【正文】 度檢測(cè)系統(tǒng)，信號(hào)處理系統(tǒng)，輸入輸出系統(tǒng)，輸出控制系統(tǒng)四部分組成。通常都是選用雙向可控硅來實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié),這樣能更好的控制溫度，提高精度。具體包括:，即爐溫按預(yù)定的溫度一時(shí)間關(guān)系變化，這主要在控制程序中考慮。為了便于與上級(jí)計(jì)算機(jī)構(gòu)成兩級(jí)控制系統(tǒng)，在單片機(jī)控制系統(tǒng)中還加入了通信功能。系統(tǒng)采用 MCS51 系列的單片機(jī) 8051，MCS51 單片機(jī)是美國(guó) INTE 公司于1980 年推出的產(chǎn)品，與 MCS48 單片機(jī)相比，它的結(jié)構(gòu)更先進(jìn)，功能更強(qiáng)，在原來的基礎(chǔ)上增加了更多的電路單元和指令,指令數(shù)達(dá) 111 條，MCS51 單片機(jī)可以算是相當(dāng)成功的產(chǎn)品，一直到現(xiàn)在，MCS51 系列或其兼容的單片機(jī)仍是應(yīng)用的主流產(chǎn)品，各高校及專業(yè)學(xué)校的培訓(xùn)教材仍與 MCS51 單片機(jī)作為代表進(jìn)行理論基礎(chǔ)學(xué)習(xí)。各種不同的物體有著不同的溫度范圍，從總體來說，溫度分布范圍極廣，加上被控對(duì)象的種類繁多，雖然溫度的傳感器種類很多，但至今沒有一種溫度傳感器能覆蓋整個(gè)溫度范圍，而又能滿足一定的測(cè)量精度。熱電阻的受熱部分（感溫元件）是用細(xì)金屬絲均勻的纏繞在絕緣材料制成的骨架上，當(dāng)被測(cè)介質(zhì)中有溫度梯度存在時(shí)，所測(cè)得的溫度是感溫元件所在范圍內(nèi)介質(zhì)層中的平均溫度。 集成溫度傳感器集成溫度傳感器是把溫度傳感器與放大電路等后續(xù)，利用集成化技術(shù)制作在同一芯片的功能器件。 熱電偶熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測(cè)元件之一。常用的熱電偶從50℃～+1600℃均可持續(xù)測(cè)量，某些特殊熱電偶最低可測(cè)到269℃（如金鐵鎳鉻），最高可達(dá)+2800℃（如鎢錸）。熱電偶就是利用這一效應(yīng)來工作的。熱電偶標(biāo)準(zhǔn)我國(guó)從 1988 年 1 月 1 日起制定，熱電偶和熱電阻全部按 IEC 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，并指定 B、S、K、E、J 等幾種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國(guó)統(tǒng)一設(shè)計(jì)型熱電偶。 在使用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)必須注意型號(hào)相配，極性不能接錯(cuò)，補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶連接端的溫度不能超過 100℃。通常必須把它們放大到一定的數(shù)量級(jí)，才能被數(shù)字儀表或傳統(tǒng)的指針式儀表顯示出來。 使用普通集成運(yùn)算放大電路集成電路是 60 年代發(fā)展起來的新型電子器件，它是以單晶硅為基礎(chǔ)材料，以制造硅平面晶體管的平面工藝為基本工藝，將三極管、二極管、電阻、電容等制造在同一硅片上，并連接成能夠完成各種功能的電子線路。模擬集成電路品種繁多，其中集成運(yùn)算放大電路（簡(jiǎn)稱集成運(yùn)放）具有通用性強(qiáng)，使用靈活等優(yōu)點(diǎn)，獲得了廣泛的應(yīng)用。中間級(jí)是整個(gè)放大電路的主放大器，其作用是使集成運(yùn)放具有較強(qiáng)的放大能力，輸出級(jí)具有輸出電壓線性范圍寬，輸出電阻小，失真小的特點(diǎn)，偏置電路用于設(shè)置集成運(yùn)放各級(jí)放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。此外，它的應(yīng)用電路簡(jiǎn)單，外圍元件性能要求不高，適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)，轉(zhuǎn)換速度高，且價(jià)格低廉，因此 V/F 轉(zhuǎn)換技術(shù)廣泛用于 A/D 過程中。 采用逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器 AD574A12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器 AD574A。