【正文】 參 考 文 獻(xiàn)[1] 馮博琴, 吳寧. 微型計(jì)算機(jī)原理與接口. 清華大學(xué)出版社. 2007.[2] 李正軍. 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng). 機(jī)械工業(yè)出版社. 2009.[3] 張志良. 單片機(jī)原理與控制技術(shù). 機(jī)械工業(yè)出版社. 2005.[4] 黃澤銑. 熱電偶原理及其檢定. 中國計(jì)量出版社. 1993.[5] 賴壽宏. 微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù). 機(jī)械工業(yè)出版社. 2004.[6] 孫凱, 李元科. 電阻爐溫度控制系統(tǒng). 傳感器技術(shù). 2003.[7] 陶永華, 尹怡欣. 新型PID控制及其應(yīng)用. 機(jī)械工業(yè)出版社. 1998.[8] 王延平. 計(jì)算機(jī)高精度控溫系統(tǒng)的研究與開發(fā). 微計(jì)算機(jī)信息. 2006.[9] 胡漢才. 單片機(jī)原理及其接口技術(shù). 清華大學(xué)出版社. 1996.[10] 余發(fā)山. 單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù). 中國礦業(yè)大學(xué)出版社. 2003.[11] 周航慈. 單片機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)技術(shù). 航空航天大學(xué)出版社. 1991.[12] 鄒逢興. 微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù). 國防科技大學(xué)出版社. 1993.[13] 陳杰. 傳感器與檢測技術(shù). 高等教育出版社. 2002.[14] 穆蘭. 單片微型計(jì)算機(jī)原理及接口技術(shù)[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社. 1996.[15] 何立民. MCS51系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì). 航空航天大學(xué)出版社. 1999.[16] 黃一夫. 微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù). 機(jī)械工業(yè)出版社. 1999.[17] 康華光. 電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分. 高等教育出版社. 1999.[18] . Identification of transfer function for control of greenhouse air temperature[J]. Res. 1995.[19] Malvino . Digital Computer. McGrawHill Publishing. 1977.[20] Phil Gilard. Distributed Control. Camp。此外我還要感謝論文的評審老師，謝謝你們能在百忙之中抽出時(shí)間評閱我的論文，并提出很多寶貴的意見。畢業(yè)設(shè)計(jì)的完成，不僅使我學(xué)到了專業(yè)方面的相關(guān)知識，更重要的是還使我學(xué)到了一種思維方式，一種學(xué)習(xí)方法，一種工作精神。致 謝本次設(shè)計(jì)之所以能夠完成，與王霆老師的耐心指導(dǎo)是分不開的，在這幾個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)期間，王老師不辭勞苦，定期對本畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)行檢查與審核，對其中的錯(cuò)誤和不足進(jìn)行及時(shí)的糾正和指導(dǎo)，并且對設(shè)計(jì)論文進(jìn)行了多次細(xì)心的批閱和校正。