基于單片機(jī)的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</b></p><p>　　二〇〇 年 月 日</p><p>　題目</p><p>　作者</p><p>　學(xué)院</p><p>　專業(yè)</p><p>　學(xué)號(hào)</p><p>　指導(dǎo)教

2、師</p><p>　　基于單片機(jī)的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　電阻爐是利用電流通過電阻體產(chǎn)生的熱量來加熱或熔化物料的一類電爐。電阻爐在化工、冶金等行業(yè)應(yīng)用廣泛，因此溫度控制在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中具有重要意義。</p><p>　　電阻爐由爐體、電氣控制系統(tǒng)和

3、輔助系統(tǒng)組成。爐體由爐殼、加熱器、爐襯（包括隔熱屏）等部件組成。電氣控制系統(tǒng)包括電子線路、微機(jī)控制、儀表顯示及電氣部件等。輔助系統(tǒng)通常指?jìng)鲃?dòng)系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等，隨爐種的不同而已。</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理與控制單元，用熱電偶作為測(cè)量元件，用固態(tài)繼電器作為輸出控制元件來實(shí)現(xiàn)對(duì)電阻爐溫度自動(dòng)控制。單片機(jī)控制K型熱電偶溫度傳感器，把溫度信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換器采集到單片機(jī)里。單片機(jī)經(jīng)數(shù)據(jù)處理

4、、PID運(yùn)算，發(fā)出控制信息改變執(zhí)行模塊的狀態(tài)，同時(shí)用LED顯示顯示值PV、設(shè)定值SV。本設(shè)計(jì)通過4個(gè)按鍵來進(jìn)行人機(jī)交互和LED顯示，進(jìn)而使電阻爐的溫度始終保持在要求范圍內(nèi)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；溫度；電阻爐； PID控制</p><p>　　Res is tance Furnace Temperature Control Sys tem</p><p&g

5、t;　　Based on Single chip Computer</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The resistance furnace is using the electric current through the resistance body heat generation to heating or mel

6、ting of a class of materials electric stove. The resistance furnace in chemical industry, metallurgy industry, etc, so the temperature control is widely used in industrial production and scientific research of to have th

7、e important meaning. </p><p>　　Resistance furnace, the furnace, the electric control system and auxiliary systems. Furnace shell, heater, by furnace lining (including insulation screen) and etc. Electrical

8、 control system including electronic circuits, microcomputer control, the instrument shows and electrical parts, etc. Auxiliary system usually refers to the transmission system, vacuum system, cooling system, etc, with t

9、he difference of the boiler.</p><p>　　This design USES the single chip microcomputer as the data processing and the control unit, the thermocouples used as measuring element, with solid state relay as the ou

10、tput control elements to achieve resistance furnace temperature automatic control. Single-chip microcomputer control of the temperature sensor, K thermocouple temperature signal through the A/D converter collection to th

11、e chip. The single-chip microcomputer data processing, PID operation, a control information change executive mo</p><p>　　Key words：The resistance furnace; Temperature; SCM; PID control</p><p>&l

12、t;b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p>　　1.1 溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的背景、發(fā)展歷史及意義1</p><p&g

13、t;　　第二章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)與論證2</p><p>　　2.1 溫度控制系統(tǒng)的目的和功能2</p><p>　　2.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容2</p><p>　　第三章 電阻爐溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4</p><p>　　3.1 最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖4</p><p>　　3.1.1 單片機(jī)4</p>

14、<p>　　3.1.2 單片機(jī)的主控單元5</p><p>　　3.1.3 復(fù)位電路7</p><p>　　3.1.4 時(shí)鐘電路8</p><p>　　3.2 溫度采集與傳感器9</p><p>　　3.2.1 放大電路11</p><p>　　3.2.2 溫度傳感器的選擇12</p>

15、<p>　　3.2.5 數(shù)字PID算法17</p><p>　　3.3.1 按鍵19</p><p>　　3.5.1 報(bào)警單元25</p><p>　　3.5.2 輸出控制單元25</p><p>　　第四章 軟件設(shè)計(jì)27</p><p>　　4.1 設(shè)計(jì)思路27</p><

16、;p>　　4.2.1 采樣程序29</p><p>　　4.2.2 顯示子程序30</p><p>　　4.2.3 按鍵子程序31</p><p>　　4.2.4 PID控制子程序32</p><p><b>　　結(jié) 論36</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)

17、37</b></p><p><b>　　附錄:原理圖38</b></p><p><b>　　致 謝39</b></p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1 溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的背景、發(fā)展歷史及意義 </p>&l

18、t;p>　　溫度控制系統(tǒng)已應(yīng)用到人們生活的各個(gè)方面，是與人們息息相關(guān)的一個(gè)實(shí)際問題。針對(duì)這種實(shí)際情況，設(shè)計(jì)一個(gè)溫度控制系統(tǒng)，具有廣泛的應(yīng)用前景與實(shí)際意義。</p><p>　　單片機(jī)在電子產(chǎn)品中的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛，在很多的電子產(chǎn)品中也用到了溫度檢測(cè)和溫度控制。隨著溫度控制器應(yīng)用范圍的日益廣泛和多樣，各種適用于不同場(chǎng)合的智能溫度控制器應(yīng)運(yùn)而生。</p><p>　　電阻爐是利用電流通

19、過電阻體產(chǎn)生的熱量來加熱或熔化物料的一類電爐。它的特點(diǎn)：①電路簡(jiǎn)單；②對(duì)爐料種類的限制少；（小型電阻爐可以加熱食品、干燥木材等）；③爐溫控制精度高；④容易實(shí)現(xiàn)在真空或控制氣氛中加熱等特點(diǎn)。它適用于：①機(jī)械零件的淬火、回火、退火、滲碳、氮化等熱處理 ；②各種材料的加熱、干燥、燒結(jié)、釬焊、熔化等。電阻爐的主要參數(shù)有額定電壓、額定功率、額定溫度、工作空間尺寸。電阻爐按爐溫不同可以分為低溫電阻爐(600～700℃以下)、中溫電阻爐(700℃～1

20、200℃)、高溫電阻爐(1200℃以上)。</p><p>　　電阻爐被廣泛應(yīng)用在冶金、機(jī)械、石油化工、電力等工業(yè)生產(chǎn)中，在很多生產(chǎn)過程中，溫度的測(cè)量和控制與生產(chǎn)安全、生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量、能源節(jié)約等重大技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)緊緊相連。因此各個(gè)領(lǐng)域?qū)﹄娮锠t溫度控制的穩(wěn)定性、可靠性、精度等要求也越來越高，溫度測(cè)量控制技術(shù)也成為現(xiàn)代科技發(fā)展中的一項(xiàng)重要技術(shù)。</p><p>　　溫度控制技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了三

21、個(gè)階段：1、定值開關(guān)控制；2、PID控制；3、智能控制。PID控制溫度的效果主要取決于P、I、D三個(gè)參數(shù)。PID控制大滯后、大慣性、時(shí)變溫度系統(tǒng)時(shí)，其控制品質(zhì)難以保證。電阻爐是由電阻絲加熱升溫，靠自然冷卻降溫，PID控制對(duì)小型電阻爐的溫度控制效果良好。</p><p>　　本文以電阻爐為控制對(duì)象，以單片機(jī)為硬件核心，利用單片機(jī)使電阻爐的溫度維持在一個(gè)穩(wěn)定的范圍。</p><p>　　第二章

