【正文】 8051 單片機(jī)，對(duì)電阻爐進(jìn)行溫度控制。爐窯運(yùn)行時(shí)，溫度是需要測(cè)控的最基本參數(shù)。其升溫、保溫是依靠電阻絲加熱，降溫則是依靠環(huán)境自然冷卻。）III電阻爐溫度控制系畢業(yè)設(shè)計(jì)目 錄第 1 章 概 述 1 電阻加熱爐介紹 .................................................1 電阻加熱爐溫度控制系統(tǒng)的目的和意義 .............................1 電阻加熱爐的特點(diǎn)與展望 .........................................1 控制算法 .......................................................2 模糊控制 ...................................................2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) ...................................................3 PID 控制算法 ....................................................3 電阻加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想 ...........................5 系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù) ...............................................5第 2 章 方案論證 6 單片機(jī)的選擇 ...................................................7 溫度傳感器的選擇 ...............................................7 熱電阻 .....................................................8 集成溫度傳感器 .............................................8 熱電偶 .....................................................8 檢測(cè)放大電路的選擇 ............................................10 采用差分放大電路 ..........................................10 電壓比較器方案 ............................................10 使用普通集成運(yùn)算放大電路 ..................................10 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的選擇 ............................................11 采用 V/F 轉(zhuǎn)換器 ............................................11 采用雙積分型 A/D 轉(zhuǎn)換器 MC14433.............................11 采用逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器 AD574A............................12 鍵盤(pán)的設(shè)計(jì) ....................................................12 獨(dú)立式按鍵接口 ............................................12 矩陣式鍵盤(pán)接口 ............................................13 顯示器的選擇 ..................................................15 接口芯片 8255A .................................................17）IV第三章 硬件電路設(shè)計(jì) 20 主控制器 8051 單片機(jī) ...........................................20 8051 單片機(jī)的主要功能如下 ..................................20 8051 單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn) ..........................................20 8051 單片機(jī)的時(shí)鐘和復(fù)位電路 ................................21 8051 單片機(jī)的引腳圖 ........................................22 前向通道的設(shè)計(jì) ................................................23 溫度檢測(cè)電路 ..............................................23 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路 ..............................................25 后向通道的設(shè)計(jì) ................................................28 接口電路的設(shè)計(jì) ................................................30第 4 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 32 PID 計(jì)算程序 ...................................................32 