加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)說(shuō)明

1、加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要 加熱爐溫度控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于冶金、化工、機(jī)械等各類工業(yè)控制中，并且在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有舉足輕重的地位，本文介紹了一種基于單片機(jī)的加熱爐溫度控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)以單片機(jī)AT89C51為核心，由溫度檢測(cè)、變送與轉(zhuǎn)換電路、控制電路、顯示電路、鍵盤(pán)電路、報(bào)警電路等組成。本系統(tǒng)通過(guò)熱電偶溫度傳感器對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)、變送并通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送給單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字處理并進(jìn)行PID運(yùn)算計(jì)算出控制量，來(lái)改變固態(tài)繼電器的導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間，從而改變加熱功率實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度控制。其中鍵盤(pán)電路可以對(duì)溫度進(jìn)行預(yù)設(shè)；顯示電路可以顯示當(dāng)前溫度，直觀易懂，讓人一目了然；當(dāng)爐溫度過(guò)高或

2、過(guò)低時(shí)，將會(huì)進(jìn)行聲光報(bào)警。該系統(tǒng)硬件成本低，控溫精度較高，可靠性好，抗干擾，具有適合企業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)的產(chǎn)品實(shí)用性。關(guān)鍵詞加熱爐； AT89C51； PID控制； 溫度控制The Design of The Heating Furnace Temperature Control SystemAbstractThe heating furnace temperature control system is widely used in metallurgy, chemical industry, machinery and other kinds of industrial control, and

3、 has play a decisive role in the national economy status, this paper introduces a kind of furnace temperature control system based on SCM.The AT89C51 microcontroller system as the core, by the temperature detection, transmission and conversion circuit, control circuit, display circuit, keyboard circ

4、uit, alarm circuit. The system through the thermocouple temperature sensor for temperature in real-time detection, transmission and conversion through the A/D is converted to a digital signal to the microcontroller, microcontroller for digital processing of temperaturedata and PID operations to calc

5、ulate the control quantity, to change the solid state relay turn-on and turn-off time, thus changing the heating power of the temperature control. The keyboard circuit may be preset temperature; display circuit can display the current temperature, intuitive and easy to understand, let people stick o

6、ut a mile; when the furnace temperature is too high or too low, will alarm.The hardware of this system is low cost, high temperature control accuracy, good reliability,anti-interference, which is suitable for the product is practical for large-scale production enterprises.Keyword Heating furnace； AT

7、89C51； PIDcontrol； Temperature control32 / 35目 錄第1章前言11.1本課題的研究目的和意義11.2本課題的國(guó)外研究現(xiàn)狀11.3本課題的主要容與要求2第2章總體方案設(shè)計(jì)32.1 方案論證32.2 方案設(shè)計(jì)3第3章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)53.1 單片機(jī)部分53.1.1 AT89C51簡(jiǎn)介53.1.2 晶振電路73.1.3 復(fù)位電路73.2 溫度檢測(cè)與變送電路83.3 A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路93.4 控制電路123.5 鍵盤(pán)顯示電路143.5.1 鍵盤(pán)電路143.5.2 LED顯示電路143.6 報(bào)警電路16第4章控制算法設(shè)計(jì)18第5章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)215.1 系統(tǒng)流程

8、圖215.2 程序清單23第6章總結(jié)30致31參考文獻(xiàn)32第1章 前言1.1本課題的研究目的和意義溫度是生產(chǎn)過(guò)程和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中非常普遍而又十分重要的物理參數(shù)。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中為了高效地進(jìn)行生產(chǎn)必須對(duì)生產(chǎn)工藝過(guò)程中的主要參數(shù)如溫度、壓力、流量、速度等進(jìn)行有效的控制其中溫度控制在生產(chǎn)過(guò)程中占有相當(dāng)大的比例。準(zhǔn)確地測(cè)量和有效地控制溫度是優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗和安全生產(chǎn)的重要條件。如冶金工業(yè)的加熱爐、電力工業(yè)的鍋爐、化學(xué)工業(yè)的反應(yīng)爐等設(shè)備通過(guò)對(duì)溫度的監(jiān)控保證產(chǎn)品的質(zhì)量5。可見(jiàn)溫度控制電路廣泛應(yīng)用于社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域所以對(duì)溫度進(jìn)行控制是非常有必要和有意義的。隨著社會(huì)的發(fā)展， 加熱爐溫度控制系在統(tǒng)冶金工業(yè)、化工生

9、產(chǎn)、電力工程、造紙行業(yè)、機(jī)械制造和食品加工等領(lǐng)域中都有著極為重要的作用。各個(gè)領(lǐng)域?qū)囟瓤刂葡到y(tǒng)的精度、穩(wěn)定性等的要求也越來(lái)越高。為了生產(chǎn)的安全，高效率與自動(dòng)化人們都需要對(duì)各類加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐中的溫度進(jìn)行檢測(cè)和控制等等3。因此一個(gè)低成本且擁有較高的高精度，高穩(wěn)定性的溫度控制系統(tǒng)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)有著極其重要的意義。加熱爐被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中。由于這類對(duì)象使用方便，可以通過(guò)調(diào)節(jié)輸出功率來(lái)控制溫度，進(jìn)而得到較好的控制性能，故在冶金、機(jī)械、化工等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。1.2本課題的國(guó)外研究現(xiàn)狀加熱爐溫度控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中獲得了廣泛的應(yīng)用，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防、科研以與日常生活等領(lǐng)域占

