【正文】 直接數(shù)字控制（ DDC） ,推斷控制，預(yù)測控制，模糊控制（ Fuzzy），專家控制（ Exper Control），魯棒控制（ Robust Control），推理控制等。 單片微型計(jì)算機(jī)的功能不斷的增強(qiáng)，為先進(jìn)的控制算法提供的載體，許多高性能的新型機(jī)種應(yīng)運(yùn)而生。 課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及趨勢 當(dāng)前，隨著電氣信息技術(shù)在加熱爐系統(tǒng)中的應(yīng)用，發(fā)達(dá)國家如美國，德國，日本，澳大利亞等成功開發(fā)了一些列用途廣泛，功能極強(qiáng)的溫度控制器，隨著電力資源的日趨緊張及信息技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán) 的爐溫控制系統(tǒng)不僅具有廣闊的市場前景，而且具有巨大的社會(huì)效益。 在我國，節(jié)約電力資源的潛力非常大。特別是用于傳統(tǒng)工業(yè)電熱爐加熱方面對電力資源的利用極為不合理。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)可靠性高。而基于精確數(shù)學(xué)模型的常規(guī)控制難以滿足加熱工藝曲線的要求。本文采用的基于單片機(jī)的自動(dòng)化控制加熱系統(tǒng)是將自動(dòng)控制與電加熱系統(tǒng)有機(jī)的結(jié)合起來，使加熱系統(tǒng)在無人干預(yù)的情況下通過控制器按規(guī)定的程序或指令實(shí)現(xiàn)對電加熱的自動(dòng)控 制。它的存在，提高了電氣的品質(zhì)，增加了智能溫度測量與控制電器的功能；并在智能溫度測量與控制電器中執(zhí)行模擬人類智能的進(jìn)程。 設(shè)計(jì)并開發(fā)以單片機(jī)為控制核心，外置數(shù)據(jù)采集電路、功率控制電路、鍵盤與顯示電路和報(bào)警電路等電路的硬件設(shè)計(jì)。 ① 設(shè)計(jì)要求： 可根據(jù)獨(dú)立鍵盤按鍵設(shè)定目標(biāo)溫度，實(shí)現(xiàn)溫度的調(diào)試，能夠通過 LCD 顯示器顯示控溫時(shí)的實(shí)際爐溫和恒溫時(shí)間等信息。軟件設(shè)計(jì)包括鍵盤按鍵電路軟件設(shè)計(jì)及 LCD 顯示電路的軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)把傳感器送來的溫度信號(hào)進(jìn)行放大、比較、 運(yùn)算等后再輸出控制信號(hào)，觸發(fā)執(zhí)行裝置，實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)控制。這種方案不僅具有和方案二同樣的控制精度，而且整個(gè)電路的穩(wěn)定性比方案二更高，但是 PLC 的價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單片機(jī)，其不適合大批量的生產(chǎn)，所以考慮價(jià)格因素，此種方案不宜選擇。系統(tǒng)控制核心采用單片機(jī) AT89c5此外還包括溫度檢測電路、鍵盤、顯示電路、溫度控制電路等部分組成。控制器的輸出經(jīng)標(biāo)度變換后送給由 通過 T0 送至固態(tài)繼電器，從而 改變電阻爐單位時(shí)間內(nèi)電壓導(dǎo)通的百分比 ,從而控制電阻爐加熱功率，起到調(diào)溫的作用。 后向通道就是我們所說的溫度控制電路，溫度控制電路部分由控制信號(hào)，固態(tài)繼電器和電阻絲組成。電阻爐爐溫控制是這樣一個(gè)反饋調(diào)節(jié)過程，比較實(shí)際爐溫和需要爐溫得到偏差，通過對偏差的處理獲得控制信號(hào)，去調(diào)節(jié)電阻爐的熱功率，從而實(shí)現(xiàn)對爐溫的控制。在中斷服務(wù)程序中啟動(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)。 二位式調(diào)節(jié) 它只有開、關(guān)兩種狀態(tài)，當(dāng)爐溫低于限給定值時(shí)執(zhí)行器全開；當(dāng)爐溫高于給定值時(shí)執(zhí)行器 全閉。微分調(diào)節(jié)是指調(diào)節(jié)器的輸出與偏差對時(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)。按測量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類，按照傳感器材料及電子元件特性分為熱電阻和熱電偶兩類，按照傳感器材料及電子元件特性分為熱電阻和熱電偶兩類。