程序設(shè)計(jì) ......................................................34 主程序設(shè)計(jì) ................................................34 中斷程序的設(shè)計(jì) ............................................35 鍵盤(pán)輸入子程序流程圖 ......................................38 顯示子程序流程圖 ..........................................39 數(shù)字濾波子程序 ................................................40 數(shù)字濾波的優(yōu)點(diǎn) ............................................40 數(shù)字濾波的常用方法 ........................................40 幾種濾波方法的比較 ........................................44總 結(jié) 45致 謝 46參考文獻(xiàn) 47附錄 1:電阻爐溫度控制硬件電路 49附錄 2:程序清單 50）1第 1 章 概 述 電阻加熱爐介紹電阻加熱爐和一般燃燒爐相比具有占地小，無(wú)污染，操作管理方便，易于控制質(zhì)量和熱效率高等優(yōu)點(diǎn)。隨著電力工業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展和機(jī)械、電子和食品等工業(yè)的發(fā)展，電阻爐的比重和功能亦將不斷增加。不同爐窯的加熱方法與所用燃料有所差異，但被控對(duì)象都可歸于有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)。電阻爐是一類(lèi)量大而廣的工業(yè)設(shè)備，利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)溫度的實(shí)時(shí)控制、數(shù)字顯示，對(duì)于提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)約能源等都有著積極意義。今后隨著電力工業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展和加工業(yè)和加工高度化與比重的擴(kuò)大，電阻爐、感應(yīng)爐和電阻絲加熱等將不斷發(fā)展。假如某系統(tǒng)可由一組線性微分方程很好地加以描述，那么也就沒(méi)必要使用模糊控制了。這主要是由于模糊控制表的檔級(jí)有限而造成，通過(guò)增加量化等級(jí)數(shù)目雖可提高精度，但查詢(xún)表將過(guò)于龐大，往往受物理?xiàng)l件限制。如果查詢(xún)表構(gòu)造得不合理或量化因子和比例因子選擇不當(dāng)，都會(huì)導(dǎo)致振蕩現(xiàn)象。兩者之間存在必然、密切的聯(lián)系。硬件電路選用 8051 單片機(jī)，軟件程序采用中斷查詢(xún)方式。PID 調(diào)節(jié)是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)最成熟，且應(yīng)用最廣泛的一種控制方法。因此，用數(shù)字 PID 完全可以代替模擬調(diào)節(jié)器，而且可以得到比較滿(mǎn)意的效果。在工業(yè)過(guò)程控制中，由于控制對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型難以建立，系統(tǒng)的參數(shù)又經(jīng)常發(fā)生變化，運(yùn)用現(xiàn)代控制理論分析綜合要耗費(fèi)很大代價(jià)進(jìn)行模型辨識(shí)，建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型十分困難，應(yīng)用直接數(shù)字控制方法比較困難，甚至根本不可能，所以人們經(jīng)常采用 PID 調(diào)節(jié)器，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行在線整定，即用實(shí)驗(yàn)和分析的方法來(lái)確定數(shù)字 PID 調(diào)節(jié)器的參數(shù)。 隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的大幅度提高和存儲(chǔ)信息的大量增加，PID 調(diào)節(jié)在工業(yè)過(guò)程控制、航空航天領(lǐng)域內(nèi)將得到廣泛的應(yīng)用，因此研究 PID 控制具有較高的工程實(shí)踐意義，具有廣泛的應(yīng)用前景 [13]。由于模擬儀表本身的測(cè)量精度差，加上交流接觸器的壽命短，通斷比例低，故溫度控制精度低，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)按程序設(shè)定的升溫曲線升溫和故障自診斷功能。)簡(jiǎn)單方便，大大減輕運(yùn)行工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且能降低電耗(本系統(tǒng)電耗降低 10%以上)，有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，使電阻爐的溫度控制提高到一個(gè)新的水平。輸入輸出可根據(jù)不同的需要和不同的場(chǎng)合來(lái)設(shè)計(jì)，在精度要求高，設(shè)置要求快的環(huán)境下可使用多鍵鍵盤(pán)和 LCD 液晶顯示，在精度和速度要求不高的情況下則可使用簡(jiǎn)易鍵盤(pán)和 LED 數(shù)碼管顯示，輸出方面的指導(dǎo)思想是在精度要求高的情況下采用連續(xù)調(diào)節(jié)電阻兩端的電壓進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，而精度要求不是很高的情況下則是通過(guò)控制電阻兩端電壓的通斷來(lái)進(jìn)行對(duì)溫度的控制。