電阻爐溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)【畢業(yè)設(shè)計(jì)+開(kāi)題報(bào)告+文獻(xiàn)綜述】

1、<p>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)</p><p><b>　?。ǘ?屆）</b></p><p>　　電阻爐溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專(zhuān)業(yè)班級(jí) 電氣工程及其自動(dòng)化 </p>

2、<p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱(chēng) </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　電阻爐

3、被廣泛運(yùn)用于當(dāng)今國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，而大功率的電阻爐則運(yùn)用于各種工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中。溫度控制系統(tǒng)是自動(dòng)控制系統(tǒng)中很常見(jiàn)的一種控制類(lèi)型，溫度控制系統(tǒng)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)及人們的日常生活中起到非常重要的作用，研究它具有重要意義。</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用8051作為主控制芯片。用8155接口電路用于鍵盤(pán)/LED顯示器接口，通過(guò)可控硅調(diào)功器實(shí)現(xiàn)溫度控制電路。在給定周期內(nèi)，8051改變可控硅管的接通時(shí)間便可改變加熱絲功率，達(dá)到調(diào)節(jié)

4、溫度的目的。系統(tǒng)采用PID溫度控制算法達(dá)到控制溫度的目的。</p><p>　　關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)，溫度控制，PID調(diào)節(jié)</p><p>　　The Hardware Design of Resistance Furnace Temperature Control System </p><p><b>　　Abstract</b></p

5、><p>　　Resistance furnace is widely used for the national economy development, and high-power resistance furnace is used for industry production process. Temperature control system is the most common control sy

6、stem type of automatic control system. It makes an important function on industry, agriculture, and people′s daily life. So, it is important to research this task. </p><p>　　this design chooses 8051 as the m

7、ain control chip, 8155 interface circuit for the keyboard/LED display interface, and via SCR adjustable dynamometer control temperature. In a given cycle, 8051 could change the heater strip power through control the SCR

8、adjustable dynamometer closing time, and hit the mark of control temperature. This system adopts PID temperature control arithmetic to control temperature. </p><p>　　Keywords: Single chip，Temperature Contro

9、l , PID adjustment </p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　1 緒論I</b></p><p>　　1.1課

10、題的背景及意義I</p><p>　　1.2電阻爐溫度控制技術(shù)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。</p><p>　　1.3課題研究的主要內(nèi)容與基本要求2</p><p>　　1.3.1 主要內(nèi)容2</p><p>　　1.3.2 基本要求2</p><p>　　2電阻爐溫度控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案3</p

11、><p>　　2.1系統(tǒng)的主要任務(wù)與目標(biāo)3</p><p>　　2.2系統(tǒng)的原理3</p><p>　　2.2.1 電阻爐電加熱原理3</p><p>　　2.2.2 爐溫自動(dòng)控制原理3</p><p>　　2.3電阻爐溫度控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)4</p><p><b>　　3系統(tǒng)

12、硬件設(shè)計(jì)6</b></p><p>　　3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖6</p><p>　　3.2 8051單片機(jī)6</p><p>　　3.3單片機(jī)的8155接口電路10</p><p>　　3.4溫度傳感器12</p><p>　　3.5 A/D轉(zhuǎn)換器13</p><p>　　3

13、.6溫度檢測(cè)電路15</p><p>　　3.7可控硅溫度控制電路18</p><p>　　3.8顯示電路和報(bào)警電路19</p><p>　　4 PID溫度控制21</p><p>　　4.1 PID基本控制原理21</p><p>　　4.2 PID 控制算法22</p><p>

14、　　5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)24</p><p>　　5.1 主程序26</p><p>　　5.2 中斷服務(wù)程序26</p><p>　　5.3 功能模塊程序25</p><p>　　5.4資源分配26</p><p><b>　　結(jié)論227</b></p><p>

15、　　參考文獻(xiàn)2錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。</p><p>　　致謝2錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1課題的背景及意義</p><p>　　電阻爐是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常用的電加熱設(shè)備。它廣泛應(yīng)用于冶金、機(jī)械、石油化工、電力等行業(yè)，大功率的電阻爐應(yīng)用于各種工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中。各個(gè)

16、領(lǐng)域?qū)﹄娮锠t溫度控制的精度、穩(wěn)定性、可靠性等要求也越來(lái)越高，溫度控制技術(shù)也成為現(xiàn)代科技發(fā)展中一項(xiàng)重要技術(shù)。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。</p><p>　　1.2電阻爐溫度控制技術(shù)國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r</p><p>　　溫度控制技術(shù)發(fā)展共經(jīng)歷了三個(gè)階段：一、定制開(kāi)關(guān)控制；二、PID控制；三、智能控制。定制開(kāi)關(guān)控制方法的原理是若所測(cè)溫度比設(shè)

17、定溫度低，則開(kāi)啟控制開(kāi)關(guān)加熱，反之則斷開(kāi)控制開(kāi)關(guān)。這種控溫方法簡(jiǎn)單沒(méi)有考慮溫度變化的滯后性、慣性，導(dǎo)致系統(tǒng)控制精度低、超調(diào)量大、震蕩明顯。PID控制溫度的效果主要取決于P、I、D三個(gè)參數(shù)，對(duì)于控制大滯后、大慣性、時(shí)變性穩(wěn)定系統(tǒng)，控制品質(zhì)則難以保證。電阻爐是由電阻絲加熱升溫，靠自然冷卻降溫，當(dāng)電阻爐溫度超調(diào)時(shí)無(wú)法靠控制手段降溫因而電阻爐溫度控制具有非線性、滯后性、慣性、不確定性等特點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)成熟的電阻爐溫度控制系統(tǒng)是以PID控制器為主，

18、PID控制對(duì)于小型實(shí)驗(yàn)用的電阻爐控制效果良好，但對(duì)于大型工業(yè)電阻爐就難以保證電阻爐控制系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性等。智能控制是一類(lèi)無(wú)需人的干預(yù)就能獨(dú)立驅(qū)動(dòng)智能機(jī)械而實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的自動(dòng)控制，隨著科學(xué)技術(shù)和控制理論的發(fā)展，國(guó)外的溫度測(cè)控系統(tǒng)發(fā)展迅速，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的智能控制。應(yīng)用廣泛的穩(wěn)定智能控制方法有模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專(zhuān)家控制等，具有自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、自協(xié)調(diào)等能力，保證控制系統(tǒng)的控制精度、抗干擾能力、穩(wěn)定性等性能。</p><p

19、>　　國(guó)際上從70年代就開(kāi)始了電阻爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的研究，近十年來(lái)，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，電阻爐計(jì)算機(jī)控制的應(yīng)用也日趨廣泛，控制水平明顯提高，取得了一些應(yīng)用成果。隨著數(shù)字計(jì)算機(jī)向小型、高速、大容量、低成本方向的發(fā)展，傳統(tǒng)的PID控制和現(xiàn)代控制理論都在不斷的發(fā)展，并取得了豐碩的成果。智能化、網(wǎng)絡(luò)化已成為發(fā)展的趨勢(shì)[1]。</p><p>　　80年代以后，國(guó)內(nèi)對(duì)電阻爐的控制進(jìn)行了廣泛的研究，并且隨著微型計(jì)