10、有重要的地位3。加熱爐爐溫度控制系統(tǒng)是人類供熱、取暖的主要設(shè)備的驅(qū)動(dòng)來(lái)源，它的出現(xiàn)迄今已有兩百余年的歷史。期間，從低級(jí)到高級(jí)，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，隨著生產(chǎn)力的發(fā)展和對(duì)加熱爐溫度控制精度要求的不斷提高，加熱爐溫度控制系統(tǒng)的控制技術(shù)得到迅速發(fā)展。當(dāng)前比較流行的溫度控制系統(tǒng)有基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)，基于PLC的溫度控制系統(tǒng)，基于工控機(jī)(IPC)的溫度控制系統(tǒng)，集散型溫度控制系統(tǒng)（DCS），現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）等。隨著新技術(shù)的不斷開(kāi)發(fā)與應(yīng)用1，近年來(lái)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)。本設(shè)計(jì)使用

11、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。溫度控制系統(tǒng)在國(guó)各行各業(yè)的應(yīng)用雖然已經(jīng)十分廣泛5，但從國(guó)生產(chǎn)的溫度控制器來(lái)講，總體發(fā)展水平仍然不高，同日本、美國(guó)、德國(guó)等先進(jìn)國(guó)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”控制與常規(guī)的PID控制器為主，它們只能適應(yīng)一般溫度系統(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(guó)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(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與加入WTO，我國(guó)政府與企業(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

12、繼建立了一些國(guó)家、企業(yè)的研發(fā)中心，開(kāi)展創(chuàng)新性研究，使我國(guó)儀表工業(yè)得到了迅速的發(fā)展。PID調(diào)節(jié)是連續(xù)系統(tǒng)術(shù)最成熟的、應(yīng)用最廣泛的一種控制算方法。PID控制結(jié)合了人的思維和經(jīng)驗(yàn)，是一種用機(jī)器語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的同時(shí)有模擬人的思維進(jìn)行判斷推理來(lái)控制被控對(duì)象的智能方法。它具有高度的非線性，能使目標(biāo)系統(tǒng)達(dá)到非常好的控制效果，同時(shí)與其它控制方式進(jìn)行比較具有原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，適用面廣，控制參數(shù)相互獨(dú)立，參數(shù)的選定比較簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)；而且在理論上可以證明，對(duì)于過(guò)程控制的典型對(duì)象“一階滯后純滯后”與“二階滯后純滯后”的控制對(duì)象，PID控制器是一種最優(yōu)控制。PID調(diào)節(jié)規(guī)律是連續(xù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)校正的一種有效方法，它的參數(shù)整定方式

13、簡(jiǎn)便，結(jié)構(gòu)改變靈活，所以本系統(tǒng)采用PID控制算法。隨著微機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，用微機(jī)構(gòu)成構(gòu)成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，具有較高的可行性和經(jīng)濟(jì)價(jià)值2。但是，目前國(guó)的一些生產(chǎn)企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)主要開(kāi)發(fā)一些大型微機(jī)控制系統(tǒng)，且大多硬件均是國(guó)外進(jìn)口的，投資成本很高。因此，本課題以實(shí)驗(yàn)室加熱爐為研究對(duì)象，以單片機(jī)為主要硬件平臺(tái)，編制基于智能化的溫控軟件，開(kāi)發(fā)一種適合我國(guó)國(guó)情的、面向廣大中小型企業(yè)、低成本、高性能的電阻爐溫度控制系統(tǒng)，以提高控制精度，達(dá)到控制要求，從而提高企業(yè)效益。1.3本課題的主要容與要求利用微機(jī)控制系統(tǒng)完成同時(shí)對(duì)兩路電阻爐溫度的檢測(cè)、處理以與數(shù)字控制計(jì)算，根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果或進(jìn)行相應(yīng)的處理或改變加熱功率，達(dá)到

14、控制溫度的目的。要求如下：（1）現(xiàn)場(chǎng)溫度值可處理，同時(shí)處理兩個(gè)電阻爐；（2）溫度給定值為4001000；（3）系統(tǒng)有必要的保護(hù)和報(bào)警；（4）溫度值要有顯示；（5）誤差圍±3。第2章 總體方案設(shè)計(jì)2.1 方案論證（1）單片機(jī)與PLC控制的比較單片機(jī)具有集成度高，通用性好，功能強(qiáng)，特別是體積小，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。而PLC比單片機(jī)“大”，即“體積大”、“功能完善”。但實(shí)際上，PLC部使用的單片機(jī)芯片一般都是工業(yè)級(jí)的，而且其它構(gòu)成元件也都經(jīng)過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)化處理，所以PLC的穩(wěn)定性和抗干擾性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于普通的民用級(jí)單片機(jī)芯片。正

15、因?yàn)镻LC比單片機(jī)“大”，所以價(jià)格昂貴。同樣的任務(wù)用單片機(jī)與PLC都能完成，顯然采用PLC方案會(huì)增加控制系統(tǒng)的成本。而體積大有時(shí)也會(huì)限制PLC的應(yīng)用，所以本次課程設(shè)計(jì)選擇單片機(jī)作為核心控制。（2）控制算法的確定PID調(diào)節(jié)是連續(xù)系統(tǒng)術(shù)最成熟的、應(yīng)用最廣泛的一種控制算方法。它結(jié)構(gòu)靈活，不僅可以用常規(guī)的PID調(diào)節(jié)，而且可以根據(jù)系統(tǒng)的要求采用各種PID的變型，如PI、PD控制與改進(jìn)的PID控制等。具有原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，適用面廣，控制參數(shù)相互獨(dú)立，參數(shù)的選定比較簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)；而且在理論上可以證明，對(duì)于過(guò)程控制的典型對(duì)象“一階滯后純滯后”與“二階滯后純滯后”的控制對(duì)象，PID控制器是一種最優(yōu)控制。PID調(diào)

