到很好的解決。溫度是工業(yè)對(duì)象中的一個(gè)重要的被控參數(shù)。然而所采用的測(cè)溫元件和測(cè)量方法也不相同；產(chǎn)品的工藝不同，控制溫度的精度也不相同。因此對(duì)數(shù)據(jù)采集的精度和采用的控制方法也不相同。傳統(tǒng)的控制方式以不能滿足高精度，高速度的控制要求，如溫度控制表溫度接觸器，其主要缺點(diǎn)是溫度波動(dòng)范圍大，

9、由于他主要通過控制接觸器的通斷時(shí)間比例來達(dá)到改變加熱功率的目的，受儀表本身誤差和交流接觸器的壽命限制，通斷頻率很低。近幾年來快速發(fā)展了多種先進(jìn)的溫度控制方式，如：PID控制，模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及遺傳算法控制等。這些控制技術(shù)大大的提高了控制精度，不但使控制變得簡便，而且使產(chǎn)品的質(zhì)量更好，降低了產(chǎn)品的成本，提高了生產(chǎn)效率。</p><p>　　本設(shè)計(jì)使用單片機(jī)作為核心進(jìn)行控制。單片機(jī)具有集成度高，通用性好，功能強(qiáng)，特

10、別是體積小，重量輕，耗能低，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)和使用方便等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)字、智能化方面有廣泛的用途。本系統(tǒng)所使用的加熱器件是電爐絲，功率為一千瓦，加熱溫度在400～1000℃。靜態(tài)控制精度為2.43℃。測(cè)量溫度范圍為0℃-1000℃，測(cè)量誤差為1℃。</p><p>　　1.2 電阻加熱爐的工作原理</p><p>　　電阻爐是利用電流使?fàn)t內(nèi)電熱元件或加熱介質(zhì)發(fā)熱，從而對(duì)工件或物料加熱

11、的工業(yè)爐。自從發(fā)現(xiàn)電流的熱效應(yīng)(即楞茨-焦耳定律)以后，電熱法首先用于家用電器，后來又用于實(shí)驗(yàn)室小電爐。隨著鎳鉻合金的發(fā)明，到20世紀(jì)20年代，電阻爐已在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用。工業(yè)上用的電阻爐一般由電熱元件、砌體、金屬殼體、爐門、爐用機(jī)械和電氣控制系統(tǒng)等組成。加熱功率從不足一千瓦到數(shù)千千瓦。工作溫度在650℃以下的為低溫爐；650～1000℃為中溫爐;1000℃以上為高溫爐。在高溫和中溫爐內(nèi)主要以輻射方式加熱。在低溫爐內(nèi)則以對(duì)流傳熱方式加

12、熱，電熱元件裝在風(fēng)道內(nèi)，通過風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫爐內(nèi)氣體循環(huán)流動(dòng)，以加強(qiáng)對(duì)流傳熱。電阻爐有室式、井式、臺(tái)車式、推桿式、步進(jìn)式、馬弗式和隧道式等類型。可控氣氛爐、真空爐、流動(dòng)粒子爐等也都是電阻爐?！　‰姛嵩哂泻芨叩哪蜔嵝院透邷貜?qiáng)度，很低的電阻溫度系數(shù)和良好的化學(xué)穩(wěn)定性。常用的材料有金屬和非金屬兩大類。金屬電熱元件材料有鎳鉻合金、鉻鋁合金、鎢、鉬、鉭等，一般制成螺旋線、波形線、波形帶和波形板。非金屬電熱元件材料有碳化硅、二硅化鉬、石墨和碳等，一般

13、制成棒、管、板、帶等形狀。電熱元件的分布和線路接法，依</p><p>　　1.3 電阻加熱爐溫度控制系統(tǒng)的技術(shù)要求及主要問題</p><p>　　電阻加熱爐控制的核心是溫度，而溫度在工業(yè)控制中是個(gè)很重要的參數(shù),特別在冶金、機(jī)械、食品、化工等工業(yè)中,對(duì)工件的處理溫度都要求嚴(yán)格控制，對(duì)于溫度的精確度和穩(wěn)定性均有較高的要求。電阻爐在化工、冶金等行業(yè)應(yīng)用廣泛,因此溫度控制在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中具

14、有重要意義。其控制系統(tǒng)屬于一階純滯后環(huán)節(jié),具有大慣性、純滯后、非線性等特點(diǎn),導(dǎo)致傳統(tǒng)控制方式超調(diào)大、調(diào)節(jié)時(shí)間長、控制精度低。電阻加熱爐溫度控制系統(tǒng)的目的是控制爐內(nèi)溫度的變化，它的出現(xiàn)簡化了許多繁雜操作，具有重大意義。例如：人們可以在洗澡時(shí)任意設(shè)定加熱爐內(nèi)水的溫度并使之保持在固定的溫度內(nèi)。在人工孵化廠孵化爐內(nèi),溫度也不需要人的干預(yù)，它會(huì)按照預(yù)先設(shè)定好的溫度工作，當(dāng)某種特殊的環(huán)境要求溫度穩(wěn)定并保持不變的情況下，溫度控制系統(tǒng)都可以發(fā)揮它的作用

15、。</p><p>　　就系統(tǒng)控制方式來說，模糊控制雖然能夠得到較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性,但模糊控制也存在固有的缺點(diǎn),容易受模糊規(guī)則有限等級(jí)的限制而引起誤差。而數(shù)字PID 控制則能夠較好地解決控制精度的問題,并且計(jì)算機(jī)能夠用程序既簡單又方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)字PID控制規(guī)律,對(duì)精度調(diào)整很方便。</p><p>　　在模擬控制系統(tǒng)中，其過程控制是將被測(cè)參數(shù)，如溫度、壓力、流量、成分、液位等由傳感器變換成統(tǒng)一

16、的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)后輸入調(diào)節(jié)器，在調(diào)節(jié)器中與給定值進(jìn)行比較，再把比較出的差值經(jīng)PID運(yùn)算后送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，改變進(jìn)給量，已達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)的目的。在數(shù)字控制系統(tǒng)中則是用數(shù)字調(diào)節(jié)器來代替模擬調(diào)節(jié)器，按偏差的比例、積分和微分進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，是連續(xù)系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一種調(diào)節(jié)器。在工業(yè)過程控制中，由于控制對(duì)象的精確數(shù)字模型難以建立，系統(tǒng)的參數(shù)又經(jīng)常發(fā)生變化，運(yùn)用現(xiàn)代控制理論分析綜合要耗費(fèi)很大代價(jià)進(jìn)行模擬辨識(shí)，建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型十分困難，應(yīng)用直接數(shù)字控制方法比較

17、困難，甚至跟本不可能，所以人們經(jīng)常用PID調(diào)節(jié)器，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行在線整定，即用實(shí)驗(yàn)和分析的方法來確定數(shù)字PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)。但是，常規(guī)PID調(diào)節(jié)三個(gè)參數(shù)的整定一般需要經(jīng)驗(yàn)豐富的工程技術(shù)人員來完成，步驟繁瑣復(fù)雜，即耗時(shí)又耗力。而且當(dāng)對(duì)象特性變化時(shí)，又要重新整定，并且在現(xiàn)代工業(yè)控制過程中，許多被控對(duì)象機(jī)理復(fù)雜，具有多輸入多輸出的強(qiáng)耦合性、參數(shù)時(shí)變性、嚴(yán)重的非線性特性、滯后性等特點(diǎn)。在這種情況下，采用常規(guī)PID調(diào)節(jié)器，三個(gè)參數(shù)的整定比較困難，

