電阻加熱爐溫度控制系統(tǒng)畢業(yè)設計

1、<p><b>　　摘要：</b></p><p>　　本文介紹了以單片機AT89C52作為核心元件構成的電阻爐溫度控制系統(tǒng)的工作原理，詳細說明了采用的新型元件，分析了系統(tǒng)硬件結構，最后給出了系統(tǒng)流程圖。采用單片機進行爐溫控制,具有電路設計簡單、精度高、控制效果好等優(yōu)點,對提高生產(chǎn)效率、促進科技進步等方面具有重要的現(xiàn)實意義。在對各種加熱爐、熱處理爐、反應爐和鍋爐中溫度進行監(jiān)測和控制

2、中，采用單片機控制不僅具有控制方便、簡單和靈活性大等優(yōu)點，而且可以大幅度提高被控溫度的技術指標，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。本文……進行介紹。該控制系統(tǒng)以ms-51單片機為控制核心，采用增量式PID控制算法，實現(xiàn)對溫度的智能控制。同時，具有超調(diào)量小、溫度上升快、穩(wěn)定性好等特點。</p><p>　　關鍵字：　電阻爐；單片機；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“點位”控制及常規(guī)的PID控制器為主，它們只能適應一般

7、溫度系統(tǒng)控制，而用于較高控制場合的智能化、自適應控制儀表，國內(nèi)技術還不十分成熟，形成商品化并廣泛應用的控制儀表較少。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展及加入WTO，我國政府及企業(yè)對此都非常重視，對相關企業(yè)資源進行了重組，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>　　隨著新技術的不斷開發(fā)與應用，近年來單片機發(fā)展十分迅速，一個以微機應用為主的新技術革命浪潮正在蓬勃興起，單片

8、機的應用已經(jīng)滲透到電力、冶金、化工、建材、機械、食品、石油等各個行業(yè)。傳統(tǒng)的溫度采集方法不僅費時費力，而且精度差，單片機的出現(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)對象中的一個重要的被控參數(shù)。然而所采用的測溫元件和測量方法也不相同；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，其主要缺點是溫度波動范圍大，

9、由于他主要通過控制接觸器的通斷時間比例來達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)展了多種先進的溫度控制方式，如：PID控制，模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡及遺傳算法控制等。這些控制技術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>　　本設計使用單片機作為核心進行控制。單片機具有集成度高，通用性好，功能強，特

10、別是體積小，重量輕，耗能低，可靠性高，抗干擾能力強和使用方便等獨特優(yōu)點，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℃。測量溫度范圍為0℃-1000℃，測量誤差為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爐內(nèi)電熱元件或加熱介質(zhì)發(fā)熱，從而對工件或物料加熱

11、的工業(yè)爐。自從發(fā)現(xiàn)電流的熱效應(即楞茨-焦耳定律)以后，電熱法首先用于家用電器，后來又用于實驗室小電爐。隨著鎳鉻合金的發(fā)明，到20世紀20年代，電阻爐已在工業(yè)上得到廣泛應用。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)則以對流傳熱方式加

12、熱，電熱元件裝在風道內(nèi)，通過風機強迫爐內(nèi)氣體循環(huán)流動，以加強對流傳熱。電阻爐有室式、井式、臺車式、推桿式、步進式、馬弗式和隧道式等類型。可控氣氛爐、真空爐、流動粒子爐等也都是電阻爐。　　電熱元件具有很高的耐熱性和高溫強度，很低的電阻溫度系數(shù)和良好的化學穩(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)控制中是個很重要的參數(shù),特別在冶金、機械、食品、化工等工業(yè)中,對工件的處理溫度都要求嚴格控制，對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)應用廣泛,因此溫度控制在工業(yè)生產(chǎn)和科學研究中具

