【文章內(nèi)容簡介】 熱 ，以至爐溫緩慢的接近用戶設(shè)定的穩(wěn)定值。使 當(dāng)系統(tǒng)檢測到爐內(nèi)溫度達到甚至超過預(yù)定溫度時系統(tǒng)立刻控制電熱絲停止加熱。 在升溫過程中要求單片機配合外圍設(shè)備不斷檢測爐內(nèi)溫度 ，以至達到用戶 的 預(yù)定溫度 。 系統(tǒng)總體設(shè)計思路 溫度控制系統(tǒng)采用 AT89C51 單片機 ，實現(xiàn)爐溫的 升溫、 恒溫控制，單片機控制系統(tǒng)模塊對采集的信息進行處理，并通過軟件程序來完成溫度的控制；爐溫 控制模塊主要根據(jù)單片機傳 出 的信號控制 繼電器使得 電熱絲通斷電； 利 用 LED 數(shù)碼管完成溫度信息 的 顯示。 系統(tǒng)組成框圖 圖 21 電爐溫度控制系統(tǒng) 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 系統(tǒng)方案的設(shè)計與論證 5 3 系統(tǒng)方案的設(shè)計與論證 根 據(jù)本系統(tǒng)設(shè)計的主要任務(wù)是實現(xiàn)對電爐內(nèi) 溫度升溫、恒溫控制 并顯示當(dāng)前溫度， 整個系統(tǒng)主要包括： 數(shù)據(jù)采集模塊、 溫度控制模塊 、 鍵盤及 顯示模塊、電源模塊 。下面對實現(xiàn)系統(tǒng)功能的方案進行論證。 溫度采集方案選擇 溫度采集模塊方面關(guān)鍵問題在與選用哪種溫度檢測系統(tǒng) ， 查閱相關(guān)資料， 篩選出以下兩個方案比較 符合 本設(shè)計要求 方案 1： 熱電偶傳感器溫度 檢測系統(tǒng) 此方案 的溫度檢測部分采用熱電偶 為測量元件 ，它需要冷端補償電路與其 配套，并且熱電偶輸出電壓只有幾毫伏，必須經(jīng)過放大處理以及 A/D 轉(zhuǎn)換 后可將數(shù)據(jù)送入單片機處理 。由于熱電偶屬于非線性器件，因此每個溫度值都必須通過分度表查表獲得，這給軟件編程和數(shù)據(jù)處理增加了難度。 這種系統(tǒng)具有測量溫度范圍可以從零下一百度到零上千攝氏度，有較 多熱電偶 可供選擇且 精度 比較 高 等優(yōu)點 。 方案 2： 數(shù)字溫度傳感器 溫度 檢測 系統(tǒng) 用數(shù)字溫度傳感器 DS18B20，它的最高分辨率為 12 位，可識別 攝氏度的溫度。它具有直接輸出數(shù)字信 號和數(shù)據(jù)處理，并且它和單片機接口只需要一位 I/O 口，因此由它構(gòu)成的系統(tǒng)簡單使用，由于 DS18B20，按照工業(yè)設(shè)計要求設(shè)計，抗干擾性能強。但溫度測量范圍從 55 攝氏度 — 125 攝氏度 ，量程較小，不適宜日后測量更高的溫度，適用的范圍比較窄 。 綜合比較方案 1 和方 案 2，本次設(shè)計預(yù)設(shè)定溫度為 200 攝氏度，超出了方案 2 的測量范圍， 并且從實用性以及耐久性考慮， 所以我們 采用 熱電偶傳感器檢測系統(tǒng)。 熱電偶種類繁多，以下幾種比較常用 。 (1)鎳鉻 — 鎳 鋁 ，型號為 WRN，分度號為 K，測溫范圍 01000℃，短期可 測 1200℃。 (2)鎳鉻 — 康銅，型號為 WRK，分度號為 F，測溫范圍 06000,短期可測 800℃。 (3)鉑銠 — 鉑，型號為 WRP，分度號為 S，在 1300℃以下的溫度可長期 使用，短期可測 1600℃。 (4)鉑銠 30— 鉑銬 6，型號為 WRR，分度號為 B，測溫范圍 3001600℃， 短期可測 1800℃。 溫度檢測元件和變送器的類型選擇與被控溫度的范圍和精度等級有關(guān)。 本文選擇鎳鉻 /鎳鋁熱電偶 作為溫度檢測元件， 鎳鉻 /鎳鋁熱電偶適用于 0℃ 1000℃ 的溫度檢測范圍，相應(yīng)輸出電壓為 ，符合設(shè)計任務(wù) 。 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 系統(tǒng)方案的設(shè)計與論證 6 顯示模 塊方案的選擇 根據(jù)設(shè)計要求，系統(tǒng)需要顯示當(dāng)前爐內(nèi)當(dāng)前溫度， 經(jīng)過篩選 以下兩個方案比較合適。 方案 1： 采用 1602 液晶顯示器 ， 液晶顯示器不但能顯示數(shù)字還能顯示漢字，給人以清晰，完善的解釋。但硬件電路復(fù)雜，不易控制， 成本高 。 方案 2： 采用 LED 數(shù)碼 管 顯示 ，數(shù) 碼管只能顯示數(shù)字， 所以 其硬件電路簡單，操作者易控制， 能在 短時間內(nèi)完成題目的要求，選擇數(shù)碼 管 顯示是非常明智和必要的。 系統(tǒng)要求顯示溫度 數(shù)值 ， 無需 顯示漢字， 內(nèi)容簡單， 所以選用 LED 數(shù)碼管顯示。一方面節(jié)約了成本，另一方面避免造成了資源浪費，簡化了系統(tǒng)。 電 源模塊的選擇 任何電路的正常運行，都需要穩(wěn)定的電源， 以下兩個方案比較常用。 方案 1： 所有器件采用單一電源（ 4 節(jié) AA 電池）。這樣供電比較簡單；但是由于 長時間使用電壓會慢慢減小 ，而且 要經(jīng)常更換電池 ，嚴重時可能造成單片機系統(tǒng)掉電，缺點十分明顯。 方案 2： 穩(wěn)壓電源，只要外接 220V 電源 ， 穩(wěn)壓電源 輸出直流 5V， 這樣就可以長期工作，電壓穩(wěn)定 且 使用方便。