【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 片機(jī)中預(yù)置的參量進(jìn)行比較后，得到誤差量，并與上一次采集的誤差量進(jìn)行比較，得到誤差的變化量，把誤差量和誤差的變化量作為模糊 PID 控制器的輸入，經(jīng)過(guò)軟件進(jìn)行處理，輸出控制量，經(jīng)過(guò) D/A 轉(zhuǎn)換后控制驅(qū)動(dòng)電路，得到加在電爐上的平均電壓。從而控制電爐的溫度，實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)，使得溫度穩(wěn)定在設(shè)定值附近。東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 系統(tǒng)硬件 7 第 3 章 系統(tǒng)硬件和電路設(shè)計(jì) 引言 電爐是熱處理生產(chǎn)中 應(yīng)用最廣的加熱設(shè)備，其本身是一個(gè)較為復(fù)雜的被控對(duì)象，雖然可用以下模型定性描述它 ? ? 1?? ?TsKesG s? （ 31） 式中 K －－放大系數(shù) T －－時(shí)間系數(shù) τ－－純滯后時(shí)間 但在實(shí)際熱力過(guò)程中，由于實(shí)際工況的復(fù)雜性 (加工工件的材質(zhì)、初溫、升溫、幅度規(guī)格、裝爐量以及電氣環(huán)境等因素 )，使得上述數(shù)學(xué)模型偏離實(shí)際情況相當(dāng)嚴(yán)重，本文將在具有在線自調(diào)整功能模糊自整定 PID 控制器基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一個(gè)爐溫控制系統(tǒng)，以期較理想地解決被加熱物件透燒過(guò)程的測(cè)量與控制。 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 控制系統(tǒng)組成框圖如圖 31 所示。 圖 31 電爐溫度控制系統(tǒng) 火爐的溫度經(jīng)溫度傳感器轉(zhuǎn)換成 mv 級(jí)電信號(hào)，經(jīng)放大電路變換成 0～ 5 V 的電壓信號(hào)，通過(guò)多路開(kāi)關(guān)送到 A/D 轉(zhuǎn)換器變換成數(shù)字量送單片機(jī)。單片機(jī)首先對(duì)它進(jìn)行標(biāo)度變換，得支它所示、表示的溫度值。然后根據(jù)給定工藝參數(shù)和溫度反饋值，按預(yù)定控制算法進(jìn)行調(diào)節(jié)運(yùn)算，確定 輸出控制量?？刂屏坑?D/A 轉(zhuǎn)換成模擬電壓，經(jīng)功率放大后驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制火爐的進(jìn)氣量，使?fàn)t子的溫度按規(guī)定的工藝曲線變化東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 系統(tǒng)硬件 8 溫度檢測(cè)電路 溫度檢測(cè)是溫度控制系統(tǒng)的一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到系統(tǒng)性能。在微機(jī)溫度控制系統(tǒng)中，溫度的檢測(cè)不僅要完成溫度到模擬電壓量的轉(zhuǎn)換，還要將電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)值量送計(jì)算機(jī)。其一般結(jié)構(gòu)如圖 32 所示。 圖 32 溫度數(shù)字檢測(cè)的一般結(jié)構(gòu) 溫度傳感器 溫度傳感器將測(cè)溫點(diǎn)的溫度變換為模擬電壓，其值一般為 mV 級(jí)，需要放大為滿足模 /數(shù)轉(zhuǎn)換要求的電壓值。微機(jī)通過(guò)控制把電路電壓送 到模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模 /數(shù)轉(zhuǎn)換，得到表示溫度的電壓數(shù)字量，再用軟件進(jìn)行標(biāo)度變換與誤差補(bǔ)償，得到測(cè)溫點(diǎn)的實(shí)際溫度值。 