【正文】 ................... 21 D/A 轉(zhuǎn)換子程序流程圖 .......................................................................................... 22 ........................................................................................................ 23 ........................................................................................................ 24 參考文獻(xiàn) ........................................................................................................ 25 附錄 A：硬件原理圖 ........................................................................................ 26 附錄 B：程序 .................................................................................................. 27 物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 第 1 章 緒論 課題研究的背景及意義 20 世紀(jì) 20 年代以來，電阻爐就在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛地應(yīng)用。隨著社會的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，電阻爐被大量的應(yīng)用在電力、冶金、機(jī)械、石油化工等工業(yè)生產(chǎn)中。在這些工業(yè)生產(chǎn)中，溫度的測量及控制影響著生產(chǎn)安全、產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率等重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，電阻爐溫度控制的穩(wěn)定性、精度、可靠性等要求也逐步提高。而在各個(gè)領(lǐng)域測溫儀器的實(shí)際應(yīng)用表明，智能化儀器已經(jīng)是現(xiàn)代電阻爐溫度控制系統(tǒng)發(fā)展的主要方向 [1]?；诖?，設(shè)計(jì)一種智能 化的電阻爐溫度控制系統(tǒng)有廣泛的應(yīng)用前景及實(shí)際意義。 電阻爐是利用電流流過電阻體，使其產(chǎn)生熱量來加熱或熔化物料的一類電爐。它的特點(diǎn)是： ①電路簡單； ②對爐料種類的限制較少；（小型電阻爐可用來加熱食品、干燥木材）； ③爐溫控制精度高； ④容易在真空中加熱等特點(diǎn)。 它主要作用于： ①機(jī)械零件的淬火、退火、滲碳等熱處理 ； ②各種材料的干燥、加熱、燒結(jié)、熔化等。 電阻爐的參數(shù)有工作空間尺寸、額定溫度、額定電壓、額定功率。電阻爐按爐溫不同可分為低溫電阻爐 (600～ 700℃以下 )、中溫電阻爐 (700℃～ 1200℃ )、 高溫電阻爐 (1200℃以上 )。 電阻爐的溫度控制主要有： 傳統(tǒng) PID 控制； 智能控制。 PID 控制溫度系統(tǒng)的效果，主要取決于 P、 I、 D 三個(gè)參數(shù)。 PID 控制對于確定了的溫度系統(tǒng)控制效果較好，但是對控制大慣性、大滯后、時(shí)變性溫度系統(tǒng)則難以保證其控制品質(zhì)。電阻爐大多是經(jīng)電阻絲加熱升溫，自然冷卻降溫的，當(dāng)電阻爐的溫度超調(diào)時(shí)，無法靠控制手段降溫，所以電阻爐溫度的控制具有滯后性、非線性、慣性、不確定性等特點(diǎn)。目前國內(nèi)較成熟的電阻爐溫度控制系統(tǒng)中，以 PID 控制器為主。 PID 控制器對小型實(shí)驗(yàn)用的電阻爐控制效果良好，但對 于大型工業(yè)用電阻爐，就難以保證電阻爐溫度控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性及精度等問題。 智能控制是一種不需要人操作就能驅(qū)動智能機(jī)械來實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的自動控制。隨著科學(xué)技術(shù)、控制理論的發(fā)展，國外的溫度控制系統(tǒng)發(fā)展很迅速，基本實(shí)現(xiàn)對溫度的智能控制。具有自適應(yīng)、自協(xié)調(diào)、自學(xué)習(xí)等能力，使控制系統(tǒng)的控制精度、穩(wěn)定性、抗干擾能力等性能得到保證。 本文以電阻爐為控制對象，以單片機(jī) STC89C52 為硬件核心元件，采用 PID 控制，該系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)簡單、控制算法成熟穩(wěn)定、系統(tǒng)性能優(yōu)良 。 