22、 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)與論證</p><p>　　2.1 溫度控制系統(tǒng)的目的和功能</p><p>　　溫度是一個(gè)非常重要的物理量，因?yàn)樗苯佑绊懭紵?、化學(xué)反應(yīng)、發(fā)酵、烘烤、煅燒、蒸餾、濃度、擠壓成形、結(jié)晶以及空氣流動(dòng)等物理和化學(xué)過程。溫度控制失誤就可能引起生產(chǎn)安全、產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品產(chǎn)量等一系列問題。因此對(duì)溫度的檢測(cè)的意義就越來越大。溫度采集控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究和人們的生活領(lǐng)域中，得到了

23、廣泛應(yīng)用。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，很多時(shí)候都需要對(duì)溫度進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)控，以使得生產(chǎn)能夠順利的進(jìn)行，產(chǎn)品的質(zhì)量才能夠得到充分的保證。使用自動(dòng)溫度控制系統(tǒng)可以對(duì)生產(chǎn)環(huán)境的溫度進(jìn)行自動(dòng)控制，保證生產(chǎn)的自動(dòng)化、智能化能夠順利、安全進(jìn)行，從而提高企業(yè)的生產(chǎn)效率。</p><p>　　溫度采集控制系統(tǒng)是在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。嵌入式系統(tǒng)雖然起源于微型計(jì)算機(jī)時(shí)代，但是微型計(jì)算機(jī)的體積、價(jià)位、可靠性，都無法滿足廣大對(duì)象對(duì)嵌入

24、式系統(tǒng)的要求，因此，嵌入式系統(tǒng)必須走獨(dú)立發(fā)展道路。這條道路就是芯片化道路。將計(jì)算機(jī)做在一個(gè)芯片上，從而開創(chuàng)了嵌入式系統(tǒng)獨(dú)立發(fā)展的單片機(jī)時(shí)代。單片機(jī)誕生于二十世紀(jì)七十年代末，經(jīng)歷了SCM、MCU和SOC三大階段。</p><p><b>　　2.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)的內(nèi)容是電阻爐溫度控制系統(tǒng)，控制對(duì)象是溫度。溫度控制在日常生活及工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用相

25、當(dāng)廣泛。而以往溫度控制是采用模擬信號(hào)，這種控制精度低，維護(hù)工作量大，易出故障，現(xiàn)在采用數(shù)字化儀表，精度高。</p><p>　　本設(shè)計(jì)是對(duì)電阻爐溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基本的溫度控制功能：當(dāng)電阻爐溫度低于設(shè)定下限溫度時(shí)，系統(tǒng)對(duì)電阻爐發(fā)出加熱信號(hào)，使電阻爐溫度上升，當(dāng)電阻爐溫度高于設(shè)定上限溫度時(shí)，系統(tǒng)使電阻爐停止加熱，使溫度下降，當(dāng)電子流溫度下降到下限溫度以下時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)使電阻爐繼續(xù)加熱

26、。不斷重復(fù)該過程，使溫度始終保持在上下限溫度之間。LED燈即時(shí)顯示溫度。</p><p>　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖如下圖2-1所示： </p><p>　　圖2-1 控制器設(shè)計(jì)總體框圖</p><p>　　在本系統(tǒng)的電路由四部分組成:</p><p>　　(1)控制部分主芯片采用單片機(jī)AT89C52；</p><p>　　

27、(2)顯示部分采用4位LED數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)溫度顯示；</p><p>　　(3)溫度采集部分采用K型熱電偶傳感器；</p><p>　　(4)溫度控制部分采用固態(tài)繼電器。</p><p>　　根據(jù)溫度變化慢，并且控制精度不易掌握的特點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了以AT89C52單片機(jī)為檢測(cè)控制中心，將溫度控制在設(shè)定的范圍之內(nèi)。</p><p>　　其主要的控制原

28、理為：對(duì)被控對(duì)象的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，其主要是通過熱電偶傳感器將溫度轉(zhuǎn)變成模擬電信號(hào)，并由A/D轉(zhuǎn)換器ADC0832將所得的模擬量轉(zhuǎn)變成數(shù)字量送入單片機(jī)中。單片機(jī)將傳感器所采集到的溫度和事先設(shè)定的溫度進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)小于設(shè)定值時(shí)將發(fā)出信號(hào)啟動(dòng)加熱裝置；當(dāng)大于設(shè)定值時(shí)將關(guān)閉加熱裝置，從而使得被控溫度控制在一定的范圍之內(nèi)，達(dá)到實(shí)時(shí)控制的功能。</p><p>　　整個(gè)控制器主要有以下功能：</p><p

29、>　　(1)被控溫度可以根據(jù)實(shí)際的需要設(shè)定；</p><p>　　(2)實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前溫度值；</p><p>　　(3)按鍵控制：a、設(shè)置復(fù)位鍵、加一鍵、減一鍵、確定鍵；b、修改P、I、D系數(shù)；</p><p><b>　　(4)越限報(bào)警。</b></p><p>　　第三章 電阻爐溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)</p

30、><p>　　3.1 最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　本系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為核心，本系統(tǒng)選用12MHZ的晶振，使得單片機(jī)有合理的運(yùn)行速度,復(fù)位電路為按鍵高電平復(fù)位。STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)如圖3-1所示：</p><p>　　圖3-1 STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)</p><p><b>　　3.1.1

31、單片機(jī)</b></p><p>　　在多數(shù)電子設(shè)計(jì)當(dāng)中，基于性價(jià)比的考慮，8位單片機(jī)仍是首選。AT89C52是一種低功耗/低電壓、高性能的8位單片機(jī)。片內(nèi)帶有一個(gè)8KB的Flash可編程、可擦除只讀存儲(chǔ)器（EPROM）。它采用了CMOS工藝和ATMEL公司的高密度非易失性存儲(chǔ)器（NURAM）技術(shù)，而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與MCS-51兼容、片內(nèi)的Flash存儲(chǔ)器允許在系統(tǒng)內(nèi)改編程序或用常規(guī)的非易失性

32、存儲(chǔ)器編程器來編程。因此，AT89C52是一種功能強(qiáng)、靈活性高，且價(jià)格合理的單片機(jī)，可方便地應(yīng)用在各種控制領(lǐng)域。基于上述這些特點(diǎn)，這里選擇AT89C52單片機(jī)作為控制核心。</p><p>　　因?yàn)閱纹瑱C(jī)的工作電源為+5V，AT89C52電源輸入支持的電壓范圍為5v~3.4v，且底層電路功耗很小。Vcc，電源端；GND，接地端。其電源供電電路如圖3-2所示：</p><p>　　圖3-2

33、電源供電電路</p><p>　　3.1.2 單片機(jī)的主控單元</p><p>　　本部分主要介紹單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。單片機(jī)系統(tǒng)的擴(kuò)展，一般是以基本最小系統(tǒng)為基礎(chǔ)的。所謂最小系統(tǒng)，是指一個(gè)真正可用的單片機(jī)最小配置系統(tǒng)，對(duì)于片內(nèi)帶有程序存儲(chǔ)器的單片機(jī)，只要在芯片外接時(shí)鐘電路和復(fù)位電路就是一個(gè)小系統(tǒng)了。小系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的基石。本電路的小系統(tǒng)主要由三部分組成，一塊AT89C52芯片、復(fù)位