20、算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電阻爐計(jì)算機(jī)控制逐步進(jìn)入實(shí)用化階段。目前，國(guó)內(nèi)電阻爐控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀如下：</p><p>　　隨著單片機(jī)、工業(yè)控制機(jī)、可編程控制器等先進(jìn)控制系統(tǒng)的發(fā)展，逐步取代了以前大規(guī)模的繼電器、模擬式儀表。單片機(jī)也因其極高的性?xún)r(jià)比而受到人們的重視和關(guān)注“，獲得廣泛地應(yīng)用和迅速地發(fā)展。單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是體積小、重量輕、抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)環(huán)境要求不高，價(jià)格低廉，可靠性高，靈活性好，開(kāi)發(fā)較為容易。它的軟件編程比較簡(jiǎn)單

21、，廣大工程技術(shù)人員通過(guò)學(xué)習(xí)單片機(jī)的知識(shí)后，就能根據(jù)自己的實(shí)際需要開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)，并可獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益。正因?yàn)槿绱?，在我?guó)單片機(jī)已被廣泛地應(yīng)用在工業(yè)自動(dòng)化控制、自動(dòng)檢測(cè)、智能儀表、家用電器等各個(gè)方面。它將成為智能儀器和中、小型控制系統(tǒng)中應(yīng)用最多的一種微型計(jì)算機(jī)。</p><p>　　對(duì)傳統(tǒng)的負(fù)反饋、單一PID控制系統(tǒng)做了多種補(bǔ)充，從而使控制性能更佳。同時(shí)，越來(lái)越多的控制系統(tǒng)采用現(xiàn)代控制理論，最優(yōu)控制、自

22、適應(yīng)控制、自校正控制器、自整定PID參數(shù)控制器，有些已成功地在工業(yè)中得以應(yīng)用。</p><p>　　除了傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程級(jí)閉環(huán)控制以外，電阻爐控制系統(tǒng)還具備了統(tǒng)一管理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、報(bào)警記錄、報(bào)表生成等主要功能。管理系統(tǒng)應(yīng)用的擴(kuò)展，大大提高了電阻爐控制系統(tǒng)的應(yīng)用性能和實(shí)用價(jià)值，提高了生產(chǎn)效率。</p><p>　　1.3課題研究的主要內(nèi)容與基本要求</p><p>　　1

23、.3.1 主要內(nèi)容</p><p>　　內(nèi)容主要包括：利用單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控制器，測(cè)量電路中的溫度反饋信號(hào)經(jīng)A/D變換后，送入單片機(jī)中進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)一定的算法后，單片機(jī)的輸出用來(lái)控制加熱爐的輸出功率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。 </p><p>　　1.3.2 基本要求</p><p>　　基本要求：設(shè)計(jì)采樣、溫度測(cè)量、鍵盤(pán)顯示、加熱控制系統(tǒng)，單片機(jī)的開(kāi)發(fā)及系統(tǒng)應(yīng)用軟

24、件的開(kāi)發(fā)等。</p><p>　　1、溫度控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和思路； 2、各部分原理說(shuō)明； 3、溫度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，需要有理論依據(jù)，有分析計(jì)算過(guò)程，選擇的主要元件要有原理和說(shuō)明，所有元件必須有型號(hào)和參數(shù)，各部分硬件連線電路圖； 4、溫度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，使用匯編語(yǔ)言或C語(yǔ)言編程。主要軟件必須能在設(shè)計(jì)制作的硬件電路上正確運(yùn)行 。</p><p>　　2電阻爐溫度控制系統(tǒng)

25、總體設(shè)計(jì)方案</p><p>　　2.1系統(tǒng)的主要任務(wù)與目標(biāo)</p><p>　　本單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的目標(biāo)是，系統(tǒng)要求爐膛恒溫，可通過(guò)按鍵改變爐溫設(shè)定值，對(duì)加熱器加熱溫度調(diào)整范圍為0℃～500℃，溫度控制精度小于1℃，能實(shí)時(shí)顯示測(cè)量溫度，溫度超過(guò)上下限值時(shí)自動(dòng)報(bào)警。設(shè)計(jì)須能進(jìn)行人機(jī)對(duì)話，考慮到本系統(tǒng)控制對(duì)象為電爐，是一個(gè)大延遲環(huán)節(jié)，且溫度調(diào)節(jié)范圍較寬，所以本系統(tǒng)對(duì)過(guò)渡過(guò)程時(shí)間不予要求。&

26、lt;/p><p>　　2.2電阻爐溫度控制系統(tǒng)原理</p><p>　　2.2.1 電阻爐電加熱原理</p><p>　　當(dāng)電流在導(dǎo)體中流過(guò)時(shí)，因?yàn)槿魏螌?dǎo)體均存在電阻，電能即在導(dǎo)體中形成損耗，轉(zhuǎn)換為熱能，按焦耳楞次定律： </p><p>　　Q＝0．2412 Rt Q—熱能，卡； </p><p><b>　

27、　I一電流，安培 ；</b></p><p><b>　　R一電阻，歐姆； </b></p><p><b>　　t一時(shí)間，秒。 </b></p><p>　　按上式推算，當(dāng)1千瓦小時(shí)的電能，全部轉(zhuǎn)換為熱能時(shí)Q＝(0．24×1000×36000)／1000=864千卡。 </p>

28、<p>　　在電熱技術(shù)上按l千瓦小時(shí)＝860千卡計(jì)算。電阻爐在結(jié)構(gòu)上是使電能轉(zhuǎn)換為熱能的設(shè)備，它能有效地用來(lái)加熱指定的工件，并保持高的效率。 </p><p>　　2.2.2 爐溫自動(dòng)控制原理</p><p>　　根據(jù)爐溫對(duì)給定溫度的偏差，自動(dòng)接通或斷開(kāi)供給爐子的熱源能量，或連續(xù)改變熱源能量的大小，使?fàn)t溫穩(wěn)定有給定溫度范圍，以滿足熱處理工藝的需要。溫度自動(dòng)控制常用調(diào)節(jié)規(guī)律有二

29、位式、三位式、比例、比例積分和比例積分微分等幾種。電阻爐爐溫控制是這樣一個(gè)反饋調(diào)節(jié)過(guò)程，比較實(shí)際爐溫和需要爐溫得到偏差，通過(guò)對(duì)偏差的處理獲得控制信號(hào)，去調(diào)節(jié)電阻爐的熱功率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫的控制。按照偏差的比例、積分和微分產(chǎn)生控制作用（PID控制），是過(guò)程控制中應(yīng)用最廣泛的一種控制形式。</p><p>　　系統(tǒng)控制程序采用兩重中斷嵌套方式設(shè)計(jì)。首先使T0計(jì)數(shù)器產(chǎn)生定時(shí)中斷，作為本系統(tǒng)的采樣周期。在中斷服務(wù)程序中啟