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,導致傳統(tǒng)控制方式超調(diào)大、調(diào)節(jié)時間長、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：人們可以在洗澡時任意設定加熱爐內(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，它會按照預先設定好的溫度工作，當某種特殊的環(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,并且計算機能夠用程序既簡單又方便地實現(xiàn)數(shù)字PID控制規(guī)律,對精度調(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、的標準信號后輸入調(diào)節(jié)器，在調(diào)節(jié)器中與給定值進行比較，再把比較出的差值經(jīng)PID運算后送到執(zhí)行機構，改變進給量，已達到自動調(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、積分和微分進行控制和調(diào)節(jié)，是連續(xù)系統(tǒng)中應用最廣泛的一種調(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，運用現(xiàn)代控制理論分析綜合要耗費很大代價進行模擬辨識，建立系統(tǒng)的數(shù)學模型十分困難，應用直接數(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)驗進行在線整定，即用實驗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)三個參數(shù)的整定一般需要經(jīng)驗豐富的工程技術人員來完成，步驟繁瑣復雜，即耗時又耗力。而且當對象特性變化時，又要重新整定，并且在現(xiàn)代工業(yè)控制過程中，許多被控對象機理復雜，具有多輸入多輸出的強耦合性、參數(shù)時變性、嚴重的非線性特性、滯后性等特點。在這種情況下，采用常規(guī)PID調(diào)節(jié)器，三個參數(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>　　隨著計算機運算速度的大幅度提高和存儲信息的大量增加，PID調(diào)節(jié)在工業(yè)過程控制、航空航天領域中將得到廣泛應用，因此研究PID控制具有較高的工程意義，具有廣泛的應用前景。</p><p>　　本文設計了一種基于單片機的溫度控制系統(tǒng),該系統(tǒng)以單片機AT89C51 為控制核心,并采用了數(shù)字PID 控制算法結合PWM 脈寬調(diào)制技術對電阻爐溫度進行控制

19、, 具有精度高、穩(wěn)定性好的特點。經(jīng)論證，此系統(tǒng)具有良好的經(jīng)濟效益和較高的推廣價值。</p><p><b>　　第二章 總體方案</b></p><p>　　根據(jù)課題功能和指標要求，本系統(tǒng)可以從元件級開始設計，選用MCS-51單片機AT89C51為主控機。通過擴展必要的外圍接口電路，實現(xiàn)對電阻爐爐溫的測量和控制。</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現(xiàn)的。繼電器串接在控制電路中的電壓、電流、轉速、時間及溫度等參量變化而動作，以實現(xiàn)電力拖動裝置的自動控制及保護。系統(tǒng)復雜，在控制過程中，如果某個繼電器損壞，都會影響整個系統(tǒng)的正常運行，查找和排除故障往往非常困難，雖然繼電器本省價格不太貴，但是控制柜的安裝接線工作量大

21、，因此整個控制柜價格非常高，靈活性差，響應速度慢。</p><p><b>　　工業(yè)控制計算機控制</b></p><p>　　工控機采用總線結構，各廠家產(chǎn)品兼容性強，有實時操作系統(tǒng)的支持，在要求快速、使用性強、功能復雜的領域中占優(yōu)勢。但工控機價格較高，將它用于開關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>　　單片機控制</b></p><p>　　單片機作為一個超大規(guī)模的集成電路，結構上包括CPU、存儲器、定時器和多種輸入輸出接口電路。其低功耗、低電壓和很強的控制功能，成為工控領域、尖端武器、日常生活中最廣泛的計算機之一。另外，有相當?shù)男滦图呻娐啡鏜AX6675、MC1413等，可以和單片機組成較簡單且精密的輸入輸出通道。<

23、;/p><p>　　綜上考慮，本設計選擇基于單片機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>　?。?）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器。它的主要特點是測量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測量精確度是最高的，它不僅廣泛應用于工業(yè)測溫，

24、而且被制成標準的基準儀。但其只適用于-200~500℃范圍內(nèi)的溫度測量，對于系統(tǒng)設計要求中的溫控范圍: 0℃～1000℃的要求難以達到。</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。它直接測量溫度，并把溫度信號轉換成熱電動勢信號, 在通過電氣儀表轉換成被測介質(zhì)的溫度，或由A/D轉換電路變?yōu)閿?shù)字信號交由數(shù)字控制器

