【正文】 例如 4 英寸 7 段 LED 數(shù)碼顯示器 LC4141 的每一筆段由四只 LED 發(fā)光二極管按串聯(lián)方式連接而成， 因此導通電壓應(yīng)在 78V 之間，電源電壓 VCC 必須取 9V 以上。 數(shù)碼管結(jié)構(gòu)有共陰極和共陽極之分。本設(shè)計采用的是共陰極數(shù)碼管。共陰極公共端接河南科技大學本科畢業(yè)設(shè)計 論文 18 地 ，高電平有效（燈亮），共陰極數(shù)碼管內(nèi)部發(fā)光二極管的陰極 (負極 )都聯(lián)在一起，此數(shù)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(shè)計 \畢業(yè)設(shè)計 \設(shè)計 \99 原理圖 \xd D B D ra w n B y :abfcgdeD P Y1234567abcdefg8 dpdpGND9WE10L E D 4 圖 37 數(shù)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(shù)據(jù)統(tǒng)計，為將來系統(tǒng)功能的擴展做好基礎(chǔ)工作。 串行通信的主要功能是實現(xiàn)單片機與 PC機的數(shù)據(jù)交換，當需要進行數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、數(shù)據(jù)分析的時候，可以把數(shù)據(jù)發(fā) 送給上位機，使用上位機進行數(shù)據(jù)處理，并且將數(shù)據(jù)處理的結(jié)果又發(fā)送給單片機。這樣可以大大提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shè)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(shè)計 \畢業(yè)設(shè)計 \設(shè)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(xiàn)的是當環(huán)境 熱 度值超過系統(tǒng)設(shè)置的上限值或者小于系統(tǒng)設(shè)置的下限值時，都將通過 I/O 口驅(qū)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(qū)動蜂鳴器，所以設(shè)計了蜂鳴器驅(qū)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 2022 S he e t of F i l e : H : \設(shè)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(xiàn)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(diào)節(jié)方式，實質(zhì)就是通過改變交流電壓每周期內(nèi)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(diào)節(jié)方式，其觸發(fā)方式是過零觸發(fā)，實質(zhì)是通過改變交流電壓每周期內(nèi)電壓波頭出現(xiàn)的次數(shù)從而控制輸出功率。通斷控制調(diào)節(jié)方河南科技大學本科畢業(yè)設(shè)計 論文 20 式會防止高次諧波的干擾和污染電網(wǎng)，硬件電路和軟件程序都比較簡單，因而本設(shè)計中采用的是通斷控制調(diào)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(guān)元件，它利用電子元件（如開關(guān)三極管、雙向可控硅等半導體器件）的開關(guān)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(guān) ”。 固態(tài)繼電器 SSR40DA是由固態(tài)元件組成的無觸點開關(guān)，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(guān)速度快、可與數(shù)字電路巨配，以阻燃型環(huán)氧樹脂為原料，采用灌封技術(shù)，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(nèi)部采用電壓過零時開啟， 負載過零時關(guān)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(qū)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(nèi)部結(jié)構(gòu)如 下圖 310所示 ： 圖 310 SSR40DA 內(nèi) 部結(jié)構(gòu)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(shè)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(shè)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(shè)計 論文 22 第 4 章 軟件設(shè)計 與 PID 控制 設(shè)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(shè)計。 根據(jù)系統(tǒng)功能，可以將系統(tǒng)設(shè)計分為若干個子程序進行設(shè)計，如 熱 度采集子程序，數(shù)據(jù)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(shè)計。本章從設(shè)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(xiàn)，最終編寫出滿足任務(wù)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(xiàn) 熱 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堋墓δ苌峡蓪⑵浞譃?熱 度信號采集及 A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、人機交互、執(zhí)行四大部分進行設(shè)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(shù)據(jù)、單片機從傳感器讀數(shù)據(jù)等部分。 數(shù)據(jù)處理子程序，當單片機收到 熱 度傳感器發(fā)送的 熱 度數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)處理子程序?qū)υ摂?shù)據(jù) 進行處理，主要是把采集到的二進制的 熱 度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成十進制 熱 度數(shù)據(jù)。 