電阻爐溫度控制系統硬件設計【畢業(yè)設計+開題報告+文獻綜述】

1、<p>　　本科畢業(yè)設計(論文)</p><p><b>　?。ǘ?屆）</b></p><p>　　電阻爐溫度控制系統硬件設計</p><p>　　所在學院 </p><p>　　專業(yè)班級 電氣工程及其自動化 </p>

2、<p>　　學生姓名 學號 </p><p>　　指導教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　電阻爐

3、被廣泛運用于當今國民經濟發(fā)展中，而大功率的電阻爐則運用于各種工業(yè)生產過程中。溫度控制系統是自動控制系統中很常見的一種控制類型，溫度控制系統在工業(yè)、農業(yè)及人們的日常生活中起到非常重要的作用，研究它具有重要意義。</p><p>　　本設計采用8051作為主控制芯片。用8155接口電路用于鍵盤/LED顯示器接口，通過可控硅調功器實現溫度控制電路。在給定周期內，8051改變可控硅管的接通時間便可改變加熱絲功率，達到調節(jié)

4、溫度的目的。系統采用PID溫度控制算法達到控制溫度的目的。</p><p>　　關鍵詞：單片機，溫度控制，PID調節(jié)</p><p>　　The Hardware Design of Resistance Furnace Temperature Control System </p><p><b>　　Abstract</b></p

5、><p>　　Resistance furnace is widely used for the national economy development, and high-power resistance furnace is used for industry production process. Temperature control system is the most common control sy

6、stem type of automatic control system. It makes an important function on industry, agriculture, and people′s daily life. So, it is important to research this task. </p><p>　　this design chooses 8051 as the m

7、ain control chip, 8155 interface circuit for the keyboard/LED display interface, and via SCR adjustable dynamometer control temperature. In a given cycle, 8051 could change the heater strip power through control the SCR

8、adjustable dynamometer closing time, and hit the mark of control temperature. This system adopts PID temperature control arithmetic to control temperature. </p><p>　　Keywords: Single chip，Temperature Contro

9、l , PID adjustment </p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　1 緒論I</b></p><p>　　1.1課

10、題的背景及意義I</p><p>　　1.2電阻爐溫度控制技術國內外發(fā)展現狀錯誤!未定義書簽。</p><p>　　1.3課題研究的主要內容與基本要求2</p><p>　　1.3.1 主要內容2</p><p>　　1.3.2 基本要求2</p><p>　　2電阻爐溫度控制系統總體設計方案3</p

11、><p>　　2.1系統的主要任務與目標3</p><p>　　2.2系統的原理3</p><p>　　2.2.1 電阻爐電加熱原理3</p><p>　　2.2.2 爐溫自動控制原理3</p><p>　　2.3電阻爐溫度控制系統的總體設計4</p><p><b>　　3系統

12、硬件設計6</b></p><p>　　3.1系統結構圖6</p><p>　　3.2 8051單片機6</p><p>　　3.3單片機的8155接口電路10</p><p>　　3.4溫度傳感器12</p><p>　　3.5 A/D轉換器13</p><p>　　3

13、.6溫度檢測電路15</p><p>　　3.7可控硅溫度控制電路18</p><p>　　3.8顯示電路和報警電路19</p><p>　　4 PID溫度控制21</p><p>　　4.1 PID基本控制原理21</p><p>　　4.2 PID 控制算法22</p><p>

14、　　5 系統軟件設計24</p><p>　　5.1 主程序26</p><p>　　5.2 中斷服務程序26</p><p>　　5.3 功能模塊程序25</p><p>　　5.4資源分配26</p><p><b>　　結論227</b></p><p>

15、　　參考文獻2錯誤!未定義書簽。</p><p>　　致謝2錯誤!未定義書簽。</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1課題的背景及意義</p><p>　　電阻爐是工農業(yè)生產中常用的電加熱設備。它廣泛應用于冶金、機械、石油化工、電力等行業(yè)，大功率的電阻爐應用于各種工業(yè)生產過程中。各個

16、領域對電阻爐溫度控制的精度、穩(wěn)定性、可靠性等要求也越來越高，溫度控制技術也成為現代科技發(fā)展中一項重要技術。溫度控制電路廣泛應用于社會生活的各個領域，所以對溫度進行控制是非常有必要和有意義的。</p><p>　　1.2電阻爐溫度控制技術國內外發(fā)展狀況</p><p>　　溫度控制技術發(fā)展共經歷了三個階段：一、定制開關控制；二、PID控制；三、智能控制。定制開關控制方法的原理是若所測溫度比設

17、定溫度低，則開啟控制開關加熱，反之則斷開控制開關。這種控溫方法簡單沒有考慮溫度變化的滯后性、慣性，導致系統控制精度低、超調量大、震蕩明顯。PID控制溫度的效果主要取決于P、I、D三個參數，對于控制大滯后、大慣性、時變性穩(wěn)定系統，控制品質則難以保證。電阻爐是由電阻絲加熱升溫，靠自然冷卻降溫，當電阻爐溫度超調時無法靠控制手段降溫因而電阻爐溫度控制具有非線性、滯后性、慣性、不確定性等特點。目前國內成熟的電阻爐溫度控制系統是以PID控制器為主，

18、PID控制對于小型實驗用的電阻爐控制效果良好，但對于大型工業(yè)電阻爐就難以保證電阻爐控制系統的精度、穩(wěn)定性等。智能控制是一類無需人的干預就能獨立驅動智能機械而實現其目標的自動控制，隨著科學技術和控制理論的發(fā)展，國外的溫度測控系統發(fā)展迅速，實現對溫度的智能控制。應用廣泛的穩(wěn)定智能控制方法有模糊控制、神經網絡控制、專家控制等，具有自適應、自學習、自協調等能力，保證控制系統的控制精度、抗干擾能力、穩(wěn)定性等性能。</p><p

