【正文】 處理工藝過程中 ,是一個非常重要的環(huán)節(jié)。 關(guān)鍵詞： 單片機(jī)； 熱處理溫度控制； 模糊 PID。這一類設(shè)備在工廠占有相當(dāng)大的比例。燃料量的調(diào)節(jié)通常利用閥門、翻板等實現(xiàn)。 溫度控制在熱處理工藝過程中 ,是一個非常重要的環(huán) 節(jié)。其中有利用開環(huán)階躍響應(yīng)信息，如 CoonCohen 響應(yīng)曲線法；還有使用 Nyquist 曲線法的，如ZieglerNichols 連續(xù)響應(yīng)法。 自整定技術(shù)可追溯到 50 年代自適應(yīng)控制處于萌芽時期， 60 年代國外有人設(shè)計了東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 緒論 2 一種自動調(diào)節(jié)式的過程控制器，因其價格高、體積大、可靠性差而未能商品化。 模糊 PID 控制 模糊控制的概念是由美國加利福尼亞大學(xué)著名教授 首先提出的，經(jīng)過20多年的發(fā)展，模糊控制取得了矚目的成就。在文獻(xiàn)中介紹了多種能提高 PID控制精度的模糊 PID 混合控制方案，例如：引入積分因子的模糊 PID 控制器；混合型模糊 PID 控制器；另外將其與其它先進(jìn)控制技術(shù)結(jié)合又有模糊自適應(yīng) PID 控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊 PID 控制等。 圖 11 模糊自整定 PID 控制 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 緒論 3 電爐采用模糊自整定 PID 控制的可行性 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，電爐隨著負(fù)荷變化或干擾因素的影響，其對象特性或結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。但由于操作者經(jīng)驗不易精確描述，控制過程中各種信號量以及評價指標(biāo)不易定量表示，而模糊理論正是解決這一問題的有效途徑。它不僅能發(fā)揮模糊控制的魯棒性好、動態(tài)響應(yīng)好、上升時間快和超調(diào)小的特點(diǎn)，又具有 PID 控制器的動態(tài)跟蹤品質(zhì)和穩(wěn)態(tài)精度。 工業(yè)控制中希望對原有系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)行改造，從而提高生產(chǎn)過程的自動化水平。計算機(jī)技術(shù)的迅 速發(fā)展，使得傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)發(fā)生了根本性的變革，即采用微機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的控制系統(tǒng)的傳統(tǒng)的電子線路，從而成為新一代的微機(jī)化控制系統(tǒng)。 （ 1） 自動調(diào)零功能在每次采樣前對傳感器的輸出值自動清零，從而大大降低因控制系 統(tǒng)漂移變化造成的誤差。 （ 5） 自我診斷功能采用計算機(jī)技術(shù)后，可對控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)故 障則立即進(jìn)行報警，并可顯示故障部位或可能的故障原因，對排除故障的方法進(jìn)行提示。由于爐子的種類不同，因而所使用的燃料和加熱方法也不同，例如煤氣、天然氣、油、 電等 。 本系統(tǒng)所使用的加熱爐為電加熱爐，爐絲功率為 2kw，系統(tǒng)要求爐膛恒溫，誤差為士 VC,超調(diào)量可能小，溫度上升較快且有良好的穩(wěn)定性 . 單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)是以 MS5l單片機(jī)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(jìn)行控制的微機(jī)控制系統(tǒng)。按照系統(tǒng)的設(shè)計功能要求，本 溫度控制系統(tǒng)采用單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，利用自行編寫的軟件系統(tǒng)來完成被測溫度的采集、計算，以及顯示等等功能。 系統(tǒng)設(shè)計總體方案： 本設(shè)計的主要解決的問題是通過單片機(jī)控制系統(tǒng) ,實現(xiàn)對溫度的智能控制。 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 控制系統(tǒng)組成框圖如圖 31 所示?？刂屏坑?D/A 轉(zhuǎn)換成模擬電壓，經(jīng)功率放大后驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制火爐的進(jìn)氣量，使?fàn)t子的溫度按規(guī)定的工藝曲線變化東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 系統(tǒng)硬件 8 溫度檢測電路 溫度檢測是溫度控制系統(tǒng)的一個重要的環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到系統(tǒng)性能。