【正文】 戰(zhàn)。 湖南工業(yè)大學(xué) 本 科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 參考文獻(xiàn) [1] 睢丙東．單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)與實(shí)例 [M]． 北京： 電子工業(yè)出版社 ， 2020： 4346． [2] 王智偉．全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽電路設(shè)計(jì) [M]． 北京： 北京航空航天大學(xué)出版社 ，2020： 2328． [3] 沈紅衛(wèi)． 基于單片機(jī)的智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [M]． 北京： 電子工業(yè)出版社 ， 2020：6877． [4] 李光飛．單 片機(jī) C 程序設(shè)計(jì)實(shí)例指導(dǎo) [M]． 北京： 北京航空航天大學(xué)出版社 ， 2020：5561． [5] 樓然苗 ． 51 系列單片機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)例 [M]． 北京： 北京航空航天大學(xué)出版社 ， 2020： [6] 李光飛．單片機(jī)課程設(shè)計(jì)實(shí)例指導(dǎo) [M]． 北京： 北京航空航天大學(xué)出版社 ， 2020：4751． [7] 樓然苗 ， 李光飛．單片機(jī)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo) [M]． 北京： 北京航空航天大學(xué)出版社 ， 2020：5456． [8] 郭天祥． 51 單片機(jī) C 語言教程 入門、提高、開發(fā)、拓展全攻略 [M]．北京：電子工業(yè)出版社， 2020： 342349． [9] 陶永華 ， 尹恰欣 ， 葛蘆生．新型 PIP控制及其應(yīng)用 [M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2020： 3845． [10] 陶永華． PID控制原理和自整定策略 [J]．工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置， 1997， (4)： 2327． [11] 韓瑞珍 ， 陳國定 ， 楊馬英．基于模糊推理的自整定 PID控制器 [J]．控制工程， 2020，9， (2)： 3235．湖南工業(yè)大學(xué) 本 科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31 致 謝 三年的大學(xué)生活，讓我對(duì)電子、電路及維修方面的理論知識(shí)有了一定的了解和認(rèn)識(shí)，但實(shí)踐出真知，唯有把理論與實(shí)踐相結(jié)合，才能更好地為社會(huì)服務(wù)。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善。 PID 控制器的參數(shù)整定 PID 控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。增量式控制，雖然只是算法上作了一點(diǎn)改進(jìn)，卻帶來不少優(yōu)點(diǎn)： （ 1）由于計(jì)算機(jī)輸出增量，所以誤動(dòng)作是影響小，必要時(shí)可用邏輯判斷的 法去掉。為書寫方便，將 e(kT)簡化表示成 e(k)等，即省去 T。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會(huì) 出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。 PID 控制器問世至今已有近 70 年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。 湖南工業(yè)大學(xué) 本 科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 開 始拉 低 M A X 6 6 7 5 片選 端發(fā) 模 擬 讀 時(shí) 鐘 信 號(hào)讀 一 位 溫 度 數(shù) 據(jù)8 位 數(shù) 據(jù) 完 ？返 回NY 圖 讀溫度程序流程圖 加熱控制程序 加熱控制程序根據(jù)反應(yīng)爐需要的溫度和系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)，決定是否加熱并點(diǎn)亮相應(yīng)的指示燈。當(dāng)單片機(jī) 輸出低湖南工業(yè)大學(xué) 本 科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器工作發(fā)出報(bào)警聲。 