【正文】 H ↑ L L QAn QGn LED164 的管腳如圖 37 所示，其中 ag 段用來顯示數字或字符的筆劃， dp 顯示小數點，9 和 10 引腳作為公共地。一英寸以下的的 LED 數碼管內，每一筆段含有一只 LED 發(fā)光二極管，導通壓降為 ；一英寸及以上的 LED 數碼管的每一筆段由多只 LED 發(fā)光二極管以串 、并聯方式連接而成，筆段導通電壓與筆段內包含的 LED 發(fā)光二極管的數目、連接方式有關。在串聯方式中，確定電源電壓 VCC 時，每只 LED 工作電壓通常以 ，例如 4 英寸 7 段 LED 數碼顯示器 LC4141 的每一筆段由四只 LED發(fā)光二極管按串聯方式連接而成，因此導通電壓應在 78V之間，電源電壓 VCC 必須取 9V以上。 數碼管結構有共陰極和共陽極之分。本設計采用的是共陰極數碼管。共陰極公共端接河南科技大學本科畢業(yè)設計 論文 18 地 ，高電平有效（燈亮），共陰極數碼管內部發(fā)光二極管的陰極 (負極 )都聯在一起，此數碼管陰極 (負極 )在外部只有一個引腳 。 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i tl eN um be r R e v is i onS i z eBD a t e : 16 Ju n 20 11 S he e t of F i le : F : \設計 \畢業(yè)設計 \設計 \99 原理圖 \xd D B D ra w n B y :abfcgdeD P Y1234567abcdefg8 dpdpGND9WE10L E D 4 圖 37 數碼管管腳圖 串口通信 串口通信的主要功能是完成單片機與上位機的通信，便于進行熱度數據統(tǒng)計，為將來系統(tǒng)功能的擴展做好基礎工作。 串行通信的主要功能是實現單片機與 PC機的數據交換，當需要進行數據記錄、數據統(tǒng)計、數據分析的時候，可以把數據發(fā)送給上位機，使用上位機進行數據處理，并且將數據處理的結果又發(fā)送給單片機。這樣可以大大提高系統(tǒng)數據處理速度，還可以方便的對單片機進行控制。計算機與外界的數據傳送大部分都是串行的，其傳送距離可以從幾米到幾千米。串行口通信原理圖如圖 38所示： 河南科技大學本科畢業(yè)設計 論文 19 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN um be r R e v i s i onS i z eBD a t e : 14 J u n 20 11 S he e t of F i l e : F : \設計 \畢業(yè)設計 \設計 \ 99 原理圖 \ x d D B D r a w n B y :C 1+1V+2C 13C 2+4C 25V6T 2O U T7R 2I N8R 2O U T9T 2I N10T 1I N11R 1O U T12R 1I N13T 1O U T14GND15V C C16U3R S 23 2162738495J6D B 9C3 ufC4 ufC5 ufC2 ufV C CGNDP P C1 ufGND 圖 38 串行口 通信 報警單元 報警電路實現的是當環(huán)境 熱 度值超過系統(tǒng)設置的上限值或者小于系統(tǒng)設置的下限值時，都將通過 I/O 口驅動蜂鳴器，進行蜂鳴器報警。而單片機 I/O 口輸出的電流無法直接驅動蜂鳴器，所以設計了蜂鳴器驅動電路，具體電路連接如圖 39所示： 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN um be r R e vi s i onS i z eBD a t e : 1 J un 2021 S he e t of F i l e : H : \設計 \ 99 原理圖 \ D B D r a w n B y :U3B E L LQ18550R3100KV C CP 圖 39 報警電路圖 熱處理爐熱 度控制是通過控制 熱處理爐 輸入功率的大小實現對 熱 度的控制，其控制方法有 兩種：一種是可控硅移相觸發(fā)調節(jié)方式，實質就是通過改變交流電壓每周期內電壓波形的導通角從而控制輸出功率；另一種是通斷控制調節(jié)方式，其觸發(fā)方式是過零觸發(fā)，實質是 通過改變交流電壓每周期內電壓波頭出現的次數從而控制輸出功率。