【正文】 在這里也表達(dá)我對他們深深的謝意！ 感謝教研室的各位老師。他嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲袘B(tài)度，對事業(yè)的執(zhí)著和奉獻(xiàn)，優(yōu)雅的談吐和師表都給我留下了深刻的印象。 從知識的積累，到人生的定位。由于本人水平有限，在設(shè)計(jì)中可能還存在一些問題和錯(cuò)誤，希望各位老師和同學(xué)們批評指正。我們不但復(fù)習(xí)了以前的知識，也重新學(xué)習(xí)了一些新的東西，為我今后的研究生學(xué)習(xí)，奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。它使我們在掌握軟硬件知識上，都得到了很大的提高。 （ 3）對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試和實(shí)驗(yàn)，通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，可以看出該溫度 測控系統(tǒng)能夠較好地完成所需的測控任務(wù)，實(shí)時(shí)地進(jìn)行溫度采集和控制，控制效果良好。 （ 2）以單片機(jī) AT89S52 為核心控制芯片，設(shè)計(jì)了智能溫度測控系統(tǒng)，對其外圍電路做了詳細(xì)說明，其中包括 K 型熱電偶及其模數(shù)變換器 MAX667 LED 的顯示驅(qū)動 MAX721看門狗與電源監(jiān)控芯片 MAX813L 和可控硅的驅(qū)動器 MOC3061 等。 長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 26 結(jié)束語 本文以電烤箱為控制對象，針對傳統(tǒng) PID 控制應(yīng)用在時(shí)滯性和非線性控制對象上難以取得很好的控制效果的現(xiàn)象，探討了如何將單片機(jī)與虛擬儀器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對電烤箱的參 數(shù)模糊自整定 PID 控制，給出了整個(gè)系統(tǒng)的軟硬件具體實(shí)現(xiàn)流程，并通過仿真比較，驗(yàn)證了模糊自整定 PID 控制器設(shè)計(jì)的實(shí)用性和合理性。由于元件參數(shù)、實(shí)驗(yàn)環(huán)境、焊接等各方面因素，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn) 數(shù)據(jù)仿真相比還存在一定差距，但實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)已基本滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。 圖 43 模糊自整定 PID 控制算法流程圖 長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 25 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析 采用設(shè)計(jì)的模糊自整定 PID 控制器對電烤箱進(jìn)行溫度控制，溫度初始值以室溫 20℃算，當(dāng)設(shè)定溫度為 85℃時(shí)，測得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表 51 所示。 長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 24 開 始 溫 度 轉(zhuǎn) 換初 始 化啟 動 新 的 溫 度 轉(zhuǎn) 換保 存 溫 度 數(shù) 據(jù)計(jì) 算 溫 度 并 顯 示讀 M A X 6 6 7 5 的 1 6 位 轉(zhuǎn) 換 數(shù) 據(jù)延 時(shí)結(jié) 束 圖 42 數(shù)據(jù)采集程序流程圖 控制算法子模塊 本文采用的是參數(shù)模糊自整定 PID 控制算法，由于模糊控制本身比較復(fù)雜，目前在單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)的模糊控制大多數(shù)采用查表法，即對不同的輸 入量，采用模糊控制算法，離線算出輸出量，做成一張控制表存儲在單片機(jī)中，單片機(jī)讀取溫度值后，一方面通過 LED 顯示出當(dāng)前溫度，另一方面將該值作為反饋信號，求取當(dāng)前溫度偏差和偏差變化率并進(jìn)行模糊量化處理，然后根據(jù)處理后的溫度偏差和偏差變化率查尋控制表，獲取控制輸出量量化值，再經(jīng)反模糊化后進(jìn)入控制算法中的 PID 控制部分，最終將運(yùn)算結(jié)果送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)中去。 