19、>　　國際上從70年代就開始了電阻爐計算機控制系統的研究，近十年來，由于計算機技術的迅速發(fā)展，電阻爐計算機控制的應用也日趨廣泛，控制水平明顯提高，取得了一些應用成果。隨著數字計算機向小型、高速、大容量、低成本方向的發(fā)展，傳統的PID控制和現代控制理論都在不斷的發(fā)展，并取得了豐碩的成果。智能化、網絡化已成為發(fā)展的趨勢[1]。</p><p>　　80年代以后，國內對電阻爐的控制進行了廣泛的研究，并且隨著微型計

20、算機技術的發(fā)展，電阻爐計算機控制逐步進入實用化階段。目前，國內電阻爐控制系統的研究現狀如下：</p><p>　　隨著單片機、工業(yè)控制機、可編程控制器等先進控制系統的發(fā)展，逐步取代了以前大規(guī)模的繼電器、模擬式儀表。單片機也因其極高的性價比而受到人們的重視和關注“，獲得廣泛地應用和迅速地發(fā)展。單片機的優(yōu)點是體積小、重量輕、抗干擾能力強，對環(huán)境要求不高，價格低廉，可靠性高，靈活性好，開發(fā)較為容易。它的軟件編程比較簡單

21、，廣大工程技術人員通過學習單片機的知識后，就能根據自己的實際需要開發(fā)、設計一個單片機系統，并可獲得較高的經濟效益。正因為如此，在我國單片機已被廣泛地應用在工業(yè)自動化控制、自動檢測、智能儀表、家用電器等各個方面。它將成為智能儀器和中、小型控制系統中應用最多的一種微型計算機。</p><p>　　對傳統的負反饋、單一PID控制系統做了多種補充，從而使控制性能更佳。同時，越來越多的控制系統采用現代控制理論，最優(yōu)控制、自

22、適應控制、自校正控制器、自整定PID參數控制器，有些已成功地在工業(yè)中得以應用。</p><p>　　除了傳統的現場過程級閉環(huán)控制以外，電阻爐控制系統還具備了統一管理、數據存儲、報警記錄、報表生成等主要功能。管理系統應用的擴展，大大提高了電阻爐控制系統的應用性能和實用價值，提高了生產效率。</p><p>　　1.3課題研究的主要內容與基本要求</p><p>　　1

23、.3.1 主要內容</p><p>　　內容主要包括：利用單片機作為系統的主控制器，測量電路中的溫度反饋信號經A/D變換后，送入單片機中進行處理，經過一定的算法后，單片機的輸出用來控制加熱爐的輸出功率，從而實現對溫度的控制。 </p><p>　　1.3.2 基本要求</p><p>　　基本要求：設計采樣、溫度測量、鍵盤顯示、加熱控制系統，單片機的開發(fā)及系統應用軟

24、件的開發(fā)等。</p><p>　　1、溫度控制系統的總體設計和思路； 2、各部分原理說明； 3、溫度控制系統的硬件設計，需要有理論依據，有分析計算過程，選擇的主要元件要有原理和說明，所有元件必須有型號和參數，各部分硬件連線電路圖； 4、溫度控制系統的軟件設計，使用匯編語言或C語言編程。主要軟件必須能在設計制作的硬件電路上正確運行 。</p><p>　　2電阻爐溫度控制系統

25、總體設計方案</p><p>　　2.1系統的主要任務與目標</p><p>　　本單片機溫度控制系統的目標是，系統要求爐膛恒溫，可通過按鍵改變爐溫設定值，對加熱器加熱溫度調整范圍為0℃～500℃，溫度控制精度小于1℃，能實時顯示測量溫度，溫度超過上下限值時自動報警。設計須能進行人機對話，考慮到本系統控制對象為電爐，是一個大延遲環(huán)節(jié)，且溫度調節(jié)范圍較寬，所以本系統對過渡過程時間不予要求。&

26、lt;/p><p>　　2.2電阻爐溫度控制系統原理</p><p>　　2.2.1 電阻爐電加熱原理</p><p>　　當電流在導體中流過時，因為任何導體均存在電阻，電能即在導體中形成損耗，轉換為熱能，按焦耳楞次定律： </p><p>　　Q＝0．2412 Rt Q—熱能，卡； </p><p><b>　

27、　I一電流，安培 ；</b></p><p><b>　　R一電阻，歐姆； </b></p><p><b>　　t一時間，秒。 </b></p><p>　　按上式推算，當1千瓦小時的電能，全部轉換為熱能時Q＝(0．24×1000×36000)／1000=864千卡。 </p>

28、<p>　　在電熱技術上按l千瓦小時＝860千卡計算。電阻爐在結構上是使電能轉換為熱能的設備，它能有效地用來加熱指定的工件，并保持高的效率。 </p><p>　　2.2.2 爐溫自動控制原理</p><p>　　根據爐溫對給定溫度的偏差，自動接通或斷開供給爐子的熱源能量，或連續(xù)改變熱源能量的大小，使爐溫穩(wěn)定有給定溫度范圍，以滿足熱處理工藝的需要。溫度自動控制常用調節(jié)規(guī)律有二

29、位式、三位式、比例、比例積分和比例積分微分等幾種。電阻爐爐溫控制是這樣一個反饋調節(jié)過程，比較實際爐溫和需要爐溫得到偏差，通過對偏差的處理獲得控制信號，去調節(jié)電阻爐的熱功率，從而實現對爐溫的控制。按照偏差的比例、積分和微分產生控制作用（PID控制），是過程控制中應用最廣泛的一種控制形式。</p><p>　　系統控制程序采用兩重中斷嵌套方式設計。首先使T0計數器產生定時中斷，作為本系統的采樣周期。在中斷服務程序中啟

