【導(dǎo)讀】電阻爐是通過電流流過電阻體產(chǎn)生熱量來加熱或熔化物料的一種電爐。地應(yīng)用在化工、冶金等行業(yè)。它對溫度控制的要求較高，溫度控制的好壞直接影響著產(chǎn)。品質(zhì)量及生產(chǎn)效率，因此電阻爐的溫度控制在科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)中具有重要的意義。為測量元件，用晶閘管作為輸出控制元件來實(shí)現(xiàn)對電阻爐溫度自動控制。經(jīng)PID運(yùn)算后，將控制信號輸出，同時(shí)通過LED顯示器顯示溫度值，進(jìn)而使電阻爐的爐溫始終保持在設(shè)定范圍內(nèi)。本設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)的需要，設(shè)計(jì)了硬件電路。并詳盡的介紹了組成硬件電路各個(gè)部分；根據(jù)各部分軟件流程圖編寫了軟件程序。

　　

【正文】 壓可正可負(fù) ,范圍 10V～ +10V。 (11) DGND：數(shù)字地 (12) AGND：模擬地 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 21 DAC0832 與單片機(jī) 的接法如圖 所示。 圖 D/A轉(zhuǎn)換電路圖 DAC0832 有三種工作方式：直通方式、單緩沖方式、雙緩沖方式。 直通方式 8位輸入寄存器和 8位 DAC寄存器都直接處于直通狀態(tài)， 8位數(shù)字量到達(dá) DI0～ DI7，就立即進(jìn)行 D/A 轉(zhuǎn)換，從輸出端得到轉(zhuǎn)換的模擬量。 適用：單路輸出且數(shù)據(jù)輸入總線無需和其他電路共享的情況。 單緩沖方式 內(nèi)部兩個(gè)鎖存器的一個(gè)處于直通狀態(tài)，另一個(gè)處于受控制狀態(tài)， DAC0832 就工作于單緩沖方式。一般控制輸入寄存器， DAC 寄存器處于直通方式。 適用：總線方式，是 DA 轉(zhuǎn)換器常用的方式且 DA 轉(zhuǎn)換器只有一路，或是多 路但是不同步 雙緩沖方式 內(nèi)部兩個(gè)寄存器均受控制 ， 轉(zhuǎn)換分兩步： (1) CPU 分時(shí)控制輸入寄存器，輸入數(shù)據(jù)。 (2) CPU 同時(shí)控制各路的 DAC 寄存器，使得輸入寄存器中的數(shù)據(jù)進(jìn)入 DAC 寄存器，實(shí)現(xiàn)同步轉(zhuǎn)換輸出。 適用：多片 DA 轉(zhuǎn)換器同步輸出，必須用雙緩沖模式。 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 22 第四章 軟件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)思路 本部分詳細(xì)介紹了基于 STC89C52單片機(jī)的電阻爐溫度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。 根據(jù)系統(tǒng)功能，可以將系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為若干個(gè)子程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，如溫度采集子程序 、PID控制子程序 、報(bào)警子程序、 顯示子程序 、鍵盤掃 描子程序、鍵盤處理子程序、 D/A轉(zhuǎn)換子程序等 。采用 Keil uVision3集成編譯環(huán)境和 C語言來進(jìn)行系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。本章從設(shè)計(jì)思路、軟件系統(tǒng)框圖出發(fā)，先介紹整體的思路，再逐一分析各模塊程序算法的實(shí)現(xiàn)，最終編寫出滿足任務(wù)需求的程序。 本系統(tǒng)要完成溫度信號的采集與控制，需要實(shí)現(xiàn)溫度信號的采集與 A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)傳輸?shù)然竟δ?。從功能上可將其分為溫度信號采集及?shù)據(jù)處理、人機(jī)交互、執(zhí)行 三 大部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。 系統(tǒng)軟件流程圖 主程序流程圖 在系統(tǒng)軟件中，主程序 依次 完成系統(tǒng)初始化 、 爐 溫 檢測與處理 、 PID控制算法 、溫度 顯示、 鍵盤輸入 等 ，這些 都由子程序來完成 。