34、電路及時(shí)鐘電路。</p><p>　　AT89C52單片機(jī)：AT89C52是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗，高性能CMOS8位單片機(jī)，器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)8051指令系統(tǒng)及引腳。4K 字節(jié)可系統(tǒng)編程的Flash 程序存儲(chǔ)器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個(gè)I/O口線，看門狗(WDT)，兩個(gè)數(shù)據(jù)指針，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量兩級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩

35、器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，AT89C52停止CPU的工作，但允許RAM、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作，并禁止其它所有部件工作，直到下一個(gè)硬件復(fù)位。</p><p>　　AT89C52 單片機(jī)的引腳說明</p><p>　　VCC：供電電壓； </p><p><b>　　GND：接地。</b>

36、;</p><p>　　P0是一個(gè)8位雙向I/O端口，端口置1時(shí)作高阻抗輸入端，作為輸出口時(shí)能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL電平。對(duì)內(nèi)部Flash程序存儲(chǔ)器編程時(shí)，接收指令字節(jié)；校驗(yàn)程序時(shí)輸出指令字節(jié)，需要接上拉電阻。在訪問外部程序和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P0口是分時(shí)轉(zhuǎn)換的地址(低8位)/數(shù)據(jù)總線，訪問期間內(nèi)部的上拉電阻起作用。</p><p>　　P1是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8 位準(zhǔn)雙向I/0端口。輸出時(shí)可

37、驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL電平。端口置1時(shí)，內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平作輸入用。對(duì)內(nèi)部Flash程序存儲(chǔ)器編程時(shí)，接收低8位地址信息。</p><p>　　P2是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/0端口。輸出時(shí)可驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL電平。端口置1 時(shí)，內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平作輸入用。對(duì)內(nèi)部Flash程序存儲(chǔ)器編程時(shí)，接收高8位地址和控制信息。在訪問外部程序和16位外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2口送出高8位地址。而在訪問8位地址的

38、外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)其引腳上的內(nèi)容在此期間不會(huì)改變。</p><p>　　P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)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平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。 </p><p>　　P3口也可作為STC89C52的一些特殊功能口，如下所示： </p>

39、;<p>　　P3.0 /RXD（串行輸入口）；</p><p>　　P3.1 /TXD（串行輸出口）；</p><p>　　P3.2 /INT0（外部中斷0）； </p><p>　　P3.3 /INT1（外部中斷1）；</p><p>　　P3.4 T0（記時(shí)器0外部輸入）； </p><p>　　P

40、3.5 T1（記時(shí)器1外部輸入）； </p><p>　　P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）； </p><p>　　P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）； </p><p>　　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)。 </p><p>　　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。&l

41、t;/p><p>　　ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(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，MO

42、VC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，置位無效。</p><p>　　PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取值期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。</p><p>　　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，不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意

43、加密方式1時(shí)EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)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）。 </p><p>　　XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。</p><p>　　XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。</p><p><b>　　振蕩器特性：</b></

44、p><p>　　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內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。</p><p>　　本設(shè)計(jì)STC89C52單片機(jī)的P14、P15、P16、P17口接的是四位按鍵，P1

45、.0口和P1.1口接LED顯示，X1和X2接的是晶振電路，RESET接復(fù)位電路。</p><p>　　3.1.3 復(fù)位電路</p><p>　　計(jì)算機(jī)在啟動(dòng)運(yùn)行的時(shí)候都需要復(fù)位，使中央處理器CPU和系統(tǒng)中的其他部件都處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并且從這個(gè)初始狀態(tài)開始工作。單片機(jī)的復(fù)位是靠外部電路實(shí)現(xiàn)的，MCS-51單片機(jī)有一個(gè)復(fù)位引腳RST，高電平有效。MCS-51單片機(jī)通常采用上電自動(dòng)復(fù)位和

46、按鈕復(fù)位兩種。復(fù)位電路的基本功能是系統(tǒng)上電時(shí)，RC電路充電，RST引腳出現(xiàn)正脈沖，提供復(fù)位信號(hào)直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復(fù)位信號(hào)，為可靠起見，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時(shí)，才撤銷復(fù)位信號(hào)，以防電源開關(guān)或電源插頭分合過程中引起的抖動(dòng)而影響復(fù)位。RC復(fù)位電路可以實(shí)現(xiàn)上述基本功能。調(diào)整RC常數(shù)會(huì)令對(duì)驅(qū)動(dòng)能力產(chǎn)生影響。復(fù)位電路如下圖3-3所示：</p><p>　　圖3-3 復(fù)位電路圖</p><p>

47、;　　3.1.4 時(shí)鐘電路</p><p>　　時(shí)鐘電路提供單片機(jī)的時(shí)鐘控制信號(hào)，單片機(jī)時(shí)鐘產(chǎn)生方式有內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。最常用的是內(nèi)部時(shí)鐘方式是采用外接晶振和電容組成的。</p><p>　　時(shí)鐘振蕩電路如圖3-4所示：</p><p>　　圖3-4 時(shí)鐘振蕩電路</p><p>　　單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反向放大

48、器，引腳XTAL1和引腳XTAL2分別是反相放大器的輸入端和輸出端，由這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成一個(gè)自己振蕩器，這種方式形成的時(shí)鐘信號(hào)稱為內(nèi)部時(shí)鐘方式。系統(tǒng)的時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)是采用的內(nèi)部方式，即利用芯片內(nèi)部的振蕩電路。內(nèi)部方式時(shí)，時(shí)鐘發(fā)生器對(duì)振蕩脈沖二分頻，如晶振為12MHz，時(shí)鐘頻率就為6MHz。晶振的頻率可以在1MHz-24MHz內(nèi)選擇。電容取30PF左右。因此，此系統(tǒng)電路的晶體振蕩器的值為12MHz，電容應(yīng)

49、盡可能的選擇陶瓷電容，電容值為30μF。在焊接刷電路板時(shí)，晶體振蕩器和電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機(jī)芯片靠近，以減少寄生電容，更好地保證震蕩器穩(wěn)定和可靠地工作。XTAL1是片內(nèi)振蕩器的反相放大器輸入端，XTAL2則是輸出端，使用外部振蕩器時(shí)，外部振蕩信號(hào)應(yīng)直接加到XTAL1，而XTAL2懸空。</p><p>　　3.2 溫度采集與傳感器</p><p>　　圖3-5 熱電偶傳感器</p

50、><p>　　溫度檢測(cè)是本次設(shè)計(jì)前向通道的重要組成部分，它的精確程度將直接影響到控制效果。因此，我們首先要選擇合適的測(cè)溫元件，對(duì)溫度進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量。</p><p>　　熱電偶的冷鍛溫度補(bǔ)償有四種方法：補(bǔ)償導(dǎo)線法；冷端補(bǔ)償法；計(jì)算修正法；電橋補(bǔ)償法。</p><p><b>　　補(bǔ)償導(dǎo)線法：</b></p><p>　　圖3

51、-6 補(bǔ)償導(dǎo)線法的連接圖</p><p><b>　　冷端補(bǔ)償法：</b></p><p>　?。?）將熱電偶的冷端置于放有冰水混合物的冰瓶中，使冷端溫度保持0℃不變的方法稱為冰浴法。采用這種方法可以消除冷端溫度t0不等于0℃而引起的誤差。由于冰融化比較快，因而一般只適合在實(shí)驗(yàn)室中使用。</p><p>　　（2）將熱電偶的冷端置于電熱恒溫器中

