【正文】 9 MCS51單片機 12 MCS51系列單片機引腳 13 鎖存器74LS373簡介 15 15 單片機I/O口的擴展 18155接口電路 1 8255接口電路 1LED電路的設(shè)計 17 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇及連接 19 20 復(fù)位操作原理 復(fù)位電路 21 21 時鐘電路 2時鐘電路 2時鐘信號的產(chǎn)生 22 電磁閥控制電路 23 23調(diào)節(jié)閥的流量特性 23 電源電路設(shè)計 2直流型固態(tài)繼電器 25第三章 數(shù)字PID調(diào)節(jié)器 26 數(shù)字PID控制算法 26 數(shù)字PID調(diào)節(jié)器參數(shù)的選擇 2湊試法確定PID調(diào)節(jié)參數(shù) 2實驗經(jīng)驗法確定PID調(diào)節(jié)參數(shù) 2采樣周期的選擇 30 PID調(diào)節(jié)器及被控過程的數(shù)學(xué)模型 30第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 32 主要程序的框圖和原理圖 32總結(jié) 36致謝 37參考文獻 38附錄 3954第一章 概 述 單片機作用在工業(yè)生產(chǎn)過程中，溫度是最基本的工藝參數(shù)之一，因此對溫度實現(xiàn)自動控制是生產(chǎn)自動化的重要任務(wù)之—。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展及加入WTO，我國政府及企業(yè)對此都非常重視，對相關(guān)企業(yè)資源進行了重組，相繼建立了一些國家、企業(yè)的研發(fā)中心，開展創(chuàng)新性研究，使我國儀表工業(yè)得到了迅速的發(fā)展。本人授權(quán)　　 　 　大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。本設(shè)計使用單片機作為核心進行控制。本系統(tǒng)以AT89S52單片機為核心構(gòu)成一個智能爐溫控制系統(tǒng)，具有對電爐溫度的定時檢測、實時控制和調(diào)節(jié)，參數(shù)顯示和打印，存儲必要的信息等功能。應(yīng)用遍及石油、化工、冶金、機械、熱處理、表面處理、建材、電子、材料、輕工、日化、制藥等諸多行業(yè)領(lǐng)域。單片機溫度控制系統(tǒng)是以MCS5l單片機為控制核心，輔以采樣反饋電路，驅(qū)動電路，晶閘管主電路對電爐爐溫進行控制的微機控制系統(tǒng)。溫度是工業(yè)對象中的一個重要的被控參數(shù)。近幾年來快速發(fā)展了多種先進的溫度控制方式，如：PID控制，模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及遺傳算法控制等。這一工藝過程要求加熱爐在規(guī)定時間內(nèi)等速從某個溫度值變化到另一溫度值。圖12 熱處理溫度曲線第二章 系統(tǒng)原理及電路設(shè)計本次畢業(yè)設(shè)計其工作原理為：熱處理器上有8個溫度傳感器和14個控制閥，溫度傳感器與控制閥是一一對應(yīng)的對關(guān)，一個測溫點對應(yīng)一個控制閥。其一般結(jié)構(gòu)如圖2—1所示。熱電偶傳感器是工業(yè)溫度測量中應(yīng)用最廣泛得一種傳感器，具有精確度高、測量范圍廣、構(gòu)造簡單、使用方便等優(yōu)點。熱電偶的測溫范圍很寬,一般為－50～＋1600℃，最低可達－200℃，最高達2800℃（短時間內(nèi)）：在良好的測量電路配合下，它可以實現(xiàn)搞精度測量，因此在工業(yè)生產(chǎn)過程得到很廣泛的應(yīng)用。 溫度的測量電路由于熱電偶所輸出的熱電動勢一般很小。通過比較和討論，在這本的設(shè)計中我們采用了測量放大器，下面介紹一下測量放大器。23 測量放大器的原理圖測量放大器的放大倍數(shù)用下面公式計算 式中，為用于調(diào)節(jié)放大倍數(shù)的外接電阻，通常采用多圈電位器，并靠近組件，若距離較遠，應(yīng)將聯(lián)線膠合在一起，改變可使放大倍數(shù)在1～1000范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。