R12, C9 為吸收電路，并接在功率可控硅的陽極和陰極之間，起保護(hù)作用。當(dāng)輸入端 2 兩腳輸入 15mA的電流，在 MOC3041 的輸出端 3 腳和 4 腳之間的電壓稍過零時(shí)，內(nèi)部雙向晶閘管導(dǎo)通，觸發(fā)外部雙向可控硅 BTA12 導(dǎo)通。可控硅在電壓為零或剛過零時(shí)觸發(fā)，采用過零觸發(fā)方式。一個(gè)完整串行接口讀操作需 16 個(gè)時(shí)鐘周期，在時(shí)鐘的下降沿讀16 個(gè)輸出位，第 1 位和第 15 位是一偽標(biāo) 志位，并總為 0；第 14 位到第 3 位為以 MSB到 LSB 順序排列的轉(zhuǎn)換溫度值；第 2 位平時(shí)為低，當(dāng)熱電偶輸入開放時(shí)為高，開放熱電偶檢測(cè)電路完全由 MAX6675 實(shí)現(xiàn)，為開放熱電偶檢測(cè)器操作， T必須接地，并使接地點(diǎn)盡可能接近 GND 腳；第 1 位為低以提供 MAX6675 器件身份碼，第 0 位為三態(tài)。為降低芯片自熱引起的測(cè)量誤差， 可在布線時(shí)使用大面積接地技術(shù)提高 MAX6675 溫度測(cè)量精度。冷端即安裝 MAX6675 的電路板周圍溫度 ， 此溫度在 20℃ ～+85℃ 范圍內(nèi)變化。 在將溫度電壓值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的溫度值之前，對(duì)熱電偶的冷端溫度進(jìn)行補(bǔ)償，冷端湖南工業(yè)大學(xué) 本 科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 溫度即是 MAX6675 周圍溫度與 0℃ 實(shí)際參考值之間的差值。兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體組成的閉合回路就構(gòu)成了熱電偶 [5]，熱電偶兩端為兩個(gè)熱電極，溫度高的接點(diǎn)為熱端、測(cè)量端或自由端；溫度低的接點(diǎn)為冷端、參考端或自由端。因此，若將熱電偶應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)時(shí)，須進(jìn)行復(fù)雜的信號(hào)放大、 A/D 轉(zhuǎn) 換、查表線性化、溫度補(bǔ)償及數(shù)字化輸出接口等軟硬件設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)要求對(duì)加熱爐內(nèi)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與檢測(cè)，在充分保證安全的情況下對(duì)待加工器件進(jìn)行處理。上電復(fù)位電路是一種簡單的復(fù)位電路，只要在 RST 復(fù)位引腳接一個(gè)電容到 VCC，接一個(gè)電阻到地就可以了。 abfcgdeD P Y1234567abcdefg8dpdpD S 1共陽abfcgdeD P Y1234567abcdefg8dpdpD S 2共陽abfcgdeD P Y1234567abcdefg8dpdpD S 3共陽abfcgdeD P Y1234567abcdefg8dpdpD S 4共陽P 0 0P 0 1P 0 2P 0 3P 0 4P 0 5P 0 6P 0 7Q29 0 1 2Q19 0 1 2Q39 0 1 2Q49 0 1 2P 2 0P 2 1P 2 2P 2 3V C C 圖 顯示接口電路 電源模塊設(shè)計(jì) 電源電路為整個(gè)控制電路提供電源，是電路設(shè)計(jì)不可缺少的一部分。在本設(shè)計(jì)中所采用的是共陽極 LED數(shù)碼顯示器。數(shù)碼管顯示器成本低，配置靈活，與單片機(jī)接口簡單，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用非常普遍。一般的 PC 機(jī)串行口為標(biāo)準(zhǔn) RS232 口，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定： RS232 采用負(fù)邏輯，即：邏輯 “1”為 5V～ 15V，邏輯 “0”為 +5V～ +15V；另外，驅(qū)動(dòng)器最大只允許有 2500pF 的電容負(fù)載，且通信距離受此電容限制。本設(shè)計(jì)用的是內(nèi)部時(shí)鐘方式。在訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)，它輸出高 8位地址，即 A8~A15。當(dāng)?shù)刂烦?4KB 時(shí)，將自動(dòng)執(zhí)行片外程序存儲(chǔ)器的程序；當(dāng) EA 端接低電平時(shí)， CPU 僅訪問片外程序存儲(chǔ)器，即 CPU 直接從片 外存儲(chǔ)器地址 0000H 單元開始執(zhí)行程序。