由于 控制系統(tǒng) 的工作場所 固定 ， 無須考慮位置移動所需的電力傳輸 和持久 問題， 因而采用此方案。 溫度 控制模塊 選擇 最近十年來，在溫度控制方法上有了快速的發(fā)展。己從傳統(tǒng)的 直接控制轉(zhuǎn)變成PID 控制 、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和遺傳算法等控制方法。 方案 1： .PID 控制即比例、積分、微分控制。這種控制由于其結(jié)構(gòu)簡單、實用、 價格低，在廣泛的過程領(lǐng)域內(nèi)可以實現(xiàn)滿意的控制，所以應(yīng)用極其廣泛。該方法通過溫控系統(tǒng)將熱電偶實時采集的溫度值與設(shè)定值比較，差值作為 PID 功能塊的輸入。 PID控制算法根據(jù)比例、積分、微分系數(shù)計算出合適的輸出控制參數(shù)，利用修改控制變量誤差的方法實現(xiàn)閉環(huán)控制，使控制過程連續(xù)。 方案 2： 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前主要的、也是重要的一種人工智能技術(shù)，是一種采用數(shù)理模型的方法模擬生物神經(jīng)細胞結(jié) 構(gòu)及對信息的記憶和處理而構(gòu)成的信 息處理東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 系統(tǒng)方案的設(shè)計與論證 7 方法 它用大量簡單的處理單元廣泛連接形成各種復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，拓撲結(jié)構(gòu)算法各異，其中誤差反向傳播算法 (即 BP 算法 )應(yīng)用最為廣泛。 方案 3：模糊模型使用模糊語言和規(guī)則描述一個系統(tǒng)的動態(tài)特性及性能指標(biāo)。其特點是不須知道被控對象的精確模型，易于控制不確定對象和非線性對象，對被控對象參數(shù)變化有強魯棒性，對控制系統(tǒng)干擾有較強抑制能力。然而，模糊控制的局限性在于對控制系統(tǒng)設(shè)計分析和標(biāo)準(zhǔn)缺乏系統(tǒng)的方法步驟，規(guī)則庫缺乏完整性，沒有明確的控制結(jié)構(gòu)。 PID 控制器結(jié)構(gòu)簡單，明確，能滿足大量工業(yè)過程的控 制要求，特別是其強魯棒性能較好適應(yīng)過程工況的大范圍變動。但 PID 本質(zhì)是線性控制，而模糊控制具有智能性，屬于非線性領(lǐng)域，因此，將模糊控制與 PID 結(jié)合將具備兩者的優(yōu)點。即用過程的運行狀態(tài) (溫度偏差及溫度變化率 )確定 PID 控制器參數(shù)，用 PID 控制率確定控制作用。主要的問題是合理地獲得 PID 參數(shù)的模糊校正規(guī)則。其實質(zhì)是一種以模糊規(guī)則調(diào)節(jié) PID 參數(shù)的自適應(yīng)控制，即在一般 PID 控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，加上一個模糊控制規(guī)則環(huán)節(jié) 方案 2 和方案 3 設(shè)計結(jié)構(gòu)過程比較復(fù)雜，綜合比較方案一 只適合 一般 的實時溫度控制，所以我們選擇方案 一 ， 方法簡 單，完全滿足設(shè)計需要 。 綜合以上所有方案的論證，本系統(tǒng)設(shè)計的主要特色是： （ 1） 單片機電源選擇：采用 輸入 AC220V， 輸出電壓 :DC177。 5V177。 20mV,0～ 3A 的穩(wěn)壓電源供電。 （ 2）溫度采集器件選擇的是鎳鉻 /鎳鋁熱電偶 。 （ 3） 采 用數(shù)碼管來顯示結(jié)果，硬件電路簡單，操作者易控制。 （ 4） 溫度控制模塊選用 模糊 PID 控制系統(tǒng)。 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 系統(tǒng)硬件電 路的模塊設(shè)計 8 4 系統(tǒng)硬件電路的模塊設(shè)計 系統(tǒng) CPU 選擇 單片機開發(fā)系統(tǒng)的介紹 MCS－ 51 等系列單片機每一類芯片的 RAM 和 ROM 根據(jù)工藝的許可和用戶的要求，一般有：片內(nèi)帶 掩膜 ROM、片內(nèi)帶 EPROM 和外接 EPROM 的三種形式，這是Intel 公司的首創(chuàng)，現(xiàn)已成為單片機的統(tǒng)一規(guī)范。最近 Intel 公司又推出片內(nèi)帶 E2PROM型的單片機。片內(nèi)帶掩膜型 ROM 適合于定型大批量應(yīng)用產(chǎn)品的生產(chǎn)；片內(nèi)帶 EPROM 適合于研制產(chǎn)品樣機；外接 EPROM 的方式適用于研制新產(chǎn)品。 MCS－ 51 的典型產(chǎn)品有： 803 805 875 89C51。 8031 片內(nèi)無 ROM 程序存儲器； 8051 片內(nèi)有 4KB ROM 程序存儲器； 8751 片內(nèi)有 4KB EPROM 程序存儲器；89C51 片內(nèi)有 4KB FLASH E2PROM 程序存儲器。除此之外，四者的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳完全相同。 