【文章內(nèi)容簡介】 0200400600800999熱電偶/mV0 存儲器擴展電路的設(shè)計本次設(shè)計使用24C01 CMOS芯片作為存儲器的擴展，與單片機的連接如圖36所示。24C01是1k電可擦只讀程序存儲器，它只是用一條數(shù)據(jù)線和一條時鐘線，所占用端口資源非常少，在一些端口資源不充足的情況下常常被使用。24C01的工作環(huán)境溫度為55℃～125℃之間，標準工作環(huán)境為+5V，～，功耗為25mW，其引腳功能如下：SDA：串行數(shù)據(jù)/地址傳送；SCL：串行時鐘信號輸入；TEST：測試輸入端；NC：無連接。圖36 存儲器擴展電路。當TEST為高電平時24C01工作，而當其位低電平時24C01停止工作，由于24C01不需要停止工作，所以TEST直接接高電平。 顯示電路的設(shè)計LED發(fā)光二極管通常分為7段位和八段位（相差一個小數(shù)點），同時又被分成共陰極和共陽極。共陰極LED發(fā)光二極管為共陰極接低電平其系統(tǒng)工作，相反共陽極LED發(fā)光二極管為共陽極接高電平其系統(tǒng)開始工作。本次設(shè)計使用的是LG5011 LED發(fā)光二極管。LED在顯示字符的時候有一定的段碼，共陰極從數(shù)字0～9所對應(yīng)的段碼為3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH,6FH。共陽極從數(shù)字0～所對應(yīng)的段碼為C0H,F9H,A4H,B0H,99H,92H,82H,F8H,80H,90H。熄燈對應(yīng)的段碼為0FFH。AT89C2051余下的并行I/O線已經(jīng)不能滿足數(shù)據(jù)的并行輸出，但可以考慮串行輸出方法。本此設(shè)計采用了74LS164這個串入并出的移位寄存器，很好的解決了AT89C2051與LED的顯示接口電路，如圖37，給出了串行口擴展的4位LED顯示接口電路。圖37 顯示電路其中74LS164的引腳Q0～Q7為8位并行輸出端，分別與LED的8個引腳相連；引腳A、B為串行輸入端；引腳CLK為時鐘脈沖輸入端，在CLK脈沖的上升沿作用下實現(xiàn)移位，在CLK=0、清除端=1時74LS164保持原來數(shù)據(jù)狀態(tài)；=0時，74LS164輸出清零。顯示電路的工作過程如下：AT89C2051的串行口設(shè)定在方式0移位寄存器狀態(tài)下，(RXD)接受，(TXD)送出。在移位時鐘的作用下，串行口發(fā)送緩沖器的數(shù)據(jù)一位一位地移入74LS164中。4片74LS164串級擴展為4個8位并行輸出口，分別連接到4個LED顯示器的段選端作靜態(tài)顯示。需要指出的是，由于74LS164無并行輸出控制端，因而在串行輸入過程中，其輸出端的狀態(tài)會不斷變化，造成不應(yīng)該顯示的字段仍有較暗的亮度，影響了顯示效果,因此使用一個三態(tài)門解決該問題。 鍵盤電路的設(shè)計本次設(shè)計使用89C2051的T1口與一片移位寄存器74LS164構(gòu)成鍵盤輸入接口電路，其電路圖如圖38所示：圖28 鍵盤電路鍵盤由89C2051的串行口驅(qū)動，T1為定時掃描計時器。89C2051的串行口工作于方式0，即移位寄存器方式。T1定時/計數(shù)器工作于方式1，即16位定時器方式。T1的定時時間計算公式為T=12/主頻。定式掃描工作方式：單片機對鍵盤采用定時掃描方式，即每隔一段時間對鍵盤掃描一次。這種掃描方式利用AT89C2051產(chǎn)生10ms的定時中斷，CPU響應(yīng)定時器溢出中斷請求并對鍵盤進行掃描，當按下按鍵時識別出該按鍵，并執(zhí)行相應(yīng)鍵的程序。在AT89C2051的RAM中設(shè)置兩個標志位，第一個標志位為除抖動F1，第二個標志位為已識別完按鍵F2。初始狀態(tài)時將兩個標志位置0，當有中斷時，首先判斷有無按鍵閉合，若沒有按鍵閉合，則F1，F(xiàn)2置0并返回。如果有按鍵閉合，則檢查F1，當F1=0時，表示仍未進行除抖動處理，將F1置1并中斷返回。當F1=1時，表示已完成除抖動處理，此時檢查F2，若F2為0，則將F2置1并進行按鍵識別處理同時執(zhí)行相應(yīng)程序。若F2為1，則表明已執(zhí)行按鍵識別處理但未松開按鍵，此時中斷返回。在松開按鍵后，將F1和F2置0，為下次做好準備。本次設(shè)計的四個按鍵分別為加，減，后退，確定，按下“加”減則依次顯示0～9九個數(shù)字、小數(shù)點和滅燈，而“減”鍵則正好相反，“后退”鍵用于撤銷錯誤輸入，“確定”鍵是當輸入完畢后，按下“確定”鍵，開始執(zhí)行程序。 