長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 23 系 統(tǒng) 初 始 化有 鍵 按 下 ？開 始溫 度 采 樣計(jì) 算 控 制 量 并 輸 出調(diào) 用 模 糊 控 制 算 法溫 度 值 顯 示調(diào) 用 溫 度 設(shè) 定 程 序串 口 定 時(shí) 器 設(shè) 置 開 中 斷設(shè) 置 堆 棧 指 針溫 度 超 出 ？調(diào) 用 報(bào) 警 程 序YNYN 圖 41 主程序流程圖 數(shù)據(jù)采集子模塊 數(shù)據(jù)采集部分采用 K 型熱電偶轉(zhuǎn)換器 MAX6675 完成， MAX6675 集冷端補(bǔ)償、非線性校正、斷線檢測電路于一體，其內(nèi)部元器件的參數(shù)進(jìn)行過激光修正，保證了 MAX6675 的轉(zhuǎn)換結(jié)果與對應(yīng)溫度值具有較好的線性關(guān)系。下面介紹主控模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、控制算法模塊的設(shè)計(jì)方法和編程實(shí)現(xiàn)。鑒于上述眾多優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用的是基于 Keil C51 開發(fā)環(huán)境下的 C 語言進(jìn)行軟件編程的。 Keil C51 是美國 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容單片機(jī) C 語言軟開發(fā)系統(tǒng)，是用戶開發(fā)和調(diào)試單片機(jī) C 語言源代碼的最理想的工具之一。 軟件設(shè)計(jì)概述 單片機(jī)控制系統(tǒng)軟件的功能是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的模塊化編程與控制，常用的單片機(jī)編程語言有匯編和 C 語言兩種。 長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 22 第四章 溫度測控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果 系統(tǒng)下位機(jī)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)能否正常工作，除了硬件的合理設(shè)計(jì)外，還與功能完善的軟件設(shè)計(jì)是分不開的。 本章小結(jié) 本章主要討論了溫度測控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。 采用程序監(jiān)視器 系統(tǒng)局部硬件故障、現(xiàn)場干擾、堆棧溢出或程序“跑飛”都可能造成系統(tǒng)“死機(jī)” ,本設(shè)計(jì)中加入了程序監(jiān)控芯片 MAX813L，在系統(tǒng)工作過程中監(jiān)視 CPU 的運(yùn)行，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)電源過低、掉電或程序運(yùn)行“死機(jī)”時(shí)，能及時(shí)保存數(shù)據(jù)并使單片機(jī)復(fù)位，保證整個(gè)系統(tǒng)正常工作。典型的信號隔離是光電隔離，通過光電耦合器件，不但能實(shí)現(xiàn)信號的傳遞，而且能有效地抑制尖峰脈沖及各種噪聲干擾。去耦電容的選擇可按 C=1/F 選取，其中 F 為電路頻率，微機(jī)系統(tǒng)一般取 ～ 之間即可。 配置去耦電容 本系統(tǒng)在硬件電路設(shè)計(jì)中使用了較多的數(shù)字 IC，而每片數(shù)字 IC 本身都是一個(gè)脈沖干擾源，它們在電平轉(zhuǎn)換過程中會產(chǎn)生很大的沖擊尖峰電流，通過電源線相互干擾。儀表在使用時(shí)，如果附近有大型電力設(shè)備與其接于同一個(gè)交流電源上，那么電力設(shè)備的啟?；蚶纂姼袘?yīng)都將產(chǎn)生頻率很高的浪涌電壓疊加在 50Hz 的電網(wǎng)電壓上，這些干擾信號長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 沿著交流電源線進(jìn)入電子系統(tǒng)，可干擾電路。常用的硬件抗干擾措施主要有：布線技術(shù)、接地技術(shù)、屏蔽技術(shù)、濾波技術(shù)、去耦技術(shù)和優(yōu)化電路等。抗干擾就是針對干擾產(chǎn)生的原因采取相應(yīng)的方法抑制和消除干擾源，切斷干擾對系統(tǒng)的耦合通道，降低系統(tǒng)對干擾信號的敏感性，使系統(tǒng)正常穩(wěn)定地工作。