8031單片機實現(xiàn)電阻爐溫度的控制 -接口電路設計

1、- -摘要本文用8031單片機實現(xiàn)電阻爐溫度的控制，重點介紹接口電路的設計。電阻爐是一類使用非常廣泛的工業(yè)設備，利用單片機實現(xiàn)溫度的實時控制，對提高勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質量，節(jié)約能源都有著積極意義。本控制系統(tǒng)是對水加熱的控制過程，工作時水的溫度由數(shù)字溫度計和精密放大器放大至05v電壓信號，由ADC0809轉換成單片機所能接受的數(shù)字信號，此信號與溫度的給定值比較得到溫度偏差，通過PID控制算法運算得到控制量，此控制量通過對可控硅觸發(fā)角的控制，來調節(jié)加在電阻爐上的電壓的通斷時間以達到控溫的目的。系統(tǒng)的給定值等參數(shù)可由鍵盤輸入，并可以隨時修改，給定溫度和PID的參數(shù)可顯示在LED上。關鍵詞：單片機；電阻

2、爐；控制;接口電路目錄TOC o 1-5 h z第一章概述3 HYPERLINK l bookmark6 1.1題目來源及意義3 HYPERLINK l bookmark8 電阻爐溫度控制系統(tǒng)的結構工作原理3 HYPERLINK l bookmark16 第二章電阻爐溫度控制系統(tǒng)的硬件設計6 HYPERLINK l bookmark18 硬件電路設計原則6 HYPERLINK l bookmark20 單片機的選擇6 HYPERLINK l bookmark22 8031芯片介紹7 HYPERLINK l bookmark24 2.2.28031的引腳介紹7 HYPERLINK l bookm

3、ark26 單片機程序存儲器的擴展9 HYPERLINK l bookmark28 2.3.1地址譯碼器的選擇9 HYPERLINK l bookmark30 2.3.2程序存儲器的設計9 HYPERLINK l bookmark32 溫度檢測接口電路設計10 HYPERLINK l bookmark34 數(shù)字溫度計的選擇10 HYPERLINK l bookmark44 AD轉換器的接口電路設計12 HYPERLINK l bookmark52 鍵盤、顯示器接口電路15 HYPERLINK l bookmark54 顯示器接口電路15 HYPERLINK l bookmark56 鍵盤接口電

4、路17 HYPERLINK l bookmark58 報警接口電路18 HYPERLINK l bookmark60 電阻爐溫度控制執(zhí)行機構的設計19 HYPERLINK l bookmark62 第三章溫度控制算法21 HYPERLINK l bookmark64 溫度控制算法21 HYPERLINK l bookmark66 采樣周期T的確定24 HYPERLINK l bookmark68 第四章軟件設計25 HYPERLINK l bookmark70 接口軟件設計25PID程序設計26 HYPERLINK l bookmark82 第五章結論33第一章題目來源及意義熱處理設備是實現(xiàn)熱

5、處理工藝的基礎和保證，直接關系到熱處理技術水平的高低和工件質量的好壞。對熱處理技術的基本要求是：先進、可靠、經(jīng)濟、安全，能滿足熱處理工藝的要求，并保證工藝的穩(wěn)定和再現(xiàn)性，節(jié)省能源，保護環(huán)境，改善勞動環(huán)境，降低生產(chǎn)成本，提高機械化和自動化水平。在工業(yè)領域，如冶金、機械、建材及化工等部門，都有大量使用各種爐窯，如用于熱處理的加熱爐，用于熔化的坩堝爐等。爐窯運行時，溫度是需要測控的最基本參數(shù)。不同的爐窯，加熱方法與所用燃料有所差異，但被控對象都可歸于有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)。溫度以往多采用歸儀表加接觸器的斷續(xù)控制，存在不少固有的缺點。為了提高產(chǎn)品質量與數(shù)量，節(jié)約能源，改善勞動環(huán)境，并且隨著科學技術的發(fā)

6、展，上述對設備對溫度控制要求越來越高，除要求有較高的控制精度外，還要求能對溫度的上升速度及下降速度進行控制，顯然應用常規(guī)儀表方法難以滿足這些要求。然而，隨著電子技術的發(fā)展，特別是單片機計算機的出現(xiàn)，對上述被控制對象采用功能強、體積小、價格低的智能化溫度控制裝置進行控制成為現(xiàn)實。本文將介紹用單片機對熱水電阻爐進行溫度控制的過程。電阻爐溫度控制系統(tǒng)的結構工作原理系統(tǒng)原理圖如圖1.1所示。整個系統(tǒng)由四部分組成，即：8031單片機系統(tǒng)；溫度檢測通道；輸出控制通道及報警顯示系統(tǒng)。工作時，溫度由集成溫度傳感器AD590轉換成電流信號，經(jīng)運放放大至0-5v的電壓信號，由ADC0809轉換成單片機所能接受的數(shù)