輸出控制電路的設(shè)計本次設(shè)計采用光耦合雙向可控硅進行電阻爐的功率調(diào)控。雙向可控硅因為可以雙向?qū)ǎ书T極G以外的兩個電極統(tǒng)稱為主端子，用T1和T2表示。當G極和T2極相對于T1的電壓均為正時，T2是陽極，T1是陰極，反之當G極和T2極相對于T1的電壓均為負時，T2是陰極，T1是陽極。雙向可控硅由于正、反特性曲線具有對稱性，所以它可在任意一個方向?qū)?。其特點是：（1），無論極性如何，可用G出發(fā)導(dǎo)通；（2）G極上無信號時，晶閘管兩端為高阻抗，管子截止；（3）工作交流時，當每一半周交替時，純阻負載能恢復(fù)截止。由于89C2051的驅(qū)動能力不夠，所以本次設(shè)計使用光耦合雙向可控硅驅(qū)動器MOC3061，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖39所示。其優(yōu)點為輸出為正弦波，波形無畸變、電磁干擾小、無噪聲，而且觸發(fā)電路簡單可靠。 MOC3061采用雙列直插6引腳封裝形式，器件有輸入輸出兩部分組成，2腳為輸入端，輸入級是一個砷化鎵紅外發(fā)光二極管，該二極管在5～15mA正向電流作用下，發(fā)出足夠的紅外光，觸發(fā)輸出部分。5腳為空腳。6腳為輸出端，輸出級為具有過零檢測的光控雙向可控硅。當紅外發(fā)光二極管發(fā)射紅外光時，光控雙向可控硅出發(fā)導(dǎo)通。MOC3061特性如下：（1）觸發(fā)電流值為5～15mA；（2）；（3）峰值夾斷電壓最小值為400V。圖39 過零觸發(fā)光耦合雙向可控硅驅(qū)動器 MOC3061光耦合雙向可控硅驅(qū)動器和可控硅的連接圖如圖310所示，其中包含了過零觸發(fā)電路，加入過零觸發(fā)電路是為了減少晶閘管再導(dǎo)通時對電源的影響。圖310 光耦合雙向可控硅驅(qū)動器和可控硅的連接圖MOC3061的輸入端限流電阻的計算如下： （式33）其中為電源電壓；為輸入端發(fā)光二極管的壓降，；為發(fā)光二極管的工作電流，即15mA。將、帶入公式33，則輸入限流電阻值為： （式34）所以輸入限流電阻為300Ω。輸出端限流電阻的作用為限制流過MOC3061輸出端的電流不要超過1A。R1的計算公式如下： （式35）輸出限流電阻取330Ω。當輸出為每秒鐘50次脈沖時可控硅完全導(dǎo)通，當無輸出脈沖時，可控硅關(guān)斷。，從而實現(xiàn)功率調(diào)節(jié)。 電源電路的設(shè)計在本次設(shè)計的控制系統(tǒng)中，AT89C205V/F轉(zhuǎn)換器、傳感器、執(zhí)行機構(gòu)、鍵盤顯示電路都需要有穩(wěn)定的直流電源供電才能正常工作。本次設(shè)計需要+15V和+5V電源。直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)包括整流器、濾波器、直流穩(wěn)壓器等幾部分，常用的直流穩(wěn)壓電路如圖311所示。系統(tǒng)電源工作原理為：220V交流電經(jīng)過變壓器變?yōu)?4V交流電，之后通過二極管整流橋變?yōu)?4V直流電，經(jīng)過電容濾波后分別送入三端固定正電壓穩(wěn)壓器LM7805和LM7815，最后從LM7805和LM7815輸出+5V和+15V直流電，即得到系統(tǒng)所需電源。圖311 電源電路第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 溫度檢測流程圖圖41 溫度檢測流程圖 軟件的主程序流程圖圖42 主程序流程圖 輸入輸出程序流程圖圖43 輸入輸出程序流程圖 調(diào)功程序流程圖圖44 調(diào)功程序流程圖 溫度顯示流程圖圖45 溫度顯示流程圖第5章 控制算法及濾波 數(shù)學(xué)建模與控制算法 數(shù)學(xué)建模為了使系統(tǒng)獲得較好的性能指標，首先要了解被控對象的特性，并用以作為設(shè)計自動控制系統(tǒng)的依據(jù)。電阻爐溫度控制采用數(shù)字PID調(diào)節(jié)規(guī)律，為了確定PID上的參數(shù)，采用飛升曲線法來確定電阻爐溫度控制的傳遞參數(shù)。電阻爐出口溫度飛升曲線如圖51所示：圖51 電阻爐出口溫度的飛升曲線由圖可知，系統(tǒng)是帶有純滯后的一階對象，其傳遞函數(shù)為： （式51）式中為放大倍數(shù)；為對象時間常數(shù)；為對象滯后時間。