溫度傳感器種類繁多，但在微機(jī)溫度控制系統(tǒng)中使用得傳感器，必須是能夠?qū)⒎请娏孔儞Q成電量得傳感器，此次設(shè)計(jì)中選用的是熱電偶傳感器，熱電偶傳感器是工業(yè)溫度測(cè)量中應(yīng)用最廣泛得一種傳感器，具有精確度高、測(cè)量范圍廣、構(gòu)造簡(jiǎn)單、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。熱電偶是由兩種不同材料得導(dǎo)體 A和 B連接在一起構(gòu)成得感溫元件，如圖 33 所示。 A和 B得兩個(gè)接點(diǎn) 1和 2之間存在溫度差時(shí)，回路中便產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，形成一定大小得電流，這種現(xiàn)象稱為 熱電效應(yīng)，也叫溫差效應(yīng)。熱電偶就是利用這個(gè)原理測(cè)量 溫度的。 圖 33 熱電偶測(cè)溫原理圖 測(cè)量放大器的組成 測(cè)量放大器的基本電路如圖 34 所示。 圖 34 測(cè)量放大器的原理圖 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 系統(tǒng)硬件 9 測(cè)量放大器由三個(gè)運(yùn)算放大器組成，其中 A A2 兩個(gè)同相放大器組成前級(jí)，為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，輸入信號(hào)加在 A A2的同相輸入端從而具有高抑止共模干擾的能力和高輸入阻抗。差動(dòng)放大器 A3為后級(jí) ,它不僅切斷共模干擾的傳輸 ,還將雙端輸入方式變換成單端輸出方式 ,適應(yīng)對(duì)地負(fù)載的需要。 測(cè)量放大器的放大倍數(shù)用下面 公式計(jì)算 ?????? ????GGI RRRRRRUUG 39。11230 1 （ 32） 式中， GR 為用于調(diào)節(jié)放大倍數(shù)的外接電阻，通常 GR 采用多圈電位器，并靠近組件，若距離較遠(yuǎn)，應(yīng)將聯(lián)線膠合在一起，改變 GR 可使放大倍數(shù)在 1～ 1000 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。 熱電偶冷端溫度補(bǔ)償方法 用熱電偶測(cè)量溫度時(shí)，熱電偶的工作端（熱端）被 放置在待測(cè)溫場(chǎng)中，而自由端（冷端）通常被放在 0℃的環(huán)境中。若冷端溫度不是 0℃，則會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差，此時(shí)要進(jìn)行冷端補(bǔ)償。冷端補(bǔ)償方法較多，在本次的設(shè)計(jì)中我們采用的冷端溫度補(bǔ)償為電橋式冷端補(bǔ)償。 對(duì)與冷端溫度補(bǔ)償器，在工業(yè)上采用如圖 35 所示補(bǔ)償電橋的冷端補(bǔ)償電路。 圖 35 熱電偶冷端溫度補(bǔ)償電橋 圖中所示的補(bǔ)償電橋橋臂電阻 R R R3和 RCu通常與熱電偶的冷端置于相同的環(huán)境中。取 ???? 1321 RRR ，用錳銅線繞成； RCu是用銅導(dǎo)線繞制成的補(bǔ)償電阻。 RS是供橋電源 E的限流電 阻， RS由熱電偶的類型決定。若電橋在 20℃時(shí)處于平衡狀態(tài)。當(dāng)冷端溫度升高時(shí)， RCu補(bǔ)償電阻將隨之增大，則電橋 a、 b兩點(diǎn)間的電壓 Vab也增大，此時(shí)熱電偶溫差電勢(shì)卻隨冷端溫度升高而降如果 Vab 的增加量等于熱電偶溫差電勢(shì)的減小量，則熱電偶輸出電勢(shì) VAB 的大小將保持不變，從而達(dá)到冷端補(bǔ)償?shù)哪康摹? 多路開(kāi)關(guān)的選擇 在本次的設(shè)計(jì)中，我們的溫度傳感器有 1個(gè)，因此，我們采用了一種 16 的多路開(kāi)關(guān)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度傳感器的巡回檢測(cè)。東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 系統(tǒng)硬件 10 CC4067 是單片 . 通道 .模擬多路轉(zhuǎn)換器。該電路包括 16 選 1 的譯碼器和譯碼器的輸出分別控制的 16 個(gè) CMOS 雙向開(kāi)關(guān)，通道的輸出狀態(tài)由電路外部輸入的地址 所決定。 