【正文】 在我投身社會(huì)之際，我將以滿腔的熱情，旺盛的精力努力工作，不辜負(fù)學(xué)校對(duì)我的期望。在這次設(shè)計(jì)期間，謝老師給予了我耐心的指導(dǎo)和不斷的鼓勵(lì)，為我們提供了大量的學(xué)習(xí)的條件，使我能順利完成這次設(shè)計(jì)。在本設(shè)計(jì)中，我深深的體會(huì)到了自己所學(xué)知識(shí)不足等缺點(diǎn)，尤其是不能把在書本上所學(xué)的知識(shí)理論靈活的應(yīng)用在實(shí)踐中去。系統(tǒng)由 8051 處理器為核心，采用 PID 控制算法進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。這里采用中值濾波，就是連續(xù)三次取樣，取中間值作為本次取樣值。有時(shí)不適當(dāng)?shù)牟捎脭?shù)字濾波反而適得其反，造成不良影響。在具體選用濾波方法時(shí)需從以下幾個(gè)個(gè)方面加以考慮:（1）濾波效果一般說來，對(duì)于變化比較緩慢的參數(shù)如溫度，可選用程序判斷濾波以及一階滯后濾波方法比較好。 這是一種折中的方法，即照顧了采樣的實(shí)時(shí)性，又照顧了采樣的連續(xù)性。限速濾波:設(shè)順序采樣時(shí)刻 ttt3 所采集的參數(shù)分別為 xl、xx3，則當(dāng)區(qū)|2xl|≦△x，則 x2 輸入計(jì)算機(jī)。如果大于△x，則仍取上次采樣值作為本次采樣值。程序判斷濾波的方法，是根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，確定出兩次采樣輸入信號(hào)可能出現(xiàn)的最大偏差△x，若超過此偏差值，則表明本次輸入信號(hào)是干擾信號(hào)，應(yīng)該去掉。在實(shí)際應(yīng)用中，N 可取任何值，但為了加快數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理速度，一般N 不能太大，通常 N 取為 4。 （3）擾平均值濾波(復(fù)合濾波)在工業(yè)控制等應(yīng)用場(chǎng)合中，經(jīng)常會(huì)遇到尖脈沖干擾的現(xiàn)象。其目的是增加信號(hào)的某一部分，抑制信號(hào)的另一部分。這樣每進(jìn)行一次測(cè)量，就可得到一個(gè)新的算術(shù)平均值。如假設(shè) A/D 數(shù)據(jù)采樣速率為每秒采樣 10 次，而要求每秒輸入 4 次數(shù)據(jù)時(shí)，則 N 不能大于 2。采用浮點(diǎn)數(shù)計(jì)算比較方便，但計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)。算術(shù)平均值法程序可直接按式()編出，只是需注意兩點(diǎn):一是 xi 的輸入方法。由式()可知，算術(shù)平均值法對(duì)信號(hào)的平滑濾波程序完全取決于 N。設(shè)第二次測(cè)量的測(cè)量值包含信號(hào)成分 Si和噪音成分 Ci，則進(jìn)行 N 次測(cè)量的信號(hào)成分之和為 （） 噪音的強(qiáng)度是用均方根來衡量的，當(dāng)噪音為隨機(jī)信號(hào)時(shí)，進(jìn)行 N 次測(cè)量的噪音強(qiáng)度之和為（） 上述兩式中，S、C 分別表示進(jìn)行 N 次測(cè)量后信號(hào)和噪音的平均幅度。（3）模擬濾波器通常每個(gè)通道都有，而數(shù)字濾波器則可以多個(gè)通道共用，從而降低成本。后者為隨機(jī)信號(hào)，而不是周期信號(hào)對(duì)于隨機(jī)干擾，可以用數(shù)字濾波方法加以消弱或?yàn)V除。為了進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量和控制，必須消除被測(cè)信號(hào)中的噪音和干擾。相應(yīng)的位置式算法流程圖如 41 所示：()()(1)(1)()(1)(2){[2dipii iiiTUeeei? ????]}2[{ )2()1()()()()()( ????? iiiiiipi eeeU△）35圖 41 PID 算法流程圖開 始輸 入 Yi， W計(jì) 算 Ei=Yi計(jì) 算 Pi=I*Ei計(jì) 算 Pp=△ ei=Eii1計(jì) 算 Pi+p計(jì) 算 Pd=D*（ Ei2i1+Ei2）Ui=Kp(d+Ppi)Ui1Ui—Ui1 eeEi1i2返 回）36 程序設(shè)計(jì) 主程序設(shè)計(jì)主程序包括 8051 本身的初始化以及各并行 I/O 口的初始化等。由于電阻爐一般都屬于一階對(duì)象和帶純滯后的一階對(duì)象，所以算法中 Kp 的選擇取決于電阻爐的階躍響應(yīng)特性和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。