16、節(jié)規(guī)律是連續(xù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)校正的一種有效方法，它的參數(shù)整定方式簡(jiǎn)便，結(jié)構(gòu)改變靈活，所以該系統(tǒng)采用PID控制算法。2.2 方案設(shè)計(jì)本課題擬采用以AT89C51為核心，所設(shè)計(jì)的溫度控制主要由單片機(jī)、溫度檢測(cè)與變送模塊、溫度控制模塊、溫度顯示模塊、按鍵設(shè)定模塊、報(bào)警模塊等五部分組成。其中溫度檢測(cè)與變送電路主要有熱電偶傳感器和運(yùn)算放大器等組成;溫度控制電路采用固態(tài)繼電器SSR-40DA;溫度顯示電路采用LED顯示器（數(shù)碼管）;報(bào)警電路采用聲光報(bào)警。溫度檢測(cè)電路采用了熱電偶溫度傳感器，對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣并將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)返回給單片機(jī)。系統(tǒng)可通過(guò)鍵盤(pán)對(duì)電阻爐溫度進(jìn)行預(yù)設(shè)，單片機(jī)根據(jù)當(dāng)前爐監(jiān)測(cè)和處理后

17、的溫度和預(yù)設(shè)溫度進(jìn)行比較結(jié)果，在進(jìn)行PID運(yùn)算，并由此控制固態(tài)繼電器的導(dǎo)通和關(guān)斷來(lái)調(diào)節(jié)電熱絲的加熱功率，當(dāng)爐溫度過(guò)高與過(guò)低的時(shí)，蜂鳴器將進(jìn)行報(bào)警，從而使?fàn)t溫度迅速達(dá)到預(yù)設(shè)值并保持恒定。系統(tǒng)通過(guò)顯示電路來(lái)顯示當(dāng)前溫度，直觀易懂，讓人一目了然。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示圖2-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 單片機(jī)部分單片機(jī)是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)

18、小而完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。3.1.1 AT89C51簡(jiǎn)介硬件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)圖3-1 AT89C51系列基本組成與特性。AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲(chǔ)器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機(jī)。AT89C51是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。圖3-1 AT89C51引腳圖管腳說(shuō)明：VCC：供電電壓。GND：接地。 P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開(kāi)路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門(mén)電流。當(dāng)P0口的管腳第一次寫(xiě)1時(shí)，被定義為高阻輸入

19、。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的低八位。在FIASH編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須接上拉電阻。 P1口：P1口是一個(gè)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門(mén)電流。P1口管腳寫(xiě)入1后，被部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為低八位地址接收。 P2口：P2口為一個(gè)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門(mén)電流，當(dāng)P2口被寫(xiě)“1”時(shí)，其管腳被部上

20、拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。P3口：P3口管腳是8個(gè)帶部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門(mén)電流。當(dāng)P3口寫(xiě)入“1”后，它們被部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電

21、平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。 P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，口管腳備選功能：P3.0 RXD（串行輸入口），P3.1 TXD（串行輸出口），P3.2 /INT0（外部中斷0），P3.3 /INT1（外部中斷1） P3.4 T0（記時(shí)器0外部輸入），P3.5 T1（記時(shí)器1外部輸入），P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通），P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通），P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 ALE/PROG：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于

22、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。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無(wú)效。 /PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。 /

23、EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000H-FFFFH），不管是否有部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，/EA將部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，此間部程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入與部時(shí)鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來(lái)自反向振蕩器的輸出。 振蕩器特性:XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片振蕩器。石晶振蕩和瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至部時(shí)鐘信號(hào)要通過(guò)一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無(wú)任何

24、要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。3.1.2晶振電路晶振電路晶振是為電路提供頻率基準(zhǔn)的元器件，通常分成有源晶振和無(wú)源晶振兩個(gè)大類，無(wú)源晶振需要芯片部有振蕩器，并且晶振的信號(hào)電壓根據(jù)起振電路而定，允許不同的電壓，但無(wú)源晶振通常信號(hào)質(zhì)量和精度較差，需要精確匹配外圍電路（電感、電容、電阻等），如需更換晶振時(shí)要同時(shí)更換外圍的電路。有源晶振不需要芯片的部振蕩器，可以提供高精度的頻率基準(zhǔn)，信號(hào)質(zhì)量也較無(wú)源晶振要好。如下圖18口接單片機(jī)的XTAL2口，19口接單片機(jī)的XTAL1口,在XTAL1和XTAL2兩端跨接石英晶體與兩個(gè)電容就可以構(gòu)成穩(wěn)定的自激振蕩器電，并產(chǎn)震蕩時(shí)鐘，為單片機(jī)提供穩(wěn)定的時(shí)鐘。而

25、且單片機(jī)每條指令的運(yùn)行都是嚴(yán)格按照機(jī)器周期來(lái)執(zhí)行的，機(jī)器周期就是由晶振電路（如圖3-2）提供的。容器C2和C3通常取值為30PF，對(duì)振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小與起振速度有少許影響。本電路采用12M晶振發(fā)生器。圖3-2晶振電路3.1.3復(fù)位電路單片機(jī)復(fù)位電路（如圖3-3）就好比電腦的重啟部分，當(dāng)電腦在使用中出現(xiàn)死機(jī)，按下重啟按鈕電腦部的程序從頭開(kāi)始執(zhí)行。單片機(jī)也一樣，當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行中，受到環(huán)境干擾出現(xiàn)程序跑飛的時(shí)候，按下復(fù)位按鈕部的程序自動(dòng)從頭開(kāi)始執(zhí)行。按鍵復(fù)位就是在復(fù)位電容上并聯(lián)一個(gè)開(kāi)關(guān)，當(dāng)開(kāi)關(guān)按下時(shí)電容被放電、RST也被拉到高電平，而且由于電容的充電，會(huì)保持一段時(shí)間的高電平來(lái)使單片機(jī)復(fù)位