30、動A/D，讀入采樣數據，進行數字濾波、上下限報警處理，PID計算，然后輸出控制脈沖信號。脈沖寬度由T1計數器溢出中斷決定。在等待T1中斷時，將本次采樣值轉換成對應的溫度值放入顯示緩沖區(qū)，然后調用顯示子程序。從T1中斷返回后，再從T0中斷返回主程序并且、繼續(xù)顯示本次采樣溫度，等待下次T0中斷。</p><p>　　二位式調節(jié)--它只有開、關兩種狀態(tài)，當爐溫低于限給定值時執(zhí)行器全開；當爐溫高于給定值時執(zhí)行器全閉。（執(zhí)

31、行器一般選用接觸器）</p><p>　　三位式調節(jié)--它有上下限兩個給定值，當爐溫低于下限給定值時招待器全開；當爐溫在上、下限給定值之間時執(zhí)行器部分開啟；當爐溫超過上限給定值時執(zhí)行器全閉。（如管狀加熱器為加熱元件時，可采用三位式調節(jié)實現加熱與保溫功率的不同）</p><p>　　比例調節(jié)（P調節(jié)）--調節(jié)器的輸出信號（M）和偏差輸入（e）成比例。即：M=k式中：K-----比例系數。&l

32、t;/p><p>　　比例調節(jié)器的輸入、輸出量之間任何時刻都存在--對應的比例關系，因此爐溫變化經比例調節(jié)達到平衡時，爐溫不能加復到給定值時的偏差--稱“靜差”。</p><p>　　比例積分（PI）調節(jié)--為了“靜差”，在比例調節(jié)中添加積分（I）調節(jié)積分，調節(jié)是指調節(jié)器的輸出信號與偏差存在隨時間的增長而增強，直到偏差消除才無輸出信號，故能消除“靜差”比例調節(jié)和積分調節(jié)的組合稱為比例積分調節(jié)。

33、</p><p>　　比例積分微分（PID）調節(jié)--比例積分調節(jié)會使調節(jié)過程增長，溫度的波動幅值增大，為此再引入微分（D）調節(jié)。微分調節(jié)是指調節(jié)器的輸出與偏差對時間的微分成比例，微分調節(jié)器在溫度有變化“苗頭”時就有調節(jié)信號輸出，變化速度越快、輸出信號越強，故能加快調節(jié)速度，降低溫度波動幅度，比例調節(jié)、積分調節(jié)和微分調節(jié)的組合稱為比例積分微分調節(jié)。（一般采用晶閘管調節(jié)器為執(zhí)行器）。</p><p

34、>　　根據生產現場的運行情況，這種控溫方法，精度比較高，系統性能穩(wěn)定，滿足生產的實際需要。主要設備:熱電偶或熱電阻,智能PID溫控儀,可控硅觸發(fā)調功器等。</p><p>　　2.3電阻爐溫度控制系統的總體設計</p><p>　　單片機溫度系統主要是通過溫度傳感器對溫度進行采集，把溫度轉換成變化的電壓，然后由放大器將信號放大，通過A/D轉換器，將模擬溫度電壓信號轉化為對應的數字溫度

35、信號電壓。經過計算機進行數據轉換，得到應有的控制量，去控制加熱功率，從而實現對溫度的控制。同時，超過上下限時進行自動報警，控制中自動顯示溫度值。</p><p>　　單片機溫度控制系統框圖如下圖2-1所示：</p><p>　　圖2-1 單片機溫度控制系統框圖</p><p>　　其中，單片機功能包括向溫度傳感器寫入各種控制命令、讀取溫度數據、數據處理，還要對執(zhí)行單

36、元進行控制。它是整個系統的控制核心及數據處理核心。</p><p><b>　　3系統硬件設計</b></p><p><b>　　3.1系統結構圖</b></p><p>　　本系統是以8051單片機為核心，包括溫度檢測模塊、溫度控制模塊 、顯示和報警4個主要部分。溫度檢測部分包括溫度傳感器、放大器、A/D轉換器。溫度控

37、制模塊包括光耦、驅動器、可控硅調功器和電阻爐。系統結構圖如圖3-1所示：</p><p>　　人機對話部分 溫度檢測部分</p><p>　　圖3-1 硬件結構框圖</p><p>　　3.2 8051單片機</p><p>　　單片機是單片微型計算機SCM(single chip micro-comput

38、er)的譯名簡稱，在國內也常簡稱為“單片機”。它包括中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、中斷系統、定時器/計數器、串行口和I/O接口等等[4]。</p><p>　　單片機主要應用于工業(yè)控制領域，用來實現對信號的檢測、數據的采集以及對應用對象的控制。它具有體積小、重量輕、價格低、可靠性高、耗電少和靈活機動等許多優(yōu)點，單片微型計算機(簡稱單片機)是微型計算機的一個重要分支，也是一種非?；钴S和頗具生

39、命力的機種，特別適合用于智能控制系統。</p><p>　　目前，國內市場中8位單片機占用重要地位。其中MCS-51系列及其兼容機所占份額最大[2]。MCS—51系列單片機的最典型的產品有內部無ROM的8051、內部具有4KB字節(jié)掩膜ROM的8051及內部具有4KB字節(jié)EPROM的 8751。這三種型號的單片機除內部程序存貯器ROM不同外，其他內部資源均相同。本設計中主要采用的是8051單片機。</p>

40、;<p>　　（1）8051的內部資源</p><p>　　8051的內部資源為：</p><p><b>　　8位CPU；</b></p><p>　　4KB字節(jié)掩膜ROM程序存貯器；</p><p>　　128字節(jié)內部RAM數據存貯器；</p><p>　　2個16位定時器/計數

41、器；</p><p>　　5個中斷源、兩級中斷優(yōu)先級的中斷控制器；</p><p>　　一個全雙工的異步串行I/O口；</p><p>　　時鐘電路，外接晶振和電容可產生1.2MHz—12MHz的時鐘頻率。</p><p>　?。?）8051的內部結構</p><p>　　8051單片機的內部總體結構如圖3-2所示。按