采樣周期同樣不能太長，因?yàn)闀垢蓴_不能及時(shí)消除，使調(diào)節(jié)品質(zhì)下降。最后通過PID算法來進(jìn)行溫度的控制。硬件設(shè)計(jì)中用到了K型熱電偶傳感器、V/F轉(zhuǎn)換器、LED顯示器、光耦合雙向可控硅等。三次取樣值分別放在2CH,2DH,2EH中，取中間值放在累加器A中，同時(shí)也轉(zhuǎn)存在2AH單元內(nèi)，以備進(jìn)行溫度標(biāo)度轉(zhuǎn)換使用。正因?yàn)閿?shù)字濾波器具有上述優(yōu)點(diǎn)，所以在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。（4）可以對頻率很低的信號進(jìn)行濾波。（2）由于數(shù)字濾波器不需要增加硬件設(shè)備，所以系統(tǒng)可靠性高，不存在阻抗匹配問題。如果僅采樣一次，無法確定該結(jié)果是否可信，為了減少對采樣值的干擾，提高系統(tǒng)可靠性，在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和PID調(diào)節(jié)之前，首先對采樣值進(jìn)行數(shù)字濾波。為了保證運(yùn)算精度，把單字節(jié)8位的輸入采樣值和給定值及都變成雙字節(jié)16位進(jìn)行計(jì)算，最后把運(yùn)算結(jié)果變?yōu)?為有效值輸出。（2）把所有的數(shù)據(jù)都變?yōu)槎c(diǎn)純小數(shù)進(jìn)行處理。改變，觀察控制效果，直到滿意為止。所以保溫段控制最好采用PID控制方法。當(dāng)爐溫從自由升溫段進(jìn)入保溫段時(shí), 爐溫還小于給定值,但溫度變化較大,因而系統(tǒng)可以提前減少或停止輸出,使?fàn)t溫不至于出現(xiàn)過大的超調(diào)?？紤]到滯后的影響,調(diào)節(jié)規(guī)律必須加入微分因數(shù),即PD調(diào)節(jié)。爐溫上升到一定程度后,才開始下降,并下降到小于給定值時(shí)系統(tǒng)才重新輸出。這時(shí)由于電阻爐變化的延遲性質(zhì)，爐溫并不因輸入停止而馬上停止上升,從而超過給定值。當(dāng)溫度時(shí),已較接近需要保溫的值,為此采用保溫段控制方程。20%額定溫度時(shí)為保溫段。而真正需要電氣控制的是前面兩個(gè)階段,即自由升溫段和保溫段。輸，而滯后時(shí)間可直接從圖中測量。電阻爐出口溫度飛升曲線如圖51所示：圖51 電阻爐出口溫度的飛升曲線由圖可知，系統(tǒng)是帶有純滯后的一階對象，其傳遞函數(shù)為： （式51）式中為放大倍數(shù)；為對象時(shí)間常數(shù)；為對象滯后時(shí)間。圖311 電源電路第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 溫度檢測流程圖圖41 溫度檢測流程圖 軟件的主程序流程圖圖42 主程序流程圖 輸入輸出程序流程圖圖43 輸入輸出程序流程圖 調(diào)功程序流程圖圖44 調(diào)功程序流程圖 溫度顯示流程圖圖45 溫度顯示流程圖第5章 控制算法及濾波 數(shù)學(xué)建模與控制算法 數(shù)學(xué)建模為了使系統(tǒng)獲得較好的性能指標(biāo)，首先要了解被控對象的特性，并用以作為設(shè)計(jì)自動控制系統(tǒng)的依據(jù)。直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)包括整流器、濾波器、直流穩(wěn)壓器等幾部分，常用的直流穩(wěn)壓電路如圖311所示。 電源電路的設(shè)計(jì)在本次設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)中，AT89C205V/F轉(zhuǎn)換器、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、鍵盤顯示電路都需要有穩(wěn)定的直流電源供電才能正常工作。當(dāng)輸出為每秒鐘50次脈沖時(shí)可控硅完全導(dǎo)通，當(dāng)無輸出脈沖時(shí)，可控硅關(guān)斷。