【正文】 為期近半個(gè)學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計(jì)，我不但上網(wǎng)查閱一 些單片機(jī)應(yīng)用知識(shí)的資料，并對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)所需資料進(jìn)行了仔細(xì)的了解和收集，為畢業(yè)設(shè)計(jì)做了充分的準(zhǔn)備，也培養(yǎng)了我獨(dú)立思考和動(dòng)手能力，同時(shí)也讓我了解了自己的不足，完善自我?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。它是根據(jù)被控過(guò)程的特性確定 PID 控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。 （ 2）手動(dòng)咱動(dòng)切換時(shí)仲擊小， 便于實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)切換。將上式帶入 PID 控制 規(guī)律可得離散的 PID 表達(dá)式為： )]}1()([)()({)( 0 ????? ?? kekeTTjeTTkeKku ki DIP () 或 ?? ?????ki DIP kekeKjeKkeKku 0 )]1()([)()()( () 式中 ： u(k) － 第 k次采樣時(shí)刻的計(jì)算機(jī)輸出值； e(k)－ 第 k次采樣時(shí)刻輸入的偏差值； e(k1) － 第 (k1)次采樣時(shí)刻輸入的偏差值： IK 積分系數(shù)， IK = PK T／ IK ； DK － 微分系數(shù) ， DK = PK DK ／ T 。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后（ delay）組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。 （ 2）積分（ I）控制 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。 當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為方便。若有超溫標(biāo)志，還應(yīng)打開蜂鳴器報(bào)警。 為高電平時(shí)三極管關(guān)斷，蜂鳴器不工作。因?yàn)樨?fù)載若為感性，可控硅通斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的反電動(dòng)勢(shì)，可能引起可控硅的損壞，在相關(guān)電路上并聯(lián)吸收電路后，就能削弱高的瞬時(shí)電壓， 從而保護(hù)可控硅。當(dāng)輸入端 2 兩腳輸入的電流為零時(shí)，內(nèi)部雙向晶閘管關(guān)斷。其電路連接圖見圖 所示。 表 24 MAX6675 SO 端輸出數(shù)據(jù)的格式 位 空標(biāo)志位 12 位溫度讀 熱電偶輸入 設(shè)備身份 狀態(tài) 位 15 0 14 MSB 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 LSB 2 1 0 0 三態(tài) 圖 MAX6675 SPI 接口時(shí)序 3. 接口電路 下面給出 MAX6675 應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)的具體方法。 ? 噪聲補(bǔ)償 MAX6675 的測(cè)量精度對(duì)電源耦合噪聲較敏感。當(dāng)冷端溫度波動(dòng)時(shí)， MAX6675 仍能精確檢測(cè)熱端的溫度變化。通過(guò)冷端溫度補(bǔ)償二極管，產(chǎn)生補(bǔ)償電壓 U2 經(jīng) S4 輸入 ADC 轉(zhuǎn)換器。測(cè)量時(shí)，將工作端置于被測(cè)溫度場(chǎng)中，自由端恒定在某 一溫度。如果能將上述的功能集成到一個(gè)集成電路芯片中，即采用單芯片來(lái)完成信號(hào)放大、冷端補(bǔ)償、線性化及數(shù)字化輸出功能，則將大大簡(jiǎn)化熱電偶在嵌入式領(lǐng)域的應(yīng)用設(shè)計(jì)。 據(jù)要求，本系統(tǒng)的溫度檢測(cè)電路主要由溫度傳感器、運(yùn)算放大器、及 A/D 轉(zhuǎn)換器組成。上電復(fù)位是指在給系統(tǒng)上電時(shí)，復(fù)位電路通過(guò)電容加到 RST 復(fù)位引腳一個(gè)短暫的高電平信號(hào)，這個(gè)復(fù)位信號(hào)隨著 VCC 對(duì)電容的充電過(guò)程而回落，所以 RST 引腳復(fù)位的高電平維持時(shí)間取決于電容的充電時(shí)間。電源電路的穩(wěn)定性決定著整個(gè)電路的可靠程度 。 本設(shè)計(jì)顯示接口電路由 4 個(gè)共陽(yáng)極 LED 數(shù)碼顯示管、 4 個(gè) 9012 三極管和限流電阻組成。 LED 數(shù)碼顯示器有兩種連接方法 [2]：（ 1）共陽(yáng)極接法。因此， 150pF/m 的通信電纜的最大通信距離為 15m，若每米電纜的電容量有所減少，則通信距離即可增長(zhǎng)。 AT89S51 單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，該高增益反向放大器的輸入端為芯片引腳 XTAL1，輸出端為引腳 XTAL2。在不做總線時(shí)，也可以作為普通 I/O 口使用。 4. 輸入 /輸出引腳（ P0、 P P2 和 P3 端口引腳） ? ~： P0 口的 8 位 I/O 端口。 ? PSEN ：片外程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)端。 3. 控制信號(hào)引腳 RST、 ALE/ PROG 、 PSEN 、 EA /VPP ? RST：復(fù)位輸入端。 AT89S51 的主要特性如下： ? 壽命達(dá) 1000 寫 /擦循環(huán) ? 