18、為此本文提出了采用歸一參數(shù)整</p><p>　　隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的大幅度提高和存儲(chǔ)信息的大量增加，PID調(diào)節(jié)在工業(yè)過程控制、航空航天領(lǐng)域中將得到廣泛應(yīng)用，因此研究PID控制具有較高的工程意義，具有廣泛的應(yīng)用前景。</p><p>　　本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng),該系統(tǒng)以單片機(jī)AT89C51 為控制核心,并采用了數(shù)字PID 控制算法結(jié)合PWM 脈寬調(diào)制技術(shù)對(duì)電阻爐溫度進(jìn)行控制

19、, 具有精度高、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。經(jīng)論證，此系統(tǒng)具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和較高的推廣價(jià)值。</p><p><b>　　第二章 總體方案</b></p><p>　　根據(jù)課題功能和指標(biāo)要求，本系統(tǒng)可以從元件級(jí)開始設(shè)計(jì)，選用MCS-51單片機(jī)AT89C51為主控機(jī)。通過擴(kuò)展必要的外圍接口電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)電阻爐爐溫的測(cè)量和控制。</p><p>　　2.1主控

20、制器的選擇</p><p><b>　　繼電器控制</b></p><p>　　控制功能是用硬件繼電器實(shí)現(xiàn)的。繼電器串接在控制電路中的電壓、電流、轉(zhuǎn)速、時(shí)間及溫度等參量變化而動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)電力拖動(dòng)裝置的自動(dòng)控制及保護(hù)。系統(tǒng)復(fù)雜，在控制過程中，如果某個(gè)繼電器損壞，都會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，查找和排除故障往往非常困難，雖然繼電器本省價(jià)格不太貴，但是控制柜的安裝接線工作量大

21、，因此整個(gè)控制柜價(jià)格非常高，靈活性差，響應(yīng)速度慢。</p><p><b>　　工業(yè)控制計(jì)算機(jī)控制</b></p><p>　　工控機(jī)采用總線結(jié)構(gòu)，各廠家產(chǎn)品兼容性強(qiáng)，有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的支持，在要求快速、使用性強(qiáng)、功能復(fù)雜的領(lǐng)域中占優(yōu)勢(shì)。但工控機(jī)價(jià)格較高，將它用于開關(guān)量控制有些大材小用。且其外部I/O接線一般都用于多芯扁平電纜和插頭、插座、直接從印刷電路板上引出，不如接

22、線端子可靠。</p><p><b>　　單片機(jī)控制</b></p><p>　　單片機(jī)作為一個(gè)超大規(guī)模的集成電路，結(jié)構(gòu)上包括CPU、存儲(chǔ)器、定時(shí)器和多種輸入輸出接口電路。其低功耗、低電壓和很強(qiáng)的控制功能，成為工控領(lǐng)域、尖端武器、日常生活中最廣泛的計(jì)算機(jī)之一。另外，有相當(dāng)?shù)男滦图呻娐啡鏜AX6675、MC1413等，可以和單片機(jī)組成較簡單且精密的輸入輸出通道。<

23、;/p><p>　　綜上考慮，本設(shè)計(jì)選擇基于單片機(jī)的電阻爐溫度控制方式。</p><p>　　2.2 溫度傳感器的選擇</p><p><b>　　（1）熱電阻</b></p><p>　　熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測(cè)器。它的主要特點(diǎn)是測(cè)量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測(cè)量精確度是最高的，它不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)溫，

24、而且被制成標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)儀。但其只適用于-200~500℃范圍內(nèi)的溫度測(cè)量，對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求中的溫控范圍: 0℃～1000℃的要求難以達(dá)到。</p><p><b>　　熱電偶</b></p><p>　　熱電偶也是一種感溫元件，屬于一次儀表。它直接測(cè)量溫度，并把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào), 在通過電氣儀表轉(zhuǎn)換成被測(cè)介質(zhì)的溫度，或由A/D轉(zhuǎn)換電路變?yōu)閿?shù)字信號(hào)交由數(shù)字控制器

25、做后續(xù)處理。其中的Ｋ型（鎳鉻－鎳硅）熱電偶，其可測(cè)量1312℃以內(nèi)的溫度，且其線性度較好，而且價(jià)格也便宜。</p><p>　　綜上考慮，本系統(tǒng)采用了Ｋ型（鎳鉻－鎳硅）熱電偶，Ｋ型熱電偶的輸出是毫伏級(jí)電壓信號(hào)，最終要將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)與CPU通信。</p><p>　　2.3 溫度檢測(cè)、放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的選擇</p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)框圖的設(shè)計(jì)思想，輸入電路包

26、括溫度檢測(cè)電路、檢測(cè)放大電路、數(shù)據(jù)采集電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。</p><p><b>　　傳統(tǒng)溫度檢測(cè)電路</b></p><p>　　傳統(tǒng)的溫度檢測(cè)電路采用“傳感器－濾波器－放大器－冷端補(bǔ)償－線性化處理－Ａ/D轉(zhuǎn)換”模式，轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)多、電路復(fù)雜、精度低。</p><p>　?。?） 新型溫度檢測(cè)電路</p><p>　　若

27、采用高精度集成芯片MAX6675來完成“熱電偶電勢(shì)－溫度”的轉(zhuǎn)換，不需外圍電路、I/O接線簡單、精度高、成本低。</p><p>　　綜上考慮，本系統(tǒng)采用集成芯片MAX6675來完成“熱電偶電勢(shì)－溫度”的轉(zhuǎn)換工作。</p><p>　　2.4 顯示電路的方案選擇</p><p><b>　　LED數(shù)碼管顯示</b></p><

28、;p>　　LED是Light Emiting Diode（發(fā)光二極管）的縮寫，發(fā)光二極管是能將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的電致發(fā)光器件。由條形發(fā)光二極管組成“8”字形的LED顯示器，也稱數(shù)碼管。通過數(shù)碼管中發(fā)光二極管的亮暗組合，可以顯示多種數(shù)字、字母記憶其他符號(hào)。數(shù)碼管有7段數(shù)碼管和8段和數(shù)碼管之分。8段數(shù)碼管是在7段數(shù)碼管的基礎(chǔ)上再加上一個(gè)圓點(diǎn)型發(fā)光二極管，用于顯示小數(shù)點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)一是占用I／O口少，便于做到顯示電路與控制電路分離，亮度高。

29、缺點(diǎn)是在背景光較強(qiáng)時(shí)，顯示不清晰，功耗大，顯示圖形需要軟件掃描編制，程序設(shè)計(jì)復(fù)雜。 8段數(shù)碼管中發(fā)光二極管的排列形狀如下圖所示：</p><p><b>　　液晶顯示屏顯示</b></p><p>　　液晶顯示器，或稱LCD(Liquid Crystal Display)，為平面超薄的顯示設(shè)備，它由一定數(shù)量的彩色或黑白畫素組成，放置于光源或者反射面前方。液晶顯示器功耗

