【正文】 授我知識的老師，因為有他們的辛勤付出才有我知識的累積。本系統(tǒng)的設計方案有多種，上述方案是從多種方案中選出的最優(yōu)方案，其具有功能強、成本低、元件少、精度高、可靠性好、穩(wěn)定性高、抗干擾性強、執(zhí)行速度快、簡單易行、具有實效性、使用范圍廣等特點，故具有推廣價值。系統(tǒng)用PID控制算法實現(xiàn)溫度控制，可以使系統(tǒng)的精度達到177。待全部調(diào)試完成后，應反復運行多次，除了觀察穩(wěn)定性之外，還要觀察系統(tǒng)的操作是否符合原始設計要求，安排的用戶操作是否合理等，必要時應再作適當?shù)男拚?。各模塊通過以后，可以把有關的功能塊聯(lián)合起來一起進行綜合調(diào)試。調(diào)試手段可采用單步或設置斷點運行方式，通過檢查系統(tǒng)CPU 的現(xiàn)場，ARM的內(nèi)容和I/O口的狀態(tài)，檢查程序執(zhí)行結(jié)果是否符合設計要求。在脫機調(diào)試中，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)無法復位，經(jīng)檢查知電路中沒有接入復位電路，經(jīng)接入上電復位方式的復位電路后，系統(tǒng)運行正常。 脫機調(diào)試 在樣機加電以前，先用萬用表等工具根據(jù)硬件電氣原理和裝配圖仔細檢查樣機線路的正確性，并核對元器件的型號、規(guī)格和安裝是否符合要求，特別應注意電源的走線，防止電源線之間短路和極性錯誤，并檢查擴展系統(tǒng)總線是否存在相互短路或與其他信號線的短路?？赡艿墓收嫌校郝肪€連接上有邏輯錯誤、有斷路或短路現(xiàn)象、集成電路失效等。聯(lián)機前先斷電，將單片機開發(fā)系統(tǒng)的仿真頭插到樣機的89C51插件上，檢查開發(fā)機和樣機之間的電源、接地是否良好?？煽啃圆? 引起可靠性差的原因很多，如金屬化孔、接插件接觸不良會造成系統(tǒng)時好時壞，經(jīng)不起振動；內(nèi)部和外部干擾、電源紋波系數(shù)大、器件負荷過大等造成邏輯電平不穩(wěn)定；走線和布局不合理也會引起系統(tǒng)可靠性差。下面通過硬件和軟件兩方面介紹相應的調(diào)試方法。連續(xù)兩次長按設定按鍵，進入溫度下限值設定，并且溫度下限值指示燈亮，此時可輸入溫度下限值。 控制面板的功能控制面板上的4位LED顯示器能精確顯示加熱爐溫度值，控制面板不進行任何操作時，LED顯示器顯示的就是當前加熱爐溫度值。在本控制系統(tǒng)中，加熱爐溫度與給定值的偏差經(jīng)過單片機PID算法運算后控制可控硅的開度，所以應采用式（7）的位置式算法。因此在實際應用中常用經(jīng)驗法確定PID的參數(shù)。通常的采樣周期都按下表的經(jīng)驗數(shù)據(jù)加以選擇：表41 采樣周期T的選用物理量采樣周期\s備注流量1—5優(yōu)先選用1—2s壓力3—10優(yōu)先選用6—8s液位6—8溫度15—20或取純滯后時間對串級系統(tǒng)：復環(huán)T=（—）主環(huán)T成分15—20根據(jù)上表所示，本系統(tǒng)的PID控制算法選用的采樣周期T=20s2. 其他參數(shù)的確定。因此，從控制性能來考慮，采樣周期越短越好。由于微機控制系統(tǒng)是一種時間離散控制系統(tǒng)，故必須把微分方程離散化為差分方程，最終寫出遞推公式才能直接應用。PID調(diào)節(jié)規(guī)律是連續(xù)系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)校正的一種有效方法，它的參數(shù)整定方式簡便，結(jié)構改變靈活。在模式0、模式1和模式2時，T0和T1的工作模式相同；在模式3時兩個定時器的工作模式不同。設置為工作模式時，定時計數(shù)器89C51片內(nèi)振蕩器輸出的經(jīng)12分頻后的脈沖，即每個機器周期使定時器的數(shù)值加1直至計數(shù)溢滿。