在片內(nèi)存儲(chǔ)器編程（固化）時(shí)，此引腳用于輸入編程脈沖，此時(shí)為低電平有效。若采用外部時(shí)鐘電路時(shí)，此引腳應(yīng)懸空不用。其引腳如圖 所示。 單片微型計(jì)算機(jī)（單片機(jī)）作為微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)很重要的分支，自問世以來，以其極高的性價(jià)比，收到人們的重視和關(guān)注，因此應(yīng)用廣泛，發(fā)展迅速。 湖南工業(yè)大學(xué) 本 科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 第 2 章 總體方案設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總體 方案設(shè)計(jì) 根據(jù)加熱爐的功能和指標(biāo)要求，本系統(tǒng)可以從 元 件級(jí)開始設(shè)計(jì)，選用 AT89S51 單片機(jī)為主控 機(jī)，通過連接外圍控制電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱爐溫度的測(cè)量和控制。 在升溫階段，控制合成裝置的溫度以每小時(shí) 15℃ 的速率上升 。目前，我國在溫度控制儀表業(yè)與國內(nèi)外的差距主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： （ 1） 行業(yè)內(nèi)企業(yè)規(guī)模小，且較為分散，造成技術(shù)力量不集中，制約技術(shù)發(fā)展。溫度控制系統(tǒng)具有控制精度高、抗干擾力強(qiáng)等特點(diǎn)。控制精度依賴于試驗(yàn)者的調(diào)節(jié)，控制精度不高，一旦生產(chǎn)環(huán)境發(fā)生變化就需要重新設(shè)置。反應(yīng)爐是熱處理技術(shù)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛的 加熱設(shè)備，這樣加熱時(shí)對(duì)均溫過程的測(cè)量與控制就成為關(guān)鍵性的技術(shù)，促使人們更加積極地研究控制加熱加工工藝過程的方法。 該方案是 以 AT89S51 單片機(jī) 為主機(jī)， K 型熱電偶為 測(cè)溫元件 ，采用了集 熱電偶放大器、冷端補(bǔ)償、 A/D 轉(zhuǎn)換器及 SPI 串口數(shù)字轉(zhuǎn)換器 一體的MAX6675，并且分別 闡述 了 LED 顯示電路 、 溫度檢測(cè)電路 、加熱控制電路、電源電路、 報(bào)警與指示電路 的設(shè)計(jì)。熱處理是提高金屬材料及其制品性能的工藝。近年來，雖然引進(jìn)了國外的一些控制器，如日本島的 R 四 3 型 40段 (步 )可編程 PID 調(diào)節(jié)器，全部操作窗口按功能分為 6 個(gè)窗口群，共 95 個(gè)子窗口，其設(shè)置仍然繁雜。同時(shí)，隨著現(xiàn)代控制理論（諸如智能控制、自適應(yīng)模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等）研究和應(yīng)用的發(fā)展和深入，為控制復(fù)雜無規(guī)則系統(tǒng)開辟了新途徑，逐步弱化或取消了對(duì)受控制對(duì)象數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)不變的限制。 （ 3）儀表控制用關(guān)鍵技術(shù)、相關(guān)算法及控制軟件方面的研究較國外滯后。控制精度為 177。控制系統(tǒng)原理框圖如圖 所示。 本次設(shè)計(jì)的溫度控制系 統(tǒng)精度較高，需要的 I/O 接口也比較多，因此采用 AT89S51單片機(jī)作為本系統(tǒng)的微處理器。 2. 時(shí)鐘電路引腳 XTAL1 和 XTAL2 湖南工業(yè)大學(xué) 本 科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 XTAL1：接外部晶體的一端。 ? ALE/ PROG ：地址鎖存允許輸出 /編程脈沖輸入端。不過，在訪問片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 PSEN 信號(hào)不出現(xiàn)。在不做總線時(shí)，也可以作為普通 I/O 口使用。 ? ~： P3 口的 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 端口。 圖 時(shí)鐘電路 湖南工業(yè)大學(xué) 本 科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 上位機(jī)通信設(shè)計(jì) 以單片機(jī)為主體構(gòu)成的分布式數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，以附加電路結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定可靠而被廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制系統(tǒng)中。 