進(jìn)行超高溫警告等。 鍵盤：是人工設(shè)定時(shí)間，溫度等的輸入通道，單片機(jī) I/O 接口控制，通過鍵盤錄入設(shè)定時(shí)間，設(shè)定溫度，有的按鍵在不同的情況下可以實(shí)現(xiàn)不同的功能。由于具有以上優(yōu)點(diǎn)，單片機(jī)被廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，如工業(yè)控制系統(tǒng)、智能化儀表、自動(dòng)檢測、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等各個(gè)方面。 圖 單片機(jī) AT89C51 的引腳圖 AT89C51 單片機(jī)的功能特性 數(shù)據(jù)保留時(shí)間： 10 年 32 可編程 I/O 線 低功耗的閑置和掉電模式 操作的結(jié)果一般送回累加器 ACC（ Accumulator），而其狀態(tài)信息送至程序狀態(tài)寄存器 PSW（ Program Status Word）。 3．內(nèi)部程序存儲(chǔ)器： AT89C51 共有 4KB（地址為： 0000H～ 0FFFH）的 flash程序存儲(chǔ)器，用于存放程序、原始數(shù)據(jù)或表格常數(shù)。 長春工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)論文 12 6．串行口： AT89C51 單片機(jī)有一個(gè)全雙工的串行接口，以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和其他設(shè)備之間的串行數(shù)據(jù)傳送。 8．時(shí)鐘電路： AT89C51 芯片的內(nèi)部有時(shí)鐘電路，但石英晶體和微調(diào)電容需外接。 （二） 輸入 /輸出（ I/O)引腳 P0、 P P2和 P3 P0口： P0口為一個(gè) 8位漏級(jí)開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。 P1 口： P1 口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。并因此作為輸入時(shí)， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。 P2口在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 P3口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表所示： 管腳 （備選功能） RXD（串行輸入口） 長春工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)論文 13 TXD（串行輸出口） /INT0（外部中斷 0） /INT1（外部中斷 1） T0（記時(shí)器 0 外部輸入） T1（記時(shí)器 1 外部輸入） /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通） /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。如想禁止 ALE的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。 /PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。注意加密方式 1時(shí)， /EA 將內(nèi)部鎖定為 RESET；當(dāng) /EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。 振蕩器特性 : XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出。有余輸入至內(nèi)部 時(shí)鐘信號(hào) 要通過一個(gè)二分 頻觸發(fā)器，因此對外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。由于單片機(jī)電路是時(shí)序數(shù)字電路，它需要穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)，因此在電源上電時(shí)只有當(dāng) VCC 以及晶體振蕩器穩(wěn)定工作時(shí)，復(fù)位信號(hào)才被撤除，單片機(jī)電路才開始正常工作。幾個(gè)毫秒后，單片機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)。