通斷控制調節(jié)方河南科技大學本科畢業(yè)設計 論文 20 式會防止高次諧波的干擾和污染電網，硬件電路和軟件程序都比較簡單，因而本設計中采用的是通斷控制調節(jié)方式。 固態(tài)繼電器的簡介：固態(tài)繼電器（ SOLID STATE RELAYS），簡寫成 ”SSR”，是一種全部由固態(tài)電子元件組成的新型無觸點開關元件，它利用電子元件（如開關三極管、雙向可控硅等半導體器件）的開關特性，可達到無觸點無火花地接通和斷開電路的目的，因此又被稱為 “無觸點開關 ”。 固態(tài)繼電器 SSR40DA是由固態(tài)元件組成的無觸點開關，具 有工作安全可靠、壽命長、無觸點、無火花、無污染、高絕緣、高耐壓（越過 ）、低觸發(fā)電流、開關速度快、可與數字電路巨配，以阻燃型環(huán)氧樹脂為原料，采用灌封技術，使與外界隔離，具有良好的耐壓、防潮、防腐、抗震動等性能。固態(tài)繼電器內部采用電壓過零時開啟，負載過零時關斷的特性，在負載上可以得到一個完整的正弦波形。因此電路的射頻干擾很小，可降低感性負載（如風扇、三相電動機等）的反電動勢以及驅動阻性負載（如白熾燈、發(fā)熱絲等）時可顯著降低浪涌電流等優(yōu)點 ,其內部結構如 下圖 310所示 ： 圖 310 SSR40DA內 部結構圖 固態(tài)繼電器控制熱處理爐熱度電路圖如圖 311 所示： 河南科技大學本科畢業(yè)設計 論文 21 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN um be r R e v i s i onS i z eBD a t e : 19 J u n 20 11 S he e t of F i l e : F : \設計 \電子鐘 \ 07 0 51 12 30 6 x d d 電子鐘 \ X D D 原理圖 \ c p u1 .D D BD r a w n B y :RV C C三極管N P NP ~+SSR~~ 22 0v電阻爐 圖 311 固態(tài)繼電器控制熱處理爐熱度電路圖 河南科技大學本科畢業(yè)設計 論文 22 第 4 章 軟件設計 與 PID 控制 設計思路 本部分詳細介紹了基于 AT89C52單片機的 熱處理爐熱 度控制系統(tǒng) 的軟件設計。 根據系統(tǒng)功能，可以將系統(tǒng)設計分為若干個子程序進行設計，如 熱 度采集子程序，數據處理子程序、顯示子程序、 PID控制子程序。采用 Keil uVision3集成編譯環(huán)境和 C語言來進行系統(tǒng)軟件的設計。本章從設計思路、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現，最終編寫出滿足任務需求的程序。 本系統(tǒng)要完成 熱 度信號的采集與控制，需要實現 熱 度信號的采集與 A/D轉換、數據處理、數據顯示、數據傳輸等基本功能。從功能上可將其分為 熱 度信號采集及 A/D轉換、數據處理、人機交互、執(zhí)行四大部分進行設 計。 熱 度信號采集子程序，主要完成 熱 度信號采集與 A/D功能。 熱 度信號采集子程序主要包括傳感器初始化、單片機給傳感器寫命令、單片機給傳感器寫數據、單片機從傳感器讀數據等部分。 數據處理子程序，當單片機收到 熱 度傳感器發(fā)送的 熱 度數據后，數據處理子程序對該數據進行處理，主要是把采集到的二進制的 熱 度數據轉換成十進制 熱 度數據。 在系統(tǒng)軟件中，主程序完成系統(tǒng)初始化和電爐絲的導通和關斷；爐 熱 測定、鍵盤輸入、時間確定和顯示、控制算法等都由子程序來完成； 中斷服務程序實現測 熱 。流程圖如圖 41所示。 河南科技大學本科畢業(yè)設計 論文 23 系 統(tǒng) 各 模 塊 初 始 化調 測 量 溫 度 子 程 序顯 示 當 前 溫 度開 始調 鍵 盤 處 理 子 程 序輸 入 設 定 值計 算 溫 度 的 偏 差 值測 量 值 超過 設 定 值調 用 執(zhí) 行 P I D 子 程 序報 警 子 程 序進 行 加 熱停 止 加 熱測 量 值 低于 設 定 值YYNN報 警 子 程 序 圖 41 控制系統(tǒng)程序流程圖 PID 控制基本特性 模糊控制 模糊控制是基于模糊邏輯的描述一個過程的控制算法，它不需要被控對象的精確模型，僅依賴于操作人員的經驗和直覺判斷，容易應用。