CC4067 可用模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)去控制模擬開(kāi)關(guān)的接通或斷開(kāi)，具有低的導(dǎo)通電阻和高的斷開(kāi)電阻，所控制的模擬信號(hào)最大峰值為 15V，而數(shù)字信號(hào)的幅度 3V5V . CC4067 芯片具有禁止端 inh。當(dāng)禁止時(shí)， inh=1，這時(shí)所有的雙向開(kāi)關(guān)均不接通，在公共端呈現(xiàn)高阻抗。 主要性能 CMOS 工藝制造；直接驅(qū)動(dòng) DTL/TTL/CMOS 電平；單路、 16 選 1 模擬多路轉(zhuǎn)換器；具有雙向轉(zhuǎn)換功 能；單電源供電；標(biāo)準(zhǔn) 24 引腳 DIP 封裝；功耗： ；開(kāi)關(guān)接通電阻：180 歐（ typ） 。開(kāi)關(guān)接通時(shí)間： (max)。開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)間： 1us(max). CC4067 引腳圖示與圖 36。 242322212019181716151413Vdd89101112131415inhCD123456789101112OUT/ININ/OUT76543210ABVssIN/OUT 圖 36 CC4067 引腳圖 CC4067 功能框圖如圖 37 所示。 圖 37 CC4067 功能框圖 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 系統(tǒng)硬件 11 A/D 轉(zhuǎn)換器的選擇及連接 5G14433 是我國(guó)制造的 31/2 位模 /數(shù)變換器，是目前市場(chǎng)上廣泛流行的最典型的雙積分模 /數(shù)變換器。該芯片具有抗干擾性能好、轉(zhuǎn)換精度高、自動(dòng)校零、自動(dòng) 極性輸出、自動(dòng)量程控制信號(hào)輸出、外接元件少、價(jià)格便宜等特點(diǎn)。因此廣泛應(yīng)用在低速微控制器應(yīng)用系統(tǒng)，智能儀表和數(shù)字三用表等領(lǐng)域。 5G14433 與國(guó)外型號(hào) MC14433 兼容。 5G14433 的外部連接電路，盡管 5G14433 外部連接元件很少，但為使其工作于最佳狀態(tài)，也必須注意外部電路的連接和外接元件的選擇，其實(shí)際連接電路如圖 38所示。為了提高電源抗干擾的能力，正，負(fù)電源分別通過(guò)去耦電容 、 與 Vss（ VAG）相連。圖中 DU端和 EOC 端短接，以選擇連續(xù)轉(zhuǎn)換方式，使每一次轉(zhuǎn)換的結(jié)果都輸出。 圖 38 外部連接電路 當(dāng) C1=， VDD=5V， fCLK=66KHz時(shí)，若 Vxmax=+2V，則 R1=480KΩ；若 Vxmax=+200mV，則 R1=28KΩ。外接失調(diào)補(bǔ)償電容固定為 。外接時(shí)鐘電阻 Rc=470KΩ時(shí)， fLCK≈ 66KHz。當(dāng) Rc=200KΩ時(shí)， fLCK=140KHz。實(shí)際電路中一般取 Rc=300KΩ 。 單片機(jī)系統(tǒng)的擴(kuò)展 MCS— 51 系列單片機(jī)的功能較強(qiáng)，從一定意義上說(shuō)，一塊單片機(jī)就相當(dāng)于一臺(tái)單片機(jī)的功能。這就使得在智能儀 器、儀表、小型檢測(cè)及控制系統(tǒng)、家用電器中可直接應(yīng)東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 系統(tǒng)硬件 12 用單片機(jī)而不必再擴(kuò)展外圍芯片，使用極為方便。但對(duì)于一些較大的應(yīng)用系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，單片機(jī)片內(nèi)所具有的功能將顯得不足，這時(shí)就必須在片外連接一些外圍芯片。這些外圍芯片，既可能是存儲(chǔ)器芯片，也可能是輸入 /輸出接口芯片。 系統(tǒng)的擴(kuò)展一般有以下幾方面的內(nèi)容： ①外部程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展； ②外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展； ③輸入 /輸出接口的擴(kuò)展； ④管理功能器件的擴(kuò)展（如定時(shí) /計(jì)數(shù)器、鍵盤 /顯示器、中斷優(yōu)先編碼等）。 