52、，恒溫器的溫度要略高于環(huán)境溫度的上限。</p><p>　?。?）將熱電偶的冷端置于恒溫的空調(diào)房間中，使冷端溫度保持恒定。</p><p><b>　　計(jì)算修正法：</b></p><p>　　當(dāng)熱電偶的冷端溫度t0 0C時(shí)，由于熱端與冷端的溫差隨冷端的變化而變化，所以測(cè)得的熱電勢(shì)EAB（t，t0）與冷端為0 C時(shí)所測(cè)得的熱電勢(shì)EAB（t，0C

53、）不等。若冷端溫度高于0 C，則EAB（t，t0）<EAB（t，0 C）?？梢岳孟率接?jì)算并修正測(cè)量誤差：</p><p>　　EAB（t,0C）= EAB（t,t0）+ EAB（t0,0C）</p><p><b>　　電橋補(bǔ)償法：</b></p><p>　　圖3-7 電橋補(bǔ)償法的接線圖</p><p>　　本

54、次設(shè)計(jì)采用計(jì)算修正法。</p><p>　　3.2.1 放大電路</p><p>　　運(yùn)算放大器使所有的線性電路中最重要的基本構(gòu)件。他在如飲品功率放大器、定時(shí)器、穩(wěn)壓器、傳感測(cè)試電路等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　運(yùn)算放大器這一術(shù)語最早應(yīng)用于在模擬計(jì)算機(jī)中執(zhí)行默寫數(shù)學(xué)運(yùn)算的下限頻率為零赫茲的高增益放大器。這種高增益放大器現(xiàn)在已廣泛用于各個(gè)方面，即使不再涉

55、及數(shù)學(xué)運(yùn)算，但通常仍成為運(yùn)算放大器或op-amp。早期的運(yùn)算放大器使用分立元件，但現(xiàn)在使用集成電路就更為方便了。電路設(shè)計(jì)者對(duì)集成電路內(nèi)部元件不感興趣，而只關(guān)心作為一個(gè)整體的單元性能。因此，圖3-8所示的符號(hào)用來表示運(yùn)算放大器。由圖可以看出，運(yùn)算放大器有2個(gè)輸入端，一個(gè)輸出和連接正、負(fù)電源線端子。</p><p>　　圖3-8 運(yùn)算放大器的符號(hào) 圖3-9運(yùn)算放大器的封裝<

56、;/p><p>　　3.2.2 溫度傳感器的選擇</p><p>　　傳感器是檢測(cè)系統(tǒng)的第一個(gè)環(huán)節(jié)，其主要作用是將感知的被測(cè)非電量按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)化為某一量值輸出，通常是電信號(hào)。也就是說，傳感器是借檢測(cè)元件（敏感元件）將被測(cè)對(duì)象的一種信息按一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成另一種信息的器件或裝置。傳感器所獲取的信息通常有物理量、化學(xué)量和生物量等，而經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換后的信息多數(shù)為電量，如電阻、電容、電感、電壓、電流及

57、頻率與相位的變化等，它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。</p><p>　　傳感器將被測(cè)信息如溫度、壓力、流量等轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，一般稱為一次變換。一般情況下經(jīng)過一次變換后的信息具有以下特點(diǎn)：</p><p>　　輸出電信號(hào)通常為模擬量；</p><p>　　輸出電信號(hào)一般較微弱；</p><p>　　輸出電信號(hào)的信號(hào)噪聲比較小，甚至有

58、用信號(hào)淹沒在噪聲之中；</p><p>　　傳感器的輸入輸出特性通常存在一定的非線性，并易受環(huán)境溫度及周圍電磁干擾的影響；</p><p>　　傳感器的輸出特性與電源的定性等有關(guān)，通常要求恒壓或恒流供電。</p><p>　　本部分主要是論證溫度傳感器的選型。傳感器的選擇受到很多因素的影響，首先是各種溫度傳感器自身的優(yōu)缺點(diǎn)，其次是各種不同的環(huán)境因素，還有就是系統(tǒng)所要

59、求實(shí)現(xiàn)的精度等，所以在不同的設(shè)計(jì)當(dāng)中溫度傳感器的選擇也將不同。</p><p>　　方案一：熱電偶傳感器</p><p>　　熱電偶傳感的原理是將溫度變化轉(zhuǎn)換為電勢(shì)變化。它是利用兩種不同材料的金屬連接在一起，構(gòu)成的具有熱電效應(yīng)原理的一種感溫元件。其優(yōu)點(diǎn)為精確度高、測(cè)量范圍廣、構(gòu)造簡(jiǎn)單、使用方便，型號(hào)種類比較多且技術(shù)成熟等。目前廣泛應(yīng)用于工業(yè)與民用產(chǎn)品中。熱電偶傳感器的種類很多，在選擇時(shí)必須

60、考慮其靈敏度、精確度、可靠性、穩(wěn)定性等條件。</p><p>　　方案二：熱電阻傳感器</p><p>　　熱電阻傳感器的原理是將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻值的變化。熱電阻傳感器是中低溫區(qū)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。其中鉑熱電阻的測(cè)量精度是最高的，不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)溫，而且被制作成標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)儀。從熱電阻的測(cè)溫原理可以知道，被測(cè)溫度的變化是直接通過熱電阻阻值的變化

61、來表現(xiàn)的。因此，熱電阻的引出線的電阻的變化會(huì)給測(cè)溫帶來影響。為消除引線電阻的影響，一般采用三線制或四線制。熱電阻測(cè)溫系統(tǒng)一般由熱電阻、連接導(dǎo)線、顯示儀表組成。</p><p>　　方案三：半導(dǎo)體集成模擬溫度傳感器</p><p>　　半導(dǎo)體IC溫度傳感器是利用半導(dǎo)體PN 結(jié)的電流、電壓與溫度變換關(guān)系來測(cè)溫的一種感溫元件。這種傳感器輸出線性好、精度高，而且可以把傳感器驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)處理電路等

62、，與溫度傳感器部分集成在同一硅片上，體積小，使用方便，應(yīng)用比較廣泛的有AD590等。IC溫度傳感器在微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，通常用于室溫或環(huán)境溫度的檢測(cè)，以便微型計(jì)算機(jī)對(duì)溫度測(cè)量值進(jìn)行補(bǔ)償。</p><p>　　方案四：半導(dǎo)體集成數(shù)字溫度傳感器</p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，新型溫度傳感器的種類繁多，應(yīng)用逐漸廣泛，并且開始由模擬式向著數(shù)字式、單總線式、雙總線式、多總線式發(fā)

63、展。數(shù)字溫度傳感器，更因適合與各種微處理器的I/O接口相連接，組成自動(dòng)溫度控制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)克服了模擬傳感器與微處理器接口時(shí)需要信號(hào)調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換器的弊端，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、電子測(cè)溫、醫(yī)療儀器等各種溫度控制系統(tǒng)中，數(shù)字溫度傳感器中比較有代表性的有DS18B20等。</p><p>　　PT100與AD590都不能與單片機(jī)的I/O口直接相連，需要設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路，A/D轉(zhuǎn)換電路。而DS18B20是數(shù)字溫度