模糊熱控的實現過程為 :①將熱控對象的偏差和偏差率以及輸出量劃分為不同的模糊值，建立規(guī)則，將這些模糊規(guī)則寫成模糊條件語句，形成模糊模型。②根據模糊查詢表，形成模糊控制算法。③對輸入量的精確值模糊化，經數學處理輸入計算機，計算機由模糊規(guī)則推理做出模糊決策，求出相應的控制量，變成 精確值去驅動執(zhí)行機構，調整輸入，達到調節(jié)熱度，使其穩(wěn)定的目的。 河南科技大學本科畢業(yè)設計 論文 24 模糊控制與 PID 的結合 具體結合形式有多種，主要是 FuzzyPID 復合控制和模糊整定 PID 參數的方法。①FuzzyPID 復合控制 :當偏差較大時采用模糊控制，回應速度快，動態(tài)性能好；偏差較小時采用 PID 控制，使具有好的靜態(tài)性能。是一種模糊控制和 PID 控制的分階段切換控制方法。②模糊整定 PID 參數的方法 :根據偏差和偏差變化率，由模糊推理來調整 PID 參數，也就是一種以模糊規(guī)則調節(jié) PID 參數的自適應控制方法。 模糊控制引入了邏輯推理，有較 強的自適應能力，對非線性、大延遲等復雜系有良好的控制效果。由此可見，將模糊控制與 PID 控制相結合，可以很好地克服傳 PID 控制的不足，實現精確控制。并且使系統(tǒng)具有較強的適應性和魯棒性，可以更效地實現人的控制策略和經驗。 自適應模糊 PID 控制的目的就是根據實際工況實時調整比例、積分微分系數，以達到控制作用在任何時候均為最優(yōu)。自適應調整過程是模仿人的思維過推理實現的，由于人固有的特性，這一過程又一定是模糊的，如“如果當前偏差很大而偏差變化的速度仍很慢，則加大調節(jié)作用，以提高系統(tǒng)響應速度”，“如果前偏差已很小而偏差 變化的速度仍很大，則減小調節(jié)作用，以便減小系統(tǒng)超調”等為簡化運算，使問題求解難度降低，以滿足實時性的要求，在不降低其它性能標的前提下，本文將模糊推理器設計成二輸入三輸出的推理器，即輸入是偏差 e 和差變化率 ec，輸出是△ Kp，△ Ki，△ Kd，用來分別調節(jié) PK ， IK ，DK 的值?？刂破鲄?(比例系數、積分系和微分系數 )的初值，由用戶根據經驗輸入，這樣以使用戶仍可對控制參數進行宏的調節(jié)。并在很 大程度上彌補了模糊推理中對變量進行模糊化所造成的誤差，提高控制器主動適應系統(tǒng)或環(huán)境的能力?？刂破鲄档拿恳淮握{節(jié)都是在具體情況下的時修正，因而可達到調節(jié)作用的時間最優(yōu)。 PID 控制工作流程 自適應模糊 PID 是在 PID 算法的基礎上，通過計算當前系統(tǒng)誤差 e和誤差變化 ec，根據各模糊子集的隸屬度賦值表和各參數模糊控制模型，應用模糊合成推理設 PID 修正參數的模糊矩陣表 (在程序中執(zhí)行 )，在線查出修正參數后帶入下式計算 : 河南科技大學本科畢業(yè)設計 論文 25 d}ec,e{KdKdi}ec,e{KiKip}ec,e{KpKp39。39。39。?????? 在線運行過程中，控制系統(tǒng)通過對模糊邏輯規(guī) 則的結果處理、查表和運算，完成 PID參數的在線自適應。其工作流程如圖 42所示。 圖 42 在線模糊自適應 PID工作流程圖 PID 調節(jié)的一般步驟： P：確定比例增益 P 時，首先去掉 PID 的積分項和微分項，一般是令Ti=0、 Td=0（具體見 PID 的參數設定說明），使 PID 為純比例調節(jié)。輸入設定為系統(tǒng)允許的最大值的 60%~70%，由 0 逐漸加大比例增益 P，直至系統(tǒng)出現振蕩；再反過來，從此時的比例增益 P 逐漸減小，直至系統(tǒng)振蕩消失，記錄此時的比 例增益 P，設定 PID 的比例增益 P 為當前值的 60%~70%。比例增益 P 調試完成。 開始 取當前采樣值 e(k)=r(k)y(k) ec(k)=e(k)e(k1) e(k1)=e(k) e(k),ec(k)模糊化 模糊整定 Kp,Ki,Kd PID 控制器輸出 返回 河南科技大學本科畢業(yè)設計 論文 26 Ti 比例增益 P 確定后，設定一個較大的積分時間常數 Ti 的初值，然后逐漸減小 Ti，直至系統(tǒng)出現振蕩，之后在反過來，逐漸加大 Ti，直至系統(tǒng)振蕩消失。記錄此時的 Ti，設定 PID的積分時間常數 Ti 為當前值的 150%~180%。積分時間常數 Ti 調試完成。 Td 積分時間常數 Td 一般