25、做后續(xù)處理。其中的Ｋ型（鎳鉻－鎳硅）熱電偶，其可測量1312℃以內(nèi)的溫度，且其線性度較好，而且價格也便宜。</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電壓信號，最終要將其轉換成數(shù)字信號與CPU通信。</p><p>　　2.3 溫度檢測、放大和模數(shù)轉換電路的選擇</p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)框圖的設計思想，輸入電路包

26、括溫度檢測電路、檢測放大電路、數(shù)據(jù)采集電路和模數(shù)轉換電路。</p><p><b>　　傳統(tǒng)溫度檢測電路</b></p><p>　　傳統(tǒng)的溫度檢測電路采用“傳感器－濾波器－放大器－冷端補償－線性化處理－Ａ/D轉換”模式，轉換環(huán)節(jié)多、電路復雜、精度低。</p><p>　　（2） 新型溫度檢測電路</p><p>　　若

27、采用高精度集成芯片MAX6675來完成“熱電偶電勢－溫度”的轉換，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－溫度”的轉換工作。</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轉換成光信號的電致發(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。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)碼管的基礎上再加上一個圓點型發(fā)光二極管，用于顯示小數(shù)點。優(yōu)點一是占用I／O口少，便于做到顯示電路與控制電路分離，亮度高。

29、缺點是在背景光較強時，顯示不清晰，功耗大，顯示圖形需要軟件掃描編制，程序設計復雜。 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電玻璃之間，靠兩個電極間電廠的驅(qū)動，引起液晶分子扭曲向列的電場效應，以控制光源投射或遮蔽功能。在電源開關之間產(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，當玻璃基板沒有加入電場時，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；當玻璃基板加入電壓時，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，使面板達到顯示效果。液晶顯示器具有功耗低， 壽命長的特點。是目前單片機應用的重要領域，無論機器，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。</p><p>　　綜上，本設計選用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>　　獨立式鍵盤</b></p><p>　　在單片機控制系統(tǒng)中，只需要用到功能鍵的時候一般采用獨立式結構，獨立式按鍵是各按鍵相互獨立的接通一條輸入數(shù)據(jù)線，每個鍵的工作不會影響其它的I/0口，這是一種較簡單的鍵盤結構，電路一般采用查詢

33、方式。當某一個鍵閉合時，相應的I／O口線變?yōu)榈?高電平。當程序查詢到低/高電平的I／O口線時，就可以確定處于閉合狀態(tài)的鍵并執(zhí)行相應的命令。這種鍵盤的優(yōu)點是電路簡單；缺點是當鍵數(shù)較多時，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，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，而是通過一個按鍵加以連接。這樣，一個端口(如P1口)就可以構成4*4=16個按鍵，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，采用矩陣法來做鍵盤是合理的。</p><p>　　本設計中，要求可通過鍵盤設置測量溫度上、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行參數(shù)的設置。</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，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，所以它至少應是一種有效的補充控制手段。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 控制應用于工業(yè)控制領域相對來講更為合適些；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、糊控制表的檔級有限而造成，通過增加量化等級數(shù)目隨可提高精度，但查詢表將過于龐大，往往受物理條件的限制。二是自適應能力有限。這是因為模糊控制器對某些參數(shù)變化不敏感，只能說明具有魯棒性，而不能講具有自適應能力。三是很容易產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象。如果查詢表構造不合理或量化因子和比例因子選擇不當，都會導致振蕩現(xiàn)象。</p><p>　　由于以上缺點，不采用模糊控制算法。</p><p>　?。?） 神經(jīng)網(wǎng)絡

38、算法</p><p>　　神經(jīng)網(wǎng)絡從模仿人腦內(nèi)部結構出發(fā)，試圖在模擬推理、自動學習等方面接近人腦的自組織和并行處理能力，它在模式識別、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人的外在表達方式的描述，以模糊邏輯為基礎，抓住人腦思維的模糊性特點，用以模仿人的模糊綜合判斷推理來處理一般數(shù)學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)絡的優(yōu)點之一是不依賴于控制系統(tǒng)的數(shù)學模型，它