64、傳感器，并且采用單總線技術(shù)，使該傳感器不但可以直接與單片機(jī)I/O口相連，并且只需要一個(gè)I/O就可以連接多個(gè)溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度測(cè)量與控制。所以使用數(shù)字溫度傳感器DS18B20不但可以節(jié)約單片機(jī)I/O口，還能使系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本降低。但是DS18B20的測(cè)溫范圍僅限-55℃～+125℃，而電阻爐的溫度大約在一千度左右，所以從測(cè)溫范圍的大小、精度要求以及價(jià)格等多方面因素綜合考慮，最終選擇K型熱電偶傳感器。K型（鎳鉻－鎳硅）熱電偶可測(cè)量1300

65、℃以內(nèi)的溫度，其線性度較好，而且價(jià)格便宜。K型熱電偶的輸出是毫伏級(jí)電壓信號(hào)，最終要將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)與CPU通信。</p><p>　　熱電偶的結(jié)構(gòu)形式是熱電極，絕緣材料和保護(hù)管，并與顯示儀表、記錄儀表或計(jì)算機(jī)等配套使用。在現(xiàn)場(chǎng)使用中根據(jù)環(huán)境，被測(cè)介質(zhì)等多種因素研制成適合各種環(huán)境的熱電偶。熱電偶簡(jiǎn)單分為裝配式熱電偶，鎧裝式熱電偶和特殊形式熱電偶；按使用環(huán)境細(xì)分有耐高溫?zé)犭娕?，耐磨熱電偶，耐腐熱電偶，耐高壓熱電偶?/p>

66、隔爆熱電偶，鋁液測(cè)溫用熱電偶，循環(huán)硫化床用熱電偶，水泥回轉(zhuǎn)窯爐用熱電偶，陽極焙燒爐用熱電偶，高溫?zé)犸L(fēng)爐用熱電偶，汽化爐用熱電偶，滲碳爐用熱電偶，高溫鹽浴爐用熱電偶，銅、鐵及鋼水用熱電偶，抗氧化鎢錸熱電偶，真空爐用熱電偶，鉑銠熱電偶等。</p><p>　　3.2.3 熱電偶溫度信號(hào)的線性化</p><p>　　熱電偶溫度信號(hào)非線性是比較大的，如B型熱電偶，從0°C升高到1800&

67、#176;C，熱電勢(shì)從0mV變化到13.585mV，每100°C熱電勢(shì)增加最大的約為最小的8倍。B偶的最大輸出熱電勢(shì)只有13.585mV，而且當(dāng)溫度升高到約1700°C時(shí)，該增加值下降。其它熱電偶都存在類似的問題，盡管稍有不同。這又給線性化增加了難度。從這一特性出發(fā)，熱電偶溫度信號(hào)的線性化主要有如下幾種方法。</p><p>　　(1)單反饋法：利用負(fù)反饋，可以改善其線性，但是很有限。幾種非線

68、性稍小的熱電偶，可以采用這種方法，特別是在溫區(qū)要求不寬的情況下。有時(shí)，由于在其一溫區(qū)有精度要求，那么就在該溫區(qū)對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，達(dá)到要求的目標(biāo)；在其它溫區(qū)可以放寬精度要求，甚至不要求，只作監(jiān)視用。</p><p>　　(2)折線近似法：這是一種對(duì)非線性較大的信號(hào)處理的較好的方法。處理得好可以達(dá)到較高的精度。這種方法普遍適用于各種熱電偶的整個(gè)正信號(hào)溫區(qū)。</p><p>　　圖3-10 折線近

69、似法</p><p>　　該種方法的電路原理圖如圖3-10所示。該電路的工作過程是：當(dāng)輸入的電壓信號(hào)較低時(shí)，IC1中的反相端電壓較同相端(A)低得多（同相端的電壓大小是根據(jù)線性化要求設(shè)定的，B點(diǎn)同樣），IC1的輸出端電壓較高，D1截止。當(dāng)輸入信號(hào)電壓接近IC1的同相端時(shí)，IC1的輸出逐漸降低，隨之，D1逐漸導(dǎo)通，V4逐漸增大，直到V4接近A點(diǎn)電壓為止。這就有效地限制了熱電偶信號(hào)迅速增加，降低了非線性。IC2的工作

70、過程與此類似，不同的是B點(diǎn)電位比A點(diǎn)高。當(dāng)輸入電壓在A點(diǎn)電壓以下時(shí)，D2截止，IC2不工作；只有當(dāng)輸入電壓高于A點(diǎn)電壓或接近B點(diǎn)電壓時(shí)IC2才工作。工作過程與IC1相同。所用折線的段數(shù)是根據(jù)精度要求決定的。對(duì)于熱電偶信號(hào)處理來說，有三段就可以使精度達(dá)到0.5%以上。</p><p>　　3.2.4 A/D轉(zhuǎn)換電路 </p><p>　　本設(shè)計(jì)中溫度檢測(cè)電路輸出信號(hào)為模擬量，要想將檢測(cè)數(shù)據(jù)送

71、入單片機(jī)，必須將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，這里選用集成A/D轉(zhuǎn)換器——ADC0832。</p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換電路用來把連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字形式，即二進(jìn)制數(shù)。實(shí)際的轉(zhuǎn)換過程包括在特定時(shí)刻的信號(hào)采樣并保持其值直到一個(gè)穩(wěn)定信號(hào)被輸入到模/數(shù)轉(zhuǎn)換器即止。模/數(shù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的二進(jìn)制數(shù)通過微機(jī)的輸入通道進(jìn)入微型機(jī)。復(fù)雜的硬件或具有合適的軟件指令的簡(jiǎn)單硬件都可能實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。軟件的使用會(huì)降低模數(shù)轉(zhuǎn)換過程的速度。高速模數(shù)轉(zhuǎn)換

72、的整個(gè)過程均需要使用硬件。用于特定用途的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器可按其精度和速度分類。</p><p>　　出于各種實(shí)用的目的，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器可視為一個(gè)黑盒子，它能把在一定范圍取任意連續(xù)值的模擬電壓轉(zhuǎn)換成離散的二進(jìn)制代碼。模擬電壓轉(zhuǎn)換得到的二進(jìn)制碼的數(shù)值取決于模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。一個(gè)N位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器將提供2N個(gè)離散代碼來代表輸入的模擬電壓。大多數(shù)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器基于逐次逼近和雙斜式轉(zhuǎn)換技術(shù)。N位的逐次逼近模/數(shù)轉(zhuǎn)換器涉及N次比較操

73、作。每次比較可以產(chǎn)生該位確切的二進(jìn)制值(0或1)。最先產(chǎn)生的為最高位，最后產(chǎn)生的則是最低位。第一次比較時(shí)，用輸入的電壓與參考信號(hào)電壓的一半(1/22)進(jìn)行比較。如果輸入電壓大于參考信號(hào)的一半，那么最高位置為1，否則置為0。假定輸人電壓大于參考信號(hào)的一半，對(duì)8位ADC來說，第一次比較將產(chǎn)生二進(jìn)制碼10000000。下一步是把參考電壓的四分之一(1/22)迭加到由上面代碼產(chǎn)生的電壓上，并再次用它與輸入電壓比較。根據(jù)這次比較，產(chǎn)生的二進(jìn)制代碼