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(guān)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(wù)程序?qū)崿F(xiàn)測 熱 。流程圖如圖 41所示。 河南科技大學本科畢業(yè)設(shè)計 論文 23 系 統(tǒng) 各 模 塊 初 始 化調(diào) 測 量 溫 度 子 程 序顯 示 當 前 溫 度開 始調(diào) 鍵 盤 處 理 子 程 序輸 入 設(shè) 定 值計 算 溫 度 的 偏 差 值測 量 值 超過 設(shè) 定 值調(diào) 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(shè) 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(jīng)驗和直覺判斷，容易應(yīng)用。模糊熱控的實現(xiàn)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(jù)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(jīng)數(shù)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(yīng)的控制量，變成精確值去驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，調(diào)整輸入，達到調(diào)節(jié)熱度，使其穩(wěn)定的目的。 河南科技大學本科畢業(yè)設(shè)計 論文 24 模糊控制與 PID 的結(jié)合 具體結(jié)合形式有多種，主要是 FuzzyPID 復合控制和模糊整定 PID 參數(shù)的方法。①FuzzyPID 復合控制 :當偏差較大時采用模糊控制，回應(yīng)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(shù)的方法 :根據(jù)偏差和偏差變化率，由模糊推理來調(diào)整 PID 參數(shù)，也就是一種以模糊規(guī)則調(diào)節(jié) PID 參數(shù)的自適應(yīng)控制方法。 模糊控制引入了邏輯推理，有較強的自適應(yīng)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(jié)合，可以很好地克服傳 PID控制的不足，實現(xiàn)精確控制。并且使系統(tǒng)具有較強的適應(yīng)性和魯棒性，可以更效地實現(xiàn)人的控制策略和經(jīng)驗。 自適應(yīng)模糊 PID 控制的目的就是根據(jù)實 際工況實時調(diào)整比例、積分微分系數(shù)，以達到控制作用在任何時候均為最優(yōu)。自適應(yīng)調(diào)整過程是模仿人的思維過推理實現(xiàn)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(diào)節(jié)作用，以提高系統(tǒng)響應(yīng)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(diào)節(jié)作用，以便減小系統(tǒng)超調(diào)”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(shè)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(diào)節(jié) PK ， IK ，DK 的值?？刂破鲄?shù) (比例系數(shù)、積分系和微分系數(shù) )的初值，由用戶根據(jù)經(jīng)驗輸入，這樣以使用戶仍可對控制參數(shù)進行宏的調(diào)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(yīng)系統(tǒng)或環(huán)境的能力。控制器參數(shù)的每一次調(diào)節(jié)都是在具體情況下的時修正，因而可達到調(diào)節(jié)作用的時間最優(yōu)。 PID 控制工作流程 自適應(yīng)模糊 PID 是在 PID算法的基礎(chǔ)上，通過計算當前系統(tǒng)誤差 e和誤差變化 ec，根據(jù)各模糊子集的隸屬度賦值表和各參數(shù)模糊控制模型，應(yīng)用模糊合成推理設(shè) PID修正參數(shù)的模糊矩陣表 (在程序中執(zhí)行 )，在線查出修正參數(shù)后帶入下式計算 : 河南科技大學本科畢業(yè)設(shè)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(jié)果處理、查表和運算，完成 PID參數(shù)的在線自適應(yīng)。其工作流程如圖 42 所示。 圖 42 在線模糊自適應(yīng) PID 工作流程圖 PID 調(diào)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(shù)設(shè)定說明），使 PID 為純比例調(diào)節(jié)。輸入設(shè)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(xiàn)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(shè)定 PID 的比例增益 P 為當前值的 60%~70%。比例增益 P 調(diào)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(shè)計 論文 26 Ti 比例增益 P 確定后，設(shè)定一個較大的積分時間常數(shù) Ti 的初值，然后逐漸減小 Ti，直至系統(tǒng)出現(xiàn)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(shè)定 PID的積分時間常數(shù) Ti 為當前值的 150%~180%。積分時間常數(shù) Ti 調(diào)試完成。 Td 積分時間常數(shù) Td 一般不用設(shè)定，為 0 即可。若要設(shè)定，與確定 P 和 Ti 的方法相同，取不振蕩時的 30%。 、帶載聯(lián)調(diào)，再對 PID 參數(shù)進行微調(diào)，直至滿足要求。 熱 控系統(tǒng)采用數(shù)字 PID算法，并由軟件實現(xiàn)，所謂 PID控制就是按設(shè)定值與測量值之間偏差的比例、偏差的積累和偏差變化的趨勢進行控制 [13]。它根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量。因此 PID控制律的實現(xiàn)，必須用數(shù)值逼近法。當采樣周期相當短時，可以用 求和代替積分，用差商代替微分，即做如下近似變換： 0 00( )