課程設(shè)計(jì)基于PID的電熱爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程考查報(bào)告題 目基于PID的電熱爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)授課教師蓋寧學(xué)生姓名 龐德淼學(xué) 號(hào) 200900802024專 業(yè) 電子信息工程教學(xué)單位 物理系完成時(shí)間 2012年 7月 5目錄1 緒論12總體方案設(shè)計(jì)23控制系統(tǒng)的建模和數(shù)字控制器設(shè)計(jì)23.1 PID 控制器結(jié)構(gòu):23.2 PID控制算法34方案論證與選擇54.1單片機(jī)型號(hào)的選擇64.2溫度傳感器的選擇64.3電熱爐控制模塊65系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)75.1硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)75.2單元電路設(shè)計(jì)76軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)136.1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)說(shuō)明136.2軟件的有關(guān)算法136.3各模塊軟件的流程圖及軟件系統(tǒng)總流程圖15結(jié)論17參考文獻(xiàn)17附錄AWZP

2、型鉑熱電阻（Pt100）分度特性表20附錄B 總體電路圖21基于PID的電熱爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)龐德淼（德州學(xué)院物理系，山東德州253023）摘 要設(shè)計(jì)由STC12C5A60S2單片機(jī)、鉑電阻PT100、LM324放大器、DS1302時(shí)鐘芯片、12864液晶等組成。系統(tǒng)以STC12C5A60S2為微處理器，PID算法為核心算法。以鉑電阻(PT100)作為溫度傳感器，采用三線制鉑電阻恒流測(cè)溫的方法，減小了測(cè)量電路及PT100自身的誤差，使溫控精度在0100范圍內(nèi)達(dá)到±0.1。用LM324放大器、A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)溫度采集信號(hào)進(jìn)行處理，通過(guò)單片機(jī)PID算法進(jìn)行控制。另外，還設(shè)計(jì)了時(shí)鐘電路模塊，能實(shí)

3、現(xiàn)對(duì)溫度的實(shí)時(shí)測(cè)量。編寫(xiě)了相應(yīng)的軟件程序,使其實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)控制和顯示。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是：使用簡(jiǎn)便；測(cè)量精確、穩(wěn)定、可靠；測(cè)量范圍大。關(guān)鍵詞STC12C5A60S2 DS1302時(shí)鐘芯片 PID 算法 PT100 LM324放大器1 緒論隨著科技的發(fā)展和“信息時(shí)代”的到來(lái)，作為獲取信息的手段傳感器技術(shù)得到了顯著的進(jìn)步，其應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，對(duì)其要求越來(lái)越高，需求越來(lái)越迫切。因此，了解并掌握各類(lèi)傳感器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及特性是非常重要的。傳感器主要用于測(cè)量和控制系統(tǒng)，它的性能好壞直接影響系統(tǒng)的性能。因此，不僅必須掌握各類(lèi)傳感器的結(jié)構(gòu)、原理及其性能指標(biāo)，還必須懂得傳感器經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)慕涌陔娐氛{(diào)整才能滿

4、足信號(hào)的處理、顯示和控制的要求，而且只有通過(guò)對(duì)傳感器應(yīng)用實(shí)例的原理和智能傳感器實(shí)例的分析了解，才能將傳感器和信息通信與信息處理結(jié)合起來(lái)，適應(yīng)傳感器的生產(chǎn)、研制、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。另一方面，傳感器的被測(cè)信號(hào)來(lái)自于各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，每個(gè)領(lǐng)域都為了改革生產(chǎn)力、提高工效和時(shí)效，各自都在開(kāi)發(fā)研制適合應(yīng)用的傳感器，于是種類(lèi)繁多的新型傳感器及傳感器系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)。溫度傳感器是其中重要的一類(lèi)傳感器。其發(fā)展速度之快，以及其應(yīng)用之廣，并且還有很大潛力。為了提高對(duì)傳感器的認(rèn)識(shí)和了解，尤其是對(duì)溫度傳感器的深入研究以及其用法與用途，基于實(shí)用、廣泛和典型的原則而設(shè)計(jì)了本系統(tǒng)。本文利用單片機(jī)結(jié)合溫度傳感器技術(shù)而開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了這一溫度測(cè)量系