42、功能劃分為8個組成部分。</p><p>　　中央處理單元（CPU）、程序存儲器（ROM）、數據存貯器（RAM）、特殊功能寄存器（SFR）、I/O口、串行口、定時器/計數器及中斷系統是通過片內單一總線連接起來的。各部分的功能簡述如下：</p><p>　　中央處理單元（CPU）</p><p>　　CPU是單片機的核心，是計算機的控制和指揮中心，由運算器和控制器組成

43、。</p><p>　　運算器包括一個可進行8位算數運算和邏輯思維運算的單元ALU，8位的暫存器1，暫存器2，8位的累加器ACC，寄存器B和程序狀態(tài)寄存器PSW。</p><p>　　控制器包括程序計數器PC、指令寄存器IR、指令譯碼器ID、振蕩器和定時電路。8051片內振蕩電路，只需外接石英晶體和頻率微調電容，其頻率范圍為1.2MHz~12MHz。</p><p>

44、;　　程序存儲器（ROM）</p><p>　　8051的片內程序存儲器容量為4KB，地址從0000H開始，用于存放程序和表格常數。它通過16位程序計數器尋址，尋址能力為64KB。</p><p>　　數據存儲器（RAM）</p><p>　　8051/8751/8051片內數據存儲器均為128B，地址為00H~7FH，用于存放運算的中間結果、數據暫存以及數據緩沖[

45、8]。在這128B的RAM中，有32個字節(jié)單元可指定為工作寄存器，8051的片內RAM和工作寄存器排在一個隊列里統一編址。</p><p>　　圖3-2 8051結構圖</p><p><b>　　4．I/O接口</b></p><p>　　8051有四個8位并行接口，即P0~P3。它們都是雙向端口，每個端口各有8條I/O線，均可輸入/輸出。P

46、0~P3口四個鎖存器同RAM統一編址，可以把I/O口當一般特殊功能寄存器來尋址。</p><p>　　（3）8051單片機引腳及其功能</p><p>　　8051單片機是高性能單片機，它采用40條引腳的雙列直插式封裝（DIP），引腳排列如圖3-3所示，40條引腳按功能可分為四部分[7]。</p><p>　　各引腳功能說明如下：</p><p&

47、gt;　　電源引腳Vcc和Vss</p><p>　　Vcc（40腳）：接+5V電源</p><p>　　Vss（20腳）：接地端</p><p>　　時鐘電路引腳XTAL1和XTAL2</p><p>　　XTAL1（19腳）：接外部晶體和微調電容的一端。在片內，它是振蕩電路反相放大器的輸入端。當采用外接晶體振蕩器時，此引腳應接地。<

48、/p><p>　　圖3-3 8051引腳圖</p><p>　　XTAL2（18腳）：接外部晶體和微調電容的另一端。在片內，它是振蕩電路反相放大器的輸出端。若采用外部振蕩器時，該引腳接收振蕩器的信號，即把此信號直接接到內部時鐘發(fā)生器的輸入端。要檢查8051的振蕩電路是否正常工作，可用示波器查看XTAL2端是否有脈沖信號輸出。</p><p><b>　　控制

49、信號引腳</b></p><p>　　RST/VPD（9腳）：RST是復位信號輸入端，高電平有效。當振蕩器運行時，在此引腳上加上兩個機器周期的高電平將使單片機復位。復位后，應使此引腳電平為≤0.5V的低電平，以保證單片機正常工作。</p><p>　　掉電期間，此引腳可接備用電源（VPD），以保持內部RAM中的數據不丟失。當Vcc下降到低于規(guī)定值，而VPD在其規(guī)定的電壓范圍內（

50、50.5V）時，VPD就向內部RAM提供備用電源。</p><p>　　ALE（30腳）：地址鎖存允許信號端。CPU訪問片外存儲器時，ALE輸出信號作為鎖存低8位地址的控制信號。即使不訪問外部存貯器，ALE端仍有周期性正脈沖輸出，其頻率為振蕩器頻率的1/6。但是，每當訪問外部數據存貯器時在兩個機器周期中ALE只出現一次，即丟失一個ALE脈沖。ALE端可以驅動8個TTL負載。</p><p>

51、;　?。?9腳）：此輸出為單片機內訪問外部程序存貯器的讀選通信號。在從外部程序存貯器取指令（或常數）期間，每個機器周期兩次有效。但在此期間，每當訪問外部數據存貯器時，這兩次有效的信號將不出現。同樣可以驅動8個TTL負載。</p><p>　　/（31腳）：當端保持高電平時，單片機訪問的是內部程序存貯器，但當PC值超過某值時，將自動轉向執(zhí)行外部程序存貯器內的程序。當端保持低電平時，則不管是否有內部程序存貯器而只訪問

52、外部程序存貯器。</p><p><b>　　輸入/輸出引腳</b></p><p>　　輸入/輸出（I/O）口引腳包括4個并口，即P0、P1、P2和P3口。</p><p>　　P0口（P0.0～P0.7）：為雙向8位三態(tài)I/O口，當作為I/O口使用時，可以直接連接外部I/O設備。它是地址總線低8位及數據總線分時復用口，可驅動8個TTL負載。

53、一般作為擴展時地址/數據總線口使用。</p><p>　　P1口（P1.0～P1.7）：是一個帶內部上拉電阻的8位準雙向I/O端口。P1口的每一位能驅動4個LS型TTL負載。在P1口作為輸入口使用時，應先向P1口鎖存器寫入全1，此時P1口引腳由內部上拉電阻成高電平。</p><p>　　P2口（P2.0～P2.7）：為8位準雙向I/O口，當作為I/O口使用時，可直接連接外部I/O設備。它是

54、與地址總線高8位復用，可驅動4個TTL負載，一般作為擴展時地址總線的高8位使用。</p><p>　　P3口（P3.0～P3.7）：為8位準雙向I/O口，是雙功能復用口,可驅動4個TTL負載。</p><p>　　3.3單片機的8155接口電路</p><p>　　8155芯片內具有256個字節(jié)的RAM，兩個8位、一個16位的可編程I/O口和一個14位計數器。它與5