一階對象參數(shù)的求取：對于一階對象的放大倍數(shù)，可由輸出穩(wěn)態(tài)值和輸入階躍信號幅值的比值球得。輸，而滯后時間可直接從圖中測量。根據(jù)溫度變化曲線的要求,可將其分為三段來進行控制:自由升溫段,保溫段和自然降溫段。而真正需要電氣控制的是前面兩個階段,即自由升溫段和保溫段。為避免過沖,從室溫到額定溫度為自由升溫段,在177。20%額定溫度時為保溫段。在自由升溫段中,希望升溫越快越好,總是將加熱功率全開。當溫度時,已較接近需要保溫的值,為此采用保溫段控制方程。保溫控制方法有多種,如果采用比例控制,由于電熱元件所加功率的變化和油溫變化之間存在一段時間延遲,因此當以溫差來控制輸出時,系統(tǒng)只有在溫度與給定值相等時才停止輸出。這時由于電阻爐變化的延遲性質(zhì)，爐溫并不因輸入停止而馬上停止上升,從而超過給定值。滯后時間越大,超過給定值也越大。爐溫上升到一定程度后,才開始下降,并下降到小于給定值時系統(tǒng)才重新輸出。同樣,由于爐溫變化滯后于輸出,它將繼續(xù)下降,從而造成溫度的上下波動,即所謂的振蕩?？紤]到滯后的影響,調(diào)節(jié)規(guī)律必須加入微分因數(shù),即PD調(diào)節(jié)。有了PD調(diào)節(jié),系統(tǒng)輸出不僅取決于溫差的大小,還取決于溫差的變化速率。當爐溫從自由升溫段進入保溫段時, 爐溫還小于給定值,但溫度變化較大,因而系統(tǒng)可以提前減少或停止輸出,使爐溫不至于出現(xiàn)過大的超調(diào)。積分作用可以提高溫度控制的靜態(tài)精度,適當選擇積分作用,則可以在不影響動態(tài)性能情況下提高溫度控制的精度。所以保溫段控制最好采用PID控制方法。 控制算法已知增量型PID控制的公式如下 （式52）如令，，其中為純比例作用下的臨界周期，則 （式53）轉(zhuǎn)變位置式算法為： （式54）因此該算法只需要調(diào)整一個參數(shù)。改變，觀察控制效果，直到滿意為止。以下是對數(shù)據(jù)處理的說明：（1）算式中的各個項均有正有負，最高位為符號位，最高位的0表示正數(shù)1表示負數(shù)，正數(shù)與負數(shù)均用補碼表示，最后結(jié)果以源碼輸出。（2）把所有的數(shù)據(jù)都變?yōu)槎c純小數(shù)進行處理。（3）雙精度運算。為了保證運算精度，把單字節(jié)8位的輸入采樣值和給定值及都變成雙字節(jié)16位進行計算，最后把運算結(jié)果變?yōu)?為有效值輸出。其位置式算法流程圖如圖52所示：圖52 PID位置式算法流程圖 數(shù)字濾波 數(shù)字濾波的介紹由于工業(yè)對象的環(huán)境比較惡劣，干擾源比較多，如環(huán)境溫度、電磁場等，當干擾作用于模擬信號后，使A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果偏離真實值。如果僅采樣一次，無法確定該結(jié)果是否可信，為了減少對采樣值的干擾，提高系統(tǒng)可靠性，在進行數(shù)據(jù)處理和PID調(diào)節(jié)之前，首先對采樣值進行數(shù)字濾波。所謂數(shù)字濾波，是通過一定的計算程序?qū)Σ蓸有盘栠M行平滑加工，提高其有用信號，消除和減少各種干擾和噪音，以保證計算機系統(tǒng)的可靠性，其優(yōu)點如下：（1）不需增加任何硬件設(shè)備，只要在程序進入數(shù)據(jù)處理和控制算法之前，附加一段數(shù)字濾波程序即可。（2）由于數(shù)字濾波器不需要增加硬件設(shè)備，所以系統(tǒng)可靠性高，不存在阻抗匹配問題。（3）模擬濾波器通常是每個通道都有，而數(shù)字濾波器則可以多個通道共用，從而降低了成本。（4）可以對頻率很低的信號進行濾波。（5）使用靈活、方便，可以根據(jù)需要來選擇不同的濾波方法，或改變參數(shù)。正因為數(shù)字濾波器具有上述優(yōu)點，所以在計算機控制系統(tǒng)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。 數(shù)字濾波的設(shè)計本次設(shè)計采用中值濾波，就是連續(xù)取樣三次，取中間值作為本次的取樣值。三次取樣值分別放在2CH,2DH,2EH中，取中間值放在累加器A中，同時也轉(zhuǎn)存在2AH單元內(nèi)，以備進行溫度標度轉(zhuǎn)換使用。以下是濾波程序設(shè)計流程圖：圖53 濾波程序流程圖總 結(jié)本論文初步完成了對電阻式