微機(jī)通過控制把電路電壓送 到模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模 /數(shù)轉(zhuǎn)換，得到表示溫度的電壓數(shù)字量，再用軟件進(jìn)行標(biāo)度變換與誤差補(bǔ)償，得到測溫點(diǎn)的實際溫度值。熱電偶就是利用這個原理測量 溫度的。 測量放大器的放大倍數(shù)用下面 公式計算 ?????? ????GGI RRRRRRUUG 39。冷端補(bǔ)償方法較多，在本次的設(shè)計中我們采用的冷端溫度補(bǔ)償為電橋式冷端補(bǔ)償。 RS是供橋電源 E的限流電 阻， RS由熱電偶的類型決定。東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 系統(tǒng)硬件 10 CC4067 是單片 . 通道 .模擬多路轉(zhuǎn)換器。 主要性能 CMOS 工藝制造；直接驅(qū)動 DTL/TTL/CMOS 電平；單路、 16 選 1 模擬多路轉(zhuǎn)換器；具有雙向轉(zhuǎn)換功 能；單電源供電；標(biāo)準(zhǔn) 24 引腳 DIP 封裝；功耗： ；開關(guān)接通電阻：180 歐（ typ） 。 圖 37 CC4067 功能框圖 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 系統(tǒng)硬件 11 A/D 轉(zhuǎn)換器的選擇及連接 5G14433 是我國制造的 31/2 位模 /數(shù)變換器，是目前市場上廣泛流行的最典型的雙積分模 /數(shù)變換器。 5G14433 的外部連接電路，盡管 5G14433 外部連接元件很少，但為使其工作于最佳狀態(tài)，也必須注意外部電路的連接和外接元件的選擇，其實際連接電路如圖 38所示。外接失調(diào)補(bǔ)償電容固定為 。 單片機(jī)系統(tǒng)的擴(kuò)展 MCS— 51 系列單片機(jī)的功能較強(qiáng)，從一定意義上說，一塊單片機(jī)就相當(dāng)于一臺單片機(jī)的功能。 系統(tǒng)的擴(kuò)展一般有以下幾方面的內(nèi)容： ①外部程序存儲器的擴(kuò)展； ②外部數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展； ③輸入 /輸出接口的擴(kuò)展； ④管理功能器件的擴(kuò)展（如定時 /計數(shù)器、鍵盤 /顯示器、中斷優(yōu)先編碼等）。 74LS244 的引腳如圖 39所示。 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。東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 系統(tǒng)硬件 13 在 MCS－ 51單片機(jī)系統(tǒng)中 ,經(jīng)常采用 74LS373作為地址鎖存器使用 ,其連接方法如圖311 所示。只讀存儲器的特點(diǎn)是信息一旦寫入之后就不能隨意跟更改，特別是不能在程序運(yùn)行過程中寫入新的內(nèi)容，而只能讀出 其中的內(nèi)容，故稱之為只讀存儲器；只讀存儲器的另一個特點(diǎn)是斷電以后信息不會消失，能夠長久保存。 8 位，其管角如圖 312所示。OE：輸出允許信號，當(dāng) OE=0 時，輸出緩沖器打開，被尋址單元的內(nèi)容才能被賣出。即首先送出要讀出的單元地址，然后使 CE和 OE 均有效（低電平），則在芯片的 D0～ D7 數(shù)據(jù)線上就可以輸出要讀出的內(nèi)容。干凈的標(biāo)志通常是一個存儲單元的內(nèi)容都是 FFH。標(biāo)誰編程的過程 為：將 Vcc 接 +5V 電源， Vpp 接 +21V 電源（注意：不同廠家的芯片其編程電壓 Vpp 是不一樣的），然后輸入需編程的單元地址，在數(shù)據(jù)線上加上要寫入的數(shù)據(jù)，使 CE 保持低電平，OE為高電平。重復(fù)上述過程，即可將要寫入編程過程。這此，人們提出 了另一個編程方式靈巧編程。 RAM 為易失性存儲器，斷電后所存信息立即消失。在單 片機(jī)系統(tǒng)中多數(shù)采用 MOS 型數(shù)據(jù)存儲器，使得輸入輸出信號能與 TTL 相兼容，擴(kuò)展后的信號連接也很方便。動態(tài) RAM 的集成密度大，如集成同樣的位容量，那么動態(tài)RAM 所占芯片面積只是靜態(tài) RAM 的四分之一。 8 位的靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲器芯片，采用 CMOS 工藝制造，為 28 引腳雙列直插式封裝，其引腳圖如圖 315 所示。 圖 316 為外擴(kuò) 1片 6264 的連接圖。 179。 179。 179。 