55、1型單片機接口簡單，是單片機應用系統中廣泛使用的芯片[9]。其管腳圖如圖3-4所示。</p><p>　　圖3-4 8155管腳圖</p><p>　　8155用作鍵盤/LED顯示器接口電路，當IO/為高電平時，8155選通片內的I/O端口。A，B，C三個口可以作為擴展的I/O口使用，MCS－51單片機的PO口與8155的AD0～AD7相連。</p><p>　　此

56、時P0輸出的低8位地址只有3位有效，用于片內選址，其他位無用。使用A，B，C三個口時，首先向命令寄存器寫入一個控制字以確定三個口的工作方式。如果寫入的控制字規(guī)定他們工作于方式Ⅰ或方式Ⅱ下，則這三個口都是獨立的基本I/O口?？梢灾苯永肕OVX A，@DPTR或MOVX @DPTR，A指令完成這三個口的讀/寫（輸入/輸出）操作。工作在方式Ⅲ或方式Ⅳ時，C口用作控制口或部分用于控制。</p><p>　　MCS－51

57、單片機可以和8155直接連接，不需要任何外加電路，給系統增加了256個字節(jié)的RAM、22位I/O線及一個計數器。當P2.0＝0且P2.1=0時，選中8155的RAM工作；在P2.0=1和P2.0=0時，8155選中片內三個I/O端口。相應地址分配為：</p><p>　　0000H-00FFH 8155內部RAM</p><p>　　0100H 命令/狀態(tài)口</p

58、><p>　　0101H A口</p><p>　　0102H B 口</p><p>　　0103H C 口</p><p>　　0104H 定時器低八位口</p><p>　　0105H 定時器高八位口</p><p>　　8051與8155接口

59、電路圖如圖3-5所示。</p><p>　　圖3-5 8051與8155接口電路圖</p><p><b>　　3.4溫度傳感器</b></p><p>　　溫度檢測元件的類型選擇和被控溫度及精度等級有關。</p><p>　　熱電偶是將溫度量轉換成電流大小的熱電傳感器，設計要求控制溫度范圍為0～500℃，所以選擇鉑銠—

60、鉑熱電偶。鉑銠—鉑熱電偶由直徑為0.5mm的純鉑絲和相同直徑的鉑銠絲(鉑90%和銠10%)制成。其分度號為S。在S型熱電偶中鉑銠絲為正極，鉑絲為負極。此種熱電偶在1300℃以下范圍內長期可用。由于容易得到高純度的鉑和鉑銠，故鉑銠—鉑熱電偶復制精度和測試準確性較高，可用于精密溫度測量和作標準熱電偶，它在氧化性或中性介質中具有較好的物理化學穩(wěn)定性。</p><p>　　將兩種不同材料的導體或半導體A和B焊接起來，構成

61、一個閉合回路。當導體A和B的兩個接點1和2之間存在溫差時，兩者之間便產生電動勢,因而在回路中形成一個電流,這種現象稱為熱電效應。溫度傳感器熱電偶就是利用這一效應來工作的。熱電效應圖如圖3-6所示。</p><p>　　圖3-6 熱電效應圖</p><p>　　熱電偶測量溫度時要求其冷端(測量端為熱端，通過引線與測量電路連接的端稱為冷端)的溫度保持不變，其熱電勢大小才與測量溫度呈一定的比例關

62、系。若測量時，冷端的(環(huán)境)溫度變化，將影響嚴重測量的準確性。在冷端采取一定措施補償由于冷端溫度變化造成的影響稱為熱電偶的冷端補償。本文采用補償電橋法進行冷端補償。</p><p>　　補償電橋如圖3-7，它的四個橋臂中有一個銅電阻RCu，銅的電阻溫度系數較大，阻值隨溫度而變，其余三個臂由阻值恒定的錳銅電阻制成，銅電阻必須和熱電偶冷端靠近，處于同一溫度。</p><p>　　圖3-7 補償

63、電橋法</p><p>　　設計時使RCu在20℃下的阻值和其余三個橋臂電阻完全相等，即RCu20=R1=R2=R3，這種情況下電橋處于平衡狀態(tài)，圖中a和b之間電壓Uab=0，對熱電勢沒有補償作用。</p><p>　　當冷端溫度t0>20℃，隨之熱電勢將減少，但這時RCu亦增大，使電橋不平衡，并且Uab電壓方向與熱電勢相同，即a點為負，b點為正，所以總電壓U=E(t, t0)+Ua

64、b。若t0<20℃，則a點為正，b點為負，所以總電壓U=E(t, t0)-Uab。</p><p>　　3.5 A/D轉換器</p><p>　　ADC0809是一種比較典型的8位8通道逐次逼近式A/D轉換器。</p><p><b>　　(1)主要特性</b></p><p>　　(a)8路8位A/D轉換器，即分

65、辨率8位。</p><p>　　(b)具有轉換起?？刂贫?。</p><p>　　(c)轉換時間為100S。</p><p>　　(d)單個＋5V電源供電。</p><p>　　(e)模擬輸入電壓范圍0～+5V，不需零點和滿刻度校準。</p><p>　　(f)工作溫度范圍為-40～+85℃。</p>&l

66、t;p>　　(g)低功耗，約15mW。</p><p><b>　　(2)內部結構</b></p><p>　　ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式A/D轉換器，內部結構如圖3-8所示，它由8路模擬開關、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開關樹型D/A轉換器、逐次逼近寄存器、三態(tài)輸出鎖存器等其它一些電路組成。因此，ADC0809可處理8路模擬量輸入，且有三態(tài)輸出

67、能力，既可與各種微處理器相連，也可單獨工作。輸入輸出與TTL兼容。</p><p>　　圖3-8 ADC0809內部結構框圖</p><p>　　(3)外部特性(引腳功能)</p><p>　　ADC0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖3-9所示。下面說明各引腳功能[3]。</p><p>　　圖3-9 ADC0809引腳圖&l