5、統(tǒng)。文中將傳感器理論與單片機(jī)實(shí)際應(yīng)用有機(jī)結(jié)合，詳細(xì)地講述了利用熱電阻作為溫度傳感器來(lái)測(cè)量實(shí)時(shí)的溫度，以及實(shí)現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換的原理過(guò)程。本設(shè)計(jì)應(yīng)用性比較強(qiáng)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以作為溫度測(cè)量顯示系統(tǒng)，如果稍微改裝可以做熱水器溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、生產(chǎn)溫度監(jiān)控系統(tǒng)等等。本課題主要任務(wù)是完成環(huán)境溫度檢測(cè)并顯示溫度和實(shí)時(shí)的時(shí)間。設(shè)計(jì)后的系統(tǒng)具有操作方便，控制靈活移植性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)包括溫度傳感器，信號(hào)放大電路，A/D轉(zhuǎn)換模塊，時(shí)鐘模塊，數(shù)據(jù)處理與控制模塊，溫度、時(shí)間顯示模塊六個(gè)部分。文中對(duì)每個(gè)部分功能、實(shí)現(xiàn)過(guò)程作了詳細(xì)介紹。整個(gè)系統(tǒng)的核心是PID算法進(jìn)行溫度測(cè)量、控制與顯示，完成了課題所有要求。2總體方案設(shè)計(jì)電加熱爐控

6、制系統(tǒng)主要包括：微處理器模塊、溫度采樣模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、控制模塊、按鍵、時(shí)鐘模塊、顯示模塊、電源模塊。微處理器模塊選擇以八位單片機(jī)STC12C5A60S2微處理器為系統(tǒng)的核心，在溫度采樣模塊為WZP-231鉑熱電阻（Pt100），采用三線制接法，采樣電路為橋式測(cè)量電路，其采樣為50-350°C，經(jīng)測(cè)量電路采樣后輸出0-5V電壓，經(jīng)STC12C5A60S2自帶的10位AD功能進(jìn)行轉(zhuǎn)換，變?yōu)閿?shù)字量后送入單片機(jī)STC12C5A60S2進(jìn)行分析處理，控制雙向可控硅控制模塊。通過(guò)按鍵設(shè)置控制參數(shù)，單片機(jī)根據(jù)公式換算把測(cè)量得的溫度傳感器的電阻值轉(zhuǎn)換為溫度值，并將數(shù)據(jù)送出到液晶進(jìn)行顯示。另外，外

7、接一個(gè)時(shí)鐘芯片DS1302產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)送入到單片機(jī)中進(jìn)行處理控制，并將時(shí)間顯示出來(lái)，以實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。圖4-1 系統(tǒng)總體框圖3控制系統(tǒng)的建模和數(shù)字控制器設(shè)計(jì)3.1PID 控制器結(jié)構(gòu):PID 控制：對(duì)偏差信號(hào)e(t)進(jìn)行比例、積分和微分運(yùn)算變換后形成的一種控制規(guī)律。圖 3-1 PID 控制結(jié)構(gòu)圖3.2 PID控制算法PID是一種在單片機(jī)控制中常用的算法, PID控制由于其具有控制方法簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、可靠性高和易于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程控制。其輸入e (t)與輸出u (t)的關(guān)系為數(shù)字PID控制算法是以模擬PID調(diào)節(jié)器控制為基礎(chǔ)的，由于單片機(jī)是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏

8、差計(jì)算控制量。但是如果采樣周期T取得足夠小，采用數(shù)值計(jì)算的方法逼近可相當(dāng)準(zhǔn)確，被控過(guò)程與連續(xù)控制十分接近。離散化后的PID算式為：式中：K : 比例系數(shù)uo : 偏差為零時(shí)的控制作用Ti : 積分時(shí)間Td : 微分時(shí)間T : 采樣時(shí)間。以上公式稱為位置式算法。由它可推出增量式算法：在本設(shè)計(jì)中采用了增量式算法，這是由于增量式算法只需保持以前三個(gè)時(shí)刻的偏差即可，既節(jié)省了資源又不會(huì)產(chǎn)生較大的積累誤差。式中各系數(shù)由反復(fù)實(shí)踐后確定，實(shí)驗(yàn)證明，這種控制方式可以加快系統(tǒng)階躍響應(yīng)、減小超調(diào)量，并具有較高的精度。 （1）比例（P）控制:圖3-2比例（P）控制框圖比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸

9、入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即就發(fā)生作用即調(diào)節(jié)控制輸出，使被控量朝著減小偏差的方向變化，偏差減小的速度取決于比例系數(shù) Kp，Kp越大偏差減小的越快，但是很容易引起振蕩，尤其是在遲滯環(huán)節(jié)比較大的情況下，Kp減小，發(fā)生振蕩的可能性減小但是調(diào)節(jié)速度變慢。但單純的比例控制存在穩(wěn)態(tài)誤差不能消除的缺點(diǎn)。這里就需要積分控制.P 控制對(duì)系統(tǒng)性能的影響：Kp>1時(shí)： a. 開(kāi)環(huán)增益加大，穩(wěn)態(tài)誤差減小； b. 幅值穿越頻率增大，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間縮短；c. 系統(tǒng)穩(wěn)定程度變差。Kp<1時(shí)：與Kp>1時(shí)，對(duì)系統(tǒng)性能的影響正好相反。 （2）積分（I）控制：圖3-3積分（I）控制框圖在積分控制

10、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(jiǎn)稱有差系統(tǒng)。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(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。實(shí)質(zhì)就是對(duì)偏差累積進(jìn)行控制，直至偏差為零。積分控制作用始終施加指向給定值的作用力，有利于消除靜差，其效果不僅與偏差大小有關(guān)，而且還與偏差持續(xù)的時(shí)間有關(guān)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是把偏差

11、積累起來(lái)，一起算總帳。 （3）微分（D ）控制圖3-4微分（D ）控制在微分控制中，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。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)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(shuō)，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)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

12、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(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。它能敏感出誤差的變化趨勢(shì),可在誤差信號(hào)出現(xiàn)之前就起到修正誤差的作用, 有利于提高輸出響應(yīng)的快速性,減小被控量的超調(diào)和增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但微分作用很容易放大高頻噪聲, 降低系統(tǒng)的信噪比, 從而使系統(tǒng)抑制干擾的能力下降。4方案論證與選擇4.1單片機(jī)型號(hào)的選擇方案一：采用AT89C51單片機(jī)進(jìn)行控制。本設(shè)計(jì)需要使用的軟件資源比較簡(jiǎn)單，只需要完成溫度采樣、A/D轉(zhuǎn)換、PID算法控制、鍵盤(pán)輸入以及顯示輸出功能。采用AT89C51 進(jìn)行控制比較簡(jiǎn)單，成本低但是AT89C52處

13、理速度慢，不自帶A/D功能。需要額外搭建A/D電路。方案二：采用51系列單片機(jī)STC12C5A60S2進(jìn)行控制。STC12C5A60S2 是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼與傳統(tǒng)8051完全兼容，但速度快8-12倍。具有2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換鑒于上面分析，本設(shè)計(jì)采用方案二。4.2溫度傳感器的選擇方案一：采用模擬分立元件 如電容、電感或晶體管等非線形元件，該方案設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)單易懂，操作簡(jiǎn)單，且價(jià)格便宜，但采用分立元件分散性大，不便于集成數(shù)字化，而且測(cè)量誤差大。故不予采納方案二：采用HN11型線性溫度傳感器HN11型線性溫度傳感器是一種新型半導(dǎo)體溫度敏感器件，它