39、是通過學習，將輸入與輸出以權值的方式編碼，將它們關聯(lián)起來，但以網(wǎng)絡的表達權值難以理解為代價換取的，從權值很難知道網(wǎng)絡編碼的內(nèi)容是什么。另一個問題是它的訓練樣本如何從專家那里取來，如何表達成神經(jīng)網(wǎng)絡能接受的知識，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在網(wǎng)絡中的各神經(jīng)元中的，其機理尚不清楚，因此關于神經(jīng)結構的選擇缺乏充分的理論分析，究竟選擇幾層？每層有多少個神經(jīng)元為可行？對此目前只能憑經(jīng)驗。</p>

40、<p>　　由于以上缺點，不采用神經(jīng)網(wǎng)絡算法。</p><p>　　（3） PID 控制算法</p><p>　　本文對工業(yè)對象中主要的被控參數(shù)電阻爐溫度進行研究，設計了硬件電路和軟件程序。硬件電路選用8051單片機，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一個參數(shù)，來實現(xiàn)PID控制。與常規(guī)PID三個參數(shù)調(diào)節(jié)整相比，省時、高效，為實現(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，此方法存在某些固有的缺點，如溫度與儀表值不符，溫度延遲等問題。而采用微機進行爐溫控制，可大大提高控制質(zhì)量和自動化水平，具有良好的經(jīng)濟效益。由于模擬儀表本身的測量精度差，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，且無法實現(xiàn)按程序設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轉化器以獲得較高的測溫精度，并采用傳感器對熱電偶進行冷端補償，利用單片機8051實現(xiàn)控制算法，按設定值、所測溫度值、溫度變化速率，自動進行P參數(shù)自整定和運算，按程序設定溫度曲線升溫，具有鍵盤輸人及顯示功能，使用雙向?qū)煽毓鑼崿F(xiàn)加熱功率控制，顯著提高了測量精度。</p><p>　　本設計采用單片微

43、型計算機、雙向可控硅調(diào)功、動態(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)恒溫期間溫度波動可≤±1攝氏度ºC）較高，編程簡單方便，大大減輕運行工人的勞動強度，而且能降低電耗（本系統(tǒng)電耗低于10%以上），有較好的經(jīng)濟效益和社會效益，使電阻爐的溫度控制提高到一個新的水平。</p><p>　　2.7 總體方案總結</p><p>　　本系

44、統(tǒng)由單片機AT89C52、溫度檢測電路、鍵盤顯示及報警電路、時鐘電路、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、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, 利用熱電偶測得電阻爐實際溫度并轉換成毫伏級電壓信號。該電壓信號經(jīng)過溫度檢測電路轉換成與爐溫相對應的數(shù)字信號進入單片機,單片機進行數(shù)據(jù)處理

45、后,通過液晶顯示器顯示溫度并判斷是否報警,同時將溫度與設定溫度比較,根據(jù)設定的PID 算法計算出控制量, 根據(jù)控制量通過控制固態(tài)繼電器的導通和關閉從而控制電阻絲的導通時間, 以實現(xiàn)對爐溫的控制。該系統(tǒng)中的時鐘電路可以根據(jù)要求進行準確計時。</p><p>　　電阻加熱爐溫度控制系統(tǒng)基本主要由溫度檢測系統(tǒng)，信號處理系統(tǒng)，輸入輸出系統(tǒng)，輸出控制系統(tǒng)四部分組成。溫度檢測主要由溫度傳感器構成，根據(jù)精度及測量范圍的要求選擇

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>　　在信號處理系統(tǒng)原理上無外乎是信號的放大，數(shù)模轉換，微機處理一系列環(huán)節(jié)，根據(jù)不同的要求其內(nèi)部結構也不同，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合來設計，在精度要求高，設置要求快的環(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行對溫度的控制。</p><p><b>　　第三章 元件簡介</b></p><p>　　3.1 AT89C51單片機</p><p><b>　　3．1．1 概述&

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

49、儲技術生產(chǎn)，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，內(nèi)置功能強大的微型計算機的AT89C51提供了高性價比的解決方案。</p><p>　　3．1．2 主要特性</p><p>　　AT89C51的主要特性如下： </p><p>　　?壽命達1000寫/擦循環(huán)</p><p>　　?數(shù)據(jù)保留時間：10年