所占用的地址為 : 第一組 4000H～ 5FFFH (A13＝ 0) 第二組 6000H～ 7FFFH (A13＝ 1) 圖 316 擴(kuò)展 一片 RAM6264 的連接圖 單片機(jī) I/O 口的擴(kuò)展 （ 8155 擴(kuò)展芯片） 8155 的結(jié)構(gòu)和引腳 Intel 8155 是一種多功能的可編程的可編程接口芯片，它具有 3 個可編程 I/O（ A口和 B口是 8位， C 口是 6 位）、 1 個可編程定時器 /計數(shù)器和 256B 的 RAM，能方便地進(jìn)行 I/O 擴(kuò)展和 RAM 擴(kuò)展，其組成框圖及引腳如圖 317 所示。 AD0～ AD7：三態(tài)地址數(shù)據(jù)總線。地址信息由 ALE的下降沿鎖存到 8155 的地址鎖存器中，與 RD 和 WR 信號配合輸入或輸出數(shù)據(jù)。 IO/M=0 時，選中 8155 的片內(nèi) RAM， AD0～ AD7 為 RAM東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 系統(tǒng)硬件 17 地址（ 00H～ FFH）； IO/M=1 時，選中 8155 片內(nèi) 3個 I/O 接口以及命令 /狀態(tài)寄存器和定時器 /計數(shù)器。當(dāng) CE=0、 RD=0 時，將 8155 片內(nèi) RAM 單元或 I/O接口的內(nèi)容傳送到 AD0～ AD7 總線上。 ALE 信號的下降沿將 AD0～ AD7 總線上的地址信息和 CE及 IO/M 的狀態(tài)信息都鎖存到 8155 內(nèi)部鎖存器中。它由命令寄存器中的控制字來決定輸入 /輸出。 Vcc： +5 電源端。與控制字相反，狀態(tài)字寄存器只能讀出、不能寫入，其格式及定義如圖 318， 319 所示：東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 系統(tǒng)硬件 18 圖 318 8155 狀態(tài)字格式 圖 319 8155 狀態(tài)字定義 8155與 8031的連接 如圖 320所示為 8155 與 8031 的連接?xùn)|華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 系統(tǒng)硬件 19 圖 320 8155 與 8031 的連接 看門狗、報警、復(fù)位和時鐘電路的設(shè)計 看門狗電路的設(shè)計 為提高系統(tǒng)的可靠性 ,由硬件的 “看門狗”。 圖 321 看門狗電路 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 系統(tǒng)硬件 20 報警電路的設(shè)計 當(dāng)溫度過大地超了給定 的溫度時，系統(tǒng)就會發(fā)出報警信號。所以，系統(tǒng)的復(fù)位電路必須準(zhǔn)確、可靠地工作。只要 RST 保持高電平，則 MCS51 單片機(jī)就循環(huán)復(fù)位。 8． 復(fù)位操作還對單片機(jī)的個別引腳信號有影響，例如把 ALE 和 PSEN 信號變?yōu)闊o效狀態(tài)，即 ALE=0,PSEN=1。 000000B SBUF 不定 IE 0179。 0000B 二、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(jī)的 RST 引腳上出現(xiàn)24個時鐘振蕩脈沖（ 2個機(jī)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）。 一、 時鐘電路 在介紹單片機(jī)引腳時，我們已經(jīng)敘述過有關(guān)振蕩器的概念。 二、時鐘信號的產(chǎn)生 XTAL1（ 19 腳）是按外部晶體管的一個引腳。 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(jī)器周期信號。這樣雖然在任一時刻只有 1 位顯示器被點(diǎn)亮，但是由于人眼具有視覺殘留效應(yīng)，看起來與全部顯示器持續(xù)點(diǎn)亮 的效果基本一樣（在亮度上要有差別）?？紤]到 LED 顯示器的段電流為8mA 左右，不能用 8155 的 A 口直接驅(qū)動，因此要加 1級電流驅(qū)動。由于位控信號控制的是 LED顯示器的公共端，驅(qū)動電流較大， 8 段全亮?xí)r需要 40～ 60mA。 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 系統(tǒng)硬件 24 圖 326 采用 8155 接口芯片構(gòu)成 2*6 鍵盤的接口電路 在本次的畢業(yè)設(shè)計中我們的顯示與鍵盤的設(shè)計如圖 327。 DAC7521 數(shù)模轉(zhuǎn)換接 口 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的主要任務(wù)是 :將模糊自整定 PID 控制器輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成可控硅過零觸發(fā)電路所需的模擬控制量。所需移相電壓增量為 mV。 = x176。為了防止 D/A轉(zhuǎn)換書輸出會有“毛刺”現(xiàn)象，這里采用了兩級緩沖器結(jié)構(gòu)。但是，由于光電隔離器件的電流傳輸 系數(shù)是非線性的，直接用來傳輸模擬量時，非線性失真較大、精度差，我們利用光電耦合器件與運(yùn)算放大器結(jié)合設(shè)計一個線性度較好的模擬量光隔離放大器電路如圖329 所示。運(yùn)放 A1連接反饋電容 C，用