【正文】 工業(yè)加溫爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案第1章 緒 論 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是現(xiàn)代儀器的發(fā)展，微型化、集成化、數(shù)字化正成為檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。溫度是工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中常見的工藝參數(shù)之一，任何物理變化和化學(xué)反應(yīng)過程都與溫度密切相關(guān)，因此溫度采集是自動(dòng)化的重要任務(wù)。 溫度控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域 ,如家電、汽車、材料、電力電子等 ,常用的控制電路根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合和所要求的性能指標(biāo)有所不同 , 在工業(yè)企業(yè)中,如何提高溫度控制對(duì)象的運(yùn)行性能向來都是現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員和控制人員攻克解決的問題。這種類型控制對(duì)象慣性很大,滯后現(xiàn)象比較嚴(yán)重不理想,有許多不確定的因素,建立精確的數(shù)學(xué)模型比較困難,會(huì)導(dǎo)致控制系統(tǒng)性能不,甚至出現(xiàn)控制不穩(wěn)定、失控現(xiàn)象。傳統(tǒng)的繼電器調(diào)溫電路簡單實(shí)用 ,但由于繼電器動(dòng)作頻繁 ,可能會(huì)因觸點(diǎn)不良而影響正常工作。控制領(lǐng)域還大量采用傳統(tǒng)的PID控制方式,但PID控制對(duì)象的模型難以建立,并且當(dāng)擾動(dòng)因素不明確時(shí),參數(shù)調(diào)整不便仍是普遍存在的問題。但是采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20的話，因?yàn)樗膬?nèi)部集成了A/D轉(zhuǎn)換器，可以使電路結(jié)構(gòu)更為地簡單，并且會(huì)減少溫度測(cè)量轉(zhuǎn)換時(shí)候的精度損失，使測(cè)溫更為準(zhǔn)確。數(shù)字溫度傳感器DS18B20只需要一個(gè)引腳就可以和單片機(jī)連接進(jìn)行通信，大大地減少了接線帶來的麻煩，使得單片機(jī)更加具有擴(kuò)展性。由于DS18B20芯片的小型化，更加可以通過單跳數(shù)據(jù)線就可以和主電路連接，可以做成探頭，探入到狹小的地方，增加了實(shí)用性。更能串接多個(gè)數(shù)字溫度傳感器DS18B20進(jìn)行范圍單片機(jī)以其功能強(qiáng)、體積小、可靠性高、造價(jià)低和開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，成為自動(dòng)化和各個(gè)測(cè)控領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用的期間，在工業(yè)生產(chǎn)中稱為必不可少的器件，尤其在日常生活中發(fā)揮的作用也越來越大。在溫度控制系統(tǒng)中，單片機(jī)更是取到了必不可少的核心作用。本系統(tǒng)采用DS18B20傳感器、AT89C52單片機(jī)、LCD1602液晶顯示器、報(bào)警裝置、執(zhí)行裝置（交流接觸器）等器件構(gòu)成了溫度的監(jiān)控與控制。系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)象的溫度變化，數(shù)據(jù)通過單片機(jī)的運(yùn)算處理后反饋給系統(tǒng)進(jìn)行顯示、執(zhí)行、報(bào)警功能，從而完成對(duì)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 課題分析單片機(jī)控制系統(tǒng)由危機(jī)和工業(yè)生產(chǎn)對(duì)象兩大部分組成，其中包括硬件電路和軟件程序，整個(gè)控制系統(tǒng)是通過接口將計(jì)算機(jī)和生產(chǎn)過程聯(lián)系起來實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)生產(chǎn)過程重點(diǎn)額數(shù)據(jù)處理和控制。本設(shè)計(jì)介紹了MSC51單片機(jī)對(duì)溫度控制系統(tǒng)硬件接口和軟件設(shè)計(jì)的基本思想。包括單片機(jī)系統(tǒng)的擴(kuò)展即程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展，輸入/輸出接口擴(kuò)展和溫度控制電路的接口設(shè)計(jì)思路根據(jù)系統(tǒng)具體指標(biāo)要求，對(duì)每一個(gè)具體步驟記性分析和設(shè)計(jì)。整個(gè)溫度控制系統(tǒng)分為硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序設(shè)計(jì)兩大部分。 溫度控制系統(tǒng)是以溫度為主要的控制變量。系統(tǒng)主要是通過溫度傳感器對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的溫度變化引起的其他物理量變化進(jìn)行測(cè)量，然后通過電路轉(zhuǎn)化為數(shù)字量轉(zhuǎn)送到單片機(jī)中。在單片機(jī)對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理之后，根據(jù)用戶的設(shè)定對(duì)加熱電路或制冷電路進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制調(diào)節(jié)溫度的目的。控制系統(tǒng)主要由控制器和控制對(duì)象兩部分組成，通過一定的控制方法使系統(tǒng)達(dá)到所要求的控制性能?？刂颇Ｊ接虚_環(huán)控制、閉環(huán)控制和復(fù)合控制三種。所謂的開環(huán)控制是控制器與控制對(duì)象之間只有正向作用，沒有反相聯(lián)系，是一種單向的控制過程。如果控制器與控制對(duì)象之間既有正向作用又有反相聯(lián)系，這種控制方式稱為閉環(huán)控制或反饋控制。在某種情況下，為了達(dá)到較好的控制效果，往往將開環(huán)控制和閉環(huán)控制結(jié)合起來，這種控制方式稱為復(fù)合控制。大部分溫度控制系統(tǒng)采用典型的負(fù)反饋式溫度控制系統(tǒng)，系統(tǒng)基本框圖11所示。其中數(shù)字控制器的功能由微型計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。 國外溫度控制系統(tǒng) 從70年代到現(xiàn)在，因?yàn)楣I(yè)過程控制的需求，尤其是在計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的快速發(fā)展以及設(shè)計(jì)方法和自動(dòng)控制理論進(jìn)步的推動(dòng)下，國外溫度控制系統(tǒng)進(jìn)步很快，并且在參數(shù)、智能化、自整定、自適應(yīng)等方面優(yōu)良成果，相對(duì)而言，以瑞典、日本、德國、美國等技術(shù)領(lǐng)先于其他國家，研發(fā)出了一系列商品化的、性能優(yōu)異的溫度控制器和儀器儀表，在各個(gè)領(lǐng)域之間廣泛應(yīng)用。它們主要具有如下特點(diǎn)：1）適應(yīng)于大滯后性、大慣性等復(fù)雜的溫度控制系統(tǒng)的控制。2）適應(yīng)于受控系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型不易建立的溫度控制系統(tǒng)的控制。3）適應(yīng)于受控系統(tǒng)參數(shù)時(shí)變、過程復(fù)雜的溫度控制系統(tǒng)的控制。4）這些溫度控制系統(tǒng)通常采用模糊控制、人工智能、自適應(yīng)控制、自校正控制等理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)，采用先進(jìn)的算法，適用的范圍非常廣泛。5）通常溫控器具有參數(shù)自我整定功能。相助于計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)，溫控器可以對(duì)控制對(duì)象控制的參數(shù)和特性進(jìn)行自我調(diào)整的功能。