7、字信號，此信號與溫度的給定值比較得到溫度的偏差，通過PID控制器運算，此控制量經(jīng)可控硅控制加在電阻爐上的電壓的通斷時間，以達到控溫目的。系統(tǒng)的給定值、PID參數(shù)由鍵盤輸入，并可以隨時修改，給溫度和采樣溫度同時顯示在LED上。圖1.1電阻爐溫度控制系統(tǒng)原理框圖、輸入通道a、溫度檢測及放大在溫度控制系統(tǒng)中，溫度檢測及放大任務通常用溫度變送器來完成。為了降低成本，簡化結構，本系統(tǒng)采用了OP07型溫度變送器的輸入回路部份，這輸入回路是一平衡電橋，它與AD590熱電偶配合使用，實現(xiàn)溫度零點遷移。不平衡電橋的輸出信號經(jīng)精密放大器放大到A/D轉換所需標準信號，根據(jù)熱電偶分度號和量程的不同，可選擇和調整放大器

8、的反饋電阻以改變放大倍數(shù)，從而實現(xiàn)了溫度標準信號的轉換。B、A/D轉換A/D轉換功能由AD0809完成，它是一種逐次逼近式8路模擬輸入、8位數(shù)字量輸出的A/D轉換器。在這里我們將DD接到8031的PP轉換結束信號OEC經(jīng)一個與非門接8031的070.00.7INTO，置外部中斷為邊沿觸發(fā)方式，這樣，每次A/D轉換結素時都將結果送入數(shù)據(jù)存貯區(qū)。由于爐溫度化緩慢，輸入通道中沒有設置采樣保持器。二、輸出通道執(zhí)行機構采用可控硅控制器，單片機只須輸出能改變可控硅控制周期內(nèi)的通斷時間就行了，因此省去了D/A轉換器，僅用了一條I/O線，通過軟件支持，在這條I/O線上輸出一個高電平寬度在控制周期內(nèi)隨調節(jié)值變化

9、的方波信號，從而達到控溫的目的。三、單片機基本系統(tǒng)及I/O擴展16K存貯器EPROM(27128)通過一片地址鎖存器74LS373與數(shù)據(jù)總線與8031組成基本系統(tǒng)。四、鍵盤與顯示器這部分由三個共陽極數(shù)碼管和三個驅動器組成，其中顯示器用于準備符、爐內(nèi)溫度、控溫時間、顯示以及支持鍵盤進行控制參數(shù)設定顯示。鍵盤完成控制器參數(shù)設定與控制器的啟動、停止操作。五、控制算法為了提高系統(tǒng)的快速性，同時也避免運行算溢出，本控制采用了最大、最小值控制。即在偏差|e0)時才進入PID調節(jié)。eAeAe-A算術表達式為umaxUi=UPIDu.Imm為了提高調節(jié)品質，選用改進PID算法之一，Aw=kAe+k(Ae-A)

10、+k-e+a-ua-uiPiDii1IID,i1d,i2u=u+Auii1i本控制系統(tǒng)輸入通道用測溫電路和精密放大器，省去可采樣保持器；輸出通道取消了D/A轉換器，執(zhí)行機構選用了可控硅控制器。從而使整個控制系統(tǒng)結構簡單，操作方便，控制精度高具有很高的性價比。第二章電阻爐溫度控制系統(tǒng)的硬件設計硬件電路設計原則一個單片機應用系統(tǒng)的硬件電路設計包含有兩部分內(nèi)容；一是系統(tǒng)擴展，即單片機內(nèi)部的功能單元，如RAM，ROM，I/O口，定時/計數(shù)器，中斷系統(tǒng)等容量不能滿足應用系統(tǒng)的要求時，必須在另外進行擴展，選擇適當?shù)男酒?，設計相應的電路。二是系統(tǒng)配置，即按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設備，如鍵盤，顯示器，A/D,