74、將是11000000(模擬輸入電壓大于代碼電壓時(shí))，或者是10000000(模擬輸入電壓小于代碼電壓時(shí))。接著把參考電壓的八分之一(1/23)迭加到第二位轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制代碼所產(chǎn)生的電壓上，把迭加后 的電壓與輸入模擬電壓比較以確定第三位的二進(jìn)</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用的A/D轉(zhuǎn)換器為ADC0832</p><p>　　一．ADC0832簡(jiǎn)介</p><p>　　

75、ADC0832是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種8位分辨率、雙通道A/D轉(zhuǎn)換芯片。由于它體積小，容性強(qiáng)，性價(jià)比高而深受單片機(jī)愛好者及企業(yè)歡迎，其目前已經(jīng)有很高的普及率。ADC0832具有以下特點(diǎn)：8位分辨率；雙通道A/D轉(zhuǎn)換；輸入輸出電平與TTL/CMOS相兼容；5V電源供電時(shí)輸入電壓在0~5V之間；工作頻率為250KHZ，轉(zhuǎn)換時(shí)間為32μS；一般功耗僅為15mW；8P、14P—DIP（雙列直插）、PICC多種封裝；商用級(jí)芯片溫寬為0

76、76;C~+70°C，工業(yè)級(jí)芯片溫寬為40°C~+85°C；</p><p>　　圖3-11 《ADC0832引腳圖》</p><p><b>　　二．信號(hào)引腳</b></p><p>　　ADC0832引腳如圖3-11所示。</p><p>　　CS 片選使能，低電平芯片使能。</p

77、><p>　　CH0 模擬輸入通道0，或作為IN+/-使用。</p><p>　　CH1 模擬輸入通道1，或作為IN+/-使用。</p><p>　　GND 芯片參考0電位（地）。</p><p>　　DI 數(shù)據(jù)信號(hào)輸入，選擇通道控制。</p><p>　　DO 數(shù)據(jù)信號(hào)輸出，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出。</p><

78、p>　　CLK 時(shí)鐘信號(hào)。ADC0832的內(nèi)部沒有時(shí)鐘電路，所需時(shí)鐘信號(hào)由外界提供，因此有時(shí)鐘信號(hào)引腳。通常使用頻率為500KHz的時(shí)鐘信號(hào)。</p><p>　　VREF——參考電源參考電壓用來與輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行比較，作為逐次逼近的基準(zhǔn)。其典型值為+5V(Vref(+)=+5V, Vref(-)=-5V)。</p><p>　　三．單片機(jī)與ADC0832的接口</p>

79、<p>　　ADC0832為8位分辨率A/D轉(zhuǎn)換芯片，其最高分辨可達(dá)256級(jí)，可以適應(yīng)一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。其內(nèi)部電源輸入與參考電壓的復(fù)用，使得芯片的模擬電壓輸入在0~5V之間。芯片轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為32μS，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗(yàn)，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強(qiáng)。獨(dú)立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。通過DI數(shù)據(jù)輸入端，可以輕易的實(shí)現(xiàn)通道功能的選擇。 </p><p>

80、　　圖3-12 ADC0832與單片機(jī)的連接</p><p>　　正常情況下ADC0832與單片機(jī)的接口應(yīng)為4條數(shù)據(jù)線，分別是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端與DI端在通信時(shí)并未同時(shí)有效并與單片機(jī)的接口是雙向的，所以電路設(shè)計(jì)時(shí)可以將DO和DI并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。ADC0832與單片機(jī)的連接如上圖3-12所示。</p><p>　　當(dāng)ADC0832未工作時(shí)其CS輸入端應(yīng)為高電平，此

81、時(shí)芯片禁用，CLK和DO/DI的電平可任意。當(dāng)要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，須先將CS使能端置于低電平并且保持低電平直到轉(zhuǎn)換完全結(jié)束。此時(shí)芯片開始轉(zhuǎn)換工作，同時(shí)由處理器向芯片時(shí)鐘輸入端CLK輸入時(shí)鐘脈沖，DO/DI端則使用DI端輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號(hào)。在第1個(gè)時(shí)鐘脈沖的下沉之前DI端必須是高電平，表示啟始信號(hào)。</p><p>　　3.2.5 數(shù)字PID算法</p><p>　　PID調(diào)節(jié)的一般

82、步驟：</p><p>　　a.確定比例增益P：確定比例增益P時(shí)，首先去掉PID的積分項(xiàng)和微分項(xiàng)，一般是令Ti=0、Td=0（具體見PID的參數(shù)設(shè)定說明），使PID為純比例調(diào)節(jié)。輸入設(shè)定為系統(tǒng)允許的最大值的60%~70%，由0逐漸加大比例增益P，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩；再反過來，從此時(shí)的比例增益P逐漸減小，直至系統(tǒng)振蕩消失，記錄此時(shí)的比例增益P，設(shè)定PID的比例增益P為當(dāng)前值的60%~70%。比例增益P調(diào)試完成。<

83、;/p><p>　　b.確定積分時(shí)間常數(shù)Ti</p><p>　　比例增益P確定后，設(shè)定一個(gè)較大的積分時(shí)間常數(shù)Ti的初值，然后逐漸減小Ti，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，之后在反過來，逐漸加大Ti，直至系統(tǒng)振蕩消失。記錄此時(shí)的Ti，設(shè)定PID的積分時(shí)間常數(shù)Ti為當(dāng)前值的150%~180%。積分時(shí)間常數(shù)Ti調(diào)試完成。</p><p>　　c.確定積分時(shí)間常數(shù)Td</p>

84、<p>　　積分時(shí)間常數(shù)Td一般不用設(shè)定，為0即可。若要設(shè)定，與確定P和Ti的方法相同，取不振蕩時(shí)的30%。</p><p>　　d.系統(tǒng)空載、帶載聯(lián)調(diào)，再對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，直至滿足要求。</p><p>　　溫控系統(tǒng)采用數(shù)字PID算法，并由軟件實(shí)現(xiàn)，所謂PID控制就是按設(shè)定值與測(cè)量值之間偏差的比例、偏差的積累和偏差變化的趨勢(shì)進(jìn)行控制。它根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量。因此

85、PID控制律的實(shí)現(xiàn)，必須用數(shù)值逼近法。當(dāng)采樣周期相當(dāng)短時(shí)，可以用求和代替積分，用差商代替微分，即做如下近似變換：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　式中，k為采樣序號(hào)，k=l，2，3，……；T為采樣周期。顯然，上述離散化過程中，采樣時(shí)間T必須足夠短，才能保證有足夠的精度。為了書寫方便，將e(kT)簡(jiǎn)化表示成e(k)等，即省去T?？梢缘?/p>

86、到離散的PID表達(dá)式為：</p><p><b>　　（3-2）</b></p><p>　　式中，k為采樣序號(hào)，k=1，2，3，……；u(k)為第k次采樣時(shí)刻的計(jì)算機(jī)輸出值；e(k)為第k次采樣時(shí)刻輸入的偏差值；e(k-1)為第(k-1)次采樣時(shí)刻輸入的偏差值；KI為積分系數(shù)；KD為積分系數(shù)。</p><p>　　該系統(tǒng)采用增量式PID控制算

87、法，是指數(shù)字控制器輸出只是控制量的增量，該算法編程簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)可以遞推使用，占用存儲(chǔ)空間少，運(yùn)算快。根據(jù)遞推原理可得：</p><p><b>　　（3-3）</b></p><p>　　用式（3-2）減去式（3-3），可得增量式PID控制算法如下：</p><p><b>　　（3-4）</b></p>&l