30、很低，因此倍受工程師青睞。液晶顯示器的顯像原理，是將液晶置于兩片導(dǎo)電玻璃之間，靠兩個(gè)電極間電廠的驅(qū)動(dòng)，引起液晶分子扭曲向列的電場(chǎng)效應(yīng)，以控制光源投射或遮蔽功能。在電源開關(guān)之間產(chǎn)生明暗而將影像顯示出來，若加上彩色濾波片則可以顯示彩色影像，在兩片玻璃基本上裝有配向模，所以液晶會(huì)沿著溝槽配向，由于玻璃基板配向模溝槽偏離90°，所以液晶分子成為扭曲型，當(dāng)玻璃基板沒有加入電場(chǎng)時(shí)，光線透過偏光板跟著液晶做90°扭曲，通過下方偏光

31、板，液晶面板顯示白色；當(dāng)玻璃基板加入電壓時(shí)，液晶分子產(chǎn)生配列變化，光線通過液晶分子空隙維持原方向，被下方偏光板遮蔽，光線被吸收透出，液晶面板顯示黑色。液晶顯示器便是根據(jù)此電壓有無，使面板達(dá)到顯示效果。液晶顯示器具有功耗低， 壽命長的特點(diǎn)。是目前單片機(jī)應(yīng)用的重要領(lǐng)域，無論機(jī)器，儀表，等都可以看到他的身影，其中的1602型顯示器更具有使用簡單，容易掌握的特點(diǎn)。</p><p>　　綜上，本設(shè)計(jì)選用EN_TC1602.

32、液晶顯示器用于溫度和其他系統(tǒng)信息餓顯示。</p><p>　　2.5 鍵盤電路的方案選擇</p><p><b>　　獨(dú)立式鍵盤</b></p><p>　　在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，只需要用到功能鍵的時(shí)候一般采用獨(dú)立式結(jié)構(gòu)，獨(dú)立式按鍵是各按鍵相互獨(dú)立的接通一條輸入數(shù)據(jù)線，每個(gè)鍵的工作不會(huì)影響其它的I/0口，這是一種較簡單的鍵盤結(jié)構(gòu)，電路一般采用查詢

33、方式。當(dāng)某一個(gè)鍵閉合時(shí)，相應(yīng)的I／O口線變?yōu)榈?高電平。當(dāng)程序查詢到低/高電平的I／O口線時(shí)，就可以確定處于閉合狀態(tài)的鍵并執(zhí)行相應(yīng)的命令。這種鍵盤的優(yōu)點(diǎn)是電路簡單；缺點(diǎn)是當(dāng)鍵數(shù)較多時(shí)，要占用較多的I/O線。</p><p><b>　　矩陣式鍵盤</b></p><p>　　在鍵盤中按鍵數(shù)量較多時(shí)，為了減少I/O口的占用，通常將按鍵排列成矩陣形式，在矩陣式鍵盤中，每

34、條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過一個(gè)按鍵加以連接。這樣，一個(gè)端口(如P1口)就可以構(gòu)成4*4=16個(gè)按鍵，比之直接將端口線用于鍵盤多出了一倍，而且線數(shù)越多，區(qū)別越明顯，比如再多加一條線就可以構(gòu)成20鍵的鍵盤，而直接用端口線則只能多出一鍵(9鍵)。由此可見，在需要的鍵數(shù)比較多時(shí)，采用矩陣法來做鍵盤是合理的。</p><p>　　本設(shè)計(jì)中，要求可通過鍵盤設(shè)置測(cè)量溫度上、下限，超過下限則控制加熱系統(tǒng)加熱，加

35、熱到溫度上限則停止加熱等要求，所以選擇矩陣式鍵盤進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置。</p><p>　　2.6 控制算法的選擇</p><p><b>　　模糊控制</b></p><p>　　模糊控制使用隸屬度函數(shù)和模糊合成法則等思想巧妙地綜合了人們的直覺經(jīng)驗(yàn)，從而在其他經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論不太奏效的場(chǎng)合，如具有純滯后、大慣性、參數(shù)漂移大的非線性不確定分

36、布參數(shù)系統(tǒng)中能夠?qū)崿F(xiàn)較滿意的控制效果，所以它至少應(yīng)是一種有效的補(bǔ)充控制手段。反過來也就是說，模糊控制也并非是一味放之任何系統(tǒng)均有效的“萬能藥”。加入某系統(tǒng)可由一組線性微分方程很好地加以描述，那么也就沒必要使用模糊控制了?？梢?，模糊 控制應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域相對(duì)來講更為合適些；另外，量化因子和比例因子的選擇也影響整個(gè)系統(tǒng)的品質(zhì)，這些因素使簡單模糊控制器存在一些缺陷。</p><p>　　一是精度不太高。這主要是由于模

37、糊控制表的檔級(jí)有限而造成，通過增加量化等級(jí)數(shù)目隨可提高精度，但查詢表將過于龐大，往往受物理?xiàng)l件的限制。二是自適應(yīng)能力有限。這是因?yàn)槟：刂破鲗?duì)某些參數(shù)變化不敏感，只能說明具有魯棒性，而不能講具有自適應(yīng)能力。三是很容易產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象。如果查詢表構(gòu)造不合理或量化因子和比例因子選擇不當(dāng)，都會(huì)導(dǎo)致振蕩現(xiàn)象。</p><p>　　由于以上缺點(diǎn)，不采用模糊控制算法。</p><p>　?。?） 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

38、算法</p><p>　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)從模仿人腦內(nèi)部結(jié)構(gòu)出發(fā)，試圖在模擬推理、自動(dòng)學(xué)習(xí)等方面接近人腦的自組織和并行處理能力，它在模式識(shí)別、聚類分析和專家系統(tǒng)等方面已顯示出很好的前景。模糊控制理論突出對(duì)人的外在表達(dá)方式的描述，以模糊邏輯為基礎(chǔ)，抓住人腦思維的模糊性特點(diǎn)，用以模仿人的模糊綜合判斷推理來處理一般數(shù)學(xué)控制難以解決的模糊綜合控制。兩者之間存在著必然、密切的聯(lián)系。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)之一是不依賴于控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，它

39、是通過學(xué)習(xí)，將輸入與輸出以權(quán)值的方式編碼，將它們關(guān)聯(lián)起來，但以網(wǎng)絡(luò)的表達(dá)權(quán)值難以理解為代價(jià)換取的，從權(quán)值很難知道網(wǎng)絡(luò)編碼的內(nèi)容是什么。另一個(gè)問題是它的訓(xùn)練樣本如何從專家那里取來，如何表達(dá)成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能接受的知識(shí)，怎么知道它們是否可靠和具有代表性，還不清楚，有用的信息是如何存儲(chǔ)在網(wǎng)絡(luò)中的各神經(jīng)元中的，其機(jī)理尚不清楚，因此關(guān)于神經(jīng)結(jié)構(gòu)的選擇缺乏充分的理論分析，究竟選擇幾層？每層有多少個(gè)神經(jīng)元為可行？對(duì)此目前只能憑經(jīng)驗(yàn)。</p>

40、<p>　　由于以上缺點(diǎn)，不采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。</p><p>　?。?） PID 控制算法</p><p>　　本文對(duì)工業(yè)對(duì)象中主要的被控參數(shù)電阻爐溫度進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了硬件電路和軟件程序。硬件電路選用8051單片機(jī)，軟件程序采用中斷查詢方式。提出了一種PID控制的方法，即是調(diào)節(jié)kp一個(gè)參數(shù)，來實(shí)現(xiàn)PID控制。與常規(guī)PID三個(gè)參數(shù)調(diào)節(jié)整相比，省時(shí)、高效，為實(shí)現(xiàn)簡易的自整定控制帶

