【正文】 .... 9 顯示接口電路 ............................................................................................. 10 電源模塊設(shè)計 ............................................................................................. 10 外部復(fù)位電路設(shè)計 ......................................................................................11 溫度檢測電路設(shè)計 ..................................................................................... 12 加熱控制電路設(shè)計 ..................................................................................... 17 報警電路設(shè)計 ............................................................................................. 18 第 3 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 ................................................................................................... 20 主程序模塊 ............................................................................................................. 20 溫度顯示模塊 ......................................................................................................... 20 溫度采集模塊 ......................................................................................................... 21 溫度采集程序 .............................................................................................. 21 讀溫度程序 .................................................................................................. 22 加熱控制程序 .............................................................................................. 23 第 4 章 PID 控制系統(tǒng) ................................................................................................... 25 PID 控制原理 .......................................................................................................... 25 數(shù)字 PID 控制算法 ................................................................................................. 26 位置式 PID 控制算法 .................................................................................. 26 增量式 PID 控制算法 .................................................................................. 27 PID 控制器的參數(shù)整定 .......................................................................................... 28 結(jié) 論 ................................................................................................................................... 29 湖南工業(yè)大學(xué) 本 科畢業(yè)設(shè)計（論文） IV 參考文獻 ............................................................................................................................ 30 致 謝 ................................................................................................................................... 31 附錄 Ⅰ 系統(tǒng)原理圖 .......................................................................................................... 32 湖南工業(yè)大學(xué) 本 科畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 第 1 章 緒 論 課題研究背景與意義 熱處理是提高金屬材料及其制品質(zhì)量的重要手段。 用調(diào)功方法通過控制光電耦合器通斷時間來控制溫度上升頻率 ， 實現(xiàn)了一套化工合成裝置的單片機溫度采集和控制的方案。 目前我國反應(yīng)爐控制設(shè)備的現(xiàn)狀是一小部分比較先進和大部分比較落后的設(shè)備并存。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 自 1980 年以來，由于工業(yè)過程控制的需要，特別是微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展以及自動化控制理論和設(shè)計方法發(fā)展的推動下，國外溫度控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，尤其是控制方面在智能化，自適應(yīng)，參數(shù) 自整定等方面取得顯著成果。