圖 21 為電阻爐爐溫控制系統(tǒng)原理圖，控制過(guò)程是這樣的:單片機(jī)定時(shí)對(duì)爐溫進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換得到相應(yīng)的數(shù)字量，再送到微機(jī)進(jìn)行判斷和運(yùn)算，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。本文用 8051 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)控制，為了便于用戶(hù)根據(jù)不同的實(shí)際需要對(duì)工作方式及其他參數(shù)組態(tài)進(jìn)行修改，要求所有的參數(shù)及組態(tài)狀況均可通過(guò)面板的幾個(gè)操作鍵輸入、檢查、修改，并可在斷電情況下，使參數(shù)保存半年。控制器的結(jié)構(gòu)如圖 21 所示： 21 控制原理圖 單片機(jī)的選擇 在大學(xué)期間我們主要學(xué)習(xí)了 8031 和 8051 兩種單片機(jī)，他們都是 MCS51 系列單片機(jī)的代表產(chǎn)品，因?yàn)?8031 單片機(jī)片內(nèi)無(wú)程序存儲(chǔ)器，在使用時(shí)需要外部加擴(kuò)展，而 8051 片內(nèi)有 4KB 的程序存儲(chǔ)器，無(wú)須外部擴(kuò)展，電路設(shè)計(jì)也更簡(jiǎn)單，所以設(shè)計(jì)選擇了 8051 單片機(jī)。它與人們生活關(guān)系最為密切，是工業(yè)控制中的四大物理量（溫度、壓力、流量和物位）之一，也是人們研究最早、檢測(cè)方法最多的物理量之一。熱電阻利用物質(zhì)在溫度變化時(shí)本身電阻也隨著發(fā)生變化的特性來(lái)測(cè)量溫度的，被測(cè)溫度的變化是直接通過(guò)熱電阻阻值的變化來(lái)測(cè)量的。因?yàn)闊犭娮枋侵械蜏貐^(qū)常用的一種測(cè)溫元件，其測(cè)溫范圍一般在200℃ ～ +500℃，在本設(shè)計(jì)中遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于最高溫度的要求，所以不采用它測(cè)溫。集成電路溫度傳感器的工作范圍是50℃ ～+150℃，低于設(shè)計(jì)要求，不予采用。②測(cè)量范圍廣。 1．熱電偶測(cè)溫基本原理 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)成一個(gè)閉合回路，當(dāng)導(dǎo)體A 和 B 的兩個(gè)執(zhí)著點(diǎn)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定大小的電流,這種現(xiàn)象稱(chēng)為熱電效應(yīng)。非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級(jí)上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，一般也沒(méi)有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場(chǎng)合的測(cè)量。因此，還需采用其他修正方法來(lái)補(bǔ)償冷端溫度 t0≠0℃時(shí)對(duì)測(cè)溫的影響。因?yàn)闄z測(cè)外部物理信號(hào)的傳感器所輸出的電信號(hào)通常是很微弱的，對(duì)這些能量過(guò)于微弱的信號(hào)，既無(wú)法直接顯示，一般也很難作進(jìn)一步處理。而 Ui 變化經(jīng)過(guò) Ur 時(shí)，比較器的輸出將從一個(gè)）11電壓跳變到另一個(gè)電平，因此電壓比較器可以將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成二值信號(hào)，即只有高電平和低電平的兩種狀態(tài)的離散信號(hào)，所以還可以作為模擬電路和數(shù)字電路的接口電路，但是電壓比較器的失調(diào)電壓和集成運(yùn)放相比較大，共模抑制比小，計(jì)算相對(duì)麻煩不簡(jiǎn)便，所以不予采用。 集成電路按其功能來(lái)分，有數(shù)字集成電路和模擬集成電路兩大類(lèi)。他有兩個(gè)輸入端，輸入級(jí)又稱(chēng)前置級(jí)，它是一個(gè)雙端輸入的高性能差分放大電路。 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的選擇 采用 V/F 轉(zhuǎn)換器）12V/F 轉(zhuǎn)換器是把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)的器件，有良好的精度，線性和積分輸入的特點(diǎn)。 采用雙積分型 A/D 轉(zhuǎn)換器 MC14433MC14433 是采用一路模擬量輸入，輸出為 3 位的轉(zhuǎn)換器，它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，外接元件少，抗干擾能力強(qiáng)，精度稍高，但又因它的轉(zhuǎn)換速度慢，約為 200mS，而本系統(tǒng)中要求對(duì)溫度的控制速度要快，因此不予采用。AD574A 片內(nèi)配有三態(tài)輸出緩沖電路，因而可直接與各種典型的 8 位或 16 位的微處理器連接，而無(wú)須附加邏輯接口電路，且能與 CMOS 及 TTL 電平兼容。 獨(dú)立式按鍵接口獨(dú)立式按鍵是指各按鍵相互獨(dú)立，每個(gè)按鍵各接入一根輸入線，一根輸入線上的按鍵工作狀態(tài)不會(huì)影響其他輸入線上的工作狀態(tài)。由于在本系統(tǒng)中需使用到十六鍵鍵盤(pán)，獨(dú)立式鍵盤(pán)不符合本系統(tǒng)的要求，所以不予采用。行線通過(guò)上拉電阻接到+5V 上。由于行列式鍵盤(pán)中行、列線為多鍵共用，各按鍵均影響該鍵在行和列的電平。如果讓所有的列線處于低電平，很明顯，按鍵所在行電平將被接成低電平，根據(jù)此行電平的變化，便能判定此行一定有鍵被按下。即在某一時(shí)刻只讓 1 條列線處于低電平，其余所有列線出于高電平。一個(gè) 33 的行列結(jié)構(gòu)可以構(gòu)成一個(gè)有 9 個(gè)按鍵的鍵盤(pán)。平時(shí)無(wú)按鍵按下時(shí)，行線處于高電平狀態(tài)，而當(dāng)有按鍵按下