26、。圖3-3 復(fù)位電路圖3.2 溫度檢測(cè)與變送電路溫度檢測(cè)電路是本次設(shè)計(jì)的主要容，是整個(gè)單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不角兒缺少的一部分。本系統(tǒng)要求對(duì)加熱爐溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與檢測(cè)，在充分保證安全的情況下對(duì)代加工器件進(jìn)行熱處理。 根據(jù)要求，本系統(tǒng)的溫度檢查電路主要有傳感器、運(yùn)算放大器與A/D轉(zhuǎn)換器組成。經(jīng)固定周期對(duì)加熱爐溫度進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)加熱功能，并是系統(tǒng)安全穩(wěn)定。 1.溫度傳感器的選擇 由于本次設(shè)計(jì)的加熱爐溫度圍為400-1000，加熱溫度高，而本系統(tǒng)對(duì)加熱爐溫度控制精度的要求為±3，為滿足設(shè)計(jì)要求選用K型熱電偶溫度傳感器，其具體參數(shù)如下：名稱：鎳鉻鎳硅 型號(hào)：WRN 分度號(hào)：B 測(cè)溫圍：0

27、-1300 允許偏差±3 偶絲直徑1.2-2.5mm此熱電偶溫度傳感器是工業(yè)最常用溫度檢測(cè)元件之一。其優(yōu)點(diǎn)是：（1）檢測(cè)精度高。因溫度傳感器熱電偶直接與被檢查對(duì)象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。（2） 測(cè)量圍廣。此熱電偶溫度傳感器從4001000均可測(cè)量。（3） 構(gòu)造簡(jiǎn)單，使用方便。此熱電偶是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開(kāi)頭的限制，外有保護(hù)套管，用起來(lái)非常方便。此K型熱電偶溫度傳感器的測(cè)溫基本原理是：將兩種不同的材料的導(dǎo)體A和B焊接起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)閉合回路，當(dāng)導(dǎo)體A和B的兩個(gè)執(zhí)著點(diǎn)1和2之間存在溫差時(shí)，兩者之間便產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，因而在回路中形成一個(gè)大小的電流，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。熱電

28、偶溫度傳感器就是利用這一效應(yīng)來(lái)工作的。由于熱電偶溫度傳感器的材料一般都比較貴重，而測(cè)溫點(diǎn)到儀表的距離都很遠(yuǎn)，為了節(jié)省熱電偶材料，降低成本，通常采用補(bǔ)償導(dǎo)線把溫度傳感器熱電偶的冷端（自由端）延伸到溫度比較穩(wěn)定的控制室，連接到儀表端子上。必須指出，熱電偶溫度傳感器補(bǔ)償導(dǎo)線的作用只起延伸熱電極，是溫度傳感器熱電偶的冷端移動(dòng)到控制室的儀表端子上，它本身并不能消除冷端溫度變化對(duì)測(cè)溫的影響，不起補(bǔ)償作用。因此，還需要用其他修正方法來(lái)補(bǔ)償冷端溫度t00時(shí)對(duì)測(cè)溫的影響。 在使用熱電偶溫度傳感器補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)必須注意型號(hào)相配。極性不能接錯(cuò)。補(bǔ)償導(dǎo)線與溫度傳感器熱電偶連接端的溫度不能超過(guò)100。2.溫度窗器信號(hào)轉(zhuǎn)換設(shè)

29、備的選擇由于溫度傳感器測(cè)量的溫度信號(hào)為模擬信號(hào)，且測(cè)量信號(hào)比較微弱，因此必須要對(duì)此溫度信號(hào)進(jìn)行處理。處理過(guò)程為：首先要把溫度信號(hào)經(jīng)運(yùn)算放大器進(jìn)行放大，然后用A/D轉(zhuǎn)換器八方的后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸入單片機(jī)。因此要進(jìn)行溫度的檢測(cè)，溫度傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換設(shè)備必不可少。3.熱電偶溫度檢測(cè)原理圖如下：圖3-4溫度檢測(cè)原理圖4.熱電偶作為溫度信號(hào)檢測(cè)傳感器，經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償，再經(jīng)過(guò)橋式電路抑制工模干擾。最后經(jīng)過(guò)兩級(jí)放大器，將熱電偶輸出的毫伏信號(hào)放大為可輸入AD轉(zhuǎn)換的模擬量信號(hào)。3.3 A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路本設(shè)計(jì)采用AD0809作為數(shù)模轉(zhuǎn)換的主芯片。ADC0809是CMOS器件，不僅包括一個(gè)8位的逐次逼近型的

30、ADC部分，而且還提供一個(gè)8通道的模擬多路開(kāi)關(guān)和通道尋址邏輯，因而有理由把它作為簡(jiǎn)單的“數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)”。利用它可直接輸入8個(gè)單端的模擬信號(hào)分時(shí)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，在多點(diǎn)巡回檢測(cè)和過(guò)程控制、運(yùn)動(dòng)控制中應(yīng)用十分廣泛。1) 主要技術(shù)指標(biāo)和特性（1）分辨率： 8位。（2）總的不可調(diào)誤差：±1LSB。（3）轉(zhuǎn)換時(shí)間：取決于芯片時(shí)鐘頻率，如CLK=500kHz時(shí)，TCONV=128s。（4）單一電源： +5V。（5）模擬輸入電壓圍：?jiǎn)螛O性05V；雙極性±5V,±10V(需外加一定電路)。（6）具有可控三態(tài)輸出緩存器。（7）啟動(dòng)轉(zhuǎn)換控制為脈沖式(正脈沖)，上升沿使所有部寄存器清零，