而對(duì)于大多數(shù)分布式控制系統(tǒng)來說，其通信距離一般為幾十米到幾千米不等，顯然， RS232 接口不能滿足此類系統(tǒng)的要求，目前廣泛采用的是 RS485 收發(fā)器。當(dāng)陰極端輸入低電平時(shí)，段發(fā)光二極管就導(dǎo)通點(diǎn)亮，而輸入高電平時(shí)則不點(diǎn)亮。單片機(jī)的輸出端口P0 口通過限流電阻與數(shù)碼管的陰極相連，用于控制數(shù)碼管的字形顯示。把市電交流 380V 經(jīng)過變壓器降壓為交流 12V，在通過二極管整流、電容濾波、三端集成穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后輸出 +5V 直流電壓。（ 2）按鍵電平復(fù)位。 熱電偶作為一種主要的測(cè)溫元件，具有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、使用方便、測(cè)溫范圍寬、測(cè) 溫精度高等特點(diǎn)。 1. 性能特點(diǎn) MAX6675 的主要特性如下： ① 簡單的 SPI 串行口溫度值輸出； ② 0℃ ～ 1024℃ 的測(cè)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(cè) ； 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 2020V 的 ESD 保護(hù)。 MAX6675 是一復(fù)雜的單片熱電偶數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 所示。這就是 MAX6675 進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償和測(cè)量溫度 的原理。該器件可將周圍溫度通過內(nèi)部的溫度檢測(cè)二極管轉(zhuǎn)換為溫度補(bǔ)償電壓 ， 為了產(chǎn)生實(shí)際熱電偶溫度測(cè)量值，MAX6675 從熱電偶的輸出和檢測(cè)二極管的輸出測(cè)量電壓。 ? 測(cè)量精度的提高 熱電偶系統(tǒng)的測(cè)量精度可通過以下預(yù)防措施來提高：①盡量采用不能從測(cè)量區(qū)域散熱的大截面導(dǎo)線；②如必須用小截面導(dǎo)線， 則只能應(yīng)用在測(cè)量區(qū)域，并且在無溫度變化率區(qū)域用擴(kuò)展導(dǎo)線；③避免受能拉緊導(dǎo)線的機(jī)械擠壓和振動(dòng)；④當(dāng)熱電偶距離較遠(yuǎn)時(shí)，應(yīng)采用雙絞線作熱電偶連線；⑤在溫度額定值范圍內(nèi)使用熱電偶導(dǎo)線；⑥避免急劇溫度變化；⑦在惡劣環(huán)境中，使用合適的保護(hù)套以保護(hù)熱電偶導(dǎo)線；⑧僅在低溫和小變化率區(qū)域使用擴(kuò)展導(dǎo)線；⑨保持熱電偶電阻的事件記錄和連續(xù)記錄。 MAX6675 為單片數(shù)字式熱電偶放大器，其工作時(shí)無需外接任何的外圍元件，這里為降低電源耦合噪聲，在其電源引腳和接地端之間接入了 1只容量為 μF 的電容。 湖南工業(yè)大學(xué) 本 科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 R 1 03 0 012U 5 A7 4 0 7R92 0 0R 1 239R 1 13 3 0V C CC90 .0 1 u FR 1 3H e a te rF U S E 1QSB A T 1 2~220VP341234U4M O C 3 0 4 1 圖 加熱控制電路 MOC3041 的使用使調(diào)功電路變得非常簡練 [7]，它集光電隔離、過零檢測(cè)功能于一身，具有體積小、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、無噪聲等優(yōu)點(diǎn)。 R10 是 MOC3041 的限流電阻，用于限制流經(jīng) MOC3041 輸出端的電流最大值不超過 1A。 報(bào)警電路設(shè)計(jì) 報(bào)警及指示燈電路如圖 所示。 主程序模塊 在主程序中，主要完成的任務(wù)包括系統(tǒng)的開機(jī)自檢、加熱控制系統(tǒng)各部件的初始化、中斷初始化和實(shí)現(xiàn)各功能子程序的調(diào)用，單片機(jī)通過中斷對(duì)檢測(cè)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。 湖南工業(yè)大學(xué) 本 科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文