【正文】 如溫度控制表溫度接觸器， 存在主要 缺點是溫度波動范圍大，由于他主要通過控 制接觸器的通斷時間比例來達(dá)到改變加熱功率的目的，受 交流接觸器的壽命 和儀表本身誤差的 限制，通斷頻率很低。 如今 ， 隨著以微機(jī)為核心的溫度控制技術(shù)不斷發(fā)展 ， 用微機(jī)取代常規(guī)控制 的方式 已成必然，因為 它確保了生產(chǎn)過程的正常進(jìn)行，提高了產(chǎn)品的 質(zhì)量與 數(shù)量， 節(jié)約了能源 ， 減輕了工人的勞動強(qiáng)度， 并且能夠使加熱對象的溫度按照某種指定規(guī)律變化。而且微型計算機(jī)在智能溫度測量和控制 電器中的控制作用是一種智能行為，所以，它具有功耗低的特點 和普通儀表溫度測量相比，智能溫度測量 與控制電器是一種節(jié)能電器。 無論是對廣大用戶還是對于 整個社會來說都 具有 重大 的 意義 [1]。 本設(shè)計 通過對 基于 MCS51 單片機(jī) 的 爐溫控制系統(tǒng)的設(shè)計來 降低勞動強(qiáng)度，提高勞動生產(chǎn)率。同時通過本設(shè)計來 全面檢驗大學(xué)期間所學(xué)的專業(yè)知識， 提高 發(fā)現(xiàn)問題，分析問題，解決問題 的能力 2 第二章 單片機(jī)在爐溫控制中的應(yīng)用 單片機(jī)與爐溫控制系統(tǒng) 單片機(jī)在溫度控制系統(tǒng)的應(yīng)用 以前，人們是通過模擬儀表對爐溫進(jìn)行控制，采用人工手動操作，依據(jù)個人的工作經(jīng)驗和控制系統(tǒng) 返回的數(shù)據(jù)來調(diào)節(jié)相應(yīng)的設(shè)備，控制效果不太理想，生產(chǎn)也不穩(wěn)定。 從五十年代開始， 隨著計算機(jī)的出現(xiàn)，人們開始在工廠、實驗室或其它測試環(huán)境中用計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理。 單片機(jī) 憑借其 集成度高，運算快速快，體積小、運行可靠，價值低廉 的優(yōu)勢 ， 在數(shù)據(jù)采集、機(jī)電一體化、過程控制、智能化儀表、網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 以及 家用電器 等 方面得到廣泛應(yīng)用，本文主要介紹單片機(jī)在爐溫控制中的應(yīng)用。 在 工業(yè) 化 生產(chǎn)中， 需要 有大量的加熱設(shè)備，如用于熔化金屬的坩堝爐 、 用于熱處理的加熱爐 ，以及各種不同用途的反應(yīng)爐， 加熱爐， 溫度 控制成為制約工業(yè)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。 隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展， 用于工業(yè)生產(chǎn)中 爐溫控制的微機(jī)控制系統(tǒng) 更加成熟。實踐證明，它 具有 功能強(qiáng)、 精度高， 經(jīng)濟(jì)性好的特點，無論在提高產(chǎn)品質(zhì)量還是產(chǎn)品數(shù)量， 能源環(huán)保 ，還是改善勞動條件等方面都顯示出無比的優(yōu)越性。 單片機(jī)在本設(shè)計中應(yīng)用 該系統(tǒng)以 MCS51 單片機(jī)為核心構(gòu)成一個 爐溫控制系統(tǒng)， 該 系統(tǒng)具有對電爐溫度的 實時控制 ，定時檢測和調(diào)節(jié)，溫度數(shù)據(jù)顯示并打印，存儲必要的信息等功能。由外部操作鍵盤，輸入給定數(shù)值，進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)定，并可以根據(jù)需要進(jìn)行手動、自動之間的 切換。 本系統(tǒng)主要由單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)主機(jī)板、晶閘管主電路及電氣控制 、 溫度檢測與信號放大模塊、數(shù)字控制與同步觸發(fā)模塊等部分組成。