由于 AD574A 片內(nèi)包含高精度的參考電壓和時(shí)鐘電路，這使它在不需要任何外部電路和時(shí)鐘信號(hào)的情況下完成一切 A/D 轉(zhuǎn)換功能，應(yīng)用非常方便 [1]。因此，通過檢測(cè)輸入線的電平狀態(tài)可以很容易判斷哪個(gè)按鍵按下了。 矩陣式鍵盤接口鍵盤上閉合鍵的識(shí)別是由專用硬件實(shí)現(xiàn)的，稱為編碼鍵盤，靠軟件實(shí)現(xiàn)的稱為非編碼鍵盤。無(wú)按鍵按下時(shí)，行線處于高電平狀態(tài)，而當(dāng)有按鍵按下時(shí)，行線電平狀態(tài)將由與此行線相連的列線的電平?jīng)Q定。因此各按鍵彼此將相互發(fā)生影響，所以必須將行、列線信號(hào)配合起來并作適當(dāng)?shù)奶幚?，才能確定閉合鍵的位置。但還不能確定是鍵 3 被按下，因?yàn)槿绻I 3 不被按下，而同一行的鍵 1 或 0 之一被按下，均會(huì)產(chǎn)生同樣的效果。當(dāng)?shù)?1 列仍處于高電平狀態(tài)；而當(dāng)?shù)?2 列為低電平，而其余各列為高電平時(shí)，同樣我們會(huì)發(fā)現(xiàn)第 1 行仍處于高電平狀態(tài)；直到讓第 4 列為低電平，其余各列為高電平時(shí)，因?yàn)榇藭r(shí) 3 號(hào)鍵被按下，所以第 1 行的電平將由高電平轉(zhuǎn)換到第 4 列所處的低電平，據(jù)此可判斷第 1 行第 4 列交叉點(diǎn)處的按鍵，即 3 號(hào)鍵被按下。同理，一個(gè) 44 的行列結(jié)構(gòu)可以構(gòu)成一個(gè) 16 鍵的鍵盤，很明顯，在按鍵數(shù)量較多的場(chǎng)合，矩陣式鍵盤與獨(dú)立式鍵盤相比，要節(jié)省很多的 I/O 口線。列線電平如果為低電平，則行線電平為低電平，列線電平如果為高電平，則行線電平為高電平。 顯示器的選擇本系統(tǒng)中，采用 LED 顯示器。常用的 LED 顯示器有 7 段和“米”字段之分。當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陽(yáng)極為高電平時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮，相應(yīng)的段被顯示。(a)共陰極 (b)共陽(yáng)極 圖 24 8 段 LED 結(jié)構(gòu)及外形表 21 8 段 LED 段碼）17LED 的顯示方式有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種方法。靜態(tài)顯示時(shí)，較小的電流能得到較高的亮度且字符不閃爍，所以可由 I/O 接口芯片（如 8255A 的 A、B、C 口）的輸出口直接驅(qū)動(dòng)。利用人的視覺暫留功能可以看到整個(gè)顯示，但必須保證掃描速度足夠快，字符才不閃爍。8255 的 A 口作為掃描口，經(jīng)反向驅(qū)動(dòng)器 74LS164 接顯示器公共極，B 口顯示字符 共陽(yáng)極字符碼 共陰極字符碼 顯示字符 共陽(yáng)極字符碼 共陰極字符碼0 3FH C0H C 39H 06H1 06H F9H D 5EH A1H2 5BH A4H E 79H 86H3 4FH B0H F 71H 8EH4 66H 99H P 73H 8CH5 6DH 92H U 3EH C1H6 7DH 82H T 31H CEH7 07H F8H y 6EH 91H8 7FH 80H H 76H 89H9 6FH 90H L 38H C7HA 77H 88H “滅” 00H FFHb 7CH 83H ． ． ． ． ． ． ． ． ．）18作為段數(shù)據(jù)口，經(jīng)同相驅(qū)動(dòng)器 74LS164 接顯示器的各個(gè)極。CSPA3 PA42 51 6PA0 PA7RD WRCS ESTGN D0A1 10 2PC7 D36 45 5PC4 D63 72 VcPC1 PB70 6B 5P1 PB42 385A12345678912134516781920 2124532829034353890）19：讀出信號(hào)線，低電平有效，控制數(shù)據(jù)的讀出。PB7～PB0：B 口輸入/輸出線。8255A 內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括三個(gè)并行數(shù)據(jù)輸入/輸出端口，二個(gè)工作方式控制電路，一個(gè)讀/寫控制邏輯電路和 8 位數(shù)據(jù)總線緩沖器。2)PB 口：一個(gè) 8 位數(shù)據(jù)輸出鎖存器和緩沖器；一個(gè) 8 位數(shù)據(jù)輸入緩沖器（輸入不鎖存） 。A組控制 PA 口和 PC 口的上半部（PC7～PC4） ；B 組控制 PB 口和 PC 口的下半部（PC3～PC0） ，并可根據(jù)“控制字”對(duì)端口的每一位實(shí)現(xiàn)按位“置位”或“復(fù)位” 。