在信號處理中需對微弱信號放大時，可以不必再用分立的通用運算放大器來構(gòu)成測量放大器。測量放大器計算公式為放大倍數(shù)在使用AD521（或其他測量放大器）時，都要特別注意為偏置電流提供回路，為此，輸入（1或3）端必須與電源的地線相連構(gòu)成回路，可以直接相連，也可以通過電阻相連。下面我們以K類熱電偶為例設(shè)計有關(guān)的放大器。如果要求該放大電路對于0～800℃的溫差電勢，為配合之后的A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓，在放大器AD521的輸出端輸出0～2000mV,那么。它具有體積小、重量輕、價格低、可靠性高、耗電少和靈活機動等許多優(yōu)點。本設(shè)計采用MCS51單片機的AT89S52作為CPU, MCS51系列單片機有十多個品種. l MCS51單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)MCS51系列單片機組成結(jié)構(gòu)中包含運算器、控制器、片內(nèi)存儲器、4個I/O口、串行口、定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)、振蕩器等功能部件。和一般為處理器相比，8051增加了四個8位I/O口、一個串行口、4KB ROM、128B RAM、很多工作寄存器及特殊功能寄存器（SFR）。ALU：可對4位（半字節(jié)）、8位（一字節(jié)）和16位（雙字節(jié)）數(shù)據(jù)進行操作。在指令中用助記符A來表示。b) 控制器：包括程序計算器PC、指令寄存器IR、指令譯碼器ID、振蕩器及定時電路等。P0P3口四個鎖存器同RAM統(tǒng)一編址，可以把I/O口當(dāng)作一般特殊功能寄存器來尋址。它們的功能簡述如下：1．主電源引腳Vcc（40腳）：接+5V電源正端。XTAL2：引腳號18，內(nèi)部振蕩器外接晶振的另一個輸入端。而訪問內(nèi)部程序存儲器時，ALE端將有一個1/6時鐘頻率的正脈沖信號，這個信號可以用于識別單片機是否工作，也可以當(dāng)作一個時鐘向外輸出。為方便起見，我們把4個端口和其中的鎖存器都統(tǒng)稱P0P3。P1口：每一位均可獨立作為I/O口。另外，每一位均具有第二功能，每一位的兩個功能不能同時使用。當(dāng)單片機震蕩工作時，該引腳上將出現(xiàn)持續(xù)兩個機器周期的高電平，這時可實現(xiàn)復(fù)位操作，使單片機回復(fù)到初始狀態(tài)。在訪問片外程序存儲器期間，下降沿用于控制鎖存P0輸出端的低八位地址；在不訪問片外程序存儲器期間，可作為對外輸出的時鐘脈沖或用于定時目的。 EA/VPP（31腳）： EA為片外程序存儲器選通斷。為了將它們分離開來，以便同單片機之外的芯片正確地相連，常常在單片機外部加地址鎖存器來構(gòu)成與一般CPU相類似的三總線，通常情況下，采用MCS51系列單片機的最小系統(tǒng)只能用于一些很簡單的應(yīng)用場合，在此情況下直接使用單片機內(nèi)部存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、定時功能、中斷功能、I/O端口等，組成的應(yīng)用系統(tǒng)的成本較低。綜上所述，MCS—51系列單片機的引腳作用可歸納為以下兩點：（1）單片機功能多，引腳數(shù)少，因而許多引腳都具有第2功能；（2）單片機對外呈3總線形式，由PP0口組成16位地址線；由P0口分時復(fù)用作為數(shù)據(jù)總線；由ALE、PSEN、RST、EA與P3口中的INT0、INTT0、TWR、RD共10個引腳組成控制總線。G為數(shù)據(jù)打入端:當(dāng)G為“1”時,鎖存器輸出端狀態(tài)(1Q～8Q)同輸入狀態(tài)(1D～8D)；當(dāng)G由“1”變“0”時,數(shù)據(jù)打入鎖存器中。在MCS－51單片機系統(tǒng)中,經(jīng)常采用74LS373作為地址鎖存器使用。