【正文】 為期近半個學期的畢業(yè)設(shè)計，我不但上網(wǎng)查閱一 些單片機應用知識的資料，并對畢業(yè)設(shè)計所需資料進行了仔細的了解和收集，為畢業(yè)設(shè)計做了充分的準備，也培養(yǎng)了我獨立思考和動手能力，同時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)被控過程的特性確定 PID 控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。 （ 2）手動咱動切換時仲擊小， 便于實現(xiàn)無擾動切換。將上式帶入 PID 控制 規(guī)律可得離散的 PID 表達式為： )]}1()([)()({)( 0 ????? ?? kekeTTjeTTkeKku ki DIP () 或 ?? ?????ki DIP kekeKjeKkeKku 0 )]1()([)()()( () 式中 ： u(k) － 第 k次采樣時刻的計算機輸出值； e(k)－ 第 k次采樣時刻輸入的偏差值； e(k1) － 第 (k1)次采樣時刻輸入的偏差值： 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的積分成正比關(guān)系。 當被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應用 PID 控制技術(shù)最為方便。若有超溫標志，還應打開蜂鳴器報警。 為高電平時三極管關(guān)斷，蜂鳴器不工作。因為負載若為感性，可控硅通斷時會產(chǎn)生較大的反電動勢，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，就能削弱高的瞬時電壓， 從而保護可控硅。當輸入端 2 兩腳輸入的電流為零時，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 接口時序 3. 接口電路 下面給出 MAX6675 應用于嵌入式系統(tǒng)的具體方法。 ? 噪聲補償 MAX6675 的測量精度對電源耦合噪聲較敏感。當冷端溫度波動時， MAX6675 仍能精確檢測熱端的溫度變化。通過冷端溫度補償二極管，產(chǎn)生補償電壓 U2 經(jīng) S4 輸入 ADC 轉(zhuǎn)換器。測量時，將工作端置于被測溫度場中，自由端恒定在某 一溫度。如果能將上述的功能集成到一個集成電路芯片中，即采用單芯片來完成信號放大、冷端補償、線性化及數(shù)字化輸出功能，則將大大簡化熱電偶在嵌入式領(lǐng)域的應用設(shè)計。 據(jù)要求，本系統(tǒng)的溫度檢測電路主要由溫度傳感器、運算放大器、及 A/D 轉(zhuǎn)換器組成。上電復位是指在給系統(tǒng)上電時，復位電路通過電容加到 RST 復位引腳一個短暫的高電平信號，這個復位信號隨著 VCC 對電容的充電過程而回落，所以 RST 引腳復位的高電平維持時間取決于電容的充電時間。電源電路的穩(wěn)定性決定著整個電路的可靠程度 。 本設(shè)計顯示接口電路由 4 個共陽極 LED 數(shù)碼顯示管、 4 個 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。 AT89S51 單片機內(nèi)部有一個用于構(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，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 ：片外程序存儲器選通信號端。 3. 控制信號引腳 RST、 ALE/ PROG 、 PSEN 、 EA /VPP ? RST：復位輸入端。 AT89S51 的主要特性如下： ? 壽命達 1000 寫 /擦循環(huán) ? 數(shù)據(jù)保留時間： 10 年 ? 全靜態(tài)工作： 0Hz33Hz ? 4K 字節(jié)在系統(tǒng)編程（ ISP） Flash 閃速存儲器 ? 1288 位內(nèi)部 RAM 湖南工業(yè)大學 本 科畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 ? 32 可編程 I/O 線 ? 2 個 16 位定時器 /計數(shù)器 ? 6 個中斷源 ? 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 單片機的引腳功能： 1. 主電源引腳 GND 和 VCC GND：接地。相對而言，單片機體積小，重量輕、抗干擾能力強，對環(huán)境要求不高，并且價格低廉、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，這方面同國內(nèi)外差距較大。目前，國內(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)無法保存。 反應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（論文）資料 題 目 名 稱： 基于單片機的溫度測控系統(tǒng) 學 院（部）： 電氣與信息工程學院 專 業(yè)： 機電一體化 工程 學 生 姓 名： XXXXXXX 班 級： XXXXXXXXXXX 學號 XXXXXXXXXXXX 指導教師姓名： XXXXX 職稱 教授 最終評定成績 ： 湖南工業(yè)大學教務(wù)處 （ 2020 屆） 本 科畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于單片機的溫度測控系統(tǒng) 學 院（部）： 電氣與信息工程學院 專 業(yè)： 機電一體化 工程 學 生 姓 名： XX XX XX 班 級： XXXXXXX 學號 XXXXXXXXXXX 指導教師姓名： XXXX 職稱 教授 最終評定成績 2020 年 6 月湖南工業(yè)大學 本 科畢業(yè)設(shè)計（論文） I 摘 要 針對 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)不好的問題， 提出了一個實用合理的方案 。 反應爐是熱處理生產(chǎn)中應用最廣的加熱設(shè)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。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。 微處理技術(shù)的發(fā)展和數(shù)字智能式控制器的實際應用， 在控制領(lǐng)域出現(xiàn)的一系列新的技術(shù)課題之一的被控對象動靜態(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，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。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。前期為 370℃ ，中期為 380℃ ， 后期為 390℃ 。 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(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。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(shè)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 。 VCC：主電源 +4～ +。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。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。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。在對閃 存編程和驗證程序時，它輸入高 8 位地址。這兩個引腳跨接石英晶體振蕩器和微調(diào)電容，就構(gòu)成一個穩(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)光二極管的陽極連在一 起構(gòu)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。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。在本設(shè)計中，整個系統(tǒng)控制電路需要 +5V 的電源。為了保證系統(tǒng)安全可靠的復位， RST 引腳的高電平信號必須維持足夠長的時間。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。 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。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。 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。MAX6675 是通過冷端補償檢測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 單片機為例， 給出 MAX6675 與單片機接口構(gòu)成的測溫電路及相應的溫度值讀取、轉(zhuǎn)換程序。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。 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 可以消除這個電流對外部可控硅的影響。它們?nèi)≈悼拷?jīng)驗確定，暫無一套完整的計算方法。 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(shè)計（論文） 20 第 3 章 系統(tǒng)軟件設(shè)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 。加熱控制程序如圖 所示 。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(shù)。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)。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。 式 ()、 () 即為位置式 PID 控制算法。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。 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。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)。 由于是第一次獨立完成較大的設(shè)計，所以對自身來說是一次挑