68、t;/p><p><b>　　引腳功能說明：</b></p><p>　　IN0～IN7：8路模擬量輸入端。</p><p>　　2-1(2-8)：8位數字量輸出端。</p><p>　　ALE(22)：地址鎖存允許信號，高電平有效。</p><p>　　START(6)：A/D轉換動信號，高電平有效

69、。</p><p>　　EOC(7)： A/D轉換結束信號，當A/D轉換結束時，此端輸出一個高電平（轉換期間一直為低電平)。</p><p>　　OE(9)：數據輸出允許信號，高電平有效。當A/D轉換結束時，此端輸入一個高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數字量。 </p><p>　　CLK(10)：時

70、鐘脈沖輸入端。典型值為640KHZ。</p><p>　　REF(+)、RE(-)：參考電壓輸入端。</p><p>　　Vcc(11)：電源，＋5V和GND(13)：地。</p><p>　　ADDA、ADDB、ADDC：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路。如表3-1所示。</p><p>　　表3-1 ADDA、ADDB、ADD

71、C模擬通道地址碼</p><p>　　(4)ADC0809的工作過程</p><p>　　首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復位。下降沿啟動 A/D轉換，之后EOC輸出信號變低，指示轉換正在進行。直到A/D轉換完成，EOC變?yōu)楦唠娖剑甘続/D轉換結束，結果數據已存入鎖存器，這個信號可用作中斷

72、申請。當OE輸入高電平時，輸出三態(tài)門打開，轉換結果的數字量輸出到數據總線上。</p><p><b>　　3.6溫度檢測電路</b></p><p>　　檢測電路包括溫度傳感器、信號放大器和A/D轉換器三部分。溫度傳感器的選擇與被控溫度的范圍有關，鉑銠—鉑熱電偶適合于0～500℃的溫度測量范圍，可以滿足本系統的要求[18]。放大電路將鉑銠—鉑熱電偶輸出的電流信號轉化成

73、電壓信號，再經A/D轉換器轉換成數字信號，提供給單片機。檢測電路框圖如圖3-10所示。</p><p>　　圖3-10 溫度檢測電路框圖</p><p>　　一般傳感器的輸出信號都比較微弱，要將該微弱信號轉換成有用的信號以便于后期使用，就要加入信號放大電路，其作用是進行信號放大和去除干擾等。</p><p>　　放大器我選用變送器。因為變送器的輸出為傳感器規(guī)定的標準

74、信號。變送器由毫伏變送器和電流/電壓變送器組成。</p><p>　　A/D轉換器件的選擇主要取決于溫度的控制精度。本系統要求溫度控制誤差1℃，采用8位A/D轉換器，其最大量化誤差為能滿足精度要求。因此，本系統采用ADC0809作為A/D轉換器。電路設計好后，調整可調電阻R，調節(jié)放大電路的輸出，使0～500℃的溫度變化對應于0～4.9V的輸出電壓，則A/D轉換對應的數字量為00H～FAH。</p>

75、<p>　　ADC0809與8051單片機的連接如圖3-11所示。</p><p>　　圖3-11 ADC0809與8051單片機的連接硬件接線圖</p><p>　　由于本設計中使用8選1模擬開關來進行信號的選擇，因此，ADC0809的信號選擇功能就不使用了，設計時把ADC0809的地址選擇端A、B、C都接地，即ABC=000，這樣，選通通道始終是IN0。將EOC通過非門連接到

76、MCS-51的INT1腳，可通過查詢方式來檢測轉換是否完成。</p><p>　　因為ADC0809的地址選擇端A、B、C都接地，所以ADC0809的數據采集通道只有IN0被選通。鉑銠—鉑熱電偶輸出的電流信號經放大電路轉換成電壓信號和ADC0809的IN0相連，以進行A/D轉換。P2.7(地址總線最高位A15)可作為A/D轉換的啟動開關，P2.7為低電平有效。在啟動A/D轉換時，可由寫信號WR和P2.7控制ADC

77、0809的地址鎖存和轉換啟動。而在讀取轉換結果時，則由讀信號RD和P2.7控制 ADC0809的OE信號，用于打開三態(tài)輸出鎖存器。若令P2.7為0，ADC0809的EOC端經反相器連接到單片機的P3.0(INT1)引腳，作為查詢或中斷信號。當采用查詢方式時，對IN0的信號進行取樣，并把轉換結果存儲到片內存RAM中。采用中斷方式可大大節(jié)省CPU的時間。當轉換完成后，數據將保存到一數組中，直到當PC機通過串行口發(fā)信號時，8051通過檢測地址

78、是否和本機地址相符來作出動作。如果地址相符，則由中斷服務程序讀取A/D轉換結果并存儲到RAM中，然后啟動ADC0809的下一次轉換。</p><p>　　由于ADC0809的典型工作頻率640 kHz不太容易得到，所以通常使用相近頻率且容易獲得的信號進行替代。本設計中，單片機的晶振頻率12MHz，ALE信號輸出為晶振頻率的六分之一(即2MHz)，可將該2 MHz經過四分頻后得到500 kHz信號來給ADC0809

79、使用</p><p>　　3.7 可控硅溫度控制電路</p><p>　　8051對溫度的控制是通過可控硅調功器電路實現的。 </p><p>　　雙向可控硅管和加熱電阻絲串接在交流220V,50HZ市電回路。在給定周期T內，8051只要改變可控硅管的接通時間便可改變加熱絲功率，達到調節(jié)溫度的目的。 </p><p>　　可控硅接通時間可以通

80、過可控硅控制極上觸發(fā)脈沖控制。該觸發(fā)脈沖由8051用軟件在P1.3引腳上產生，受過零同步脈沖同步后經光藕管和驅動器輸出送到可控硅的控制極上。 </p><p>　　3-12圖示出了可控硅管在給定周期T內具有不同接通時間的情況。 </p><p>　　由圖3-13可知可控硅在給定周期T的100％時間內接通時的功率最大。對于這樣的執(zhí)行機構，單片機只要輸出能控制可控硅通斷時間的脈沖作為信號就可以