30、動(dòng)A/D，讀入采樣數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)字濾波、上下限報(bào)警處理，PID計(jì)算，然后輸出控制脈沖信號(hào)。脈沖寬度由T1計(jì)數(shù)器溢出中斷決定。在等待T1中斷時(shí)，將本次采樣值轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的溫度值放入顯示緩沖區(qū)，然后調(diào)用顯示子程序。從T1中斷返回后，再?gòu)腡0中斷返回主程序并且、繼續(xù)顯示本次采樣溫度，等待下次T0中斷。</p><p>　　二位式調(diào)節(jié)--它只有開(kāi)、關(guān)兩種狀態(tài)，當(dāng)爐溫低于限給定值時(shí)執(zhí)行器全開(kāi)；當(dāng)爐溫高于給定值時(shí)執(zhí)行器全閉。（執(zhí)

31、行器一般選用接觸器）</p><p>　　三位式調(diào)節(jié)--它有上下限兩個(gè)給定值，當(dāng)爐溫低于下限給定值時(shí)招待器全開(kāi)；當(dāng)爐溫在上、下限給定值之間時(shí)執(zhí)行器部分開(kāi)啟；當(dāng)爐溫超過(guò)上限給定值時(shí)執(zhí)行器全閉。（如管狀加熱器為加熱元件時(shí)，可采用三位式調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)加熱與保溫功率的不同）</p><p>　　比例調(diào)節(jié)（P調(diào)節(jié)）--調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)（M）和偏差輸入（e）成比例。即：M=k式中：K-----比例系數(shù)。&l

32、t;/p><p>　　比例調(diào)節(jié)器的輸入、輸出量之間任何時(shí)刻都存在--對(duì)應(yīng)的比例關(guān)系，因此爐溫變化經(jīng)比例調(diào)節(jié)達(dá)到平衡時(shí)，爐溫不能加復(fù)到給定值時(shí)的偏差--稱(chēng)“靜差”。</p><p>　　比例積分（PI）調(diào)節(jié)--為了“靜差”，在比例調(diào)節(jié)中添加積分（I）調(diào)節(jié)積分，調(diào)節(jié)是指調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)與偏差存在隨時(shí)間的增長(zhǎng)而增強(qiáng)，直到偏差消除才無(wú)輸出信號(hào)，故能消除“靜差”比例調(diào)節(jié)和積分調(diào)節(jié)的組合稱(chēng)為比例積分調(diào)節(jié)。

33、</p><p>　　比例積分微分（PID）調(diào)節(jié)--比例積分調(diào)節(jié)會(huì)使調(diào)節(jié)過(guò)程增長(zhǎng)，溫度的波動(dòng)幅值增大，為此再引入微分（D）調(diào)節(jié)。微分調(diào)節(jié)是指調(diào)節(jié)器的輸出與偏差對(duì)時(shí)間的微分成比例，微分調(diào)節(jié)器在溫度有變化“苗頭”時(shí)就有調(diào)節(jié)信號(hào)輸出，變化速度越快、輸出信號(hào)越強(qiáng)，故能加快調(diào)節(jié)速度，降低溫度波動(dòng)幅度，比例調(diào)節(jié)、積分調(diào)節(jié)和微分調(diào)節(jié)的組合稱(chēng)為比例積分微分調(diào)節(jié)。（一般采用晶閘管調(diào)節(jié)器為執(zhí)行器）。</p><p

34、>　　根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行情況，這種控溫方法，精度比較高，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，滿足生產(chǎn)的實(shí)際需要。主要設(shè)備:熱電偶或熱電阻,智能PID溫控儀,可控硅觸發(fā)調(diào)功器等。</p><p>　　2.3電阻爐溫度控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)</p><p>　　單片機(jī)溫度系統(tǒng)主要是通過(guò)溫度傳感器對(duì)溫度進(jìn)行采集，把溫度轉(zhuǎn)換成變化的電壓，然后由放大器將信號(hào)放大，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器，將模擬溫度電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的數(shù)字溫度

35、信號(hào)電壓。經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，得到應(yīng)有的控制量，去控制加熱功率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。同時(shí)，超過(guò)上下限時(shí)進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警，控制中自動(dòng)顯示溫度值。</p><p>　　單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)框圖如下圖2-1所示：</p><p>　　圖2-1 單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)框圖</p><p>　　其中，單片機(jī)功能包括向溫度傳感器寫(xiě)入各種控制命令、讀取溫度數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理，還要對(duì)執(zhí)行單

36、元進(jìn)行控制。它是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心及數(shù)據(jù)處理核心。</p><p><b>　　3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</b></p><p>　　本系統(tǒng)是以8051單片機(jī)為核心，包括溫度檢測(cè)模塊、溫度控制模塊 、顯示和報(bào)警4個(gè)主要部分。溫度檢測(cè)部分包括溫度傳感器、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器。溫度控

37、制模塊包括光耦、驅(qū)動(dòng)器、可控硅調(diào)功器和電阻爐。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3-1所示：</p><p>　　人機(jī)對(duì)話部分 溫度檢測(cè)部分</p><p>　　圖3-1 硬件結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　3.2 8051單片機(jī)</p><p>　　單片機(jī)是單片微型計(jì)算機(jī)SCM(single chip micro-comput

38、er)的譯名簡(jiǎn)稱(chēng)，在國(guó)內(nèi)也常簡(jiǎn)稱(chēng)為“單片機(jī)”。它包括中央處理器CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串行口和I/O接口等等[4]。</p><p>　　單片機(jī)主要應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的檢測(cè)、數(shù)據(jù)的采集以及對(duì)應(yīng)用對(duì)象的控制。它具有體積小、重量輕、價(jià)格低、可靠性高、耗電少和靈活機(jī)動(dòng)等許多優(yōu)點(diǎn)，單片微型計(jì)算機(jī)(簡(jiǎn)稱(chēng)單片機(jī))是微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要分支，也是一種非常活躍和頗具生

39、命力的機(jī)種，特別適合用于智能控制系統(tǒng)。</p><p>　　目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)中8位單片機(jī)占用重要地位。其中MCS-51系列及其兼容機(jī)所占份額最大[2]。MCS—51系列單片機(jī)的最典型的產(chǎn)品有內(nèi)部無(wú)ROM的8051、內(nèi)部具有4KB字節(jié)掩膜ROM的8051及內(nèi)部具有4KB字節(jié)EPROM的 8751。這三種型號(hào)的單片機(jī)除內(nèi)部程序存貯器ROM不同外，其他內(nèi)部資源均相同。本設(shè)計(jì)中主要采用的是8051單片機(jī)。</p>

40、;<p>　?。?）8051的內(nèi)部資源</p><p>　　8051的內(nèi)部資源為：</p><p><b>　　8位CPU；</b></p><p>　　4KB字節(jié)掩膜ROM程序存貯器；</p><p>　　128字節(jié)內(nèi)部RAM數(shù)據(jù)存貯器；</p><p>　　2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)

41、器；</p><p>　　5個(gè)中斷源、兩級(jí)中斷優(yōu)先級(jí)的中斷控制器；</p><p>　　一個(gè)全雙工的異步串行I/O口；</p><p>　　時(shí)鐘電路，外接晶振和電容可產(chǎn)生1.2MHz—12MHz的時(shí)鐘頻率。</p><p>　?。?）8051的內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　8051單片機(jī)的內(nèi)部總體結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。按