R1的計(jì)算公式如下： （式35）輸出限流電阻取330Ω。將、帶入公式33，則輸入限流電阻值為： （式34）所以輸入限流電阻為300Ω。圖39 過零觸發(fā)光耦合雙向可控硅驅(qū)動器 MOC3061光耦合雙向可控硅驅(qū)動器和可控硅的連接圖如圖310所示，其中包含了過零觸發(fā)電路，加入過零觸發(fā)電路是為了減少晶閘管再導(dǎo)通時(shí)對電源的影響。當(dāng)紅外發(fā)光二極管發(fā)射紅外光時(shí)，光控雙向可控硅出發(fā)導(dǎo)通。5腳為空腳。其優(yōu)點(diǎn)為輸出為正弦波，波形無畸變、電磁干擾小、無噪聲，而且觸發(fā)電路簡單可靠。其特點(diǎn)是：（1），無論極性如何，可用G出發(fā)導(dǎo)通；（2）G極上無信號時(shí)，晶閘管兩端為高阻抗，管子截止；（3）工作交流時(shí)，當(dāng)每一半周交替時(shí)，純阻負(fù)載能恢復(fù)截止。當(dāng)G極和T2極相對于T1的電壓均為正時(shí)，T2是陽極，T1是陰極，反之當(dāng)G極和T2極相對于T1的電壓均為負(fù)時(shí)，T2是陰極，T1是陽極。 輸出控制電路的設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)采用光耦合雙向可控硅進(jìn)行電阻爐的功率調(diào)控。在松開按鍵后，將F1和F2置0，為下次做好準(zhǔn)備。當(dāng)F1=1時(shí)，表示已完成除抖動處理，此時(shí)檢查F2，若F2為0，則將F2置1并進(jìn)行按鍵識別處理同時(shí)執(zhí)行相應(yīng)程序。初始狀態(tài)時(shí)將兩個(gè)標(biāo)志位置0，當(dāng)有中斷時(shí)，首先判斷有無按鍵閉合，若沒有按鍵閉合，則F1，F(xiàn)2置0并返回。這種掃描方式利用AT89C2051產(chǎn)生10ms的定時(shí)中斷，CPU響應(yīng)定時(shí)器溢出中斷請求并對鍵盤進(jìn)行掃描，當(dāng)按下按鍵時(shí)識別出該按鍵，并執(zhí)行相應(yīng)鍵的程序。T1的定時(shí)時(shí)間計(jì)算公式為T=12/主頻。89C2051的串行口工作于方式0，即移位寄存器方式。需要指出的是，由于74LS164無并行輸出控制端，因而在串行輸入過程中，其輸出端的狀態(tài)會不斷變化，造成不應(yīng)該顯示的字段仍有較暗的亮度，影響了顯示效果,因此使用一個(gè)三態(tài)門解決該問題。在移位時(shí)鐘的作用下，串行口發(fā)送緩沖器的數(shù)據(jù)一位一位地移入74LS164中。圖37 顯示電路其中74LS164的引腳Q0～Q7為8位并行輸出端，分別與LED的8個(gè)引腳相連；引腳A、B為串行輸入端；引腳CLK為時(shí)鐘脈沖輸入端，在CLK脈沖的上升沿作用下實(shí)現(xiàn)移位，在CLK=0、清除端=1時(shí)74LS164保持原來數(shù)據(jù)狀態(tài)；=0時(shí)，74LS164輸出清零。AT89C2051余下的并行I/O線已經(jīng)不能滿足數(shù)據(jù)的并行輸出，但可以考慮串行輸出方法。共陽極從數(shù)字0～所對應(yīng)的段碼為C0H,F9H,A4H,B0H,99H,92H,82H,F8H,80H,90H。本次設(shè)計(jì)使用的是LG5011 LED發(fā)光二極管。 顯示電路的設(shè)計(jì)LED發(fā)光二極管通常分為7段位和八段位（相差一個(gè)小數(shù)點(diǎn)），同時(shí)又被分成共陰極和共陽極。圖36 存儲器擴(kuò)展電路。24C01是1k電可擦只讀程序存儲器，它只是用一條數(shù)據(jù)線和一條時(shí)鐘線，所占用端口資源非常少，在一些端口資源不充足的情況下常常被使用。再經(jīng)過兩個(gè)串聯(lián)的電阻分壓，則得到0～5V的電壓信號，這樣就滿足了V/F轉(zhuǎn)換器的電壓輸入條件。