31、下降沿使A/D轉(zhuǎn)換開(kāi)始。（8）使用時(shí)不需進(jìn)行零點(diǎn)和滿刻度調(diào)節(jié)。2) 部結(jié)構(gòu)和外部引腳ADC0809的部結(jié)構(gòu)和外部引腳分別如圖3-5和圖3-6所示。部各部分的作用和工作原理在部結(jié)構(gòu)圖中已一目了然，在此就不再贅述，下面僅對(duì)各引腳定義分述如下：圖3-5 ADC0809部結(jié)構(gòu)框圖（1）IN0IN78路模擬輸入，通過(guò)3根地址譯碼線ADDA、ADDB、ADDC來(lái)選通一路。（2）D7D0A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)輸出端，為三態(tài)可控輸出，故可直接和微處理器數(shù)據(jù)線連接。8位排列順序是D7為最高位，D0為最低位。（3）ADDA、ADDB、ADDC模擬通道選擇地址信號(hào)，ADDA為低位，ADDC為高位。地址信號(hào)與選道對(duì)應(yīng)關(guān)系

32、如表3-2所示。（4）VR(+)、VR(-)正、負(fù)參考電壓輸入端，用于提供片DAC電阻網(wǎng)絡(luò)的基準(zhǔn)電壓。在單極性輸入時(shí)，VR(+)=5V，VR(-)=0V；雙極性輸入時(shí)，VR(+)、VR(-)分別接正、負(fù)極性的參考電壓。（5）ALE地址鎖存允許信號(hào)，高電平有效。當(dāng)此信號(hào)有效時(shí)，A、B、C三位地址信號(hào)被鎖存，譯碼選通對(duì)應(yīng)模擬通道。在使用時(shí)，該信號(hào)常和START信號(hào)連在一起，以便同時(shí)鎖存通道地址和啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。（6）STARTA/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)，正脈沖有效。加于該端的脈沖的上升沿使逐次逼近寄存器清零，下降沿開(kāi)始A/D轉(zhuǎn)換。如正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)又接到新的啟動(dòng)脈沖，則原來(lái)的轉(zhuǎn)換進(jìn)程被中止，重新從頭開(kāi)始轉(zhuǎn)換

33、。（7）EOC轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，高電平有效。該信號(hào)在A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程中為低電平，其余時(shí)間為高電平。該信號(hào)可作為被CPU查詢的狀態(tài)信號(hào)，也可作為對(duì)CPU的中斷請(qǐng)求信號(hào)。在需要對(duì)某個(gè)模擬量不斷采樣、轉(zhuǎn)換的情況下，EOC也可作為啟動(dòng)信號(hào)反饋接到START端，但在剛加電時(shí)需由外電路第一次啟動(dòng)。（8）OE輸出允許信號(hào)，高電平有效。當(dāng)微處理器送出該信號(hào)時(shí)，ADC0809的輸出三態(tài)門(mén)被打開(kāi)，使轉(zhuǎn)換結(jié)果通過(guò)數(shù)據(jù)總線被讀走。在中斷工作方式下，該信號(hào)往往是CPU發(fā)出的中斷請(qǐng)求響應(yīng)信號(hào)。圖3-6 ADC0809外部引腳圖ADC0809是一個(gè)典型的逐次逼近型8位A/D轉(zhuǎn)換器。它由8路模擬開(kāi)關(guān)、8位A/D轉(zhuǎn)換器、三態(tài)輸出鎖存

34、器與地址鎖存譯碼器等組成。它允許8路模擬量分時(shí)輸入，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量輸出是三態(tài)的（總線型輸出），可以直接與單片機(jī)數(shù)據(jù)總線連接。ADC0809采用+5V電源供電，外接工作時(shí)鐘。1.時(shí)鐘信號(hào)：由于ADC0809無(wú)片選端，因此電路增加了或非門(mén)74LS02，以便對(duì)ADC0809進(jìn)行讀/寫(xiě)控制。單片機(jī)采用12MHz/s的晶振，ALE輸出2MHz/s時(shí)鐘信號(hào)，經(jīng)74LS74觸發(fā)器4分頻，得到500KHz的時(shí)鐘信號(hào)，與ADC0809的時(shí)鐘端CLK相連。2. 通道選擇：三位通道選擇端ADDA、ADDB、ADDC與數(shù)據(jù)線P1口的低三位P2.0、P2.1、P2.2相連，用數(shù)據(jù)線進(jìn)行通道選擇，由P2.0、P2.1、P

35、2.2三位決定選擇那一通道。3. ADC0809啟動(dòng)：ADC0809的啟動(dòng)端START、地址所存端ALE均為高電平有效。將START和ALE連在一起，與74LS02的輸出端相連。或非門(mén)74LS02的兩個(gè)輸入端/WR和P2.3均為低電平時(shí)，其輸出為高電平，執(zhí)行外部I/O口的寫(xiě)操作。4. 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀?。寒?dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，EOC端輸出高電平?？捎貌樵兒椭袛嗟姆椒ㄟM(jìn)行數(shù)據(jù)讀取處理。輸出允許OE端為高電平，8位轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)D0D7輸出到數(shù)據(jù)線上。只有 P2.3和/ RD同時(shí)為低電平時(shí)，OE端才為高電平。執(zhí)行外部I/O口讀操作/ RD為低電平。 5. 轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志EOC:轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志EOC端經(jīng)反向器與單片機(jī)的/

36、INT1相連，即轉(zhuǎn)換一旦結(jié)束，外部中斷1則申請(qǐng)中斷。圖3-7 A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路3.4 控制電路固態(tài)繼電器（Solid State Relay,縮寫(xiě)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(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)。用隔離器件實(shí)現(xiàn)了控制端與負(fù)載端的隔離。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。 固態(tài)繼電器由三部分組成：輸入電路，隔離（耦合）和輸出電路。(1)輸入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。(2)隔離（耦合）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。（3） 輸出電路SSR的功率開(kāi)關(guān)直