81、了，這可用一條功線通過程序輸出控制脈沖。</p><p>　　為了達到過零觸發(fā)的目的，需要交流電過零檢測電路，此電路輸出對應于50HZ交流電壓過零時刻的脈沖作為觸發(fā)雙向可控硅的同步脈沖，是一種50HZ交流電壓過零時刻的脈沖，可使可控硅在交流電壓正弦波過零時觸發(fā)導通。 過零同步脈沖由過零觸發(fā)電路產生，如圖3-13所示，圖中電壓比較器LM311用于把50HZ正弦交流電壓變成方波。方波的正邊緣和負邊緣分別作為兩個單穩(wěn)態(tài)

82、觸發(fā)器的輸入觸發(fā)信號，單穩(wěn)壓觸發(fā)器輸出的兩個窄脈沖經二極管或門混合后就得到對應于交流220V市電的過零同步脈沖。此脈沖一方面作為可控硅的觸發(fā)同步脈沖加到溫度控制電路，另一方面還作為計數脈沖加到單片機8051和P3.4 、P3.5輸入端。</p><p>　　圖3-13 過零觸發(fā)電路圖</p><p>　　3.8 顯示和報警電路</p><p>　　這部分包括鍵盤、顯

83、示和報警三部分。單片機控制系統的鍵盤、顯示和報警如圖3-14和圖3-15所示。</p><p>　　圖3-14 8051單片機的鍵盤顯示實驗圖</p><p>　　圖3-15 報警電路圖</p><p>　　報警電路分為蜂鳴器報警電路和LED發(fā)光報警電路組成。當輸入端P1.0為低電平時，有電流通過蜂鳴器，蜂鳴器發(fā)出聲音報警。而當輸入端為高電平時不報警。當輸入端P1.

84、1為低電平時，LED點亮報警，反之輸入端P1.1為高電平則不報警。</p><p><b>　　4 PID溫度控制</b></p><p>　　PID控制在工業(yè)上又稱為偏差控制，它是工業(yè)控制中常用的控制形式，一般能收到令人滿意的效果。</p><p>　　4.1 PID基本控制原理</p><p>　　在連續(xù)系統中，PI

85、D調節(jié)是技術最成熟、應用最廣泛的調節(jié)方式。它的實質是根據輸入的偏差量，按比例、積分、微分的函數關系進行運算，其運算結果是其輸入的比例、積分、微分的函數，用于輸出控制。由于PID控制結構簡單，參數容易調整，不必求出被控對象的數學模型變可以調節(jié)，所以模擬調節(jié)器和數字調節(jié)器大多都采用PID調節(jié)規(guī)律[17]。</p><p>　　PID控制系統原理框圖如圖4-1所示。</p><p>　　圖4-1

86、 控制系統原理圖</p><p>　　PID控制是一種線性控制，它根據給定值r(t)和實際輸出值c(t)構成控制偏差e(t)：e(t)=r(t)-c(t)，將偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制[14]。其控制規(guī)律u(t)：</p><p>　　(4-1) </p><p>　　

87、式(4-1)中，為比例系數；為積分時間常數；為微分時間常數。</p><p>　　簡單說來，PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：</p><p>　　(1)比例環(huán)節(jié)及時成比例的反映控制系統的偏差信號e (t)，偏差一旦產生，控制器立即產生控制作用，以減少偏差。</p><p>　　(2)積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜態(tài)誤差，提高系統的穩(wěn)定性。積分作用的強弱取決于積分時間常數，

88、越大積分作用越弱，反之則越強。</p><p>　　(3)微分環(huán)節(jié)能反映偏差信號的變化趨勢(變化速率)，并能在偏差信號值變得太大之前，在系統中引入一個有效的早起修正信號，從而達到加快系統的動作速度，減小調節(jié)時間的目的。</p><p>　　因為計算機控制是一種采樣控制，它是根據采樣時刻偏差值來計算控制量[16]，所以(4-1)式中的積分和微分項不能直接使用，必須進行離散化處理。令t=nT，

89、T為控制系統的采樣周期，則其離散的PID表達式為：</p><p>　　= (4-2)</p><p>　　式中n為采樣序號，n=0，1，2，…… ；</p><p>　　u(n)為第n次采樣時刻的控制輸出量；e(n)為第n次采樣時刻輸入的偏差量；e(n-1)為第(n-1)次采樣時刻輸入的偏差量。<

90、;/p><p>　　4.2 PID控制算法</p><p>　　在數字PID各種算法中，兩種基本的形式是:位置式算法和增量式算法[15]。這兩者相比較，增量式算法有許多優(yōu)點。首先，在增量式算法中，計算誤差對控制量影響小；其次，從手動切換到自動或反過來從自動切換到手動，對系統沖擊小，即可做到無沖擊切換；最后，因為計算機輸出的是，而早已保持在系統中，所以，即使計算機出現故障令，系統仍可在控制量的作

91、用下按原狀態(tài)工作，因此系統的可靠性較高。</p><p>　　控制算法采用增量PID算式，其離散形式為：</p><p><b>　　= </b></p><p>　　= </p><p>　　= （4-3）</p>

92、<p><b>　　其中 、</b></p><p>　　實際輸出為： （4-4）</p><p>　　為計算方便，增量型的算式又可寫為：</p><p><b>　?。?-5)</b></p><p><b>　

93、　式中</b></p><p>　　顯然，按增量型PID算法計算只需要保留時刻以及以前的二個偏差值、、。初始化程序值，由中斷服務程序對過程變量進行采樣，并根據參數、、以及、、計算。圖4-2為增量型PID算法的程序流程。</p><p>　　圖4-2 PID控制算法流程圖 </p><p><b>　　5 系統軟件設計</b>