41、來方便。電阻爐爐溫為一階慣性純滯后系統(tǒng)，調(diào)節(jié)kp的值，可得到較為理想的階躍響應(yīng)曲線。</p><p>　　熱電阻爐的發(fā)熱體為電阻絲，常規(guī)方式多采用模擬儀表測(cè)量溫度，并通過控制交流接觸器的通斷時(shí)間比例來控制加熱功率，此方法存在某些固有的缺點(diǎn)，如溫度與儀表值不符，溫度延遲等問題。而采用微機(jī)進(jìn)行爐溫控制，可大大提高控制質(zhì)量和自動(dòng)化水平，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。由于模擬儀表本身的測(cè)量精度差，加上交流接觸器的壽命短，通斷比例低

42、，故溫度控制精度低，且無法實(shí)現(xiàn)按程序設(shè)定的升溫線升溫和故障自診斷功能。本文提出的爐溫控制系統(tǒng)采用高精度放大器及A/D轉(zhuǎn)化器以獲得較高的測(cè)溫精度，并采用傳感器對(duì)熱電偶進(jìn)行冷端補(bǔ)償，利用單片機(jī)8051實(shí)現(xiàn)控制算法，按設(shè)定值、所測(cè)溫度值、溫度變化速率，自動(dòng)進(jìn)行P參數(shù)自整定和運(yùn)算，按程序設(shè)定溫度曲線升溫，具有鍵盤輸人及顯示功能，使用雙向?qū)煽毓鑼?shí)現(xiàn)加熱功率控制，顯著提高了測(cè)量精度。</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用單片微

43、型計(jì)算機(jī)、雙向可控硅調(diào)功、動(dòng)態(tài)給定和變參數(shù)的PID控制系統(tǒng)，與以前常用的模擬控制系統(tǒng)比較，不但控制精確（本系統(tǒng)恒溫期間溫度波動(dòng)可≤±1攝氏度ºC）較高，編程簡單方便，大大減輕運(yùn)行工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且能降低電耗（本系統(tǒng)電耗低于10%以上），有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，使電阻爐的溫度控制提高到一個(gè)新的水平。</p><p>　　2.7 總體方案總結(jié)</p><p>　　本系

44、統(tǒng)由單片機(jī)AT89C52、溫度檢測(cè)電路、鍵盤顯示及報(bào)警電路、時(shí)鐘電路、溫度控制電路等部分組成。系統(tǒng)中采用了新型元件,功能強(qiáng)、精度高、硬件電路簡單。其硬件系統(tǒng)框圖如圖所示。</p><p>　　電阻加熱爐溫度控制系統(tǒng)系統(tǒng)框圖</p><p>　　在系統(tǒng)中, 利用熱電偶測(cè)得電阻爐實(shí)際溫度并轉(zhuǎn)換成毫伏級(jí)電壓信號(hào)。該電壓信號(hào)經(jīng)過溫度檢測(cè)電路轉(zhuǎn)換成與爐溫相對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)進(jìn)入單片機(jī),單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理

45、后,通過液晶顯示器顯示溫度并判斷是否報(bào)警,同時(shí)將溫度與設(shè)定溫度比較,根據(jù)設(shè)定的PID 算法計(jì)算出控制量, 根據(jù)控制量通過控制固態(tài)繼電器的導(dǎo)通和關(guān)閉從而控制電阻絲的導(dǎo)通時(shí)間, 以實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫的控制。該系統(tǒng)中的時(shí)鐘電路可以根據(jù)要求進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)時(shí)。</p><p>　　電阻加熱爐溫度控制系統(tǒng)基本主要由溫度檢測(cè)系統(tǒng)，信號(hào)處理系統(tǒng)，輸入輸出系統(tǒng)，輸出控制系統(tǒng)四部分組成。溫度檢測(cè)主要由溫度傳感器構(gòu)成，根據(jù)精度及測(cè)量范圍的要求選擇

46、也不同，可以是熱電偶式的，也可以是熱電阻式的，還可以是熱敏電阻或集成溫度傳感器器件的等等。</p><p>　　在信號(hào)處理系統(tǒng)原理上無外乎是信號(hào)的放大，數(shù)模轉(zhuǎn)換，微機(jī)處理一系列環(huán)節(jié)，根據(jù)不同的要求其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也不同，但基本都是遵循這條原則。</p><p>　　輸入輸出可根據(jù)不同的需要和不同的場(chǎng)合來設(shè)計(jì)，在精度要求高，設(shè)置要求快的環(huán)境下可使用多鍵鍵盤和LCD液晶顯示，在精度和速度要求不高的情

47、況下則可使用簡易鍵盤和LED數(shù)碼管顯示，輸出方面在精度要求高的情況下采用連續(xù)調(diào)節(jié)電阻兩端的電壓進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，而精度要求不是很高的情況下則是通過控制電阻兩端電壓的通斷來進(jìn)行對(duì)溫度的控制。</p><p><b>　　第三章 元件簡介</b></p><p>　　3.1 AT89C51單片機(jī)</p><p><b>　　3．1．1 概述&

48、lt;/b></p><p>　　AT89C51是一個(gè)低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時(shí)內(nèi)含2個(gè)外中斷口，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，2個(gè)全雙工串行通信口。片內(nèi)含4k bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存

49、儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，內(nèi)置功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT89C51提供了高性價(jià)比的解決方案。</p><p>　　3．1．2 主要特性</p><p>　　AT89C51的主要特性如下： </p><p>　　?壽命達(dá)1000寫/擦循環(huán)</p><p>　　?數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年

50、</p><p>　　?全靜態(tài)工作：0Hz－24MHz </p><p>　　?三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定</p><p>　　?128×8位內(nèi)部RAM </p><p>　　?32可編程I/O線 </p><p>　　?2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器</p><p><b>　　?6個(gè)中

51、斷源</b></p><p><b>　　?可編程串行通道</b></p><p>　　?低功耗閑置和掉電模式</p><p>　　?片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路</p><p>　　3．1．3 引腳功能</p><p>　　AT89C51引腳排列如圖所示，引腳功能如下： </p>

52、<p>　　VCC（40）：＋5V</p><p>　　GND（20）：接地</p><p>　　P0口（39－32）：P0口為8位漏極開路雙向I/O口，每個(gè)引腳可吸收8個(gè)TTL門電流。 </p><p>　　P1口（1－8）：P1口是從內(nèi)部提供上拉電阻器的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收和輸出4個(gè)TTL門電流。 </p><p

53、>　　P2口（21－28）：P2口為內(nèi)部上拉電阻器的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收和輸出4個(gè)TTL門電流。 </p><p>　　P3口（10－17）：P3口是8個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻器的雙向I/O口，可接收和輸出4個(gè)TTL門電流，P3口也可作為AT89C51的特殊功能口。 </p><p>　　RST（9）：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位時(shí)，要保持RST引腳2個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 &

54、lt;/p><p>　　ALE/PROG（30）：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)，在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6，它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的，要注意的是，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過1個(gè)ALE脈沖。 PSEN（29）：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取值期間，每個(gè)機(jī)

55、器周期2次PSEN有效，但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這2次有效的PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。</p><p>　　EA/VPP（31）：當(dāng)EA保持低電平時(shí)，外部程序存儲(chǔ)器地址為（0000H－FFFFH）不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。</p><p>　　XTAL1（19）：反向振蕩器放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 </p>