物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 第 2 章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 設(shè)計(jì)總體思路 本設(shè)計(jì)的要求是是對工業(yè)電阻爐的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制，溫度控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對的溫度控制和調(diào)節(jié)功能：當(dāng)電阻爐爐內(nèi)溫度低于所需要的溫度值時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)生相對應(yīng)的加熱信號，然后對電阻爐發(fā)加熱，使其溫度上升達(dá)到要求值；當(dāng)電阻爐爐內(nèi)溫度超過了需要溫度時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)的信號，然后系統(tǒng)將停止加熱電阻爐，使?fàn)t內(nèi)溫度下降。從而實(shí)現(xiàn)溫度的控制。通過 PID 調(diào)節(jié)不斷重復(fù)該過程，使溫度值始終保持在給定溫度值，并在符合要求的精度之內(nèi)，并且使 LED 顯示器顯示電阻爐的溫度。 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo) 本系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)要求如下： 制溫度均可以數(shù)字顯示； 0～ 1000℃，精度為177。 ℃； ，精度為177。 1℃； ，產(chǎn)生聲音報(bào)警信號。 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 本系統(tǒng)由單片機(jī)、 D/A 轉(zhuǎn)換器、 MAX667電阻爐、熱電偶傳感器等主要器件組成。電路部分有時(shí)鐘電路、報(bào)警電路，復(fù)位電路、顯示電路、按鍵電路等。 該系統(tǒng)首先用測溫元件 K 型熱電偶，爐中溫度物理量值轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出，送入 MAX6675 再經(jīng)過處理后，變成數(shù)字信號。爐溫給定值轉(zhuǎn)換成電壓信號后和所檢測到的爐溫?cái)?shù)字信號送入單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行比較， 得到實(shí)際爐溫與給定爐溫的差值。然后單片機(jī)系統(tǒng)對偏差進(jìn)行 PID 調(diào)節(jié)，并且在 LED顯示器上顯示該溫度值， D/A 轉(zhuǎn)換器將運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)換為模擬電壓，功率放大器把電壓信號放大，送到晶閘管，使晶閘管的導(dǎo)通角的大小發(fā)生改變，從而電阻爐的加熱電壓也發(fā)生改變，起到控制溫度的作用。其方案圖如圖 所示： 單片機(jī)電阻爐溫 度 轉(zhuǎn) 換 傳 感 器晶 閘 管報(bào) 警L E D 顯 示鍵 盤時(shí) 鐘 電 路 圖 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案圖 單片機(jī)：主要功能是讀取溫度數(shù)據(jù)在對其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，對各單元進(jìn)行控制，執(zhí)行各種指令。單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理核心及控制核心。 物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 溫度信號 采集與處理：這個(gè)部分的主要是用熱電偶傳感器檢測溫度，溫度傳感器隨外界的溫度變化會產(chǎn)生不同電壓，再由 MAX6675 將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓信號放大后送入單片機(jī)中，再單片機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。 人機(jī)交互及串口通信：人機(jī)交互主要是為了提高系統(tǒng)的友好性和實(shí)用性。主要包括輸出顯示、按鍵輸入。輸出顯示進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示輸出，通過按鍵輸入實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，而串口通信的主要作用是完成單片機(jī)與上位機(jī)的通信。 溫度的采集控制被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中，以及科研和人民生活的方方面面。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，使用自動溫度控制系統(tǒng)， 溫度進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)控，減輕工人的勞動強(qiáng)度，充分保證產(chǎn)品的質(zhì)量，還能節(jié)省能源的消耗?？梢詫ιa(chǎn)環(huán)境的溫度，實(shí)現(xiàn)自動控制，提高生產(chǎn)的效率和生產(chǎn)的質(zhì)量、產(chǎn)品的數(shù)量并能讓生產(chǎn)變得更加安全可靠。 物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 溫度檢測部分 K 型熱電偶 熱電偶傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)化成電勢變化的傳感器。在工業(yè)生產(chǎn)中，運(yùn)用最廣泛的測溫元件之一其優(yōu)點(diǎn)有測溫范圍廣，精度高，穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)簡單動態(tài)性能好 。