50、</p><p>　　?全靜態(tài)工作：0Hz－24MHz </p><p>　　?三級程序存儲器鎖定</p><p>　　?128×8位內(nèi)部RAM </p><p>　　?32可編程I/O線 </p><p>　　?2個16位定時器/計數(shù)器</p><p><b>　　?6個中

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，每個引腳可吸收8個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TTL門電流。 </p><p>　　P3口（10－17）：P3口是8個帶有內(nèi)部上拉電阻器的雙向I/O口，可接收和輸出4個TTL門電流，P3口也可作為AT89C51的特殊功能口。 </p><p>　　RST（9）：復位輸入。當振蕩器復位時，要保持RST引腳2個機器周期的高電平時間。 &

54、lt;/p><p>　　ALE/PROG（30）：當訪問外部存儲器時，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，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6，它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的，要注意的是，每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過1個ALE脈沖。 PSEN（29）：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取值期間，每個機

55、器周期2次PSEN有效，但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這2次有效的PSEN信號將不出現(xiàn)。</p><p>　　EA/VPP（31）：當EA保持低電平時，外部程序存儲器地址為（0000H－FFFFH）不管是否有內(nèi)部程序存儲器。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 點陣的字符顯示位,每個顯示位可顯示1 個字符，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,通過送入相應的數(shù)據(jù)和指令，就可使模塊正常工作。其與單片機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：忙標志為“1”時，表明正在進行內(nèi)部操作，此時不以輸入指令或數(shù)據(jù)，要等內(nèi)部操作結束忙標志“0”時。</p><p>　　格式：RS R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 共11種指令：清除、返回、輸入方式設置、顯示開關、控制、移位、功能設置、CGRAM 地址設置、DDRAM

59、 地址設置、DDRAM 地址設置、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)動集成電路，這7組NPN達林頓晶體管陣列通過合適的連接，廣泛的應用在打印機、繼電器等各種工業(yè)和消費應用驅(qū)動電路中。據(jù)偶較高的擊穿電壓，峰值浪涌電流為500 mA的驅(qū)

60、動器允許它們驅(qū)動白熾燈。此集成電路為集電極開路輸出。正電源經(jīng)負載接在輸出端上。與輸出端對應的輸入端為高電平時，輸出端為低電平，拉入負載電流。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是一復雜的單片熱電偶數(shù)字轉換器，其內(nèi)部結構如圖2所示。主要包括：低噪聲電壓放大器A1、

61、電壓跟隨器A2、冷端溫度補償二極管、基準電壓源、12位AD轉換器、SPI串行接口、模擬開關及數(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，經(jīng)過低噪聲電壓放大器A1和電壓跟隨器A2放大、緩沖后，得到熱電勢信號U1，再經(jīng)過S4送至ADC。。對于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是測量點溫度；T0是周圍溫度。</p><p>　　在將溫度電壓值轉換為相應的溫度值之前，對熱電偶的冷端溫度進行補償，冷端溫度即是MAX6675周圍溫度與0℃實際參考值之間的差值。通過冷端溫度補償二極管，產(chǎn)生補償電壓U2經(jīng)S4輸入ADC轉換器。</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)就代表測量點的實際溫度值T。這就是MAX6675進行冷端溫度補償和測量溫度的原理。</p><p>　　MAX6675是MAXIM公司新近開發(fā)出的一種K型熱電偶信號轉換器(IC)MAX6675，該轉換器集信號放大、冷端補償、A/D轉換于一體，直接輸出溫度的數(shù)字

64、信號，使溫度測量的前端電路變得十分簡單。</p><p>　　MAX6675的內(nèi)部由精密運算放大器、基準電源、冷端補償二極管、模擬開關、數(shù)字控制器及ADC電路構成，完成熱電偶微弱信號的放大、冷端補償和A／D轉換功能。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型熱電偶的負極(鎳硅合金或鎳鋁合金)；片選信號端CS為高電平時啟動溫度轉換，低電平時允許數(shù)據(jù)輸出；S

65、CK為時鐘輸入端；SO為數(shù)據(jù)輸出端，溫度轉換后的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開關。用隔離器件實現(xiàn)了控制端與負載端的隔離。