56、;<p>　　XTAL2（18）：來自反向振蕩器的輸出。 </p><p>　　3.2 EN_TC1602液晶顯示器</p><p><b>　　3.2.1基本原理</b></p><p>　　液晶板上排列著若干5×7 或5×10 點(diǎn)陣的字符顯示位,每個(gè)顯示位可顯示1 個(gè)字符，從規(guī)格上分為每行8、16、20、2

57、4、32、40 位，有一行、兩行及四行三類。</p><p>　　接口方面，有8 條數(shù)據(jù)，三條控線?？膳c微處理器或微控制相連,通過送入相應(yīng)的數(shù)據(jù)和指令，就可使模塊正常工作。其與單片機(jī)的連接示意圖如下所示：</p><p>　　3.2.2引腳、指令功能</p><p><b>　　模塊引腳功能表：</b></p><p>

58、<b>　　寄存器選擇功能：</b></p><p>　　備注：忙標(biāo)志為“1”時(shí)，表明正在進(jìn)行內(nèi)部操作，此時(shí)不以輸入指令或數(shù)據(jù)，要等內(nèi)部操作結(jié)束忙標(biāo)志“0”時(shí)。</p><p>　　格式：RS R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 共11種指令：清除、返回、輸入方式設(shè)置、顯示開關(guān)、控制、移位、功能設(shè)置、CGRAM 地址設(shè)置、DDRAM

59、 地址設(shè)置、DDRAM 地址設(shè)置、讀忙地址和地址、寫數(shù)據(jù)到CG/DDRAM、讀數(shù)據(jù)由CG/DDRAM。</p><p>　　3.3 驅(qū)動(dòng)芯片MC1413</p><p>　　MC1413是一種高電壓，大電流的大林頓管陣列集成驅(qū)動(dòng)集成電路，這7組NPN達(dá)林頓晶體管陣列通過合適的連接，廣泛的應(yīng)用在打印機(jī)、繼電器等各種工業(yè)和消費(fèi)應(yīng)用驅(qū)動(dòng)電路中。據(jù)偶較高的擊穿電壓，峰值浪涌電流為500 mA的驅(qū)

60、動(dòng)器允許它們驅(qū)動(dòng)白熾燈。此集成電路為集電極開路輸出。正電源經(jīng)負(fù)載接在輸出端上。與輸出端對(duì)應(yīng)的輸入端為高電平時(shí)，輸出端為低電平，拉入負(fù)載電流。其管腳示意圖如下：</p><p>　　其性能參數(shù)如下表所示：</p><p>　　3.4 MAX6675</p><p>　　MAX6675是一復(fù)雜的單片熱電偶數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要包括：低噪聲電壓放大器A1、

61、電壓跟隨器A2、冷端溫度補(bǔ)償二極管、基準(zhǔn)電壓源、12位AD轉(zhuǎn)換器、SPI串行接口、模擬開關(guān)及數(shù)字控制器。</p><p>　　其工作原理如下：K型熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)，經(jīng)過低噪聲電壓放大器A1和電壓跟隨器A2放大、緩沖后，得到熱電勢(shì)信號(hào)U1，再經(jīng)過S4送至ADC。。對(duì)于K型熱電偶，電壓變化率為(41μV/℃)，電壓可由如下公式來近似熱電偶的特性。</p><p>　　U1=(41μV/℃)&

62、#215;(T-T0)</p><p>　　上式中，U1為熱電偶輸出電壓（mV），T是測(cè)量點(diǎn)溫度；T0是周圍溫度。</p><p>　　在將溫度電壓值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的溫度值之前，對(duì)熱電偶的冷端溫度進(jìn)行補(bǔ)償，冷端溫度即是MAX6675周圍溫度與0℃實(shí)際參考值之間的差值。通過冷端溫度補(bǔ)償二極管，產(chǎn)生補(bǔ)償電壓U2經(jīng)S4輸入ADC轉(zhuǎn)換器。</p><p>　　U2=(41μV/

63、℃)×T0</p><p>　　在數(shù)字控制器的控制下，ADC首先將U1、U2轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,即獲得輸出電壓U0的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)就代表測(cè)量點(diǎn)的實(shí)際溫度值T。這就是MAX6675進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償和測(cè)量溫度的原理。</p><p>　　MAX6675是MAXIM公司新近開發(fā)出的一種K型熱電偶信號(hào)轉(zhuǎn)換器(IC)MAX6675，該轉(zhuǎn)換器集信號(hào)放大、冷端補(bǔ)償、A/D轉(zhuǎn)換于一體，直接輸出溫度的數(shù)字

64、信號(hào)，使溫度測(cè)量的前端電路變得十分簡單。</p><p>　　MAX6675的內(nèi)部由精密運(yùn)算放大器、基準(zhǔn)電源、冷端補(bǔ)償二極管、模擬開關(guān)、數(shù)字控制器及ADC電路構(gòu)成，完成熱電偶微弱信號(hào)的放大、冷端補(bǔ)償和A／D轉(zhuǎn)換功能。MAX6675采用8腳SO形式封裝，下圖為其引腳排列圖，T+接K型熱電偶的正極(鎳鉻合金)，T-接K型熱電偶的負(fù)極(鎳硅合金或鎳鋁合金)；片選信號(hào)端CS為高電平時(shí)啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換，低電平時(shí)允許數(shù)據(jù)輸出；S

65、CK為時(shí)鐘輸入端；SO為數(shù)據(jù)輸出端，溫度轉(zhuǎn)換后的12位數(shù)據(jù)由該腳以SPI方式輸出。</p><p>　　圖1 MAX6675的引腳圖</p><p>　　3.5 E 系列Z型SSR</p><p>　　固態(tài)繼電器（Solid State Relay,縮寫SSR）,是由微電子電路，分立電子器件，電力電子功率器件組成的無觸點(diǎn)開關(guān)。用隔離器件實(shí)現(xiàn)了控制端與負(fù)載端的隔離。

66、固態(tài)繼電器的輸入端用微小的控制信號(hào)，達(dá)到直接驅(qū)動(dòng)大電流負(fù)載。</p><p>　　如圖所示，固態(tài)繼電器有三部分組成:輸入電路，隔離(耦合)和輸出電路。按輸入電壓的不同類別，輸入電路可分為直流輸入電路，交流輸入電路和交直流輸入電路三種。有些輸入控制電路還具有與TTL/CMOS兼容，正負(fù)邏輯控制和反相等功能。固態(tài)繼電器的輸入與輸出電路的隔離和耦合方式有光電耦合和變壓器耦合兩種。固態(tài)繼電器的輸出電路也可分為直流輸出電路

67、，交流輸出電路和交直流輸出電路等形式。交流輸出時(shí)，通常使用兩個(gè)可控硅或一個(gè)雙向可控硅，直流輸出時(shí)可使用雙極性器件或功率場(chǎng)效應(yīng)管。</p><p>　　E 系列固態(tài)繼電器是直流輸入控制，交流過零導(dǎo)通，過零關(guān)斷輸出型無觸點(diǎn)繼電器，因此，具有di/dt 的比值小，啟動(dòng)性能平穩(wěn)，對(duì)電網(wǎng)輻射干擾小，關(guān)斷時(shí)可降低感性負(fù)載的反電動(dòng)勢(shì)，對(duì)用電器和固態(tài)繼電器都有一定的保護(hù)作用等優(yōu)點(diǎn)，是控制一般用電器，如電動(dòng)機(jī)、加熱器、白熾燈的首選