單片機(jī)與 PC 機(jī)串口通信如圖 312 所示。外接 39Ω電阻和 電容組成浪涌吸收電路，防止浪涌電 壓損壞雙向可控硅。具體溫度控制電路組成如圖 313 所示。設(shè)控制周期為 T，在 T 周期內(nèi)工頻交流電的半周波數(shù)為 N，如全導(dǎo)通時(shí)額定加熱功率為 PH，則實(shí)際的平均加熱功率 P 與 T 周期內(nèi)實(shí)際導(dǎo)通的半周波數(shù) n成正比，即 NnpH?p (31) 由于傳統(tǒng)的可控硅過零觸發(fā)調(diào)功器由同步脈沖產(chǎn)生電路、檢零電路、隔離電路組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，降低了可靠性，而且采用分立元件，器件 的離散性和溫漂嚴(yán)重影響調(diào)功器控制精度及使用壽命，所以本系統(tǒng)中采用 MOC3061 作為可控硅的驅(qū)動器。對于純阻性負(fù)載的電烤箱來說，采用過零觸發(fā)方式可使電路結(jié)構(gòu)簡單。輸出的線性范圍窄而線性度又不好，只能靠反饋來改善。其最大的缺點(diǎn)是：大電流的切入造成對電網(wǎng)的沖擊，不規(guī)則的脈沖負(fù)載電流引起電網(wǎng)波形的畸變，當(dāng) 控制角為 90 度時(shí)，產(chǎn)生的三次諧波電流為基波電流的 50%，五次諧波也可達(dá)到基波的 1/6。兩者的電壓波形比較如圖 39 和 310 所示。就可控硅調(diào)功的觸發(fā)方式而言有兩種：移相觸發(fā)和過零觸發(fā)。 溫度控制電路的設(shè)計(jì) 電烤箱的溫度控制是通過調(diào)節(jié)電烤箱的輸入電功率來實(shí)現(xiàn)的。 報(bào)警電路的設(shè)計(jì) 在電 烤箱溫度控制系統(tǒng)中，為保證安全，當(dāng)系統(tǒng)由于調(diào)功設(shè)備等損壞，溫度達(dá)到設(shè)定溫度報(bào)警值時(shí)，系統(tǒng)中需要有報(bào)警信號以引起操作人員的警覺。 長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 在強(qiáng)干擾環(huán)境下，干擾源可能通過供電電源或 3 根信號線串入顯示電路而造成顯示器的不穩(wěn)定，從而出現(xiàn)筆段跳躍、顯示不全、甚至全暗或全亮的現(xiàn)象。一般段電流為 37mA，允許最大段電流為 40mA，由于 LED 有 的電壓降，則調(diào)節(jié)亮度電阻的電壓降為 V+— VLED=，七段碼全部點(diǎn)亮的總電流為 737mA=259mA，外部調(diào)節(jié)亮度電阻 Rset 最小值是 。 MAX7219 允許一個(gè)外部電阻控制顯示亮度，外部電阻接于電源輸入 V+和段電流 Iset 端。 DIG7～DIG0 分別接 8 個(gè) LED 顯示器的共陰極，以實(shí)現(xiàn)位選。硬件連接電路如圖 310 所示，其中 AT89S52 單片機(jī)的 口作串行數(shù)據(jù)輸出，連接到 MAX7219 的 DIN 引腳， 和 分別連接時(shí)鐘脈沖 CLK 和數(shù)據(jù)加載 LOAD 信號。本課題采用一種基于 MAX7219 芯片的 LED 串行顯示技術(shù)。采用串行顯示方式只需占用 2 至 3 根口線，節(jié)約單片機(jī)大量的 I/O 口，為單片機(jī)擴(kuò)展其它的功能提供了方便。 常用的專用數(shù)碼管顯示驅(qū)動芯片有 8279 和 MAX7219 兩種， 8279 由于近長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 年停產(chǎn)而很少有人使用； MAX7219 因使用起來方便靈活，連線簡單，不占用數(shù)據(jù)存儲器空間，使用的人越來越多。 圖 37 鍵盤電路圖 顯示電路 顯示電路是實(shí)現(xiàn)人機(jī)聯(lián)系的主要途徑，用于顯示用戶設(shè)定的溫度、當(dāng)前的溫度值、上限溫度、下限溫度等。系統(tǒng)在程序初始化時(shí)控制鍵盤行線的 口輸出高電平，控制鍵盤列線的 口輸出低電平。鍵盤有 16 個(gè)鍵，其中有 0～ 9 共 10 數(shù)字鍵， 1 個(gè)功能鍵， 1 個(gè)確認(rèn)鍵，1 個(gè)取消鍵， 1 個(gè)左移鍵， 1 個(gè)右移鍵和 1 個(gè)停機(jī)鍵。將以上各種方式組合可構(gòu)成很多不同的鍵盤接口方式。當(dāng)電源發(fā)生故障， PFI 輸入端的電平低于 V 時(shí)，電源故障輸出端電平由高變低，引 起單片機(jī)中斷， CPU 響應(yīng)中斷，執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)程序，保護(hù)數(shù)據(jù)，斷開外部用電電路等。 