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)主機(jī)板采用模塊式結(jié)構(gòu)，功口線和各信號設(shè)計成總線形式，應(yīng)用系統(tǒng)的各部分 都通過總線插座方便地與單片機(jī)接口 。為了更好的便于維護(hù)，同時還配備有多個接口 。系統(tǒng)運行時， 從鍵盤輸入 給定值 ，由微機(jī)構(gòu)成的數(shù)字控制器采用模 糊控制算法，進(jìn)行 過程控制 、控制效果較好。 3 D c d t控 制 器可 控 硅 輸出 部 分電 加 熱 爐溫 度 變 松 器 溫 度 檢 測 部 件設(shè) 定 值CuI 圖 21 單片機(jī)爐溫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 爐溫控制的發(fā)展 爐溫控制的發(fā)展現(xiàn)狀與方向 50 年代， 由于 計算機(jī)的出現(xiàn)，人們開始在 實驗室、工廠 或其它 條件中使用用計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理。此時的計算機(jī)只起到 “ 離線 ” 的應(yīng)用， 功能較單一， 且 過程裝置和微機(jī) 之間 沒有任何物理上的連接。隨著計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，提供了過程裝置 與計算機(jī)之間 的接口，人們開始用直接連接方法，使計算機(jī)與變送器和執(zhí)行部件之間的信號雙向 傳遞 無需人工干涉。 1962 年，英國帝國工業(yè)公司安裝了 Ferranti Argus 計算機(jī)控制系統(tǒng)， 使用計算機(jī)自動控制系統(tǒng)代替模擬儀表控制 ，即模擬技術(shù)由數(shù)字技術(shù)代替，而系統(tǒng)功能保持不變，計算機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用真正開始， 歷經(jīng)多年的發(fā)展 ，到 70 年代中期 ， 集散控制系統(tǒng)的發(fā)展 進(jìn)入快車道， 爐溫控制 在工礦企業(yè)中逐步興起 ， 控制方式也不斷改進(jìn) ，算法不斷深入 ，整體技術(shù)趨于成熟。 我國對加熱爐生產(chǎn)過程進(jìn)行計算機(jī)控制技術(shù)的研究 從 80 年代開始 。隨著計算機(jī) 技術(shù)、 檢測設(shè)備、 電器 儀表 的提高， 90年代 初開始 我國 鋼鐵 企業(yè) 使用 計算機(jī)控制 溫控爐 逐漸增 多， 自動化控制程度不斷提高， 由于 各自使用條件和生產(chǎn)過程的不同 ，所 取得的成效各不相同 。目前 我國在自動化控制理論方面同外國同行業(yè)水平相差不大 ，但在 實際應(yīng)用 上與 日本、 歐美 等 計算機(jī)技術(shù)發(fā)達(dá)的國家相比較還有很大的差距 。從 20 世紀(jì) 90 年代末國內(nèi)許多老企業(yè)，都對加熱爐進(jìn)行了計算機(jī)燃燒控制方面的 升級，從國外進(jìn)口先進(jìn)的計算機(jī)設(shè)備 ， 儀表部分采用國產(chǎn)的，整套的進(jìn)口自動控制設(shè)備開始出現(xiàn)在一些大型企業(yè)中。 爐溫控制技術(shù)發(fā)展趨勢 隨著人工智能概念的提出， 爐溫 控制 領(lǐng)域出現(xiàn)了 另一條理想的途徑 就是 人工智能化直接監(jiān)測火焰性能控制 燃燒的方法 ，類似人工燒鋼通過觀察火焰顏色判斷 4 燃燒情況。 但是由于鋼廠的加熱爐非常大 ，長 40m 以上，寬 5m以上，是一個非線性、大慣性延遲的控制系統(tǒng)， 鋼錠、 爐汽、 墻壁之間的傳熱過程 是非線性的 ， 非常復(fù)雜， 影響燃燒控 制的不 確定因素 在諸多方面都存在 ， 到目前還沒有理想的解決方案 。近年來，隨著人工智能理論 的不斷 發(fā)展和實用化，以及計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和檢測設(shè)備、儀表性能的提高 ， 模糊控制 、專家系統(tǒng) 等技術(shù)正在 這一領(lǐng)域 得到越來越 多的 應(yīng)用。量子物理浮點思想 以及蒙特卡洛隨機(jī)思想 在自動控制方面也 吸引了國內(nèi)外研究者的目光。 