單向的內(nèi)部有8個三態(tài)驅(qū)動器，分成兩組，分別由控制端1G和2G控制；雙向的有16個三態(tài)驅(qū)動器，每個方向8個。 單片機I/O口的擴展、8155接口電路8155是Intel公司研制的通用I/O接口芯片。從P0口傳送過來的地址信息在ALE的作用下在8155內(nèi)部被鎖存。圖2 8255接口電路(1)三個8位的I/O接口：A口、B口、C口A口具有一個8位數(shù)據(jù)輸出鎖存器/緩沖器和一個8位數(shù)據(jù)輸入鎖存器。C口具有一個8位數(shù)據(jù)輸出鎖存器/緩沖器和一個8位數(shù)據(jù)輸入緩沖器。它接收來自 CPU的地址信息及一些控制信號來控制各個口的工作狀態(tài)，這些控制信號有：CS：片選信號端，低電平有效?！。两M控制電路控制Ａ口及C口的高４位。對于多位LED數(shù)碼顯示器，通常采用動態(tài)掃描顯示方法，即逐個地循環(huán)地點亮各位顯示器。本設(shè)計是使用8155作為8位LED數(shù)碼顯示器接口的電路，其中8155的A口為輸出口（段控口），用以輸出8位顯示段碼（包括小數(shù)點）。（注意：使用OC門7406或7407時要加上拉電阻）LED顯示器中的發(fā)光二極管共有兩種連接方法:(1)共陽極接法。(2)共陰極接法。如果單片機本身的口線已被占用的話，則可以通過外擴I/O接口芯片來構(gòu)成鍵盤借口電路，較常用的是8155等接口芯片，采用8155接口芯片構(gòu)成4*8鍵盤的接口電路，其中B口為輸入，作為行線；C口為輸出，作為列線。輸入輸出與TTL 兼容。首先輸入3 位地址， 并使ALE＝1， 將地址存入地址鎖存器中。直到A／D 轉(zhuǎn)換完成， EOC 變?yōu)楦唠娖剑?指示A／D 轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器， 這個信號可用作中斷申請。至于ADC轉(zhuǎn)換器接收哪一路輸入信號由地址A、B、C控制的8路模擬開關(guān)實現(xiàn)。其工作原理是：溫度過高時，經(jīng)反向后使發(fā)光二極管發(fā)光，同時使蜂鳴器發(fā)音，從而達到報警的日的。、復(fù)位操作原理單片機的復(fù)位都是靠外部電路實現(xiàn)的，在時鐘電路工作后，只要在單片機的RST引腳上出現(xiàn)24個時鐘振蕩脈沖（2個機器周期）以上的高電平，單片機便實現(xiàn)初始化狀態(tài)復(fù)位。其主要功能是把 PC初始化為0000H，使單片機從0000H單元開始執(zhí)行。、復(fù)位電路從以上的敘述中，我們已經(jīng)清楚復(fù)位電路的設(shè)計原理：在單片機的 RST引腳上出現(xiàn)24個時鐘振蕩脈沖（2個機器周期）以上的高電平（為了保證應(yīng)用系統(tǒng)可靠地復(fù)位，通常使 RST引腳保持10ms以上的高電平）。當(dāng)采用6MHz時鐘時，C為22μF,R為1kΩ時，便能可靠復(fù)位（2）按鍵電平復(fù)位如圖3—10（b）所示，按鍵電平復(fù)位是通過使復(fù)位端經(jīng)電阻與Vcc電源接通而實現(xiàn)的。由NE555定時器構(gòu)成的看門狗電路RC6為定時元件，由單穩(wěn)態(tài)電路產(chǎn)生的正脈沖寬度為，C5用于濾除高頻干擾。而時序所研究的則是指令執(zhí)行中各信號之間的相互時間關(guān)系。在由多片單片機組成的系統(tǒng)中，為了各單片機之間時鐘信號的同步，還引人公用外部脈沖信號作為各單片機的振蕩脈沖。如圖2—11所示圖2—11 引腳接晶體震蕩器和微調(diào)電容我們可以用示波器測出XTAL2上的波形。在二分頻的基礎(chǔ)上再三分頻產(chǎn)生 ALE信號在二分頻的基礎(chǔ)上再六分頻得到機器周期信號。保位閥的選擇是根據(jù)工藝狀況，當(dāng)氣源切斷時，閥位要求保持在一定的位置上，但這種情況不多見。4)根據(jù)工藝要求，選擇材料和輔助裝置。高壓閥適合于高靜壓和高壓差的介質(zhì)測量，但在高壓差情況下，流體對材料沖刷和氣蝕嚴(yán)重，一般要考慮閥芯和閥座的材質(zhì)，以提高其使用壽命。套筒閥采用平衡型閥芯結(jié)構(gòu)，具有低噪聲的特點，是應(yīng)用較為廣泛的閥之一。 