在現(xiàn)有的電加熱爐溫度控制方案中， PID 和模糊控制應(yīng)用最多，也最具代表性。這些差距我們必須努力克服。 最高 溫度連續(xù)三次達到 400℃ 時發(fā)出報警信號 。 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計 爐溫控制系統(tǒng)硬件電路原理圖見附錄 Ⅰ 所示，以下是各個硬件電路設(shè)計模塊分別介紹。片內(nèi)含 4Kbytes 的可反復(fù)擦寫的 Flash 只讀程序存儲器和 128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器 (RAM),可以按照常規(guī)方法進行編程，也可以在線編程。在采用外時鐘時，外部時鐘振蕩信號直接送入此引腳作為驅(qū)動端。在訪問片外存儲器時， ALE 作為鎖存擴展地址 低位字節(jié)的輸出控制信號（稱允許鎖存地址）。 ? EA /VPP：為內(nèi)、外程序存儲器選擇 /編程電源輸入端。 ? ~： P1 口的 8 位準雙向 I/O 端口。 表 22 P3 口各位的第二功能 P3口的各位 第二功能的名稱及作用 RXD（串行口輸入） TXD（串行口輸出） 0INT （外部中斷 0 輸入） 1INT （外部中斷 1 輸入） T0（定時 /計數(shù)器 0 的外部輸入） T1（定時 /計數(shù)器 1 的外部 輸入） WR（片外數(shù)據(jù)存儲器寫選通控制輸出） RD（片外數(shù)據(jù)存儲器讀選通控制輸出） 時鐘電路設(shè)計 時鐘是單片機的心臟，單片機各功能部件的運行都是以時鐘頻率為基準，有條不紊的一拍一拍地工作。使用這些串行通信接口和 RS485 接口驅(qū)動芯片就可以構(gòu)成總線型通信網(wǎng)絡(luò)，從而將多臺單片機系統(tǒng)連接成一個分布式數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)。 該系統(tǒng)的擴展通信接口電路如圖 所示。把發(fā)光二極管的陰極連在一起構(gòu)成公共陰極，使用時公共陰極接地。當端口輸出低電平時，相應(yīng)的三極管導(dǎo)通，使相應(yīng)的數(shù)碼管選通。 湖南工業(yè)大學(xué) 本 科畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 D3D1 D2D4D6P o w e r1 2J1 ~ 2 2 0 VD5C12 2 0 0 u FV in1GND2V o u t3U1C W 7 8 0 5C20 .1 u FC31 0 u FC42 2 0 u FR15 1 0T13 8 0 :1 2+ 5 V 圖 電源電路 外部復(fù)位電路設(shè)計 AT89S51 單片機的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來實現(xiàn)的。復(fù)位如圖 所示。 ① 非線性：熱電偶輸出熱電勢與溫度之間的關(guān)系為非線性關(guān)系，因此在應(yīng)用時必須進行線性化處理。引腳排列如圖 所示，引腳功能 見 表 23。 其工作原理如下： K 型熱電偶產(chǎn)生的熱電勢，經(jīng)過低噪聲電壓放大器 A1 和電壓跟隨器 A2 放大、緩沖后，得到熱電勢信號 U1，再經(jīng)過 S4 送至 ADC。熱電偶輸出的熱電勢經(jīng)低噪聲放大器 A1 放大，再經(jīng)過A2 電壓跟隨器緩沖后，被送至 ADC 的輸入端。當熱電偶的冷端與芯片溫度相等時， MAX6675 可獲得最佳的測 量精度。 MAX6675 SO 端輸出溫度數(shù)據(jù)的格式如表 24， MAX6675 SPI 接口時序如圖 所示。 湖南工業(yè)大學(xué) 本 科畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 E A /V P31X119X218R E S E T9RD17WR16I N T 012I N T 113T014T115P 1 .01P 1 .12P 1 .23P 1 .34P 1 .45P 1 .56P 1 .67P 1 .78P 0 .039P 0 .138P 0 .237P 0 .336P 0 .435P 0 .534P 0 .633P 0 .732P 2 .021P 2 .122P 2 .223P 2 .324P 2 .425P 2 .526P 2 .627P 2 .728P S E N29A L E /P30T X D11R X D10U28 9 S 5 1V C CG N D1T2T+3V C C4S C K5CS6SO7NC8U3M A X 6 6 7 5C80 .1 u F熱電偶測溫端 圖 與 AT89S51 單片機的接口電路 由于 AT89S51 不具備 SPI 總線接口，故這里采用模擬 SPI 總線的 方法來實現(xiàn)與MAX6675 的接口，其中 模擬 SPI 的數(shù)據(jù)輸入端（ MISO）， 模擬 SPI 的串行時鐘輸出端 SCK， 模擬 SPI 的從機選擇端 SSB。s，輸入輸出隔離電壓大于 7500V。當負載因素小于 時， R10 取最大值。在本系統(tǒng)中我們?yōu)橛脩粼O(shè)計了超限報警，但溫度高于用戶設(shè)置的目標溫度 10℃ 時，蜂鳴器為連續(xù)滴滴叫聲，報警指示燈閃爍。 開 始系 統(tǒng) 初 始 化開 機 顯 示 ” 8 8 8 8 ” 2 S調(diào) 溫 度 處 理 程 序調(diào) 報 警 處 理 程 序調(diào) 加 熱 控 制 程 序 圖 主程序流程圖 溫度顯示模塊 溫度顯示模塊主要用于實時顯示反應(yīng)爐內(nèi)溫度的值，采用 LED 數(shù)碼管動態(tài)掃描，每次選通一個數(shù)碼管，采用中斷每隔 5ms 刷新一次，為了使顯示更穩(wěn)定，程序中采用了消隱處理，程序流程圖如圖 所示。但是在現(xiàn)實世界中，很多系統(tǒng)極其復(fù)雜，具有高度非 線性、時變、干擾、強藕合、時滯等特征，構(gòu)成了所謂大系統(tǒng)和所謂人一機系統(tǒng)。 比 例 P積 分 I微 分 D被 控 對 象+R ( t )E ( t )U ( t )+++Y ( t ) 圖 PID 控制系統(tǒng)原理圖 湖南工業(yè)大學(xué) 本 科畢業(yè)設(shè)計（論文） 26 PID 控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。 數(shù)字 PID 控制算法 在計算機控制系統(tǒng)中，使用的是數(shù)字 PID 控制器，數(shù)字 PID 控制算法通常又分為位置式 PID 控制算法和增量式 PID 控制算怯。因而，產(chǎn)生了增量式 PID 控制算法。但增量式也有其不足之處：積分截斷效應(yīng)大，有靜態(tài)誤差；溢出的影響大。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。如果加上按鍵電路，操起來可能會方便