42、功能劃分為8個(gè)組成部分。</p><p>　　中央處理單元（CPU）、程序存儲(chǔ)器（ROM）、數(shù)據(jù)存貯器（RAM）、特殊功能寄存器（SFR）、I/O口、串行口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器及中斷系統(tǒng)是通過(guò)片內(nèi)單一總線連接起來(lái)的。各部分的功能簡(jiǎn)述如下：</p><p>　　中央處理單元（CPU）</p><p>　　CPU是單片機(jī)的核心，是計(jì)算機(jī)的控制和指揮中心，由運(yùn)算器和控制器組成

43、。</p><p>　　運(yùn)算器包括一個(gè)可進(jìn)行8位算數(shù)運(yùn)算和邏輯思維運(yùn)算的單元ALU，8位的暫存器1，暫存器2，8位的累加器ACC，寄存器B和程序狀態(tài)寄存器PSW。</p><p>　　控制器包括程序計(jì)數(shù)器PC、指令寄存器IR、指令譯碼器ID、振蕩器和定時(shí)電路。8051片內(nèi)振蕩電路，只需外接石英晶體和頻率微調(diào)電容，其頻率范圍為1.2MHz~12MHz。</p><p>

44、;　　程序存儲(chǔ)器（ROM）</p><p>　　8051的片內(nèi)程序存儲(chǔ)器容量為4KB，地址從0000H開(kāi)始，用于存放程序和表格常數(shù)。它通過(guò)16位程序計(jì)數(shù)器尋址，尋址能力為64KB。</p><p>　　數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）</p><p>　　8051/8751/8051片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器均為128B，地址為00H~7FH，用于存放運(yùn)算的中間結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存以及數(shù)據(jù)緩沖[

45、8]。在這128B的RAM中，有32個(gè)字節(jié)單元可指定為工作寄存器，8051的片內(nèi)RAM和工作寄存器排在一個(gè)隊(duì)列里統(tǒng)一編址。</p><p>　　圖3-2 8051結(jié)構(gòu)圖</p><p><b>　　4．I/O接口</b></p><p>　　8051有四個(gè)8位并行接口，即P0~P3。它們都是雙向端口，每個(gè)端口各有8條I/O線，均可輸入/輸出。P

46、0~P3口四個(gè)鎖存器同RAM統(tǒng)一編址，可以把I/O口當(dāng)一般特殊功能寄存器來(lái)尋址。</p><p>　?。?）8051單片機(jī)引腳及其功能</p><p>　　8051單片機(jī)是高性能單片機(jī)，它采用40條引腳的雙列直插式封裝（DIP），引腳排列如圖3-3所示，40條引腳按功能可分為四部分[7]。</p><p>　　各引腳功能說(shuō)明如下：</p><p&

47、gt;　　電源引腳Vcc和Vss</p><p>　　Vcc（40腳）：接+5V電源</p><p>　　Vss（20腳）：接地端</p><p>　　時(shí)鐘電路引腳XTAL1和XTAL2</p><p>　　XTAL1（19腳）：接外部晶體和微調(diào)電容的一端。在片內(nèi)，它是振蕩電路反相放大器的輸入端。當(dāng)采用外接晶體振蕩器時(shí)，此引腳應(yīng)接地。<

48、/p><p>　　圖3-3 8051引腳圖</p><p>　　XTAL2（18腳）：接外部晶體和微調(diào)電容的另一端。在片內(nèi)，它是振蕩電路反相放大器的輸出端。若采用外部振蕩器時(shí)，該引腳接收振蕩器的信號(hào)，即把此信號(hào)直接接到內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。要檢查8051的振蕩電路是否正常工作，可用示波器查看XTAL2端是否有脈沖信號(hào)輸出。</p><p><b>　　控制

49、信號(hào)引腳</b></p><p>　　RST/VPD（9腳）：RST是復(fù)位信號(hào)輸入端，高電平有效。當(dāng)振蕩器運(yùn)行時(shí)，在此引腳上加上兩個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。復(fù)位后，應(yīng)使此引腳電平為≤0.5V的低電平，以保證單片機(jī)正常工作。</p><p>　　掉電期間，此引腳可接備用電源（VPD），以保持內(nèi)部RAM中的數(shù)據(jù)不丟失。當(dāng)Vcc下降到低于規(guī)定值，而VPD在其規(guī)定的電壓范圍內(nèi)（

50、50.5V）時(shí)，VPD就向內(nèi)部RAM提供備用電源。</p><p>　　ALE（30腳）：地址鎖存允許信號(hào)端。CPU訪問(wèn)片外存儲(chǔ)器時(shí)，ALE輸出信號(hào)作為鎖存低8位地址的控制信號(hào)。即使不訪問(wèn)外部存貯器，ALE端仍有周期性正脈沖輸出，其頻率為振蕩器頻率的1/6。但是，每當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存貯器時(shí)在兩個(gè)機(jī)器周期中ALE只出現(xiàn)一次，即丟失一個(gè)ALE脈沖。ALE端可以驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL負(fù)載。</p><p>

51、;　?。?9腳）：此輸出為單片機(jī)內(nèi)訪問(wèn)外部程序存貯器的讀選通信號(hào)。在從外部程序存貯器取指令（或常數(shù)）期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次有效。但在此期間，每當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存貯器時(shí)，這兩次有效的信號(hào)將不出現(xiàn)。同樣可以驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL負(fù)載。</p><p>　　/（31腳）：當(dāng)端保持高電平時(shí)，單片機(jī)訪問(wèn)的是內(nèi)部程序存貯器，但當(dāng)PC值超過(guò)某值時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存貯器內(nèi)的程序。當(dāng)端保持低電平時(shí)，則不管是否有內(nèi)部程序存貯器而只訪問(wèn)

52、外部程序存貯器。</p><p><b>　　輸入/輸出引腳</b></p><p>　　輸入/輸出（I/O）口引腳包括4個(gè)并口，即P0、P1、P2和P3口。</p><p>　　P0口（P0.0～P0.7）：為雙向8位三態(tài)I/O口，當(dāng)作為I/O口使用時(shí)，可以直接連接外部I/O設(shè)備。它是地址總線低8位及數(shù)據(jù)總線分時(shí)復(fù)用口，可驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL負(fù)載。

53、一般作為擴(kuò)展時(shí)地址/數(shù)據(jù)總線口使用。</p><p>　　P1口（P1.0～P1.7）：是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O端口。P1口的每一位能驅(qū)動(dòng)4個(gè)LS型TTL負(fù)載。在P1口作為輸入口使用時(shí)，應(yīng)先向P1口鎖存器寫(xiě)入全1，此時(shí)P1口引腳由內(nèi)部上拉電阻成高電平。</p><p>　　P2口（P2.0～P2.7）：為8位準(zhǔn)雙向I/O口，當(dāng)作為I/O口使用時(shí)，可直接連接外部I/O設(shè)備。它是

54、與地址總線高8位復(fù)用，可驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL負(fù)載，一般作為擴(kuò)展時(shí)地址總線的高8位使用。</p><p>　　P3口（P3.0～P3.7）：為8位準(zhǔn)雙向I/O口，是雙功能復(fù)用口,可驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL負(fù)載。</p><p>　　3.3單片機(jī)的8155接口電路</p><p>　　8155芯片內(nèi)具有256個(gè)字節(jié)的RAM，兩個(gè)8位、一個(gè)16位的可編程I/O口和一個(gè)14位計(jì)數(shù)器。它與5

55、1型單片機(jī)接口簡(jiǎn)單，是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中廣泛使用的芯片[9]。其管腳圖如圖3-4所示。</p><p>　　圖3-4 8155管腳圖</p><p>　　8155用作鍵盤(pán)/LED顯示器接口電路，當(dāng)IO/為高電平時(shí)，8155選通片內(nèi)的I/O端口。A，B，C三個(gè)口可以作為擴(kuò)展的I/O口使用，MCS－51單片機(jī)的PO口與8155的AD0～AD7相連。</p><p>　　此

56、時(shí)P0輸出的低8位地址只有3位有效，用于片內(nèi)選址，其他位無(wú)用。使用A，B，C三個(gè)口時(shí)，首先向命令寄存器寫(xiě)入一個(gè)控制字以確定三個(gè)口的工作方式。如果寫(xiě)入的控制字規(guī)定他們工作于方式Ⅰ或方式Ⅱ下，則這三個(gè)口都是獨(dú)立的基本I/O口。可以直接利用MOVX A，@DPTR或MOVX @DPTR，A指令完成這三個(gè)口的讀/寫(xiě)（輸入/輸出）操作。工作在方式Ⅲ或方式Ⅳ時(shí)，C口用作控制口或部分用于控制。</p><p>　　MCS－51

57、單片機(jī)可以和8155直接連接，不需要任何外加電路，給系統(tǒng)增加了256個(gè)字節(jié)的RAM、22位I/O線及一個(gè)計(jì)數(shù)器。當(dāng)P2.0＝0且P2.1=0時(shí)，選中8155的RAM工作；在P2.0=1和P2.0=0時(shí)，8155選中片內(nèi)三個(gè)I/O端口。相應(yīng)地址分配為：</p><p>　　0000H-00FFH 8155內(nèi)部RAM</p><p>　　0100H 命令/狀態(tài)口</p

58、><p>　　0101H A口</p><p>　　0102H B 口</p><p>　　0103H C 口</p><p>　　0104H 定時(shí)器低八位口</p><p>　　0105H 定時(shí)器高八位口</p><p>　　8051與8155接口

59、電路圖如圖3-5所示。</p><p>　　圖3-5 8051與8155接口電路圖</p><p><b>　　3.4溫度傳感器</b></p><p>　　溫度檢測(cè)元件的類(lèi)型選擇和被控溫度及精度等級(jí)有關(guān)。</p><p>　　熱電偶是將溫度量轉(zhuǎn)換成電流大小的熱電傳感器，設(shè)計(jì)要求控制溫度范圍為0～500℃，所以選擇鉑銠—

60、鉑熱電偶。鉑銠—鉑熱電偶由直徑為0.5mm的純鉑絲和相同直徑的鉑銠絲(鉑90%和銠10%)制成。其分度號(hào)為S。在S型熱電偶中鉑銠絲為正極，鉑絲為負(fù)極。此種熱電偶在1300℃以下范圍內(nèi)長(zhǎng)期可用。由于容易得到高純度的鉑和鉑銠，故鉑銠—鉑熱電偶復(fù)制精度和測(cè)試準(zhǔn)確性較高，可用于精密溫度測(cè)量和作標(biāo)準(zhǔn)熱電偶，它在氧化性或中性介質(zhì)中具有較好的物理化學(xué)穩(wěn)定性。</p><p>　　將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B焊接起來(lái)，構(gòu)成

61、一個(gè)閉合回路。當(dāng)導(dǎo)體A和B的兩個(gè)接點(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)電流,這種現(xiàn)象稱(chēng)為熱電效應(yīng)。溫度傳感器熱電偶就是利用這一效應(yīng)來(lái)工作的。熱電效應(yīng)圖如圖3-6所示。</p><p>　　圖3-6 熱電效應(yīng)圖</p><p>　　熱電偶測(cè)量溫度時(shí)要求其冷端(測(cè)量端為熱端，通過(guò)引線與測(cè)量電路連接的端稱(chēng)為冷端)的溫度保持不變，其熱電勢(shì)大小才與測(cè)量溫度呈一定的比例關(guān)

62、系。若測(cè)量時(shí)，冷端的(環(huán)境)溫度變化，將影響嚴(yán)重測(cè)量的準(zhǔn)確性。在冷端采取一定措施補(bǔ)償由于冷端溫度變化造成的影響稱(chēng)為熱電偶的冷端補(bǔ)償。本文采用補(bǔ)償電橋法進(jìn)行冷端補(bǔ)償。</p><p>　　補(bǔ)償電橋如圖3-7，它的四個(gè)橋臂中有一個(gè)銅電阻RCu，銅的電阻溫度系數(shù)較大，阻值隨溫度而變，其余三個(gè)臂由阻值恒定的錳銅電阻制成，銅電阻必須和熱電偶冷端靠近，處于同一溫度。</p><p>　　圖3-7 補(bǔ)償

63、電橋法</p><p>　　設(shè)計(jì)時(shí)使RCu在20℃下的阻值和其余三個(gè)橋臂電阻完全相等，即RCu20=R1=R2=R3，這種情況下電橋處于平衡狀態(tài)，圖中a和b之間電壓Uab=0，對(duì)熱電勢(shì)沒(méi)有補(bǔ)償作用。</p><p>　　當(dāng)冷端溫度t0>20℃，隨之熱電勢(shì)將減少，但這時(shí)RCu亦增大，使電橋不平衡，并且Uab電壓方向與熱電勢(shì)相同，即a點(diǎn)為負(fù)，b點(diǎn)為正，所以總電壓U=E(t, t0)+Ua

64、b。若t0<20℃，則a點(diǎn)為正，b點(diǎn)為負(fù)，所以總電壓U=E(t, t0)-Uab。</p><p>　　3.5 A/D轉(zhuǎn)換器</p><p>　　ADC0809是一種比較典型的8位8通道逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。</p><p><b>　　(1)主要特性</b></p><p>　　(a)8路8位A/D轉(zhuǎn)換器，即分

65、辨率8位。</p><p>　　(b)具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫?。</p><p>　　(c)轉(zhuǎn)換時(shí)間為100S。</p><p>　　(d)單個(gè)＋5V電源供電。</p><p>　　(e)模擬輸入電壓范圍0～+5V，不需零點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn)。</p><p>　　(f)工作溫度范圍為-40～+85℃。</p>&l

66、t;p>　　(g)低功耗，約15mW。</p><p><b>　　(2)內(nèi)部結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-8所示，它由8路模擬開(kāi)關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開(kāi)關(guān)樹(shù)型D/A轉(zhuǎn)換器、逐次逼近寄存器、三態(tài)輸出鎖存器等其它一些電路組成。因此，ADC0809可處理8路模擬量輸入，且有三態(tài)輸出

67、能力，既可與各種微處理器相連，也可單獨(dú)工作。輸入輸出與TTL兼容。</p><p>　　圖3-8 ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　(3)外部特性(引腳功能)</p><p>　　ADC0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖3-9所示。下面說(shuō)明各引腳功能[3]。</p><p>　　圖3-9 ADC0809引腳圖&l