37、接接入電源與負(fù)載端，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載電源的通斷切換。主要使用有大功率晶體三極管（開(kāi)關(guān)管-Transistor），單向可控硅（Thyristor或SCR），雙向可控硅（Triac），功率場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET），絕緣柵型雙極晶體管（IGBT）。固態(tài)繼電器SSR-40DA是由固態(tài)元件組成的無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，具有工作安全可靠、壽命長(zhǎng)、無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)火花、無(wú)污染、高絕緣、高耐壓（越過(guò)2.5kv）、低觸發(fā)電流、開(kāi)關(guān)速度快、可與數(shù)字電路巨配，以阻燃型環(huán)氧樹(shù)脂為原料，采用灌封技術(shù)，使與外界隔離，具有良好的耐壓、防潮、防腐、抗震動(dòng)等性能。 固態(tài)繼電器部采用電壓過(guò)零時(shí)開(kāi)啟，負(fù)載過(guò)零時(shí)關(guān)斷的特性，在負(fù)載上可以得到一個(gè)完整的正弦波

38、形。因此電路的射頻干擾很小，可降低感性負(fù)載（如風(fēng)扇、三相電動(dòng)機(jī)等）的反電動(dòng)勢(shì)以與驅(qū)動(dòng)阻性負(fù)載（如白熾燈、發(fā)熱絲等）時(shí)可顯著降低浪涌電流等優(yōu)點(diǎn),其部結(jié)構(gòu)如圖3-8所示。過(guò)零控制電路吸收電路開(kāi)關(guān)電路觸發(fā)電路輸出光電耦合電路輸入圖3-8 SSR-40DA部結(jié)構(gòu)圖用于在閉環(huán)控制系統(tǒng)中對(duì)被控對(duì)象實(shí)施控制，被控對(duì)象為加熱爐，采用對(duì)加在電熱杯兩端的電壓進(jìn)行通斷的方法進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)水加熱功率的調(diào)整，從而達(dá)到對(duì)水溫控制的目的。對(duì)電爐絲通斷的控制采用SSR-40DA固態(tài)繼電器。它的使用非常簡(jiǎn)單，只要在控制端TTL電平，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器的開(kāi)關(guān)。當(dāng)單片機(jī)RXD、TXD口線輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)反相器后輸入固態(tài)繼電器。單

39、片機(jī)輸出為高電平時(shí)，固態(tài)繼電器的主觸點(diǎn)打開(kāi)，電源為熱阻絲供電，開(kāi)始加熱。當(dāng)單片機(jī)RXD、TXD口線輸出為高電平時(shí)，固態(tài)繼電器主觸點(diǎn)斷開(kāi)，系統(tǒng)加熱停止。圖3-9溫度控制電路3.5 鍵盤(pán)顯示電路3.5.1 鍵盤(pán)電路鍵盤(pán)是向系統(tǒng)提供操作人員干預(yù)命令與數(shù)據(jù)的接口設(shè)備，鍵盤(pán)可分為編碼鍵盤(pán)和非編碼鍵盤(pán)兩種類型。本系統(tǒng)采用的是簡(jiǎn)單的獨(dú)立式非編碼按鍵。獨(dú)立式鍵盤(pán)是指直接用I/O口線構(gòu)成的單個(gè)按鍵電路。每個(gè)獨(dú)立式按鍵單獨(dú)占有一根I/O口線，每根I/O口線上的按鍵工作狀態(tài)不會(huì)影響其他I/O口線的工作狀態(tài)。通常的按鍵都是低電平有效。獨(dú)立式按鍵電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但每個(gè)按鍵必須占用一根I/O口線，在按鍵數(shù)量較

40、多時(shí)，I/O口線浪費(fèi)較大，故在按鍵數(shù)量不多時(shí)常采用這種按鍵電路，由于我所做的設(shè)計(jì)按鍵數(shù)量少，因此可以選用此按鍵結(jié)構(gòu)。鍵盤(pán)顯示電路如圖3-10所示設(shè)定部分主要是鍵盤(pán)輸入，分別接在單片機(jī)P1.0P1.7口。它由16個(gè)按鍵構(gòu)成，直接與單片機(jī)I/O口相連。S1鍵為確定鍵；S2鍵為運(yùn)行鍵；S3鍵為溫度的上限調(diào)整鍵；S4鍵為溫度的下限調(diào)整鍵；S5鍵為1號(hào)爐鍵；S6鍵為2號(hào)爐鍵；0-9鍵為數(shù)字鍵。3.5.2 LED顯示電路本設(shè)計(jì)采用了74LS164芯片。74LS164是高速硅門(mén) CMOS 器件，與低功耗肖特基型 TTL (LSTTL) 器件的引腳兼容。74LS164 是 8 位邊沿觸發(fā)式移位寄存器，串行輸入

41、數(shù)據(jù)，然后并行輸出。數(shù)據(jù)通過(guò)兩個(gè)輸入端（DSA 或 DSB）之一串行輸入；任一輸入端可以用作高電平使能端，控制另一輸入端的數(shù)據(jù)輸入。兩個(gè)輸入端或者連接在一起，或者把不用的輸入端接高電平，一定不要懸空。時(shí)鐘 (CP) 每次由低變高時(shí)，數(shù)據(jù)右移一位，輸入到 Q0， Q0 是兩個(gè)數(shù)據(jù)輸入端（DSA 和 DSB）的邏輯與，它將上升時(shí)鐘沿之前保持一個(gè)建立時(shí)間的長(zhǎng)度。圖3-10 鍵盤(pán)電路主復(fù)位 (MR) 輸入端上的一個(gè)低電平將使其它所有輸入端都無(wú)效，同時(shí)非同步地清除寄存器，強(qiáng)制所有的輸出為低電平。圖3-11 74LS164外部引腳圖引腳說(shuō)明：DSA、DSB：數(shù)據(jù)輸入。Q0Q7：輸出端。GND：接地 (0