則 Ax=（）（Nx0）/4095 +0 Ax=*Nx/4095 顯示處理本系統(tǒng)的顯示主要包括四位LED數(shù)碼管及其4個發(fā)光二極管，DPX為顯示指針，當DPX=1時，顯示工作狀態(tài)下加熱爐的溫度值，當DPX=0時，顯示設置狀態(tài)的參數(shù)值，顯示控制流程圖如下：YNNNNYNYN返回參數(shù)燈亮溫度上限燈亮溫度下限燈亮是設置參數(shù)嗎？是設置溫度上限嗎？是設置溫度下限嗎？設置小數(shù)點位返回設置小數(shù)點位進行消隱處理進行消隱處理送顯示緩沖區(qū)送顯示緩沖區(qū)轉(zhuǎn)換為獨立BCD碼將二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進制BCD碼轉(zhuǎn)換為獨立BCD碼將二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進制BCD碼YNN判斷顯示指針DPX=1?取需修改的二進制參數(shù)值取二進制溫度值圖43 顯示流程圖 定時中斷子程序89C51單片機片內(nèi)有兩個16位定時器/計數(shù)器，即定時器T0和定時器T1。本系統(tǒng)正適合這種標度變換。我們重點介紹這四個按鍵的控制過程，具體流程圖如圖所示，當K分別為1，2，3，4時，表示四個按鍵分別被按下，KK表示按鍵操作完成，KT表示按鍵定時開始標志，KM表示按鍵定時完成標志。 系統(tǒng)程序系統(tǒng)的程序包括主程序、中斷服務程序和一些具有特定功能的子程序，是系統(tǒng)軟件的主要組成部分。54H，55H存儲物理值的下限。42H存放軟件定時器狀態(tài)標志位。程序存儲器用于存放編好的程序和表格常數(shù)。顯示模塊 ：該模塊應能夠把溫度值進行準確顯示，并且能顯示溫度上下限及各種參數(shù)。為了能夠?qū)崿F(xiàn)上述功能，經(jīng)過認真的分析和整理，以及對整體功能進行細化、分配，把系統(tǒng)的程序劃分為以下幾個主要模塊:初始化模塊：通過該模塊來對堆棧、定時器、計數(shù)器、中斷和特殊功能寄存器進行賦值，有關寄存器的清零，以及計數(shù)器/定時器的初值存放等。本系統(tǒng)的軟件設計所用的編程語言是匯編語言，首先在編程之前要對系統(tǒng)進行分析，包括對系統(tǒng)功能的分析，程序的總體設計，系統(tǒng)資源的分配，具體的溫度控制算法，然后再進行相關數(shù)據(jù)的計算，流程圖的繪制，具體編程，仿真調(diào)試，對程序進行修改等多個方面。具體電路圖如下：圖38 溫度顯示電路圖此電路中，74LS374用于驅(qū)動LED的8位段碼，8位LED相應的a—g段連在一起，它們的公共端連至74LS145譯碼器的輸出端。CPU向字段輸出口送出字形碼時，所有顯示器接收到相同的字形碼，但究竟是那個顯示器亮，則取決于COM端，而這一端是由I/O控制的，所以我們就可以自行決定何時顯示哪一位了。獨立式按鍵電路配置靈活，軟件結(jié)構簡單，但每個按鍵必須占用一根I/O口線，在按鍵數(shù)量較多時，I/O口線浪費較大，故在按鍵數(shù)量不多時常采用這種按鍵電路。1鍵盤鍵盤是向系統(tǒng)提供操作人員干預命令及數(shù)據(jù)的接口設備，鍵盤可分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤兩種類型。其與89C51單片機的接口如下圖所示：圖36 看門狗與單片機的連接 人機通道設計人機通道的設計包括三個部分:鍵盤、溫度顯示電路、報警電路。為了使用者的方便，現(xiàn)在芯片都把上電復位、電源監(jiān)控及“看門狗”集成到一起。89C51單片機只要改變可控硅管的接通時間即可改變加熱絲的功率，以達到調(diào)節(jié)溫度的目的。其中，加熱爐中的光電隔離器一般選擇MOC3021，而觸發(fā)脈沖常用單片機的某一根I/O接口產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。2 雙向可控硅的選擇本系統(tǒng)對加熱爐的溫度控制是通過雙向可控硅實現(xiàn)的，單片機通過改變雙向可控硅的導通角，控制加熱電阻的通斷，從而事加熱爐的溫度得到控制。1 加熱原件的選擇本次設計的加熱爐為電阻爐，因此采用高性能的加熱電阻作為加熱原件。 