【正文】 M]． 北京： 北京航空航天大學出版社 ，2020： 2328． [3] 沈紅衛(wèi)． 基于單片機的智能系統(tǒng)設計與實現(xiàn) [M]． 北京： 電子工業(yè)出版社 ， 2020：6877． [4] 李光飛．單 片機 C 程序設計實例指導 [M]． 北京： 北京航空航天大學出版社 ， 2020：5561． [5] 樓然苗 ． 51 系列單片機設計實例 [M]． 北京： 北京航空航天大學出版社 ， 2020： [6] 李光飛．單片機課程設計實例指導 [M]． 北京： 北京航空航天大學出版社 ， 2020：4751． [7] 樓然苗 ， 李光飛．單片機課程設計指導 [M]． 北京： 北京航空航天大學出版社 ， 2020：5456． [8] 郭天祥． 51 單片機 C 語言教程 入門、提高、開發(fā)、拓展全攻略 [M]．北京：電子工業(yè)出版社， 2020： 342349． [9] 陶永華 ， 尹恰欣 ， 葛蘆生．新型 PIP控制及其應用 [M]．北京：機械工業(yè)出版社，2020： 3845． [10] 陶永華． PID控制原理和自整定策略 [J]．工業(yè)儀表與自動化裝置， 1997， (4)： 2327． [11] 韓瑞珍 ， 陳國定 ， 楊馬英．基于模糊推理的自整定 PID控制器 [J]．控制工程， 2020，9， (2)： 3235．湖南工業(yè)大學 本 科畢業(yè)設計（論文） 31 致 謝 三年的大學生活，讓我對電子、電路及維修方面的理論知識有了一定的了解和認識，但實踐出真知，唯有把理論與實踐相結合，才能更好地為社會服務。在這幾個月。 由于是第一次獨立完成較大的設計，所以對自身來說是一次挑戰(zhàn)。如果能夠加上掉電保護電路，整個系統(tǒng)就更加完善了。利用該方法進行 PID 控制器參數(shù)的整定步驟如下： （ 1）首先預選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作； （ 2）僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期； （ 3）在一定的控制度下通過公式計算得到 PID 控制器的參數(shù)。 PID 控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應曲線法和衰減法。 PID 控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。因此在選擇時，不可一概而論。此外，當計算機發(fā)生故 障時，由子輸出通道或執(zhí)行裝置具有信號的鎖存功能，故仍 能保持原值。 增量式 PID 控制算法 當執(zhí)行機構需要的是控制量的增量時，可由式 ()導出增量式 PID 控制 算式。 式 ()、 () 即為位置式 PID 控制算法。 位置式 PID 控制算法 由于計算機控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控 制量，因此式 ()中的積分和微分項不能直接使用，需要進行離散化處理。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化 “ 超前 ” ，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。因此，比例 +積分（ PI）控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。對一個自 動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)。 （ 1）比例（ P）控制 比例控制是一種最簡單的控制方式。即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象 ， 或 不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用 PID 控制技術。 由于這類系統(tǒng)本身所固有的模糊性、復雜性以及其它種種原因，使得人們難以用傳統(tǒng)的數(shù)學方法為其建立精確的數(shù)學模 型，傳統(tǒng)控制理論顯得難以奏效，而采用 PID 控制則更為有效。加熱控制程序如圖 所示 。 湖南工業(yè)大學 本 科畢業(yè)設計（論文） 21 開 始消 隱送 檢 測 溫 度 段 碼返 回選 通 位 控 制改 變 位 控 制 字 圖 溫度顯示程序流程圖 溫度采集模塊 溫度采集程序 溫度采集程序主要完成對溫度數(shù)據(jù)的讀出、存取、計算和處理等子程序的調(diào)用，程序流程圖如圖 所示。 Q590 12V C CR34. 