該控制系統(tǒng)采用只調(diào)整一個(gè)參數(shù)的 PID 控制形式，具體算法如下所示:）34已知增量型 PID 控制的公式如下 △ ]} （）如令 T=。在數(shù)字控制系統(tǒng)出現(xiàn)之前，大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)中的控制系統(tǒng)都是模擬控制系統(tǒng)，或稱連續(xù)控制系統(tǒng)，其控制規(guī)律大多采用 PID 控制方式，PID 控制是按比例(P)、積分(I)、微分(D)進(jìn)行的控制，是多年來在工業(yè)中應(yīng)用廣泛的一種控制規(guī)律，它具有原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)和不需精確知道對(duì)象數(shù)學(xué)模型等優(yōu)點(diǎn)，能適應(yīng)相當(dāng)多的工業(yè)對(duì)象的控制要求。這樣每一位輪流的顯示，由于有一定的延時(shí)，即可獲得視覺穩(wěn)定的顯示效果 [3]。系統(tǒng)采用了 4 位的 LED 顯示器動(dòng)態(tài)顯示溫度值。由 TTL 集電極開路反向高壓驅(qū)動(dòng)器 7406 驅(qū)動(dòng)的；字型信號(hào)由 8255 的 PB0PB7 決定的，由 TTL 集電極開路正向高壓驅(qū)動(dòng)器 7407 來驅(qū)動(dòng)的。 接口電路的設(shè)計(jì)在對(duì)溫度控制中，利用鍵盤/顯示系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)監(jiān)視和分析通過鍵盤輸入的命令和數(shù)據(jù)，以及顯示溫度控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)，及時(shí)顯示電阻爐的溫度。雙向可控硅串在 50Hz 交流電源和加熱絲電路中，只要在給定周期里改變可控硅開關(guān)的接通時(shí)間，就能達(dá)到改變加熱功率的目的，從而實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)，如圖 38 所示：圖 38 可控硅調(diào)功器輸出功率與通斷電時(shí)間的關(guān)系對(duì)于這樣的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，單片機(jī)只要輸出能控制可控硅通斷電時(shí)間的脈沖信號(hào)就可以了。這里不管 AD574A 是處在啟動(dòng)、轉(zhuǎn)換和輸出結(jié)果，使能端 CE 都必須為 1，因此將 8051 的寫控制線 讀控制線 通過與非門WRD74LS00 與 AD574A 的使能端 CE 相連 [25]。當(dāng)為高電平時(shí)，進(jìn)行 8 位轉(zhuǎn)換，為低電平進(jìn)行 12 位123467891013425 157182023452678196STDAB1098DB7654DB3210DGVLA0CEVRF OUTAGE INVBP F10IN2 S8//）28轉(zhuǎn)換。當(dāng)為低電 平時(shí)，啟動(dòng) A／D 轉(zhuǎn)換；當(dāng)為高電平時(shí)，將轉(zhuǎn)換結(jié)果讀出。5V，Vcc(+12～+15V),Vee(12V～15V).? 低功耗：典型功耗為 390mW. 為 28 引腳雙列直插式封裝，其引腳如圖 36 所示：圖 36 AD574A 引腳圖AD574A 引腳介紹：：片選信號(hào)，低電平有效。10V。2LSB。 ）26溫度/℃20010001002003004005006007008009001000K 型熱電偶/mv0圖 35 K 型熱電偶產(chǎn)生的對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)冷端的溫差電勢(shì) 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路AD574A 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與引腳功能AD574A 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由模擬芯片和數(shù)字芯片二片混合集成，其中模擬芯片就是該公司生產(chǎn)的 AD565A 型快速 12 位單片集成 D/A 轉(zhuǎn)換器芯片。 溫度檢測(cè)電路溫度檢測(cè)電路的測(cè)溫材料是熱電偶，通常熱電偶測(cè)量的溫度是一個(gè)熱源的溫度，或兩個(gè)熱源的溫度差。下面是 8051 單片機(jī)的外圍復(fù)位電路，兩個(gè)電阻值 RR2 均為 10KΩ, 電容 C 容量為22μF。