68、t;/p><p><b>　　引腳功能說(shuō)明：</b></p><p>　　IN0～I(xiàn)N7：8路模擬量輸入端。</p><p>　　2-1(2-8)：8位數(shù)字量輸出端。</p><p>　　ALE(22)：地址鎖存允許信號(hào)，高電平有效。</p><p>　　START(6)：A/D轉(zhuǎn)換動(dòng)信號(hào)，高電平有效

69、。</p><p>　　EOC(7)： A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸出一個(gè)高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平)。</p><p>　　OE(9)：數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào)，高電平有效。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸入一個(gè)高電平，才能打開(kāi)輸出三態(tài)門(mén)，輸出數(shù)字量。 </p><p>　　CLK(10)：時(shí)

70、鐘脈沖輸入端。典型值為640KHZ。</p><p>　　REF(+)、RE(-)：參考電壓輸入端。</p><p>　　Vcc(11)：電源，＋5V和GND(13)：地。</p><p>　　ADDA、ADDB、ADDC：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路。如表3-1所示。</p><p>　　表3-1 ADDA、ADDB、ADD

71、C模擬通道地址碼</p><p>　　(4)ADC0809的工作過(guò)程</p><p>　　首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。下降沿啟動(dòng) A/D轉(zhuǎn)換，之后EOC輸出信號(hào)變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。直到A/D轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)楦唠娖?，指示A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個(gè)信號(hào)可用作中斷

72、申請(qǐng)。當(dāng)OE輸入高電平時(shí)，輸出三態(tài)門(mén)打開(kāi)，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。</p><p><b>　　3.6溫度檢測(cè)電路</b></p><p>　　檢測(cè)電路包括溫度傳感器、信號(hào)放大器和A/D轉(zhuǎn)換器三部分。溫度傳感器的選擇與被控溫度的范圍有關(guān)，鉑銠—鉑熱電偶適合于0～500℃的溫度測(cè)量范圍，可以滿足本系統(tǒng)的要求[18]。放大電路將鉑銠—鉑熱電偶輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化成

73、電壓信號(hào)，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，提供給單片機(jī)。檢測(cè)電路框圖如圖3-10所示。</p><p>　　圖3-10 溫度檢測(cè)電路框圖</p><p>　　一般傳感器的輸出信號(hào)都比較微弱，要將該微弱信號(hào)轉(zhuǎn)換成有用的信號(hào)以便于后期使用，就要加入信號(hào)放大電路，其作用是進(jìn)行信號(hào)放大和去除干擾等。</p><p>　　放大器我選用變送器。因?yàn)樽兯推鞯妮敵鰹閭鞲衅饕?guī)定的標(biāo)準(zhǔn)

74、信號(hào)。變送器由毫伏變送器和電流/電壓變送器組成。</p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換器件的選擇主要取決于溫度的控制精度。本系統(tǒng)要求溫度控制誤差1℃，采用8位A/D轉(zhuǎn)換器，其最大量化誤差為能滿足精度要求。因此，本系統(tǒng)采用ADC0809作為A/D轉(zhuǎn)換器。電路設(shè)計(jì)好后，調(diào)整可調(diào)電阻R，調(diào)節(jié)放大電路的輸出，使0～500℃的溫度變化對(duì)應(yīng)于0～4.9V的輸出電壓，則A/D轉(zhuǎn)換對(duì)應(yīng)的數(shù)字量為00H～FAH。</p>

75、<p>　　ADC0809與8051單片機(jī)的連接如圖3-11所示。</p><p>　　圖3-11 ADC0809與8051單片機(jī)的連接硬件接線圖</p><p>　　由于本設(shè)計(jì)中使用8選1模擬開(kāi)關(guān)來(lái)進(jìn)行信號(hào)的選擇，因此，ADC0809的信號(hào)選擇功能就不使用了，設(shè)計(jì)時(shí)把ADC0809的地址選擇端A、B、C都接地，即ABC=000，這樣，選通通道始終是IN0。將EOC通過(guò)非門(mén)連接到

76、MCS-51的INT1腳，可通過(guò)查詢(xún)方式來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)換是否完成。</p><p>　　因?yàn)锳DC0809的地址選擇端A、B、C都接地，所以ADC0809的數(shù)據(jù)采集通道只有IN0被選通。鉑銠—鉑熱電偶輸出的電流信號(hào)經(jīng)放大電路轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)和ADC0809的IN0相連，以進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。P2.7(地址總線最高位A15)可作為A/D轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)開(kāi)關(guān)，P2.7為低電平有效。在啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，可由寫(xiě)信號(hào)WR和P2.7控制ADC

77、0809的地址鎖存和轉(zhuǎn)換啟動(dòng)。而在讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果時(shí)，則由讀信號(hào)RD和P2.7控制 ADC0809的OE信號(hào)，用于打開(kāi)三態(tài)輸出鎖存器。若令P2.7為0，ADC0809的EOC端經(jīng)反相器連接到單片機(jī)的P3.0(INT1)引腳，作為查詢(xún)或中斷信號(hào)。當(dāng)采用查詢(xún)方式時(shí)，對(duì)IN0的信號(hào)進(jìn)行取樣，并把轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲(chǔ)到片內(nèi)存RAM中。采用中斷方式可大大節(jié)省CPU的時(shí)間。當(dāng)轉(zhuǎn)換完成后，數(shù)據(jù)將保存到一數(shù)組中，直到當(dāng)PC機(jī)通過(guò)串行口發(fā)信號(hào)時(shí)，8051通過(guò)檢測(cè)地址

78、是否和本機(jī)地址相符來(lái)作出動(dòng)作。如果地址相符，則由中斷服務(wù)程序讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果并存儲(chǔ)到RAM中，然后啟動(dòng)ADC0809的下一次轉(zhuǎn)換。</p><p>　　由于ADC0809的典型工作頻率640 kHz不太容易得到，所以通常使用相近頻率且容易獲得的信號(hào)進(jìn)行替代。本設(shè)計(jì)中，單片機(jī)的晶振頻率12MHz，ALE信號(hào)輸出為晶振頻率的六分之一(即2MHz)，可將該2 MHz經(jīng)過(guò)四分頻后得到500 kHz信號(hào)來(lái)給ADC0809

79、使用</p><p>　　3.7 可控硅溫度控制電路</p><p>　　8051對(duì)溫度的控制是通過(guò)可控硅調(diào)功器電路實(shí)現(xiàn)的。 </p><p>　　雙向可控硅管和加熱電阻絲串接在交流220V,50HZ市電回路。在給定周期T內(nèi)，8051只要改變可控硅管的接通時(shí)間便可改變加熱絲功率，達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的。 </p><p>　　可控硅接通時(shí)間可以通

80、過(guò)可控硅控制極上觸發(fā)脈沖控制。該觸發(fā)脈沖由8051用軟件在P1.3引腳上產(chǎn)生，受過(guò)零同步脈沖同步后經(jīng)光藕管和驅(qū)動(dòng)器輸出送到可控硅的控制極上。 </p><p>　　3-12圖示出了可控硅管在給定周期T內(nèi)具有不同接通時(shí)間的情況。 </p><p>　　由圖3-13可知可控硅在給定周期T的100％時(shí)間內(nèi)接通時(shí)的功率最大。對(duì)于這樣的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，單片機(jī)只要輸出能控制可控硅通斷時(shí)間的脈沖作為信號(hào)就可以

