【正文】 序中啟動(dòng) A/D，讀入采樣數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)字濾波、上下限報(bào)警處理， PID 計(jì)算，然后輸出控制脈沖信號(hào)。 加熱電路用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的升溫加熱達(dá)到預(yù)定的溫度。而可控硅的接通時(shí)間可以通過(guò)可控硅極上觸發(fā)脈沖控制。被控制對(duì)象為一電加熱爐，輸入為加在電爐兩端的電壓，輸出為電加熱爐內(nèi)的溫度。 調(diào)節(jié)加熱爐的溫度，在工業(yè)上是通過(guò)在設(shè)定周期范圍內(nèi)，將電路接通幾個(gè)周波，然后斷開幾個(gè)周波，改變晶閘管在設(shè)定周期內(nèi)通斷時(shí)間的比例，來(lái)調(diào)節(jié)負(fù)載兩端交流平均電壓即負(fù)載功率，這就是通常所說(shuō)的調(diào)功器或周波控制器；調(diào)功器是在電源電壓過(guò)零時(shí)觸發(fā)晶閘管導(dǎo) 通的，所以負(fù)載上得到的是完整的正弦波，調(diào)節(jié)的只是設(shè)定周期 Tc 內(nèi)導(dǎo)通的電壓周波。就微機(jī)控制系統(tǒng)而言，一般可按如下步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)：確定系統(tǒng)整體控制方案、確定控 制算法、選用微型計(jì)算機(jī)、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)等。 微處理機(jī)，簡(jiǎn)稱 CPU，是一個(gè)大規(guī)模集成電路（ LSI）器件或超大規(guī)模集成電路（ VLSI）器件，包括數(shù)據(jù)通道、多個(gè)寄存器 、控制邏輯和運(yùn)算邏輯部件等，是完成計(jì)算機(jī)對(duì)信息的處理與控制等功能的中央處理器件。整個(gè)程序包括管理程序和控制程序兩部分。最終再通過(guò)控制電路中的鍵盤顯示器電路實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話功能。主要由溫度檢測(cè)和變送器組成。該脈沖一方面作為可控硅的觸發(fā)同步脈沖加到控制電路中，另一方面還作為計(jì)數(shù)脈沖加到 AT89C51 的 T0 和 T1 端。在給定的周期 T 內(nèi)，AT89C51 只要改變可控硅管的接通時(shí)間便可改變加熱絲的功率，從而達(dá)到調(diào)節(jié)溫 度的目的。本系統(tǒng)是對(duì)在 0～ 100℃范圍內(nèi)的電爐溫度進(jìn)行精密測(cè)量。軟件設(shè)計(jì)主要由溫度控制的算法和溫度控制程序組成。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的及要求 本設(shè)計(jì)的目的是通過(guò)本課題設(shè)計(jì)，懂得綜合運(yùn)用單片機(jī)及接口技術(shù)、微機(jī)原理、微電子技術(shù)和鍛煉動(dòng)手操作能力，掌握運(yùn)用能力，學(xué)習(xí)論文的寫作方法和步驟。在工業(yè)生產(chǎn)中，電流、電壓、溫度、壓力、流量、流速和開關(guān)量都是常用的主要被控參數(shù)。 單片 機(jī)控制系統(tǒng)由微機(jī)和工業(yè)生產(chǎn)對(duì)象兩大部分組成。 其中控制電路部分 利用雙向可控硅的通斷特性來(lái)決定加熱電路的通電與斷電該系統(tǒng)具有硬件成本低，控溫精度高，可靠性好，抗干擾能力強(qiáng)等特 點(diǎn)。采用單片機(jī)進(jìn)行爐溫控制，可以提高控制質(zhì)量和自動(dòng)化水平。 1 基于單片機(jī)的電加熱爐溫度控制 摘要 電加熱爐隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)水平的提高，已經(jīng)在冶金、化工、機(jī)械等各類工業(yè)控制中得到了廣泛應(yīng)用，并且在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有舉足輕重的地位。 