流程圖如圖 。 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 23 開 始系 統(tǒng) 初 始 化調(diào) 用 溫 度 檢 測 子 程 序調(diào) 用 顯 示 子 程 序測 量 值 大 于 上 限 設(shè) 定 值 ？報(bào) 警調(diào) 用 P I D 子 程 序調(diào) 用 鍵 盤 子 程 序D / A 轉(zhuǎn) 換NY 圖 主程序流程圖 溫度檢測與處理子程序 溫度信號采集與處理子程序，主要完成溫度信號采集與 A/D功能、數(shù)據(jù)處理的功能，大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 24 由芯片 MAX6675來完成。溫度信號采集子程序主要包括傳感器初始化、單片機(jī)給傳感器寫命令、單片機(jī)給傳感器寫數(shù)據(jù)、單片機(jī)從傳感器讀數(shù)據(jù)等部分，數(shù)據(jù)處理部分對該數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，主要是把采集到的二進(jìn)制的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制溫度數(shù)據(jù) 。流程圖如圖 。 開 始返 回初 始 化溫 度 轉(zhuǎn) 換延 時(shí)讀 M A X 6 6 7 5 的 1 6 位 轉(zhuǎn) 換 數(shù) 據(jù)啟 動 新 的 溫 度 轉(zhuǎn) 換計(jì) 算 溫 度 數(shù) 值保 存 溫 度 數(shù) 據(jù) 圖 溫度檢測與處理子程序 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 25 報(bào)警子程序 報(bào)警子程序主要實(shí)現(xiàn)在溫度超限的情況下，進(jìn)行聲光報(bào)警，并切斷電源。程序流程圖如下圖 。 開 始結(jié) 束聲 光 報(bào) 警關(guān) 閉 電 源是 否 越 限 ？返 回YN 圖 報(bào)警子程序流程圖 PID 子程序 根據(jù)爐溫對給定溫度的偏差，自動接通或斷開供給爐子的熱源能量，或連續(xù)改變熱源能量的大小，使?fàn)t溫穩(wěn)定 在 給定溫度范圍 內(nèi) ，以滿足熱處理工藝的需要。溫度自動控制常用調(diào)節(jié)規(guī)律有二 位式、三位式、比例、比例積分和比例積分微分等幾種。電阻爐爐溫控制是這樣一個(gè)反饋調(diào)節(jié)過程，比較實(shí)際爐溫和需要爐溫得到偏差，通過對偏差的處理獲得控制信號，去調(diào)節(jié)電阻爐的熱功率，從而實(shí)現(xiàn)對 電阻 爐溫 度 的控制。按照偏差的比例、積分和微分產(chǎn)生控制作用（ PID 控制），是過程控制中應(yīng)用最廣泛的一種控制形式。 二位式調(diào)節(jié) —— 它只有開、關(guān)兩種狀態(tài)， 當(dāng)爐溫低于限給定值時(shí)執(zhí)行器全開；當(dāng)爐溫高于給定值時(shí)執(zhí)行器全閉 。 三位式調(diào)節(jié) —— 它有上下限兩個(gè)給定值，當(dāng)爐溫低于下限給定值時(shí)招待器全開；當(dāng)爐溫在上、下限 給定值之間時(shí)執(zhí)行器部分開啟；當(dāng)爐 溫超過上限給定值時(shí)執(zhí)行器全閉。如管 狀加熱器為加熱元件時(shí)，可采用三位式調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)加熱與保溫功率的不同 。 比例調(diào)節(jié)（ P 調(diào)節(jié)） —— 調(diào)節(jié)器的輸出信號（ M）和偏差輸入（ e）成比例。即：大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 26 M=Ke； 式中： K—— 比例系數(shù) 。 比例調(diào)節(jié)器的輸入、輸出量之間任何時(shí)刻都存在 一一對應(yīng)的比例關(guān)系，因此爐溫變化經(jīng)比例調(diào)節(jié)達(dá)到平衡時(shí)，爐溫不能復(fù) 加 到給定值時(shí)的偏差稱 “ 靜差 ”。 比例積分（ PI）調(diào)節(jié) ， 為了 “ 靜差 ” ，在比例調(diào)節(jié)中添加積分（ I）調(diào)節(jié)積分，調(diào)節(jié)是指調(diào)節(jié)器的輸出信號與偏差存在隨時(shí)間的增長而增強(qiáng)，直到偏差消除才無輸出信號，故能消除 “ 靜差 ” 比 例調(diào)節(jié)和積分調(diào)節(jié)的組合稱為比例積分調(diào)節(jié) 。 