為了建立一個(gè)電源故障預(yù)警電路，可以在 4 腳電源故障輸入 PFI 上連接一個(gè)電阻分壓支路，該支路連接的監(jiān)視點(diǎn)通常是未經(jīng)穩(wěn)壓的直流電源。在軟件設(shè)計(jì)中， 不斷輸出脈沖信號，如果因某種原因單片機(jī)進(jìn)入死循環(huán)，則 無脈沖輸出，于是 后在 MAX8l3L 的第 8 腳輸出低電平，該低電平加到第 1 腳，使 MAX8l3L 產(chǎn)生復(fù)位輸出，使單片機(jī)有效復(fù)位，擺脫程序“跑飛”或死循環(huán)的困境。另外 MAX813L 具有電源監(jiān)控功能，內(nèi)置 門限值檢測器，用于電源故障報(bào)警。 MAX813L 是一個(gè)看門狗與電源監(jiān)控芯片，在系統(tǒng)加電、掉電以及供電電壓降低情況下的復(fù)位輸出，復(fù)位脈沖寬度典型值為 200 ms，高長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 電平有效，復(fù)位門限的典型值 。 AT89S52 單片機(jī) 具有以下特性： (1)與 MCS51 單片機(jī)產(chǎn)品兼容； (2)8K 字節(jié)在系統(tǒng)可編程 FLASH 存儲器； (3)256 字節(jié)內(nèi)部 RAM； (4)1000 次擦寫周期； (5)全靜態(tài)時(shí)鐘： 0HZ～ 33MHZ； (6)三級加密程序存儲器； (7)32 個(gè)可編程 I/O 口線； (8)3 個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器； (9)8 個(gè)中斷源； (10)全雙工 UART 串行通道； (11)雙數(shù)據(jù)指針； (12)看門狗定時(shí)器； (13)低功耗空閑和掉電模式，掉電后中斷可喚醒；本系統(tǒng)中 AT89S52 單片機(jī)及其最小系統(tǒng)如圖 38 所示。本課題中運(yùn)用單片機(jī)的目的是構(gòu)成一個(gè)具有一定判斷、運(yùn)算、存儲、顯示和控制等功能的智能溫度測控儀表，單片機(jī)型號的選擇主要從有較強(qiáng)的抗干擾能力和較高的性價(jià)比兩方面考慮。 (5)盡量采用大截面積的熱電偶導(dǎo)線，長距離傳輸時(shí)，可采用雙絞線作為信號傳輸線。同時(shí)，要采用大面積接地技術(shù)來降低芯片自熱引起的測量誤差，提高溫度測量精度。 (3)由于 MAX6675 是通過冷端補(bǔ)償來校正周圍溫度變化的。 圖 35 MAX6675 與單片機(jī)的接口電路 為了正確使用 MAX6675 芯片，在進(jìn)行電路硬件設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)： (1)MAX6675 的測量精度對電源 耦合噪聲比較敏感，設(shè)計(jì)時(shí)需要在 MAX6675 的電源引腳與地線之間接一個(gè) 0． 1μ F 的陶瓷旁路電容，同時(shí)盡量將 MAX6675 布置在遠(yuǎn)離其他 I/O 芯片的地方，以降低電源噪聲的影響。溫度值與數(shù)字量的對應(yīng)關(guān)系為：溫度值 =轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量 /4095=轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量 /4。當(dāng) AT89S52 的 為低電平且 產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖時(shí)， MAX6675 的 SO 腳輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，每一個(gè) SCK 的脈沖信號下降沿 SO 輸出一個(gè)數(shù)據(jù)， 16 個(gè)脈沖信號完成一串完整的數(shù)據(jù)輸出，先輸出高電位 D15，最后輸出的是低電位 DO， D14～ D3 為相應(yīng)的 12 位溫度轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換值的變化范 圍是 0～ 4095，對應(yīng)表示實(shí)際溫度為 0 度～ 度，分辨率為 度。 MAX6675 的串長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 行接口時(shí)序圖如圖 34 所示。D15 位是偽標(biāo)志位，始終為 0； D14～ D3 是由高位到低位順序排列的轉(zhuǎn)換溫度值； D2 用于檢測熱電偶是否斷線，當(dāng) D