14、是一種負(fù)溫度系數(shù)溫度-電壓轉(zhuǎn)換元件。克服了傳統(tǒng)的溫度傳感器非線性這一長(zhǎng)久困擾儀表設(shè)計(jì)人員的難題。本質(zhì)上兼容熱電偶、熱敏電阻器的各自優(yōu)點(diǎn)， 技術(shù)指標(biāo)溫度范圍：-200 - +200；基準(zhǔn)電壓值（0）：690-710mV；電壓溫度系數(shù)：-2.0 mV/;線性偏差: <±0.5%;但是溫度范圍范圍不符合要求。故不予采納。方案三：采用采用熱電阻PT100溫度傳感器 熱電阻也是最常用的一種溫度傳感器。它的主要特點(diǎn)是測(cè)量精度高，性能穩(wěn)定，使用方便，測(cè)量范圍為-200650，完全滿足要求。鑒于上面分析，本設(shè)計(jì)采用方案三。4.3電熱爐控制模塊方案一：通過(guò)繼電器控制電熱爐電源的通斷，從而控制電熱

15、爐電壓。但是繼電器是有觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)器件，容易產(chǎn)生火花而且通斷頻率低，干擾大。方案二：采用雙向可控硅，適合做交流無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)使用。工作頻高，穩(wěn)定性高，干擾小。鑒于上面分析，本設(shè)計(jì)采用方案二。5系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)5.1硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)電加熱爐控制系統(tǒng)主要包括：微處理器模塊、溫度采樣模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、控制模塊、鍵盤(pán)、時(shí)鐘模塊、12864顯示模塊?？傁到y(tǒng)框圖如5-1所示。微處理器模塊選擇以八位單片機(jī)STC12C5A60S2微處理器為系統(tǒng)的核心。在溫度采樣模塊選擇WZP-231鉑熱電阻（Pt100），采用三線制接法，采樣電路為橋式測(cè)量電路，其采樣范圍為50350°C。STC12C5A60S2自帶的10位

16、AD功能處理溫度采樣模的采樣信號(hào)，控制雙向可控硅控制模塊。通過(guò)按鍵設(shè)置控制參數(shù)。單片機(jī)根據(jù)公式換算把測(cè)量得的溫度傳感器的電阻值轉(zhuǎn)換為溫度值，并將數(shù)據(jù)送出到液晶進(jìn)行顯示。另外，外接一個(gè)時(shí)鐘芯片DS1302產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)送入到單片機(jī)中進(jìn)行處理控制，并將時(shí)間顯示出來(lái)，以實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。圖5-1總系統(tǒng)框圖5.2單元電路設(shè)計(jì)STC12C5A60S2單片機(jī)CPU電路本系統(tǒng)采用 STC12C5A60S2 芯片作為核心部件，STC12C5A60S2 內(nèi)部帶有 8 路 ADC 和2 路的 DAC,32個(gè)可編程I/O輸出、輸入口，內(nèi)置 64K 字閃存和2K字的靜態(tài)存儲(chǔ)器。用來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求已經(jīng)足夠使用，STC12

17、C5A60S2單片機(jī)CPU電路如圖5-2所示。圖5-2STC12C5A60S2單片機(jī)CPU電路（2）溫度采樣電路電阻式溫度傳感器(RTD, Resistance Temperature Detector)是指一種物質(zhì)材料作成的電阻,它會(huì)隨溫度的改變而改變電阻值。PT100溫度傳感器是一種以鉑(Pt)做成的電阻式溫度傳感器，屬于正電阻系數(shù),其電阻阻值與溫度的關(guān)系可以近似用下式表示：在0650范圍內(nèi)：Rt =R0 (1+At+Bt2)在-2000范圍內(nèi)：Rt =R0 (1+At+Bt2+C(t-100)t3)式中A、B、C 為常數(shù)，A=3.96847×10-3；B=-5.847×