本 設(shè)計(jì)為基于單片機(jī)的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)，通過(guò) 采用硬件與軟件的結(jié)合實(shí)現(xiàn)對(duì)電加熱爐溫度的自動(dòng)控制。 關(guān)鍵詞：電加熱爐；單片機(jī)；溫度控制； 雙向可控硅。 隨著新技術(shù)的不斷開發(fā)與應(yīng)用，近來(lái)單片機(jī)發(fā)展十分迅速，其應(yīng)用已經(jīng)滲透到電力、冶金、化工、建材、機(jī)械、食品、石油等各個(gè)行業(yè)。其中，溫度控制也越來(lái)越重要。 掌握電加熱爐溫度控制系統(tǒng)的組成及原理，掌握各 部分的功能及作用 ，了解單片機(jī)的發(fā)展前景。 溫度是工業(yè)生產(chǎn)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(guò)程都與溫度密切相關(guān)，因此溫度控制是生產(chǎn)自動(dòng)化的重 要任務(wù)。 整個(gè)系統(tǒng)也可劃分為控制電路部分、加熱電路部分和測(cè)量電路三部分。而可控硅的接通時(shí)間可以通過(guò)可控硅極上觸發(fā)脈沖控制。 加熱電路用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的升溫加熱達(dá)到預(yù)定的溫度。溫度檢測(cè)元件和變送器的類型選擇和被控溫度及精度等級(jí)有關(guān)。 系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)框圖如圖 所示： 6 圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 軟件設(shè)計(jì)主要為控制器部分，即溫度控制系統(tǒng)，采用 PID 算法，其原理是先求出實(shí)測(cè)爐溫對(duì)所需爐溫的偏差值，而后對(duì)偏差值進(jìn)行處理而獲得控制信號(hào)去調(diào)節(jié)加熱爐的加熱功率，以實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫的控制。管理程序是對(duì)顯示 LED 進(jìn)行動(dòng)態(tài)刷新，控制指示燈，處理鍵盤的掃描和響應(yīng)，進(jìn)行掉電保護(hù)，執(zhí)行中斷服務(wù)程序等。 微型計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱 MC,是以微處理機(jī)（ CPU）為中心，加上只讀存儲(chǔ)器（ ROM）、讀寫存儲(chǔ)器（ RAM）、輸入 /輸出接口電路、系統(tǒng)總線及其他支持邏輯電路組成的計(jì)算機(jī)。 電加熱爐溫度控制系統(tǒng)的特性 單片機(jī)爐溫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由單片機(jī)控制器、可控硅輸出部分、熱電偶傳感器、溫度變送器以及被控對(duì)象組成， 如圖 1 所示。 假 設(shè)周期Tc 內(nèi)導(dǎo)通的周期的波數(shù)為 n，每個(gè)周波的周期為 T，則調(diào)功器的輸出功率為 P=nTPn/Tc，Pn 為設(shè)定周期 Tc 內(nèi)電壓全通過(guò)時(shí)裝置的輸出功率。本系統(tǒng)是對(duì)在 0～ 100℃范圍內(nèi)的電爐溫度進(jìn)行精密測(cè)量。該觸發(fā)脈沖由 AT89C51 用軟件在 引腳上產(chǎn)生，受過(guò)零同步脈沖同步后經(jīng)光耦合管和驅(qū)動(dòng)管輸出送到可控硅的控制極上。當(dāng)溫度沒(méi)有達(dá)到要求，控制電路利用雙向可控硅的通斷特性來(lái)決定加熱 電路的通電與斷電。脈沖寬度由 T1 計(jì)數(shù)器溢出中斷決定。（執(zhí)行器一般選用接觸器） 。即：M=ke 式中： K比例系數(shù) 。