數(shù)據(jù)保留時(shí)間： 10 年 ? 全靜態(tài)工作： 0Hz33Hz ? 4K 字節(jié)在系統(tǒng)編程（ ISP） Flash 閃速存儲(chǔ)器 ? 1288 位內(nèi)部 RAM 湖南工業(yè)大學(xué) 本 科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 ? 32 可編程 I/O 線 ? 2 個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 ? 6 個(gè)中斷源 ? 可編程串行通道 ? 低功耗閑置和掉電模式 ? 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 ? 看門狗（ WDT）及雙數(shù)據(jù)指針 ? 與 MCS51 產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容 ? 的工作電壓范圍 ? 全雙工串行 UART 通道 ? 中斷可從空閑模式喚醒系統(tǒng) 圖 AT89S51 引腳圖 AT89S51 單片機(jī)的引腳功能： 1. 主電源引腳 GND 和 VCC GND：接地。相對(duì)而言，單片機(jī)體積小，重量輕、抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)環(huán)境要求不高，并且價(jià)格低廉、可靠性高、靈活性好，開發(fā)較為容易。 加熱爐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 如 圖 所示。 加入觸媒后的溫度采用恒值控制。 （ 2） 商品化產(chǎn)品以 PID 控制器為主，智能化儀表少，這方面同國(guó)內(nèi)外差距較大。目前，國(guó)內(nèi)外溫度控制儀表正朝著高精度、智能化、小型化等方向發(fā)展。操作不方便，控制數(shù)據(jù)無(wú)法保存。 反應(yīng)爐是一種具有純滯后的大慣性系統(tǒng)，開關(guān)爐門、加熱材料、環(huán)境溫度以及電網(wǎng)電壓等都影響控制過(guò)程，傳統(tǒng)的加熱爐控制系統(tǒng)大多建立在一定的模型基礎(chǔ)上，難以保證加熱工藝要求。 （ 2020 屆 ） 本 科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）資料 題 目 名 稱： 基于單片機(jī)的溫度測(cè)控系統(tǒng) 學(xué) 院（部）： 電氣與信息工程學(xué)院 專 業(yè)： 機(jī)電一體化 工程 學(xué) 生 姓 名： XXXXXXX 班 級(jí)： XXXXXXXXXXX 學(xué)號(hào) XXXXXXXXXXXX 指導(dǎo)教師姓名： XXXXX 職稱 教授 最終評(píng)定成績(jī) ： 湖南工業(yè)大學(xué)教務(wù)處 （ 2020 屆） 本 科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于單片機(jī)的溫度測(cè)控系統(tǒng) 學(xué) 院（部）： 電氣與信息工程學(xué)院 專 業(yè)： 機(jī)電一體化 工程 學(xué) 生 姓 名： XX XX XX 班 級(jí)： XXXXXXX 學(xué)號(hào) XXXXXXXXXXX 指導(dǎo)教師姓名： XXXX 職稱 教授 最終評(píng)定成績(jī) 2020 年 6 月湖南工業(yè)大學(xué) 本 科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） I 摘 要 針對(duì) 目前爐溫控制系統(tǒng)不穩(wěn)定、精度差、加熱溫度低、安全系數(shù)不好的問(wèn)題， 提出了一個(gè)實(shí)用合理的方案 。 反應(yīng)爐是熱處理生產(chǎn)中應(yīng)用最廣的加熱設(shè)備，通過(guò)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(duì)流的傳熱方式加熱工件。因而，對(duì)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(dòng)強(qiáng)度大、勞動(dòng)效率低 ，這些都影響了企業(yè)的效益。 微處理技術(shù)的發(fā)展和數(shù)字智能式控制器的實(shí)際應(yīng)用， 在控制領(lǐng)域出現(xiàn)的一系列新的技術(shù)課題之一的被控對(duì)象動(dòng)靜態(tài)參數(shù)、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、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(biāo)，這是自適應(yīng)控制的最基本特證，自適應(yīng) 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(shí)變特性，使控制對(duì)象達(dá)到一定的目標(biāo)。目前國(guó)內(nèi)企業(yè)復(fù)雜的及精度要求高的溫度控制系統(tǒng)太多采用進(jìn)口溫度控制儀表。前期為 370℃ ，中期為 380℃ ， 后期為 390℃ 。 進(jìn) 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(jié)構(gòu)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(cè)電路、加熱控制電路、電源電路、溫度顯示電路、報(bào)警等電路組成。目前，在我國(guó)，單片機(jī)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于智能儀器儀表、機(jī)電設(shè)備過(guò)程控制、自動(dòng)檢測(cè)、家用電器和數(shù)據(jù)處理等各個(gè)方面 。 VCC：主電源 +4～ +。