88、t;p>　　3.3 人機(jī)交互電路</p><p>　　人機(jī)交互的主要功能是輔助控制、方便調(diào)試，提高系統(tǒng)的可用性和實(shí)用性。主要包括按鍵輸入、輸出顯示。通過按鍵輸入完成系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，而輸出顯示則完成數(shù)據(jù)的顯示和系統(tǒng)提示信息的輸出，</p><p>　　在當(dāng)今的各種實(shí)時(shí)自動(dòng)控制和智能化儀器儀表中，人機(jī)交互是不可缺少的一部分。一般而言，人機(jī)交互是由系統(tǒng)配置的外部設(shè)備來完成，其實(shí)現(xiàn)方式有兩種：

89、一種是由MCU的I/O口驅(qū)動(dòng)專用芯片實(shí)現(xiàn)，如鍵盤顯示控制芯片，串行數(shù)據(jù)傳輸數(shù)碼顯示驅(qū)動(dòng)芯片等，來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。另一種就是MCU本身具有驅(qū)動(dòng)功能，它通過數(shù)據(jù)總線與控制信號(hào)直接采用存儲(chǔ)器訪問形式或I/O設(shè)備的訪問形式來控制鍵盤和LED實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。</p><p><b>　　3.3.1 按鍵</b></p><p>　　按鍵是現(xiàn)階段電子設(shè)計(jì)中最常用、最實(shí)用的輸入設(shè)備

90、。按鍵能夠成為最普遍的輸入設(shè)備，主要是其具備了以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：工作原理、硬件電路連接簡(jiǎn)單、操作實(shí)用性強(qiáng)、價(jià)格便宜，程序編寫簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：機(jī)械抖動(dòng)比較嚴(yán)重、外型不夠美觀。</p><p>　　按鍵部分實(shí)現(xiàn)的主要原理是單片機(jī)讀取與按鍵相連接的I/O口狀態(tài)，來判定按鍵是否按下，達(dá)到系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置的目的。鍵盤在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的作用是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入、命令輸入，是人工干預(yù)的主要手段。獨(dú)立式按鍵就是按鍵相互獨(dú)立，每個(gè)按鍵單獨(dú)占用一根

91、I/O口線，每根I/O口線的按鍵的工作狀態(tài)，不會(huì)影響其他I/O口線上的工作狀態(tài)。各按鍵開關(guān)均需要采用了上拉電阻，是為了保證在按鍵斷開時(shí)，各I/O有確定的高電平。當(dāng)輸入口線內(nèi)部已有上拉電阻，外電路的上拉電阻可省去。因此，通過檢測(cè)輸入線的電平狀態(tài)就可以很容易判斷是哪個(gè)按鍵被按下了。優(yōu)點(diǎn)：電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：每個(gè)按鍵需占用一根I/O口線，在按鍵數(shù)量較多時(shí)，I/O口浪費(fèi)大，電路結(jié)構(gòu)顯得復(fù)雜。因此，此鍵盤適用于按鍵較少或操作速度較高

92、的場(chǎng)合。在本設(shè)計(jì)當(dāng)中，由于只需要四個(gè)按鍵，所以采用獨(dú)立式鍵盤結(jié)構(gòu)，電路連接圖如圖3-13所示：</p><p>　　圖3-13 獨(dú)立式鍵盤</p><p>　　當(dāng)用手按下一個(gè)鍵時(shí)，往往按鍵在閉合位置和斷開位置之間跳幾下才穩(wěn)定到閉合狀態(tài)的情況；在釋放一個(gè)鍵時(shí)，也回會(huì)出現(xiàn)類似的情況。這就是抖動(dòng)。抖動(dòng)的持續(xù)時(shí)間隨鍵盤材料和操作員而異，不過通?？偸遣淮笥?0ms。很容易想到，抖動(dòng)問題不解決就會(huì)引起

93、對(duì)閉合鍵的識(shí)別。用軟件方法可以很容易地解決抖動(dòng)問題，這就是通過延遲10ms來等待抖動(dòng)消失，再讀入鍵盤碼。按鍵控制電路分別接在單片機(jī)P1.4—P1.7口。它由4個(gè)按鍵構(gòu)成，直接與單片機(jī)I/O口相連。</p><p>　　當(dāng)用于溫度調(diào)節(jié)時(shí)，開關(guān)分別用于調(diào)整溫度的上下限值，以及控制溫度的輸出。另外，設(shè)定1鍵用于顯示采集的溫度，第二次按下則進(jìn)行溫度的上限調(diào)整，第三次按下進(jìn)行溫度的下限調(diào)整，第四次按下則進(jìn)行采集溫度的顯示構(gòu)

94、成循環(huán)。選擇2鍵進(jìn)行移位調(diào)整，第一次顯示個(gè)位，第二次顯示十位，第三次顯示百位，第四次顯示千位。3鍵增加鍵，按下一次在原基礎(chǔ)之上加1，這個(gè)值在0-9之間變化。4鍵用于減少一個(gè)數(shù)，按下一次在原基礎(chǔ)之上減1，這個(gè)值在0-9之間變化。</p><p>　　當(dāng)用于PID參數(shù)調(diào)節(jié)時(shí)，設(shè)定1鍵為確認(rèn)鍵，按下第五次后，顯示設(shè)置PID系數(shù)狀態(tài)。選擇2鍵進(jìn)行移位調(diào)整，第一次顯示KP，第二次顯示KI，第三次顯示KD。3鍵增加鍵，按下一

95、次在原基礎(chǔ)之上加1，這個(gè)值在0-9之間變化。4鍵用于減少一個(gè)數(shù)，按下一次在原基礎(chǔ)之上減1，這個(gè)值在0-9之間變化。</p><p>　　3.3.2 顯示電路</p><p>　　電子設(shè)計(jì)中常用的輸出顯示設(shè)備有兩種：數(shù)碼管和LCD。</p><p>　　數(shù)碼管是現(xiàn)在電子設(shè)計(jì)中普遍使用的一種顯示設(shè)備，每個(gè)數(shù)碼管由七個(gè)發(fā)光二極管按照一定的排列結(jié)構(gòu)組成，根據(jù)七個(gè)發(fā)光二極管的

96、正負(fù)極連接不同，又分為共陰極數(shù)碼管和共陽極數(shù)碼管兩種，選擇的數(shù)碼管不同，程序設(shè)計(jì)上也有一定的差別。數(shù)碼管顯示的數(shù)據(jù)內(nèi)容比較直觀，通常顯示從0到9中的任意一個(gè)數(shù)字，一個(gè)數(shù)碼管可以顯示一位，多個(gè)數(shù)碼管就可以顯示多位，在顯示位數(shù)比較少的電路中，程序編寫，外圍電路設(shè)計(jì)都十分簡(jiǎn)單，但是當(dāng)要顯示的位數(shù)相對(duì)多的時(shí)候，數(shù)碼管操作起來十分煩瑣，顯示的速度受到限制。</p><p>　　液晶顯示屏具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富等特