68、器件。　　“交流調(diào)功”是一種Z型SSR普遍采用的方法，也能實(shí)現(xiàn)PID調(diào)節(jié)。即在固定周期內(nèi)控制交流正弦電流半波個(gè)數(shù),達(dá)到調(diào)功目的。模擬電路常采用電壓比較器,將一個(gè)固定周期的鋸齒電壓和來自前級(jí)誤差電壓作比較,輸出方波實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。在計(jì)算機(jī)上采用計(jì)時(shí)算法產(chǎn)生占空比可調(diào)的方波脈沖擊來實(shí)現(xiàn)。例如日本的SHIMADEW和OMRON公司的SR22、FD20、E5系列智能化控溫產(chǎn)品配合Z型SSR，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)“自動(dòng)翻轉(zhuǎn)”控制,即通過計(jì)算機(jī)產(chǎn)生擾動(dòng)，算出最佳

69、PID控制參數(shù)。</p><p>　　3.6 Ｋ型（鎳鉻－鎳硅）熱電偶</p><p>　　兩種不同成份的導(dǎo)體（稱為熱電偶絲材或熱電極）兩端接合成回路，當(dāng)接合點(diǎn)的溫度不同時(shí)，在回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，而這種電動(dòng)勢(shì)稱為熱電勢(shì)。熱電偶就是利用這種原理進(jìn)行溫度測(cè)量的，其中，直接用作測(cè)量介質(zhì)溫度的一端叫做工作端（也稱為測(cè)量端），另一端叫做冷端（也稱為補(bǔ)償端）；冷端與顯示儀表或配

70、套儀表連接，顯示儀表會(huì)指出熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)。熱電偶實(shí)際上是一種能量轉(zhuǎn)換器，它將熱能轉(zhuǎn)換為電能，用所產(chǎn)生的熱電勢(shì)測(cè)量溫度。</p><p>　　熱電偶是一種感溫元件，是一次儀表。它直接測(cè)量溫度，并把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào), 通過電氣儀表（二次儀表）轉(zhuǎn)換成被測(cè)介質(zhì)的溫度。在熱電偶回路中接入第三種金屬材料時(shí)，只要該材料兩個(gè)接點(diǎn)的溫度相同，熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)將保持不變，即不受第三種金屬接入回路中的影響。因此，在

71、熱電偶測(cè)溫時(shí)，可接入測(cè)量儀表，測(cè)得熱電動(dòng)勢(shì)后，即可知道被測(cè)介質(zhì)的溫度?！　犭娕紲y(cè)量溫度時(shí)要求其冷端（測(cè)量端為熱端，通過引線與測(cè)量電路連接的端稱為冷端）的溫度保持不變，其熱電勢(shì)大小才與測(cè)量溫度呈一定的比例關(guān)系。若測(cè)量時(shí)，冷端的（環(huán)境）溫度變化，將嚴(yán)重影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。在冷端采取一定措施補(bǔ)償由于冷端溫度變化造成的影響稱為熱電偶的冷端補(bǔ)償。</p><p>　?。诵蜔犭娕紝儆跇?biāo)準(zhǔn)化熱電偶的一種，其中K是指材料為鎳鉻

72、和鎳硅，測(cè)溫范圍是 -200-+1000°C，是工業(yè)生產(chǎn)中最常用的溫度傳感器，具有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、使用方便、測(cè)溫范圍寬等特點(diǎn)。目前，在以Ｋ型熱電偶為測(cè)溫元件的工業(yè)測(cè)溫系統(tǒng)中，熱電偶輸出的熱電勢(shì)信號(hào)必須經(jīng)過中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，才能輸入基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)。中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)包括信號(hào)放大、冷端補(bǔ)償、線性化及數(shù)字化等幾個(gè)部分，實(shí)際應(yīng)用中，由于中間環(huán)節(jié)較多，調(diào)試較為困難，系統(tǒng)的抗干擾性能往往也不理想。在本次設(shè)計(jì)中，采用了MAXIM公司新近推

73、出的MAX6675，它是一個(gè)集成了熱電偶放大器、冷端補(bǔ)償、A/D轉(zhuǎn)換器及SPI串口的熱電偶放大器與數(shù)字轉(zhuǎn)換器，可以直接與單片機(jī)接口，大大簡化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，保證了溫度測(cè)量的快速、準(zhǔn)確。 </p><p>　　3.7 MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片</p><p>　　串口通訊作為一種古老而又靈活的通訊方式，被廣泛地應(yīng)用于PC間的通訊以及PC和單片機(jī)之間的通訊之中，由于PC機(jī)端的RS232電平與單片機(jī)

74、端TTL的并不不匹配，故應(yīng)注意電平轉(zhuǎn)換。而MAX232芯片是美信公司專門為電腦的RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的接口電路,使用+5v單電源供電。該器件包含2驅(qū)動(dòng)器、2接收器和一個(gè)電壓發(fā)生器電路提供TIA/EIA-232-F電平。該器件符合TIA/EIA-232-F標(biāo)準(zhǔn)，每一個(gè)接收器將TIA/EIA-232-F電平轉(zhuǎn)換成5-V TTL/CMOS電平。每一個(gè)發(fā)送器將TTL/CMOS電平轉(zhuǎn)換成TIA/EIA-232-F電平。 </p>

75、<p>　　3.8 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器2817A</p><p>　　片內(nèi)的資源如不滿足需要，需外擴(kuò)存儲(chǔ)器和I/O功能部件：系統(tǒng)外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展問題，又分為外部程序存儲(chǔ)器和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，2817A既可作為外部的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，又可作為程序存儲(chǔ)器。</p><p><b>　　2817A管腳圖</b></p><p>　　3.9 并行接口

76、芯片8255</p><p>　　8255是Intel公司生產(chǎn)的可編程并行I/O接口芯片，有3個(gè)8位并行I/O口。具有3個(gè)通道3種工作方式的可編程并行接口芯片（40引腳）。 其各口功能可由軟件選擇，使用靈活，通用性強(qiáng)。8255可作為單片機(jī)與多種外設(shè)連接時(shí)的中間接口電路。</p><p>　　3.9.1 8255工作特性</p><p>　　(1)一個(gè)并行輸入/輸出的

77、LSI芯片,多功能的I/O器件,可作為CPU總線與外圍的接口.　　(2)具有24個(gè)可編程設(shè)置的I/O口,即使3組8位的I/O口為PA口,PB口和PC口.它們又可分為兩組12位的I/O口,A組包括A口及C口(高4位,PC4~PC7),B組包括B口及C口(低4位,PC0~PC3).A組可設(shè)置為基本的I/O口,閃控(STROBE)的I/O閃控式,雙向I/O3種模式;B組只能設(shè)置為基本I/O或閃控式I/O兩種模式,而這些操作模式完全由控制寄存

78、器的控制字決定。</p><p>　　3.9.2 8255管腳功能</p><p>　　8255A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳</p><p>　　RESET:復(fù)位輸入線，當(dāng)該輸入端處于高電平時(shí)，所有內(nèi)部寄存器（包括控制寄存器）均被清除，所有I/O口均被置成輸入方式?！　S:芯片選擇信號(hào)線，當(dāng)這個(gè)輸入引腳為低電平時(shí),即/CS=0時(shí),表示芯片被選中，允許8255與CPU進(jìn)行