在該引腳輸入 2 個(gè)機(jī)器周期以上的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。在訪問(wèn)片外程序存儲(chǔ)器取指令期間，PSEN 信號(hào)在 12 個(gè)時(shí)鐘周期中兩次生效。在訪問(wèn)片外存儲(chǔ)器時(shí)，它分時(shí)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(jiǎn)寫做 AD0~AD7。在對(duì)閃 存編程和驗(yàn)證程序時(shí)，它輸入高 8 位地址。這兩個(gè)引腳跨接石英晶體振蕩器和微調(diào)電容，就構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。 RS232傳輸距離較短的另一原因是其屬于單端信號(hào)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。把發(fā)光二極管的陽(yáng)極連在一 起構(gòu)成公共陽(yáng)極，使用時(shí)公共陽(yáng)極接 +5V，每個(gè)發(fā)光二極管的陰極通過(guò)電阻與輸入端相連。在軟件上采用動(dòng)態(tài)輪流掃描方式，來(lái)控制數(shù)碼管 的顯示。在本設(shè)計(jì)中，整個(gè)系統(tǒng)控制電路需要 +5V 的電源。為了保證系統(tǒng)安全可靠的復(fù)位， RST 引腳的高電平信號(hào)必須維持足夠長(zhǎng)的時(shí)間。經(jīng)固定周期 T 對(duì)加熱爐內(nèi)溫度進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)加熱功能，并使系統(tǒng)安全穩(wěn)定。 Maxim 公司新近推出的 MAX6675 即是一個(gè)集成了熱電偶放大器、冷端補(bǔ)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。熱電偶是基于熱電效應(yīng)工作的，熱電效應(yīng)產(chǎn)生的熱電勢(shì)是由接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)兩部分組成的。 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(cè)量點(diǎn)的實(shí)際溫度值 T。MAX6675 是通過(guò)冷端補(bǔ)償檢測(cè)和校正周圍溫度變化的 。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。這里以 AT89S51 單片機(jī)為例， 給出 MAX6675 與單片機(jī)接口構(gòu)成的測(cè)溫電路及相應(yīng)的溫度值讀取、轉(zhuǎn)換程序。當(dāng)單片機(jī) 端口輸出高電平時(shí)光電耦合器 MOC3041 的 2 端截止則可控硅 BTA12 不導(dǎo)通，加熱絲的瞬時(shí)輸出功率為零；當(dāng)單片機(jī) 端口輸出低電平時(shí)光電藕合器 MOC3041 的 2 端導(dǎo)通則可控硅 BTA 12 一導(dǎo)通，加熱絲的瞬時(shí)輸出功率最大。 MOC3041 在輸出關(guān)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(gè)電流對(duì)外部可控硅的影響。它們?nèi)≈悼拷?jīng)驗(yàn)確定，暫無(wú)一套完整的計(jì)算方法。 Q590 12V C CR34. 7KR41KL E D 2S P E A K E RP 36 圖 報(bào)警電路湖南工業(yè)大學(xué) 本 科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 第 3 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 本 爐溫 控制系統(tǒng)程序由 MCS51 單片機(jī) C 語(yǔ)言編寫，該軟件主要由以下幾個(gè)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 。加熱控制程序如圖 所示 。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象 ， 或 不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用 PID 控制技術(shù)。對(duì)一個(gè)自 動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)。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(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。 式 ()、 () 即為位置式 PID 控制算法。此外，當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)生故 障時(shí)，由子輸出通道或執(zhí)行裝置具有信號(hào)的鎖存功能，故仍 能保持原值。 PID 控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來(lái)有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。利用該方法進(jìn)行 PID 控制器參數(shù)的整定步驟如下： （ 1）首先預(yù)選擇一個(gè)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(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時(shí)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(guò)公式計(jì)算得到 PID 控制器的參數(shù)。 由于是第一次獨(dú)立完成較大的設(shè)計(jì)，所以對(duì)自身來(lái)說(shuō)是一次挑