微分調(diào)節(jié)是指調(diào)節(jié)器的輸出與偏差對(duì)時(shí)間的微分成比例，微分調(diào)節(jié)器在溫度有變化 “苗頭 ”時(shí)就有調(diào)節(jié)信號(hào)輸出，變化速度越快、輸出信號(hào)越強(qiáng)，故能加快調(diào)節(jié)速度，降低溫度波動(dòng)幅度，比 例調(diào)節(jié)、積分調(diào)節(jié)和微分調(diào)節(jié)的組合稱為比例積分微分調(diào)節(jié)。 10 第 3 章 系統(tǒng)電路分析硬件 溫度檢測(cè)電路 本設(shè)計(jì) 采用鉑電阻作為溫度測(cè) 量元件。電路剛開始運(yùn)行時(shí)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)電位器進(jìn)行調(diào)零，使電路從零開始工作，即在檢測(cè)溫度為零度時(shí)，檢測(cè)電路輸出零。選取合適的電阻值可以將 Pt100 的非線性誤差降到%，（ 0～ 500℃），由于電阻爐為定溫控制，在控溫點(diǎn)進(jìn)行 精心地電路調(diào)整和測(cè)量校正，可以使溫度達(dá)到很高的精度。 W7800 系列三端 式穩(wěn)壓器輸出正極性電壓，一般有 5V、 6V、 9V、 12V、 5V、 18V 、24V 七個(gè)檔次，輸出電流最大可達(dá) （加散熱片）。當(dāng)穩(wěn)壓器距離整流濾波電路比較遠(yuǎn)時(shí)，在輸入端必須接入電容器（數(shù)值為 F ） ，以抵消線路的電感效應(yīng)，防止產(chǎn)生自激振蕩。 RS232 采取不平衡傳輸方式，即所謂單端通訊。接收器典 型的工作電壓在 +3～ +12V 與 3～ 12V。 而 RS485 則 采用差分信號(hào)負(fù)邏輯 。 再次 應(yīng)用 RS485 可以聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成分布式系統(tǒng)，其允許最多并聯(lián) 32 臺(tái)驅(qū)動(dòng)器和32 臺(tái)接收器 ， 用于多點(diǎn)互連時(shí)非常方便，可以省掉許多信號(hào)線 。筆者采用這種方案巧妙地利用光電耦合器的隔離特性和 RS232 工作時(shí) RTS 線與 TXD線之間的電平關(guān)系，給出了簡(jiǎn)單、可靠的電路設(shè)計(jì)。當(dāng) RS232的 RTS 端為邏輯電平 0（ +12V）時(shí)，光電耦合器的發(fā)光二極管發(fā)光，光敏三極管導(dǎo)通，輸出端為 TTL 邏輯電平 0(0V)，此時(shí)選中 RS485 的 RE 端允許 RS485 發(fā)送。RS232/RS485 轉(zhuǎn)換電路如 所示。二是用串行口配上移位寄存器 74HC4060 構(gòu)成硬件譯碼靜態(tài)顯示、鍵盤接口電路。在本接口電路中，只使用三塊芯片構(gòu)成硬件譯碼鎖存的動(dòng)態(tài) 15 顯示及鍵盤電路，動(dòng)態(tài)掃描由硬件管理 。本接口只擴(kuò)展了 8 個(gè)鍵，如不夠，還可串接。 MCl4499 的輸出端 A、 B、 C、 D、 E、F、 G、 DP 8 個(gè)腳分別接在 4 位一體 LED 的斷碼輸入端 (a、 b、 c、 d、 e、 f、 g)上。為了使串行口的數(shù)據(jù)輸出速率與 MCl4499 接收速率相匹配，單片機(jī)的工作頻率應(yīng)為 3MHz。 發(fā)光二極管 VD VD5 作為信號(hào)指示，由于導(dǎo)通角不同，發(fā)光亮度各異。電阻 R1 為 56kΩ、 1/2W，R2 為 39kΩ、 1/4W， R3 為 27kΩ、 1/4W， R4 為 2kΩ、 1/4W， R5 為 47Ω、 1/2W， R6 為100kΩ、 1/2W(可變 )， R7 為 300Ω、 1/4W， R8 為 43kΩ、 1/2W。雙向晶閘管 V5 用 TLC226B(3A/400V)或 TLC336A(3A/600V)。由于電路簡(jiǎn)單可自行設(shè)計(jì)印制電路板。空閑方式停止 CPU 的工作．