11、D/A轉換器等，要設計合適的接口電路。系統(tǒng)的擴展和配置設計應遵循下列原則：（1）盡可能選擇典型電路，并符合單片機的常規(guī)算法。為硬件系統(tǒng)的標準化，模塊化打下良好基礎。（2）系統(tǒng)的擴展與外圍設備配置的水平應充分滿足應用系統(tǒng)的功能要求，并留有適當余地，以便進行二次開發(fā)（3）硬件結構應結合應用軟件方案一并考慮。硬件結構與軟件方案會產(chǎn)生相互影響?？紤]的原則是：軟件能實現(xiàn)的功能盡可能由軟件實現(xiàn)，以簡化硬件結構。但必須注意，由軟件實現(xiàn)的硬件功能，其響應時間要比直接用硬件實現(xiàn)來得長，而且占用CPU時間。因此，選者軟件方案時，要考慮到這些時間因素。（4）整個系統(tǒng)中相關的器件要盡可能做到性能相匹配，例如，選用晶振

12、頻率高時，存儲器的存取時間有限，應該選擇允許存取速度較高的芯片；選擇CMOS芯片單片機構成低功耗系統(tǒng)時，系統(tǒng)中的所有芯片都應該選擇低功耗的產(chǎn)品。（5）可靠性及抗干擾設計是硬件系統(tǒng)設計不可缺少的一部分，它包括芯片，器件選擇，去耦濾波，印刷電路板布線，通道隔離等。（6）單片機外接較多時，必須考慮其驅動能力。驅動能力不足，系統(tǒng)工作不可靠，解決的辦法是增強驅動能力，增設驅動器或者減少芯片功耗，降低總線負載。單片機的選擇在眾多單片機成員中，MCS-51系列單片機以其優(yōu)越的性能，成熟的技術及高可靠性和高性能價格比。迅速占領了工業(yè)測控和自動化工程應用的主要市場，成為國內(nèi)單片機應用領域中的主流。近年來，MCS

13、-51系列單片機以8位機，如8031/8032,8051/8052,8751/8752尤為變得熱門由于MCS-51單片機的程序計數(shù)器為16位，因此，可尋址的地址空間為64K空間。805和8751單片機內(nèi)部有4K字節(jié)ROM/EPROM程序存儲器，當管腳EA=1時，低4K地址（0000H-0FFFH）指向片內(nèi)，而當EA=0時，低4K地址指向片外。8052內(nèi)部有8KROM程序存儲器，外部同樣可擴展到64K。對于片內(nèi)無ROM/EPROM的單片機8031/8032構成應用系統(tǒng)時，必須使EA=0,程序存儲器只能外部擴展。另外，MCS-51系列單片機內(nèi)部有128個字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器（8052/8032內(nèi)部有2

14、56個字節(jié)的RAM）。針對本系統(tǒng)，則只需要采用8031即可，由于EPROM的擦寫比較麻煩，給開發(fā)制造了一定的困難，因此，我采用INTEL公司生產(chǎn)的新型單片機（8位）,指令與8031完全兼容，但片內(nèi)的4KERROM采用的是4K的FlashROM存儲器，這種存儲器可電擦寫，速度快，且擦寫次數(shù)1000余次，從而縮短了開發(fā)周期，方便開發(fā)者，因此，我的最終選擇是INTEL公司的8031單片機，以其高性能價格比得到用戶的信賴。8031芯片介紹8031是由8個部件組成，即CPU,時鐘電路，數(shù)據(jù)存儲器，并行口（P0P3）串行口，定時計數(shù)器和中斷系統(tǒng)，它們均由單一總線連接并被集成在一塊半導體芯片上，即組成了單片

15、微型計算機，8031就是MCS-51系列單片機中的一種。1、CPU中央處理器中央處理器是8031的核心，它的功能是產(chǎn)生控制信號，把數(shù)據(jù)從存儲器輸出口或輸入口送到CPU或CPU數(shù)據(jù)寫入存儲器或送到輸出端口。還可以對數(shù)據(jù)進行邏輯和算術的運算。2、時鐘電路8031內(nèi)部有一個頻率最大為12MHZ的時鐘電路，它為單片機產(chǎn)生時鐘序列但需要外接石英晶體做震蕩器和微調電容。3、內(nèi)存內(nèi)部存儲器可分做程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，但在8031中無片內(nèi)程序存儲器。4、定時/計數(shù)器8031有兩個16位的定時計數(shù)器，每個定時器和計數(shù)器都可以設置成定時的方式和計數(shù)的方式，但只能用其中的一個功能，以定時或計數(shù)結果對計算機進行控制