5 第三章 爐溫控制系統(tǒng)總體設(shè)計 單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 系統(tǒng)硬件設(shè)計 硬件設(shè)計的任務(wù)是 根據(jù)所要達(dá)到的控制目的，給出 結(jié)構(gòu)框圖， 然后 逐一設(shè)計出每一個單元電路，最后組合起來，成為完整的硬件系統(tǒng)。 本設(shè)計的控制任務(wù)為 ① 要求用 PID 算法控制 2 臺電爐溫度，使其保持恒溫工作。 2 臺電爐溫度由外電路人工設(shè)定。 ② 要求實時顯示電爐溫度，顯示位數(shù)為 4 位，即176。 C（例如 1000176。C）。 ③ 當(dāng)不能保證所要求的溫度時，即發(fā)生超溫，極值，和電阻絲損壞等情況時發(fā)出報警信號。 ④ 要求可實現(xiàn)將電阻爐溫度實時打印功能。 ⑤ 對升溫和降溫過程的時間不做要求。 ⑥ 系統(tǒng)有進(jìn)一步擴(kuò)展的需要，輸入 /輸出通道和存儲器容量要適當(dāng)留下余量。 C P U單 片 機(jī)8 0 3 1I / O接 口電 路8 2 5 5溫 度 設(shè) 定溫 度 顯 示故 障 報 警打 印A / D邏 輯 控 制S / H多路轉(zhuǎn)換開關(guān)爐 溫 1 信號爐 溫 2 信號鍋爐溫度輸 出 鎖存 器輸 出 驅(qū) 動 器人 機(jī) 接 口 主 機(jī)過 程 通 道被 控 對 象光 電 隔離 電 路信 號 放大 電 路傳 感器圖 31 硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)軟件設(shè)計 由于 匯編語言具有 占用內(nèi)存少、 執(zhí)行速度快 的特點 ， 所以 適合用于實時控制系統(tǒng)。 6 ① 控制算法是計算機(jī)控制系統(tǒng)程序設(shè)計中的主要內(nèi)容，要根據(jù)被控制對象的特點， 選擇 合理的控制算法，以達(dá)到所要求的控制效果 ② 在程序設(shè)計過程中， 最基本、最重要的任務(wù) 就是完成預(yù)定的功 能，但必須按照系統(tǒng)可靠性的要求。比如要采取一定的抗干擾措施。 ③ 根據(jù)需要安排統(tǒng)一的存儲器空間 。 ④ 對于各個程序模塊，要首先畫出程序算法流程圖，說明其功能，以便于 在編寫子程序時對于出口參數(shù)， CPU 內(nèi)部寄存器的占用狀況更加明確。 ⑤ 對于程序中的指令應(yīng)有必要的注釋，以便于閱讀與使用。 主 程 序并 行 口 初 始 化串 行 口 初 始 化定 時 器 初 始 化中 斷 系 統(tǒng) 初 始 化等 待 定 時 中 斷定 時 中 斷 程 序3 0 s 定 時 到 ？撥 盤 設(shè) 定 值 檢 測溫 度 檢 測標(biāo) 度 變 換溫 度 顯 示溫 度 超 出 范 圍 否 ？中 斷 返 回 報 警 及 事 故 處 理 溫 度 打 印Y N N Y溫 度 控 制8 2 5 5 A 初 始 化 圖 32 軟件設(shè)計總體流程圖 7 第四章 處理器的選用 MCS51 單片機(jī) MCS51 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳 本設(shè)計采用 MCS51 單片機(jī)的 8031 作為 CPU, MCS51 系列單片機(jī)有十多個品種，性能各不相同。 8051 片內(nèi)除具有運算器和控制器（ CPU） 外，還包括 RAM, ROM, 串行口， 4 8 位的并行口和 2 16位定時器 /計數(shù)器。它是一個功能很強(qiáng)的單片微型計算機(jī)，但是因為 8051 片內(nèi)為掩膜 ROM，它的內(nèi)部程序不可以被改寫，在用于開發(fā)和試驗的時候不方便。所以如果要在實驗調(diào)試中使用 8051，需在片外擴(kuò)展可改寫的 EPROM。 目前，市場上使用 MCS51單片機(jī)進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)時，由于 8031 在市場上的價格很低，雖然其片內(nèi)沒有 EPROM，但只需在片外擴(kuò)展 一片 EPROM 就可構(gòu)成 8751，所以使用非常廣泛。 