94、</p><p><b>　　5.1 主程序</b></p><p>　　主程序的流程圖如圖5-1所示：用于進行初始化處理過程，包括各端口的初始化、定時/計數器的設定、中斷允許的設定等，與此同時進行鍵盤的掃描輸入。</p><p>　　圖5-1 主程序流程圖</p><p>　　5.2 中斷服務程序</p>

95、<p>　　中斷服務的子程序主程序流程圖如圖5-2所示：中斷服務程序是溫度控制體系的主體，用來溫度檢測、控制和報警（包括啟動A/D轉換、讀入采樣數據、 數字濾波、越限溫度報警處理等）。</p><p>　　圖5-2 中斷服務子程序流程圖</p><p>　　中斷由T0產生，根據需要每隔15秒中斷一次,即每15秒系統采樣控制一次。因為系統采用12MHz晶振，最大定時為130ms，

96、為實現15s定時，需要另行設計一個軟件計數器。</p><p>　　5.3 功能模塊程序</p><p>　　功能模塊：鍵盤管理模塊―上電或復位后系統處于鍵盤管理狀態(tài)，其功能是鍵盤掃描和處理，接收溫度預置和啟動鍵；溫度檢測模塊―啟動A/D轉換器進行A/D轉換，求取轉換結果的平均值，存入指定單元，以得到檢測溫度值；溫度控制模塊―通過比較鍵盤設定值與溫度檢測值的差別，按照一定的控制規(guī)律，控制輸

97、出口線的狀態(tài)，實現電爐的控制；溫度顯示模塊―進行溫度設定時，顯示設定溫度值；在每次溫度檢測后，進行一次溫度顯示刷新；報警模塊―當預置溫度或當前檢測的溫度超過上下限值時自動報警，輸出報警信號。</p><p><b>　　5.4 資源分配</b></p><p>　　在編程前，首先要對8051的資源進行分配。它包括顯示單元、預置溫度單元、當前檢測溫度、BCD碼顯示緩沖區(qū)

98、、二進制碼顯示緩沖區(qū)、報警允許標志、堆棧等。然后，還需要對鍵盤輸入和報警、控制電路的端口地址進行分配。</p><p>　　單片機8051內存的資源分配可以利用偽指令進行定義。數據存儲器的定義及分配見表5-1所示。</p><p>　　表5-1 溫度控制軟件數據存儲器分配表</p><p>　　P1.4～P2.2為鍵盤輸入接口，P1.0和P1.2分別為報警控制和控制

99、接口。ADC0809的輸入通道為7FF8H～7FFFH，本系統使用IN0通道。</p><p><b>　　結論</b></p><p>　　本設計以電阻爐為被控對象，確定電阻爐溫度控制系統的構成和控制方法，詳細介紹了電阻爐溫度控制系統的硬件設計。</p><p>　　本系統使用8051單片機作為主控芯片進行控制用8155接口電路用于鍵盤/LE

100、D顯示器接口，通過可控硅調功器實現溫度控制電路。在給定周期內，8051改變可控硅管的接通時間便可改變加熱絲功率，達到調節(jié)溫度的目的，運用積分分離的PID控制實現對電阻爐溫度的控制。研究本系統具有較高的理論價值和實用價值。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 何立民.單片機高級教程應用[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2000

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108、之一，電阻爐可以提供室溫至1300°C范圍的溫場。維持電阻爐某一范圍的溫度恒定是必須要解決的問題。電阻爐的發(fā)熱體為電阻絲。電阻爐通常采用模擬儀表測量溫度，并通過控制交流接觸器的通斷時間比例來控制加熱功率，由于模擬儀表本身的測量精度差，加上交流及接觸器的壽命短，通斷比例低，故控制精度低。</p><p>　　模糊控制雖然能夠得到較好的動態(tài)響應特性,但模糊控制也存在固有的缺點,容易受模糊規(guī)則有限等級的限制而

109、引起誤差。而數字PID 控制則能夠較好地解決控制精度的問題,并且計算機能夠用程序既簡單又方便地實現數字PID控制規(guī)律,對精度調整很方便。</p><p><b>　　2主題部分</b></p><p><b>　　國際動態(tài)</b></p><p>　　國際上從70年代就開始了電阻爐計算機控制系統的研究，近十年來，由于計算機

110、技術的迅速發(fā)展，電阻爐計算機控制的應用也日趨廣泛，控制水平明顯提高，取得了一些應用成果。表1介紹了電阻爐計算機控制應用的現狀。隨著數字計算機向小型、高速、大容量、低成本方向的發(fā)展，傳統的PID控制和現代控制理論都在不斷的發(fā)展，并取得了豐碩的成果。智能化、網絡化已成為發(fā)展的趨勢。</p><p><b>　　國內動態(tài)</b></p><p>　　80年代以后，國內對電阻

111、爐的控制進行了廣泛的研究，并且隨著微型計算機技術的發(fā)展，電阻爐計算機控制逐步進入實用化階段。目前，國內電阻爐控制系統的研究現狀如下：</p><p>　　1)采用先進的控制設備</p><p>　　隨著單片機、工業(yè)控制機、可編程控制器等先進控制系統的發(fā)展，逐步取代了以前大規(guī)模的繼電器、模擬式儀表。單片機也因其極高的性價比而受到人們的重視和關注“，獲得廣泛地應用和迅速地發(fā)展。單片機的優(yōu)點是體

112、積小、重量輕、抗干擾能力強，對環(huán)境要求不高，價格低廉，可靠性高，靈活性好，開發(fā)較為容易。它的軟件編程比較簡單，廣大工程技術人員通過學習單片機的知識后，就能根據自己的實際需要開發(fā)、設計一個單片機系統，并可獲得較高的經濟效益。正因為如此，在我國單片機已被廣泛地應用在工業(yè)自動化控制、自動檢測、智能儀表、家用電器等各個方面。它將成為智能儀器和中、小型控制系統中應用最多的一種微型計算機。</p><p>　　2)采用新的控