【導(dǎo)讀】電阻爐作為工業(yè)爐窯中的一種常用的加熱設(shè)備被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。對(duì)電阻爐溫度控制精確與否將直接影像到產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。本文將PID控制算法引入到傳統(tǒng)的電阻爐控制系統(tǒng)中，借此提高其控制。設(shè)計(jì)一個(gè)控制精度高，運(yùn)行穩(wěn)定的電阻爐溫度控制系統(tǒng)是很有必要的。K型熱電偶作為溫度傳感器。AT89c51單片機(jī)為控制核心，PID運(yùn)算規(guī)律作為控制。文化中詳細(xì)介紹了該控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)。軟件電路設(shè)計(jì)及PID控制

　　

【正文】 繼電器主要產(chǎn)品技術(shù)參數(shù) 額定工作電壓 是指繼電器正常工作時(shí)線圈所需要的電壓。根據(jù)繼電器的型號(hào)不同，可以是交流電壓，也可以是直流電壓。 直流電阻 是指繼電器中線圈的直流電阻，可以通過(guò)萬(wàn)能表測(cè)量。 吸合電流 是指繼電器能夠產(chǎn)生吸合動(dòng)作的最小電流。在正常使用時(shí)，給定的電流必須略大于吸合電流，這樣繼電器才能穩(wěn)定地工作。而對(duì)于線圈所加的工作電壓，一般不要超過(guò)穩(wěn)定工作電壓的 ，否則會(huì)產(chǎn)生較大的電流而把線圈燒毀。 釋放電流 是指繼電器產(chǎn)生釋放動(dòng)作的最大電流。當(dāng)繼電器吸合狀態(tài)的電流減小到一定程度時(shí)，繼電器就會(huì)恢復(fù)到未通電的釋放狀態(tài)。這時(shí)的電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于吸合電流。 觸點(diǎn)切換電壓和電流 是指繼電器允許加載的電壓和電流。它決定了繼電器能控制電壓和電流的大小，使用時(shí)不能超過(guò)此值，否則很容易損壞繼電器的觸點(diǎn)。 繼電器測(cè)試 測(cè)觸點(diǎn)電阻 用萬(wàn)能表的電阻檔，測(cè)量常閉觸點(diǎn)與動(dòng)點(diǎn)電阻，其阻值應(yīng)為 0，（用加確式可測(cè)得觸點(diǎn)阻值在 100 毫歐以內(nèi)）；而常開(kāi)觸點(diǎn)與動(dòng)點(diǎn)的阻值就為無(wú)窮大。由此可以區(qū)別出那個(gè)是常閉觸點(diǎn)，那個(gè)是常開(kāi)觸點(diǎn)。 測(cè)線圈電阻 可用萬(wàn)能表 R10Ω 檔測(cè)量繼電器線圈的阻值，從而判斷該線圈是否存在著開(kāi)路現(xiàn)象。 測(cè)量吸合電壓和吸合電流 找來(lái)可調(diào)穩(wěn)壓電源和電流表，給繼電器輸入一組電壓，且在供電回路中串入電流表進(jìn)行監(jiān)測(cè)。慢慢調(diào)高電源電壓，聽(tīng)到繼電器吸合聲時(shí)，記下該吸合電壓和長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)論文 24 吸合電流。為求準(zhǔn)確，可以試多幾次而求平均 值。 測(cè)量釋放電壓和釋放電流 也是像上述那樣連接測(cè)試，當(dāng)繼電器發(fā)生吸合后，再逐漸降低供電電壓，當(dāng)聽(tīng)到繼電器再次發(fā)生釋放聲音時(shí)，記下此時(shí)的電壓和電流，亦可嘗試多幾次而取得平均的釋放電壓和釋放電流。一般情況下，繼電器的釋放電壓約在吸合電壓的10～ 50％，如果釋放電壓太?。ㄐ∮?1/10 的吸合電壓），則不能正常使用了，這樣會(huì)對(duì)電路的穩(wěn)定性造成威脅，工作不可靠。 繼電器的電符號(hào)和觸點(diǎn)形式 繼電器線圈在電路中用一個(gè)長(zhǎng)方框符號(hào)表示，如果繼電器有兩個(gè)線圈，畫(huà)個(gè)并列的長(zhǎng)方框。同時(shí)在長(zhǎng)方框內(nèi)或長(zhǎng)方框旁標(biāo)上繼電器的英文“ J” . 繼電器的觸點(diǎn)有兩種表示方法：一種是把它們直接畫(huà)在長(zhǎng)方框一側(cè)，這種 表示法較為直觀。另一種是按照電路連接的需要，把各個(gè)觸點(diǎn)分別畫(huà)到各自的控制電路中，通常在同一繼電器的觸點(diǎn)與線圈旁分別標(biāo)注上相同的文字符號(hào)，并將觸點(diǎn)組編上號(hào)碼，以示區(qū)別。 繼電器的觸點(diǎn)有三種基本形式： （ H型）線圈不通電時(shí)兩觸點(diǎn)是斷開(kāi)的，通電后，兩個(gè)觸點(diǎn)就閉 合。以合字的拼音字頭 “H” 表示。 （ D型）線圈不通電時(shí)兩觸點(diǎn)是閉合的，通電后兩個(gè)觸點(diǎn)就斷開(kāi)。 用斷字的拼音字頭 “D” 表示。 （ Z型）這是觸點(diǎn)組型。這種觸點(diǎn)組共有三個(gè)觸點(diǎn)，即中間是動(dòng) 觸點(diǎn)，上下各一個(gè)靜觸點(diǎn)。線圈不通電時(shí)，動(dòng)觸點(diǎn)和其中一個(gè)靜觸點(diǎn)斷開(kāi)和另一 個(gè)閉合，線圈通電后，動(dòng)觸點(diǎn)就移動(dòng)，使原來(lái)斷開(kāi)的成閉合，原來(lái)閉合的成斷開(kāi) 狀態(tài)，達(dá)到轉(zhuǎn)換的目的。這樣的觸點(diǎn)組稱為轉(zhuǎn)換觸點(diǎn)。用 “ 轉(zhuǎn) ” 字的拼音字頭“ Z” 表示。 繼電器的選用 ①控制電路的電源電壓，能提供的最大電流； ②被控制電路中的電壓和電流； ③被控電路 需要幾組、什么形式的觸點(diǎn)。選用繼電器時(shí)，一般控制電路的電源電壓可作為選用的依據(jù)?？刂齐娐窇?yīng)能給繼電器提供足夠的工作電流，否則繼電器吸合是不穩(wěn)定的。 ，可查找相關(guān)資料，找出需要的繼電器的型號(hào)和規(guī)格號(hào)。若手頭已有繼電器，可依據(jù)資料核對(duì)是否可以利用。最后考慮尺寸是否合適。 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)論文 25 。若是用于一般用電器，除考慮機(jī)箱容積外，小型繼電器主要考慮電路板安裝布局。對(duì)于小型電器，如玩具、遙控裝置則應(yīng)選用超小型繼電器產(chǎn)品。 外圍接口電路設(shè)計(jì) 顯示電路設(shè)計(jì) 為了將系統(tǒng)溫度和時(shí)間實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，本系統(tǒng)沒(méi)有采用常用的數(shù)碼管作為顯示方式，而是采用 LCD1602液晶實(shí)時(shí)顯示時(shí)間和溫度，這樣電路的設(shè)計(jì)就會(huì)相對(duì)簡(jiǎn)單一些，所用到的 I/O 口也較少。 1602液晶也叫 1602字符型液晶它是一種專門(mén)用來(lái)顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣 型液晶模塊它有若干個(gè) 5X7或者 5X11等點(diǎn)陣字符位組成，每個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個(gè)字符。 LCD1602是指顯示的內(nèi)容為 16X2,即可以顯示兩行，每行 16個(gè)字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）。 LCD1602微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧，常用在袖珍 式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中 ，其引腳功能如表 。 表 LCD1602引腳功能 引腳號(hào) 名稱 功能 1 GND 電源地 2 VCC +5V 電源 3 VL 對(duì)比調(diào)整電壓 4 RS 寄存器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器，低電平時(shí)選擇 指令寄存器 5 R/W 讀寫(xiě)信號(hào)線，高電平時(shí)讀操作，低電平時(shí)寫(xiě)操作 6 EN 使能端 7～ 14 DB0～ DB7 八位雙向數(shù)據(jù)端 15 A 背光正極 16 K 背光負(fù)極 在本系統(tǒng)中 LCD1602主要用于顯示溫度和時(shí)間等信息。