它們有的還具備自我學(xué)習(xí)功能，能夠依據(jù)控制對(duì)象和歷史經(jīng)驗(yàn)的不同變化情況，自動(dòng)調(diào)整與它相關(guān)控制的參數(shù)，從來保障控制效果的最大優(yōu)化。6）溫度控制系統(tǒng)具有抗干擾能力強(qiáng)、控制精度高的特點(diǎn)。目前，國外溫度控制系統(tǒng)及儀表在小型化、高精度、智能化等方面發(fā)展迅速。 國內(nèi)溫度控制系統(tǒng) 我國對(duì)模糊控制理論的研究與應(yīng)用起步比較晚，然而發(fā)展很快，在各個(gè)領(lǐng)域取得了許多有影響的成果。諸如在模糊控制、模糊辨識(shí)、模糊聚類分析、模糊圖像處理、模糊集合論、模糊模式識(shí)別等領(lǐng)域取得了不少有實(shí)際影響的結(jié)果。1988年哈爾濱工業(yè)大學(xué)在酒精廠10T/H工業(yè)染料煤鏈條路上實(shí)現(xiàn)鼓風(fēng)量蒸汽壓力FuzzyPI雙?？刂啤?990年模糊控制應(yīng)用于電場(chǎng)過熱汽溫回路的自動(dòng)控制。1994年模糊控制成功應(yīng)用于鎮(zhèn)海發(fā)電廠200MW機(jī)組的主蒸汽壓力及溫度自控系統(tǒng)。目前，我國在溫度等控制儀表業(yè)與國外的差距主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：1）國內(nèi)企業(yè)規(guī)模不大且分散不集中，創(chuàng)新研發(fā)能力不足，制約控制技術(shù)的發(fā)展2）商品化產(chǎn)品主要以PID控制器處于主導(dǎo)地位，智能化儀表比較少，與國外相比差距較大?，F(xiàn)在，國內(nèi)企業(yè)精度要求高且復(fù)雜的溫控系統(tǒng)大多數(shù)采用的是進(jìn)口溫度控制儀表，價(jià)格昂貴且維修麻煩。3）儀表控制用相關(guān)算法、關(guān)鍵技術(shù)和控制軟件方面的研究相比較于國外落后很多。比如：在儀表控制參數(shù)的自調(diào)節(jié)方面，國外很多企業(yè)已經(jīng)研發(fā)出了較多的成熟產(chǎn)品，但是由于國外技術(shù)的保密及我國開發(fā)工作和技術(shù)的滯后，目前還沒有研發(fā)出性能優(yōu)越可靠的自整定軟件。許多控制參數(shù)都是靠人工經(jīng)驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試之后確定的。這種技術(shù)上的落后，是我們必須加快腳步追趕的。伴隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，政府及企業(yè)對(duì)此科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步都重視非常，對(duì)相關(guān)的企業(yè)資源進(jìn)行了整合與重組，先后建在各地建立了許多國家、企業(yè)的研發(fā)中心，并且通過合資、技術(shù)合作等不同方式，建設(shè)了一批合作、合資及獨(dú)資的企業(yè)，促使我國溫度等儀表工業(yè)在良好環(huán)境下得到迅速發(fā)展。第2章 設(shè)計(jì)方案的選擇與論證溫度控制有許多種方法，可供選擇的器件和運(yùn)用的技術(shù)也有多種，因此，系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)應(yīng)在滿足系統(tǒng)整體性能指標(biāo)的前提下，充分考慮系統(tǒng)使用的環(huán)境，所選的結(jié)構(gòu)要盡量簡單實(shí)用，易于實(shí)現(xiàn)，器件的選用要著眼于合適的參數(shù)、穩(wěn)定的性能、較低的功耗、低廉的成本以及較好的性能等等。本章將介紹基于單片機(jī)的測(cè)控系統(tǒng)的總體方案的設(shè)計(jì)并給出結(jié)構(gòu)框圖，分別從軟硬件兩個(gè)方面來進(jìn)行討論。 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)溫控系統(tǒng)是將負(fù)載的電加熱絲看成是被控對(duì)象，溫度是控制量,控制前先設(shè)定溫度值，然后對(duì)電加熱絲進(jìn)行溫度采集，并將采集的數(shù)據(jù)通過串行通信傳送給上位機(jī)，通過控制P口的高低電平，控制電加熱絲的通斷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。