79、通訊;/CS=1時(shí),8255無法與CPU做數(shù)據(jù)傳輸.　　RD:讀信號(hào)線，當(dāng)這個(gè)輸入引腳為低電平時(shí),即/RD=0且/CS=0時(shí),允許8255通過數(shù)據(jù)總線向CPU發(fā)送數(shù)據(jù)或狀態(tài)信息，即CPU從8255讀取信息或數(shù)據(jù)?！　R:寫入信號(hào)，當(dāng)這個(gè)輸入引腳為低電平時(shí),即/WR=0且/CS=0時(shí),允許CPU將數(shù)據(jù)或控制字寫入8255。　　D0～D7:三態(tài)雙向數(shù)據(jù)總線，8255與CPU數(shù)據(jù)傳送的通道，當(dāng)CPU 執(zhí)行輸入輸出指令時(shí)，通過它實(shí)現(xiàn)8位

80、數(shù)據(jù)的讀/寫操作，控制字和狀態(tài)信息也通過數(shù)據(jù)總線傳送?！　A0～PA7:端口A輸入輸出線，一個(gè)8位的數(shù)據(jù)輸出鎖存器/緩沖器， 一個(gè)8位的數(shù)據(jù)輸入鎖存器?！　B0～PB7:端口B輸入輸出線，一個(gè)8位的I/O鎖存器， 一個(gè)8位的輸入輸出緩沖器?！　C0～PC7:端口C輸入輸出線，一個(gè)8位的數(shù)據(jù)輸出鎖存器/緩沖器， 一個(gè)8</p><p>　　第四章 硬件電路設(shè)計(jì)</p><p>　

81、　4.1 輸入電路硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　輸入電路系統(tǒng)前向通道，主要由MAX6675和熱電偶組成。MAX6675是MAXIM公司開發(fā)的K型熱電偶轉(zhuǎn)換器，集成了濾波器、放大器等，并帶有熱電偶斷線檢測(cè)電路，自帶冷端補(bǔ)償，能將K型熱電偶輸出的電勢(shì)直接轉(zhuǎn)換成12位數(shù)字量，分辨率0.25℃。溫度數(shù)據(jù)通過SPI端口輸出給單片機(jī),其冷端補(bǔ)償?shù)姆秶?20～80℃,測(cè)量范圍是0～+1023.75℃。表１為MAX6675的引

82、腳功能圖。</p><p>　　表１ MAX6675的引腳功能圖</p><p>　　圖２為本系統(tǒng)中溫度檢測(cè)電路</p><p>　　當(dāng)P2.5為低電平且P2.４口產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖時(shí)，MAX6675的SO腳輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。在每一個(gè)脈沖信號(hào)的下降沿輸出一個(gè)數(shù)據(jù)，16個(gè)脈沖信號(hào)完成一串完整的數(shù)據(jù)輸出，先輸出高電位D15，最后輸出的是低電位D0，D14-D3為相應(yīng)的溫度轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)

83、。當(dāng)P2.5為高電平時(shí)，MAX6675開始進(jìn)行新的溫度轉(zhuǎn)換。在應(yīng)用MAX6675時(shí)，應(yīng)該注意將其布置在遠(yuǎn)離其它I/O芯片的地方，以降低電源噪聲的影響；MAX6675的T-端必須接地，而且和該芯片的電源地都是模擬地，不要和數(shù)字地混淆而影響芯片讀數(shù)的準(zhǔn)確性。</p><p>　　4.2 鍵盤、顯示和報(bào)警電路</p><p>　　本系統(tǒng)采用4*4鍵盤，由單片機(jī)I/O口控制，可通過鍵盤設(shè)置測(cè)量溫度

84、上、下限。顯示器選用點(diǎn)陣字符型液晶顯示器TC1602，系統(tǒng)中將擴(kuò)展芯片8155的P0 口、PC.0～PC.2口與TC1602接口相連，TC1602的顯示形式是16*2行,可顯示爐溫。報(bào)警電路是將單片機(jī)的I/O口與驅(qū)動(dòng)芯片MC1413相連，通過MC1413驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，各電路如圖3中所示。</p><p>　　4*4鍵盤電路原理圖</p><p>　　AT89C51與1602的接線原理圖<

85、;/p><p>　　4.3 輸出控制電路設(shè)計(jì) </p><p>　　控溫電路包括驅(qū)動(dòng)芯片MC1413、過零型交流固態(tài)繼電器（Z型SSR）。報(bào)警和控溫電路如圖3中所示。Z型SSR內(nèi)部含有過零檢測(cè)電路，當(dāng)加入控制信號(hào)，且負(fù)載電源電壓過零時(shí)，SSR才能導(dǎo)通；而控制信號(hào)斷開后，SSR在交流電正負(fù)半周交界點(diǎn)處斷開。也就是說，當(dāng)Z型SSR在1秒內(nèi)為全導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，其被觸發(fā)頻率為100HZ；當(dāng)Z型SSR在1秒

86、內(nèi)導(dǎo)通時(shí)間為0.5秒時(shí)，其被觸發(fā)頻率為50HZ。在本系統(tǒng)中，采用PID控制算法，通過改變Z型SSR在單位時(shí)間內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間達(dá)到改變電阻爐的加熱功率、調(diào)節(jié)爐內(nèi)溫度的目的。本次設(shè)計(jì)中AT89C51對(duì)溫度的控制是通過控制Z型SSR的通斷實(shí)現(xiàn)的。如單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)電路原理圖所示，SSR和加熱絲串接在交流220v、50HZ的用電回路上。在給定周期T內(nèi)，只要改變SSR的接通時(shí)間即可改變加熱絲的功率，以達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的。SSR的接通時(shí)間可以通過AT

87、89C51在控制回路中加觸發(fā)脈沖控制。該觸發(fā)脈沖由AT89C51用軟件在輸出管腳上產(chǎn)生。</p><p>　　溫度控制電路原理圖 </p><p>　　4.4 單片機(jī)與PC機(jī)通訊電路設(shè)計(jì)</p><p>　　MAX232與PC連接電路圖</p><p>　　4.5 單片機(jī)時(shí)鐘和復(fù)位電路</p><p>　　單片機(jī)的時(shí)鐘

88、電路由振蕩電路和分頻電路組成。其中振蕩電路由反相器以及并聯(lián)外接的石英晶體和電容構(gòu)成，用于產(chǎn)生震蕩脈沖。而分頻電路則用于把震蕩脈沖分頻，已得到所需要的時(shí)鐘信號(hào)。AT89C51芯片中的高增益反響放大器，其輸入端為引腳XTAL1,輸出端為引腳XTAL2。通過這兩個(gè)引腳在芯片外并接石英晶體振蕩器和兩只電容器（電容C1和電容C2一般取30pF）。石英晶體為一感性元件，與電容構(gòu)成震蕩電路。</p><p>　　復(fù)位是單片機(jī)的

89、硬件初始化操作。經(jīng)過撫慰操作后，單片機(jī)系統(tǒng)才能開始正常工作。AT89C51有復(fù)位引腳RST，用于從外界引入復(fù)位信號(hào)。復(fù)位操作比較簡單，只有兩種復(fù)位方式，即加電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位。在實(shí)際系統(tǒng)中，總是把加電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位相結(jié)合，形成一個(gè)即可以加電復(fù)位又能手動(dòng)復(fù)位的復(fù)合電路。本系統(tǒng)中采用了一種常用的按鍵電平復(fù)位電路。</p><p>　　AT89C51的起振電路與復(fù)位電路原理圖</p><p>　　