7KR41KL E D 2S P E A K E RP 36 圖 報警電路湖南工業(yè)大學 本 科畢業(yè)設計（論文） 20 第 3 章 系統(tǒng)軟件設計 本 爐溫 控制系統(tǒng)程序由 MCS51 單片機 C 語言編寫，該軟件主要由以下幾個子模塊組成：主程序模塊，溫度采集和處理模塊，溫度顯示模塊，加熱控制 模塊等 。如果系統(tǒng)溫度連續(xù)三次達到 400℃ 時，系統(tǒng)進入故障報警，蜂鳴器連續(xù)鳴叫，報警指示燈閃爍。它們?nèi)≈悼拷?jīng)驗確定，暫無一套完整的計算方法。最大值由下式計算： ???? 3111 222020ppIVR 故這里 R10 取 300。 MOC3041 在輸出關斷的情況下，也有小于或等于 500uA 的電流加入， R11 可以消除這個電流對外部可控硅的影響。輸入控制電流為 15 mA 。當單片機 端口輸出高電平時光電耦合器 MOC3041 的 2 端截止則可控硅 BTA12 不導通，加熱絲的瞬時輸出功率為零；當單片機 端口輸出低電平時光電藕合器 MOC3041 的 2 端導通則可控硅 BTA 12 一導通，加熱絲的瞬時輸出功率最大。 加熱控制電路設計 控制電加熱爐的溫度，只需控制發(fā)熱電流的大小而不必考慮其流向。這里以 AT89S51 單片機為例， 給出 MAX6675 與單片機接口構成的測溫電路及相應的溫度值讀取、轉(zhuǎn)換程序。 MAX6675 從 SPI 串行接口輸出數(shù)據(jù)的過程如下： MCU 使 CS 變低并提供湖南工業(yè)大學 本 科畢業(yè)設計（論文） 16 時鐘信號給 SCK，由 SO 讀取測量結果。為降低電源噪聲的影響，可在MAX6675 的電源引腳附近接入 1 只 μF陶瓷旁路電容。因此在實際測溫應用時， 應盡量避免在 MAX6675 附近放置發(fā)熱器件或元件，因為這樣會造成冷端誤差。MAX6675 是通過冷端補償檢測和校正周圍溫度變化的 。在將溫度電壓值轉(zhuǎn)換為相等價的溫度值之前，它需要對熱電偶的冷端溫度進行補償，冷端溫度即是 MAX6675 周圍溫度與0℃實際參考值之間的差值。 U2=(41μV/℃ )T0 在數(shù)字控制器的控制下， ADC 首先將 U U2 轉(zhuǎn)換成數(shù)字量 ， 即獲得輸出電壓U0 的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)就代表測量點的實際溫度值 T。對于 K 型熱電偶，電壓變化率為 (41μV/℃ )，電壓可由如下公式來近似熱 電偶的特性。熱電偶是基于熱電效應工作的，熱電效應產(chǎn)生的熱電勢是由接觸電勢和溫差電勢兩部分組成的。 湖南工業(yè)大學 本 科畢業(yè)設計（論文） 13 圖 引腳排列 表 23 MAX6675 引腳功能 引腳 名稱 功 能 1 GND 接地端 2 T K 型熱電偶負極 3 T+ K 型熱電偶正極 4 VCC 正電源端 5 SCK 串行時鐘輸入 6 CS 片選段，為低、啟動串行接口 7 SO 串行數(shù)據(jù)輸出 8 NC 空引腳 2. 工作原理 K 型熱電偶通常由感溫元件、安裝固定裝置和接線盒等主要部件組成。 Maxim 公司新近推出的 MAX6675 即是一個集成了熱電偶放大器、冷端補償、 A/D轉(zhuǎn)換器及 SPI 串口的熱電偶放大器與數(shù)字轉(zhuǎn)換器。 ② 冷端補償：熱電偶輸出的熱電勢為冷端保持為 0℃ 時與測量端的電勢差值，而在實際應用中冷端的溫度是隨著環(huán)境溫度而變化的 ,故需進行冷端補償。經(jīng)固定周期 T 對加熱爐內(nèi)溫度進行檢測，實現(xiàn)加熱功能，并使系統(tǒng)安全穩(wěn)定。為了 操作時 調(diào)試方便，本設計 中 采用 按鍵復位電路。為了保證系統(tǒng)安全可靠的復位， RST 引腳的高電平信號必須維持足夠長的時間。復位引腳 RST 通過一個斯密特觸發(fā)器與復位電路相連，斯密特觸發(fā)器用來抑制噪聲，在每個機器周期的 S5P2，斯密特觸發(fā)器的輸出電平由復位電路采樣一次，然后才能得到內(nèi)部復位操作所需要的信號。在本設計中，整個系統(tǒng)控制電路需要 +5V 的電源。當端口輸出高電平時，相應的三極管截止，使相應的數(shù)碼管關閉。在軟件上采用動態(tài)輪流掃描方式，來控制數(shù)碼管 的顯示。每個發(fā)光二極管的陽極通過電阻與輸入端相連。把發(fā)光二極管的陽極連在一 起構成公共陽極，使用時公共陽極接 +5V，每個發(fā)光二極管的陰極通過電阻與輸入端相連。 C 1 +1C 1 3C 2 +4C 2 5T 1 I N11T 2 I N10R 1 O U T12R 2 O U T9G N D15V D D2V C C16T 1 O U T14T 2 O U T7R 1 I N13R 2 I N8V E E6U6M A X 2 3 2C 1 1 0 .1 u FC 1 0 0 .1 u FC90 .1 u FP 3 0P 3 1162738495J3D B 9 C80 .1 u FV C CRO1RE2DE3DI4G N D5A6B7V C C8U7M A X 4 8 5 C P AR 2 31 0 KQ89 0 1 3R 2 41 0 kV C CV C CR 2 51KR 2 61K 圖 通信電平轉(zhuǎn)換電路 湖南工業(yè)大學 本 科畢業(yè)設計（論文） 10 顯示接口電路 發(fā)光二極管 LED 是一種通電后能發(fā)光的半導體器件，其導電性質(zhì)與普通二極管類似。 