表31為K性熱電偶產(chǎn)生的對于基準(zhǔn)點(diǎn)冷端的溫差電勢，由圖可知，當(dāng)0℃時(shí)，K型熱電偶的輸出為0mV，當(dāng)999℃時(shí)。要想保持測溫的準(zhǔn)確性，必須保持冷端的溫度恒定，因此將熱電偶冷端接地，這樣就也省去了溫度補(bǔ)償部分，是電路大大簡化。輸入輸出計(jì)算：輸入電壓范圍為0～10V輸出為 （式31）即 （式32）這樣，就可算出LM331的輸入輸出值。本電路必須使用低溫度系數(shù)的原件，所以電容選用聚酯薄膜電容。LM331把電壓信號轉(zhuǎn)化為脈沖信號后，將脈沖信號送到單片機(jī)的計(jì)數(shù)/定時(shí)端口，由單片機(jī)對頻率信號進(jìn)行接收、處理和儲存。其轉(zhuǎn)換電路如圖34所示：圖34 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路LM331各個(gè)引腳同能說明如下：腳1為脈沖電流輸入端，內(nèi)部相當(dāng)于脈沖恒流源，脈沖寬度與內(nèi)部單穩(wěn)態(tài)電路相通；腳2為輸出端脈沖電流幅度調(diào)節(jié)，RS越小，輸出電流越大；腳3為脈沖電壓輸出端，OC門結(jié)構(gòu)，不用時(shí)可懸空或接地；腳4為接地；腳5為單穩(wěn)態(tài)外接定時(shí)時(shí)間常數(shù)RC；腳6為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)脈沖輸入端，低于腳7電壓觸發(fā)有效，要求輸入負(fù)脈沖寬度小于單穩(wěn)態(tài)輸出脈沖寬度Tw；腳7為比較器基準(zhǔn)電壓，用于設(shè)置輸入脈沖的有效觸發(fā)電平高低；腳8為電源Vss，正常工作電壓范圍為4～40V。但在某些數(shù)據(jù)要求長距離傳輸，資金有限，精確度和精密度要求高的場合，A/D轉(zhuǎn)換器在使用時(shí)就多有不便，因此常使用V/F轉(zhuǎn)換器代替A/D轉(zhuǎn)換器。圖32 復(fù)位電路時(shí)鐘電路XTAL1和XTAL2為內(nèi)部放大器的輸入端和輸出端，這個(gè)放大器可以配置一個(gè)內(nèi)部振蕩器，如圖33所示：圖33 時(shí)鐘電路選用12MH的晶振作為8031的時(shí)鐘電路，電容C1=C2=30pF177。單片機(jī)檢測到復(fù)位信號后在第二個(gè)機(jī)器周期執(zhí)行一系列片內(nèi)復(fù)位操作，并且在RST變低前的每一個(gè)周期內(nèi)重復(fù)執(zhí)行。圖31 AT89C2051管腳圖復(fù)位電路選用了按鍵式復(fù)位電路，如圖32所示。本次設(shè)計(jì)只使用4個(gè)LED顯示器，顯示位數(shù)不多，因此采用4片8位移位寄存器串級使用的LED靜態(tài)顯示方式第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 控制單元的設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)從價(jià)格和性能入手對微處理器進(jìn)行選擇，性能主要包括指令系統(tǒng)功能和尋址方式、存儲器配置及可尋址空間、對電源的要求、環(huán)境情況及抗干擾性、I/O接口的配置情況等。如果使用鎖存器接口，則有幾位LED顯示器就需要幾個(gè)鎖存器。因此，靜態(tài)顯示器的輸出亮度較高。動態(tài)顯示的實(shí)質(zhì)是以犧牲CPU的時(shí)間來換取元件的減少，而且顯示位數(shù)越多，占用CPU的時(shí)間越長。（5）尺寸小。（3）由于是正向偏置工作，因此性能穩(wěn)定，工作溫度范圍廣，壽命長。其優(yōu)點(diǎn)為：（1）主動發(fā)光，一般產(chǎn)品亮度大于1cd/,高的可達(dá)10cd/。 顯示器的選擇論證本次設(shè)計(jì)采用LED顯示器。因此盡用一條I/O線與可控硅相連，同時(shí)通過程序?qū)崿F(xiàn)輸出導(dǎo)通脈沖的寬度和導(dǎo)通時(shí)間。為達(dá)到零觸發(fā)的目的，需要交流電過零檢測電路，此電路輸出對應(yīng)50Hz交流電壓過零時(shí)刻的脈