18、;10-7；C=-4.22×10-12；由于它的電阻溫度關(guān)系的線性度非常好，因此在測(cè)量較小范圍內(nèi)其電阻和溫度變化的關(guān)系式如下：R=Ro(1+T) 其中=0.00392, Ro為100(在0的電阻值),T為華氏溫度，因此鉑做成的電阻式溫度傳感器，又稱為PT100。PT100溫度傳感器的測(cè)量范圍廣：-200+650，偏差小，響應(yīng)時(shí)間短，還具有抗振動(dòng)、穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、耐高壓等優(yōu)點(diǎn)，其得到了廣泛的應(yīng)用，本設(shè)計(jì)即采用PT100作為溫度傳感器。主要技術(shù)指標(biāo)：1. 測(cè)溫范圍：-200650攝氏度；2. 測(cè)溫精度：0.1攝氏度；穩(wěn)定性： Pt100 是電阻式溫度傳感器，測(cè)溫的本質(zhì)其實(shí)是測(cè)量傳感器

19、的電阻，通常是將電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流等模擬信號(hào)，然后再將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再由處理器換算出相應(yīng)溫度。溫度采樣電路圖如5-3所示。圖5-3溫度采樣電路圖（3）電熱爐控制電路雙向可控硅是一種功率半導(dǎo)體器件,也稱雙向晶閘管,在單片機(jī)控制系統(tǒng)中,可作為功率驅(qū)動(dòng)器件,由于雙向可控硅沒(méi)有反向耐壓?jiǎn)栴},控制電路簡(jiǎn)單,因此特別適合做交流無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)使用。雙向可控硅接通的一般都是一些功率較大的用電器,且連接在強(qiáng)電網(wǎng)絡(luò)中,其觸發(fā)電路的抗干擾問(wèn)題很重要,通常都是通過(guò)光電耦合器控制系統(tǒng)中的觸發(fā)與關(guān)斷。此部分電路主要由過(guò)零檢測(cè)電路和過(guò)零觸發(fā)電路組成，光電耦合器與單片機(jī)端口相連，可以根據(jù)端口信號(hào)的變化迅速做出反

20、應(yīng)，延時(shí)時(shí)間短。由于單片機(jī)的端口電壓不足以驅(qū)動(dòng)光電耦合器，故令其低電平觸發(fā)，外加上拉電阻。與外部電阻爐相連的部分是可控硅，與光電耦合器配合輸出，以弱電控制強(qiáng)電，控制電阻爐的開(kāi)斷頻率，以達(dá)到加熱目的。由主控單片機(jī)運(yùn)算輸出脈沖寬度可調(diào)的PWM波用于雙向可控硅在1s內(nèi)的導(dǎo)通和關(guān)斷數(shù)從而調(diào)節(jié)輸出給電爐的功率，這樣使得水溫穩(wěn)定在設(shè)定值上。過(guò)零檢測(cè)電路電路設(shè)計(jì)如圖5-4所示,為了提高效率,使觸發(fā)脈沖與交流電壓同步,要求每隔半個(gè)交流電的周期輸出一個(gè)觸發(fā)脈沖,且觸發(fā)脈沖電壓應(yīng)大于4V,脈沖發(fā)信號(hào)加載到可控硅的控制極。為減小驅(qū)動(dòng)功率和可控硅觸發(fā)時(shí)產(chǎn)生的干擾,交流電路雙向可控硅的觸發(fā)常采用過(guò)零觸發(fā)電路。過(guò)零觸發(fā)是