RS232傳輸距離較短的另一原因是其屬于單端信號傳送，這種傳送存在共地噪聲且不能抑制共模干擾，因此， RS232 一般用于 20m以內(nèi)的通信。這種 RS485 網(wǎng)絡結構具有接口簡單、靈活性好、價格低、易于控制等優(yōu)點，可廣泛應用于工業(yè)控制系統(tǒng)中。這兩個引腳跨接石英晶體振蕩器和微調(diào)電容，就構成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。因此，時鐘頻率直接影響單片機的速度，時鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在對閃 存編程和驗證程序時，它輸入高 8 位地址。 AT89S51 單片機的 P1 口除了可以作為一般 I/O 口外，其中 5 位還有第二功能 ，如表 21。在訪問片外存儲器時，它分時提供低 8 位地址和 8 位數(shù)據(jù)，故這些 I/O 線有地址 /總線之稱，簡寫做 AD0~AD7。這個引腳具有 2 種功能。在訪問片外程序存儲器取指令期間，PSEN 信號在 12 個時鐘周期中兩次生效。平時不訪問片外存儲器時，該端也以六分之一的時鐘振蕩頻率固定輸出正脈沖，供定時或其他需要使用。在該引腳輸入 2 個機器周期以上的高電平將使單片機復位。 XTAL2：接外部晶體的另一端。 VCC：主電源 +4～ +。器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容標準 MCS51 指令系統(tǒng)， 片內(nèi)置通用 8 位中央處理器和 Flash 存儲單元，內(nèi)置功能強大的微型計算機的 AT89S51提供了高性價比的解決方案。目前，在我國，單片機已經(jīng)廣泛地應用于智能儀器儀表、機電設備過程控制、自動檢測、家用電器和數(shù)據(jù)處理等各個方面 。 微處理器 在總體方案確定之后，首要的任務是選擇一臺合適的微型計算機。 進 料 口出 料 口控 制 系 統(tǒng)加 熱 絲溫 度 顯 示溫 度傳 感器 圖 加熱爐系統(tǒng)結構框圖 系統(tǒng)的硬件組成及工作原理 爐溫控制系統(tǒng)由溫度檢測電路、加熱控制電路、電源電路、溫度顯示電路、報警等電路組成。 顯示檢測溫度。前期為 370℃ ，中期為 380℃ ， 后期為 390℃ 。 由于一般的爐溫控制系統(tǒng) 是參數(shù)時變、非線性、大滯后系統(tǒng)，在許多應用實例中已證明， PID 算法 控制 在對電加熱爐溫進行控制時都有一定的效果，在 不同方面克服系統(tǒng)時滯性、非線性帶來的影響， PID 控制器，既考慮了抗擾性又考慮到跟蹤性，獲得了良好的控制效果。目前國內(nèi)企業(yè)復雜的及精度要求高的溫度控制系統(tǒng)太多采用進口溫度控制儀表。 目前我國在測控儀表研究與生產(chǎn)應用中，總結了很多經(jīng)驗，但從國內(nèi)生產(chǎn)的溫度控制器及測溫儀表來說，總體發(fā)展水平仍然不高。 微處理技術的發(fā)展和數(shù)字智能式控制器的實際應用， 在控制領域出現(xiàn)的一系列新的技術課題之一的被控對象動靜態(tài)參數(shù)、控制系統(tǒng)結構、參數(shù)發(fā)生較大范圍變化的情況下，控制系統(tǒng)仍能滿足給定的品質(zhì)指標，這是自適應控制的最基本特證，自適應 PID控制可在在線不斷整定參數(shù)，克服干擾，跟蹤系統(tǒng)的時變特性，使控制對象達到一定的目標。在這方面，以日本、美國、德國、瑞典等國家技術領先，都生產(chǎn)除了一批商品化、性能優(yōu)異的溫度湖南工業(yè)大學 本 科畢業(yè)設計（論文） 2 控制儀表，并在各行業(yè)廣泛應用。因而，對生產(chǎn)工藝的研究很困難，因此造成產(chǎn)品質(zhì)量低、廢品率高、工作人員勞動強度大、勞動效率低 ，這些都影響了企業(yè)的效益。整體上，我國的反應爐控制系統(tǒng)與國外發(fā)達國家相比還比較落后。 反應爐是熱處理生產(chǎn)中應用最廣的加熱設備，通過布置在爐內(nèi)的電熱元件將電能轉(zhuǎn)換為熱能并借助輻射與對流的傳熱方式加熱工件。 關鍵詞： 單片機，溫度控制， PID 算法 ， MAX6675湖南工業(yè)大學 本 科畢業(yè)設計（論文） II ABSTRACT Aiming at the uncertainty, accurancy differe