外接石英晶體及電容接在放大器的反饋回路中并構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。 從資料中查到，目前在溫度測量領(lǐng)域內(nèi)除了廣泛使用熱電偶外，電阻溫度計(jì)也得到了廣泛的應(yīng)用，尤其工業(yè)生產(chǎn)中 120～ +500℃范圍內(nèi)的溫度測量常常使用電阻溫度計(jì)。在本系統(tǒng)中，采用的是高精度的集成芯片 MAX6675來完成“熱電偶電勢 溫度”的轉(zhuǎn)換，不需要外圍電路、 I/O 接線簡單、精度高、成本低。 K 型熱電偶可以直接測量各種生產(chǎn)中從 0℃ 到 1300℃ 范圍的液體蒸汽和氣體介質(zhì)以及固體的表面溫度。 正極（ KP）的名義化學(xué)成分為： Ni： Cr=92： 12，負(fù)極（ KN）的名義化學(xué)成分為： Ni： Si=99： 3，其使用溫度為 200～ 1300℃ 。 圖 熱電偶溫度計(jì)示意圖 按右圖組成的熱電偶 芯 及測溫電偶絲 1 ，如果將熱電偶的熱端加熱，使得冷、熱兩端的溫度不同，則在該熱電偶回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電勢，這種物理現(xiàn)象就稱為熱電現(xiàn)象 (即熱電效應(yīng) )。因此，在 A、 B兩導(dǎo) 體的接觸面上便形成一個(gè)由A 到 B的靜電場，這個(gè)電場將阻礙擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的繼續(xù)進(jìn)行，同時(shí)加速電子向相反方向運(yùn)動(dòng)，使從 B 到 A 的電子數(shù)增多，最后達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。這樣將 1產(chǎn)生的溫差熱電勢通過連接導(dǎo)線 2在顯示儀表 3中顯示出來。 (4)溫度動(dòng)圈表安裝時(shí)，開孔尺寸要合適，安裝要美觀大方。 (7)接線要合理美觀，表針指示要正確。 MAX6675 的性能特點(diǎn) ① 簡單的 SPI 串行口溫度值輸出； ② 0℃～ +1024℃的測溫范圍； ③ 12 位 ℃的分辨率； ④ 片內(nèi)冷端補(bǔ)償； ⑤ 高阻抗差動(dòng)輸入； ⑥ 熱電偶斷線檢測； ⑦ 單一 +5V 的電源電壓； ⑧ 低功耗特性； ⑨ 工作溫度范圍 20℃～ +85℃； ⑩ 20xxV 的 ESD 保護(hù)。 MAX6675 內(nèi)部具有將熱電偶信號(hào)轉(zhuǎn)換為與 ADC 輸入通道兼容電壓的信號(hào)調(diào)節(jié)放大器， T+和 T輸入端連接到低噪聲放大器 A1，以保證檢測輸入的高精度，同時(shí)使熱電偶連接導(dǎo)線與干擾源隔離。上式中， Vout 為熱電偶輸出電壓（ mV）， tR是測量點(diǎn)溫度； tAMB 是周圍溫度。 MAX6675 是通過冷端補(bǔ)償檢測和校正周圍溫度變化的。因此在實(shí)際測溫應(yīng)用時(shí)，應(yīng)盡量避免在 MA X6675附近放置發(fā)熱器件或元件，因?yàn)檫@樣會(huì)造成冷端誤差。為降低電源噪聲的影響，可在MAX6675 的電源引腳附近接入 1只 F陶瓷旁路電容。 MAX6675 從 SPI 串行接口輸出數(shù)據(jù)的過程如下： MCU 使 CS 變低并提供時(shí)鐘信號(hào)給 SCK，由 SO 讀取測量結(jié)果。相反，當(dāng) CS引腳從低電平變回高電平時(shí)， MAX6675將進(jìn)行新的轉(zhuǎn)換。需要指出的是：在以往的熱電偶電路設(shè)計(jì)中，往往需要專門的斷線檢測電路，而 MAX6675 已將斷線檢測電路集成于片內(nèi)，從而簡化了電路設(shè)計(jì)。圖中 數(shù)據(jù)串行輸出口 由微處理器的 提供 ,片選信號(hào)由 提供 , 串行時(shí)鐘輸入端 由 讀取。對電阻絲通斷的控制采用 SSR40DA 固態(tài)繼電器。固態(tài)繼電器內(nèi)部采用電壓過零時(shí)開啟，負(fù)載過零時(shí)關(guān)斷的特性，在負(fù)載上可以得到一個(gè)完整的正弦波形。廣泛應(yīng)用于電力保護(hù)、自動(dòng)化、運(yùn)動(dòng)、遙控、測量和通信等裝置中。這樣吸合、釋放，從而達(dá)到了電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。熱敏干簧繼電器不用線圈勵(lì)磁，而由恒磁環(huán)產(chǎn)生的磁力驅(qū)動(dòng)開關(guān)動(dòng)作。按開關(guān)型式可分為常開型和常閉型。 直流電阻 是指繼電器中線圈的直流電阻，可以通過萬能表測量。 