但允許RAM、定時(shí)／計(jì)數(shù)器、串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。另外，由片內(nèi)振蕩器經(jīng)過(guò)四分頻的 信號(hào)，經(jīng)位譯碼后提供 4 個(gè)位控信號(hào)，經(jīng)位驅(qū)動(dòng)器至四位控制線 (I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ )。 MAX197是 Maxim 公司推出的具有 12 位測(cè)量精度的高速 A/D 轉(zhuǎn)換芯片 ， 只需單一電源供電 ,且轉(zhuǎn)換時(shí)間很短 (6ms)， 具有 8 路輸入通道 ,還提供了標(biāo)準(zhǔn)的并行接口 —— 8 位三態(tài)數(shù)據(jù) I/O口 ， 可以和大部分單片機(jī)直接接口 ， 使用十分方便 。在外部采樣模式 (D5=1)中 ， 由兩個(gè)寫脈沖分別控制采樣和 A/D 轉(zhuǎn)換。當(dāng)一次轉(zhuǎn)換結(jié)束后 ， MAX197 相應(yīng)的 INT引腳置低電平 ， 通知處理器可以讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果 及 內(nèi)部采樣模式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)序 。 圖中 HBEN為 12位數(shù)據(jù)高 4位或低 8位有效控制位 ,當(dāng)此位為高時(shí) ， 高 4位數(shù)據(jù)有效 ，為低時(shí)低 8 位數(shù)據(jù)有效。振蕩器配置可以是 RC 振蕩設(shè)計(jì)，也可以是晶振電路設(shè)計(jì)。 其管腳排列圖如下圖 ： 20 圖 74HC4060 的引腳 電路圖 21 第 5 章 系統(tǒng)控制算法仿真 飛升曲線 實(shí)驗(yàn)中為了得到飛升曲線，選去了以被控制對(duì)象為 1L 凈水，采用 1KW 電爐進(jìn)行加熱。 通過(guò)計(jì)算，得到其傳遞函數(shù)近似為 sS esG 10)( 16020 ???并通過(guò)改變實(shí)驗(yàn)板上的 PID 控制參數(shù)進(jìn)行水溫度的恒溫控制。 PID 控制原理基于下面的算式： Mn = MPn +MIn + MDn（輸出 =比例項(xiàng) +積分項(xiàng) +微分項(xiàng)）。 2. 積分項(xiàng) MIn 與偏差和成正比。因?yàn)槠?(e)是給定值 (SP)與過(guò)程變量值 (PV)之差 (en=SPnPVn)。如溫度控制、成分控制等。當(dāng)這個(gè)使能位發(fā)生從 0 到 1 的正跳變時(shí)， PID 會(huì)按照預(yù)先設(shè)置的控制規(guī)律進(jìn)行一系列的動(dòng)作，使 PID從手動(dòng)方式無(wú)擾動(dòng)地切換到自動(dòng)方式，為了能使手動(dòng)方式無(wú)擾動(dòng)切換到自動(dòng)方式， PID會(huì)執(zhí)行以下操作： （ 1） 置過(guò)程變量值 PV=給定值 SP，在未人為改變 SP值之前， SP持恒定。初期比例度按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)定，根據(jù) PV 曲線，再慢慢的整定比例控制比例度，使系統(tǒng)達(dá)到 4： 1衰減振蕩的 PV 曲線，然后，再加積分作用。有一點(diǎn)需要注意的是：在湊試過(guò)程中，若要改變TI、 TD時(shí)，應(yīng)保持 的比值不變。 