D12—D3為12位數(shù)據(jù)，其最小值為0，對應的溫度值為0℃，最大值為4095，℃，由于MAX6675內(nèi)部經(jīng)過激光矯正，因此其轉(zhuǎn)換結(jié)果與對應溫度值有很好的線性關系，溫度值與數(shù)字量的對應關系為：溫度值=轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量/40953 溫度測量電路原理圖以上我們將溫度傳感器及其信號放大器選擇完畢，下面我們要把選擇好的鎳鉻—鎳硅溫度傳感器及其信號放大器MAX6675與89C51單片機進行連接，組成溫度測量電路。圖32 MAX6675內(nèi)部原理圖MAX6675采用標準的SPI串行外設總線與單片機接口。在將溫度電壓值轉(zhuǎn)換為相應的溫度值之前，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。主要包括：低噪聲電壓放大器A電壓跟隨器A冷端溫度補償二極管、基準電壓源、12位AD轉(zhuǎn)換器、SPI串行接口、模擬開關及數(shù)字控制器。MAX6675的內(nèi)部由精密運算放大器、基準電源、冷端補償二極管、模擬開關、數(shù)字控制器及ADC電路構成，完成熱電偶微弱信號的放大、冷端補償和A／D轉(zhuǎn)換功能。在本系統(tǒng)中，我們可以用單獨的運算放大器和A/D轉(zhuǎn)換器作為溫度傳感器的信號轉(zhuǎn)換設備，但是由于運算放大器的連接復雜，連接的器件數(shù)量較大。在使用熱電偶溫度傳感器補償導線時必須注意型號相配，極性不能接錯，補償導線與溫度傳感器熱電偶連接端的溫度不能超過100℃。熱電偶溫度傳感器就是利用這一效應來工作的。此熱電偶溫度傳感器從0℃—1000℃均可測量。1%此熱電偶溫度傳感器是工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一。1溫度傳感器的選擇由于本次設計的加熱爐溫度范圍為：0℃—1000℃，加熱溫度高，而本系統(tǒng)對加熱爐溫度控制精度的要求為177。 溫度檢測電路設計溫度檢測電路是本次設計的主要內(nèi)容，是整個單片機溫度控制系統(tǒng)設計中不可缺少的一部分。 EA/VPP（31）：當EA保持低電平時，外部程序存儲器地址為（0000H－FFFFH）不管是否有內(nèi)部程序存儲器。 ALE/PROG（30）：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)，在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。 P2口（21－28）：P2口為內(nèi)部上拉電阻器的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收和輸出4個TTL門電流。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AT89C51提供了高性價比的解決方案。雖然現(xiàn)在的微型計算機種類很多，但是所選的微型計算機必須符合本次設計的具體要求。C、利用定時器定時，以滿足采樣周期的要求。由4位LED顯示電路組成。 硬件和軟件功能劃分：A、測量電路，應包括溫度傳感器、放大器、A\D轉(zhuǎn)換及接口。采用PID控制算法實現(xiàn)對溫度的控制。溫度顯示由四路LED顯示電路組成，實時顯示加熱爐內(nèi)溫度值并能顯示溫度給定值及各種參數(shù)值。在系統(tǒng)中，溫度的設置、溫度值及誤差顯示、控制參數(shù)的設置、運行、暫停及復位等功能由鍵盤及顯示電路完成。7. 采用PID控制算法，滿足溫度控制要求。4. 控制參數(shù)可隨時修改。因此，本次設計的溫度控制器主要應用于熱處理加熱爐。工業(yè)中金屬的熱處理是將金屬工件放在一定的介質(zhì)中加熱到適宜的溫度，并在此溫度中保持一定時間后，又以不同速度冷卻，通過改變金屬材料表面或內(nèi)部的組織結(jié)構來控制其性能的一種工藝。利用微機對溫度進行測控的技術，也便隨之而生，并得到日益發(fā)展和完善，越來越顯示出其優(yōu)越性。