42、V)。VCC： 正電源。CP：時(shí)鐘輸入（低電平有效）。/M/R：中央復(fù)位輸入（低電平到高電平邊沿觸發(fā)）。1.數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)：LED顯示器（數(shù)碼管）系發(fā)光器件的一種。常用的LED發(fā)光器件有兩類：數(shù)碼管和點(diǎn)陣。數(shù)碼管部由七個(gè)條形發(fā)光二級(jí)管和一個(gè)小圓點(diǎn)發(fā)光二極管組成，根據(jù)各管的兩岸組合成字符。常見(jiàn)數(shù)碼管有10根管腳。管腳排列如下圖所示。其中COM為公共端，根據(jù)部發(fā)光二極管的接線形式可分為共陰極和共陽(yáng)極兩種。使用時(shí)，共陰極數(shù)碼管公共端接地，共陽(yáng)極數(shù)碼管公共端接電源。每段發(fā)光二極管需510mA的驅(qū)動(dòng)電流才能正常發(fā)光，一般需要加限流電阻控制電流的大小。2. 靜態(tài)現(xiàn)實(shí)：靜態(tài)現(xiàn)實(shí)就是單片機(jī)將所要顯示的數(shù)據(jù)送出去

43、后，數(shù)碼管始終顯示該數(shù)據(jù)不變，到下一次顯示時(shí)，再傳送一次新的顯示數(shù)據(jù)。靜態(tài)顯示的接口電路采用一個(gè)并行口接一個(gè)數(shù)碼管，數(shù)碼管的公共端按共陰極或共陽(yáng)極分別接地或者接Vcc。3.串行靜態(tài)顯示：為了解決靜態(tài)顯示1/0口占用過(guò)多的問(wèn)題，可采用串行接口擴(kuò)展LED數(shù)碼管的技術(shù)。利用串入移位寄存器74LS164可以實(shí)現(xiàn)串行接口的擴(kuò)展。本設(shè)計(jì)采用了74LS164芯片，/M/R端接高電平，DSA、DSB為數(shù)據(jù)輸入端，直接與單片機(jī)P2.4口相連，CP為時(shí)鐘輸入，與單片機(jī)P2.5口連接，Q0Q7為輸出端與數(shù)碼管相連，通過(guò)程序可以控制74LS164如何工作，來(lái)顯示當(dāng)前溫度。具體接線圖如圖3-12所示。圖3-12 顯示電

44、路圖3.6報(bào)警電路在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，一般的工作狀態(tài)可以通過(guò)指示燈或者數(shù)碼管顯示來(lái)指示，以供操作員參考。但對(duì)于某些緊急狀態(tài)或者反常狀態(tài)，為了使操作人員不致忽視，以便于與時(shí)采取措施，往往還需要有某種更能引人注意、提起警覺(jué)的報(bào)警信號(hào)。本系統(tǒng)的報(bào)警電路包括閃光報(bào)警和鳴音報(bào)警兩種方式。D1為1號(hào)爐報(bào)警燈，D2為2號(hào)爐報(bào)警燈，同時(shí)蜂鳴器將會(huì)發(fā)出聲音報(bào)警。實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警的接口電路比較簡(jiǎn)單，如圖3-13所示。發(fā)生組件采用壓電蜂鳴器，只需在其兩條引線上加3V24V的直流電壓，蜂鳴震蕩音響。壓電式蜂鳴器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、好點(diǎn)小、而且適合于單片機(jī)系統(tǒng)。本電路的設(shè)計(jì)中，要考慮與發(fā)光二極管串聯(lián)的限流電阻大小的確定，阻值選擇不當(dāng)

45、會(huì)影響二極管的壽命。圖3-13 報(bào)警電路圖第4章 控制算法設(shè)計(jì)為了進(jìn)一步改進(jìn)控制器的方法是通過(guò)檢測(cè)誤差的變化率來(lái)預(yù)報(bào)誤差，并對(duì)誤差的變化作出響應(yīng)，于是在PI調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上再加上微分調(diào)節(jié)器，組成比例、積分、微分（PID）調(diào)節(jié)器，其控制規(guī)律為： (4-1)式中為微分常數(shù)，越大微分作用越強(qiáng)。PID控制的原理框圖如圖4-1所示。+PID控制器D(S)被控對(duì)象G(S)圖4-1模擬PID控制系統(tǒng)框圖常規(guī)的PID控制原理框圖如上圖所示。該系統(tǒng)有模擬PID控制器和被控對(duì)象組成。圖中，是給定值，是系統(tǒng)的實(shí)際輸出值，給定值和實(shí)際值輸出值構(gòu)成控制偏差，其中作為PID控制器的輸入，作為PID控制器的輸出和被控對(duì)象的輸

46、入。因?yàn)槭剑?-1）表示的是調(diào)節(jié)器的輸入函數(shù)與輸出函均為模擬量，所以計(jì)算機(jī)是無(wú)法對(duì)其進(jìn)行運(yùn)算的，必須將連續(xù)形式的微分方程化為離散形式的差分方程，取T為采樣周期。在采樣時(shí)刻t=i·T(T為采樣周期，i為正整數(shù))，PID調(diào)節(jié)規(guī)律可以通過(guò)數(shù)值公式近似計(jì)算。(4-2)如果采樣周期取得足夠小，這種逼近可相當(dāng)準(zhǔn)確，被控過(guò)程與連續(xù)過(guò)程十分接近。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的不是控制量的絕對(duì)數(shù)值，而是其增量（例如去風(fēng)扇的電機(jī)）時(shí)，可導(dǎo)出增量式的PID算法，由（4-2）可得:(4-3)由（4-2）與式（4-3）相減可以導(dǎo)出下面的公式: (4-4)室溫溫度控制是這樣一個(gè)反饋調(diào)節(jié)過(guò)程：比較實(shí)際室溫和需要室溫得到偏差，通