21、指在電壓為零或零附近的瞬間接通。由于采用過(guò)零觸發(fā),因此上述電路還需要正弦交流電過(guò)零檢測(cè)電路。寬度應(yīng)大于20us。圖中T1為變壓器,TPL521- 2為光電耦合器,起隔離作用。當(dāng)正弦交流電壓接近零時(shí),光電耦合器的兩個(gè)發(fā)光二極管截止,三極管Q1基極的偏置電阻電位使之導(dǎo)通,產(chǎn)生負(fù)脈沖信號(hào),Q1輸出端接到單片機(jī)80C51的外部中斷0的輸入引腳INT0,以引起中斷。在中斷服務(wù)子程序中使用定時(shí)器累計(jì)移相時(shí)間,然后發(fā)出雙向可控硅的同步觸發(fā)信號(hào)。圖5-4過(guò)零檢測(cè)電路過(guò)零觸發(fā)電路電路如圖5-5所示,圖中U2為光電耦合雙向可控硅驅(qū)動(dòng)器,也屬于光電耦合器的一種,用來(lái)驅(qū)動(dòng)雙向可控硅BCR并且起到隔離的作用,R6為觸發(fā)

22、限流電阻,R10為BCR門(mén)極電阻,防止誤觸發(fā),提高抗干擾能力。當(dāng)單片機(jī)80C51的P0.1引腳輸出負(fù)脈沖信號(hào)時(shí)Q2 導(dǎo)通,U2導(dǎo)通,觸發(fā)BCR導(dǎo)通,接通交流負(fù)載。另外,若雙向可控硅接感性交流負(fù)載時(shí),由于電源電壓超前負(fù)載電流一個(gè)相位角,因此,當(dāng)負(fù)載電流為零時(shí),電源電壓為反向電壓,加上感性負(fù)載自感電動(dòng)勢(shì)el 作用,使得雙向可控硅承受的電壓值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)電源電壓。雖然雙向可控硅反向?qū)?但容易擊穿,故必須使雙向可控硅能承受這種反向電壓。一般在雙向可控硅兩極間并聯(lián)一個(gè)RC阻容吸收電路,實(shí)現(xiàn)雙向可控硅過(guò)電壓保護(hù),圖4-5中的C2、R9為RC阻容吸收電路。過(guò)零觸發(fā)電路如圖4-5所示圖5-5過(guò)零觸發(fā)電路。 （4

23、）DS1302時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)DS1302是美國(guó)DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，它可以對(duì)年、月、日、周日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，具有閏年補(bǔ)償功能，工作電壓為2.5V5.5V。采用三線接口與CPU進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號(hào)或RAM數(shù)據(jù)。DS1302內(nèi)部有一個(gè)31×8的用于臨時(shí)性存放數(shù)據(jù)的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升級(jí)產(chǎn)品，與DS1202兼容，但增加了主電源/后背電源雙電源引腳，同時(shí)提供了對(duì)后背電源進(jìn)行涓細(xì)電流充電的能力。本設(shè)計(jì)中采用DS1302時(shí)鐘芯片產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行處理控制，并顯示出實(shí)時(shí)的時(shí)間，可以

24、用于對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集。時(shí)鐘電路如圖5-6所示。圖5-6時(shí)鐘電路（5）按鍵電路設(shè)置本設(shè)計(jì)共設(shè)計(jì)3個(gè)按鍵，用來(lái)設(shè)置和修改時(shí)間。其電路圖如下圖5-7所示。圖5-7按鍵電路（6）液晶顯示 12864液晶顯示為128X64 點(diǎn)陣，面板采用 STN （Super Twisted Nematic ）超扭曲向列技術(shù)制成并且由 128 Segment 和 64 Common 組成，SPLC501 液晶顯示上很直觀的提供了液晶顯示器的接口，及其所需的復(fù)位電路等，并把對(duì)液晶的操作接口引出，方便使用；此外還提供有背光、電源指示燈、LCM， 非常容易通過(guò)接口被訪問(wèn)。圖5-8是12864液晶串行顯示的接口。圖5-