8051 單片機(jī)屬于典型的嵌入式系統(tǒng)，所以它是低端控制系統(tǒng)最佳器件。8051 中集成了完善的各種中斷源，用戶可十分方便地控制和使用其功能，使得它的應(yīng)用范圍加大，可以說它可以滿足絕大部分的應(yīng)用場(chǎng)合。從而容易使產(chǎn)品形成系列化。(3)方式 2方式 2 只有 A 口才能設(shè)定。(2)方式 1方式 1 是一種選通式輸入/輸出工作方式。⑷讀/寫控制邏輯電路）20讀/寫控制邏輯電路接收 CPU 發(fā)來的控制信號(hào) 、 、RESET、地址信號(hào)RDWA1～A0 等，然后根據(jù)控制信號(hào)的要求，將端口數(shù)據(jù)讀出，送往 CPU，或者將 CPU送來的數(shù)據(jù)寫入端口。通常 PA 口、PB 口作為輸入輸出口，PC 口作為輸入輸出口，也可在軟件的控制下，分為兩個(gè) 4 位的端口，作為端口 A、B 選通方式操作時(shí)的狀態(tài)控制信號(hào)。都可以選擇作為輸入輸出工作模式，但在功能和結(jié)構(gòu)上有些差異。RESET：復(fù)位信號(hào)線。WVCC：+5V 電源。8255A 引腳如 25 圖所示：圖 25 8255A 引腳8255A 共有 40 個(gè)引腳，采用雙列直插式封裝，各引腳功能如下：D7～D0：三態(tài)雙向數(shù)據(jù)線，與單片機(jī)數(shù)據(jù)總線連接，用來傳送數(shù)據(jù)信息。調(diào)整電流和時(shí)間參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)亮度較高較穩(wěn)定的顯示。用靜態(tài)顯示所需的 I/O 太多，一般采用動(dòng)態(tài)顯示方法。這種顯示方式每一位都需要有一個(gè) 8位輸出口控制。圖 24 中的兩個(gè)顯示器都有 dp 顯示段，用于顯示小數(shù)點(diǎn)。如圖 24 所示。它是由若干個(gè)發(fā)光二極管組成的，當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時(shí)，相應(yīng)的一個(gè)點(diǎn)或一個(gè)筆畫發(fā)亮。由于矩陣鍵盤中行列線為多鍵公用，各按鍵均影響該鍵所在行列的電平。行線通過上拉電阻接到+5V 上。為了保證 CPU 對(duì)一次按鍵動(dòng)作只確認(rèn)一次按鍵有效，在軟件中必須設(shè)置去除抖動(dòng)，在鍵的穩(wěn)定閉合或斷開時(shí)讀鍵的狀態(tài)，并判斷出健由閉合到釋放時(shí)，再作鍵輸入處理矩陣式鍵盤（也稱行列式鍵盤）適用于按鍵數(shù)目較多的場(chǎng)合，它由行線和列線組成，按鍵位于行列的交點(diǎn)上。為進(jìn)一步判定到底是哪一列的鍵被按下，可采用掃描法來識(shí)別。 ）14t0 t1t2t3 t4圖 22 鍵盤結(jié)構(gòu)當(dāng) 3 號(hào)鍵按下時(shí)，與 3 號(hào)鍵相連的行線電平將由與此鍵相連的列線電平?jīng)Q定，而行線電平在無按鍵按下時(shí)處與高電平狀態(tài)。這一點(diǎn)是識(shí)別行列式鍵盤按鍵是否按下的關(guān)鍵所在。44 的鍵盤結(jié)構(gòu)如圖 22 所示，按鍵設(shè)置在行、列線交點(diǎn)上，行、列線分別連接到按鍵開關(guān)的兩端。但每個(gè)按鍵需要占用一個(gè)輸入口線，在按鍵數(shù)量較多時(shí)，需要較多的輸入口線且電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故此種鍵盤適用于按鍵較少或操作速度較高的場(chǎng)合。鍵盤是由若干個(gè)按鍵組成的矩陣開關(guān)，它是最簡(jiǎn)單的單片機(jī)輸入設(shè)備，通過鍵盤輸入數(shù)據(jù)或命令，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人機(jī)對(duì)話 [5]。轉(zhuǎn)換速度最大為 35us，轉(zhuǎn)換精度≤，是目前我國(guó)應(yīng)用最廣泛、價(jià)格適中的 A/D 轉(zhuǎn)換器。雖然 V/F 轉(zhuǎn)換器有以上的優(yōu)點(diǎn),但是 V/F 轉(zhuǎn)換器的外部接線比較復(fù)雜,本系統(tǒng)的應(yīng)用是在實(shí)際的工廠中,環(huán)境比較復(fù)雜,各種干擾比較多,所以為了保持測(cè)量的精度,本系統(tǒng)不采用 V/F 轉(zhuǎn)換器作為模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。因此在本系統(tǒng)中采用集成運(yùn)放作為信號(hào)放大電路 [8] 。集成運(yùn)放電路由四部分組成，包括輸入級(jí)，中間級(jí)，輸出級(jí)和偏置電路。