圖 路。 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)論文 26 圖 313 液晶顯示電路 鍵盤(pán)電路設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)是以單片機(jī) AT89C51 為核心的一個(gè)鍵盤(pán) LED 顯示電路，顯示電路采用智能儀表中普遍采用的串行口擴(kuò)展并行口的靜態(tài)顯示電路，顯示穩(wěn)定，亮度高。軟件設(shè)計(jì)是以單片機(jī)的基本語(yǔ)言匯編語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行的，指令的執(zhí)行速度快，節(jié)省存儲(chǔ)空間。為了便于擴(kuò)展和更改，軟件的設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，使程序設(shè)計(jì)的邏輯關(guān)系更加簡(jiǎn)單明了，使硬件在軟件的控制下協(xié)調(diào)運(yùn)作。 鍵盤(pán)設(shè)計(jì)采用矩陣式鍵盤(pán)，其結(jié)構(gòu)如圖 ，圖中有 2根行線和 2根列線，經(jīng)限流電阻接 +5V 電源上，按鍵跨接在行線和列線上， 2*2 行列結(jié)構(gòu)可構(gòu)成 4個(gè)按鍵，組成一個(gè)鍵盤(pán)。 4 個(gè)按鍵編號(hào)為 K0～ K3。當(dāng)某一個(gè)按鍵閉合時(shí)，與該鍵相連的行線與列線接通，識(shí)別閉合鍵的方法有逐行（列）掃描法及行翻轉(zhuǎn)法。 鍵盤(pán)由一組常開(kāi)的按鍵開(kāi)關(guān)組成，每個(gè)按鍵都被賦予一個(gè)代碼，稱為鍵碼。鍵盤(pán)系統(tǒng)的主要工作就是及時(shí)發(fā)現(xiàn)有鍵閉合并求閉合鍵的代碼。鍵盤(pán)可以分為兩種，即編碼鍵盤(pán)和非編碼鍵盤(pán)。編碼鍵盤(pán)是通過(guò)一個(gè)編碼電路來(lái)識(shí)別閉合鍵碼，非編碼鍵盤(pán)是通過(guò) 軟件來(lái)識(shí)別鍵碼。因非鍵盤(pán)硬件電路簡(jiǎn)單，使用時(shí)可方便的增加或減少鍵的數(shù)量，因此本設(shè)計(jì)采用非編碼鍵盤(pán)。 逐行掃描法 1）、將行線接微機(jī)的輸出口，列線接微機(jī)輸入口（ P0 口高四位輸出，低四位入）。 2）、通過(guò)輸出口輸出數(shù)據(jù)，逐一使一條行線為低電平（其他 3 條為高電平），然后通過(guò)輸入口讀 4 根列線的狀態(tài)，若全為高電平，則此行無(wú)鍵按下，若不全為高電平，說(shuō)明這一行有鍵按下，且按鍵位于此行與電壓為低電平的列線交叉點(diǎn)。例如： P0 口高四位輸出 0111B(第三行為低電平 )時(shí)，若讀得列線的數(shù)據(jù)位 0111B，說(shuō)明按鍵 K0被按下，若讀得數(shù)據(jù)位 1011B，則說(shuō)明按鍵 K1被按下；若 P0口高四位輸出 1011B 時(shí)，若讀得數(shù)據(jù)為 0111B，則說(shuō)明按鍵 K2 被按下，若讀得數(shù)據(jù)位是長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)論文 27 1011B，則說(shuō)明按鍵 K3 被按下。當(dāng)一行沒(méi)有鍵按下時(shí)再用同樣 的方法接著掃描（檢查）下一行。 3）、當(dāng)某一行有鍵按下時(shí)，通過(guò)此時(shí)行線輸出及列線輸入組合成一個(gè) 8 為二進(jìn)制數(shù)，這個(gè)數(shù)稱為鍵值，由鍵值可以唯一地確定按鍵號(hào)碼。 K0 按下時(shí)，必在行線輸出 0111B,列線讀得 0111B 時(shí)，其鍵值 01110111B=77H。 