本系統(tǒng)的設計依據(jù)實際生產(chǎn)需要，具有很高的實際應用價值，且系統(tǒng)結(jié)構簡單，能夠進行大批量生產(chǎn)。（3） 可靠性高。這種控制算法的特點為：（1） 一機多用。本次設計的加熱爐溫度控制系統(tǒng)正是以單片機為核心，運用PID控制算法進行控制。所以我們要開發(fā)一種新的控制系統(tǒng)，不用建立數(shù)學模型就能對被測對象進行良好的控制。但用AT89C51單片機設計的溫度檢測電路是本次設計的主要內(nèi)容，是整個單片機溫度控制系統(tǒng)設計中不可缺少的一部分，該系統(tǒng)對溫度進行了實時采集與檢測。還介紹了在加熱爐溫度控制系統(tǒng)的軟硬件設計中的一些主要技術關鍵環(huán)節(jié),該系統(tǒng)主要以AT89C51單片機為核心,由LED顯示電路，鍵盤輸入電路，溫度檢測電路,模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路, 過零檢測電路, 報警與指示電路, 光電隔離與功率放大電路等構成。對于這樣一個具有非線性、大滯后性、大慣性、時變性、升溫單向性等特點，很難用數(shù)學方法建立精確的數(shù)學模型，因此用傳統(tǒng)的控制理論很難達到良好的控制效果。因此，加熱爐的溫度控制系統(tǒng)以單片機為核心，運用先進的控制算法如：PID控制算法，就可以省去建立繁瑣的數(shù)學模型，而且控制系統(tǒng)更加穩(wěn)定與精確。在調(diào)節(jié)器中，與給定值進行比較，然后把比較出的差值經(jīng)PID運算后送到執(zhí)行機構，改變進給量，以達到調(diào)節(jié)的目的。使用計算機不僅能實現(xiàn)經(jīng)典的PID控制，而且還可以采用直接數(shù)字控制。（5） 生產(chǎn)安全，可改善工人勞動條件。隨著電子技術和微型計算機的迅速發(fā)展，微機測量和控制技術也得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應用。本次設計的內(nèi)容為：以89C51單片機為核心，運用PID控制算法，設計加熱爐溫度控制系統(tǒng)，用于進行金屬的熱處理。而進行金屬熱處理最主要的設備為加熱爐。3. 設定溫度上下限，并有越限報警功能。6. 采用溫度檢測裝置，對加熱爐內(nèi)溫度進行實時檢測。 系統(tǒng)結(jié)構該系統(tǒng)以89C51單片機為核心，由溫度傳感器、運算放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、輸入光電隔離、驅(qū)動電路、鍵盤、LED顯示電路共同組成。并選用K型熱電偶信號放大器MAX6675對熱電偶檢測的溫度信號進行放大。溫度設定值及溫度控制的各種參數(shù)由鍵盤輸入。出于系統(tǒng)安全考慮，需設定溫度上下限，溫度上下限由鍵盤輸入，并可隨時進行修改，并有越限報警功能。D、溫度顯示電路。B、溫度控制的實現(xiàn)，即根據(jù)溫度給定值和采樣值的大小，決定電阻絲的通斷，從而影響加熱溫度。3 系統(tǒng)硬件的設計 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。片內(nèi)含4k bytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），可以按照常規(guī)方法進行編程，也可以在線編程。 P1口（1－8）：P1口是從內(nèi)部提供上拉電阻器的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收和輸出4個TTL門電流。當振蕩器復位時，要保持RST引腳2個機器周期的高電平時間。在由外部程序存儲器取值期間，每個機器周期2次PSEN有效，但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這2次有效的PSEN信號將不出現(xiàn)。 XTAL2（18）：來自反向振蕩器的輸出。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。3%— mm0—10000—1300　〉400℃177。②測量范圍廣