在這種方式下，三個(gè)端口都可以由程序設(shè)置為輸入或者輸出，沒有固定的用于應(yīng)答的聯(lián)絡(luò)信號(hào)。在方式 1 下，8255A 的 A 口和 B 口通常用于傳送和它們相連外設(shè)的 I/O數(shù)據(jù)，C 口用作 A 口和 B 口的應(yīng)答聯(lián)絡(luò)線，以實(shí)現(xiàn)中斷方式傳送 I/O 數(shù)據(jù)。）21第 3 章 硬件電路設(shè)計(jì) 主控制器 8051 單片機(jī) 8051 單片機(jī)的主要功能如下1．8 位 CPU 2．4kbytes 程序存儲(chǔ)器(ROM)3．128bytes 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)4．32 條 I/O 口線5．111 條指令，大部分為單字節(jié)指令6．21 個(gè)專用寄存器7．5 個(gè)中斷源，2 個(gè)優(yōu)先級(jí)8．一個(gè)全雙工串行通信口9．外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器尋址空間為 64kB10．邏輯操作位尋址功能11．雙列直插 40PinDIP 封裝12．單一+5V 電源供電 [11] 8051 單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)地址線寬達(dá) 16 條，即外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器的尋址范圍達(dá) 64kB，這作為單片機(jī)控制來說已是比較大的，這同時(shí)具備對(duì) I/O 口的訪問能力。3．指令系統(tǒng)近乎完善指令系統(tǒng)中包含了全面的數(shù)據(jù)傳送指令、完善的算術(shù)和邏輯運(yùn)算指令、方便的邏輯操作和控制指令、對(duì)于編程來說，是相當(dāng)靈活和方便的。由于屬于芯片化的微型計(jì)算機(jī)，各功能部件在芯片中的布局和結(jié)構(gòu)達(dá)最優(yōu)化，抗干擾能力加強(qiáng)，工作亦相對(duì)穩(wěn)定。 8051 單片機(jī)的時(shí)鐘和復(fù)位電路外圍復(fù)位電路選用了按鍵復(fù)位電路，電路圖如圖 31 所示：）23 圖 31 復(fù)位電路在復(fù)位結(jié)束時(shí)，I/O 引腳都復(fù)位為“1” ，在振蕩器工作時(shí)，保持 RST 連續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期為高電平就實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。10pF[28]。圖 35 中給出了 K 型熱電偶產(chǎn)生的對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)冷端的溫電勢(shì)，由此圖可知，K 型熱電偶在 0℃時(shí)的輸出為 0mV，1000℃時(shí)的輸出為 。 的主要特點(diǎn)如下：）27? 非線性誤差：AD574AJ 為177。? 輸入模擬信號(hào)范圍可為 0～＋10V，0～＋20V，也可以雙極性177。? 利用不同的控制信號(hào)，既可實(shí)現(xiàn)高精度的 12 位轉(zhuǎn)換，又可作快速的 8 位轉(zhuǎn)換。只有 CS 和 CE 同時(shí)有效，AD574A 才能工作。當(dāng)為高電平時(shí)，輸出數(shù)據(jù)為 12 位；當(dāng)為低8電平時(shí)，數(shù)據(jù)是作為兩個(gè) 8 位字輸出。AD 轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)輸出也通過 P0 數(shù)據(jù)總線連至 8051，由于我們只使用了 8 位數(shù)據(jù)口，12 位數(shù)據(jù)分兩次讀進(jìn) 8051，所以 R/ 接地。如圖 37 8051 單片機(jī)與 AD574 的接口電路）30果說單片機(jī)前向通道反映了對(duì)監(jiān)控對(duì)象的檢測(cè)過程，那么后向通道反映的是對(duì)檢測(cè)對(duì)象的控制和調(diào)節(jié)過程。為了達(dá)到過零觸發(fā)的目的，需要交流電過零檢測(cè)電路，此電路輸出對(duì)應(yīng)于50Hz 交流電壓過零時(shí)刻的脈沖，作為觸發(fā)雙向可控硅的同步脈沖，使可控硅在交流電壓過零時(shí)刻觸發(fā)導(dǎo)通，電路如 39 圖所示：）31圖 39 溫度控制電路在上圖中電壓表較器 LM311 用于把 50Hz 正弦交流電壓變成方波。