PID 控制器的參數(shù)在通過(guò) ZieglerNichols 法整定，減小了積分控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差精度，由于不斷累計(jì)誤差，能使誤差迅速消除，但能使系統(tǒng)產(chǎn)生超調(diào)；而在系統(tǒng)中增加微分控制，能夠增加系統(tǒng)的阻尼，提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，由于ＰＩＤ控制器能夠補(bǔ)償絕大多數(shù)的控制系統(tǒng)，整定方法簡(jiǎn)單，魯棒性好，通過(guò) PID 最佳整定參數(shù)后再微調(diào)得傳遞函數(shù) ： Kp=， Ki=3，Kd= 并建立 PID 調(diào)節(jié)器控制模型如下： 圖 PID 調(diào)節(jié)器控制模型 MATLAB 中運(yùn)行并點(diǎn)擊 SCOPE，得出階躍響應(yīng)曲線圖 其中 超調(diào)量 5%，響應(yīng)時(shí)間按 5%要求，約為 210 秒。 圖 sS esG 10)( 16620 ???階躍響應(yīng) 圖 sS esG 11)( 16020 ???階躍響應(yīng) 26 （ 3） PID 仿真分析 從以上仿真曲線可以看到 ， PID 控制算法的仿真曲線出現(xiàn)了等幅振蕩 。 如果考慮到對(duì)象的建模不十分準(zhǔn)確，把參數(shù)改動(dòng)一些后，出現(xiàn)了較大的超調(diào)，調(diào)節(jié)實(shí)踐方面，系統(tǒng)的表現(xiàn)良好，響應(yīng)時(shí)間小于 160 秒，穩(wěn)態(tài)誤差也較小，對(duì)于本設(shè)計(jì)的需求來(lái)看是可以滿足要求的。運(yùn)行環(huán)境是一個(gè)獨(dú)立的運(yùn)行系統(tǒng)，它按照組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)中用戶指定的方式 進(jìn)行各種處理，完成用戶組態(tài)設(shè)計(jì)的目標(biāo)和功能，組態(tài)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境互相獨(dú)立，又密切相關(guān)，如圖 所示。真正的 32 位程序，支持多任務(wù)、多線程，運(yùn)行于 Win95/98/NT/20xx 平臺(tái) ； 支持 ODBC 接口，可與 SQL Server、 Oracle、 Access 等關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)互聯(lián) ； 功能強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)同步、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)同步構(gòu)建，保證多個(gè)系統(tǒng)完美結(jié)合 ； 完善 的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，可以支持最新流行的各種通 訊方式，包括電話通訊網(wǎng) 、寬帶通訊網(wǎng) 、 ISDN 通訊網(wǎng) 、 GPRS 通訊網(wǎng)和無(wú)線通訊網(wǎng) 。詳細(xì)情況請(qǐng)參閱后面第四講中的動(dòng)畫連接。 MCGS 把各種網(wǎng)絡(luò)形式，以父設(shè)備構(gòu)件和子設(shè)備構(gòu) 件的形式， 供用戶調(diào)用，并進(jìn)行工作狀態(tài)、端口號(hào)、工作站地址等屬性參數(shù)的設(shè)置 。 本 設(shè)計(jì) 就是 利用 MCGS 組態(tài)軟件設(shè)計(jì) 的這些特性， 在設(shè)備組態(tài)窗口 中選擇適當(dāng)?shù)拇谕ㄓ嵲O(shè)備．添加 AT89C51 芯片 。在界面上設(shè)置各個(gè)控件的屬性，使設(shè)置的控件按照真實(shí)的情況動(dòng)作，檢驗(yàn)和測(cè)試電梯 單片機(jī) 控制系統(tǒng)對(duì)電梯的運(yùn)行狀態(tài)的控制效果。在主程序中首先設(shè)置堆棧，進(jìn)行初始化，上電復(fù)位 ,并設(shè)置有關(guān)中斷。關(guān)中斷 MOV PSW, 00H 。無(wú)上電復(fù)位標(biāo)志，冷啟動(dòng) MOV DISPRAM+1, DISPINTN MOV STEMP, 30D MOV ELECTR, 0AAH 。LED 動(dòng)態(tài)掃描顯示