K1 按下時(shí)，必在行線輸出 0111B,列線讀得 1011B 時(shí)，其鍵值 01111011B=7BH。 K2 按下時(shí)，必在行線輸出 1011B,列線讀得 0111B 時(shí)，其鍵值 10110111B=B7H。 K3 按下時(shí)，必在行線輸出 1011B,列線讀得 1011B 時(shí)，其鍵值 10111011B=BBH。 此鍵盤(pán)查詢?cè)O(shè)計(jì)時(shí)，將 77H～ BBH 鍵碼按照 0～ 3連續(xù)排列。 （ 2）、行翻轉(zhuǎn)法 1）、將與行線相連的斷口設(shè)置為輸入，與列線相連的斷口設(shè)置為輸出（ P0口高四位輸入，低四位輸出）。向列線輸出數(shù)據(jù) 0000B 時(shí)，使列線全部為低電平，然后讀 4 根行線的狀態(tài)。若全為高電平，則說(shuō)明無(wú)鍵按下（返回 1），若不全為高電平，則說(shuō)明有鍵按下（進(jìn)入 2）。 2）、翻轉(zhuǎn)：將與行線相連的斷口設(shè)置為輸出，與列線相連的端口設(shè)置為輸入（ P0 口高 4位輸出，低四位輸入），然后把 1)中從行線得到的 4位二進(jìn)制數(shù)向列線輸出。 3）、從列線 輸入數(shù)據(jù)，得到一個(gè) 4 位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，把 1）中得到的 4位二進(jìn)制數(shù)據(jù)作為高 4 位，與這個(gè) 4位二進(jìn)制數(shù)據(jù)組合成的 8 位二進(jìn)制數(shù)即為鍵值（與逐行掃描法相同），由鍵值可唯一地確定按鍵號(hào)碼。 按鍵控制電路如圖所示，分別接在單片機(jī) 。它由 4個(gè)按鍵構(gòu)成，直接與單片機(jī) I/O 口相連。當(dāng)按鍵閉合時(shí)，單片機(jī)的 到 P04P07 口 。 圖 按鍵電路設(shè)計(jì)圖 當(dāng)用于溫度調(diào)節(jié)時(shí)，開(kāi)關(guān)分別用于調(diào)整溫度的上下限值，以及控制溫度的輸出。另外，設(shè)定 1 鍵用于第一次按下時(shí)顯示采集的溫度，第二次按下則進(jìn)行溫度的上限調(diào)整，第三次按下進(jìn)行溫度的下限調(diào)整，第四次按下則進(jìn)行采集溫度的顯長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)論文 28 示構(gòu)成循環(huán)。選擇 2 鍵進(jìn)行位數(shù)調(diào)整，第一次顯示個(gè)位，第二次顯示十位，第三次顯示百位，第四次按下是顯示千位。 3 鍵用于增加一個(gè)數(shù)，按下一次在原基礎(chǔ)上加 1，這個(gè)值在 09之間變化。 4 鍵用于減少一個(gè)數(shù)，按下一次在原基礎(chǔ)之上減1，這個(gè)值在 90之間變化。 當(dāng)用于 PID 參數(shù)調(diào)節(jié)時(shí)，設(shè)定 1鍵為確認(rèn)鍵，按下第五次后，顯示 PID 系數(shù)狀態(tài)。選擇 2鍵進(jìn)行移位調(diào)整，第一次顯示 Kp，第二次顯示 KI，第三次顯示 KD。選擇 3鍵為增加鍵，按下一次在原基礎(chǔ)上增加 1，這個(gè)值在 09之間變化。 4鍵用于減少一個(gè)數(shù)，按下一次在原基礎(chǔ)上減 1，這個(gè)值在 09之間變化。 報(bào)警電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)中采用蜂鳴器報(bào)警和燈光報(bào)警。在圖 中， 接 74LS04 的輸入端。當(dāng) “ 0”時(shí)，經(jīng) 74LS04 的反向輸出高電平，蜂鳴器鳴叫并點(diǎn)亮發(fā)光二級(jí)管；當(dāng) 輸出高電平“ 1”時(shí)，蜂鳴器停止發(fā)聲，發(fā)光二級(jí)管熄滅。 圖 聲光報(bào)警電路 本設(shè)計(jì)是為在鍵盤(pán)設(shè)定的溫度低于當(dāng)前的溫度時(shí)報(bào)警，當(dāng)溫度低于設(shè)定溫度時(shí)， 口被置低，發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。 通信電路設(shè)計(jì) 圖 。 本系統(tǒng)通過(guò)接口芯片 MAX485來(lái)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)AT89C51與上位機(jī)之間的串行通信。 R0和 DI端分別為接收器的輸出和驅(qū)動(dòng)器的輸入端，分別與單片機(jī)的串行輸入端 RXD和數(shù)據(jù)輸出端 TXD相連； RE和 DE端分別為接收和發(fā)送的使能端，與單片機(jī)的 。當(dāng) RE為邏輯 0時(shí)。器件處于接收狀態(tài)：當(dāng) DE為邏輯 l時(shí) ,器件處于發(fā)送狀態(tài)。 A端和 B端分別為接收和發(fā)送差分信號(hào)端。當(dāng) A引腳的電平高于 B時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為 l；當(dāng) A的電平低于 B端時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為 0。在與單片機(jī)連接時(shí)，只需要一個(gè)信號(hào)控制 MAX485的接收和發(fā)送即可。 A、 B接上位機(jī)的通信線。 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)論文 29 圖 316 下位機(jī)通信接口電路圖 電源設(shè)計(jì) 由于單片機(jī)的工作電源是 5V，且底層電路功耗很小。所以在單片機(jī)電源設(shè)計(jì)中常使用輸出電壓固定的集成穩(wěn)壓器，作為穩(wěn)壓器件。這種集成穩(wěn)壓器只有輸入、輸出和公共引出端三個(gè)端口， 故稱為三端穩(wěn)壓器。采用三端穩(wěn)壓片 7805 即可制作穩(wěn)定輸出為 +5V 的電源，為單片機(jī)提供正常工作電源。 三端穩(wěn)壓器由啟動(dòng)電路、基準(zhǔn)電壓電路、取樣比較放大電路、調(diào)整電路和保護(hù)電路等部分構(gòu)成。本設(shè)計(jì)中所采用的直流穩(wěn)壓電路如圖所示，首先將 220V、 50Hz的市電轉(zhuǎn)換成相應(yīng)較小的電壓，后又經(jīng)整流橋?qū)⒔涣麟妷恨D(zhuǎn)換成直流電壓，此過(guò)程又將損耗一部分電壓。圖中極性電容 C C6 用于儲(chǔ)備功率，當(dāng)電源開(kāi)關(guān)時(shí)也能起到緩沖作用。 C5和 C7 用于濾波，在這個(gè)基礎(chǔ)上，還可以增加二極管 D D6，分別連接在 7805 的 1端和 3 端，形成反饋，當(dāng)電路中出現(xiàn)短路情況時(shí)，能對(duì)電路起到保護(hù)作用。另外，還可以接一個(gè) 400 歐姆的電阻和一個(gè)發(fā)光二極管 ，目的是為了檢測(cè)電路是否通電。本設(shè)計(jì)出于簡(jiǎn)化電路的目的，所以省略了以上兩步，電路系統(tǒng)原理圖如圖 所示： Vin1GND3+5V2LM7805C5100pFC72200pFC4100pFC6T1TransAC220V50Hz N1 N28V+5V 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)論文 30 圖 電源電路的設(shè)計(jì) 抗干擾設(shè)計(jì) 抗干擾渠道 系統(tǒng)的抗干擾性能的好壞是影響系統(tǒng)可靠性的重要因素。影響單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)正常工作的信號(hào)稱為噪聲，又稱干擾。影響指令的正常執(zhí)行，造成控制事故或失靈，在測(cè)量通道中產(chǎn)生了干擾，就會(huì)使測(cè)量產(chǎn)生誤差，電壓的沖擊有可能使系統(tǒng)遭到致命的破壞。告饒一般都是以脈沖的形式進(jìn)入系統(tǒng)的，竄入單片機(jī)系統(tǒng)的渠道主要有三條： （ 1）空間干擾 周?chē)碾娖髟O(shè)備如發(fā)射機(jī)、中頻爐、可