47、過(guò)對(duì)偏差的處理得到控制信號(hào)，再去調(diào)節(jié)相應(yīng)的輸出設(shè)備的功率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)室溫溫度加熱與制冷的控制。該控制系統(tǒng)采用過(guò)程控制中應(yīng)用最廣泛的PID控制形式，PID算法用差分方程近似為：(4-5)式（4-5）也可以進(jìn)一步寫(xiě)為：(4-6)其中，利用典型二階的方法確定、參數(shù)二階系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)一般形式為(4-7)將s換成j得： (4-8)它的模為： (4-9)根據(jù)控制理論可知，要使二階系統(tǒng)獲得理想動(dòng)態(tài)品質(zhì)，應(yīng)滿足以下條件：； (4-10)可得 (4-11)將（4-11）代入（4-7）可得 (4-12)(s)為該系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)根據(jù) (4-13)可算出 (4-14)而被控對(duì)象屬于一階對(duì)象和帶純滯后，其數(shù)學(xué)模型

48、可近似寫(xiě)成：(4-15)在溫度控制系統(tǒng)中，滿足，所以式（4-15）是一個(gè)兩時(shí)間常數(shù)相差較大的二階環(huán)節(jié)。， 由式可推出所以 （4-16）所以需用比例積分調(diào)節(jié)器來(lái)校正系統(tǒng)，比例積分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為： （4-17）（4-16）與（4-17）兩式對(duì)應(yīng)相等推出，最后得到調(diào)節(jié)器形式 （4-18）式中 , , 代入式 （4-6）中得： 第5章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)5.1 系統(tǒng)流程圖本系統(tǒng)的應(yīng)用程序主要由主程序、中斷服務(wù)程序和子程序組成。主程序的任務(wù)是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，實(shí)現(xiàn)參數(shù)輸入，并控制電加熱爐的正常運(yùn)行。主程序主要由系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集與處理、智能推理等部分組成。系統(tǒng)初始化包括設(shè)置棧底、工作寄存器組、控制量的初

49、始值、采樣周期、中斷方式和狀態(tài)、定時(shí)器的工作方式等。數(shù)據(jù)采集與處理主要包括實(shí)時(shí)采集電加熱爐的爐溫信號(hào)，計(jì)算出實(shí)際爐溫與理想值的差值以與溫差的變化率，并對(duì)爐溫信號(hào)進(jìn)行濾波和限幅處理。1主程序流程圖圖5-1系統(tǒng)流程圖2采樣子程序流程圖采樣子程序的是A/D0809將模擬的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化成的數(shù)字信號(hào)，由于各種干擾會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生誤差，為了減小誤差，所以要采樣三次。采樣子程序流程圖如圖5-2所示。圖5-2采樣子程序流程圖3T1中斷程序流程圖當(dāng)中斷到來(lái)時(shí)，關(guān)閉計(jì)數(shù)器，清F0標(biāo)志位，返回主程序。圖5-3 T1中斷子程序流程圖4PID控制子程序流程圖根據(jù)PID算法公式，PID算法程序運(yùn)用雙字節(jié)加法程序，雙字節(jié)求補(bǔ)程

50、序，雙字節(jié)無(wú)符號(hào)乘法程序，雙字節(jié)有符號(hào)乘法程序?qū)崿F(xiàn)了PID公式的程序化。PID控制子程序流程圖如圖5-4所示。根據(jù)E(K)=Ur-Ui(K) 計(jì)算E(K)計(jì)算KpE(K)- E(K-1)計(jì)算Ki×E(K)計(jì)算KpE(K)- E(K-1)+ KiE(K)計(jì)算KpE(K)- E(K-1)+ KiE(K)+KdE(K)- 2E(K-1)+ E(K-2)計(jì)算P(K)返回開(kāi)始圖5-4 PID算法程序流程圖系統(tǒng)主程序控制系統(tǒng)的軟件主要包括：采樣、標(biāo)度變換、控制計(jì)算、控制輸出、中斷、顯示、報(bào)警、調(diào)節(jié)參數(shù)修改、溫度設(shè)定與修改。其中控制算法采用數(shù)字PID調(diào)節(jié)，應(yīng)用增量型控制算法，并對(duì)積分項(xiàng)和微分項(xiàng)進(jìn)行

51、改進(jìn)，以達(dá)到更好的控制效果?？紤]到電加熱爐是一個(gè)非線性、時(shí)變和分布參數(shù)系統(tǒng)，所以本文采用一種新型。的智能控制算法。它充分吸取數(shù)學(xué)和自動(dòng)控制理論成果，與定性知識(shí)相結(jié)合，做到取長(zhǎng)補(bǔ)短，在實(shí)時(shí)控制中取得較好的成果。5.2 程序清單#include<reg52.h>#include<stdio.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit ds=P15; /溫度傳感器信號(hào)線sbit dula=P26; /顯示段選線sbit wela=P27; /顯示位選線sbit beep=P26; /蜂鳴器uint te

52、mp; /定義整型的溫度數(shù)據(jù)float f_temp; uint warn_11=400; /定義溫度的下限值uint warn_12=1000; /定義溫度的上限值sbit s1=P10; /鍵盤(pán)sbit s2=P12;sbit pwm=P16;unsigned char code table=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f, /0-9帶小數(shù)點(diǎn)0xbf,0x86,0xdb,0xcf,0xe6,0xed,0xfd,0x87,0xff,0xef; /不帶小數(shù)點(diǎn)void delay(uint z) / 延時(shí)函數(shù)uint x,y;f

53、or(x=z;x>0;x-)for(y=110;y>0;y-);viod dsreset(void) /熱電偶復(fù)位，初始化函數(shù)uint i;ds=0;i=103;while(i>0)i-;ds=1;i=4;while(i>0)i-;bit tempreadbit(void) /讀一位數(shù)據(jù)函數(shù)uint i;bit dat;ds=0;i+;ds=1;i+;i+;dat=ds;i=8;while(i>0)i-;return(dat);uchar tempread(void) /讀一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)函數(shù)uchar i,j,dat;dat=0;for(i=1;i<=8;i+)j=tempreadbit();dat=