比例積分微分（ PID）調(diào)節(jié) —— 比例積分調(diào)節(jié)會使調(diào)節(jié)過程增長，溫度的波動幅值增大，為此再引入微分（ D）調(diào)節(jié)。微分調(diào)節(jié)是指調(diào)節(jié)器的輸出與偏差對時(shí)間的微分成比例，微分調(diào)節(jié)器在溫度有變化 “ 苗頭 ” 時(shí)就有調(diào)節(jié)信號輸出，變化速度越快、輸出信號越強(qiáng)，故能加快調(diào)節(jié)速度，降低溫度波 動幅度，比例調(diào)節(jié)、積分調(diào)節(jié)和微分調(diào)節(jié)的組合稱為比例積分微分調(diào)節(jié) 。根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場的運(yùn)行情況，這種控溫方法，精度比較高，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，滿足生產(chǎn)的實(shí)際需要。主要設(shè)備 ： 熱電偶或熱電阻 ， 智能 PID 溫控儀 ， 可控硅觸發(fā)調(diào)功器 等。 PID 控制是在連續(xù)的生產(chǎn)過程中，將偏差的比例（ Proportional）、積分（ Integral）、微分（ Derivative）通過線性組合構(gòu)成控制量，對控制對象進(jìn)行控制。在常規(guī) PID 的應(yīng)用中， PID 三個(gè)參數(shù)往往根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備情況或調(diào)試經(jīng)驗(yàn)人工設(shè)定的，通過調(diào)試實(shí)驗(yàn)改變參數(shù)以改變控制性能 [22]。 電阻爐溫度控制通常采用偏差控制法。偏差控制的原理是先求出實(shí)測爐溫對所需爐溫的偏差值，然后對偏差值處理而獲得控制信號起調(diào)節(jié)電阻爐的加熱功率，以實(shí)現(xiàn)對爐溫的控制 [24]。 PID 控制的理想微分方程為 [24]： ]dtd e ( t )T d+e ( t ) d tT i1+[ e ( t )k p=u ( t ) ∫ t0 式 () 式中 e(t)=r(t)y(t)稱為偏差值，可作為溫度調(diào)節(jié)器的輸入信號，其中 r(t)為給定值，y(t)為被測變量值； Kp 為比例系數(shù)； Ti 為積分時(shí)間常數(shù)； Td 為微分時(shí)間常數(shù)； u(t)為調(diào)節(jié)的輸出控制電壓信號。 但計(jì)算機(jī)只能處理數(shù)字信號，因此上述數(shù)學(xué)方程必須加以變換。 若設(shè)溫度的采樣周期為 T，第 n 次采樣得到的輸入偏差為 en 調(diào)節(jié)器輸出為 un 則有 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 27 Te_en=dt )t(de 1n（微分 用差分代替） 式 () ∑∫ n 0=kt0 Te k=dt)t(e （積分用求和代替） 式 () 這樣，式 （ 41） 便可以改為 ]T eeT d+T∑ n T i1+[ e ( t )=u n 1nn0=k kk p e 式 () 經(jīng) 遞推公式改寫成 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )[ ]P+P+P+)1n(u=}2nE+1nE2nEK+nEK+1nEnE{k+)1n(u=)n(uDIPDIP 式 () PID控制流程圖如圖 ： EK S 計(jì) 算 偏 差 EK計(jì) 算 KD[ E ( k ) 2 E ( k 1 ) + E ( k 2 ) ]計(jì) 算 K P * [ E ( K ) E ( K 1 ) ]計(jì) 算 K I * E ( K ) EK B輸 出 P ( k )返 回 Δ P ( k ) = 0Δ P ( k ) = Kp[ E ( k ) E ( k 1 ) ] + KD[ E ( k ) 2 E ( k 1 ) + E ( k 2 ) ]Δ P ( k ) = Kp[ E ( k ) E ( k 1 ) ] + KIE ( k ) + KD[ E ( k ) 2 E ( k 1 ) + E ( k 2 ) ]NYNY開 始P ( k ) = P ( k 1 ) + Δ P ( k ) 圖 PID 控制流程圖 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 28 顯示流程圖 共陰極數(shù)碼管是用高電平（ “1”）點(diǎn)亮的，要求驅(qū)動功率較大。 