25、8 12864液晶顯示接口（7）電源電路的設(shè)計(jì)為了使單片機(jī)有一個(gè)穩(wěn)定的工作環(huán)境，且各組件都正常的工作，我們特別制作了5V的直流穩(wěn)壓電源。本電路的特點(diǎn)是：電源輸出穩(wěn)定，具有較好的抗干擾能力。輸出標(biāo)準(zhǔn)的5V直流電壓。電源電路如圖5-9所示。圖5-9電源電路6軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)6.1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)說(shuō)明進(jìn)行微機(jī)測(cè)量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，除了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)外，大量的工作就是如何根據(jù)每個(gè)測(cè)量對(duì)象的實(shí)際需要設(shè)計(jì)應(yīng)用程序。因此，軟件設(shè)計(jì)在微機(jī)測(cè)量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中占重要地位。對(duì)于本系統(tǒng)，軟件設(shè)計(jì)更為重要。在單片機(jī)測(cè)量控制系統(tǒng)中，大體上可分為數(shù)據(jù)處理、過(guò)程控制兩個(gè)基本類(lèi)型。數(shù)據(jù)處理包括：數(shù)據(jù)的采集、數(shù)字濾波、標(biāo)度變換等。過(guò)程控制程

26、序主要是使單片機(jī)按一定的方法進(jìn)行計(jì)算，然后再輸出，以便達(dá)到測(cè)量控制目的。軟件設(shè)計(jì)主要是對(duì)溫度進(jìn)行采集、顯示,通過(guò)按鍵操作，進(jìn)行時(shí)間的設(shè)置與修改。因此，整個(gè)軟件可分為溫度采集子程序、時(shí)鐘讀取程序、按鍵子程序、顯示子程序、及系統(tǒng)主程序。6.2軟件的有關(guān)算法（1）最小二乘理論獲取溫度電阻公式根據(jù)誤差理論，我們要獲得較高精度的溫度測(cè)量值，辦法一般有2個(gè)，要么采用查表法，要么建立高精度的數(shù)學(xué)模型。如果用查表法，主要有2個(gè)問(wèn)題，如果要提高測(cè)量精度，則需要建立大量的表格，而且得提前做大量得試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行多點(diǎn)校正，還有一個(gè)問(wèn)題是程序的通用性差，這臺(tái)儀器上校正好得數(shù)據(jù)可能在另一臺(tái)上不合適。而采用已知的分度表，建立數(shù)

27、學(xué)模型，然后通過(guò)工程量（標(biāo)度）變換，通過(guò)測(cè)量A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果后計(jì)算得到。這里我們考慮第2種方法的優(yōu)點(diǎn)，首先采用分段的方法，將測(cè)量范圍分段，然后查出該段的數(shù)學(xué)模型的各個(gè)系數(shù)，然后計(jì)算出溫度值，這里，由于時(shí)間的關(guān)系，我們對(duì)整個(gè)測(cè)量范圍分了3段，分別為049、5070、71100，利用分度表進(jìn)行離線的數(shù)學(xué)擬合，得到各段的數(shù)學(xué)模型系數(shù)。同時(shí)，可通過(guò)再將標(biāo)度值代入可粗略估計(jì)在各個(gè)測(cè)量段內(nèi)的最大誤差值。我們通過(guò)最小二乘法進(jìn)行線性擬合，得到如下的數(shù)學(xué)模型為：T1=2.5772R-257.7708 0-49T2=2.6366R-267.01 5070T3=2.7206R-281.90 71100上述3個(gè)數(shù)學(xué)模

28、型中，最大的理論誤差值都小于0.1，能夠滿足精度要求，實(shí)際上如果有足夠的時(shí)間，我們完全可以分得再細(xì)一些，這樣理論的誤差將會(huì)變得更小。（2）標(biāo)度變換公式的獲取 根據(jù)上述的線性擬合結(jié)果：T=A·R-B，這里的A、B是上述不同溫度段的系數(shù)，而R值由于在輸出為0V時(shí)，實(shí)際上有個(gè)對(duì)應(yīng)于100歐姆的偏置電路，因此根據(jù)R-R0=U/I，而I=2.500V/1.500K，而AD/U/G=4096/4.900V，這里的AD值為A/D轉(zhuǎn)換得結(jié)果G為放大器的增益，本設(shè)計(jì)中的二級(jí)放大器放大的倍數(shù)為80倍。將上述條件代入得：T=A·(4.9·AD/4096/G/I+100)-B6.3各模塊