81、了，這可用一條功線通過(guò)程序輸出控制脈沖。</p><p>　　為了達(dá)到過(guò)零觸發(fā)的目的，需要交流電過(guò)零檢測(cè)電路，此電路輸出對(duì)應(yīng)于50HZ交流電壓過(guò)零時(shí)刻的脈沖作為觸發(fā)雙向可控硅的同步脈沖，是一種50HZ交流電壓過(guò)零時(shí)刻的脈沖，可使可控硅在交流電壓正弦波過(guò)零時(shí)觸發(fā)導(dǎo)通。 過(guò)零同步脈沖由過(guò)零觸發(fā)電路產(chǎn)生，如圖3-13所示，圖中電壓比較器LM311用于把50HZ正弦交流電壓變成方波。方波的正邊緣和負(fù)邊緣分別作為兩個(gè)單穩(wěn)態(tài)

82、觸發(fā)器的輸入觸發(fā)信號(hào)，單穩(wěn)壓觸發(fā)器輸出的兩個(gè)窄脈沖經(jīng)二極管或門(mén)混合后就得到對(duì)應(yīng)于交流220V市電的過(guò)零同步脈沖。此脈沖一方面作為可控硅的觸發(fā)同步脈沖加到溫度控制電路，另一方面還作為計(jì)數(shù)脈沖加到單片機(jī)8051和P3.4 、P3.5輸入端。</p><p>　　圖3-13 過(guò)零觸發(fā)電路圖</p><p>　　3.8 顯示和報(bào)警電路</p><p>　　這部分包括鍵盤(pán)、顯

83、示和報(bào)警三部分。單片機(jī)控制系統(tǒng)的鍵盤(pán)、顯示和報(bào)警如圖3-14和圖3-15所示。</p><p>　　圖3-14 8051單片機(jī)的鍵盤(pán)顯示實(shí)驗(yàn)圖</p><p>　　圖3-15 報(bào)警電路圖</p><p>　　報(bào)警電路分為蜂鳴器報(bào)警電路和LED發(fā)光報(bào)警電路組成。當(dāng)輸入端P1.0為低電平時(shí)，有電流通過(guò)蜂鳴器，蜂鳴器發(fā)出聲音報(bào)警。而當(dāng)輸入端為高電平時(shí)不報(bào)警。當(dāng)輸入端P1.

84、1為低電平時(shí)，LED點(diǎn)亮報(bào)警，反之輸入端P1.1為高電平則不報(bào)警。</p><p><b>　　4 PID溫度控制</b></p><p>　　PID控制在工業(yè)上又稱(chēng)為偏差控制，它是工業(yè)控制中常用的控制形式，一般能收到令人滿意的效果。</p><p>　　4.1 PID基本控制原理</p><p>　　在連續(xù)系統(tǒng)中，PI

85、D調(diào)節(jié)是技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的調(diào)節(jié)方式。它的實(shí)質(zhì)是根據(jù)輸入的偏差量，按比例、積分、微分的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算，其運(yùn)算結(jié)果是其輸入的比例、積分、微分的函數(shù)，用于輸出控制。由于PID控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)容易調(diào)整，不必求出被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型變可以調(diào)節(jié)，所以模擬調(diào)節(jié)器和數(shù)字調(diào)節(jié)器大多都采用PID調(diào)節(jié)規(guī)律[17]。</p><p>　　PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖4-1所示。</p><p>　　圖4-1

86、 控制系統(tǒng)原理圖</p><p>　　PID控制是一種線性控制，它根據(jù)給定值r(t)和實(shí)際輸出值c(t)構(gòu)成控制偏差e(t)：e(t)=r(t)-c(t)，將偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制[14]。其控制規(guī)律u(t)：</p><p>　　(4-1) </p><p>　　

87、式(4-1)中，為比例系數(shù)；為積分時(shí)間常數(shù)；為微分時(shí)間常數(shù)。</p><p>　　簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)，PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：</p><p>　　(1)比例環(huán)節(jié)及時(shí)成比例的反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e (t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。</p><p>　　(2)積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)，

88、越大積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。</p><p>　　(3)微分環(huán)節(jié)能反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)(變化速率)，并能在偏差信號(hào)值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早起修正信號(hào)，從而達(dá)到加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間的目的。</p><p>　　因?yàn)橛?jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，它是根據(jù)采樣時(shí)刻偏差值來(lái)計(jì)算控制量[16]，所以(4-1)式中的積分和微分項(xiàng)不能直接使用，必須進(jìn)行離散化處理。令t=nT，

89、T為控制系統(tǒng)的采樣周期，則其離散的PID表達(dá)式為：</p><p>　　= (4-2)</p><p>　　式中n為采樣序號(hào)，n=0，1，2，…… ；</p><p>　　u(n)為第n次采樣時(shí)刻的控制輸出量；e(n)為第n次采樣時(shí)刻輸入的偏差量；e(n-1)為第(n-1)次采樣時(shí)刻輸入的偏差量。<

90、;/p><p>　　4.2 PID控制算法</p><p>　　在數(shù)字PID各種算法中，兩種基本的形式是:位置式算法和增量式算法[15]。這兩者相比較，增量式算法有許多優(yōu)點(diǎn)。首先，在增量式算法中，計(jì)算誤差對(duì)控制量影響小；其次，從手動(dòng)切換到自動(dòng)或反過(guò)來(lái)從自動(dòng)切換到手動(dòng)，對(duì)系統(tǒng)沖擊小，即可做到無(wú)沖擊切換；最后，因?yàn)橛?jì)算機(jī)輸出的是，而早已保持在系統(tǒng)中，所以，即使計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障令，系統(tǒng)仍可在控制量的作

91、用下按原狀態(tài)工作，因此系統(tǒng)的可靠性較高。</p><p>　　控制算法采用增量PID算式，其離散形式為：</p><p><b>　　= </b></p><p>　　= </p><p>　　= （4-3）</p>

92、<p><b>　　其中 、</b></p><p>　　實(shí)際輸出為： （4-4）</p><p>　　為計(jì)算方便，增量型的算式又可寫(xiě)為：</p><p><b>　　（4-5)</b></p><p><b>　

93、　式中</b></p><p>　　顯然，按增量型PID算法計(jì)算只需要保留時(shí)刻以及以前的二個(gè)偏差值、、。初始化程序值，由中斷服務(wù)程序?qū)^(guò)程變量進(jìn)行采樣，并根據(jù)參數(shù)、、以及、、計(jì)算。圖4-2為增量型PID算法的程序流程。</p><p>　　圖4-2 PID控制算法流程圖 </p><p><b>　　5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)</b>

94、</p><p><b>　　5.1 主程序</b></p><p>　　主程序的流程圖如圖5-1所示：用于進(jìn)行初始化處理過(guò)程，包括各端口的初始化、定時(shí)/計(jì)數(shù)器的設(shè)定、中斷允許的設(shè)定等，與此同時(shí)進(jìn)行鍵盤(pán)的掃描輸入。</p><p>　　圖5-1 主程序流程圖</p><p>　　5.2 中斷服務(wù)程序</p>