66、固態(tài)繼電器的輸入端用微小的控制信號，達到直接驅(qū)動大電流負載。</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，通常使用兩個可控硅或一個雙向可控硅，直流輸出時可使用雙極性器件或功率場效應管。</p><p>　　E 系列固態(tài)繼電器是直流輸入控制，交流過零導通，過零關斷輸出型無觸點繼電器，因此，具有di/dt 的比值小，啟動性能平穩(wěn)，對電網(wǎng)輻射干擾小，關斷時可降低感性負載的反電動勢，對用電器和固態(tài)繼電器都有一定的保護作用等優(yōu)點，是控制一般用電器，如電動機、加熱器、白熾燈的首選

68、器件?！　　敖涣髡{(diào)功”是一種Z型SSR普遍采用的方法，也能實現(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數(shù),達到調(diào)功目的。模擬電路常采用電壓比較器,將一個固定周期的鋸齒電壓和來自前級誤差電壓作比較,輸出方波實現(xiàn)調(diào)節(jié)。在計算機上采用計時算法產(chǎn)生占空比可調(diào)的方波脈沖擊來實現(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，實現(xiàn)自適應“自動翻轉”控制,即通過計算機產(chǎn)生擾動，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>　　兩種不同成份的導體（稱為熱電偶絲材或熱電極）兩端接合成回路，當接合點的溫度不同時，在回路中就會產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應，而這種電動勢稱為熱電勢。熱電偶就是利用這種原理進行溫度測量的，其中，直接用作測量介質(zhì)溫度的一端叫做工作端（也稱為測量端），另一端叫做冷端（也稱為補償端）；冷端與顯示儀表或配

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

71、熱電偶測溫時，可接入測量儀表，測得熱電動勢后，即可知道被測介質(zhì)的溫度?！　犭娕紲y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系。若測量時，冷端的（環(huán)境）溫度變化，將嚴重影響測量的準確性。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。</p><p>　?。诵蜔犭娕紝儆跇藴驶療犭娕嫉囊环N，其中K是指材料為鎳鉻

72、和鎳硅，測溫范圍是 -200-+1000°C，是工業(yè)生產(chǎn)中最常用的溫度傳感器，具有結構簡單、制造容易、使用方便、測溫范圍寬等特點。目前，在以Ｋ型熱電偶為測溫元件的工業(yè)測溫系統(tǒng)中，熱電偶輸出的熱電勢信號必須經(jīng)過中間轉換環(huán)節(jié)，才能輸入基于單片機的嵌入式系統(tǒng)。中間轉換環(huán)節(jié)包括信號放大、冷端補償、線性化及數(shù)字化等幾個部分，實際應用中，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。在本次設計中，采用了MAXIM公司新近推

73、出的MAX6675，它是一個集成了熱電偶放大器、冷端補償、A/D轉換器及SPI串口的熱電偶放大器與數(shù)字轉換器，可以直接與單片機接口，大大簡化系統(tǒng)的設計，保證了溫度測量的快速、準確。 </p><p>　　3.7 MAX232電平轉換芯片</p><p>　　串口通訊作為一種古老而又靈活的通訊方式，被廣泛地應用于PC間的通訊以及PC和單片機之間的通訊之中，由于PC機端的RS232電平與單片機

74、端TTL的并不不匹配，故應注意電平轉換。而MAX232芯片是美信公司專門為電腦的RS-232標準串口設計的接口電路,使用+5v單電源供電。該器件包含2驅(qū)動器、2接收器和一個電壓發(fā)生器電路提供TIA/EIA-232-F電平。該器件符合TIA/EIA-232-F標準，每一個接收器將TIA/EIA-232-F電平轉換成5-V TTL/CMOS電平。每一個發(fā)送器將TTL/CMOS電平轉換成TIA/EIA-232-F電平。 </p>