調(diào)節(jié)閥的流量特性　　調(diào)節(jié)閥的流量特性是指介質(zhì)流過閥的相對流量Q與閥芯相對行程己(閥門的相對開度)之間的函數(shù)關(guān)系：　　Q=f(L)　　當(dāng)調(diào)節(jié)閥兩端壓差△P保持不變時，閥的流量特性稱為固有流量特性?！　≡谝话闱闆r下，電磁閥兩端壓差不可能永遠保持不變，這時閥的固有流量特性就會發(fā)生畸變，閥在實際工作條件下的特性稱之為工作流量特性。20%。1%,電源電壓調(diào)整率:小于1%(176～264V)?？刂品绞竭x擇他激式的電流型控制方式,它具有如下優(yōu)點:(1)逐周電流控制(大大簡化了過載和短路保護電路)。輸出濾波電容選用CD03HF高頻電解電容器,它的高頻特性極好,即使在1MHz時仍呈容性,在高頻狀態(tài)下較同靜電容的普通電解電容器的等效容量大10倍以上。開關(guān)晶體管選用功率場效應(yīng)晶體管,(用于5V輸出)和快恢復(fù)二極管。逐周電流控制,可封鎖PWM。DIP8封裝。壓基準(zhǔn)IC,其工作原理為:輸出空載時,輸出電壓略高于標(biāo)稱值,這時TL431完全導(dǎo)通,使光電耦合器的LED不能工作,光電晶體管不工作,這時的控制完全是初級控制方式。 三、電源性能單片機開關(guān)電源電路指標(biāo)如下: 輸入:AC150～:DC177。各路電源電壓調(diào)整率:10mV(150～270V).各路負(fù)載電流調(diào)整率:20mV(空載到滿載)。電源效率:≥60%。固態(tài)繼電器是一種無觸點通斷功率型電子開關(guān)。本次設(shè)計選用直流型固態(tài)繼電器（AC—SSR）。模擬PID控制算法公式中的積分項和微分項不能直接準(zhǔn)確計算，只能用數(shù)值計算的方法逼近，現(xiàn)采用梯形積分來逼近積分，采用向后差分方法來逼近微分，在采樣時刻t=iT（T為采樣周期）時，式（3—1）所表示的PID調(diào)節(jié)規(guī)律可以用下式近似計算： （3—2）當(dāng)執(zhí)行機構(gòu)需要的不是控制量的絕對數(shù)值，而是其增量時，由式（3—2）可導(dǎo)出提供增量的PID算法。而增量式PID只需計算增量，計算誤差或精度不足時對控制量的計算方法影響較小。 數(shù)字PID調(diào)節(jié)器參數(shù)的選擇我們討論的數(shù)字PID控制的采樣周期，相對于系統(tǒng)的時間常數(shù)來說是很短的，可以按模擬PID調(diào)節(jié)器的方法來選擇調(diào)節(jié)參數(shù)。選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，必須根據(jù)工程問題的具體要求來考慮。參數(shù)的選擇通常通過實驗來確定或者通過湊試或者通過實驗公式來確定。增大Ti有利于減小超調(diào)，使系統(tǒng)穩(wěn)定，系統(tǒng)靜差的消除將減慢。將比例系數(shù)由小變大，并觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)，直至得到的反應(yīng)快、超調(diào)　小的響應(yīng)曲線　。在此過程中，可根據(jù)響應(yīng)曲線的好壞反復(fù)改變比例系數(shù)和積分常數(shù)，直至得到滿意的效果和相應(yīng)的參數(shù)。從應(yīng)用角度看，只要被控過程主要指標(biāo)達到設(shè)計要求，那么就選定了比例、積分、微分參數(shù)。例如簡化擴充臨界比例法，首先將調(diào)節(jié)器選為純比例調(diào)節(jié)器，形成閉環(huán)。這樣整個問題簡化為只要整定一個參數(shù)KR 。、采樣周期的選擇數(shù)字PID調(diào)節(jié)器還有一個十分重要的參數(shù)，就是采樣周期。通常被控過程是一個具有普遍意義的二階循環(huán)模型。溫度傳感器是檢測溫度的變化，再通過ADC0809轉(zhuǎn)換器把溫度模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)量，然后傳給AT89S52單片機。為提高系統(tǒng)的可靠性,由硬件的 “看