95、<p>　　中斷服務(wù)的子程序主程序流程圖如圖5-2所示：中斷服務(wù)程序是溫度控制體系的主體，用來(lái)溫度檢測(cè)、控制和報(bào)警（包括啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換、讀入采樣數(shù)據(jù)、 數(shù)字濾波、越限溫度報(bào)警處理等）。</p><p>　　圖5-2 中斷服務(wù)子程序流程圖</p><p>　　中斷由T0產(chǎn)生，根據(jù)需要每隔15秒中斷一次,即每15秒系統(tǒng)采樣控制一次。因?yàn)橄到y(tǒng)采用12MHz晶振，最大定時(shí)為130ms，

96、為實(shí)現(xiàn)15s定時(shí)，需要另行設(shè)計(jì)一個(gè)軟件計(jì)數(shù)器。</p><p>　　5.3 功能模塊程序</p><p>　　功能模塊：鍵盤(pán)管理模塊―上電或復(fù)位后系統(tǒng)處于鍵盤(pán)管理狀態(tài)，其功能是鍵盤(pán)掃描和處理，接收溫度預(yù)置和啟動(dòng)鍵；溫度檢測(cè)模塊―啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，求取轉(zhuǎn)換結(jié)果的平均值，存入指定單元，以得到檢測(cè)溫度值；溫度控制模塊―通過(guò)比較鍵盤(pán)設(shè)定值與溫度檢測(cè)值的差別，按照一定的控制規(guī)律，控制輸

97、出口線的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)電爐的控制；溫度顯示模塊―進(jìn)行溫度設(shè)定時(shí)，顯示設(shè)定溫度值；在每次溫度檢測(cè)后，進(jìn)行一次溫度顯示刷新；報(bào)警模塊―當(dāng)預(yù)置溫度或當(dāng)前檢測(cè)的溫度超過(guò)上下限值時(shí)自動(dòng)報(bào)警，輸出報(bào)警信號(hào)。</p><p><b>　　5.4 資源分配</b></p><p>　　在編程前，首先要對(duì)8051的資源進(jìn)行分配。它包括顯示單元、預(yù)置溫度單元、當(dāng)前檢測(cè)溫度、BCD碼顯示緩沖區(qū)

98、、二進(jìn)制碼顯示緩沖區(qū)、報(bào)警允許標(biāo)志、堆棧等。然后，還需要對(duì)鍵盤(pán)輸入和報(bào)警、控制電路的端口地址進(jìn)行分配。</p><p>　　單片機(jī)8051內(nèi)存的資源分配可以利用偽指令進(jìn)行定義。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的定義及分配見(jiàn)表5-1所示。</p><p>　　表5-1 溫度控制軟件數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分配表</p><p>　　P1.4～P2.2為鍵盤(pán)輸入接口，P1.0和P1.2分別為報(bào)警控制和控制

99、接口。ADC0809的輸入通道為7FF8H～7FFFH，本系統(tǒng)使用IN0通道。</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)以電阻爐為被控對(duì)象，確定電阻爐溫度控制系統(tǒng)的構(gòu)成和控制方法，詳細(xì)介紹了電阻爐溫度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。</p><p>　　本系統(tǒng)使用8051單片機(jī)作為主控芯片進(jìn)行控制用8155接口電路用于鍵盤(pán)/LE

100、D顯示器接口，通過(guò)可控硅調(diào)功器實(shí)現(xiàn)溫度控制電路。在給定周期內(nèi)，8051改變可控硅管的接通時(shí)間便可改變加熱絲功率，達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的，運(yùn)用積分分離的PID控制實(shí)現(xiàn)對(duì)電阻爐溫度的控制。研究本系統(tǒng)具有較高的理論價(jià)值和實(shí)用價(jià)值。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 何立民.單片機(jī)高級(jí)教程應(yīng)用[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2000

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108、之一，電阻爐可以提供室溫至1300°C范圍的溫場(chǎng)。維持電阻爐某一范圍的溫度恒定是必須要解決的問(wèn)題。電阻爐的發(fā)熱體為電阻絲。電阻爐通常采用模擬儀表測(cè)量溫度，并通過(guò)控制交流接觸器的通斷時(shí)間比例來(lái)控制加熱功率，由于模擬儀表本身的測(cè)量精度差，加上交流及接觸器的壽命短，通斷比例低，故控制精度低。</p><p>　　模糊控制雖然能夠得到較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性,但模糊控制也存在固有的缺點(diǎn),容易受模糊規(guī)則有限等級(jí)的限制而

109、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(wèn)題,并且計(jì)算機(jī)能夠用程序既簡(jiǎn)單又方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)字PID控制規(guī)律,對(duì)精度調(diào)整很方便。</p><p><b>　　2主題部分</b></p><p><b>　　國(guó)際動(dòng)態(tài)</b></p><p>　　國(guó)際上從70年代就開(kāi)始了電阻爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的研究，近十年來(lái)，由于計(jì)算機(jī)

110、技術(shù)的迅速發(fā)展，電阻爐計(jì)算機(jī)控制的應(yīng)用也日趨廣泛，控制水平明顯提高，取得了一些應(yīng)用成果。表1介紹了電阻爐計(jì)算機(jī)控制應(yīng)用的現(xiàn)狀。隨著數(shù)字計(jì)算機(jī)向小型、高速、大容量、低成本方向的發(fā)展，傳統(tǒng)的PID控制和現(xiàn)代控制理論都在不斷的發(fā)展，并取得了豐碩的成果。智能化、網(wǎng)絡(luò)化已成為發(fā)展的趨勢(shì)。</p><p><b>　　國(guó)內(nèi)動(dòng)態(tài)</b></p><p>　　80年代以后，國(guó)內(nèi)對(duì)電阻

111、爐的控制進(jìn)行了廣泛的研究，并且隨著微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電阻爐計(jì)算機(jī)控制逐步進(jìn)入實(shí)用化階段。目前，國(guó)內(nèi)電阻爐控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀如下：</p><p>　　1)采用先進(jìn)的控制設(shè)備</p><p>　　隨著單片機(jī)、工業(yè)控制機(jī)、可編程控制器等先進(jìn)控制系統(tǒng)的發(fā)展，逐步取代了以前大規(guī)模的繼電器、模擬式儀表。單片機(jī)也因其極高的性?xún)r(jià)比而受到人們的重視和關(guān)注“，獲得廣泛地應(yīng)用和迅速地發(fā)展。單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是體

112、積小、重量輕、抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)環(huán)境要求不高，價(jià)格低廉，可靠性高，靈活性好，開(kāi)發(fā)較為容易。它的軟件編程比較簡(jiǎn)單，廣大工程技術(shù)人員通過(guò)學(xué)習(xí)單片機(jī)的知識(shí)后，就能根據(jù)自己的實(shí)際需要開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)，并可獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益。正因?yàn)槿绱?，在我?guó)單片機(jī)已被廣泛地應(yīng)用在工業(yè)自動(dòng)化控制、自動(dòng)檢測(cè)、智能儀表、家用電器等各個(gè)方面。它將成為智能儀器和中、小型控制系統(tǒng)中應(yīng)用最多的一種微型計(jì)算機(jī)。</p><p>　　2)采用新的控