鍵盤顯示電路圖如圖 310 所示：）32 圖 310 顯示電路在顯示數(shù)碼管中，顯示哪一位由字位信號(hào)決定的，而數(shù)碼管顯示什么字符是由字行信號(hào)決定的。系統(tǒng)由 8051 經(jīng)數(shù)據(jù)總線將要顯示的電阻爐的溫度的數(shù)據(jù)傳遞給 8255，經(jīng) 8255 實(shí)現(xiàn)溫度的顯示。動(dòng)態(tài)掃描的方式是：在每一個(gè)瞬間只使某一位亮，顯示相應(yīng)的字符，在此瞬間字型控制 I/O 輸出字型代碼。控制算法通常是編成相應(yīng)的程序存儲(chǔ)起來，一旦微型機(jī)投入運(yùn)行就需要執(zhí)行這些程序。PID 控制是單片機(jī)控制系統(tǒng)中一種最常用的控制算法。TD= TK 為純比例作用下的臨界周期。，以最高位作為符號(hào)位，最高位為 0 表示正數(shù)，為l 表示負(fù)數(shù)，正、負(fù)數(shù)都用補(bǔ)碼表示，最后的計(jì)算結(jié)果則以原碼輸出。在 T0 中斷服務(wù)程序中，8051 把計(jì)算出的 PID 值得補(bǔ)碼送入 TL0，使 置為高電平“1”狀態(tài)和啟動(dòng) T1 工作，另一方面是進(jìn)行溫度標(biāo)度轉(zhuǎn)換、把本次采樣的溫度值放入顯示緩沖區(qū)和調(diào)用溫度顯示程序，然后等待 T1中斷，并在該中斷服務(wù)程序中使 復(fù)位成低電平“0”狀態(tài)，以便在 引腳上形成一個(gè)正控制脈沖，控制加在可控硅管控制板上過零同步脈沖個(gè)數(shù)，達(dá)到對(duì)爐內(nèi)溫度的調(diào)節(jié)。前者的典型代表為 50Hz 的工頻干擾。數(shù)字濾波克服了模擬濾波器的不足，它與模擬濾波器相比，有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):（1）數(shù)字濾波是用程序?qū)崿F(xiàn)的，不需要增加硬設(shè)備，所以可靠性高，穩(wěn)定性好。由于數(shù)字濾波器具有以上優(yōu)點(diǎn)，所以數(shù)字濾波在微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用 [16]。因此，采用算術(shù)平均法后，使信噪比提高了倍。當(dāng) N 較小時(shí)，1NiiyX???21*NiiC??*SSC?*1i?NS])(min[21??NiyE）44平滑度較低但靈敏度高。二是選取適當(dāng)?shù)?x、y 的數(shù)據(jù)格式。（2）滑動(dòng)平均值濾波程序算術(shù)平均濾波法，每計(jì)算一次數(shù)據(jù)，需測(cè)量 N 次。滑動(dòng)平均值法采用隊(duì)列作為測(cè)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，隊(duì)列的隊(duì)長(zhǎng)固定為 N，每進(jìn)行一次新的測(cè)量，把測(cè)得的結(jié)果放入隊(duì)尾，而扔掉原來隊(duì)首的一個(gè)數(shù)據(jù)，這樣在隊(duì)列始終有 N 個(gè)最新的數(shù)據(jù)。但是有時(shí)為了提高濾波效果，將各采樣值取不同的比例，然后再相加，此種方法即為加權(quán)平均法。各加權(quán)系數(shù)用一個(gè)表格存放在 ROM 中。如果采用一般的平均值法，則干擾將“平均”到計(jì)算結(jié)果上去，故平均值法不易消除由干擾脈沖引起的采樣值的偏差。它具有計(jì)算方便、速度快、需存儲(chǔ)容量小等特點(diǎn)，因而得到了廣泛的應(yīng)用。程序判斷濾波根據(jù)濾波方法不同，可分限幅濾波和限速濾波兩種。如果相鄰兩次采樣值最大變化范圍不超過04H，取反為即為0FBH。|x3xl|≦△x，則 x3 輸入計(jì)算機(jī)。 幾種濾波方法的比較以上介紹了幾種常用的數(shù)字濾波程序。（2）濾波時(shí)間在考慮濾波效果的前提下，應(yīng)盡量采用執(zhí)行時(shí)間比較短的程序，如果微機(jī)的時(shí)間允許，則可采用效果較好的復(fù)合濾波程序。因此，在設(shè)計(jì)微機(jī)控制系統(tǒng)時(shí)，要不要數(shù)字濾波，或者到底采用哪一種形式的濾波方法，一定要根據(jù)實(shí)驗(yàn)后確定，絕對(duì)）47不能照搬硬套?？? 結(jié)本設(shè)計(jì)主要是對(duì)電阻爐溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究。本論文是我三個(gè)月來不斷努力的成果。存在欠缺和需要改善的地方，請(qǐng)各位答辯老師指正。更重要得是，我從她那里不僅學(xué)習(xí)到知識(shí)，而且掌握了許多學(xué)習(xí)方法，增長(zhǎng)了學(xué)習(xí)