75、<p>　　3.8 外部數(shù)據(jù)存儲器2817A</p><p>　　片內(nèi)的資源如不滿足需要，需外擴存儲器和I/O功能部件：系統(tǒng)外部存儲器擴展問題，又分為外部程序存儲器和外部數(shù)據(jù)存儲器，2817A既可作為外部的數(shù)據(jù)存儲器，又可作為程序存儲器。</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8位并行I/O口。具有3個通道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。8255可作為單片機與多種外設連接時的中間接口電路。</p><p>　　3.9.1 8255工作特性</p><p>　　(1)一個并行輸入/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個可編程設置的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)部結構和引腳</p><p>　　RESET:復位輸入線，當該輸入端處于高電平時，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:芯片選擇信號線，當這個輸入引腳為低電平時,即/CS=0時,表示芯片被選中，允許8255與CPU進行

79、通訊;/CS=1時,8255無法與CPU做數(shù)據(jù)傳輸.　　RD:讀信號線，當這個輸入引腳為低電平時,即/RD=0且/CS=0時,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)。　　WR:寫入信號，當這個輸入引腳為低電平時,即/WR=0且/CS=0時,允許CPU將數(shù)據(jù)或控制字寫入8255?！　0～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CPU 執(zhí)行輸入輸出指令時，通過它實現(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8位的數(shù)據(jù)輸出鎖存器/緩沖器， 一個8位的數(shù)據(jù)輸入鎖存器?！　B0～PB7:端口B輸入輸出線，一個8位的I/O鎖存器， 一個8位的輸入輸出緩沖器?！　C0～PC7:端口C輸入輸出線，一個8位的數(shù)據(jù)輸出鎖存器/緩沖器， 一個8</p><p>　　第四章 硬件電路設計</p><p>　

81、　4.1 輸入電路硬件設計</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型熱電偶轉換器，集成了濾波器、放大器等，并帶有熱電偶斷線檢測電路，自帶冷端補償，能將K型熱電偶輸出的電勢直接轉換成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,其冷端補償?shù)姆秶?20～80℃,測量范圍是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)中溫度檢測電路</p><p>　　當P2.5為低電平且P2.４口產(chǎn)生時鐘脈沖時，MAX6675的SO腳輸出轉換數(shù)據(jù)。在每一個脈沖信號的下降沿輸出一個數(shù)據(jù)，16個脈沖信號完成一串完整的數(shù)據(jù)輸出，先輸出高電位D15，最后輸出的是低電位D0，D14-D3為相應的溫度轉換數(shù)據(jù)

83、。當P2.5為高電平時，MAX6675開始進行新的溫度轉換。在應用MAX6675時，應該注意將其布置在遠離其它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)的準確性。</p><p>　　4.2 鍵盤、顯示和報警電路</p><p>　　本系統(tǒng)采用4*4鍵盤，由單片機I/O口控制，可通過鍵盤設置測量溫度

84、上、下限。顯示器選用點陣字符型液晶顯示器TC1602，系統(tǒng)中將擴展芯片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。報警電路是將單片機的I/O口與驅(qū)動芯片MC1413相連，通過MC1413驅(qū)動蜂鳴器，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 輸出控制電路設計 </p><p>　　控溫電路包括驅(qū)動芯片MC1413、過零型交流固態(tài)繼電器（Z型SSR）。報警和控溫電路如圖3中所示。Z型SSR內(nèi)部含有過零檢測電路，當加入控制信號，且負載電源電壓過零時，SSR才能導通；而控制信號斷開后，SSR在交流電正負半周交界點處斷開。也就是說，當Z型SSR在1秒內(nèi)為全導通狀態(tài)時，其被觸發(fā)頻率為100HZ；當Z型SSR在1秒

86、內(nèi)導通時間為0.5秒時，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在單位時間內(nèi)的導通時間達到改變電阻爐的加熱功率、調(diào)節(jié)爐內(nèi)溫度的目的。本次設計中AT89C51對溫度的控制是通過控制Z型SSR的通斷實現(xiàn)的。如單片機溫度控制系統(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的接通時間即可改變加熱絲的功率，以達到調(diào)節(jié)溫度的目的。SSR的接通時間可以通過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 單片機與PC機通訊電路設計</p><p>　　MAX232與PC連接電路圖</p><p>　　4.5 單片機時鐘和復位電路</p><p>　　單片機的時鐘

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，已得到所需要的時鐘信號。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，與電容構成震蕩電路。</p><p>　　復位是單片機的