29、軟件的流程圖及軟件系統(tǒng)總流程圖圖6-1DS1302時(shí)鐘流程圖 圖6-2 溫度轉(zhuǎn)換流程圖圖6-3顯示流程圖 圖6-4系統(tǒng)總流程圖結(jié)論 本溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)，是采用PT100溫度傳感器經(jīng)過(guò)放大和A/D轉(zhuǎn)換器送到單片機(jī)通過(guò)PID算法進(jìn)行控制溫度顯示和時(shí)間顯示。另外本系統(tǒng)還可以通過(guò)外接電路擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)溫度報(bào)警功能，從而更好的實(shí)現(xiàn)溫度現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)控制。經(jīng)過(guò)多次的修改和調(diào)試測(cè)量，本設(shè)計(jì)基本符合設(shè)計(jì)要求，由于受人為因素和軟硬件的限制，系統(tǒng)難免不了帶來(lái)一些誤差，但通過(guò)調(diào)節(jié)和精確計(jì)算可以減小誤差。 通過(guò)本次溫度測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，我對(duì)溫度測(cè)量控制有了進(jìn)一步的熟悉和更深入的學(xué)習(xí)。在整個(gè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)是：怎樣

30、將PT100熱電阻的非電量信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)單片機(jī)能識(shí)別的電量信號(hào)，其中的信號(hào)如何放大及放大倍數(shù)的確定等等。通過(guò)本課程設(shè)計(jì)，我了解并掌握了傳感器的基本理論知識(shí)，更深入的掌握單片機(jī)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用和編程控制。為以后從事單片機(jī)軟硬件產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、打下了良好的基礎(chǔ)，樹(shù)立獨(dú)立從事產(chǎn)品研發(fā)的信心，并在這種能力上得到了比較充分的鍛煉。參考文獻(xiàn)1 張琳娜，劉武發(fā)傳感檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用M.中國(guó)計(jì)量出版社，1999.2 沈德金，陳粵初MCS-51系列單片機(jī)接口電路與應(yīng)用程序?qū)嵗齅.北京航空航天大學(xué)出版，1990.3 鄭建國(guó).一種高精度的鉑電阻溫度測(cè)量方案自動(dòng)化儀表M.1997.4馬家辰. MCS-51單片機(jī)原理及其接口技

31、術(shù)M.哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1997.5 周航慈.單片機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)M.北京航空航天大學(xué)出版社，1991年8版.6 李志全等.智能儀表設(shè)計(jì)原理及應(yīng)用M.國(guó)防工業(yè)出版社，1998年6版.7 李建民.單片機(jī)在溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用M.江漢大學(xué)學(xué)報(bào)，1996年6版.8 楊振江等.智能儀器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的新器件及應(yīng)用M.西安電子科技大學(xué)出版社，2001年12 版.9鐘亞飛基于單片機(jī)的溫室二氧化碳測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)D山東科技大學(xué)，2011：13.Electric furnace control system design based on PIDPangDeMiao (Department of Physi

32、cs ， Dezhou University ， Dezhou，253023)Abstract STC12C5A60S2 microcontroller, platinum resistance of the PT100, the LM324 amplifier, DS1302 clock chip, 12864 compose the design .The microprocessor of the system is STC12C5A60S2, PID algorithm as the core of algorithm. Platinum resistance (PT100) as t

33、emperature sensor,.Using the method of three-wire platinum resistance constant current method to measure the temperature of the equipment .Reducing the error of measurement circuit and PT100, so temperature control accuracy to ± 0.1 ° C in the range of 0 100 . Then LM324 amplifier, A / D c

34、onverter handle the data of temperature signal sampling.STC12C5A60S2 control the equipment through the PID algorithm. In addition,the system also designed the clock circuit module to achieve real-time measurement of temperature. Write the software program, to achieve real-time control and display of temperature. The system features are: ease of use; accurate