此課題是一個(gè)基于單片機(jī)的溫度測(cè)控系統(tǒng)，主要由單片機(jī)構(gòu)成溫度采集與控制終端，實(shí)現(xiàn)溫度采集與控制。此系統(tǒng)由軟硬件兩部分組成，硬件電路是系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架，是軟件的載體，軟件是系統(tǒng)的內(nèi)核，通過硬件來進(jìn)行具體操作，因此軟硬件相互配合，共同完成各種功能。此系統(tǒng)硬件主要由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：單片機(jī)、溫度采集電路、溫度控制電路、LCD顯示電路，而系統(tǒng)軟件主要通過對(duì)單片機(jī)編程來實(shí)現(xiàn)，此系統(tǒng)使用C語言來完成編程。 本文所研究的系統(tǒng)硬件部分按照功能大致分為以下幾個(gè)部分：最小系統(tǒng)、測(cè)溫部分、控溫部分以及LCD1602顯示部分。：圖中所示溫度經(jīng)DS18B20數(shù)字式溫度傳感器采集后，由AT89C52單片機(jī)控制讀出并送本地LCD液晶顯示器1602顯示出來。如果溫度超過設(shè)定的溫度，切斷加溫裝置，如果溫度低于設(shè)定溫度，繼續(xù)加溫。本設(shè)計(jì)本著低功耗、低成本、性能好等原則，最終選用以下器件來搭建硬件平臺(tái)： 單片機(jī)最小系統(tǒng)包括單片機(jī)芯片，時(shí)鐘電路和復(fù)位電路。時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作時(shí)所必須的時(shí)鐘信號(hào)。STC89C52單片機(jī)的內(nèi)部電路在時(shí)鐘信號(hào)控制下，嚴(yán)格地按時(shí)序執(zhí)行指令進(jìn)行工作；復(fù)位操作是單片機(jī)的初始化操作，只需給單片機(jī)的復(fù)位引腳RST加上大于2個(gè)機(jī)器周期的高電平就可以使單片機(jī)復(fù)位。傳統(tǒng)的溫度檢測(cè)大多以熱敏電阻為溫度傳感器，這種熱敏傳感器的工作原理是其電阻值隨著溫度的變化而發(fā)生顯著變化，熱敏傳感器廣泛用于一般精度的溫度測(cè)量，或在計(jì)量設(shè)備、晶體管電路中作溫度補(bǔ)償。由于熱敏電阻的可靠性差，測(cè)量溫度準(zhǔn)確率低，而且必須經(jīng)過專門的接口電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后才能由單片機(jī)進(jìn)行處理，在高精度要求的溫度檢測(cè)應(yīng)用中，熱敏電阻已經(jīng)被精度高、準(zhǔn)確性好的各種集成溫度采集設(shè)備所代替。本部分采用的是DS18B20傳感器進(jìn)行溫度測(cè)量，它在測(cè)量溫度、轉(zhuǎn)換時(shí)間、傳輸距離、分辨率等方面也有很大的改進(jìn)。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，它不僅能夠直接讀出被測(cè)溫度值，并且可以根據(jù)實(shí)際要求通過簡單的變成來讀取9到12位的溫度值，DS18B20溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線，總線本身也可以向所掛接的DS18B20供電，而無需額外電源，因而使用DS18B20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡單，可靠性更高，因此，DS18B20被廣泛應(yīng)用于溫度采集與處理、數(shù)字溫度計(jì)及各種溫度控制系統(tǒng)中。 該部分通過單片機(jī)的P口輸出的高低電平來控制固態(tài)繼電器的通斷，從而決定電熱絲是否加熱，當(dāng)P口輸出低電平時(shí)，加熱電阻通電，周圍的溫度緩慢升高，DS18B20測(cè)得的溫度值也升高；當(dāng)P口輸出高電平時(shí)，加熱電路斷開，溫度回落。