釋放電流 是指繼電器產(chǎn)生釋放動(dòng)作的最大電流。它決定了繼電器能控制電壓和電流的大小，使用時(shí)不能超過此值，否則很容易損壞繼電器的觸點(diǎn)。 測量吸合電壓和吸合電流 找來可調(diào)穩(wěn)壓電源和電流表，給繼電器輸入一組電壓，且在供電回路中串入電流表進(jìn)行監(jiān)測。一般情況下，繼電器的釋放電壓約在吸合電壓的10～ 50％，如果釋放電壓太?。ㄐ∮?1/10 的吸合電壓），則不能正常使用了，這樣會(huì)對電路的穩(wěn)定性造成威脅，工作不可靠。 繼電器的觸點(diǎn)有三種基本形式： （ H型）線圈不通電時(shí)兩觸點(diǎn)是斷開的，通電后，兩個(gè)觸點(diǎn)就閉 合。 （ Z型）這是觸點(diǎn)組型。用 “ 轉(zhuǎn) ” 字的拼音字頭“ Z” 表示。 ，可查找相關(guān)資料，找出需要的繼電器的型號(hào)和規(guī)格號(hào)。若是用于一般用電器，除考慮機(jī)箱容積外，小型繼電器主要考慮電路板安裝布局。 LCD1602是指顯示的內(nèi)容為 16X2,即可以顯示兩行，每行 16個(gè)字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）。 長春工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)論文 26 圖 313 液晶顯示電路 鍵盤電路設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)是以單片機(jī) AT89C51 為核心的一個(gè)鍵盤 LED 顯示電路，顯示電路采用智能儀表中普遍采用的串行口擴(kuò)展并行口的靜態(tài)顯示電路，顯示穩(wěn)定，亮度高。 4 個(gè)按鍵編號(hào)為 K0～ K3。鍵盤可以分為兩種，即編碼鍵盤和非編碼鍵盤。 2）、通過輸出口輸出數(shù)據(jù)，逐一使一條行線為低電平（其他 3 條為高電平），然后通過輸入口讀 4 根列線的狀態(tài)，若全為高電平，則此行無鍵按下，若不全為高電平，說明這一行有鍵按下，且按鍵位于此行與電壓為低電平的列線交叉點(diǎn)。 K0 按下時(shí)，必在行線輸出 0111B,列線讀得 0111B 時(shí)，其鍵值 01110111B=77H。 此鍵盤查詢設(shè)計(jì)時(shí)，將 77H～ BBH 鍵碼按照 0～ 3連續(xù)排列。 2）、翻轉(zhuǎn)：將與行線相連的斷口設(shè)置為輸出，與列線相連的端口設(shè)置為輸入（ P0 口高 4位輸出，低四位輸入），然后把 1)中從行線得到的 4位二進(jìn)制數(shù)向列線輸出。當(dāng)按鍵閉合時(shí)，單片機(jī)的 到 P04P07 口 。 3 鍵用于增加一個(gè)數(shù)，按下一次在原基礎(chǔ)上加 1，這個(gè)值在 09之間變化。選擇 3鍵為增加鍵，按下一次在原基礎(chǔ)上增加 1，這個(gè)值在 09之間變化。當(dāng) “ 0”時(shí)，經(jīng) 74LS04 的反向輸出高電平，蜂鳴器鳴叫并點(diǎn)亮發(fā)光二級(jí)管；當(dāng) 輸出高電平“ 1”時(shí)，蜂鳴器停止發(fā)聲，發(fā)光二級(jí)管熄滅。 R0和 DI端分別為接收器的輸出和驅(qū)動(dòng)器的輸入端，分別與單片機(jī)的串行輸入端 RXD和數(shù)據(jù)輸出端 TXD相連； RE和 DE端分別為接收和發(fā)送的使能端，與單片機(jī)的 。當(dāng) A引腳的電平高于 B時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為 l；當(dāng) A的電平低于 B端時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為 0。所以在單片機(jī)電源設(shè)計(jì)中常使用輸出電壓固定的集成穩(wěn)壓器，作為穩(wěn)壓器件。本設(shè)計(jì)中所采用的直流穩(wěn)壓電路如圖所示，首先將 220V、 50Hz的市電轉(zhuǎn)換成相應(yīng)較小的電壓，后又經(jīng)整流橋?qū)⒔涣麟妷恨D(zhuǎn)換成直流電壓，此過程又將損耗一部分電壓。本設(shè)計(jì)出于簡化電路的目的，所以省略了以上兩步，電路系統(tǒng)原理圖如圖 所示： Vin1GND3+5V2LM7805C5100pFC72200pFC4100pFC6T1TransAC220V50Hz N1 N28V+5V 長春工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)論文 30 圖 電源電路的設(shè)計(jì) 抗干擾設(shè)計(jì) 抗干擾渠道 系統(tǒng)的抗干擾性能的好壞是影響系統(tǒng)可靠性的