一、總線驅(qū)動(dòng)器 74LS244 總線驅(qū)動(dòng) 器 74LS244 經(jīng)常用作三態(tài)數(shù)據(jù)緩沖器， 74LS244 為單向三態(tài)數(shù)據(jù)緩沖器，而 74LS244 為雙向三態(tài)數(shù)據(jù)緩沖器。單向的內(nèi)部有 8個(gè)三態(tài)驅(qū)動(dòng)器，分成兩組，分別由控制端 1G和 2G 控制；雙向的有 16 個(gè)三態(tài)驅(qū)動(dòng)器，每個(gè)方向 8個(gè)。在控制端 G有效時(shí)（ G 為低電平），由 DIR 端控制驅(qū)動(dòng)方向； DIR 為“ 1”時(shí)方向從左到右（輸出允許）， DIR為“ 0”時(shí)方向從右到左（輸入允許）。 74LS244 的引腳如圖 39所示。 圖 39 74LS244 的引腳 二、地址鎖存器 74LS373 74LS373 是一種帶輸出三態(tài)門的 8D鎖存器 ，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖 310 所示。 圖 310 74LS373 的結(jié)構(gòu)圖 其中： 1D～ 8D為 8 個(gè)輸入端。 1Q～ 8Q為 8 個(gè)輸出端。 G為數(shù)據(jù)打入端 :當(dāng) G為 1時(shí) ,鎖存器輸出端狀態(tài) (1Q～ 8Q)同輸入狀態(tài) (1D～ 8D)；當(dāng) G 由 1變 0時(shí) ,數(shù)據(jù)打入鎖存器中。OE為輸出允許端 。當(dāng) OE＝ 0 時(shí) ,三態(tài)門打開(kāi) 。當(dāng) OE＝ 1時(shí) ,三態(tài)門關(guān)閉 ,輸出呈高阻。東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 系統(tǒng)硬件 13 在 MCS－ 51單片機(jī)系統(tǒng)中 ,經(jīng)常采用 74LS373作為地址鎖存器使用 ,其連接方法如圖311 所示。其中輸入端１Ｄ～８Ｄ接至單片機(jī)的Ｐ０口，輸出端１Ｑ～８Ｑ提供的是地址的低８位，Ｇ端接至單片機(jī)的地址鎖存器信號(hào)ＡＬＥ。輸出允許端 OE 接地表示輸出三態(tài)門一直打開(kāi)。 圖 311 74LS373 的結(jié)構(gòu)圖 存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 只讀存儲(chǔ)器簡(jiǎn)介 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器分為隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（ Random Access Memory）和只讀存儲(chǔ)器（ Read Only Memory）兩大類，前者主要用于存放數(shù)據(jù)，后者主要用于存放程序。只讀存儲(chǔ)器的特點(diǎn)是信息一旦寫入之后就不能隨意跟更改，特別是不能在程序運(yùn)行過(guò)程中寫入新的內(nèi)容，而只能讀出 其中的內(nèi)容，故稱之為只讀存儲(chǔ)器；只讀存儲(chǔ)器的另一個(gè)特點(diǎn)是斷電以后信息不會(huì)消失，能夠長(zhǎng)久保存。 只讀存儲(chǔ)器是由 MOS 管陣列構(gòu)成的，以 MOS 管的接通或斷開(kāi)來(lái)存儲(chǔ)二進(jìn)制信息。按照程序要求確定 ROM 存儲(chǔ)陣列中各 MOS 管狀態(tài)的過(guò)程叫做 ROM 編程。 EPROM2764 簡(jiǎn)介 3． 2764 的引腳 自從 EPROM276 芯片被逐漸淘汰后，目前比較廣泛采用的是 2764 芯片為雙列直插式28引腳的標(biāo)準(zhǔn)芯片，容量為 8K179。 8 位，其管角如圖 312所示。 圖 312 2764 的引腳 其中： A12～ A0： 13 位地址線 。 D7～ D0： 8 位數(shù)據(jù)線。 CE：片選信號(hào)，低電平有效。OE：輸出允許信號(hào)，當(dāng) OE=0 時(shí)，輸出緩沖器打開(kāi)，被尋址單元的內(nèi)容才能被賣出。 Vpp：編程電源，當(dāng)芯片編程時(shí)，該端加上編程電壓（ +25V 或 +12V）；正常使用時(shí)，該端加 +5V 電源