16、。5、并行I/O口MCS-51有四個8位的并行I/O口，P0，P1,P2,P3，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行輸出。6、串行口它有一個全雙工的串行口，它可以實現(xiàn)計算機間或單片機同其它外設之間的通信，該并行口功能較強，可以作為全雙工異步通訊的收發(fā)器也可以作為同步移位器用。7、中斷控制系統(tǒng)8031有五個中斷源，即外部中斷兩個，定時計數(shù)中斷兩個，串行中斷一個，全部的中斷分為高和低的兩個輸出級。8031的引腳介紹Pl1miPI2miPI4“4PISPUSPI7沏HTIFlflwoF1IP12TlTOP14FISXIXIRESETRXDTXDCT5-ALSFwwPSEK圖2.1引腳圖8031的制作工藝為HMOS,采用

17、40管腳雙列直插DIP封裝，引腳說明如圖（2.1）所示：（1）VCC（40引腳）正常運行時提供電源，VSS（20引腳）接地。（2）XTAL1（19引腳）在單片機內(nèi)部，它是一個反向放大器的輸入端，該放大器構成了片內(nèi)的震蕩器，可以提供單片機的時鐘信號，此引腳也可以接外部的晶振的一個引腳，如采用外部振蕩器時，對于8031此引腳應該接地。XTAL2（18引腳）為輸出端引腳，此引腳還能為應用系統(tǒng)中的其它芯片提供時鐘。（3）RST/VPD（9引腳）在振蕩器運行時，在此引腳加上兩個機器周期的高電平將單片機復位后應使此引腳電平保持不高于0、5V低電平以保證8031正常工作。在掉電時，此引腳接備用電源VDD，以

18、保持RAM數(shù)據(jù)不丟失，當BVCC低于規(guī)定的值時，而VPD在其規(guī)定的電壓范圍內(nèi)時，VPD就向內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器日工備用電源。（4）ALE/PROG（30引腳）當8031訪問外部存儲器時，包括數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器，ALE9地址鎖存允許0輸入的脈沖的下沿用語鎖存16位地址的低8位，在不訪問外部存儲器的時候，ALE仍有兩個周期的正脈沖輸出，其頻率為振蕩器的頻率的1/6，在訪問外存儲器的時候，在兩個周期中，ALE只出現(xiàn)一次，ALE斷可驅動8個LSTTL負載，對于有片內(nèi)EPROM的而言，在EPROM編程期間，此引腳輸入編程脈沖PROG。（5）PSEN（29引腳）此腳輸出為單片機內(nèi)訪問外部程序存儲器的讀選通信

19、號，在讀取外部指令期間，PSEN有兩次在每個周期有效，在此期間，每當訪問外部存儲器時，兩個有效的PSEN將不再出現(xiàn)，同樣這個引腳可驅動8個LSTTL負載。（6）EA/VPP（31引腳）當EA非保持高電平時，單片機訪問內(nèi)部存儲器，當PC值超過0FFFH時，將自動轉向片外存儲器。當EA非保持低電平時，則只訪問（18引腳）在內(nèi)部，接至上述振蕩器的反向輸入端，當采用外部振蕩器時，對MCS51系列該引腳接收外部震蕩信號，即把該信號直接接到內(nèi)部時鐘的輸入端。外部程序存儲器，對8031而言，此腳必須接地。（7）P0，P1，P2，P3，8031有四個并行口，在這四個并行口中，可以在任何一個輸出數(shù)據(jù)，又可以從它

20、們那得到數(shù)據(jù)，故它們都是雙向的，每一個I/O口內(nèi)部都有一個8位數(shù)據(jù)輸出鎖存器和一個8位數(shù)據(jù)輸入緩沖器，各成為SFR中的一個，因此CPU數(shù)據(jù)從并行I/O口輸出時可以得到鎖存，數(shù)據(jù)輸入時可以得到緩沖，但他們在功能和用途上的差異很大，P0和P2口內(nèi)部均有個受控制器控制的二選一選擇電路，故它們除可以用做通用I/O口以外還具有特殊的功能，P0口通常用做通用I/O口為CPU傳送數(shù)據(jù)，P2口除了可以用做通用口以外，還具有第一功能，除P0口以外其余三個都是準雙向口。（8）8031有一個全雙工串行口，這個串行口既可以在程序下把CPU的8位并行數(shù)據(jù)變成串行數(shù)據(jù)一位一位的從發(fā)送數(shù)據(jù)線發(fā)送出去，也可以把串行數(shù)據(jù)接受來