熱電偶將不同兩種的金屬 A和 B構(gòu)成一個(gè)回路，當(dāng)兩個(gè)接觸端溫度不同時(shí)，回路中產(chǎn)生熱 電 勢。 K型熱電偶輸出信號，由芯片MAX6675處理，該芯片可實(shí)現(xiàn) A/D轉(zhuǎn)換、放大電路等功能，且可以和單片機(jī)直接通訊，節(jié)約了硬件部分，降低了成本。 溫度信號處理芯片 MAX6675 該器件采用 8 位引腳的 SO 封裝，引腳圖如圖 所示。 圖 MAX6675 引腳圖 MAX6675 引腳功能表 ： GND： 接地 T： 接熱電偶負(fù)極 T+： 接熱電偶正極 VCC： 正電源端 SCK： 串行時(shí)鐘 輸 CS： 片選信號端 SO： 串行 數(shù)據(jù) 輸出 NC： 懸空 不用 圖 為本系統(tǒng)中溫度檢測電路，當(dāng) STC89C52 的 為低電平且 口產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖時(shí)，MAX6675 的 SO 腳輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。在每一個(gè)脈沖信號的下降沿 SO 輸出一個(gè)數(shù)據(jù)， 16 個(gè)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， D14D3 為相應(yīng)的溫度轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，共 12 位，其最小值為 0，對應(yīng)的溫度值為 0℃；最大值為 4095，對應(yīng)的溫度值為 ℃，分辨率為 ℃。由于 MAX6675 內(nèi)部經(jīng)過了激光修正，因此，其轉(zhuǎn)換結(jié)果與對應(yīng)溫度值具有較好的線性關(guān)系。溫度值與數(shù)字量的對應(yīng)關(guān)系 為：溫度值 =轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量 /4095。當(dāng) 為高電平時(shí)， MAX6675 開始進(jìn)行新的溫度轉(zhuǎn)換。 物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 圖 溫度檢測電路 單片機(jī) STC89C52 是 STC 公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。 STC89C52 使用經(jīng)典的 MCS51 內(nèi)核，但做了很多的改進(jìn)使得芯片具有傳統(tǒng) 51 單片機(jī)不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 STC89C52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案 。 有以下功能： 8k 字節(jié) Flash， 512 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線， 看門狗定時(shí)器 ，內(nèi)置 4KB EEPROM， MAX810 復(fù)位電路， 3 個(gè) 16 位 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，4 個(gè)外部中斷，一個(gè) 7 向量 4 級中斷結(jié)構(gòu)，兼容傳統(tǒng) 51 的 5 向量 2 級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工 串行口 。 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)，對于片內(nèi)帶有程序存儲器的單片機(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 STC89C52 芯片、復(fù)位電路及時(shí)鐘電路。 STC89C52 單片機(jī)的 引腳說明 : VCC：供電電壓； GND：接地。 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。 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。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 ALE/PROG(Pin30)：地址鎖存允許信號 PSEN(Pin29)：外部存儲器讀選通信號 EA/VPP(Pin31)：程序存儲器的內(nèi)外部選通，接低電平從外部程序存儲器讀指令， 如果接高電平則從內(nèi)部程序存儲器讀指令。 可編 程輸入 /輸出引腳（ 32根） .STC89C52 單片機(jī)有 4 組 8 位的可編程 I/O 口，分別位 P0、P P P3口，每個(gè)口有 8 位（ 8 根引腳），共 32 根。 PO 口（ Pin39～ Pin32）： 8 位雙向 I/O 口線，名稱為 ～ P1 口（ Pin1～ Pin8）： 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口線，名稱為 ～ P2 口（ Pin21～ Pin28）： 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口線，名稱為 ～ P3 口（ Pin10～ Pin17）： 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口線，名稱為 ～ STC89C52 的 P3 口的