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

90、4.6 外部數(shù)據(jù)存儲器的擴展電路</p><p>　　外部數(shù)據(jù)存儲器擬選擇2817A，2817A既可作為外部的數(shù)據(jù)存儲器，又可作為程序存儲器。通過P1.0查詢2817A的RDY/BUSY*狀態(tài)，來完成對2817A的寫操作。片選信號由P2.7提供。</p><p>　　MCS-51外擴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作為主機與外設的連接芯片，必須提供與主機相連的3個總線接口，即數(shù)據(jù)線、地址線、控制線接口。同時必須具有與外設連接的接口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)部結構分為3個部分：與CPU連接部分、與外設連接部分、控制部分。</p><p>　　單片機與8255的連接示意圖</p><p><b>　　軟件設

92、計</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通和關斷；爐溫測定和顯示、鍵盤輸入、控制算法等都由子程序來完成；中斷服務程序?qū)崿F(xiàn)定時測溫。流程圖如圖4所示。</p><p><b>　　軟件設計流程圖</b></p><p>　　5.2

93、 PID調(diào)節(jié)的各個環(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</p><p>　　工程實際中，應用最為廣泛的調(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，它以其結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學模型時

94、，控制理論的其它技術難以采用時，系統(tǒng)控制器的結構和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應用PID控制技術最為方便。即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象﹐或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術。PID控制，實際中也有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、微分計算出控制量進行控制的。</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成比例關系。當僅有比例控制時系統(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的積分成正比關系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(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”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，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的微分（即誤差的變化率）成正比關系。 </p><p>　　自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(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，抑制誤差的作用就應該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項

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”，它能預測誤差變化的趨勢，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，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，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</p><p>　　比例調(diào)節(jié)作用，一般用字母P來表示。如果用一個數(shù)學式來表示比例調(diào)節(jié)作用，可寫成：</p><p><b>　　（3-1）</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)器實際上是一個放大倍數(shù)可調(diào)的放大器。</p><p>　　比例調(diào)節(jié)作用雖然及時、作用強，但是有余差存在，被調(diào)參數(shù)不能完全

101、回復到給定值，調(diào)節(jié)精度不高，所以有時稱比例調(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，而時間常數(shù)又不太小的對象。</p><p>　　5.2.3 比例積分調(diào)節(jié)</p><p>　　對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>　　因為單純的積分作用使過程緩慢，并帶來一定程度的振蕩，

102、所以積分調(diào)節(jié)很少單獨使用，一般都和比例作用組合在一起，構成比例積分調(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>　　（3-2）</b></p><p>　　這里，表示PI調(diào)節(jié)作用的參數(shù)有兩個：比例度P和積分時間。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、克服偏差有力的特點，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)）的基礎上，有加上一個積分調(diào)節(jié)（細調(diào)），所以又稱再調(diào)調(diào)節(jié)或重定調(diào)節(jié)。但是，積分時間太小，積分作用就太強，過程振蕩劇烈，穩(wěn)定程度低；積分時間太大，積分作用不明顯，余差消除就很慢。如果把積分時間放到最大，PI調(diào)節(jié)器就喪失了積分作用，成了一個純比例調(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)實際中，有經(jīng)驗的工人總是既根據(jù)偏差的大小來改變閥門的開度大小（比例作用），同時又根據(jù)偏差變化速度的大小進行調(diào)節(jié)。比如當看到偏差變化很大時，就估計到即將出現(xiàn)很大的偏差而過量地打開（關閉）調(diào)節(jié)閥，以克服這個預計的偏差，這種根據(jù)偏差變化速度提前采取的行動，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)學表達式表示為： </p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　式中： ——調(diào)節(jié)器的輸出變化值；</p><p><b>　　——微分時間；</b></p>

106、<p>　　——偏差信號變化的速度。</p><p>　　從上式可知，偏差變化的速度越大，微分時間越長，則調(diào)節(jié)器的輸出變化就越大。對于一個固定不變的偏差，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。</p><p>　　由于實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)變化時才出現(xiàn)，所以實際微分器也不能單獨使用。一般都是和其它調(diào)節(jié)作用相配合，構成比例微