程序流程圖如圖 所示。 開 始返 回初 始 化定 義 L E D 顯 示 段 碼調(diào) 用 顯 示 子 程 序指 針 顯 示 緩 沖 區(qū) 首 地 址取 顯 示 數(shù) 據(jù)查 表 得 段 碼送 出 段 碼延 時(shí)指 針 加 1掃 描 完 畢 ?NY 圖 顯示子程序流程圖 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 29 鍵盤掃描流程圖 在本設(shè)計(jì)中，當(dāng)按鍵被按下時(shí)， I/O 口電平為低；松開時(shí)， I/O 口電平為高。按鍵掃描程序通過讀取 I/O 口的電平即可知道對應(yīng)按鍵的狀態(tài)。按鍵的抖動時(shí)間的長短由按鍵的機(jī)械特性決定，一般為 5~10ms，這是一個(gè)很重要的參數(shù)。抖動過程引起電平信號的波動，有可能令 CPU 誤 解為多次按鍵操作，從而引起誤處理。為了確保 CPU 對一次按鍵動作只確認(rèn)一次按鍵，提高按鍵處理的可靠性，應(yīng)在程序中做按鍵消抖處理。按鍵的消抖，通常有軟件，硬件兩種消除方法。硬件消抖主要是采用濾波電路消除干擾，需要消耗大量硬件，成本比較高，只適用于按鍵數(shù)目較少的情況。如果按鍵較多，硬件消抖無法達(dá)到預(yù)期效果。所以通常采用軟件消抖。軟件消抖的常用方法是軟件延時(shí)。本系統(tǒng)采用軟件消抖，當(dāng)單片機(jī)第一次檢測到有鍵按下時(shí)，即檢測到與按鍵連接的 I/O 口為低電平是，等待 10ms，再去確認(rèn)該 I/O 口是否仍舊為低電平，如果還是低電平， 就一般的機(jī)械按鍵而言，已經(jīng)是出于穩(wěn)定期了，按鍵的抖動被消除了。如果 10ms 之后 I/O 口不為低電平，則說明是干擾信號，而不是按鍵被按下。在軟件編寫上，可采用查詢方式，也可采用中斷方式。本系統(tǒng)采用查詢方式。使用按鍵輸入流程圖如圖 所示： 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 30 開 始返 回延 時(shí) 1 0 m s行 掃 描 有 鍵 按 下 嗎 ？列 掃 描 有 鍵 按 下 嗎 ？計(jì) 算 鍵 值閉 合 鍵 是 否 釋 放 ?鍵 值 計(jì) 算NYYNYN 圖 鍵盤掃描子程序流程圖 鍵盤處理流程圖 調(diào)用鍵盤處理子程序的時(shí)候，程序首先檢測 P 鍵是否按下，如果是，則再檢測是否增加鍵被按下，如果是，鍵值加 1，否則檢測是否減少鍵被按下，如果是，鍵值減 1。大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 31 其他 鍵處理方式同上，流程圖如下圖。 開 始返 回YN+ 鍵 是 否 按 下 ? 鍵 值 加 1 鍵 是 否 按 下 ? 鍵 值 減 1YNYN選 擇 鍵 是 否 按 下 ？檢 測 按 下 哪 個(gè) 鍵 圖 鍵盤處理子程序流程圖 D/A 轉(zhuǎn)換子程序流程圖 DA 轉(zhuǎn)換流程圖如圖 所示。 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 32 初 始 化開 始 D / A 轉(zhuǎn) 換是 否 采 樣 完 畢 ?返 回開 始NY 圖 DA 轉(zhuǎn)換子程序流程圖 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 33 第五章 調(diào)試結(jié)果 在單片機(jī)開發(fā)過程中，系統(tǒng)的調(diào)試占去了 大部分的 開發(fā)時(shí)間，可見調(diào)試的工作量比較大。單片機(jī)系統(tǒng)的硬件調(diào)試和軟件調(diào)試是不能分開的，許多硬件錯(cuò)誤是在軟件調(diào)試中被發(fā)現(xiàn)和糾 正的。但通常是先排除明顯的硬件故障以后，再和軟件結(jié)合起來調(diào)試以進(jìn)一步排除故障。 硬件調(diào)試 1．排除邏輯故障 這類故障往往由于設(shè)計(jì)和加工制板過程中工藝性錯(cuò)誤所造成的。主要包括錯(cuò)線、開路、短路。排除的方法是首先將加工的印制板認(rèn)真對照原理圖，看兩者是否一致。應(yīng)特別注意電源系統(tǒng)檢查，以防止電源短路和極性錯(cuò)誤，并重點(diǎn)檢查系統(tǒng)總線（地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線）是否存在相互之