21、變成并行數(shù)據(jù)給CPU，而且這種串行發(fā)送和接收可以單獨進行也可以同時進行。8031的串行發(fā)送和接收利用了P3口的第二功能，利用P3、1做串行數(shù)據(jù)接收線，串行接口的電路結構還包括了串行口控制寄存器SC0N，電源及波特率選擇寄存器PCON和串行緩沖寄存器SBUF，他們都屬于SFR，PCON和SCON用于設置串行口工作方式和確定數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，SBUF用于存放欲發(fā)送的數(shù)據(jù)起到緩沖的作用。單片機程序存儲器的擴展由于本系統(tǒng)的功能需求片內(nèi)的程序存儲器的資源還不能滿足需要，還需要外擴存儲器。又由于8031單片機的引腳有限，數(shù)據(jù)線和地址線需重復使用，由P0口兼用。為了將它們分離出來，以便同單片機外擴的擴展芯片2

22、7128正確連接，需要在單片機外部增加地址鎖存器74SL373。地址譯碼器的選擇由于單片機本身不能成為系統(tǒng)，需外擴一些芯片，對于眾多的擴展元件，必須進行地址分配譯碼(即以一列二進制代碼作輸入)得到唯一的一位輸出。地址譯碼有兩種方式：線選法和片選法。本系統(tǒng)中選用片選法。利用譯碼電路將地址空間劃分成若干塊，用來分別選通各擴展芯片，如此就可以充分地利用地址空間。本系統(tǒng)選用74LS373譯碼器，三一八線譯碼器，包含三個允許輸入端，因而能簡化級聯(lián)和數(shù)據(jù)接收，延遲時間22秒。程序存儲器的設計8031片內(nèi)無程序存儲器，所以必須進行程序存儲器的擴展。紫外線擦除電可編程的只讀存儲器的擴展可作為8031的外部程序

23、存儲器，電路片的玻璃窗口在紫外線光下照射20分鐘左右，存儲器的各位信息全變?yōu)?，通過相應的編程器將工作程序固化到這些芯片中，使可作為8031的外部程序存儲器使用。本設計采用27128(16K*8)作為外擴程序存儲器芯片。8031的P口經(jīng)地址鎖存器74LS373與27128的AA相連，P口的低5位PP接2712800722。02。4的AA，PSEN與OE相連，27128的片選信號來自與8031的P，當P=0時，27128的片選8122。72。7信號有效。27128共有13根地址線，分別與地址總線A?；噙B，因此，27128所占地址空間為0000H1FFFH。8031與27128接口電路圖如圖(2

24、.2)所filliFtdHI和FidMlB031HTcnr訊EK圖2.28031與27128的接口電路圖A0A12地址線、CE片選線、0E輸出允許端、PGM編程控制信號程序存儲器擴展電路芯片一74LS373簡介：程序存儲器擴展時，除必須有EPROM芯片外，還必須有鎖存器芯片。程序存儲器擴展時，地址鎖存信號為ALE，故本系統(tǒng)的地址鎖存器可使用帶清除端的八D鎖存器74LS373。74LS373是透明的帶有三態(tài)門的八D鎖存器。其引腳芯片如圖（2.3）所示當三態(tài)門的使能信號線CE為低電平時，三態(tài)門處于導通狀態(tài)，允許Q端輸出；當CE為高電平時，輸出三態(tài)門斷開，輸出端對外電路呈高阻狀態(tài)。因此74LS373

25、用作地址鎖存器時，首先應使三態(tài)門的使能信號端CE為低電平，這時，當G輸入端為高電平時，鎖存器輸出（1Q8Q）狀態(tài)和輸入端（1D8D）狀態(tài)相同，當G端從高電平逐回低電平時，輸入端（1D8D）的數(shù)據(jù)鎖入1Q8Q中。地址所存器74LS373與8031接口電路如圖（2.3）所示。溫度檢測接口電路設計數(shù)字溫度計的選擇一、傳感器的性能指標對傳感器的精度高低，性能好壞直接影響到整個自動測試系統(tǒng)的品質和運行狀態(tài)。一般說來，對傳感器的要求是全面的，嚴格的，它們是選用傳感器的數(shù)據(jù)。1、技術指標要求（1）靜態(tài)特性要求：線性度及測量范圍、靈敏度、分辨率、精確度和重復性等；（2）動態(tài)特性要求：快速性和穩(wěn)定性等；（3）信

26、息傳遞要求：形式和距離等；（4）過載能力要求：機械、電氣和熱的過載。2、使用環(huán)境要求溫度、濕度、大氣壓力、振動、磁場、附近有無大功率用電設施、加速度、傾斜、防火、防爆、防化學腐蝕以及不含有害于周圍材料壽命及操作人員的身體健康等。二、本系統(tǒng)選用的是集成芯片下面介紹AD590芯片AD590是美國模擬器件公司生產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源。它的主要特性如下1、流過器件的電流（yA）等于器件所處環(huán)境的熱力學溫度（開爾文）度數(shù)，即:Ir=1yA/KT式中：匚一流過器件（AD590）的電流，單位為yA；T熱力學溫度，單位為K。2、AD590的測溫范圍為-55C+150C。3、AD590的電源電壓范圍為4V3

27、0V。電源電壓可在4V6V范圍變化，電流幾變化1yA,相當于溫度變化1K。AD590可以承受44V正向電壓和20V反向電壓，因而器件反接也不會被損壞。三、AD590的應用電路1、基本應用電路AD590的封裝形式和AD590用于測量熱力學溫度的基本應用電路如圖（2.4）所示。因為流過AD590的電流與熱力學溫度成正比，當電阻R1和電位器R?的電阻之和為1kQ時，輸出電壓Vo隨溫度的變化為1mV/K。但由于AD590的增益有偏差，電阻也有誤差,因此應對電路進行調整。調整的方法為：把AD590放于冰水混合物中，調整電位器R2,使V。=273、2mV?；蛟谑覝叵拢?5C）條竿2封裝形式衛(wèi)基本應用電路b

28、件下調整電位器，使Vo=273.2+25=298.2（mv）但這樣調整只可保證在0C或25C附近有較高精度。2、攝氏溫度測量電路圖2.5攝氏溫度測量電路如圖(2.5)攝氏溫度測量電路所示，電位器R用于調整零點，R用于調整運放AD301的增24益。調整方法如下：在0C時調整A?,使輸出V=0,然后在1C時調整R4使Vo=100mV。如此反復調整多次，直至Oc時，VO=0mV,100C時VO=100mV為止。最后在室溫下進行校驗。例如，若室溫為25C，那么V應為25mV。冰水混合物是0C環(huán)境，沸水為100C環(huán)境。要使圖(2.5)中的輸出為200mV/C，可通過增大反饋電阻(圖中反饋電阻由R與電位器

29、R34串聯(lián)而成)來實現(xiàn)。另外，測量華氏溫度(符號為F)時，因華氏溫度等于熱力學溫度減去255.4再乘以9/5，故若要求輸出為1mV/F，則調整反饋電阻約為180k，使得溫度為0C時，V。=17.8mV；溫度為100C時，V=197.8mV。AD581是高精度集成穩(wěn)壓器，輸入電壓最大為40V:輸出10V。AD轉換器的接口電路設計本系統(tǒng)選擇A/D芯片時，考慮到芯片的性能結構及應用的特性，在性能上滿足A/D轉換的技術要求；在結構上和應用上接口電路方便外圍電路簡單價格低廉。A/D轉換器的功能是將模擬量電信號轉換成數(shù)字量。1、A/D轉換器的主要參數(shù)分辨率：是指A/D轉換器可轉換成二進制數(shù)的位數(shù)。例：若一

30、個10位A/D轉換器，去轉換一個滿量程為5V的電壓，則它能分辨的最小電壓為5OOOmV/2io5mV。轉換時間指從輸入啟動轉換信號開始到轉換結束，得到穩(wěn)定的數(shù)字輸出量為止的時間。其他參數(shù)與D/A轉換器類似。2、A/D轉換器與CPU的接口方法A/D轉換器與CPU連接應注意以下幾點：ADC轉換好的數(shù)據(jù)必須經(jīng)過三態(tài)緩沖器件與CPU數(shù)據(jù)總線相連接(在芯片內(nèi)部沒有三態(tài)輸出緩沖器時)；為了輸入正確的轉換結果，必須解決好A/D轉換器和CPU取數(shù)之間的時間配合問題。ADC芯片的控制信號啟動轉換信號(START):是由CPU提供給ADC芯片的，在正脈沖的下降沿轉換開始；轉換結束信號(EOC)：一旦啟動轉換，EO

31、C立即變低，直至轉換結束，EOC輸出高電平,通知CPU轉換已結束；允許輸出信號(OE)：ADC轉換結束后，轉換結果存放在輸出鎖存器中，并沒有送入數(shù)據(jù)總線上。CPU取數(shù)時，發(fā)出OE信號選通芯片內(nèi)部三態(tài)輸出緩沖器將數(shù)據(jù)輸出。（3）A/D轉換器與CPU之間傳送數(shù)據(jù)的方法延時等待法（2.6）所示：0ESTART模擬量輸入ADCEOCDOIOR圖2.6等待法ADC接口電路如圖圖2.7查詢法接口電路是利用CPU執(zhí)行一條輸出指令，啟動ADC轉換，然后CPU執(zhí)行延時程序，延時時間大于所選用的ADC芯片轉換時間，延時結束，CPU執(zhí)行輸入指令，打開三態(tài)門獲取ADC轉換好的數(shù)據(jù)。查詢法查詢法是由CPU來檢查EOC信

32、號。當CPU啟動ADC芯片開始轉換之后，再通過狀態(tài)端口讀取EOC信號，檢查ADC是否轉換結束。若轉換結束，則讀取轉換結果，否則繼續(xù)查詢。查詢法ADC接口電路如圖（2.7）所示：中斷法用中斷法可提高CPU的利用率，當ADC轉換結束，由EOC信號上升沿通過8259A中斷控制邏輯向CPU發(fā)出中斷請求，CPU響應中斷在服務程序中讀取結果。中斷法接口電路如圖（2.8）所示：一Yi1E0時，取消積分的作用，只進行PD控制，可使超調量大幅度降低。當Ie(k)IWEO時，才將積分作用投入，進行PID控制，以保證系統(tǒng)的控制精度。為了實現(xiàn)積分分離，需將PID表達式中的積分項分離出來。例如，將(3-3)式分為：AU

33、pD(k)=Kpe(k)-e(k-1)+Kde(k)-2e(k-1)+e(k-2)(3-5)AUi(k)=Ki*e(k)從而將積分分離PID算法寫為：U(k)=U(k-1)+AUPD(k)+KfAU2(k)(3-6)式中kf為邏輯系數(shù)。(3-7)三、本系統(tǒng)控制算法的選擇PID調節(jié)在電阻爐控制系統(tǒng)技術中應用的非常多，且是廣泛被對推廣的求采用各種PID的變種，如PI、PD控制，不完全微分控制，積分分離式PID控制，帶死區(qū)的PID控制，變換積分PID控制，比例PID控制等等。在PID控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)參數(shù)整定方便，而且在大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)過程中效果比較好。不需要求出數(shù)學模型，到目前為止，仍有許多工業(yè)對象得

34、不到或很難得到精確的數(shù)學模型。因此，應用直接數(shù)字控制方法比較困難或根本不可能，所以不得不應用PID算法。控制效果好，雖然計算機控制是斷續(xù)的，但對于時間常數(shù)比較大的系統(tǒng)來說，其可近似為連續(xù)變化的。因此，用數(shù)字PID完全可以代替模擬調節(jié)器，而且可以得到比較滿意的效果。所以用數(shù)字模型PID是目前應用比較廣泛的方法之一。如前所述，對本系統(tǒng)來說，采用PID控制算法。PID在本系統(tǒng)中的應用:首先，計算出給定值溫度與實際溫度之間的差，反饋給PID控制器，PID控制器根據(jù)其大小，來控制晶閘管的導通角a的大小，這樣使得觸發(fā)時間t改變，從而改變電阻爐的通電時間。其次，由于本系統(tǒng)是單向控溫系統(tǒng)，所以在晶閘管沒有導通

35、時其導通角度是兀。最后，根據(jù)公式：PID控制Au=兀-a來間接控制電阻爐的電壓加熱情況，使得電阻爐的溫度得以控制。采樣周期T的確定由香農(nóng)采樣定理可知，當采樣頻率的上限為f22fmax時，系統(tǒng)可真實地恢復到原來地連續(xù)s信號。從理論上講，采樣頻率越高，失真越小。但是從控制器本身而言，大依靠偏差信號E(k)進行調節(jié)計算的。當采樣周期過小時，偏差信號E(k)也會過小，此時計算機會失去調節(jié)作用，采樣周期T過長又會引起誤差，因此采樣周期必須綜合考慮。影響采樣周期T的因素有：1、加至被控對象的擾動頻率。2、對象的動態(tài)特性。3、數(shù)字控制器D(z)所使用的算式及執(zhí)行機構的類型。4、控制的回路數(shù)。5、對象要求的控

36、制質量。采樣周期的選擇方法有兩種，一種是計算法，一種是經(jīng)驗法。計算法由于比較復雜，特別是被控系統(tǒng)各環(huán)節(jié)時間常數(shù)難以確定，所以工程上用的比較少。工程上用的最多的還是經(jīng)驗法。所謂經(jīng)驗法實際是一種試湊法，即根據(jù)人們在實踐中積累的經(jīng)驗及被控對象的特性，假設一個周期T,算機控制系統(tǒng)進行試驗。根據(jù)被對被控對象的實際控制效果，反復修改T,直到滿意為止。據(jù)采樣周期的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，溫度采樣周期為1015s，本系統(tǒng)采樣周期確定為10s。第四章軟件設計4.1接口軟件設計1采用查詢方法。MAIN:MOVR1,#DTAT；數(shù)據(jù)區(qū)地址指針指向首單元MOVDPTR#7FF8H；P2.7=0,且指向通道0MOVR7,#08H；通

37、道計數(shù)器LOOP:MOVXDPTR,A；啟動A/D轉換LOOP1:NOPJBP3.3,LOOP；查詢轉換結束信號EOCMOVXA,DPTR；讀取轉換結果MOVR1,A；存轉換結果INCDPTR；指向下一通道INCR1；修改數(shù)據(jù)區(qū)指針DJNZR7,;LOOP；8個通道全采樣完否？2采用中斷方式。INT1:SETBIT1；外中斷1初始化SETBEASETBEX1MOVDPTR,#7FF8H；啟動0809對通道INO轉換MOVA,#00HMOVXDPTR,A中斷程序清單如下:PRINT1:MOVDPTR,#7FF8H；讀取A/D轉換結果,送緩沖單元30HMOVXA,DPTRMOV30H,A；啟動08

38、09對通道IN0轉換MOVA,#00HMOVXDPTR,ARETI4.2PID程序設計PID：MOVR5，31H；取WMOVR4，32HMOVR3，#00H；取yiMOVR2，2AHACLAACPL1；取y的補碼iACALLDSUM；計算e=W-YiiMOVMOV39H，R73AH，R6；存eiMOVMOVR5，35HR4，#4AH；取Ir、TT?-Ti-t/、亠H-P1tLr.r4-MPI；R0放乘積高位字字節(jié)地址指針ACALLMULT1；計算Pi=I*eiMOVR5，39H；取eiMOVR4，3AHMOVR3，3BH；取ei-iMOVR2，3CHACALLCPL1；求e的補碼i-1ACAL

39、LDSUB；求Pp=Ae=e-eTOC o 1-5 h ziii-1MOVA，R7MOVR5，A；存AeiMOVA，R6MOVR4，AMOVR3，4BH；取piMOVR2，4AHACALLDSUM;求p+pipTOC o 1-5 h zMOV4BH，R7MOV4AH，R6；存和（p+p）ipMOVR5，39HMOVR4，3AH；取eiMOVR3，3DHMOVR2，3EH；取ei-2ACALLDSUM；計算e-eii-2MOVA，R7MOVR5，AMOVA，R6MOVR4，AMOVR3，3BHMOVR2，3CH；取ei-1ACALLCPL1ACALLDSUMTOC o 1-5 h z；求e補碼i

40、-1；計算e=e2eii-2i-1MOVR5，37HMOVR4，38HMOVR0，#46HACALLMULT1MOVR5，47HMOVR4，46HMOVR3，4BHMOVR2，4AHACALLDSUMMOVR5，33HMOVR4，34HMOVR0，#46HACALLDSUMMOV2FH，R7MOV30H，R6MOV3DHMOV3EH，3CHMOV3BH，39HMOV3CH，3AHRETDSUM：MOVA，R4ADDA，R2MOVR6，AMOVA，R5;取D求出p=D*(e=e-2e)dii-2i-1;存pd;取(pi+pd);取kp；計算k*(p+p+p)pidp；u-uii-1；eei-1i；eeii-1ADDCA，R3MOVR7，ACPL1：MOVA，R2CPLAADDCA,#00HMOVR3,ARETMULT:MOVA,R7RLCAMOVSIGN1,C；存被乘數(shù)符號位JNCPOS1；被乘數(shù)為正數(shù)MOVA,R6；求補CPLAADDA,#01HMOVR6,AMOVA,R7CPLAADDCA,#00HMOVR7,APOS1:MOVA,R5RLCAMOVSIGN2,C；存乘數(shù)