90、4.6 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展電路</p><p>　　外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擬選擇2817A，2817A既可作為外部的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，又可作為程序存儲(chǔ)器。通過P1.0查詢2817A的RDY/BUSY*狀態(tài)，來完成對(duì)2817A的寫操作。片選信號(hào)由P2.7提供。</p><p>　　MCS-51外擴(kuò)2817A電路圖</p><p>　　4.7 可編程并行接口芯片電路圖</p&

91、gt;<p>　　8255作為主機(jī)與外設(shè)的連接芯片，必須提供與主機(jī)相連的3個(gè)總線接口，即數(shù)據(jù)線、地址線、控制線接口。同時(shí)必須具有與外設(shè)連接的接口A、B、C口。由于8255可編程,所以必須具有邏輯控制部分，因而8255內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為3個(gè)部分：與CPU連接部分、與外設(shè)連接部分、控制部分。</p><p>　　單片機(jī)與8255的連接示意圖</p><p><b>　　軟件設(shè)

92、計(jì)</b></p><p>　　5.1 系統(tǒng)總體流程圖</p><p>　　在系統(tǒng)軟件中，主程序完成系統(tǒng)初始化和電爐絲的導(dǎo)通和關(guān)斷；爐溫測(cè)定和顯示、鍵盤輸入、控制算法等都由子程序來完成；中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)定時(shí)測(cè)溫。流程圖如圖4所示。</p><p><b>　　軟件設(shè)計(jì)流程圖</b></p><p>　　5.2

93、 PID調(diào)節(jié)的各個(gè)環(huán)節(jié)及其調(diào)節(jié)過程 </p><p>　　5.2.1 PID控制的原理和特點(diǎn)</p><p>　　工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)

94、，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象﹐或不能通過有效的測(cè)量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實(shí)際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。</p><p>　?。?）比例（P）控制</p><p>

95、;　　比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）。</p><p>　?。?）積分（I）控制</p><p>　　在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（System wi

96、th Steady-state Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分（PI）控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。</p><p>　　（3）微分（D）控制</p><p>　　

97、在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 </p><p>　　自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后（delay）組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)

98、的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+微分（PD）控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性。</p><p>　　5.2.2 比例控制及其調(diào)節(jié)過程</p><p>　　在人工調(diào)節(jié)的實(shí)踐中，如果能使閥門的開

99、度與被調(diào)參數(shù)偏差成比例的話，就有可能使輸出量等于輸入量，從而使被調(diào)參數(shù)趨于穩(wěn)定，達(dá)到平衡狀態(tài)。這種閥門開度與被調(diào)參數(shù)的偏差成比例的調(diào)節(jié)規(guī)律，稱為比例調(diào)節(jié)。</p><p>　　比例調(diào)節(jié)規(guī)律及其特點(diǎn)</p><p>　　比例調(diào)節(jié)作用，一般用字母P來表示。如果用一個(gè)數(shù)學(xué)式來表示比例調(diào)節(jié)作用，可寫成：</p><p><b>　?。?-1）</b>&

100、lt;/p><p>　　式中 ——調(diào)節(jié)器的輸出變化值；</p><p>　　——調(diào)節(jié)器的輸入，即偏差；</p><p>　　——比例調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)。</p><p>　　放大倍數(shù)是可調(diào)的，所以比例調(diào)節(jié)器實(shí)際上是一個(gè)放大倍數(shù)可調(diào)的放大器。</p><p>　　比例調(diào)節(jié)作用雖然及時(shí)、作用強(qiáng)，但是有余差存在，被調(diào)參數(shù)不能完全

101、回復(fù)到給定值，調(diào)節(jié)精度不高，所以有時(shí)稱比例調(diào)節(jié)為“粗調(diào)”。純比例調(diào)節(jié)只能用于干擾較小、滯后較小，而時(shí)間常數(shù)又不太小的對(duì)象。</p><p>　　5.2.3 比例積分調(diào)節(jié)</p><p>　　對(duì)于工藝條件要求較高余差不允許存在的情況下，比例作用調(diào)節(jié)器不能滿足要求了，克服余差的辦法是引入積分調(diào)節(jié)。</p><p>　　因?yàn)閱渭兊姆e分作用使過程緩慢，并帶來一定程度的振蕩，

102、所以積分調(diào)節(jié)很少單獨(dú)使用，一般都和比例作用組合在一起，構(gòu)成比例積分調(diào)節(jié)器，簡稱PI調(diào)節(jié)器，其作用特性可用下式表示：</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　這里，表示PI調(diào)節(jié)作用的參數(shù)有兩個(gè)：比例度P和積分時(shí)間。而且比例度不僅影響比例部分，也影響積分部分，使總的輸出既具有調(diào)節(jié)及時(shí)、克服偏差有力的特點(diǎn)，又具有克服余差的性能。</p>

103、;<p>　　由于它是在比例調(diào)節(jié)（粗調(diào)）的基礎(chǔ)上，有加上一個(gè)積分調(diào)節(jié)（細(xì)調(diào)），所以又稱再調(diào)調(diào)節(jié)或重定調(diào)節(jié)。但是，積分時(shí)間太小，積分作用就太強(qiáng)，過程振蕩劇烈，穩(wěn)定程度低；積分時(shí)間太大，積分作用不明顯，余差消除就很慢。如果把積分時(shí)間放到最大，PI調(diào)節(jié)器就喪失了積分作用，成了一個(gè)純比例調(diào)節(jié)器。</p><p>　　5.2.4 比例積分微分調(diào)節(jié)</p><p>　　微分調(diào)節(jié)的作用主要

104、是用來克服被調(diào)參數(shù)的容量滯后。在生產(chǎn)實(shí)際中，有經(jīng)驗(yàn)的工人總是既根據(jù)偏差的大小來改變閥門的開度大小（比例作用），同時(shí)又根據(jù)偏差變化速度的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。比如當(dāng)看到偏差變化很大時(shí)，就估計(jì)到即將出現(xiàn)很大的偏差而過量地打開（關(guān)閉）調(diào)節(jié)閥，以克服這個(gè)預(yù)計(jì)的偏差，這種根據(jù)偏差變化速度提前采取的行動(dòng)，意味著有“超前”作用，因而能比較有效地改善容量滯后比較大的調(diào)節(jié)對(duì)象的調(diào)節(jié)質(zhì)量。</p><p><b>　　什么是微分調(diào)

105、節(jié)？</b></p><p>　　微分調(diào)節(jié)是指調(diào)節(jié)器的輸出變化與偏差變化速度成正比，可用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示為： </p><p><b>　　（3-3）</b></p><p>　　式中： ——調(diào)節(jié)器的輸出變化值；</p><p><b>　　——微分時(shí)間；</b></p>

106、<p>　　——偏差信號(hào)變化的速度。</p><p>　　從上式可知，偏差變化的速度越大，微分時(shí)間越長，則調(diào)節(jié)器的輸出變化就越大。對(duì)于一個(gè)固定不變的偏差，不管其有多大，微分作用的輸出總是零，這是微分作用的特點(diǎn)。</p><p>　　由于實(shí)際微分器的比例度不能改變，固定為100%，微分作用也只在參數(shù)變化時(shí)才出現(xiàn)，所以實(shí)際微分器也不能單獨(dú)使用。一般都是和其它調(diào)節(jié)作用相配合，構(gòu)成比例微