通過單片機(jī)io口控制蜂鳴器，來報(bào)警但溫度低于或是高于設(shè)置溫度時(shí)候，單片機(jī)的io口拉低，這時(shí)候驅(qū)動(dòng)繼電器的三極管就會(huì)工作，起到報(bào)警的作用 開發(fā)環(huán)境及開發(fā)工具系統(tǒng)在軟件程序設(shè)計(jì)過程中使用了Keil uVision2開發(fā)環(huán)境，其是集項(xiàng)目管理編譯程序、工具配置、編輯器、高效的調(diào)試器的IDE，本系統(tǒng)在軟件編寫時(shí)使用了高效的MCS51匯編語言。 Keil uVision2 51仿真器是德國Keil Software公司出品的一款兼容單片機(jī)C語言和匯編語言的軟件開發(fā)系統(tǒng)，它集編輯，編譯，仿真等于一體，它是一款具有靈活、直觀、可視化的開發(fā)軟件，完全的Windows界面，界面友好，易學(xué)易用，是使用者更直觀、更清晰的了解每一句程序所對(duì)應(yīng)的單片機(jī)內(nèi)部操作，這對(duì)開發(fā)者在開發(fā)過程中考慮內(nèi)存和線路的分配很有幫助，同時(shí)在錯(cuò)的查找、執(zhí)行過程中的數(shù)據(jù)查找等方面都變的簡化了。同時(shí)Keil uVision2 51仿真器還提供了豐富的庫函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)用工具。Keil uVision2 51它還支持眾多不同公司的MCS51架構(gòu)的芯片，在開發(fā)過程中可以給開發(fā)者更多的選擇空間，多時(shí)在選擇不同型號(hào)芯片的時(shí)候，他還會(huì)提供該芯片的相關(guān)信息介紹，這也是多開發(fā)者很有幫助的一個(gè)方面，因此很多開發(fā)51應(yīng)用的工程師或普通的單片機(jī)愛好者，都對(duì)它十分喜歡Keil uVision2 51在安裝運(yùn)行后，可以首先要建立工程，在這一過程中最關(guān)鍵的是選擇單片機(jī)的型號(hào)，在初學(xué)的時(shí)候經(jīng)常會(huì)疏忽這一工作了造成不必要的麻煩。，保存之后工程里就可以直接調(diào)入進(jìn)來，并構(gòu)造目標(biāo)文件了。它會(huì)自動(dòng)完成編譯的過程，這為我們省去了很多時(shí)間，如果通過了編譯沒有錯(cuò)誤的話，我們就可以查看程序的仿真運(yùn)行情況了。它為我們提供了更方便的查看模式，我們可以把原程序在匯編和機(jī)器語言間切換，而且我們還可以單步執(zhí)行程序，能夠清晰的看出在程序運(yùn)行過程中，單片機(jī)每一個(gè)接口和存儲(chǔ)器的工作情況，這也是對(duì)開發(fā)者最有利的方面。 第3章 各個(gè)單元電路的設(shè)計(jì) 主控電路一般在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)當(dāng)中，能否完成設(shè)計(jì)任務(wù)最重要的就在于系統(tǒng)的核心器件是否選擇合適，而單片機(jī)更是是系統(tǒng)控制的核心，所以對(duì)單片機(jī)的選擇更是異常重要。如果選擇了一個(gè)合適的單片機(jī)不僅可以最大地簡化系統(tǒng)的操作，而且其功能可能是最好的，可靠性也比較高，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)來說更方便。具體的電路如圖48圖48顯示電路的設(shè)計(jì)R4滑動(dòng)變阻器是控制LCD顯示器的亮度的圖所示為蜂鳴器報(bào)警電路。由于單片機(jī)管腳的灌電流比拉電流容量大，因此電路設(shè)計(jì)為低電平輸出時(shí)蜂鳴器響，高電平關(guān)閉。，PNP型三極管8550導(dǎo)通，有集電極電流通過，蜂鳴器鳴響。，三極管截止，蜂鳴器關(guān)閉。圖3 報(bào)警電路的設(shè)計(jì) 溫度采集電路設(shè)計(jì) 本部分電路主要通過傳感器來實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測(cè)量，本系統(tǒng)選用的是DS18B20傳感器，DS18B20是美國DALLAS公司繼DS1820之后推出的增強(qiáng)型單總線數(shù)字溫度傳感器。它在測(cè)溫精度、轉(zhuǎn)換時(shí)間、傳輸距離、分辨率等方面較DS1820有了很大的改進(jìn)，給用戶帶來了更方便的使用和更令人滿意的效果。 本文中測(cè)溫電