圖 41 8051單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 51 系列單片機(jī)引腳分配如 下 圖所示 。 8 圖 42 mcs51單片機(jī)引腳圖 這 40 個引腳 大致可 以 分為：電源（ VCC、 VSS、 VDD、 VPD），時鐘（ XTALXTAL2）， I/O（ P0— P3），地址總線（ P0、 P2），數(shù)據(jù)總線（ BUS）和控制總線（ ALE、RST、 PROG 、 PSEN 、 EA ） 6 大部分。 ⑴ 電源線 VSS：引腳號 20，電源地線。 VCC：引腳號 40,芯片的主電源，接 +5V。 （ 2） 控制總線 ALE/PROG ：引腳號 30，地址鎖存有效信號，在它的下降沿用于外部程序存儲器的低 8 位地址鎖存，使 BUS（ P0）分時用作地址總線低 8位和數(shù)據(jù)總線。此信號每機(jī)器周期出現(xiàn) 2次，只在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器期間才不輸出 ALE。所以在任何不使用外部數(shù)據(jù)存儲器的系統(tǒng)中， ALE 以 1/6 振蕩頻率的固定速率輸出，因而它能用作外部時鐘或定時器。在 8751 片內(nèi) EPROM 編程時，此段輸入編程脈沖信號（ PROG ）。 PSEN ：引腳號 29，外部程序存儲器選擇信號，并在外部程序存儲器讀取指令時產(chǎn)生，指令內(nèi)容讀到數(shù)據(jù)總線上。此信號在每個機(jī)器周期產(chǎn)生 2次有效，在執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器取指時無效。 RST/VPD：引腳號 9，復(fù)位輸入信號。在振蕩器工作時，該引腳上 2 個機(jī)器周期的高電平可實現(xiàn)復(fù)位操作。在掉電情況下（ VCC 降到操作允許限 度以下），VPD 將為芯片內(nèi)的 RAM 提供備用電源。 EA /VDD：引腳號 31，訪問外部程序存儲器控制信號輸入端。當(dāng)為低電平時，單片機(jī)都到外部程序存儲器取指。當(dāng)為高電平且 PC 值小于 0FFFH 時， CPU 執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器程序。在 8751 片內(nèi) EPROM 編程時，此端為 21V 編程電源（ VDD）輸入端。 9 （ 3） I/O 線 P0（ BUS）：引腳號 32— 39，單片機(jī)的雙向數(shù)據(jù)總線和低 8 位地址總線。在分時操作時，先用作地址總線，在 ALE 信號的下降沿，地址被鎖存，然后作為數(shù)據(jù)總線；也可以作 為雙向并行 I/O 口。在程序校驗期間，它用于數(shù)據(jù)輸出。 P1：引腳號 1— 8，準(zhǔn)雙向 I/O 口。在編程校驗期間，用于輸入低 8位地址。 P2：引腳號 21— 28，準(zhǔn)雙向 I/O 口。在訪問外部存儲器時，用作高 8 位地址總線；在作編程校驗時，用于輸入高 8 位地址和控制信息。 P3：引腳號 10— 17，準(zhǔn)雙向 I/O 口。 P3 的每一根線還有特殊的第二功能，如表 41 示。 表 41 P3口的第二功能 引腳 第二功能標(biāo)記 第二功能 RXD 串行輸入口 TXD 串行輸出口 0INT 外部中斷 0 輸入 1INT 外部中斷 1 輸入 T0 定時 /計數(shù)器 0 外部輸入 T1 定時 /計數(shù)器 1 外部輸入 WR 外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通 RD 外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通 ⑷ 振蕩器和時鐘電路 XTAL1：引腳號 19，內(nèi)部振蕩器外接晶振的一個輸入端。在使用外部振蕩源時，此端必須接地。 XTAL2：引腳號 18， 內(nèi)部振蕩器外接晶振的另一個輸入端。在使用外部振蕩源時，此端用于輸入外部振蕩信號。 XTAL2 也是內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。 當(dāng)訪問外部程序器時， ALE(地址鎖存 )的輸