97、點(diǎn)，用戶可以根據(jù)自己的需求，顯示自己所需要的、甚至是自己動(dòng)手設(shè)計(jì)的圖案。當(dāng)需要顯示的數(shù)據(jù)比較復(fù)雜的時(shí)候，它的優(yōu)點(diǎn)就突現(xiàn)出來了，并且當(dāng)硬件設(shè)計(jì)完成時(shí)，可以通過軟件的修改來不斷擴(kuò)展系統(tǒng)顯示能力。外圍驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，顯示能力的擴(kuò)展將不會(huì)涉及到硬件電路的修改，可擴(kuò)展性很強(qiáng)。字符型液晶顯示屏已經(jīng)成為了單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)中最常用的信息顯示器件之一。不足之處在于其價(jià)格比較昂貴，驅(qū)動(dòng)程序編寫比較復(fù)雜。</p><p>　　由于

98、本設(shè)計(jì)所需要顯示的內(nèi)容比較簡(jiǎn)單，只包括現(xiàn)場(chǎng)溫度值、溫度限定值以及PID系數(shù)的顯示，所以本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示設(shè)備采用LED數(shù)碼管。設(shè)計(jì)中采用4位共陰極LED靜態(tài)顯示方式，選用7段顯示數(shù)碼管。顯示內(nèi)容有溫度值的千位、百位、十位、個(gè)位。LED顯示電路如下圖3-14所示。圖中的P1.1和P1.0分別連接到單片機(jī)的P1.1和P1.0引腳，作為時(shí)鐘輸入端和數(shù)據(jù)端口。</p><p>　　圖3-14 LED顯示電路</p&g

99、t;<p>　　由于單片機(jī)不能直接驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示，所以必須在單片機(jī)與LED164之間加上74LS164，它的管腳圖如圖3-15所示。</p><p>　　圖3-15 74LS164管腳圖</p><p>　　A和B為74LS64的串行輸入端；QA-QH為74LS64的串行輸出端；CLK是串行時(shí)鐘輸入端；CLR是串行輸出清零端；VCC：+5V；GND：接地端。</p&g

100、t;<p>　　74LS164功能如表3.1所示。</p><p>　　表3.1 74LS164功能表</p><p>　　LED164的管腳如圖3-16所示，其中a-g段用來顯示數(shù)字或字符的筆畫，dp顯示小數(shù)點(diǎn)，9和10引腳作為公共地。一英寸以下的的LED數(shù)碼管內(nèi)，每一筆段含有一只LED發(fā)光二極管，導(dǎo)通壓降為1.2-2.5V；一英寸及以上的LED數(shù)碼管的每一筆段由多只LED

101、發(fā)光二極管以串、并聯(lián)方式連接而成，筆段導(dǎo)通電壓與筆段內(nèi)包含的LED發(fā)光二極管的數(shù)目、連接方式有關(guān)。在串聯(lián)方式中，確定電源電壓VCC時(shí)，每只LED工作電壓通常以2.0V計(jì)算，例如4英寸7段LED數(shù)碼顯示器LC4141的每一筆段由四只LED發(fā)光二極管按串聯(lián)方式連接而成，因此導(dǎo)通電壓應(yīng)在7-8V之間，電源電壓VCC必須取9V以上。</p><p>　　數(shù)碼管結(jié)構(gòu)有共陰極和共陽極之分。本設(shè)計(jì)采用的是共陰極數(shù)碼管。共陰極公

102、共端接地，高電平有效（燈亮），共陰極數(shù)碼管內(nèi)部發(fā)光二極管的陰極(負(fù)極)都聯(lián)在一起，此數(shù)碼管陰極(負(fù)極)在外部只有一個(gè)引腳。</p><p>　　圖3-16 數(shù)碼管管腳圖</p><p><b>　　3.4 串口通信</b></p><p>　　串口通信的主要功能是完成單片機(jī)與上位機(jī)的通信，便于進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，為將來系統(tǒng)功能的擴(kuò)展做好基礎(chǔ)工作。

103、</p><p>　　串行通信的主要功能是實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)的數(shù)據(jù)交換，當(dāng)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)分析的時(shí)候，可以把數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，使用上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并且將數(shù)據(jù)處理的結(jié)果又發(fā)送給單片機(jī)。這樣可以大大提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理速度，還可以方便的對(duì)單片機(jī)進(jìn)行控制。計(jì)算機(jī)與外界的數(shù)據(jù)傳送大部分都是串行的，其傳送距離可以從幾米到幾千米。串行口通信原理圖如圖3-17所示：</p><p>　　

104、圖3-17 串行口通信</p><p>　　3.5 輸出電路設(shè)計(jì)</p><p>　　3.5.1 報(bào)警單元</p><p>　　報(bào)警電路實(shí)現(xiàn)的是當(dāng)環(huán)境溫度值超過系統(tǒng)設(shè)置的上限值或者小于系統(tǒng)設(shè)置的下限值時(shí)，都將通過I/O 口驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，進(jìn)行蜂鳴器報(bào)警[2]。而單片機(jī)I/O 口輸出的電流無法直接驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，所以設(shè)計(jì)了蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路，具體電路連接如圖3-18所示： <

105、;/p><p>　　圖3-18 報(bào)警電路圖</p><p>　　3.5.2 輸出控制單元</p><p>　　電阻爐溫度控制是通過控制電阻爐輸入功率的大小實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制，其控制方法有兩種：一種是可控硅移相觸發(fā)調(diào)節(jié)方式，實(shí)質(zhì)就是通過改變交流電壓每周期內(nèi)電壓波形的導(dǎo)通角從而控制輸出功率；另一種是通斷控制調(diào)節(jié)方式，其觸發(fā)方式是過零觸發(fā)，實(shí)質(zhì)是通過改變交流電壓每周期內(nèi)電壓波頭

106、出現(xiàn)的次數(shù)從而控制輸出功率。通斷控制調(diào)節(jié)方式會(huì)防止高次諧波的干擾和污染電網(wǎng)，硬件電路和軟件程序都比較簡(jiǎn)單，因而本設(shè)計(jì)中采用的是通斷控制調(diào)節(jié)方式。</p><p>　　固態(tài)繼電器的簡(jiǎn)介：固態(tài)繼電器（SOLID STATE RELAYS），簡(jiǎn)寫成”SSR”，是一種全部由固態(tài)電子元件組成的新型無觸點(diǎn)開關(guān)元件，它利用電子元件（如開關(guān)三極管、雙向可控硅等半導(dǎo)體器件）的開關(guān)特性，可達(dá)到無觸點(diǎn)無火花地接通和斷開電路的目的，因此

107、又被稱為“無觸點(diǎn)開關(guān)”。</p><p>　　固態(tài)繼電器SSR-40DA是由固態(tài)元件組成的無觸點(diǎn)開關(guān)，具有工作安全可靠、壽命長、無觸點(diǎn)、無火花、無污染、高絕緣、高耐壓（越過2.5kv）、低觸發(fā)電流、開關(guān)速度快、可與數(shù)字電路巨配，以阻燃型環(huán)氧樹脂為原料，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)繼電器內(nèi)部采用電壓過零時(shí)開啟，負(fù)載過零時(shí)關(guān)斷的特性，在負(fù)載上可以得到一個(gè)完整的正弦波形。因

108、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)以及驅(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),其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖3-19所示：</p><p>　　圖3-19 SSR-40DA內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　固態(tài)繼電器控制電阻爐溫度電路圖如圖3-20所示：</p><p>　　圖3-20 固態(tài)繼電器控制電阻爐溫度電路圖<