具有體積小、可靠性高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，為電子技術(shù)的應(yīng)用開辟了一個(gè)嶄新的領(lǐng)域。 電壓比較器方案電壓比較器的功能是比較兩個(gè)電壓的大小，例如將一個(gè)信號(hào)電壓 和一個(gè)參iU考電壓 進(jìn)行比較，在 和 兩種不同情況下，電壓比較器輸出兩個(gè)rUirUir不同的電平，即高電平和低電平。 檢測(cè)放大電路的選擇放大是最基本的模擬信號(hào)處理功能，它是通過放大電路實(shí)現(xiàn)的，大多數(shù)模擬電子系統(tǒng)都應(yīng)用了不同類型的放大電路。必須指出，熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的作用只是延伸熱電極，使熱電偶的冷端移動(dòng)到控制室的儀表端子上，它本身并不能消除冷端溫度變化對(duì)測(cè)溫的影響，不起補(bǔ)償作用。所謂標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開頭的限制，外有保護(hù)套管，用起來非常方便。因熱電偶直接與被測(cè)對(duì)象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。由于感溫元件與全部其他電器都集中在一個(gè)小芯片，所以傳感器的功耗及自然效應(yīng)，以及在工作溫度范圍內(nèi)電路元件的熱穩(wěn)定性，是影響這種傳感器性能的主要因素。其中鉑熱電阻的測(cè)量精確度最高。 熱電阻熱電阻材料一般有兩類：貴金屬和非金屬。 溫度傳感器的選擇 溫度是表征物體冷熱程度的物理量。系統(tǒng)的測(cè)量值和所有設(shè)定參數(shù)均由 LED 數(shù)碼管直接顯示，讀數(shù)清晰，直觀。、超調(diào)量等指標(biāo)，這涉及到 A/D 轉(zhuǎn)換精度、控制規(guī)律的選擇等。1℃3. 保溫精度：℃第 2 章 方案論證系統(tǒng)的組成及工作原理：溫度是工業(yè)對(duì)象中主要的被控參數(shù)之一，如冶金、機(jī)械、食品、化工各類專業(yè)中廣泛使用各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐等，對(duì)工件的處理溫度要求嚴(yán)格控制。在信號(hào)處理系統(tǒng)原理上無外乎是信號(hào)的放大，數(shù)模轉(zhuǎn)換，微機(jī)處理一系列環(huán)節(jié)，根據(jù)不同的要求其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也不同，但基本都是遵循這條原則。1℃。而采用微機(jī)進(jìn)行爐溫控制，可大大提高）5控制質(zhì)量和自動(dòng)化水平，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。在這種情況下，采用常規(guī) PID 調(diào)節(jié)器，三個(gè)參數(shù)的整定比較困難，為此本文提出了采用歸一參數(shù)整定法，即只整定一個(gè)參數(shù)，這樣減少了許多工作量，提高了工作效率，為實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易的自整定控制帶來方便。在數(shù)字控制系統(tǒng)中則是用數(shù)字調(diào)節(jié)器來代替模擬調(diào)節(jié)器，按偏差的比例、積分和微分進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，是連續(xù)系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一種調(diào)節(jié)器。雖然計(jì)算機(jī)控制是離散的，但對(duì)于時(shí)間常數(shù)比較大的系統(tǒng)來說，其近似于連續(xù)變化。電阻爐爐溫為一階慣性純滯后系統(tǒng)，調(diào)節(jié) Kp 的值，可得到較為理想的階躍響應(yīng)曲線。 PID 控制算法本文對(duì)工業(yè)對(duì)象中主要的被控參數(shù)電阻爐爐溫進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了硬件電路和軟件程序。模糊理論突出對(duì)人的外在表達(dá)方式的描述，以模糊邏輯為基礎(chǔ)，抓住人腦思維的模糊性特點(diǎn)，用以模仿人的模糊綜合判斷推理來處理一般數(shù)學(xué)控制難以解決的模糊綜合控制。）3。反過來也就是說，模糊控制也并非是一味放之任何系統(tǒng)均有效的“萬應(yīng)藥” 。由于以上特點(diǎn)，電熱爐適合于高級(jí)材料和零部件的制造，節(jié)能效果亦好，從而在汽車、電機(jī)、家電和電子等機(jī)電加工組裝工業(yè)得到廣泛應(yīng)用。本文將應(yīng)用目前性能價(jià)格比較高的