片機是在一塊硅片上集成了各種部件的微型機，這些部件包括中央處理器 CPU、數(shù)據(jù)存儲器 RAM、程序存儲器 ROM、定時器 /計數(shù)器和多種 I/O 接口電路。 MCS51 單片機的基本結(jié)構(gòu)如圖 411 所示： 圖 41 MCS51單片機的基本結(jié)構(gòu) MCS51 系列單片機是 Intel 公司推出的通用型單片機，其結(jié)構(gòu)特點如下： （ 1） 8 位 CPU； （ 2）片內(nèi)震蕩及時鐘電路； （ 3） 32 根 I/O 線； 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 系統(tǒng)硬件電 路的模塊設(shè)計 9 （ 4）外部存儲器尋址范圍 ROM、 RAM 各 64K； （ 5） 2 個 16 位的定時器 /計數(shù)器； （ 6） 5 個中斷源， 2 個中斷優(yōu)先級； （ 7）全雙工串行接口。 單片機 AT89C51 的選擇 本設(shè)計選用的 AT89C51 是具有高性能的 8 位單片微型計算機，比原來的 48 系列結(jié)構(gòu)更先進、功能更強，它的基本特點為： 1． 8 位 CPU 2． 128 個字節(jié)的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器 3．片內(nèi)帶振蕩器，振蕩頻率 f 范圍為 ,可有時鐘輸出 字節(jié)的片內(nèi)程序存儲器 個 8 位并行 I/O 接口 :P0、 P P P3 個 16 位定時器 /計數(shù)器 斷系統(tǒng)有 5 個中斷源 ,可編程為兩個優(yōu)先級 +5V 電源 概述 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（ FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理器，俗稱單片機。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器，為很多嵌入式 控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。 主要功能特性 （ 1） AT89C51 與 MCS51 兼容 ； （ 2） 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲器 ； （ 3） 壽命： 1000 寫 /擦循環(huán) ； （ 4） 數(shù)據(jù)保留時間： 10 年 ； （ 5） 全靜態(tài)工作： 0Hz24Hz； （ 6） 三級程序存儲器鎖定 ； （ 7） 128*8 位內(nèi)部 RAM； （ 8） 32 可編程 I/O 線 ； （ 9） 兩個 16 位定時器 /計數(shù)器 ； （ 10） 5 個中斷源 ； 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 系統(tǒng)硬件電 路的模塊設(shè)計 10 （ 11） 可編程串行通道 ； （ 12） 低功耗的閑置和掉電模式 ； （ 13） 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 。 AT89C51 單片機的結(jié)構(gòu) AT89C51 有 40 個引腳， 32 個外部雙向輸入 /輸出（ I/O）端口，同時內(nèi)含 2 個外中斷口， 3 個 16 位可編程定時計數(shù)器 ,2 個全雙工串行通信口， 2 個讀寫口線， AT89C51可以按照常規(guī)方法進行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和 Flash 存儲器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的 Flash 存儲器可有效地降低開發(fā)成本。 AT89C51 單片機外部引腳如圖 412 所示。 12345678RST91011121314151617XTAL218XTAL119VSS202122232425262728PSEN29ALE/PROG30EA/VPP313233343536373839VCC40AT89C51 圖 42 AT89C51單片機的結(jié)構(gòu) 芯片外部引腳功能說明 ： VCC 接 +5V 電源正端 ,VSS 接 +5V 地端。 2．輸入 /輸出引腳： （ 1） P0 口： P0 口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當(dāng) P1 口的管腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 系統(tǒng)硬件電 路的模塊設(shè)計 11 它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FIASH編程時， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH進行校驗時， P0 輸出原碼，此時 P0 外部必須被拉高。 （ 2） P1 口： P1 口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。 P1 口管腳寫入 1 后，被內(nèi)部上拉為高， 可用作輸入， P1 口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH